CN104141117B - 原子层沉积装置和原子层沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及原子层沉积装置和原子层沉积方法。原子层沉积装置包括：可密封的沉积室；保持部，被配置为在沉积室中保持包括沉积表面的基板；供应机构，包括连接至供应气体的气体供应源的导入部，并且被配置为将导入导入部的气体从与沉积表面相对的位置处供应至沉积室；以及排出机构，包括连接至能够排出气体的排出机构的排出部，并且被配置为从与沉积表面相对的位置处给沉积室排气。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年5月9日提交的日本在先专利申请JP2013-099016的权益，将其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及能够在基板上形成薄膜的原子层沉积(ALD)装置以及原子层沉积方法。
背景技术
近年来，作为在大玻璃基板(例如，在平板显示器(FPD)、太阳能面板等中使用的基板)的制造领域中的薄膜制造方法，原子层沉积(ALD)方法正吸引着关注。ALD方法包括在基板的沉积表面上交替地供应两种类型的前驱气体以在基板的沉积表面上每次形成一层目标物质。ALD方法在关于薄膜的膜厚度的可控性方面是极好的，并且因此能够形成高质量的薄膜。
日本专利申请公开No.2006—310813(在下文中，称为专利文献1)公开了ALD装置。在ALD装置中，在基板的沉积表面上的一个端部设置用于将前驱气体导入沉积室的导入部，并且在基板的沉积表面上的与所述一个端部相对的另一个端部设置用于给沉积室排气的排出部。引入到沉积室的前驱气体被供应至基板的沉积表面，并且将通过基板的沉积表面的多余的气体排出。因此，两种类型的前驱气体被交替地导入沉积室并交替地供应至至基板的沉积表面。于是，在基板的沉积表面上形成薄膜。
发明内容
在专利文献1中公开的ALD装置中，在基板的沉积表面上的气体的浓度在导入部一侧和排气部一侧变得不均匀。因此，难以均衡地控制穿过基板的沉积表面的整个区域的气体供应状况。因此，在ALD装置中，在基板的沉积表面上形成的薄膜的膜厚度和质量容易变得不均匀。
考虑到如上所述的情况，需要能够形成均匀薄膜的原子层沉积装置。
根据本公开的实施方式，提供一种原子层沉积装置，其包括沉积室、保持部、供应机构和排出机构。
沉积室是可密封的。
保持部被配置为在沉积室中保持包括沉积表面的基板。
供应机构包括连接至气体供应源的导入部，气体供应源供应气体并且被配置为从与沉积表面相对的位置处将导入到导入部里的气体供应至沉积室。
排出机构包括连接至能够排出气体的排出机构的排出部，并且被配置为从与沉积表面相对的位置处给沉积室排气。
利用该结构，变得可以在与基板的沉积表面相对的位置处执行关于沉积室的气体导入和排出。因此，在原子层沉积装置中，气体被均匀地供应至基板的整个沉积表面，并且在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。从而，原子层沉积装置能够在基板的沉积表面上形成均匀的薄膜。
此外，在原子层沉积装置中，即使当与基板的沉积表面相对的区域变窄时，在基板的沉积表面上的气体浓度也几乎不会变得不均匀。因此，可减小沉积室的体积。于是，在原子层沉积装置中，可缩短排气时间。
供应机构可进一步包括连接至导入部并且与沉积表面相对的供应口。
在这种情况下，排出机构可进一步包括连接至排出部并且与沉积表面相对的排出口。
利用该结构，可单独地控制供应机构和排出机构。
供应口和排气口可彼此邻近。
利用该结构，在相邻的位置处执行气体导入和排出。因此，在原子层沉积装置中，在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。
供应机构可进一步包括多个供应口和供应通道，供应通道将多个供应口连接到导入部并且与多个供应口形成歧管。
此外，排出机构可进一步包括多个排出口和排出通道，排出通道将多个排出口连接到排出部并且与多个排出口形成歧管。
利用该结构，由于供应通道和多个供应口形成歧管，在供应通道中的气压变得恒定，并且在多个供应口处的气体导入压力相对沉积室同样变得恒定。此外，由于排出通道和多个排出口形成歧管，在排出通道中的气压变得恒定，并且在多个排出口处的气体排出压力相对沉积室同样变得恒定。于是，在原子层沉积装置中，在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。
供应通道、供应口、排出通道和排出口可全部形成在单个流动通道形成构件上。
利用该结构，可以容易地实现上述功能。
原子层沉积装置可进一步包括多个供应机构。
在这种情况下，多个供应机构可将不同类型的气体供应到沉积室。
利用该结构，供应机构可根据前驱气体的类型被区别地使用。于是，可防止在供应机构中发生前驱气体之间的串扰。因此，利用该结构，可防止前驱气体被不经济地使用，可防止在供应机构中出现反应物质的沉淀(precipitation，凝结)。
供应机构可进一步包括多个供应通道和导入室，导入室将多个供应通道连接到导入部并且与多个供应通道形成歧管。
此外，排出机构可进一步包括多个排出通道和排出室，排出室将多个排出通道连接到排出部并且与多个排出通道形成歧管。
利用该结构，由于导入室和多个供应通道形成歧管，导入室中的气压变得恒定，并且在多个供应通道中的气压同样变得恒定。此外，由于排出室和多个排出通道形成歧管，排出室中的气压变得恒定，并且在多个排出通道中的气压同样变得恒定。
因此，在所有供应口的气体导入压力相对沉积室变得恒定，并且在沉积室中的气体排出压力在所有排出口处变得恒定。因此，在原子层沉积装置中，在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。
多个供应通道和多个排出通道可交替地布置。
利用该结构，能够实现其中多个供应口和多个排出口彼此靠近的结构。
原子层沉积装置可进一步包括旁路通道，旁路通道将排出机构和导入部连接。
利用该结构，除了排出部，还可经由导入部执行通过排出机构的沉积室的排气。因此，可缩短沉积室的排气时间。
原子层沉积装置可进一步包括等离子体单元，等离子体单元设置在气体供应源与导入部之间，并且使被导入到导入部的气体产生等离子体。
利用该结构，通过等离子化而激活的前驱气体被供应至基板的沉积表面。因此，激活前驱气体的反应。
原子层沉积装置可进一步包括设置在沉积室内部并且连接至电源的一对电极以使在沉积室中的气体产生等离子体。
利用该结构，可在沉积室中产生前驱气体的等离子体。因此，激活前驱气体的反应。
排出机构和供应机构均可形成在单个流动通道形成构件上，并且保持部和流动通道形成构件可构成一对电极。
利用该结构，可容易地实现能够激活沉积室中的前驱气体的反应的结构。
原子层沉积装置可进一步包括多个原子层沉积单元，每个原子层沉积单元包括沉积室、保持部、供应机构和排出机构。
利用该结构，可同时在多个基板的沉积表面上形成薄膜。
多个原子层沉积单元可沿与沉积表面垂直的方向层压。
利用该结构，原子层沉积装置变成多层结构。于是，变得可以小型化原子层沉积装置，并且在原子层沉积单元中共同地设置基板的送入和送出方向。
根据本公开的实施方式，提供一种原子层沉积方法，该方法包括：从与基板的沉积表面相对的第一位置处供应气体；以及从与沉积表面相对的第二位置处排气。
利用该结构，在与基板的沉积表面相对的位置处执行关于沉积室的气体导入和排出。因此，通过原子层沉积方法，容易穿过基板的整个沉积表面均匀地供应气体，并且在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。因此，利用原子层沉积方法，能够在基板的沉积表面上形成均匀的薄膜。
第一位置和第二位置可彼此邻近。
利用该结构，在靠近的位置处执行气体导入和排出。因此，在原子层沉积方法中，在基板的沉积表面上的气体浓度几乎不会变得不均匀。
原子层沉积方法可进一步包括：从多个第一位置处供应气体；以及从多个第二位置处排气。
利用该结构，在基板的沉积表面上的气体浓度变得更均匀。
原子层沉积方法可进一步包括从第一位置处供应通过等离子化而激活的气体。
利用该结构，通过等离子化而激活的前驱气体被供应至基板的沉积表面。因此，激活前驱气体的反应。
原子层沉积方法可进一步包括通过在沉积表面和与沉积表面相对的表面之间施加电压，使从第一位置处供应的气体产生等离子体。
利用该结构，可产生供应至沉积表面的前驱气体的等离子体。因此，激活前驱气体的反应。
如上所述，根据本公开的实施方式，可提供利用其能够形成均匀薄膜的原子层沉积装置和原子层沉积方法。
根据如在附图中示出的本公开的最优模式实施方式的以下详细描述，本公开的这些和其他目标、特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
图1A是根据本公开的实施方式的ALD装置的平面视图；
图1B是示出图1A中所示的ALD装置的内部结构的示意图；
图2是沿着图1A中所示的ALD装置的线A-A'所取的截面图；
图3是沿着图1A中所示的ALD装置的线B-B'所取的截面图；
图4是示出用于图1A中所示的ALD装置的沉积方法的流程图；
图5是图1A中所示的ALD装置的变形例的说明图；
图6是示例性说明图1A中所示的ALD装置的每个部分的尺寸的示图；
图7是示出图5中所示的ALD装置的变形例的示图；
图8是根据本公开的实施方式的多层ALD装置的截面图；
图9是示出图8中所示的多层ALD装置的气体供应系统和排出系统的示图；
图10是示出根据比较实例的ALD装置的气体供应系统和排出系统的示图；
图11是示出图9中所示的多层ALD装置的变形例的示图；以及
图12是示出图9中所示的多层ALD装置的变形例的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本公开的实施方式。应注意附图适当地示出了彼此正交的X轴、Y轴和Z轴。
(ALD装置1的总体结构)
图1A是根据本公开的实施方式的原子层沉积(ALD)装置1的平面视图。图1B是示出图1A中示出的ALD装置1的内部结构的示意图。图2和图3是ALD装置1的截面示图。图2是沿着图1A的线A-A'所取的截面图，并且图3是沿着图1A的线B-B'所取的截面图。在图1A中，ALD装置1的内部结构可被看透并且通过虚线表示。在图1B中，示意性地示出ALD装置1的内部结构。
ALD装置1包括流动通道形成构件2。流动通道形成构件2是沿着X轴和Y轴方向延伸的矩形板。流动通道形成构件2是其中形成用于前驱气体的流动通道的构件。
流动通道形成构件2由几乎不会被前驱气体损坏并且具有足够耐热性的固态材料形成。这种材料的实例包括金属材料和陶瓷材料。在低温使用ALD装置1并且不通过加热生成气体的条件下，可采用树脂材料作为用于形成流动通道形成构件2的材料。
可基于沉积物质和流动通道清洗方法确定用于形成流动通道形成构件2的材料。在该实施方式中，将描述沉积物质是氧化铝(Al2O3)的情形。因此，流动通道形成构件2由当移除附着在流动通道上的氧化铝膜时难以损坏的不锈钢形成。然而，当沉积物质不是氧化铝时，例如，可采用铝(Al)作为用于形成流动通道形成构件2的材料以减轻ALD装置1。
在流动通道形成构件2中，沿着X轴方向延伸的用于供气的供应通道13和用于排气的排出通道23以固定的间隔交替地布置在Y轴方向上。供应通道13从图1A至图3中示出的流动通道形成构件2的左端部延伸至其右端部。排出通道23从图1A至图3中示出的流动通道形成构件2的右端部延伸至其左端部。供应通道13不穿透流动通道形成构件2的右端部，并且排出通道23不穿透流动通道形成构件2的左端部。
此外，在流动通道形成构件2中，设置从供应通道13沿着Z轴方向向下延伸的供应口14以及从排出通道23沿着Z轴方向向下延伸的排出口24。沿X轴方向以固定间隔设置在每个供应通道13上的供应口14从多个位置穿透流动通道形成构件2在Z轴方向上的下表面。沿X轴方向以固定间隔设置在每个排出通道23上的排出口24同样沿着Z轴方向从多个位置处穿透流动通道形成构件2的下表面。
供应口14和排出口24设置在流动通道形成构件2的下表面，但是它们只需与基板S的沉积表面相对。换言之，可沿着Z轴方向逐步地设置形成供应口14的表面和形成排出口24的表面。例如，沿着Z轴方向的排出口24的下端比沿着Z轴方向的供应口14的下端更加远离基板S的沉积表面。
供应通道13分别具有比供应口14更大的直径，并且分别与多个供应口14形成歧管。排出通道23分别具有比排出口24更大的直径，并且分别与排出口24形成歧管。排出口24分别具有比供应口14稍微大些的直径。
由于供应通道13和多个供应口14形成歧管，供应通道13中的气压保持恒定，并且因此多个供应口14将恒定压力的气体供应至基板S的沉积表面。此外，由于排出通道23和多个排出口24形成歧管，排出通道23中的气压保持恒定，并且因此多个排出口24以恒定的压力排出气体。
如在图2的部分放大图所示，供应通道13以释放角θ将气体供应至基板S的沉积表面。释放角θ表示从供应通道13释放的气体的散布并且基于气压等来确定。可基于气压等调整释放角θ，从而使从供应通道13释放的气体被供应至基板S的整个沉积表面。
供应通道13、排出通道23、供应口14和排出口24通过使流动通道形成构件2经历使用钻孔机的切削工艺来形成。为了形成供应通道13、排出通道23、供应口14和排出口24，使用分别具有与通道和口的直径对应的直径的钻头。
应注意，该实施方式的ALD装置1与关于具有300mm×350mm尺寸的基板的沉积物一致地构造。具体地，在ALD装置1中设置13个供应通道13，并且在每个供应通道13上设置13个供应口14。同样在ALD装置1中设置13个排出通道23，并且在每个排出通道23上设置13个排出口24。然而，供应通道13、供应口14、排出通道23和排出口24的数量可视情况而定。
ALD装置1还包括连接构件5和6。连接构件5和6横跨流动通道形成构件2的整个宽度沿着Y轴方向延伸，并且分别附接于流动通道形成构件2在X轴方向上的两个端部。连接构件5是用于将气体供应源(未示出)与供应通道13连接的构件。连接构件6是用于将排出机构(未示出)与排出通道23连接的构件。在该实施方式中，排出机构被构造为泵，但是仅仅需要能够排出气体。
连接构件5附接于流动通道形成构件2在X轴方向上的供应通道13被打开的左端部。连接构件6附接于流动通道形成构件2在X轴方向上的排出通道23被打开的右端部。连接构件5和6由类似流动通道形成构件2的不锈钢形成。然而，与流动通道形成构件2类似，可适当地改变用于形成连接构件5和6的材料。
在连接构件5中设置一个沿着Y轴方向延伸并且使所有供应通道13相通的供应室12以及用于将供应室12连接至气体供应源的导入部11。供应室12具有比供应通道13更大的直径，并且与供应通道13形成歧管。
在连接构件6中设置一个沿着Y轴方向延伸并且使所有排出通道23相通的排出室22以及用于将排出室22连接至泵的排出部21。排出室22具有比排出通道23更大的直径，并且与排出通道23形成歧管。
由于供应室12和多个供应通道13形成歧管，供应室12中的气压保持恒定，并且在多个供应通道13中的气压同样保持恒定。此外，由于排出室22和多个排出通道23形成歧管，排出室22中的气压保持恒定，并且因此多个排出通道23中的气压同样保持恒定。
导入部11和供应室12通过使连接构件5经历使用钻孔机、铣割器(millingcutter)等的切削工艺来形成。此外，排出部21和排出室22通过使连接构件6经历使用钻孔机、铣割器等的切削工艺来形成。
如上所述，导入部11、供应室12、供应通道13和供应口14彼此相通并且构成连接至气体供应源的供应机构。供应机构包括由供应室12和供应通道13构成的歧管以及由供应通道13和供应口14构成的歧管。换言之，供应机构具有其中歧管以两步来组合的结构。
此外，排出部21、排出室22、排出通道23和排出口24彼此相通并且构成连接至泵的排出机构。排出机构包括由排出室22和排出通道23构成的歧管以及由排出通道23和排出口24构成的歧管。换言之，排出机构具有其中歧管以两步来组合的结构。
ALD装置1还包括保持构件3。保持构件3横跨流动通道形成构件2的整个宽度沿着X轴和Y轴方向延伸。保持构件3的四周边缘部分横跨整个四周耦接至流动通道形成构件2，从而覆盖流动通道形成构件2在Z轴方向上的下表面。保持构件3是用于形成在保持构件3与流动通道形成构件2之间的沉积室4的构件。保持构件3由类似流动通道形成构件2的不锈钢形成。然而，与流动通道形成构件2类似，可适当地改变用于形成保持构件3的材料。
保持构件3被耦接至流动通道形成构件2的四周边缘部分环绕，并且包括作为与供应口14和排出口24相对的表面的平台3a。通过切割保持构件3在Z轴方向上的上表面，平台3a变得与流动通道形成构件2在Z轴方向上的下部表面平行。换言之，平台3a处于从保持构件3在其四周边缘部分处的上表面(在Z轴方向上)沿着Z轴方向向下凹入的位置处。
保持构件3形成平台3a与流动通道形成构件2在Z轴方向上的下表面之间的沉积室4。除了供应口14和排出口24，沉积室4是通过流动通道形成构件2和保持构件3封闭的空间。平台3a被构造为保持基板S的保持部。
基板S被设置成使得其在沉积表面的另一侧的表面与平台3a相对并且沉积表面与流动通道形成构件2相对。因此，设置在平台3a上的基板S的沉积表面暴露在流动通道形成构件2的供应口14和排气口24一侧。
在沉积室4中的平台3a上，可手动地或通过机器人等自动地执行基板S的设置。此外，ALD装置1可具有其中容纳基板S的整个盒子能够被设置在沉积室4中的结构。
如图1A所示，ALD装置1的供应口14和排出口24的位置横跨设置在平台3a上的基板S的整个沉积表面均匀地分配。于是，ALD装置1能够在相同的条件下横跨基板S的整个沉积表面形成薄膜。
尽管该实施方式的基板S是玻璃基板，但并不限制基板的类型。ALD装置1中的其上能够形成薄膜的基板的实例包括各种陶瓷基板、硅基板、树脂基板和有机膜基板。ALD装置1同样可以在由铝、铜等形成的金属基板或者通过结合多个类型的材料构成的复合基板上形成薄膜。
(用于ALD装置1的沉积方法)
图4是示出用于ALD装置1的沉积方法的流程图。将参考图1A至图3沿着图4中示出的流程图描述该实施方式的沉积方法。具体地，在基板S被设置在平台3a上的同时，执行图4中示出的步骤S1至S9。
在步骤S1中，通过连接至排出部21的泵执行沉积室4的真空化。此时，设置在导入部11一侧的阀门(未示出)关闭，并且因此ALD装置1处于密封状态。于是，包括沉积室4的ALD装置1中的整个空间处于真空。在步骤S1中，期望沉积室4的真空度很高。
具体地，ALD装置1内部的空气经由排出口24、排出通道23、排出室22和排出部21的排出机构排出至ALD装置1外部。此外，尽管将随后给出细节，泵还连接至导入部11，从而ALD装置1内部的空气同样通过由供应口14、供应通道13、供应室12和导入部11构成的供应机构排出至ALD装置1外部。
利用该结构，缩短了ALD装置1内部的排气时间。相应地，步骤S1缩短，并且在后续步骤中的排气同样可被缩短。
在步骤S2中，加热整个ALD装置1。基于前驱气体的反应温度、基板S的沉积表面的耐热温度等来设置ALD装置1的加热温度。在该实施方式中，三甲基铝(TMA)和H2O(水蒸汽)被用作前驱气体，并且将ALD装置1的加热温度设为50℃或更高以及320℃或更低。应注意，当前驱气体不同时，加热温度可适当地改变。
在步骤S3中，执行沉积室4的N2净化。在步骤S3中，将作为惰性气体的N2导入在步骤S1中被真空化的沉积室4，并且再次真空化沉积室4。因此，在步骤S1之后残留在沉积室4内部的气体被替代为N2并被排出至沉积室4外部。通过步骤S3，可去除在步骤S1之后残留的气体的影响。
具体地，N2经由由导入部11、供应室12、供应通道13和供应口14构成的供应机构导入沉积室4。此外，沉积室4中的N2通过排出机构(24、23、22、21)和供应机构(14、13、12、11)排出至ALD装置1外部。
在步骤S4中，H2O被脉冲导入至沉积室4。具体地，通过在预定时间从导入部11导入H2O，H2O从供应口14朝向基板S的沉积表面释放。此时，设置在排出部21一侧的阀门(未示出)关闭，并且不对沉积室4进行排气。可基于基板S的沉积表面的面积确定H2O被脉冲导入的时间和次数。此外，N2的导入量可在N2的流动速率变成30到200sccm以及沉积室4内部的压力变成大约4*10-1托(5.33*10Pa)的条件下确定。
H2O经由供应机构(14、13、12、11)导入沉积室4。更具体地，导入导入部11的H2O在供应室12的内部扩散，使得供应室12变为恒定压力。随后，H2O在恒定压力下从供应室12导入供应通道13并且在供应通道13内部扩散，从而变成恒定压力。随后，H2O在恒定压力下从供应通道13导入供应口14。因此，H2O在恒定压力下葱所有供应口14释放。
如上所述，在该实施方式中，H2O在恒定释放压力下从所有供应口14供应至基板S的沉积表面。因此，在基板S的沉积表面上难以引起H2O的集中分布。
在步骤S5中，导入沉积室4的H2O在整个沉积室4内部扩散。具体地，在步骤S4之后，设置在导入部11一侧的阀门关闭，并且保持这种状态。于是，沉积室4中的H2O的浓度变得均匀。换言之，通过步骤S5，H2O供应状况横跨基板S的整个沉积表面上变得恒定。
在该实施方式中，由于在步骤S4中，在基板S的沉积表面上难以引起H2O集中分布，因此步骤S5的时间明显地缩短。此外，基于形成在基板S的沉积表面上的薄膜所需的均匀度，当H2O浓度在步骤S4中足够均匀时，也可省去步骤S5。
在步骤S6中，执行沉积室4的N2净化。在步骤S6中，沉积室4被真空化，作为惰性气体的N2被导入沉积室4，并且再次真空化沉积室4。于是，H2O从沉积室4释放。
在步骤S7中，TMA被脉冲导入沉积室4。具体地，通过在预定时间将TMA从导入部11导入，TMA从供应口14释放至基板S的沉积表面。此时，设置在排气部21一侧的阀门(未示出)关闭，并且不执行沉积室4的排气。可基于基板S的沉积表面的面积确定TMA被脉冲导入的时间和次数。此外，N2的导入量可在N2的流动速率变成30到200sccm以及沉积室4内部的压力变成大约4*10-1托(5.33*10Pa)的条件下确定。例如，还可基于TMA脉冲导入时间或沉积室4的容量确定N2的流动速率。
TMA经由供应机构(11、12、13、14)导入沉积室4。更具体地，导入导入部11的TMA在供应室12的内部扩散，从而在供应室12中变为恒定压力。然后，TMA以恒定的压力从供应室12导入供应通道13并且在供应通道13内部扩散，从而在供应通道13中变为恒定压力。随后，TMA从供应通道13导入供应口14。因此，TMA从所有供应口14以恒定压力释放。
如上所述，在该实施方式中，TMA从所有供应口14以恒定的释放压力供应至基板S的沉积表面。于是，在基板S的沉积表面上难以引起TMA集中分布。
在步骤S8中，导入沉积室4的TMA在整个沉积室4的内部扩散。具体地，设置在导入部11一侧的阀门在步骤S7之后关闭，并且保持这种状态。于是，沉积室4中的TMA的浓度变得均匀。换言之，通过步骤S8，TMA供应状况在整个基板S的沉积表面上变得恒定。
在该实施方式中，由于在步骤S7中，在基板S的沉积表面上难以引起TMA集中分布，因此步骤S8的时间明显地缩短。此外，基于形成在基板S的沉积表面上的薄膜所需的均匀度，当TMA浓度在步骤S7中足够均匀时，还可省去步骤S8。
在步骤S9中，执行沉积室4的N2净化。在步骤S9中，真空化沉积室4，将作为惰性气体的N2导入沉积室4，并且再次真空化沉积室4。于是，TMA从沉积室4释放。
随着步骤S4至S9成为一个周期，构造了ALD装置1，使得在基板S的沉积表面上形成对应于邻近化学计量学组成物的氧化铝(Al2O3)的一个分子层的层。因此，通过在步骤S9之后再次执行步骤S4至S9，在基板S的沉积表面上形成对应于两个粒子的氧化铝的层。在使用ALD装置1的沉积方法中，根据在基板S的沉积表面上形成的薄膜的厚度重复步骤S4至S9。如上所述，由于ALD装置1可以分子单位控制薄膜的膜厚度，因此关于薄膜的膜厚度的可控性是极好的。
此外，在ALD装置1中，在将步骤S4至S9重复预定的次数之后，将沉积室4设置为大气压，并且去掉基板S。
ALD装置1适于形成用于液晶显示面板和有机EL(电致发光)面板的TFT(薄膜晶体管)的层间绝缘膜或者有机EL水蒸汽阻挡膜。在ALD装置1中，例如在300mm×350mm基板上形成其中膜厚度误差范围在3％以内、密度是2.9g/cm3或更大并且折射指数是1.6或更大的氧化铝薄膜。在氧化铝薄膜中，获得了足够的绝缘特性和水蒸汽阻挡特性。
应注意，在该实施方式的ALD装置1中，已经关于两种类型的前驱气体使用了一个供应机构(11、12、13、14)。然而，优选地基于前驱气体的类型改变供应机构。这是因为当两种类型的前驱气体交替地通过一个供应机构时，在供应机构中稍微残留的前驱气体可能引起串扰。
当由供应机构中的前驱气体引起串扰时，前驱气体可能显现气相反应或者可能沉淀在供应机构内部。当前驱气体显现气相反应时，已显现气相反应的前驱气体被废弃。此外，当前驱气体沉淀在供应机构中时，供应机构的容积可能改变，并且供应口14可能被沉积物堵塞。
图5是示意性示出根据ALD装置1的变形例的供应机构和排出机构的说明图。该ALD装置包括供应第一前驱气体A的第一供应机构(通过实线表示)以及供应第二前驱气体B的第二供应机构(通过点划线表示)。应注意，同样在该ALD装置中，设置一个排出机构(通过虚线表示)。在ALD装置中，分别设置用于气体A和气体B的供应机构。因此，不会引起气体供应机构中气体的A和气体B之间的串扰。
(ALD装置1的相应部分的尺寸)
图6是示例性说明ALD装置1的供应机构和排出机构的尺寸的平面视图。预假设使用具有100至1000L/min的排气性能的泵来设计该实例。供应口14沿着Y轴方向的间隔L11和排出口24沿着Y轴方向的间隔L21均为22mm。供应口14沿着X轴方向的间隔L12和排出口24沿着X轴方向的间隔L22均为20mm。供应通道13的直径D11和排出通道23的直径D21均为5mm。供应口14的直径D12为2mm，并且排出口24的直径D22为4mm。
此外，供应口14与基板S的沉积表面之间的距离等于或小于供应口14的间隔L11和L12。随着供应口14与基板S的沉积表面之间的距离变得更小，沉积室4的容积减小。因此，可以缩短用于给沉积室4排气的时间。在ALD装置1中，供应口14与基板S的沉积表面之间的距离是7mm，并且成功地减小至1mm。
另一方面，假设在供应口14处的气体释放角θ(见图3)是恒定的，随着供应口14与基板S的沉积表面之间的距离变得更小，供应口14的间隔L11和L12需要被制成更小，以将气体供应到基板S的整个沉积表面。为了缩短供应口14的间隔L11和L12，用于处理流动通道形成构件2的成本变高。现实的是将供应口14与基板S的沉积表面之间的距离设置为大约2mm。
此外，优选地供应口14的间隔L11和L12很小，但是当供应口14的间隔L11和L12变小时，供应口14的直径D11需要增大。因此，有选地，在全面考虑其影响的同时确定L11、L12和D11的值。
排出口24的直径D22越大越好，尽管其受排出通道23的直径D21和排出口24的间隔L21和L22的限制。这是因为可增加在沉积室4的排气期间的导电性，并且沉积室4可被均匀地排气。
图7是示例性说明根据ALD装置1的变形例的供应机构和排出机构的尺寸的平面视图。供应机构和排出机构为达到成本削减而设计。具体地，通过提高气体供应和排出的效率，预假设使用具有100至1000L/min的排气性能的泵来设计该实例。
如图7所示，供应口14和排出口24的间隔很宽，排出口24与4个相邻的供应口14成对角地布置，并且供应口14与4个相邻的排出口24成对角地布置。供应口14沿着Y轴方向的间隔L11以及排出口24沿着Y轴方向的间隔L21均为30mm。供应口14沿着X轴方向的间隔L12以及排出口24沿着X轴方向的间隔L22均为30mm。供应通道13的直径D11和排出通道23的直径D21均为8mm。供应口14的直径D12是3mm，并且排出口24的直径D22是6mm。
(多层ALD装置100)
图8是根据该实施方式的多层ALD装置100的截面图。在多层ALD装置100中，ALD装置1是一个单元，沿着Z轴方向层压5个单元。由于ALD单元1具有与上述ALD装置1相同的结构，将省去它的描述。气体供应源并行地连接到每个ALD单元的导入部11，并且泵并行地连接到排出部21。因此，在多层ALD装置100中，薄膜可同时沉积在5个基板S的沉积表面上。
应注意，在具有旨在大规模生产的结构的ALD装置中，沉积条件通常根据所设置的基板的数量而不同。然而，在多层ALD装置100中，不需要在所有ALD单元1中设置基板S。同样例如当基板S仅设置在一个ALD单元1中时，多层ALD装置100能够在与基板S设置在所有ALD单元1中的情况相同的条件下形成薄膜。
此外，在多层ALD装置100中，可适当地改变层压的ALD单元的数量。例如，多层ALD装置可具有层压10个ALD单元的结构。在这种情况下，多层ALD装置可最大同时在10个基板S的沉积表面上形成薄膜。
(多层ALD装置100的气体供应系统和排出系统)
图9是示出多层ALD装置100的气体供应系统和排出系统的示意图。应注意尽管本文将给出关于多层ALD装置100的描述，由于多层ALD装置100关于上述ALD装置1的ALD单元的数量是1，因此可应用相同的描述。
作为第一气体供应源的H2O供应源经由ALD阀门和阀门V2连接至多层ALD装置100的每个导入部11。经由质量流量控制器(MFC)连接至H2O ALD阀门的是N2供应源。利用该结构，H2O可被供应至多层ALD装置100的导入部11，同时其流动速率通过ALD阀门精确地控制。
作为第二气体供应源的TMA供应源经由ALD阀门和阀门V1连接至多层ALD装置100的每个导入部11。经由质量流量控制器(MFC)连接至TMA ALD阀门的是N2供应源。利用该结构，TMA可被供应至多层ALD装置100的导入部11，同时其流动速率通过ALD阀门精确地控制。
通常使用的真空泵被用作泵。可适当地确定真空泵的类型或真空泵的组合。在该实施方式中，真空泵被构造为干泵。干泵可单独地使用或在多级中使用。当干泵用于多级中时，机械增压泵(MBP)和涡轮分子泵可被示例为为主泵，并且鲁特泵、涡旋泵和螺旋泵可被示例为协助主泵的辅助泵。应注意，可采用真空泵来代替干泵，并且回转泵可被示例为这种真空泵。
此外，泵经由阀门V4、曲颈管、阀门V6和阀门V2连接至多层ALD装置100的导入部11。泵还经由阀门V4、曲颈管、阀门V5和阀门V1连接至多层ALD装置100的导入部11。可在排出系统中设置用于监控多层ALD装置100中的压力的真空表。
阀门V4、曲颈管、阀门V6和阀门V2组成用于将泵和导入部11连接的第一旁路通道；并且阀门V4、曲颈管、阀门V5和阀门V1组成用于将泵和导入部11连接的第二旁路通道。利用该结构，在多层ALD装置100中，供应机构和排出机构不仅可经由排出部21还可经由导入部11来排气。因此，可缩短多层ALD装置100中的排气时间。
具体地，具有50nm的膜厚度的薄膜在120℃的处理温度下形成在10个基板S的沉积表面上。作为该实施方式的ALD装置，使用层压10个ALD单元1的多层ALD装置。尽管在常规的多层ALD装置中用于获得良好的绝缘特性的处理时间是15.5小时，但在该实施方式的多层ALD装置中用于获得良好的绝缘特性的处理时间是1.4小时。如上所述，在该实施方式的多层ALD装置中，通过缩短排气时间，可以明显地缩短处理时间。此外，在该实施方式的多层ALD装置中，提高了形成在基板S的沉积表面上的薄膜的膜厚度的均匀度。基于表示相对目标膜厚度落在关于目标膜厚度(在该实施方式中是50nm)的百分之多少的误差以内的指标来评估薄膜的膜厚度的均匀度。具体地，尽管在常规ALD装置中的均匀度大约为3％，但在该实施方式的多层ALD装置100中的均匀度改善到大约1％。
图10是示出根据该实施方式的比较实例的多层ALD装置500的气体供应系统和排出系统的示意图。多层ALD装置500具有在真空室中以多个步骤布置搁板501的结构。在多层ALD装置500中，气体供应和排出分别从相对的位置处执行。
换言之，通过前驱气体在多层ALD装置500中扩散，前驱气体被供应至设置在搁板501上的基板S的沉积表面。此外，在多层ALD装置500中，在前驱气体扩散预定的时间之后释放前驱气体。通过在多层ALD装置500中重复气体供应和排出，薄膜可形成在设置在搁板501上的基板S的沉积表面上。
在多层ALD装置500中，作为第一气体供应源的H2O供应源和作为第二气体供应源的TMA供应源经由ALD阀门连接到多层ALD装置500。N2供应源同样经由MFC连接至多层ALD装置500。利用该结构，H2O、TMA和N2可被供应至多层ALD装置500，同时它们的流动速率通过ALD阀门精确地控制。
泵经由阀门V15和曲颈管连接至多层ALD装置500。因此，在多层ALD装置500中，可使用泵执行排气。
应注意，由于从比较实例的多层ALD装置500中的一个位置处执行气体供应，因此可能引起前驱气体的集中分布，并且因此前驱气体可能不能被均匀地供应到基板S的沉积表面。此外，在多层ALD装置500中，从一个位置处排气同样可能引起前驱气体的集中分布。另一方面，在该实施方式的多层ALD装置100中，由于为每个基板S设置沉积室并且从与每个基板S的沉积表面相对的供应口供应前驱气体，应赐前驱气体被均匀地供应至基板S的整个沉积表面。
此外，比较实例的多层ALD装置500的容积比该实施方式的多层ALD装置100的容积大。因此，在该实施方式的多层ALD装置100中，可使排气时间比比较实例的多层ALD装置500的排气时间更短。
此外，由于多层ALD装置500不包括流动通道，因此在排气期间的导电性很大。另一方面，由于该实施方式的多层ALD装置100包括流动通道，因此在排气期间的导电性比多层ALD装置500的导电性小。然而，由于如上所述的不仅经由排出部21而且经由导入部11执行供应机构和排出机构的排气，因此在排气期间的导电性充分地增加。因此，在多层ALD装置100中短时间的排气是可能的。
(变形例)
图11是根据该实施方式的多层ALD装置100的变形例的多层ALD装置的示意图。多层ALD装置采用所谓的远程等离子系统，并且具有将高频等离子体单元110添加到多层ALD装置100的结构。邻近多层ALD装置100的导入部11设置高频等离子体单元110，并且在H2O和TMA被导入导入部11之前将高频电压施加于H2O和TMA以便产生等离子体，结果是H2O和TMA通过等离子化而激活。在多层ALD装置中，通过等离子化而激活的H2O和TMA被供应至基板S的沉积表面，并且因此激活H2O和TMA的反应。
图12是根据该实施方式的多层ALD装置100的变形例的多层ALD装置200的示意图。多层ALD装置200采用所谓的直接等离子系统，并且具有能够使在沉积室4中的前驱气体产生等离子的结构。在每个ALD单元1中，流动通道形成构件2用作正极(第一电极)，并且保持构件3用作阴极(第二电极)。流动通道形成构件2和保持构件3连接至电源(未示出)。多层ALD装置200包括ALD单元1之间的隔离层7。对于在Z轴方向上相邻的ALD单元1，隔离层7将上侧ALD单元1的保持构件3与下侧ALD单元1的流动通道形成构件2隔离。在多层ALD装置200中，高频电压施加在ALD单元1的流动通道形成构件2与保持构件3之间，以在沉积室4中产生等离子体。
到现在为止，已描述了本公开的实施方式。然而，本公开不限于以上实施方式，并且在不偏离本公开的要旨的前提下，可进行各种修改。
例如，在以上实施方式中，氧化铝已经通过ALD装置形成在基板S的沉积表面上。然而，在该实施方式的ALD装置中，可形成各种类型的薄膜。这种薄膜的实例包括各种氧化物膜、各种氮化物膜、各种金属膜、各种硫化物膜和各种氟化物膜。
氧化物膜的实例包括TiO2、TaO5、Nb2O5、ZrO2、HfO2、SnO2、ZnO、SiO2和InO3。氮化物膜的实例包括AlN、TaNx、TiN、MoN、ZrN、HfN和GaN。金属膜的实例包括Pt、Pd、Cu、Fe、Co和Ni。硫化物膜的实例包括ZnS、SrS、CaS和PbS。氟化物膜的实例包括CaF2、SrF2和ZnF2。
此外，在XY平面上的供应口和排出口的形状并不限于圆形。供应口和排出口的形状可以是例如椭圆形或多边形。可替代地，供应口和排出口可以是裂缝。在这种情况下，裂缝的形状可以是直线或弧形，或者可以是复杂弯曲的。
此外，在ALD装置中，供应口和排出口仅需与基板S的沉积表面相对，并且ALD装置不需要具有该实施方式的供应机构和排出机构。供应口和排出口可被构造为所谓的莲蓬头。在这种情况下，莲蓬头与基板S的沉积表面相对，并且莲蓬头的开口分别被构造为供应口或排出口。
应注意，本公开还可采用以下结构。
(1)一种原子层沉积装置，包括：
可密封的沉积室；
保持部，被配置为在沉积室中保持包括沉积表面的基板；
供应机构，包括连接至供应气体的气体供应源的导入部，并且被配置为将导入导入部的气体从与沉积表面相对的位置处供应至沉积室；以及
排出机构，包括连接至能够排出气体的排出机构的排出部，并且被配置为从与沉积表面相对的位置处给沉积室排气。
(2)根据以上(1)所述的原子层沉积装置，
其中，供应机构进一步包括连接至导入部并与沉积表面相对的供应口，以及
其中，排出机构进一步包括连接至排出部并与沉积表面相对的排出口。
(3)根据以上(2)所述的原子层沉积装置，
其中，供应口和排出口彼此邻近。
(4)根据以上(2)或(3)所述的原子层沉积装置，
其中，供应机构进一步包括多个供应口和供应通道，供应通道将多个供应口连接至导入部并与多个供应口形成歧管，并且
其中，排出机构进一步包括多个排出口和排出通道，排出通道将多个排出口连接至排出部并与多个排出口形成歧管。
(5)根据以上(4)所述的原子层沉积装置，
其中，供应通道、供应口、排出通道和排出口都形成在单个流动通道形成构件上。
(6)根据以上(4)或(5)所述的原子层沉积装置，进一步包括，
多个供应机构，
其中，多个供应机构将不同类型的气体供应至沉积室。
(7)根据以上(4)至(6)中任一项所述的原子层沉积装置，
其中，供应机构进一步包括多个供应通道和导入室，导入室将多个供应通道连接至导入部并与多个供应通道形成歧管，并且
其中，排出机构进一步包括多个排出通道和排出室，排出室将多个排出通道连接至排出部并与多个排出通道形成歧管。
(8)根据以上(7)所述的原子层沉积装置，
其中，多个供应通道和多个排出通道交替地布置。
(9)根据以上(1)至(8)中任一项所述的原子层沉积装置，进一步包括，
旁路通道，连接排出机构和导入部。
(10)根据以上(1)至(9)中任一项所述的原子层沉积装置，进一步包括，
等离子体单元，设置在气体供应源与导入部之间，并且使被导入导入部的气体产生等离子体。
(11)根据以上(1)至(10)中任一项所述的原子层沉积装置，进一步包括，
一对电极，设置在沉积室内部并且连接至电源，以使在沉积室中的气体产生等离子体。
(12)根据以上(11)所述的原子层沉积装置，
其中，排出机构和供应机构都形成在单个流动通道形成构件上，并且
其中，保持部和流动通道形成构件构成一对电极。
(13)根据以上(1)至(12)中任一项所述的原子层沉积装置，进一步包括，
多个原子层沉积单元，分别包括沉积室、保持部、供应机构和排出机构。
(14)根据以上(13)所述的原子层沉积装置，
其中，多个原子层沉积单元沿着垂直于沉积表面的方向层压。
(15)一种原子层沉积方法，包括：
从与基板的沉积表面相对的第一位置处供应气体；以及
从与沉积表面相对的第二位置处排气。
(16)根据以上(15)所述的原子层沉积方法，
其中，第一位置和第二位置彼此邻近。
(17)根据以上(15)或(16)所述的原子层沉积方法，进一步包括：
从多个第一位置处供应气体；以及
从多个第二位置处排气。
(18)根据以上(15)至(17)中任一项所述的原子层沉积方法，进一步包括，
从第一位置处供应通过等离子化激活的气体。
(19)根据(18)所述的原子层沉积方法，进一步包括，
通过在沉积表面和与沉积表面相对的表面之间施加电压，使从第一位置处供应的气体产生等离子。
本领域技术人员应理解，可根据设计要求和其他因素出现各种修改、组合、子组合和修改，只要它们落在离所附权利要求或其等同物的范围内。
Claims (24)
1.一种原子层沉积装置，包括：
能够密封的沉积室；
保持部，被配置为在所述沉积室中保持包括沉积表面的基板；
供应机构，包括连接至供应气体的气体供应源的导入部，并且被配置为将引入到所述导入部的气体从与所述沉积表面相对的位置处供应至所述沉积室；
排出机构，包括连接至能够排出气体的排出机构的排出部，并且被配置为从与所述沉积表面相对的位置处给所述沉积室排气；以及
旁路通道，连接所述排出机构和所述导入部。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，
其中，所述供应机构进一步包括供应口，所述供应口连接至所述导入部并且与所述沉积表面相对，并且
其中，所述排出机构进一步包括排出口，所述排出口连接至所述排出部并且与所述沉积表面相对。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积装置，
其中，所述供应口和所述排出口彼此邻近。
4.根据权利要求2所述的原子层沉积装置，
其中，所述供应机构进一步包括多个供应口以及供应通道，所述供应通道将所述多个供应口连接至所述导入部并且与所述多个供应口形成歧管，并且
其中，所述排出机构进一步包括多个排出口以及排出通道，所述排出通道将所述多个排出口连接至所述排出部并且与所述多个排出口形成歧管。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积装置，
其中，所述供应通道、所述供应口、所述排出通道和所述排出口都形成在单个流动通道形成构件上。
6.根据权利要求4所述的原子层沉积装置，进一步包括：
多个供应机构，
其中，所述多个供应机构将不同类型的气体供应至所述沉积室。
7.根据权利要求4所述的原子层沉积装置，
其中，所述供应机构进一步包括多个供应通道以及导入室，所述导入室将所述多个供应通道连接至所述导入部并且与所述多个供应通道形成歧管，并且
其中，所述排出机构还包括多个排出通道以及排出室，所述排出室将所述多个排出通道连接至所述排出部并且与所述多个排出通道形成歧管。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积装置，
其中，所述多个供应通道和所述多个排出通道交替地布置。
9.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，进一步包括：
等离子体单元，设置在所述气体供应源与所述导入部之间，并且使被引入到所述导入部的气体产生等离子体。
10.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，进一步包括：
一对电极，设置在所述沉积室内部并且连接至电源，以使在所述沉积室中的气体产生等离子体。
11.根据权利要求10所述的原子层沉积装置，
其中，所述排出机构和所述供应机构都形成在单个流动通道形成构件上，并且
其中，所述保持部和所述流动通道形成构件组成所述一对电极。
12.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，进一步包括：
多个原子层沉积单元，其各自包括所述沉积室、所述保持部、所述供应机构和所述排出机构。
13.根据权利要求12所述的原子层沉积装置，
其中，所述多个原子层沉积单元沿着垂直于所述沉积表面的方向层压。
14.根据权利要求13所述的原子层沉积装置，进一步包括：
安插在所述多个原子层沉积单元之间的隔离层，所述隔离层将上侧原子层沉积单元的所述保持部与下侧原子层沉积单元的流动通道形成构件隔离。
15.一种通过根据权利要求1至14中任一项所述的原子层沉积装置执行的原子层沉积方法，包括：
从与所述基板的所述沉积表面相对的第一位置处供应气体；以及
从与所述沉积表面相对的第二位置处排气。
16.根据权利要求15所述的原子层沉积方法，
其中，所述第一位置和所述第二位置彼此邻近。
17.根据权利要求15所述的原子层沉积方法，进一步包括：
从多个第一位置处供应气体；以及
从多个第二位置处排气。
18.根据权利要求15所述的原子层沉积方法，进一步包括：
从所述第一位置处供应通过等离子化而激活的气体。
19.根据权利要求15所述的原子层沉积方法，进一步包括：
通过在所述沉积表面和与所述沉积表面相对的表面之间施加电压，使从所述第一位置处供应的气体产生等离子体。
20.一种使用根据权利要求1至14中任一项所述的原子层沉积装置制造水蒸汽阻挡膜的方法，包括：
形成所述水蒸汽阻挡膜的步骤，包括：
从与所述基板的所述沉积表面相对的第一位置处供应气体；以及
从与所述沉积表面相对的第二位置处排出气体。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中，所述水蒸汽阻挡膜是氧化铝薄膜。
22.根据权利要求21所述的方法，
其中，所述氧化铝薄膜中的膜厚度误差范围在3％以内。
23.根据权利要求21所述的方法，
其中，所述氧化铝薄膜的密度是2.9g/cm3或更大。
24.根据权利要求21所述的方法，
其中，所述氧化铝薄膜的折射指数是1.6或更大。
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