一种用于大面积高速原子层化学气相处理的装置和方法，其中反应气体和惰性气体的连续且交替的流从围绕处理室周边设置的多个复合喷嘴被引向共轴安装的旋转圆柱形衬托器。挠性衬底安装在圆柱形衬托器上。在一个实施方式中，处理反应器具有基本上平行于圆柱形衬托器的旋转轴设置的四个复合注入器。在另一个实施方式中，衬托器截面是多边形，且多个衬底安装在衬托器的面上。可操作反应器来以单原子层精度以及高速化学气相处理模式处理多个挠性或扁平衬底。本发明专利技术的原子层化学气相处理系统还在下游提供注入的反应化学前驱物未使用部分的收集。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是用于以单个原子层精度化学气相处理各种材料的多层薄膜 的装置和方法的领域。更具体地说，本专利技术涉及以单个原子层精度在挠性 衬底(flexible substrate)上高速处理多层薄膜，以用于制造半导体器件、 大面积薄膜光伏太阳能电池(photovoltaic solar cell )、挠性显示器(flexible display)以及燃料电池用催化电极，或其他应用。相关
技术介绍
薄膜处理构成了制造各种各样的高级器件，例如微电子器件、光电子 器件和光子器件、薄膜光伏太阳能电池以及光学镀膜等的关键部分。在所 有这些应用中，大面积处理的均匀性连同处理的高速度对实现规才莫经济一 直都很重要。目前，在工业中实施各种各样的薄膜沉积技术，例如化学气 相沉积(CVD)以及物理气相沉积(PVD)来沉积金属、半导体以及绝缘 体的薄膜。这些技术以及相关的薄膜沉积技术依赖于流量(flux)，并因此 能够在较大面积的衬底上提供很理想的薄膜均勻性，而在装置的设计和操 作以及更高的成本方面面临着巨大的挑战。尽管这些技术可以按几十 nm/min到几百nm/min的高速度沉积薄膜，但明显的缺点是不能沉积精密 的(narrow)、亚微米几何特征的高质量且共形的薄膜以及较高膜厚均匀性 的膜，较高膜厚均匀性的膜随着衬底面积的增加极难实现。在普遍的薄膜沉积技术中的这些不足已在很大程度上由薄膜沉积方 法最近在本领域中称为原子层沉积或简称ALD的新方法消除，该方法在20世纪70年代中期专利技术，但直到最近才应用到微电子器件制造。ALD是 CVD的变化形式。ALD方法基于公知的化学吸附原理，形成反应气体分 子强附的单层(strongly adherent monolayer )，因此ALD方法是自限制性 的，并且还不受衬底的面积约束。此外，ALD薄膜一般是共形的，甚至以 衬底表面形态的深的、亚微米的几何形状。这些对于各种各样的高级器件 处理是非常有效且广受欢迎的特质。在典型的ALD方法中，反应气体的近的惰性气体脉冲(inert gas pulse )清除。所有的气体^皮连续地注入，并 蔓延到整个衬底表面，以形成待沉积的单层薄膜。适当加热村底或以另一 种方式提供具有必需的激活能的衬底，以影响总的化学吸附反应和化学反 应来形成产物薄膜。因此，ALD方法一般由包括两种惰性气体脉冲的四个 脉冲组成。重复四个气体脉沖的总的工艺步骤，以通过循环的方式，以单 层精度制造期望的膜厚。典型的ALD方法由下面的方程式1中显示的通 用化学反应示意性地表示Ax2(气)+P+By2(气)+P— AB(固)+ 2xy(气)+ P( 1 )(笫一脉冲)(第二脉沖)(第三脉冲)(第四脉沖)单层 副产品在ALD方法中，在上面描述的方程式(1 )的反应中，惰性气体P的 第二脉沖导致在衬底表面上产生Ax2类型物质(specie)的化学吸附单层， 所述Ax2类型物质的化学吸附单层随后进一步与反应气态物质By2反应形 成单层AB。惰性气体P的第四脉冲除去反应副产品xy以及还有4壬何过量 的By2。可通过处理室(process chamber)的简单的抽空(evacuation)替 代在方程式(l)中描述的反应中的惰性气体脉沖，以便除去来自村底表 面的过量的反应物Ax2 ，然而，惰性气体的沖击(impingement)通过提供 沖量提高了除去衬底附近过量的反应气体Ax2 (以及还有B》'2和整个化学 反应的副产品xy)的效率。而且，惰性气体不积极地参与整个化学反应。实施ALD过程的又一种方法是保持室中惰性气体的恒流(constant flow),并在其间设置具有足够的时间间隔的反应气体脉冲。同时，惰性气 体的第二脉冲或第四脉冲或这两个脉冲的除去(或者即使只使用抽空步骤 代替惰性气体脉冲)将使总的反应机理从ALD类型变换到高速的CVD类 型。包括四个脉沖的整个过程应适当地称为单层沉积过程。然而，原子层 沉积从一开始就广为流行并在之后已^皮接受。在第4,058,430号美国专利 中，Suntola等人描述了 ALD方法的基本原理以及基本的反应器硬件 (reactor hardware ),该专利通过引用包括在本i兌明书内。实际上，因为ALD过程关键取决于完成一个ALD过程循环所用的时 间，所以典型的ALD过程与常规的CVD过程相比相当緩慢。在ALD中， 除了气体脉沖机构(gas pulsing mechanism )和硬件，比如快速开关阀的操 作的速度之外，循环时间还依赖于ALD反应器内的气体停留时间(以及 还依赖于非湍流(non-turbulent)气流)，它们的效率、可靠性以及使用寿 命是重要的因素。ALD反应器中依赖于反应器容积、操作压力以及气体流 速的气体停留时间对于测量为差不多1平方米的大衬底可达几秒钟，得到 仅是lnm/mm的沉积速度。因此，ALD对大面积村底的实际应用局限于例 如几十纳米或以下的很薄的膜。可通过使用批处理部分地改善这种情况。 然而，由于各种各样的因素，如衬底背面沉积(substrate backside deposition),成比例的4交大容积以及衬底的装卸时间，批处理器(batch processor)是不符合要求的。因而，行业发展趋势有利于较小容积、单衬 底或小批(每批四到五个衬底)的ALD反应器。因此，为了有效的ALD 反应器操作，通过比较所有这些因素的利弊及其对ALD循环时间的影响 做出了明智的选择，以得出必需的应用的最优解决方案。可妨碍衬底上背面沉积的多晶片批处理器(multiple-wafer batch processor)在硅和化合物半导体薄膜，例如GaAs及其他的外延薄膜领域 很普遍。用于此目的的最成功的反应器结构之一是筒型反应器(barreltype reactor),在该筒型反应器中，许多衬底安装在梯形固体衬托器(susceptor) 的面上。可通过例如外部照明器的装置或通过感应加热装置(inductive heating arrangement)来加热衬托器。反应气体一般从顶部引入，并在从筒的底部排出之前流过村底，而安装在固体衬托器上的衬底可在筒内绕村托器的垂直轴旋转。多晶片筒CVD反应器结构只是最基本的水平CVD反应 器结构的推广，其中水平CVD反应器绕中心轴转动90。及其倍数 (multiplied )。 Jensen和Kern在Thin Film Processes (II), p. 296 — 299; J. L. Vossen and W. Kern (eds.), Academic Press, New York, 1991中描述了这两 种反应器结构，所述文章同样在此通过引用被包括在内。尽管筒CVD反 应器结构在小面积衬底上有用，然而却因为基本上平行(纵向)于衬底表 面的内部气流机构而被认为是低效的。此气流结构导致较长的路径长度， 并因此导致较长的循环时间。因此，它对于CVD类型的方法更加合适。 第5,458,725号美国专利描述了一种多管装置，各管都有平行于固定的多 边形村托器设置的孔，使得来自管的气体在基本上平行于固定的衬托器的 方向上^皮引导，以减少落在附到衬托器的衬底上的粒子。第5,716,4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种薄膜处理装置，其包括： 处理室以及相连的抽空子系统，所述处理室带有具有外边界的外壁； 多个注入喷嘴，其绕着外壁的外边界分隔开，所述注入喷嘴中的单个注入喷嘴穿透室壁，以将处理气体从所述室的外部引入所述室的内部，并基本上按线性形 式分配所注入的气体；以及 传输子系统，其位于所述处理室内，所述传输子系统按这样一种方式负载待覆盖的一个或多个衬底，即使得在所述传输子系统工作时，所述一个或多个衬底以连续的顺序紧邻所述多个注入喷嘴通过，并重复该连续的通过。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：普拉萨德盖德吉尔，
申请(专利权)人：普拉萨德盖德吉尔，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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