Способ увеличения производительности процессов осаждения тонких пленок на подложку
Изобретение относится к процессам осаждения тонких пленок. Может применяться при производстве интегральных микросхем, носителей для хранения информации, плоских дисплеев и т.п. Предложен способ осаждения тонких пленок на подложку. Газопоглощающее устройство в активированном состоянии вводят во взаимодействие с рабочей газовой средой в вакуумируемой рабочей камере. Сумма парциальных давлений химически активных газов в камере не более 10-3 мбар (0,1 Па). Перед началом процесса осаждения газопоглощающее устройство удаляют из рабочей камеры с использованием автоматизированного оборудования и операций для манипулирования подложками. При этом в рабочей камере поддерживается вакуум или давление, требующееся для процесса осаждения. Техническим результатом является увеличение выхода годного продукта при осаждении тонких пленок на подложку за счет уменьшения загрязнения рабочей среды и времени на откачку камеры. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение касается способа увеличения производительности технологических процессов по осаждению тонких пленок на подложку.
Технологические процессы для осаждения тонких пленок на подложку широко применяются в различных областях промышленности. Например, эти процессы лежат в основе производства интегральных схем (хорошо известных в этой области техники как ИС); носителей для хранения информации, например таких как КД (компактные диски) (где тонкий слой алюминия наносится на подложку из прозрачных пластмасс) или жестких дисков для компьютеров (где магнитный материал наносится на основание, обычно из алюминия); плоских дисплеев; и наконец процессы осаждения тонких пленок применяются в развивающейся области микромеханических устройств, которые изготавливаются с помощью технологий, подобных тем, которые используются при производстве ИС.
Основные промышленные процессы осаждения тонких пленок - это химическое осаждение из паровой фазы и физическое осаждение из паровой фазы, которые лучше известны в данной области как "химическое осаждение из паровой фазы" и "физическое осаждение из паровой фазы" соответственно или сокращенно "CVD" (ХОП) и "PVD" (ФОП).
В процессах ХОП вызывают взаимодействие двух или более типов газообразных частиц в вакуумированной камере, в которой находится подложка; в результате реакции образуется твердый продукт, который осаждается на подложке в виде тонкой пленки. Давление, до которого должна быть откачена камера, в различных процессах ХОП может значительно различаться; в некоторых случаях (которые относятся к процессам с низким давлением или сверхвысоким вакуумом) может потребоваться начальная откачка камеры до величины давления 10-8 -10-9 мбар (10-6-10-7 Па); в дальнейшем под процессами ХОП будут всегда пониматься процессы такого типа.
Сокращенным наименованием ФОП обозначается фактически ряд возможных альтернативных технологий. Однако все эти технологии проявляют следующие общие признаки:
- для получения тонкой пленки используется мишень из материала, который предполагается осаждать, и эта мишень обычно имеет форму малого по высоте цилиндра, который размещается в камере перед подложкой и параллельно с ней;
- камера сначала откачивается и затем заполняется газовой средой из инертного газа, обычно аргоном, при давлении 10-2-10-3 мбар (1-10-3 Па); между основанием подложки и мишенью прикладывается разность потенциалов в несколько киловольт (так, чтобы мишень была катодом), в пространстве между подложкой и мишенью генерируется плазма из электронов и ионов Аr+; эти ионы ускоряются под действием электрического поля в направлении мишени, таким образом вызывая эрозию мишени при ударе; частицы (обычно атомы или "кластеры" атомов), образующиеся при эрозии мишени, будут осаждаться на подложке (а также и на других имеющихся поверхностях), таким образом формируя тонкую пленку.
Каждый процесс может состоять из ряда этапов по осаждению тонких пленок, и существуют также гибридные процессы, включающие этапы и ХОП и ФОП.
Известно, что свойства тонкопленочных устройств особенно в случае ИС сильно зависят от наличия дефектов в осажденных пленках. Эти дефекты главным образом обусловлены наличием атомов химических элементов, отличающихся от тех, которые образуют данную пленку. Следовательно, необходимо уменьшить до минимально возможного количество источников загрязнения на всех этапах процесса, используя реагенты с максимально возможной чистотой (химически активные газы в случае ХОП и мишень в случае ФОП) и обеспечивая высочайшую чистоту всех поверхностей в рабочей камере и рабочей газовой среды.
Более того, даже если можно осуществлять осаждение в одно и то же время на нескольких подложках (в обоих случаях ХОП и ФОП), то промышленная тенденция идет в направлении процессов с одной подложкой, что позволяет обеспечить лучшее управление особенностями осаждения.
Для выполнения вышеупомянутых требований процессы осаждения тонких пленок осуществляют в системах, содержащих по меньшей мере одну камеру, но обычно множество камер, каждая из которых сконструирована для конкретной операции; например, существуют действующие рабочие камеры, в которых выполняются этапы по осаждению, или камеры кондиционирования, которые применяются, например, для очистки или нагрева подложек до осаждения. В последующем рабочие камеры и камеры кондиционирования, как правило, будут называться камерами обработки. В случае наличия нескольких камер обработки они могут быть расположены в линию, непосредственно соединенными друг с другом; в альтернативном варианте эти камеры могут быть расположены вокруг центральной камеры переноса. Каждая камера соединена со смежными камерами с помощью задвижек, которые нормально закрыты и открываются только для переноса подложек из одной камеры в другую во время различных этапов технологического процесса.
Для обеспечения как можно более высокой степени чистоты обычно все камеры находятся под вакуумом, причем наиболее высокая величина вакуума в камерах для осаждения. Подложки переносятся из одной камеры в последующие камеры с помощью автоматизированных средств, обычно механических рук. В простом рабочем примере системы для технологического процесса (содержащей камеры, расположенные вокруг камеры переноса) подложки вводятся в первую камеру, находясь внутри коробок подходящей формы, внутренние стенки которых снабжены хвостовиками, предназначенными для удерживания подложек отдельно друг от друга, чтобы упростить автоматизированные операции по их перемещению. В первой камере создают вакуум приблизительно 10-5-10-6 мбар (10-3-10 -4 Па) и открывают первую задвижку для соединения этой камеры с камерой переноса; механическая рука берет подложку из коробки и переносит ее в камеру переноса, где давление на более низком уровне, чем в первой камере, обычно приблизительно 10 -7 мбар (10-5 Па), и первую задвижку закрывают; затем открывают вторую задвижку для соединения камеры переноса с рабочей камерой, подложку устанавливают в положение, при котором будет происходить осаждение, и рабочую камеру закрывают, закрывая вторую задвижку. После завершения осаждения тонкой пленки подложка затем может быть перенесена опять с помощью механических рук и через камеры переноса наружу из системы или в другую камеру системы.
В идеальном варианте системы для осаждения тонкие пленки всегда должны находиться изолированными от атмосферы. Однако камеры обработки должны периодически открываться для выполнения операций, касающихся поддержания в рабочем состоянии автоматизированного оборудования, очистки внутренних поверхностей или в случае ФОП для замены мишени, когда она израсходовалась, или должен осаждаться другой материал. При каждом открывании давление камеры сравнивается с давлением окружающей среды, и ее внутренние стенки, поверхности оборудования и мишени поглощают атмосферные газы, в частности водяные пары. Затем эти газы выходят в камеру во время производственных этапов. Во время процесса производства осуществляется непрерывная откачка камер насосами, так чтобы удалять из них примеси и особенно атмосферные газы, выделяющиеся с поверхностей, как описано выше. Баланс между дегазирующим потоком с поверхностей и скоростью удаления газа с помощью насосов во время процессов производства является определяющим для базового давления системы; чем ниже это базовое давление, тем меньше количество возможных загрязнений для пленок при осаждении. Обычно для улучшения базового давления после каждого открывания камер проводят их откачку при нагреве с температурой приблизительно 100-300°С (этот этап известен в данной области техники как "обезгаживание прогревом"). Цель такой обработки заключается в увеличении дегазации всех поверхностей в камере и удалении как можно большего количества газов, первоначально адсорбированных на этих поверхностях; чем выше скорость откачки во время этапа обезгаживания прогревом, тем более эффективно происходит такое удаление. Таким способом уменьшают остаточное количество адсорбированных газов и, следовательно, уменьшают дегазирующий поток во время производственных этапов; при этом в результате при той же скорости откачки во время производственного процесса получают более низкое базовое давление и, следовательно, меньшее количество примесей в рабочей газовой среде. После обезгаживания прогревом откачку продолжают; чистота камеры считается приемлемой для начала нового цикла осаждения, если давление достигает предварительно заданной величины, обычно приблизительно 10-7-10 -5 мбар (10-5-10-7 Па). Поверхность мишени, используемой в процессах ФОП, очищается путем обработки, при которой проводится такой же этап осаждения, как и при производственном процессе, но на "ложную" подложку, которая затем убирается; этот этап приведения к требуемому состоянию мишени известен в данной области техники под названием "приработка".
В технологии, применяемой в настоящее время, этап откачки для восстановления давления в камере от приблизительно 1000 мбар (105 Па) до приблизительно 10-8 мбар (10 -6 Па) требуется время в диапазоне от 4 до 12 часов; для этапа приработки требуется время в диапазоне от получаса до 4 часов. Эти два подготовительных этапа необходимы для получения изделия высокого качества, но с точки зрения производительности процесса на эти этапы затрачивается время простоя.
Другой возможный источник загрязнения камер для осаждения - это повторяющееся открывание их для переноса подложек. Как указывалось выше, в камерах переноса в нормальном состоянии поддерживают давление более высокое, чем в камерах обработки, и, в свою очередь, в камерах с коробками, в которых находятся подложки, поддерживают давление более высокое, чем давление в камерах переноса. Всякий раз, когда задвижки, соединяющие камеры, открывают, происходит перенос газов из камеры с более высоким давлением в камеру с более низким давлением, что приводит в результате к постоянному переносу загрязняющих газов из камер, в которых находятся коробки с подложками, в камеры обработки. Более того, сама поверхность подложек, как правило, "грязная", на ней адсорбированы атмосферные газы; эти газы выделяются в камерах обработки, находящихся под низким давлением.
В соответствии с вышеизложенным существует ряд возможных источников загрязнений тонких пленок при их формировании, которые могут привести к производству бракованных изделий. Выход годных устройств, полученных при использовании технологий осаждения тонких пленок, может быть повышен либо путем уменьшения времени на откачку камер, либо уменьшения загрязнения в целом рабочей газовой среды, либо, что лучше, путем воздействия на оба эти параметра технологического процесса.
Цель настоящего изобретения состоит в создании способа увеличения выхода годных в процессах осаждения тонких пленок на подложку.
Эти цели достигаются согласно настоящему изобретению, которое в первом его аспекте касается способа увеличения производительности процессов для осаждения тонких пленок, содержащего этапы: введение устройства газопоглощения в активированном состоянии во взаимодействие с рабочей газовой средой в рабочей камере, когда сумма парциальных давлений химически активных газов в камере ниже, чем приблизительно 10-3 мбар (0,1 Па), и когда не производится обработка действительной производственной подложки посредством использования автоматизированных оборудования и операций для перемещения подложек, используемых на производственных этапах.
Вышеуказанные химически активные газы - это те газы, которые хорошо известны в области газопоглощения, по отношению к которым газопоглощающие материалы являются в высокой степени химически активными; эти газы в основном включают в себя кислород, воду, диоксид углерода, оксид углерода, водород и в некоторых случаях азот. Как известно, для выполнения газопоглощающими материалами своей функции требуется активационная термическая обработка при температурах приблизительно 250-900°С и в течение времени от нескольких минут до около часа в зависимости от химического состава конкретного материала. В случае, когда активированное устройство газопоглощения находится в газовой среде, где сумма парциальных давлений химически активных газов выше, чем приблизительно 10-3 мбар (0,1 Па), могут протекать интенсивные реакции, потенциально опасные для оборудования, находящегося в камере. С другой стороны, газопоглощающие материалы полностью инертны по отношению к инертным газам, которые обычно применяются в качестве рабочей газовой среды в процессах по осаждению тонких пленок. Поэтому, как описано ниже, в способе по изобретению прогнозируется возможность нахождения устройства газопоглощения в активированном состоянии в камере обработки, когда полное давление в ней выше 10-3 мбар (0,1 Па), при условии, что это максимальное давление, полученное при суммировании парциальных давлений вышеопределенных химически активных газов.
Изобретение описано ниже в некоторых его вариантах выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
- фиг.1-4 представляют в виде последовательности операций некоторые возможные альтернативные варианты выполнения способа согласно изобретению;
- фиг.5-7 иллюстрируют некоторые возможные варианты устройств газопоглощения согласно изобретению;
- фиг.8 изображает две кривые, представляющие давление в камере ФОП во время ее откачки, записанные соответственно при выполнении известных операций и при выполнении способа по изобретению.
Использование газопоглощающих материалов и устройств газопоглощения внутри камер, в которых производится осаждение тонких пленок, уже раскрыто в патентной заявке ЕР-А-693626, публикациях международных патентных заявок WO 96/13620 и WO 97/17542 и в патенте США №5778682. Однако во всех этих документах описываются системы газопоглощения, которые остаются в камере также и во время процесса производства. Например, в WO 96/13620 описана камера для обработки полупроводников, внутри которой размещен газопоглощающий насос, изготовленный из множества газопоглощающих дисков, собранных в блок на центральном основании, которое также может выполнять функцию нагревателя для газопоглощающих дисков. Этот насос постоянно закреплен в камере, его местоположение удалено от места, где обрабатывается полупроводниковая пластина, например в углу на нижней стенке камеры. Способ по изобретению отличается от использования систем газопоглощения, соответствующих этим документам, поскольку при использовании этих систем требуются значительные модификации конфигурации рабочих камер, в частности, чтобы обеспечить их подходящими средствами нагрева для активации газопоглощающих материалов и выполнения ими своей функции. В Европейской патентной заявке ЕР-А-926258 раскрыто также использование систем газопоглощения в процессах ФОП; однако в этом случае система газопоглощения также находится в камере во время процесса.
Наличие активированного устройства газопоглощения в камере обработки согласно изобретению может способствовать и увеличению скорости ее вакуумирования и уменьшению общего загрязнения, таким образом внося вклад различными путями в производительность производства.
Эти результаты могут быть достигнуты при использовании устройств газопоглощения несколькими путями.
В первом возможном варианте выполнения способа по изобретению в открытую камеру вводится неактивированное устройство газопоглощения на держатель подложки; затем камера закрывается и ее начинают вакуумировать. Когда давление достигает величины приблизительно 10-3 мбар (0,1 Па), устройство газопоглощения, ранее введенное в камеру, термически активируют, например, используя средства нагрева в держателе подложки. В то же время начинают наполнение камеры инертным газом, таким как аргон, и возможно процедуру приработки; во время этих операций постоянно работают насосы, соединенные с камерами. Наполнение аргоном продолжается до тех пор, пока уровень загрязнений не снизится ниже заданной величины, этот уровень может проверяться с помощью датчиков или анализаторов, таких как масс-спектрометр, соединенных с камерой. В альтернативном варианте и в случае осуществления калибровки параметров вакуумирования камеры наполнение камеры аргоном может продолжаться в течение заданного времени. Когда уровень загрязнения является подходящим для производства, устройство газопоглощения удаляется из камеры и начинают новый этап производства. В этот момент камера уже заполнена аргоном, рабочей средой. В соответствии с этой процедурой давление в камере никогда не опускается до 10-7 мбар (10-5 Па) или ниже, и удаление загрязнений из газовой среды камеры осуществляется промывающим действием заполняющего инертного газа совместно с активированным устройством газопоглощения.
В качестве альтернативного варианта такой же процесс, который описан выше, может осуществляться, когда камеру закрывают и начинают ее вакуумирование в отсутствие устройства газопоглощения. В этом случае предварительно активированное устройство газопоглощения вводится в камеру (не обязательно на держатель подложки) из камеры переноса с помощью механических рук.
Устройства газопоглощения по изобретению также могут повторно вводиться и выполнять свою функцию в установленные моменты времени во время операций процесса, например, чтобы способствовать уменьшению загрязнения, вводимого при повторных открываниях задвижек камер или при обезгаживании поверхности подложек. В соответствии с этим возможным применением способа по изобретению устройство газопоглощения вводится в камеру в установленные моменты времени. В этом случае этап очистки газовой среды рабочей камеры может выполняться после того, как обработано заданное число подложек; например, он может проводиться после того, как обработаны все подложки, содержащиеся в коробке, перед использованием подложек из новой коробки. Для этой цели достаточно перенести в камеру обработки устройство газопоглощения, выполненное согласно изобретению, (предварительно активированное или которое должно быть активировано) вместо размещения изготавливаемой подложки и в промежутке времени между обработкой двух таких подложек.
Как указано выше, новый производственный цикл может начинаться после того, как камеру открывают без предварительного достижения давления в камере 10-7 мбар (10-5 Па) или ниже. Однако наиболее общая операция, применяемая в промышленности, - это достижение очень низкого давления в камере до нового производственного цикла. В этом случае способ по изобретению особенно полезен для уменьшения времени, требующегося для приведения камеры к ее рабочим условиям после любого открывания, при этом устройства газопоглощения вносят вклад в устранение атмосферных газов. В нижеследующем описании выражение "давление, необходимое для начала производства", означает давление 10-7 мбар (10-5 Па) или ниже.
Согласно этому предпочтительному пути реализации, способ по изобретению содержит этапы:
- вводят устройство газопоглощения в камеру обработки после ее открывания, до или во время ее вакуумирования, операцию проводят так, чтобы устройство газопоглощения находилось в камере в активированном состоянии, только когда давление в ней достигает величин 10-3 мбар (0,1 Па) или ниже;
- продолжают вакуумирование камеры при сохранении в ней активированного устройства газопоглощения до тех пор, пока не будет достигнуто давление, необходимое для начала производственного процесса; и
- удаляют устройство газопоглощения из камеры, при этом используют то же автоматизированное оборудование и те же операции для манипулирования подложками, используемые на этапах производства.
При видоизменении процесса, вкратце изложенного выше, возможно сохранение устройства газопоглощения в камере даже при достижении давления, необходимого для начала производства, когда осуществляются некоторые операции, которые являются предварительными для этапов непосредственно производства.
Фиг.1-4 представляют в виде блок-схем последовательности операций некоторые возможные альтернативные варианты предпочтительных путей реализации способа по изобретению.
После каждого открывания рабочей камеры (фиг.1) ее опять закрывают и начинают вакуумирование (этап 1); для вакуумирования вначале обычно используются механические насосы низкого давления (например, вращательные насосы), а в дальнейшем, когда давление в камере достигает величин приблизительно 1-10-2 мбар (102-1 Па), используются средне- и высоковакуумные насосы, такие как турбомолекулярные или криогенные насосы. Когда давление достигает величин 10 -3 мбар (0,1 Па) или менее, и все еще продолжается вакуумирование насосами, устройство газопоглощения изымается из коробки и вносится в рабочую камеру (этап 2) с помощью того же автоматизированного оборудования и тех же операций для манипулирования подложками, которые используются на этапах производства; таким образом, устройство газопоглощения размещается в той же зоне, далее она называется "зоной осаждения", которую обычно занимают подложки во время процесса производства тонких пленок. Она обычно определяется держателем подложек, удерживаемым, возможно, подвижным основанием, который устанавливает подложку в месте вблизи центра камеры. В камере для осаждения тонких пленок обычно предусмотрена возможность нагрева зоны осаждения: в действительности нагрев подложки во время производственных этапов позволяет получить более однородные тонкие пленки; более того, во время начальных этапов откачки необходимо, чтобы основание могло прогреваться для его дегазации. Для этой цели в основании предусмотрены средства нагрева, такие как, например, электрические сопротивления или инфракрасные лампы, которые нагревают зону осаждения либо изнутри, либо снаружи камеры через окна с кварцевым стеклом.
Устройство газопоглощения, размещенное в зоне осаждения, подвергается термической активационной обработке (этап 3) при температуре приблизительно 300-700°С в течение времени приблизительно от десяти минут до одного часа в соответствии с используемым газопоглощающим материалом, с помощью средств, предусмотренных для нагрева подложки.
Активированное таким образом устройство газопоглощения увеличивает скорость последующего вакуумирования камеры до давления, требующегося для начала производственного процесса, обычно приблизительно 10-8 мбар (10-6 Па), и улучшает базовое давление системы, обусловленное остаточной дегазацией стенок.
Затем устройство газопоглощения удаляют из камеры (этап 4), используя средства и операции для манипулирования, которые применяются в процессе производства для транспортировки подложек, и начинают процесс производства путем ввода в камеру производственных подложек.
На фиг.2 показан возможный альтернативный путь осуществления способа по изобретению. После начала вакуумирования (этап 5) при достижении давления 10-3 мбар (0,1 Па) в рабочую камеру вводят предварительно активированное устройство газопоглощения (этап 6); устройство может быть активировано, например, в другой камере обработки, такой как камера, предназначенная для предварительного нагрева производственных подложек. Затем при достижении требующегося давления для начала производственных этапов устройство газопоглощения удаляют из камеры (этап 7).
На фиг.3 показан другой возможный альтернативный вариант выполнения способа по изобретению. В этом случае устройство газопоглощения вводят в рабочую камеру (этап 8) до начала этапа вакуумирования (этап 9); в этом случае устройство газопоглощения может быть введено в камеру непосредственно после ее закрытия, используя имеющиеся в системе автоматизированные средства перемещения или даже вручную, перед таким закрытием. Когда давление в рабочей камере достигает величин 10-3 мбар (0,1 Па) или ниже, устройство активируют путем нагрева при температурах приблизительно 300-700°С, используя средства и операции, применяемые для нагрева подложек в процессе производства (этап 10). Затем вакуумирование продолжается с находящимся в камере активированным устройством газопоглощения до тех пор, пока не достигнуто давление, требующееся для начала процессов производства, при этом давлении устройство газопоглощения удаляют из камеры (этап 11) и начинают производственный процесс.
Наконец, когда выполняют процесс, предусмотренный для этапов, являющихся подготовительными для этапов фактического производства, также возможно во время начальных этапов оставлять устройство газопоглощения внутри камеры. Эта возможность представлена на фиг.4: согласно этому варианту выполнения способа по изобретению повторяют начальные этапы любого из способов, описанных со ссылкой на фиг.1-3, но при достижении требующегося значения вакуума выполняют этап 12, предварительный по отношению к производственным этапам, перед удалением из камеры устройства газопоглощения (этап 13). Примером процессов такого типа являются процессы ФОП, в которых при откачке камеры до давления менее чем приблизительно 10 -7-10-8 мбар (10-5-10-6 Па) обычно осуществляется вышеописанный этап приработки путем введения в камеру аргона при давлении 10-3 мбар (0,1 Па) и имитации производственного процесса. При этих условиях устройство газопоглощения покрывается материалом мишени и быстро теряет свою эффективность поглощения газов; с другой стороны, на первом этапе обработки еще происходит сорбция газа, таким образом вносится вклад в сохранение чистой рабочей газовой среды, и в любом случае наличие устройства газопоглощения позволяет не проводить этап переноса в камеру "ложной" подложки из коробки.
Согласно второму аспекту, изобретение касается устройств газопоглощения, с помощью которых осуществляется ранее описанный способ.
Как упоминалось выше, устройства газопоглощения, соответствующие изобретению, загружаются в такие же коробки с подложками, используемыми в производстве, и переносятся с помощью того же автоматизированного оборудования, которое осуществляет манипулирование указанными подложками. Для этого устройства газопоглощения должны иметь по существу такой же размер, как производственные подложки; действительно, устройства газопоглощения большего размера не смогут быть размещены в контейнерах и не смогут пройти через задвижки, которые закрывают камеры переноса, а устройства газопоглощения меньшего размера, чем подложки, не смогут быть захвачены автоматизированным оборудованием для перемещения подложек. Другая причина использования устройств газопоглощения того же размера, что и подложки, заключается в том, что при этом поверхность, которую может иметь газопоглощающий материал, и вследствие этого также свойства устройства поглощать газ, становятся максимальными. Следовательно, устройства газопоглощения по изобретению могут иметь толщину приблизительно 0,5-5 мм, а продольные размеры варьироваться в диапазоне приблизительно 10-100 см; для примера, в случае ИС будут использоваться устройства по существу круглой формы толщиной приблизительно 0,5-1 мм и диаметром от 150 до 300 мм, а в случае изготовления плоских дисплеев устройства являются обычно прямоугольными, толщиной в диапазоне приблизительно 1-5 мм и с продольным размером в диапазоне от 10 см до одного метра.
Устройства газопоглощения по изобретению могут быть выполнены только из газопоглощающего материала, например спеченных порошков. Однако учитывая их особую геометрию, при которой продольные размеры значительно больше толщины, спеченные тела, изготовленные исключительно из порошков, могут иметь низкое механическое сопротивление, приводя вследствие возможного их разламывания к появлению частей, которые будут больше не приспособлены для перемещения с помощью автоматизированного оборудования, и фрагментов или порошков, которые будут находиться в рабочих камерах.
Следовательно, предпочтительно использовать устройства газопоглощения, выполненные из слоя газопоглощающего материала, нанесенного на основу, которая обеспечит необходимое механическое сопротивление. В качестве основы можно использовать любой материал, с которым газопоглощающий материал имеет хорошую адгезию, и обладает хорошими характеристиками механического сопротивления и стойкости к условиям, в которых устройства должны находиться в камерах, особенно к активирующей обработке газопоглощающего материла. Также предпочтительно, чтобы материал основы не выделял большого количества газа в вакууме при температурах, достигаемых во время активации, чтобы не вносить заметную долю в количество газов, находящихся в камере. Материалы, которые в наибольшей степени удовлетворяют этим условиям, - это металлы и металлические сплавы, например сталь, титан, сплавы никель-хром, или кремний, керамика или стекло.
Устройства, сформированные из газопоглощающих материалов на основе, могут иметь покрытие на обеих сторонах или на одной из них. В некоторых процессах осаждения тонких пленок подложки перемещают в вертикальном положении в пределах системы, при этом они контактируют только с направляющей, с помощью которой они поддерживаются за краевую часть, а обе поверхности по существу остаются открытыми: например, производство компьютерных жестких дисков, которые покрываются магнитным материалом для хранения информации на обеих поверхностях. В этом случае предпочтительно использовать устройства с газопоглощающим материалом, нанесенным на обе стороны, что позволяет обеспечить максимальную поверхность активного материала. В другом случае, когда предполагается использование устройств газопоглощения в камерах, в которых подложка обрабатывается в горизонтальном положении, причем одна сторона остается на держателе образца, используют устройства, в которых газопоглощающий материал предпочтительно нанесен только на одну сторону; в действительности при этой конфигурации возможное покрытие из газопоглощающего материала на поверхности, находящейся в контакте с держателем образца, приводило бы к возможным потерям частиц на нем, причем не внося вклад в удаление газа. Примерами процессов, в которых используется такая конфигурация подложки, являются процессы производства ИС и КД (компакт-дисков).
В обоих случаях также предпочтительно было бы, чтобы поверхность основы не была полностью покрыта газопоглощающим материалом, а по меньшей мере часть края основы оставалась без покрытия. Это предотвращает вероятность того, что устройство газопоглощения сможет потерять частицы при трении, либо когда оно находится в коробке для подложек, где оно поддерживается в вертикальном положении с помощью подходящих хвостовиков, либо когда оно перемещается с помощью автоматизированных средств в рабочую камеру, эти средства могут содержать крепежные детали, удерживающие подложки за их край.
На фиг.5-7 представлены некоторые примеры возможных устройств газопоглощения по изобретению.
На фиг.5 показано с вырезом устройство 50 газопоглощения, подходящее для использования в системах для производства жестких дисков для компьютеров. Устройство состоит из основы 51 круговой формы, покрытой с обеих сторон покрытиями 52, 52' из газопоглощающего материала; покрытия 52, 52' не полностью закрывают поверхности сторон основы, а оставляют две открытые области 53 и 53', соответствующие краям основы с обеих сторон. Устройство такого типа перемещается в вертикальном положении в рабочей системе с помощью автоматизированных систем, оканчивающихся крепежными деталями, которые удерживают устройство за край.
Фиг.6 представляет устройство (60) газопоглощения, подходящее для использования в системах для производства интегральных схем. Показан примерный вариант, в котором в качестве основы 61 используется производственная подложка, причем она выполнена в виде "пластины" из монокристаллического кремния; эти подложки имеют по существу круговую форму, за исключением части, стянутой дугой, которая позволяет распознавать ориентацию подложки и сохранять ее постоянной в рабочей системе. Покрытие 63 из газопоглощающего материала имеется только на одной стороне 62 основы 61; для вышеописанных целей край 64 поверхности стороны 62 оставляют без покрытия.
На фиг.7 показано устройство 70 газопоглощения, которое следует использовать в системе для производства плоских дисплеев. Устройство состоит из основы 71, покрытой только с одной стороны 72 покрытием 73 из газопоглощающего материала, край 74 основы остается без покрытия.
Газопоглощающие материалы, которые могут использоваться для изготовления устройств, соответствующих изобретению, различны и содержат, например, металлы, такие как Zr, Ti, Nb, Та, V; сплавы этих металлов или этих металлов с одним или несколькими другими элементами, выбранными из Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La и редкоземельных элементов, такие как двойные сплавы Ti-V, Zr-V, Zr-Fe и Zr-Ni или трехкомпонентные сплавы Zr-Mn-Fe или Zr-V-Fe; и смеси металлов с ранее указанными сплавами. Подходящие газопоглощающие материалы представляют собой сплавы, изготавливаемые и продаваемые заявителем под наименованием St 787 и имеющие процентный состав: Zr 80,8 вес.% - Со 14,2 вес.% - А 5 вес.%, где А обозначает любой элемент, выбранный из иттрия, лантана, редкоземельных элементов и их смесей; сплав с процентным составом: Zr 84 вес.% - Al 16 вес.%, изготавливаемый и продаваемый заявителем под наименованием St 101® ; сплав с процентным составом: Zr 70 вес.% - V 24,6 вес.% - Fe 5,4 вес.%, изготавливаемый и продаваемый заявителем под наименованием St 707; или механические смеси двух последних приведенных сплавов с металлами Zr или Ti; эти смеси являются предпочтительными благодаря их хорошим механическим характеристикам, особенно в отношении потери частиц. Особенно подходят для целей изобретения устройства, полученные из смеси, изготавливаемой и продаваемой заявителем под наименованием St 121, состоящей из 70 вес.% порошков титана и 30 вес.% порошков сплава St 101®.
Устройство газопоглощения, выполненное в виде слоя газопоглощающего материала на основе, может быть получено с помощью многочисленных различных нижеприведенных способов. Первая возможность - это осаждение слоя на основу с помощью способа ФОП. Приготовление устройств газопоглощения с помощью способа ФОП описано, например, в публикации международной патентной заявки WO 97/49109. Этот способ обладает достоинством, заключающимся в том, что позволяет получать покрытие из газопоглощающего материала на многих видах основ, включая стекло и керамику; более того, покрытия, полученные с помощью способа ФОП, не имеют недостатка, заключающегося в возможной потере частиц. Другие способы заключаются в нанесении на основу газопоглощающего материала в виде порошков. Нанесение порошков может осуществляться с помощью холодного прокатывания; этот способ широко известен в области порошковой технологии, но он может применяться только с металлическими основами. Другая возможность - это разбрызгивание суспензии газопоглощающих частиц в подходящем растворителе на основу, которая поддерживается горячей, как описано в патентной заявке WO 95/23425, на которую делается ссылка для выяснения подробностей этого способа.
Кроме того, основа может покрываться частицами газопоглощающего материала с помощью способа электрофореза. В этом случае требуется, чтобы основа была электропроводящей: подробно этот способ описан в патенте США №5242559. Наконец, нанесение порошков газопоглощающего материала на основу может быть выполнено с помощью способа шелкографии, как описано в публикации международной патентной заявки WO 98/03987. Способ шелкографии особенно удобен, поскольку позволяет наносить газопоглощающий материал на основы различной природы (металлы, кремний, стекло,...) и получать покрытия заданной формы, следовательно, делает более легким, например, изготовление устройств газопоглощения, примеры которых показаны на фиг.4-6, где часть поверхности основы остается без покрытия.
Изобретение проиллюстрировано с помощью нижеприведенных примеров. Эти неограничивающие примеры показывают некоторые варианты, предназначенные для того, чтобы обучить специалистов в данной области техники практическому осуществлению изобретения и чтобы представить наиболее продуманный режим для осуществления изобретения.
ПРИМЕР 1 (СРАВНИТЕЛЬНЫЙ)
Этот пример представляет известную процедуру вакуумирования рабочей камеры. Выполняют стандартный цикл по вакуумированию камеры для ФОП, при этом во время всего цикла непрерывно контролируют изменение давления. Камера содержит основание, на которое опирается держатель образца, который, в свою очередь, содержит средство нагрева в виде внутреннего электрического сопротивления. Камера содержит помимо внутреннего средства нагрева две кварцевые лампы, расположенные на двух противоположных боковых стенках. Для вакуумирования камеру соединяют с группой откачивающих насосов, содержащей вращательный насос и криогенный насос. При давлении ниже 10-5 мбар (10-3 Па) давление в камере измеряют манометром Байярда-Альперта.
В начале испытания камеру закрывают и начинают откачку насосами. Когда давление в камере достигает величины приблизительно 10-6 мбар (10-4 Па), начинают процедуру обезгаживания прогревом, нагревая внутренность камеры, включив кварцевые лампы и нагреватель, выполненный внутри держателя образца, что поднимает температуру до 500°С; как описано выше, эта процедура предназначена для того, чтобы выделились газы, главным образом Н2О, адсорбированные на всех поверхностях внутри камеры, чтобы удалить их до максимально возможной степени в течение этапа откачки камеры насосами и чтобы исключить в последующем выделение этих газов в газовую среду камеры во время производственного этапа. Обезгаживание прогревом длится 2 часа. В конце процедуры обезгаживания прогревом нагрев выключают и камеру охлаждают, при этом все время работают насосы. Значения давления, измеренные в камере во время испытания, показаны на фиг.8 кривой 1.
ПРИМЕР 2
Этот пример представляет предпочтительный путь реализации способа по изобретению. А конкретно этот пример относится к варианту выполнения способа, описанного со ссылкой на фиг.3. Обеспечивается устройство газопоглощения в неактивированном состоянии, состоящее из кремниевой пластины диаметром приблизительно 200 мм, на поверхности которой нанесен способом трафаретной печати слой (толщиной 150 мкм) описанного выше газопоглощающего материала St 121. Устройство газопоглощения размещают на держателе образца в камере. Затем повторяют процедуру вакуумирования, описанную в примере 1. Во время процедуры обезгаживания прогревом держатель образца нагревает устройство газопоглощения до температуры приблизительно 500°С, таким образом активируя газопоглощающий материал. Значения давления, измеренные в камере во время испытания, показаны на фиг.8 кривой 2.
Как можно легко заметить, сравнивая кривые 1 и 2 на фиг.8, использование устройства газопоглощения в соответствии со способом по изобретению позволяет уменьшить количество газов, выделяемых всеми поверхностями, имеющимися внутри камеры (стенки камеры и поверхности любых частей и устройств, находящихся в камере). В частности, кривые на фиг.8 показывают возрастание давления в испытании 1 вследствие выравнивания скорости выделения газов с поверхностей и скорости удаления газов из группы откачивающих насосов; в испытании, соответствующем изобретению, аналогичного увеличения давления не наблюдается, поскольку в этом случае устройство газопоглощения вносит вклад в сорбцию газа. В конце обезгаживания прогревом давление газа является более низким в испытании, соответствующем изобретению, по сравнению с испытанием, соответствующим известному аналогу; подобным образом способ по изобретению позволяет достигать величин конечного давления более низких, чем в испытаниях, соответствующих известным способам. С другой точки зрения, возможно даже более интересной для полупроводниковой промышленности, изобретение обладает преимуществом, заключающимся в том, что оно позволяет за более короткое время достигать заданного базового давления (например, предварительно установленной величины давления, при которой может быть начат новый производственный цикл). Это давление показано пунктирной линией на фиг.8 (обозначено "Предварительно заданное давление"): величина давления приблизительно 2×10-8 мбар (2×10-6 Па) достигается менее чем за 4 часа с помощью способа по изобретению, и более чем за 5 часов при обычных операциях.
Способ по изобретению легко может быть реализован во всех известных процессах осаждения, поскольку в нем используются для перемещения устройства газопоглощения те же средства перемещения, которые используются для перемещения производственных подложек в камеру обработки и из нее; при этом для активации устройства газопоглощения применяется то же средство нагрева подложки, которое в нормальном режиме уже находится в камере; поэтому для способа не требуется изготавливать дополнительное подходящее оборудование. Кроме того, реализация способа осуществляется во время обычных подготовительных этапов производственных процессов, следовательно, не требуется существенных модификаций и, частности, увеличения продолжительности этих этапов.
Формула изобретения
1. Способ осаждения тонких пленок на подложку, включающий введение газопоглощающего устройства в вакуумируемую рабочую камеру, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство в активированном состоянии вводят во взаимодействие с рабочей газовой средой в рабочей камере при сумме парциальных давлений химически активных газов не более чем приблизительно 10-3 мбар (0,1 Па), а перед началом процесса осаждения газопоглощающее устройство удаляют из рабочей камеры с использованием автоматизированного оборудования и операций для манипулирования подложками, в то же время поддерживая в рабочей камере вакуум или давление, требующееся для процесса осаждения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство вводят во взаимодействие с газовой средой в рабочей камере, когда полное давление в ней выше 10-3 мбар (0,1 Па) и газовая среда в основном состоит из инертных газов.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что осуществляют вакуумирование рабочей камеры до давления не более чем приблизительно 10-3 мбар (0,1 Па), вводят в камеру предварительно активированное газопоглощающее устройство или термически активируют предварительно введенное в камеру газопоглощающее устройство, наполняют камеру инертным газом, использующимся в качестве рабочей среды, и, когда уровень загрязнений в газовой среде камеры опускается ниже заданной величины, начинают процесс осаждения.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство повторно вводят в рабочую камеру и обеспечивают выполнение им функции газопоглощения в течение рабочих операций.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство повторно вводят в рабочую камеру перед началом обработки новой партии подложек.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство вводят в рабочую камеру перед началом или во время вакуумирования, при этом газопоглощающее устройство находится в активированном состоянии в камере, при давлении не более 10-3 мбар (0,1 Па), продолжают вакуумирование камеры до давления 10-7 мбар (10-5 Па) и удаляют газопоглощающее устройство из камеры.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что осуществляют вакуумирование рабочей камеры до давления не более 10-3 мбар (0,1 Па), вводят газопоглощающее устройство в неактивированном состоянии, активируют газопоглощающее устройство в камере при помощи оборудования и операций, используемых для нагрева подложек, а когда давление в камере достигает величины 10-7 мбар (10-5 Па), газопоглощающее устройство удаляют из камеры.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что осуществляют вакуумирование рабочей камеры до давления не более 10-3 мбар (0,1 Па), вводят в камеру предварительно активированное в другой камере системы газопоглощающее устройство, а при достижении давления в камере величины 10-7 мбар (10-5 Па) газопоглощающее устройство удаляют из камеры.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что в рабочую камеру вводят неактивированное газопоглощающее устройство, начинают вакуумирование камеры до давления не более 10-3 мбар (0,1 Па), затем термически активируют газопоглощающее устройство при помощи оборудования и операций, используемых для нагрева подложек, а при достижении давления в камере величины 10-7 мбар (10-5 Па) газопоглощающее устройство удаляют из камеры.
10. Способ по п.6, отличающийся тем, что газопоглощающее устройство удаляют из камеры только после выполнения подготовительных операций для осаждения тонких пленок.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что подготовительные операции включают этап очистки мишени, а осаждение тонких пленок осуществляют методом физического осаждения из паровой фазы.
РИСУНКИ
