CN102112655B - 原子层淀积设备和装载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原子层淀积设备和装载方法，其中，多个ALD反应器相对于彼此成一式样地放置，每个所述ALD反应器能够接收一批用于ALD处理的基底，且每个所述ALD反应器包括能够从顶部接近的反应室。利用装载机器人执行多个装载序列。每个所述装载序列包括：拾取位于存储区域或架中的带有一批基底的基底保持器；以及将带有所述一批基底的所述基底保持器移入目标ALD反应器的所述反应室中。

Description

原子层淀积设备和装载方法
技术领域
本发明涉及原子层淀积(ALD)设备和装载方法。
背景技术
原子层外延(ALE)方法是由Tuomo Suntola博士于二十世纪七十年代发明的。该方法的另一个通用名称是原子层淀积(ALD)，ALD这个名称现在已经取代了ALE。ALD是一种特殊的化学淀积方法，其基于将至少两种反应前体物种顺序地引导至位于被加热的反应空间内的基底。ALD的生长机制取决于化学吸收(化学吸附)和物理吸收(物理吸附)之间的键合强度差。ALD在淀积过程中利用化学吸附并且消除物理吸附。在化学吸附中，固相表面的原子与来自气相的分子之间形成强的化学键。因为物理吸附仅涉及范德华力，物理吸附的键合要弱得多。当局部温度高于分子的凝结温度时，物理吸附的键合很容易由于热能而破坏。
ALD反应器的反应空间，按照定义，包括能够交替地和顺序地暴露于用于薄膜淀积的每种ALD前体的所有受热表面。基本的ALD淀积循环包括四个顺序的步骤：脉冲A、净化A、脉冲B和净化B。脉冲A通常由金属前体蒸汽组成，脉冲B由非金属前体蒸汽、尤其是氮或氧前体蒸汽组成。在净化A和净化B的过程中，惰性气体(诸如氮或氩)和真空泵被用于从反应空间中去除气态的反应副产物和气态的残余反应物分子。淀积序列包括至少一个淀积循环。重复淀积循环，直到淀积序列已经产生所需厚度的薄膜。
前体物种通过化学吸附与被加热表面的反应区域形成化学键。通常设置条件以使得在一个前体脉冲中在表面上形成不多于一个分子单层的固态材料。因此生长过程是自终止的或自饱和的。例如，第一前体可包括保持附着到被吸附物种且使表面饱和的配体，这可阻止进一步的化学吸附。反应空间温度保持高于凝结温度并且低于所使用的前体的热分解温度，使得前体分子物种基本不受影响地化学吸附在基底上。基本不受影响指的是在前体分子物种化学吸附在表面上时不稳定配体可从前体分子离开。表面基本充满第一类型的反应区域(即第一前体分子的吸附物种)。该化学吸附步骤之后通常是第一净化步骤(净化A)，其中过量的第一前体蒸汽和可能的反应副产物蒸汽被从反应空间中除去。然后第二前体蒸汽被引入到反应空间中。第二前体分子通常与第一前体分子的吸附物种反应，由此形成希望的薄膜材料。一旦吸附的第一前体的总量已经消耗掉并且表面已经基本充满第二类型的反应区域，则该生长终止。然后过量的第二前体蒸汽和可能的反应副产物蒸汽通过第二净化步骤(净化B)被去除。接着重复该循环，直到薄膜生长到希望的厚度。淀积循环也可以更复杂。例如，循环可包括由净化步骤分开的三个或更多个反应物蒸汽脉冲。所有这些淀积循环形成通过逻辑单元或微处理器控制的定时淀积序列。
通过ALD生长的薄膜致密、没有小孔且具有均匀厚度。例如，由三甲基铝(CH3)3Al(也称为TMA)和250-300℃的水生长的氧化铝通常具有在100-200mm薄片上的大约1％不均匀度。通过ALD生长的金属氧化物薄膜适用于栅极电解质、电致发光显示器绝缘体、电容器电介质和钝化层。通过ALD生长的金属氮化物薄膜适用于例如在双波纹结构中的扩散势垒区。
例如评论文章R.Puurunen，“Surface chemistry of atomic layerdeposition：A case study for the trimethylaluminium/water process”，J.Appl.Phys.，97(2005)，p.121301中公开了适用于多种ALD反应器中的ALD过程的前体，该文献通过引用结合入本文。
在普通的反应器中，对单个晶片或基底施加ALD淀积循环。虽然这种单晶片处理可能能够满足研究开发目的，但是它不能满足例如可承受的大规模生产的要求，例如产品的物料通过量或维修之间的平均时间。
于2008年5月27日提交并且授权予本申请申请人的专利申请US 12/154879提出一种改进ALD反应器的物料通过量的解决方案，该专利的公开内容通过引用包含于此。在该解决方案中，一批基底被装载至竖直流反应器中的基底保持器中，并且同时处理反应器中的整批基底以改进物料通过量。虽然与单个基底反应器相比该解决方案代表朝向大规模生产的重要一步，但是还需要更进一步地改进物料通过量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种原子层淀积(ALD)反应器系统，包括：
多个ALD反应器，所述多个ALD反应器相对于彼此成一式样地放置，每个所述ALD反应器能够接收一批用于ALD处理的基底，每个所述ALD反应器包括能够从顶部接近的反应室；以及
装载机器人，其包括抓持部分和运动机构，所述装载机器人能够执行多个装载序列，以装载所述多个ALD反应器中的每一个，每个所述装载序列包括：
通过所述抓持部分拾取位于存储区域或架中的带有一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有所述一批基底的所述基底保持器移入目标ALD反应器的所述反应室中。
在一些实施方式中，所述装载机器人在每个装载序列中能够将所述基底保持器从所述反应室的顶部竖直地降低至反应室中，而不需经过单独的装载室。所述系统的所述ALD反应器的数量为两个或三个或更多个。
在一些实施方式中，预填充的晶片盒在装载机器人的辅助下被装载和卸载。
在一些实施方式中，所述基底为半导体晶片(例如硅晶片)，例如3到12”的晶片。
在一些实施方式中，所述基底包括10-100000件三维部件(例如2-10mm金属、玻璃或二氧化硅球)，在装载序列、淀积处理和卸载序列中，所述基底处于预填充的盒中
在一些实施方式中，每个所述ALD反应器包括：
盖系统，所述盖系统包括与反应室盖结合的反应器盖或真空室盖；以及
提升机构，其能够将所述盖系统提升以用于装载所述反应室。
在一些实施方式中，所述ALD反应器系统包括围绕所述多个ALD反应器、装载机器人和存储区域或架的高效空气微粒过滤器罩，例如HEPA过滤器罩。
在一些实施方式中，所述装载机器人能够在ALD处理后执行多个卸载序列，以卸载所述多个ALD反应器中的每一个，每个所述卸载序列包括：
通过所述抓持部分从目标ALD反应器中拾取承载有ALD处理过的一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有ALD处理过的一批基底的所述基底保持器移送到所述存储区域或架。
根据本发明的第二方面，提供一种方法，包括：
操作相对于彼此以一式样地放置的多个ALD反应器，其中每个所述ALD反应器能够接收一批用于ALD处理的基底，且每个所述ALD反应器包括能够从顶部接近的反应室；
通过装载机器人执行多个装载序列，以装载所述多个ALD反应器中的每一个，每个所述装载序列包括：
拾取位于存储区域或架中的承载有一批基底的基底保持器；以及
将带有所述一批基底的所述基底保持器移入目标ALD反应器的所述反应室中。
在一些实施方式中，在每个所述装载序列中，所述装载机器人将所述基底保持器从所述反应室的顶部竖直地降低至反应室中，而不需经过单独的装载室。
在一些实施方式中，该方法包括将高效空气微粒过滤器罩(例如HEPA过滤器罩)布置为围绕所述多个ALD反应器、装载机器人和所述存储区域或架。
在一些实施方式中，所述装载序列通过单个机器人执行，而无须人工操作员。
在一些实施方式中，该方法还包括在ALD处理后由所述装载机器人执行多个卸载序列，以卸载多个ALD反应器中的每一个，每个所述卸载序列包括：
从目标ALD反应器中拾取承载有ALD处理过的一批基底的基底保持器；以及
将带有ALD处理过的一批基底的所述基底保持器移送到所述存储区域或架。
在所有的实施方式中，不必要包括多个ALD反应器，在一些实施方式中单个ALD反应器就足够。因此，本发明的又一个方面提供一种原子层淀积(ALD)反应器系统，包括：
ALD反应器，其能够接收一批用于ALD处理的基底，并且包括能够从顶部接近的反应室；以及
装载机器人，其包括抓持部分和运动机构，所述装载机器人能够执行装载序列，以装载所述ALD反应器，所述装载序列包括：
通过所述抓持部分拾取位于存储区域或架中的承载一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有所述一批基底的所述基底保持器移入所述ALD反应器的所述反应室中。
本发明的特定方面和/或实施方式的优点包括改进ALD反应器的物料通过量、提高成本效益以及降低ALD反应器的装载(卸载)时间。
在下文的本发明的具体说明以及权利要求书中说明本发明的多种实施方式。实施方式是参照所选择的本发明的方面而说明的。本领域技术人员将理解，本发明的任何方面可以与该方面的其他实施方式结合。此外，任何实施方式可以单独或与其他实施方式结合地适用于其他方面。
附图说明
下面将参照附图仅示例性地说明本发明。在附图中：
图1示出根据一种实施方式的ALD反应器系统的装载机器人；
图2示出根据一种实施方式的抓持机构；
图3示出一种替代的实施方式；
图4示出根据一种实施方式的ALD反应器系统的部件；
图5示出根据一种实施方式的提升机构；且
图6示出根据一种实施方式的ALD反应器系统的布局。
具体实施方式
本领域技术人员已知ALD生长机制的基本原理。在本专利申请的背景技术部分也已经说明了ALD方法的细节。这里不再重复这些细节，而是引用背景技术部分。
图1示出根据一种实施方式的ALD反应器系统的装载机器人的例子。装载机器人110连接至基座105并且包括可转动地彼此连接的一套臂111-114。臂111-114通过计算机控制系统(未示出)控制以获得希望的运动。
装载机器人110从臂111的下部111a通过螺栓或其他适合的连接装置连接至基座105。臂111的上部111b以及与之连接的装载机器人110的其他部件能够如箭头151所示的在水平面内转动。臂112通过接合处连接至臂111并且能够如箭头152所示绕转动轴线A转动。臂113通过接合处连接至臂112并且能够如箭头153所示绕转动轴线B转动。臂114通过接合处连接至臂113并且能够如箭头154所示绕转动轴线C转动。臂114也能够如箭头155所示绕其自身的纵向轴线转动。
图1所示的臂114包括T形结构，用于抓持承载一批基底130的基底保持器120，如图2更具体地示出的。虽然图1和图2中仅示出一个基底130，但是一批基底通常包括若干个竖直放置的基底(即基底的表面形成竖直的平面)。根据实施方式和ALD反应器的尺寸，一批基底中基底的数量可以从十个或几十个基底到几百个基底。基底可以在基底保持器120中彼此成一直线，且当成一直线时它们可以互相平行，如US 12/154879所示。基底由基底保持器120支撑。基底之间的间隔较小，以提高反应空间的效率。但是，间隔也足以使得前体流能够适当地进入基底之间。在一些实施方式中，基本的均一间隔通常在1-10mm范围内，在一种实施方式中在2-5mm的范围内。
如图2所示，T形结构可以包括臂114和垂直于臂114的杆215。杆215在两端可以具有突起225，突起225配合在基底保持器120的相应的提吊部分或钩214中。于是突起225承载基底保持器。替代地，臂114的端部可以形成图3所示的形状以提供替代的结构。在该实施方式中，臂114包含两个手指形部分，两个手指形部分通过与它们垂直的杆接合在一起，杆穿过手指形部分，使得突起325配合在基底保持器120的相应的提吊部分或钩214中。其他替代的用于承载基底保持器120的臂114也是可能的，并且可以根据实施方式执行。
基底保持器120的材料通常包括不锈钢、镍、钛、碳化硅(例如通过化学气相渗透由石墨制造的SiC)或石英。在一种实施方式中，在使用基底保持器之前将基底保持器120涂覆非结晶薄膜(例如100-200nm的A12O3)，以保护保持器的表面不受腐蚀源化学物的腐蚀。
图4示出根据一种实施方式的ALD反应器系统的部件。该系统包括第一ALD反应器机壳401，第一ALD反应器机壳401包括第一ALD反应器481。ALD反应器481是可以从上方接近的竖直流反应器，但是其他的ALD反应器构造也是可能的。在一种实施方式中，反应器481包括真空室，真空室由圆形配件形成，例如ISO圆形螺纹接头(ISO full nipple)，其具有与螺纹接头螺栓连接的法兰，或者CF配件等。根据该实施方式，配件的宽度足够大，以容纳用于一批100-300mm的晶片和加热器的反应室。在一种实施方式中，反应器的盖被布置为使得真空室盖461与反应室盖462结合以形成盖系统。盖系统可以通过提升机构470提高和降低。提升机构470可以通过气动升降机操作，并且其运动通过计算机(未示出)控制。在其他的实施方式中，可以使用步进马达替代气动升降机。
图4所示的系统还包括第二ALD反应器机壳402，第二ALD反应器机壳包括可以与ALD反应器481类似的第二ALD反应器(图4中仅示出盖)，该系统还包括放置在两个ALD反应器之间的装载机器人110。装载机器人连接至基座，在图4所示的例子中基座通过机壳410形成。单个装载机器人110用于(装载和卸载)两个ALD反应器，但是在一种替代的实施方式中，ALD反应器系统可以仅包括一个ALD反应器而非两个。
在图4所示的例子中，装载机器人110正在装载ALD反应器481。在一种实施方式中，ALD反应器481已经从淀积压强(一般为1-10hPa)排气至室内压强(一般为950-1050hPa)。一批基底被同时装载。ALD反应器481的盖(或组合的盖系统)已经通过提升机构470提升至上部位置，使得反应室的内部空间暴露。这在图5中更具体地示出，其中反应室的内部空间由附图标记585表示。
在装载站(装载空间/存储区域或架/搁板，未示出)装载机器人110接收或抓持基底保持器120，基底保持器承载一批待ALD处理的基底。在实践中，装载机器人110可以通过其具有适当的突起225或325的抓持部分或臂114等来抓持基底保持器120。装载机器人110的运动由计算机控制系统(未示出)控制，从而产生用于移动带有基底130的基底保持器120的运动机构。装载机器人110将带有该批基底130的基底保持器120从装载站运送向ALD反应器481。在紧靠ALD反应器481处，装载机器人110主要在通向反应室的孔上方沿水平方向移动基底保持器120。然后，装载机器人110将带有该批基底130的基底保持器120主要沿竖直方向降低至反应室的底部上。然后，装载机器人110释放对基底保持器120的抓持并且使臂114运动离开反应器。反应器盖通过提升机构470降低至关闭位置。反应室被从室内压强抽至真空。通过流动的惰性气体(例如氮气)将处理压强调整至通常约1-10hPa。在(热壁)反应室中基底温度可以被稳定至处理温度(通常约+80至+500℃)。
第一ALD反应器481对装载的该批基底130执行ALD处理(包括希望次数的ALD淀积循环)。在ALD处理后，反应室排气至室内压强，反应器盖通过提升机构470提升至上部位置，并且装载机器人110将带有ALD处理后的该批基底130的基底保持器120从ALD反应器卸载。装载机器人110将带有该批基底130的基底保持器120运送至卸载站(可以与前述装载站相同或者不同)。装载和卸载操作可以通过单个装载机器人110执行。适合的ALD反应器电子器件和装载机器人互相通信以执行正确的操作序列。
系统的第二和其他ALD反应器的装载和卸载类似地执行。可以在任何ALD反应器中的ALD处理开始之前首先对所有的ALD反应器进行装载。替代地，装载机器人110可以根据适合的操作调度在一些ALD反应器正在处理的同时对另一些ALD反应器进行装载或卸载。
图6示出根据一种实施方式的ALD反应器系统布局。该系统包括多个ALD反应器，多个反应器相对于彼此放置成一式样。在该例子中，反应器的数量为三，且其式样为三角形式样。单个装载机器人110用于ALD反应器601、602和603中的每一个。机器人110从存储区域或架606拾取预先填充的基底保持器(或盒)120以将其装载到反应器601-603中的一个中，并且在ALD处理后将其送回并拾取下一个预先填充的基底保持器。
在一种实施方式中，存储区域或架606包括计算机控制的定位工作台，例如滑动工作台，用于将基底保持器设置到装载机器人的最佳操作位置。
在该实施方式中，高效空气微粒(HEPA)过滤器罩690被布置为围绕ALD反应器系统(反应器、装载机器人和存储区域或架)以防止杂质微粒进入反应器或基底保持器(这也适用于其他实施方式)。这样可以形成局部的无尘室。在一种实施方式中，清洁的空气从罩顶部被引导至罩底部，以形成优选的空气层流。局部无尘室可以例如在更大的空间内构建。装载、ALD处理和卸载操作通过装载机器人和ALD反应器在所述局部无尘室中进行，而不需要人工操作员在局部无尘室中。
已经示出了多种实施方式。应当理解，在该文件中，术语“包括”、“包含”均为开放性的表达方式，而不是排他性的。
通过本发明的特定应用和实施方式的非限制性的例子，上述说明提供了发明人目前可以想到的执行本发明的最佳模式的完整和清楚的说明。但是，本领域技术人员很清楚，本发明并不限于上述实施方式的细节，而是可以使用等效的手段以其他实施方式执行，而不脱离本发明的特征。
此外，可以有利地使用本发明的上述实施方式的一些特征，而不需相应地使用其他特征。这样，前述说明应当仅认为示例性的说明本发明的原理，而不对其进行限制。故本发明的范围仅由权利要求书表示。

Claims (15)

1.一种竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，包括：
多个竖直流ALD反应器，所述多个竖直流ALD反应器相对于彼此成一式样地放置；每个所述竖直流ALD反应器能够接收一批用于竖直流ALD处理的基底，每个所述竖直流ALD反应器包括真空室和使得真空室盖和反应室盖结合形成的盖系统，真空室容纳能够从顶部接近的反应室；以及
装载机器人，其包括抓持部分和运动机构，所述装载机器人能够执行多个装载序列，以从所述反应室的顶部装载所述多个竖直流ALD反应器中的每一个的反应室，每个所述装载序列包括：
将盖系统提升至上部位置；
通过所述抓持部分拾取位于存储区域或架中的承载有一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有所述一批基底的所述基底保持器从反应室顶部移入目标竖直流ALD反应器的所述反应室中。
2.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，其中，所述装载机器人在每个装载序列中能够将所述基底保持器从所述反应室的顶部竖直地降低至反应室中，而不需经过单独的装载室。
3.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，其中，所述系统的所述竖直流ALD反应器的数量为两个或三个。
4.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，其中，每个所述竖直流ALD反应器还包括：
提升机构，其能够将所述盖系统提升以用于装载所述反应室。
5.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，包括围绕所述多个竖直流ALD反应器、装载机器人和存储区域或架的高效空气微粒过滤器罩。
6.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，能够通过单个机器人执行所述装载序列，而无须人工操作员。
7.根据权利要求1所述的竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，其中，所述装载机器人能够在竖直流ALD处理后执行多个卸载序列，以卸载所述多个竖直流ALD反应器中的每一个，每个所述卸载序列包括：
通过所述抓持部分从目标竖直流ALD反应器中拾取承载有竖直流ALD处理过的一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有竖直流ALD处理过的一批基底的所述基底保持器移送到所述存储区域或架。
8.一种用于竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统操作的方法，包括：
操作相对于彼此以一式样地放置的多个竖直流ALD反应器，其中每个所述竖直流ALD反应器能够接收一批用于竖直流ALD处理的基底，且每个所述竖直流ALD反应器包括真空室和使得真空室盖和反应室盖结合形成的盖系统，真空室容纳能够从顶部接近的反应室；
通过装载机器人执行多个装载序列，以装载所述多个竖直流ALD反应器中的每一个，每个所述装载序列包括：
将所述盖系统提升至上部位置；
拾取位于存储区域或架中的承载有一批基底的基底保持器；以及
将带有所述一批基底的所述基底保持器从所述反应室的顶部移入目标竖直流ALD反应器的所述反应室中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在每个所述装载序列中，所述装载机器人将所述基底保持器从所述反应室的顶部竖直地降低至反应室中，而不需经过单独的装载室。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述系统的所述竖直流ALD反应器的数量为两个或三个。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法包括：
将所述盖系统提升以用于装载所述反应室。
12.根据权利要求8所述的方法，包括：
将高效空气微粒过滤器罩布置为围绕所述多个竖直流ALD反应器、装载机器人和所述存储区域或架，从而形成局部无尘室。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述装载序列通过单个机器人执行，而无须人工操作员。
14.根据权利要求8所述方法，还包括在竖直流ALD处理后由所述装载机器人执行多个卸载序列，以卸载所述多个竖直流ALD反应器中的每一个，每个所述卸载序列包括：
从目标竖直流ALD反应器中拾取承载有竖直流ALD处理过的一批基底的基底保持器；以及
将带有竖直流ALD处理过的一批基底的所述基底保持器移送到所述存储区域或架。
15.一种竖直流原子层淀积(ALD)反应器系统，包括：
竖直流ALD反应器，其能够接收一批用于竖直流ALD处理的基底，并且包括真空室和使得真空室盖和反应室盖结合形成的盖系统，真空室容纳能够从顶部接近的反应室；以及
装载机器人，其包括抓持部分和运动机构，所述装载机器人能够执行装载序列，以从所述反应室的顶部装载所述竖直流ALD反应器的反应室，所述装载序列包括：
将所述盖系统提升至上部位置；
通过所述抓持部分拾取位于存储区域或架中的承载一批基底的基底保持器；以及
通过所述运动机构将带有所述一批基底的所述基底保持器从所述反应室的顶部移入所述竖直流ALD反应器的所述反应室中。
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