PL249141B1

PL249141B1 - ALD reactor reaction chamber

Info

Publication number: PL249141B1
Application number: PL444812A
Authority: PL
Inventors: Bartłomiej WITKOWSKI; Bartłomiej Witkowski; Marek GODLEWSKi; Marek Godlewski
Original assignee: Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2023-05-05
Publication date: 2026-03-02
Also published as: PL444812A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest komora reakcyjna reaktora ALD, o zmiennej objętości. Komora ta posiada część wejściową (1), z podłączeniami prekursorów i gazów technicznych oraz część wyjściową (6) z odprowadzeniami gazów poprocesowych do układu pompowego. W komorze tej pomiędzy częścią wejściowa (1) a częścią wyjściowa (6) znajduje się co najmniej jeden wymienny moduł (4) zwiększający długość komory, a tym samym objętość roboczą reaktora ALD.The subject of the application is a variable-volume ALD reactor reaction chamber. This chamber comprises an inlet section (1) with connections for precursors and technical gases, and an outlet section (6) with outlets for post-process gases to the pumping system. This chamber, between the inlet section (1) and the outlet section (6), contains at least one replaceable module (4) that increases the chamber's length, and thus the working volume of the ALD reactor.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest komora reakcyjna reaktora ALD, o zmiennej objętości. Konstrukcja komory umożliwia prowadzenie procesu wzrostu warstw atomowych na podłożach o różnych gabarytach, a tym samym dostosowanie jej objętości do aktualnych potrzeb technologicznych.The invention concerns a variable-volume ALD reactor reaction chamber. The chamber's design allows for the growth of atomic layers on substrates of various sizes, thus adapting its volume to current technological needs.

Metoda osadzania warstw atomowych (ALD - Atomic Layer Deposition) jest jedną z nowoczesnych metod osadzania cienkich warstw na podłożach. Metoda ta została opracowana w latach 70-tych dwudziestego wieku i opatentowana (Suntola. T. and Antson. J. (1977) U.S. Patent 4,058,430 Method for producing compound thin films). W odróżnieniu od innych zaawansowanych metod osadzania struktur, jak np. MBE (Molecular Beam Epitaxy) metoda ALD od początku swojego istnienia była metodą przemysłową. Metoda ALD polega na naprzemiennym podawaniu gazowych reagentów (zwanych prekursorami) do komory reakcyjnej. W komorze na podłożu w wyniku reakcji chemicznej jest osadzana warstwa żądanego materiału. Osadzanie materiału dwuskładnikowego odbywa się w cyklach, z których każdy składa się z czterech etapów: podawanie pierwszego prekursora, płukanie, podawanie drugiego prekursora, płukanie. Po każdym podaniu prekursora następuje „płukanie” czyli przedmuchiwanie komory gazem obojętnym dla usunięcia nieprzereagowanych resztek prekursora i produktów ubocznych zachodzących w trakcie procesu, reakcji chemicznych. Dzięki sekwencyjności dozowania reagentów proces ALD jest powierzchniowy, tzn. nie zachodzi w objętości komory reakcyjnej. Skutkiem tego można stosować bardzo reaktywne prekursory o dużej prężności par i otrzymywać warstwy nawet w niskich temperaturach <100°C. W systemie ALD warstwy mogą powstawać na skutek reakcji syntezy, pojedynczej lub podwójnej wymiany chemicznej, w zależności od rodzaju zastosowanych prekursorów. Technologia ALD pozwala w kontrolowany sposób otrzymywać warstwy. Kontrola wzrostu polega na możliwości sterowania parametrami technologicznymi takimi jak temperatura podłoża, czas pulsu prekursora, czas płukania po każdym prekursorze, temperatura prekursora oraz liczba cykli - determinująca grubość warstwy.Atomic Layer Deposition (ALD) is one of the modern methods for depositing thin films on substrates. This method was developed in the 1970s and patented (Suntola, T. and Antson, J. (1977) U.S. Patent 4,058,430 "Method for producing compound thin films"). Unlike other advanced deposition methods, such as MBE (Molecular Beam Epitaxy), ALD has been an industrial method from its inception. ALD involves the alternating feeding of gaseous reagents (called precursors) into a reaction chamber. In the chamber, a layer of the desired material is deposited on the substrate as a result of a chemical reaction. Deposition of the two-component material is performed in cycles, each consisting of four stages: feeding the first precursor, rinsing, feeding the second precursor, and rinsing. After each precursor injection, the chamber is "rinsed," meaning the chamber is purged with an inert gas to remove unreacted precursor residues and byproducts of chemical reactions occurring during the process. Thanks to the sequential dosing of the reagents, the ALD process is superficial, meaning it does not occur within the reaction chamber volume. This allows the use of highly reactive precursors with high vapor pressures, and allows for the formation of layers even at low temperatures (<100°C). In the ALD system, layers can be formed through a synthesis reaction, single or double chemical exchange, depending on the type of precursors used. ALD technology allows for controlled layer formation. Growth control involves the ability to control technological parameters such as substrate temperature, precursor pulse time, rinsing time after each precursor, precursor temperature, and the number of cycles—which determines the layer thickness.

Znane komory reaktorów ALD, zarówno w przypadku reaktorów laboratoryjnych, jak i reaktorów przemysłowych, mają różne kształty, lecz ich objętość jest z góry ustalona. Najczęściej stosowanym kształtem komory jest kształt walca, jest to rozwiązanie stosowane przez różnych producentów, jak np. firma Beneq w reaktorze ALD TFS 200 czy Ultratech / Cambridge Nanotech w reaktorze Savannah S100. Istnieją również reaktory z komorą w kształcie prostopadłościanu, jak np. reaktor P1500 firmy Beneq. Komory mają oczywiście różne rozmiary, typowe reaktory naukowe mają pojemności od kilkudziesięciu do kilkuset cm³, natomiast reaktory przemysłowe mogą mieć pojemności wielu m³. W zależności od objętości komory i ilości podłoży wewnątrz komory zmienia się również zużycie prekursorów, gazów technicznych oraz energii elektrycznej. Brak jest doniesień (według wiedzy autorów) na temat reaktorów z komorą reakcyjną o zmiennej geometrii a tym samym o zmiennej objętości/pojemności.Known ALD reactor chambers, both in laboratory and industrial reactors, have various shapes, but their volume is predetermined. The most common chamber shape is cylindrical, a solution adopted by various manufacturers, such as Beneq in the ALD TFS 200 reactor and Ultratech / Cambridge Nanotech in the Savannah S100 reactor. Reactors with a cuboid chamber also exist, such as the Beneq P1500 reactor. Chambers naturally vary in size; typical research reactors have capacities ranging from several dozen to several hundred cubic ^meters , while industrial reactors can have capacities of many cubic ^meters . Depending on the chamber volume and the number of substrates inside the chamber, the consumption of precursors, technical gases, and electricity also varies. To the authors' knowledge, there are no reports of reactors with a reaction chamber of variable geometry and therefore variable volume/capacity.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji komory reakcyjnej urządzenia ALD, która pozwoliłaby na dostosowanie jej objętości/pojemności do aktualnych potrzeb. Potrzeb wynikających z gabarytów oraz ilości podłoży, na których proces będzie prowadzony, pozwalając w ten sposób zaoszczędzić zarówno zużycie energii elektrycznej, jak i materiałów eksploatacyjnych.The aim of the invention is to develop a design for the ALD device's reaction chamber that would allow its volume/capacity to be adapted to current needs, resulting from the dimensions and number of substrates on which the process will be conducted, thus enabling savings in both electricity consumption and consumables.

Komora reakcyjna reaktora ALD według wynalazku ma część wejściową, z podłączeniami prekursorów i gazów technicznych oraz część wyjściową z odprowadzeniami gazów poprocesowych do układu pompowego. W komorze tej pomiędzy częścią wejściową a częścią wyjściową znajduje się co najmniej jeden wymienny moduł zwiększający długość komory, a tym samym objętość roboczą reaktora ALD. Część wejściowa komory i/lub część wyjściowa komory posiada drzwi umożliwiające załadunek komory. Natomiast wymienny moduł może być zaopatrzony w czujnik ciśnienia, w czujnik temperatury a także w zewnętrzny lub wbudowany grzejnik i/lub ekran termiczny.The ALD reactor's reaction chamber, according to the invention, comprises an inlet section with connections for precursors and technical gases, and an outlet section with discharges for post-process gases to the pumping system. This chamber, between the inlet and outlet sections, contains at least one replaceable module that increases the chamber's length and, consequently, the working volume of the ALD reactor. The inlet section and/or the outlet section have a door enabling chamber loading. The replaceable module may also be equipped with a pressure sensor, a temperature sensor, and an external or built-in heater and/or thermal shield.

Wynalazek zostanie zaprezentowany na trzech przykładach wykonania pokazanych na rysunku. Na Fig. 1a rysunku pokazano przekrój wzdłużny komory reakcyjnej z przykładu pierwszego, w którym część technologiczna składa się z dwóch modułów. Natomiast na Fig. 1b pokazany jest przekrój poprzeczny jednego z wymiennych modułów komory. Na Fig. 2a rysunku pokazano przekrój wzdłużny komory reakcyjnej z przykładu drugiego, w którym część technologiczna składa się z jednego wymiennego modułu. Natomiast na Fig. 2b pokazany jest przekrój poprzeczny wymiennego modułu tej komory. Na Fig. 3a rysunku pokazano przekrój wzdłużny komory reakcyjnej z przykładu trzeciego, w którym część technologiczna składa się z trzech modułów wymiennych. Natomiast na Fig. 3b pokazany jest przekrój poprzeczny jednego z trzech modułów tej komory.The invention will be presented in three embodiments shown in the drawing. Fig. 1a shows a longitudinal cross-section of the reaction chamber from the first example, in which the technological part consists of two modules. Fig. 1b shows a cross-section of one of the chamber's replaceable modules. Fig. 2a shows a longitudinal cross-section of the reaction chamber from the second example, in which the technological part consists of one replaceable module. Fig. 2b shows a cross-section of the replaceable module of this chamber. Fig. 3a shows a longitudinal cross-section of the reaction chamber from the third example, in which the technological part consists of three replaceable modules. Fig. 3b shows a cross-section of one of the three modules of this chamber.

Komora reakcyjna reaktora ALD według wynalazku posiada dwie główne części. Pierwsza część jest częścią wejściową i zawiera podłączenia prekursorów i gazów technicznych jest „początkiem komory”, z której podawane są prekursory i gaz obojętny używany do przedmuchiwania komory. Część ta na ogół jest połączona z kolektorem równomiernie rozprowadzającym wewnątrz komory gaz. Druga cześć jest częścią wyjściową i w niej znajdują się odprowadzenia gazów poprocesowych do układu pompowego. Część wyjściowa jest „końcem komory” reakcyjnej. W rozwiązaniu według wynalazku, pomiędzy częścią wejściową a częścią wyjściową znajduje się co najmniej, jeden wymienny moduł połączony próżnioszczelnie zarówno z pierwszą jak i z drugą częścią komory. Tak zmieniona konstrukcja sprawia, że objętość/pojemność komory nie jest parametrem sztywnym ale może być zmieniana w zależności od aktualnych potrzeb technologicznych a tym samym sprawia, że proces może być bardziej ekonomiczny (oszczędny). Zwiększenie bądź zmniejszenie objętości komory reakcyjnej realizowane jest więc przez wprowadzenie do środkowej części komory modułu lub modułów lub ich usunięcie, przy czym moduły te nie muszą być identyczne.The reaction chamber of the ALD reactor according to the invention has two main parts. The first part is the inlet and contains connections for precursors and technical gases. It is the "beginning of the chamber," from which the precursors and inert gas used to purge the chamber are fed. This part is generally connected to a manifold that evenly distributes the gas inside the chamber. The second part is the outlet and contains the outlets for post-process gases to the pumping system. The outlet part is the "end of the reaction chamber." In the solution according to the invention, between the inlet and outlet parts is at least one replaceable module, connected vacuum-tight to both the first and second parts of the chamber. This modified design means that the chamber volume/capacity is not a fixed parameter but can be changed depending on current technological needs, thus making the process more economical. The increase or decrease in the volume of the reaction chamber is achieved by inserting a module or modules into the central part of the chamber or by removing them, although these modules do not have to be identical.

W pierwszym przykładzie komora reakcyjna ma kształt prostopadłościanu i składa się z części wejściowej 1 oraz z części wyjściowej 6, pomiędzy którymi znajduje się umownie określona część środkowa zawierająca dwa wymienne moduły 4 i 5. Moduł 4 połączony jest z częścią wejściową oraz z modułem 5 za pomocą połączenia próżnioszczelnego. Podobnie moduł 5 połączony jest z modułem 4 oraz z częścią wyjściową 6 za pomocą takiego samego połączenia. Część wejściowa 1, komory jest wyposażona w drzwi 2, w które wbudowany jest kolektor 3 równomiernie rozprowadzający gaz w komorze i od tej strony odbywa się załadunek komory to znaczy wprowadza się do komory podłoża podlegające procesowi osadzania. Natomiast część wyjściowa 6 komory, wyposażona jest w wyjście 7 do układu pompowego. Oprócz tego, że wszystkie cztery elementy komory 1, 4, 5, 6 połączone są ze sobą za pomocą próżnioszczelnych połączeń to każdy z tych elementów wyposażony jest w ekrany termiczne 8 i grzejniki 9 umieszczone między ścianą 12 komory a obudową 13 komory. Ponadto wszystkie cztery elementy komory 1, 4, 5, 6 wyposażone są w czujniki temperatury 11, a elementy 1 i 6 posiadają czujniki ciśnienia 10 umieszczone w pobliżu ściany12 komory. Wydłużenie komory reakcyjnej poprzez dodanie elementów 4 i 5 pozwoliło na maksymalne wykorzystanie jej objętości/pojemności, to znaczy że proces osadzania mógł być prowadzony na znacznie dłuższych podłożach niż byłoby to możliwe w komorze o standardowej konstrukcji proponowanej przez różnych producentów. Ponadto modułowy charakter części technologicznej czyli wykonanie np. zunifikowanych modułów pozwala na łatwy montaż i demontaż komory reakcyjnej. Natomiast prostopadłościenny kształt komory, pozwala na maksymalne wykorzystanie objętości tej komory.In the first example, the reaction chamber is cuboid-shaped and consists of an input section 1 and an output section 6, between which there is a conventionally defined central section containing two interchangeable modules 4 and 5. Module 4 is connected to the input section and to module 5 via a vacuum-tight connection. Similarly, module 5 is connected to module 4 and to output section 6 via the same connection. The input section 1 of the chamber is equipped with a door 2, which contains a built-in manifold 3 that evenly distributes the gas within the chamber. This is where the chamber is loaded, i.e., the substrates undergoing the deposition process are introduced into the chamber. The output section 6 of the chamber is equipped with an outlet 7 for the pump system. In addition to the fact that all four chamber elements 1, 4, 5, and 6 are connected via vacuum-tight connections, each element is equipped with thermal shields 8 and heaters 9 located between the chamber wall 12 and the chamber housing 13. Furthermore, all four chamber elements 1, 4, 5, and 6 are equipped with temperature sensors 11, and elements 1 and 6 have pressure sensors 10 located near the chamber wall 12. Extending the reaction chamber by adding elements 4 and 5 allowed for maximum utilization of its volume/capacity, meaning the deposition process could be conducted on much longer substrates than would be possible in a standard chamber design offered by various manufacturers. Furthermore, the modular nature of the technological part, i.e., the construction of unified modules, allows for easy assembly and disassembly of the reaction chamber. The chamber's cuboidal shape, on the other hand, allows for maximum utilization of the chamber's volume.

W drugim przykładzie wykonano komorę reakcyjną, która ma kształt walca. Podobnie jak w przykładzie pierwszym w części wejściowej 1 komory znajduje się kolektor 3 rozprowadzający gaz w komorze. Część wyjściowa 6 komory wyposażona jest w drzwi 2, w których znajduje się wyjście 7 do układu pompowego. Pomiędzy częścią wejściową 1 komory a częścią wyjściową 6 komory znajduje się wymienny moduł 4. Wszystkie trzy element komory 1, 4 i 6 komory wyposażone są w ekrany termiczne 8 i grzejniki 9, umieszczone między ścianą 12 komory a jej obudową 13 oraz czujniki temperatury 11 i czujniki ciśnienia 10 umieszczone w komorze, w pobliżu ściany 12. Walcowy kształt komory gwarantuje uzyskanie i zachowanie odpowiedniej wytrzymałości komory próżniowej. Dodatkowy, moduł komory wydłuża jej długość i pozwala na osadzanie warstw na długich podłożach lub na umieszczenie wewnątrz komory znacznie większej ilości podłoży, na których będzie prowadzony proces osadzania warstw.In the second example, a cylindrical reaction chamber was constructed. As in the first example, the entrance section of the chamber 1 contains a manifold 3 that distributes the gas within the chamber. The exit section 6 of the chamber is equipped with a door 2, which houses the outlet 7 to the pump system. A replaceable module 4 is located between the entrance section 1 and the exit section 6 of the chamber. All three chamber elements (1, 4, and 6) are equipped with thermal shields 8 and heaters 9, placed between the chamber wall 12 and its housing 13, as well as temperature sensors 11 and pressure sensors 10 placed within the chamber, near the wall 12. The cylindrical shape of the chamber ensures that the appropriate vacuum chamber strength is achieved and maintained. An additional chamber module extends its length and allows for the deposition of layers on long substrates or the placement of a significantly larger number of substrates inside the chamber for the deposition process.

W trzecim przykładzie wykonano komorę reakcyjną, której obudowa 13 od zewnątrz ma kształt walca, natomiast ściany 12 komory mają kształt prostopadłościanu. Zarówno część wejściowa 1 jak i część wyjściowa 6 komory jest wyposażona drzwi 2. W części wyjściowej 6 znajduje się wyjście 7 do układu pompowego. Między częścią wejściową 1 a częścią wyjściową 6 znajdują się trzy wymienne moduły 4, 5, 14 wydłużające część technologiczną komory, przy czym moduły te nie są identyczne. Różnią się szerokością. Moduł 14 jest o połowę węższy niż moduły 4 i 5, których szerokość jest taka sama. W tej konstrukcji załadunek komory możliwy jest z obu stron, zarówno od strony wejściowej jak i od strony wyjściowej. Czujniki ciśnienia 10 oraz czujniki temperatury 11 znajdują się jedynie w części wejściowej i w części wyjściowej komory. Elementy modułowe 4, 5, 14 nie posiadają w tym przypadku wbudowanych grzejników, ponieważ grzanie odbywa się za pomocą dodatkowej, zewnętrznej taśmy grzewczej 15 owiniętej wokół obudowy 13 poszczególnych modułów.In the third example, a reaction chamber was constructed whose external housing 13 is cylindrical, while the chamber walls 12 are cuboid. Both the entrance section 1 and the exit section 6 of the chamber are equipped with a door 2. The exit section 6 contains an outlet 7 for the pump system. Between the entrance section 1 and the exit section 6, there are three interchangeable modules 4, 5, and 14 extending the technological section of the chamber. These modules are not identical. They differ in width. Module 14 is half as wide as modules 4 and 5, which are the same width. In this design, the chamber can be loaded from both the entrance and exit sides. Pressure sensors 10 and temperature sensors 11 are located only in the entrance and exit sections of the chamber. In this case, the modular elements 4, 5, 14 do not have built-in heaters, because the heating is performed by means of an additional, external heating tape 15 wrapped around the housing 13 of the individual modules.

Claims

Patent claims

1. A reaction chamber of an ALD reactor, comprising an input part with connections for precursors and technical gases and an output part with discharges of post-process gases to a pumping system, characterized in that between the input part (1) and the output part (6) there is at least one replaceable module (4) increasing the length of the chamber and thus the working volume of the ALD reactor.

2. A chamber according to claim 1, characterized in that the entrance part (1) of the chamber and/or the exit part (6) of the chamber have a door enabling its loading.

3. A chamber according to claim 1, characterized in that the replaceable module is provided with a pressure sensor (10), a temperature sensor (11) and an external or built-in heater (9) and/or a thermal screen (8).