通過原子層沉積來涂覆襯底卷式基材的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在原子層沉積(ALD)反應(yīng)器(100)的反應(yīng)空間中接收并且處理移動的襯底卷式基材(110)的方法及設(shè)備。本發(fā)明還涉及包括這類反應(yīng)器的生產(chǎn)線。本發(fā)明包括：將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間(150)中，在反應(yīng)空間中為襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案(140)的軌跡，并且使反應(yīng)空間暴露于前體脈沖，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積到襯底卷式基材上。通過在反應(yīng)空間中使襯底卷式基材的傳輸方向多次轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)該圖案。本發(fā)明的一種效果是將ALD反應(yīng)器調(diào)節(jié)至期望的生產(chǎn)線襯底卷式基材速度。
【專利說明】通過原子層沉積來涂覆襯底卷式基材

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及沉積反應(yīng)器。更加具體地，本發(fā)明涉及通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在表面上的原子層沉積反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]原子層外延(ALE)方法由Dr.Tuomo Suntola在1970年代早期所發(fā)明。該方法的另一通用名稱是原子層沉積(ALD)，并且現(xiàn)今取代ALE被使用。ALD是一種基于將至少兩種反應(yīng)前體物種順序弓I入至少一個襯底的特殊化學沉積方法。
[0003]通過ALD生長的薄膜密實、無針孔，并且具有均勻的厚度。例如，在實驗中，已經(jīng)通過熱ALD從三甲基鋁(CH3)3Al (還稱為TMA)以及250°C _300°C的水生長了氧化鋁，僅僅在襯底晶片之上產(chǎn)生大約I%的不均勻度。
[0004]迄今為止，ALD工業(yè)主要專注于將材料沉積在一個或者多個剛性襯底上。然而，近年來，已經(jīng)顯示出對卷到卷(roll-to-roll)ALD工藝日益增加的興趣,在卷到卷ALD工藝中，將材料沉積在襯底卷式基材(substrate web)上,該襯底卷式基材從第一卷展開并且在沉積之后繞著第二卷卷起。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]相同受讓人同時提交的專利申請PCT/FI2012/xxxxxx公開了用于將材料沉積在襯底卷式基材上的ALD反應(yīng)器，其中材料生長由卷式基材的速度控制。使襯底卷式基材沿著筆直的軌跡移動通過處理腔室，并且將期望的薄膜涂覆層(coating)通過時間上分割的(temporally divided)ALD工藝生長到襯底表面上。
[0006]已知一種生產(chǎn)線，其中通常應(yīng)該按照預(yù)定的恒定速度驅(qū)動襯底卷式基材。于是，通常不能通過改變卷式基材的速度來控制所沉積的材料的厚度。
[0007]每個沉積周期通常產(chǎn)生一層涂覆層。已經(jīng)觀察得知，取決于諸如ALD反應(yīng)器的處理腔室的大小等各種因素，沉積周期具有最短時間。進一步地，已經(jīng)觀察得知，對于在處理腔室內(nèi)的期望涂覆層，可能需要許多周期。為了通過使用在線(in-line)ALD反應(yīng)器來獲得該結(jié)果，要求襯底卷式基材的速度非常緩慢(或者，要求處理腔室非常長，這是不可行的)。該低速要求與通常盛行的生產(chǎn)線的高速要求相反。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一示例方面，提供了一種方法，其包括:
[0009]將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；
[0010]在反應(yīng)空間中為襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及在所述反應(yīng)空間中使襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖中，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上。
[0011 ] 在特定示例實施例中，該方法包括:
[0012]使襯底卷式基材的傳輸方向多次轉(zhuǎn)向，以形成所述重復(fù)圖案。
[0013]該轉(zhuǎn)向可以通過轉(zhuǎn)向單元諸如卷，來實施。該卷(轉(zhuǎn)向卷)可以附接至反應(yīng)空間。作為替代方案，可以將轉(zhuǎn)向單元放置到提供所述反應(yīng)空間的處理腔室之中，但是在實際的反應(yīng)空間的外部，放置到轉(zhuǎn)向單元容積(或者，屏蔽容積(shield volume))中。在這類實施例中，中間平面可以將處理腔室分成反應(yīng)空間和轉(zhuǎn)向單元容積(其可以存在于反應(yīng)空間的兩側(cè))。相較于在反應(yīng)空間中的壓力，轉(zhuǎn)向單元容積可以是超壓(excess pressure)容積。
[0014]該轉(zhuǎn)向可以實施為精確180度轉(zhuǎn)向或者大體上180度轉(zhuǎn)向。于是，重復(fù)圖案基本上包括在一個方向上前進的一部分軌跡以及向相對(opposite)方向(例如，上下方向)前進的剩余部分。作為替代方案，該轉(zhuǎn)向可以大于或者小于180度。在其他實施例中，可以呈現(xiàn)更加復(fù)雜的重復(fù)圖案。
[0015]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0016]通過輸入門(input gate)來接收襯底卷式基材,該輸入門防止氣體從反應(yīng)空間逸出。
[0017]在特定示例實施例中，輸入門由狹縫形成，該狹縫維持在反應(yīng)空間與在狹縫的另一側(cè)的超壓容積之間的壓力差。在本文中，“超壓”指:雖然在超壓容積中的壓力相對于環(huán)境(室內(nèi))壓力而言是降低的壓力，但是，相較于在反應(yīng)空間中的壓力則是更高的壓力。可以將惰性氣體饋送入超壓容積中以維持所述壓力差。因此，在特定示例實施例中，該方法包括:
[0018]將惰性氣體饋送入超壓容積中。
[0019]在特定示例實施例中，狹縫(輸入狹縫)如此的細，從而使得襯底卷式基材剛好能夠適配通過。超壓容積可以是存在有第一(或者源)卷的容積。在特定示例實施例中，第一和第二卷均存在于超壓容積中?？梢詫⒊瑝喝莘e表示為超壓空間或隔間。狹縫可以作為流限制器而操作，使惰性氣體從所述超壓容積流至反應(yīng)空間(或者處理腔室)，但是，基本上防止在其他方向上的任何流動(即，從反應(yīng)空間至超壓容積)。狹縫可以是節(jié)流閥。狹縫可以作為用于惰性氣流的收縮(constrict1n)而操作。
[0020]在特定示例實施例中，反應(yīng)器包括形成所述狹縫的收縮板(constrict1nplate)。收縮板可以是彼此相鄰放置的兩個板，從而使襯底卷式基材剛好能夠適配通過。收縮板可以是平行板，從而使在板(狹縫容積)之間的空間在卷式基材移動方向上成為細長的。
[0021]襯底卷式基材可以從第一卷展開，并且在提供反應(yīng)空間的處理腔室中進行ALD處理，然后在第二卷上卷起。
[0022]ALD處理后的襯底卷式基材可以經(jīng)由輸出門(output gate)從反應(yīng)空間輸出。在特定示例實施例中，輸出門由第二狹縫(輸出狹縫)形成，該第二狹縫(輸出狹縫)維持在反應(yīng)空間與在該狹縫的另一側(cè)的超壓容積之間的壓力差。第二狹縫的結(jié)構(gòu)和功能可以與所提及的第一狹縫的結(jié)構(gòu)和功能相對應(yīng)。第二狹縫相較于所提及的第一狹縫可以存在于反應(yīng)空間的另一側(cè)。
[0023]在特定示例實施例中，輸入門包括輸入口和由過道(hallway)連接的輸入狹縫。該過道可以是維持在輸入門與反應(yīng)空間之間的壓力差的超壓過道。
[0024]因此，在特定示例實施例中，該方法包括:
[0025]通過超壓過道接收襯底卷式基材。
[0026]超壓過道的目的在于可以防止前體蒸汽/反應(yīng)氣體經(jīng)由襯底卷式基材路線流至處理腔室外部?？梢詫⒍栊詺怏w饋送入超壓過道中。
[0027]在特定示例實施例中，輸出門包括輸出狹縫和由過道連接的輸出口。該過道可以是超壓過道。可以將惰性氣體饋送入超壓過道中以維持壓力差。
[0028]在特定示例實施例中，具有重復(fù)圖案的所述軌跡在反應(yīng)空間內(nèi)形成流通道,該方法包括:
[0029]使用用于所述前體脈沖的流分配器，以到達每個所述流通道。
[0030]在特定示例實施例中，所述流分配器包括具有多個流耙(flowrake)的流散布器，該流IE具有進料頭開口(in-feed head opening)(孔)。該開口可以在相應(yīng)流通道所在位置處。流散布器可以是垂直的流散布器。流耙可以是筆直的通道。流耙與流散布器流體連通。
[0031]流分配器可以存在于軌跡的其所在的一側(cè)，并且排氣管線在軌跡的另一側(cè)。
[0032]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0033]在反應(yīng)空間內(nèi)通過調(diào)節(jié)軌跡圖案來調(diào)節(jié)軌跡的長度。在特定示例實施例中，這可以通過驅(qū)動襯底卷式基材僅僅經(jīng)由轉(zhuǎn)向單元的子集來實現(xiàn)。換言之，在特定示例實施例中，該方法包括跳過一個或者多個轉(zhuǎn)向單元。由于軌跡的長度影響到涂覆層的厚度，所以可以通過調(diào)節(jié)軌跡圖案來調(diào)節(jié)所得到的厚度。
[0034]在特定示例實施例中，使整個反應(yīng)空間交替地暴露于前體脈沖。因此，將反應(yīng)空間暴露于第一前體的前體脈沖可以發(fā)生在與暴露于第二(另一)前體的前體脈沖完全相同的空間(或者，處理腔室的相同容積)中。對在反應(yīng)空間中的ALD工藝進行時間上的分割(或者時間分割(time-divide))，這例如與要求對反應(yīng)空間進行空間分割的空間ALD相反。襯底卷式基材可以連續(xù)地移動或者周期地移動(例如，按照停止再前進的方式)通過反應(yīng)空間。材料生長發(fā)生在襯底卷式基材在反應(yīng)空間內(nèi)時，并且使其交替地暴露于前體蒸汽脈沖以使序列自飽和表面反應(yīng)發(fā)生在襯底卷式基材的表面上。當襯底卷式基材在反應(yīng)器中的反應(yīng)空間外部時,襯底卷式基材表面僅僅暴露于惰性氣體,并且不發(fā)生ADL反應(yīng)。
[0035]反應(yīng)器可以包括提供所述反應(yīng)空間的單個處理腔室。在特定示例實施例中，將襯底卷式基材從襯底卷式基材源諸如源卷(sourceroll)驅(qū)動到處理腔室(或者反應(yīng)空間)中。在處理腔室中通過ALD反應(yīng)來處理襯底卷式基材，然后將襯底卷式基材從處理腔室驅(qū)動出至襯底卷式基材目標諸如目標卷(destinat1n roll)。當襯底卷式基材的源和目標為卷時，呈現(xiàn)卷到卷原子層沉積方法。可以將襯底卷式基材從第一卷展開，驅(qū)動到處理腔室中，然后在沉積之后繞著第二卷卷起。因此，可以將襯底卷式基材從第一卷驅(qū)動至第二卷并且在其行程中使其暴露于ALD反應(yīng)。襯底卷式基材可以是可彎曲的。襯底卷式基材還可以是可卷繞的。襯底卷式基材可以是薄片，諸如金屬薄片。
[0036]可以將卷式基材連續(xù)地從所述第一卷驅(qū)動至第二卷上。在特定示例實施例中，按照恒定速度連續(xù)地驅(qū)動卷式基材。在特定示例實施例中，通過停止再前進的方式驅(qū)動卷式基材。然后，襯底卷式基材可以停止達沉積周期，在周期結(jié)束時移動，并且為了下一個周期停止，以此類推。因此,可以按照預(yù)定時刻間歇地移動襯底卷式基材。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的第二示例方面，提供了一種設(shè)備，其包括:
[0038]輸入門，其配置為將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；
[0039]軌跡形成元件，其配置為在反應(yīng)空間中為襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及
[0040]前體蒸汽饋送部分，其配置為在所述反應(yīng)空間中使襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上。
[0041]該設(shè)備可以是原子層沉積(ALD)反應(yīng)器。ALD反應(yīng)器(或者反應(yīng)器模塊)可以是獨立設(shè)備或者是生產(chǎn)線的一部分。驅(qū)動單元可以配置為將襯底卷式基材從第一卷經(jīng)由反應(yīng)空間驅(qū)動至第二卷。驅(qū)動單元可以連接至第二(目標)卷。在特定示例實施例中，驅(qū)動單元包括分別連接至第一(源)卷的第一驅(qū)動器和連接至第二(目標)卷的第二驅(qū)動器。驅(qū)動單元可以配置為使卷按照期望的速度轉(zhuǎn)動。
[0042]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0043]轉(zhuǎn)向單元，其配置為多次轉(zhuǎn)向襯底卷式基材的傳輸方向以形成所述重復(fù)圖案。
[0044]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0045]輸入門，其配置為將通過輸入門的襯底卷式基材接收到反應(yīng)空間中，該輸入門配置為防止氣體從反應(yīng)空間逸出。
[0046]在特定示例實施例中，輸入門包括超壓過道，襯底卷式基材配置為通過該超壓過道行進。
[0047]在特定示例實施例中，具有重復(fù)圖案的所述軌跡配置為在反應(yīng)空間內(nèi)形成流通道，并且該設(shè)備包括:
[0048]流分配器，用于使所述前體脈沖到達每個所述流通道。
[0049]在特定示例實施例中，所述流分配器包括具有多個流耙的流散布器，該流耙具有進料頭開口。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的第三示例實施例方面，提供了生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包括，第二方面或者其實施例的設(shè)備，該設(shè)備配置為執(zhí)行根據(jù)第一方面或者其實施例的方法。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的第四示例方面，提供了一種設(shè)備，其包括:
[0052]輸入裝置，其用于將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；
[0053]軌跡形成裝置，其用于在反應(yīng)空間中為襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及
[0054]前體蒸汽饋送裝置，其用于在所述反應(yīng)空間中使襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖中，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)來將材料沉積在所述襯底卷式基材上。
[0055]在前面已經(jīng)對本發(fā)明的不同非限制性示例方面和實施例進行了圖示。上面的實施例僅僅用于闡釋所選擇的可以在本發(fā)明的實施方式中利用的方面或者步驟?？梢詢H僅參考本發(fā)明的特定示例方面呈現(xiàn)一些實施例。應(yīng)該理解，相應(yīng)實施例也可以適用于其他示例方面?？梢孕纬蓪嵤├娜魏芜m合的組合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]現(xiàn)在將參考附圖僅僅以舉例說明的方式對本發(fā)明進行描述，在圖中:
[0057]圖1示出了根據(jù)示例實施例的模塊化沉積反應(yīng)器的側(cè)視圖；
[0058]圖2示出了根據(jù)示例實施例的生產(chǎn)線的側(cè)視圖；
[0059]圖3示出了根據(jù)示例實施例的另一種沉積反應(yīng)器的頂視圖；
[0060]圖4示出了根據(jù)示例實施例的獨立沉積反應(yīng)器；
[0061]圖5示出了根據(jù)示例實施例的另一種獨立沉積反應(yīng)器；以及
[0062]圖6示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器控制系統(tǒng)的粗略框圖。

【具體實施方式】
[0063]在下面的說明中，將原子層沉積(ALD)技術(shù)用作示例。ALD生長機制的基礎(chǔ)為技術(shù)人員已知。如在本專利申請的介紹部分中所提及的，ALD是一種基于將至少兩種反應(yīng)前體物種順序地引入至少一個襯底的特殊化學沉積方法。該襯底，或者在這種情況下是移動的襯底卷式基材，位于反應(yīng)空間內(nèi)。反應(yīng)空間通常被加熱。ALD的基本生長機制有賴于在化學吸附(chemisorpt1n)與物理吸附(physisorpt1n)之間的鍵強度差。ALD在沉積工藝期間利用化學吸附并且消除物理吸附。在化學吸附期間，在固相表面的一個或多個原子與來自氣相的到達分子之間，形成強的化學鍵。通過物理吸附實現(xiàn)的鍵合要弱得多，這是因為僅僅包含范德瓦爾斯力。
[0064]ALD反應(yīng)器的反應(yīng)空間包括所有通常被加熱的表面，這些表面可以交替地并且順序地暴露于用于沉積薄膜或者涂覆層的每個ALD前體中?；続LD沉積周期由四個順序的步驟組成:脈沖A、吹掃(purge) A、脈沖B和吹掃B。脈沖A通常由金屬前體蒸汽組成,而脈沖B通常由非金屬前體蒸汽組成，尤其是氮或者氧前體蒸汽。在吹掃A和吹掃B期間，通常將惰性氣體諸如氮或氬以及真空泵用于將氣體反應(yīng)副產(chǎn)品和殘留的反應(yīng)劑分子吹掃離開反應(yīng)空間。沉積序列包括至少一個沉積周期。重復(fù)沉積周期直到沉積序列已經(jīng)產(chǎn)生了期望厚度的薄膜或者涂覆層為止。
[0065]在通常的ALD工藝中，前體物種通過化學吸附形成到加熱表面的反應(yīng)部位(reactive site)的化學鍵。通常按照以下方式設(shè)置條件:在一個前體脈沖期間在表面上形成不多于分子單層的固體材料。由此，生長工藝是自行終止或者自飽和的。例如，第一前體可以包括配體，該配體保持附接至被吸附物種并且使該表面飽和，這防止了進一步的化學吸附。將反應(yīng)空間溫度維持在高于所利用的前體的冷凝溫度并且低于其熱分解溫度，從而使前體分子物種實質(zhì)上完好(essentially intact)地化學吸附在襯底上?！皩嵸|(zhì)上完好”指，當前體分子物種化學吸附在表面上時，揮發(fā)性配體可以脫離前體分子。表面變?yōu)閷嵸|(zhì)上飽和充滿第一類型的反應(yīng)部位，即第一前體分子的被吸附物種。此化學吸附步驟完成之后，通常是第一吹掃步驟(吹掃A)，其中從反應(yīng)空間去除多余的第一前體和可能的反應(yīng)副產(chǎn)品。然后，將第二前體蒸汽引入到反應(yīng)空間中。第二前體分子通常與第一前體分子的被吸附物種反應(yīng)，從而形成期望的薄膜材料或者涂覆層。一旦所有的被吸附第一前體量已經(jīng)耗盡，該生長終止，并且表面已經(jīng)實質(zhì)上飽和充滿第二類型的反應(yīng)部位。然后，通過第二吹掃步驟(吹掃B)去除多余的第二前體蒸汽和可能的反應(yīng)副產(chǎn)品蒸汽。然后，重復(fù)該周期直到膜或涂覆層已經(jīng)生長到期望厚度為止。沉積周期還可以更加復(fù)雜。例如，周期可以包括被吹掃步驟分隔開的三個或更多個反應(yīng)物蒸汽脈沖。所有這些沉積周期形成由邏輯單元或者微處理器控制的定時沉積序列。
[0066]圖1示出了根據(jù)示例實施例的模塊化沉積反應(yīng)器的側(cè)視圖。沉積反應(yīng)器100可以形成生產(chǎn)線的一部分。經(jīng)由輸入口 161將襯底卷式基材110接收到沉積反應(yīng)器100中。襯底卷式基材110的路線通過過道162經(jīng)由第一狹縫163延續(xù)進入反應(yīng)空間150中。反應(yīng)空間150為襯底卷式基材110設(shè)置具有重復(fù)圖案140的軌跡。反應(yīng)空間150包括在反應(yīng)空間150的頂部部分中的第一排卷141和在反應(yīng)空間150的底部分中的第二排卷142。通過卷141和142來轉(zhuǎn)向襯底卷式基材110的傳輸方向以形成所述重復(fù)圖案。于是，該重復(fù)圖案包括在一個方向上前進的一部分軌跡以及向相對方向前進(在本文中:上下方向)的接續(xù)部分。
[0067]沉積反應(yīng)器100包括第一前體源111 (在本文中:DEZ，二乙基鋅)和第二前體源121 (在本文中:H20，水)。在本實施例和其他實施例中，水的源可以由臭氧的源代替。第一脈沖閥112控制第一前體的前體蒸汽流入第一前體饋送入管線113中的流。第二脈沖閥122控制第二前體的前體蒸汽流入第二前體饋送入管線123中的流。饋送入管線113在反應(yīng)空間150中延續(xù)，作為第一流分配器114，而饋送入管線123作為第二流分配器124。在本示例實施例中，沉積反應(yīng)器100還包括第三前體源131 (在本文中:H2S，硫化氫)。第三脈沖閥132控制第三前體的前體蒸汽流入第三前體饋送入管線123中的流。在本示例實施例中，第三和第二前體共用相同的饋送入管線123。
[0068]流分配器114包括與多個流耙流體連通的垂直散布器。流耙可以是有孔的筆直水平流通道。每個流耙通過(多個)孔與反應(yīng)空間150流體連通。流分配器124具有相似的結(jié)構(gòu)。可以將第一和第二流分配器114、124散置(intersperse)，從而可以將它們放置在反應(yīng)空間150的側(cè)部的相同高度(level)。
[0069]具有重復(fù)圖案的軌跡在反應(yīng)空間150內(nèi)形成側(cè)向的流通道。流通道形成在彎曲的襯底卷式基材表面之間。流耙在流通道所在位置處含有孔，從而使前體蒸汽經(jīng)由該孔流入流通道中。反應(yīng)空間150的另一側(cè)包括排氣管線181，該排氣管線181收集氣體并且將其向下引至真空泵182。
[0070]在反應(yīng)空間中，將襯底卷式基材暴露于ALD反應(yīng)中。沉積序列由一個或者多個連續(xù)的沉積周期形成，每個周期至少由第一前體蒸汽周期(脈沖A)、隨后的第一吹掃步驟(吹掃A)、隨后的第二前體暴露周期(脈沖B)、隨后的第二吹掃步驟(吹掃B)組成。在三個前體的情況下，沉積周期可以進一步包含第三前體暴露周期(脈沖C)，隨后是第三吹掃步驟(吹掃C)?；蛘?，在更加復(fù)雜的情況下，吹掃B之后可以是另一第一前體暴露周期，隨后可以是吹掃步驟，隨后可以是第二如體暴露周期，隨后可以是吹掃步驟。
[0071]在前體暴露周期期間，前體蒸汽經(jīng)由流分配器114、124中的一個流入反應(yīng)空間150中，并且剩余的氣體經(jīng)由排氣管線181離開反應(yīng)空間150。惰性氣體(諸如，氮)流經(jīng)一個或多個其他流分配器。在吹掃步驟期間，僅僅惰性氣體流入反應(yīng)空間150中。
[0072]襯底卷式基材經(jīng)由在反應(yīng)空間150的相對側(cè)的輸入狹縫173離開反應(yīng)空間150。襯底卷式基材延續(xù)通過過道172并且經(jīng)由輸出口 171到生產(chǎn)線工藝的下一個步驟。
[0073]輸入口 161、過道162和輸入狹縫163形成輸入門的示例。相似地，輸出狹縫173、過道172和輸出口 171形成輸出門的示例。門的目的在于防止氣體經(jīng)由襯底卷式基材路線從反應(yīng)空間150逸出。
[0074]在特定示例實施例中，狹縫163和173用作維持在反應(yīng)空間150與過道162和172之間的壓力差的節(jié)流閥。同樣，為了維持壓力差，可以將惰性氣體饋送至過道162和172中的一個或者兩者。圖1示出了將惰性氣體從惰性氣體源105饋送入過道162中。在圖1中示出的沉積反應(yīng)器中，在(超壓)過道162和172內(nèi)的壓力高于在反應(yīng)空間150內(nèi)的壓力。作為示例，在反應(yīng)空間150內(nèi)的壓力可以是lmbar，而在過道162和172內(nèi)的壓力是例如5mbar。壓力差形成防止流體從反應(yīng)空間流入過道162和172中的屏障。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫163和173從過道162和172流至反應(yīng)空間150)的流動是可能的。因此，正如針對從流分配器114和124流動的惰性氣體(以及在前體蒸汽脈沖周期期間的前體蒸汽)，這些流動實際上僅僅朝著真空室182。
[0075]圖2示出了根據(jù)示例實施例的生產(chǎn)線的側(cè)視圖。在示例實施例中，生產(chǎn)線用于對用于例如太陽能電池產(chǎn)業(yè)的不銹鋼(SS)薄片進行覆蓋(coat)。將SS薄片從源卷模塊97經(jīng)由多個處理模塊98-101驅(qū)動至目標卷模塊102。生產(chǎn)線的第一模塊(源卷模塊)97包括在惰性氣體容積內(nèi)的被展開的源SS薄片卷。將惰性氣體(在本文中:N2)從惰性氣體源導(dǎo)至卷所存在的空間。
[0076]然后，被展開的SS薄片進入生產(chǎn)線的下一個模塊98。在本示例實施例中，模塊98是鑰(Mo)濺射模塊。在鑰處理/沉積之后，SS薄片進入生產(chǎn)線的下一個模塊99。在本示例實施例中，模塊99是銅銦鎵二硒化物(CIGS)濺射模塊。
[0077]在CIGS處理/沉積之后，SS薄片進入生產(chǎn)線的下一個模塊100。在本示例實施例中，模塊100是圖1的ALD反應(yīng)器模塊。在該模塊中，將期望量的ZnOS沉積在SS薄片上。如有需要，可以將惰性氣體導(dǎo)至模塊100的過道，以加強防止氣體從反應(yīng)空間流入過道中的一個或者兩者中的屏障。對在模塊100的反應(yīng)空間內(nèi)的軌跡的長度進行布置從而得到期望厚度的涂覆層。這可以通過使用適量的軌跡轉(zhuǎn)向單元(在本文中:卷)來布置，軌跡繞著該軌跡轉(zhuǎn)向單元轉(zhuǎn)向?？梢酝ㄟ^跳過一個或者多個卷來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向的次數(shù)。這樣，ALD反應(yīng)器模塊100可以調(diào)節(jié)至生產(chǎn)線的預(yù)定的襯底卷式基材速度。
[0078]在ZNOS沉積之后，SS薄片進入生產(chǎn)線的下一個模塊101。在本示例實施例中，模塊101是另一 ALD反應(yīng)器模塊。除了在ALD工藝中所用的源不同之外，ALD模塊101基本上與模塊100相對應(yīng)。在該模塊中，將期望量的ZnO = Al沉積在SS薄片上。如有需要，可以將惰性氣體導(dǎo)至模塊101的過道中的一個或者兩者，并且/或者可以按照在模塊100中相似的方法來調(diào)節(jié)軌跡長度。
[0079]經(jīng)涂覆的SS薄片從模塊101進入目標卷模塊102。SS薄片繞著目標卷卷起。將惰性氣體從惰性氣體源導(dǎo)至卷所存在的空間。
[0080]圖3示出了根據(jù)示例實施例的另一種沉積反應(yīng)器的頂視圖。沉積反應(yīng)器300包括在真空腔室301內(nèi)的圓柱形反應(yīng)腔室302，在本實施例中該真空腔室也是圓柱形的。圍繞反應(yīng)腔室302的是中間空間，該中間空間包括熱反射器307和反應(yīng)腔室加熱器306?？删砝@的襯底卷式基材的源卷321的旋轉(zhuǎn)軸附接至反應(yīng)和真空腔室的底部通孔305。可卷繞的襯底卷式基材的目標卷322的旋轉(zhuǎn)軸附接至反應(yīng)和真空腔室的另一底部通孔305。通過輸入狹縫363將襯底卷式基材輸入到在反應(yīng)腔室302內(nèi)的處理腔室303中。處理腔室可以具有例如矩形或者方形的截面。通過使襯底卷式基材繞著第一排341和第二排342的轉(zhuǎn)向卷轉(zhuǎn)向，處理腔室為襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案340的軌跡。重復(fù)圖案大體上可以充滿整個處理腔室。處理腔室303的內(nèi)部形成反應(yīng)空間350。反應(yīng)空間交替地暴露于前體的前體蒸汽中。將前體的前體蒸汽從處理腔室303的頂部饋送入反應(yīng)空間350中。前體蒸汽沿著襯底卷式基材表面從頂部流至底部流入在處理腔室303的底部處的排氣管線304中。通過輸出狹縫373將經(jīng)涂覆的襯底卷式基材從反應(yīng)空間350輸出，并且繞著目標卷322卷起。
[0081]輸入和輸出狹縫363和373如此的薄，從而使前體蒸汽不通過狹縫從反應(yīng)空間離開，而是由在排氣管線后面的真空泵將前體蒸汽抽至排氣管線304。此外，可以通過將惰性氣體饋送入超壓容積，將超壓容積布置為圍繞處理腔室303通往反應(yīng)腔室302。
[0082]在特定示例實施例中,連續(xù)地移動襯底卷式基材。在其他示例實施例中，按照停止再前進的方式移動卷式基材。可以使襯底卷式基材在多個沉積周期期間處于靜止，然后移動預(yù)定量，然后再次在多個沉積周期期間處于靜止，以此類推。
[0083]圖4示出了根據(jù)示例實施例的獨立沉積反應(yīng)器。將襯底卷式基材410經(jīng)由布置在處理腔室壁中的輸入狹縫463接收到沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間430中。反應(yīng)空間430為襯底卷式基材410設(shè)置具有重復(fù)圖案440的軌跡。反應(yīng)空間430包括在反應(yīng)空間430的第一側(cè)部分中的第一排卷441和在反應(yīng)空間430的相對側(cè)部分中的第二排卷442。通過卷441和442來轉(zhuǎn)向襯底卷式基材410的傳輸方向以形成所述重復(fù)圖案。于是，該重復(fù)圖案包括在一個方向上前進的一部分軌跡以及向相對方向前進的接續(xù)部分(在本文中:從一側(cè)至另一側(cè))。如在其他實施例中，可以通過跳過一個或者多個卷來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向的次數(shù)。
[0084]沉積反應(yīng)器包括第一前體源401 (在本文中:TMA，三甲基鋁)和第二前體源402 (在本文中:H20，水)。第一脈沖閥411控制第一前體的前體蒸汽流入第一前體饋送入管線412中的流。第二脈沖閥421控制第二前體的前體蒸汽流入第二前體饋送入管線422中的流。饋送入管線412在反應(yīng)空間430中延續(xù)，作為第一流分配器413，而饋送入管線422作為第二流分配器423。
[0085]流分配器413包括與多個流耙流體連通的水平散布器。流耙可以是有孔的筆直水平流通道。每個流耙通過(多個)孔與反應(yīng)空間430流體連通。流分配器423具有相似的結(jié)構(gòu)。可以將第一和第二流分配器413、423散置，從而可以將它們放置在反應(yīng)空間430的一側(cè)的相同高度。
[0086]具有重復(fù)圖案的軌跡在反應(yīng)空間430內(nèi)形成側(cè)向的流通道。流通道形成在彎曲的襯底卷式基材表面之間。流耙在流通道所在位置處含有孔，從而使前體蒸汽經(jīng)由該孔流入流通道中。在反應(yīng)空間的底部處的另一側(cè)包括排氣管線481，該排氣管線481收集氣體并且將其引向真空泵(未示出)。
[0087]在反應(yīng)空間中，將襯底卷式基材暴露于ALD反應(yīng)中。沉積序列由一個或者多個連續(xù)的沉積周期形成，每個周期至少由第一前體蒸汽周期(脈沖A)、隨后的第一吹掃步驟(吹掃A)、隨后的第二前體暴露周期(脈沖B)、隨后的第二吹掃步驟(吹掃B)組成。
[0088]在前體暴露周期期間，前體蒸汽經(jīng)由流分配器413、423中的一個流入反應(yīng)空間430中，并且剩余氣體經(jīng)由排出導(dǎo)管481離開反應(yīng)空間430。惰性氣體(諸如氮)經(jīng)由其他流分配器流動。在吹掃步驟期間，僅僅惰性氣體流入反應(yīng)空間430中。
[0089]襯底卷式基材在反應(yīng)空間430的相對側(cè)經(jīng)由輸出狹縫473離開反應(yīng)空間430。
[0090]沉積反應(yīng)器包括源卷容積431、目標卷容積432、和在源卷容積與目標卷容積之間提供反應(yīng)空間430的處理腔室。在源卷容積431中的源卷491可繞著源卷軸493轉(zhuǎn)動，從而在示例實施例中將可彎曲的襯底卷式基材從源卷展開并且輸入至反應(yīng)空間430。相似地，在目標卷容積432中的目標卷492可繞著目標卷軸494轉(zhuǎn)動，從而在示例實施例中將離開反應(yīng)空間的可彎曲的襯底卷式基材繞著目標卷492卷起。
[0091]狹縫463和43的目的在于防止氣體經(jīng)由襯底卷式基材路線從反應(yīng)空間430逸出。
[0092]在特定示例實施例中，狹縫463和473用作維持在反應(yīng)空間430與卷容積431和432之間的壓力差的節(jié)流閥。同樣，為了維持壓力差，可以分別將惰性氣體從第一和第二惰性氣體源403和404饋送至卷容積431和432。然而，在其他實施例中，可以通過單個惰性氣體源來實施惰性氣體源403和404。在圖4中示出的沉積反應(yīng)器中，在(超壓)卷容積431和432內(nèi)的壓力高于在反應(yīng)空間430內(nèi)的壓力。作為示例，在反應(yīng)空間430內(nèi)的壓力可以是0.5mbar，而在卷容積431和432內(nèi)的壓力是例如5mbar。壓力差形成防止從反應(yīng)空間430流入卷容積431和432中的屏障。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫463和473從卷容積431和432流至反應(yīng)空間430)的流動是可以的。因此，正如針對從流分配器413和414流動的惰性氣體(以及在前體蒸汽脈沖周期期間的前體蒸汽)，這些流動實際上僅僅朝著在排氣管線481后面的真空泵。
[0093]此外，圖4示出了在第一前體暴露周期期間的沉積反應(yīng)器。第一脈沖閥411打開，并且第一前體的前體蒸汽經(jīng)由流分配器413并且通過其孔流入到反應(yīng)空間430中。惰性氣體經(jīng)由其他流分配器流入到反應(yīng)空間430中。ALD反應(yīng)發(fā)生在襯底卷式基材表面上。剩余的氣體被排空到排氣管線481中。
[0094]圖5示出了根據(jù)示例實施例的另一獨立沉積反應(yīng)器。另外，圖5的實施例與圖4的實施例相對應(yīng)，除了在圖5中的轉(zhuǎn)向單元放置到提供所述反應(yīng)空間的處理腔室中、但是在實際反應(yīng)空間外部、在轉(zhuǎn)向單元容積(或者屏蔽容積)中之外。處理腔室包括第一中間平面551，該第一中間平面551將處理腔室分成反應(yīng)空間530和第一轉(zhuǎn)向單元容積531。處理腔室進一步包括第二中間平面552，該第二中間平面552將處理腔室分成反應(yīng)空間530和第二轉(zhuǎn)向單元容積532。因此，反應(yīng)空間530存在于中間平面551和552之間。轉(zhuǎn)向單元容積531和532存在于中間平面551和552的的另一側(cè)、在處理腔室的邊緣區(qū)域中。
[0095]襯底卷式基材410能夠穿過中間平面551和552到達轉(zhuǎn)向單元(卷441和442)。例如，在中間平面551和552中可能布置有狹縫。因此，襯底卷式基材410的軌跡行進在處理腔室內(nèi)在反應(yīng)空間540中和在反應(yīng)空間430外部兩處，行進在轉(zhuǎn)向單元容積531和532中。ALD沉積僅僅發(fā)生在反應(yīng)空間530內(nèi)，并且重復(fù)圖案540出現(xiàn)在反應(yīng)空間530中，如在其他實施例中的。
[0096]轉(zhuǎn)向單元容積531和532相較于在反應(yīng)空間530中的壓力可以是超壓容積。在圖5的示例實施例中，惰性氣體通過布置到反應(yīng)腔室中的狹縫464從源卷容積431流入到第一轉(zhuǎn)向單元容積531中，如箭頭564所示。相似地，惰性氣體通過布置到相對反應(yīng)腔室壁中的狹縫474從目標卷容積432流入到第一轉(zhuǎn)向單元容積531中，如箭頭574所示。惰性氣體進一步通過布置到反應(yīng)腔室壁中的處理腔室輸入狹縫463從源卷容積431流入到第二轉(zhuǎn)向單元容積532中，如箭頭563所示。相似地，惰性氣體通過布置到相對反應(yīng)腔室壁中的處理腔室輸出狹縫473從目標卷容積432流入到第二轉(zhuǎn)向單元容積532中，如箭頭573所示。超壓容積的轉(zhuǎn)向單元容積531和532的目的在于防止惰性氣體經(jīng)由中間平面551和552流至反應(yīng)空間530外部。
[0097]襯底卷式基材410經(jīng)由處理腔室輸入狹縫463輸入到第二轉(zhuǎn)向單元容積532中，并且經(jīng)由布置到中間平面552中的狹縫從該第二轉(zhuǎn)向單元容積532輸入至處理腔室。在ALD處理之后，經(jīng)涂覆的襯底卷式基材410經(jīng)由布置到中間平面552中的狹縫從反應(yīng)空間530輸出到第二轉(zhuǎn)向單元容積532中，并且經(jīng)由處理腔室輸出狹縫473從該第二轉(zhuǎn)向單元容積552輸出至目標卷容積432。
[0098]此外，圖5示出了在第二前體暴露周期期間的沉積反應(yīng)器。第二脈沖閥421打開，并且第二前體的前體蒸汽經(jīng)由流分配器423并且通過其孔流入到反應(yīng)空間530中。惰性氣體經(jīng)由其他流分配器流入到反應(yīng)空間530中。ALD反應(yīng)發(fā)生在襯底卷式基材表面上。剩余的氣體被排空到排氣管線481中。
[0099]在示例實施例中，在本文中描述的沉積反應(yīng)器(或者反應(yīng)器)是計算機控制的系統(tǒng)。存儲在系統(tǒng)的存儲器中的計算機程序包括指令，這些指令在由系統(tǒng)的至少一個處理器執(zhí)行時使沉積反應(yīng)器按照指令進行操作。指令可以是計算機可讀程序代碼的形式。圖6示出了沉積反應(yīng)器控制系統(tǒng)600的粗略框圖。在基本系統(tǒng)設(shè)置中，處理參數(shù)借助于軟件而被程序化，并且這些指令使用人機接口(HMI)終端606來執(zhí)行，并且經(jīng)由通信總線604諸如以太網(wǎng)總線或者相似的總線，下載至控制箱602 (控制單元)。在實施例中，控制箱602包括通用的可編程邏輯控制(PLC)單元?？刂葡?02包括至少一個微處理器，該微處理器用于執(zhí)行包括存儲在存儲器中的程序代碼的控制箱軟件、動態(tài)和靜態(tài)存儲器、I/O模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、和功率中繼器(relay)?？刂葡?02將電功率發(fā)送至沉積反應(yīng)器的合適閥門的氣動控制器?？刂葡淇刂乞?qū)動卷式基材的一個或多個驅(qū)動器、真空泵和任何一個或多個加熱器的操作?？刂葡?02接收來自合適傳感器的信息，并且總體地控制沉積反應(yīng)器的整體操作。在特定示例實施例中，控制箱602控制在原子層沉積反應(yīng)器中將襯底卷式基材經(jīng)由反應(yīng)空間從第一卷驅(qū)動至第二卷?？刂葡?02進一步控制使反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖中，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上?？刂葡?02可以測量并且將探頭讀數(shù)從沉積反應(yīng)器中繼至HMI終端606。虛線616指示在沉積反應(yīng)器部件與控制箱602之間的接口線。
[0100]在不限制專利權(quán)利要求的范圍和闡釋的情況下，在本文中所公開的一個或者多個示例實施例的特定技術(shù)效果列出如下:一種技術(shù)效果是，將ALD反應(yīng)器調(diào)節(jié)至期望的生產(chǎn)線襯底卷式基材速度；另一技術(shù)效果是，相較于例如空間ALD反應(yīng)器具有更長的運行間隔(service interval);另一技術(shù)效果是,將襯底卷式基材轉(zhuǎn)向單元放置到反應(yīng)空間外部、在更加潔凈的環(huán)境中，從而使轉(zhuǎn)向單元不會被涂覆。
[0101]上面的說明已經(jīng)通過本發(fā)明的特定實施方式和實施例的非限制性示例對本發(fā)明人目前所考慮的最佳模式提供了完整的且信息性的說明以供實現(xiàn)本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明不限于上面所提出的實施例的詳細細節(jié)，相反，在不偏離本發(fā)明的特性的情況下，本發(fā)明可以在其他實施例中通過使用等效手段來實施。
[0102]此外，本發(fā)明的上面所公開的實施例的一些特征可以有利地使用，而不對應(yīng)于其他特征的使用。如此，上面的說明應(yīng)該視為僅僅是對本發(fā)明的原理的圖示，而非對其的限制。因此，本發(fā)明的范圍僅僅由所附專利權(quán)利要求書限制。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中； 在所述反應(yīng)空間中為所述襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及 在所述反應(yīng)空間中使所述襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積到所述襯底卷式基材上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括: 使所述襯底卷式基材的傳輸方向多次轉(zhuǎn)向，以形成所述重復(fù)圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，包括: 通過輸入門接收所述襯底卷式基材，所述輸入門防止氣體從所述反應(yīng)空間逸出。
4.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，包括: 通過超壓過道來接收所述襯底卷式基材。
5.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中具有所述重復(fù)圖案的所述軌跡在所述反應(yīng)空間內(nèi)形成流通道，所述方法包括: 將流分配器用于所述前體脈沖，以到達每個所述流通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述流分配器包括具有多個流耙的流散布器，所述流耙具有進料頭開口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括: 通過調(diào)節(jié)所述軌跡的所述圖案來調(diào)節(jié)所述軌跡在所述反應(yīng)空間內(nèi)的長度。
8.—種設(shè)備,包括: 輸入門，配置為將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中； 軌跡形成元件，配置為在所述反應(yīng)空間中為所述襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及 前體蒸汽饋送部分，配置為在所述反應(yīng)空間中使所述襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)來將材料沉積到所述襯底卷式基材上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，包括: 轉(zhuǎn)向單元，配置為使所述襯底卷式基材的傳輸方向多次轉(zhuǎn)向，以形成所述重復(fù)圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或者9所述的設(shè)備，包括: 輸入門，配置為將通過其的所述襯底卷式基材接收到所述反應(yīng)空間中，所述輸入門配置為防止氣體從所述反應(yīng)空間逸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述輸入門包括超壓過道，所述襯底卷式基材配置為行進通過所述超壓過道。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求8-11中任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備， 其中具有所述重復(fù)圖案的所述軌跡配置為在所述反應(yīng)空間內(nèi)形成流通道，并且所述設(shè)備包括: 流分配器，用于所述前體脈沖以到達每個所述流通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述流分配器包括具有多個流耙的流散布器，所述流耙具有進料頭開口。
14.一種生產(chǎn)線，包括上述權(quán)利要求8-14中任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，所述設(shè)備配置為執(zhí)行根據(jù)上述權(quán)利要求1-7中任何一項權(quán)利要求所述的方法。
15.一種設(shè)備，包括: 輸入裝置，用于將移動的襯底卷式基材接收到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；軌跡形成裝置，用于在所述反應(yīng)空間中為所述襯底卷式基材設(shè)置具有重復(fù)圖案的軌跡；以及 前體蒸汽饋送裝置，用于在所述反應(yīng)空間中使所述襯底卷式基材暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序的自飽和表面反應(yīng)將材料沉積到所述襯底卷式基材上。
【文檔編號】C23C16/455GK104364419SQ201280073942
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月15日
【發(fā)明者】S·林德弗斯 申請人:皮考遜公司