一种延长ALD真空计使用寿命的方法

摘要

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种延长原子层沉积设备真空计使用寿命的方法。本发明通过对ALD系统中的真空计电磁阀进行间断关闭的方法，在保证系统真空度的基础上，减少前驱体气体和反应副产物进入真空计内部，从而减少前驱体气体和反应副产物在真空计内部的附着，进一步可以延长ALD真空计使用寿命，同时，该方法是在未改变现ALD设备硬件的基础上进行了技术改进，减少设备的维护成本，技术含量高，应用前景良好。同时，该方法是在未改变现ALD设备硬件的基础上进行了技术改进，减少设备的维护成本，技术含量高，应用前景良好。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种延长原子层沉积设备真空计使用寿命的方法。

背景技术

原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)，是一种特殊的化学气相沉积技术，是通过将气相前驱体脉冲交替通入反应室并在沉积基体表面发生化学吸附反应形成薄膜的一种方法。ALD技术由于具有独特的自限制生长原理使得其在微电子工业和纳米材料领域受到重点关注，2007年Interl公司在半导体工业45nm技术节点上，将ALD沉积的超薄铬基氧化物薄膜引入金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件中，取代传统的二氧化硅栅介质薄膜，获得了功耗更低、速度更快的酷睿微处理器，近年来，ALD技术在微电子、光电子、光学、纳米技术、微机械系统、能源、催化、生物医用、显示器、耐腐蚀及密封涂层等领域的研究方兴未艾，呈现爆发式增长，ALD设备和ALD材料市场也正经历着快速的发展和成长。

ALD技术的核心部件-真空计的设计是决定ALD设备性能的重要部位，可以检测和保证系统在进行沉积工作时处于设定真空度环境中。由ALD的工作原理可以知道，它是将需要沉积的前驱体物质加热至一定温度蒸发为气体后，通过管道将前驱体气态物质运输送到反应室，随后在基体表面发生化学吸附反应形成薄膜，它是一种气态物质被化学吸附沉积为薄膜的方法，因此反应室内真空度对制备的薄膜具有至关重要的作用，在真空条件下成膜可减少前驱体材料的原子、分子在飞向基板过程中与空气分子的碰撞，减少空气中的氧气分子和蒸发源材料间的化学反应，以及减少成膜过程中空气分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与基板的附着力，因此，真空计对ALD设备具有重要作用，它可以影响ALD制备薄膜的性能和产品使用寿命。

目前生产和开发的ALD设备，是手动关闭或者不关，手动关闭就是系统真空度达到要求后就一直处于关闭状态，在整个实验过程中不能对系统的真空度起到很好的监控作用。不关的话会对真空计产生影响，在真空计的前面安装一个真空计电磁阀以保护真空计，但是在实际沉积工作时，为了时刻检测系统的真空度，该电磁阀是一直处于打开状态的，这会使得未沉积完的前驱体气体和反应副产物被吹扫在ALD系统内部扩散进入真空计内部，过多的前驱体气体和反应副产物在真空计内部沉积，会对其内部的灯丝、传感器产生污染，严重影响真空计的性能和使用寿命，从而导致真空计的失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种延长ALD真空计使用寿命的方法，本发明通过对ALD系统中的真空计电磁阀进行间断关闭的方法，在保证系统真空度的基础上，减少前驱体气体和反应副产物进入真空计内部，从而减少前驱体气体和反应副产物在真空计内部的附着，可以延长ALD真空计使用寿命和提高产品性能，同时，该方法是在未改变现ALD设备硬件的基础上进行了技术改进，减少设备的维护成本，技术含量高，应用前景良好。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种延长ALD真空计使用寿命的方法，所述方法为：对真空计电磁阀进行间断关闭控制。

进一步的，所述方法具体步骤包括：

(1)在ALD未进行沉积工作时，将真空计电磁阀打开；

(2)当ALD开始沉积工作时，利用真空计电磁阀检测系统的真空度；

(3)开启真空计控制系统，当系统真空度达到设定的要求，且数据稳定后，关闭电磁阀；

(4)一段时间后短暂打开电磁阀以监测系统真空度，保证系统的真空度在设定值范围内；

进一步的，所述的ALD真空计包括电极、传感器、灯丝。

进一步的，所述真空计的控制是用以PLC控制器为基础的，采用PID闭环控制方式进行，其中真空计电磁阀通过RS232或RS485串口与PLC控制器连接。

进一步的，所述步骤(3)的真空度数据稳定是指，系统内的真空度与设定值偏差≤5％。

进一步的，所述的步骤(4)中，一段时间指1-10min。

进一步的，所述的步骤(4)中，短暂打开电磁阀是指每次打开时间为1-10s。

进一步的，所述的ALD设备包括反应室(1)，四通管道(2)，真空泵阀门(3)，热阱(4)，真空计(5)，真空计电磁阀(6)。

有益效果：

本发明同时，通过采用对ALD系统中的真空计电磁阀进行间断关闭的方法，在保证系统真空度的基础上，减少前驱体气体和反应副产物进入真空计内部，从而减少前驱体气体和反应副产物在真空计内部的附着，可以延长ALD真空计使用寿命和提高产品性能，同时，该方法是在未改变现ALD设备硬件的基础上进行了技术改进，减少设备的维护成本，技术含量高，应用前景良好；本发明的设计工艺较简单，对现有设备改动较小，不影响ALD整体外观与其他功能，利于推广应用与规模化生产时利用。

附图说明

图1为本发明的ALD部分系统示意图；

图2为本发明的ALD的真空控制方框图；

图3为本发明的ALD的真空控制流程图。

具体实施方式

下面根据图1至图3对本发明的具体实施方式作出进一步说明。本发明原理是通过对真空计电磁阀进行间断关闭控制，从而减少电磁阀与前驱体气体和反应副产物的接触时间，防止前驱体气体和反应副产物进入真空计内部，减小对真空计内部传感器的破坏，从而延长真空计的使用寿命，同时，该方法是在未改变现ALD设备硬件的基础上进行了技术改进，减少设备维护成本，技术含量高，应用前景良好。

实施例1：本发明的ALD设备部分系统示意图

本发明实施例提供一种原子层沉积设备工作流程示意图，如图1，前驱体物质加热成气态后通过管道运输至反应室1，在反应室内的基材表面发生气-固反应形成薄膜，剩余的前驱体气态物质和反应副产物被清洗气体(通常为惰性气体，如高纯氮气和氩气)带出反应室，通过四通管道2，进入真空泵阀门3，同时，若真空计电磁阀6处于打开状态，剩余的前驱体气态物质和反应副产物可以通过电磁阀进入真空计5，这些气态物质会在真空计的灯丝和传感器等核心部件表面沉积附着，造成真空计失效，通过对本发明的利用，采用对真空计电磁阀采用间断关闭的方法，使真空计电磁阀在整个沉积过程中打开时间只占很少的部分，这样可以有效避免剩余的前驱体气态物质和反应副产物进入真空计内部，从而延长其使用寿命。通过真空泵阀门的气体会继续向下移动，进入热阱4，热阱可以对前驱体气态物质和反应副产物进一步加热分解成无害的小分子物质而排到外部。

实施例2：本发明的ALD设备真空系统的控制过程

如图2，本发明的真空控制系统是基于气体流量PID闭环控制的系统，控制系统的核心是PLC控制器，PLC控制器通过DC24V输出信号打开真空计电磁阀，然后PLC控制器通过RS232或者RS485网络接口读取真空计的数据储存并利用TCP/IP协议上传给HMI/PC，然后PLC控制器根据HMI/PC计算结果通过NET485网络通讯接口控制MFC气体流量计的流量，根据流量计传感器的反馈信号，实时的控制驱动阀通过的氮气或氩气载气的气体质量，工作时不受外界温度和压力的影响，完成整个真空系统的控制过程。

实施例3：延长ALD真空使用寿命的方法

如图3所示，为本发明ALD的真空系统控制流程图，具体如下：首先打开真空计电磁阀和真空计的电源，在ALD设备未进行沉积工作时，将真空计电磁阀设置为打开状态，当开始设备开始进行沉积工作时，先打开流量计开关，通入设定的载气(高纯氮气或氩气)，真空计开始测量反应室和其他工作腔体的真空度，待测量的真空值与设定的工艺参数相近时，开始对反应室、管道和其他工作部件进行加热至设定的温度，开启流量真空PID闭环控制，至真空度达到设定值且数据稳定后，关闭真空计和真空计电磁阀开关，维持流量计的恒定流量，随后系统控制每隔10分钟打开真空计和真空计电磁阀5s，检测和维持系统的真空度，若发现系统真空度偏差超过5％，设备发出报警。

实施例4：利用该发明的延长ALD真空计使用寿命方法的效应分析

利用本发明的延长ALD真空计使用寿命方法应用到ALD设备中，以生产氧化铝和氧化铋薄膜为例，经过长期的数据监测，分析ALD设备的真空计的使用和薄膜生长情况，具体如下：

生长氧化铝膜

采用本发明技术方法传统技术真空计清洗频率约10万次循环/次约5万次循环/次真空计使用寿命＞50万次循环大约30万次生长薄膜的非均匀性＜2％＜3％

注：薄膜的非均匀性＝(T_max-T_min)/2

T-生长的薄膜上取若干点测试的厚度

-测试厚度的平均值

生产氧化铋膜(由于生长氧化铋薄膜的前驱体是氯化铋，其中的氯元素具有腐蚀性，使真空计的整体使用寿命要小于氧化铝)

采用本发明技术方法传统技术真空计清洗频率约5万次循环/次约2万次循环/次真空计使用寿命＞20万次循环大约10万次生长薄膜的非均匀性＜2％＜3％

注：薄膜的非均匀性＝(T_max-T_min)/2

T-生长的薄膜上取若干点测试的厚度

-测试厚度的平均值

通过上述两个具体的生长实例可以发现，采用了本发明的延长ALD真空计使用寿命的方法，可以在延长真空计的使用寿命、减少真空计的清洗次数方面发挥重要作用，同时，由于对真空计的保护，提高系统真空系统测试的准确性，可以减少成膜过程中空气分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度。该发明内容对ALD在更大范围的工业领域应用具有重要的推动作用。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。