在基底上沉积原子层的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在基底上实施原子层沉积的方法，该方法包括使用沉积头向基底供应前体气体，该沉积头包括一个或多个气体供应器，并且该一个或多个气体供应器包括用以供应前体气体的前体气体供应器；使前体气体靠近，例如，在基底的表面上反应以形成原子层，沉积头具有包括在沉积原子层时至少部分地面向基底表面的输出面，且该输出面具有一个或多个气体供应器且大体上为圆形，该圆形界定基底的移动路径，其中该方法进一步包括在供应前体气体时通过旋转沉积头相对于基底且沿着基底移动前体气体供应器，因此在一个方向连续地移动前体气体供应器时沉积原子层的叠层，其中该方法在通过使用一个或多个气体供应器提供的气体轴承保持基底的表面不与输出面接触的情形下实施。
【背景技术】
[0002]原子层沉积(ALD)是用以沉积单层靶材的常规方法。原子层沉积与例如化学蒸气沉积法的不同处在于原子层沉积采用至少两连续加工步骤(即半周期)。这些自限制加工步骤中的第一加工步骤包括在基底的表面上施加前体气体。这些自限制加工步骤中的第二加工步骤包括反应前体材料以便形成单层靶材。原子层沉积具有可达成即使不理想同样是极佳的层厚度控制的优点。
[0003]但是，原子层沉积是逐层沉积工艺，且应实施连续加工步骤用以沉积各单层。在加工步骤之间，经常实施冲洗步骤以防止前体和反应性气体在不需要的位置(例如在该加工装置中，譬如靠近出口)反应。各单层的沉积因此相当缓慢。因此，施加原子层沉积用以沉积具有大于大约10纳米的某一厚度的大量层通常相当耗时，因为大量原子层必须层叠以得到所述层厚度。
[0004]近年来，对于通过找出减少有关ALD工艺加工时间的途径将原子层沉积工艺工业化越来越有兴趣。例如，了解空间地分离连续加工步骤(不是常规的暂时分离)已大幅减少加工时间。空间分离通过使基底从加工室移动至被气体幕分开的另一加工室得到。因此不再需要另一冲洗步骤，容许ALD工艺更快地进行。
[0005]但是，虽然空间ALD好像是重要的改良，却仍无法跨越向工业化的另一障碍。包括常规空间ALD工艺的常规ALD工艺受限于有限尺寸的基底。可了解的是，工业化的一个目的是提供可应用于具有任意尺寸表面的ALD工艺。可能达成这个目的的一种解决方法是发展卷对卷(R2R)原子层沉积工艺。
[0006]例如，W02007/106076揭露一种原子层沉积的方法，其中基底安装在圆筒上。这圆筒沿供应前体气体的喷嘴旋转。依此方式，可在相当短的时间内沉积多层原子层。但是，W02007/106076的方法只可应用在具有等于或小于圆筒的圆周长度的基底上。此外，安装基底在圆筒上所需的时间会至少部分地或甚至完全地打消利用沿喷嘴快速旋转所得到的时间。
[0007]另一 R2R ALD工艺揭露在W02011/099858中，且由本发明人加以改进。这文献揭露一种在基底上沉积原子层的方法。该方法包括由可为可旋转圆筒一部分的沉积头的前体气体供应器供应前体气体。前体气体由前体气体供应器向基底提供。该方法进一步包括利用沿基底旋转沉积头移动前体气体供应器，且该基底接着沿旋转圆筒移动。
[0008]基底受限于其长度的情形不如W02007/106076中，且被导引至依循沉积头圆周的移动路径以加工基底表面。虽然这样提供一个重要优点，但是另外的处理步骤同样使基底暴露于较高的被破坏风险下。此外，有例如，在处理时间和能源消耗方面增加工艺效率和控制性的持续目的，和在其尺寸方面缩小工艺的目的。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种沉积原子层的方法和装置，至少部分地达成一个或多个的上述目的且减少常规方法的问题。
[0010]因此，本发明提供一种利用以下步骤在基底上实施原子层沉积的方法，S卩，使用包括气体供应器的沉积头向基底供应前体气体；使前体气体靠近该基底的表面，例如，在该基底的表面上反应以形成原子层；在供应前体气体时通过旋转沉积头相对于且沿着基底移动前体气体供应器；因此在一个方向连续地移动前体气体供应器时沉积原子层的叠层，而该方法在利用气体轴承保持基底的表面不与输出面接触时实施；通过使用用于弯曲基底使该基底的表面在外弯曲侧的引导单元，引导基底至被沉积头的输出面界定的移动路径和/或由该移动路径引导基底；和通过使用与引导单元连接且与输出面相对的基于压力的牵引单元牵引基底远离输出面。
[0011]作为对方法的改良，本发明可更有效地使用沉积头的圆周以达成上述目的。为利用该圆周的大部分，基底到达和离开移动部分的入口点和出口点应放置成互相靠近。由于基底可分别在入口和出口上朝向移动路径或远离移动路径弯曲，这同样增加基底的表面和沉积头间的接触机会。但是，由于基底与沉积头间的相对速度，应防止基底与沉积头间的接触以防止对基底表面的破坏。
[0012]虽然使用包括多个绞盘和可能的辅助辊子的引导单元引导基底通过输出面进入移动路径，但是本发明另外的基于压力的牵引单元使基底在入口之前(且长于出口)对齐移动路径。因此减少基底和沉积头间的接触风险，这容许到达和远离基底的入口点和出口点可互相更靠近。因此这改良增加了通过输出面的移动路径的长度，这对于上述工艺是有利的。
[0013]移动路径的长度增大让多种设计参数更有弹性。例如，在基底的速度和沉积的旋转速度不变的情形下，只增加移动路径的长度而保持其他参数不变增加加工周期的时间。另一方面，如果加工周期的时间保持不变，则可增加基底的速度，该增加使工艺更快。因此工艺变得更有效率。替代地或另外地，沉积头的半径可减少以借此使用于实施该工艺的装置设计更紧凑，减少其重量和尺寸。如上所述，可利用较大的弹性而有益于多种设计参数。
[0014]在上述工艺中使用的基底是柔性的。使用柔性基底与旋转沉积头良好地组合。所述柔性基底使基底可弯曲而有助于引导基底环绕旋转的沉积头。柔性基底通过引导基底通过多个绞盘、多个辊子或其他形成引导单元的装置引导，且该绞盘、辊子或其他形成引导单元的装置设置成互相靠近以便最有效地利用沉积头的圆周界定移动路径。在基底入口的引导单元弯曲基底使得其移动方向变成与移动路径对齐。在出口，只要可能，根据本发明的出口保持基底对齐，然后使它向其出口传送方向弯曲远离输出面。为面向在移动路径中沉积头的输出面，该基底的表面在外弯曲侧面向外侧。
[0015]引导单元，例如利用多个绞盘，使张力可施加在基底上，用以尽可能拉紧地进给和移除基底进出入口点和出口点，进入和离开移动路径。限制所施加的张力量，以防止在该工艺中破坏基底或沉积在该基底上的原子层。另外的基于压力的牵引单元防止基底，例如由于所施加张力不足而向靠近引导单元的沉积头稍微弯曲。可了解的是，由于在基底与沉积头间的任何接触会导致基底表面的刮伤，故应防止在基底与沉积头间的任何接触。基于压力的牵引单元可在不需处理基底的(加工过或将被加工的)表面或甚至对其施力的情形下牵引基底远离沉积头的输出面。
[0016]根据本发明的优选实施方式，牵引的步骤使用用于无接触地牵引基底的白努力(Bernoulli)夹持器实施。白努力夹持器根据白努力气流原理:流速越高，在气流内的静压力越低，在没有实体接触的情形下使用气流附着在物体上。白努力夹持器产生平行于基底背侧的高速气流，因此产生低压区域。这在基底上产生净力，将基底拉向夹持器。同时，由白努力夹持器产生的气流防止基底与夹持器间的接触。
[0017]除了基于压力的牵引单元以外，上述工艺可进一步使用强制流动气体入口，用以在靠近外弯曲侧，例如向基底的表面或与其呈角度或平行地产生气流，用以强迫基底的表面远离沉积头的输出面。
[0018]如上所述，上述工艺使用气体轴承，用以在该工艺中，即在环绕沉积头圆周的移动路径中，保持基底表面不与输出面接触。气体轴承形成分开基底与沉积头的气体轴承层。依此方式，可在旋转沉积头与基底之间维持相当窄的分开距离。该分开距离可为，例如，至多200微米，至多100微米，至多15微米，或至多10微米，例如大约5微米。同时，该分开距离可为至少3微米，至少5微米，或至少10微米。所述小分开距离减少向该基底提供过多的前体气体的量。因为前体气体使用量通常会增加生产成本，所以这是有用的。
[0019]根据另一实施方式，可使用前体气体产生气体轴承。前体气体通常主要由承载气体构成的加工气体，且该承载气体包括部分作用的前体气体组分。已发现的是，可完美地使用前体气体作为承载气体，以防止造成在基底与输出面间的距离局部减少的局部低压区域。这进一步防止在加工时基底与沉积头的输出面间的任何接触。
[0020]为进一步控制上述工艺，在该工艺中包括预热气体或基底中至少一个的步骤。这步骤可使用加热器实施，且该加热器包括在沉积头、一个或多个气体供应器或引导单元中的至少一个中。
[0021]根据一个实施方式，所述方法包括使基底相对于且沿着包括沉积头的可旋转的圆筒的(至少部分圆形的)圆周移动。圆筒可包括至少一个气流通道，用于连接一个或多个气体供应器与密封圆筒的至少一部分表面的密封件。一个或多个气体供应器提供有气体，该气体在使圆筒相对于密封件旋转用于提供使前体供应器移动的步骤的同时透过密封件通过至少一个气流通道。所述圆筒或密封件，或两者，可包括一个或多个气体出口 /入口，而另一圆筒或密封件则在被圆筒密封的表面中包括一个或多个圆周沟槽。在圆筒旋转，用于向基底供应气体时，所述气体出口 /出口与密封沟槽相对布置，且气流路径的一部分由密封沟槽形成。
[0022]在上述情形中和根据另一实施方式，预热步骤可使用红外线辐射型加热系统实施，且其中圆筒由包括阳极氧化铝，优选乳白色阳极氧化铝的材料构成。有效的红外线辐射加热装置可包括例如(但不限于)钨-卤素灯和基于SiC的加热器。所述辐射加热装置的发射波长光谱主要在电磁光谱的红外线部分中。铝和其合金的发射率(因此吸收率)会因氧化明显地增加。因此，与阳极氧化铝或乳白色阳极氧化铝(具有至多0.9的吸收系数)组合的红外线加热器形成有效的内圆筒加热系统。
[0023]前体气体供应器相对于基底的位移速度可不随时间改变或可随时间改变。或者，在沉积原子层时，前体气体供应器的位移速度大于和/或与基底的位移速度方向相反。这进一步增加原子层的沉积速度。例如，前体气体供应器的位移速度的绝对值可比基底的位移速度的绝对值大至少5倍、至少10倍、至少20倍、至少50倍、至少100倍、至少500倍、至少1000倍、至少5000倍、和/或至少10000倍。在一实施方式中，当前体头沿基底表面移动时，基底可非常缓慢地移动或保持不动，因此沉积任意所需层数。可了解的是，前体气体供应器的位移速度同样可指向基底的位移速度方向。
[0024]输出面可大体上为圆形，通常大体上为圆柱形或圆锥形，例如截头锥形状和/或锥台形状，界定基底的移动路径。因此，输出面可大体上为圆柱形、圆锥形或锥台形状。因为在使用时，所述输出面可在前体头与基底之间维持更固定的分开距离，所以输出面与旋转前体头良好地组合。
[0025]应注意的是，US 2007/0281089 Al未揭露具有输出面的沉积头，且在沉积原子层时所述输出面至少部分地面向基底，具有前体气体供应器，且大体上为圆形，界定基底的移动路径。应注意的还有，US 2007/0281089 Al同样未揭露成形为沿着或相对于沉积头轴向倾斜的长形前体气体供应器，且同样未揭露前体气体供应器可沿弯曲输出面，沿或相对于沉积头的转轴方向倾斜的方向延伸。相反地，US 2007/0281089 Al揭露一种装置，其中输出面和前体气体供应器垂直于轴向和转轴地延伸。这不利于在基底上的均匀沉积。例如，靠近转轴的沉积将与较远离转轴的沉积不同。此外，在所述转轴的位置不可能沉积。因此，在US 2007/0281089 Al中，基底只移动通过少于输出面的区域的一半。
[0026]该方法可包括利用面向除基底面向沉积头的位置以外的沉积头的盖界限前体气体。利用所述盖，可实质地抑制或甚至防止前体气体流至所述方法可实施的装置的外部环境。盖可沿和/或在基底的第一与第二部分间的间隙中延伸。
[0027]本发明人了解这实施方式的特征可更广泛地应用，且可与一种或一种以上的其他实施方式和/或在此所述的特征选择性地组合。根据本发明的另一方面，提供一种在基底上实施原子层沉积的装置，该装置包括沉积头，该沉积头包括一个或多个气体供应器，且该一个或多个气体供应器包括用于向基底供应前体气体的前体气体供应器，其中所述一个或多个气体供应器配置在沉积头的输出面上，且其中所述输出面大体上为圆形，在输出面的至少一部分上界定用于基底的移动路径，使得在使用时供应的前体气体靠近，例如在面向输出面的基底表面上反应以便在基底表面上形成原子层，所述装置进一步包括安装件，用以安装沉积头；驱动器，配置用于旋转沉积头以便在供应前体气体时相对于基底且沿着基底移动所述前体气体供应器，用于借此在一个方向连续地移动前体气体供应器时沉积原子层的叠层；和气体轴承，由所述一个或多个气体供应器提供，用以保持基底的表面不与输出面接触，且其中所述装置进一步包括引导单元，用以通过弯曲基底使该基底的表面在外弯曲侧，引导基底至移动路径或由该移动路径引导基底中的至少一个；和基于压力的牵引单元，与引导单元连接且与输出面相对，用于在引导时牵引基底远离输出面以防止在基底表面与靠近引导单元的输出面间的接触。
[0028]在本发明的一个实施方式中，所述装置的基于压力的牵引单元包括用以无接触地牵引基底的白努力夹持器。
[0029]在另一实施方式中，所述装置进一步包括强制流动气体入口，配置成靠近表面的外弯曲侧面向基底，用以产生迫使表面远离输出面的气流。
[0030]在又一实施方式中，所述装置包括可旋转的圆筒，该可旋转的圆筒包括沉积头，其中为了提供气体至所述气体供应器，圆筒包括至少一个气流通道，该至少一个气流通道连接一个或多个气体供应器与密封圆筒的至少一部分表面的密封件，其中所述密封件可与至少一个气体源连接，其中圆筒或密封件中的一个包括一个或多个气体出口 /入口且圆筒或密封件中的另一个在被圆筒密封的表面中包括一个或多个圆周沟槽，且其中所述一个或多个气体出口 /出口和所述一个或多个圆周沟槽配置成在使用时，当圆筒旋转时，气体出口/出口至少在形成气体源与所述一个或多个气体供应器之间的一部分气流路径的旋转圆筒的旋转部分上与所述密封沟槽相对。
[0031]在一实施方式中，所述装置包括加热器，该加热器包括在安装件、沉积头、一个或多个供应器、引导单元的至少一个中，或在以下任意一个存在的实施方式中:圆筒、至少一个气流通道、气体出口 /出口中的至少一个或至少一个圆周沟槽。
[0032]在一实施方式中，所述装置包括可旋转的圆筒，且该可旋转的圆筒包括沉积头，其中所述圆筒由包括阳极氧化铝，优选乳白色的阳极氧化铝的材料构成，所述装置进一步包括红外线辐射型加热系统。
[0033]所述装置和方法的其他有利实施方式将在申请专利范围的依附权利要求中说明。
【附图说明】
[0034]以下将以非限制方式，参照【附图说明】本发明，其中:
[0035]图1显示在根据本发明的第一实施方式中，在基底上沉积原子层的装置；
[0036]图1A显不具有偏移的置层的实例；
[0037]图1B显示大量独立叠层的实例；
[0038]图1C显示示意截面图，其中沉积头、前体气体供应器和任选的圆筒可相对于轴移动；
[0039]图1D显示包括气体转移结构的实施方式的示意横截面图；
[0040]图1E(A)显示包括气体转移结构的另一实施方式的示意横截面图；
[0041]图1E⑶显示图1E(A)的侧视图；
[0042]图1E(C)显示图1E⑶的放大图；
[0043]图1F显不又一气体转移结构的不意横截面图；
[0044]图2A示意地显示在第一实施方式中装置2的沉积头的基本功能部分，和基底；
[0045]图2B部分地显示图2A所示的沉积头的一部分的可能结构；
[0046]图3A与3B显不运送器的一部分；
[0047]图4显不在基底4上沉积原子层的装置2 ；
[0048]图4A显示具有长形供应器的输出面的实例；
[0049]图5与6显示在第二实施方式中装置2的变化，其中沉积头具有孔穴，且该孔穴，在使用时，面向基底；
[0050]图6A