[发明专利]用于原子层沉积系统的石英晶体微天平组件

说明书

技术领域

本发明涉及原子层沉积(Atomic-layer deposition,ALD)，特别是涉及用于ALD系统的石英晶体微天平组件。

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背景技术

原子层沉积是一种在基板表面以非常良好控制的方式沉积薄膜的方法。沉积制程通过以下方式来控制：使用一种或多种气相化学物质(前驱体)，并且使其在基板表面以自限制的方式顺次反应。重复进行此顺次反应以一层层地堆栈薄膜，其中，各层都是原子尺度。

ALD用来形成多种不同的薄膜，例如用于先进栅极与电容介电质的二元、三元及四元氧化物，以及用于互连势垒(interconnect barriers)与电容电极的金属基化合物。ALD制程的概述在George所著的文章“Atomic Layer Deposition:an Overview”Chem.Rev.2010,110,pp 111-113中(于2009年11月20日发表于网络)有介绍。ALD制程也描述在US 7,128,787美国专利中。ALD系统的例子也公开在US 2006/0021573美国专利申请以及PCT申请WO 2015/080979中。

ALD薄膜典型地是在制程结束之后使用例如椭偏(ellipsometry)或者其它技术进行非原位(ex-situ)沉积膜厚测量来表征。然而，原位(in-situ)膜表征技术通常将会是更优选，因为可以提供有关ALD制程的必要实时生长信息。

石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)已经在许多薄膜生长系统中用来测量膜生长，特别是物理气相沉积(PVD)系统。曾经做出一些尝试应用QCM于ALD系统中。遗憾地，目前并没有真正商业上可行的QCM。这很大程度上是因为ALD与QCM技术所固有的关键技术挑战。举例来说，一个技术挑战涉及ALD的小沉积率，典型地是在0.1nm/min至10nm/min的范围。即使QCM的分辨率可以低至0.01nm，干扰对于晶体共振频率的影响会远比其它具有较大沉积率的膜沉积制程(例如PVD)更为严重。

另一技术挑战是ALD的热学性质。ALD典型地使用50℃至350℃的范围的温度。因为QCM测量与温度相关，因此QCM必须是热稳定的。

还有一挑战涉及ALD制程的高保形性(conformality)。ALD膜可以沉积地非常均匀，即使是在反应物源视线范围外的3D凹陷中。因此，若没有小心的措施，ALD也会在QCM传感器内沉积薄膜从而阻碍其运作。这是可能发生的，举例而言，由于不慎地沉积介电膜于QCM传感器的QCM晶体背面的电触点上，从而使QCM晶体与QCM电路的电子元件绝缘开。为了解决此问题所做的努力包括使用环氧树脂来密封QCM的背面，以及使用吹扫气体。遗憾地，在商业ALD系统中使用环氧树脂是不希望的，这是因为适当地施用环氧树脂有难度以及因为环氧树脂本身会在反应室环境中导入不需要的化学物质。用来减少QCM上不需要的膜沉积的吹扫气体流也是有问题的，因为它会影响反应室内部的流体动力学并且对膜生长造成不利影响。逆流吹扫还会在气体流经晶体周围时导致信号噪声，以及需要QCM晶体背面与反应室内部之间的主动压差管理。此种主动管理是复杂的也是高成本的。

另一挑战涉及反应室尺寸。大多数商业ALD反应器具有小的反应室容积以优化制程周期时间。举例而言，来自Ultratech/Cambridge Nanotech of Waltham Massachusetts的Savannah ALD系统具有直径100mm至300mm而高度大约仅5mm的圆形反应室。由于反应室容积非常有限，现有的QCM构造(包括所谓的“独臂(on a stick)”构造)对于实际应用来说过大与过于笨重。

发明内容