Устройство дозированной подачи реактивных паров Российский патент 2023 года по МПК C23C16/455 C30B25/14 C23C16/513 C23C16/52 C23C16/54 C30B25/16 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к устройствам дозированной подачи реактивного пара в плазмохимические реакторы периодического действия для осаждения или травления тонких пленок, в частности, но не исключительно, в результате последовательных самонасыщенных поверхностных реакций.

Известно устройство дозированной подачи реактивного пара в плазмохимический реактор, содержащий вакуумную камеру, соединенную с источником плазмы, модуль откачки, соединенный посредством первого вентиля с вакуумной камерой, при этом в вакуумной камере установлен подложкодержатель, соединенный с блоком нагрева, содержащий также по меньшей мере одну систему подачи паров прекурсора, включающую контейнер с прекурсором, сопряженный с нагревателем, резервуар с парами прекурсора, соединенный с датчиком давления, соединенный посредством второго вентиля с контейнером с прекурсором и соединенный посредством третьего вентиля с источником плазмы, содержащий также модуль подачи газов, соединенный посредством четвертого вентиля с модулем регулирования расхода газов, который соединен с источником плазмы, содержащий также контроллер [US 9725805 В2].

Недостаток этого устройства заключается в повышенном расходе прекурсора, что удорожает его технологические плазмохимические процессы.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается в контроле за импульсной дозировкой и уменьшении расхода прекурсора, что удешевляет и повышает качество технологических плазмохимических процессов.

Известны многоступенчатые плазмохимические процессы атомно-слоевого осаждения и атомно-слоевого травления слоев и материалов. Эти процессы основываются на самоостанавливающихся реакциях модификации поверхности материала посредством хемосорбции на нем монослоя химически активных частиц (ХАЧ). При взаимодействии хемсорбционного слоя первых ХАЧ со вторым типом ХАЧ или низкоэнергетическими ионами, в зависимости от вида и энергии этих частиц, образуется атомарный слой заданного материала или удаляется атомарный слой материала при десорбции хемсорбированного слоя. Для реализации этих процессов требуются соответствующие ХАЧ, которые в большинстве случаев генерируются в плазме реактивных паров высокочистых сложных веществ (прекурсоров), производство большинства из которых уникально и весьма дорого. Для минимального нарушения формирования хемсорбируемого слоя плазменная активация ХАЧ проводится, в большинстве случаев, с использованием удаленного источника плазмы.

Процессы атомно-слоевого осаждения и травления материалов в технологиях производства микроэлектронных изделий электронной компонентной базы могут содержать сотни и тысячи циклов. При этом необходимо максимально экономить и контролировать импульсную дозировку подачи реактивных паров прекурсора в источник плазмы и вакуумную камеру для зажигания плазмы, генерации ХАЧ и формирования хемсорбционного монослоя на поверхности пластины. Для повышения производительности процессов и уменьшения влияния высокоэргетических ионов, часто процессы проводят при повышенном давлении паров прекурсоров, что сопряжено с повышением расхода прекурсора и неконтролируемым формированием нанокластерных частиц.

Многие прекурсоры при комнатной температуре находятся в жидком или твердом состоянии с низким давлением собственных паров. Для повышения давления пара контейнеры с прекурсором нагревают и, обычно, подачу пара прекурсора в вакуумную камеру осуществляют с помощью газа-носителя при пропускании его через жидкий прекурсор (борбатирование) или над поверхностью твердого прекурсора. Эти системы применяются, в основном, для стационарных процессов осаждения и травления. Импульсная подача пара в таких системах приводит к различным неконтролируемым переходным процессам. Так при пропускании газа-носителя изменяется температура, концентрация ХАЧ в течение импульса, с возможностью образования кластерных наночастиц и др. При этом неконтролируемо возрастает расход прекурсоров, растет стоимость плазмохимических процессов и вероятность брака из-за неожиданного полного расхода прекурсора в одном из контейнеров.

Таким образом, одним из основных недостатков импульсной подачи реактивных паров с помощью газа-носителя из контейнера с прекурсором, является повышенный и неконтролируемый в импульсе расход прекурсора и возможность образования нанокластерных и других неконтролируемых загрязнений.

В выбранном прототипе [US 9725805 В2] контролируемая импульсная подача реактивного пара прекурсора в источник плазмы, сопряженный с вакуумной камерой, проводится через вентиль из резервуара с парами прекурсора при заданном давлении. При этом давление реактивного пара, при закрытом первом вентиле между вакуумной камерой и модулем откачки, в связанных объемах (резервуар с паром, источник плазмы и вакуумная камера) выравнивается и резко уменьшается. При этом в реактивных парах могут быть нарушены условий зажигания плазмы (закон Пашена) или требуется высокое давление для термолизации ионной компоненты плазмы для формирования ненарушенного хемсорбированного слоя. Таким образом требуется повышенный, но контролируемый расход прекурсора Он достигается увеличения объема резервуара или давления в нем реактивного пара. Для увеличения давления пара, необходимо повысить температуру контейнера с прекурсором, которая ограничивается термической нестабильностью последнего.

Таким образом, основным недостатком прототипа является контролируемый, но повышенный расход прекурсора:

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве дозированной подачи реактивных паров, содержащем вакуумную камеру, соединенную с источником плазмы, модуль откачки, соединенный посредством первого вентиля с вакуумной камерой, при этом в вакуумной камере установлен подложкодержатель, соединенный с блоком нагрева, содержащий также, по меньшей мере, одну систему подачи паров прекурсора, включающую контейнер с прекурсором, сопряженный с нагревателем, резервуар с парами прекурсора, соединенный с датчиком давления, соединенный посредством второго вентиля с контейнером с прекурсором и соединенный посредством третьего вентиля с источником плазмы, содержащий также модуль подачи газов, соединенный посредством четвертого вентиля с модулем регулирования расхода газов, который соединен с источником плазмы, содержащий также контроллер, модуль подачи газов через пятый вентиль соединен с резервуаром с парами прекурсора.

Существует вариант, в котором в устройство введен источник вспомогательного газа, соединенный с резервуаром с парами прекурсора.

Существует также вариант, в котором резервуар с парами прекурсора включает поршень, сопряженный с первым приводом, при этом внутренняя поверхность резервуара с парами прекурсора и поршень покрыты антиадгезионной пленкой.

Существует также вариант, в котором резервуар с парами прекурсора выполнен в виде сильфона, сопряженного со вторым приводом.

Существует также вариант, в котором резервуар с парами прекурсора выполнен из диэлектрического материала и сопряжен с индуктором, соединенным через согласующее устройство с ВЧ генератором.

На фиг. 1 изображена компоновочная схема устройства дозированной подачи реактивных паров.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения резервуара с парами прекурсора, содержащего поршень.

На фиг. 3 изображен вариант выполнения резервуара с парами прекурсора в виде сильфона.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения резервуара с парами прекурсора, выполненного из диэлектрического материала и сопряженного с индуктором.

Устройство дозированной подачи реактивных паров содержит вакуумную камеру 1, соединенную с источником плазмы 2. Вакуумная камера 1 может быть изготовлена из нержавеющей стали. В качестве источника плазмы 2 можно использовать, например, источник индуктивно связанной плазмы в виде плоской антенны, отделенного от камеры кварцевым окном, или в виде удаленного источника плазмы, например, отсекаемого объема с источником индуктивно связанной плазмы (не показаны). Устройство содержит также модуль откачки 3, соединенный посредством первого вентиля 4 с вакуумной камерой 1. В качестве модуля откачки 3 можно использовать химически стойкую вакуумную систему на базе турбомолекулярного насоса и насоса типа РУТС. В вакуумной камере 1 установлен подложкодержатель 5, соединенный с блоком нагрева 6. В качестве подложкодержателя 5 можно использовать столик из нержавеющей стали, с резистивным нагревателем, а в качестве блока нагрева 6 можно использовать систему для резистивного нагревателя с ПИД-регулятором для контроля температуры нагрева. Устройство содержит по меньшей мере одну систему подачи паров прекурсора 7, включающую контейнер с прекурсором 8, сопряженный с нагревателем 9, резервуар с парами прекурсора 10, соединенный с датчиком давления 11, соединенный посредством второго вентиля 12 с контейнером с прекурсором 8 и соединенный посредством третьего вентиля 13 с источником плазмы 2. В качестве контейнера с прекурсором 8 можно использовать контейнер из нержавеющей стали. Нагреватель 9 может быть выполнен в виде ленточного нагревателя с рубашкой и ПИД системой поддержания заданной температуры. Датчик давления 11 может быть выполнен в виде мембранно-емкостного датчика давления. Это может быть обусловлено возможностью их работы с различными средами, в различных температурных диапазонах. Устройство может включать несколько систем подачи паров прекурсора 7. Это может быть обусловлено необходимостью осаждения слоев различного химического состава в едином цикле. Устройство содержит также модуль подачи газов 14, соединенный посредством четвертого вентиля 15 с модулем регулирования расхода газов 16, который соединен с источником плазмы 2. В качестве модуля подачи газов 14 можно использовать шкаф газобаллонный с технологическим газом. В качестве модуля регулирования расхода газов 16 можно использовать газовую линию, включающую регулятор расхода газа и клапан. Модуль подачи газов 14 может быть соединен с модулем регулирования расхода газов 16 посредством нескольких вентилей для подачи нескольких газов (не показано). Устройство содержит также контроллер 17, который может быть выполнен в виде промышленного компьютера. Модуль подачи газов 14 соединен с резервуаром с парами прекурсора 10 посредством пятого вентиля 18. Модуль подачи газов 14 может быть соединен с резервуаром с парами прекурсора 10 посредством нескольких вентилей для подачи нескольких газов с регуляторами расходов газа (не показано).

Существует вариант, в котором в устройство введен источник вспомогательного газа 19, соединенный с резервуаром с парами прекурсора 10 посредством шестого вентиля 20. Источник вспомогательного газа 19 может быть соединен с резервуаром с парами прекурсора 10 посредством нескольких вентилей для подачи нескольких газов (не показано).

Существует вариант (фиг. 2), в котором резервуар с парами прекурсора 10 включает поршень 21, сопряженный с первым приводом 22, при этом внутренняя поверхность резервуара с парами прекурсора 10 и поршень 21 покрыты антиадгезионной пленкой. В качестве первого привода 22 можно использовать электропривод с шаговым двигателем.

Существует вариант (фиг. 3), в котором резервуар с парами прекурсора 10 выполнен в виде сильфона 23, сопряженного со вторым приводом 24. В качестве сильфона 23 можно использовать металлический цилиндрический резервуар, боковые стенки которого выполнены в виде гофры. В качестве второго привода 24 можно использовать пневматический привод.

Существует вариант (фиг. 4), в котором резервуар с парами прекурсора 10 выполнен из диэлектрического материала и сопряжен с индуктором 25, соединенным через согласующее устройство 26 с ВЧ генератором 27. В качестве диэлектрического материала можно использовать кварц. Индуктор 24 может быть выполнен в виде медной трубки в форме цилиндрической спирали. В качестве согласующего устройства 26 можно использовать автоматическое согласующее устройство с переменными конденсаторами. В качестве ВЧ генератора 27 можно использовать генератор с частотой 13,56 МГц и мощностью до 1 кВт.

То, что в устройстве дозированной подачи реактивных паров в плазмохимический реактор, модуль подачи газов 14 соединен с резервуаром с парами прекурсора 10 приводит к возможности строго контролируемого разбавления реактивных паров прекурсоров дополнительными плазмообразующими газами, обеспечивая экономию прекурсоров.

В исходном состоянии, резервуар 10 находится под вакуумом и вентили 12,13,18 и 20 закрыты. При подаче по программе сигнала с контроллера 17 вентиль 12 открывается и проводится заполнение резервуара 10 парами прекурсора из контейнер 8 до достижения первого заданного давления, контролируемого датчиком давления 11, показания которого передаются на контроллер 17. По сигналу с датчика давления 11, контроллер 17 закрывает вентиль 12, и открывает вентиль 18 или 20, напуская дополнительный газ или реактивный пар другого прекурсора до достижения второго заданного давления. По программе контроллер 17 может обеспечить добавление в резервуар 10 и другие газы до соответствующих давлений. Таким образом, в резервуаре паров прекурсора 10 может формироваться контролируемая смесь реактивных паров различных прекурсоров и плазмообразующих газов до достижении заданного давления, и, соответственно заданного объема смеси.

При этом температура резервуара 10 и тракта подачи паров прекурсора в источником плазмы 2 поддерживается на таком уровне, чтобы избежать конденсации и образования нанокластерных частиц из реактивных паров прекурсоров при заполнении резервуара 10 и при заполнении реактора смесью паров прекурсоров из резервуара 10, когда температура при расширении смеси газа в резервуаре 10 и в реакторе будет уменьшатся.

После откачки вакуумной камеры 1 с источником плазмы 2 модулем откачки 3 и закрытия вентиля 4, проводится открытие третьего вентиля 13 и напуск смеси паров и газов из резервуара 10 в вакуумную камеру 1. Объем напускаемой смеси должен быть достаточным для достижения в реакторе заданного давления, необходимого для зажигания плазмы, формирования ХАЧ и образования хемсорбируемого монослоя на поверхности подложки 28. После образование хемсорбируемого монослоя, открывается вентиль 4, проводится откачка вакуумной камеры 1, источника плазмы 2 и резервуара 10, а после вентиль 13 резервуара 10 закрывается и далее цикл контролируемого формирования смеси реактивных паров и плазмообразующих газов повторяется.

Таким образом достигается контролируемая по составу импульсная подача смеси реактивных паров и газов, которая уменьшает расход прекурсоров и удешевляет технологические плазмохимические процессы устройства.

То, что в устройстве резервуар с парами прекурсора 10 включает поршень 21, сопряженный с первым приводом 22, при этом внутренняя поверхность резервуара с парами прекурсора 10 и поршень 21 покрыты антиадгезионной пленкой приводит к уменьшению времени подачи всего объема паров прекурсора в реактор, повышение давления паров в реакторе и, как следствие, к уменьшению минимального времени цикла, уменьшению расхода прекурсора и удешевляет технологические плазмохимические процессы устройства.

То, что в устройстве резервуар с парами прекурсора 10 выполнен в виде сильфона 23, сопряженного со вторым приводом 24 приводит к уменьшению времени подачи части объема паров прекурсора в реактор, повышению давления паров в реакторе и, как следствие, к уменьшению минимального времени цикла, уменьшению расхода прекурсора и удешевляет технологические плазмохимические процессы устройства.

То, что в плазмохимическом реакторе резервуар с парами прекурсора 10 выполнен из диэлектрического материала и сопряжен с индуктором 24, соединенным через согласующее устройство 26 с ВЧ генератором 27 приводит к возможности предварительной плазменной обработки прекурсора, что уменьшает расход прекурсора и удешевляет технологические плазмохимические процессы реактора.

В качестве примера рассмотрим технологию осаждения или травления атомных слоев.

Для этого используются две или более систем подачи паров прекурсоров 7, подключенных к газовой системе 14, контроллеру 17 и источникам 19.

В разных системах подачи паров прекурсоров 7, используются свои прекурсоры, поэтому контейнеры с прекурсорами 8 нагревают посредством нагревателя 9 до разных температур и пары прекурсоров перемещаются из контейнеров с прекурсорами 8 в резервуары с парами прекурсоров 10 через открытые вторые вентили 12 до различных значений заданного первого давления, измеряемого датчиками давления 11 и контроллером 17.

В дальнейшем проводятся операции формирования различных газовых смесей для различных паров прекурсоров и газов по заданной программе контроллером 17, как было показано выше.

Процесс начинается, когда вакуумная камера 1 с источником плазмы 2 откачивается до заданного вакуума, закрывается первый вентиль 4 и открывается третий вентиль 13 системы подачи смеси с парами первого прекурсора из резервуара 10 в вакуумную камеру 1. По завершении подачи смеси в вакуумную камеру 1 включают источник плазмы 2, генерируют ХАЧ и заряженные частицы, которые образуют в течение определенного времени на поверхности материала подложки 28 хемсорбционный монослой. После формирования хемсорбированного монослоя источник плазмы 2 выключают.Дальше может идти этап продувки для очистки стенок системы от физсорбированного слоя первого ХАЧ, как правило, азотом или аргоном.

Открывают первый вентиль 4 модуля откачки 3 и пятый вентиль 18 модуля подачи рабочего газа 14. Газ, проходя через резервуар с парами прекурсора 10, третий вентиль 13, источник удаленной плазмы 2 и вакуумную камеру 1 очищает данные системы. Продувка не является обязательной. При завершении продувки вентиль 18 закрывается и проводится откачка вакуумной камеры 1, источника плазмы 2 и резервуара с парами прекурсоров 10 до заданного вакуума, после чего третий вентиль 13 закрывают, и открывают второй вентиль 12, проводят новый цикла формирования смеси паров первых прекурсоров.

В это время из второй системы дозированной подачи реактивных паров второго прекурсора 7 в источник плазмы 2 вводят смесь паров второго прекурсора, зажигают плазму, генерируют ХАЧ второго прекурсора, которые вступают в реакцию с хемсорбированным слоем с образованием монослоя нового материала. По завершению поверхностной реакции отключают источник плазмы 2, проводят продувку и откачку системы, закрывают третий вентиль 13 и начинают новый цикл формирования смеси паров второго прекурсора. Продувка вакуумной камеры 1 может проводится также газовой системой 14 через вентиль 15.

Таким образом, в зависимости от вида хемсорбированного первого ХАЧ и поверхностной реакции с ХАЧ второго прекурсора или низкоэнергетичными ионами реализуются циклы плазмостимулированного атомно-слоевого осаждения или травления.

Циклическое повторение этих стадий и обеспечивает рост или травление пленки на подложке 28.

Устройство дозированной подачи реактивных паров позволяет жестко контролировать составом смеси паров прекурсоров, существенно снижая их расход, повышая качество и воспроизводимость технологических процессов и понижая их стоимость.

Изобретение относится к области микроэлектроники. Устройство дозированной подачи реактивных паров включает вакуумную камеру 1, модуль откачки 3, по меньшей мере одну систему подачи паров прекурсора 7, модуль подачи газов 14 и контроллер 17. Вакуумная камера 1 соединена с источником плазмы 2 и содержит подложкодержатель 5, соединённый с блоком нагрева 6. Модуль откачки 3 соединён посредством первого вентиля 4 с вакуумной камерой 1. Система подачи паров прекурсора 7 включает контейнер 8 с прекурсором, сопряжённый с нагревателем 9; резервуар 10 с парами прекурсора, соединённый с датчиком давления 11, посредством второго вентиля 12 - с контейнером 8 и посредством третьего вентиля 13 - с источником плазмы 2. Система подачи паров прекурсора 7 также содержит источник вспомогательного газа 19, соединённый с резервуаром 10 посредством шестого вентиля 20. Модуль подачи газов 14 соединён посредством четвёртого вентиля 15 с модулем регулирования расхода газов 16, соединённым с источником плазмы 2. В первом варианте резервуар 10 с парами прекурсора включает поршень, сопряжённый с электроприводом с шаговым двигателем, при этом внутренняя поверхность резервуара 10 и поршень покрыты антиадгезионной плёнкой. Во втором варианте резервуар 10 выполнен в виде сильфона, сопряжённого с пневматическим приводом. В третьем варианте резервуар 10 выполнен из диэлектрического материала и сопряжён с индуктором, соединённым через согласующее устройство с ВЧ генератором. Технический результат: уменьшение расхода прекурсора. 4 ил.

Устройство дозированной подачи реактивных паров, включающее вакуумную камеру (1), соединённую с источником плазмы (2) и содержащую подложкодержатель (5), соединённый с блоком нагрева (6), модуль откачки (3), соединённый посредством первого вентиля (4) с вакуумной камерой (1), по меньшей мере одну систему подачи паров прекурсора (7), включающую контейнер (8) с прекурсором, сопряженный с нагревателем (9), резервуар (10) с парами прекурсора, соединённый с датчиком давления (11), посредством второго вентиля (12) - с контейнером (8) с прекурсором и посредством третьего вентиля (13) - с источником плазмы (2), модуль подачи газов (14), соединённый посредством четвертого вентиля (15) с модулем регулирования расхода газов (16), который соединён с источником плазмы (2), и контроллер (17), отличающееся тем, что модуль подачи газов (14) соединён с резервуаром (10) с парами прекурсора через пятый вентиль (18), устройство дополнительно снабжено источником вспомогательного газа (19), соединённым с резервуаром (10) с парами прекурсора посредством шестого вентиля (20), при этом резервуар (10) с парами прекурсора: включает поршень (21), сопряжённый с электроприводом с шаговым двигателем (22), при этом внутренняя поверхность резервуара (10) с парами прекурсора и поршень 21 покрыты антиадгезионной плёнкой; или выполнен в виде сильфона (23), сопряжённого с пневматическим приводом (24); или сопряжён с индуктором (25), соединённым через согласующее устройство (26) с ВЧ генератором (27), и выполнен из диэлектрического материала.