原子层沉积系统温度特性的研究

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1、华中科技大学硕士学位论文于制造纳米级层叠结构的薄膜。此外，自限制生长的特性也能实现基底在低温下沉积，[13,20]这项特性是的ALD工艺适用于对温度敏感的柔性基底上进行沉积。[5-8,22]由于ALD薄膜具有独特的性质，ALD薄膜在众多领域有着广泛的应用前景。其中最典型的应用是用于微电子器件上的薄膜生产，随着电子器件尺寸越来越小，电子器件中要求使用厚度更薄、绝缘性能更好的薄膜材料，ALD薄膜就为这种应用提供[9]了可能。2007年，英特尔公司成功将ALD工艺薄膜应用到45nm节点芯片的制造中，充分展现了AL

2、D工艺在芯片制造领域的潜能。此外，ALD薄膜均匀致密，可作为电子器件的水氧隔离层，即使在很小的薄膜厚度下也能获得极高的隔水隔氧效果。已有研究表明，在PEN上沉积厚度为5nm的Al2O3薄膜在隔水性能要比未沉积隔离层的要[10-12]高10倍。1.3温度窗口对原子层沉积的影响在ALD反应过程中，压力和温度是影响沉积质量的最重要的工艺参数。压力的分布关系也就决定了前驱体的扩散效果，并进而影响到基片上薄膜沉积的均匀性。在真空条件下，前驱体分子间的平均自由程较大，可以通过扩散作用将前驱体带到基底位置。除了压力，温度

3、是影响基底表面薄膜稳定生长的另一重要因素。如图1.3.1所示，[6]大部分ALD反应都存在一个温度窗口。只有在温度窗口内，ALD反应才能实现可控[7]的薄膜生长速率。如果反应温度过低，可能不能为反应提供足够的能量，同时低温下前驱体容易因凝结作用而堆积在基底和管路表面。但是，如果温度过高，超过前驱体的分解温度，前驱体的分解物会引发的寄生的CVD反应，高温也会使得沉积的薄膜脱离基底的吸附。因此，温度窗口对基底上薄膜沉积的影响至关重要。2华中科技大学硕士学位论文冷凝分解速率温度窗口生长反应脱离不足吸附生长温度图1

4、.3.1ALD反应温度窗口由于过低或者过高的温度影响ALD的自限制生长的速率，从而也会降低沉积薄膜的质量。确定腔体内温度分布，将腔体温度稳定在温度窗口，对前驱体的选择、表面自限制反应条件，以及多余前驱体的清洗都有着密切的关系，将腔体的温度控制在稳定的区间内对ALD薄膜质量好坏有着至关重要的作用。1.4原子层沉积设备分类从前驱体隔离的方式来看，原子层沉积体系可以分为：时间隔离原子层沉积（TemporalAtomicLayerDeposition，TALD）和空间隔离原子层沉积（SpatialAtomicLay

5、erDeposition，SALD）。时间隔离原子层沉积如图1.4.1（a）所示，基底在腔体中固定位置，一种前驱体在固定的时间通入到腔体内形成脉冲，在每一个前驱体脉冲之后，基底表面发生自限制反应。相邻前驱体通过惰性气体隔离，防止前驱体间交叉混合。前驱体B位置AB清洗基底清洗清洗基底位置前驱体前驱体前驱体A时间时间（a）TALD（b）SALD图1.4.1TALD与SALD原理图3华中科技大学硕士学位论文空间隔离原子层沉积的原理如图1.4.1（b）所示，前驱体固定的分布在设备的不同位置，基底与前驱体间通过相对移

6、动在前驱体区域完成半反应，不同前驱体区域间通[14-16]过惰性气体相互隔离。如图1.4.2示，空间隔离原子层沉积工艺可以通过加快相对[17,18]运动的速度，以实现快速ALD沉积的功能。惰性前驱体A惰性前驱体B惰性气体废气气体气体基底图1.4.2SALD原理图时间隔离原子层沉积在真空条件下进行，沉积环境清洁从而避免了杂质对薄膜的干扰，沉积所得薄膜纯度高、质量好。但随着消费电子等领域的快速发展，时间隔离原子层沉积制造工艺在沉积速率上难以适应在大批量大面积的场合实现高质量沉积的需求。时间隔离原子层沉积工艺每次

7、沉积完成需要打开真空腔体，完成取样与重新放置样品后才能进行下一批基底的沉积。由于沉积过程不能连续进行，就不能满足大批量沉积的需求。空间隔离原子层沉积由于突破了以时间隔离前驱体形式，可以加快运动速度来提高沉积效率，此项工艺便在需求大规模、连续沉积的场合显露出其高效沉[14,16,19,21]积的优势。1.5原子层沉积设备的温度控制方式为稳定ALD系统的温度，ALD反应过程中需对设备进行加热并对系统温度进行控制。由于ALD系统分为时间隔离原子层沉积和空间隔离原子层沉积，两种沉积形式中前驱体的隔离方式不同，基片表

8、面温度受到的扰动也就不同，因而所需要的加热和温度控制方式也有区别。（1）TALD设备温度系统时间隔离原子层沉积（TALD）设备根据沉积基底的表面情况不同，通常分为接触式加热腔体和辐射式加热腔体。4华中科技大学硕士学位论文1）接触式加热腔体。此类腔体适用于平面基底沉积，在沉积过程中，基底与腔体高温表面直接接触而达到相应的温度。现有的时间隔离原子层沉积设备中，接触加热方式被广泛采用。此类腔体以热传导为主要的传热方式，