專利名稱：基于可伸縮腔室的原子層沉積設備及其使用方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，尤其是涉及一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備及其使用方法。
背景技術：
傳統的原子層沉積設備中，為了在任何給定的反應溫度下均能使原子層沉積設備反應達到自行終止所需用的時間最小化，進入沉積室的化學試劑的流量必須達到最大化，因而需要在惰性氣體的稀釋作用最小和高的壓力的條件下將分子前體導入沉積室。短的沉積周期時間則要求這些分子前體必須快速從沉積室中去除，即要求沉積室中的氣體停留時
間最小化。氣體停留時間t與沉積室容積￥和反應室中的壓力P成正比，與流量g.成反比，gp
I· P
T-Y。從該公式可以看出，降低壓力P有利于降低氣體停留時間以及增大化學試劑前體的
清理速度。使沉積室反應時間最小化要求通過反應室的流量最大化，氣體停留時間和化學試劑的利用效率與流量成反比。因此，雖然降低流量可增大化學試劑的利用率，但又會增大
氣體停留時間，進而增大沉積反應周期時間。降低沉積室容積V亦可有效的減少氣體停留
時間，且由于容積變小，化學試劑的密度就會變大，進而能夠有效提高化學試劑的利用率，減少廢氣排放，降低污染。
圖1為傳統沉積腔室在沉積周期的四個階段的狀態圖，圖中，一次沉積反應周期一般包括四個階段第一化學反應氣體反應、第一清理氣體清理、第二化學反應氣體反應和第二清理氣體清理，因而針對這四個階段，給出各自階段下的沉積腔室的狀態。傳統的沉積
腔室在沉積周期的四個階段中都保持容積不變的狀態，根據公式t-g,可見此時影響氣
體停留時間的因素主要取決于腔室內的壓力以及氣體流量的大小，而影響腔室壓力的因素眾多，且諸多因素中往往具有耦合關系，很難從改變壓力的方向出發去調節氣體停留時間，氣體流量的大小不受外界影響，只和源瓶輸出快慢有關系，從公式可以發現流量越大，氣體停留時間越短，但這樣也造成了化學試劑利用率低下的情況，所以僅從流量控制著手，也要合理的衡量氣體停留時間和化學試劑利用率之間的關系。在縮短反應時間和提高化學試劑利用率以及清理氣體停留時間和化學試劑去除時間最小化這兩方面的折中平衡問題，傳統的原子層沉積設備無法很好解決。因而能夠實現短的反應時間和良好的化學試劑利用率，且能夠使清理氣體停留時間和化學試劑去除時間最小化，是現在原子層沉積設備發展的方向。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備，提高了原子層沉積設備的化學試劑的利用率，減少清理氣體停留時間和化學試劑的去除時間，進而降低沉積反應周期時間。本發明的另一目的在于提供一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備的使用方法。為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為
一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備，包括真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件、控制部件和沉積室；所述沉積室包括第一容積和第二容積；當所述沉積室在通氣狀態時，所述沉積室的容積為第一容積，當通氣結束后，所述沉積室的容積為第二容積；所述第一容積大于所述第二容積。上述方案中，所述控制部件包括計算機和數據處理模塊；所述計算機與所述數據處理模塊連接，所述數據處理模塊分別與所述真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件連接；
其中，所述計算機，用于顯示系統操作界面、接收外部命令、顯示系統各部件運行中的參數，向數據處理模塊發送運行指令和數據和對設備其它部件進行控制，并從數據處理模塊接收指令數據，對接收到的指令數據進行分析；所述數據處理模塊，用于對所述真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件發送的數據進行處理。上述方案中，所述加熱部件中的溫控器通過RS232串口與所述數據處理模塊連接。上述方案中，所述真空部件中的壓力傳感器和真空計分別通過RS232和RS485串口與所述數據處理模塊連接。上述方案中，所述數據處理模塊和所述真空部件中的電壓電流放大模塊連接，所述電壓電流放大模塊和繼電器連接，`所述繼電器下端為泵組電源。 上述方案中，所述數據處理模塊與所述等離子體產生部件中的射頻電源連接。上述方案中，所述數據處理模塊與所述氣路部件中的質量流量控制器以及各個電磁閥相連。一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備的使用方法，包括如下步驟
將沉積室的容積調整為第一容積，然后向所述沉積室通入氣體；
通氣結束后，將所述沉積室的容積調整為第二容積，所述第二容積小于第一容積。上述方案中,所述氣體為反應氣體或清理氣體。上述方案中，將所述沉積室的容積調整為第二容積后，所述氣體在所述沉積室中進行反應或清洗。與現有技術方案相比，本發明采用的技術方案產生的有益效果如下
本發明通過采用可伸縮腔室結構，提高了原子層沉積設備的化學試劑的利用率，減少清理氣體停留時間和化學試劑的去除時間，進而降低沉積反應周期時間，在短時間內加工出所需厚度的膜層，提高了設備的壽命，且能夠降低尾氣處理的難度。
圖1為現有技術中原子層沉積設備在沉積周期四個階段的狀態 圖2為本發明實施例提供的原子層沉積設備的系統結構 圖3為本發明實施例提供的原子層沉積設備在沉積周期四個階段的狀態圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進行詳細描述。如圖2所示，本發明實施例提供一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備，包括真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件、控制部件和沉積室15 ;沉積室15內包括第一容積和第二容積；當沉積室在通氣狀態時，沉積室的容積為第一容積，當通氣結束后，沉積室的容積為第二容積；第一容積大于第二容積。控制部件包括計算機21和數據處理模塊22，計算機21與數據處理模塊22連接，數據處理模塊22分別與真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件連接。其中，計算機21，用于顯示系統操作界面、接收外部命令、顯示系統各部件運行中的參數，向數據處理模塊發送運行指令和數據和對設備其它部件進行控制，并從數據處理模塊接收指令數據，對接收到的指令數據進行分析；數據處理模塊22，用于對真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件發送的數據進行處理。計算機21作為原子層沉積設備中的控制中樞，對原子層沉積設備的真空部件、力口熱部件、氣路部件、等離子體產生部件進行控制操作，控制設備各個部件之間的信息交流，是整個設備的調度中心，負責設備中涉及的數據處理的主要部分，完成設備中指令分析和發送、接收和處理其它部件的請求，實現控制功能，保證設備良好運行。
數據處理模塊22作為原子層沉積設備中的輔助數據處理中心，負責對原子層設備的真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件發送的數據進行處理,數據處理模塊22中固化了具體的數據處理程序，通過分析各個部件的請求，啟用相應的處理程序，實時快速的返回處理結果。本發明中計算機21和數據處理模塊22連接，計算機21用于顯示系統操作界面、接收外部命令、顯示系統各部件運行中的參數，向數據處理模塊22發送運行指令和數據和對設備其它部件進行控制，并從數據處理模塊22接收指令數據，對接收到的指令數據進行分析，協調和控制整個原子層沉積設備運行在正常工作狀態。加熱部件中的溫控器20通過RS232串口與數據處理模塊22連接，真空部件中的壓力傳感器和真空計23分別通過RS232和RS485串口與數據處理模塊22連接，數據處理模塊22作為射頻電源12、質量流量控制器1、質量流量控制器19、電壓電流放大模塊25和數據處理模塊22的數據信息交流處理通道，使得整個控制部件結構清晰，便于生產。數據處理模塊22和電壓電流放大模塊25連接，電壓電流放大模塊25和繼電器24連接，繼電器24下端為泵組電源18。數據處理模塊22和氣路部件中的電磁閥2至電磁閥7相連。本發明實施例還提供一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備的使用方法，包括如下步驟
(1)啟動計算機21，進入原子層沉積設備控制系統界面，設置預計沉積反應時間和設備其它工作參數；
(2)計算機21通過數據處理模塊22發送開啟命令，電源電流放大模塊25輸出高電壓，控制繼電器24的接通，進而開啟控制泵組電源18，啟動機械泵17和分子泵16 ;數據處理模塊22和氣路部件中的電磁閥2至電磁閥7相連，對電磁閥2至電磁閥5的控制是為了調節氣路通斷，對電磁閥6和電磁閥7的控制分別是為了調節氣路部件中的源瓶8和源瓶9的通斷；數據處理模塊22將計算機21的指令、數據傳送到質量流量控制器和電磁閥中，打開手動閥門10和手動閥門11，對沉積室15和管路進行抽氣，抽本底真空(約到5X10_4torr);數據處理模塊22對溫控器20、熱電偶提供的溫度信息進行分析處理，將結果返回給計算機21，計算機21監控加熱盤、源瓶、管路、腔壁的溫度，決定各個待加熱部件繼續加熱或停止加熱，使它們工作在設置的溫度狀態，完成對氣路部件、加熱部件的控制；
(3)通過計算機21設置流量計大小，并保存該值，打開質量流量控制器1、質量流量控制器19、電磁閥2、電磁閥3，氣體26、氣體27將進入氣路，對氣路部件進行充氣，計算機21對系統壓強實時監控，當系統達到所需工作壓強時，關閉上述質量流量控制器和電磁閥，停止充氣；
(4)設置沉積工作所需要的參數，計算機21將參數加入控制命令中，發送到數據處理模塊22，數據處理模塊22作為信息通道，將計算機21的指令發送到射頻電源12的接收部件中，控制射頻電源12的開啟以及對輸出功率的設定，同時，射頻電源匹配器13保證射頻電源12為等離子體產生系統14提供穩定的功率。射頻電源12的輸出功率作為數據處理模塊22的接收量反饋給計算機21，計算機21對該功率進行分析，以使等離子體產生部件中的等離子體產生系統14工作在穩定的狀態，從而完成對等離子體產生部件的控制并進行沉積；·
(5)在向沉積室15通入氣體前，沉積室15保持原始狀態，其容積為VI，此時源瓶輸入第一反應氣體，待源瓶關閉后，計算機21控制沉積室15的腔壁向里推進，至沉積室15的容積為V2時停止，等待化學試劑在設定時間內完成反應；反應結束后，計算機21控制第一清理氣體進入沉積室15，并使沉積室15恢復初始容積VI，待第一清理氣體停止通入后，沉積室進入V2狀態；清洗結束后，同樣恢復沉積室15至初始狀態，并通入第二反應氣體，完成如上同樣操作，待第二反應氣體反應完畢后，通入第二清理氣體，進行相同的清洗過程，這樣就完成一個反應周期，如圖3所示；
(6)在每一次沉積反應周期結束后，都進行上述步驟(5)的工作，直至沉積工作完成；
(7)沉積結束后，計算機21控制整個設備空運行η個周期，對原子層沉積設備進行吹掃凈化，發送指令，打開電磁閥6和電磁閥7，開啟源瓶8和源瓶9，對沉積室15進行凈化。(8)吹掃結束后，關閉程序，完成原子層沉積的全部工作。本發明從沉積室的容積出發，設計了在沉積周期四個階段中可以改變容積的腔室，有效的改變影響氣體停留時間的因素容積V，雖然V的變化會導致腔室壓力P的改變，但相較容積改變對停留時間的影響，壓力的改變對時間的影響較小，因而總體上可以只考慮容積改變帶來的結果。本發明在進行原子層沉積時，可確保原子層沉積設備能夠有效降低氣體停留時間的同時提高化學試劑的利用率，減少試劑浪費和尾氣污染，并能合理權衡利用率和氣體停留時間以及清理氣體停留時間和化學試劑去除時間之間的問題，縮短了沉積反應的總時間，提聞設備的使用壽命。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備，包括真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件、控制部件和沉積室，其特征在于所述沉積室包括第一容積和第二容積；當所述沉積室在通氣狀態時，所述沉積室的容積為第一容積，當通氣結束后，所述沉積室的容積為第二容積；所述第一容積大于所述第二容積。
2.如權利要求1所述的原子層沉積設備，其特征在于所述控制部件包括計算機和數據處理模塊；所述計算機與所述數據處理模塊連接，所述數據處理模塊分別與所述真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件連接； 其中，所述計算機，用于顯示系統操作界面、接收外部命令、顯示系統各部件運行中的參數，向數據處理模塊發送運行指令和數據和對設備其它部件進行控制，并從數據處理模塊接收指令數據，對接收到的指令數據進行分析；所述數據處理模塊，用于對所述真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件發送的數據進行處理。
3.如權利要求2所述的原子層沉積設備，其特征在于所述加熱部件中的溫控器通過RS232串口與所述數據處理模塊連接。
4.如權利要求2所述的原子層沉積設備，其特征在于所述真空部件中的壓力傳感器和真空計分別通過RS232和RS485串口與所述數據處理模塊連接。
5.如權利要求2所述的原子層沉積設備，其特征在于所述數據處理模塊和所述真空部件中的電壓電流放大模塊連接，所述電壓電流放大模塊和繼電器連接，所述繼電器下端為泵組電源。
6.如權利要求2所述的原子層沉積設備，其特征在于所述數據處理模塊與所述等離子體產生部件中的射頻電源連接。
7.如權利要求2所述的原子層沉積設備，其特征在于所述數據處理模塊與所述氣路部件中的質量流量控制器以及各個電磁閥相連。
8.一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備的使用方法，其特征在于，包括如下步驟 將沉積室的容積調整為第一容積，然后向所述沉積室通入氣體； 通氣結束后，將所述沉積室的容積調整為第二容積，所述第二容積小于第一容積。
9.如權利要求8所述的原子層沉積設備的使用方法，其特征在于所述氣體為反應氣體或清理氣體。
10.如權利要求9所述的原子層沉積設備的使用方法，其特征在于將所述沉積室的容積調整為第二容積后，所述氣體在所述沉積室中進行反應或清洗。
全文摘要
本發明涉及半導體制造技術領域，尤其是涉及一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備。所述原子層沉積設備，包括真空部件、加熱部件、氣路部件、等離子體產生部件、控制部件和沉積室；沉積室包括第一容積和第二容積；當沉積室在通氣狀態時，沉積室的容積為第一容積，當通氣結束后，沉積室的容積為第二容積；第一容積大于第二容積。本發明還提供一種基于可伸縮腔室的原子層沉積設備的使用方法。本發明通過采用可伸縮腔室結構，提高了原子層沉積設備的化學試劑的利用率，減少清理氣體停留時間和化學試劑的去除時間，進而降低沉積反應周期時間，在短時間內加工出所需厚度的膜層，提高了設備的壽命，且能夠降低尾氣處理的難度。
文檔編號C23C16/44GK103046022SQ20111030955
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者王燕, 李勇滔, 夏洋, 趙章琰, 石莎莉 申請人:中國科學院微電子研究所