用于原子层沉积的装置及方法
【专利说明】用于原子层沉积的装置及方法
[0001]本申请是于2012年3月13日进入中国国家阶段、国家申请号为201080040823.7、发明名称为“用于原子层沉积的装置及方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于衬底的表面上的原子层沉积的装置。本发明还涉及用于衬底的表面上的原子层沉积的方法。
【背景技术】
[0003]已知原子层沉积为(重复)沉积单层目标材料的方法。原子层沉积与例如化学气相沉积的不同之处在于原子层沉积至少采取两个处理步骤。这些处理步骤的第一个包括将前驱气体(gas)施加在衬底表面上。这些处理步骤的第二个包括前驱材料的反应以便形成单层靶材料。原子层沉积具有实现良好的层厚度控制的优点。
[0004]W02008/085474公开了一种用于原子层沉积的装置。该装置公开了空气(air)轴承效应，以便衬底悬浮在注入头上面。对于片状衬底，这样的悬浮可能是使用前驱气体的低效方式，其中存在污染的风险，并且可能较低精度地沉积层。
【发明内容】
[0005]据此，按照本发明的一个方面，本发明的目的是提供使前驱气体的使用得到改善的原子层沉积的装置和方法；其中精确地提供衬底支承。按照一个方面，本发明提供了用于在片状衬底的表面上的原子层沉积的装置，其包括:注入头，所述注入头包括配有前驱供给口和前驱排放口的沉积空间；所述供给口和排放口被安排成从前驱供给口经由沉积空间到前驱排放口提供前驱气流；沉积空间在使用时由注入头和衬底表面界定；和包括轴承气体注入器的气体轴承，该轴承气体注入器安排成在注入头与衬底表面之间注入轴承气体，因此该轴承气体形成气体轴承；以及传送系统，该传送系统提供衬底和注入头沿着衬底表面的相对运动，以便形成传送衬底的传送平面。将支承部分安排成与注入头相对，该支承部分被构造成提供在传送平面中平衡注入头气体轴承的气体轴承压强布局，以便衬底被所述气体轴承压强布局无支承地保持在注入头与支承部分之间。沉积空间可以定义相对于衬底表面的沉积空间高度D2。气体轴承相对于衬底定义小于沉积空间高度D2的间隙距离D1。
[0006]按照本发明的另一个方面，本发明提供了用于使用包括注入头的装置在衬底的表面上的原子层沉积的方法，该注入头包括配有前驱供给口的沉积空间和配有轴承气体注入器的气体轴承，其中沉积空间定义相对于衬底表面的沉积空间高度D2 ;并且其中气体轴承相对于衬底定义小于沉积空间高度D2的间隙距离D1，该方法包括如下步骤:将前驱气体从前驱供给口供应给沉积空间以便与衬底表面接触；在注入头与衬底表面之间注入轴承气体，因此该轴承气体形成气体轴承；在衬底表面的平面中建立沉积空间与衬底之间的相对运动；以及提供在传送平面中平衡注入头气体轴承的气体轴承压强布局，以便衬底被所述气体轴承压强布局无支承地保持在注入头与支承部分之间。这样的方法可选地可以使用按照本发明的装置实现。
[0007]通过平衡空气轴承支承，可以将片状衬底控制成不会对衬底造成机械损害地保持在传送平面中。另外，通过使用空气轴承，可以提供沉积空间的独立压强控制，因此允许自由选择许多沉积材料和方法。
[0008]将前驱气体限制在沉积空间内使沉积空间中的压强例如沉积空间中的前驱气体压强或沉积空间中的总压强能够得到控制。此外，该装置可以包括沉积空间压强控制器。可以将沉积空间中的压强控制成独立于和/或不同于沉积空间外部的压强。这样，可以将沉积空间中的预定压强设置成，优选的是专用于优化原子层沉积处理。
[0009]在使用该装置时，沉积空间由衬底表面界定。显然，这样的话，衬底有助于限制前驱气体。衬底的这样限制可以保证基本上防止了前驱气体流过沿着衬底表面的假想平面。但是，这不是必需的，甚至可以支持在各种程度上打孔的衬底，只要可以为提供轴承气体支承提供足够的承载表面就行。
[0010]在衬底表面的平面中沉积空间与衬底之间的相对运动与将注入前驱气体限定在沉积空间内的组合进一步使前驱气体能够得到相当有效使用。这样的话，可以使前驱气体量有效地分布在衬底表面上，因此提高了前驱气体分子在注入沉积空间中之后附着于衬底表面的概率。
【附图说明】
[0011]现在参考附图以非限制方式对本发明加以描述，在附图中:
[0012]图1示出了按照本发明的一个实施例的示意性侧视图；
[0013]图2示出了按照本发明的一个实施例的示意性侧视图；
[0014]图3示出了另一个实施例的示意性平面图；
[0015]图4示出了按照本发明另一个实施例的注入头的一个实施例；
[0016]图5示出了第四实施例的示意性侧视图；
[0017]图6示出了第四实施例的一种变体的示意图；
[0018]图7A示出了第一输送元件、第二输送元件、和带有注入头的工作区的顶视图；
[0019]图7B示出了在导入区中输送的衬底；
[0020]图7C示出了通过工作区输送的衬底；
[0021]图7D示出了在导出区中将衬底转向的时刻的衬底。
[0022]图7E示出了随后的在导入区中转向的时刻的衬底。
[0023]图7F示出了从第二输送元件移走的衬底；
[0024]图8A示出了壁部处在打开位置的接收元件；
[0025]图8B示出了壁部处在中间位置的接收元件；
[0026]图8C示出了壁部处在闭合位置的接收元件；
[0027]图9A示出了第五实施例中的装置的一种变体的顶视图；
[0028]图9B示出了第五实施例中的装置的一种变体的顶视图；以及
[0029]图10示出了多个装置的示意图。
[0030]除非另有说明，否则在附图中相同标号自始至终都指相似部件。
【具体实施方式】
[0031]图1示出了按照本发明的一个实施例的示意性侧视图。作为一个例子，注入头I被显示成具有被气体轴承区域隔开的两个沉积空间2，3。虽然原则上对于原子层，至少需要两个处理步骤，但可能只有一个处理步骤需要涉及到材料沉积。这样的材料沉积可以在配有前驱供给口 4的沉积空间2中进行。据此，在这个实施例中，显示出了注入头包括配有反应物供给口 40的又一沉积空间3，在使用时又一沉积空间3由气体轴承7界定。可替代地或另外地，可以在反应空间中提供反应气体、等离子体、激光生成的辐射、和紫外线辐射中的至少一种，以在前驱气体沉积在衬底表面的至少一部分上之后使前驱与反应气体反应，以便在衬底表面的至少一部分上获得原子层。通过适当吹扫空间2和3，可以在处理期间开关供给口 4和40。
[0032]前驱和反应物供给口 4，40优选的是设计成没有显著的流动限制，以便允许等离子体沉积。因此，朝着衬底表面5，等离子体流不会受到任何流动限制的妨碍。
[0033]在这个实施例中，前驱气体通过衬底表面5旁边的流动而在沉积空间2中循环。气流经由沉积空间从前驱供给口 4提供到前驱排放口 6。在使用时沉积空间2由注入头I和衬底表面5界定。气体轴承7配有安排成与沉积空间相邻的轴承气体注入器8，以便在注入头I与衬底表面5之间注入轴承气体，因此该轴承气体在将注入前驱气体限制到沉积空间2的同时形成气体轴承。前驱排放口 6另外可以起排放轴承气体从而防止轴承气体流入沉积空间2，3中的作用。
[0034]虽然在实施例中，每个气体轴承7被显示成被设置尺度作为流动屏障，但原理上，这不是必需的；例如，分开沉积空间2，3的流动屏障无需被设置尺度作为气体轴承，只要提供有效的流动屏障就行。通常，流动屏障可以具有比其中气体轴承有效的间隙高度大的间隙高度。在实际例子中，气体轴承工作在5 μ m-100 μ m的间隙高度范围内；其中流动屏障在这样的值以上例如直到500 μπι仍然有效。此外，气体轴承7在存在衬底9的情况下可能只作为流动屏障(或就此而论的气体轴承)有效；而流动屏障可能被设计成或可能不设计成与衬底9的存在无关而有效。重要的是，流动屏障在任何时候都防止活性材料在沉积空间2，3之间的流动以避免污染。这些流动屏障可能被设计成或可能不设计成气体轴承7。
[0035]虽然图1未具体示出传送系统(更多细节参见图3)，但衬底9相对于注入头2运动，以接受来自沉积空间2和3的材料的随后沉积。通过衬底9相对于注入头I的往复运动，可以控制层数。
[0036]重要的是，配备了沿着可以看成衬底9的中心线的传送平面而为衬底9提供支承的支承部分10。支承部分10被安排成与注入头相对，并且被构造成提供在传送平面中平衡注入头气体轴承7的气体轴承压强布局。尽管为了提供该效果不太完美的对称布局可能是可行的，但优选的是，通过具有如注入头I所提供的那样的，支承部分中的相同流动布局而提供平衡。因此，优选的是，支承部分10的每个流动喷嘴朝着注入头I的相应喷嘴对称放置。这样，衬底可以被所述气体轴承压强布局无支承地(即，没有任何机械支承地)保持在注入头I与支承部分10之间。更一般地说，在注入头I中和在支承部分10中的流动布局沿着传送平面的位置变化小于0.5mm(特别地小于0.2mm)仍然可以认为是相同流动布局。由于不存在任何机械支承，所以防止了受这样的支撑件污染的风险，这对于保证注入头I相对于衬底9的最佳工作高度是非常有效的。另外，为了清洁目的，需要较短的系统停机时间。而且，重要的是，由于不存在机械支承，可以降低系统的热容，从而使衬底对生产温度的热响应更快，这样可以显著提高生产吞吐量。
[0037]关于这方面，沉积空间定义相对于衬底表面的沉积空间高度D2 ;并且其中起流动屏障作用的气体轴承7包括面对衬底表面5的流动限制表面11，其相对于衬底定义小于沉积空间高度D2的间隙距离D1。沉积空间配有前驱供给口 4和前驱排放口 6。所述供给口和排放口可以安排成使前驱气流从前驱供给口经由沉积空间流到前驱排放口。在使用时，沉积空间由注入头I和衬底表面界定。沉积空间可以由其中供给口和排放口结束和/或开始的具有D2-D1深度的空腔29形成。因此，更一般来说，空腔被限定在沉积头I中，并且使用时面对衬底9。通过让空腔29面对衬底，应理解，衬底基本上形成空腔的包壳，从而形成用于供应前驱气体的封闭环境。另外，衬底可以配备成使衬底的各个相邻部分或甚至相邻衬底或其它部分可以形成这样的包壳。该装置可以安排成通过沉积头I的前驱排放口 6从空腔中排放前驱气体，以基本上防止前驱气体从空腔中逃逸。显然，轴承供给口可以位于离空腔一段距离。该空腔可以允许在空腔中施加与气体轴承层中的处理条件不同的处理条件。优选的是，将前驱供给口 4和/或前驱排放口 6设置在空腔中。
[0038]空腔29的深度D2-D1可以定义成衬底9与配有轴承气体注入器8和前驱供给口的注入头的输出面之间的距离的局部增量。深度D2减去Dl可以在10到500微米的范围内，更优选的是，在10到100微米的范围内。
[0039]流动限制表面11可以由包括轴承气体注入器8的突出部分110形成。气体轴承层在使用时例如在表面5与流动限制表面11之间形成。前驱排放口 30之间的距离Cl通常可以在I到10毫米的范围内，这个数值也是沉积空间2，3的典型宽度。用Dl指示的气体轴承层的典型厚度可以在3到15微米的范围内。突出部分110的典型宽度C2可以在I到30毫米的范围内。衬底9的平面外的沉积空间2的典型厚度D2可以在3到100微米的范围内。
[0040]这实现了更高效的处理设置。其结果是例如从供给口 4注入沉积空间2中的