專利名稱：用于高生產(chǎn)量原子層沉積的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工的領(lǐng)域，且更具體地涉及用于膜在半導(dǎo)體襯底上的原子層 沉積的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
原子層沉積(ALD)是一種薄膜沉積方法，其允許厚度大約為數(shù)納米的膜以精確受 控的方式沉積。典型地，ALD使用交替地并重復(fù)地應(yīng)用于襯底的兩種或兩種以上的氣態(tài)前 體(precursors)。其中襯底的表面暴露于全部前體的一系列連續(xù)步驟被稱為沉積循環(huán)。每 個(gè)沉積循環(huán)都使膜的單層或單層的一部分生長。這是由于這樣的事實(shí)，即，在ALD中膜生長 取決于化學(xué)吸附過程，借助該過程前體分子通過化學(xué)鍵的形成而附著至襯底的表面，而無 需發(fā)生該前體分子的進(jìn)一步熱分解。當(dāng)可用于與前體化學(xué)鍵接(chemical bonding)的全 部襯底表面部位都已被覆蓋時(shí)化學(xué)吸附自然停止。將襯底暴露于第二前體導(dǎo)致在固體膜形 成的情況下第二前體與化學(xué)吸附的第一前體的化學(xué)反應(yīng)，直到全部化學(xué)吸附的第一前體都 已反應(yīng)，并且用化學(xué)吸附的第二前體的層以自限制方式覆蓋襯底。因此，ALD是一種提供高 保形(conformal)涂覆和優(yōu)良厚度控制的自限制逐層沉積方法。這些特征使它成為各種工 業(yè)，尤其是半導(dǎo)體工業(yè)，并且更具體地是太陽能電池工業(yè)關(guān)注的方法。在太陽能電池工業(yè)中，ALD可以用來沉積氧化鋁(Al2O3)膜，以用于預(yù)先的單Si太 陽能電池的鈍化。為此要求5-15nm的典型膜厚度，這可使用傳統(tǒng)的單晶片或多晶片ALD系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，最有效的多晶片ALD系統(tǒng)在所述膜厚度下的生產(chǎn)量為大約每小時(shí)60個(gè)晶片。 然而，為了獲得例如在屋頂上使用的太陽能電池板所要處理的表面積的量是相當(dāng)大的。并 且隨著對(duì)太陽能電池板的需求的上漲，對(duì)以更高生產(chǎn)量為特色的ALD設(shè)備的需要也正在增 加。上面描述的ALD應(yīng)用是示例性的，并且僅是在半導(dǎo)體工業(yè)和相關(guān)工業(yè)(例如太陽 能電池工業(yè)或平板顯示器工業(yè))內(nèi)感受到關(guān)于提高生產(chǎn)量的連續(xù)壓力的許多例子中的一 個(gè)。因此本發(fā)明的目的是提供一種原子層沉積的裝置和方法，所述裝置和方法提供更加改 善的生產(chǎn)能力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于以連續(xù)方式將膜沉積到一排襯底上、或 沉積到帶子形狀的連續(xù)襯底上的原子層沉積設(shè)備。本設(shè)備包括沿運(yùn)輸方向延伸、并至少由 第一壁和第二壁限定的加工隧道。這些壁相互平行并隔開，以允許與這些壁平行地定向的 基本平的襯底被容納在這些壁之間。本設(shè)備進(jìn)一步包括運(yùn)輸系統(tǒng)，用于將一排所述襯底或 帶子形狀的連續(xù)襯底從隧道的入口沿運(yùn)輸方向運(yùn)載并移動(dòng)到隧道的出口。至少加工隧道的 第一壁設(shè)置有多個(gè)氣體注入通道，這些氣體注入通道以隔開的方式沿運(yùn)輸方向布置，并且 在運(yùn)輸方向上觀看，這些通道分別相繼連接至第一前體氣體(precursor gas)源、凈化氣體 源、第二前體氣體源和凈化氣體源，從而形成這樣的隧道區(qū)段，即，在使用中，該隧道區(qū)段包括分別包含第一前體氣體、凈化氣體、第二前體氣體和凈化氣體的連續(xù)區(qū)域。兩個(gè)或兩個(gè)以 上的這種區(qū)段在運(yùn)輸方向上一個(gè)接一個(gè)地布置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在襯底上生長薄膜的方法。本方法包括提供 加工隧道，該加工隧道沿運(yùn)輸方向從入口到出口縱向地延伸，并且該加工隧道能夠容納一 個(gè)或多個(gè)基本平的襯底。本方法還包括將該加工隧道縱向地劃分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的功能 性區(qū)段，其中每個(gè)區(qū)段都包括相繼容納有第一前體氣體、凈化氣體、第二前體氣體和凈化氣 體的至少四個(gè)橫向延伸的氣體區(qū)域。本方法進(jìn)一步包括使襯底移動(dòng)通過該加工隧道進(jìn)入運(yùn) 輸方向，以使該襯底連續(xù)經(jīng)歷連續(xù)氣體區(qū)域中的氣體，并且在襯底經(jīng)過單個(gè)區(qū)段的全部至 少四個(gè)區(qū)域時(shí)，原子層沉積被到該襯底上。從以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的某些實(shí)施例的詳細(xì)描述中，將更徹底地理解本發(fā)明的 這些和其它特性和優(yōu)點(diǎn)，這些附圖意在舉例說明而非限制本發(fā)明。


圖1是示例性公開了原子層沉積設(shè)備的圖示性橫向剖面圖，該原子層沉積設(shè)備具 有兩個(gè)平行的隧道壁，它們之間容納有一襯底；圖2示意性地示出了如沿線A-A所觀看到的圖1所示的加工隧道的一部分的剖面 平面圖，示出了區(qū)段和區(qū)域的布置；圖3是根據(jù)本發(fā)明的原子層沉積設(shè)備的另一示例性實(shí)施例的圖示性橫向剖面圖；圖4A是加工隧道的一部分的圖示性縱向剖面圖，其中，上下隧道壁不對(duì)稱地構(gòu) 造；圖4B是加工隧道的一部分的圖示性縱向剖面圖，其中，上下隧道壁對(duì)稱地構(gòu)造；圖5示意性地示出了加工隧道的一部分的剖面平面圖，其中，運(yùn)輸有平行的兩排 襯底；圖6示意性地示出了加工隧道的一部分的剖面平面圖，其中，運(yùn)輸有單排襯底；圖7示出了銷是如何用于穿過加工隧道而驅(qū)動(dòng)各個(gè)襯底的；圖8是加工隧道的一部分的圖示性縱向剖面圖，其中，多個(gè)氣體注入通道以與垂 直線成一定角度地將氣體注入到隧道中，以將襯底驅(qū)動(dòng)到運(yùn)輸方向上；圖9是加工隧道的一部分的圖示性縱向剖面圖，該加工隧道設(shè)置有入口部分，該 入口部分在隧道壁之間具有增大的間隙；圖IOA示意性地示出了加工隧道的入口部分的橫向剖面圖；以及圖IOB示出了機(jī)械襯底處理機(jī)的示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式本公開提供的設(shè)備包括加工隧道，襯底(優(yōu)選地為一排襯底的一部分)可以線性 方式通過該加工隧道被運(yùn)輸。即，襯底可在隧道的入口處被插入到隧道中，以待傳送到出 口。隧道由至少兩個(gè)基本平行的隧道壁限定。優(yōu)選地，這些隧道壁既靠近襯底又相互靠近 地設(shè)置，從而提供具有最小體積的細(xì)長加工空間。在加工隧道的縱向方向上，該加工隧道可 分為一系列區(qū)段，每個(gè)區(qū)段都包括多個(gè)(典型地為四個(gè))橫向延伸的氣體區(qū)域。區(qū)段中的 連續(xù)區(qū)域容納有分別用于第一前體氣體、凈化氣體、第二前體氣體和凈化氣體的氣體注入通道。隨著襯底通過隧道的運(yùn)輸，它的表面逐步經(jīng)歷與不同氣體接觸。如果適當(dāng)?shù)氐剡x擇 區(qū)域的布置與相應(yīng)氣體，那么通過一個(gè)隧道區(qū)段運(yùn)輸襯底相當(dāng)于使它經(jīng)歷一個(gè)原子層沉積 循環(huán)。由于該隧道可包括所期望的那么多的區(qū)段，因此任意厚度的膜都可生長在從隧道入 口傳送到出口的襯底上。加工隧道的線性性質(zhì)允許加工連續(xù)的一排襯底，因此給予原子層 沉積設(shè)備顯著改善的生產(chǎn)能力。注意，在附圖中，相同或相似的裝置、零件、空間、定向等等可用相同的參考標(biāo)號(hào)表 示。并且，為了清楚的目的，在參考的對(duì)象已在一個(gè)以上的前述圖中識(shí)別時(shí)，可省去一些圖 中的參考標(biāo)號(hào)。圖1是示例性公開的適于將膜沉積到襯底108的單側(cè)108a上的ALD設(shè)備100的 圖示性剖面視圖。設(shè)備100包括由第一隧道壁104和第二隧道壁106限定的加工隧道。隧 道壁104、106基本平行并且相互隔開，從而允許襯底108(例如半導(dǎo)體晶片)容納在它們之 間。在所示實(shí)施例中，隧道壁104和106在垂直于圖1的圖的平面的運(yùn)輸方向上縱向地延 伸。實(shí)際上，加工隧道的運(yùn)輸方向優(yōu)選平行于地平線，意思是隧道壁104、106可水平地定向 (如所示的)以限定加工隧道。然而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，也可采用隧道壁的不同定向，例如水平地傾 斜定向，或垂直定向。隧道壁104配備有多個(gè)氣體注入通道102、102’等等，這多個(gè)氣體注入通道的流 出開口可既沿隧道壁的橫向方向又沿隧道壁的縱向方向分布在隧道壁的面向晶片的表面 (例如，內(nèi)表面)上。在圖1的視圖中，橫向隧道剖面包含三個(gè)這樣的通道。然而，能夠設(shè) 想，橫向隧道剖面可包括更多或更少數(shù)量的氣體注入通道102。氣體注入通道102、102’等等連接到氣體源(在圖1中沒有示出)，該氣體源在使 用中將氣體通過氣體注入通道102、102’等等驅(qū)動(dòng)到隧道壁104、106之間的隧道空間內(nèi)。 通常，位于隧道壁中相同縱向位置處的氣體注入通道(例如圖1中的氣體注入通道102和 102’)連接到相同氣體源或氣體混合物源。由于氣體可注入到隧道的整個(gè)長度上的隧道空 間內(nèi)，該隧道空間內(nèi)的氣體橫向地流過隧道壁104和106與襯底之間的間隙，流向襯底的邊 緣并超過該邊緣，如圖1中所示，假如其可在隧道的兩個(gè)橫向側(cè)逸出到排氣通道(未示出)。 該排氣通道優(yōu)選地保持在大氣壓力下，因此不需要真空泵?？商娲兀撆艢馔ǖ揽杀３衷?偏離大氣壓力的壓力下。圖2示意地示出了如沿線A-A所觀看到的圖1所示的加工隧道的一部分的剖面平 面圖。沿方向210觀看，上面描述的橫向氣流形成連續(xù)的大致為隧道寬度的氣體區(qū)域202、 206、204和206，等等。連續(xù)區(qū)域可分組成區(qū)段。優(yōu)選地，氣體注入通道102、102，等等構(gòu)造 成提供一連串區(qū)段208、208’等等，其中，每個(gè)區(qū)段都沿運(yùn)輸方向210相繼包含第一前體氣 體區(qū)域202、凈化氣體區(qū)域206、第二前體氣體區(qū)域204和另一凈化氣體區(qū)域206’。前體氣 體區(qū)域202、204等等可含有既包括相應(yīng)的前體又包括惰性運(yùn)載氣體的氣體混合物，由此添 加惰性運(yùn)載氣體以便于前體的運(yùn)輸。凈化氣體區(qū)域206、206’等等可布置在含有相互反應(yīng)的 前體的任何兩個(gè)區(qū)域202、204等等之間。它們用作將邊界前體區(qū)域分開的氣相擴(kuò)散勢(shì)壘， 并因此在氣相中保持將這兩個(gè)相互反應(yīng)的前體分開，并且僅允許前體在襯底表面上的化學(xué) 反應(yīng)。在圖2中，襯底108通過隧道在運(yùn)輸方向210上運(yùn)輸。它的表面108a由此逐步 經(jīng)歷存在于每個(gè)區(qū)域202、206、204、206’等等中的氣體。當(dāng)一條表面區(qū)域已經(jīng)過單個(gè)區(qū)段208,208'等等的全部區(qū)域時(shí)，該表面區(qū)域已經(jīng)歷完整的沉積循環(huán)。襯底108通過加工隧道 的運(yùn)輸速度選擇成使得當(dāng)經(jīng)過特定前體區(qū)域時(shí)，一條襯底表面區(qū)域暴露于前體的時(shí)間充分 長，以確保該襯底表面區(qū)域完全浸透。由于這是應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，因此較長的前體區(qū)域通常允 許更高的運(yùn)輸速度，反之亦然。然而，注意到，浸透時(shí)間可取決于使用的前體的性質(zhì)，并且取 決于相應(yīng)區(qū)域中的前體的濃度。所公開的原子層沉積設(shè)備的尺寸和工作參數(shù)可依據(jù)它建造和使用的特定應(yīng)用而 變化。例如，將IOnm的氧化鋁膜沉積到標(biāo)準(zhǔn)的圓形300mm硅晶片上可包括兩種前體，三甲 基鋁(Al(CH3)3, TMA)和水(H2O)。作為水的替代物，可使用臭氧(O3)。氮(N2)可既用作前 體區(qū)域中的惰性運(yùn)載氣體也用作凈化氣體區(qū)域中的凈化氣體。每個(gè)區(qū)域在運(yùn)輸方向上都可 具有若干厘米的長度，典型地為2-5cm。為了容納具有300mm的橫向尺寸的單排晶片，加工 隧道的寬度需要稍微超過300mm。在前體區(qū)域測(cè)量的長度有5cm而凈化氣體區(qū)域有2cm的 情況下，單個(gè)隧道區(qū)段的長度共計(jì)0. 14m0在單個(gè)隧道區(qū)段負(fù)責(zé)沉積厚度大約為0. Inm的氧 化鋁的一個(gè)單層時(shí)，需要總共100個(gè)區(qū)段來生長IOnm的膜。因此，加工隧道的長度達(dá)到接 近14米。晶片可以高達(dá)0.25m/s的速度通過該隧道運(yùn)輸，對(duì)于該特定實(shí)例，這將導(dǎo)致每小 時(shí)大約3000個(gè)晶片的生產(chǎn)能力?？捎脕磉M(jìn)一步提高所公開的ALD設(shè)備的生產(chǎn)能力的常用措施是拓寬加工隧道，以 使該加工隧道能夠容納平行的兩排或兩排以上的襯底。例如參見圖5。使隧道的寬度加倍 潛在地使該設(shè)備的生產(chǎn)量加倍。另一常用措施是為第一和第二隧道壁兩者都提供氣體注入通道，其中，惰性承載 氣體可從底壁提供，如圖4A中所示，以便通過氣墊浮動(dòng)地支撐晶片?？商娲?，第一和第二 隧道壁是對(duì)稱的，因?yàn)橄鄬?duì)的氣體注入通道連接到具有基本相同氣體成分的氣體源，如圖 4B中所示。如果需要，這種構(gòu)造允許在襯底108的兩側(cè)108a、108b上的同時(shí)沉積，因此使處 理的襯底表面積的量加倍。下面將進(jìn)一步討論圖4A和圖4B。圖1和圖2沒有示出用于通過加工隧道運(yùn)載并移動(dòng)襯底的運(yùn)輸系統(tǒng)。為此，運(yùn)輸 系統(tǒng)可為例如傳統(tǒng)輸送帶類型的。另一例子可包括其上裝載有襯底的運(yùn)載裝置。這些運(yùn)載 裝置可通過合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推進(jìn)。用于運(yùn)載裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是已知的，因而在 此不需要詳細(xì)描述。圖3圖示性地示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的橫向剖面圖，其特性是基于申請(qǐng)人開 發(fā)的浮動(dòng)晶片技術(shù)的運(yùn)輸和晶片支撐系統(tǒng)。在美國申請(qǐng)6，183，565和美國申請(qǐng)6，719，499 中更詳細(xì)地描述了所述浮動(dòng)晶片技術(shù)，上述美國申請(qǐng)通過引證結(jié)合于此。在該實(shí)施例中，隧 道壁104、106水平地定向，同時(shí)它們優(yōu)選地在垂直方向上通過側(cè)壁308、308’連接。支撐系 統(tǒng)包含布置在第一隧道壁104下面的第二隧道壁106中的多個(gè)氣體注入通道302、302’等 等，氣體可由源310通過所述多個(gè)氣體注入通道注入到隧道空間中。一旦注入到隧道空間 中，那么該氣體則朝向側(cè)壁308、308，中的氣體出口 304、304，側(cè)向地流動(dòng)。側(cè)壁308、308， 自身限制流出，并導(dǎo)致在隧道空間區(qū)域306、306’中建立壓力，所述壓力有助于穩(wěn)定浮動(dòng)襯 底108的橫向位置。從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，上、下隧道壁可相同。如果隧道的主要目的是提供 氣體支承，那么通過通道302、302’等等注入的氣體沿隧道的整個(gè)長度可以是相同的。圖4A示出了加工隧道的一部分的縱向剖面圖。圖4A示出了兩個(gè)同樣的隧道區(qū)段 208、208，。每個(gè)隧道區(qū)段208、208，都包含兩排氣體注入通道，一排位于上隧道壁104中，而一排位于下隧道壁106中。這兩排氣體注入通道彼此相對(duì)地對(duì)準(zhǔn)，并因此有助于形成逐 步橫向地包圍襯底的連續(xù)的氣體區(qū)域。在運(yùn)輸方向210上觀看，上壁104中隧道區(qū)段208、 208’的氣體注入通道連續(xù)地分別注入第一前體氣體(三甲基鋁，TMA)、凈化氣體(氮，N2)、 第二前體氣體(水蒸汽，H2O)和凈化氣體(氮，N2)。當(dāng)然，這些特定氣體是示例性的它們 可按照要求選擇。底部隧道壁106中的區(qū)段208、208’的氣體注入通道都注入N2作為支承 氣體，N2同時(shí)用作凈化氣體。這樣的氣體支承提供了以下益處防止存在于晶片上方的流 中的前體穿透晶片下面的空間。因此，不會(huì)出現(xiàn)由于無意的ALD或化學(xué)蒸汽沉積所導(dǎo)致的 背面沉積。圖4B中示出了一種可替代構(gòu)造，其中下隧道壁106相對(duì)于上隧道壁104對(duì)稱地構(gòu) 造，因?yàn)橄鄬?duì)的氣體注入通道連接到基本相同氣體成分的氣體源。關(guān)于氣體的選擇，值得 注意的是，在本設(shè)備中可通過添加或插入包含不同組合前體的區(qū)段而相當(dāng)容易地沉積混合膜。在圖4中，如前面的圖中一樣，任何兩個(gè)前體區(qū)域都通過凈化氣體區(qū)域分開。已知 襯底108、108’等等與隧道壁104、106之間的相對(duì)較窄的間隙優(yōu)選地小于2mm，更優(yōu)選地小 于1mm，最優(yōu)選地從0. 15到0. 25mm,則這種分開在防止前體混合方面非常有效。因此，隧道 壁上幾乎不會(huì)出現(xiàn)任何沉積，并且本設(shè)備在工作期間具有非常低的粒子級(jí)別(level)。此外，與迄今已知的任何其它ALD系統(tǒng)相比，本設(shè)備可在大氣壓力下工作。不需要 真空泵來降低隧道空間中的壓力。由于一方面襯底108、108’等等與另一方面隧道壁104、 106之間的狹窄間隙和強(qiáng)大氣流的組合，使得在大約1大氣壓下工作是可行的。在所提出的 設(shè)備中，典型的氣流速度處于l_2m/s的范圍中。由于沒有隧道壁沉積和真空泵，因此所述設(shè)備實(shí)際上可以是免維護(hù)的。如圖4中所示的基于浮動(dòng)晶片技術(shù)的運(yùn)輸系統(tǒng)是不完整的盡管它確實(shí)運(yùn)載襯底 108、108’等等，但該運(yùn)輸系統(tǒng)沒有使襯底在運(yùn)輸方向210上移動(dòng)。為此，運(yùn)輸系統(tǒng)必須補(bǔ)充 有用于驅(qū)動(dòng)襯底的裝置。可考慮各種選擇。在第一選擇中，在一位置處(優(yōu)選地在加工隧道的入口處)對(duì)一排襯底施加驅(qū)動(dòng) 力。例如可通過插入機(jī)構(gòu)來施加該力，所述插入機(jī)構(gòu)將新的(后面的)晶片連續(xù)地或半連 續(xù)地插入到隧道以便加工。它可使用新的晶片來向前推動(dòng)已經(jīng)存在于隧道中的這一排襯 底。由于隧道中的全部晶片都是浮動(dòng)的，因此這樣做所需的力是相對(duì)較小的。由于其邊緣 之間的物理接觸，因此已經(jīng)存在于隧道中的襯底中的每個(gè)都由與之成一直線的下一晶片在 運(yùn)輸方向上驅(qū)動(dòng)。由于恒定的生產(chǎn)速度對(duì)自限制原子層沉積加工不是必要的，因此暫停 (hiccup)供應(yīng)新的晶片(該暫停將自動(dòng)影響晶片在隧道中的運(yùn)輸速度)不影響沉積層的質(zhì) 量或厚度。對(duì)于兩排平行的正方形襯底108、108’，該第一選項(xiàng)在圖5中示出，而對(duì)于單排正 方形襯底，該第一選項(xiàng)在圖6中示出。參考標(biāo)號(hào)502標(biāo)記襯底之間發(fā)生物理接觸的一些邊 緣位置。在由圖7示出的第二選項(xiàng)中，襯底108和108’各自通過運(yùn)輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)銷702、 702，和704、704，而接合。驅(qū)動(dòng)銷可從下面(銷702、702，)、從側(cè)面(銷704、704，)或任 何其它期望的定向伸到隧道空間中。優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)銷在襯底的周緣接合該襯底，因此不需要 犧牲有價(jià)值的襯底表面區(qū)域。驅(qū)動(dòng)銷可連接至帶型驅(qū)動(dòng)單元，以使驅(qū)動(dòng)銷以連續(xù)方式沿隧 道軌移動(dòng)并返回。由于驅(qū)動(dòng)銷與各襯底一起移動(dòng)通過加工隧道，因此它們經(jīng)歷涂覆。為了減少沉積到驅(qū)動(dòng)銷上的材料的量，凈化氣體可在該銷近旁供應(yīng)到隧道空間中。該措施延長 了維修驅(qū)動(dòng)銷之間的時(shí)間，維修驅(qū)動(dòng)銷典型地包括蝕刻驅(qū)動(dòng)銷的表面和/或替換。第三選擇在圖8中示出。在示意性地示出的本設(shè)備的實(shí)施例中，凈化氣體(氮， N2)注入通道以一定角度布置，以使氣流的切向分量在運(yùn)輸方向210上驅(qū)動(dòng)襯底108、108’ 等等。凈化氣流的量級(jí)可用來控制它們的前進(jìn)速度。以一定角度放置的氣體注入通道可以 是設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)，但在原理上，任何氣體注入通道都可行。該第三選擇的主要優(yōu)點(diǎn)在于，它 不包括任何有可能磨損、或可能在加工隧道內(nèi)經(jīng)歷涂覆的移動(dòng)零件。因此它明顯有助于沉 積設(shè)備的低維護(hù)特征。第四選擇是在隧道壁中提供凹槽，該凹槽在縱向方向上延長，并且一端緊鄰氣體 注入通道，如在申請(qǐng)人的美國申請(qǐng)6，824，619中所公開的，該申請(qǐng)通過引證結(jié)合于此，其用 來在浮動(dòng)襯底上施加旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。相似地，該方法可用來對(duì)襯底施加線性移動(dòng)。由于膜的質(zhì)量可取決于加工期間襯底的表面溫度，因此襯底可在經(jīng)歷沉積加工之 前預(yù)熱。襯底的預(yù)熱可通過為沉積設(shè)備提供特定預(yù)熱隧道區(qū)段來實(shí)現(xiàn)，該特定預(yù)熱隧道區(qū) 段設(shè)置在第一反應(yīng)隧道區(qū)段(即，其中襯底經(jīng)歷兩種或兩種以上的前體的第一隧道區(qū)段) 的上游。在預(yù)熱隧道區(qū)段中，可使襯底只是與保持在與反應(yīng)區(qū)段相同或更高溫度下的凈化 氣體接觸。相似地，冷卻區(qū)段可設(shè)置在加工隧道的端部，即，最后反應(yīng)隧道區(qū)段的下游。由 于預(yù)熱區(qū)段和冷卻區(qū)段中的凈化氣體的主要目的是傳熱，因此具有相對(duì)高的導(dǎo)熱率的氦是 有助于使這樣的區(qū)段的長度減到最小的良好選擇。此外，為了便于通過機(jī)械襯底處理機(jī)將襯底裝載到加工隧道內(nèi)/從加工隧道卸下 襯底，隧道的反應(yīng)的或非反應(yīng)的第一和最后區(qū)段可在隧道壁之間提供較大間隙，以分別增 大插入的晶片的上、下表面與上、下隧道壁之間的間隙。由于通過氣體支承傳遞以承載襯底 的重量的力不改變，因此隧道壁和襯底之間的較大間隙不利于氣流速率的提高。圖9示意性地示出了加工隧道的入口部分900的縱向剖面圖，其在隧道壁之間具 有增大的間隙。由于隧道壁104、106和相應(yīng)襯底表面108a”、108b”之間的典型間隙計(jì)小于 Imm,并且優(yōu)選地在0. 15和0. 25mm之間，因此值得注意的是，“增大的間隙”可計(jì)小到0. 8mm 加上襯底的厚度(因此從襯底的每側(cè)到相應(yīng)隧道壁大約為0.4mm)。所描繪的入口部分900 也可用作預(yù)熱區(qū)段。為此，入口部分注入有加熱的N2，并使其足夠長，以確保將襯底108”適 當(dāng)?shù)丶訜岬狡谕募庸囟取榱藢?shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)丶訜?，襯底的運(yùn)輸速度以及襯底與隧道壁表 面之間的間隙的寬度是必須考慮的參數(shù)。畢竟，較高的運(yùn)輸速度將降低減少襯底在預(yù)熱區(qū) 段中的停留長度，而對(duì)于較大的間隙襯底的加熱將是更漸進(jìn)的。在入口部分900自身不用 作預(yù)熱區(qū)段或未執(zhí)行足夠的適當(dāng)預(yù)熱的情況下，具有較小間隙的額外的預(yù)熱部分(沒有示 出)可緊接在入口部分之后，其中，除隊(duì)外沒有引入加工氣體，以允許在如前面討論的ALD 沉積加工開始之前適當(dāng)?shù)丶訜嵋r底。假設(shè)晶片速度為0. 25m/s并且加熱時(shí)間為4s，那么將 需要Im的預(yù)熱長度?？商娲?，可使用具有更高導(dǎo)熱率的氣體(例如He和H2)來取代N2 作為入口或預(yù)熱部分中的加熱氣體，盡管N2因?yàn)樗鄬?duì)低的成本是優(yōu)選的。圖IOA中示意性地示出了入口部分900的橫向剖面圖。該圖旨在示出具有構(gòu)造成 用于支撐襯底108”的叉狀齒(fork teeth) 902、902，的機(jī)械襯底處理機(jī)901 (圖IOB示出 了其頂視圖)如何將所述襯底插入到隧道區(qū)段900中。當(dāng)襯底處理機(jī)901將襯底108”插 入到入口部分900中時(shí)，隧道區(qū)段內(nèi)的隊(duì)氣體支承將接管負(fù)載。晶片處理機(jī)901然后可使其齒902、902，稍微(進(jìn)一步)降低到細(xì)長的凹槽903、903，中，并從隧道縮回。上面，已關(guān)于第一和第二前體描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可 使用多于兩種前體來執(zhí)行ALD。這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，權(quán)利要求的語言并非意在排除特征在于 三種、四種或更多種前體的原子層沉積設(shè)備。為此，每個(gè)區(qū)段都可包含全部通過凈化氣體注 入?yún)^(qū)域而分開的三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)前體氣體注入?yún)^(qū)域。同樣可沉積納米層合膜。為此目 的，用于沉積具有第一成分的第一膜的多個(gè)單層的多個(gè)第一構(gòu)造連續(xù)區(qū)段可以與用于沉積 具有第二成分的第二膜的多個(gè)單層的多個(gè)第二構(gòu)造連續(xù)區(qū)段交替。并且區(qū)段的這種序列可 重復(fù)，直到沉積期望數(shù)量的納米膜。襯底可具有圓形形狀、正方形形狀、矩形形狀或三角形形狀或任何其它可用的形 狀。優(yōu)選地，襯底的形狀為使得當(dāng)襯底相互鄰近地設(shè)置時(shí)其允許表面區(qū)域的良好填充，例如 正方形或矩形形狀。在可替代實(shí)施例中，襯底可以是柔性材料，例如通過設(shè)備供應(yīng)的箔或帶子。來自卷 軸的帶子形狀的材料是可用的，并在設(shè)備的出口側(cè)收集在收集卷軸上。該材料可由收集卷 軸施加的拉力拉動(dòng)而通過設(shè)備。來自上和下隧道壁的氣體注入使帶子以非常低的摩擦流過 設(shè)備。盡管僅公開了將氧化鋁作為實(shí)例材料，但顯然，本發(fā)明的設(shè)備和方法可與現(xiàn)在本 領(lǐng)域中已知的全部前體材料和膜成分結(jié)合應(yīng)用。此外，盡管已參考某些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離 本發(fā)明的范圍的前提下，可做出各種改變，并且本發(fā)明的元件可由等效物替代。另外，不背 離本發(fā)明的基本范圍的前提下，可按照本發(fā)明的教導(dǎo)做出許多修改，以適合特別情況。因 此，旨在使本發(fā)明不受限于所公開的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的任何特別實(shí)施例，但旨在使本發(fā)明 包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的全部實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種原子層沉積設(shè)備，包括加工隧道，所述加工隧道沿運(yùn)輸方向延伸，并且至少由第一和第二壁限定，所述壁相互 平行并且隔開，以允許與所述壁平行地定向的基本平的襯底被容納在它們之間；運(yùn)輸系統(tǒng)，用于使一排所述襯底或帶子形狀的連續(xù)襯底從所述隧道的入口沿所述運(yùn)輸 方向運(yùn)載并移動(dòng)到所述隧道的出口 ；其中，至少所述加工隧道的所述第一壁設(shè)置有多個(gè)氣體注入通道，所述通道以隔開的 方式沿所述運(yùn)輸方向布置，并且在所述運(yùn)輸方向上觀看，所述通道相繼地分別連接到第一 前體氣體源、凈化氣體源、第二前體氣體源和凈化氣體源，以形成一隧道區(qū)段，在使用中所 述隧道區(qū)段包括分別容納有第一前體氣體、凈化氣體、第二前體氣體和凈化氣體的連續(xù)區(qū) 域，并且其中，兩個(gè)或兩個(gè)以上這樣的區(qū)段在所述運(yùn)輸方向上一個(gè)接一個(gè)地布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一隧道壁和所述第二隧道壁 都設(shè)置有多個(gè)氣體注入通道，所述通道沿所述運(yùn)輸方向以隔開的方式布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一壁和所述第二壁隔開，以使 容納在所述兩個(gè)壁之間的襯底與每個(gè)所述壁之間的間隙計(jì)2mm或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一壁和所述第二壁隔開，以使 容納在所述兩個(gè)壁之間的襯底與每個(gè)所述壁之間的所述間隙計(jì)Imm或更小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一壁和所述第二壁隔開，以使 容納在所述兩個(gè)壁之間的襯底與每個(gè)所述壁之間的所述間隙在0. 15-0. 25mm的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一隧道壁和第二隧道壁基 本水平地定向，并且其中，所述第一壁設(shè)置在所述第二壁上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述運(yùn)輸系統(tǒng)包含布置在所述第二 隧道壁中的多個(gè)氣體注入通道，所述多個(gè)氣體注入通道在使用中將氣體注入到所述隧道 中，以提供用于支撐所述襯底的氣體支承。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第二隧道壁中的所述氣體注入 通道連接到惰性氣體源。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子層沉積設(shè)備，其中，因?yàn)橄鄬?duì)的氣體注入通道連接到基 本相同氣體成分的氣體源，所述第一隧道壁和第二隧道壁是對(duì)稱的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，至少一個(gè)氣體注入通道被構(gòu)造成沿 在所述運(yùn)輸方向上具有正向分量的方向?qū)怏w注入到所述加工隧道中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述至少一個(gè)注入通道連接到凈 化氣體源。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述加工隧道可容納待加工的兩排 或多排平行的襯底。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述運(yùn)輸系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng) 銷，所述驅(qū)動(dòng)銷被構(gòu)造成在襯底的周緣處接合各個(gè)襯底，并被構(gòu)造成使所述襯底在所述運(yùn) 輸方向上移動(dòng)通過所述加工隧道。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述加工隧道設(shè)置有至少一個(gè)端 部，所述端部在所述隧道壁之間具有增大的間隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述加工隧道的所述至少一個(gè)端 部中的氣體注入通道連接到氮?dú)?N2)或氦氣源(He)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述第一前體是三甲基鋁 (Al (CH3))，并且其中，所述第二前體是水(H2O)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，氮?dú)?N2)用作惰性和/或凈化氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其中，所述區(qū)段的數(shù)量與期望的膜厚度對(duì)應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，包括用于注入第一組合前體氣體的一個(gè) 或多個(gè)第一構(gòu)造區(qū)段、以及用于注入第二組合前體氣體的一個(gè)或多個(gè)第二構(gòu)造區(qū)段。
20.—種在襯底上生長薄膜的方法，包括提供加工隧道，所述加工隧道沿運(yùn)輸方向從入口到出口縱向地延伸，并能夠容納一個(gè) 或多個(gè)基本平的襯底；使所述加工隧道縱向地劃分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的功能性區(qū)段，其中，每個(gè)區(qū)段都包含 至少四個(gè)橫向延伸的氣體區(qū)域，所述氣體區(qū)域相繼裝有第一前體氣體、凈化氣體、第二前體 氣體和凈化氣體；使襯底移動(dòng)通過所述加工隧道進(jìn)入所述運(yùn)輸方向，以使所述襯底相繼經(jīng)歷所述連續(xù)氣 體區(qū)域中的所述氣體，并且當(dāng)所述襯底經(jīng)過單個(gè)區(qū)段的全部至少四個(gè)區(qū)域時(shí)，原子層被沉 積到所述襯底上。
全文摘要
一種以連續(xù)方式沉積膜的原子層沉積設(shè)備。本設(shè)備包括沿運(yùn)輸方向延伸并且至少由第一和第二壁限定的加工隧道。這些壁相互平行并且允許平的襯底容納在它們之間。本設(shè)備進(jìn)一步包括運(yùn)輸系統(tǒng)，以使一排襯底或帶子形狀的連續(xù)襯底移動(dòng)而通過隧道。至少加工隧道的第一壁設(shè)置有多個(gè)氣體注入通道，在運(yùn)輸方向上觀看，這多個(gè)氣體注入通道分別相繼連接到第一前驅(qū)氣體源、凈化氣體源、第二前驅(qū)氣體源和凈化氣體源，從而形成這樣的隧道區(qū)段，在使用中該隧道區(qū)段包括分別裝有第一前驅(qū)氣體、凈化氣體、第二前驅(qū)氣體和凈化氣體的連續(xù)區(qū)域。
文檔編號(hào)C23C16/455GK102112658SQ200980128427
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者塞巴斯蒂安·E·范諾藤, 恩斯特·H·A·格蘭內(nèi)曼 申請(qǐng)人:阿斯莫國際公司