用於原子層沉積系統的石英晶體微天平組件的製作方法

2024-03-23 12:25:05

本發明涉及原子層沉積(atomic-layerdeposition,ald)，特別是涉及用於ald系統的石英晶體微天平組件。

本說明書所提及的任何公開文獻或專利文件均視為本說明書的一部分。

背景技術：

原子層沉積是一種在基板表面以非常良好控制的方式沉積薄膜的方法。沉積製程通過以下方式來控制：使用一種或多種氣相化學物質(前驅體)，並且使其在基板表面以自限制的方式順次反應。重複進行此順次反應以一層層地堆棧薄膜，其中，各層都是原子尺度。

ald用來形成多種不同的薄膜，例如用於先進柵極與電容介電質的二元、三元及四元氧化物，以及用於互連勢壘(interconnectbarriers)與電容電極的金屬基化合物。ald製程的概述在george所著的文章「atomiclayerdeposition:anoverview」chem.rev.2010,110,pp111-113中(於2009年11月20日發表於網絡)有介紹。ald製程也描述在us7,128,787美國專利中。ald系統的例子也公開在us2006/0021573美國專利申請以及pct申請wo2015/080979中。

ald薄膜典型地是在製程結束之後使用例如橢偏(ellipsometry)或者其它技術進行非原位(ex-situ)沉積膜厚測量來表徵。然而，原位(in-situ)膜表徵技術通常將會是更優選，因為可以提供有關ald製程的必要實時生長信息。

石英晶體微天平(quartzcrystalmicrobalance,qcm)已經在許多薄膜生長系統中用來測量膜生長，特別是物理氣相沉積(pvd)系統。曾經做出一些嘗試應用qcm於ald系統中。遺憾地，目前並沒有真正商業上可行的qcm。這很大程度上是因為ald與qcm技術所固有的關鍵技術挑戰。舉例來說，一個技術挑戰涉及ald的小沉積率，典型地是在0.1nm/min至10nm/min的範圍。即使qcm的解析度可以低至0.01nm，幹擾對於晶體共振頻率的影響會遠比其它具有較大沉積率的膜沉積製程(例如pvd)更為嚴重。

另一技術挑戰是ald的熱學性質。ald典型地使用50℃至350℃的範圍的溫度。因為qcm測量與溫度相關，因此qcm必須是熱穩定的。

還有一挑戰涉及ald製程的高保形性(conformality)。ald膜可以沉積地非常均勻，即使是在反應物源視線範圍外的3d凹陷中。因此，若沒有小心的措施，ald也會在qcm傳感器內沉積薄膜從而阻礙其運作。這是可能發生的，舉例而言，由於不慎地沉積介電膜於qcm傳感器的qcm晶體背面的電觸點上，從而使qcm晶體與qcm電路的電子元件絕緣開。為了解決此問題所做的努力包括使用環氧樹脂來密封qcm的背面，以及使用吹掃氣體。遺憾地，在商業ald系統中使用環氧樹脂是不希望的，這是因為適當地施用環氧樹脂有難度以及因為環氧樹脂本身會在反應室環境中導入不需要的化學物質。用來減少qcm上不需要的膜沉積的吹掃氣體流也是有問題的，因為它會影響反應室內部的流體動力學並且對膜生長造成不利影響。逆流吹掃還會在氣體流經晶體周圍時導致信號噪聲，以及需要qcm晶體背面與反應室內部之間的主動壓差管理。此種主動管理是複雜的也是高成本的。

另一挑戰涉及反應室尺寸。大多數商業ald反應器具有小的反應室容積以優化製程周期時間。舉例而言，來自ultratech/cambridgenanotechofwalthammassachusetts的savannahald系統具有直徑100mm至300mm而高度大約僅5mm的圓形反應室。由於反應室容積非常有限，現有的qcm構造(包括所謂的「獨臂(onastick)」構造)對於實際應用來說過大與過於笨重。

技術實現要素：

本發明的一方面是一種用於原子層沉積系統的石英晶體微天平qcm組件，原子層沉積系統具有反應室，反應室具有內部，該石英晶體微天平qcm組件包括：反應室的蓋體，該蓋體具有中央腔；qcm晶體，其具有前表面、背表面與直徑dq並且設置於中央腔的底部中，前表面接觸臺肩以使前表面的中央部相鄰於具有直徑do的qcm開口，且使前表面的中央部通過qcm開口裸露於反應室的內部，其中，(0.25)dq≤do≤(0.6)dq；固定器，具有上表面與向下延伸的多個導電彈性件，固定器設置在中央腔中，導電彈性件與qcm晶體電接觸同時壓靠qcm晶體以把qcm晶體的前表面的外部壓靠到臺肩上，從而在qcm晶體的前表面與臺肩之間形成第一密封；及法蘭，具有中央部，中央部緊密地位於中央腔的頂部內且緊鄰固定器，法蘭具有外部，外部具有下表面，該下表面緊鄰蓋體的頂表面並與之形成第二密封，該法蘭可操作地支撐電接觸件，該電接觸件與該固定器電接觸。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，第一密封不包括有密封材料或密封部件。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，中央腔中沒有吹掃氣體流。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，(0.25)dq≤do≤(0.4)dq。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括傳感器，其經由法蘭電連接於固定器。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括控制器，其電連接於傳感器。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括基座，其可操作地附接於蓋體以限定反應室。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括隔熱蓋，其尺寸能覆蓋反應室。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，反應室的內部具有範圍介於3mm至50mm之間的高度。

本發明的另一方面是一種用於原子層沉積系統的石英晶體微天平qcm組件，原子層沉積系統具有反應室，反應室具有蓋體，該石英晶體微天平qcm組件包括：所述蓋體，其中，蓋體具有頂表面、底表面與中央腔，中央腔包括位於頂表面的法蘭開口與位於底表面的qcm開口，法蘭開口通向中央腔的頂部，qcm開口通向中央腔的底部；其中，qcm開口具有由臺肩所限定的直徑do；其中，中央腔具有位於頂部與底部之間的中間部；並且其中，頂表面包括有環繞中央腔的o形圈槽，該o形圈槽可操作地支撐o形圈；qcm晶體，其具有前表面、背表面與直徑dq且設置於中央腔的底部中，前表面接觸臺肩以使前表面的中央部相鄰於qcm開口，其中，(0.25)dq≤do≤(0.6)dq；固定器，其設置於中央腔的中間部中，固定器具有上表面與向下延伸的多個導電彈性件，導電彈性件接觸qcm晶體的背表面並將qcm晶體的前表面的外部壓入臺肩中以形成第一密封；及法蘭，其具有中央部，該中央部緊密地位於中央腔的頂部中，該法蘭還具有外部，外部具有下表面，該下表面緊鄰蓋體的頂表面並與o形圈形成第二密封，該法蘭可操作地支撐連接器，連接器包括與固定器電接觸的電接觸件。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，(0.25)dq≤do≤(0.4)dq。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括傳感器，其經由法蘭電連接於固定器。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括控制器，其電連接於傳感器。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括基座，其可操作地附接於蓋體以限定反應室。

本發明的另一方面是上述qcm組件中，還包括隔熱蓋，其尺寸能覆蓋反應室。

本發明的另一方面是一種在原子層沉積系統中執行薄膜生長原位測量的方法，該原子層沉積系統包括反應室，反應室具有由基座與蓋體所限定的內部，該反應室可操作地支撐基板，該方法包括：提供與蓋體一體設置的石英晶體微天平qcm組件，該qcm組件具有qcm晶體，qcm晶體具有前表面且設置於臺肩上，該臺肩位於形成於蓋體中的腔的底部中，以使qcm晶體的中央部裸露於反應室的內部中且位於基板上方，同時固定器把qcm晶體的前表面的外部壓靠於臺肩上以形成密封，該密封不包括有密封材料或密封部件；及在反應室的內部中執行原子層沉積製程，以沉積第一薄膜於基板上以及沉積第二薄膜於qcm晶體的中央部上，同時利用傳感器驅動qcm晶體並且測量來自qcm晶體的輸出信號。

本發明的另一方面是上述方法中，qcm晶體具有直徑dq，qcm晶體的前表面的中央部具有直徑do，且其中(0.25)dq≤do≤(0.6)dq。

本發明的另一方面是上述方法中，通過固定器的向下延伸的多個導電彈性件來執行所述壓靠，固定器位於qcm晶體正上方且位於蓋體的腔內。

本發明的另一方面是上述方法中，還包括用設置於蓋體上的隔熱蓋來對qcm組件隔熱。

本發明的另一方面是上述方法中，反應室的內部具有範圍介於3mm至50mm之間的高度。

本發明的另一方面是一種用於原子層沉積系統的石英晶體微天平qcm組件，該石英晶體微天平qcm組件包括：原子層沉積系統的反應室的蓋體，該蓋體具有中央腔，該中央腔具有底部，該底部包括有臺肩，該臺肩限定了連通於反應室內部的開口；qcm晶體，其具有前表面，該qcm晶體設置於中央腔的底部中，前表面的外部接觸臺肩以使前表面的中央部通過所述開口裸露於反應室中；固定器，其設置於中央腔中且位於qcm晶體上方，該固定器設置成把qcm晶體的前表面的外部壓靠到臺肩上，以在qcm晶體的前表面與臺肩之間形成密封，同時在固定器與qcm晶體之間形成電接觸；法蘭，其設置成緊鄰蓋體的頂表面並且密封中央腔，同時經由固定器來提供與qcm晶體的電接觸；及傳感器，其位於反應室外，並且經由法蘭與固定器而電連接於qcm晶體。

本發明的其它特徵及優點在下面的具體實施方式中提出，且本領域技術人員將從描述中易於得知部分特徵及優點，或通過實施如說明書、權利要求和附圖所描述的實施例而認知部分特徵及優點。應了解的是，以上的總體描述及下面的具體實施方式都是示例性的，且意在提供用於了解權利要求本質及特性的概述或框架。

附圖說明

附圖包括在說明書中用來提供進一步的理解，附圖併入說明書中構成說明書一部分。附圖示出了一個或多個實施例，與具體實施方式一起用來解釋各個實施例的原理及運作。這樣，結合附圖從以下具體實施方式中將更全面地理解本發明。

圖1a為例示ald系統的前視圖；

圖1b為圖1a的例示ald系統的放大前視圖，顯示了反應室之上處於關閉位置的隔熱蓋；

圖2為圖1a的ald系統的反應器組件的前視圖；

圖3為圖2的反應器組件的放大前視圖，反應室的蓋體處於關閉位置，顯示出法蘭的一部分以及qcm組件的連接器；

圖4為反應室蓋體中央部的放大剖視圖，顯示出中央腔的例示構造，其用於容置qcm組件的構件；

圖5a為圖4的反應室蓋體中央部連同qcm組件的構件的局部分解剖視圖；

圖5b類似圖5a，顯示出處於組裝狀態的qcm組件的構件，也顯示出反應室的基座，以及設置於反應室的內部中的晶片；

圖6a為中央腔底部的放大剖面圖，顯示出qcm晶體可操作地設置於中央腔底部中的臺肩上，使得qcm晶體的中央部位於qcm開口之上且裸露於反應室的內部中；及

圖6b為例示qcm晶體的仰視圖，顯示出被臺肩所支撐的qcm晶體的環狀外部，以及位於qcm開口之上的qcm晶體的中央部。

具體實施方式

現請參考本發明的各個不同的實施例，在附圖中圖示了例子。只要可以，在所有圖中相同或相似符號及標記用於表示相同或相似部件。附圖並不是必定以原比例繪示，本領域技術人員將會理解附圖已經被簡化以繪示本發明的重要方面。

以下所提出的權利要求包括到具體實施方式中並且構成具有實施方式的一部分。

部分附圖中所繪示的笛卡爾坐標僅作為參考與方便圖示和說明之用，並非意圖限制方向或方位。

ald系統

圖1a為例示ald系統10的前視圖，圖1b為ald系統10的放大前視圖，圖2為例示ald系統10的反應器組件100的前視圖。於此簡單描述的ald系統10在us8,202,575美國專利中也有更詳盡的描述。

ald系統10具有艙20，其包括艙門22、側板24以及支撐反應器組件100的頂板26。艙20包括內部28，其尺寸可容納ald系統10及反應器組件100的各種構件(例如真空泵30以及前驅體氣體罐32)以及其它如控制電子組件、閥門、真空管線等部件(圖未示)。

反應器組件100包括反應室120，反應室120位於艙20的頂板26上。ald系統10包括隔熱蓋40，其尺寸可覆蓋反應室120以及以下所描述和介紹的qcm組件300的相關構件。隔熱蓋40用於使qcm組件300隔熱以及用於減少熱擾動從而減少測量噪聲。隔熱蓋40可以如圖1b所示鉸接於艙20的頂板26，或者可以根據需要如圖1a所示未連接於艙20而是可放置於頂板26上以及可自頂板26移除。圖3是反應器組件100的放大前視圖，蓋體140處於關閉位置，並顯示了qcm組件300的外部。

ald系統10還包括控制器50(例如計算機)，控制器50控制ald系統10的操作，且也可以作為於此所公開的qcm組件300的顯示器以及控制器，qcm組件300在以下會有更詳盡的描述。

反應器組件100的反應室120由蓋體140以及基座170所限定。蓋體140包括頂表面142、底表面144、側面146以及把手148。在一實施例中，基座170具有由圓筒形壁172所限定的圓筒形狀。基座170還包括底板174，底板174的尺寸可容置大(例如100mm或300mm)半導體基板(晶片)200，半導體基板200具有上表面202(如圖5b)。圓筒形壁172具有大致平坦的頂表面182，頂表面182包括槽184，槽184支撐o形圈186。圓筒形壁172、底板174以及蓋體140限定了內部176。o形圈186用於在蓋體140與基座170之間構成密封以在ald製程期間密封內部176。因此，蓋體140用於限定封閉的內部176，封閉的內部176具有高度h(見圖5b)。在一實施例中，高度h可以是在3mm至50mm的範圍，一例示的高度是標稱5mm。

基座170還包括鉸鏈裝置211，其與蓋體140的鉸鏈裝置141接合而形成鉸鏈213，鉸鏈213允許蓋體140可以相對於基座170處於關閉位置或開啟位置。因此，當蓋體140處於關閉位置時，蓋體140使內部176密封封閉；當蓋體140處於開啟位置時，蓋體140使內部176開啟。

基座170優選地是由低導熱率材料所形成，例如不鏽鋼。反應室120包括中軸線ac，其沿著z軸方向延伸且大致通過蓋體140和基座170的中心(見圖3)。

圖4為蓋體140的中央部的放大剖視圖。蓋體140包括中央腔150，其在頂表面142及底表面144處敞開。中央腔150包括相鄰於頂表面142的頂部152，相鄰於底表面144的底部154，以及位於頂部152與底部154之間的中間部156。在一實施例中，中央腔150的頂部152與底部154各具有大致圓形的橫截面，而中間部156則具有可匹配於下述固定器320的尺寸與形狀的矩形橫截面。

頂部152包括位於頂表面142處的寬中央開口162，以下稱為「法蘭開口」。中央腔150還具有在底部154中位於底表面144處的窄中央開口164，以下稱為「qcm開口」。在一實施例中，qcm開口164具有直徑do。在一實施例中，直徑do是在3mm至8mm的範圍。

在一實施例中，中央腔150具有階層式構造，其中，頂部152比中間部156寬，中間部156比底部154寬。此階層式構造在頂部152限定了臺肩153，在底部154限定了臺肩155，以及在中間部156限定了臺肩157。

如圖4所示，蓋體140的頂表面142包括槽244，槽244環繞法蘭開口162且支撐o形圈246。

qcm組件

於此所公開的qcm組件300是可操作地配置於蓋體140中。因此，在一實施例中，蓋體140構成qcm組件300的一構件。圖5a為圖4的蓋體140的中央部以及qcm組件300的放大剖視分解圖。圖5b類似圖5a，但顯示出處於組裝狀態的qcm組件300，也顯示出反應室120的基座170，以及位於反應室120的內部176中的晶片200。

qcm組件300包括qcm晶體310，qcm晶體310具有前表面312與背表面314。在一實施例中，qcm晶體310是可被5mhz至6mhz範圍的電子信號所驅動的6mhz石英晶體。qcm組件300還具有固定器320。固定器320具有上表面322、下表面324以及多個導電彈性件325，導電彈性件325自下表面324向下延伸。固定器320設置成緊鄰於qcm晶體310(qcm晶體310上方)，因而導電彈性件325建立了與qcm晶體310的背表面314的電接觸，同時也下壓qcm晶體310，如下所述。

固定器320藉由電纜344電連接於傳感器326。適當的傳感器326是來自inficon的型號stm-2的傳感器。因此，傳感器326通過固定器320電連接於qcm晶體310。

qcm組件300還包括法蘭330，法蘭330包括中央部350以及外部360。中央部350具有下表面354。中央部350緊配合於法蘭開口162中以及中央腔150的頂部152中，下表面354恰好位於臺肩153上方。外部360是環狀且具有下表面362。當法蘭330的中央部350位於頂部152中時，外部360的下表面362位於蓋體140的頂表面142上且與o形圈246共同構成密封。外部360包括通孔370，用於通過使用例如緊固件372(諸如六角螺釘)(見圖3)將法蘭330固定於蓋體140上。

法蘭330的中央部350可操作地支撐連接器340。連接器340包括電接觸件342，用於與固定器320的上表面322建立電接觸。在一實施例中，電接觸件342促使固定器320抵靠臺肩157以保持固定器320位於中間部156中。在另一實施例中，當固定器320向下推靠於qcm晶體310時，中央部350的下表面354的一部分用來保持固定器320位於中間部156中。

在一實施例中，連接器340是bnc連接器或類似的連接器，其允許通向傳感器326的電纜344(例如同軸電纜)可快速地連接或斷開。在一實施例中，傳感器326藉助第二電纜346電連接於控制器50，第二電纜346可以是usb電纜。

圖6a為可操作地設置於蓋體140的中央腔150的底部154內的qcm晶體310的放大圖，圖6b為qcm晶體310的仰視放大圖。請參照圖5b、圖6a及圖6b，qcm晶體310的前表面312的環狀外部312a止擋於臺肩155上。此配置使前表面312的中央部312c位於底部154的qcm開口164上方，因而此中央部312c裸露於反應室120的內部176。

在ald製程中，qcm晶體310被傳感器326所驅動，因而qcm晶體310會在選定頻率共振，這會被監測而作為來自qcm晶體310的輸出信號。反應室120的內部176中的反應產物沉積於qcm晶體310的中央部312c。此沉積會改變qcm晶體310的共振頻率，藉此可以提供對沉積材料量的測量，而共振頻率的改變率對應於沉積率。

在一實施例中，qcm晶體310具有14mm的直徑dq，而底部154的qcm開口164則具有約3mm至8mm的直徑do，例示的直徑do＝4.25mm。在一實施例中，do滿足(0.2)dq≤do≤(0.6)dq，而在另一實施例中，do滿足(0.25)dq≤do≤(0.4)dq。

與臺肩155接觸的前表面312的環狀外部312a具有面積aa，而裸露的中央部312c具有裸露面積ae。在一實施例中，環狀外部312a的環狀寬度w＝(dq-do)/2大約為5mm。環狀外部312a的面積aa為aa＝πw2。對於14mm的直徑dq以及4mm的直徑do而言，w＝5mm且面積aa＝π(5mm)2＝78.5mm2。同時，裸露面積ae＝π(2mm)2＝12.56mm2。因此aa/ae的比值r＝6.25。在一實施例中，比值r是在2與11之間，更優選地是在4與8之間。

相對於中央部312c的裸露面積ae來說相對大的環狀外部312a的面積aa可以起幾個重要的功能。第一，使得qcm晶體310接地於蓋體140。第二，大致避免或限制反應室120的內部176中的氣體反應物流到qcm晶體310的背表面314，從而大致避免或限制了會阻礙qcm晶體310正常運作的寄生反應。第三，對qcm晶體310提供了機械支撐及機械穩定性，因而在ald製程中當反應室120的內部176發生突然壓力改變時，例如在進行放氣和抽氣程序時，可以限制qcm晶體310上的應力總量。第四，提供qcm晶體310與蓋體140的大熱質量之間良好的熱接觸，因而qcm晶體310的溫度可以很快平衡。

固定器320位於中央腔150的中間部156中，在一實施例中是止擋於臺肩157上。導電彈性件325與qcm晶體310的背表面314電接觸，且提供下壓力使qcm晶體310的前表面312的環狀外部312a抵靠臺肩155。這樣，就將qcm晶體310密封於底部154內的臺肩155上，而無須使用密封材料(例如粘合劑或環氧樹脂)、或者密封件(例如o形圈)、或者在中央腔150中(特別在底部154中)使用吹掃氣體流，就可避免在ald製程中產生不想要的膜沉積。

如上所述，法蘭330的中央部350經由法蘭開口162插入中央腔150的頂部152中，且緊密地位於其中。而法蘭330的外部360的下表面362位於蓋體140的頂表面142上。在一實施例中，通過將緊固件372穿過通孔370且穿入位於其下的蓋體140中而把法蘭330固定於蓋體140上。在一實施例中，通孔370有螺紋，且與蓋體140的螺紋孔(圖未示)對準。o形圈246在法蘭330與蓋體140之間形成密封，使中央腔150隔離於外界環境。

當法蘭330可操作地設置於蓋體140中時，連接器340的電接觸件342提供了與固定器320的上表面322的電接觸，從而在qcm晶體310、傳感器326及控制器50之間建立電路徑(電接觸)。

中央腔150的幾何形狀特別是臺肩155的幾何形狀應使qcm晶體310的前表面312的裸露中央部312c大致平行於半導體基板(晶片)200的上表面202。此外，裸露中央部312c緊鄰於半導體基板(晶片)200的上表面202，例如，對於內部高度h＝5mm的情況下，二者大約相距7mm。這樣就確保了qcm晶體310的裸露中央部312c以及位於反應室120的內部176中的半導體基板(晶片)200的上表面202暴露於大致相同量的ald反應物。裸露中央部312c上的沉積率可以不同於半導體基板(晶片)200的上表面202上的沉積率，因為此二者通常由不同材料製成(例如分別為石英和矽)。然而，根據理論或經驗數據，假設它們各自暴露於ald反應物的量是大致相同的，則它們的沉積率可以是彼此相關的。

如上所述，qcm組件300的構造確保了qcm晶體310緊密地熱聯接於反應室120的蓋體140，因而qcm晶體310的溫度迅速地與蓋體140和反應室120的溫度平衡。這部分地是因qcm晶體310的環狀外部312a具有相對較大的環狀接觸面積aa可有效熱傳遞而實現的。法蘭330的熱質量和形狀因素也同樣有助於快速熱平衡。

中央腔150的容積以及形狀因素已經被大大地最小化，以限制相鄰於qcm晶體310背表面314的總空間量。舉例而言，法蘭330的中央部350向下延伸入中央腔150的頂部152中且緊鄰固定器320的上表面322。這樣就限制了相鄰於背表面314處的氣體量，同時在設定反應室120的內部176為真空後使qcm讀值得以快速平衡。

在一實施例中，qcm組件300被配置成在低達1毫託耳(mtorr)的真空下運行以及被加熱達溫度350℃。

本領域技術人員明白，在不脫離如權利要求所限定的本發明實質或範圍的情況下，可對所公開的本發明優選實施例作出各種改型。因此，本發明涵蓋了落在權利要求範圍及其等同範圍內的改型和變型。