JP5927305B2 - 基板群を処理する原子層堆積反応炉およびその方法 - Google Patents
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Description
本発明は一般的に堆積反応炉に関する。本発明はより詳細には、材料が逐次的な自己飽和表面反応により表面に堆積されるそうした堆積反応炉に関するが、それのみに限定されるものではない。
１９７０年代初めにツオモ・サントラ博士（Ｄｒ．Ｔｕｏｍｏ Ｓｕｎｔｏｌａ）により原子層エピタキシー（ＡＬＥ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｐｉｔａｘｙ）法が発見された。この方法のもう１つの一般名は原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であり、最近ではこれがＡＬＥの代わりに使用される。ＡＬＤは、少なくとも２種の反応前駆体種を基板に逐次的に導入することに基づく特殊な化学堆積方法である。基板は反応空間内にある。反応空間は典型的には加熱される。ＡＬＤの基本的な成長メカニズムは、化学的な吸着（化学吸着）と物理的な吸着（物理吸着）との間の結合強度の差に依存する。ＡＬＤは堆積プロセス中に化学吸着を利用して物理吸着を除去する。化学吸着においては、固相表面の（１つ又は複数の）原子と気相から到達する分子との間で強い化学結合が形成される。物理吸着による結合は、関与するのがファンデルワールス力のみであるため、非常に弱くなる。物理吸着による結合は、局部温度が分子の凝縮温度を超えると熱エネルギーにより容易に破壊される。
ＡＬＤ反応炉の反応空間では、加熱された全表面が、薄膜の堆積に使用される各ＡＬＤ前駆体にそれぞれ交互に逐次的に曝され得る。基本的なＡＬＤ堆積サイクルは４つの連続ステップ：パルスＡ、パージＡ、パルスＢおよびパージＢからなる。パルスＡは典型的には金属前駆体蒸気からなり、パルスＢは非金属前駆体蒸気、特に窒素または酸素前駆体蒸気からなる。ガス反応の副生成物および残留反応物分子をパージＡおよびパージＢにおいて反応空間からパージするには、不活性ガス、たとえば窒素またはアルゴン、および真空ポンプが使用される。堆積シーケンスは、少なくとも１つの堆積サイクルを含む。堆積サイクルは、堆積シーケンスにより所望の厚さの薄膜が得られるまで繰り返される。
前駆体種は、加熱された表面の反応性部位に化学吸着により化学結合を形成する。１回の前駆体パルスにおいて固体材料の単分子層のみが形成されるように条件が整えられるのが一般的である。したがって成長プロセスは自己終結的であるか、または飽和的である。たとえば、第１の前駆体は、吸着した種に結合したままで表面を飽和させるリガンドを含んでもよく、それによりさらなる化学吸着が防止される。反応空間の温度は、前駆体分子種が基本的に未変化で（１つ又は複数の）基板に化学吸着するように、利用される前駆体の凝縮温度より高く、かつ熱分解温度より低く維持される。基本的に未変化であるとは、前駆体分子種が表面に化学吸着したときに揮発性リガンドが前駆体分子から離れ得ることを意味する。表面は、反応性部位の第１の種類、すなわち吸着された第１の前駆体分子種で基本的に飽和状態になる。典型的にはこの化学吸着ステップの後に第１のパージステップ（パージＡ）が行われ、過剰な第１の前駆体および生じ得る反応の副生成物が反応空間から除去される。次いで反応空間に第２の前駆体蒸気が導入される。第２の前駆体分子は典型的には、吸着された第１の前駆体分子種と反応することで、所望の薄膜材料を形成する。この成長は、吸着された第１の前駆体の全量が消費され、表面が基本的に反応性部位の第２の種類で飽和されると終了する。次いで過剰の第２の前駆体蒸気および生じ得る反応の副生成物蒸気は、第２のパージステップ（パージＢ）で除去される。その後このサイクルは、膜が所望の厚さに成長するまで繰り返される。堆積サイクルはさらにより複雑にしてもよい。たとえば、サイクルは、パージステップを挟んで３つ以上の反応物の蒸気パルスを含んでもよい。これらのすべての堆積サイクルにより、論理ユニットまたはマイクロプロセッサによって制御される調時堆積シーケンスが形成される。
ＡＬＤにより成長した薄膜は、高密度でピンホールがなく均一な厚さを有する。たとえば、２５０〜３００℃の熱ＡＬＤにより、ＴＭＡとも呼ばれるトリメチルアルミニウム（ＣＨ３）３ＡＩおよび水から酸化アルミニウムを成長させた実験では、基板ウエハ全体で不均一なのは約１％に過ぎない。
ＡＬＤ薄膜プロセスおよびＡＬＤ薄膜プロセスに好適な前駆体に関する一般的な情報については、本明細書に援用するリッカ・プールネン博士（Ｄｒ．Ｒｉｉｋｋａ Ｐｕｕｒｕｎｅｎ）の論文（「原子層堆積法の界面化学：トリメチルアルミニウム／水プロセスのケーススタディ(Surface chemistry of atomic layer deposition:a case study for the trimethylaluminum/water process)」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Applied Physics)、第97巻、p.121301(2005年)）で確認することができる。
近年、堆積のスループットを高めることができるバッチＡＬＤ反応炉に対する関心が高まっている。
「原子層堆積法の界面化学：トリメチルアルミニウム／水プロセスのケーススタディ(Surface chemistry of atomic layer deposition: a case study for the trimethylaluminum/water process)」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Journal of Applied Physics)、第97巻、p.121301(2005年)
本発明の第１の例示的態様によれば、
原子層堆積プロセスにより複数の基板を処理するための原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールを用意することと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入すること、ただし、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することと；
を含む方法が提供される。
原子層堆積プロセスにより複数の基板を処理するための原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールを用意することと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入すること、ただし、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することと；
を含む方法が提供される。
実施形態によっては、基板はシリコンウエハやガラス板、金属プレート、ポリマープレートであってもよい。
実施形態によっては、複数の基板（一般に少なくとも一処理単位分の基板群）は、取り出される側とは異なる側から反応チャンバモジュール内に装入される。装入が行われる反応チャンバモジュールまたは反応炉の側は、取り出しが行われる側の反対側であってもよい。装入および取り出しは水平方向に行ってもよい。
実施形態によっては、前記方法は、
前記ひとまとまりの基板群を前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールで前処理することと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の前記反応チャンバモジュールで前記原子層堆積プロセスにより処理することと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の後処理モジュールで後処理することと；
を含む。ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配される。
前記ひとまとまりの基板群を前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールで前処理することと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の前記反応チャンバモジュールで前記原子層堆積プロセスにより処理することと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の後処理モジュールで後処理することと；
を含む。ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配される。
ある実施形態では、各モジュールが単一の装置に組み込まれている。実施形態によっては、モジュールを通る連続的な経路が存在する。実施形態によっては、各モジュールのプロファイルは同じである。
実施形態によっては、原子層堆積プロセスによる前記処理は、逐次的な自己飽和表面反応によりひとまとまりの基板群上に材料を堆積させることを含む。
実施形態によっては、前記前処理モジュールは前加熱モジュールであり、前記前処理は前記ひとまとまりの基板群を前加熱することを含む。
実施形態によっては、前記後処理モジュールは冷却モジュールであり、前記後処理は前記ひとまとまりの基板群を冷却することを含む。
実施形態によっては、前記方法は、前記前処理モジュール、反応チャンバモジュールおよび後処理モジュールを含む全処理ラインを通じて前記ひとまとまりの基板群を一方向に運搬することを含む。
ある実施形態では、各モジュールは横列に並べられる。これらのモジュールを通す運搬メカニズムは各モジュールを通じて一方向である。
ある実施形態では、前処理された基板は反応チャンバモジュールにモジュールの一方の側から装入され、ＡＬＤ処理された基板はモジュールからモジュールの反対側から取り出される。実施形態の１つでは、反応チャンバモジュールは細長い形状を有する。
実施形態によっては、前記前処理モジュールは第１のロードロックであり、前記方法は、前記第１のロードロック内で、上昇させた圧力下で、前記ひとまとまりの基板群を熱輸送によって前加熱することを含む。
上昇させた圧力とは、真空圧力より高い圧力、たとえば室内圧力をいう場合がある。熱輸送は、熱伝導、対流および電磁放射を含む。低圧力では熱は主に、典型的には赤外線放射である電磁放射によりガス空間を通って輸送される。圧力が上昇すると、熱輸送はガスを通じた熱電動や、ガスの対流による熱伝導により促進される。対流は温度差による自然対流であってもよいし、あるいはガスポンプまたは送風機によって行われる強制対流であってもよい。基板群を、不活性ガス、たとえば窒素または同様のものを用いて熱輸送により加熱してもよい。ある実施形態では、不活性ガスが前処理モジュールに案内されて、少なくとも１つのヒーターにより加熱される。
実施形態によっては、前記後処理モジュールは第２のロードロックであり、前記方法は、前記第２のロードロック内で、上昇させた圧力下で、前記ひとまとまりの基板群を熱輸送によって冷却することを含む。
実施形態によっては、前記方法は、ひとまとまりの基板群を基板サブセットに分割すること、およびサブセットをそれぞれ同時に反応チャンバモジュールで処理することを含み、各サブセットはそれ自体にガス流入口およびガス流出口を有する。
実施形態によっては、各サブセットは内部仕切壁により形成された閉鎖空間で処理される。
実施形態によっては、前記方法は、太陽電池構造に酸化アルミニウムを堆積させることを含む。
実施形態によっては、前記方法は、Ｚｎ１−ｘＭｇｘＯまたはＺｎＯ１−ｘＳｘ緩衝液層を太陽電池構造に堆積させることを含む。
本発明の第２の例示的態様によれば、
ひとまとまりの基板群を原子層堆積プロセスにより処理するように構成される原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入する装入及び取り出し部であって、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することを可能にする、装入及び取り出し部と；
を備えるが提供される。
ひとまとまりの基板群を原子層堆積プロセスにより処理するように構成される原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入する装入及び取り出し部であって、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することを可能にする、装入及び取り出し部と；
を備えるが提供される。
前記機器は原子層堆積反応炉、ＡＬＤ反応炉であってもよい。
実施形態によっては、前記機器は、
前記ひとまとまりの基板群を前処理するように構成される前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記原子層堆積プロセスにより処理するように構成される前記反応炉の前記反応チャンバモジュールと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を後処理するように構成される前記反応炉の後処理モジュールと；
を備える。ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配される。
前記ひとまとまりの基板群を前処理するように構成される前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記原子層堆積プロセスにより処理するように構成される前記反応炉の前記反応チャンバモジュールと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を後処理するように構成される前記反応炉の後処理モジュールと；
を備える。ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配される。
実施形態によっては、原子層堆積プロセスによる前記処理は、逐次的な自己飽和表面反応により基板上に材料を堆積させることを含む。
実施形態によっては、前記前処理モジュールは、基板を室温より高い温度に前加熱するように構成される前加熱モジュールである。
実施形態によっては、前記後処理モジュールは、基板をＡＬＤ処理温度より低い温度に冷却するように構成される冷却モジュールである。
実施形態によっては、前記機器は前処理モジュール、反応チャンバモジュールおよび後処理モジュールを含む全処理ラインを通じて前記ひとまとまりの基板群を一方向に運搬するように構成される。
実施形態によっては、前記前処理モジュールは、上昇させた圧力下で前記ひとまとまりの基板群を熱輸送により前加熱するように構成される第１のロードロックである。
実施形態によっては、前記後処理モジュールは、上昇させた圧力下で前記ひとまとまりの基板群を熱輸送により冷却するように構成される第２のロードロックである。
実施形態によっては、前記反応チャンバモジュールは、各々それ自体にガス流入口およびガス流出口を有する基板サブセットに前記ひとまとまりの基板群を分割する間仕切壁を備えるか、または間仕切壁を受け入れるように構成される。
本発明の第３例示的態様によれば、
複数の基板を原子層堆積プロセスにより処理するように構成される原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入する手段であって、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入する手段と；
を備える機器が提供される。
複数の基板を原子層堆積プロセスにより処理するように構成される原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールと；
ひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入する手段であって、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入する手段と；
を備える機器が提供される。
本発明の様々な非限定的な例示的態様および実施形態を上記に記載してきた。上記の実施形態は、本発明の実施に使用してもよい選択された態様またはステップを単に説明するために使用されるものである。実施形態の一部は、本発明のある種の例示的態様に関連してのみ提供することができる。対応する実施形態を他の例示的態様にも適用してもよいことを理解されたい。任意の適切な実施形態の組み合わせを形成してもよい。
次に本発明について、単に例示に過ぎないが、添付図面を参照しながら説明する。
以下の説明では、原子層堆積法（ＡＬＤ）技術を例として使用する。添付の特許請求の範囲により特に限定されない限り、本発明の実施形態はその技術および等価な技術に厳密に限定されるものではなく、ある種の実施形態は、別の同等の原子スケール堆積技術を利用する方法および機器にも適用可能な場合がある。
ＡＬＤの成長機構の基本は当業者に知られている。ＡＬＤ法の詳細については、本特許出願の導入部にも記載されている。こうした詳細はここで繰り返さないが、必要に応じて導入部を参照されたい。
図１Ａ〜１Ｊは、例示的実施形態による堆積反応炉においてバッチ処理を行う方法を示す。堆積反応炉はチューブ型であり、横方向に長い反応チャンバモジュール１１０を備える。この反応チャンバモジュール１１０は、図６〜１３においてより詳細に示すように、長方形断面、湾曲長方形断面または円形断面を有してもよい。実施形態によっては、断面形状は、目的に応じて別の断面形状であってもよい。
反応チャンバモジュール１１０は、一処理単位分の複数の基板１２０を担持する基板ホルダを移動させるキャリッジ１１５の装入および取り出しを行うため、モジュール１１０のそれぞれの端部にゲート１１１および１１２を備える。ゲート１１１および１１２は、図１Ａおよび１Ｈに示すように開放することができる。代替の実施形態では、ゲートは、開閉時に非常に小さな空間しか要しないゲートバルブ等であってもよい。そうした実施形態では、たとえば、モジュール１１０のゲート１１１の側面に、固定または移動式の前処理モジュールが装着されていてもよい。同様に、代替の実施形態では、モジュール１１０のゲート１１２の側面に、固定または移動式の後処理モジュールが装着されていてもよい。これについては、図２に関連して本説明の後半でより詳細に記載する。
基板群は、フローガイドまたはガイドプレート１２１により横方向には囲まれているが、上下方向には閉ざされていない。すなわちフローガイドまたはガイドプレート１２１は半閉鎖空間を形成し、基板群はその半閉鎖空間内に配置される。この半閉鎖空間は、内部の基板をプロセスガスに曝し、また内部からのプロセスガスの除去を可能とする、一種の箱を形成する。フローガイド１２１は、キャリッジ１１５の恒久的な構造体を形成してもよい。基板群を担持する基板ホルダは、処理前に装入ロボットまたは同様のものによりこうした箱に移動されられることができる。あるいは、フローガイド１２１は基板ホルダの一部であってもよい。そうした実施形態および他の実施形態では、ロボットまたは同様のものにより、基板を、普通のプラスチックウエハキャリアカセットや基板ホルダから、ＡＬＤの処理温度および前駆体に対応可能な基板ホルダ（たとえばアルミニウム製、ステンレス鋼製または炭化ケイ素製）に移動させてもよい。次いで、箱壁を形成するフローガイド１２１を有してもよいこうした基板ホルダをキャリッジ１１５に装入する。
基板１２０は、図１Ａに示すような円形の基板ウエハでも、あるいは長方形、特に、図３〜１４Ｄに関連して本説明の後半でより詳細に示すような正方形ウエハでもよい。ひとまとまりのウエハ群は、たとえば図４〜５Ｂに関連して本説明の後半でより詳細に示すように、縦置きスタックを形成するように配されてもよく、互いに隣接して置かれ、ウエハ間には閉ざされていない隙間が存在するようにされてもよい。
図１Ａ〜１Ｊに示した反応チャンバモジュール１１０は、モジュールの上方部分に前駆体蒸気送り込みライン１３５を備える。前駆体蒸気ごとに１つの送り込みラインが存在してもよい。図１Ａ〜１Ｊに示した実施形態では、水平方向に隣接する２つの送り込みラインが存在する。他の実施形態では、送り込みラインは垂直方向に隣接してもよい。送り込みラインの配置に関するいくつかの例を図６〜１３に示してある。前駆体蒸気は少なくとも１箇所から送り込みラインに供給される。大型反応炉の場合、送り込みラインが非常に長いことがあるため、実施形態によっては、前駆体蒸気の送り込みラインへの供給点を２つ以上、たとえば送り込みラインの両端部に設けると有利である。
送り込みラインには、ガスおよび蒸気を送り込みラインから出し、反応チャンバに入れる入口開口部が存在してもよい。したがって実施形態の１つでは、送り込みラインは穿孔処理された管路である。入口開口部の位置は実施形態によって異なる。入口開口部は、たとえば、送り込みラインの上部面および／または下部面および／または側面にあってもよい。反応チャンバ内へ送り込みラインを通すための孔は、実施形態に応じて様々な方法で実装することができる。一つの例として、反応チャンバの天井を貫通する少なくとも１つの孔を、各送り込みラインのために設けてもよい。もう１つの例として、反応チャンバの側壁を貫通する少なくとも１つの孔を、各送り込みラインのために設けてもよい。
反応チャンバモジュール１１０は、モジュール１１０の全長にほぼ沿って、支持面の下に排出チャネル１３６を備える。処理中に、反応の副生成物や過剰な反応物分子は、排出チャネル１３６を介して真空ポンプ１３７にパージされるか、および／またはポンプで送られる。
実施形態の１つでは、反応チャンバモジュール１１０は、反応チャンバの内部すなわち実質的には反応空間を加熱する、少なくとも１つのヒーターを備える。考えられる１つの加熱装置は、図１４Ａ〜１４Ｄに関連して本説明の後半で示す。少なくとも１つのヒーターは、反応空間に向いた方向以外の方向が断熱材層で被覆されていてもよい。
キャリッジ１１５は車輪１１７または他の移動手段を備え、それによってモジュール１１０内部へと移動または摺動できるようにされる。この移動または摺動は、通路もしくはレール１２５に沿って、または他の支持面に沿って、なされることができる。支持面は、凹み部１２７等の受け手段を備え、それによってキャリッジ１１５を、処理のために適切な位置に固定するようになっている。図１Ｂおよび１Ｃに示した実施形態では、車輪１１７は凹み部１２７に収まる。キャリッジ１１５は、箱が存在する領域の各々に、下部案内手段またはプレート１２２を有してもよい。下部案内手段またはプレート１２２は、連結部または支持面の下に形成された空間１３２に嵌入する。
図１Ｄでは、キャリッジ１１５がモジュール１１０内の処理位置にある。送り込みライン１３５は、ひとまとまりの基板群を収容する箱の各々を通じて、排出チャネル１３６および真空ポンプ１３７と流体連通している。
最初、反応チャンバは室内圧力にある。装入ハッチまたはゲート１１１は、装入中には開放されているが、反応チャンバへの基板群１２０の装入が完了すると閉鎖される。その後反応チャンバは真空ポンプ１３７で真空にされる。装入された基板群は、固定または移動式の前処理モジュールで前処理しておいても、たとえば、処理温度範囲（実際の処理温度または少なくともその処理温度に近いことを意味する）に前加熱しておいてもよい。あるいは、装入された基板群を反応チャンバ内で加熱してもよい。
不活性パージ（キャリア）ガス、たとえば窒素または同様のものが、矢印１４５で示したように送り込みライン１３５から各箱に流される。堆積プロセスにおける反応チャンバ圧力は、反応チャンバへの不活性パージ（キャリア）ガスの流速と反応チャンバからのガスの排出速度との間のバランスにより、典型的には約０．１〜１０ｈＰａ、好ましくは約０．５〜２ｈＰａの範囲に維持される。
堆積プロセスは、１つまたは複数の繰り返される堆積サイクルからなる。各堆積サイクル（ＡＬＤサイクル）は、第１の前駆体パルス（またはパルス期間）、続いて第１のパージステップ（またはパージ期間）、それに続いて第２の前駆体パルス（またはパルス期間）、続いて第２のパージステップ（またはパージ期間）からなってもよい。
図１Ｅは、基板を第１の前駆体蒸気に曝す第１の前駆体パルス期間を示す。ガス流は、送り込みライン１３５から基板群を収容する箱へと進み、排出チャネル１３６を通ってポンプ１３７に至る経路を辿る。
図１Ｆは、第１の前駆体パルス期間に続く第１のパージ期間を示す。この期間の間、反応チャンバ内には不活性ガスが流され、ガス反応の副生成物や過剰な前駆体蒸気が排出チャネル１３６へと、さらにポンプ１３７へと押しやられる。
図１Ｇは、基板を第２の前駆体蒸気に曝す第２の前駆体パルス期間を示す。ガス流はこの場合も、送り込みライン１３５から基板群を収容する箱へと進み、１３６を通ってポンプ１３７に至る経路を辿る。
第２のパージ期間後、基板１２０上に所望の厚さの材料層を成長させるのに必要なだけ、堆積サイクルを繰り返す。
例示的なＡＬＤ堆積プロセスでは、トリメチルアルミニウムＴＭＡを第１の前駆体、および水Ｈ２Ｏを第２の前駆体として使用して酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３を各基板群１２０上に成長させる。例示的実施形態では、基板１２０は、酸化アルミニウムを成長させる太陽電池構造を有する。例示的実施形態では、処理温度は約２００℃である。
処理後、反応チャンバモジュール１１０は室内圧力に戻される。キャリッジ１１５は、図１Ｈに示すように凹み部１２７から上に上がる。そしてキャリッジ１１５は、図１Ｊに示すように開放されたゲート１１２を通り反応チャンバモジュール１１０から出る。
このように、図１Ａ〜１Ｊに示した実施形態で説明されるＡＬＤバッチ処理においては、１つ又は複数の基板群が処理前に反応チャンバモジュールに装入される経路は、これらが処理後に反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なっている。
代替の実施形態では、支持面（参照番号１２５、図１Ａ）を取り除いてもよい。代わりにキャリッジには、箱の下に、各箱の面に沿って延在するメッシュ、穿孔処理されたプレートまたは同様の構成要素が設けられてもよい。これらはキャリッジの下に排出チャネルを形成する。この実施形態では、キャリッジは、たとえば、反応チャンバモジュールの床上を直接移動することができる。この実施形態は、図６〜８に関連して本説明の後半でより詳細に示す。
別の代替の実施形態では、メッシュは支持面部に装着してもよい。この実施形態では、キャリッジは支持面上を移動することができるが、キャリッジは典型的には下部案内手段またはプレートを有さないと考えられる。
メッシュが存在する実施形態は、箱を一切形成することなく実施することができる。代わりに、反応空間内のガス流が可能な限り均一であるため、基板の各表面上に均一な成長が達成できるようにメッシュを設計すればよい。たとえば、メッシュの開口部の大きさは、貫通導管から真空ポンプまでの距離に応じて異なってもよい。
図２は、別の実施形態による堆積反応炉を示す。しかしながら、図１Ａ〜１Ｆに関連して前に示したものは、図２に示した実施形態にも当然に適用することができる。
図２は、３つのモジュールが機械的に連結された反応チャンバ、チューブ炉を示す。反応チャンバモジュール１１０は基本的に以前の実施形態に示したのと同様のものであってもよい。反応炉は、反応チャンバモジュール１１０の第１の側に前処理モジュール２５１を備える。前処理モジュール２５１は、ゲートバルブ１１１または同様のものにより反応チャンバモジュール１１０に機械的に連結されたロードロックであってもよい。前処理モジュール２５１には、少なくともひとまとまりの基板群が、ハッチもしくはゲート２１１または同様のものを通して装入され、その後これらの基板は、そのモジュール２５１で前処理されてもよい。たとえばこれらの基板は、前処理モジュール２５１内で、熱輸送により処理温度範囲まで前加熱されてもよい。実施形態の１つでは、不活性ガス、たとえば窒素または同様のものは不活性ガス源から前処理モジュール２５１へと導かれる。そして前処理モジュール２５１内の不活性ガスは、前処理モジュール２５１内または外側にある少なくとも１つのヒーター２６０により加熱される。前処理モジュール２５１内の基板は、熱輸送により加熱された不活性ガスで加熱される。
前処理後、前処理モジュール２５１はポンプで真空にされ、ゲートバルブ１１１が開放され、前処理された基板を担持するキャリッジまたは基板ホルダがＡＬＤ処理のため反応チャンバモジュール１１０に移動させられる。
反応炉は、反応チャンバモジュール１１０の第２の（反対）側に、後処理モジュール２５２を備える。後処理モジュール２５２は、ゲートバルブ１１２または同様のものにより反応チャンバモジュール１１０に機械的に連結されたロードロックであってもよい。処理後、ゲートバルブ１１２が開放され、ＡＬＤ処理された基板を担持するキャリッジまたは基板ホルダは、後処理のため後処理モジュール２５２に移動させられる。たとえば、処理された少なくともひとまとまりの基板群が、熱輸送により後処理モジュール２５２で冷却されてもよい。実施形態の１つでは、不活性ガス、たとえば窒素または同様のものが不活性ガス源から後処理モジュール２５２に導かれる。後処理モジュール２５２の圧力は、（たとえば室内圧まで）上昇させられてもよい。そして後処理モジュール２５２内の、少なくともひとまとまりの基板群は、該基板からの熱輸送により冷却される。これは、不活性ガスを通じた熱伝達や、不活性ガスの自然および／または強制対流による熱伝達を伴う過程である。後処理モジュールの壁は、たとえば水冷管で冷却してもよい。温まった不活性ガスは、外部熱交換ユニットに導き、外部熱交換ユニットで冷却してポンプで後処理モジュール２５２に戻してもよい。
後処理後、ハッチまたはゲート２１２が開放され、後処理された基板を担持するキャリッジまたは基板ホルダは後処理モジュール２５２から出る。
以上のように、図２に示す実施形態はモジュール堆積反応炉である。代替の実施形態では、前処理モジュールおよび後処理モジュールのどちらかを取り除いてもよい。したがって代替の実施形態では、実質的に前処理モジュールおよび反応チャンバモジュールからなる堆積反応炉が実施される。そしてなお別の代替の実施形態では、実質的に反応チャンバモジュールおよび後処理モジュールからなる堆積反応炉が実施される。
図３は、別の例示的実施形態による基板キャリッジを示す。これは図１Ａ〜１Ｊに示したタイプのキャリッジであり、複数の基板群を積載することができる。図３に示すキャリッジ１１５は、円形のウエハではなく、正方形のウエハを運ぶのに使用される。図４の拡大図に示すように、縦置された複数の基板からなるスタックが形成されるように配してもよく、これをいくつか横方向及び縦方向に並べるようにしてもよい。図３および４に示した例では、ひとまとまりの基板群が３×３の縦置スタックに配されており、３つの縦置スタックを積み重ねたものが３つ横に並べられている。前駆体蒸気およびパージガスは、図５Ａに示すように各基板の表面に沿って垂直方向に上から下に流れる。たとえば図９〜１１に示した実施形態では、この流れは主に、図５Ｂに示すように、視角に応じて左から右または右から左への各基板の表面に沿った水平流である。
図６〜１１は、特定の実施形態による堆積反応炉および堆積反応炉モジュールの様々な設計代替案を示す。
図６〜７は、湾曲長方形チューブ炉の側面図を示す。図６に示す実施形態の反応チャンバモジュール１１０は水平方向に隣接する前駆体蒸気送り込みライン１３５ａ、１３５ｂを備えるのに対し、図７に示す実施形態の水平送り込みライン１３５ａ、１３５ｂは垂直方向に隣接する。ＡＬＤに用いられる複数の前駆体は通常互いに反応するため、各前駆体蒸気は、送り込みライン内部の薄膜の堆積を防止するため、好ましくは、その専用の送り込みラインに沿って反応チャンバに流される。キャリッジ１１５の基板ホルダ６６０はひとまとまりの正方形基板１２０を運ぶものであり、その１つを図６および７に示す。送り込みライン１３５ａ、１３５ｂはその上部表面に開口部を有し、前駆体蒸気およびパージガスはこれを通り湾曲天井により向きを変え、基板表面に沿って均一な上から下への流れを発生させる。キャリッジ１１５はそれに装着されたメッシュ（参照番号６７５）を有し、その機能については上述の通りである。
図８に示す実施形態では、反応チャンバモジュール１１０は、反応チャンバのパージを促進するために、モジュール１１０の上隅に追加の不活性ガス送り込みライン８３５を備える。追加の不活性ガス送り込みライン８３５を通る不活性ガスの流速は、堆積プロセス中に変化してもよい。たとえば、前駆体パルス時間においては、基板の上部隅の不活性ガス遮蔽を最小限に抑えるため不活性送り込みライン８３５の流速を低くし、前駆体パルス時間の間のパージ時間においては、反応チャンバのパージを促進するために不活性送り込みライン８３５の流速を高くしてもよい。不活性ガスとしては、ほとんどの場合、窒素またはアルゴンを使用すればよい。送り込みライン８３５は、不活性ガスが初めは図８に示す（１つ又は複数の）方向に流れるように、その上部表面に開口部を有する穿孔処理された管路であってもよい。
図９〜１０は長方形のチューブ炉の側面図を示す。反応チャンバモジュール１１０内で水平方向に移動することができる基板ホルダまたはキャリッジ９６０は、ひとまとまりの正方形基板１２０を運ぶものであり、その１つを図９〜１０に示す。図９に示す実施形態では、反応チャンバモジュール１１０は、基板表面に沿って水平方向に前駆体蒸気流を発生させるため、水平方向に隣接する前駆体蒸気送り込みライン１３５ａ、１３５ｂを備える。送り込みライン１３５ａ、１３５ｂはその側面に開口部を有し、前駆体蒸気およびパージガスはこれを通りモジュール１１０の側壁９８０により向きを変える。この方法では、基板表面に沿って均一な水平方向の（左から右への）流れが発生する。このガス流は最終的に垂直方向のメッシュ９７５を通過して排出チャネル９３６に至る。
図１０に示す実施形態では、反応チャンバモジュール１１０は、反応チャンバのパージを促進するために、側壁９８０の隅に、追加の不活性ガス送り込みライン１０３５を備える。送り込みライン１０３５は、不活性ガスが当初図１１に示す１つ又は複数の方向に、すなわち、隅の方に流れるように、その表面に開口部を有する穿孔処理された管路であってもよい。
図１２〜１３は円形のチューブ炉の断面図を示す。反応チャンバモジュール１１０内で水平方向に移動することができる基板ホルダまたはキャリッジ１２６０は、ひとまとまりの正方形基板１２０を運ぶ。図１２に示す実施形態では、反応チャンバモジュール１１０は、垂直方向に隣接する水平前駆体蒸気送り込みライン１３５ａ、１３５ｂを備える。送り込みライン１３５ａ、１３５ｂはその上部表面に開口部を有し、前駆体蒸気およびパージガスはこれを通り円形の天井により向きを変え、基板表面に沿って均一な、上から下への流れを発生させる。モジュール１１０は底部にメッシュ（参照番号１２７５）を有する。メッシュ１２７５の下の空間は排出チャネル１２３６を形成する。
図１３に示す実施形態では、反応チャンバモジュール１１０は、反応チャンバのパージを促進するために、モジュール１１０の天井近くに追加の不活性ガス送り込みライン１３３５を備える。
図１４Ａ〜１４Ｄは、別の例示的実施形態による堆積反応炉のバッチ処理を行う方法を示す。図１４Ａ〜１４Ｄに示した方法は基本的に、前記の図１Ａ〜１Ｊを参照して示した方法に相当する。相違は、本実施形態では同時に複数の基板群を処理する代わりに、その時点で処理される基板群のまとまりが１つのみであることにある。しかしながら、キャリッジ１４１５にはかなり多くの基板が搭載されていて、その集合は横に長く延びた形状になっており、数百あるいはさらに数千の基板が同時に処理できてもよい。処理能力は、図１４Ａ（および前述の図３および４）に示すように、基板の縦置きスタックを行方向および列方向に配置することにより高めることができる。さらに反応チャンバモジュール１１０の反応空間を加熱する少なくとも１つのヒーター（参照番号１４６１）や、ヒーター１４６１の反応空間に向いた方向以外の方向を被覆する断熱層（参照番号１４６２）も見て取れる。
その他の点では、図１４Ａ〜１４Ｄの参照番号および動作は、図１Ａ〜１Ｊのそれに一致する。図１４Ａは、ゲート１１１を介したキャリッジ１４１５の反応チャンバモジュール１１０への装入を示す。図１４Ｂおよび１４Ｃは、キャリッジ１１７の車輪が凹み部１２７に収まるところ、および処理中の基板を収容する閉鎖された箱へのガス流を示す。図１４Ｄは、キャリッジ１４１５上の処理された複数の基板を、ゲート１１２を介して取り出すところを示す。
前述の記載は、本発明の特定の実装および実施形態の非限定的な例により、本発明を実施するために本発明者らが現在意図する最良の形態に関する十分かつ有益な説明を提供するものである。しかしながら、本発明が、上記に示した実施形態の詳細に限定されるものではなく、かつ本発明の特徴から逸脱することなく等価な手段を用いて他の実施形態で実施され得ることが当業者には明らかであろう。
さらに、本発明の上記に開示された実施形態の特徴の一部は、対応する他の特徴を使用することなく、有利に使用することができる。このため、前述の記載は、本発明の原理の例示に過ぎず、それを限定しないものと見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (18)
- 原子層堆積プロセスにより複数の基板を処理するための原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールを用意することと；
キャリッジにより運ばれるひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入すること、ただし、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することと；
前記キャリッジにより運ばれる前記ひとまとまりの基板群を、各々それ自体にガス流入口およびガス流出口を有する複数の基板サブセットに分割すること、および、前記サブセットを同時に前記反応チャンバモジュールで処理することと；
を含む方法。 - 前記ひとまとまりの基板群を前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールで前処理することと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の前記反応チャンバモジュールで前記原子層堆積プロセスにより処理することと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を前記反応炉の後処理モジュールで後処理することと；
を含み、ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配されている、請求項１に記載の方法。 - 原子層堆積プロセスによる前記処理は、逐次的な自己飽和表面反応により前記基板に材料を堆積させることを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記前処理モジュールは前加熱モジュールであり、前記前処理は前記ひとまとまりの基板群を前加熱することを含む、請求項２または３に記載の方法。
- 前記後処理モジュールは冷却モジュールであり、前記後処理は前記ひとまとまりの基板群を冷却することを含む、請求項２から４のいずれかに記載の方法。
- 前記前処理モジュール、反応チャンバモジュールおよび後処理モジュールを含む全処理ラインを通じて前記ひとまとまりの基板群を一方向に運搬することを含む、請求項２から５のいずれかに記載の方法。
- 前記前処理モジュールは第１のロードロックであり；
前記方法は、前記第１のロードロック内で、上昇させた圧力下で、前記ひとまとまりの基板群を熱輸送によって前加熱することを含む；
請求項２から６のいずれかに記載の方法。 - 前記後処理モジュールは第２のロードロックであり；
前記方法は、前記第２のロードロック内で、上昇させた圧力下で、前記ひとまとまりの基板群を熱輸送によって冷却することを含む；
請求項２から７のいずれかに記載の方法。 - 太陽電池構造に酸化アルミニウムを堆積させることを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
- キャリッジにより運ばれるひとまとまりの基板群を原子層堆積プロセスにより処理するように構成される原子層堆積反応炉の反応チャンバモジュールと；
前記キャリッジにより運ばれるひとまとまりの基板群を処理の前に前記反応チャンバモジュールに装入する装入及び取り出し部であって、処理の後に前記反応チャンバモジュールから取り出される経路とは異なる経路を通じて装入することを可能にする、装入及び取り出し部と；
を備え、ここで前記反応チャンバモジュールは、前記キャリッジにより運ばれる前記ひとまとまりの基板群を、各々それ自体にガス流入口およびガス流出口を有する複数の基板サブセットに分割し、前記サブセットを同時に前記反応チャンバモジュールで処理するように構成される、機器。 - 前記ひとまとまりの基板群を前処理するように構成される前記原子層堆積反応炉の前処理モジュールと；
前記前処理されたひとまとまりの基板群を前記原子層堆積プロセスにより処理するように構成される前記反応炉の前記反応チャンバモジュールと；
前記処理されたひとまとまりの基板群を後処理するように構成される前記反応炉の後処理モジュールと；
を備え、ここで前記前処理モジュール、前記反応チャンバモジュールおよび前記後処理モジュールは一列に配される、請求項１０に記載の機器。 - 原子層堆積プロセスによる前記処理は、逐次的な自己飽和表面反応により前記基板に材料を堆積させることを含む、請求項１１に記載の機器。
- 前記前処理モジュールは、前記ひとまとまりの基板群を前加熱するように構成される前加熱モジュールである、請求項１１または１２に記載の機器。
- 前記後処理モジュールは、前記ひとまとまりの基板群を冷却するように構成される冷却モジュールである、請求項１１から１３のいずれかに記載の機器。
- 前記機器は前記前処理モジュール、反応チャンバモジュールおよび後処理モジュールを含む全処理ラインを通じて前記ひとまとまりの基板群を一方向に運搬するように構成される、請求項１１から１４のいずれかに記載の機器。
- 前記前処理モジュールは、上昇させた圧力下で前記ひとまとまりの基板群を熱輸送により前加熱するように構成される第１のロードロックである、請求項１１から１５のいずれかに記載の機器。
- 前記後処理モジュールは、上昇させた圧力下で前記ひとまとまりの基板群を熱輸送により冷却するように構成される第２のロードロックである、請求項１１から１６のいずれかに記載の機器。
- 前記ひとまとまりの基板群を分割する間仕切壁を備えるか、または間仕切壁を受け入れることにより、前記キャリッジにより運ばれる前記ひとまとまりの基板群を前記複数の基板サブセットに分割するように構成される、請求項１０から１７のいずれかに記載の機器。
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