化学汽相沉积的系统和方法

专利名称：化学汽相沉积的系统和方法
技术领域：
一般而言，本发明涉及化学汽相沉积系统，而且，更具体地，涉及包括具有抗氧化涂层以减少沉积物在其上形成的传送带的带式驱动常压化学汽相沉积系统。
背景技术：
化学汽相沉积(CVD)系统或反应器非常有名，并且，广泛用于在基体表面上沉积或生长各种组成的薄膜。例如，CVD系统一般用于在半导体晶片上沉积介电、钝化和掺杂剂层。CVD系统的运行通过将处理气体或化学蒸气送入待处理基体已放置其中的工艺室来进行。气源的化学物质经过其体，在基体表面上吸附和反应沉积成薄膜。可以使用各种惰性载体气体将固态或液态源以蒸汽形式送入工艺室。典型地，将基体加热至200-900℃，以对反应进行催进。
一种用于半导体制造的CVD系统是常压化学汽相沉积系统(此后表示为APCVD系统)在，例如，Bartholomew等的美国专利4,834,020中对APCVD系统进行了描述，在此引入作为参考。在APCVD系统中，当气源化学物质进入工艺室，在基体上反应并沉积成薄膜时，工艺室始终维持在常压下。APCVD系统的一个普通实例在沉积期间使用传送带或输送装置使基体通过工艺室。由于该设计可对基体进行不间断处理，并且，由于APCDV系统一般比，例如，其中在每次沉积处理之前，工艺室必须抽真空的低压CVD系统具有更高的薄膜生长速率，因此，带式驱动的APCVD系统典型地具有高得多基体处理量。
参照

图1，传统的带式驱动APCVD系统20典型地包括一个用于在高温下使基体30通过具有一系列工艺室40的处理马弗炉35的环形线带25，每个工艺室具有用于在基体上沉积薄膜(未示出)的处理气体喷嘴(injector)45。采用位于处理马弗炉35的底面55下的加热器50对传送带25上的基体30进行加热。为了在整个基体30范围，以及所有基体上产生厚度均匀的薄膜，在沉积期间，基体的加热必须均匀。因此，基体30与传送带25之间，以及传送带与马弗炉底面55之间必须处于良好的热接触。
传统APCVD系统的一个不足之处在于沉积不仅发生在基体上，而且也出现在系统本身的部件上，由在APCVD系统部件上的沉积物引发的一个问题是所述沉积物趋于碎裂或剥落，产生可能污染基体的粒子。为了确保基体处理的均匀性和可重复性，必须周期性也将这些沉积物从系统部件上去除。特别是，为了对基体均匀加热以获得稳定均匀的薄膜，沉积物必须从传送带和马弗炉底面上去除，以便使基体与传送带以及传送带与马弗炉底面之间平坦接触。而且，刚好位于每个工艺室下面的马弗炉底面典型地包括一些穿孔，通过这些穿孔通入净化气体，以防止薄膜沉积在处理基体的背面。如果这些穿孔随时间被CVD沉积物阻塞，则净化气体不能充分通过穿孔，沉积可能会在基体背面出现。
因此，需要能够减少粒子的产生并且能够减少沉积物在APCVD系统部件，一般地和特别是传送带和马弗炉底面上的积累的APCVD系统。
由包括不锈钢和多种镍基合金的含铬合金构造而成的传统APCVD系统的另一个不利之处与这些合金形成保护性铬的氧化物表面层，使合金具有理想的抗氧化性有关。已知在这些合金上形成的铬的氧化物表面层经过长期服役之后，当在APCVD系统使用时会产生气态的含铬化合物；这些化合凝集在已处理的基体上造成铬污染。
已尝试了几种方法来减少沉积物在传送带上的聚集。一个人所共知的方法，如图1所示，采用传送带清洗机构60，以便在APCVD系统工作期间，对传送带25进行连续清洗。该传送带清洗机构60具有一个位于处理马弗炉35下方的酸洗(etch)马弗炉65。在从工艺室30和处理马弗炉35中出来之后，传送带25进入酸洗马弗炉65内，在酸洗马弗炉中，氮载体气体中气态水合氢氟酸(HF)(典型地为共沸浓度)通过传送带，与传送带上的沉积物反应并且对其进行腐蚀。然后，传送带25经过盛有流动的去离子水的超声清洗池70，在池中，搅拌作用将腐蚀产物和粒子从传送带上去除。最后，在重新进入处理马弗炉35之前，传送带25经过空气刮板75和红外干燥器80，以使传送带干燥。
尽管上述方法可保持传送带上相对地无沉积物的累积，但是，马弗炉底面55最终会在相当程度上积聚有沉积物，结果，发生基体的不均匀加热，从而导致基体上膜的均匀性变差，和/或净化穿孔发生堵塞。当出现这种情况时，必须对马弗炉底面进行清洗，而且，为此目的已发展了一种HF清洗步骤，通常称作马弗炉酸洗。该步骤要求将处理马弗炉冷却至室温附近，并将系统拆开以便能够接近底面区域。典型地，该步骤要求用HF配送箱替代喷嘴组件，这些配送箱使马弗炉底面处于液态或气态的水合HF中，以将积聚的材料去除。马弗炉酸洗的频率取决于几个因素，包括使用的化学物质的类型和量，以及工艺室的温度。典型地，对于用于处理半导体晶片的传统APCVD系统而言面两次马弗炉酸洗之间的平均时间(MTBME)在100-200个小时的量级上。对这种频繁，侵蚀性且耗时的消洗的需要限制了APCVD系统的优异的基体处理能力。
因此，需要一种一般而言减少沉积物在系统部件上，特别是在传送带和马弗炉底面上形成的APCVD系统，以及该系统的操作方法。也需要提高MTBME，从而增大基体处理量的APCVD系统。还需要一种减少由APCVD系统中金属部件的内表面产生含金属的气态化合物的方法。
本发明提供了一种所述这些及其它问题的解决方法，而且还提供了优于现有技术的其它优点。
发明简述本发明的目的是提供一种改进的用于处理基体的化学汽相沉积(CVD)系统和方法，所述系统和方法与传统的CVD系统和方法相比通过减少沉积物在系统内部部件上的形成，能够减少粒子的产生和增加马弗炉两次清洗之间的平均时间(MTBME)。
在一个实施方案中，所述CVD系统是一种带式驱动的常压化学汽相沉积系统(APCVD系统)，基体是半导体晶片。所述APCVD系统包括一个加热的马弗炉，一个或多个具有用于将化学蒸汽引入其中以对基体进行处理的喷嘴组件的工艺室，以及使基体通过马弗炉和工艺室的传送带。该传送带具有抗氧化涂层，以减少沉积物在传送带以及其它相邻的系统部件上形成。抗氧化涂层在通过防止合金表面上形成天然的铬氧化物，从而阻止挥发性的含铬物质在多种含铬合金表面形成上特别有用。在一种形式中，抗氧化涂层包括镍的铝化物层，该镍的铝化物可以是NiAl3，Ni2Al3或者二者均有，这取决于镍的铝化物形成的温度。优选地，该抗氧化涂层还包括稳定的、粘附的基本不含过渡金属的氧化物层，例如铝的氧化物层。更优选地，所述抗氧化涂层的平均厚度至少5μm。
所述镍的铝化物层可以通过将由铝合金、活化剂和惰性粉末构成的粉末堆积在传送带周围，并且加热粉末和传送带以使铝扩散进入传送带的表面来形成。优选地，所述粉末包含铝、NH4Cl和氧化铝。铝的氧化物层的形成过程为(i)将传送带加热至第一个温度。同时保持氮气流动，(ii)当将传送带加热至第二个更高温度时，将氮气换成氢气并保持氢气流动，以及(iii)在氢气氛中，第二个温度下，将传送带保持预定时间，以使传送带上的镍的铝化物中的铝氧化。
在另一个方面，本发明的目标在于一种运行带式驱动的APCVD系统，以在基体表面上沉积薄膜的方法。在该方法中，提供有传送带，传送带用含铬合金制成，而且，在传送带的表面上具有抗氧化涂层以阻止铬的氧化物形成。将基体置于传送带上，传送带运动以将基体送入工艺室。化学蒸汽喷入化学汽相沉积室，在室内发生反应，从而在基体表面上沉积成薄膜。在一个实施方案中，提供具有抗氧化涂层的传送带的步骤包括提供具有结合牢固的基本不含过渡金属的氧化物层的传送带的步骤。优选地，提供具有抗氧化物层的传送带的步骤包括提供有铝氧化物层的传送带的步骤。更优选地，抗氧化涂层包括与镍的铝化物层牢固结合的铝的氧化物层。
在又一个方面，本发明的目的在于一种具有用于减少沉积物在传送带及相邻部件的表面上形成，以便增加两次马弗炉酸洗之间的平均时间(MTBME)的装置(或称“手段”，means)的CVD系统。优选地，与没有用于减少沉积物在传送带的表面上形成的装置的系统相比，MTBME至少增大3倍。更优选地，与没有用于减少沉积物在传送带的表面上形成的装置的系统相比，MTBME至少增大10倍。在一个实施方案中，传送带采用含铬的镍合金制成，用于减少沉积物在传送带上形成的装置包括防止铬的热氧化物形成的抗氧化涂层。
附图简述通过结合附图阅读下面的详细介绍，本发明的这些以及各种其它特性和优点将变得非常明显，所述附图中图1(现有技术)是一种带式驱动的APCVD系统的示意侧视图；图2是具有根据本发明的抗氧化涂层的一个实施方案的传送带的带式驱动APCVD系统的部分剖面侧视图；图3是具有根据本发明的抗氧化涂层的一个实施方案的传送带的部分剖面侧视图；图4示出的是具有根据本发明的抗氧化涂层的传送带的制备过程的一个实施例的流程图。
发明详述本发明提供一种用于在一系列顺序处理的基体上均匀且恒定地沉积或生长一层材料，同时又能够减少在装置部件上的沉积物以及减少最终形成的来自于沉积物的污染化合物的装置和方法。根据本发明的装置和方法在采用带式驱动的常压化学汽相沉积系统(APCVD系统)在基体，如半导体晶片上沉积一层材料时尤其有用。图2示出的是根据本发明的示例性APCVD系统的示意图。此处示出的APCVD系统的具体实施方案只是用来说明本发明，而不应该用来限制本发明的范围。
参照图2，所述APCVD系统10一般包括一个用于使基体110通过具有一个或多个工艺室120的处理马弗炉115的环形线式传送带105。每个工艺室具有用于引入处理气体或化学蒸汽以便对基体进行处理的喷嘴组件130。在处理马弗炉115的底面145的下面设置有加热元件140，以便对在处理马弗炉内的基体110进行加热。处理马弗炉115的底面145上存在一些净化孔150，通过净化孔，惰性净化气体，如氮、氦或氩流入工艺室120内，此外，在工艺室120每一边上存在两套增压装置155a，155b，引导净化气体向马弗炉115的底面145流动。这种流动构成了基本上可防止化学蒸汽进入邻接工艺室(未示出)或离开处理马弗炉115的气幕(未示出)排放系统160将废的化学蒸汽和净化气体从处理马弗炉115的顶部165排放掉。任选地，所述APCVD系统100还可以包括一个如图1所示并且如前所述的传送带清洗机构60。
一般地，一个或多个传送带105、处理马弗炉115以及工艺室120均采用镍基高温超合金，如Inconel，Haynes214，Pyromet601，或者其它类似的含镍合金制备而成。这些超合金能够承受高温并且具有良好的成型和焊接性能。优选Inconel，因其能够承受循环加热和冷却而不发生失效或者失去所要求的机械性能。更优选采用名义组成(重量百分比)为约60％Ni，22％Cr，17％Fe和1％Al的Pyromet601。
通常这些超合金由于在暴露于热氧化性气氛期间能自发形成高温表面氧化物层而展现出良好的高温抗氧化和抗腐蚀性。在含铬合金中，表面氧化物层典型地包括铬的氧化物(Cr2O3)，已知该氧化物在热氧化性气氛中会产生亚稳的含铬气态化合物。如果能够将不可渗透的、抗氧化、无铬层涂敷在合金表面，就能够防止上述化合物的形成。因此，根据本发明，抗氧化涂层175形成在传送带105的表面。
优选地，抗氧化涂层175无孔隙且与传送带105的所有丝线表面仿形，以基本上防止下面的合金发生氧化。例如，当传送带105采用Inconel，Haynes214，Pyromet601，或者其它与Pyromet601类似且如上所述含有铬的含镍合金制备时，选择抗氧化涂层175以减少含铬的高温氧化物的形成。优选地，抗氧化涂层175的平均厚度约3-15μm，更优选平均厚度至少5μm。
参照图3，在一个实施方案中，抗氧化涂层175包括镍的铝化物层180。该镍的铝化物可以是NiAl3，Ni2Al3，或者二者兼有，这取决于铝化物形成的温度。镍的铝化物层180通过形成牢固结合的将下面的含铬合金隔离的氧化物阻挡层来阻止高温铬氧化物形成。在该实施方案的一种形式中，镍的铝化物层180在可控环境中预先氧化，以产生基本上不含来自于下面输送带105的所有过渡金属的铝的氧化物层185，AlO2或者Al2O3层。
现在参照图4对抗氧化涂层175的形成方法进行介绍。图4是展示在由镍基超合金制成的传送带105上形成具有镍的铝化物层180和铝的氧化物层185的抗氧化涂层175的工艺的一个实例的流程图。在铝化步骤190，采用堆积渗金属法使铝合金化进入传送带105的表面，该方法中，包含铝合金，活化剂和惰性粉末的一种粉末堆积在传送带105周围，而且，对粉末和传送带进行加热，以使铝扩散进入传送带表面。一般地，所述活化剂是卤化物，如氟化钠(NaF)或者氯化铵(NH4Cl)，惰性粉末是氧化铝(Al2O3)。当加热至充分高的温度(高于约640℃，但不能高至引起传送带105的金属发生软化的程度)时，活化剂与铝合金反应形成气态铝的卤化物。这些气态铝的卤化物然后凝聚在传送带105的表面上，在传送带表面被还原成元素铝并且护散进入传送带，形成镍的铝化物层180。
另一方面，或者除了上述步骤之外，镍的铝化物层180可以通过在第二个铝化步骤195使用浆液进行液相反应直接在传送带105上形成。在该浆液方法中，将一层铝直接涂布或者喷涂在传送带105的表面。然后，传送带105在保护性气氛进行加热，以使铝扩散进入传送带的表面。该加热过程可以例如采用氩气或氢气等离子体喷涂来完成。优选地，在完成前述铝化步骤190、195中的一个或多个之后，镍的铝化物层180的平均厚度约3-15μm，更优选平均厚度约5μm。
这时，可以停止抗氧化涂层175的形成过程，而且，其上存在镍的铝化物层180的传送带105就可以投入使用。这是因为当其在高温下暴露于氧化性气氛时，镍的铝化物层180中铝的富集将会导致一个稳定的铝的氧化物层185的形成。然而，在一个优选的实施方案中，镍的铝化物层180在可控环境中进行预氧化，以便在基本防止镍氧化的同时促进铝的氧化物层185的形成。下面介绍其实施过程。
再次参照图4，在一个流动的氮气环境中，将其上存在镍的铝化物层180的传送带105在第一个加热步骤200加热至约300℃的第一个温度。然后，用干燥的氢气流替代氮气流，并且，在第二个加热步骤205，将传送带105加热至约700℃的第二个温度。约500-800℃的温度是容许的，但从提供最高氧化速度但又不会使传送带105的镍基合金发生明显软化上考虑，优选700℃。接下来，在氧化步骤210，在露点约0℃的湿氢环境，将传送带105在第二个温度(700℃)下保持约4小时。最后，在冷却步骤(未示出)，将环境变回在干燥氢气，并且，温度降至约600℃，这时，用氮气取代干燥氢气，传送带105冷却至室温。
实施例提供下面的实施例是为了说明本发明的某些实施方案的优点，并不是打算从任何方面对本发明的范围进行限制。
实施例1在第一个实施例中，根据本发明对采用Pyromet601制的传送带105进行处理，以制备包括镍的铝化物层180和铝的氧化物层185、平均厚度约5μm的抗氧化涂层175。然后，将传送带105安装在APCVD系统中，并且采用各种方法在约450-550℃下在半导体晶片上沉积介电、钝化，以及掺杂剂层。采用未涂覆传送带的这种APCVD系统100进行此类工作时的典型MTBME为约150小时。虽然，出于与传送带105无关的原因，在330小时将APCVD系统100从服役状态取出，但随后对传送带上的沉积物和马弗炉底面145上累积的粒子的测量结果表明这时不需要对马弗炉进行酸洗。因此该实施例说明与传送带未涂覆时相比，本发明的抗氧化涂层175至少可使MTBME提高120％。
实施例2在第二个实施例中，在另一个也用Pyromet601制成的传送带105上制备出具有平均厚度约5μm的预氧化镍铝化物层180的抗氧化涂层175。然后，将传送带105安装在位于用户现场的另一个APCVDA系统中，并且，运行该APCVD系统，以便在约400℃下，采用TEOS(原硅酸四乙酯)在半导体晶片上沉积一层未掺杂玻璃。使用标准的未涂覆的传送的该APCVD系统100的典型MTBME为约250小时。而安装涂覆的传送带105时，虽然，应用户要求在500小时时进行了第一次马弗炉酸洗，但再一次地，没有迹象表明需要这样做。
实施例3在第三个实施例中，与实施例2中所用相同的传送带105和APCVD系统100在检测之前已运行1000小时，并且，再一次没有迹象表明需要进行马弗炉酸洗。采用标准的未涂覆传送带的该系统的典型MTBME为250-280小时。采用具有抗氧化涂层175的传送带105的APCVD系统100连续运行超过2000小时而不需要进行马弗炉酸洗，此时进行马弗炉酸洗是出于与传送带、膜的均匀性或粒子无关的原因。该实施例说明与未涂覆的传送带时相比，MTBME的增加超过600％。而且，该实施例也表明抗氧化涂层175能够承受连续CVD操作的严酷条件以及马弗炉酸洗步骤的剧烈处理。
如上述实施例所证实的那样，具有存在根据本发明的抗氧化涂层175的传送带105的APCVD系统100能够增加MTBME，从而提高了APCVD系统的效率，并且，降低了单位基体拥有和运行APCVD系统的成本。在高度竞争的半导体加工领域，这些是传统APCVD系统所不能提供的显著优点。
应该理解的是，尽管在前述介绍中，并结合本发明的各种实施方案的结构和功能的详细描述，提出了本发明的各种实施方案的众多特性和优点，但该公开仅仅说明性的，而且，可以在本发明的原理范围内，特别是在部件的结构和布置方面，可进行细节改变，附后的权利要求书所表述范围的广泛的一般性含义对本发明的原理作了充分说明。例如，虽然此处所述的优选实施方案目标在于用于处理半导体基体的APCVD系统的传送带上的抗氧化涂层，但本领域的专业人员将会意识到本发明的教导能够适合于用于处理不同基体的CVD系统的某它部件。因此，附后的权利要求书的范围不应该局限于此处述及的优选实施方案。
权利要求
1.用于处理基体的化学汽相沉积系统，该系统包括(a)至少一个具有喷嘴装置的化学汽相沉积室，所述喷嘴装置用来将化学蒸汽送入化学汽相沉积室以对基体进行处理；以及(b)用于使待处理的基体通过化学汽相沉积室的传送带，所述传送带具有抗氧化涂层，结果，减少了沉积物在传送带和邻近系统部件上的形成以及粒子的产生。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述传送带包括含铬合金，而且，其中，所述抗氧化涂层能阻止铬的氧化物形成。
3.根据权利要求2的系统，其中，所述含铬合金是InconelHaynes214，Pyromet601，或者其它类似的含镍合金。
4.根据权利要求1的系统，其中，所述抗氧化涂层包含牢固结合的基本不含过渡金属的氧化物层。
5.根据权利要求1的系统，其中，所述抗氧化涂层包含铝的氧化物。
6.根据权利要求1的系统，其中，所述抗氧化涂层包含镍的铝化物。
7.根据权利要求6的系统，其中，所述抗氧化涂层进一步包含位于所述镍的铝化物之上的牢固结合的氧化物层。
8.根据权利要求6的系统，其中，所述镍铝化物包括NiAl3或Ni2Al3。
9.根据权利要求1的系统，其中，所述抗氧化涂层的平均厚度至少为5μm。
10.根据权利要求1的系统，其中，所述化学汽相沉积系统包括常压化学汽相沉积系统，而且，其中，所述基体包括半导体晶片。
11.用于在基体的表面上沉积薄膜的化学汽相沉积系统的操作方法，所述方法包括如下步骤(a)提供一个包括含铬合金的传送带，并且在传送带的表面上形成用于阻止铬的氧化物形成的抗氧化涂层；(b)将基体置于传送带上；(c)移动传送带以将基体送入化学汽相沉积室；(d)将化学蒸汽注入化学汽相沉积室；和(e)化学蒸汽在化学汽相沉积室内反应，以在基体的表面上沉积形成薄膜。
12.根据权利要求11的方法，其中，步骤(a)包括提供具有抗氧化涂层的传送带的步骤，所述抗氧化涂层包括牢固结合的基本不含过渡金属的氧化物层。
13.根据权利要求11的方法，其中，步骤(a)包括提供具有包括铝的氧化物层的抗氧化涂层的传送带的步骤。
14.根据权利要求11的方法，其中，步骤(a)包括提供具有包括镍的铝化物层的抗氧化涂层的传送带的步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中，步骤(a)包括提供具有抗氧化涂层的传送带的步骤，所述抗氧化涂层还包括与所述镍的铝化物层牢固结合的铝的氧化物层。
16.用于处理基体的化学汽相沉积系统，所述系统包括(a)包括具有喷嘴装置的处理室的马弗炉，所述喷嘴装置适于将化学蒸汽注入所述室以在基体表面上反应；(b)用于使待处理基体通过马弗炉进入所述室的传送带；以及(c)减少沉积物在传送带表面形成以使两次马弗炉酸洗之间的平均时间(MTBME)增加的装置。
17.根据权利要求16的系统，其中，所述传送带包括含铬合金，而且，其中，所述用于减少沉积物在传送带表面形成的手段包括能阻止铬的氧化物形成的抗氧化涂层。
18.根据权利要求17的系统，其中，所述传送带含有铬，而且，其中，所述抗氧化涂层减少含铬的氧化物在传送带上的形成。
19.根据权利要求17的系统，其中，所述抗氧化涂层包含的基本不含过渡金属的稳定氧化物层。
20.根据权利要求16的系统，其中，与不具有减少沉积物在传送带表面形成的手段的系统相比，MTBME至少增加3倍。
全文摘要
提供了用于处理基体(110)的化学汽相沉积(CVD)系统。所述系统(100)包括加热马弗炉(115),一个具有用于送入化学蒸汽以对基体(110)进行处理的喷嘴装置(130)的处理室(120),以及用于使基体通过马弗炉和处理室的传送带(105)。所述传送带(105)具有抗氧化涂层(175)以减少沉积物在其上面的形成。所述涂层(175)对于防止在由含铬合金制成的传送带上形成铬的氧化物特别有用。在一个实施方案中,抗氧化涂层(175)包括牢固结合的基本无过渡金属的氧化物层(185)。优选地,所述抗氧化涂层(175)包含铝的氧化物。更优选地,所述涂层(175)包括一个与镍的铝化物层(180)牢固结合的铝的氧化物层(185)。
文档编号C23C10/48GK1354806SQ00808554
公开日2002年6月19日 申请日期2000年3月3日 优先权日1999年4月23日
发明者R·J·巴雷, L·H·麦克尔, T·E·肯 申请人:硅谷集团热系统责任有限公司