專利名稱:一種表面處理的方法和設備的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種有關表面處理的方法和設備,尤其是一種在表面上產生薄膜的方法和設備。
在表面上,例如在半導體基片的表面上制造薄膜這項技術,現(xiàn)在仍然是重要的,有待研究和開發(fā)的課題。由于這項技術普遍使用在包括半導體在內的眾多產品的制造上,所以是一項很重要的技術。薄膜的材料可以是金屬、氧化物、硫屬化物、磷族化物,超導體等各種材料中的任一種。大多數(shù)的研究和開發(fā)都致力于尋求一種制造盡可能均勻厚度薄膜的方法和設備上。為了改善薄膜產品的特性,尤其需要使膜厚具有均勻性,這對于提高產品大規(guī)模批量生產的成品率也很重要。要使產品與生產批號無關也希望提供一種有效的薄膜生產方法和生產設備。
已知有很多在表面,例如基片上沉積薄膜的成熟的技術,包括化學氣相沉積,物理氣相沉積以及高溫分解濺射和噴涂等。這些技術都是在氣體或煙霧劑的形式中提供構成薄膜組分的。已經開發(fā)出很多薄膜沉積設備,用以獲得事實上很均勻的膜厚。這些設備可分為兩類,它是相應于以探索如何產生理想均勻薄膜的,發(fā)展該項技術的不同方向。一類設備是采用精心設計的機構以使基片在沉積室內相對于氣流運動。另一類設備是使設備做得在橫跨基片的方向上能夠產生均勻的膜層,而該方向實際上是與沉積層內氣流的方向垂直的。為了充分理解本發(fā)明的優(yōu)點,也將這兩類設備描述于后。
本發(fā)明提出一種在表面上產生薄膜的方法,它包括在所說表面與薄膜沉積室的薄膜沉積區(qū)之間形成恒速的相對運動,使所說的表面通過所說的沉積區(qū),所說沉積室的結構使所說表面上的薄膜沿橫貫表面方向上的沉積是均勻的,所說的橫貫方向垂直于相對運動的方向。
本發(fā)明還提出一種在表面上產生薄膜的設備,它包括一個具有薄膜沉積區(qū)的薄膜沉積室,所說的沉積室適用于在所說的表面上按所說區(qū)中橫貫表面的方向均勻的沉積所說的薄膜,還包括一個使所說表面與所說沉積區(qū)之間產生恒速相對運動的機構,使所說的表面通過所說的沉積區(qū),所說的橫貫方向與所說相對運動方向互相垂直。
所說薄膜的組分最好以氣態(tài)或煙霧劑的形式提供,并實際上以與所說的相對運動方向相同的方向通過沉積區(qū)流動。
所說的沉積室最好包括一高位感受器,而所說的沉積區(qū)則在它的下方。
包含有所說表面的基片最好是穿越所說沉積區(qū)而移動。
所說的相對運動最好是在所說的沉積區(qū)范圍內的往復運動,所說運動是按所說的相對運動的所說方向以及相反方向的運動。
另外,如果沉積室的結構使得所說表面上薄膜沉積是按橫貫方向成線性變化時,則所說表面還相對于所說的沉積區(qū),繞著實際上垂直于所說表面的對稱軸轉動。
本發(fā)明還提供了一種處理表面的方法,它包括使所說表面和沉積室內的處理區(qū)之間形成恒速相對運動,使所說表面通過該區(qū),所說沉積室的結構使所說表面在該區(qū)中按橫貫該表面的方向上均勻地被處理,所說的橫貫方向垂直于所說的相對運動方向。
本發(fā)明還提供一種對表面進行處理的設備,它包括一個適用于在所說區(qū)中按橫貫該表面的方向上均勻地處理該表面的處理室,和使所說表面相對于所說區(qū)產生恒速相對運動的機構,以使該表面通過該區(qū),所說的橫貫方向與所說的相對運動方向垂直。
以下參照附圖,僅以實例方式,對本發(fā)明的最佳實施例作出介紹與說明。其中
圖1是桶式反應器的草圖;
圖2是桶式反應器的部分俯視圖;
圖3是水平反應器圖;
圖4是在反應器沉積室的上部有一感受器的水平反應器圖;
圖5是劍橋儀器公司(Cambridge Instruments Limited)的倒置水平反應器圖;
圖6是圖5中的水平反應器內生長速度隨感受器位置變化的曲線圖;
圖7是本發(fā)明沉積室的最佳實施例圖;
圖8是沉積室的另一最佳實施例圖。
近年來,大多數(shù)對薄膜均勻性的改進工作是通過對薄膜性能的測量采用經驗迭代修正法,或數(shù)學模型法而獲得的。采用修正方法的討論可見H.Tanaka,N.Tomesakai,H.Itoh,Y.Ohori,R.Makiyama,T.Okabe,M.Takikawa,K.kasai和J.Komeno等人的“Large-area MOVPE growth of A/GaAs/GaAs Heterastructures for HEMT LSIs”(HEMT LSIs的A/GaAs/GaAs異構體的大面積MOVPE生長),Jap.T.App/.phys.1990,29,L10;C.Takenaka,T.Fujii,A.Kuramata,S.Yamazaki和K.Nakajima等人的“Design of the optimum reactor chambe foruniform InP epilayer thickness profiles grown by MOVPE”(用MOVPE作均勻的InP表層厚度型材生長的最佳反應器室設計),J.Crystal Growth 1988,91,173;以及W.H.Johnson,W.A.Kesnan和A.K.Smith的“Controlling and epiaxial reactor Via thickness and resistivity measurments”(用厚度和電阻測量控制外延反應器)Microelectronic Maunfacturing and Testing 1987,November,P.17。數(shù)學模型法應用的討論見J.Ouazzani和F.Rosenberger的“Three-dimensional mcdelling of horizontal chemical vapor deposition.I.MOCVD at atmospheric pressure”(水平化學氣相沉積的三維模型。I.大氣壓時的MOCVD)J.Crystal Growth 1990,100,545;D.I.Fotiadis,M.Boekholt,K.F.Jensen和W.Richter的“Flow and heat transfer in CVD reactorsComparison of Raman temperature measurements and finite element model predictions”(CVD反應器的氣流和熱傳遞拉曼溫度測量法與有限元模型預測法的比較)J.Crystal Growth 1990,100,577;W.L.Holstein,J.L.Fitzjohn,E.J.Fahy,P.W.Gilmour和E.R.Schmelzer的“Mathematical modelling of cold-wall channel CVD reactors”(冷壁通道CVD反應器的數(shù)學模型)J.Crystal Growth 1989,94,131;Yu.N.Makanrov和A.I.Zhmakim的“On the flow regimes in VPE reactors”(VPE反應器中的氣流狀況)J.Crystal Growth 1989,94,537;和W.L.Holstein與J.L.Fitziohn的“Effect of buoyancyforces and reactor crientati on of fluid flow and growth rate uniformity in cold-wall channel CVD reatos”(反應器取向和浮力對冷壁通道CVD反應器中液流和生長速率的均勻性的影響)J.Crystal Growth 1989,94,145。正如上述前兩篇模型法的文章和K.F.Jensen,D.I.Fotiadis,D.R.Mckenna和H.K.Moffat的“Growth of compound semiconductors and superlattices by organometallic chemical vapor deposition.Transport phenomena”(用有機金屬化學氣相沉積生長化合物半導體和超晶格。遷移現(xiàn)象)ACS論文集353卷19章,353-75頁所指出的,兩維和三維的模型法是非常復雜的,目前受到資金和計算機速度所限制。
用于實現(xiàn)薄膜沉積的反應室通常包括垂直的(或稱桶式)或水平的兩種基本氣室。對此兩種形式的反應室而言,反應氣體是在大氣壓或降低了壓力的情況下通過氣室的。
在H.Tanaka,N.Tomesakai,H.Itoh,T.Ohori,T.Okabe,M.Takikawa,K.Kasai和J.Komeno等在最近的論文“Large-area MOVPE growth of A/GaAs/GaAs Heterostructures for HEMT LSIs”(用于HEMT LSIs的A/GaAs/GaAs異構體的大面積MCVPE生長)Jap.J.Appl.Phys.1990,29,L10”和英國專利申請2,168,080中描述了兩種形式的垂直氣室的沉積室,而且這兩篇文獻都指出為了在薄膜沉積中獲得良好的均勻性所需復雜設計的程度。兩種氣室的形狀都與圖1和圖2所示的氣室2相似。氣室2包括一個沉積室4,其中在沉積室4上部裝設有一源氣進口6,而沉積室4的底部有廢氣排出口8。若干半導體晶片10垂直地裝在沉積室4內感受器12的側面上。感受器12被高頻線圈(未示出)所加熱,從而將晶片10加熱到預定溫度。由進氣口6進入的氣體和加熱了的晶片10反應而在晶片上沉積出理想的薄膜。為了在晶片10上獲得非常均勻的薄膜厚度,側面12分別使各個晶片10繞與晶片平面垂直的晶片的對稱軸旋轉。而且,感受器14還繞著作為感受器14的一條對稱軸的垂直軸旋轉。這種結構雖然能得到均勻的膜厚,但是其根本缺點是即使沉積室具有彎曲的鐘罩形,仍不能在晶片10的表面上提供源氣的均勻氣流。如圖2所示,晶片10邊緣18處與沉積室4的壁之間的距離總是小于晶片10中心處20與沉積室4的壁之間的距離,而且沿從中心20到邊緣18,這個距離愈來愈小。這就使晶片10靠近邊緣18處的薄膜沉積量有所增加。這種局限性在P-H.Shih,K.Chan和Y.Liu的“Finite element analysis of circuferential flow and temperature characteristics in a barrel-type CVD reactor”(桶式CVD反應器中周邊流和溫度的有限元分析),AICHE Symposium series 1988,84(2),96和H.A.Lord的“Convective transport in Silicon epilaxial deposition in a barrel reactor”(桶式反應器中的硅外延沉積中的對流傳遞)J.Electrochem.Soc.1987,134,1227中均有所討論。M.Dekeijser,Cvan Opdorp和C.Weber的論文“Peculiar asymmetric flow pattern in a vertical axisymmelric VPE reactor”(垂直非對稱VPE反應器中特有的非對稱流模型)J.Crystal Crowth 1988,92,33,指出,可以根據(jù)氣流的分析和模擬來闡明垂直反應器氣室內的氣流分布可能不像直觀預測到那樣是對稱,而是非對稱的。
如圖3所示,標準水平氣室22包括一個具有感受器26的沉積室24,感受器26上裝有待處理的晶片28。該水平氣室22還包括一個進氣口30和一個出氣口32,分別設置在相對的兩端,所以,反應氣體的流向實際上平行于晶片28的平面。感受器26由高頻線圈34加熱。然而,已經表明,在水平氣室22中氣流實際上是不均勻的,它受到重力及感受器26上熱上升的影響,而且一定程度上受氣室?guī)缀涡螤畹挠绊?。這些因素對薄膜剖面產生影響而使之不均勻。
但是,水平氣室的優(yōu)點在于它們可以使待處理的晶片28水平的穿過沉積室移動而構成連續(xù)處理晶片28的結構。但是,這種結構沒有注意到上述的固有的均勻性問題,而僅僅是用來生產實際上并不需要均勻的薄膜。例如,這種結構適用于用來生產具有梯度組分剖面的薄膜。
為了改進水平氣室反應器的沉積均勻性,注意力集中在發(fā)展獲得橫向均勻性上,即與流向垂直方向的均勻性上。這就產生了如N.Puetz,G.Hillier,和A.J.Spring Thorpe在“The inverted horizontal reactorgrowth of uniform InP and GaInAs by LPMOCVD”(倒置的水平反應器用LPMOCVD生長均勻的Inp和GaInAs)J.Electronic Mater,1988,17,381中所討論的“倒置的”水平反應器。這種倒置的水平反應器屬于上述的第二類反應器。如圖4所示,它包括一個氣室40,其中,在氣室內的沉積室44的項部有感受器42,待處理晶片46放在感受器42的底部。氣室40的頂部就成了其中最熱部分,這種結構就消除了前述的因感受器42的熱上升和重力作用等問題對薄膜沉積的影響。雖然,在氣室40中必須采用較復雜的安裝晶片46的機構,但它比標準的水平氣室22具有一系列優(yōu)點。氣室40可在很寬的流速范圍內產生穩(wěn)定的層流,而且在氣流進口處后面的穩(wěn)定區(qū)中等溫線就基本上平行于氣體的方向48。如在D.I.Fotiadis,M.Boekholt,K.F.Jenson和W.Richter的“Flow and head transfer in CVD reactorsComparison of Raman temperature measurements and finite element model predictions”(CVD)反應器中的氣流和熱傳遞拉曼溫度測量法和有限元模型預測法的比較)J.Crystal Growth 1990,100,577一文中所論述的,氣室40中有很好的均勻性,而且由模擬法表明,擴大垂直于氣流方向48的氣室尺寸可以獲得較大的沉積區(qū)。但是,氣室40仍然有缺點,在橫貫晶片46的方向48上的沉積仍然是不均勻的。
劍橋儀器公司的英國專利申請2196019的說明書中描述了另一種可作為參考的倒置的水平氣室60。如圖5所示,它包括一個高位感受器62和一個低位感受器66,待處理晶片64安置在低位感受器66上。氣室60中因將高位感受器62加熱而使沉積室68的項部保持最高溫度,所以就可維持使高位感受器62的溫度比受加熱的低位感受器66的溫度高得多。在氣相中的沉積材料因熱梯度和濃度梯度而向氣室60較低處冷凝部分轉移而落到晶片64上。經驗表明,在氣室60的底部與氣流方向69垂直的橫過方向上的生長速率是很均勻的,但沿氣流方向69橫過晶片64的生長速率仍然是不均勻的。
圖6表示,圖52的曲線50說明生長速率(μm/hr)隨感受器66上沿方向69位置的變化關系。圖52中Y軸54代表生長速率,而X軸56代表感受器上的位置,以離開最靠近氣室60的進氣口73的邊緣71處的距離來表示。如像從圖52中可見到的,這種變化是非線性的。
如圖7所說明,裝置100采用了一種沉積方法,它同時注意到了上述的水平反應器和桶式反應器中存在的薄膜均勻性問題。裝置100包括具有高位感受器104和低位感受器106的沉積室102,就如同圖5中的氣室60一樣。感受器104和106如同劍橋儀器公司的氣室60中的感受器62和66一樣的方式被加熱。氣室100包括一個進氣口108和設在氣室102另一端的出氣口110,而在感受器104和106之間有一股氣流,流向基本上是沿112。氣室100中還包括一條傳送帶或平臺114,上面放著待處理晶片116。傳送帶114使晶片116沿與氣流方向112相同的方向118移動通過沉積室102。當晶片通過沉積室102輸送過程中,鄰近低位感受器106上表面處的晶片116就被沉積。
如果晶片116在感受器104和106之間的沉積區(qū)105中保持靜止不動,如圖7所示那樣,則氣室100的結構將沿氣流方向112產生與劍橋儀器公司的氣室60相同的橫向均勻性和生長速率變化關系50。但是,因裝置100是使晶片116恒速的沿方向118移動,因此晶片上每一點都沿方向118通過曲線50而在方向118和與方向118垂直的橫斷方向上都經受了同樣的生長速率?;?16上每一點所沉積材料的總和應是曲線50對時間的積分值。因此,只要沉積室102的結構保證基片上的薄膜在與基片運動方向垂直的橫方向上是均勻的,則基片116以恒速通過沉積室102就能確?;铣练e的薄膜在縱向和橫向上都是均勻的。
雖然,圖7所說明的實施例采用傳送帶114使晶片116相對于靜止不動的沉積室102移動,但重要的是要使晶片116以恒定速度相對于處理區(qū)105的相對移動。例如晶片116可能是靜止不動的,而沉積室102或橫向均勻的沉積區(qū)105以恒速相對于晶片116運動。在本發(fā)明的另一實施例中,晶片116在取出沉積室102之前,晶片在沉積區(qū)105中作往復運動。這種運動包括使晶片116通過整個沉積區(qū)105按方向118作恒速運動,而后再使晶片116按相反方向返回通過整個沉積區(qū)105恒速運動,連續(xù)不斷往復進行,直到沉積過程完成為止。
上述方法還可以擴展到另一種情況,在這種情況下沉積室并不具備橫向均勻性,但卻能提供通過基片橫向線性變化的均勻性,則在這種情況下只要基片如上所述以恒速通過沉積區(qū)105的同時,還能繞基片的垂直對稱軸不斷轉動,同樣能取得整個基片表面上的均勻性。
圖8所示的裝置100就是為了使基片116有效轉動所作改進而成的。傳遞帶114包括一個具有附著在傳送帶114上的下部122和上面裝有待處理晶片116的上部124的可轉動平臺120。平臺120的上部124繞一中心軸126相對于下部122轉動。因此,平臺120使晶片因傳送帶114而沿方向118通過沉積區(qū)105移動時,同時轉動。為了在基片116上獲得均勻的沉積,將基片116裝在平臺120上,使其對稱軸垂直于基片116的平面并與中心軸126重合。
用裝置100所進行的沉積方法特別適宜于沉積要求每一層薄膜沿寬度和深度都均勻的多層薄膜??梢曰蚴侨缟纤鍪够ㄟ^一系列沉積區(qū)105,每個區(qū)沉積一獨特的層,或是通過改變在單一區(qū)105中源氣的成份而形成多層的薄膜。為了取得沿深度均勻的薄膜,在完成源氣組分改變之后必須保持整個沉積區(qū)中有均勻的氣體組分。或者隨時間均勻地改變氣體組分,或是通過改變溫度和抽氣來使在某些特定點上的氣體組分沿氣流方向發(fā)生變化,都可以取得隨深度變化的梯度組分。
本方法還特別適用于產生由多層固態(tài)相互擴散衍生的超晶格和薄膜產品,如像國際申請PCT/GB85/00504(WO-6/0259)的說明書和英國專利申請2,146,663所描述的那樣。為了產生這種超晶格和薄膜,還必須在沉積區(qū)105之內建立起溫度的橫向均勻性,尤其是橫向方向的生長率均勻性,以保證有完全的相互擴散。在D.I.Fotiadis,M.Boekholt,K.F.Jensen和W.Richter的論文“Flow and heat transfer in CVD reactorComparison of Raman temperature measurements and finite element model predictions”(CVD反應器中氣流和熱傳遞拉曼溫度測量與有限元模型予測的比較)J.Crystal Growth 1990,100,577中所提供的計算指出,前述的兩種倒置水平反應器都滿足橫向的均勻溫度條件。在上述方法中,基片116上每一點經受相同的熱過程,因此以恒定速率移動基片的技術即使不進行沉積而對于退火熱處理也是適用的。
對熟悉本領域的技術人員而言,參照附圖還可以有許多不違背上述本發(fā)明范圍的變化方案。
權利要求
1.一種在表面上產生薄膜的方法,其特征在于使所說表面和一薄膜沉積室的薄膜沉積區(qū)形成恒速的相對運動;使所說表面通過所說沉積區(qū),所說沉積室的結構使得在所說區(qū)中薄膜在所說表面上的沉積沿橫過所說表面的橫貫方向是均勻的,所說的橫貫方向垂直于所說相對運動的方向。
2.按權利要求1所述方法,其特征在于所說薄膜的組分是以氣態(tài)或氣霧狀形式提供,并以實際上與所說相對運動方向相同的方向通過沉積區(qū)流動。
3.按權利要求1或2所述方法,其特征在于所說沉積室包括一高位感受器,而所說沉積區(qū)就設在其下方。
4.按權利要求3所述方法,其特征在于包含所說表面的基片通過所說沉積區(qū)運動。
5.按權利要求1至4的任一條所述方法,其特征在于所說相對運動是對所說沉積區(qū)范圍往復運動,所說運動是在所說相對運動方向和相反方向的移動。
6.一種產生表面薄膜的方法,其特征在于使所說表面和一薄膜沉積室的薄膜沉積區(qū)之間產生恒速的相對運動,以使所說表面通過所說的沉積區(qū),所說沉積室的結構使在所說沉積區(qū)中的所說表面上薄膜的沉積沿橫貫所說表面線性的變化,所說的橫貫方向與所說相對線性運動方向垂直,而且當所說的表面通過所說沉積區(qū)時所說表面繞其對稱軸轉動,該對稱軸實質上與所說表面垂直。
7.按權利要求6所述方法,其特征在于所說薄膜組分以氣態(tài)或氣霧態(tài)形式提供,并以實際上與所說相對運動方向相同的方向通過沉積區(qū)流動。
8.按權利要求6或7所述方法,其特征在于所說沉積室包含一高位感受器,所說沉積區(qū)就處于其下方。
9.按權利要求8所述方法,其特征在于包含所說表面的基片通過所說的沉積區(qū)運動。
10.按權利要求6至9之任一條所述方法,其特征在于所說相對線性運動是在所說沉積區(qū)范圍內的往復運動,所說相對線性運動是沿所說相對線性運動的所說方向和相反方向的運動。
11.一種在一表面上產生薄膜的裝置,其特征在于包括一個具有薄膜沉積區(qū)的薄膜沉積室,所說的沉積室適于使所說薄膜在所說沉積區(qū)中沿橫貫所說表面方向均勻地沉積在所說表面上,還包括使所說表面和所說沉積區(qū)之間產生相對恒速運動,以使所說表面通過所說沉積區(qū)的機構,所說橫貫方向是與所說相對運動方向垂直的。
12.一種按權利要求11所述裝置,其特征在于所說沉積室包括一個組分輸入口和輸出口,通過它們使所說薄膜組分以氣態(tài)或氣霧狀形式提供而使組分沿實際上與所說相對運動的所說方向相同方向流動通過沉積區(qū)。
13.一種按權利要求11或12所述裝置,其特征在于所說沉積室中包括一高位感受器,所說沉積區(qū)就配置在它的下方。
14.一種按權利要求13所述裝置,其特征在于所說移動機構使包含所說表面的基片移動通過所說沉積區(qū)。
15.一種按權利要求11至14中任一條所述的裝置,其特征在于所說相對運動是對所說沉積區(qū)范圍內的往復運動,所說運動是在所說相對運動的所說方向以及相反方向的運動。
16.一種在表面上產生薄膜的裝置,其特征在于包括一個具有薄膜沉積區(qū)的薄膜沉積室,所說沉積室適用于將所說薄膜在所說沉積區(qū)中按橫貫所說表面方向線性地沉積在所說表面上,還包括使所說表面和所說沉積區(qū)之間產生以恒定速率相對線性運動的機構,以便使所說表面通過所說沉積區(qū),并且當所說表面通過沉積區(qū)時使所說表面相對所說沉積區(qū),繞一實際上與所說表面垂直的所說表面的對稱軸轉動,所說橫貫方向是與所說相對線性運動方向相垂直的。
17.一種按權利要求16所述的裝置,其特征在于沉積室包含一成份輸入口和輸出口,通過它們使所說薄膜的組分以氣態(tài)或煙霧狀形式提供,使得所說組分實質上以與所說相對線性運動方向相同的方向流動通過沉積區(qū)。
18.一種按權利要求16或17所述的裝置,其特征在于所說沉積室包括一高位感受器,所說的沉積區(qū)處于其下方。
19.一種按權利要求18所述的裝置,其特征在于所說移動和轉動機構適于使包括所說表面的基片運動通過所說沉積區(qū)。
20.一種按權利要求16至19之一所述的裝置,其特征在于所說相對線性運動對于所說沉積區(qū)的范圍是往復的,所說相對線性運動是在所說相對線性運動的所說方向以及相反方向運動。
21.一種處理表面的方法,其特征在于使所說表面和處理室中的處理區(qū)以恒定速率相對運動,以使所說表面通過所說處理區(qū),所說處理室的構造使所說表面在所說處理區(qū)中沿橫貫所說表面方向受到均勻的處理,所說橫貫方向垂直于所說相對運動方向。
22.一種處理表面的裝置,其特征在于包括一個適于在所說區(qū)域中沿橫貫所說表面對所說表面進行均勻處理的處理室,并且包括使所說表面與所說處理區(qū)形成按一恒定速率相對運動的機構,以便使所說表面通過所說處理區(qū),所說橫貫方向是垂直于所說相對運動方向的。
全文摘要
一種在一表面上產生均勻薄膜的方法和裝置,包括使該表面與一薄膜沉積室的薄膜沉積在以恒定速率相對運動,以便使該表面通過該沉積區(qū)。沉積室的結構使得沉積區(qū)中表面上薄膜有沉積沿橫貫該表面方向是均勻的。該橫貫方向是與相對運動方向垂直的。
文檔編號C23C16/448GK1059763SQ9110509
公開日1992年3月25日 申請日期1991年6月28日 優(yōu)先權日1990年6月29日
發(fā)明者杰弗里·諾曼·佩恩 申請人:杰弗里·諾曼·佩恩