CN109689930A - 用于原子层沉积的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于原子层沉积ALD的系统和方法，其中，致动器布置被配置为接收一批衬底，并且通过第一装载锁(220)将衬底水平地传送到真空腔室(310)中，并且将真空腔室(310)内的衬底降低到反应腔室(420)中，从而利用盖(410)关闭反应腔室。

Description

用于原子层沉积的设备和方法

技术领域

本发明一般涉及原子层沉积(ALD)。更具体地但非唯一地，本发明涉及一种用于原子层沉积(ALD)的系统。

背景技术

该章节说明了有用的背景信息，而不承认本文中所描述的代表现有技术的任何技术。

对将要以原子层沉积(ALD)涂覆的衬底进行批量处理最好是利用提供易用性、高质量涂覆和优化产量的系统来执行。

现有技术存在原子层沉积系统，该原子层沉积系统试图提供具有高产量的自动化衬底处理的处理。例如，在以下出版物中公开了一些相关系统。

US20070295274公开了一种被用于ALD或CVD处理的批量处理平台，其被配置用于高产量和最小占用空间。在一个实施例中，该处理平台包括大气传送区、具有缓冲腔室和分级平台的至少一个批量处理腔室以及被设置在传送区中的传送机器人，其中传送机器人具有包括多个衬底处理刀片的至少一个衬底传送臂。

EP2249379公开了一种分批式ALD设备，该分批式ALD设备包括：腔室，该腔室可以被保持在真空状态；衬底支撑构件，被设置在腔室中，以支撑待以预定间距彼此堆叠的多个衬底；衬底移动装置，使衬底支撑构件向上或向下移动；气体喷射装置，该气体喷射装置在与衬底支撑件中堆叠的每个衬底的延伸方向平行的方向上不断喷射气体；以及气体排放装置，被设置在通向气体喷射装置的腔室的相对的一侧，吸入并抽空从气体喷射装置喷射的气体。

US4582720公开了一种用于形成非单晶层的设备，该设备包括衬底引入腔室、反应腔室以及衬底移除腔室，该衬底移除腔室在相邻的衬底移除腔室之间被顺序布置有挡板。一个或多个衬底被安装在支架上，其表面位于竖直平面，并且一个接一个地进入衬底引入腔室、反应腔室和衬底移除腔室。

US20010013312公开了一种用于通过将衬底暴露于交替重复的气相反应物的表面反应来在衬底的表面上生长薄膜的设备。该设备包括具有可紧密密封结构的至少一个处理腔室、具有适合于适应所述处理腔室内部的结构并且包括至少一个部分是可移动的反应空间的至少一个反应腔室、可连接至所述反应空间以将所述反应物供给到所述反应空间中的进料装载、以及可连接至所述反应空间以从所述反应空间排放过量反应物和反应气体的出料装载、以及适应所述反应空间的至少一个衬底。

US20100028122公开了一种设备，其中多个ALD反应器相对于彼此以图案放置，每个ALD反应器能够接收用于ALD处理的一批衬底，并且每个ALD反应器都包括可从顶部接近的反应腔室。利用装载机器人执行多个装载序列。

WO2014080067公开了一种设备，该设备用于将多个衬底装载到沉积反应器的装载腔室中的衬底支架中以在所述衬底支架内形成水平定向衬底的竖直堆栈，用于转动衬底支架以形成竖直定向衬底的水平堆栈，并且用于将衬底支架降低到沉积反应器的反应腔室中以进行沉积。

本发明的实施例的一个目的是提供一种具有高产量批量处理的改进的原子层沉积系统。

发明内容

根据本发明的第一示例方面，提供了一种用于原子层沉积ALD的系统，包括：

-反应腔室元件，包括

-真空腔室；

-反应腔室，在真空腔室内部；以及

-进气布置和前级管线，被配置为在反应腔室中提供水平气流；

-致动器布置，包括反应腔室盖，以及

-至少一个第一装载锁元件，包括第一装载锁，

致动器布置被配置为接收待被处理的衬底或一批衬底并且通过第一装载锁将衬底或一批衬底水平传送到真空腔室中，

致动器布置还被配置为将真空腔室内的衬底或一批衬底降低到反应腔室中，从而利用盖关闭反应腔室。

衬底或一批衬底包括，例如：晶片、玻璃、硅、金属或聚合物衬底、印刷电路板(PCB)衬底和3D衬底。

在某些示例实施例中，提供了一种流通式反应腔室(或错流反应器)，其中反应腔室内的气体沿着衬底表面从进气布置穿过反应腔室行进到前级管线，而(基本上)不与横向结构碰撞。

在某些示例实施例中，在反应腔室内的气流方向上定向衬底。在某些示例实施例中，反应腔室内的衬底的表面(待暴露于原子层沉积)与反应腔室内的前体气流方向平行。

在某些示例实施例中，水平定向一批衬底中的衬底以形成水平定向衬底的竖直堆栈。在某些示例实施例中，竖直定向一批衬底中的衬底以形成竖直定向衬底的水平堆栈。

在某些示例实施例中，进气布置和前级管线被定位于反应腔室的不同侧。在某些示例实施例中，进气布置和前级管线被定位于反应腔室的相对侧。

在某些示例实施例中，致动器布置在装载锁元件或装载锁中接收衬底或一批衬底。

在某些示例实施例中，该系统还包括装载器，该装载器被配置为将衬底或一批衬底传送到装载锁元件或装载锁中。

在某些示例实施例中，致动器布置包括第一装载锁元件中的第一水平致动器和反应腔室元件中的竖直致动器，第一水平致动器被配置为接收衬底或一批衬底并通过第一装载锁将衬底或一批衬底水平传送到真空腔室中，并且竖直致动器被配置为接收来自第一水平致动器的衬底或一批衬底、并且将衬底或一批衬底降低到反应腔室中。在某些示例实施例中，竖直致动器被配置为抬升承载衬底或一批衬底的衬底支架以释放衬底支架上的水平致动器的抓握。

在某些示例实施例中，通过除了装载衬底或一批衬底之外的开口卸载衬底或一批衬底。

在某些示例实施例中，该系统包括第二装载锁元件，该第二装载锁元件包括第二装载锁。

在某些示例实施例中，该系统包括在第一装载锁与真空腔室的装载开口之间的第一装载阀。

在某些示例实施例中，该系统包括在第一装载锁与真空腔室的装载开口之间的第一装载阀，以及在第二装载锁与真空腔室的装载开口之间的第二装载阀。

在某些示例实施例中，致动器布置包括第二装载锁元件中的第二水平致动器。在某些示例实施例中，第二水平致动器被配置为接收来自竖直致动器的衬底或一批衬底。

在某些示例实施例中，第一装载锁形成受限的闭合容积，并且包括致动器布置的一部分。

致动器布置可以是在第一装载锁元件和反应腔室元件中(以及在某些实施例中，在第二装载锁元件中)具有部件的致动器设备。在某些示例实施例中，该系统被配置为提供自动化衬底处理。在某些示例实施例中，自动化衬底处理包括将衬底或一批衬底从第一装载锁元件或装载锁自动(没有人工交互)传送到反应腔室元件的反应腔室中。在某些示例实施例中，自动化衬底处理还包括将衬底或一批衬底从反应腔室自动(没有人工交互)传送到第一或第二装载锁元件或装载锁中。在某些示例实施例中，自动化衬底处理包括将衬底或一批衬底从装载模块自动(没有人工交互)传送到第一装载锁元件或装载锁中。

在某些示例实施例中，该系统包括装载模块，诸如，设备前端模块和/或被连接至第一装载锁元件的装载机器人。

在某些示例实施例中，真空腔室包括至少一个遮蔽元件，该至少一个遮蔽元件被配置为将被移动到真空腔室的至少一个装载开口前面。

在某些示例实施例中，至少一个遮蔽元件被配置为与致动器一起移动和/或与装载阀的开启和关闭同步。

在某些示例实施例中，该系统包括至少一个残余气体分析器元件，该至少一个残余气体分析器元件包括残余气体分析器RGA、并且被连接至第一装载锁元件和/或第二装载锁元件和/或前级管线。在某些示例实施例中，该系统被配置为基于从RGA所接收到的信息来控制过程定时。例如，过程定时可能指的是衬底或一批衬底在装载锁中的预处理时间或定时前体脉冲的起始点。

在某些示例实施例中，RGA被配置为分析来自反应腔室的排出气体，以便让用户调整或自动调整反应腔室中的清洁和/或反应物进料和/或脉冲序列定时。在某些示例实施例中，RGA被配置为检测系统中的泄漏。

在某些示例实施例中，反应腔室包括可移除或固定的导流元件。在某些示例实施例中，导流元件包括多个孔径。在某些示例实施例中，导流元件被附接至固定或可移除的框架。在某些示例实施例中，导流元件被定位于反应腔室的进气侧。在某些示例实施例中，反应腔室包括在反应腔室的排气侧的可移除或固定导流元件。在某些示例实施例中，反应腔室包括两个导流元件：一个在进气侧，并且一个在前级管线(排气)侧。在某些示例实施例中，提供了一种影响反应腔室元件内的压力和流量的受控前级管线流。(多个)导流元件对反应器元件内的气流和压力提供了受控效果，从而提高了优化涂层的均匀性的可能性。

在某些示例实施例中，该系统包括被连接至反应腔室元件的至少一个被加热的源元件。

在某些示例实施例中，该系统包括在真空腔室内部行进的源入口。在某些示例实施例中，该系统包括温度稳定布置，该温度稳定布置包括在真空腔室内部绕道行进的反应腔室源入口管线以用于稳定入口管线内的前体化学物质的温度。这与使反应腔室源入口管线行进从真空腔室的外部到反应腔室的基本上最短的路线相反。

在某些示例实施例中，前级管线在真空腔室内部行进。在某些示例实施例中，前级管线在其途中绕道到达真空腔室外部以保持前级管线热(接近真空腔室内的主要温度)，以防止对热量的化学吸收。较热的前级管线也增加了化学反应，以便降低化学物质扩散回反应腔室的可能性。

在某些示例实施例中，该系统包括用于保持待被处理的衬底或一批衬底的盒。在某些示例实施例中，该系统包括用于保持待被水平处理的衬底或一批衬底的盒。在某些示例实施例中，在没有盒或类似物的情况下处理衬底。

在某些示例实施例中，通过利用衬底支架承载衬底或一批衬底来在装载锁和反应腔室元件内处理衬底或一批衬底。衬底支架可以承载纯衬底。在某些示例实施例中，衬底支架包括一个或多个衬垫以使(多个)衬底置于其上。备选地，衬底支架承载驻留在另一衬底支架(例如，盒)中的衬底。可以在真空腔室内翻转支架，以将衬底或一批衬底的定向从竖直改变为水平(或从水平改变为竖直)。

在某些示例实施例中，该系统包括旋转器，该旋转器被配置为使衬底或一批衬底在反应腔室内旋转。因此，在某些示例实施例中，该系统被配置为在原子层处理期间使衬底或一批衬底在反应腔室内旋转。在某些示例实施例中，承载衬底或一批衬底的衬底支架是旋转衬底支架。

在某些示例实施例中，该系统被配置为在第一装载锁元件中加热衬底或一批衬底。在某些示例实施例中，该系统被配置为在第一装载锁元件或第二装载锁元件中冷却衬底或一批衬底(由ALD处理)。在某些示例实施例中，该系统被配置为在第一装载锁元件和第二装载锁元件中的至少一个中加热或冷却衬底或一批衬底。

在某些示例实施例中，该系统被配置为将装载锁压力抽空至低于反应腔室中所使用的压力。

在某些示例实施例中，该系统被配置为测量来自装载锁中的衬底或一批衬底的气体。

根据本发明的第二示例方面，提供了一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，该方法包括：

将衬底或一批衬底传送到第一装载锁中；

经由第一装载阀和装载开口将衬底或一批衬底进一步从第一装载锁水平传送到真空腔室中；

在真空腔室中接收衬底或一批衬底，并且将衬底或一批衬底降低到真空腔室内部的反应腔室中，这种降低行为利用盖关闭了反应腔室；

在反应腔室中执行原子层沉积；

从反应腔室升高衬底或一批衬底；

接收来自反应腔室的衬底或一批衬底，并且经由第一装载阀或第二装载阀和装载开口将衬底或一批衬底从真空腔室传送到第一装载锁或第二装载锁中。

在某些示例实施例中，该方法包括：在原子层沉积之前，分别将至少一个遮蔽元件移动到至少一个装载开口前面；以及在原子层沉积之后，分别从至少一个装载开口前面移除至少一个遮蔽元件。

在某些示例实施例中，该方法包括将衬底或一批衬底承载在系统内的盒(或衬底支架)中。在某些示例实施例中，在没有盒或类似物的情况下处理单一衬底或多个衬底。

在某些示例实施例中，该方法包括将衬底或一批衬底的系统在传送到装载锁之前装载到盒中。在某些示例实施例中，该方法包括装载来自装载锁的衬底或一批衬底的系统。

在某些示例实施例中，该方法在水平方向上提供反应腔室内的气体进料。在某些示例实施例中，反应腔室内的气体进料相对于(多个)衬底的水平传送方向是横向的。在某些示例实施例中，反应腔室内的气体进料与(多个)衬底的水平传送方向平行。

在某些示例实施例中，反应腔室中的一种或多种气体的压力或流速通过控制前级管线中的进入气流和/或排出气流来调整。

在某些示例实施例中，使用形成反应腔室的一部分并且由金属氧化物保护的一个或多个表面，以便提高化学耐久性和/或以便改进向内的热反射。

根据第三示例方面，提供了一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，该方法包括：

将遮蔽元件设置在反应腔室的外部，但是在真空腔室的内部；

将真空腔室内的遮蔽元件移动到真空腔室的装载开口前面；以及

在真空腔室内部的反应腔室中执行原子层沉积。

根据第四示例方面，提供了一种用于原子层沉积ALD的设备，该设备包括：

反应腔室，该反应腔室在真空腔室内部；以及

遮蔽元件，在反应腔室的外部，但是在真空腔室的内部，该设备被配置为

将真空腔室内的遮蔽元件移动到真空腔室的装载开口前面；以及

在真空腔室内部的反应腔室中执行原子层沉积。

根据第五示例方面，提供了一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，该方法包括：

在真空腔室内部设置反应腔室，以及设置从反应腔室通向真空腔室的外部的前级管线，该方法包括：

通过允许前级管线在真空腔室内在其途中绕道到达真空腔室的外部来维持前级管线内的热量。

根据第六示例方面，提供了一种用于原子层沉积ALD的设备，该设备包括：

反应腔室，在真空腔室内部；以及

前级管线，从反应腔室在其途中绕道到达真空腔室的外部。

根据第七示例方面，提供了一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，该方法包括：

在真空腔室内部设置反应腔室；

在反应腔室中对敏感衬底或一批敏感衬底执行原子层沉积；

在沉积之后，经由真空腔室将衬底或一批敏感衬底传送到装载锁，该装载锁被连接至真空腔室；以及

在真空中冷却装载锁内的敏感衬底或一批敏感衬底。

敏感衬底包括，例如，玻璃、硅、PCB和聚合物衬底。在另一示例实施例中，在真空中冷却装载锁内的金属衬底或一批金属衬底。

根据第八示例方面，提供了一种用于原子层沉积ALD的设备，该设备包括：

反应腔室元件，包括在真空腔室内部的反应腔室；

前级管线，被连接至反应腔室、并且被配置为将气体从反应腔室引出；

残余气体分析器，被连接至前级管线；以及

控制元件，被连接至反应腔室元件和被连接至残余气体分析器，其中

控制元件被配置为通过由残余气体分析器测量所接收的信息控制过程定时。

在某些示例实施例中，测量信息包括从反应腔室排出的气体的水分含量。在某些示例实施例中，测量信息包括关于从反应腔室排出的反应产物或副产物的量的信息。在某些示例实施例中，控制单元被配置为如果所接收的信息超过预定义限制则防止前体脉冲开始。在某些示例实施例中，控制单元被配置为确保存在被供给到反应腔室中的化学物质，从而验证反应器的正常运行。

真空中的冷却最小化了损坏所沉积的(多个)衬底的风险。在某些示例实施例中，冷却时装载锁中所使用的真空压力与真空腔室中所使用的真空压力相同。

在前文中已经说明了本发明的不同的非约束性的示例方面和实施例。上述实施例仅被用于解释可以在实施本发明时使用的所选方面或步骤。可以仅参照本发明的某些示例方面呈现一些实施例。应该了解，对应的实施例也可以应用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当组合。

附图说明

现在仅通过示例的方式参照附图描述了本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的示意性俯视图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的示意性侧视图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室的示意性侧视图；

图9示出了根据本发明的一个实施例的装载原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意性原理图；

图10示出了根据本发明的另一实施例的原子层沉积(ALD)系统的示意性俯视图；

图11示出了根据本发明的一个实施例的操作原子层沉积(ALD)系统的方法的流程图；

图12示出了根据本发明的备选实施例的装载原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意性原理图；以及

图13示出了根据本发明的又一实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，使用原子层沉积(ALD)技术作为一个示例。ALD生长机制的基础是技术人员已知的。ALD是基于将至少两种反应性前体物质顺序引入到至少一个衬底的特殊化学沉积方法。然而，应理解，当使用光增强ALD或PEALD时，这些反应性前体中的其中一种可以被替代为能量，导致单一前体ALD过程。通过ALD生长的薄膜致密，无针孔并且具有均匀厚度。

通常，将至少一个衬底暴露于反应容器中的时间上分离的前体脉冲，以通过顺序的自饱和表面反应将材料沉积在衬底表面上。在本申请的上下文中，术语ALD包括所有适用的基于ALD的技术和任何等效或密切相关的技术，诸如例如，以下ALD子类型：MLD(分子层沉积)、PEALD(等离子体增强原子层沉积)、以及光增强原子层沉积(也被称为闪光增强ALD)。

基本的ALD沉积循环由四个顺序步骤组成：脉冲A、吹扫A、脉冲B和吹扫B。脉冲A由第一前体蒸汽组成，而脉冲B由另一前体蒸汽组成。在吹扫A和吹扫B期间，通常使用惰性气体和真空泵以用于吹扫气态反应副产物以及来自反应空间的残余反应物分子。沉积序列包括至少一个沉积循环。重复沉积循环，直到沉积序列产生了期望厚度的薄膜或涂层。沉积循环也可以更简单或更复杂。例如，循环可以包括由吹扫步骤分离的三个以上的反应物蒸汽脉冲，或者可以省略某些吹扫步骤。所有这些沉积循环形成由逻辑单元或微处理器控制的定时沉积序列。

图1示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统100的示意性俯视图。ALD系统100包括第一装载锁元件110，该第一装载锁元件110被配置为接收待被装载到系统中以用于沉积的衬底。在一个实施例中，衬底被放置到用于装载的衬底支架或盒中，并且该盒由被包括在ALD系统100中的盒元件120处理。在一个实施例中，盒元件120被替换为将盒装载到装载锁元件110中的人。备选地，衬底被装载到装载锁元件110中的衬底支架或盒中。在一个实施例中，第一装载锁元件还被配置为接收在沉积之后待从系统卸载的衬底。

ALD系统100还包括反应腔室元件160，该反应腔室元件160包括单一部分真空腔室。第一装载锁元件110经由下文所描述的第一闸阀元件230被连接至反应腔室元件160。系统100还包括控制元件130、包括液体和气体源的化学源元件140、以及被加热的化学源元件170。在另一实施例中，ALD系统100包括成排的多个反应腔室元件，在一个实施例中，与另外的闸阀元件连接。尽管在图1中的特定侧面描绘了化学源，但是在一个实施例中，根据情况以不同方式选择源元件140和被加热的源元件170的位置。

在一个实施例中，ALD系统100还包括第二装载锁元件150，该第二装载锁元件150被配置为接收在沉积之后所卸载的衬底。第二装载锁元件经由下文所描述的第二闸阀元件250被连接至反应腔室元件160。

ALD系统100还包括残余气体分析器元件，该残余气体分析器元件包括被连接至第一装载锁元件和/或第二装载锁元件，和/或被连接至颗粒捕集器190之前的前级管线的残余气体分析器(RGA)180。

应注意，上文和下文所描述的ALD系统100的元件可单独从系统拆卸，从而在例如定期维护的情况下提供便于访问。

图2示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的示意性侧视图。图2中所示的系统包括如上文参照图1所描述的元件。

第一装载锁元件110包括第一水平致动器210，该第一水平致动器210被配置为将装载有待被处理的衬底的衬底支架(或盒)传送到反应腔室元件160中。在一个实施例中，第一水平致动器包括线性致动器。在本说明书中，术语盒和衬底支架可交换使用。其中衬底被装载到装载锁元件110的盒不一定与在系统内进一步承载(多个)衬底的衬底支架相同。

第一装载锁元件还包括第一装载锁220。使用盒元件120将保持衬底的盒/支架装载到第一装载锁中。第一装载锁220包括门，通过该门插入衬底的盒。在备选实施例中，来自盒(或另一衬底支架)的平面衬底或3D衬底或一批衬底被装载到在第一装载锁220内等待的衬底支架中。因此，衬底或一批衬底可以与已经承载(多个)衬底的盒一起装载，或者从一个盒装载到第二盒中。在一个实施例中，第一装载锁还包括循环温度控制器，该循环温度控制器被配置为使用大气压下的对流将装载锁保持在期望的温度。

在一个实施例中，装载锁被配置为执行以下中的一个或多个：

-加热(多个)衬底；

-冷却(多个)衬底；

-将装载锁抽空到中间空间(即，真空腔室壁与反应腔室壁之间的空间)的真空中；

-将装载锁抽空到真空中，其中的压力低于中间空间和ALD反应条件的压力，例如，50μbar；

-利用连续气流吹扫(多个)衬底以便使它(们)的温度均匀；

-利用连续气流吹扫(多个)衬底以便干燥和/或净化它(们)；

-使装载锁内的热量均匀，例如，通过在装载锁内操作的风扇。

-借助于RGA 180来分析排出气体。

在一个实施例中，装载锁包括惰性气体气氛。在另一实施例中，装载锁包括可变的真空状态以影响加热和排气。在一个实施例中，装载锁由热辐射或电磁辐射(诸如，微波)加热。

在一个实施例中，第一装载锁220包括被配置为抽空装载锁的泵，例如，涡轮分子泵。应注意，第一装载锁220包括例如气体连接、电气连接、以及本领域已知方式的其他部件。

第一装载锁元件110还包括被配置为将第一装载锁220连接至反应腔室元件160的第一闸阀元件230或装载阀。第一装载阀230被配置为将被开启以便允许第一水平致动器210将保持待被处理的衬底的盒传送到反应腔室元件160中，并且被配置为将被关闭以便关闭反应腔室元件160。在一个实施例中，第一装载锁和第一装载阀还被配置为用于卸载反应腔室元件160。

反应腔室元件160包括竖直致动器240，该竖直致动器240被配置为从第一水平致动器接收待被处理的衬底的盒并且将盒降低到反应腔室元件160的下部的反应腔室中，以及从反应腔室抬升盒。

ALD系统100的第二装载锁元件150包括与第一装载锁元件110类似的部件。第二装载锁元件150包括第二装载锁260，该第二装载锁260具有与上文所描述的第一装载锁220类似的属性和结构。第二装载锁元件还包括第二水平致动器270，该第二水平致动器270被配置为将已经被处理的盒从反应腔室元件160传送到第二装载锁260中。

第二装载锁元件150还包括被配置为将第二装载锁260连接至反应腔室元件160的第二闸阀元件250或第二装载阀。第二装载阀250被配置为将被开启以便允许第二水平致动器270将保持已经被处理的衬底的盒从反应腔室元件160传送，并且被配置为将被关闭以便关闭反应腔室元件160。

致动器210、240(或致动器210、240和270)形成致动器布置。在一个实施例中，致动器布置被配置为将衬底水平和竖直移动到它们在反应腔室中的位置。

根据一个实施例，在正常操作中，在环境压力下盒中的衬底或样品被装载到装载锁220(或260)中，并且随后关闭装载锁的门。根据所使用的程序，装载锁被抽空并且被排放至受控的温度和压力，如针对被装载的衬底所编程的那样。装载的示例包括：将环境气体抽空到1μbar(1*10^-6bar)的真空，利用惰性气体将装载锁排放至预选的压力，加热衬底同时利用RGA 180测量排出气体，并且将真空水平调整至反应腔室元件160的中间空间的真空水平。借助于例如风扇、热辐射和/或循环压力可以利用空气流加速衬底加热。在一个实施例中，在将衬底传送到反应腔室元件160中时，衬底处于与反应腔室元件160中相同的温度。

根据一个实施例，来自反应腔室元件160(或图4的反应腔室420)的排出气体的水分含量由系统所包括的RGA 180测量。在一个实施例中，这种所接收的信息(水分含量)被用于通过控制元件130控制原子层沉积的开始。

在一个实施例中，被连接至RGA 180的控制元件130基于从RGA 180所接收到的信息控制前体脉冲的起始点。RGA 180测量例如反应腔室废气的水分含量和/或从反应腔室420排出的反应产物或副产物的量。RGA 180被连接至反应腔室420的排气口和/或前级管线630(图6)。

图3示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件160的示意图。包括真空腔室310的反应腔室元件160具有被称为中间空间的内部，在操作、装载和卸载期间被保持在真空中。在一个实施例中，真空腔室310包括单件式真空腔室，即，没有用于真空腔室和反应腔室的分离的外主体。在另一实施例中，存在多于一个的反应腔室。在另一实施例中，在实施例中利用致动器210、270执行在真空腔室310内部的多个腔室或另外的反应腔室元件之间的衬底抬升。

反应腔室元件160包括竖直致动器240，该竖直致动器240被配置为在竖直方向上将衬底的盒传送到真空腔室310内部。使用相同或不同的致动器来从中间空间关闭反应腔室盖。

在一个实施例中，反应腔室元件还包括致动器元件，该致动器元件用于将遮蔽元件升高到被连接至第二装载阀250的装载开口350前面。应理解，真空腔室310的另一端包括用于连接至第一装载阀230的类似开口以及用于将遮蔽元件升高到该开口前面的类似致动器元件。

在一个实施例中，真空腔室310还包括被配置为提供视图或使传感器适应反应腔室310的一个或多个观察窗330以及用于连接至被加热的源元件170中的未加热或加热源、或者源元件140中的未加热源的引线340。在一个实施例中，引线340连接源元件170的(多个)源，并且穿过真空腔室310的底壁部分(未在图4中示出)的分离引线连接了源元件140的(多个)源。在一个实施例中，穿过真空腔室310的侧壁部分的引线340以及来自源元件140并且在实施例中穿过真空腔室310的底壁部分的引线(未示出)通向反应腔室420的入口(图4)。

图4示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件160的示意图。真空腔室310包括反应腔室420，在一个实施例中，在真空腔室310的下部，真空腔室内的剩余内部空间形成中间空间。真空腔室310还包括盒架盖410，该盒架盖410被连接至竖直致动器、并且被配置为将被降低到反应腔室420的顶部以将其关闭。盒架盖410也因此形成反应腔室盖。

盒架盖410被配置为接收所装载的盒，并且将盒降低到反应腔室420中。与向上移动衬底相比，将盒架盖/反应腔室盖410降低到反应腔室上具有优势。由于衬底通过其自身重量使盖向下集中，所以不需要附加的外力。由反应腔室外部的热膨胀引起的可能位移变得无关紧要。这防止了反应腔室420边缘与盖410之间的磨损，以及归因于较小的热变化和压力变化而可能发生的颗粒形成。

真空腔室310还包括遮蔽元件440，该遮蔽元件440被配置为从装载开口前面移动，例如当装载腔室时降低，并且使用致动器320移动(例如，升高)到装载开口前面。在一个实施例中，遮蔽元件包括金属板，该金属板被配置为防止来自中间空间的热量加热该侧的装载锁，即，遮蔽元件被配置为充当热反射器。在一个实施例中，遮蔽元件440包括一堆金属板。应理解，真空腔室的另一端包括类似的遮蔽元件440。

在一个实施例中，遮蔽元件440的致动以及闸阀230、250和/或盖410的开启和关闭与共用致动器同步和/或集成以执行两个任务。

真空腔室310还包括在中间空间中在腔室310的内表面上的加热器450(在一个实施例中是辐射加热器)，加热器450被配置为将真空腔室310和反应腔室420保持在期望温度。在一个实施例中，加热器位于真空腔室310的外部，因此真空腔室310壁会将热量传导到内部。

图5示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件160的示意图。真空腔室310包括被连接至被加热的源元件170或源元件140的源入口管线510。源入口管线510被配置为在真空腔室内部行进一定距离，以便在进入反应腔室420之前稳定真空腔室的温度以及其中的前体化学物质的温度。反应腔室420在其入口侧包括导流元件520，该导流元件520被配置为将被定位在待被涂覆的衬底与来自源管线510的进入气体之间。在一个实施例中，导流元件是可移除导流元件。在一个实施例中，导流元件包括多个孔径。在一个实施例中，导流元件是网孔或穿孔板或类似物。

图6示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件160的示意图。在一个实施例中，反应腔室420包括固定或可移除框架620，并且在一个实施例中包括第二导流元件520’(入口侧的导流元件520也可以被安装在固定或可移除框架中)。在一个实施例中，第二导流元件520’是可移除导流元件。在一个实施例中，导流元件520’包括多个孔径。在一个实施例中，导流元件520’是网孔或穿孔板或类似物。然而，在一个实施例中，第二导流元件520’中的孔径与导流元件520中的孔径在数量和/或形状和/或大小上不同。

真空腔室310包括真空或排气管线，在下文中表示为被连接至将被配置为抽空真空腔室310的泵(未示出)、并且(在一个实施例中)被连接至颗粒捕集器190的前级管线630。在一个实施例中，前级管线630在真空腔室310的内部行进一定距离，以便减少通过真空腔室310的热量损耗，即，中间空间内部的前级管线630被保持在与真空腔室310相同的温度。真空腔室310还包括用于加热器元件的引线640。中间空间进一步经由一条或多条不同路线(诸如，640)被连接至相同或不同的前级管线630。

在一个实施例中，前级管线630被直接连接至颗粒捕集器190或泵，以便进一步降低压力和/或改变反应腔室中的气流行为。

图7示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件160的示意图。图7示出了处于关闭配置的反应腔室420，即，盖410已经被降低到反应腔室420上，以便从中间空间关闭反应腔室420。在一个实施例中，相同关闭动作将待被涂覆的衬底降低到反应腔室中。图7进一步示出了处于关闭位置的遮蔽元件440，即，被升高到装载开口前面。

图8示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室420的示意性侧视图。图8进一步示出了被装载在反应腔室中的盒810。盒810包括待被处理的一批衬底801。衬底801被水平放置在盒中，从而允许处理薄的和/或柔性的衬底。在一个实施例中，衬底801备选地被竖直放置。在又一实施例中，在没有盒或衬底支架的情况下，衬底被装载到反应腔室中。在这种实施例中，致动器布置抓住衬底并且装载它。

图8示出了具有进气布置820的反应腔室的入口侧、(第一)导流元件520、以及具有第二导流元件520’和前级管线630的反应腔室的真空(或排气)侧。进气布置820和前级管线630以这样的方式布置，即提供水平的前体气流。

在示例涂覆工艺中，通过控制进入和排出的气流，中间空间被维持在20至5hPa的恒定压力。在一个实施例中，通过控制排出气流，中间空间被维持在恒定压力。在一个有利实施例中，通常存在一些气体通过除了通过反应腔室420和前级管线630之外的路线离开中间空间。在所使用的化学工艺和待被处理的衬底所需的压力和温度下操作反应腔室420。压力通常在10至0.1hPa之间，但是在一些情况下会低至0.001hPa。在一个有利实施例中，中间空间具有高于反应腔室420的压力，使得反应性化学物质不会抵抗压力进入到中间空间中。

在一个实施例中，在装载锁中，待被处理的衬底被加热到反应腔室中所使用的温度，例如，80至160℃，或者30至300℃，取决于衬底和所需的工艺。

通过控制进入气体的体积或质量流，并且在一个实施例中备选地或附加地，通过利用泵送参数控制前级管线泵送，来调整通过进气布置820到达反应腔室420的流量。通过改变反应性气体通过衬底盒的流速，根据需要提供更长的反应时间。这使得例如能够定位待被涂覆的任意形状的衬底或极高纵横比的衬底，例如，深度和宽度的比率为2000:1。在一个实施例中，流量的控制包括测量与反应腔室、中间空间、进气管线和前级管线630有关的压力。

图9示出了根据本发明的一个实施例的将盒中的衬底装载到原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件中的示意性原理图。盒810从第一装载锁通过第一装载阀被水平传送到真空腔室中，以由盖和被附接至盖的盒架(即，盒架盖410)拾取，然后由竖直致动器240被竖直地降低到反应腔室420中。

图10示出了根据本发明的一个实施例的原子层沉积(ALD)系统的示意性俯视图，其包括不同的盒元件。在该实施例中，盒元件120被替换为装载模块1010，诸如，设备前端模块(EFEM)。装载模块1010被定位于装载锁元件110的一侧或两侧。在一个实施例中，图10所描绘的装载模块1010适用于装载平面衬底，诸如，晶片。衬底可以驻留在标准单元1020中，诸如，前开开式标准晶圆盒(front opening uniform pods，FOUP)。装载模块1010将衬底从标准单元1020传送到装载锁元件110中。装载模块1010将多个衬底同时传送到一个或多个水平或竖直堆栈。它可以单独地或作为堆栈传送衬底。可以利用装载机器人或类似物执行(多个)衬底的旋转，如果需要旋转的话。将(多个)衬底传送到装载锁中是在没有人工交互的情况下执行的自动化过程。

在又一实施例中，前体化学物质经由反应腔室盖410中的通道被供给到反应腔室420中。在该实施例中，进气布置820适用于将反应化学物质供给到盖410，并且分配器板(导流元件)520被水平地定位在衬底上。在该实施例中，前级管线630被定位于反应腔室420的底部。

图11示出了根据本发明的一个实施例的操作原子层沉积(ALD)系统的方法的流程图。在步骤1100中，待被处理的一批衬底将被水平装载到盒810中，在步骤1110中使用盒元件120该盒810被装载到第一装载锁110中。在步骤1120中，使用第一水平致动器210，盒810被水平传送到真空腔室310中，并且通过被连接至竖直致动器240的盖420拾取。在步骤1130中，盒被降低到反应腔室420中，并且移动遮蔽元件440，在一个实施例中升高到装载开口前面。在步骤1140中，在反应腔室420中执行原子层沉积。在步骤1150中，从反应腔室420升高盒810，并且从装载开口前面移动(在一个实施例中降低)遮蔽元件440。在步骤1160中，通过第一水平致动器210或第二水平致动器270，盒被拾取并且被传送到第一装载锁220或第二装载锁260中。在具有多个反应腔室的实施例中，以与装载锁210类似的方式装载所有反应腔室。

图12示出了根据本发明的备选实施例的装载原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意性原理图。在该实施例中，衬底被竖直地定向在支架801中以形成被竖直定向的衬底的水平堆栈。除此以外，该实施例的操作对应于图9的操作。前体气体的流动与衬底表面平行，所以流动方向在图12中是“自后到前”。

图13示出了根据本发明的又一实施例的原子层沉积(ALD)系统的反应腔室元件的示意图。在该实施例中，具有盒810的衬底801由旋转盒架通过盖1310承载。保持衬底801(或盒810)的支架部分1305可通过被集成到竖直致动器240的马达1320旋转。旋转器轴1315(自马达1320的竖直致动器240的内部)从真空腔室310的外部延伸到在反应腔室420内部的可旋转支架部分1305。在备选实施例中，从底部通过独立于升高致动器240的反应腔室420的底部布置了衬底从马达1320经由轴的旋转。在又一备选实施例中，从侧面通过反应腔室240的侧壁布置衬底从马达1320经由轴的旋转。

在又一实施例中，处理诸如玻璃、硅、PCB或聚合物衬底等敏感衬底或一批敏感衬底。反应腔室420被设置在真空腔室310内部，并且在反应腔室420中对敏感衬底或一批敏感衬底执行原子层沉积。在沉积(ALD)之后，经由真空腔室310，敏感衬底或一批敏感衬底被传送到与真空腔室连接的装载锁220或装载锁260。在真空中冷却装载锁内的敏感衬底或一批敏感衬底。通过在真空中冷却(多个)敏感衬底，显著降低了破坏(多个)衬底的风险。

在不限制专利的权利要求的范围和解释的情况下，在下文中列举了本文中所公开的一个或多个示例实施例的某些技术效果。技术效果是能够同时排气和/或加热、ALD处理，包括调整中间空间与反应腔室之间的真空水平的可能性，以及反应腔室中的衬底的温度稳定，以及包括调整卸载压力的冷却。另一技术效果是允许处理以最小应力水平所放置的敏感(诸如，柔性)衬底。进一步的技术效果是在不翻转的情况下装载衬底以进行沉积。更进一步的技术效果是系统的高度更低，这归因于真空腔室结构利用水平移动到反应器来为在人手高度上装载和处理衬底提供了方便。又进一步的技术效果是允许利用反应腔室上的衬底竖直降低盖，使得不会有可能产生颗粒的金属到金属界面的移动(可能是热)，并且这些界面将中间压力与反应腔室压力和气体分离。更进一步的技术效果是利用遮蔽元件和在真空腔室内部延伸的较长真空线改进温度控制。更进一步的技术效果是易于维护，这归因于模块化结构还能够实现由成排的多个反应腔室组成的组件，该多个反应腔室可能由另外的闸阀元件分离。更进一步的技术效果是利用竖直的盖移动使颗粒产生最小化。更进一步的技术效果是该组件在真空腔室元件内部、在相同或不同的中间空间中具有多个反应腔室，使得一个腔室可以独立于另一腔室中的操作而被装载或卸载。

应注意，前面所讨论的一些功能或方法步骤可以以不同顺序执行和/或彼此同时执行。此外，上述功能或方法步骤中的一个或多个可以是可选的或者可以被组合。

前面的描述已经通过本发明的特定实施方式和实施例的非限制性示例提供了由本发明人当前设想的用于执行本发明的最佳模式的完整且信息丰富的描述。然而，这对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明并不限于前面呈现的实施例的细节，而是可以在不脱离本发明的特性的情况下使用等效方式在其他实施例中实施。

此外，本发明的之前所公开的实施例的一些特征可以在没有对应地使用其他特征的情况下被有利地使用。因此，前面的描述应该被认为仅仅是对本发明的原理的说明，而不是对其的限制。因此，本发明的范围仅受所附专利的权利要求限制。

Claims (29)

1.一种用于原子层沉积ALD的系统，包括：

-反应腔室元件(160)，包括

真空腔室(310)；

反应腔室(420)，在所述真空腔室(310)内部；以及

进气布置(820)和前级管线(630)，被配置为在所述反应腔室(420)中提供水平气流；

-致动器布置，包括反应腔室盖(410)，以及

-至少一个第一装载锁元件(110)，包括第一装载锁(220)，

所述致动器布置被配置为接收待被处理的衬底或一批衬底，并且通过所述第一装载锁(220)将所述衬底或所述一批衬底水平传送到所述真空腔室中，

所述致动器布置还被配置为将所述真空腔室内的所述衬底或所述一批衬底降低到所述反应腔室(420)中，从而利用所述盖(410)关闭所述反应腔室。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器布置包括在所述第一装载锁元件(110)中的第一水平致动器(210)和在所述反应腔室元件(160)中的竖直致动器(240)，所述第一水平致动器(210)被配置为接收所述衬底或所述一批衬底、并且通过所述第一装载锁(220)将所述衬底或所述一批衬底水平传送到所述真空腔室中，并且所述竖直致动器(240)被配置为接收来自所述第一水平致动器(210)的所述衬底或所述一批衬底、并且将所述衬底或所述一批衬底降低到所述反应腔室(420)中。

3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括第二装载锁元件(150)，所述第二装载锁元件(150)包括第二装载锁(260)。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括在所述第一装载锁(220)与所述真空腔室(310)的装载开口之间的第一装载阀(230)。

5.根据权利要求3所述的系统，还包括在所述第一装载锁与所述真空腔室(310)的装载开口之间的第一装载阀(230)，以及在所述第二装载锁(260)与所述真空腔室(310)的装载开口之间的第二装载阀(250)。

6.根据权利要求3或5所述的系统，其中所述致动器布置包括在所述第二装载锁元件(150)中的第二水平致动器(270)。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述真空腔室包括至少一个遮蔽元件(440)，所述至少一个遮蔽元件(440)被配置为将被移动到所述真空腔室(310)的至少一个装载开口前面。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个遮蔽元件(440)被配置为与致动器(320)一起移动和/或与所述装载阀(230、250)的开启和关闭同步。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，还包括至少一个残余气体分析器元件(180)，所述至少一个残余气体分析器元件(180)包括残余气体分析器RGA、并且被连接至所述第一装载锁元件(110)和/或所述第二装载锁元件(150)和/或所述前级管线630。

10.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述前级管线(630)在所述真空腔室(310)内部行进。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述反应腔室(420)包括至少一个可移除导流元件(520、520’)。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，还包括被连接至所述反应腔室元件(160)的被加热的源元件(170)。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述真空腔室包括在所述真空腔室(310)内部行进的源入口(510)。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，还包括用于保持待被处理的所述衬底或所述一批衬底的盒(810)。

15.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，包括旋转器(1320)，所述旋转器(1320)被配置为使所述衬底或所述一批衬底在所述反应腔室(420)内旋转。

16.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，还包括装载模块(120)，诸如，设备前端模块，和/或被连接至所述第一装载锁元件(110)的装载机器人。

17.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述系统被配置为在所述第一装载锁元件(110)和第二装载锁元件(150)中的至少一个中加热或冷却所述衬底或所述一批衬底。

18.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述系统被配置为将所述装载锁压力抽空至低于所述反应腔室(420)中所使用的压力。

19.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中所述系统被配置为测量来自所述装载锁(220、260)中的所述衬底或所述一批衬底的气体。

20.一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，包括：

将衬底或一批衬底传送到第一装载锁(220)中；

经由第一装载阀(230)和装载开口将所述衬底或所述一批衬底进一步从所述第一装载锁(220)水平传送到真空腔室(310)中；

在所述真空腔室(310)中接收所述衬底或所述一批衬底，并且将所述衬底或所述一批衬底降低到所述真空腔室(310)内部的反应腔室(420)中，所述降低行为利用盖(410)来关闭所述反应腔室(420)；

在所述反应腔室(420)中执行原子层沉积；

从所述反应腔室(420)升高所述衬底或所述一批衬底；

接收来自所述反应腔室的所述衬底或所述一批衬底，并且经由所述第一装载阀(230)或第二装载阀(250)和装载开口将所述衬底或所述一批衬底从所述真空腔室(310)传送到所述第一装载锁(220)或第二装载锁(260)中。

21.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括：在所述原子层沉积之前，分别将至少一个遮蔽元件(440)移动到所述至少一个装载开口前面；以及在所述原子层沉积之后，分别从所述至少一个装载开口前面移除所述至少一个遮蔽元件(440)。

22.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，包括将所述衬底或一批衬底承载在所述系统内的盒(810)中。

23.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述反应腔室中的所述一种或多种气体的压力或流速通过控制前级管线(630)中的进入气流和/或排出气流来调整。

24.一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，包括：

将遮蔽元件设置在反应腔室的外部，但是在真空腔室的内部；

将所述真空腔室内的所述遮蔽元件移动到所述真空腔室的装载开口前面；以及

在所述真空腔室内部的所述反应腔室中执行原子层沉积。

25.一种用于原子层沉积ALD的设备，包括：

反应腔室，在真空腔室内部；以及

遮蔽元件，在反应腔室的外部，但是在所述真空腔室的内部，所述设备被配置为

将所述真空腔室内的所述遮蔽元件移动到所述真空腔室的装载开口前面；以及

在所述真空腔室内部的所述反应腔室中执行原子层沉积。

26.一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，包括：

在真空腔室内部设置反应腔室，以及设置从所述反应腔室通向所述真空腔室的外部的前级管线，所述方法包括：

通过允许所述前级管线在所述真空腔室内在其途中绕道到达所述真空腔室的外部来维持所述前级管线内的热量。

27.一种用于原子层沉积ALD的设备，包括：

反应腔室，在真空腔室内部；以及

前级管线，从所述反应腔室在其途中绕道到达所述真空腔室的外部。

28.一种操作用于原子层沉积ALD的系统的方法，包括：

在真空腔室内部设置反应腔室；

在所述反应腔室中对敏感衬底或一批敏感衬底执行原子层沉积；

在所述沉积之后，经由所述真空腔室将所述敏感衬底或所述一批敏感衬底传送到与所述真空腔室连接的装载锁；以及

在真空中冷却所述装载锁内的所述敏感衬底或所述一批敏感衬底。

29.一种用于原子层沉积ALD的设备，包括：

反应腔室元件，包括在真空腔室内部的反应腔室；

前级管线，被连接至所述反应腔室、并且被配置为将气体从所述反应腔室引出；

残余气体分析器，被连接至所述前级管线；以及

控制元件，被连接至所述反应腔室元件、并且被连接至所述残余气体分析器，其中

所述控制元件被配置为通过由所述残余气体分析器测量的接收到的信息来控制过程定时。