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)明涉及一種將襯底卷式基材(950)驅(qū)動到原子層沉積(ALD)反應(yīng)器的反應(yīng)空間中的方法及其設(shè)備。本發(fā)明包括將襯底卷式基材驅(qū)動到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間(930)中，并且使反應(yīng)空間暴露于前體脈沖，以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積到所述襯底卷式基材上。相較于更早的空間上的卷到卷ALD反應(yīng)器，本發(fā)明的一種效果是結(jié)構(gòu)更加簡單，另一種效果是所沉積的材料的厚度直接由卷式基材的速度來確定。
【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(xué)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]根據(jù)本發(fā)明的第一示例方面，提供了一種方法，其包括:
[0006]將襯底卷式基材驅(qū)動到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；以及
[0007]使反應(yīng)空間暴露于時間上(temporally)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。
[0008]在特定示例實施例中，將材料沉積在襯底卷式基材上，并且材料生長由卷式基材的速度來控制。在特定示例實施例中，使襯底卷式基材沿著徑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(temporally divided)的ALD處理生長在襯底表面上。在特定示例實施例中，ALD周期的每個階段在處理腔室的一個且相同的反應(yīng)空間中進行。這與例如空間ALD相反，在空間ALD中，沉積周期的不同階段在不同的反應(yīng)空間中執(zhí)行。
[0009]在特定示例實施例中，可以使整個反應(yīng)空間交替地暴露于前體脈沖中。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)地移動或者間歇地移動通過反應(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中以使順序的自飽和表面反應(yīng)發(fā)生在襯底卷式基材的表面上。當(dāng)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中，并且不發(fā)生ADL反應(yīng)。
[0010]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(source roll)，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(biāo)，諸如目標(biāo)卷(destinat1n roll)。當(dāng)襯底卷式基材源和目標(biāo)是卷時，呈現(xiàn)卷到卷原子層沉積方法?？梢詫⒁r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)下。襯底卷式基材可以是可彎曲的。襯底卷式基材可以是可卷繞的。襯底卷式基材可以是薄片，諸如金屬薄片。
[0011]在特定示例實施例中，襯底卷式基材從或者經(jīng)由第一受限空間(confined space)進入反應(yīng)空間。第一受限空間可以是超壓容積?？梢詮姆磻?yīng)空間將襯底卷式基材驅(qū)動到第二受限空間中。第二受限空間可以是超壓容積。其可以是與第一受限空間相同的容積或者另一容積。該一個或多個受限空間的目的可以簡單地在于防止前體蒸汽/反應(yīng)氣體經(jīng)由襯底卷式基材路線流至處理腔室外部。在卷到卷的情況下，卷可以存在或者不存在于受限空間中。反應(yīng)器可以形成生產(chǎn)線的一部分，該生產(chǎn)線具有除了 ALD反應(yīng)器(或者模塊)之外的處理單元。尤其是從而卷可以更遠地存在于一個或多個受限空間的外部在生產(chǎn)線的適當(dāng)位置處。
[0012]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0013]經(jīng)由在所述容積與反應(yīng)空間之間維持壓力差的狹縫，將襯底卷式基材從超壓容積輸入反應(yīng)空間中。
[0014]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))壓力是降低的壓力，但是其相較于在反應(yīng)空間中的壓力則是更高的壓力?？梢詫⒍栊詺怏w饋送入(feedin)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:
[0015]將惰性氣體饋送入超壓容積中。
[0016]在特定示例實施例中，狹縫(輸入狹縫)如此的很細，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。可以將超壓容積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部而操作。
[0017]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。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變?yōu)榧氶L的。
[0018]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。
[0019]ALD處理后的襯底卷式基材可以經(jīng)由第二狹縫(輸出狹縫)從反應(yīng)空間輸出。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)。相較于所提及的第一狹縫第二狹縫可以存在于反應(yīng)空間的另一側(cè)。
[0020]在特定示例實施例中，通過卷式基材的速度來控制所沉積的材料的厚度。在特定示例實施例中，通過控制單元來調(diào)節(jié)卷式基材的速度?？梢酝ㄟ^卷式基材的速度直接確定所沉積的材料的厚度?？梢詫⒕硎交倪B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，按照恒定的速度連續(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一個沉積周期，然后在周期結(jié)束時移動，然后停止達下一個周期，以此類推。因此，可以使襯底卷式基材在預(yù)定時刻間歇地移動。[0021 ] 在特定示例實施例中，該方法包括:
[0022]輸送惰性氣體到存在有第一和第二卷的一個或多個容積中。因此，在該一個/多個容積中的氣體可以由惰性氣體組成。惰性氣體可以從周圍容積輸送到所述一個或多個容積中。例如，可以將惰性氣體從真空腔室輸送到容納卷并且圍住實際的處理腔室的反應(yīng)空間中，該真空腔室又圍住反應(yīng)腔室。
[0023]在特定示例實施例中,在反應(yīng)空間中的前體蒸汽流動方向是沿著襯底卷式基材的移動方向。襯底卷式基材包括兩個表面和兩個邊緣。前體蒸汽可以沿著至少一個所述表面流動。
[0024]在特定示例實施例中，該方法包括:將前體蒸汽在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸入端處饋送入反應(yīng)空間中，并且在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸出端處布置氣體的排氣口(exhaust)?？梢詫⒌谝缓偷诙?另一)前體的前體蒸汽交替地導(dǎo)入反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸入端中。
[0025]在特定示例實施例中，在反應(yīng)空間中的前體蒸汽流動方向相較于襯底卷式基材的移動方向是橫向的。襯底卷式基材包括兩個表面和兩個邊緣。橫向前體蒸汽可以沿著至少一個所述表面。
[0026]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0027]將前體蒸汽在反應(yīng)空間的一側(cè)饋送入反應(yīng)空間中，并且在反應(yīng)空間的相對一側(cè)布置氣體的排氣口。
[0028]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0029]交替地將第一前體的前體蒸汽在反應(yīng)空間的第一側(cè)饋送入反應(yīng)空間中以及將第二(另一)前體的前體蒸汽在反應(yīng)空間的第一側(cè)或者第二(相對)側(cè)饋送入反應(yīng)空間中，以及在反應(yīng)空間的中間區(qū)域處或者在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸出端處布置氣體的排氣口。
[0030]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0031 ] 將第一和第二卷結(jié)合到反應(yīng)腔室蓋中。
[0032]原子層沉積反應(yīng)器可以是具有嵌套腔室的反應(yīng)器。在特定示例實施例中，反應(yīng)器包括第一腔室(真空腔室或者第一壓力容器)，該第一腔室圍住并且容納第二腔室(反應(yīng)腔室或者第二壓力容器)。反應(yīng)腔室容納第一和第二卷，并且在反應(yīng)腔室內(nèi)可以形成提供所述反應(yīng)空間的第三腔室(處理腔室)。在特定示例實施例中，將處理腔室結(jié)合到反應(yīng)腔室蓋中。
[0033]可以從反應(yīng)器/反應(yīng)腔室的頂部裝載和卸載反應(yīng)器。在特定示例實施例中，將反應(yīng)腔室蓋(其可以是還向真空腔室提供蓋的雙蓋系統(tǒng))升高到上部位置以便裝載。將第一卷和第二卷附接至蓋。將蓋降低，從而使反應(yīng)腔室(和真空腔室)關(guān)閉?？梢越?jīng)由反應(yīng)腔室蓋進行將氣體從前體/惰性氣體源饋送入反應(yīng)空間中。
[0034]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0035]驅(qū)動所述襯底卷式基材徑直地通過所述反應(yīng)空間。
[0036]在其他實施例中，可以將卷式基材布置為在反應(yīng)空間內(nèi)沿著更長的軌跡以能實現(xiàn)更大的容量(capacity)。
[0037]在特定示例實施例中，該方法包括:
[0038]使用窄的處理腔室，即在其側(cè)向方向上，與襯底卷式基材同寬。
[0039]尤其是，在處理腔室并非基本上寬于襯底卷式基材時，可以將材料沉積在襯底卷式基材的單側(cè)上，這是由于襯底本身防止了氣體流到卷式基材的其他側(cè)上。襯底卷式基材、所述一個或多個狹縫、和處理腔室，可以全部基本上寬度相等?；镜?，襯底卷式基材接近(在期望材料生長的方向上)處理腔室壁地行進的實施例非常適合單側(cè)沉積，而襯底在處理腔室/反應(yīng)空間的中心區(qū)域中行進的實施例非常適合雙側(cè)沉積。
[0040]在特定示例實施例中，該方法包括:將惰性氣體饋送入在襯底卷式基材的背側(cè)與處理腔室壁之間的空間中以形成掩蔽容積(shielding volume)。掩蔽容積形成為防止在襯底卷式基材的背側(cè)上的沉積，由此,背側(cè)是襯底卷式基材的不會被涂覆(coat)的表面。
[0041]在特定示例實施例中，反應(yīng)器包括用于襯底卷式基材的兩個表面的單獨存在的前體蒸汽進料開口。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的第二示例方面，提供了一種設(shè)備，包括:
[0043]驅(qū)動單元，其配置用于將襯底卷式基材驅(qū)動到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；以及
[0044]前體蒸汽饋送部分，其配置為使反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上。
[0045]該設(shè)備可以是原子層沉積(ALD)反應(yīng)器。ALD反應(yīng)器可以是獨立設(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(biāo))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(biāo))卷的第二驅(qū)動器。驅(qū)動單元可以配置為按照期望的速度使一個或多個卷轉(zhuǎn)動。
[0046]在特定示例實施例中，前體蒸汽饋送部分包括多個噴頭，這些噴頭布置在反應(yīng)空間內(nèi)以將前體蒸汽傳送到反應(yīng)空間中。在特定示例實施例中，反應(yīng)腔室蓋形成前體蒸汽饋送部分。
[0047]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0048]輸入狹縫，其用于將襯底卷式基材從超壓容積輸入反應(yīng)空間中。
[0049]在特定示例實施例中，狹縫用于在所述容積與反應(yīng)空間之間維持壓力差。在特定示例實施例中，該設(shè)備包括形成所述狹縫的收縮板。
[0050]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0051]通道，配置為輸送惰性氣體到超壓容積中。
[0052]在特定示例實施例中，所述通道經(jīng)由反應(yīng)腔室壁或者蓋從真空腔室進入反應(yīng)腔室中。
[0053]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0054]在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸入端處的前體蒸汽進料開口、和在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸出端處的排氣口。
[0055]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0056]在反應(yīng)空間的一側(cè)的前體蒸汽的一個或多個進料開口、或者多個開口和在反應(yīng)空間的相對側(cè)的排氣口。
[0057]設(shè)備可以在其縱向方向上在反應(yīng)空間的一側(cè)基本上，遍及反應(yīng)空間地具有前體蒸汽的一個或多個進料開口。
[0058]反應(yīng)空間的方向可以如下定義:襯底卷式基材移動的方向、期望的材料生長的方向(垂直于襯底卷式基材移動方向的方向)；和橫向方向(同時垂直于襯底卷式基材移動的方向和期望的材料生長的方向的方向)。反應(yīng)空間的所述縱向方向指平行于襯底卷式基材移動方向的方向。
[0059]在特定示例實施例中，該設(shè)備包括:
[0060]配置為接收所述第一和第二卷的反應(yīng)腔室蓋。
[0061]在示例實施例中，反應(yīng)腔室蓋包括卷保持器，該卷保持器結(jié)合至該反應(yīng)腔室蓋并且用于接收第一和第二卷。
[0062]在特定示例實施例中，反應(yīng)腔室蓋包括第一和第二卷可以附接的附接件或者附接機構(gòu)。在降下蓋之前，可以將襯底卷式基材的起始部分拉過處理腔室到第二卷上。
[0063]在特定示例實施例中，設(shè)備包括:
[0064]窄處理腔室，即，其在其橫向方向上與輸入狹縫同寬。所述側(cè)向方向指所述橫向方向。設(shè)備可以進一步包括控制單元，該控制單元配置用于控制反應(yīng)器的操作，諸如對前體脈沖和吹掃時期進行定時?？刂茊卧€可以控制驅(qū)動單元的操作。在特定示例實施例中，控制單元調(diào)節(jié)襯底卷式基材的速度以控制期望材料生長的厚度。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的第三示例方面，提供了一種設(shè)備，其包括:
[0066]用于驅(qū)動襯底卷式基材到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中的裝置；以及
[0067]使反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上的裝置。
[0068]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)明的特定示例方面來呈現(xiàn)一些實施例。應(yīng)該理解，對應(yīng)的實施例也可以應(yīng)用到其他示例方面。可以形成實施例的任何適合的組合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0069]現(xiàn)在將參考附圖，僅僅以示例的方式對本發(fā)明進行描述，在圖中:
[0070]圖1示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器在裝載階段中的側(cè)視圖；
[0071]圖2示出了根據(jù)示例實施例的圖1的在吹掃步驟期間正在操作的沉積反應(yīng)器；
[0072]圖3示出了根據(jù)示例實施例的圖1的在前體暴露時期期間正在操作的沉積反應(yīng)器；
[0073]圖4示出了根據(jù)示例實施例的圖1的沉積反應(yīng)器的薄處理腔室的頂視圖和在輸入狹縫處的截面。
[0074]圖5示出了根據(jù)示例實施例的在ALD處理已經(jīng)完成之后的圖1的沉積反應(yīng)器；
[0075]圖6示出了根據(jù)示例實施例的單個驅(qū)動系統(tǒng)；
[0076]圖7示出了根據(jù)另一示例實施例的沉積反應(yīng)器在裝載階段中的側(cè)視圖；
[0077]圖8示出了根據(jù)示例實施例的圖7的在前體暴露時期期間在操作中的沉積反應(yīng)器；
[0078]圖9示出了根據(jù)通用示例實施例的沉積反應(yīng)器的側(cè)視圖；
[0079]圖10示出了根據(jù)示例實施例的圖9的在前體暴露時期期間在操作中的沉積反應(yīng)器；
[0080]圖11示出了根據(jù)示例實施例的圖9的在圖7的前體暴露時期期間的沉積反應(yīng)器的頂視圖。
[0081]圖12示出了根據(jù)示例實施例的圖9的在另一前體暴露時期期間的沉積反應(yīng)器的操作；
[0082]圖13示出了根據(jù)示例實施例的具有收縮板的沉積反應(yīng)器；
[0083]圖14示出了根據(jù)示例實施例的作為在反應(yīng)空間范圍內(nèi)行進距離的函數(shù)的沉積材料厚度；
[0084]圖15示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器，其中在處理腔室的襯底卷式基材輸入端處饋送前體蒸汽；
[0085]圖16示出了根據(jù)示例實施例的圖15的沉積反應(yīng)器類型的頂視圖；
[0086]圖17示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器，其中在處理腔室的側(cè)部饋送前體蒸汽；
[0087]圖18示出了根據(jù)示例實施例的圖17的沉積反應(yīng)器類型的頂視圖；
[0088]圖19示出了根據(jù)示例實施例的替代構(gòu)造；
[0089]圖20示出了根據(jù)又一示例實施例的沉積反應(yīng)器的頂視圖；
[0090]圖21示出了根據(jù)示例實施例的用于同時沉積多個卷的沉積反應(yīng)器的頂視圖；
[0091]圖22示出了根據(jù)示例實施例的薄反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；
[0092]圖23示出了根據(jù)示例實施例的用于沉積多個卷的薄反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；
[0093]圖24示出了根據(jù)示例實施例的雙側(cè)涂覆；
[0094]圖25示出了根據(jù)示例實施例的單側(cè)涂覆的具體細節(jié)；以及
[0095]圖26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】
[0096]在下面的說明中，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(xué)沉積方法。該襯底，或者在這種情況下是移動襯底卷式基材，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(xué)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(xué)吸附并且消除物理吸附。在化學(xué)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(xué)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。
[0097]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，諸如氮或者氬，和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。
[0098]在典型的ALD工藝中，前體物種通過化學(xué)吸附來形成到所加熱表面的反應(yīng)部位(reactive site)的化學(xué)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(xué)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基本上完整(essentially intact)地化學(xué)吸附在襯底上?！盎旧贤暾敝福?dāng)前體分子物種化學(xué)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)榛旧巷柡统錆M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(xué)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)空間去除過多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反應(yīng)空間中。第二前體分子通常與第一前體分子的吸附物種反應(yīng)，從而形成期望的薄膜或者涂覆層。一旦所有的被吸附第一前體量已經(jīng)耗盡，該生長會終止，并且表面已經(jīng)基本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)該周期直到膜或者涂覆層已經(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者更多個的反應(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。
[0099]圖1示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器在裝載階段中的側(cè)視圖。該沉積反應(yīng)器包括一個或多個真空腔室壁111，以形成真空腔室110。真空腔室110是壓力容器。其可以是圓柱或者是任何其他合適的形狀的形式。真空腔室110容納反應(yīng)腔室120，該反應(yīng)腔室120是另一壓力容器。反應(yīng)腔室120是圓柱或者是任何其他合適的形狀的形式。真空腔室110通過真空腔室蓋101關(guān)閉。在示例實施例中，真空腔室蓋101結(jié)合至如圖1所示的反應(yīng)腔室蓋102，從而形成蓋系統(tǒng)(此處是雙蓋系統(tǒng))。包括處理腔室壁131的處理腔室130已經(jīng)通過一個或多個緊固件185附接至反應(yīng)腔室蓋102。在反應(yīng)腔室蓋102與真空腔室蓋101之間，蓋系統(tǒng)包括熱反射器171。
[0100]襯底卷式基材150的第一(源)卷151附接至第一卷軸143。卷軸(或者卷151)可以通過附接至卷軸143的第一驅(qū)動器141轉(zhuǎn)動。驅(qū)動器141位于真空腔室110外部。其通過緊固件147附接至蓋系統(tǒng)。在蓋系統(tǒng)中(在真空腔室蓋101和在反應(yīng)腔室蓋102兩者之中)存在一個導(dǎo)通部(lead-through),卷軸143經(jīng)由該導(dǎo)通部進入反應(yīng)腔室120中。在反應(yīng)腔室120的底部中，存在用于將卷軸143附接至反應(yīng)腔室120的附接件145。卷151可以通過適當(dāng)?shù)母浇蛹?06附接至卷軸143。卷軸143和附接件106形成卷保持器(holder)。
[0101]第二(目標(biāo))卷152附接至第二卷軸144。卷軸(或者卷152)可以通過附接至卷軸144的第二驅(qū)動器142轉(zhuǎn)動。驅(qū)動器142位于真空腔室110外部。其通過緊固件148附接至蓋系統(tǒng)。在蓋系統(tǒng)中(在真空腔室蓋101和在反應(yīng)腔室蓋102兩者之中)存在導(dǎo)通部，卷軸144經(jīng)由該導(dǎo)通部進入反應(yīng)腔室120中。在反應(yīng)腔室120的底部中，存在用于將卷軸144附接至反應(yīng)腔室120的附接件146。相似地，如卷151，卷152可以通過適當(dāng)?shù)母浇蛹?07附接至卷軸。因此，卷軸144和附接件107形成另一卷保持器。
[0102]在真空腔室110中，圍繞反應(yīng)腔室120(或者，在某些實施例中，在反應(yīng)腔室120中圍繞處理腔室130)，沉積反應(yīng)器包括加熱器175用于對形成在處理腔室130內(nèi)的反應(yīng)空間進行加熱。在側(cè)部，在真空腔室壁111與反應(yīng)腔室壁121之間，真空腔室110包括熱反射器172。
[0103]沉積反應(yīng)器包括附接至反應(yīng)腔室頂部法蘭103的上接口法蘭104。密封件181放置在真空腔室蓋101與上接口法蘭104之間，以密封該真空腔室110的頂部。反應(yīng)腔室120包括反應(yīng)腔室頂部法蘭105。在降低蓋系統(tǒng)時，反應(yīng)腔室蓋102設(shè)置在反應(yīng)腔室頂部法蘭105上，從而關(guān)閉反應(yīng)腔室120。
[0104]沉積反應(yīng)器進一步包括真空泵160和排氣管線161，該排氣管線161在操作期間從處理腔室130流體連通至真空泵160。
[0105]沉積反應(yīng)器在其上部位置中裝載有蓋系統(tǒng)。具有可彎曲或者可卷繞襯底的卷式基材的源卷151附接到卷軸143中。使襯底卷式基材150的第一端通過處理腔室被帶至目標(biāo)卷152并且與其附接。隨后，將蓋系統(tǒng)降低以關(guān)閉腔室。在實施例中，處理腔室130在底部包括突出(protruding)通道。突出通道通過在反應(yīng)腔室120中的開口并且形成排氣管線161的起始部分，當(dāng)蓋系統(tǒng)已經(jīng)降低時，如圖2所表示的。
[0106]此外，圖2示出了根據(jù)示例實施例的圖1的沉積反應(yīng)器在吹掃步驟期間的操作。襯底卷式基材150經(jīng)由布置到處理腔室壁131中的狹縫291進入處理腔室(反應(yīng)空間)130。惰性氣體經(jīng)由反應(yīng)腔室蓋102流入處理腔室130中。其從入口 135流到膨脹容積(expans1nvolume) 136中。氣體在膨脹容積136內(nèi)散開，并且通過流體分配器137 (諸如，多孔板或者網(wǎng))流入處理腔室130的反應(yīng)空間中。惰性氣體吹掃襯底卷式基材表面,并且作為自上而下的流而流入排氣管線161中，并且最后流至真空泵160。襯底卷式基材150經(jīng)由布置到處理腔室壁131中的狹縫292從反應(yīng)空間130輸出。輸出的襯底卷式基材繞著目標(biāo)卷152卷起。
[0107]反應(yīng)腔室120具有至真空腔室110的至少一個開口。在圖2中示出的示例實施例中，第一開口 201布置在導(dǎo)通部處，在該導(dǎo)通部處，卷軸143穿過反應(yīng)腔室蓋102。存在惰性氣體進入真空腔室(在反應(yīng)腔室120外部)的入口。該惰性氣體從中間空間215(在真空腔室與反應(yīng)腔室之間)流過開口 201流至反應(yīng)腔室120，進入存在有卷151和152的受限空間中。該流動由箭頭211表不。相似地，第二開口 202布置在導(dǎo)通部處,在該導(dǎo)通部處，卷軸144穿過反應(yīng)腔室蓋102。惰性氣體從中間空間215流至反應(yīng)腔室120，進入存在有卷151和152的受限空間中。該流動由箭頭212表示。
[0108]狹縫291和292用作在處理腔室130的維持反應(yīng)空間與周圍容積(諸如，存在有卷151和152的受限空間)之間的壓力差的節(jié)流閥。在受限空間內(nèi)的壓力高于在反應(yīng)空間內(nèi)的壓力。作為示例，在反應(yīng)空間內(nèi)的壓力可以是lmbar，而在受限空間內(nèi)的壓力是例如5mbar。壓力差形成防止流體從反應(yīng)空間流入受限空間的屏障。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫291和292從受限空間流向反應(yīng)空間)的流動是可以的。因此，關(guān)于從入口 135 (以及，在前體蒸汽脈沖時期期間的前體蒸汽)流動的惰性氣體,該流動實際上幾乎(practically)僅僅朝向(see)真空泵160。在圖2中，從反應(yīng)腔室(受限空間)至反應(yīng)空間的流動通過箭頭221和222表示。
[0109]圖3示出了根據(jù)示例實施例的圖1的沉積反應(yīng)器在前體暴露時期期間的操作。第一前體的前體蒸汽經(jīng)由反應(yīng)腔室蓋102流入處理腔室130中。其從入口 135流入膨脹容積136中。氣體在膨脹容積136內(nèi)散開，并且通過流體分配器137流入處理腔室130的反應(yīng)空間中。根據(jù)ALD生長機制,前體蒸汽在襯底卷式基材表面上與反應(yīng)部位(reactive site)反應(yīng)。
[0110]如之前所提及的，在反應(yīng)空間與卷151和152所在的受限空間之間的壓力差形成防止流體從反應(yīng)空間流入受限空間的屏障。因此，前體蒸汽基本上不會進入卷151和152所在的空間。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫291和292從受限空間流向反應(yīng)空間)的流動是可以的。
[0111]惰性氣體、氣體反應(yīng)副產(chǎn)品(如果存在)和殘留的反應(yīng)劑分子(如果存在)流入排氣管線161中，并且最后流至真空泵160。
[0112]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暴露時期(脈沖A)、隨后的第一吹掃步驟(吹掃A)、隨后的第二前體暴露時期(脈沖B)、隨后的第二吹掃步驟(吹掃B)組成。生長材料的厚度由卷式基材的速度確定。襯底卷式基材由驅(qū)動器141和142驅(qū)動。在單個沉積周期期間，襯底卷式基材移動特定距離d。如果反應(yīng)空間的總長度為D，那么沉積在襯底卷式基材上的層數(shù)基本上成為D/d。當(dāng)已經(jīng)被處理了襯底卷式基材的期望長度時，蓋系統(tǒng)升高并且從反應(yīng)器卸載經(jīng)沉積的卷。圖5示出了在沉積工藝中的結(jié)束狀態(tài),在該結(jié)束狀態(tài)中,源卷151已經(jīng)變?yōu)榭盏?而目標(biāo)卷152變?yōu)闈M載有所沉積的涂覆層。
[0113]圖4的上圖示出了示例實施例中的處理腔室130的頂視圖。處理腔室130是薄處理腔室，其中所述狹縫291和292布置到處理腔室壁131中。移動的襯底卷式基材150經(jīng)由狹縫291輸入(窄)反應(yīng)空間中，并且經(jīng)由狹縫292輸出。從反應(yīng)空間至反應(yīng)空間外部的前體蒸汽流首先被狹縫的狹窄性所阻止，然后被所維持的壓力差所阻止。
[0114]圖4的下圖示出了根據(jù)示例實施例的處理腔室130在輸入狹縫291處(線b)的截面。在狹縫的縱向方向上，襯底卷式基材150與狹縫291的長度基本上匹配(襯底卷式基材150與狹縫291的長度一樣)。
[0115]在特定示例實施例中，驅(qū)動器141和142在整個沉積序列期間按照相同的方向轉(zhuǎn)動卷151和152。在這些示例實施例中，實際上具有一個驅(qū)動器便以足夠，即第二驅(qū)動器142。在特定的其他示例實施例中，卷151和152的滾動方向在沉積序列的中間發(fā)生改變。在這些實施例中，在沉積序列結(jié)束時，第一卷151裝滿，而第二卷152變空。
[0116]圖6示出了根據(jù)示例實施例的單驅(qū)動器系統(tǒng)。襯底卷式基材由驅(qū)動器142驅(qū)動。卷軸643(基本上與在圖1中的卷軸143相對應(yīng))附接至緊固件147。另外的，關(guān)于圖6的實施例的結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考圖1至圖5及其說明。
[0117]圖7示出了根據(jù)另一示例實施例的沉積反應(yīng)器在裝載階段中的側(cè)視圖，而圖8示出了根據(jù)示例實施例的圖7的沉積反應(yīng)器在前體暴露時期期間的操作。關(guān)于圖7和圖8的實施例的基本結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考之前參考圖1至圖6所描述的實施例及其相關(guān)說明。
[0118]在圖7和圖8中示出的實施例中，驅(qū)動器714位于真空腔室下方。驅(qū)動器741的驅(qū)動機構(gòu)742通過真空腔室和反應(yīng)腔室的導(dǎo)通部，穿過真空腔室壁711和反應(yīng)腔室壁721，進入反應(yīng)腔室中。端部744或者第二卷軸適配到驅(qū)動機構(gòu)742的配對部(counterpart) 746中。
[0119]第一前體進料管線771通過真空腔室導(dǎo)通部772穿過真空腔室壁711。以及，第二前體進料管線781通過真空腔室導(dǎo)通部782穿過真空腔室壁711。真空腔室蓋701通過連接部791結(jié)合至反應(yīng)腔室蓋702。第一和第二前體進料管線771和781穿過反應(yīng)腔室頂部法蘭705，并且延續(xù)進入反應(yīng)腔室蓋702內(nèi)部，如附圖標(biāo)記773和783所表示的。進料管線771和781朝處理腔室730開口。
[0120]第二前體在第二前體暴露時期期間的路線，如圖8所示，是經(jīng)由第二前體進料管線781進入處理腔室730的反應(yīng)空間中。經(jīng)由第一前體進料管線771進入處理腔室中，僅僅維持一種惰性氣體。由于如上面所描述的在襯底卷式基材輸入和輸出狹縫處形成有屏障，所以，氣體流出反應(yīng)空間的路線是到真空泵760的路線。
[0121]圖9示出了根據(jù)另一示例實施例的沉積反應(yīng)器的側(cè)視圖。沉積反應(yīng)器包括第一前體源913，例如，TMA(三甲基鋁)源，和第二前體源914，例如，H20(水)源。在本實施例和其他實施例中，水源可以由臭氧源代替。第一脈沖閥923控制第一前體的前體蒸汽流入第一前體進料管線943的流。第二脈沖閥924控制第二前體的前體蒸汽流入第二前體進料管線944的流。
[0122]沉積反應(yīng)器進一步包括第一惰性氣體源903。例如，在許多實施例中可以將氮氣隊用作惰性氣體。第一惰性氣體源903與第一前體進料管線943流體連通。第一惰性氣體源903進一步與包含第一卷芯963的受限空間920a流體連通，該第一卷芯963具有卷在其上的可彎曲襯底卷式基材以形成第一(源)襯底卷式基材卷953。
[0123]沉積反應(yīng)器進一步包括第二惰性氣體源904。然而，在一些示例實施例中惰性氣體源903和904可以實施為單個源。第二惰性氣體源904與第二前體進料管線944流體連通。第二惰性氣體源904進一步與包含第二卷芯964的受限空間920b流體連通，該第二卷芯964具有卷在其上的可彎曲的襯底卷式基材以形成第二(目標(biāo))襯底卷式基材卷954。
[0124]沉積反應(yīng)器進一步包括處理腔室，該處理腔室提供了長度為a的反應(yīng)空間930。進料管線943和944進入處理腔室并且在處理腔室中延續(xù)分別作為噴頭通道973和974。在圖9的示例實施例中，噴頭通道973和974為水平通道。噴頭通道973和974從處理腔室(或者反應(yīng)空間)的一端到達其另一端。噴頭通道973和974在其長度上分別具有孔983和984，這些孔用作進料氣體(諸如，前體蒸汽和/或者惰性氣體)用的噴頭。
[0125]沉積反應(yīng)器進一步包括真空泵960和排氣管線961，該排氣管線961在操作期間從處理空間930流體連通至真空泵960。
[0126]此外，圖9示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器在吹掃步驟期間的操作。襯底卷式基材950經(jīng)由布置在受限空間920a與反應(yīng)空間930之間的狹縫或者窄通道993進入處理腔室(反應(yīng)腔室930)。脈沖閥923和924關(guān)閉。惰性氣體經(jīng)由進料管線943和944流入處理腔室中，并且經(jīng)由孔983和984流入反應(yīng)腔室930中。惰性氣體吹掃襯底卷式基材950的表面，并且作為水平流流到排氣管線961中，最后流至真空泵960。襯底卷式基材950經(jīng)由布置在受限空間920b與反應(yīng)空間930之間的狹縫或者窄通道994，從反應(yīng)空間930輸出。輸出的襯底卷式基材繞著第二卷芯964卷起以形成目標(biāo)卷954。
[0127]狹縫993和994用作在反應(yīng)空間930與卷953和954所在的受限空間之間維持壓力差的節(jié)流閥。惰性氣體分別經(jīng)由受限空間進料通道933和934流入受限空間920a和920b中。在一個或多個受限空間920a和920b內(nèi)的壓力高于在反應(yīng)空間930內(nèi)的壓力。作為示例，在反應(yīng)空間930內(nèi)的壓力可以是lmbar，而在一個或多個受限空間920a和920b內(nèi)的壓力例如是5mbar。壓力差形成防止流體從反應(yīng)空間930流入一個或多個受限空間920a和920b中的屏障。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫993和994從一個或多個受限空間920a和920b流向反應(yīng)空間930)的流動是可能的。因此，關(guān)于經(jīng)由噴頭983和984流動的惰性氣體(以及，在前體蒸汽脈沖時期期間的前體蒸汽)，這些流動幾乎僅僅朝向真空腔室960。
[0128]襯底卷式基材950的軌跡可以布置為靠近處理腔室壁931。如果襯底卷式基材在側(cè)向方向上，基本上同反應(yīng)空間或者處理腔室930 —樣寬并且襯底卷式基材針對所用的前體是不可滲透的，那么取決于實施方式，可以將材料沉積在襯底卷式基材的單側(cè)(下側(cè))上。
[0129]圖10示出了根據(jù)示例實施例的圖9的沉積反應(yīng)器在前體暴露時期期間的操作。脈沖閥924被打開。H2O前體的前體蒸汽經(jīng)由進料管線944流入處理腔室中，并且經(jīng)由孔984流入反應(yīng)空間930中。前體蒸汽充滿反應(yīng)空間930，并且根據(jù)ALD生長機制與在襯底卷式基材表面上的反應(yīng)部位反應(yīng)。由于脈沖閥923關(guān)閉，所以僅僅惰性氣體經(jīng)由孔983流入反應(yīng)空間中。惰性氣體、氣體反應(yīng)副產(chǎn)品(如果存在)和殘留的反應(yīng)劑分子(如果存在)作為水平流流入排氣管線961中，并且最后流至真空泵960。
[0130]如在之前所提及的，在反應(yīng)空間930與卷953和954所在的一個或多個受限空間920a和920b之間的壓力差在狹縫993和994處形成屏障。按照該方式，防止前體蒸汽流從反應(yīng)空間930流入一個或多個受限空間920a和920b。然而，由于壓力差的影響，從其他方向(即，通過狹縫993和994從一個或多個受限空間920a和920b流向反應(yīng)空間)的流動是可以的。惰性氣體分別經(jīng)由進料通道933和934饋送入受限空間920a和920b中。壓力差通過由狹縫993和994引起的節(jié)流功能來維持。
[0131]圖11示出了根據(jù)示例實施例的圖9和圖10的沉積反應(yīng)器在H2O前體暴露時期期間的頂視圖。在圖11中可見門1141a和1141b，源卷和目標(biāo)卷953和954可以分別通過該門1141a和1141b裝載至沉積反應(yīng)器以及從沉積反應(yīng)器卸載。還可見的是卷953和954的相應(yīng)的卷軸1105a和1105b。沉積反應(yīng)器包括一個或者多個驅(qū)動器(在圖11中未示出)，該驅(qū)動器連接至卷軸1105a和/或者1105b以使卷953和954轉(zhuǎn)動。箭頭1104表示前體蒸汽從噴頭通道974流至收集通道962。收集通道的形式和所處地方取決于實施方式。在圖11中示出的實施例中，收集通道位于反應(yīng)空間的側(cè)部。在圖11中的收集通道962基本上延伸遍及反應(yīng)空間的總長度a。收集通道與通往真空泵960的排氣管線961流體連通。箭頭1103表示惰性氣體從噴頭通道973流至收集通道962并且從收集通道962流至排氣管線961。
[0132]圖12示出了根據(jù)示例實施例的圖9至圖11的沉積反應(yīng)器在其他前體的前體暴露時期期間的操作。脈沖閥923被打開。TMA前體的前體蒸汽經(jīng)由進料管線943流入處理腔室中，并且經(jīng)由孔983流入反應(yīng)空間930中。前體蒸汽充滿反應(yīng)空間930，并且根據(jù)ALD生長機制在襯底卷式基材表面上與反應(yīng)部位反應(yīng)。由于脈沖閥924關(guān)閉，所以僅僅惰性氣體經(jīng)由孔984流入反應(yīng)空間中。惰性氣體、氣體反應(yīng)副產(chǎn)品(如果存在)和殘留的反應(yīng)劑分子(如果存在)作為水平流流入排氣管線161中，并且最后流至真空泵960。
[0133]沉積序列由一個或多個連續(xù)的沉積周期形成，每個周期至少由第一前體暴露時期(脈沖A)、隨后的第一吹掃步驟(吹掃A)、隨后的第二前體暴露時期(脈沖B)、隨后的第二吹掃步驟(吹掃B)組成。在本文中，如果例如氧化鋁Al2O3是所沉積的材料，那么，TMA前體可以是第一前體(脈沖A)，而水前體可以是第二前體(脈沖B)。生長材料的厚度由卷式基材的速度確定。例如，反應(yīng)空間930的長度a可以是100cm。沉積周期可以由0.1s的TMA脈沖、0.3s的N2吹掃、0.1s的H2O脈沖、和0.5s的N2吹掃構(gòu)成。因此，總周期時期是Is。如果估計單層的Al2O3大約0.1nm,如下情況適用:
[0134]如果卷式基材的速度為Icm/周期(lcm/cycle),將會有100個周期；這將費時1.66min,并且將沉積1nm的Al2O3涂覆層。
[0135]如果卷式基材的速度為0.5cm/周期，將會有200個周期；這將費時3.33min，并且將沉積20nm的Al2O3涂覆層。
[0136]如果卷式基材的速度為0.1cm/周期，將會有1000個周期；這將費時16.66min，并且將沉積10nm的Al2O3涂覆層。
[0137]圖9至圖12是簡化圖，所以這些圖沒有示出例如沉積反應(yīng)器可以包含的任何加熱器以及其他通常的部件或者元件，并且對其的使用是已知的。
[0138]圖13示出了根據(jù)示例實施例的圖9至圖12的具有收縮板的沉積反應(yīng)器。如上面所提及的，襯底卷式基材經(jīng)由狹縫，輸入反應(yīng)空間中以及從反應(yīng)空間輸出。圖13的實施例示出了形成所述狹縫的收縮板。在圖13的實施例中，存在兩個收縮板1301a和1301b，這兩個收縮板彼此相鄰地放置在受限空間920a與反應(yīng)空間930之間的接口處。襯底卷式基材950剛好能夠適配從這些板之間通過。相似地，在反應(yīng)空間930與受限空間920a之間的接口處，存在另一對收縮板1302a和1302b。收縮板可以是平行板,從而使得在這些板(狹縫容積)之間的空間在卷式基材移動方向上成為細長的。
[0139]關(guān)于圖13的實施例的其他結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考之前參考圖9至圖12所描述的實施例及相關(guān)說明。
[0140]圖14粗略地示出了根據(jù)示例實施例的作為在反應(yīng)空間內(nèi)行進距離的函數(shù)的沉積材料的厚度。在該示例中，襯底卷式基材經(jīng)由由收縮板1301a、b形成的輸入狹縫，進入反應(yīng)空間，與圖13的實施例所示的相似。當(dāng)襯底卷式基材朝著由收縮板1301a、b形成的輸出狹縫行進時，所沉積的材料的厚度逐漸生長，如圖14中的曲線和不同顏色所示。如果卷式基材的平均速度是Icm/周期并且反應(yīng)空間的長度是100cm，在該示例中，最后的厚度是10nm。圖14中的生長曲線指示，襯底卷式基材在每10個周期中已經(jīng)移動了 10cm。然而，在其他實施例中，可以在每個周期完成之后移動襯底卷式基材。或者，襯底卷式基材的移動可以是連續(xù)的移動。
[0141]可以利用噴頭通道也可以不利用噴頭通道，將前體蒸汽從反應(yīng)空間的一側(cè)或者兩側(cè)饋送入反應(yīng)空間中。在替代實施例中，可以通過一個或多個進料頭(in-feed head)從反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸入端饋送入前體蒸汽，或者作為替代方案，從反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸入端和輸出端同時饋送入前體蒸汽。取決于實施例，排氣管線和可能的收集通道可以方便地布置在反應(yīng)空間的不同于進料口(in-feed)的另一側(cè)、布置在反應(yīng)空間的襯底卷式基材輸出端處、或者布置在反應(yīng)空間的中間區(qū)域處。
[0142]圖15示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器，其中在處理腔室的襯底卷式基材輸入端處饋送入前體蒸汽。反應(yīng)器包括提供反應(yīng)空間1530的處理腔室。源卷1553存在于第一受限空間1520a中，而目標(biāo)卷1554存在于第二受限空間1520b中。
[0143]第一脈沖閥1523控制來自第一前體源1513的第一前體的前體蒸汽的流，而第二脈沖閥1524控制來自第二前體源1514的第二前體的前體蒸汽的流。第一惰性氣體源1503與包含第一(源)襯底卷式基材卷1553的受限空間1520a流體連通。第二惰性氣體源1504與將包含第二(目標(biāo))襯底卷式基材卷1554的受限空間1520b流體連通。然而，在一些示例實施例中惰性氣體源1503和1504可以實施為單個源，并且它們還可以與前體蒸汽進料管線流體連通。
[0144]經(jīng)由在反應(yīng)空間1530的襯底卷式基材輸入端處的輸入狹縫1593將襯底卷式基材1550從源卷1553驅(qū)動到反應(yīng)空間1530中。襯底卷式基材的軌跡沿著處理腔室的上壁。然而，其他路線和構(gòu)造也是可能的。ALD沉積發(fā)生在反應(yīng)空間1530中。經(jīng)由在反應(yīng)空間1530的襯底卷式基材輸出端處的輸出狹縫1594將襯底卷式基材從反應(yīng)空間1530驅(qū)動到目標(biāo)卷1554 上。
[0145]第一和第二受限空間1520a、b相較于在反應(yīng)空間1530中的壓力是超壓容積。超壓通過狹縫1593和1594以及通過將惰性氣體從一個或多個惰性氣體源1503和1504饋送入超壓容積中來維持。
[0146]在第二前體暴露時期期間，第二前體的前體蒸汽在襯底卷式基材輸入端處饋送入反應(yīng)空間中，如圖15所表示。前體蒸汽通過進料頭1601饋送,如圖16更好地表示,其中，圖16示出了根據(jù)示例實施例的圖15的沉積反應(yīng)器類型在第二前體蒸汽暴露時期期間的頂視圖。進料頭1601可以基本上延伸遍及反應(yīng)空間1530的總寬度。在第一前體暴露時期期間，第一前體的前體蒸汽在襯底卷式基材輸入端處通過對應(yīng)的進料頭1602饋送。然而，在第二前體暴露時期期間，僅僅惰性氣體從進料頭1602引導(dǎo)到反應(yīng)空間1530中。在第二前體暴露時期期間，第二前體的前體蒸汽在襯底卷式基材移動方向上沿著襯底卷式基材表面,流入在反應(yīng)空間1530的襯底卷式基材輸出端處的排氣管線1561中。相似地，惰性氣體從進料頭1602(如箭頭1612所示)沿著襯底卷式基材移動方向流入在反應(yīng)空間1530的襯底卷式基材輸出端處的排氣管線1561中。在特定示例實施例中，沉積反應(yīng)器包括在反應(yīng)空間1530的襯底卷式基材輸出端處的收集通道1662。在圖16中的收集通道1662基本上延伸遍及反應(yīng)空間1530的總寬度。收集通道1662與通往真空泵1560的排氣管線1561流體連通，并且其收集從反應(yīng)空間1530排出的氣體，將這些氣體引入排氣管線1561中并且最后引至真空泵1560。
[0147]圖16還示出了在沉積反應(yīng)器的相對端處的門1141a和1141b，源卷和目標(biāo)卷1553、1554可以經(jīng)由門1141a和1141b而被裝載和卸載。
[0148]圖17示出了根據(jù)示例實施例的沉積反應(yīng)器，其中在處理腔室的側(cè)部饋送入前體蒸汽。反應(yīng)器包括提供反應(yīng)空間1730的處理腔室。源卷1753存在于第一受限空間1720a中，而目標(biāo)卷1754存在于第二受限空間1720b中。
[0149]第一脈沖閥1723控制來自第一前體源1713的第一前體的前體蒸汽的流，而第二脈沖閥1724控制來自第二前體源1714的第二前體的前體蒸汽的流。第一惰性氣體源1703a與包含第一(源)襯底卷式基材卷1753的受限空間1720a流體連通，以及與來自第一前體源1713的進料管線流體連通。第二惰性氣體源1703b與受限空間1720a流體連通，以及與來自第二前體源1714的進料口管線流體連通。第三惰性氣體源1704與將包含第二(目標(biāo))襯底卷式基材卷1754的受限空間1720b流體連通。然而，在一些示例實施例中，惰性氣體源1703a和b、或者1703a和b以及1704可以實施為單個源。
[0150]經(jīng)由在反應(yīng)空間1730的襯底卷式基材輸入端處的輸入狹縫1793，將襯底卷式基材1750從源卷1753驅(qū)動到反應(yīng)空間1730中。襯底卷式基材的軌跡沿著處理腔室的下壁。然而，其他路線和構(gòu)造也是可以的。ALD沉積發(fā)生在反應(yīng)空間1730中。經(jīng)由在反應(yīng)空間1730的襯底卷式基材輸出端處的輸出狹縫1794，將襯底卷式基材從反應(yīng)空間1730驅(qū)動到目標(biāo)卷1754上。
[0151]第一和第二受限空間1720a、b相較于在反應(yīng)空間1730中的壓力是超壓容積。超壓通過狹縫1793和1794以及通過將惰性氣體從一個或多個惰性氣體源1703a、b和1704饋送入超壓容積中來維持。
[0152]第一前體的前體蒸汽從反應(yīng)空間1730的一側(cè)饋送入反應(yīng)空間1730中。前體蒸汽經(jīng)由噴頭通道1873來饋送，如圖18更好地標(biāo)示，其中，圖18示出了根據(jù)示例實施例的圖17的沉積反應(yīng)器類型在第一前體蒸汽暴露時期期間的頂視圖。噴頭通道1873可以基本上延伸遍及反應(yīng)空間1730的總長度。在第二前體暴露時期期間，第二前體的前體蒸汽從反應(yīng)空間1730的相對側(cè)通過對應(yīng)的噴頭通道1874來饋送。然而，在第一前體暴露時期期間，僅僅惰性氣體從噴頭通道1874引入反應(yīng)空間1730中。在第一前體暴露時期期間，第一前體的前體蒸汽(如箭頭1703所示)沿著襯底卷式基材表面流動，首先在橫向方向上，但是之后該流動方向轉(zhuǎn)向在反應(yīng)空間1730的襯底卷式基材輸出端處的收集通道1762，被真空泵1760抽出。相似地，惰性氣體從噴頭通道1874(如箭頭1704所示)沿著襯底卷式基材表面流動，首先在橫向方向上，但是之后該流動方向轉(zhuǎn)向收集通道1762。在圖18中的收集通道1762基本上延伸遍及反應(yīng)空間1730的總寬度。收集通道1762與通往真空泵1760的排氣管線1761流體連通，并且其收集從反應(yīng)空間1730排出的氣體，將這些氣體引入排氣管線1761中并且最后引至真空泵1760。
[0153]圖18還示出了在沉積反應(yīng)器的相對端處的門1141a和1141b，源卷和目標(biāo)卷1753、1754可以經(jīng)由門1141a和1141b而被裝載和卸載。
[0154]如之前所提及的，沉積反應(yīng)器可以是獨立設(shè)備，或者其可以形成生產(chǎn)線的一部分。圖19示出了作為生產(chǎn)線的一部分的沉積反應(yīng)器。
[0155]沉積反應(yīng)器的第一脈沖閥1923控制來自第一前體源1913的第一前體的前體蒸汽的流，而第二脈沖閥1924控制來自第二前體源1914的第二前體的前體蒸汽的流。第一惰性氣體源1903與受限空間1920a流體連通。第二惰性氣體源1904與受限空間1920b流體連通。然而，在一些示例實施例中，惰性氣體1903和1904可以實施為單個源，并且惰性氣體1903和1904還可以與前體蒸汽進料管線流體連通。
[0156]襯底卷式基材1950經(jīng)由第一受限空間1920a和在反應(yīng)器的襯底卷式基材輸入側(cè)的輸入狹縫1993，從先前的處理階段進入沉積反應(yīng)器的處理腔室1930。ALD沉積發(fā)生在反應(yīng)空間1930中。襯底卷式基材經(jīng)由輸出狹縫1994并且經(jīng)由在反應(yīng)器的襯底卷式基材輸出側(cè)處的第二受限空間1920b，從反應(yīng)空間1530引導(dǎo)至生產(chǎn)線的下一處理階段。
[0157]第一和第二受限空間1920a、b相較于在反應(yīng)空間1930中的壓力是超壓容積。該超壓通過狹縫1993和1994以及通過將惰性氣體從一個或多個惰性氣體源1903和1904饋送入超壓容積中來維持。
[0158]將前體蒸汽饋送入反應(yīng)空間1930中，以及經(jīng)由排氣管線1961將氣體從反應(yīng)空間1930排空至真空泵1960，可以與結(jié)合在圖15和圖16中示出的實施例及相關(guān)說明所描述的相似地進行。
[0159]在又一實施例中，可以省略超壓容積。襯底卷式基材1950可以在不通過任何第一受限空間1920a的情況下進入處理腔室1930。如果生產(chǎn)工藝需要，在本實施例中，處理腔室的入口和處理腔室的出口簡單地應(yīng)該具有合適的尺寸或者密封便足夠地緊(tight)。
[0160]圖20示出了根據(jù)又一示例實施例的沉積反應(yīng)器的頂視圖。沉積反應(yīng)器包括第一和第二惰性氣體源2003和2004、和第一和第二前體源2013和2014、以及第一和第二脈沖閥2023和2024。惰性氣體源2003和2004與存在有卷2053和2054的受限空間(超壓容積)2020a和2020b流體連通。這些卷可以通過門2041a和2041b而裝載和卸載。襯底卷式基材2050經(jīng)由處理腔室2030和狹縫2093和2094(此處:具有收縮板)，從卷到卷地驅(qū)動，并且在處理腔室2030中同時進行ALD處理。因此，關(guān)于圖20的實施例的基本結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考如上所描述的在先實施例。與在先實施例的不同之處在于，在反應(yīng)空間內(nèi)的噴頭通道(經(jīng)由該噴頭通道來饋送入前體蒸汽)。配置用于饋送第一前體的前體蒸汽的第一噴頭通道，在期望的材料生長的方向上在處理腔室2030內(nèi)行進。第一噴頭通道在襯底卷式基材(在期望的材料生長的方向上)的兩側(cè)都具有至少一個孔。相似地，配置用于饋送第二前體的前體蒸汽的第二噴頭通道2074在期望的材料生長的方向上在處理腔室2030內(nèi)行進。第二噴頭通道2074在襯底卷式基材的兩側(cè)都具有至少一個孔2084a、b。通往真空泵2060的排氣口處于處理腔室(或者反應(yīng)空間)2030的在處理腔室的底部上的中間區(qū)域處。
[0161]圖21示出了根據(jù)示例實施例的用于同時沉積多個卷的沉積反應(yīng)器的頂視圖。每個卷具有進入處理腔室中的自己的單獨存在的入口。第一和第二噴頭通道2173和2174在期望的材料生長的方向上在處理腔室內(nèi)行進。噴頭通道在每個襯底卷式基材的兩側(cè)都具有至少一個孔。另外，關(guān)于圖21的實施例的基本結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考在圖20中已經(jīng)提出的內(nèi)容及相關(guān)說明。
[0162]圖22示出了根據(jù)示例實施例的薄的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。沉積反應(yīng)器包括第一和第二惰性氣體源(未示出)、和第一和第二前體源2213和2214、以及第一和第二脈沖閥2223和2224。惰性氣體源與存在有卷2253和2254的受限空間(超壓容積)2220a和2020b流體連通(未示出)。襯底卷式基材2250經(jīng)由處理腔室2230從卷到卷地驅(qū)動，并且在處理腔室2230中同時進行ALD處理。前體蒸汽進料口在處理腔室2230的襯底卷式基材輸入端處。指向真空泵2260的排氣管線2261存在于處理腔室2230的襯底卷式基材的輸出端處。因而，關(guān)于圖22的實施例的基本結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考以上所描述的在先實施例。與在先實施例的不同之處在于處理腔室2230。在本實施例中，狹縫從第一受限空間2220a —直延伸至第二受限空間2220b。從而，狹縫形成薄的處理腔室2230。
[0163]圖23示出了根據(jù)示例實施例的用于沉積多個卷的薄反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。每個卷具有進入處理腔室2330中的自己的輸入狹縫2393以及從處理腔室2330輸出的自己的單獨存在的輸出狹縫2394。源卷存在于第一受限空間(超壓容積)2320a中，而目標(biāo)卷存在于第二受限空間(超壓容積)2320b中。在圖23所示的實施例中，狹縫2393和2394的外側(cè)形成薄處理腔室壁的外側(cè)2331a、2331b。另外，關(guān)于圖23的實施例的基本結(jié)構(gòu)性和功能性特征，參考在圖22中已經(jīng)提出的內(nèi)容及相關(guān)說明。
[0164]襯底卷式基材靠近處理腔室壁(在期望的材料生長的方向上)行進的在先實施例非常適合單側(cè)(single-sided)沉積,而襯底卷式基材在處理腔室/反應(yīng)空間的中心區(qū)域中行進的實施例非常適合雙側(cè)(double-sided)沉積。
[0165]圖24示出了根據(jù)示例實施例的雙側(cè)涂覆。在圖24中示出的沉積反應(yīng)器基本上與在圖15中的沉積反應(yīng)器相對應(yīng)。關(guān)于圖24的已經(jīng)從圖15已知的特征，參考圖15及相關(guān)說明。與圖15的襯底卷式基材靠近處理腔室的上壁行進的實施例相反，在圖24的實施例中的襯底卷式基材沿著處理腔室/反應(yīng)空間1530的中心區(qū)域行進。沉積反應(yīng)器在襯底卷式基材表面的兩側(cè)都包括每種前體的前體蒸汽進料頭2475，以便進行雙側(cè)沉積。
[0166]在特定示例實施例中，襯底卷式基材在處理腔室或反應(yīng)空間內(nèi)的軌跡的布局是可調(diào)節(jié)的。軌跡的布局可以基于目前需要來調(diào)節(jié)。例如，軌跡的布局可以通過調(diào)節(jié)與處理腔室(或者反應(yīng)空間)有關(guān)的輸入和輸出狹縫的布局來調(diào)節(jié)。如所提及的，對于雙側(cè)沉積，襯底卷式基材可以在處理腔室的中心區(qū)域中行進；而對于單側(cè)沉積，襯底卷式基材可以靠近處理腔室壁行進。圖25示出了沉積反應(yīng)器和用于單側(cè)沉積的具體細節(jié)。圖25的沉積反應(yīng)器基本上與圖1的沉積反應(yīng)器相對應(yīng)。襯底卷式基材1550靠近處理腔室的第一(此處:上)壁行進。惰性氣體從惰性氣體源2505(其可以是與源1503和/或者1504相同或者不同的源)饋送入在襯底卷式基材的背側(cè)(即，沒有涂覆層的一側(cè)或者表面)與第一壁之間的空間中。惰性氣體充滿在襯底卷式基材的背側(cè)與第一壁之間的空間。惰性氣體從而形成掩蔽容積。襯底卷式基材的其他表面通過順序自飽和表面反應(yīng)而被涂覆。實際的反應(yīng)空間形成在需要涂覆的表面與處理腔室的第二壁(與第一壁相對)之間的容積中。惰性氣體基本上不進入掩蔽容積。這部分地是由于惰性氣體流入掩蔽容積中，而且部分地因為襯底卷式基材自身防止從卷式基材的另一側(cè)至襯底卷式基材的背側(cè)的流。
[0167]在示例實施例中，在本文中所描述的沉積反應(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，這些指令由系統(tǒng)的至少一個處理器執(zhí)行，使得沉積反應(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26示出了沉積反應(yīng)器控制系統(tǒng)2600的粗略框圖。在基本系統(tǒng)設(shè)置中，工藝參數(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2606來執(zhí)行，并且經(jīng)由通信總線2604，諸如以太網(wǎng)總線或者相似的總線，下載至控制箱2602(控制單元)。在實施例中，控制箱2602包括通用的可編程邏輯控制(PLC)單元?？刂葡?602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。控制箱2602將電功率發(fā)送至沉積反應(yīng)器的合適閥門的啟動控制器。控制箱控制一個或多個驅(qū)動器、真空泵、和一個或多個任何加熱器的操作?？刂葡?602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?？刂葡?602控制在原子層沉積反應(yīng)器中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。通過調(diào)節(jié)卷式基材的速度，控制箱控制所沉積的材料的生長，即材料厚度?？刂葡?602進一步控制，將反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上?？刂葡?602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2606。虛線2616指示在沉積反應(yīng)器部件與控制箱2602之間的接口線。
[0168]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:一個技術(shù)效果是，相較于空間上的卷到卷ALD反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)更加簡單；另一技術(shù)效果是，所沉積的材料的厚度直接由卷式基材的速度所確定；另一技術(shù)效果是，由于薄的處理腔室結(jié)構(gòu)的影響，使前體的消耗最優(yōu)化。
[0169]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)明人目前考慮到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。
[0170]此外，本發(fā)明的上面所公開的一些特征可以在不對應(yīng)地使用其他特征的情況下而被有利地使用。從而，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)利要求書所限制。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 將襯底卷式基材驅(qū)動到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；以及 使所述反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序自飽和表面反應(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: 經(jīng)由狹縫將所述襯底卷式基材從超壓容積輸入所述反應(yīng)空間中，所述狹縫在所述容積與所述反應(yīng)空間之間維持壓力差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述反應(yīng)器包括形成所述狹縫的收縮板。
4.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中所沉積的材料的厚度由所述卷式基材的速度來控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的方法，包括: 將惰性氣體饋送入所述超壓容積中。
6.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中所述前體的蒸汽在所述反應(yīng)空間中的流動方向為沿著所述襯底卷式基材的移動方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，包括: 在所述反應(yīng)空間的所述襯底卷式基材的輸入端處將前體蒸汽饋送入所述反應(yīng)空間中，并且在所述反應(yīng)空間的所述襯底卷式基材的輸出端處布置氣體的排氣口。
8.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，其中所述前體的蒸汽在所述反應(yīng)空間中的流動方向相較于所述襯底卷式基材的移動方向是橫向的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括: 在所述反應(yīng)空間的一側(cè)將前體蒸汽饋送入所述反應(yīng)空間中，并且在所述反應(yīng)空間的相對一側(cè)布置氣體的排氣口。
10.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，包括: 將第一卷和第二卷結(jié)合到反應(yīng)腔室蓋中。
11.根據(jù)上述任何一項權(quán)利要求所述的方法，包括: 驅(qū)動所述襯底卷式基材徑直地通過所述反應(yīng)空間。
12.—種設(shè)備,包括: 驅(qū)動單元，配置用于將襯底卷式基材驅(qū)動到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中；以及 前體蒸汽饋送部分，配置用于使所述反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖，以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，包括: 輸入狹縫，用于將所述襯底卷式基材從超壓容積輸入所述反應(yīng)空間中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，包括形成所述狹縫的收縮板。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的設(shè)備，包括: 通道，配置用于將惰性氣體輸送到所述超壓容積中。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的設(shè)備，包括: 在所述反應(yīng)空間的所述襯底卷式基材的輸入端處的前體蒸汽進料開口、以及在所述反應(yīng)空間的所述襯底卷式基材的輸出端處的排氣口。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16中任一項所述的設(shè)備，包括: 在所述反應(yīng)空間的一側(cè)的一個或多個前體蒸汽進料開口、以及在所述反應(yīng)空間的另一側(cè)的排氣口。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17中任一項所述的設(shè)備，包括: 反應(yīng)腔室蓋，配置用于接收第一卷和第二卷。
19.一種設(shè)備,包括: 用于驅(qū)動襯底卷式基材到原子層沉積反應(yīng)器的反應(yīng)空間中的裝置；以及用于使所述反應(yīng)空間暴露于時間上分隔開的前體脈沖以通過順序自飽和表面反應(yīng)將材料沉積在所述襯底卷式基材上的裝置。
【文檔編號】C23C16/455GK104379808SQ201280073995
【公開日】2015年2月25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