一种一体化多功能气相沉积装置及薄膜沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体薄膜沉积设备技术领域，尤其涉及一种一体化多功能气相沉积装置及薄膜沉积方法。

背景技术

在半导体领域，常常涉及到有机、无机等不同功能性质的薄膜材料，在产品制备过程中需要依次进行薄膜沉积；并且随着电子产品日益精细化，电子元器件的微纳尺度加工亦是重中之重。气相沉积因其成膜质量高、台阶覆盖性好、良好光电性能、微观尺寸可控以及适用于各种表面等优点而被广泛应用。

经检索，申请号CN115466927B的中国专利，公开了薄膜沉积装置及薄膜沉积方法，其目的是解决因溅射镀易于形成各种氮化物薄膜，而出现的如Si3N4、AlN、GaN等，溅射镀的沉积速率低的问题。

然而，薄膜的气相沉积工艺主要包括化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，iCVD)和原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)。其中CVD亦包括引发式化学气相沉积(Initiated Chemical Vapor Deposition，iCVD)和氧化式化学气相沉积(Oxidative Chemical Vapor Deposition,oCVD),分别用于制备半导体领域的有机聚合物介电层、绝缘层、封装层和电荷传输层、电极层等。而ALD工艺则被用来制备介电层薄膜。

制备完整的电子元件或集成电路，需要用到上述一种或多种工艺，每个工艺则需要用到各自的设备和真空腔体，因此造成了设备采购和维护的成本的增加。想要依次或者同时使用上述工艺进行元件制备仍然是一个难点，需要将样品基底从一个反应设备转移至另一个反应设备，这对于高成本的真空制备来说不仅浪费了时间和能源，还会使样品在转移过程中不可避免的接触空气环境，对元件造成不可逆的损害并降低成品率。虽然研究团队提供了单一腔体实现多工艺CVD的制备，但是oCVD用于制备导电聚合物时在腔体内部其他区域的沉积，会对iCVD加热丝等电子器件造成短路等负面影响。

此外，随着样品基底尺寸的增加，薄膜沉积不均匀导致的良品率降低的问题也日益凸显。现有的气相沉积装置因为其布气和导流的缺陷，导致腔体内气体分布不均、部分区域会有超反应现象。此外，针对ALD工艺，还需要有效控制其两种工艺气体的均匀布气和吹扫清洁效率之间平衡，从而实现高效均匀的ALD薄膜制备。

因此，研发一套集iCVD、oCVD和ALD设备于一体、并解决工艺间相互影响且提高工艺气体布气均匀性的反应装置具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种化学气相沉积和原子层沉积一体化装置及薄膜沉积方法，能够集iCVD，oCVD和ALD等半导体薄膜沉积工艺于一体的装置，能够尽可能避免因制备过程中腔体之间的转移而使样品基底受到损坏、减少工艺间的相互影响、改变工艺气体的布气导流、提高布气均匀性和清洁效率，并可以促进新材料的研发。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的一个方面提供了一种化学气相沉积和原子层沉积一体化装置。

包括：

反应腔，所述反应腔由上盖板、腔体本体和下底座三部分组成，均带有加热装置，且可分别拆卸维护，且所述反应腔可根据需求一分为二，避免了oCVD导电聚合物对iCVD不分组件的影响，所述腔体一分为二时，分别拥有各自的进气和排气；

基座组件，设置于反应腔底座，包括可水平旋转的样品台，样品台配置水冷和电热温控系统，基座组件可在一高位和一低位之间移动，样品台边缘设气体布气构件；

加热丝组件，设置为可在一高位和一低位之间移动；

布气花墙构件，设置在进/出气体测，每测至少包括一面布气花墙，导流分布制程气体。

优选地，反应腔体可能由上盖板、腔体本体和下底座三部分组成，均带有加热装置，且可分别拆卸维护；其中腔体本体可进一部分为上、下两个腔室，分别带有各自独立的进气口和排气口，根据制备需求腔体由自动闸板装置分隔；自动闸板可配置全开、全关以及位于全开和全关之间的状态，控制模式可为气动或电动结合手动，可PLC远程控制。

优选地，腔体形状可为方形或圆柱形，腔体构造成材质可能包括石英玻璃或不锈钢。

优选地，所述的基座组件设置于反应腔底座中央，组件所包含的样品台配置有水冷和电热温控系统，且样品台边缘设制程气体布气构件；

优选地，样品台可水平旋转，旋转速度及模式可通过PLC编程控制，转速1～150rpm可调，例如可以是1rpm，10rpm，20rpm，30rpm，40rpm，50rpm，60rpm，70rpm，80rpm，90rpm，100rpm，110rpm，120rpm，130rpm，140rpm，或150rpm等。

样品台温度可由循环冷却水在-10～90℃进行控制，例如可以是-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃或90℃；且可由电热板在60～400℃进行控制，例如可以是60℃，70℃，80℃，90℃，100℃，200℃，300℃，或400℃等；二者根据实际需求可进行编程设定协同工作；

优选地，所述基座组件可在一高位和一低位之间移动；所述高位和低位分别至少包括一个高度值，所述高位的最小高度值大于所述低位的最大高度值；

优选地，最低可降至下腔体区域，样平台底部位于腔体内底面上方0～10mm之间；最高可升至上腔体区域，样品台表面位于加热丝下方0～10mm之间，上述距离范围例如可以是0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm或10mm等。

优选地，所述的样品边缘的气体布气构件，沿样平台边缘布置，为环形或弧形立方体，弧段角度介于0～360°之间，例如可以是0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°，100°，180°或360°等；高度高于样品台表面1～20mm，例如可以是1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm或20mm等；朝向样品台中心的一面均匀或非均匀的开孔，孔径0.1mm～1mm，例如可以是0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm，0.9mm或1mm等；孔间距0.5mm～10mm，包括0.5mm，1.0mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm和10mm等，开孔面积占所处面面积百分比介于10～90％之间。该布气构件与样品台冷却部分接触面设置隔热板。

优选地，所述的加热丝组件可在一高位和一低位之间移动，所述高位和低位分别至少包括一个高度值，所述高位的最小高度值大于所述低位的最大高度值；根据制备需求，最低可降至腔体分隔板上方0～10mm之间，最高可升至上盖板下方0～10mm，上述距离范围具体包括0mm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm和10mm。

优选地，所述的布气花墙构件分别设置于上腔室和下腔室进气、排气口一测，每组构件由至少1面开孔花墙组成(例如可以是1面，2面，3面或4面等)，花墙一端与相邻上盖板或下底座紧密接触，另一端设置封闭板，阻止气体侧漏；花墙左右与腔体侧壁接触，形成封闭的配气空间。

优选地，布气花墙材质可以是石英石或不锈钢。

优选地，每面花墙在会在特定区域进行均匀或非均匀开孔，开孔形状可为圆形、方形、条形等，当量孔径0.1mm～10mm，例如可以是0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm，0.9mm或1mm等；间距0.5mm～20mm，例如可以是0.5mm，1.0mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm或20mm等，开孔面积所占花墙面积百分比0～100％之间。

优选地，还包括：

oCVD工艺气源、氧化剂气源、iCVD工艺气源、引发剂气源、ALD第一工艺气源、第二工艺气源和吹扫气源，所述工艺气源、引发剂气源和吹扫气源与所述上腔室和下腔室进气口相连通，用于分别输送工艺气体、引发剂气体和吹扫气体；所述氧化剂气源和吹扫气源与样品台布气构件连通，用于输送oCVD氧化剂气体和吹扫气体；

进一步地，所述自动闸板连接有闸板自动执行机构，用于控制自动闸板的关闭与打开；

所述连接有基座组件电动执行机构，用于控制基座组件的旋转和上下移动；

加热丝组件连接有电热丝电动执行机构，用于控制加热丝组件的上下移动，其中：

基座组件、加热丝组件、自动闸板的移动位置以及气源所连接通道的开关通过控制器进行自动控制不同沉积模式。

优选地，设置所述基座组件位于所述低位，且闸板关闭状态，用于oCVD薄膜沉积；设置所述基座组件位于所述高位或介于高位与低位之间，且加热丝开启，用于iCVD薄膜沉积或iCVD/oCVD共沉积。

优选地，所述化学沉积装置亦可用于ALD薄膜沉积，设置所述基座组件位于所述低位，且闸板关闭状态，用于ALD薄膜沉积，下腔体排气口控制下腔体压力，通过布气花墙控制工艺气体布气均匀性和减小抽气导流，此时，上腔体保持低真空态(例如保持小于等于3mtorr)；闸板开启状态，用于反应腔的吹扫，上腔室和下腔室排气口全开，增大抽气导流，提高吹扫清洁效率。

优选地，上腔室和下腔室的排气口，根据沉积工艺需求，可同时关闭，或可同时开启，或可仅开启其中之一；上腔室和下腔室均设置真空计以及配套的压力控制系统，可分别进行压力控制，亦可协同进行压力控制。

根据本发明的另一个方面，还提供了基于所述的化学气相沉积和原子层沉积一体化装置的方法。

一种薄膜沉积方法，包括以下步骤：

S1：将目标样品放置于所述任一种化学气相沉积装置基座组件的样品台上；

S2：降低反应腔内的压力至预定的最低压力；

S3：控制器选择/设置样品台旋转状态和温度，调整基座组件、自动闸板至对工艺对应状态：

S4：根据反应，通过对应进气口引入所需工艺气体，通过对应的排气口进行排气和压力控制，同时引入至少一种气体，具体为：氧化剂气体、引发剂气体、吹扫气体或者使加热丝通电开启。

进一步地，在步骤3中，所述基座组件可在一高位和一低位之间移动；

所述高位和低位分别至少包括一个高度值，所述高位的最小高度值大于所述低位的最大高度值，其中：

基座组件位于低位，自动闸板保持关闭；

基座组件位于高位或高位与低位之间，自动闸板保持打开；

基座组件位于低位，自动闸板定频开启和关闭。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供一体化多功能气相沉积装置，能够在一个反应腔体中实现包括iCVD、oCVD和ALD在内的多种化学气相沉积工艺的依次或者同时反应，进行薄膜沉积，免除了样品的多次转移，提高了制备效率、降低了制备时间、设备和能源成本。

本发明提供一体化多功能气相沉积装置，能够在实现多种气相沉积工艺在同一腔体进行反应的同时，通过自动分隔，最大限度的避免了各工艺之间的相互影响，降低了设备维护成本。

本发明提供一体化多功能气相沉积装置，通过在进气侧和排气侧分别进行布气和抽气导流，能够保证进入腔体气体的布气均匀性，提高腔体内气体的停留时间，改善沉积薄膜的均匀性，提高产品的良品率。

本发明提供一体化多功能气相沉积装置，通过在样品台边缘设置布气孔，不仅能够提高oCVD反应所需氧化剂有效利用率和反应速率，还有助于ALD制备时的吹扫速率的提高，

本发明提供一体化多功能气相沉积装置，利用腔体分隔、布气和抽气导流优势，下腔体工艺气体沉积反应时，结合布气花墙，有助于气体均匀分布；当吹扫时，闸板打开，上腔室和下腔室同时抽气，有助于工艺气体的迅速排除和腔体吹扫，减少吹扫时间，提高吹扫的清洁效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置基座组件位于高位的剖面结构图；

图2是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置基座组件位于高位和低位之间的剖面结构图；

图3是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置基座组件位于低位、腔体一分为二的剖面结构图；

图4是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置腔体形态和对应加热丝的俯视结构图；

图5是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置布气花墙构件的结构图；

图6是本发明一实施例提供的一种一体化多功能气相沉积装置样品台及边缘布气构件的结构图；

图7是本发明一实施例提供的样品台和气体布气构件的结构示意图。

图中：101、腔体本体；102、上盖板；103、下底座；104、加热丝组件；111、样品台；1111、电热温控系统；1112、水冷温控系统；121、气体布气构件；122、布气花墙构件；131、基座组件电动执行机构；132、闸板自动执行机构；133、加热丝电动执行机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

如图1-3所示，一种一体化多功能气相沉积装置，所述的气相沉积装置包括了反应腔，反应腔由上盖板102、腔体本体101和下底座103三部分组成，均带有加热装置，且可分别拆卸维护，且所述反应腔可根据需求一分为二(如图3)。所述腔体一分为二时，分别拥有各自的进气(1001、1002)和排气(1003、1004)。

腔体形状为圆柱形，如图5(a)，内部净直径400mm，材质为SS316L不锈钢；上腔室和下腔室内部净高均为140mm；上盖板中央带30mm厚石英石圆形视窗，视窗直径80mm。

基座组件设置于反应腔底座，包括可水平旋转的样品台111，样品台圆盘形，直径300mm，样品台配置水冷温控系统1112和电热温控系统1111。基座组件可在一高位和一低位之间移动，最高可升至上盖板下方15mm处，最低可降至底板上方5mm处。样品台边缘设制程气体布气构件121，如图7所示，布气构件程弧形，角度45°，高出样平台上表面6mm，朝向样品台中心的一面均匀开孔，孔径0.1mm，间距0.5mm。

上腔体设置加热丝组件104，与自动滑轨相连接，可在一高位和一低位之间移动；最高可升至上盖板下方10mm处，最低可降至分隔闸板上方10mm处。

上腔室和下腔室进气和排气两侧均设布气花墙构件122，所有构件均由2面花墙及下挡板组成，内侧花墙距腔体内壁最大距离20mm，花墙间距10mm。进气口侧的花墙构件，靠内的花墙下方三分之一均匀开圆孔，孔径1mm，间距2mm，靠外侧的花墙上方三分之一均匀开圆孔，孔径2mm，间距2mm。相反，进气口侧的花墙构件，靠内的花墙上方三分之一均匀开圆孔，孔径2mm，间距2mm，靠外侧的花墙下方三分之一均匀开圆孔，孔径1mm，间距2mm。

oCVD工艺气源与1002相连通，氧化剂气源与1007进气口相连通；iCVD工艺气源和引发剂气源与1001相连通，ALD工艺气源与1002相连通，吹扫气源与1002、1001及1007相连通。吹扫气源为氮气。

闸板自动执行机构132控制自动闸板的关闭与打开；基座组件电动执行机构131控制基座组件的旋转和上下移动；电热丝电动执行机构133控制加热丝组件的上下移动。

实施例二

如图4所示，在实施例一的基础上，腔体形状为立方体，如图4，内部净空间为800mm(长)×800mm(宽)×250mm(高)，材质为SS316L不锈钢；上腔体净高度80mm，下腔体净高度170mm；上盖板中央带30mm厚石英石圆形视窗，视窗直径80mm。

基座组件设置于反应腔底座，包括可水平旋转的样品台111，样品台圆盘形，直径650mm，样品台配置水冷1112和电热温控1111系统。基座组件可在一高位和一低位之间移动，最高可升至上盖板下方20mm处，最低可降至底板上方10mm处。样品台边缘设制程气体布气构件121，如图6所示，布气构件程弧形，角度360°，高出样平台上表面10mm，朝向样品台中心的一面均匀开孔，孔径0.1mm，间距3mm。

上腔体设置加热丝组件104，形状为方形，位置固定在上盖板102下方50mm处。

上腔室和下腔室进气和排气两侧均设布气花墙构件122，所有构件均由3面花墙及下挡板组成，内侧花墙距腔体内壁最大距离30mm，花墙间距10mm。进气口侧的花墙构件，最内侧的花墙下方二分之一面积均匀开圆孔，孔径0.5mm，间距1mm，中间花墙全面积开圆孔，孔径1mm，间距3mm，外侧花墙上方三分之一均匀开圆孔，孔径2mm，间距2mm。相反，进气口侧的花墙构件，最内侧的花墙上方二分之一面积均匀开圆孔，孔径2mm，间距2mm，中间花墙全面积开圆孔，孔径1mm，间距3mm，外侧花墙上方三分之一均匀开圆孔，孔径0.5mm，间距1mm。

oCVD工艺气源与1001和1002相连通，氧化剂气源与1007进气口相连通；iCVD工艺气源和引发剂气源与1001相连通，ALD工艺气源与1001，1002及1007相连通，吹扫气源与1001、1002及1007相连通。吹扫气源为氩气。

电动执行机构132控制闸板的关闭与打开；电动执行机构131控制基座组件的旋转和上下移动。

对比例1

本应用例提供了一种化学气相沉积装置，与实施例1的区别在于，该气相沉积装置无自动闸板和布气花墙，其余与实施例1完全相同。

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合具体应用进一步说明。

应用例1

本应用例提供了一种使用实施例1所属的一体化多功能气相沉积装置进行多工艺依次进行气相沉积的方法，包括：

将目标样品放置于所述任一种化学气相沉积装置基座组件111的样品台上，反应腔内的压力降低至小于等于3mtorr，通过控制器设置样品台旋转速度为30rpm，温度30℃，调整加热丝组件至上盖板下方20mm处，调整基座组件位于高位，且位于加热丝组件下方30mm处，自动闸板处于打开状态，使上腔室和下腔室成为一体，如图1所示状态。

打开1101进气阀门，引入iCVD工艺气体以及引发剂，开启加热丝，设置其温度为210℃。同时，利用1003和1004排气口进行排气，通过压力控制体系，控制腔体压力保持在500mtorr，进行iCVD气相沉积进行薄膜制备。

通过原位激光干涉进行实时监控薄膜生长进度，反应结束后，关闭1001进气入口，将1003和1004排气系统的阀门全开，进行排气。同时，关闭加热丝，调整基座组件降至低位，关闭闸板，将整个气相沉积装置分为两个腔体。开启样品台加热1111，设置样平台温度为110℃，通过控制器设置样品台旋转速度为50rpm。开启1002进气口，引入oCVD工艺气体，开启1007进气口，引入oCVD氧化剂气体，通过1004排气口以及下腔体压力控制系统，控制下腔体压力保持1000mtorr，开始在iCVD薄膜上原位依次进行oCVD薄膜的制备，如图3所示状态。

可根据制程需求，依次重复上述步骤，依次利用iCVD和oCVD工艺进行薄膜沉积，原位一体实现样品的制备。

应用例2

本应用例提供了一种使用实施例1所属的一体化多功能气相沉积装置进行ALD气相沉积的方法，包括：

将目标样品放置于所述任一种化学气相沉积装置基座组件111的样品台上，反应腔内的压力降低至小于等于3mtorr，通过控制器设置样品台旋转速度为50rpm，调整基座组件位于低位，自动闸板关闭，将腔体分隔，如图3所示状态。

上腔体保持3mtorr低压状态，开启1002引入ALD第一工艺气体，沉积反应结束后，自动开启闸板，如图1所示，开启1001和1007进气口，引入吹扫气体，同时通过1003和1004排气口进行排气，吹扫完成后，关闭1003排气口，关闭闸板，继续通过1002进气口引入第二工艺气体，进行反应。

重复上述步骤，直到薄膜符合要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。