沉积室表面增强和最后得到的沉积室的制作方法

专利名称：沉积室表面增强和最后得到的沉积室的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及蒸气与气体运送系统。更具体地说，本发明涉及半导体工业沉积薄膜用的沉积室。
背景技术：
随着半导体工业上半导体器件的尺寸持续变小，必须开发改进的系统和方法用以制作器件上的薄膜。制作薄膜的传统技术包括化学气相沉积(CVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
CVD方法广泛用于沉积薄膜的半导体工业。在传统CVD工艺中，薄膜和薄层在封闭的沉积室内沉积在基片上达所需的厚度。该沉积室也称之为“反应室”。为了沉积该薄膜，所述基片置于沉积室内。该沉积室是密闭的，该基片受热且将混合气体引入该沉积室。正如本领域普通技术人员所知，沉积室内发生化学反应，在该基片上沉积所需材料的薄膜或薄层。尽管CVD被证明是沉积薄膜的有效方法，但是对更小半导体器件的需求甚至要求更高质量，更薄的薄膜，而传统的CVD工艺是无法达到稳定生产的目的。
本发明在此认识到传统的CVD沉积室尤其不利于转换成原子层沉积法(ALD)。因此，正在进行的研究与开发旨在提供改进的沉积室，其更适合于用ALD法生产极薄的薄膜。ALD工艺优于CVD工艺，诸如在比CVD工艺沉积薄膜所用温度更低的温度下能控制沉积膜的厚度。还有，ALD工艺可以用于形成比那些用CVD工艺形成的膜薄得多的薄膜(即门电路氧化物膜(gate oxides)，电池电解质膜或扩散阻碍膜)，相当于被沉积材料一个或几个原子层的数量级。而且，ALD可用以沉积许多材料，要比CVD工艺形成的薄膜具有更好的均匀性与覆盖性(coverage)。然而，ALD工艺中使用的化学反应要比CVD法产生造成更多副产物加合物，积聚在沉积室的内表面。还有，所述内表面成了影响ALD性能的源头。该副产物的积聚会引发颗粒污染问题，其中沉积室内积聚物必须设法清除或擦洗，以除去过剩的副产物残渣。因此，传统CVD法采用的沉积室不适用于ALD工艺。
在ALD工艺中，含有被沉积材料的前驱体的反应物气体通常每次在反应室中引入一种，这一点与CVD工艺不一样，CVD工艺一次可以同时引入两种以上前驱体反应物气体，然后发生反应而生成薄膜。在ALD工艺中，第一反应物气体或前驱体通过气管或诸如所谓“喷淋头”(shower head)(由于它的物理构型)的分配头引入反应室，其中第一反应物气体或如水蒸汽一类蒸气的单分子层通过化学吸附吸附在基片表面上。然而，该沉积室的内表面也可以涂覆一层如水蒸汽的第一反应物气体。然后将水蒸汽从反应室内抽出，且将惰性气体充入或泵入反应室进行冲洗，水被赶出反应室，其中冲洗用的惰性气体不会吸附在所述基片的表面或所述反应室的内表面。然后将第二反应气或蒸气引入该反应室，基片表面上的水与第二反应物气体在基片表面的内表面上进行反应生成经测量厚度仅为数个原子的材料层。以这种方式，反应物气体以脉冲方式被顺序沉积在沉积室内的基片表面上而形成所需材料的原子层，每次沉积一层。
然而，由于ALD工艺中采用的反应物气体反应活性很高，当所述反应物气体除了暴露在基片表面上，还相互暴露在沉积室内各个角落，因此反应物气体有可能反应，且因物理吸附、化学吸附或冷凝作用而粘接或附着在气体接触的任何表面上形成颗粒物或一层膜。因此，反应室可以存在沉积在沉积室内各表面上的残剩反应物气体，它们会造成不需要的化学反应。不需要的化学反应会降低沉积工艺的效率，造成该沉积室内表面(即气管、喷淋头、室壁等)腐蚀，缩短ALD室的寿命(即2-5年)。除了造成沉积工艺低效，残剩反应物还会致使基片上形成的薄膜不纯。
ALD的另一个问题是由于本工艺必须分步重复进行，造成工艺很费时，因而进行缓慢。该ALD工艺自身很费时，还要因时不时清扫反应室上沉积的反应物或因ALD沉积室部件损坏而浪费更多时间，使得因清扫而停产或更换ALD沉积工艺中被腐蚀部件而降低了ALD工艺的效率。
ALD和CVD类型沉积工艺的另一个问题是沉积室部件的腐蚀。例如，沉积TiCl4的钛的等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺或采用WF6与NH3作工作气体沉积WNX的ALD工艺，每种工艺都给暴露在反应中的反应室表面造成腐蚀，缩短了该反应室的寿命。虽然传统的铝阳极化处理被用于传统CVD工艺所用沉积室部件内金属表面上，但成功者寥寥无几，结果证明该方法不合适。
因此，要求提供一种沉积室，它能尽可能减少因物理或化学吸附而造成反应物不定时沉积，进而减少了随之而来的反应室污染与部件腐蚀，因此能使所需的沉积过程重复进行很长一段时间，同时又使反应室部件寿命达最长，清洁与其它维护操作所需时间达最小。

发明内容
本发明包括制备沉积装置的方法，该装置包括反应室或沉积室，连同与工艺反应物接触基本上的非活泼或钝化的部件表面。设计了基本上非活泼的表面，即沉积工艺中采用的反应气体不能明显附着在反应室表面，因而非活泼表面基本上阻止了材料层或污染物在反应室或沉积装置任何其它部位表面上的偶尔堆积(以及潜在的工艺污染与部件腐蚀)。本发明还包括带有非活泼部件表面的沉积装置，其中与反应物气体接触的部件表面经钝化生成非常坚硬、低磨擦、无粘性表面，沉积工艺中采用的反应物气体完全不会附着在该表面。
本发明还包括沉积装置，这里也称之为“沉积室”，用于在基片上沉积薄膜，本发明还包括制作沉积室的方法。在几个实施方式中，该沉积室表面经一种或多种表面处理法进行钝化处理，以完全阻止沉积过程中采用的任何反应物气体附着在沉积室表面。
在本发明另一个实施方式中，沉积室包括沉积室部件内表面的温度调节，使得沉积工艺采用的反应物气体完全不会附着在沉积室表面。这一类温度调节实施后不会大幅度提高反应室内的温度，因而基本上不会干扰行进中的沉积过程。
本发明还包括测定位于沉积室内表面一处或多处最佳温度或温度范围，以降低反应物在该表面的物理吸附与化学吸附。该方法基于特定反应物材料在不同温度与各种工艺条件下被物理吸附、化学吸附或冷凝在沉积室表面上的预先测定量。表面吸附反应物的量为最小的温度或温度范围可以测得，沉积过程期间该表面维持在这种温度或这种温度范围内。
附图简要说明本发明的实质，以及本发明的其它实施方式可以通过参考下面本发明的详细描述、附加的权利要求以及这里的几张附图而得到清晰理解，其中

图1是本发明沉积室的局部横截面示意图；图2是图1所示沉积室的局部横截面示意图，它带有衬里；图3A是说明反应物物理附着在材料表面的曲线图；图3B是说明反应物物理附着在材料表面的曲线图；
图4是为阻止反应物材料附着在沉积室表面而带有加热元件的沉积室的局部横截面视图。
发明的最佳实施方式一般说来，本发明包括在各种基片，包括但不限于半导体基片上生成材料薄膜的沉积装置，制作这类沉积装置的方法，减少反应物气体与产物附着在装置表面的方法，以及使用该沉积装置的方法。本发明在以某些具体的实施例方式得到描述的同时，还提供了这些实施方式的具体细节，目的是提供对本发明的全面理解。但是本发明显然可以这里所示的具体实施例的各种组合进行实施。
在叙述下面的实施方式时，术语“晶片”与“基片”包括任何具有外露面的结构，在其上可以沉积绝缘体或绝缘层。术语“基片”还包括半导体晶片与其它本体半导体基片。术语“基片”还进一步用于指称中工过程中的半导体结构，可以包含在其上制作的其它各层。“晶片”与“基片”均包括掺杂与不掺杂半导体，由半导体基或绝缘基支撑的外延半导体层，以及本领域普通技术人员所知的其它半导体构造。
在以下叙述中，术语“沉积室”意指并包括用于将反应物原料作为薄膜或薄层以及它的元件沉积到基片上的任何沉积室。使用沉积室沉积薄片或薄层的已知方法包括原子层沉积(ALD)与化学气相沉积(CVD)，包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高效热化学气相沉积(RTCVD)等，但不限于这些方法。这里采用的术语“钝化作用”与“钝化处理”指的是使表面更硬更光滑，填表面缝隙、空隙或小洞，或给表面赋以硬、低磨擦、无粘性特性，使得反应气体完全不会附着在基片上。
本发明包括适于在基片表面上由反应物气体或反应物蒸气形成材料薄膜或薄层，而材料完全不会沉积在沉积装置表面上的沉积室。该沉积室内表面经钝化处理，使得反应物气体与蒸气难以附着在或冷凝在沉积室表面。因此，在本发明沉积室中进行的沉积过程更有效，因为它们更少受到来自残存反应物的污染，且更少发生由残存物引起的不需要的化学反应。而且，这里所述沉积室将有更长的寿命，因为它的内表面更少受到残存反应物的沉积而被腐蚀，或在清洁过程中造成损坏。这里所述的钝化表面可通过实施例的方式用于ALD，CVD，PECVD，RTCVD，以及本领域普通技术人员所知的其它沉积工艺的沉积室，但不限于这些工艺。
现在请参考图1，该图示意性地显示了本发明叙述中标号为10的实施例的沉积室。在所述实施方式中，该沉积室10用于ALD工艺，但本领域那些普通技术人员会明白该沉积室10也可以用于包括，但不限于各种类型的CVD(如PECVD，TRCVD等)的其它沉积工艺。正如本领域普通技术人员所熟知的，可以进一步明白该沉积室10是真空室。
正如本领域普通技术人员所知，这里所述的沉积室10的实施例由金属制成。可以用于构建沉积室10与该沉积室10的各种部件的金属包括钢、不锈钢、镍、铝以及包含上述一种或多种材料的合金，但不限于此。或者，该沉积室10或它们的部件可以由陶瓷或石英构建。
如图所示，该沉积室10的实施例包括箱体12和箱盖14。该箱体12围成一个室腔体16，在腔体内进行沉积工艺。箱盖14可以从箱体12移开，使得操作人员可以伸入腔体16放置基片30，以及进行维护保养与清扫腔体的工作。气体输送管道18通过箱体12，包括安排在箱体12内的孔22的输送装置20。该输送装置20还配以额外的蒸气管道26，它穿过沉积室10顶部上的箱盖14。气体输送管18最终接到喷头上，或气体运送头28，将冲洗气送入室腔16，且将反应物气体送入室腔16，进行基片30，如硅晶片上的材料沉积，所述基片被放置在支撑该基片30的平台32上。
气体输送管18与一个或多个关联的反应物气源24相连，该气源与沉积室10相连。虽然没有示出，但本领域人员都已知，如果该气体输送管18连至许多反应气源24，则该室腔16可以用来提供多种反应物气体，或同时或按顺序送入室腔内。该气体输送管道18也可以连至冲洗气的输送源36，因此冲洗气可以通过气体输送管18引入该沉积室10。
所述平台32可以包括本领域那些技术人员已知的加热机构，用于在沉积过程中加热基片30，这一点早为本领域普通技术人员所知。沉积室10可以任选地包括一组平台32，用以支撑置于该沉积室10之内的一组基片30。自动基片搬运装置连同平台32一起提供，使得在沉积室10内放置1个或多个基片30，且随后再取出该基片的过程可以自动进行了。
如图所示，沉积室10也包括排气管34，用以用泵(未示出)将废气从沉积室10排出。显然，尽管所述沉积室10可以包括一根气体输送管18与一根排放管34，但该沉积室10可以包括许多气体输送管18和/或许多排气管34，只要不偏离本发明的精神。例如，单独一根气体输送管18可以用于提供来自冲洗气输送源36的冲洗气体。
在所述实施方式中，该气体输送管18与排气管34包括金属制成的管道，但可以理解，本领域普通技术人员所知的任何运送与排放沉积室10的气体或蒸气的管道均被认为包括在本发明之列。该沉积室10还包括本领域普通技术人员所知的各种阀、法兰、管接头、密封件、O型圈、垫圈和其它密封器件(未示出)。用于封接各管路，且使各种气体能毫无泄漏地进出沉积室10。
根据本发明，沉积室10暴露在气体或蒸气下的各部件表面经钝化处理后，可以阻止任何气体、蒸气或反应产物附着并腐蚀所暴露的表面。正如本领域普通技术人员所知，如果有任何表面或表面部分不准备作钝化处理，可以用遮蔽方法防止被保护区域的钝化。钝化工艺使暴露表面失活，这样工艺中使用的反应物气体与冲洗气体不会以任何方式被物理吸收、化学吸收或附着在该暴露面。钝化处理可以使得该暴露面更硬与更光滑，如果有材料偶尔附着在该钝化表面，可从更容易地清洁沉积室10，使得清洁沉积室10更快更高效。而且，钝化工艺使得表面更耐久，因而该沉积室10对维修工具和清洁研磨剂更耐磨，不对沉积室10内积聚的副产物单耐腐。内表面的钝化处理提供了低磨擦、非粘性、坚硬且表面能低的钝化表面，使得它更耐磨和耐腐蚀，且在该沉积室10的热循环中也不会发生起皮或剥落。这里所述的钝化工艺还可以延长沉积室10的寿命。
在本发明一个实施方式中，在沉积室10中暴露在气体或蒸气中的金属表面可以通过涂覆涂料而被钝化。一种可以用以涂覆表面的材料为TEFLON涂料(特氟龙)。适用于该用途的TEFLON涂料包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯共聚物(FEP)、全氟烷氧聚合物(PEA)以及乙烯与四氟乙烯(ETFE)的共聚物，但不限于这些材料。TEFLON涂料粘附在沉积室金属表面的附着力可以通过本领域普通技术人员已知的方法增强，诸如使该金属表面变得粗糙(金属表面喷砂)、在粗糙金属表面涂一层底漆(如采用TEFLON底漆技术专为TEFLON涂料而设计)底漆，可购自E.I.duPont de Nemours，Wilmington，Delaware公司，且将TEFLON涂料经机械粘接填埋在已上过底漆的金属表面上形成的凹坑中。还可以进一步明白，TEFLON涂料表面通常不会吸收或粘接任何材料，因而沉积工艺中的各种气体与蒸气不会附着在TEFLON涂覆的表面。
本发明的沉积室10表面上采用的某些涂料可能与某些反应物或冲洗气体不兼容，一些涂料不能忍受沉积室10进行沉积工艺的高温或其它工艺条件。因此，选择用于涂覆沉积室10表面的涂料或涂层将取决于该沉积室10在进行沉积工艺时所要求的反应物与温度。例如，在所述实施方式中，ALD工艺所用的沉积室10的金属表面所涂的底漆应能忍受ALD工艺中通常使用的温度，如约150℃-200℃之间。或者，如果这里所述的沉积室10准备用于CVD工艺，则该聚合物应能忍受的温度约为200℃-300℃之间。而且，一种或多种涂料的选择将取决于该沉积工艺中使用的是何种反应物以及何种冲洗气体，以确保该涂料在各自沉积与冲洗过程中不会与反应物或冲洗气体发生反应。
除了TEFLON涂料之外，其它材料也可用以涂覆该沉积室10暴露的表面。其它可用的涂料包括各种各样的聚合物材料以及金属，但不限于这些材料。例如，General Magnaplate Corp(其公司总部在新泽西州的Linden)销售的已获知识产权的聚合物可用于涂覆沉积室10内暴露的金属表面。General Magnaplate Corp销售的这些聚合物可以这样施涂，首先通过本领域普通技术人员已知的金属清洁工艺彻底清洁金属表面(如采用溶剂、机械清洁、火焰清洁、喷砂等)，使金属表面织构化或对其进行蚀刻(如喷砂或打磨一类机械蚀刻，以及使用酸-碱一类蚀刻剂的化学蚀刻)，然后再采用本领域普通技术人员已知的金属沉积工艺(如化学镀或电镀工艺)将镍(Ni)附着在金属表面上。一旦附着一层镍后，Ni表面上的孔隙被放大(如使用酸溶液处理金属表面)，这样聚合物可以注入该表面层，且附着在其上。合适的涂层厚度在1-2.5μm之间。
其它可以附着在沉积室10内部暴露面的聚合物为TUFRAM涂料，新泽西州Linden的General Magnaplate Corp也有售。制造商将TUFRAM涂料描述为协同涂料(synergistic coating)。这里采用的术语“协同”指的是这样一种涂层，它将阳极化、镀敷或热喷镀等优势控制聚合物、干润滑剂或其它材料的注入，从而得到保护性更强的复合涂料。TUFRAM涂料可以附着在铝表面，之前铝表面已转换成Al2O3H2O，且以TUFRAM涂料取代H2O。TUFRAM涂料的涂覆厚度在约0.01mm-0.076mm之间(约0.0004时-0.003时之间)，公差为±0.005mm(±0.0002时)。通常TUFRAM涂料涂层厚度一般在金属表面之上占材料的50％，还有50％渗入金属表面。该涂层锁定在晶体基体之内与之上，形成连续密封与润滑表面，其硬度类似于表层硬化钢。用TUFRAM涂料涂覆的金属表面的洛氏硬度、磨损与研磨率约为RockwellC65，且采用锥度磨损法(如CS17轮)测得的平衡磨损率约为0.5-1.5mg/1000转(cycles)。而且，TUFRAM涂料涂覆的金属可以超过MIL SPEC要求高达30％。TUFRAM涂覆金属的摩擦因数低到0.05，其中静态摩擦因数随负载增加而下降，从而消除了粘性滑动。然而，该摩擦因数会改变，它取决于匹配表面的类型。而且，TUFRAM涂料涂覆的金属可在-360°F-800°F之间的间歇操作温度下采用，取决于涂覆金属的工艺与所用的金属合金的类型。TUFRAM涂料通常也超过MIL-A-8625的基本336小时盐雾测试要求，且甚至超过2200小时的盐雾试验。此外，一些可采用的TUFRAM涂料(即R-66、604、611与615)也抗大多数酸碱溶液。当前被认为适用于本发明的一种TUFRAM涂料是TUFRAM104涂料。
还有另一种聚合物可用于涂覆诸如铝一类金属，当前被认为适用的涂料是新泽西州Linden的General Magnaplate公司有售的MAGNAPLATE HCR涂料。MAGNAPLATE HCR涂料是一种协同涂料，涂覆厚度在约0.025mm-0.063mm之间(约0.001时-0.0025时之间)，公差为±0.005mm(±0.0002时)。通常MAGNAPLATE HCR涂料涂层厚度一般在金属表面之上占材料的50％，还有50％渗入金属表面。用MAGNAPLATE HCR涂料涂覆的金属表面的洛氏硬度、磨损与研磨率约为RockwellC65，且采用锥度磨损法(如CS17轮)测得的平衡磨损率约为1mg/1000次(cycles)。MAGNAPLATE HCR涂覆的金属的摩擦系数低到0.12，且工作温度范围在-200°F-600°F之间。MAGNAPLATE HCR涂覆的金属采用ASTM B-117在6061-T6上获得的抗腐蚀的盐雾试验超过15,000小时。
其它金属涂层，诸如铜、镍、镉、锌、锡或它们的合金可以通过电解、浸渍或化学镀膜法镀在沉积室10的内表面。金属涂覆工艺通过在表面沉积一层金属而使表面钝化。通过将金属沉积在表面上的凹坑、孔与盲孔处的金属层，使得金属表面均匀一致，而提供的金属材料也不易被前驱体气体、蒸气与生成产物污染。可以明白，涂覆金属镀层之后，可以在被镀金属表面上再涂前述诸如GeneralMagnaplate Corp提供的TEFLON涂料或其它聚合物涂料，填充表面上的孔隙，使已镀金属光滑，提供的是不易被沾污的表面。
在本发明另一个实施方式中，该沉积室10的表面可以衬上或覆盖一层可揭除的非活性衬里。现在请参阅图2，所示的衬里31被放置在该沉积室10的室腔16内。沉积室10在工作时，在基片30上生成薄膜的位置以虚线表示。图2所示沉积室10完全同于图1所示沉积室10，不同的是箱盖14被揭除。该衬里31有开口33与35，分别用于安置喷淋头28和排气管34，使气体进出由该衬里31所包围的室腔16。如图所示，该衬里31是可拆除下来的，在其受到污染时，可以被拆下进行清洁或被替换。如图所示，衬里31还包括许多段块，方便安装，且方便伸入室腔16。例如，如图所示，该衬里31的上部31a附着在箱盖14上，而衬里31的下部31b形成一个上下敞开式(open top and bottom)平截头圆锥体结构，其下端有一个槽口(notch)或开口35，排气管34的入口露出来。当然，可以采用任何形状的衬里和任意数目的衬里部件数，形成与沉积室空腔16、与之相连的入气管与排气管形状兼容的衬里。可用于衬里的合适材料包括本领域普通技术人员已知的钝化金属、石英、玻璃、陶瓷、聚合物以及其它化学上完全非活泼的材料(至少对沉积室10所用洗气和/或沉积工艺是非活泼的)，但不限于这些材料。使用衬里31的优点在于，如果该衬里31破损、过度磨损或被副产物过度污染，可以简单地从沉积室10取下来进行更换。因此，操作人员仅需更换该衬里31，而不必进行清洁或更换整个沉积室10。如图所示，一旦衬里31牢固定位于沉积室10的室腔16内，则箱盖14(如需要的话，连同附着的衬里件31a)被更换(如图1所示)，使沉积室10工作。根据设想，当然可用不同材料构建不同部件的多段块式衬里，取决于它们意欲替换的部件。
本发明还有一个实施方式，代之给沉积室10表面上涂层或做衬里的方法，或除了给沉积室10的内表面部分上涂层或做衬里的方法之外，可以采用由一种材料构建沉积室10的一个或多个部件，而这种材料对该沉积室10中使用的沉积与洗气工艺是完全非活泼的。例如，喷头28与基片平台32可以石英构建，因而反应物材料与洗气材料不会被吸附在这些部件上。
而且，反应物输送管18，排气管34，喷头28与基片平台32可以构建成使得它们可以附着在沉积室10上，并且如果被反应物过度污染或腐蚀的话，可以方便更换。
在本发明还有一个实施方式中，沉积室10的暴露面可采用化学处理进行钝化。用于处理表面的化学处理类型不同，取决于用于构建该沉积室10的金属材料或其它材料。例如，如果用铝来构建沉积室10，则铝的表面经钝化处理产生的表面具有优于元素铝或铝合金表面的均匀性、硬度与致密性。铝表面的钝化处理可按本发明的前述方式进行。
在化学处理的另一个实施例中，可对沉积室10的暴露面进行钝化处理的是被称之为“铬酸盐转化法”。正如本领域那些普通技术人员所知，铬酸盐转化法是通过经铬酸在可溶性盐类存在下处理金属表面的。在金属表面上生成胶状类金属氧化物膜，对各种材料起良好附着层作用，除了用作钝化膜之外，也可以如前所述作为另一种钝化膜附着于表面上。可以通过铬酸转化的金属包括铝、镉、铜、镁、银、锌等，但不限于此。
如果钢、其它含铁的金属合金或铝用于构建沉积室10，则对它的表面可以进行氮化处理，通过金属表面在含氮材料中加热产生硬化的氮化物表面，氮扩散掺入金属表面而形成硬壳。如前所述，该氮化金属表面可再经氟化聚合物，如TEFLON涂料，其它不粘性聚合物涂料或衬里进行钝化处理。
暴露的金属表面也可以将此表面与诸如三氟化氮、六氟化钨或溴化氢等钝化气体接触，或使钝化气像进行沉积或洗气工艺那样流经此表面而进行化学钝化处理。采用气体进行表面钝化的金属包括不锈钢、镍以及总部在印第安那州Kokomo的Haynes国际公司出售的HASTELLOY牌镍基合金，但不限于此。仅仅就举例来说，该钝化气可以与金属表面上的金属氧化物反应，以及将该金属氧化物分别在该金属表面上氟化或溴化成不透水的氟化物或溴化物。经本领域普通技术人员已知的电抛光或化学清洗方式而得到准备氟化作用或溴化作用的金属表面。在本发明中，作为沉积过程的一个步骤，该钝化气通过该沉积室10，或在清洁沉积室10之后将该钝化气送入系统中，这样在开始进行沉积过程之前形成该不透水层。
除了钝化气之外，也可以采用等离子气体对金属面进行钝化处理。例如，氩、氩/氦或氩/氢可通过电弧产生热原子、分子、正离子以及电子的混合物，该混合物射向金属表面而使表面钝化。在不锈钢情况中，活性氧可以用作钝化剂。而且粉末金属、氧化物、碳化物或耐高温材料(如铌、钼、硼、硅)的粉末与等离子体连同离子源一起被引入产生耐高温材料离子。产生的耐高温材料离子射向金属表面，使金属表面钝化。可以明白对气体输送管18或排气管34内部进行钝化非常困难，要受到管子长度与粗细的限制，可以采用等离子体进行钝化。因此，遥控等离子体工艺可用于这类管道内部的钝化处理。此外，产生的等离子体组分可送过管道，随后在该管路内激活，对管道内部进行钝化处理。
在本发明另一个实施方式中，沉积室10内暴露的金属面可以经抛光达到所需的可测RMS值，足以减少或消除反应物在它上面的附着，随后用各种技术从表面除去凹坑、隆起部、孔隙、小洞以及其它表面粗糙部分，提供均匀一致的表面。例如，已知的电抛光技术可用于对该沉积室10的至少部分表面进行抛光，尽可能使其光滑。正如本领域普通技术人员已知，电抛光是靠放置在化学电解槽的金属，将电流通过电解槽除去金属表面的金属离子而产生光滑面得以完成。
作为电抛光的替换方法，或除了电抛光法之外，金属表面可以采用物理(如火焰、等离子体、放电或激光)、化学、机械或本领域普通技术人员已知的其它抛光方法进行抛光。本发明各实施方式中采用的金属、玻璃、陶瓷或石英表面上可进行火焰抛光，通过局部加热方法，封盖表面缺陷。火焰喷雾方式的火焰抛光也可用于金属表面，其中金属丝、金属粉或金属粒通入氧炔焰炬，熔融并冲击半融状态下的金属表面，生成光滑的硬质表面。激光抛光采用激光短脉冲，使得表面层熔融，且再固化而生成光滑表层。化学抛光采用本领域普通技术人员已知的受控化学反应对金属表面进行抛光。例如，磷酸、硝酸、氟化物溶液或它们的混合物可用于溶解金属表面高出部分而生成光滑表面。机械抛光采用抛光垫布上的研磨材料、研磨浆料或磨擦器，或采用喷砂装置进行抛光。
这里所述的各种金属抛光方法可以组合使用。例如，大面积表面可以采用机械抛光法进行抛光，而机械抛光无法触及的地方可采用其它方法(如管道内部采用电抛光)进行抛光。而且，表面抛光之后，该表面还可以如前所述进行涂覆或表面处理。
在本发明另一个实施方式中，将沉积室10的暴露面加热至或维持在一个特定温度上或温度范围之内，阻止反应物气体在表面上冷凝，或物理吸附或化学吸附在该表面上。现在请参阅图3A，所示图形表示一个示例性反应物气体在表面上物理吸附和化学吸附。图中，X轴代表表面升温梯度，而Y轴代表被吸附在表面上的反应物气体渐增的浓度。正如图3A所示，通常在较低温度时，反应物物理吸附在表面上，如图中第一个峰100所示，而在较高温度时，通常为化学吸附，如图中第二个峰102所示。正如本领域普通技术人员已知的，化学吸附峰是ALD工艺中发生沉积时的代表性温度。因此应该避开与化学吸附峰相关的沉积室表面的温度，以阻止反应物化学吸附在沉积室10的表面(图1)。
图3A还显示曲线上有一个极小点104，在所示温度范围内，被吸附的反应物的量为最小。这极小点104处于物理吸附峰100和化学吸附峰102之间，且代表最佳温度范围，在该温度范围内，沉积室10表面受热以降低它对反应物的吸附。应该明白，峰100和102与极小点104随沉积工艺用的反应物以及不同沉积室10部件材料而变化。因此，对于沉积室10采用的每个沉积反应以及构建沉积室10的不同部件时所采用的材料，可能存在不同的最佳表面温度曲线。一旦特定沉积工艺采用的各表面材料和各种反应物最佳温度或最佳温度范围确定后，该表面在沉积阶段中就可以维持在这个温度上或这个温度范围之内，以便沉积室10表面吸附反应物或反应产物达最小。
然而，本领域的普通技术人员会明白，如图3B所示，对于有些表面和有些反应物，该物理吸收峰100会与化学吸收峰102重叠，或部分重叠，因而没有明显的使用温度或使用温度范围，使得反应物吸附最小。如图3B所示，吸附在金属表面的量最小的温度范围出现在如此高的温度，以至于不宜将本发明的此实施方式用在特定沉积工艺所采用的特定表面与反应物。
为了测定维持表面的最佳温度或温度范围，使得表面的反应物的物理吸附量为最小，表面上物理吸附反应物的量可以在不同温度进行测量。在不同温度下，因化学吸附而附着在表面上的反应物的量也可测定。正如图3A极小点104所示，使吸附在表面上的反应物最小的温度范围可以包括沉积室10的一个或多个表面加热时的温度，因此受到动力学钝化。
现在请参阅图4，图中示邮了沉积室110，它含有一个或多个加热元件50，用于共同或分别加热其内表面或与之相关的各表面(如要求将沉积室110的不同表面加热至不同温度)。加热元件50可以包括(如)电阻式加热件，它们很容易构建成各种部件与各种表面形状。图4中的沉积室110在结构上完全与图1所示的沉积室10相同。然而，图4中的沉积室110包括附加的一个或多个加热元件50的特点。正如所述，该加热元件50可以完全包围沉积室110的所有内表面，在沉积过程中，反应物与洗气气体接触沉积室110。加热件50可用于加热室腔16内的内暴露面52，排气管34内的内暴露面和气体输送管18内的内暴露面56，以及气体输送头28。将内暴露面52、54和56加热至同一温度，降低反应物或反应产物的物理吸附与化学吸附。正如先前图3A所述的极小点104所示的那样，由此内表面52、54与56被钝化了。
图4中的沉积室110也可以包括一个或多个温度传感器57，诸如热电偶或已知型号的基于片的温度传感器，因而可以监控沉积室内一处或多处内表面的温度，因此能更有效地受反馈系统60的控制(如处理器或小型逻辑电路)，该反馈系统与各温度传感器57相连而接收各内表面52、54或56温度指示信号，且提供、遥控或调节各加热元件50的功率，以控制它们的温度输出。
热交换器58也可以连同或替代加热元件50使用，以调节沉积室110暴露的内表面温度，再次由反馈系统60调节的表面温度对应于一个或多个温度传感器57的温度输出。因此，取决于所涉及的工艺有其温度范围，要考虑沉积室器件表面冷却以及加热，使其保持最佳表面温度条件，以避免前驱体原料的沉积，以及随后颗粒状污染物的形成。通常使用充液式热交换器电路调节温度，或使用小型可逆热电交换器。热交换器型号的选择对实施本发明并不重要。文中提到使用一个热交换器58，但只要不偏离本发明的精神也可以使用任何数量的热交换器58。尽管文中提到温度传感器57是在沉积室110的内表面52上，那是出于清晰与简单起见，该温度57也可以位于内表面52之下或在加热件50之下，或与加热件50并置。除了用加热件50或热交换器58钝化沉积室110的内表面52之外，该沉积室110的内表面也可以进行如前所述的化学处理、抛光处理或涂覆。
这里所述各种实施方式可以任意组合使用，使沉积室10表面钝化。例如，采用加热元件50的沉积室110的表面也可以如前所述进行抛光、化学处理或涂层，以尽可能降低偶然的沉积。
虽然本发明以各种示例性实施方式进行了说明，但本领域普通技术人员明白，显然可以作出对本发明所附的未被显示或特殊说明的内容进行增删和改变，只要它们均在下面所附的权利要求范围内。
权利要求
1.在至少一种基片上沉积至少一种材料的薄膜的装置，其包括沉积室，它构建成在其室内接受至少一个基片；以及许多与沉积室相通的管道；其特征在于，当该沉积室在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜时，该沉积室和许多管道包括暴露在至少一种反应物气体或蒸气中的内表面；以及内表面的至少一部分能抵抗至少一种反应物气体或蒸气在其表面积聚。
2.如权利要求1所述的装置，其特征为许多管道包括至少一个蒸气输送头，它的出口位于该沉积室内；至少一种气体输送管，它通过至少一个蒸气输送头与沉积室相通；以及至少一个与沉积室相通的排气管。
3.如权利要求2所述的装置，其特征为至少一部分内表面抗至少一种反应物气体或蒸气在其上积聚，所述内表面位于至少一个气体输送管、至少一个蒸气输送头和沉积室之内。
4.如权利要求1所述的装置，还包括用来封盖沉积室的箱盖，其特征为该箱盖可以打开而触及沉积室，且沉积室的表面是内表面部分。
5.如权利要求1所述的装置，其特征为具有抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的内表面包含涂层。
6.如权利要求5所述的装置，其特征为所述涂层包括聚合物、金属氧化物、氮化物、氟化物以及溴化物中至少一种。
7.如权利要求5所述的装置，其特征为所述涂层中至少一种成分包含作为气体涂覆在内表面至少一个部分的一种材料。
8.如权利要求7所述的装置，其特征为所述气体被吸附在所述内表面至少一部分而形成涂层。
9.如权利要求7所述的装置，其特征为所述气体在至少一个基片上沉积薄膜期间流经所述内表面至少一部分。
10.如权利要求1所述的装置，其特征为具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面包含因起保护作用而覆盖在所述内表面至少一部分的可揭除的衬里。
11.如权利要求10所述的装置，其特征为所述衬里包括玻璃、石英、陶瓷、以及金属中至少一种。
12.如权利要求10所述的装置，其特征为所述衬里包括众多部分。
13.如权利要求1所述的装置，其特征为具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面是完全没有凹坑、隆起部、孔隙、小洞以及其它表面粗糙部分。
14.如权利要求1所述的装置，其特征为具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面包括至少一种与此相关的温度调节元件。
15.如权利要求14所述的装置，其特征为所述至少一种温度调节元件包括加热元件和热交换器中至少一种。
16.如权利要求14所述的装置，还包括构建与定位在具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面的至少一个温度传感器，用于测定所述内表面的近似温度。
17.如权利要求16所述的装置，还包括连接在至少一个温度调节元件以及至少一个温度传感器的反馈系统，构建该系统用以调节表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面的温度，通过影响来自至少一个温度传感器的信号至少部分起响应的至少一个温度传感器工作而进行调节。
18.如权利要求1所述的装置，其特征为所述沉积室的箱体包含金属。
19.如权利要求18所述的装置，其特征为所述金属包括钢、不锈钢、镍、铝或包括上述任何一种的合金
20.如权利要求1所述的装置，其特征为所述沉积室的箱体包含石英。
21.如权利要求1所述的装置，其特征为具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚的至少一部分内表面包括所述内表面的表面处理。
22.如权利要求21所述的装置，其特征为所述表面处理包括电抛光、化学抛光、机械抛光、火焰抛光、放电抛光、激光抛光、化学钝化以及等离子体钝化中至少一种。
23.用于在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜而在装置内钝化表面的方法，其包括提供一个装置，它包括构建成在其内接受至少一个基片以及许多与之相通的管道的沉积室，所述沉积室以及许多管道包括该沉积室在至少一个基片上沉积的至少一种材料的薄膜时暴露在至少一种反应物气体或蒸气中的内表面；以及处理至少一部分内表面，在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜中，使该部分内表面具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚。
24.如权利要求23所述的方法，其特征为所述处理方法包括在所述内表面的至少一部分涂覆至少一种材料的涂层。
25.如权利要求24所述的方法，其特征为涂覆方法包括弄糙所述内表面至少一部分；在所述内表面至少一部分上涂覆一层底漆；以及在所述内表面至少一部分上涂覆氟化聚合物。
26.如权利要求24所述的方法，其特征为涂覆方法包括清洁所述内表面至少一部分；蚀刻所述内表面至少一部分；在所述内表面至少一部分上沉积镍；扩大镍中孔隙；以及通过在所述扩大的空隙中引入聚合物，将所述聚合物粘结在所述内表面至少一部分。
27.如权利要求24所述的方法，其特征为涂覆方法包括在所述内表面至少一部分上涂覆增效涂层。
28.如权利要求27所述的方法，其特征为在所述内表面至少一部分上涂覆协同涂层，包括TUFRAM涂料和MAGNAPLATE HCR涂料的一种。
29.如权利要求24所述的方法，其特征为涂覆方法包括在所述内表面至少一部分上铺设衬里。
30.如权利要求29所述的方法，其特征为铺设衬里包括众多部分的表面。
31.如权利要求29所述的方法，还包括在玻璃、石英、陶瓷、以及金属中选择衬里。
32.如权利要求23所述的方法，其特征为处理方法包括所述内表面的抛光。
33.如权利要求32所述的方法，其特征为抛光方法包括电抛光、机械抛光、化学抛光、放电抛光、激光抛光、火焰抛光中一种。
34.如权利要求23所述的方法，其特征为处理方法包括化学钝化和等离子体钝化中至少一种。
35.如权利要求23所述的方法，其特征为处理方法包括在内表面至少一部分上生成一层金属氧化物。
36.如权利要求23所述的方法，其特征为处理方法包括在盐溶液中用铬酸处理内表面至少一部分。
37.如权利要求23所述的方法，其特征为处理方法包括氮化内表面至少一部分。
38.如权利要求23所述的方法，还包括在所述内表面的至少一部分上生成一层含氟层或含溴层。
39.用于在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜而在装置内动态钝化至少一个内表面的方法，其包括提供一个装置，它包括一个沉积室和与之相通的许多管道，所述沉积室以及许多管道包括该沉积室在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜时暴露在至少一种反应物气体或蒸气的内表面；以及在沉积操作期间，所述内表面的一部分维持在至少为预定的温度范围之内，使该部分内表面具有表面抗至少一种反应物气体或蒸气积聚。
40.如权利要求39所述的方法，还包括监控所述内表面至少一部分的温度。
41.如权利要求40所述的方法，还包括对所述内表面至少一部分进行加热或对从所述监控中得到的响应进行除热中的至少一种。
42.用于在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜而在装置内至少一部分内表面上积聚至少一种反应物气体或蒸气的方法，其包括测定物理吸附在所建议用于至少一部分内表面上的材料在至少一段温度范围中的各自一组温度时的至少一种反应物气体或蒸气的量；测定化学吸附在所建议用于至少一部分内表面上的材料在至少一段温度范围中的各自一组温度时的至少一种反应物气体或蒸气的量；测定在所述温度范围内的至少一个温度，在此温度时由于物理吸附和化学吸附加在一起在所述材料上的至少一种反应物气体或蒸气积聚是否最小。
43.如权利要求42所述的方法，还包括确定在所述温度范围内的至少还有一个温度，在此温度时，由于物理吸附和化学吸附加在一起在所述材料上的至少一种反应物气体或蒸气积聚是否最小。
44.如权利要求43所述的方法，还包括采用至少一种反应物气体或蒸气操作所述装置在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜，所述装置具有所述材料生成的该装置至少一部分内表面，同时维持所述至少一部分内表面完全在至少另一个温度上。
45.如权利要求42所述的方法，还包括采用至少一种反应物气体或蒸气操作所述装置在至少一个基片上沉积至少一种材料的薄膜，所述装置具有所述材料生成的该装置至少一部分内表面，同时维持所述至少一部分内表面完全在某一个温度上。
全文摘要
揭示了在基片上沉积薄膜用的装置内的暴露面进行钝化的方法。沉积室和与之相通管道的内表面经钝化处理而阻止了在沉积工艺中反应物和反应产物在所述内表面上的吸附或化学吸附。为此目的而进行的表面钝化处理包括表面处理、衬里、温度调节或它们的组合。还揭示了一种测量温度或温度范围的方法，该温度范围使得表面上反应物和反应产物积聚的量最小。也揭示了在沉积室和气体流通管道内表面钝化的沉积装置。
文档编号C23C14/56GK1798867SQ200480002054
公开日2006年7月5日 申请日期2004年1月8日 优先权日2003年1月9日
发明者G·J·戴德里安, G·S·桑德胡, R·S·丹多, C·M·卡彭特, P·H·坎贝尔 申请人:微米技术股份有限公司