CN115190820A - 用于薄膜沉积的设备和方法 - Google Patents

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K·P·穆塞尔曼
张志豪
骆致荣
高鸿翼
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Abstract

一种薄膜沉积系统，其包含模块化反应器头部、基板台和模块化反应器头部定位系统。所述模块化反应器头部定位相对于所述基板定位所述模块化反应器头部以将前体气体递送到定位于所述基板台上的基板。所述模块化反应器头部包含一组模块化组件，所述一组模块化组件执行不同的功能并且可以以不同的配置放置。

Description

用于薄膜沉积的设备和方法
相关申请的交叉引用
本公开要求于2019年12月18日提交的美国临时申请第62/949,798号的优先权，所述美国临时申请特此通过引用并入。
技术领域
本公开总体上涉及薄膜沉积，并且更具体地涉及用于薄膜沉积的设备和方法。
背景技术
如溅射、蒸发和化学气相沉积等技术用于为许多应用(例如现代电子、光学组件、显示技术、食品包装等)沉积膜。对于这些应用，需要改进对膜厚度的控制。原子层沉积(ALD)是用于产生具有纳米级厚度控制的膜的最佳技术，因为它一次沉积一个原子层的膜。随着如集成电路和存储器装置等应用中特征大小的不断减小，ALD正成为用于沉积一些膜组分的优选(并且仅在一些情况下)选择。与传统时间ALD相关联的弱点包含其速度(它是一个相对较慢的批处理)和其对真空室的需求，这阻碍了其可扩展性。
常规的时间ALD通过将两种或多种化学前体气体依次插入到真空室中进行操作，其中在两次曝光之间进行抽空和吹扫步骤。如果使用合适的实验条件，则在每个序列之后形成材料的单个原子层，并且所述序列重复多次以构建膜。因此，传统的时间ALD及时分离了两种前体气体。相比之下，已开发出空间原子层沉积(SALD)技术，所述技术将两种前体在空间而非时间中分离。基板在两种前体气体之间移动以复制顺序曝光。这消除或减少了使时间ALD变慢的抽空和吹扫步骤。
大气压SALD(AP-SALD)可以产生致密、保形和无针孔的材料的薄膜层(例如金属氧化物)，并且可以在大约室温下沉积薄膜。这比常规的ALD快一到两个数量级，并且是可扩展的。值得注意的是，AP-SALD还与卷对卷制造兼容，并且被证明用于玻璃、涂覆有透明导电氧化物的玻璃、半导体晶片、箔、织物和塑料表面。这些优势使AP-SALD对于大面积、低成本电子产品(如光伏、电池和微电子产品)以及功能涂层(如阻挡膜和抗菌涂层)的高通量制造非常有吸引力。
因此，提供了一种新颖的薄膜沉积设备和方法。
发明内容
本公开包含一种新颖的薄膜或薄层沉积方法，所述方法通常包含至少一个反应器头部，所述反应器头部是模块化的并且可配置用于功能灵活性和可扩展性以产生薄膜。薄层沉积可以包含空间原子层沉积和/或化学气相沉积。反应器头部可以包含不同类型的组件，如但不限于用于不同类型沉积的前体气体狭缝、等离子体源、排气狭缝、加热通道和/或冷却通道。可以调整每个组件的间隔高度和宽度以促进和控制气体的流动。具有用于反应器头部的安装元件的定位系统被配置成可调节地维持反应器头部相对于基板的朝向和位置。定位系统可以被配置有至少一个位移测量装置和至少一个致动器。具有吸力的加热台可以用于加热基板并保持不同大小、几何形状和厚度的基板。加热台可以被配置有区域控制加热，以在不同定位处提供不同温度。线性电动机定位系统可以用于使基板相对于模块化反应器头部振荡。所述系统可以通过空间原子层沉积或化学气相沉积来沉积薄膜，并且产生具有均匀厚度和/或组成或不同厚度和/或组成的膜。
在本公开的一方面，提供了一种用于与薄膜沉积系统一起使用的模块化反应器头部，所述模块化反应器头部包含一组模块化组件，所述一组模块组件在所述反应器头部内在第一方向上彼此相邻；其中所述一组模块化组件能够在第二方向上相对于彼此定位，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；其中所述一组模块化组件包含用于将至少两种前体气体沉积到基板上的至少一个前体气体模块化组件。
另一方面，所述一组模块化组件包含至少两个前体气体模块化组件。在另外的方面，所述至少两个前体包含反应器通道；以及反应器通道开口。在另外的方面，所述反应器通道开口在所述反应器通道开口的一端处以比在所述反应器通道开口的相对端处更高的出口速度递送气体或液体材料。在一方面，所述一组模块化组件包含以下中的至少一个：前体流体组件、排气模块化组件、惰性气体模块化组件、温度控制模块化组件、化学模块化组件、清洁模块化组件和等离子体源模块化组件。在另外的方面，所述温度控制模块化组件包含金属板，所述金属板用于控制与所述温度控制模块化组件相邻的模块化组件的温度。在又另外的方面，所述温度控制模块化组件包含用于接收冷却液体以冷却所述金属板或接收加热液体以加热所述金属板的反应器通道。在又另一方面，所述一组模块化组件相对于彼此安装在预定高度处。另一方面，所述前体流体模块化组件包含用于控制前体流体沉积的致动器。
在本公开的另一方面，提供了一种薄膜沉积系统，其包含基板台，所述基板台用于支撑基板；模块化反应器头部，所述模块化反应器头部用于将薄膜沉积到所述基板上，所述模块化反应器头部包含一组模块化组件，所述一组模块组件在所述反应器头部内在第一方向上彼此相邻；其中所述一组模块化组件能够在第二方向上相对于彼此定位，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；其中所述一组模块化组件包含用于将至少两种前体气体沉积到基板上的至少一个前体气体模块化组件；以及模块化反应器头部位置系统，所述模块化反应器头部定位系统用于相对于所述基板台上的所述基板定位所述模块化反应器头部。
在另外的方面，所述模块化反应器头部定位系统包含线性位移系统。在又另一方面，所述线性位移系统包含一组位移测量装置；以及一组线性致动器。在又另外的方面，所述模块化反应器头部定位系统包含用于在所述模块化反应器头部与所述基板台之间进行间隙控制的调平系统。在一方面，所述基板台包含用于抵靠所述基板台保持所述基板的真空系统。另一方面，所述基板台包含用于支撑所述基板的上板；以及用于加热所述上板的加热组件。在又另外的方面，所述基板台包含线性电动机系统。
附图说明
为了清楚地理解本公开，本公开的一些实施例仅作为实例进行说明，并且不限于附图的图，其中：
图1展示了薄层沉积系统的实施例；
图2是包含多个模块化组件的模块化反应器头部的实施例的等距视图；
图3A是图2的模块化反应器头部的仰视图；
图3B是图2的模块化反应器头部的底部透视图；
图3C是具有多个狭缝的模块化组件的仰视图；
图4是图2的模块化反应器头部的侧视图；
图5A是具有带有可调整的间隔高度的多个模块化组件的模块化反应器头部的实施例的侧视图；
图5B是图5A的模块化反应器头部的前视图；
图5C是图5A的模块化反应器头部的等距视图；
图6是冷却模块化组件的实施例的透视图；
图7是模块化反应器头部的实施例的透视图；
图8A是包含反应器头部定位系统的薄膜沉积系统的实施例的前视图；
图8B是图8A的薄膜沉积系统的透视图；
图9A是基板台的实施例的透视图；
图9B是图9A的基板台的横截面视图；
图10是保持在图9A的基板台上的四(4)个基板的透视图；
图11是上板的实施例的底部透视图；
图12A到12B展示了加热台的不同配置；
图13A是具有三个反应器通道的反应器头部的示意图，所述反应器通道被配置成递送均匀流动分布；
图13B是具有一个反应器通道的反应器头部的示意图，所述反应器通道被配置成递送非均匀流动分布；
图14A是用于模块化组件的实施例的具有非均匀流动分布的反应器通道的几何形状的示意图；
图14B是示出了计算流体动力学模拟结果的图，所述计算流体动力学模拟结果示出了对于图14A的反应器通道几何形状沿前体气体的狭缝出口的流动速度；
图14C是具有非均匀流动分布的反应器头部的实施例的设计的示意图；
图14D是图14C的反应器头部的3D打印的照片；
图15是使用图14C的反应器头部产生的氧化锌(ZnO)膜的照片；
图16A是示出了对于来自图15的厚度梯度膜跨基板的ZnO膜厚度的测量结构的图；
图16B示出了来自图16A的基板的表面上的膜厚度的图；
图17A是包含两个对称半件的模块化组件的实施例的透视图；
图17B是图17A的模块化组件的分解透视图；
图18是安装在线性电动机系统上的基板台的实施例的透视图；
图19示出了用于沉积具有模块化反应器头部的薄膜的方法的流程图；并且
图20示出了用于沉积具有模块化反应器头部的薄膜的卷对卷方法的流程图。
具体实施方式
本文所使用的术语仅用于描述具体实施例并且不旨在限制系统或本公开。如本文所用，术语“和/或”包含相关联列举项中的一个或多个项的任何组合和全部组合。如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”旨在也包含复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprise(s)和/或comprising)”指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
图1示出了薄膜或薄层沉积系统100的实施例，所述薄膜或薄层沉积系统包含模块化反应器头部102、反应器头部定位系统104和用于支撑基板106的基板台108。在一个实施例中，反应器头部定位系统104控制反应器头部102相对于基板106的朝向，如在线性方向、沿轴线的旋转和/或反应器头部与基板106之间的距离。基板台108控制基板106相对于模块化反应器头部102的位置。在操作中，模块化反应器头部102将前体气体或材料的薄膜沉积到基板上，这将在下文更详细地讨论。
如本文所用，短语“薄层”或“薄膜”是指通过空间原子层沉积(SALD)和/或空间化学气相沉积(SCVD)沉积的材料层。已经表明，通过控制加工条件使前体气体可以在气相中混合(彼此不隔离)，可以进行化学气相沉积而不是原子层沉积。这产生更高的薄膜沉积速率，这对一些应用是有利的，同时仍能生产保形、无针孔膜，其中能精确控制纳米级的薄膜厚度。因此，短语“薄层沉积”是指空间原子层沉积和/或空间化学气相沉积。
在当前实施例中，模块化反应器头部102、反应器头部定位系统104和基板台108定位在下部机柜110中。用于将前体气体递送到模块化反应器头部的设备放置在上部机柜112中。此设备将为本领域技术人员所熟知。在一个实施例中，所述设备可以包含用于生成前体化学品气体180的设备，如但不限于起泡器和起泡器加热器，用于控制气体流速182的设备，如但不限于用于分配气体的质量流量控制器和设备184，如但不限于阀门、管道和歧管。在一个实施例中，前体气体可以从外部源直接输入到上部机柜中，或者可以通过使液体化学材料起泡或雾化或加热固体化学材料由液体或固体化学品产生。在另一个实施例中，代替前体气体或与前体气体一起，液体可以从上部机柜传输到模块化反应器头部。
图2是模块化反应器头部102的实施例的等距视图。模块反应器头部102包含多个或一组模块化组件114。在一个实施例中，模块反应器头部102可以包含一组模块化组件114，由此每个模块化组件执行单一功能以实现薄层沉积。在一些实施例中，多个模块组件可以执行与其它模块组件相同的功能，而在其它实施例中。
在一个实施例中，反应器头部102可以平行于基板台108朝向，其中一组模块化组件114在沿第一方向128朝向的平面中彼此相邻。所述一组模块化组件114中的每个模块化组件的长度可以被视为在基本上垂直于第一方向128的第二方向126上延伸。反应器头部102可以定位在距基板106一定距离处，其中所述距离可以沿与第一方向和第二方向基本上正交的方向130测量。在一些实施例中，所述距离可以从反应器头部以一定角度测量。所述一组模块化组件114中的每个模块化组件可以执行不同的功能，如下文更详细讨论的。
在一个实施例中，如图2中的虚线所示，模块化组件114包含用于接收气体或液体的反应器通道132和允许气体或液体进入或离开反应器通道132的反应器通道开口134(其可以被视为狭缝)。反应器通道开口通常具有平行于第二方向126朝向的长度，然而在替代性实施例中，反应器通道开口可以相对于第二方向126以一定角度朝向。在一些实施例中，模块化组件114可以不包含反应器通道开口(如关于图6所公开的)或者可以不包含反应器通道或反应器通道开口，其中模块化组件可以是通过电源供电的加热或冷却元件。模块化组件的非排他性实例包含但不限于前体气体组件、排气组件、惰性气体组件、加热组件、冷却组件、等离子体源和根据本公开的各个实施例的其它组件。
如果模块化组件114被供应有从前体气体源穿过模块化组件114到达基板的前体气体，则模块化组件114可以被视为前体气体组分并且反应器通道开口被称为前体气体。由于薄层沉积通常需要至少两种不同的前体气体，因此反应器头部的模块化组件中的至少两个模块化组件将提供前体气体模块化组件的功能。可替代地，如果模块化组件114被供应有惰性气体，则模块化组件可以被视为惰性气体模块化组件并且反应器通道开口被称为惰性气体开口。如果模块化组件114被供应有前体流体，例如，液体和致动器，则模块化组件可以被视为前体流体模块化组件并且用于引入不同方式的纳米制造技术，如但不限于选择性区域沉积、狭缝式模头涂覆、喷墨印刷或喷涂沉积。如果模块化组件114耦接到真空源以通过反应器通道开口将气体抽吸到其反应器通道132中，则模块化组件114可以被视为排气模块化组件并且反应器通道开口被称为排气开口。模块化组件114可以被视为热控制模块化组件，由此热流体可以通过反应器通道。在热控制模块化组件中，反应器通道132不包含反应器通道开口。如果热控制模块化组件提供热量，则模块化组件可以被称为模块化加热组件。如果热控制模块化组件提供冷却，则热组件可以被称为模块化冷却组件。如果将等离子体引入到反应器通道中，则模块化组件可以被视为等离子体源或等离子体模块化组件。可替代地，如果模块化组件114被供应有化学品，如但不限于清洁剂或供应有压缩空气，则如有必要模块化组件可以被视为清洁模块化组件并且可以用于清理反应器通道以用于维护目的或用于可能清洁基板。在替代性实施例中，所述化学品可以是还原剂，由此基板上的材料(如金属)可以由于还原剂而催化其它材料(如金属离子盐)。在另一个实施例中，所述化学品可以用于对基板进行表面改性处理或蚀刻。
图3A和3B是具有反应器通道开口134的模块化反应器头部102的仰视图。在当前实施例中，所述一组模块化组件114包含第一前体气体组件116、第二前体气体组件118、三个惰性气体组件120、六个排气组件122和两个冷却组件124，然而，应当理解的是这仅是如何设置模块化组件的一种布置。在一些实施例中，所述一组模块化组件包含至少两个前体气体组件，然而，在其它实施例中，一个模块化组件可以用于递送超过一种前体气体，使得所述一组模块化组件仅包含一个用于递送前体气体的模块化组件。
在本发明实施例中，所述一组头部模块化组件114被布置成通过将惰性气体组件120中的至少一个和排气组件122中的至少一个定位在第一前体气体组件116与第二前体气体组件118之间来有效地分离用于原子层沉积(ALD)的前体气体。模块化组件114的布置是灵活的，使得在替代性实施例中，模块化组件114的布置可以被配置成混合用于化学气相沉积(CVD)的前体气体(例如，第一前体气体组件116和第二前体气体组件118可以彼此直接相邻放置，之间没有排气组件122或惰性气体组件120)。
每个模块化反应器组件114可以被定位成模块化反应器组件114的长轴线平行于第二方向126。所述一组模块化组件114可以被布置成将每个模块化组件114定位成与至少一个其它模块化组件114相邻，其中所述多个模块化组件114在第一方向128上延伸。换言之，模块化反应器头部102的单独模块化组件114水平堆叠以便于组装。模块化组件114的顺序取决于反应器头部102的配置，其中可以通过改变一个或多个模块化组件114的位置(即改变顺序)来改变顺序。
本公开的模块化反应器头部可以通过增加单独的模块化组件的数量或通过增加反应器通道开口的长度来允许薄膜沉积系统容易地按比例缩放。通过增加前体气体模块化组件的数量，或通过增加模块化组件中的反应器通道开口的数量，每次基板通过模块化反应器头部下方时发生的ALD循环的数量增加。图3C是具有三个狭缝或反应器通道开口134的模块化组件的仰视图，尽管在替代性实施例中模块化组件可以具有两个、四个或更多个狭缝134。每个狭缝134可以具有相应反应器通道132，或者狭缝134可以与单个反应器通道连接。更长的狭缝可以使多个基板或更大的基板能够涂覆有薄膜。
模块化反应器头部102可以允许功能灵活性，其中可以容易地添加不同类型的单独模块化组件，如冷却通道、加热通道、等离子体源和具有带有独特特征的反应器通道开口的前体气体模块化组件(例如非均匀的气体递送以产生膜梯度，如下文所讨论)。每个模块化组件都可以针对不同的功能和目的进行定制、安装或更换。
图4是模块化反应器头部102的侧视图。每个模块化组件114包含多个槽136。每个槽136被配置成容纳安装杆(未示出)以将模块化组件114支撑在模块化反应器头部102内。在当前实施例中，每个槽136在平行于平面130的方向上大于相应的安装杆，以允许每个模块化组件114的位置相对于安装杆的位置变化，并且从而允许每个模块化组件114的位置沿平面130变化。换言之，每个模块化组件114可以可滑动地安装在模块化反应器头部102中，以允许调整每个模块化组件102沿平面130的位置。
图5A、5B和5C示出了模块化反应器头部500的实施例的侧视图、前视图和等距视图，所述模块化反应器头部具有带有可调整的间隔高度并且处于不同的高度的多个模块化组件114。模块化反应器头部500可以基本上类似于模块化反应器头部102，并且可以使用用于形成模块化反应器头部102的相同的多个模块化组件114来形成。在一个实施例中，反应器头部500可以包含第一前体气体组件116、第二前体气体组件118、惰性气体组件120、排气组件122和冷却组件124，然而，应当理解，模块化组件可以变化，其中所述模块组件中的至少两个模块组件是前体气体组件。单独的模块化组件114相对于基板和其它模块化组件的高度(以及由此相应的反应器通道开口的高度)可以相对于相邻的模块化组件114进行精确的机械调整，以实现期间的间隔高度。例如，每个模块化组件114的高度可以通过相对于相邻的模块化组件114滑动所述模块化组件114(垂直于杆轴线)来调整。间隔的高度调整可以提供更多的灵活性和对气流的控制。在图5A、5B和5C中，排气组件120沿平面130略微向上移动以产生前体气体将自然流入的区域以提高排气效率并防止或减少气体混合的可能性。
图6是可以用作模块化冷却(或加热)组件124的模块化组件的实施例的透视图。在模块化反应器头部的一些实施例中，热组件(包含加热和冷却组件)可以定位成邻近前体气体组件。热组件允许控制模块化反应器头部的至少一部分的温度。例如，可以相对于加热的基板台的温度控制邻近热组件的前体气体组件的温度，以获得期望的薄膜沉积条件。在一个实施例中，模块化冷却组件124的反应器通道132包含用于从邻近的前体气体模块化组件中去除热量的冷却板138。在一个实施例中，冷却板由如但不限于铜的金属制成。在一个实施例中，冷却水可以在模块化冷却组件的反应器通道132内部循环，以提供模块化冷却组件与邻近的前体气体模块化组件之间的温差。在替代性实施例中，冷却水可以用热水或加热元件替代，以加热前体气体模块化组件的前体气体开口。更具体地，对于模块化冷却组件，冷却板在冷却液体通过其反应器通道时被冷却，以从邻近的模块化组件抽吸热量，从而确保化学反应发生在基板上而不是在邻近的模块化组件中。可替代地，对于模块化加热元件，模块化组件冷却板或加热元件被加热以加热邻近模块化组件(如邻近前体气体模块化组件)的反应器通道，用于容易在冷表面上产生不希望的冷凝的前体气体。
图7是模块化反应器头部700的实施例的透视图。模块化反应器头部700可以基本上类似于模块化反应器头部102和模块化反应器头部500。模块化反应器头部700可以在薄膜沉积系统内按比例缩放以增加薄膜沉积面积和/或生产量。例如，模块化反应器头部700的规模可以通过使用具有反应器通道开口的模块化组件在方向126上增加，所述反应器通道开口在方向126上具有增加的长度。在方向126上增加模块化反应器头部700的规模可以增加在方向126上沉积在基板上的膜的大小，并且从而增加膜的面积或沉积的基板的数量。通过增加形成反应器头部700的模块化组件的数量，例如通过添加另外的模块化组件，如但不限于，前体气体组件，可以在方向128上增加模块化反应器头部700的规模。在方向128上增加模块化反应器头部700的规模可以增加在模块化反应器头700的一次通过中沉积的膜的厚度，并且从而增加模块化反应器头部700的生产量。
图8A和8B示出了薄膜沉积系统的实施例的前视图和透视图。薄膜沉积系统800包含反应器头部定位系统804。薄膜沉积系统800可以基本上类似于薄膜沉积系统100。反应器头部定位系统804包含用于收纳反应器头部801的安装元件(未示出)，如模块化反应器头部102，并且被配置成可调整地维持反应器头部801相对于基板806的朝向和位置，薄膜沉积在所述基板上。具体地，反应器头部定位系统804被配置成控制模块化反应器头部800与基板806之间的距离。在本发明实施例中，反应器头部定位系统804包含线性位移系统，所述线性位移系统包含一个或多个用作位移测量装置的激光位移传感器808和一个或多个用作位移控制装置的线性致动器810。在替代性实施例中，可以使用其它位移测量装置和致动器。结合位移测量装置和致动器，软件，如以存储在计算机可读介质上的形式或模块或指令的形式，用于动态监测和调整反应器头部801与基板806之间的间距。在一个实施例中，使用1微米的分辨率。准确控制反应器-基板间距(即在平面130中)的能力可以提供对前体气体是保持隔离(发生ALD)还是在气相中混合(发生CVD)的控制。常规定位系统的实例是浮动晶片系统，然而浮动晶片系统仅限于可以浮动的基板。换言之，本发明实施例的定位系统可以在可以用于薄膜沉积的基板的大小、数量或类型方面提供更大的灵活性。在本发明实施例中，反应器头部定位系统804被配置成沿平面130移动反应器头部801以控制基板806与反应器头部801之间的反应器-基板间距，然而在替代性实施例中，基板806可以沿平面130移动，而反应器头部801保持静止。
沉积系统可以配备有用于基板的装载和卸载机构，如机器人臂，以使制造过程完全自动化。沉积系统还可以与卷对卷技术兼容，如在塑料、织物或箔上的薄膜沉积。对于卷对卷系统，基板可以被配置成与塑料、织物或箔的连续幅材兼容，例如基板台可以包含辊以将靠近反应器头部的幅材的一部分保持在距反应器头部至少大约恒定的距离处，并且所述系统可以控制幅材的位置和沉积次数，以通过卷起/展开幅材在幅材上实现期望的厚度。
图9A是基板台900的实施例的透视图。基板台900可以基本上类似于基板台108。图9B示出了基板台900的实施例的横截面视图。在本发明实施例中，基板台900包含具有多个孔904的上板902、加热组件905(以虚线示出)，如嵌入在上板902内的加热元件和流体耦接到多个孔904以向多个孔904提供抽吸的真空储器908。上板902可以是上金属板。
上板902通过可以是气隙的热绝缘层906与真空储器908隔开，以使真空储器908与由加热元件905加热的上板902热绝缘。基板(未示出)可以放置在上板902上，并且当提供抽吸时，上板902中的多个孔904可以将基板牢固地保持在上板902顶部的适当位置。换言之，耦接到上板902中的多个孔904的真空储器908形成用于将基板保持到基板台900的机构。
图10是保持在基板台900上的四(4)个基板912的透视图。不同大小、几何形状、厚度和材料(例如玻璃、硅晶片)的基板可以在上板902上或由所述上板加热(由加热元件加热)，并且由真空保持机构908保持，前提是基板大约在基板台尺寸内并且是平坦的。多个孔904可以被配置成容纳不同大小和几何形状的基板912。可以根据需要将帽(未示出)添加到多个孔904以防止或减少在基板台900上的特定定位处发生抽吸的可能性。
在一个实施例中，上板902与真空储器908(其提供抽吸以将基板912向下保持)偏移预定距离，如大约10mm或更大，以提供用于绝缘的气隙9。如上文所讨论的，可以添加绝缘材料以将真空储器908和下面的系统组件与由加热元件905产生的热量隔离开。
图11是上板902的实施例的底部透视图。在当前实施例中，上板902包含加热组件，如嵌入在内部的加热件905。在替代性实施例中，可以将超过一个加热元件905嵌入在上板902内，如下文所讨论。导热油脂可以用于增加加热元件905与上板902之间的导热性。由加热组件提供的加热可以可替代地通过红外线加热元件或激光加热元件来实施，由此这些加热元件可以与加热一起执行其它功能。
图12A示出了具有单个加热单元1202的加热元件1200的实施例的俯视图。图12B示出了加热元件1204的实施例的俯视图，所述加热元件具有定位在三个加热区1206、1208和1210中的三个加热单元1202，由此加热元件1204可以被视为被配置用于区域控制加热。在替代性实施例中，加热元件1204可以具有两个、四个或更多个加热单元，并且因此可以单独地控制两个、四个或更多个对应的加热区。取决于加热元件的选择和放置，加热元件可以被配置用于均匀或非均匀加热。这种模块化加热元件设计有助于改善不同基板几何形状的能源使用，实现基板的均匀加热和非均匀区域加热，并且通过允许在不同温度下对多个基板进行沉积来实现快速原型制作。此外，非均匀/区域加热可以用于确定不同化学品的ALD模式和CVD模式的操作温度范围。在替代性实施例中，可以使用梯度加热。加热元件1200和加热元件1204可以基本上类似于加热元件905。
图13A是具有模块化组件1301的反应器头部1300的示意图，其中反应器通道1302被配置成递送均匀流动分布，如反应器通道下方的箭头所示。常规的ALD技术通常沉积具有均匀厚度和组成的薄膜，这可以通过递送具有均匀流动分布的前体气体来实现。本公开的薄层沉积系统能够沉积均匀的膜以及具有非均匀的厚度和组成的膜。可以修改模块化反应器头部中的前体气体模块化组件中的反应器通道的几何形状，以控制通过前体气体或反应器通道开口的气体的流动分布，使得不同量的前体气体可以被递送到基板上的不同定位。
图13B是具有模块化组件的反应器头部1304的示意图，其中模块化组件中的至少一个模块化组件具有反应器通道1306，所述反应器通道被配置成递送非均匀流动分布，如反应器通道1306下方的箭头所示，其中流体在箭头靠得更近的一端比箭头间隔更远的另一端流动得更快。非均匀流动分布使更多的材料能够沉积在递送更多前体气体的定位处。根据流体、气体或液体的流动分布，可以跨膜产生线性、非线性或复杂的厚度或组成变化。在一个实施例中，通过使用计算流体动力学(CFD)模拟来设计反应器通道或前体气体、狭缝或开口的几何形状，可以获得前体气体模块化组件的特定流动分布。图13A和13B展示了如何定制前体气体反应器通道开口以产生均匀的前体气体流动和因此具有均匀厚度和组成的膜(图13A)或非均匀的前体气体流动和因此具有厚度和/或组成梯度的膜(图13B)。
图14A示出了在用于模块化组件例如模块化组件114时用于递送非均匀流动分布的反应器通道1400的示意几何形状或一部分。在当前实施例中，反应器通道1400包含流体入口部分1410，所述流体入口部分包含用于收纳流体的入口区域1412。当流体通过入口区域1412时，它离开入口区域(通过出口点1413)并且向下流向反应器通道开口1414。当流体离开入口区域1412时，流出或移出更靠近出口点1413的反应器通道开口1414(参见区域1414a)的流体的速度比流出或移出离出口点更远的反应器通道开口1414(参见区域1414b)的流体的速度更高。
图14B示出了通过具有图14A中所示的反应器通道几何形状的模块化组件的反应器通道开口的流动的计算流体动力学(CFD)模拟。在当前实施例中，反应器通道开口的一端比反应器通道开口的相对端以更高的出口速度递送更多的前体气体。当反应器通道1400用于CVD的模块化反应器头部时，这可能使前体气体在前体气体狭缝或开口的一端处更多地混合，从而产生沿前体气体狭缝的长度的非均匀沉积速率。可替代地，如果反应器通道1400用于AP-SALD的模块化反应器头部，则在反应器通道开口的一端处，在每个ALD循环期间，基板可以被前体完全饱和，而在反应器通道开口的另一端，基板可以没有完全饱和，这再次产生沿反应器通道开口的长度的非均匀沉积速率。反应器通道开口的几何形状可以针对一个或多个反应器通道开口而变化，产生膜的一种或多种组件的非均匀沉积速率。如果所有膜组分具有相同的非均匀沉积速率，则将产生在第一方向上具有非均匀厚度的薄膜。换言之，膜的厚度可以有所不同。如果同时沉积具有均匀和非均匀沉积速率(或不同的非均匀沉积速率)的膜组分，所得膜将具有非均匀的组成。
图14C是具有非均匀流动分布的反应器头部1402的示意图。图14D是反应器头部1402的3D打印的照片。在本发明实施例中，所有前体气体反应器通道开口、惰性气体反应器通道开口和排气反应器通道开口(或前体气体模块化组件、惰性气体模块化组件和排气模块化组件)被并入到单个反应器头部组件中，用于小规模测试。在替代性实施例中，反应器头部可以包含具有非均匀流动分布的多个模块化组件。对于当前实施例，反应器头部1402用于将具有非均匀流动分布的二乙基锌和具有均匀流动分布的水递送到基板的表面，在所述基板的表面，二乙基锌和水反应形成氧化锌(ZnO)。使用化学气相沉积(CVD)条件，使得将更多的二乙基锌递送到基板的一侧产生更高的沉积速率和非均匀的膜厚度。图15是使用反应器头部1402产生并使用不同的前体气体流速沉积的具有厚度梯度的氧化锌膜的实例的照片。从形成干涉图案的带1404可清楚地看到膜厚度梯度。图16A示出了对于来自图15的厚度梯度膜跨基板的膜厚度的测量结果。图16B示出了同一基板的表面上的膜厚度的图。反应器头部1402可以用于同时递送具有均匀流动分布的另一种膜组分，从而产生具有在第一方向上的组成梯度的膜。另一种膜组分的非排他性实例是三甲基铝，它可以与水反应形成氧化铝，在所述情况下，所得铝-锌-氧化物合金膜中的锌量将在整个膜或基板上变化。
图17A是包含两个对称半件1702和1704的模块化组件1700的实施例的示意图。图17B示出了模块化组件1700的分解透视图。每个半件1702和1704具有带有均匀深度的释放部分1706，其中每个半件1702和1704的每个释放部分1706定位成当两个半件1702和1704组合时形成反应器通道。两个对称半件1702和1704可以用于通过使用增材制造或机械加工来简化用于制造模块化组件的设计，并且能够低成本制造具有非均匀流动分布的模块化组件。两个对称半件1702和1704可以组合以形成模块化组件1700，所述模块化组件具有带有均匀宽度的反应器通道以递送均匀流动分布。可替代地，每个释放部分1706的深度可以通过增材制造或机械加工来修改，以为每个释放部分1706提供非均匀深度(或其它轮廓)，使得当两个半部分1702和1704组合时，形成具有非均匀流动的反应器通道。借助这种制作技术，组合模块化反应器头部技术，每个单独的反应器头部组件都可以轻松定制、安装或更换，用于不同的功能和目的——例如，能够沉积具有厚度或成分梯度的膜以用于快速原型制作或不同的功能。
尽管在每个实施例中不是必需的，但是本公开的薄膜或薄层沉积系统可以包含基板定位系统，所述基板定位系统控制由基板台保持的基板相对于模块化反应器头部的位置。例如，基板定位系统可以是线性电动机定位系统，所述线性电动机定位系统振荡由基板台保持的基板，并且从而实现高通量和高精度沉积。基于线性电动机的基板定位系统可以在运动期间将基板的顶表面维持在均匀的高度，当与反应器定位系统组合时，这使得能够精确控制模块化反应器头部与基板之间的空间。
图18是安装在线性电动机系统1801上的基板台1800的实施例的透视图，所述线性电动机系统定位于如花岗岩板1802等重物顶部以使基板台1800和模块化反应器头部下方的基板振动。基板台1800和基板可以基本上类似于基板台108和基板106。在一个具体实施例中，包含上板1808和真空储器1810的基板台1800连接到线性电动机系统1801，所述线性电机系统安装在抛光的花岗岩板上以吸收由移动台的运动引起的振动。在替代性实施例中，线性电动机系统1801可以安装在具有大质量和高度平坦度的表面上。
线性电动机定位系统1801还可以通过使基板台1800和具有变化的行进距离的基板振荡来实现非均匀的膜沉积。振荡方法允许此技术在基板振荡方向(图2中的方向128)上产生厚度和组成梯度。换言之，通过在振荡期间改变行进距离，膜的厚度和组成中的至少一个可以在此方向上改变。
总体而言，本公开的薄膜沉积系统可以沉积膜，其中使用具有定制几何形状的前体气体反应器通道开口可以在膜的宽度上产生组成或厚度梯度。通过改变加热的基板台的行进图案，可以在膜的宽度上产生不同的厚度或组成梯度。
图19示出了用于沉积具有模块化反应器头部的薄膜的方法1900的流程图。
在1902处，将基板装载到基板台上。基板台可以是薄膜沉积系统的一部分。基板台可以包含真空储器和多个孔。在1904处，通过来自真空储器的抽吸将基板固定到基板台上。可以通过多个孔向基板提供抽吸。
在1906处，使用反应器头部定位系统调整模块化反应器头部与基板之间的间隙。反应器头部定位系统可以是薄膜沉积系统的一部分。调整间隙包含控制模块化反应器头部与基板之间的距离。
在1908处，将包含前体气体的多种前体同时且连续地递送到模块化反应器头部。多种前体气体通过穿过相应的反应器通道并离开向基板朝向的相应反应器通道开口而穿过模块化反应器头部。每种前体气体接触基板的位置由每个相应的前体气体模块化组件在模块化反应器头部内的位置确定。
在1910处，基板在模块化反应器头部下方振荡，并且材料由模块化组件沉积到基板上，并且从而形成膜。基板可以用基板定位系统振荡。基板定位系统可以是薄膜沉积系统的一部分。
在1912处，如果沉积的膜的厚度不足够，所述方法返回到1910。如果膜的厚度足够，则在1914处将基板从基板台移除。
图20示出了用于沉积具有模块化反应器头部的薄膜的卷对卷方法2000的流程图。
在2002处，将围绕第一辊缠绕的连续基板幅材装载到第一辊上并且耦接到安装在第二辊上的第二辊。
在2004处，自动调整第一辊与第二辊之间的基板的张力。在2006处，调整基板的温度。温度调整可以包含加热基板。
在2008处，使用反应器头部定位系统调整模块化反应器头部与基板之间的间隙。反应器头部定位系统可以是薄膜沉积系统的一部分。调整间隙包含控制模块化反应器头部与基板之间的距离。
在2010处，将包含前体气体的多种前体同时且连续地递送到模块化反应器头部。多种前体气体通过穿过相应的反应器通道并离开向基板朝向的相应反应器通道开口而穿过模块化反应器头部。每种前体气体接触基板的位置由每个相应的前体气体模块化组件在模块化反应器头部内的位置确定。
在2012处，基板缠绕在模块化反应器头部下方，并且材料(如前体气体)沉积在基板上，并且从而形成膜。如果基板围绕第一卷缠绕，则可以通过将基板从第一卷缠绕到第二卷而将基板缠绕在模块化反应器头部下方。如果基板围绕第二卷缠绕，则可以通过将基板从第二卷缠绕到第一卷而将基板缠绕在模块化反应器头部下方。
在2014处，如果沉积的膜的厚度不足够，所述方法返回到2012。如果膜的厚度足够，则在2016处卸载基板的幅材。
在一些实施例中，本公开可以针对可以配备有不同组件(加热通道、冷却通道、等离子体源等)并且其组件可以布置和定位成呈多种配置的模块化反应器头部，如但不限于具有模块化组件和每个组件的可调整位置和高度的提供控制气流和在ALD与CVD系统配置之间切换的能力的反应器头部；用于控制邻近前体气体狭缝的温度以获得期望的薄膜沉积条件的冷却/加热通道；等离子体源；和/或可以增加沉积的吞吐量的可扩展反应器狭缝。
在另一个实施例中，本公开可以针对用于相对于基板定位反应器头部的系统。反应器头部可以是模块化的或非模块化的。所述系统可以进一步控制反应器头部与基板之间的间距，并且因此允许在ALD与CVD模式之间切换。
在另一个实施例中，本公开可以针对具有抽吸和/或局部温度控制的加热基板台。在一个实施例中，加热基板台可以包含能够保持任何基板几何形状和厚度的真空保持机构。在另一个实施例中，加热基板台可以包含加热的基板台与其它系统组件的热绝缘。
在另一个实施例中，本公开可以针对可定制的前体气体狭缝设计，所述设计可以从狭缝产生均匀或非均匀的流动分布，使得能够实现具有非均匀厚度和/或组成的膜垂直于基板运动的沉积。
在另外的实施例中，本公开可以针对线性电动机定位系统，所述线性电动机定位系统相对于模块化反应器头部振荡基板，a)抑制振动并在基板振荡期间将基板维持在均匀高度以允许精确控制基板与模块化反应器头部之间的间距；和/或b)能够在基板运动的方向上沉积具有非均匀厚度和/或组成的膜。这可以与可定制的前体气体狭缝设计组合，以产生在正交方向上具有不同厚度和组成梯度的膜。
在又另外的实施例中，本公开可以针对可以配备有卷对卷技术和/或用于高通量生产的基板装载和卸载机构的多个沉积系统。
在另一个实施例中，本公开可以针对在具有模块化反应器头部的织物上沉积薄层材料，例如将氧化铜的ALD沉积到用于N95面罩的无纺布上。将氧化铜常规喷涂或湿涂到织物上通常会填充织物的孔隙，这可能会影响面罩的性能，然而氧化铜的CVD和/或ALD可以为面罩提供抗病毒涂层，但与常规涂层技术相比，对面罩性能的影响降低。
尽管本文已经参考优选实施例以及其具体实例说明和描述本公开，但是对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，其它实施例和实例可以执行类似的功能和/或实现类似的结果。所有此类等效实施例和实例都在本公开的精神和范围内。
在前述描述中，出于解释的目的，阐述了许多细节，以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言应显而易见的是，可能不需要这些具体细节。在其它情况下，众所周知的结构可以框图形式示出，以免混淆理解。例如，没有提供关于本文所描述的实施例的元件是否被实施为软件例程、硬件电路、固件或其组合的具体细节。

Claims (17)

1.一种用于与薄膜沉积系统一起使用的模块化反应器头部，所述模块化反应器头部包括：
一组模块化组件，所述一组模块组件在所述反应器头部内在第一方向上彼此相邻；
其中所述一组模块化组件能够在第二方向上相对于彼此定位，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；
其中所述一组模块化组件包含用于将至少两种前体气体沉积到基板上的至少一个前体气体模块化组件。
2.根据权利要求1所述的模块化反应器头部，其中所述一组模块化组件包括至少两个前体气体模块化组件。
3.根据权利要求2所述的模块化反应器头部，其中所述至少两个前体气体模块化组件由至少一个其它模块化组件隔开。
4.根据权利要求1所述的模块化反应器头部，其中所述一组模块化组件中的至少一个模块化组件包括：
反应器通道；以及
反应器通道开口。
5.根据权利要求4所述的模块化反应器头部，其中所述反应器通道开口在所述反应器通道开口的一端处以比在所述反应器通道开口的相对端处更高的出口速度递送气体或液体材料。
6.根据权利要求1所述的模块化反应器头部，其中所述一组模块化组件包括以下中的至少一个：前体流体组件、排气模块化组件、惰性气体模块化组件、温度控制模块化组件、化学模块化组件、清洁模块化组件和等离子体源模块化组件。
7.根据权利要求6所述的模块化反应器头部，其中所述温度控制模块化组件包括：
金属板，所述金属板用于控制与所述温度控制模块化组件相邻的模块化组件的温度。
8.根据权利要求7所述的模块化反应器头部，其中所述温度控制模块化组件包括用于接收冷却液体以冷却所述金属板或接收加热液体以加热所述金属板的反应器通道。
9.根据权利要求1所述的模块化反应器头部，其中所述一组模块化组件相对于彼此安装在预定高度处。
10.一种薄膜沉积系统，其包括：
基板台，所述基板台用于支撑基板；
模块化反应器头部，所述模块化反应器头部用于将薄膜沉积到所述基板上，所述模块化反应器头部包含一组模块化组件，所述一组模块组件在所述反应器头部内在第一方向上彼此相邻；
其中所述一组模块化组件能够在第二方向上相对于彼此定位，所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；
其中所述一组模块化组件包含用于将至少两种前体气体沉积到基板上的至少一个前体气体模块化组件；以及
模块化反应器头部位置系统，所述模块化反应器头部位置系统用于相对于所述基板台上的所述基板定位所述模块化反应器头部。
11.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其中所述模块化反应器头部位置系统包括线性位移系统。
12.根据权利要求11所述的薄膜沉积系统，其中所述线性位移系统包括：
一组位移测量装置；以及
一组线性致动器。
13.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其中所述模块化反应器头部位置系统包括：
用于在所述模块化反应器头部与所述基板台之间进行间隙控制的调平系统。
14.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其中所述基板台包括：
用于抵靠所述基板台保持所述基板的真空系统。
15.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其中所述基板台包括：
用于支撑所述基板的上板；以及
用于加热所述上板的加热组件。
16.根据权利要求10所述的薄膜沉积系统，其中所述基板台包括线性电动机系统。
17.根据权利要求6所述的模块化反应器头部，其中所述前体流体模块化组件包括用于控制前体流体沉积的致动器。
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