CN102414824A - Ald系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种配置为双室“塔”的气体沉积系统(1000)，其包括用于支撑相互垂直的两个反应室组合件的框架(1140)。每个反应室组合件(3000)均包括环绕中空室(3070)的外壁组合件，所述中空室的尺寸为容纳穿过装载口的单个4.5代(GEN 4.5)玻璃板衬底。所述衬底水平设置在中空室(3070)中，并且室组合件(3000)包括设置在中空室(3070)外部并配置为在衬底顶表面上产生基本水平方向的层流气流的可拆卸和可清洁的三角形输入(3150)和输出(3250)增压部。每个室包括设置在中空室(3070)中的可清洁和可拆卸的室衬里组合件(6000)，以将前体气体容纳在其中，从而防止污染室外壁(3010，3020，3030，3040)。
Description
1.1 相关美国专利申请的交叉引用
本申请要求2009年2月27日提交的美国临时专利申请序列号61/208875的优先权；该专利申请针对所有的目的通过引用全文并入本文。
1.2 版权声明
本专利文件的部分公开内容可能包含作为版权保护主题的材料。当本专利文件或本公开作为专利文件或记录出现在专利和商标局时，版权所有者不反对任何人对其进行复制，否则保留所有的版权。以下声明适用于该文件：Copyright 2009，Cambridge NanoTech，Inc.。
1.3 背景技术
1.4 技术领域
本文的示例性、说明性技术涉及原子层沉积(ALD)系统及其操作方法，并且涉及与机器人大型衬底装卸、自动ALD涂覆操作和在大型矩形衬底上产生期望的气流模式以及延长维护程序之间的操作时间以提高生产率相容的气相沉积室和子系统配置。
本文的技术应用于生产单一或多种材料的单层涂层(如可用于制造液晶显示器(LCD)装置的那些)的领域。
1.5 相关技术
气体或蒸气沉积是一种用于在表面上形成薄材料层的方法，其涉及将固体衬底表面暴露于气体或蒸气(在下文称为气体)以在固体表面(在本文称为“衬底”)上沉积薄材料层。已知多种气体沉积方法，并且几种方法常用于半导体制造，用于制造集成电路等。更一般地，气体沉积方法用于将薄膜形成到多种衬底上以改变其表面性质。在实践中，通过将固体衬底置于气体沉积室(在本文也称为“反应室”)中并且将固体衬底暴露于一种或更多种气体来实施气体沉积方法。气体与暴露的固体衬底表面反应以沉积或以其它方式在其上形成新材料层。一般地，通过气体和衬底表面之间的化学反应使得膜层与衬底表面形成原子键从而形成材料层。
许多商业设施倾向于将原子层沉积(ALD)涂覆系统加入现有材料加工流程中来涂覆半导体晶片、玻璃衬底如液晶显示衬底坯料等。ALD加工方法用于利用至少两个气体沉积步骤将原子水平的材料单层涂覆到衬底的暴露表面上，其中每个气体沉积步骤均产生子单层。在实践中，衬底被插入气体沉积室或反应室中，并且抽空所述室以除去其中的空气、水蒸汽和其它污染物，然后将第一前体气体引入所述室中。第一前体与衬底的暴露表面以及所述室的所有其它暴露表面和任何其它部件表面发生化学反应，并且所述反应形成第一子单层。随后从所述室中冲洗移除第一前体，随后引入第二前体。第二前体与第一子单层反应。第一子单层与第二前体气体的反应使材料单层完全形成到暴露的衬底表面上。随后从室中冲洗移除第二前体。两种前体反应均是自限性(self-limiting)的，即在前体已经与所有可用的位点反应之后，反应停止。因此，ALD涂层基本上是均匀的，具有可预测的厚度，并且其厚度在整个衬底范围内基本上不变化。并且根据循环次数，ALD涂层甚至在具有非常高长宽比的微米级表面特征的整个表面上产生均匀的涂层厚度。第二前体反应还产生将与第一前体气体反应的表面分子以形成另一子单层。因此，ALD工艺可以无限重复从而以高精确度和纯度在暴露的衬底表面上累积期望的材料涂层厚度。
ALD工艺相比各种气体沉积方法的一些优点包括：对单层厚度、材料涂层均匀性的精确控制；相对低的工艺温度窗口(例如，低于400℃)；低前体气体消耗；高品质膜；和通过控制所进行的涂覆循环的数目来均匀控制总材料涂层厚度的能力。
ALD工艺的一些缺点包括：衬底生产率降低，原因是ALD工艺需要两个沉积循环/单层；适用于在ALD工艺中涂覆的有限前体数目以及因此可用于ALD薄膜涂覆的有限材料数目；和ALD反应物在暴露于其的每个表面(包括反应室的壁、气流导管、泵、阀和其它表面)上形成涂层的倾向，这导致材料随时间而连续累积。关于ALD反应室的一个特别问题在于随时间累积在涂覆室和其它设备上的ALD材料层可具有干扰热传递、剥落和污染衬底、干扰传感器读数和损坏移动部件(例如泵、阀和其它部件)的不利影响。而且，前体气体倾向于高度腐蚀性(有时有挥发性)，并且通常对操作人员有害。因此，前体气体需要小心地进行贮存操作。此外，许多应用需要使用高纯度前体气体以确保涂覆材料的期望电性质不因前体污染物而劣化，并且高纯度前体气体昂贵。
减少前体使用的一个解决方案是在前体气体供应管中利用精确质量流量控制阀将少量体积的前体气体注入室中。从沉积室的流出气体中消除前体气体的一个解决方案是在出口安装前体捕获器。这些装置中的两种公开在2005年6月27日提交的共同未决且共同转让的美国专利申请11/167,570中(发明名称为VAPOR DEPOSITION SYSTEM ANDMETHODS)，该申请针对所有目的通过引用全文并入本文。虽然这些解决方案有帮助，但是它们并未解决ALD沉积室暴露表面在每个涂覆循环期间被涂覆以及需要周期性更换或清洁(例如通过酸蚀刻等)的问题。
将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一个问题是在涂覆较大衬底、特别是(如可用于的LCD显示器的)大型矩形玻璃衬底时需要增加室尺寸。具体而言，为了开发大型矩形ALD室要克服多种工程挑战，因为室自身是深度真空容器，其能够实现小于10微托、可能小于1微托的真空压力而不泄漏或塌缩，同时也需要用于将衬底送入室中进行涂覆的相关进入门和大端口。此外，挑战是在高温下装卸大型衬底以及在装载循环之间快速加热室和衬底并且保持衬底免受污染。另一个挑战是为用户提供安全的操作环境，以及清洁并修理所述室而不对整个材料加工工艺流程造成过度影响。
保持所述室不含ALD涂覆层的一个解决方案是在容纳前体气体的ALD室中安装可移除且可清洁的衬里，例如不锈钢衬里，并且因此防止在ALD室(因为需要穿过室壁内部的高导热率，故其通常为铝结构)的内表面上形成涂层。这样的衬里可以通过酸蚀刻等从室内移除，并随后重新安装到室中。一种这样的可移除衬里公开在2008年12月1日提交的共同未决且共同转让的美国临时专利申请61/197,948中(发明名称为GASDEPOSITION CHAMBER WITH REMOVABLE LINER)；该临时申请针对所有目的通过引用全文并入本文。
将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一问题是需要减少涂覆循环时间，并且这包括装卸衬底、将所述室和衬底加热至沉积温度、将所述室泵至深度真空、从所述室中吹扫污染物、将衬底暴露于前体气体和将前体气体清洗出所述室所需的时间。申请人已经发现，在将衬底的基本上整个涂覆表面暴露于层流气流时可以减少循环时间，并且这可以通过控制进入气体的速度和路径(通过仔细设计将气体分布在衬底宽度上的输入增压和降低气体速度)来完成。
与将ALD涂覆系统投入商业可行运行的另一问题是需要将ALD涂覆系统装配到底面空间昂贵的现有生产设备中。因此，在所属领域中需要在小底面空间面积中提供高涂覆处理量的ALD生产涂覆装置。
1.6 发明内容
本发明解决了这些和其它问题，本发明提供一种配置为双室“塔”的气体沉积系统(1000)，其包括用于支撑相互垂直的两个反应室组合件(3000)的框架(1140)。本发明还提供一种气体沉积室(3000)和关联的气体控制系统，其配置为通过一个或多个气体沉积工艺将薄膜层沉积到固体衬底(7000)的暴露表面上。每个沉积室组合件(3000)均配置为适合于将多个不同ALD反应物或“前体”递送到中空矩形室(3070)中的原子层沉积(ALD)系统，所述中空矩形室(3070)配置为将大型矩形玻璃衬底(7000)支撑在基本水平的衬底支撑表面(3350)上。
前体通过包括前体输入口(3230)和气体供应模块(3240)的输入增压部(3150)引入中空矩形室(3070)中。前体通过包括出口(3310)和出口模块(3320)的输出增压部(3250)从中空矩形室(3070)中移除，所述出口模块(3320)与真空泵(未显示)流体连通。每个沉积室(3000)均包括系统控制器，用于根据系统控制器中存储的程序步骤来操作气体供应模块和真空泵。或者，一个系统控制器可用于控制两个沉积室组合件(3000)。ALD和其它涂覆序列根据存储在系统控制器中的涂覆程序来进行。或者，用户可以利用与系统控制关联的用户界面模块(1200)进入程序数据。
示例性的双室塔(1000)配置为与机器人衬底处理器(2010)通信，所述机器人衬底处理器(2010)用于每次将一个未涂覆的衬底从衬底贮存托架(2020)运送到选定的室组合件(3000)。在衬底涂覆之后，机器人衬底处理器(2010)用于每次将一个涂覆的衬底运回贮存托架。
优选地，每个室(3000)都配置有面向机器人衬底处理器(2010)的正面可移动入口门(3080)。入口门(3080)垂直向下移动以为所述室提供入口，并且垂直向上移动以真空密封所述室。每个室的尺寸均设置为通过装载口接收单个4.5代(GEN 4.5)玻璃板衬底。或者，可以使用中空矩形室(3070)来一个或多于一个较小的玻璃衬底如GEN 1.0至GEN 4.0。
每个室组合件(3000)均包括设置在中空矩形室(3070)内的可清洁和可拆卸的室衬里组合件(6000)以容纳前体气体，由此防止污染室外壁(3010，3020，3030，3040)。为了有助于将前体气体容纳在室衬里组合件(6000)中，将吹扫气体注入室衬里组合件(6000)和外室壁之间的上部和下部的中空体积(7090)和(7100)中。此外，每个输入增压部(3150)和输出增压部(3250)也都是可清洁和可拆卸的。每个室(3000)还包括设置为从室衬里组合件(6000)中的相应输入和输出增压部延伸的可清洁和可拆卸的增压衬里(7010)和(7080)。每个可拆卸和可清洁元件包括可以进行酸蚀刻以除去累积的ALD涂层的不锈钢壁。
每个室组合件(3000)均配置有模块增压法兰(3160)和(3260)，其制造用于不同应用所需的多种输入和输出增压部的模块交换或互换，或者允许在常规的维护或清洁请求期间进行快速的增压交换。
每个室组合件(3000)均包括形成有与其连接的多个固定竖井(7120)的可移动竖井(7130)，所述竖井的顶面设置为形成基本水平的衬底支撑表面。井板通过容纳在中空矩形室(3070)外的井致动器组合件(3390)沿垂直轴移动。室衬里组合件(6000)的底壁包括与每个竖井的位置对应的通孔(7110)，使得井板垂直移动到上部位置时将衬底从衬底支撑表面(3350)升举尺寸(D)以将衬底与衬底支撑表面分开，从而从室中移走。类似地，利用在上部位置中的井板，可以将衬底装载到竖井的顶部。在将井板降低至下部位置时，井底部降低至低于衬底支撑表面(3350)并且衬底降低至与衬底支撑表面(3350)接触。
在本发明的一些实施方案中，两个室组合件可以通过一个气体供应模块驱动和通过一个真空泵抽空，并且系统控制器包括适用于在两个室中基本同时进行涂覆循环的程序步骤。
在一些实施方案中，可以将前体捕集器(10140)设置在出口模块(3320)中。在其它实施方案中，可以在出口和真空泵之间设置一个或多个额外的捕集器元件。
结合附图并阅读以下说明，这些和其它方面及优点将变得明显。
1.7 附图说明
图1是等距视图，其示出根据本发明的没有外壳的双室气体沉积系统。
图2是包括本发明的一个或多个双室气体沉积系统的自动生产设备的平面视图。
图3是根据本发明的气体沉积室组合件的正视等距正视图。
图4是根据本发明的气体沉积室组合件的后视等距后视图。
图5是示出穿过根据本发明的气体沉积室组合件的截面A-A的等距视图。
图6是根据本发明的焊接的室衬里组合件的等距视图。
图7是显示根据本发明的支撑在室衬里组合件上的衬底和一对增压衬里的分解截面视图的示意性图示。
图8是根据本发明的竖井顶部的侧视图。
图9是根据本发明的双宽气体沉积室的示意性俯视图。
图10是根据本发明的具有与两个室连接的气体供应模块和与两个室连接的真空泵的双室系统的示意性正视图。
图11是根据本发明的双室系统的示意性正视图，所述双室系统具有与一个室关联的入口增压部、与出口室关联的出口增压部和将两个室串联起来的矩形导管。
图12是根据本发明的矩形导管的等距视图。
图13是根据本发明的串联设置在输出增压部和真空泵之间的第一和第二捕集器，其中截止阀位于第二捕集器和真空泵之间。
图14是根据本发明的串联设置在输出增压部和真空泵之间的第一和第二捕集器，其中截止阀位于第二捕集器和真空泵之间。
图15是根据本发明的设置在从输出增压部和真空泵延伸的平行流体导管中的第一和第二捕集器，其中每个平行流体导管包括截止阀和一个或多个额外的捕集器。
图16A是包括设置在相对的输入和输出增压部之间的多个衬底支撑架的气体沉积室的截面视图。
图16B是包括图16A中显示的多个衬底支撑架的气体沉积室的一部分的放大截面视图。
附图标记列表
| 1000 双室气体沉积系统 | 6000 衬里组合件 |
| 1100 排气口 | 6010 底部衬里壁 |
| 1110 照明塔 | 6020 顶部衬里壁 |
| 1120 上部室 | 6030 前衬里孔 |
| 1130 右面 | 6040 后衬里壁 |
| 1135 上部前体供应 | 6050 右衬里孔 |
| 1140 框架 | 6060 左衬里口 |
| 1145 上部交叉平台 | 6070 衬里处理器 |
| 1150 下部室 | 6080 调节球 |
| 1155 下部交叉平台 | 6090 矩形后孔 |
| 1160 下部前体供应 | 7000 衬底 |
| 1165 电子控制器 | 7010 衬底支撑表面 |
| 1170 底部装载口 | 7015 输入增压衬里 |
| 1180 前面 | 7020 上部增压衬里壁 |
| 1190 上部装载口 | 7030 下部增压衬里壁 |
| 1200 用户界面 | 7040 后增压衬里壁 |
| 7050 法兰 | |
| 2000 自动气体沉积生产设备 | 7060 底壁顶表面 |
| 2010 机器人衬底处理器 | 7080 输出增压衬里 |
| 2020 衬底贮存托架 | 7090 上部体积 |
| 2030 机器人底座 | 7100 下部体积 |
| 2040 操作臂 | 7110 通孔 |
| 2050 升举元件 | 7120 竖井 |
| 2060 洁净室 | 7130 可移动井板 |
| 2070 壁板 | D 井高度尺寸 |
| 2080 壁口 | 8000 竖井组合件 |
| 8010 金属轴 | |
| 3000 室组合件 | 8020 尖端附件 |
| 3010 顶部外壁 | 8030 球形末端 |
| 3020 底部外壁 | |
| 3030 左外壁 | 8100 反应室组合件 |
| 3035 前孔 | 8110 外壁组合件 |
| 3040 右外壁 | 8120 中空室 |
| 3042 前外壁 | 8130 衬底支撑架 |
| 3045 后孔 | 8140 左支撑区域 |
| 3044 后外壁 | 8150 右支撑区域 |
| 3050 背板 | 8160 输入增压部 |
| 3060 圆周法兰 | 8170 输出增压部 |
| 3070 中空矩形室 | 8180 出口模块 |
| 3080 可移动入口门 | 8190 右侧孔 |
| 3090 支撑架 | 8210 左侧孔 |
| 3100 门致动器 | 8220A，B，C 支撑架 |
| 3110 电加热器 | 8230 衬底 |
| 3120 隔热 | 8240 肩部 |
| 3125 室眼螺栓 | 8250 插座 |
| 3130 右矩形孔 | 8260 可移除衬里 |
| 3140 左矩形孔 | 9000 双宽室组合件 |
| 3150 输入增压部 | 9010 衬底 |
| 3160 输入增压法兰 | 9020 衬底 |
| 3170 上部输入增压壁 | 9030 双宽入口门 |
| 3180 下部输入增压壁 | |
| 3190 输入增压侧壁 | 10000 双室系统 |
| 3200 输入增压侧壁 | 10010 室组合件 |
| 3210 输入增压室 | 10020 室组合件 |
| 3220 输入增压端壁 | 10030 气体供应模块 |
| 3230 输入口 | 10040 输入导管 |
| 3240 气体供应模块 | 10050 上部输入增压部 |
| 3250 输出增压部 | 10060 下部输入增压部 |
| 3260 输出增压法兰 | 10070 截止阀 |
| 3270 上部输出增压壁 | 10080 输出导管 |
| 3280 下部输出增压部 | 10090 上部输出增压部 |
| 3290 输出增压侧壁 | 10100 下部输出增压部 |
| 3300 输出增压室 | 10110 上部出口模块 |
| 3310 出口 | 10120 下部出口模块 |
| 3320 出口模块 | 10130 截止阀 |
| 3330 截止阀 | 10140 前体捕集器 |
| 3340 真空压力计 | 11000 双室系统 |
| 3350 衬底支撑表面 | 11010 上部室 |
| 3360 背板眼螺栓 | 11020 下部室 |
| 3370 锥形通道 | 11030 输入增压部 |
| 3380 衬里紧固件 | 11140 气体供应模块 |
| 3390 井致动组合件 | 11050 输出增压部 |
| 3400 井柱 | 11060 出口模块 |
| 3410 气缸和活塞组合件 | |
| 3420 真空波纹管 | 12000 矩形导管组合件 |
| 3430 通孔 | 12010 上部法兰/口 |
| 3440 导杆 | 12020 下部法兰/口 |
| 3450 加强鳍片 | 12030 矩形流体导管 |
| 13010 输出增压部 | |
| 13020 出口增压部 | |
| 13030 第一前体捕集器 | |
| 13040 辅助前体捕集器 | |
| 13050 截止阀 | |
| 13060 第二捕集器 | |
| 13070 T型配件 | |
| 13080 截止阀 | |
| 13090 截止阀 | |
| 13120 左导管 | |
| 13130 右导管 | |
| 13140 辅助前体捕集器 | |
| 13150 辅助前体捕集器 | |
| 13160 第二捕集器 | |
1.8 具体实施方式
框架控制系统气体供应系统和图1
参考图1，其以等距视图显示根据本发明的双室气体沉积系统(1000)的一个优选示例性装置，其外壳被移除。系统(1000)包括用于将衬底装入两个气体沉积室(1120)和(1150)中的每一个内的正面(1180)。右侧面(1130)包括单个用户界面装置(1200)，其可用于输入操作两个气体沉积室(1120)和(1150)的指令。在替代实施方案中，每个气体沉积室可包括单独的用户界面装置(1200)。在其它替代实施方案中，两个气体沉积室的控制系统可与包括远程用户界面的远程装置(未显示)联网。系统(1000)包括构建为支撑由上部交叉框架平台(1145)支撑的上部ALD反应室(1120)和由下部交叉框架平台(1155)支撑的下部ALD反应室(1150)的框架(1140)。室(1120)和(1150)分别构建为将单个大面积矩形衬底容纳于其中并将衬底支撑在基本水平平面上。特别地，优选的衬底尺寸是GEN 4.5玻璃衬底，其具有920mm宽×730mm深的矩形尺寸，并且室(1120)和(1150)配置有正面开口或装载口，其沿x轴的宽度尺寸大于730mm，用于容纳穿过前口的衬底宽度尺寸。相应地，所述室沿Y轴的纵向长度(在图3中限定的)大于920mm，以将GEN 4.5衬底容纳于其中。或者，室组合件可以配置为按其它取向容纳衬底。每个衬底包括待涂覆的顶面和不涂覆的相对底面。衬底具有约0.5mm的厚度，因此易碎并难以操作。玻璃衬底用于制造矩形LCD屏幕等。所述室包括用于在其上接收衬底的底面使得衬底的相对顶面朝上的水平衬底支撑表面。通常，每次将一个GEN 4.5衬底装入室中进行涂覆；然而，可以将多个较小的玻璃衬底同时装入室(1120)和(1150)中并进行涂覆。在其它实施方案中，可以配置用于支撑较大或较小矩形衬底的室组合件。小的室组合件可以配置为支撑单个GEN 1.0(300×400mm)衬底，大的室组合件可以配置为支撑单个GEN 7.0(2160×2460mm)衬底，但不脱离本发明。
框架(1140)支撑与两个室(1120)和(1150)中的每一个相关联的多个子系统。特别地，系统(1000)包括独立和同时操作两个室(1120)和(1150)中的每一个所需的所有子系统。相应地，上部气体沉积室(1120)包括上部输入气体供应系统(1135)，下部室(1150)包括下部气体输入供应系统(1160)。每个输入气体供应系统(1135)和(1160)均包括前体、惰性吹扫气体和气体沉积循环可能需要的其它气体的储器。此外，每个输入气体供应系统(1135)和(1160)均包括质量流量控制器，用于将一定体积的气体送入相应的输入增压部中。此外，每个气体供应系统均可以包括加热器和温度传感器，用于递送期望温度下的气体。
每个气体沉积室(1120)和(1150)均包括具有装载锁闭门的正面装载口(1190)和(1170)，所述装载锁闭门设置为垂直向下移动以提供穿过其正面装载口进入各个室的入口，并且垂直向上移动以关闭装载口并且在衬底涂覆循环期间真空密封气体沉积室。每个气体沉积室(1120)和(1150)均包括电子控制器(1165)(仅示出一个)，用于控制各个室的操作、记录数据和处理操作人员的输入指令。此外，两个电子控制器(1165)均优选与计算机网络连接以与可能需要的外部设备通信和交换数据和/或操作指令。通常，每个电子控制器(1165)均包括可编程微处理器、一个或更多个数字存储器装置、网络界面、用户界面、功率分布模块和用于操作所述室的每个电气子系统的界面。每个气体沉积室(1120)和(1150)还包括真空泵和相关的真空部件(详见下文)，用于抽空各个室和处理来自所述室的流出气体。此外，每个气体沉积室(1120)和(1150)均包括用于加热和绝缘所述室的外壁和/或监测诸如气体压力、各种温度、装载锁闭门的位置、是否装载衬底、安全和其它条件的元件。此外，优选的双室气体沉积系统(1000)包括位于顶面中央用于排放来自两个室的流出气体的排气孔(1100)和从顶面向上延伸并且包括用于显示双室(1120，1150)操作状态的几个不同颜色的发光元件的照明塔(1110)。
参考图3、4和10，例如，气体供应模块(3240，10030)包括多个气体源，其中每个气体源均将源气体送入输入歧管(10035)或其它合适的导管中。源气体可包括前体、惰性气体和可用于实施与衬底表面的期望反应和/或吹扫或清洁反应室的其它气态或气相材料。气体源可包括气体、蒸气、气溶胶、化合物、元素、激发物质、自由基等。
质量流量控制阀(10045)设置在气体源和输入歧管(10035)之间，并且由电子控制器(1165，未显示)控制。电子控制器(1165)根据与多个涂覆循环关联的预编程序列操作质量流量控制阀(10045)。每个质量流量控制阀(10045)均可关闭以停止来自相关气体源的气流。可以打开每个质量流量控制阀(10045)以按期望的质量流量提供连续的气体流，或者每个质量流量控制阀(10045)均可以脉动式打开期望的时间间隔并随后关闭期望的时间间隔以将脉冲的气流送入输入歧管(10035)中，其中每个气体脉冲具有精确的体积或质量流量。
如图3、4和10中进一步所示，输入歧管(10035)与至少一个输入增压部(10050，3150)直接或经流体导管(10040)流体连通，以使输入歧管中包含的气体通过输入口进入输入加压部(10050，3150)(其将源气体通过例如气体输入口(3230)送入输入加压部)中。相应地，在3、4和10的示例性实施方案中，源气体通过单个输入口(3230)递送到输入加压部(10050，3150)中，并且可以一次递送一种，或者两种或更多种源气体可以同时流过输入口。作为一个例子，在涂覆循环期间，惰性气体如氮气可以连续流过输入口(3230)，并且第一和第二前体气体可以交替脉冲穿过输入口(3230)以与惰性气体混合。此外，连续的惰性气体流有助于在前体脉冲之间将每种前体从反应室中吹走。
自动生产设备、机器人衬底处理器，图2
现在参考图2，其以俯视图示出自动气体沉积生产设备(2000)。生产设备(2000)包括与一个或更多个机器人衬底处理器(2010)和一个或更多个衬底贮存托架(2020)相连的一个或更多个双室气体沉积系统(1000)。机器人衬底处理器(2010)包括相对于底面或底座表面可移动的机器人底座(2030)、相对于机器人底座(2030)可移动的操作臂(2040)和一对衬底升举元件等(2050)。机器人衬底处理器(2010)容纳在由壁板(2070)包围的洁净室(2060)中。优选地，双室气体沉积系统(1000)和衬底贮存托架(2020)设置在洁净室(2060)外部。衬底贮存托架(2020)各自支撑水平设置的多个GEN 4.5衬底，相邻衬底之间具有垂直隔离。每个壁板(2070)均包括用虚线显示的壁口(2080)。壁板(2070)可包括设置在彼此不同的垂直高度上的两个或更多个壁口(2080)。特别地，每个气体沉积系统(1000)均设置为使其正面(1180)靠近壁板(2070)，并且与每个系统(1000)相连的壁板均包括两个壁口(2080)，其中一个壁口与顶部装载锁闭口(1190)对准，另一个壁口与底部装载锁闭口(1170)对应。此外，壁口(2080)与每个衬底贮存托架(2020)相对。
机器人衬底处理器(2010)移动机器人底座(2030)和操作臂(2040)以引导升举元件(2050)穿过多个壁口(2080)，以拾取或掉落期望区域中的衬底。例如，为了从贮存托架(2020)拾取非涂覆的衬底，升举元件(2050)延伸至刚好在水平支撑的衬底下方的贮存托架，然后升高以将衬底升举并支撑到升举元件(2050)上。机器人衬底处理器(2010)随后从贮存托架(2020)取回衬底并将所述衬底运送到双室气体沉积系统(1000)的一个选定室中，并通过顶部或底部装载口(1190)或(1170)插入选定的室中。所选定的室可包括准备好容纳新衬底进行涂覆的任一室，因为双室系统(1000)的每个室均与机器人衬底处理器(2010)连通，以根据装载和卸载的要求来装载或卸载衬底或打开或关闭装载锁。相应地，在本发明的优选实施方案中，双室塔(1000)配置用于通过机器人衬底处理器如图2中显示的处理器(2010)来自动装载和卸载。
室外壁、眼沟、加热元件和绝缘，图3
现在参考图3-8和16，以多个视图示出气体沉积室组合件(3000)，其中相同的要素具有相同的附图标记。室(3000)在图3中显示为正视等距视图，在图4中显示为后等距视图，在图5中显示为界面A-A的截面视图。如在图5和图5A的示意性视图中最佳显示的，室组合件(3000)包括由相对的顶部和底部矩形外壁(3010)和(3020)形成的多个外壁，所述顶部和底部矩形外壁(3010)和(3020)与相对的左和右矩形外壁(3030)和(3040)相连并且与相对的前和后外壁(3042)和(3044)相连。在一个实施方案中，每个前和后外壁(3042)和(3044)均包括环绕矩形口的圆周法兰。前矩形口(3035)穿过前外壁(3010)并且用作装载口。任选的后矩形口(3045)穿过后外壁(3044)并且用作中空矩形室的第二进入口。如果包括后矩形口，则可移除后板(3050)通过用于连接和真空密封后板(3050)的后圆周法兰(3060)与后外壁(3044)连接。在一些实施方案中，前壁和后壁可包括顶壁、底壁和侧壁的前面和后面，其中前口和后口的尺寸等于矩形中空室的矩形尺寸。背板也可以与下文所述的可移除和可清洁的室衬里连接。相应地，背板(3050)也可以包括适合用于在安装期间从上方支撑背板的眼螺栓(3360)等。顶、底、左、右和后外壁环绕中空矩形室(3070)，所述室在正面是开放的。中空室正面形成矩形口，衬底可以通过所述矩形口插入中空矩形室(3070)中。可移动入口门(3080)相对于支撑架(3090)可移动地支撑，所述支撑架(3090)与底部外壁(3020)固定连接。一对门致动器(3100)设置在支撑架(3090)和入口门(3080)之间以沿垂直轴引导并运送可移动入口门。在下部位置中，入口门(3080)暴露出矩形入口以提供进入中空室(3070)的入口。在上部位置中，入口门(3080)关闭矩形入口并且在涂覆循环期间真空密封衬底口。
顶和底外壁(3010)和(3020)包括厚的铝壁，其用作散热器，以在数百或数千个气体沉积循环期间保持恒定的室温。电阻加热元件(3110)设置在顶外壁(3010)中，并且可以包括在底外壁(3020)、入口门(3080)和背板(3050)中，以将中空矩形室(3070)和外壁加热至期望的气体沉积温度(例如，85至约500℃)。顶和底外壁(3010)和(3020)以及入口门(3080)和背板(3050)也可以包括设置在其外表面上或作为其内表面设置的隔热层(3120)，用以防止热从室组合件中散失。顶外壁(3010)包括适合将室组合件(3000)升举到框架(1140)中或从框架(1140)中升举出来的多个眼螺栓(3125)，所述框架(1140)具有顶部升举器等。
参考图3、4和5A，反应室组合件(3000)在基本水平的X-Y平面中具有矩形横截面，其纵向长度沿y轴延伸，横向长度沿x轴延伸，三角形输入增压部(3150)与右外壁(3040)连接，三角形输出增压部与左外壁(3030)连接，并且装载口和相关的入口门设置在矩形室组合件的前壁上。在其它实施方案中，纵向长度可沿x轴延伸，横向宽度沿y轴延伸，但不脱离本发明。此外，反应室组合件具有沿z轴的高度。类似地，如在图5A的外壁组合件中所示，中空体积在X-Y平面内具有矩形横截面，其纵向长度沿y轴延伸，横向宽度沿x轴延伸，并且高度沿z轴延伸。在本实施例中，将矩形衬底装入中空体积中并支撑在其中一个或更多个水平设置的衬底支撑表面上，其中衬底的纵向长度沿y轴延伸，衬底的横向宽度沿x轴延伸。
输入和输出增压部，图3-5
现在参考图3和5，右外壁(3040)沿Y轴延伸，并且形成为使右矩形通孔(3130)朝中空矩形室(3070)开放。右矩形通孔基本上在右侧壁中央，其位置和Y轴尺寸基本上与位于中空矩形室(3070)中进行涂覆的衬底的Y轴位置和尺寸对应。输入增压部(3150)通过输入增压法兰(3160)与右外壁(3040)连接。输入增压法兰(3160)与右外壁(3040)形成真空密封。输入增压法兰(3160)和右外壁(3040)的螺栓模式和密封元件是模块化的，以允许使用者以多种输入增压配置来重新配置室组合件(3000)，或者根据需要将其它元件(包括输出增压部，以使室组合件的流动方向逆转)用螺栓固定至右外壁(3040)，包括输出增压部，以使室组合件的流动方向逆转。
在优选实施方案中，输入增压部(3150)包括基本三角形的相对的顶部和底部输入增压壁(3170)和(3180)，其与基本梯形的相对的输入增压侧壁(3190)和(3200)连接。三角形顶部和底部输入增压壁(3170)和(3180)结合以在X-Y平面内封闭基本三角形的输入增压室(3210)第一截面。梯形输入增压侧壁(3190)和(3200)相结合以在X-Z平面内封闭基本梯形的输入增压室第二截面。因此，输入增压室形成有通过右矩形口(3130)朝中空矩形室(3070)开放的三角形第一截面和梯形第二截面的底座，并且还形成有与底座相对的三角形第一截面和梯形第二截面的顶点。短的输入增压端壁(3220)与每个顶部和底部输入增压壁(3170)和(3180)和侧面输入增压壁(3190)和(3200)连接以截断顶点。气体输入口(3230)穿过靠近顶点的输入增压端壁(3220)，并且气体供应模块(3240)通过输入口(3230)将气体送入输入增压室(3210)中。
如在图3和图4的等距视图中最佳示出的，在三角形第一截面中输入增压室(3210)的纵向长度或Y轴尺寸从输入口(3230)或顶点向增压法兰(3160)或底座线性延伸。输入增压室(3210)的梯形第二截面的高度或Z轴尺寸也从输入口(3230)或顶点向增压法兰(3160)或底座线性延伸。此外，输入增压室的底座形成具有矩形尺寸的矩形口，其与右矩形口的矩形尺寸基本上匹配，以使输入气体在输入增压室中膨胀，以在被递送到中空体积或反应室之前基本填充右矩形口。相应地，通过输入口(3230)递送的气体膨胀以基本填充输入增压室(3210)的体积，并且这导致流过输入增压室(3210)的气体膨胀以基本填充右矩形通孔(3130)并同时也与距离输入口(3230)的距离成比例地降低气压和速度。相应地，输入增压室(3210)的形状有助于防止在输入增压室(3210)内产生气体湍流和涡流，并且有助于产生穿过右矩形通孔(3130)(并且，如下文将详细描述的，在被涂覆的衬底的顶面上)的基本为层流的气流。
左外壁(3030)沿与右外壁(3040)相反的Y轴延伸，并且形成有朝中空矩形室(3070)开放的左矩形通孔(3140)。左矩形通孔(3140)的Y轴尺寸和位置与右矩形通孔(3130)的Y轴位置和尺寸匹配，并且左和右矩形通孔的Y轴尺寸与位于中空矩形室(3070)中进行涂覆的衬底的Y轴尺寸匹配或超过其。相应地，气体通过右矩形孔(3130)进入中空矩形室(3070)，在支撑于中空矩形室(3070)内进行涂覆的衬底的顶面上水平流动，并且通过左矩形通孔(3140)从中空矩形室(3070)流出。输出增压部(3250)通过输出增压法兰(3260)与左外壁(3030)连接。输出增压法兰(3260)与左外壁(3030)形成真空密封。输出增压法兰(3260)和左外壁(3030)的螺栓模式和密封元件是模块化的，并且与输入增压部(3150)和右壁(3040)的螺栓模式匹配以允许用户根据需要以多种输出增压配置来重新配置室组合件(3000)，或者根据需要将其它元件(包括使室组合件的流动方向逆转所需的输入增压部)用螺栓固定至左外壁(3030)。
在优选的实施方案中，输出增压部(3150)包括与基本矩形的相对输出增压侧壁(3290)连接的、基本三角形的相对顶部和底部输出增压部(3270)和(3280)(只显示出其中之一)。三角形顶部和底部输出增压壁(3270)和(3280)结合以在X-Y平面内封闭基本三角形的输出增压室(3300)第一截面。梯形输出增压侧壁(3290)(仅示出一个)相结合以在X-Z平面内封闭基本梯形的输入增压室第二截面。因此，输出增压室形成有通过左矩形口(3140)朝中空矩形室(3070)开放的三角形第一截面和梯形第二截面的底座，并且还形成有与底座相对的三角形第一截面和梯形第二截面的顶点。短的输入增压端壁(未显示)与每个顶部和底部输出增压壁(3270)和(3280)和相对的侧面输入增压壁(3290)(未显示另一个)连接以截断三角形输出增压室(3300)的顶点。出口(3310)穿过底部输出增压壁(3280)，并且与出口(3310)连接的出口模块(3320)与真空泵(未显示)流体连通。或者，出口(3310)可以形成在顶部输出增压壁(3270)中。
出口模块(3320)包括锥形通道(3370)，其末端是用于封闭锥形通道(3370)以将出口模块与真空泵隔开的截止阀(3330)。真空压力计(3340)设置在锥形通道(3370)中，用于感测出口模块(3320)中的气压。操作真空泵(未显示)以将气体通过出口模块(3320)移出，以通过将气体从室组合件(3000)中泵出而抽空室组合件(3000)。如在图5的截面视图中最佳显示的，三角形输出增压室(3300)在出口(3310)处的宽度比在输出增压法兰(3260)处的宽度窄，并且输出增压室(3300)的三角形形状导致流过它的气体在趋近出口(3310)时速度增加。出口附近的气体速度增加减少了吹扫或抽空中空矩形室(3070)所需的循环时间。
每个输入和输出增压部(3150)和(3250)均包括设置并焊接在顶部和底部增压壁(3170，3180，3270，3280)上以防止顶部和底部增压壁在每个增压部内的真空压力和大气外压之间的高压梯度下挠曲的结构性加强肋(3450)。此外，每个输入和输出增压部(3150)和(3250)均包括由可通过酸蚀刻等清洁的金属(例如不锈钢)制成的壁。相应地，为了通过酸蚀刻等从增压部的内表面移除累积的ALD涂层，两个增压部均是可拆卸的。而且，增压部的内表面可以粗糙化(例如，通过喷丸或喷砂)以提高涂层与增压部内表面的附着力，并由此防止ALD层在清洁循环之间开裂或剥落。粗糙化的内表面延长增压部在不进行清洁的情况下可以被使用的时间。相应地，每个输入和输出增压部(3150)和(3250)均可被拆下以进行清洁或利用辅助的清洁增压部交换，从而避免停产时间。此外，每个输入和输出增压部(3150)和(3250)的外表面可以隔热，以防止热通过增压部损失，并且外表面可以通过其上设置的电热线圈来加热。此外，每个增压部均可包括用于感测增压部内部或附近的温度、压力、气体类型和其它条件的多个传感器。此外，每个增压部均可包括内部挡板(未显示)，例如设置在顶部和底部增压壁(3170，3180，3270，和3280)的内表面上或之间的挡板，以引导气流在增压部内沿期望的流路流动。
气流，图5
现在参考图5中所示的截面A-A，基本水平设置的气流路径从入口(3230)延伸穿过三角形输入增压室(3210)、穿过右矩形口(3130)、穿过位于室组合件中的衬底顶面上的中空矩形室(3070)、穿过左矩形口(3140)并穿过三角形输出增压室(3300)，到达出口(3310)。输入和输出增压部以及整个中空矩形室(3070)的总体积构成真空气体沉积室。相应地，外室壁的任何连接或接缝均为焊接，并且穿过外室壁的任何法兰、口、或其它孔均配置有适于深度真空操作的密封和螺栓模式。特别地，外壁、输入和输出增压部、可移动的入口门(3080)、背板(3050)和穿过任意这些元件的任意口均构建用于在深度真空中进行完全的防泄漏操作，并且优选真空室可以被抽真空到低于约10微托的真空压力。此外，气体供应模块(3240)包括用于关闭输入口(3230)的可控截止阀，并且出口截止阀(3330)可控制用于根据多种气体沉积循环的需要来关闭出口(3310)。相应地，真空室可以根据需要在真空压力下隔离和保持延长的时间。此外，气体供应模块和真空泵可以连续操作以使恒定的气流穿过真空室，例如用惰性吹扫气体如氮气吹扫所述室。另外，气体供应模块可以以非连续的方式操作，以将精确体积的期望气体如前体气体送入室中。
在操作中，输入和输出增压部和整个中空矩形室(3070)的总体积被抽真空至例如10微托的真空压力。然后，将少量质量流量的惰性吹扫气体递送到反应室中，同时真空泵连续操作，以使反应室的稳态操作压力在气体沉积循环期间小于1.0托，并且通常为0.3至0.6托。而且，设定电子控制器以防止质量控制阀(10045)在反应室压力高于1.0托时操作，从而防止在朝大气打开入口门或其它口时或在将反应室降压至期望操作压力之前将供应气体递送到反应室中。
可拆卸衬里，图4-6
现在参考图4和6，其以等距视图示出可拆卸和可清洁的衬里组合件(6000)。当移除背板(3050)时，衬里组合件(6000)通过后外壁安装到室组合件(3000)中。背板(3050)和衬里组合件(6000)可以利用紧固件(3380)组装在一起并且作为一个单元安装到室组合件中。衬里组合件(6000)包括用于支撑被涂覆衬底的衬底支撑表面。衬里组合件(6000)还形成内室的几个部分，其基本防止前体气体污染室外壁的内表面，从而防止ALD涂层形成在不可清洁的铝表面上。
衬里组合件包括衬里底壁(6010)和相对的衬里顶壁(6020)。衬里底壁(6010)的顶面用作图5中显示的衬底支撑表面(3350)。衬里前壁形成前矩形口(6030)，其用作室组合件正面的衬底装载口。衬里后壁(6040)利用紧固件(3380)与背板(3050)连接，并且包括矩形后口(6090)。与矩形后口(6090)相对的背板(3050)内表面可以包括不锈钢以便可以清洁，或者衬里后壁(6040)可以包括实心壁以保护背板(3050)不被前体污染。背板(3050)通过背部圆周法兰(3060)与室外侧后壁连接。衬里组合件(6000)包括相对的侧壁，每个侧壁均包括侧面矩形通孔(6050)和(6060)，并且在衬里组合件(6000)安装在室组合件(3000)中时，这些侧面矩形通孔与左侧和室右侧矩形孔(3130)和(3140)对准。所有的衬里组合件壁均包括可通过酸蚀刻等清洁的不锈钢，以从衬里除去累积的ALD层。当衬里组合件(6000)被污染时，其可以用辅助衬里组合件包裹，以在清洁被污染的衬里时允许连续进行生产。
因为衬里组合件重约120磅，所以在衬里顶壁(6020)上提供升举处理器(6070)以允许通过带或钩将衬里组合件由顶部升举器或吊具支撑。类似地，背板眼螺栓(3060)可以通过升举装置支撑，同时衬里组合件被导入室组合件中。四个调节球(6080)等安装在衬里底壁(6010)上。当衬里组合件通过后外壁导入室组合件(3000)中时，调节球(6080)与底部外壁(3020)接触并沿其滚动。调节球(6080)的高度或Z轴尺寸确定衬底支撑表面(3350)的Z轴位置，以将衬底支撑表面与左和右矩形孔(3130)和(3140)对准，并且将被涂覆的衬底顶面相对于室中气流定位在期望的Z轴高度。
增压衬里衬底位置、吹扫气体、竖井，图7
现在参考图7，室组合件(3000)右侧的分解截面视图示出顶部和底部输入增压壁(3170)和(3180)和输入增压法兰(3160)、设置在其中的顶部和底部室外壁(3010)和(3020)和电加热器(3110)、设置在其上的绝热层(3120)、室右侧外壁(3040)和穿过其中的右矩形孔(3130)。底部和顶部增压衬里壁(6010)和(6020)在中空矩形室(3070)中，并且底部衬里壁(6010)显示为将衬底(7000)支撑在衬底支撑表面(7010)上。
如图5和7中进一步所示，输入增压衬里(7015)包括通过相对的顶部和底部增压衬里壁(7020)和(7030)以及后增压衬里壁(7040)和相对的前增压衬里壁(未显示)形成的矩形管状元件。输入增压衬里从中空矩形室(3070)穿过右矩形孔(3130)来安装，并且包括形成为与室右侧外壁(3040)的内表面接合的法兰(7050)。法兰(7050)形成在输入增压衬里的四个侧面上，用以环绕整个右侧矩形孔(3130)。法兰(7050)定位输入增压衬里，并且防止前体气体污染室右侧外壁(3040)。法兰(7050)也与可拆卸衬里组合件(6000)的右侧壁紧密接合。底部增压衬里壁(7030)的顶面(7060)设置为与衬底(7000)的顶面基本上共面。从输入增压部出来的气体流过输入增压衬里和衬底(7000)上方。通过将输入增压衬里顶面(7060)定位为与衬底(7000)的顶面基本上共面，避免了在衬底(7000)的前缘处形成涡流。图5中显示的输出增压衬里(7080)与上述输入增压衬里基本相同，并且通过左矩形孔(3140)安装。
如在图7中最佳显示的，中空矩形室(3070)不完全被衬里组合件(6000)充满，其上部体积(7090)和下部体积(7100)在衬里顶壁和底壁(6020)和(6010)之间延伸。体积(7090)和(7100)也可以在中空矩形室(3070)的前部和后部相互流体连接。此外，下部体积(7100)用于容纳下述的可移动井组合件，并且下部体积(7100)通过穿过底部衬里壁(6010)的井孔(7110)与衬里组合件(6000)的内部流体连通。为了进一步防止气体污染其它壁的内表面，用氮气或惰性气体基本连续吹扫上部体积(7090)和下部体积(7100)之一或两者。吹扫气体以低正压(例如约5磅/平方英寸)泵送到上部和下部体积(7090)和(7100)，使得吹扫气体的压力防止较低压力的前体气体进入上部和下部体积(7090)和(7100)。
可移动井组合件，图5、7和8
现在参考图5和7，多个竖井(7120)由设置在底部外壁(3020)和底部衬里壁(6010)之间的下部体积(7100)中的可移动井板(7130)活动支撑。井板(7130)是矩形板，并且多个竖井(7120)成行和列布置，每个竖井与井板(7130)固定连接，并且每个竖井的顶部延伸到可移动井板上方相等的高度，使得每个竖井(7120)的顶部均形成底部支撑表面的一个点。底部衬里壁(6010)包括多个通孔(7110)，其中一个通孔(7110)与每个竖井(7120)对应。当可移动井板(7130)升高至提升位置时，多个竖井(7120)延伸穿过多个对应的通孔(7110)以将衬底(7000)从衬底支撑表面(7010)上提升离开或将井顶部定位在衬底支撑表面(7010)上方高度(D)处以将衬底(7100)容纳在井顶上。特别地，高度(D)与允许将机器人衬底处理器升举臂(2050)(在图2中显示)插入井顶和衬底支撑表面(7010)之间的室组合件中的高度对应，以将衬底(7000)装载到井顶上或将衬底从井顶卸载。当可移动井板(7130)降低时，井顶降低至低于衬底支撑表面(7010)，使得井顶上支撑的衬底被放置为与衬底支撑表面(7010)接触。优选地，当降低井以限制吹扫气体穿过孔(7110)的流动时，竖井(7120)与通孔(7110)保持接合，然而，井可以降低至如图7所示的低于底部衬里壁(6010)的位置。
现在参考图8，其以剖面侧视图示出竖井(8000)的一个示例性实施方案。示例性的竖井(8000)包括圆柱形金属轴(8010)和尖端附件(8020)。尖端附件包括VESPEL
(由DuPon制造的聚合物)或其它合适的聚合物，并且通过粘接或其它合适的紧固手段与金属轴(8010)连接。理想地，尖端附件(8020)的材料能耐受气体沉积室的温度范围和苛刻化学环境而不损坏，同时还提供低渗气性和高的热、电绝缘性。尖端附件(8020)的顶端有球形末端(8030)。
现在参考图5，井致动组合件(3390)设置在室组合件外部，与底部外壁(3020)的外表面连接。升举柱(3400)通过使真空波纹管(3420)穿过圆形孔(3430)，穿过室底部外壁(3020)，而在气压缸和活塞组合件(3410)与可移动井板(7130)之间延伸。真空波纹管(3420)从气压缸和活塞组合件(3410)延伸至室底部外壁并且真空密封圆形通孔(3430)。井致动组合件(3390)还包括一对用于引导气压缸和活塞组合件(3410)以及升举柱(3400)的导杆(3440)。系统控制器协调井致动组合件的致动，以在打开用于装载和卸载衬底的入口门时，升高和降低可移动井板。
参考图5和7，根据本发明，通过降低可移动入口门(3080)和升高可移动井板(7130)，将待涂覆的衬底安装到中空矩形室(3070)中。然后通过机器人衬底处理器(2010)或其它插入装置将衬底(7000)插入室中，并且降低并放置在多个竖井(7120)的顶部上。衬底(7000)的一个尺寸基本在输入和输出增压部(3150)和(3250)之间的中央处，并且衬底的另一尺寸在相对于左和右矩形孔(3130)和(3140)的中央处。然后降低可移动井板(7130)以将衬底(7000)放置到衬底支撑表面(7110)上，关闭入口门(3080)并且真空密封。然后加热室以将衬底升温至气体沉积温度，并且开动真空泵以将室降压至真空压力。在初始降压期间，也可以用惰性气体吹扫所述室，以除去污染物如水蒸汽。当所述室达到期望的真空压力并且衬底达到期望的温度时，可以开始气体沉积过程。通常，该过程以关闭截止阀(3330)和通过输入口(3230)将前体气体引入室中开始。或者，可以在截止阀(3330)打开和真空泵操作的情况下引入前体。在第一前体循环之后，通过运行真空泵和用吹扫气体冲洗室来吹扫室。然后，针对第二前体气体重复该循环，并且这两个前体气体循环可以重复数千次。当衬底涂覆完成时，关闭截止阀(3330)，并且通过输入口或其它的口将室吹扫至大气。打开可移动入口门(3080)，并且升高可移动井板(7130)以将涂覆的衬底从衬底支撑表面提升离开。然后，机器人衬底处理器(2010)将涂覆的衬底从室中移走并将未涂覆的衬底安装到室中以进行下一个涂覆循环。
现在参考图9-11，本发明的其它实施方案涉及在单个室组合件中涂覆两个或更多个衬底(如图9中显示的)或利用单个气体供应模块和真空泵驱动两个或更多个涂覆室组合件的系统和方法。特别地，图9是双宽室组合件(9000)的示意性俯视图，其配置为将两个矩形玻璃衬底(9010)和(9020)并排设置在水平支撑表面上，并且具有被支撑进行垂直移动的双宽可移动门(9030)，以提供穿过室组合件的正面并插入两个矩形玻璃衬底(9010)和(9020)的入口。或者，室组合件(9000)与上述室组合件(3000)基本相同。特别地，室组合件(9000)具有与上述相同的输入增压部(3150)和相同的输出增压部(3250)和出口模块(3220)，所述输入增压部(3150)设置在左和右增压部孔之一和气体供应模块(3240)之间，用于将气体和气相材料通过相应的左或右增压孔供应模块(3240)递送到外部体积。相应地，输入增压部将基本层流的气流递送到矩形玻璃衬底(9010)和(9020)两者的水平顶面上，然后通过出口模块(3220)将气体从双宽室中除去。此外，用于控制室组合件(9000)中的涂覆序列的系统控制器可以包括涂覆程序，其根据需要调节为将额外的前体气体体积递送到双宽室中，以确保两个衬底都被均匀涂覆。
现在参考图10和11，其示意性示出本发明的两个其它实施方案。在图10中，双室系统(10000)包括两个室组合件(10010)和(10020)，每个室组合件均与上述室组合件(3000)基本相同，只是所述两个室组合件(10010)和(10020)共用公共气体供应模块(10030)和共用真空泵(未显示)。而且，两个室组合件(10010)和(10020)可以安装在框架(1140)中，如上所述和图1中所示，使得系统(10000)可以取代上文所述且在图2中示出的自动生产设备(2000)中的双塔系统(1000)。
组合件(10010)和(10020)各自包括共用的输入导管(10040)，其将输入气体递送到顶部输入增压部(10050)和底部输入增压部(10060)。设置在输入导管中的第一截止阀(10070)可以操作为关闭通向两个输入增压部(10050)和(10060)的输入导管(10040)，打开通向两个输入增压部(10050)和(10060)的输入导管(10040)以将输入气体同时递送到两个输入增压部中，或者打开通向两个输入增压部(10050)和(10060)之一的输入导管(10040)以将输入气体只递送到一个输入增压部中。
此外，组合件(10010)和(10020)各自包括共用的输出导管(10080)，其与真空泵流体连通以通过顶部出口模块(10110)和底部出口模块(10120)将气体从顶部输出增压部(10090)和底部输出增压部(10100)中移除。此外，每个出口模块(10110)和(10120)均包括设置在其中的前体捕集器(10140)以将前体气体从室流出物中移除。
设置在输出导管(10080)中的第二截止阀(10130)可以操作为关闭通向两个输出增压部(10090)和(10100)的输出导管(10080)，打开通向两个输出增压部(10090)和(10100)的输出导管(10080)以将气体同时从两个输出增压部中移除，或者打开通向两个输出增压部(10090)和(10100)之一的输出导管(10080)以只将气体从一个输出增压部中移除。相应地，在第一操作模式中，通过打开第一截止阀(10070)以将输入气体同时递送到两个室中，并且操作第二截止阀(10110)以将气体同时从两个室中移除，双室系统(10000)可控制为基本在每个室(10010)和(10020)中进行相同的涂覆循环。除了增加输入气体的体积来为两个室进料并且监测两个室中的传感器以确保室条件适于涂覆之外，双室系统(10000)可以操作为好像在进行单个涂覆循环一样，但实际上涂覆两个衬底。
在第二操作模式中，双室系统(10000)可以操作为完全涂覆选定室中的一个衬底(例如，当未选定的室卸载和随后重新装载时)。在第二操作模式中，第一和第二截止阀(10070)和(10130)均设定为将气流导入选定的室和从选定的室导出，并且系统(10000)执行对装载在选定室中的衬底进行完全涂覆所需的全部涂覆循环。
在第三操作模式中，双室系统(10000)可以以多顶点模式操作，其中将待涂覆的衬底装入两个室(10010)和(10020)中并且加热至期望的涂覆温度。在该操作模式中，第一和第二截止阀(10070)和(10130)设定为在顶部室(10010)执行第一涂覆循环(例如，涂覆一个单层)，其中截止阀定位为防止气流出入底部室(10020)。然后，将两个截止阀设定为在底部室(10020)中的衬底上执行相同的第一涂覆循环，并且完成该过程，直至两个衬底均完成所需的涂覆。
现在参考图11，双室系统(11000)包括两个室组合件(11010)和(11020)，其各自与上述室组合件(3000)基本类似，只是两个室串联在一起。两个室组合件(11010)和(11020)可以通过上文所述且在图1中示出的框架(1140)支撑。特别地，上部室(11010)包括输入增压部(11030)和气体供应模块(11040)，其与上述输入增压部(3150)和气体供应模块(3240)类似。气体供应模块(11040)和输入增压部(11030)操作为通过其右矩形孔(3130)将输入气体递送到上部室(11010)中，如图5所示。下部室(11020)包括设置在其与输入增压部(11030)垂直相对的右侧上的输出增压部(11050)和出口模块(11060)，并且出口模块(11040)与真空泵(未显示)流体连通。
双室系统(11000)包括图12中以等距视图示出的矩形导管(12000)。矩形导管(12000)包括上部法兰和关联的矩形输入口(12010)、下部法兰和关联的矩形输出口(12020)和流体连接矩形输入口和矩形输出口的矩形流体导管(12030)。
上部和下部法兰配置为与输出增压法兰(3260)类似，如上文所示和图4中所示。矩形导管(12000)设置为其上部法兰与上部室(11010)的左侧连接，其下部法兰与下部室(11020)的左侧连接，并且两个法兰与相应的室形成真空密封。
矩形导管输入和输出口(12010)和(12020)的宽度和矩形流体导管(12030)的宽度基本恒定，并且与室左侧矩形孔(3140)的宽度基本上匹配，如图5中所示。相应地，通过左矩形孔(3140)流出上部室(11010)的气体持续穿过矩形导管(12000)，基本不改变其速度或压力，由此限制湍流或涡流被引入气体流动动力学中。类似地，从矩形导管(12000)中流出并流入下部室(11020)中的气体持续穿过下部室，基本不改变其速度或压力，由此限制湍流或涡流被引入气体流动动力学中，使得基本为层流的气流穿过下部室(11020)中安装的第二衬底。在操作中，双室系统(11000)使用单个真空口以抽空两个室，并且使用单个气体供应模块将输入气体递送到两个室中，从而通过单个ALD涂覆循环来涂覆两个衬底。
现在参考图13-15，室组合件(3000)、(9000)、(10000)、(11000)中的任一个可以配置有串联或并联设置在室组合件出口模块和系统真空泵之间的一个或多个捕集器。在附图13至15中的每个图中，输出增压部(13010)显示为具有从其延伸出的出口模块(13020)，并且来自室组合件的流出气体通过输出增压部(13010)底壁中的出口从输出增压部(13010)到达出口模块(13020)。在每个实施例中，第一前体捕集器(13030)设置在出口模块(13020)内，使得流出气体穿过前体捕集器(13030)。通常，第一前体捕集器(13030)包括高表面积基质，其表面区域适于与前体气体反应，直至流出气体中未反应前体的总体积被与表面区域的反应所吸收和分解。优选地，加热第一捕集器至适于衬底涂覆所用前体气体的反应温度。相应地，从第一前体捕集器(13030)出来的流出气体将不会污染接触表面，因为其被从系统中递送并排出。
现在参考图13，第二捕集器(13040)与第一前体捕集器(13030)串联设置，并且截止阀(13050)设置在第二捕集器(13040)和真空泵之间。在该实施例中，第二捕集器可包括也被加热的辅助前体捕集器(13040)。辅助前体捕集器(13040)基本与第一前体捕集器(13030)相同，并且在第一前体捕集器的表面区域在捕集前体方面变得无效或低效的情况下用作第一前体捕集器(13030)的备用捕集器。在该实施例中，辅助前体捕集器(13040)设置在第一前体捕集器(13030)和截止阀(13050)之间以确保即使第一前体捕集器(13030)变得无效，也可保护截止阀(13050)和真空泵不受前体污染。而且，辅助前体捕集器(13040)基本可以使系统能够完成的涂覆循环的数目翻倍才需要更换前体捕集器。
现在参考图14，第二捕集器(13060)与第一前体捕集器(13030)串联设置，并且截止阀(13050)设置在第一前体捕集器(13030)和第二捕集器(13060)之间。在该实施方案中，第二捕集器(13060)包括烃捕集器，其可包括适于与流出气体中不期望的烃气体反应(例如，将烃氧化成二氧化碳)的催化活性烃(HC)氧化基质。在一个实施例中，第二捕集器(13060)包括高表面积基质，其表面区域涂有从一个ALD涂覆步骤吸收氧(例如当前体包括水蒸汽、氧、臭氧或其它含氧组分时)的掺杂氧化铈的氧化锆，并随后用作适用于产生烃组分的第二ALD涂覆步骤的烃组分吸收位点。更一般地，第二捕集器(13060)包括催化活性位点，如可以通过多种金属涂层如铂、钯、铑、钌、银或金提供的。类似地，催化活性位点可以包括主族金属如镁、铁、钴、镍等，或者酸性位点，或者能够与气相结合或物理吸附烃以将烃氧化成二氧化碳的任何其它位点。再次参考图13，第二捕集器(13060)也可以包括烃捕集器。
现在参考图15，多个捕集器并联设置在第一前体捕集器(13030)和真空泵之间。在该实施方案中，出口模块(13020)与T型配件(13070)连接，所述T型配件(13070)将流路分成左导管(13120)和右导管(13130)，后面两者均与真空泵流体连通。截止阀(13080)设置在左导管(13120)中，截止阀(13090)设置在右导管(13120)中，并且可以根据需要打开或关闭截止阀以将气流导至左导管(13120)、右导管(13130)或两者。辅助前体捕集器(13140)和(13150)设置在第一前体捕集器(13030)和相应的截止阀(13080)或(13090)之间的左和右导管中，以提供额外的前体捕集能力。一对第三捕集器(13160)设置在对应的截止阀(13080)或(13090)和真空泵之间的左和右导管中。第三捕集器(13160)可包括如上所述的烃捕集器。图15中所示的所有捕集器均可以加热。所有的捕集器都安装到室中，当捕集器不再有效时，允许更换捕集器。每个捕集器也可以与用于确定捕集器效力的传感器等关联，以便可以将气流重新导入其它平行路径中，以利用效力更好的捕集器组。相应地，图15的捕集器布置可以用于显著延长气体沉积涂覆系统可完成的涂覆循环的数目，然后才需要更换捕集器。
现在参考图16A和16B，根据本发明的反应室组合件(8100)的另一实施方案包括封闭中空矩形室(8120)的外壁组合件(8110)，所述中空矩形室(8120)的尺寸设置为将6个衬底支撑架(8130)水平设置于其中。如图16A中所示，左支撑区域(8140)包括相互堆叠的三个水平支撑的衬底架和包括相互堆叠的另外三个水平支撑的衬底架的右支撑区域(8150)。反应室组合件(8100)还包括输入增压部(8160)、输出增压部(8170)和出口模块(8180)，它们在设计和功能上都与上述同名模块类似。反应室组合件(8100)的正面(未显示)包括前矩形孔和关联的可移动入口门(其在设计和功能上与上述同名模块类似)，以向中空矩形室(8120)提供入口，以将一个或更多个衬底装载或卸载到六个衬底支撑架(8130)中的每个支撑架上。
优选地，六个衬底支撑架(8130)中的每个支撑架都是矩形的并且基本相同，并且尺寸设置为将尺寸为GEN 1.0(300×400mm)至GEN 7(2160×2460mm)的单个矩形衬底容纳于其上，其中所述架配置为沿x轴支撑衬底的短尺寸或横向宽度，并且沿y轴支撑衬底的长度尺寸或纵向长度。
利用上述反应室组合件，右矩形孔(8190)沿每个衬底支撑架的整个纵向长度或y轴尺寸延伸，并且沿整个衬底纵向长度容纳来自输入增压部(8160)的输入气体或蒸气。输入气体或蒸气在六个衬底支撑架(8130)中的每个支撑架顶上和由其支撑的每个衬底的顶面上水平流动。右矩形孔(8210)沿每个衬底支撑架(8130)的整个纵向长度或y轴尺寸延伸，并且气体或蒸气被沿整个衬底纵向长度从中空矩形室(8120)中移到输出增压部(8160)中，并且出口气体或蒸气被移到出口增压部(8180)中。相应地，反应室组合件(8100)可以用于进行涂覆循环以将固体材料层一次沉积到六个衬底上。
衬底支撑架(8130)支撑在两个三托盘堆中，每堆具有基本上共面的并置衬底托盘。衬底支撑架的每端都用三个架支撑臂(8220A、8220B和8220C)支撑。参考图16B，室输入侧的放大视图示出架支撑臂(8220C)、由架支撑臂(8220C)支撑的三个衬底支撑架(8130)和支撑在每个衬底支撑架上的三个衬底(8230)。每个衬底支撑架均包括在架每端(只显示一端)形成的肩部(8240)，并且衬底在每端均略微悬出肩部(8240)之外。肩部和相关的悬垂用于插入升举或操作工具，以将衬底装载到架上或将衬底从架上卸载。
每个衬底支撑架均可以用与衬底支撑架关联、优选与其连接的加热元件(未显示)单独加热。此外，室组合件(8100)也可以包括与每个衬底支撑架关联以向加热元件供电的插头(8250)。优选地，每个衬底支撑架(8130)均包括ALPASE K100-S(一种专门设计用于真空应用的铝板材)并提供相对高的导热率(例如，812 BTU-in/hr-ft2-℉)以在加热元件和支撑在架上的衬底之间快速、均匀地传导热能。或者，衬底托盘(8130)可由不锈钢制成，使得衬底支撑架可以通过机械摩擦或化学蚀刻清洁并且重新使用。
反应室组合件(8100)也可以包括设置在环绕衬底支撑区域(8140，8150)的外壁组合件中的可拆卸和可清洁的衬里(8260)，其配置为防止工艺气体污染外壁组合件的内壁。
Claims (26)
1.一种用于将薄膜层沉积到一个或更多个衬底上的反应室组合件(3000、8100)，其包括：
-用于封闭中空室的外壁组合件，包括与基本相对的左外侧壁和右外侧壁(3030，3040)和基本相对的前外壁和后外壁(3042，3044)相连的基本相对的顶外壁和底外壁(3010，3020)；
-气体供应模块，用于将一种或更多种气体和气相材料递送到所述中空室中；
-真空泵，用于从所述中空室移除气体和气相材料；
-其特征在于，所述反应室组合件还包括：
-矩形输入孔(3140)，其延伸穿过所述左外侧壁和右外侧壁(3030)、(3040)之一；
-矩形输出孔(3130)，其延伸穿过所述左外侧壁和右外侧壁(3040)中的另一个，其中所述输入矩形孔和所述输出矩形孔相对设置并具有基本相同的孔尺寸；
-输入增压部(3150)，其设置在所述外壁组合件的外部并且与所述气体供应模块流体连通，用于将所述一种或更多种气体和气相材料通过所述输入矩形孔递送到所述中空室中；和
-输出增压部(3250)，其设置在所述外壁组合件的外部并且与所述真空泵流体连通，用于通过所述输出矩形孔从所述中空室移除气体和气相材料。
2.权利要求1所述的反应室组合件，还包括基本水平设置在所述中空室内并且在所述输入矩形孔和所述输出矩形孔之间的一个或更多个衬底支撑表面(3350，8130)。
3.权利要求2所述的反应室组合件，还包括：
-穿过所述前外壁(3042)的前孔(3035)，其用于提供进入所述中空室(3070)的入口，用以装载和卸载所述一个或更多个衬底；和
-相对于所述前孔可移动的入口门(3080)，其用于当所述入口门关闭时在沉积涂覆循环期间气体密封所述前孔，和用于当所述入口门打开时提供通过所述前孔进入所述中空室的入口。
4.权利要求2所述的反应室，其中所述输入增压部形成具有输入端和输出端的输入增压室(3210)，所述输入端通过设置在所述输入端附近的输入口(3220)接收来自所述气体供应模块的所述一种或更多种气体和气相材料，所述输出端将所述一种或更多种气体和气相材料通过所述矩形输入孔(3130)递送到所述中空室中，并且其中所述输入增压室的形状为从所述输入端到所述输出端体积基本连续膨胀。
5.权利要求4所述的反应室组合件，其中所述输入增压室(3210)在基本水平的平面内具有第一三角形截面，其中所述输入端形成所述第一三角形截面的顶点，并且所述输出端形成所述第一三角形截面的底部，而且其中所述输出端通过所述矩形输入孔(3130)与所述中空室流体连通。
6.权利要求5所述的反应室组合件，其中所述输入增压室在基本垂直的平面内具有第二梯形截面，其中所述输入端形成所述第二梯形截面的顶点，并且所述输出端形成所述第二梯形截面的底部。
7.权利要求6所述的反应室，其中所述输出增压部(3250)形成具有输出端和输入端的输出增压室(3300)，所述输出端用于通过设置在所述输出端附近的出口模块(3220)从所述输出增压室移除所述气体和气相材料，并且所述输入端用于通过所述左矩形孔和所述右矩形孔中对应的一个孔将所述一种或更多种气体和气相材料从所述中空室中移出，并且其中所述输出增压室的形状为从所述输入端到所述输出端体积基本连续缩小。
8.权利要求2和7中任一项所述的反应室组合件，其中所述输出增压室(3300)具有基本在水平平面内的第一三角形截面，其中所述输出端形成所述第一三角形截面的顶点，并且所述输入端形成所述第一三角形截面的底部，而且其中所述输入端通过所述矩形输出孔(3140)与所述中空室流体连通。
9.权利要求8所述的反应室组合件，其中所述输出增压室具有基本在垂直平面内的第二梯形截面，其中所述输出端形成所述第二梯形截面的顶点，并且所述输入端形成所述第二梯形截面的底部。
10.权利要求9所述的反应室组合件，其中所述出口模块包括：
-圆形出口(3310)，其穿过顶部输出增压壁和底部输出增压壁之一；
-压力计，用于感测所述出口模块中的气体压力；和
-截止阀，用于在所述截止阀处于关闭位置时将所述出口模块与所述真空泵相互隔开。
11.权利要求2所述的反应室，其中所述中空体积具有在基本水平平面内的第一矩形截面，所述第一矩形截面具有中空体积纵向长度和中空体积横向宽度，其中所述一个或更多个衬底支撑表面(3350，8130)中的每一个均具有矩形尺寸，所述矩形尺寸具有支撑表面纵向长度和支撑表面横向宽度，所述支撑表面纵向长度和支撑表面横向宽度各自的尺寸为与所述中空体积内第一矩形截面匹配，并且支撑具有由衬底尺寸标准GEN 1(300×400mm)至GEN 7(2160×2460mm)中任一个限定的矩形尺寸的矩形衬底。
12.权利要求2所述的反应室，还包括设置在所述中空室内的衬里组合件(6000)，其配置为防止所述一种或更多种气体和气相材料污染所述外壁组合件的内表面。
13.权利要求12所述的反应室组合件，其中所述衬里组合件包括定位在所述左孔和所述右孔(3030，3040)之间的基本水平设置的衬里底壁(6010)，并且其中所述衬里底壁包括所述一个或更多个衬底支撑表面。
14.权利要求13所述的反应室组合件，其中所述衬里组合件(6000)配置为通过所述前孔(3035)安装到所述中空室中和从所述中空室移除。
15.权利要求13所述的反应室，还包括穿过所述外壁组合件的后外壁(3044)的后孔(3045)，其中所述衬里组合件配置为通过所述后孔(3045)安装到所述中空室中和从所述中空室移除。
16.权利要求14和15中任一项所述的反应室，还包括输入增压衬里(7015)，其包括通过关联的所述矩形输入孔安装的矩形管状元件，以防止流过所述矩形输入孔的所述气体和气相材料污染所述外壁的内表面。
17.权利要求16所述的反应室，还包括输出增压衬里(7080)，其包括通过所述矩形输出孔安装的矩形管状元件，以防止流过所述矩形输出孔的所述气体和气相材料污染所述外壁的内表面。
18.权利要求1所述的反应室组合件，其中所述反应室(3000)包括上部反应室(1120)，还包括：
-框架(1140)，其用于将所述上部反应室(1120)支撑在所述框架的上部位置中；
-第二基本相同的下部反应室(1150)，其支撑在所述框架(1140)的下部位置中。
19.权利要求18所述的反应室，还包括：
-与支撑在所述框架上的所述上部反应室关联的多个第一子系统；
-与支撑在所述框架上的所述下部反应室关联的多个第二子系统；和
-其中所述上部反应室和第一子系统相对于所述下部反应室和第二子系统独立操作，并且可与所述下部反应室和第二子系统同时操作。
20.权利要求19所述的反应室，还包括单个气体供应模块(10030)，其将气体或气相材料递送到与所述上部反应室(1120)关联的上部输入增压部(10050)中和与所述下部反应室(1150)关联的下部输入增压部(10060)中。
21.权利要求20所述的反应室，还包括与真空泵流体连通的单个出口模块，用于从与所述上部反应室(1120)关联的上部输出增压部(10090)和与所述下部反应室关联的下部输出增压部(10100)中的每一个中移除气体和气相材料。
22.权利要求1所述的反应室，还包括设置在所述出口增压部和所述真空泵之间的捕集器，其中所述捕集器包括适合与从所述出口增压部中移出的不期望的烃气体反应的催化活性烃(HC)氧化基质。
23.一种将薄膜层沉积到矩形衬底上的方法，所述矩形衬底具有衬底纵向长度和衬底横向宽度，其中至少一个衬底被支撑在由外壁组合件封闭的中空矩形室中，所述方法包括如下步骤：
-将一种或更多种气体和气相材料递送到输入增压部中，所述输入增压部设置在所述中空矩形室和气体供应模块之间的所述外壁组合件的外部；
-使所述一种或更多种气体和气相材料的体积在所述输入增压部中膨胀；和
-通过穿过所述外壁组合件的第一侧壁的矩形输入孔将所述一种或更多种气体和气相材料递送到所述中空矩形室中，其中所述矩形输入孔的纵向孔尺寸相对于所述衬底纵向长度和所述衬底横向宽度之一位于中央并且等于或大于所述衬底纵向长度和所述衬底横向宽度之一。
24.权利要求23所述的方法，其包括如下步骤：通过矩形输出孔将所述气体或气相材料从所述中空矩形室中移出，所述矩形输出孔穿过与所述矩形输入孔相对的所述外壁组合件的第二侧壁，其中所述输入孔和所述输出孔具有基本相同的矩形尺寸；并且还将所述气体和气相材料移入输出增压部中，所述输出增压部设置在所述中空矩形室和真空泵之间的所述外壁组合件的外部。
25.权利要求24所述的方法，还包括压缩所述输出增压部中的所述一种或更多种气体和气相材料的体积的步骤。
26.权利要求24所述的方法，其中从所述中空矩形室中移出的所述一种或更多种气体和气相材料包括不期望的烃材料，所述方法还包括将所述不期望的烃材料与设置在位于所述输出增压部和所述真空泵之间的捕集器中的催化活性烃(HC)氧化基质反应的步骤。
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