专利名称：Ald系统和方法
技术领域：
本文的示例性、说明性技术涉及原子层沉积(ALD)系统及其操作方法，并且涉及与机器人大型衬底装卸、自动ALD涂覆操作和在大型矩形衬底上产生期望的气流模式以及延长维护程序之间的操作时间以提高生产率相容的气相沉积室和子系统配置。本文的技术应用于生产单一或多种材料的单层涂层(如可用于制造液晶显示器 (IXD)装置的那些)的领域。1. 5相关技术气体或蒸气沉积是一种用于在表面上形成薄材料层的方法，其涉及将固体衬底表面暴露于气体或蒸气(在下文称为气体)以在固体表面(在本文称为“衬底”)上沉积薄材料层。已知多种气体沉积方法，并且几种方法常用于半导体制造，用于制造集成电路等。更一般地，气体沉积方法用于将薄膜形成到多种衬底上以改变其表面性质。在实践中，通过将固体衬底置于气体沉积室(在本文也称为“反应室”)中并且将固体衬底暴露于一种或更多种气体来实施气体沉积方法。气体与暴露的固体衬底表面反应以沉积或以其它方式在其上形成新材料层。一般地，通过气体和衬底表面之间的化学反应使得膜层与衬底表面形成原子键从而形成材料层。许多商业设施倾向于将原子层沉积(ALD)涂覆系统加入现有材料加工流程中来涂覆半导体晶片、玻璃衬底如液晶显示衬底坯料等。ALD加工方法用于利用至少两个气体沉积步骤将原子水平的材料单层涂覆到衬底的暴露表面上，其中每个气体沉积步骤均产生子单层。在实践中，衬底被插入气体沉积室或反应室中，并且抽空所述室以除去其中的空气、 水蒸汽和其它污染物，然后将第一前体气体引入所述室中。第一前体与衬底的暴露表面以及所述室的所有其它暴露表面和任何其它部件表面发生化学反应，并且所述反应形成第一子单层。随后从所述室中冲洗移除第一前体，随后引入第二前体。第二前体与第一子单层反应。第一子单层与第二前体气体的反应使材料单层完全形成到暴露的衬底表面上。随后从室中冲洗移除第二前体。两种前体反应均是自限性(self-limiting)的，即在前体已经与所有可用的位点反应之后，反应停止。因此，ALD涂层基本上是均勻的，具有可预测的厚度，并且其厚度在整个衬底范围内基本上不变化。并且根据循环次数，ALD涂层甚至在具有非常高长宽比的微米级表面特征的整个表面上产生均勻的涂层厚度。第二前体反应还产生将与第一前体气体反应的表面分子以形成另一子单层。因此，ALD工艺可以无限重复从而以高精确度和纯度在暴露的衬底表面上累积期望的材料涂层厚度。ALD工艺相比各种气体沉积方法的一些优点包括对单层厚度、材料涂层均勻性的精确控制；相对低的工艺温度窗口(例如，低于400°C)；低前体气体消耗；高品质膜；和通过控制所进行的涂覆循环的数目来均勻控制总材料涂层厚度的能力。ALD工艺的一些缺点包括衬底生产率降低，原因是ALD工艺需要两个沉积循环/ 单层；适用于在ALD工艺中涂覆的有限前体数目以及因此可用于ALD薄膜涂覆的有限材料数目；和ALD反应物在暴露于其的每个表面(包括反应室的壁、气流导管、泵、阀和其它表面)上形成涂层的倾向，这导致材料随时间而连续累积。关于ALD反应室的一个特别问题在于随时间累积在涂覆室和其它设备上的ALD材料层可具有干扰热传递、剥落和污染衬底、 干扰传感器读数和损坏移动部件(例如泵、阀和其它部件)的不利影响。而且，前体气体倾向于高度腐蚀性(有时有挥发性)，并且通常对操作人员有害。因此，前体气体需要小心地进行贮存操作。此外，许多应用需要使用高纯度前体气体以确保涂覆材料的期望电性质不因前体污染物而劣化，并且高纯度前体气体昂贵。减少前体使用的一个解决方案是在前体气体供应管中利用精确质量流量控制阀将少量体积的前体气体注入室中。从沉积室的流出气体中消除前体气体的一个解决方案是在出口安装前体捕获器。这些装置中的两种公开在2005年6月27日提交的共同未决且共同转让的美国专利申请11/167，570中(发明名称为VAPOR DEPOSITION SYSTEM AND METHODS)，该申请针对所有目的通过引用全文并入本文。虽然这些解决方案有帮助，但是它们并未解决ALD沉积室暴露表面在每个涂覆循环期间被涂覆以及需要周期性更换或清洁 (例如通过酸蚀刻等)的问题。将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一个问题是在涂覆较大衬底、特别是(如可用于的LCD显示器的)大型矩形玻璃衬底时需要增加室尺寸。具体而言，为了开发大型矩形ALD室要克服多种工程挑战，因为室自身是深度真空容器，其能够实现小于10微托、可能小于1微托的真空压力而不泄漏或塌缩，同时也需要用于将衬底送入室中进行涂覆的相关进入门和大端口。此外，挑战是在高温下装卸大型衬底以及在装载循环之间快速加热室和衬底并且保持衬底免受污染。另一个挑战是为用户提供安全的操作环境，以及清洁并修理所述室而不对整个材料加工工艺流程造成过度影响。保持所述室不含ALD涂覆层的一个解决方案是在容纳前体气体的ALD室中安装可移除且可清洁的衬里，例如不锈钢衬里，并且因此防止在ALD室(因为需要穿过室壁内部的高导热率，故其通常为铝结构)的内表面上形成涂层。这样的衬里可以通过酸蚀刻等从室内移除，并随后重新安装到室中。一种这样的可移除衬里公开在2008年12月1日提交的共同未决且共同转让的美国临时专利申请61/197，948中(发明名称为GAS DEPOSITION CHAMBER WITH REMOVABLE LINER)；该临时申请针对所有目的通过引用全文并入本文。将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一问题是需要减少涂覆循环时间，并且这包括装卸衬底、将所述室和衬底加热至沉积温度、将所述室泵至深度真空、从所述室中吹扫污染物、将衬底暴露于前体气体和将前体气体清洗出所述室所需的时间。申请人已经发现，在将衬底的基本上整个涂覆表面暴露于层流气流时可以减少循环时间，并且这可以通过控制进入气体的速度和路径(通过仔细设计将气体分布在衬底宽度上的输入增压和降低气体速度)来完成。与将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一问题是需要将ALD涂覆系统装配到底面空间昂贵的现有生产设备中。因此，在所属领域中需要在小底面空间面积中提供高涂覆处理量的ALD生产涂覆装置。
1.
发明内容
本发明解决了这些和其它问题，本发明提供一种配置为双室“塔”的气体沉积系统 (1000)，其包括用于支撑相互垂直的两个反应室组合件(3000)的框架(1140)。本发明还提供一种气体沉积室(3000)和关联的气体控制系统，其配置为通过一个或多个气体沉积工艺将薄膜层沉积到固体衬底(7000)的暴露表面上。每个沉积室组合件(3000)均配置为适合于将多个不同ALD反应物或“前体”递送到中空矩形室(3070)中的原子层沉积(ALD)系统，所述中空矩形室(3070)配置为将大型矩形玻璃衬底(7000)支撑在基本水平的衬底支撑表面(3350)上。前体通过包括前体输入口(3230)和气体供应模块(3240)的输入增压部(3150) 引入中空矩形室(3070)中。前体通过包括出口(3310)和出口模块(3320)的输出增压部 (3250)从中空矩形室(3070)中移除，所述出口模块(3320)与真空泵(未显示)流体连通。 每个沉积室(3000)均包括系统控制器，用于根据系统控制器中存储的程序步骤来操作气体供应模块和真空泵。或者，一个系统控制器可用于控制两个沉积室组合件(3000)。ALD 和其它涂覆序列根据存储在系统控制器中的涂覆程序来进行。或者，用户可以利用与系统控制关联的用户界面模块(1200)进入程序数据。示例性的双室塔(1000)配置为与机器人衬底处理器(2010)通信，所述机器人衬底处理器(2010)用于每次将一个未涂覆的衬底从衬底贮存托架(2020)运送到选定的室组合件(3000)。在衬底涂覆之后，机器人衬底处理器(2010)用于每次将一个涂覆的衬底运回贮存托架。优选地，每个室(3000)都配置有面向机器人衬底处理器(2010)的正面可移动入口门(3080)。入口门(3080)垂直向下移动以为所述室提供入口，并且垂直向上移动以真空密封所述室。每个室的尺寸均设置为通过装载口接收单个4. 5代(GEN 4.5)玻璃板衬底。 或者，可以使用中空矩形室(3070)来一个或多于一个较小的玻璃衬底如GEN 1.0至GEN 4. 0。每个室组合件(3000)均包括设置在中空矩形室(3070)内的可清洁和可拆卸的室衬里组合件(6000)以容纳前体气体，由此防止污染室外壁(3010，3020，3030，3040)。为了有助于将前体气体容纳在室衬里组合件(6000)中，将吹扫气体注入室衬里组合件(6000) 和外室壁之间的上部和下部的中空体积(7090)和(7100)中。此外，每个输入增压部(3150) 和输出增压部(3250)也都是可清洁和可拆卸的。每个室(3000)还包括设置为从室衬里组合件(6000)中的相应输入和输出增压部延伸的可清洁和可拆卸的增压衬里(7010)和 (7080)。每个可拆卸和可清洁元件包括可以进行酸蚀刻以除去累积的ALD涂层的不锈钢壁。
每个室组合件(3000)均配置有模块增压法兰(3160)和(3260)，其制造用于不同应用所需的多种输入和输出增压部的模块交换或互换，或者允许在常规的维护或清洁请求期间进行快速的增压交换。每个室组合件(3000)均包括形成有与其连接的多个固定竖井(7120)的可移动竖井(7130)，所述竖井的顶面设置为形成基本水平的衬底支撑表面。井板通过容纳在中空矩形室(3070)外的井致动器组合件(3390)沿垂直轴移动。室衬里组合件(6000)的底壁包括与每个竖井的位置对应的通孔(7110)，使得井板垂直移动到上部位置时将衬底从衬底支撑表面(3350)升举尺寸(D)以将衬底与衬底支撑表面分开，从而从室中移走。类似地，利用在上部位置中的井板，可以将衬底装载到竖井的顶部。在将井板降低至下部位置时，井底部降低至低于衬底支撑表面(3350)并且衬底降低至与衬底支撑表面(3350)接触。在本发明的一些实施方案中，两个室组合件可以通过一个气体供应模块驱动和通过一个真空泵抽空，并且系统控制器包括适用于在两个室中基本同时进行涂覆循环的程序步骤。在一些实施方案中，可以将前体捕集器(10140)设置在出口模块(3320)中。在其它实施方案中，可以在出口和真空泵之间设置一个或多个额外的捕集器元件。结合附图并阅读以下说明，这些和其它方面及优点将变得明显。
1.
图1是等距视图，其示出根据本发明的没有外壳的双室气体沉积系统。图2是包括本发明的一个或多个双室气体沉积系统的自动生产设备的平面视图。图3是根据本发明的气体沉积室组合件的正视等距正视图。图4是根据本发明的气体沉积室组合件的后视等距后视图。图5是示出穿过根据本发明的气体沉积室组合件的截面A-A的等距视图。图6是根据本发明的焊接的室衬里组合件的等距视图。图7是显示根据本发明的支撑在室衬里组合件上的衬底和一对增压衬里的分解截面视图的示意性图示。图8是根据本发明的竖井顶部的侧视图。图9是根据本发明的双宽气体沉积室的示意性俯视图。图10是根据本发明的具有与两个室连接的气体供应模块和与两个室连接的真空泵的双室系统的示意性正视图。图11是根据本发明的双室系统的示意性正视图，所述双室系统具有与一个室关联的入口增压部、与出口室关联的出口增压部和将两个室串联起来的矩形导管。图12是根据本发明的矩形导管的等距视图。图13是根据本发明的串联设置在输出增压部和真空泵之间的第一和第二捕集器，其中截止阀位于第二捕集器和真空泵之间。图14是根据本发明的串联设置在输出增压部和真空泵之间的第一和第二捕集器，其中截止阀位于第二捕集器和真空泵之间。图15是根据本发明的设置在从输出增压部和真空泵延伸的平行流体导管中的第一和第二捕集器，其中每个平行流体导管包括截止阀和一个或多个额外的捕集器。
图16A是包括设置在相对的输入和输出增压部之间的多个衬底支撑架的气体沉积室的截面视图。图16B是包括图16A中显示的多个衬底支撑架的气体沉积室的一部分的放大截面视图。附图标记列表
权利要求
1.一种用于将薄膜层沉积到一个或更多个衬底上的反应室组合件(3000、8100)，其包括-用于封闭中空室的外壁组合件，包括与基本相对的左外侧壁和右外侧壁(3030， 3040)和基本相对的前外壁和后外壁(3042,3044)相连的基本相对的顶外壁和底外壁 (3010,3020)；-气体供应模块，用于将一种或更多种气体和气相材料递送到所述中空室中；-真空泵，用于从所述中空室移除气体和气相材料；-其特征在于，所述反应室组合件还包括-矩形输入孔(3140)，其延伸穿过所述左外侧壁和右外侧壁(3030)、(3040)之一；-矩形输出孔(3130)，其延伸穿过所述左外侧壁和右外侧壁(3040)中的另一个，其中所述输入矩形孔和所述输出矩形孔相对设置并具有基本相同的孔尺寸；-输入增压部(3150)，其设置在所述外壁组合件的外部并且与所述气体供应模块流体连通，用于将所述一种或更多种气体和气相材料通过所述输入矩形孔递送到所述中空室中；和-输出增压部(3250)，其设置在所述外壁组合件的外部并且与所述真空泵流体连通， 用于通过所述输出矩形孔从所述中空室移除气体和气相材料。
2.权利要求1所述的反应室组合件，还包括基本水平设置在所述中空室内并且在所述输入矩形孔和所述输出矩形孔之间的一个或更多个衬底支撑表面(3350,8130)。
3.权利要求2所述的反应室组合件，还包括-穿过所述前外壁(3042)的前孔(3035)，其用于提供进入所述中空室(3070)的入口， 用以装载和卸载所述一个或更多个衬底；和-相对于所述前孔可移动的入口门(3080)，其用于当所述入口门关闭时在沉积涂覆循环期间气体密封所述前孔，和用于当所述入口门打开时提供通过所述前孔进入所述中空室的入口。
4.权利要求2所述的反应室，其中所述输入增压部形成具有输入端和输出端的输入增压室(3210)，所述输入端通过设置在所述输入端附近的输入口(3220)接收来自所述气体供应模块的所述一种或更多种气体和气相材料，所述输出端将所述一种或更多种气体和气相材料通过所述矩形输入孔(3130)递送到所述中空室中，并且其中所述输入增压室的形状为从所述输入端到所述输出端体积基本连续膨胀。
5.权利要求4所述的反应室组合件，其中所述输入增压室(3210)在基本水平的平面内具有第一三角形截面，其中所述输入端形成所述第一三角形截面的顶点，并且所述输出端形成所述第一三角形截面的底部，而且其中所述输出端通过所述矩形输入孔(3130)与所述中空室流体连通。
6.权利要求5所述的反应室组合件，其中所述输入增压室在基本垂直的平面内具有第二梯形截面，其中所述输入端形成所述第二梯形截面的顶点，并且所述输出端形成所述第二梯形截面的底部。
7.权利要求6所述的反应室，其中所述输出增压部(3250)形成具有输出端和输入端的输出增压室(3300)，所述输出端用于通过设置在所述输出端附近的出口模块(3220)从所述输出增压室移除所述气体和气相材料，并且所述输入端用于通过所述左矩形孔和所述右矩形孔中对应的一个孔将所述一种或更多种气体和气相材料从所述中空室中移出，并且其中所述输出增压室的形状为从所述输入端到所述输出端体积基本连续缩小。
8.权利要求2和7中任一项所述的反应室组合件，其中所述输出增压室(3300)具有基本在水平平面内的第一三角形截面，其中所述输出端形成所述第一三角形截面的顶点，并且所述输入端形成所述第一三角形截面的底部，而且其中所述输入端通过所述矩形输出孔 (3140)与所述中空室流体连通。
9.权利要求8所述的反应室组合件，其中所述输出增压室具有基本在垂直平面内的第二梯形截面，其中所述输出端形成所述第二梯形截面的顶点，并且所述输入端形成所述第二梯形截面的底部。
10.权利要求9所述的反应室组合件，其中所述出口模块包括-圆形出口(3310)，其穿过顶部输出增压壁和底部输出增压壁之一；-压力计，用于感测所述出口模块中的气体压力；和-截止阀，用于在所述截止阀处于关闭位置时将所述出口模块与所述真空泵相互隔开。
11.权利要求2所述的反应室，其中所述中空体积具有在基本水平平面内的第一矩形截面，所述第一矩形截面具有中空体积纵向长度和中空体积横向宽度，其中所述一个或更多个衬底支撑表面(3350，8130)中的每一个均具有矩形尺寸，所述矩形尺寸具有支撑表面纵向长度和支撑表面横向宽度，所述支撑表面纵向长度和支撑表面横向宽度各自的尺寸为与所述中空体积内第一矩形截面匹配，并且支撑具有由衬底尺寸标准GEN 1(300X400mm) 至GEN 7 (2160 X 2460mm)中任一个限定的矩形尺寸的矩形衬底。
12.权利要求2所述的反应室，还包括设置在所述中空室内的衬里组合件(6000)，其配置为防止所述一种或更多种气体和气相材料污染所述外壁组合件的内表面。
13.权利要求12所述的反应室组合件，其中所述衬里组合件包括定位在所述左孔和所述右孔(3030,3040)之间的基本水平设置的衬里底壁(6010)，并且其中所述衬里底壁包括所述一个或更多个衬底支撑表面。
14.权利要求13所述的反应室组合件，其中所述衬里组合件(6000)配置为通过所述前孔(3035)安装到所述中空室中和从所述中空室移除。
15.权利要求13所述的反应室，还包括穿过所述外壁组合件的后外壁(3044)的后孔 (3045)，其中所述衬里组合件配置为通过所述后孔(3045)安装到所述中空室中和从所述中空室移除。
16.权利要求14和15中任一项所述的反应室，还包括输入增压衬里(7015)，其包括通过关联的所述矩形输入孔安装的矩形管状元件，以防止流过所述矩形输入孔的所述气体和气相材料污染所述外壁的内表面。
17.权利要求16所述的反应室，还包括输出增压衬里(7080)，其包括通过所述矩形输出孔安装的矩形管状元件，以防止流过所述矩形输出孔的所述气体和气相材料污染所述外壁的内表面。
18.权利要求1所述的反应室组合件，其中所述反应室(3000)包括上部反应室 (1120)，还包括-框架(1140)，其用于将所述上部反应室(1120)支撑在所述框架的上部位置中；_第二基本相同的下部反应室(1150)，其支撑在所述框架(1140)的下部位置中。
19.权利要求18所述的反应室，还包括-与支撑在所述框架上的所述上部反应室关联的多个第一子系统；-与支撑在所述框架上的所述下部反应室关联的多个第二子系统；和_其中所述上部反应室和第一子系统相对于所述下部反应室和第二子系统独立操作， 并且可与所述下部反应室和第二子系统同时操作。
20.权利要求19所述的反应室，还包括单个气体供应模块(10030)，其将气体或气相材料递送到与所述上部反应室(1120)关联的上部输入增压部(10050)中和与所述下部反应室(1150)关联的下部输入增压部(10060)中。
21.权利要求20所述的反应室，还包括与真空泵流体连通的单个出口模块，用于从与所述上部反应室(1120)关联的上部输出增压部(10090)和与所述下部反应室关联的下部输出增压部(10100)中的每一个中移除气体和气相材料。
22.权利要求1所述的反应室，还包括设置在所述出口增压部和所述真空泵之间的捕集器，其中所述捕集器包括适合与从所述出口增压部中移出的不期望的烃气体反应的催化活性烃(HC)氧化基质。
23.一种将薄膜层沉积到矩形衬底上的方法，所述矩形衬底具有衬底纵向长度和衬底横向宽度，其中至少一个衬底被支撑在由外壁组合件封闭的中空矩形室中，所述方法包括如下步骤_将一种或更多种气体和气相材料递送到输入增压部中，所述输入增压部设置在所述中空矩形室和气体供应模块之间的所述外壁组合件的外部；-使所述一种或更多种气体和气相材料的体积在所述输入增压部中膨胀；和-通过穿过所述外壁组合件的第一侧壁的矩形输入孔将所述一种或更多种气体和气相材料递送到所述中空矩形室中，其中所述矩形输入孔的纵向孔尺寸相对于所述衬底纵向长度和所述衬底横向宽度之一位于中央并且等于或大于所述衬底纵向长度和所述衬底横向宽度之一。
24.权利要求23所述的方法，其包括如下步骤通过矩形输出孔将所述气体或气相材料从所述中空矩形室中移出，所述矩形输出孔穿过与所述矩形输入孔相对的所述外壁组合件的第二侧壁，其中所述输入孔和所述输出孔具有基本相同的矩形尺寸；并且还将所述气体和气相材料移入输出增压部中，所述输出增压部设置在所述中空矩形室和真空泵之间的所述外壁组合件的外部。
25.权利要求24所述的方法，还包括压缩所述输出增压部中的所述一种或更多种气体和气相材料的体积的步骤。
26.权利要求24所述的方法，其中从所述中空矩形室中移出的所述一种或更多种气体和气相材料包括不期望的烃材料，所述方法还包括将所述不期望的烃材料与设置在位于所述输出增压部和所述真空泵之间的捕集器中的催化活性烃(HC)氧化基质反应的步骤。
全文摘要
一种配置为双室“塔”的气体沉积系统(1000)，其包括用于支撑相互垂直的两个反应室组合件的框架(1140)。每个反应室组合件(3000)均包括环绕中空室(3070)的外壁组合件，所述中空室的尺寸为容纳穿过装载口的单个4.5代(GEN 4.5)玻璃板衬底。所述衬底水平设置在中空室(3070)中，并且室组合件(3000)包括设置在中空室(3070)外部并配置为在衬底顶表面上产生基本水平方向的层流气流的可拆卸和可清洁的三角形输入(3150)和输出(3250)增压部。每个室包括设置在中空室(3070)中的可清洁和可拆卸的室衬里组合件(6000)，以将前体气体容纳在其中，从而防止污染室外壁(3010，3020，3030，3040)。
文档编号H01L29/76GK102414824SQ201080018411
公开日2012年4月11日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年2月27日
发明者加内什·M·孙达拉姆, 吉尔·斯文亚·贝克, 埃里克·W·德贡斯, 罗杰·R·库蒂 申请人:剑桥纳米科技公司