原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛 娃 陳 焰 劉振強(qiáng)

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院）

原子層沉積設(shè)備生長(zhǎng)薄膜具有純度高、均勻性好、 保型性優(yōu)異及薄膜厚度可精確控制等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。 國(guó)內(nèi)大多科研單位及高校使用原子層沉積設(shè)備制備高精度薄膜，實(shí)現(xiàn)多材料多應(yīng)用研究［3］。 為滿足原子層沉積設(shè)備控制需求，采用C#語(yǔ)言開發(fā)人機(jī)界面，采用工控機(jī)串行通信端口完成對(duì)真空計(jì)、流量計(jì)、溫度控制器、數(shù)字量輸入輸出板卡等的數(shù)據(jù)采集和控制功能，以有效減少錯(cuò)誤操作率，提高制膜效率。

1 原子層沉積技術(shù)原理及應(yīng)用

芬蘭科學(xué)家SUNTOLA T博士首次提出原子層沉積工藝，最初由于原子層沉積設(shè)備生長(zhǎng)薄膜速率慢，在薄膜生長(zhǎng)領(lǐng)域并未取得重大突破［4］。近年來(lái)，由于集成電路器件尺寸在不斷減小且縱橫比不斷增加，很多情況下薄膜所需厚度降低至納米量級(jí)，越來(lái)越多的學(xué)者開始研究原子層沉積工藝［5］。 原子層沉積連續(xù)且自限制表面反應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 原子層沉積連續(xù)且自限制表面反應(yīng)原理

大多數(shù)原子層工藝薄膜生長(zhǎng)過程是一個(gè)二元反應(yīng)序列，將不同的氣相前驅(qū)體交替通入反應(yīng)腔室，當(dāng)氣相前驅(qū)體接觸實(shí)驗(yàn)樣品表面時(shí)，會(huì)在其實(shí)驗(yàn)樣品表面發(fā)生化學(xué)吸附和表面反應(yīng)，直至表面反應(yīng)飽和后停止［6，7］。一個(gè)完整的原子層沉積循環(huán)工藝包括4個(gè)步驟：

a. 首先通入一種氣相前驅(qū)體，氣相前驅(qū)體以脈沖形式注入惰性載氣中。 惰性載氣攜帶氣相前驅(qū)體依次通入反應(yīng)腔室，在實(shí)驗(yàn)樣品表面發(fā)生化學(xué)吸附和表面反應(yīng)。

b. 通入清洗氣體， 通入惰性氣體到反應(yīng)腔室，將多余的氣相前驅(qū)體以及反應(yīng)副產(chǎn)物排出反應(yīng)腔室。

c. 將第2種氣相前驅(qū)體以脈沖形式注入反應(yīng)腔室，在實(shí)驗(yàn)樣品發(fā)生表面反應(yīng)生長(zhǎng)出一層納米薄膜材料。

d. 再次通入清洗氣體，將反應(yīng)副產(chǎn)物以及第2種氣相前驅(qū)體排出腔室。

至此，一個(gè)周期的薄膜生長(zhǎng)完成。 一次循環(huán)只生長(zhǎng)一層薄膜，將上述沉積工藝過程不斷循環(huán)重復(fù)，直至生長(zhǎng)出所需厚度的薄膜。

原子層沉積工藝具有自限制性，即氣相前驅(qū)體在實(shí)驗(yàn)樣品表面發(fā)生化學(xué)吸附以及表面反應(yīng)達(dá)到飽和之后，多余氣相前驅(qū)體無(wú)法吸附到樣品表面參與表面反應(yīng)。 這種自限制性生長(zhǎng)的特點(diǎn)導(dǎo)致原子層沉積工藝生長(zhǎng)薄膜具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，原子層沉積工藝可以生長(zhǎng)出與原來(lái)形狀一致的三維均勻薄膜，即原子層沉積生長(zhǎng)薄膜可以均勻地涂覆在類似凹面樣品的每個(gè)表面上，它可以應(yīng)用于納米孔材料涂層與臺(tái)階涂層。 原子層沉積飽和吸附的自然生長(zhǎng)機(jī)制決定了原子層沉積設(shè)備生長(zhǎng)薄膜具有無(wú)針孔的性質(zhì)，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)樣品表面鈍化處理應(yīng)用具有很大意義。 在原子層沉積工藝中，前驅(qū)體的反應(yīng)屬于飽和化學(xué)吸附，有助于產(chǎn)生均勻性優(yōu)異、面積較大的薄膜。

原子層沉積工藝非常適用于在復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)和大面積基底沉積。

2 原子層沉積設(shè)備分析

2.1 設(shè)備氣路結(jié)構(gòu)

根據(jù)原子層沉積連續(xù)自限制表面反應(yīng)的原理，原子層沉積設(shè)備氣路設(shè)計(jì)如圖2所示。 在原子層沉積設(shè)備中， 真空泵用于從設(shè)備腔室抽取氣體，降低設(shè)備腔室內(nèi)的壓力，使之達(dá)到要求的真空度。真空計(jì)用于測(cè)量設(shè)備的真空度。熱阱用于凈化工藝過程中的反應(yīng)副產(chǎn)物以及未反應(yīng)的有機(jī)金屬前驅(qū)體。 MFC1和MFC2為流量計(jì)，用于控制及測(cè)量通入腔室內(nèi)的載氣量。 Vb1和Vb2是載氣前端隔離閥，Vf為底部隔離閥，用于設(shè)備停機(jī)時(shí)隔離腔室和大氣，使設(shè)備處于負(fù)壓狀態(tài)，以保護(hù)設(shè)備。Vg是真空計(jì)前端閥，用于在工藝過程中隔離腔室與真空計(jì)的連接， 防止工藝氣體污染真空計(jì)。 S1～S4是源瓶，用于存儲(chǔ)有機(jī)金屬前驅(qū)體。M1～M4是源瓶上方的手動(dòng)閥，用于防止源瓶?jī)?nèi)有機(jī)金屬前驅(qū)體的泄漏。 V1～V4是ALD閥門， 在工藝過程中用于控制有機(jī)金屬前驅(qū)體進(jìn)入腔室。

圖2 原子層沉積系統(tǒng)氣路圖

在原子層沉積工藝過程中， 需要對(duì)襯底、源瓶、進(jìn)氣管路、排氣管路以及真空腔室外壁進(jìn)行溫度控制，提供工藝反應(yīng)過程中需要的能量。

2.2 工藝流程分析

原子層沉積設(shè)備工藝流程如圖3所示。

圖3 原子層沉積設(shè)備工藝流程

原子層沉積設(shè)備工作時(shí)需要工藝載氣和壓縮空氣，在開啟設(shè)備總電源時(shí)需打開工藝載氣和壓縮空氣。 控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，打開真空泵和Vg閥對(duì)腔室本底真空預(yù)抽，若設(shè)備真空度無(wú)法降低至工藝本底真空度0.13 Pa以下，則認(rèn)為設(shè)備腔室存在泄漏或者真空計(jì)被污染，應(yīng)對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行檢修。

設(shè)置工藝參數(shù)：如工藝壓力，襯底、管道和源瓶溫度，工藝氣體流量，工藝配方等參數(shù)。

啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，準(zhǔn)備進(jìn)行工藝沉積；當(dāng)溫度穩(wěn)定且真空度達(dá)到設(shè)定值，開始按照工藝配方生長(zhǎng)薄膜。 為保證工藝薄膜的質(zhì)量，并保護(hù)設(shè)備和工藝人員的安全，在工藝過程中，設(shè)計(jì)了溫度等參數(shù)的在線檢測(cè)功能，如果在工藝過程中溫度超出設(shè)定值的上下限，則報(bào)警并停止工藝。 沉積配方執(zhí)行完畢，關(guān)閉真空泵和加熱系統(tǒng)，使設(shè)備冷卻，設(shè)備冷卻后取出樣品。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 總體方案

原子層沉積控制系統(tǒng)主要包括流量計(jì)和真空計(jì)數(shù)據(jù)采集、溫度控制、閥門開啟與關(guān)閉等功能。 將流量計(jì)、真空計(jì)、溫度傳感器等儀器儀表采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并判斷各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否到達(dá)預(yù)警值，如達(dá)到預(yù)警值控制器發(fā)送報(bào)警信號(hào)，控制信號(hào)燈狀態(tài)變換， 并將報(bào)警信息寫入系統(tǒng)日志。沉積控制器可以控制泵的啟動(dòng)與停止、ALD閥門的開啟與關(guān)閉、工藝配方的運(yùn)行等。 原子層沉積控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)總體方案

原子層沉積控制系統(tǒng)采用工控機(jī)串行通信接口接入RS232電路與真空計(jì)進(jìn)行連接， 進(jìn)行真空數(shù)據(jù)的采集； 接入RS485電路與流量計(jì)或溫控儀表進(jìn)行連接； 接入U(xiǎn)SB電路與數(shù)字量輸入輸出板卡連接。

人機(jī)界面運(yùn)行在工控機(jī)上，人機(jī)界面與真空計(jì)進(jìn)行通信，采集設(shè)備真空數(shù)據(jù)。 人機(jī)界面與流量計(jì)進(jìn)行通信， 采集并控制通入設(shè)備中的流量。人機(jī)界面與溫控儀表進(jìn)行通信，控制溫度并采集溫度數(shù)據(jù)。 人機(jī)界面與數(shù)字量輸入輸出板卡通信， 控制ALD閥門的開啟與關(guān)閉、 泵的啟動(dòng)與停止、工藝配方的運(yùn)行。

3.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面的主要功能是顯示原子層沉積設(shè)備的狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)設(shè)定以及運(yùn)行工藝配方。 當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)， 在人機(jī)界面顯示設(shè)備狀態(tài)，在人機(jī)界面將需要的參數(shù)設(shè)定到儀器儀表中，控制儀器儀表完成指定的動(dòng)作，控制有機(jī)金屬前驅(qū)體按照配方表進(jìn)行反應(yīng)生長(zhǎng)薄膜。

系統(tǒng)工藝操作分為手動(dòng)模式與自動(dòng)模式，兩者通過下拉框控件進(jìn)行選擇切換。 在手動(dòng)模式下，工藝人員能在人機(jī)界面完成對(duì)設(shè)備閥、泵、溫度、流量等的手動(dòng)控制，便于檢修設(shè)備；在自動(dòng)模式，工藝人員能在人機(jī)界面完成薄膜沉積的工藝操作，便于工藝運(yùn)行。 如圖5所示，人機(jī)界面主要由MFC流量控制、溫度控制、腔室真空度控制、工藝操作等模塊組成。

圖5 自動(dòng)模式工藝操作界面

工藝操作人員可以通過功能按鈕完成工藝操作，按鈕操作功能如下：

a. 泵。 啟動(dòng)真空泵以及打開Vf閥門，或者停止真空泵以及關(guān)閉Vf閥門。

b.流量計(jì)。 打開或關(guān)閉流量計(jì)。

c.加熱。 打開或者關(guān)閉需要加熱的元件。

d.工藝。 啟動(dòng)工藝配方，進(jìn)行工藝運(yùn)行。

e.停止。 停止正在運(yùn)行的工藝配方。

f.充氣。控制流量計(jì)向腔室通入載氣，使腔室內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓，便于開啟腔室取出樣品。

3.3 工藝配方指令

工藝配方設(shè)計(jì)5個(gè)指令， 分別是Dose指令、Purge指令、Reaction指令、Goto指令和End指令。按照配方表中的順序，當(dāng)判斷上一條配方指令執(zhí)行完畢后，則繼續(xù)讀取配方表中的指令執(zhí)行，以保證工藝按照配方表執(zhí)行。

Dose指令。 人機(jī)界面讀取Dose指令，通過串行通信控制數(shù)字量輸入輸出板卡開啟源瓶上端ALD閥以及控制ALD閥開啟時(shí)間。 源瓶的開啟時(shí)間可以精確定時(shí)至毫秒級(jí)。 在源瓶的開啟時(shí)間結(jié)束后，自動(dòng)關(guān)閉源瓶。

Purge指令。 人機(jī)界面讀取Purge指令，設(shè)定吹掃時(shí)間，控制流量計(jì)吹掃流量，將腔室內(nèi)反應(yīng)的副產(chǎn)物以及多余的前驅(qū)體吹掃出腔室，以免影響下一步的工藝過程。 Purge時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，通常設(shè)定在5～100 s。

Reaction指令。 人機(jī)界面讀取Reaction指令，設(shè)定工藝反應(yīng)時(shí)間。 對(duì)于一些反應(yīng)比較慢或者難以擴(kuò)散的有機(jī)金屬前驅(qū)體，預(yù)留一部分時(shí)間完成反應(yīng)，進(jìn)而保障可以正常完成化學(xué)吸附反應(yīng)。 在執(zhí)行該操作時(shí)，要求將所有和腔體聯(lián)通的閥門關(guān)閉。

Goto指令。 人機(jī)界面控制配方程序按照指定序號(hào)跳轉(zhuǎn)運(yùn)行指定的周期。End指令。 結(jié)束指令，退出配方執(zhí)行程序。至此，原子層沉積工藝結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

原子層沉積工藝測(cè)試是在N型單晶硅基底表面完成氧化鋁薄膜的生長(zhǎng)。 在氧化鋁薄膜工藝配方中， 鋁原子的來(lái)源是有機(jī)金屬前驅(qū)體三甲基鋁，氧化鋁薄膜工藝配方中氧原子的來(lái)源是去離子水。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先使用含量為10%的HF清洗N型單晶硅基底，清洗過程持續(xù)10 s，將單晶硅基底表面的氧化硅清除。 再通過去離子水進(jìn)行持續(xù)5 min的清洗， 使用氮?dú)膺M(jìn)行吹干處理后，再將單晶硅放置到工藝腔室內(nèi)，并將工藝腔室內(nèi)部的真空度維持在0.5 Pa。 對(duì)三甲基鋁和工藝腔室同時(shí)加熱，待溫度穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過脈沖模式把汽化狀態(tài)下的水和三甲基鋁通入工藝腔室。 水和三甲基鋁在腔室內(nèi)發(fā)生吸附反應(yīng)，在單晶硅基底上反應(yīng)生成Al2O3。工藝實(shí)驗(yàn)以純度達(dá)到99.99%的氮?dú)庾鳛檩d氣，流量計(jì)1和流量計(jì)2氣體流量設(shè)定設(shè)置為10 mL/min，以維持工藝腔室真空度為20 Pa。

氧化鋁工藝配方見表1。 不同的工藝指令參數(shù)1和參數(shù)2有著不同的含義。 對(duì)于Dose指令，參數(shù)1是指打開的源瓶號(hào)；參數(shù)2標(biāo)識(shí)打開源瓶的時(shí)間，單位是ms；對(duì)于Purge指令，參數(shù)1無(wú)意義，無(wú)需填寫；參數(shù)2表示使用載氣吹掃的時(shí)間，單位是s；對(duì)于Goto指令，參數(shù)1代表程序跳轉(zhuǎn)序號(hào)；參數(shù)2表示工藝循環(huán)周期數(shù)；對(duì)于End指令，參數(shù)1和參數(shù)2均無(wú)任何意義。

表1 工藝沉積配方

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示， 硅片顏色均勻， 無(wú)色差。

圖6 氧化鋁實(shí)驗(yàn)樣品

在實(shí)驗(yàn)樣品表面取9個(gè)不同的點(diǎn)， 在橢偏儀上測(cè)試，測(cè)試取點(diǎn)方案如圖7所示。

圖7 測(cè)試點(diǎn)選取方案

表2 氧化鋁薄膜測(cè)試結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，生長(zhǎng)300個(gè)周期，氧化鋁薄膜平均厚度為33.84 nm，非均勻性為0.36%，生長(zhǎng)速率達(dá)到了1.13 ?/cycle。

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足原子層沉積設(shè)備控制需求，設(shè)計(jì)原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了工藝要求，滿足實(shí)際工藝需要，有助于原子層沉積設(shè)備制造業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。