RU204415U1

RU204415U1 - DEVICE FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION

Info

Publication number: RU204415U1
Application number: RU2020141816U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Кузьмичев
Original assignee: Дмитрий Сергеевич Кузьмичев
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-05-24

Abstract

Полезная модель относится к устройству атомно-слоевого осаждения покрытия на поверхность образца с фотостимуляцией химических реакций. Устройство атомно-слоевого осаждения содержит реактор с нагревателем и оптическим модулем, связанные с реактором подающую линию реагента и линию откачки реагента, внутри реактора расположено устройство для перемещения образца, причем оптический модуль включает источник электромагнитного излучения, оптическую систему, состоящую из оптического элемента и микроэлектромеханической системы микрозеркал. Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения трудоемкости при эксплуатации, повышения качества покрытия на образце, повышения точности нанесения покрытия (рисунка) и расширения его функциональных возможностей, а также возможности управления физико-химическими характеристиками наносимого материала.The utility model relates to a device for atomic-layer deposition of a coating on a sample surface with photostimulation of chemical reactions. The atomic-layer deposition device contains a reactor with a heater and an optical module, a reagent feed line and a reagent pumping line connected to the reactor, a device for moving the sample is located inside the reactor, and the optical module includes a source of electromagnetic radiation, an optical system consisting of an optical element and a microelectromechanical system micromirrors. The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to increase the operational characteristics of the device by reducing the labor intensity during operation, improving the quality of the coating on the sample, increasing the accuracy of coating (drawing) and expanding its functionality, as well as the ability to control physicochemical characteristics applied material.

Description

Полезная модель относится к устройству атомно-слоевого осаждения покрытия на поверхность образца с фотостимуляцией химических реакций.The utility model relates to a device for atomic-layer deposition of a coating on a sample surface with photostimulation of chemical reactions.

Технология атомно-слоевого осаждения (АСО), реализуемая в заявленной полезной модели - это технология, которая использует принцип молекулярного сбора материалов из газовой фазы. Рост слоев материала в АСО состоит из таких характерных четырех этапов, которые циклически повторяются:Atomic layer deposition (ALD) technology, implemented in the claimed utility model, is a technology that uses the principle of molecular collection of materials from the gas phase. The growth of layers of material in ALS consists of such characteristic four stages, which are cyclically repeated:

1. Действие первого прекурсора (Химического реагента А) на поверхность образца (подложки) (хемосорбция реагента А на поверхности образца),1. The action of the first precursor (Chemical reagent A) on the surface of the sample (substrate) (chemisorption of reagent A on the surface of the sample),

2. Удаление из реактора непрореагировавших прекурсоров и газообразных продуктов реакции (продувка), 2. Removal of unreacted precursors and gaseous reaction products from the reactor (purging),

3. Действие второго прекурсора (Химического реагента B), вступающего в химическую реакцию с первым прекурсором на поверхности образца с образованием слоя искомого соединения (химического покрытия) или другая обработка поверхности подложки с нанесенным на нее первым прекурсором для ее активирования перед повторным применением первого прекурсора (повторной обработкой поверхности первым прекурсором, 3. The action of the second precursor (Chemical B), which enters into a chemical reaction with the first precursor on the surface of the sample to form a layer of the desired compound (chemical coating) or another treatment of the surface of the substrate with the first precursor deposited on it to activate it before reusing the first precursor ( re-treating the surface with the first precursor,

4. Удаление из реактора остатков реагентов.4. Removal of residual reagents from the reactor.

Обычно процесс роста химического покрытия С (=A+B) происходит в реакторе под действием температуры (80-500°С), которая поддерживается нагревателем. Очередность напуска прекурсоров регулируется управляющими отсекающими клапанами (ALD-клапан, Atomic-Layer-Deposition – Атомно-Слоевое Осаждение). Прекурсоры в реактор переносятся с помощью газа-носителя.Usually, the growth process of the chemical coating C (= A + B) occurs in the reactor under the influence of the temperature (80-500 ° C), which is maintained by the heater. The sequence of precursors inlet is regulated by control shut-off valves (ALD valve, Atomic-Layer-Deposition). The precursors are transferred to the reactor using a carrier gas.

Из уровня техники известно устройство для получения пленочных покрытий (патент РФ №2316612, 10.02.2008). Покрытия получают лазерной абляцией поверхности мишени с образованием струи частиц, направленной на подложку. Устройство содержит лазер, подложку для нанесения покрытия, выполненную с возможностью вращения, мишень. Для осуществления лазерной абляции поверхности мишени излучение 1 лазера фокусируется в фокусе 2 вблизи поверхности мишени 3, то есть мишень 3 устанавливают со смещение по оси, совпадающей с направлением излучения, и по оси, перпендикулярной первой оси, и выполняют лазерную абляцию поверхности мишени 3 для создания струи 4 частиц испаряемого материала. Постепенно мишень 3 подается в зону осаждения (по мере расходования материала мишени). Известное устройство имеет недостатки, обусловленные механизмом нанесения слоя, основанном на методе абляции: невозможность локального осаждения покрытия, невозможность создания рисунка осаждения и его выбора.A device for producing film coatings is known from the prior art (RF patent No. 2316612, 10.02.2008). The coatings are obtained by laser ablation of the target surface with the formation of a jet of particles directed to the substrate. The device contains a laser, a substrate for coating, made with the possibility of rotation, a target. To implement laser ablation of the target surface, laser radiation 1 is focused in focus 2 near the surface of target 3, that is, target 3 is set with a displacement along the axis coinciding with the direction of radiation and along an axis perpendicular to the first axis, and laser ablation of the target surface 3 is performed to create jets of 4 particles of evaporated material. Gradually, target 3 is fed into the deposition zone (as the target material is consumed). The known device has disadvantages due to the layer deposition mechanism based on the ablation method: the impossibility of local deposition of the coating, the impossibility of creating a deposition pattern and its selection.

В качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели можно принять устройство атомно-слоевого осаждения покрытия на поверхность подложки, содержащее реакционную камеру, источник электромагнитного излучения (источник фотонов: УФ лампу, светодиодную лампу или, например, источник рентгеновского излучения, источник лазерного излучения или источник инфракрасного излучения), оптическую систему (линзу), экран (маска). Устройство для атомно-слоевого осаждения позволяет реализовать фотохимические реакции в установках атомно-слоевого осаждения (АСО) (патент РФ №2702669, 25.11.2015). Рост слоя происходит только на тех участках поверхности основы, на которых с помощью линзы 855 сфокусирован рисунок, образуемый маской 850. Таким образом, устройство функционирует как ALD (Atomic Layer Deposition – атомно-слоевое осаждение) принтер. Фотоны воздействуют на выбранный участок поверхности основы, который освещается лазером, и соответственно рост в период активации происходит только на выбранном участке. Недостатком ближайшего аналога является то, что для создания рисунка (в зависимости от его сложности) может потребоваться сканирование подложки пучком фотонов ограниченного размера за счет перемещения основы, источника, лазерного луча, что увеличивает время осаждения покрытия (повышается трудоемкость процесса нанесения покрытия). Использование маски-экрана для создания рисунка на подложке уменьшает гибкость в выборе рисунка осаждения, то есть, одна и та же маска не может использоваться для получения на поверхности различных рисунков. В результате увеличивается время нанесения слоя на несколько подложек с разными рисунками (повышается трудоемкость процесса в целом) и снижаются функциональные возможности устройства.As the closest analogue of the claimed utility model, you can take a device for atomic-layer deposition of a coating on the surface of a substrate, containing a reaction chamber, a source of electromagnetic radiation (photon source: UV lamp, LED lamp or, for example, an X-ray source, a laser source or an infrared source radiation), optical system (lens), screen (mask). The device for atomic-layer deposition makes it possible to implement photochemical reactions in atomic-layer deposition (ALD) installations (RF patent No. 2702669, 25.11.2015). The layer grows only in those areas of the substrate surface on which the pattern formed by the mask 850 is focused using the lens 855. Thus, the device functions as an ALD (Atomic Layer Deposition) printer. Photons act on a selected area of the base surface, which is illuminated by a laser, and, accordingly, growth during the activation period occurs only in the selected area. The disadvantage of the closest analogue is that to create a pattern (depending on its complexity), it may be necessary to scan the substrate with a photon beam of a limited size by moving the base, source, laser beam, which increases the deposition time of the coating (the laboriousness of the coating process increases). Using a screen mask to create a pattern on a substrate reduces the flexibility in choosing a deposition pattern, that is, the same mask cannot be used to produce different patterns on the surface. As a result, the time for applying the layer to several substrates with different patterns increases (the labor intensity of the process as a whole increases) and the functionality of the device decreases.

Техническая проблема, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в разработке конструкции устройства атомно-слоевого осаждения (устройство АСО) материала на поверхность образца с фотостимуляцией химических реакций, обеспечивающего возможность получения покрытия на образце требуемой толщины и локального осаждения материала на образце для создания любого рисунка осаждения с возможностью его широкого выбора при снижении трудоемкости.The technical problem to be solved by the proposed utility model consists in the development of the design of a device for atomic layer deposition (ALD device) of a material on the surface of a sample with photostimulation of chemical reactions, which makes it possible to obtain a coating on a sample of the required thickness and local deposition of material on a sample to create any pattern of deposition with the possibility of its wide choice while reducing labor intensity.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения трудоемкости при эксплуатации, повышения качества покрытия на образце, повышения точности нанесения покрытия (рисунка) и расширения его функциональных возможностей, а также возможности управления физико-химическими характеристиками наносимого материала.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to increase the operational characteristics of the device by reducing labor intensity during operation, improving the quality of the coating on the sample, increasing the accuracy of coating (drawing) and expanding its functionality, as well as the ability to control physicochemical characteristics applied material.

Указанный технический результат достигается в устройстве атомно-слоевого осаждения, содержащем реактор с нагревателем и оптическим модулем, связанные с реактором подающую линию реагента и линию откачки реагента, внутри реактора расположено устройство для перемещения образца, причем оптический модуль включает источник электромагнитного излучения, оптическую систему, состоящую из оптического элемента и микроэлектромеханической системы микрозеркал.The specified technical result is achieved in an atomic-layer deposition device containing a reactor with a heater and an optical module, a reagent feed line and a reagent pumping line connected to the reactor, a device for moving the sample is located inside the reactor, and the optical module includes a source of electromagnetic radiation, an optical system consisting of from an optical element and a microelectromechanical system of micromirrors.

Устройство перемещения подложки может быть выполнено с возможностью вращения, горизонтального и вертикального перемещения образца.The device for moving the substrate can be made with the possibility of rotation, horizontal and vertical movement of the sample.

Также, устройство атомно-слоевого осаждения может быть выполнено с возможностью изменения геометрии области освещения (наносимого покрытия) в ходе процесса осаждения за счет изменения взаимного расположения элементов оптического модуля без выгрузки образца из установки.Also, the atomic layer deposition device can be configured to change the geometry of the illumination region (applied coating) during the deposition process by changing the relative position of the elements of the optical module without unloading the sample from the installation.

Устройство атомно-слоевого осаждения позволяет изменять свойства наносимого покрытия: показатели преломления, пропускания, поглощения, проводимость, диэлектрическую проницаемость в ходе процесса осаждения за счет изменения спектрального состава излучения без выгрузки образца из установки. Изменение спектрального состава излучения падающего на образец может быть произведено через использование иного источника излучения или, например, поворота оптического элемента с помощью шаговых, линейных, пьезоэлектрических двигателей. Таким образом, длину волн меняют с помощью оптического элемента, чтобы получить один слой с одними характеристиками, а другой – с другими.The atomic-layer deposition device allows you to change the properties of the applied coating: refractive indices, transmission, absorption, conductivity, dielectric constant during the deposition process by changing the spectral composition of radiation without unloading the sample from the installation. The change in the spectral composition of the radiation incident on the sample can be made through the use of another radiation source or, for example, by rotating the optical element using step, linear, piezoelectric motors. Thus, the wavelength is changed using an optical element in order to obtain one layer with some characteristics, and the other with others.

Оптическая система может также включать несколько оптических элементов.The optical system can also include several optical elements.

Под образцом понимается любой твердый материал (например, пластина кремния или OLED матрица и др.), ткань или другое изделие, которое может быть использовано для нанесения на его поверхность покрытия. A sample is understood as any solid material (for example, a silicon wafer or OLED matrix, etc.), fabric or other product that can be used to apply a coating to its surface.

Устройство перемещения образца выполнено с возможностью как горизонтального и вертикального перемещения образца, так и его вращения для возможности нанесения покрытия методом фото-АСО на образцах со сложным и 3D-рельефом, а также для возможности нанесения покрытия локально, на различные области образца за счет поворота образца. Устройство для перемещения образца представляет собой держатель с электроприводами которые позволяют перемещать держатель в пространстве. Держатель обеспечивает возможность фиксации образца.The device for moving the sample is made with the possibility of both horizontal and vertical movement of the sample, and its rotation for the possibility of applying a coating by the photo-ALS method on samples with a complex and 3D relief, as well as for the possibility of applying a coating locally, on different areas of the sample by rotating the sample ... The device for moving the sample is a holder with electric drives that allow you to move the holder in space. The holder provides the ability to fix the sample.

Оптический модуль в качестве его элементов содержит источник электромагнитного излучения и оптическую систему. The optical module contains an electromagnetic radiation source and an optical system as its elements.

Оптический модуль в установке атомно-слоевого осаждения служит для активации химических реакций.The optical module in an atomic layer deposition unit serves to activate chemical reactions.

Элементы оптического модуля расположены таким образом, что источник электромагнитного излучения обеспечивает подачу излучения в последовательно расположенные оптический элемент (или оптические элементы) и микроэлектромеханическую систему микрозеркал оптической системы.The elements of the optical module are arranged in such a way that the source of electromagnetic radiation supplies radiation to the sequentially located optical element (or optical elements) and the microelectromechanical system of micromirrors of the optical system.

Оптическим модуль может быть установлен внутри реактора устройства для атомно-слоевого осаждения или снаружи реактора, например, на его крышке, в которой имеется отверстие, закрытое стеклом для пропускания излучения, необходимого для осуществления химической реакции, внутрь реактора.The optical module can be installed inside the reactor of an atomic-layer deposition device or outside the reactor, for example, on its lid, in which there is an opening closed by glass for the passage of radiation necessary for carrying out a chemical reaction inside the reactor.

Источником электромагнитного излучения может являться любой объект, генерирующий электромагнитное излучение (лампа, лазер и т.д.). Электромагнитное излучение из источника попадает в оптическую систему. В оптической системе формируется необходимое направление, форма, интенсивность и спектральный состав электромагнитного излучения, которое передается внутрь установки атомно-слоевого осаждения. Диапазон излучения, падающего на образец, также может быть изменен за счет использования иного источника излучения или изменения взаимного расположения элемента оптической системы, например, поворота призмы. Any object generating electromagnetic radiation (lamp, laser, etc.) can be a source of electromagnetic radiation. Electromagnetic radiation from the source enters the optical system. In the optical system, the required direction, shape, intensity and spectral composition of electromagnetic radiation is formed, which is transmitted to the interior of the atomic-layer deposition facility. The range of radiation incident on the sample can also be changed by using a different radiation source or by changing the relative position of an element of the optical system, for example, by rotating a prism.

В качестве оптических элементов могут использоваться зеркала, призмы, поляризаторы, дифракционные элементы, светофильтры или их комбинация.Mirrors, prisms, polarizers, diffractive elements, light filters, or a combination of these can be used as optical elements.

Указанные оптические элементы позволяют варьировать длину волны и интенсивность излучения, попадающего на образец. Это позволит реализовывать на поверхности образца химические реакции различного типа (например, локальной термоактивации), а также управлять скоростью протекания реакции. Кроме того, оптические элементы позволяют выборочно исключать из спектра излучения, падающего на поверхность образца, определенные длины волн. Это позволит уменьшить число нежелательных реакций в ходе процесса осаждения и, как следствие, исключить образование побочных продуктов реакции. В результате при использовании заявленной полезной модели снижается количество нежелательных примесей и улучшается чистота материала, повышается прочность покрытия и его качество в целом. These optical elements make it possible to vary the wavelength and intensity of the radiation incident on the sample. This will make it possible to implement various types of chemical reactions on the sample surface (for example, local thermal activation), as well as to control the reaction rate. In addition, optical elements make it possible to selectively exclude certain wavelengths from the spectrum of radiation incident on the sample surface. This will reduce the number of undesirable reactions during the precipitation process and, as a result, eliminate the formation of reaction by-products. As a result, when using the claimed utility model, the amount of undesirable impurities is reduced and the purity of the material is improved, the strength of the coating and its quality as a whole are increased.

Кроме того, возможность исключения из спектра излучения, падающего на поверхность образца, определенных длин волн, стимулирующих протекание побочных реакций, позволяет существенно ускорить процесс образования слоев однородного материала покрытия, уменьшить количество нежелательных примесей в материале и, следовательно, снизить трудоемкость при эксплуатации устройства и улучшить чистоту и качество получаемого покрытия, соответственно.In addition, the possibility of excluding from the spectrum of radiation incident on the surface of the sample, certain wavelengths that stimulate the occurrence of side reactions, can significantly accelerate the formation of layers of a homogeneous coating material, reduce the amount of undesirable impurities in the material and, consequently, reduce labor intensity during the operation of the device and improve the purity and quality of the resulting coating, respectively.

Таким образом, снижение трудоемкости при эксплуатации устройства с ускорением процесса образования слоев на поверхности образца, реализация на поверхности образца химических реакций различного типа, повышение качества покрытия обеспечивают повышение эксплуатационных характеристик установки атомно-слоевого осаждения.Thus, a decrease in labor intensity during the operation of the device with an acceleration of the process of formation of layers on the surface of the sample, the implementation of chemical reactions of various types on the surface of the sample, and an increase in the quality of the coating provide an increase in the operational characteristics of the atomic-layer deposition unit.

Изменение относительного расположения элементов оптического модуля (например, за счет шаговых, линейных или пьезоэлектрических двигателей) позволяет изменять направление и интенсивность излучения, выходящего из модуля, непосредственно в ходе процесса АСО и, как следствие, изменять область осаждения и ее рисунок (форму засветки) по ходу процесса, не вынимая образец из установки, что дополнительно упрощает (снижает трудоемкость) процесс получения локального покрытия, повышает точность воспроизведения формы покрытия и приводит к повышению эксплуатационных характеристик устройства. Changing the relative position of the elements of the optical module (for example, due to stepping, linear or piezoelectric motors) allows you to change the direction and intensity of radiation coming out of the module directly during the AFR process and, as a consequence, change the deposition region and its pattern (illumination shape) according to during the process, without removing the sample from the installation, which further simplifies (reduces labor intensity) the process of obtaining a local coating, increases the accuracy of reproducing the shape of the coating and leads to an increase in the operational characteristics of the device.

Таким образом, выполнение устройства с оптическим модулем, включающим источник электромагнитного излучения, оптическую систему, состоящую из оптического элемента и микроэлектромеханической системы микрозеркал, позволяет создавать рисунки любой сложности при использовании метода АСО.Thus, the implementation of the device with an optical module, including a source of electromagnetic radiation, an optical system consisting of an optical element and a microelectromechanical system of micromirrors, allows you to create drawings of any complexity when using the AFR method.

Система микрозеркал и оптические элементы могут быть выполнены с возможностью вращения, горизонтального и вертикального перемещения, что также обеспечивает возможность легкого изменения направления излучения от источника излучения в нужную область образца, что дополнительно позволяет упростить процесс получения локального покрытия любой формы (снизить трудоемкость процесса) и повысить точность воспроизведения формы покрытия с повышением эксплуатационных характеристик устройства (установки АСО). The system of micromirrors and optical elements can be made with the possibility of rotation, horizontal and vertical movement, which also makes it possible to easily change the direction of radiation from the radiation source to the desired area of the sample, which additionally makes it possible to simplify the process of obtaining a local coating of any shape (reduce the labor intensity of the process) and increase accuracy of reproduction of the shape of the coating with an increase in the operational characteristics of the device (ASO installation)

Микроэлектромеханическая система микрозеркал представляет собой микроразмерные зеркала, которые производятся на DMD-кристалле и активируются электростатическими, пьезоэлектрическими, тепловыми, магнитными (электромагнитными) средствами и предназначены для направления и/или сканирования светового луча. DMD-кристалл (матрица высокой точности, осуществляющая цифровое преобразование света) по сути представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой (точнее, ее содержимое) определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал (микрозеркала, например, могут иметь размер ок. 16×16 мкм). Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающихся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала. С помощью массива микроскопических зеркал формируется луч, причем каждое такое зеркало соответствует одному пикселу света в проецируемом изображении. Таким образом, меняя положения зеркал возможно точное и четкое проецирование любого изображения на поверхность образца (то есть получения покрытия любой формы), что приводит к расширению функциональных возможностей устройства АСО и повышению его эксплуатационных характеристик. Микроэлектромеханическую систему микрозеркал подключают к компьютеру. Посредством компьютера возможно управление микроэлектромеханической системой микрозеркал, с направлением команд для проецирования микрозеркалами выбранного изображения. Применение в патентуемом устройстве микроэлектромеханической системы микрозеркал, выполненной с возможностью управления зеркалами с помощью компьютера, позволяет достаточно быстро изменять проецируемое на образец изображение, что существенно упрощает и ускоряет сам процесс атомно-слоевого осаждения материала на образце. The microelectromechanical system of micromirrors is a micro-sized mirrors that are produced on a DMD crystal and are activated by electrostatic, piezoelectric, thermal, magnetic (electromagnetic) means and are designed to direct and / or scan a light beam. A DMD crystal (a high-precision matrix that digitally transforms light) is essentially a semiconductor chip of static random access memory (SRAM), each cell of which (more precisely, its contents) determines the position of one of many (from several hundred thousand to a million or more) placed on the surface of the substrate micromirrors (micromirrors, for example, can have a size of approx. 16 × 16 microns). Like the control memory cell, the micromirror has two states, which differ in the direction of rotation of the mirror plane around the axis passing along the diagonal of the mirror. An array of microscopic mirrors is used to form a beam, with each mirror corresponding to one pixel of light in the projected image. Thus, by changing the position of the mirrors, it is possible to accurately and clearly project any image onto the surface of the sample (that is, to obtain a coating of any shape), which leads to an expansion of the functionality of the ARC device and an increase in its operational characteristics. The microelectromechanical system of micromirrors is connected to a computer. By means of a computer, it is possible to control the microelectromechanical system of micromirrors, with the direction of commands for the projection of the selected image by the micromirrors. The use in the patented device of a microelectromechanical system of micromirrors, made with the possibility of controlling the mirrors using a computer, makes it possible to quickly change the image projected onto the sample, which greatly simplifies and accelerates the process of atomic-layer deposition of the material on the sample.

В сочетании с цифровым сигналом, источником света и проекционным объективом эти зеркала обеспечивают самое высокое качество воспроизведения графических изображений. Combined with a digital signal, light source and projection lens, these mirrors provide the highest quality graphic reproduction.

Таким образом, благодаря наличию микроэлектромеханической системы микрозеркал в составе устройства для АСО возможно получение покрытий любой формы (любых рисунков) на образце, при этом отсутствует необходимость в наличии нескольких экранов (масок) для получения различных рисунков и замене одного экрана (маски) на другую для формирования на образце другой формы покрытия. В связи с этим, наличие микроэлектромеханической системы позволяет существенно ускорить и упростить процесс получения покрытий различной формы на образце, что, следовательно, снижает трудоемкость при эксплуатации устройства и приводит к повышению эксплуатационных характеристик устройства АСО.Thus, due to the presence of a microelectromechanical system of micromirrors in the structure of the device for ASO, it is possible to obtain coatings of any shape (any patterns) on the sample, while there is no need for several screens (masks) to obtain various patterns and replacing one screen (mask) with another for forming a different form of coating on the sample. In this regard, the presence of a microelectromechanical system makes it possible to significantly speed up and simplify the process of obtaining coatings of various shapes on a sample, which, consequently, reduces the labor intensity during the operation of the device and leads to an increase in the operational characteristics of the ASO device.

Реактор может быть соединен с двумя подающими линиями для двух различных прекурсоров, что дополнительно расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения возможности реализации больших вариантов схем обработки поверхности образца для формирования покрытия.The reactor can be connected to two feed lines for two different precursors, which additionally expands the functionality of the device by providing the possibility of implementing large variants of schemes for processing the surface of the sample to form a coating.

Патентуемое устройство выполнено с возможностью поочередной подачи в реактор реагентов для проведения химической реакции. При этом, после подачи в реактор одного реагента и проведения реакции с поверхностью подложки или закрепленным (в результате хемосорбции) на поверхности подложки другим реагентом, осуществляется продувка реактора для удаления из реактора непрореагировавших реагентов и газообразных продуктов реакции. Только после этого в реактор подают следующий газообразный реагент для проведения новой реакции. Таким образом, в устройстве исключается одновременное присутствие в реакторе паров нескольких реагентов.The device being patented is made with the possibility of alternately supplying reagents to the reactor for carrying out a chemical reaction. In this case, after one reagent is fed into the reactor and the reaction is carried out with the substrate surface or another reagent fixed (as a result of chemisorption) on the substrate surface, the reactor is purged to remove unreacted reagents and gaseous reaction products from the reactor. Only then is the next gaseous reactant fed into the reactor to carry out a new reaction. Thus, the device excludes the simultaneous presence of several reagent vapors in the reactor.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства атомно-слоевого осаждения с образцом, установленном в горизонтальном положении. На фиг. 2 представлен общий вид устройства атомно-слоевого осаждения с образцом, повернутым в вертикальное положение. Фиг. 3 иллюстрирует схему создания локального покрытия на образце с использованием микроэлектромеханической системы микрозеркал. FIG. 1 shows a general view of an atomic layer deposition device with a sample installed in a horizontal position. FIG. 2 shows a general view of an atomic layer deposition device with a sample turned to a vertical position. FIG. 3 illustrates a scheme for creating a local coating on a sample using a microelectromechanical system of micromirrors.

Устройство атомно-слоевого осаждения (далее Устройство) состоит из реактора 1, установленного в корпусе 2 устройства, оптического модуля 3. В реакторе (реакционная камера) 1 установлен нагреватель 8. Подающие линии 4 и 5 входят в реакционную камеру и служат для подачи внутрь нее химических реагентов А (например триметилалюминий) и В (например вода или кислород) из емкостей 7 и 6 с химическим реагентом А и В и одновременно газа-носителя (например, азот или аргон). В подающих линиях 4, 5 установлены управляющие клапаны (ALD-клапаны) 19 и 18 для регулировки подачи реагентов В и А в подающие линии для их транспортировки потоком газа-носителя в реактор 1. Линия откачки 9 входит в реактор 1 и предназначена для отвода непрореагировавших реагентов или продуктов реакции из устройства. The device for atomic layer deposition (hereinafter referred to as the Device) consists of a reactor 1 installed in the housing 2 of the device, an optical module 3. A heater is installed in the reactor (reaction chamber) 1 8. Feed lines 4 and 5 enter the reaction chamber and serve to feed into it chemical reagents A (for example, trimethylaluminum) and B (for example, water or oxygen) from containers 7 and 6 with chemical reagents A and B and at the same time a carrier gas (for example, nitrogen or argon). Control valves (ALD-valves) 19 and 18 are installed in the supply lines 4, 5 to regulate the supply of reagents B and A to the supply lines for their transportation by the carrier gas flow to the reactor 1. The pumping line 9 enters the reactor 1 and is designed to remove unreacted reagents or reaction products from the device.

Образец 23 в виде объемного изделия из кремния или ткани (в качестве тканей могут быть выбраны любые ткани, например, хлопковые или из синтетических волокон) - закреплен на устройстве 21 для перемещения образца внутри реакционной камеры. Устройство 21 для перемещения образца, в свою очередь, закреплено в реакторе 1. На крышке 13 реактора 1 установлен оптический модуль 3. В крышке 13 реактора имеется отверстие (на фигурах не показано). Отверстие закрыто стеклом, которое пропускает излучение, необходимое для химической реакции, внутрь реактора 1. Стекло можно считать еще одним оптическим элементом. Оптический модуль 3 содержит источник электромагнитного излучения 10 и последовательно установленные напротив него оптический элемент(ы) 11 и микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12. После системы микрозеркал могут быть дополнительно установлены оптические элементы, аналогичные 11. Это может быть необходимо для реализации засветки областей с определенным рисунком. Засветка обеспечивает создание локального рисунка для ускорения и упрощения процесса получения покрытий различной формы на образце. Микроэлектромеханическая система микрозеркал 12 представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти, каждая ячейка которой определяет положение каждого из размещенных на поверхности подложки микрозеркал размером ок. 16х16 мкм. Изменение положения каждого микрозеркала обеспечивается за счет электростатических или пьезоэлектрических или тепловых или магнитных (электромагнитных) средств. Микроэлектромеханическая система микрозеркал 12 связана с компьютером (на фигурах не отмечен) для управления положением зеркал. Sample 23 in the form of a bulk product made of silicon or fabric (any fabrics can be selected as fabrics, for example, cotton or synthetic fibers) - is attached to a device 21 for moving the sample inside the reaction chamber. The device 21 for moving the sample, in turn, is fixed in the reactor 1. An optical module 3 is installed on the cover 13 of the reactor 1. There is an opening in the cover 13 of the reactor (not shown in the figures). The hole is covered with glass, which allows the radiation necessary for the chemical reaction to pass into the reactor 1. The glass can be considered another optical element. Optical module 3 contains a source of electromagnetic radiation 10 and sequentially installed opposite it optical element (s) 11 and microelectromechanical system of micromirrors 12. After the system of micromirrors, optical elements similar to 11 can be additionally installed. This may be necessary to implement illumination of areas with a certain pattern. Illumination provides the creation of a local pattern to speed up and simplify the process of obtaining coatings of various shapes on the sample. The microelectromechanical system of micromirrors 12 is a semiconductor microcircuit of static random access memory, each cell of which determines the position of each of the micromirrors placed on the surface of the substrate with a size of approx. 16x16 microns. Changing the position of each micromirror is provided by electrostatic or piezoelectric or thermal or magnetic (electromagnetic) means. The microelectromechanical system of micromirrors 12 is connected to a computer (not marked in the figures) to control the position of the mirrors.

Устройство атомно-слоевого осаждения работает следующим образом.The atomic layer deposition device operates as follows.

Образец 23 для нанесения локальных слоев закрепляется в держателе (на фигуре не показан) устройства для перемещения 21 образца в горизонтальном положении в реакторе 1 установки атомно-слоевого осаждения. Производятся необходимые этапы подготовки установки к началу процесса нанесения покрытия (откачка из реактора газов, попавших из атмосферы, после загрузки образца; продувка пространства реактора инертным газом). Включают нагреватель 8 и устанавливают температуру 60 ºС для проведения фотохимической реакции триметилалюминия и кислорода. Осуществляют стандартный процесс атомно-слоевого осаждения следующим образом.The sample 23 for deposition of local layers is fixed in the holder (not shown in the figure) of the device for moving the sample 21 in a horizontal position in the reactor 1 of the atomic-layer deposition unit. The necessary stages of preparing the installation for the beginning of the coating process are performed (pumping out gases from the reactor that have come from the atmosphere after loading the sample; purging the reactor space with an inert gas). Heater 8 is switched on and the temperature is set to 60 ºС for carrying out the photochemical reaction of trimethyl aluminum and oxygen. A standard atomic layer deposition process is carried out as follows.

Поток газа-носителя пускают по подающей линии 5 в направлении 17, 15 в реактор 1, при этом открывают клапан 18. Поступающий из емкости 7 в подающую линию 5 химический реагент А подхватывается газом-носителем и уносится в реактор 1. Химический реагент А за счет хемосорбции закрепляется на поверхности образца 23, закрепленного в держателе устройства для перемещения 21. Далее удаляют из реактора 1 излишек химического реагента А посредством линии откачки 9. Поток газа-носителя пускают по подающей линии 4 в направлении 16, 14 в реактор 1, при этом открывают клапан 19. Поступающий из емкости 6 в подающую линию 4 химический реагент В подхватывается газом-носителем и уносится в реактор 1. Химический реагент В поступает на поверхность образца 23 и покрывает слой химического реагента А. А и B подобраны таким образом, что могут вступать в химическую реакцию только при дополнительном возбуждении.The carrier gas flow is launched through the supply line 5 in the direction 17, 15 into the reactor 1, while opening the valve 18. The chemical reagent A coming from the container 7 into the supply line 5 is picked up by the carrier gas and carried away into the reactor 1. Chemical reagent A due to chemisorption is fixed on the surface of the sample 23, fixed in the holder of the device for moving 21. Next, the excess of chemical reagent A is removed from the reactor 1 by means of the pumping line 9. The carrier gas flow is introduced through the supply line 4 in the direction 16, 14 into the reactor 1, while opening valve 19. Chemical reagent B coming from tank 6 into supply line 4 is picked up by the carrier gas and carried into reactor 1. Chemical reagent B enters the surface of sample 23 and covers a layer of chemical reagent A. A and B are selected in such a way that they can enter into chemical reaction only with additional excitation.

Включают источник электромагнитного излучения 10. Относительное расположение элементов оптического модуля 3 (источник электромагнитного излучения 10, оптический элемент 11, микроэлектромеханическая система микрозеркал 12) и/или параметров элементов оптического модуля располагают таким образом, чтобы электромагнитное излучение попадало на образец 23 в соответствии с заданным рисунком.Include a source of electromagnetic radiation 10. The relative position of the elements of the optical module 3 (source of electromagnetic radiation 10, optical element 11, microelectromechanical system of micromirrors 12) and / or the parameters of the elements of the optical module are positioned so that electromagnetic radiation hits the sample 23 in accordance with the given pattern ...

Поток электромагнитного излучения поступает в оптический элемент (например, оптическую призму) 11, которая обеспечивает выделение из потока излучения волн с диапазоном длин волн 160-240 нм (для исключения параллельного протекания нежелательных реакций, протекающих вне значений указанного диапазона, с образованием побочных продуктов реакции). Из оптической призмы 11 поток излучения с длиной волны с диапазоном длин волн 160-240 нм поступает в микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12. Предварительно настраивают положение микрозеркал (например, посредством компьютера) в соответствии с выбранным изображением, которое должно быть спроецировано на образец 23. То есть, зеркальная плоскость каждого из микрозеркал повернута таким образом (на такой угол), чтобы спроецировать луч света на образец 23 с образованием заданного изображения (например, вертикальной полосы и квадрата, фиг. 3). А именно, микрозеркала 24 повернуты на угол, чтобы отразить свет на поверхность образца 23 для получения рисунка, а микрозеркала 25 не отражают свет на образец 23. Для этого необходимый рисунок выбирается или создается на программном обеспечении установки. При поступлении потока излучения в микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12 каждое микрозеркало направляем излучение на поверхность образца 23 с находящимися на его поверхности химическими реагентами А и В. Излучение с длиной волны с диапазоном длин волн 160-240 нм стимулирует протекание химической реакции между реагентами А и В на поверхности с образованием слоя оксида алюминия. The flow of electromagnetic radiation enters the optical element (for example, an optical prism) 11, which ensures the separation of waves with a wavelength range of 160-240 nm from the radiation flow (to exclude the parallel occurrence of undesirable reactions occurring outside the values of the specified range, with the formation of reaction by-products) ... From the optical prism 11, the radiation flux with a wavelength with a wavelength range of 160-240 nm enters the microelectromechanical system of micromirrors 12. The position of the micromirrors is pre-adjusted (for example, by means of a computer) in accordance with the selected image, which should be projected onto the sample 23. That is , the mirror plane of each of the micromirrors is rotated in such a way (at such an angle) to project a light beam onto the sample 23 with the formation of a predetermined image (for example, a vertical strip and a square, Fig. 3). Namely, micromirrors 24 are rotated at an angle to reflect light on the surface of the sample 23 to obtain a pattern, and micromirrors 25 do not reflect light on the sample 23. For this, the required pattern is selected or created in the setup software. When a radiation flux enters the microelectromechanical system of micromirrors 12, each micromirror directs radiation to the surface of the sample 23 with chemical reagents A and B on its surface. Radiation with a wavelength with a wavelength range of 160-240 nm stimulates the chemical reaction between reagents A and B on surface with the formation of a layer of aluminum oxide.

Таким образом, в результате процесса АСО исключаются нежелательные длины волн (например, длины волн, запускающие нежелательные химические реакции и вызывающие дополнительный нагрев образца, реализуя термическое АСО, а не фото-АСО что может послужить причиной его порчи), и обеспечивается надежное получение покрытия с сохранением целостности образца.Thus, as a result of the ALD process, unwanted wavelengths are excluded (for example, wavelengths that trigger unwanted chemical reactions and cause additional heating of the sample, realizing thermal ALD, and not photo-ALF, which can cause its deterioration), and provides a reliable coating with maintaining the integrity of the sample.

Далее производят удаление из реактора 1 остатков реагентов и повторяют описанные выше этапы обработки образца 23 для получения дополнительных слоев 22 искомого вещества на его поверхности до получения требуемой толщины слоя. При этом, для нанесения локального слоя на образец с 3D-рельефом меняют положение подложки 21, вращая ее (фиг. 2) с поворотом в вертикальное положение за счет устройства перемещения подложки (на фигуре не показано). В результате достигается нанесение слоя на все стороны образца. После этого из реактора 1 удаляют остатки реагентов.Further, the residual reagents are removed from the reactor 1 and the above-described steps of processing the sample 23 are repeated to obtain additional layers 22 of the desired substance on its surface until the required layer thickness is obtained. In this case, to apply a local layer to a sample with a 3D relief, the position of the substrate 21 is changed by rotating it (Fig. 2) with rotation to a vertical position due to the device for moving the substrate (not shown in the figure). As a result, a layer is deposited on all sides of the sample. After that, the remaining reagents are removed from the reactor 1.

Устройство для атомно-слоевого осаждения может быть использовано в решении проблемы селективного осаждения тонких покрытий без использования травления и литографии, что в свою очередь позволит существенно удешевить производство микро- и наноустройств. Также разработанное устройство с оптическим модулем позволит реализовать фотохимические реакции в установках атомно-слоевого осаждения (АСО), низкая температура которых критически важна для разработки элементов гибкой электроники. Устройство для атомно-слоевого осаждения, оснащенное оптическим модулем с подобным функционалом, функционирует как 3D-принтер для нанопрокрытий и может быть востребовано производителями электронных и оптических компонентов, а также лабораториями, так как предлагаемый продукт может существенно удешевить производство продукции и лабораторных образцов в области нанотехнологий.The device for atomic layer deposition can be used to solve the problem of selective deposition of thin coatings without the use of etching and lithography, which in turn will significantly reduce the cost of manufacturing micro- and nanodevices. Also, the developed device with an optical module will make it possible to implement photochemical reactions in atomic layer deposition (ALD) installations, the low temperature of which is critically important for the development of flexible electronics. A device for atomic layer deposition, equipped with an optical module with similar functionality, functions as a 3D printer for nanocoatings and can be in demand by manufacturers of electronic and optical components, as well as laboratories, since the proposed product can significantly reduce the cost of production of products and laboratory samples in the field of nanotechnology ...

Claims

1. A device for atomic layer deposition, characterized in that it contains a reactor with a heater and an optical module, a reagent feed line and a reagent pumping line connected to the reactor, a device for moving the sample located inside the reactor, and the optical module includes an electromagnetic radiation source and an optical system consisting of an optical element and a microelectromechanical system of micromirrors.

2. The device for atomic-layer deposition according to claim 1, characterized in that the device for moving the substrate is made with the possibility of rotation, horizontal and vertical movement of the sample.

3. The atomic-layer deposition device according to claim 1, characterized in that it is configured to change the geometry of the illumination region of the applied coating during the deposition process by changing the relative position of the elements of the optical module without unloading the sample from the installation.

4. Atomic-layer deposition device according to claim 1, characterized in that it is made with the ability to change the properties of the applied coating: refractive indices, transmission, absorption, conductivity, dielectric constant, during the deposition process by changing the spectral composition of radiation without unloading the sample from installation.