TW201610216A - 把原子層堆疊於基板之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種把原子層堆疊於基板之方法，包括自包含於一鼓輪中之一先質氣體供應器供應一先質氣體；該鼓輪可相關於自一氣源接收氣體之一密封件旋轉。該鼓輪或密封件其中之一包括一個或更多氣體饋送通道，該等通道係與該先質氣體供應器流體連通，及該鼓輪或密封件其中另一個在表面中包括一個或更多環周溝槽，該表面係由該鼓輪或密封件其中一所密封，藉以防止一沿徑向方向流體流動路徑，且留下一環周方向流體流動路徑。至少一密封溝槽設有一個或更多分隔件，以使該密封溝槽中之鄰接製程氣體饋送區帶相分離，如此將容許各區帶提供互不相同之製程氣體組成，以使該先質氣體在譬如基板上之基板附近反應，因此堆疊出具一梯度組成之一疊積原子層。

Description

把原子層堆疊於基板之方法及裝置
本發明係關於一種把原子層、較佳地疊積原子層堆疊於基板之方法，該方法包括自一堆疊頭構成之一先質氣體供應器朝基板供應一先質氣體。本發明亦關於一種把原子層堆疊於基板之裝置，該裝置包括一堆疊頭，該堆疊頭具有朝基板供應一先質氣體之一先質氣體供應器。
已知原子層堆疊為一種堆疊一單層靶材料之方法。原子層堆疊不同於譬如化學汽相堆疊之處在於，原子層堆疊需進行至少二連貫製程步驟(即半循環)。此等自我侷限製程步驟之其中第一個包括施加一先質氣體於一基板表面上。此等自我侷限製程步驟之其中第二個包括該先質材料之反應，以形成該單層靶材料。原子層堆疊具有在無理想層厚度控制下仍可達極佳狀態之優點。然而，原子層實質上較薄。結果，應用原子層堆疊以堆疊出一大於約10奈米之特定厚度的層時，由於需疊積眾多原子層來獲致此一層厚度，因此通常相當費時。
在譬如國際專利案第WO2103022339號中所揭示型式之已知捲對捲(roll-to-roll)解決方案中，不可能堆疊出在厚度方向上具有一組成梯度之膜，然而該組成梯度係將膜整合 至一元件中時，為使電氣、光學及界面特性最佳化所高度需要者。例如，已知可藉由多成份氧化物成長來提供梯度膜，其中該等多成份氧化物係依一指定混合比率，藉空間大氣原子層堆疊而堆疊出。例如，可藉由使用二乙基鋅(DEZ)、三甲基鋁(TMA)及水分別作為鋅(Zn)、鋁(Al)、及氧(O)先質，來堆疊出AlxZn1-xO膜。當將金屬先質(即TMA與DEN)同時注入於堆疊區間中時，可準確地控制Al/(Al+Zn)比率。
本發明之一目的係提供一種堆疊原子層之方法，該方法至少部份地滿足已知方法之一個或更多問題。
為此，本發明提供一種把原子層堆疊於基板之方法，該方法包括自包含於一鼓輪中之一先質氣體供應器供應一先質氣體；該鼓輪可相關於自一氣源接收氣體之一密封件旋轉。該鼓輪或密封件其中之一包括一個或更多氣體氣體饋送通道，該等通道係與該先質氣體供應器流體連通；該鼓輪或密封件其中另一個在表面中包括一個或更多環周溝槽，該表面係由該鼓輪或密封件其中一所密封，藉以防止一沿徑向方向流體流動路徑，且留下一環周方向流體流動路徑。在自該先質氣體供應器朝基板供應該先質氣體期間，該等氣體饋送通道緊靠該等密封溝槽，其中一部份氣體流動路徑係由該等密封溝槽形成。至少一密封溝槽設有一個或更多分隔件，以使該密封溝槽中之鄰接製程氣體饋送區帶相分離，因此容許各區帶提供互不相同之製程氣體組成；及使該先質氣體在譬如基板上之基板附近反應，以藉由沿一旋轉軌跡旋轉該鼓輪且同時供應該先質氣體來 形成一原子層；因此堆疊出具一梯度組成之一疊積原子層。
緣是，提供一種新設計，其中一先質供應溝槽劃分為不同區帶。可藉一既定混合物或單一濃度先質個別地供應每一區帶。可藉一限制件分離該等區帶，該限制件容許先質自該限制件之任一側流入該鼓輪中，但防止該等區帶之間對流混合。該堆疊鼓輪將先質供應至基板，其中(複數個)先質濃度係隨該鼓輪之旋轉角度而變化。
如此，可在使該先質氣體供應器及/或基板連續地運動(譬如旋轉或轉動)的同時，藉由在供應與中斷該先質氣體之間切換，以堆疊出具有一梯度組成變化之一疊積原子層。
在一具體實施例中，該堆疊頭可在供應該先質氣體之同時，朝某一方向連續地旋轉。是以，可避免該先質氣體供應器及/或基板在堆疊該疊積原子層時，依一往復方式運動。如此，可防止該先質頭及/或基板出現隱含於往復運動中之返轉。這將譬如因不存有堆疊頭迴轉點處之接縫，而導致較高之堆疊速率及/或更均勻之原子層堆疊。
在另一具體實施例中，該堆疊頭可在供應該先質氣體之同時，依一往復運動旋轉。例如，該堆疊頭先在供應該先質氣體之同時朝某一方向運動，且接著在供應該先質氣體之同時再朝另一方向運動。本具體實施例之一優點為，堆疊製程之一較高彈性、譬如可需要較少之先質氣體供應器。
基板可為一撓性基板，或一剛性、即非撓性基板。使用撓性基板可與旋轉堆疊頭良好結合。此種撓性基板容許該基板彎曲，這將有助於導引該基板環繞該旋轉堆疊頭。
在一具體實施例中，將該先質氣體供應器成型為沿、或斜交於該堆疊頭之軸向方向延長，其中該先質氣體供應器及/或基板係朝橫交於該旋轉頭運動所界定出軸向方向之一方向運動。此種沿、或斜交於軸向方向形成之長型先質氣體供應器可達成基板上一均質堆疊之原子層。
在一具體實施例中，該堆疊頭具有一輸出面，該輸出面在堆疊該原子層期間至少部份地面對基板，其中該輸出面設有該先質氣體供應器。因此，該先質氣體供應器可朝向沿、或斜交於該堆疊頭旋轉軸之一方向且沿一曲線輸出面延伸。
在一具體實施例中，該輸出面具有可界定基板運動路徑之一大致圓形、典型地一大致圓柱形或譬如截頭圓錐之圓錐形外型、及/或截頭錐形外型。因此，該輸出面可具有一大致圓柱形、圓錐形、或截頭錐形外型。此種輸出面允許在使用時，保持相當程度固定之先質頭與基板間分隔距離，因此可與旋轉先質頭良好結合。
在一具體實施例中，該方法包括在該堆疊頭與基板之間供應一支承氣體，以形成可分隔該基板與堆疊頭之一氣體支承層。如此，可保持相當程度窄之該旋轉堆疊頭與基板間分離距離。該分離距離可譬如至多200微米、至多100微米、至多15微米、或譬如大約5微米之至多10微米。同時，該分離距離可至少3微米、至少5微米、或至少10微米。此種小分離距離將減少朝基板提供之一過量先質氣體。由於使用先質氣體通常將增加生產成本，因此這確有價值。
在一具體實施例中，該方法包括使該先質氣體譬如在基板上之基板附近反應，以藉由一雷射選擇性地處理已堆疊之先質材料來形成原子層。此種選擇性處理可包括控制雷射，以選擇性地處理已堆疊之先質材料。選擇性地控制雷射包括，譬如開啟與關閉雷射以提供光柵型圖案結構選擇性地來控制雷射之強度。在此一具體實施例中，雷射切換時間結合相對速度，可定義一像素網格，該像素網格可定義譬如50微米、或甚至更小之非常小平面上圖案結構。另一選擇，選擇性地控制雷射包括選擇性地使一雷射光束轉向遠離已堆疊先質材料。如此，可堆疊出一圖案化原子層。例如，當依據一預期圖案而需堆疊一原子層之一部份基板係鄰接反應物氣體供應器時，可開啟雷射。例如，當依據該預期圖案而不需堆疊一原子層之一部份基板係鄰接反應物氣體供應器時，可關閉雷射。較佳地，該雷射係藉譬如積體整合而包含於該堆疊頭中。
在一具體實施例中，該方法包括自該堆疊頭之一支承氣體供應器朝基板供應支承氣體，以提供氣體支承層。
在一具體實施例中，該方法包括藉由定義於該堆疊頭中且面對基板之一孔腔中先質氣體供應器供應該先質氣體，且藉由該堆疊頭之一先質氣體排洩管自該孔腔排洩該先質氣體以大致防止先質氣體漏出該孔腔，該方法尚包括藉由距該孔腔一距離處之支承氣體供應器來供應支承氣體。
此一孔腔使該孔腔中可能施用不同於氣體支承層中製程條件之製程條件。較佳地，該先質氣體供應器及/或該先質氣體排洩管係定位於該孔腔中。在該氣體支承層中、即該 支承氣體供應器附近或鄰接處，分離距離可至少3微米、至少5微米、至少10微米、及/或至多15微米。在該孔腔中，分離距離可至多500微米、至多200微米、至多100微米、至多50微米、及/或至少25微米。因此，該孔腔中之分離距離可在自25微米到至多500微米之一範圍中。
發明人已確知，可更廣泛地、選擇性地結合此中所述之一個或更多其他具體實施例及/特徵來應用本具體實施例之特徵。緣是，提供一種把原子層、較佳地一疊積原子層堆疊於基板之方法，該方法包括自一堆疊頭所構成之一先質氣體供應器、較佳地複數個先質氣體供應器朝基板供應一先質氣體，及尚包括實現該先質氣體供應器與基板之間的相對運動，其中該方法包括藉由定義於該堆疊頭中且面對基板之一孔腔中先質氣體供應器供應該先質氣體，且包括藉由該堆疊頭之一先質氣體排洩管自該孔腔排洩該先質氣體以大致防止先質氣體漏出該孔腔，該方法尚包括藉由距該孔腔一距離處之支承氣體供應器來供應支承氣體。
較佳地，該方法包括使該先質氣體在譬如基板上之基板附近反應，以形成原子層。可運用本方法來製造光電板或其一部份。該原子層可為一部份光電板或其一部份。例如，該原子層可為譬如一氧化鋁(Al2O3)層之一物理鈍化層的部份。另一選擇，該原子層可為不同於一中等介電常數(k)氧化鋁(Al2O3)層之一層的部份。例如，該原子層可為譬如一氮化矽(Si3N4)層之一抗反射層的部份。該方法可選擇性地包含，使該先質氣體在譬如基板上之基板附近反應以形成原子層，而無需 使一已堆疊先質材料單層曝露至電漿。較佳地，該先質氣體供應器及該先質氣體排洩管係定位於該孔腔中。
在一具體實施例中，該方法係用於藉原子層來變更基板之一表面能量(譬如，疏水性)。該方法可譬如用於變更一紙片或一織物片之表面能量。該變更接著可譬如藉由如印刷或光蝕刻而將一層加至該具有已變更表面能量之基板上。此種方法得利於原子層堆疊所達成之充分確定表面能量。
在一具體實施例中，該方法包括經由該堆疊頭之先質氣體排洩管來排洩該先質氣體。
在一具體實施例中，該輸出面設有該孔腔、該先質氣體排洩管、及/或該支承氣體供應器。
該裝置及方法之其他優良具體實施例將在申請專利範圍附屬項中說明。
2‧‧‧裝置
5‧‧‧鼓輪
8‧‧‧先質氣體供應器
10‧‧‧轉軸
12‧‧‧軸承
38‧‧‧沖洗用氣體供應器
38’‧‧‧環周沖洗用氣體供應器
40a‧‧‧氣體排洩管
40b‧‧‧氣體排洩管
42‧‧‧反應物氣體供應器
51‧‧‧內鼓輪
53‧‧‧外表部
55‧‧‧密封件
55a‧‧‧密封件
55b‧‧‧密封件
56‧‧‧平面
57‧‧‧溝槽
57-1‧‧‧第一環周密封溝槽
57-2‧‧‧第二環周密封溝槽
57-3‧‧‧抽吸床
58‧‧‧氣體入口/出口
58a‧‧‧氣體入口
59‧‧‧饋通板
60‧‧‧直立壁
60c‧‧‧直立壁部份
60e‧‧‧末端壁
61‧‧‧嵌件半體
62‧‧‧旋轉軌跡
63‧‧‧連接件
67‧‧‧排洩管
95‧‧‧密封結構
103‧‧‧閥
108‧‧‧先質氣體
108’‧‧‧先質氣體氣源
138‧‧‧沖洗用氣體
138’‧‧‧沖洗用氣體氣源
140‧‧‧通道
140a‧‧‧過量沖洗用氣體及/或先質氣體
140a’‧‧‧氣體匯集槽
140b‧‧‧過量反應物氣體
140b’‧‧‧氣體匯集槽
142‧‧‧反應物氣體
142’‧‧‧反應物氣體氣源
571‧‧‧環周溝槽
571-1‧‧‧區帶
571-2‧‧‧區帶
571-3‧‧‧區帶
571-4‧‧‧區帶
550‧‧‧密封件
600‧‧‧分隔件
M‧‧‧電動機
T1‧‧‧旋轉軌跡第一部份
T2‧‧‧旋轉軌跡第二部份
現在請參考圖式以非限制方式說明本發明，其中：第1圖係顯示又一氣體切換結構之一具體實施例。
第2圖係顯示第1圖氣體切換結構之細部設計。
第3圖係顯示第1圖氣體切換結構之一具體實施例。
第4圖係顯示第1圖氣體切換結構之另一具體實施例。
第5圖係顯示一密封件佈置之平面視圖。
第6圖係顯示一環周溝槽之平面視圖及剖視圖。
除非另有說明，否則在所有圖式中，相同之參考代碼皆指相同之元件。
已知原子層堆疊為一種以至少二製程步驟、即半循環，來堆疊靶材料單層之方法。此等自我侷限製程步驟之一第一個包括施加一先質氣體於基板表面上。此等自我侷限製程步驟之一第二個包括該先質材料反應以形成靶材料單層於基板上。該先質氣體可譬如包含金屬鹵化物蒸汽，如四氯化鉿(HfCl4)，但另一選擇為亦可包含有其他類型之先質材料，如金屬有機蒸氣，譬如四雙(乙基甲基氨)鉿或三甲鋁(Al(CH3)3)。可結合一載體氣體，如氮氣、氬氣、或氫氣、或者其混合物一同注入該先質氣體。該先質氣體在該載體氣體中之濃度典型地在0.01至1體積百分率之範圍中，但亦可在該範圍外。
可依若干方式實行該先質氣體之反應，第一，可將一單層已堆疊先質材料曝露至電漿。此種電漿加強原子層堆疊特別適合於高品質中等介電常數(k)氧化鋁(Al2O3)層之堆疊，譬如用於製造如晶片與太陽能電池之半導體產品。是以，本發明可譬如藉堆疊一個或更多太陽能電池之層而用於製造太陽能電池、特別地用於製造撓性太陽能電池。第二，可朝該已堆疊先質材料之已堆疊單層供應一反應物氣體。該反應物氣體包含譬如一氧化劑，如氧氣(O2)、臭氧(O3)、及/或水(H2O)。另一選擇可使用氮化劑，如氮氣、氨等，以形成氮化物，譬如氮化矽(Si3N4)。請注意，亦可將該反應物氣體視為一(第二)先質氣體，譬如二個或更多先質氣體可相互反應以形成一原子層作為一反應產物。
在一原子層堆疊製程之範例中，可識別出各不同階段。在一第一階段中，可將基板表面曝露至該先質氣體，如 四氯化鉿。該先質氣體堆疊係在基板表面充滿單一化學吸附先質氣體分子層之一單層時自動終止。此自我侷限係該原子層堆疊方法之一特徵。在一第二階段中，使用一沖洗用氣體及/或真空沖洗過量之先質氣體。如此，可移除過量之先質分子。該沖洗用氣體較佳地係關於該先質氣體之惰性物。在一第三階段中，可將先質分子曝露至一電漿，或至譬如一氧化劑之一反應物氣體，如水蒸汽(H2O)。藉反應物之功能性配位基與化學吸附先質分子之剩餘功能性配位基反應，可形成譬如氧化鉿(HfO2)之原子層。在一第四階段中，藉沖洗移除過量之反應物分子。除此以外，可使用譬如熱、光子、或電漿激發之額外反應物激勵系統。
供應於一旋轉空間捲盤至捲盤(R2R)原子層堆疊(ALD)系統上之一氣體供應系統的幾項一般需求可為，倘氣體供應器係源自一靜止饋送總成而用於一運動、即旋轉空間ALD系統，則需要一氣體饋通設計，以將氣體自該靜止饋送總成饋送至該旋轉ALD系統。此種饋通應不生成必然污染ALD製程而導致譬如在已堆疊障壁層中產生針孔之微粒。是以，二蒸汽供應器(譬如一先質氣體TMA與一反應物氣體H2O)較佳地在R2R設備整個氣體迴路系統中皆完全分離。
基板之位移速度可譬如接近0.1公尺/秒。針對此中提出之所有具體實施例，該先質頭可依每秒0.1或1轉之頻率旋轉。該先質頭可依譬如接近每秒30轉之頻率旋轉。該先質氣體供應器之位移速度可譬如接近1公尺/秒。又，當該先質氣體供應器在使用中旋轉時，該先質氣體供應器可依一連續 方式沿基板4一且相同部份朝相同方向運動複數次。如此，可把複數個電子層堆疊於基板。如此，可獲致包括複數個可相互重疊之原子層的一相對較厚複合層。因此，更一般性地，該先質氣體供應器可沿基板某一且相同部份朝相同方向連續地旋轉複數次，以獲致包括複數個相互重疊原子層之一複合層。因此，此中使用之「旋轉」與「正在旋轉」詞彙明顯意謂譬如「轉動」與「正在轉動」、「迴旋」與「正在迴旋」、或「自旋」與「正在自旋」。因此，可將依據本發明之裝置配置成，使該先質氣體供應器沿基板某一且相同部份朝相同方向連續地旋轉複數次，以獲致包括複數個相互重疊原子層之一複合層。
此中使用之詞彙「環周溝槽」係指溝槽依循譬如具一固定半徑之一圓形路徑，該圓形路徑至少部份地依循一鼓輪中氣體入口或出口之旋轉。溝槽可為譬如沿環周軌跡中斷之半環周。
第1圖係裝置2之分解視圖，其中氣體供應器8、38及42係包含於一鼓輪5中，該鼓輪自一氣源(在此未顯示)經由一密封件55接收氣體，該密封件密封至少一部份之鼓輪表面。在目前之視圖中，僅圖示出某一密封件55，以顯示前側上之內鼓輪51中氣體入口58a。
當使用時，使密封件55保持密封地推壓鼓輪5，以密封該密封件與鼓輪表面之間的溝槽57，因此可形成氣體流動通道。密封件55與鼓輪5因此形成出包括該等氣體流動通道之一密封結構。鼓輪5可相關於密封件55旋轉，且係包括一個或更多氣體入口58。密封之溝槽57係配置成，使其在旋 轉軌跡之一第一部份上緊靠氣體入口58，因此形成一部份之氣體流動路徑。特別地，該等溝槽連接至一氣體出口(未顯示)，該氣體出口提供來自該氣源通過該等密封溝槽所形成之一通道的氣體流動。在溝槽57緊靠氣體入口58之位置上，氣體可自該密封件之氣體出口經由該等密封溝槽而進入該鼓輪之氣體入口中。另一選擇，該等溝槽可在該鼓輪之一軸向側上，譬如密封地固持至該鼓輪之一側端的一密封板表面中。
目前之第1圖所示之另一構想係氣體供應器8、38、42在鼓輪5中之一較佳佈置。明確地，先質氣體供應器8較佳地與反應物氣體供應器42相交替，且該二者係由沖洗用氣體供應器38分離。各氣體供應器8、38、42之堆疊頭係呈狹縫型，譬如具一0.1公釐寬度。氣體可經由氣體供應器8、38、42之狹縫型堆疊頭而依經控制之方式流動至可覆蓋部份該鼓輪表面之一基板(未顯示)。該窄狹縫可形成於可替換嵌件半體61之間，該等嵌件半體係以凹陷連接件63連接至該鼓輪。嵌件半體61形成該鼓輪之一外表部53，該外表部包括該等氣體供應器之堆疊頭。
嵌件半體61形成之一典型出口間隙寬0.1公釐。用於先質出口之一典型嵌件長度為250公釐，用於氮氣(N2)嵌件者為280公釐。該等細長嵌件條之外表面較佳地呈平滑，以在整個嵌件長度上確保均等之氣體分布。該出口間隙之氣動限制較佳地遠高於分配器室之阻力，以獲致一均質之朝反應物/支承區帶流率。一均質流率在獲致一均質卷板支承/均質先質氣體堆疊方面屬較佳者。
由連接件63所形成之凹陷通道中的排洩管67抽吸力合成、與沖洗用氣體及其他氣體供應器所提供之壓力可平衡，以在把原子層堆疊於一基板(未顯示)期間，將該基板保持在距該鼓輪一需求距離處。該等沖洗用氣體供應器可因此用作為先質氣體與反應物氣體之間的氣簾、及該基板之氣體支承二者。先質氣體及/或反應物氣體亦可具有支承功能。較佳地，一環周沖洗用氣體供應器38’亦設有沖洗用氣體，以防止先質氣體及/或反應物氣體非期望之洩漏。此外，如將在第2圖中更詳細顯示者，溝槽57可配置成，當供應鼓輪之氣體供應器橫越未由該基板覆蓋之鼓輪表面所在的一部份旋轉軌跡時，中斷或重新定向該氣體供應器。
第2圖係顯示由一密封件55形成之一密封結構95展開視圖，該密封件待連接至一鼓輪55之一可旋轉饋通板59。請注意，該密封結構可作為，將氣體自靜止源108’、138’、142’提供至旋轉鼓輪5之一氣體轉變結構、及中斷與回復氣體流動之一氣體切換結構二者。密封件55包括環周溝槽57，緊靠饋通板59中之對應氣體入口/出口。溝槽57與氣體入口/出口58相結合可形成一閥103，該閥係隨鼓輪5相關於密封件55之相對旋轉而開啟。該鼓輪可環繞一轉軸10旋轉，該轉軸可由一支承結構支撐，該支承結構可譬如藉密封件55之一內部孔腔形成、或形成於外部。轉軸10可由譬如一電動機(未顯示)、較佳地一耐熱電動機(譬如無刷直流電動機)驅動。該電動機可直接連接至鼓輪轉軸10，或譬如經由一齒輪箱以增加該電動機之扭矩。
請注意，基板4並未覆蓋整個鼓輪5表面。在旋轉軌跡之第一部份T1上，基板4可鄰近鼓輪5之輸出面以堆疊原子層，而在旋轉軌跡之第二部份T2上，該基板將自該輸出面移除或遠離。是以，該切換可防止先質氣體在旋轉軌跡之第二部份T2上洩漏。此種洩漏可另外譬如導致先質在基板上指定區域外之非期望反應。
當使用時，溝槽57係在密封件55表面與包含於鼓輪5中之旋轉饋通板59表面之間延展。對應於該鼓輪旋轉軌跡62第一部份T1之溝槽57可設有先質氣體108、沖洗用氣體138、及反應物氣體142，該等氣體來自各別之氣源108’、138’、及142’。除此以外，對應於該鼓輪旋轉軌跡62第二部份T2之溝槽可連接至氣體排洩管(未顯示)。在此種配置中，當氣體入口/出口58對立於連接至氣源108’、138’、或142’之溝槽時，該等鼓輪之氣體供應器可在該鼓輪之輸出面鄰近基板之旋轉軌跡T1第一部份期間，供應各別氣體至基板(未顯示)之表面。除此以外，當基板遠離該鼓輪之表面時，鼓輪5之該表面部份的氣體供應器可中斷及/或該等氣體可排洩，以防止先質氣體及/或反應物氣體非期望地洩漏至外部環境。
緣是，在圖式所示具體實施例中，環周密封溝槽57係沿旋轉軌跡62之第一部份T1延伸，終結於旋轉軌跡62之第一與第二部份T1與T2之間，使得在該旋轉軌跡第二部份T2上中斷自該先質氣體供應器供應先質氣體時，經由溝槽57延展之氣體流動路徑將由該鼓輪的表面、特別地在此情況下為饋通板59之一表面中斷。
圖式所示具體實施例之另一選擇為，可將該等溝槽設於鼓輪5中、及密封件55中之氣體入口/出口內。亦，儘管目前所示之密封件55包括密封該鼓輪之一側端的一板，然另一選擇為該密封件可密封該鼓輪之一環周，其中該等溝槽係沿該鼓輪表面的該密封件之環周設置。亦可能為該等側端密封件與環周密封件之組合。又，鼓輪5與密封件55二者亦可包括溝槽、或排氣通道與溝槽之組合。又，儘管在目前之具體實施例中，圖式所示之溝槽具有某一特定深度，然該深度亦可沿溝槽身長變化。
儘管在目前之具體實施例中，僅顯示出三個溝槽，然該數量可擴增或減少，以配合堆疊製程之特殊需求。在一較優具體實施例中，輸送先質氣體之溝槽係由輸送沖洗用氣體之溝槽圍繞，該沖洗用氣體係處於較先質氣體者高之壓力。如此，該沖洗用氣體可形成先質氣體與外部周圍環境之間的氣簾。其他選擇或除此以外，溝槽可設置交替先質氣體108與反應物氣體142，且該等供應器將由設有沖洗用氣體142供應器及氣體排洩管之溝槽隔開，譬如依由中心朝外之序列：先質氣體供應器、氣體排洩管、沖洗用氣體供應器、氣體排洩管、反應物氣體供應器、氣體排洩管、沖洗用氣體供應器。如此，先質氣體連同沖洗用氣體係在與反應物氣體及沖洗用氣體相分離之排洩管通道中排洩。
另一選擇或除此以外，可經由該鼓輪某一側上之密封件供應先質氣體，且同時在該鼓輪另一側上供應反應物氣體。某一或兩側端上可設有沖洗用氣簾，以防止先質氣體/反 應物氣體非期望地漏至外部周圍環境。密封件55亦可具有朝(軸向)鼓輪側端之氣體支承。
第3圖係顯示一密封件55與一鼓輪5之間氣體連接的概略剖面。鼓輪5可譬如藉一電動機M經由在軸承12中旋轉之一轉軸10驅動，而在一旋轉軌跡62上相關於密封件55旋轉。
該鼓輪包括先質氣體供應器8(譬如TMA)、沖洗用氣體供應器38(譬如氮氣)、反應物氣體供應器42(譬如水蒸汽)、及鼓輪5輸出面上之氣體排洩管40a與40b。氣體供應器8、38、42自各別氣源108’、138’、142’經由一密封件55接收氣體108、138、142，該密封件係密封至少部份之該鼓輪表面。此外，鼓輪5包括氣體出口/入口58，且同時密封件55包括在其表面中之環周溝槽57。換言之，溝槽58依循具有一半徑(對中心之距離)之一切向路徑，該半徑係對應於入口/出口58者。在一具體實施例中，沖洗用氣體管線可設計成，沿軸向方向以作為氣體支承及分離反應物氣體，以及沿徑向方向以支承鼓輪末端。
溝槽57係由鼓輪5密封，且配置成在至少一部份旋轉軌跡62上緊靠氣體出口/入口58。當使用時，一部份之密封溝槽57可在氣源108’、138’、142’與氣體供應器8、38、42之間形成一氣體流動路徑之部份。又，其他之密封溝槽57或密封溝槽57之其他部份，可在氣體排洩管40a、40b與各自氣體匯集槽140a’、140b’之間形成另一氣體流動路徑之部份，以分別排洩過量之先質氣體8與反應物氣體42。較佳地，先質氣 體用排洩管通道108與反應物氣體用排洩管通道142保持分離，使先質氣體與反應物氣體之間在非指定區域處(即，並非在基板上)不發生非期望之反應。如上所述者，圖式所示具體實施例之另一選擇為，溝槽57與氣體入口/出口58可在密封件55與鼓輪5之間調換、或依任何組合方式相結合。
在一具體實施例中，該等環周密封溝槽係沿旋轉 軌跡62之第一部份延伸，終結於旋轉軌跡62之第一與一第二部份之間，使得在旋轉軌跡62第二部份上中斷自先質氣體供應器8供應先質氣體時，空氣流動路徑將由鼓輪5之一表面中斷。如此，該鼓輪相關於該密封件之相對旋轉，將開啟與關閉該等氣源/匯集槽與各別氣體供應器/排洩管之間的氣體流動路徑，即組合之結構作用如一閥系統。
氣體饋通板或密封件55可具有數個功能：
- 連接至氮氣嵌件且在環周方向上建立一氮氣狹縫
- 作為一轉軸，以在傳統或空氣軸承中支承該鼓輪
- 在外緣處提供一較大直徑，以配合譬如具220公釐典型直徑之一饋通板。
- 提供孔洞，以由此饋送氣體。
- 作為該鼓輪之一軸向(氣體)支承。
每一室/嵌件較佳地連接單一徑向孔口。每一出口室各具有二孔口。軸向孔口用於連接至該饋通板。該等孔口可譬如具有一典型6公釐之直徑。徑向孔口可譬如位於靠近該鼓輪末端側之一距離處，以使通道體積與靜滯空間最小化。
在一具體實施例中，鼓輪5可由多孔碳之標準空 氣襯套承載，且藉一扁圓空氣軸承沿軸向方向固定。該鼓輪可由一耐熱電動機M(譬如無刷直流電動機)驅動，該電動機直接連接至鼓輪轉軸10，以該電動機與該鼓輪轉軸之間的一齒輪箱來增加該電動機之扭矩。
第4圖係顯示裝置2之另一具體實施例。目前之裝置2具體實施例包括鼓輪5每側上之二密封件55a、55b。該鼓輪可在旋轉路徑62上相關於密封件55a、55b旋轉，譬如環繞著在軸承12中延展之轉軸10旋轉。第一密封件55a配置成，將先質氣體108與沖洗用氣體138供應至鼓輪5，且由該鼓輪中之排洩管40b排洩過量沖洗用氣體及/或先質氣體140a。第二密封件55b配置成，將反應物氣體142供應至鼓輪5，且由鼓輪5中之排洩管40a排洩過量反應物氣體140b。分別經由二分離密封件55a與55b來供應及/或排洩先質氣體108與反應物氣體142之一優點在於，可防止二氣體108與142譬如經由密封件中之洩漏開口而互相會合、及在指定區域外之地點相反應。另一優點為，鼓輪設計中較小之空間要求。
第5圖係顯示先前型式密封件55佈置之平面視圖。譬如用於饋送如一先質之製程氣體通過通道108的一第一環周密封溝槽57-1係由一壁60界定，該壁係自形成於一平面56中之一抽吸床57-3起直立，該平面譬如形成一相對應空氣軸承之限制面。直立壁60具有沿旋轉軌跡之一第一部份T1環周延伸之一部份60c，以一直立壁部60e作終結。直立壁部份60c與該鼓輪中之一相對應饋送通道58(請參閱先前圖式)對正，關閉徑向方向中之流動路徑，但餘留環周、即切線方向中 之流動路徑。相似地，第二環周密封溝槽57-2係沿旋轉軌跡之第二部份T2延伸，使得在旋轉軌跡62第二部份上中斷自先質氣體供應器8供應先質氣體期間，該氣體流動路徑將中斷且可經由沖洗通道138沖洗。在揭示之密封件55中，該等溝槽部件及抽吸床具有對應之通道108、138、140，以排洩或饋送各別之製程氣體。當越過末端部件60e時，一相對應之饋送通道58將與溝槽57-1隔絕，且在越過抽吸床部件57-3後運行整個沖洗溝槽57-2，如此將中斷先質氣體饋送。抽吸床57-3因此能夠自饋送溝槽57-1及/或沖洗溝槽57-2排洩可能之流動。
第6圖係顯示一環周溝槽600之平面視圖第6a圖、及剖視圖第6b圖，該環周溝槽係延伸橫越一密封件550之整個環周。在未圖示出之另一選擇中，溝槽571可具有一相對應末端壁結構，以提供相似於第5圖中所揭示溝槽57-1之一具末端壁60e部份環周溝槽。第6圖中之供應溝槽600提供一修飾，使得可藉由改變流至反應器之TMA流、或基板曝露至先質之時間，來堆疊梯度膜。儘管第5圖之配置可藉末端壁配置60e而有效控制饋送與中斷製程氣體，然而在第6圖中，環周溝槽571設有區帶571-1至4，該等區帶係由在溝槽571中沿徑向延伸之複數區帶分隔件600形成。可依相似或不同之長度設置該等分隔件500，以在溝槽57-1中提供適當環周之區帶。可在該等區帶中可以饋送互不相同之製程氣體組成與混合物。此等分隔壁600較佳地相對於平面56略微凹陷而形成一流動限制，以提供該等區帶之間一經控制之交叉流，來防止先質流動中斷。此外，分隔件61之壁厚較佳地小於一相對應之 饋送通道58。該等分隔件係以鄰接之製程氣體饋送區帶為特徵，該等製程氣體饋送可容許不同之製程氣體組成。
在一範例中，可藉由預混一銦與一鋅先質作為第一半反應，及使用水作為第二半反應，來製作氧化銦鋅(IZO)。藉由在堆疊期間改變銦與鋅先質之濃度，亦將使膜中之元素銦/鋅比率變化，以達成一梯度膜。另一範例係在堆疊氧化鋅(ZnO)時。僅使用單一鋅先質，但藉由在堆疊期間使鋅先質之濃度變化，將改變電性，以達成電性之梯度。需使先質之濃度在堆疊期間變化，以藉空間ALD獲致梯度膜。
當鼓輪5旋轉時，各別之槽縫饋送通道58將在供應溝槽571上方以相對速度V運動。在孔58運動跨越限制件前，該孔係與可供應濃度ci之(複數)先質的區帶571-1相接觸，在該孔通過限制後，該孔將與可供應濃度ci+1之(複數)先質的區帶571-2相接觸。
分隔件600係藉由流動限制，防止先質自某一區帶流動至另一個。然而，在分隔件600與鼓輪5面之間餘留一間隙，可在該間隙處發生混合。由於所有區帶571-1至4將處於大概相同壓力，因此可防止區帶571-1至4之間的連貫流動或混合，且唯一之混合方式將為擴散與拖曳。最終之混合區域將較小，且僅在分隔件600附近。略微混合有利於容許在接續區帶571-1至4之間的濃度變化連續轉變，且可用於使外型與尺寸最佳化。
可藉單一先質或複數先質之混合物各別供應每一區帶571-1至4，其中每一區帶皆由一專用先質蒸發器(未顯示) 連接。亦，單一先質蒸發器可用於饋送一主管線，該主管線分裂成數個次管線以饋送該等區帶。在此二情形下，流動與濃度可由質量流動控制或壓力控制，只要不同區帶中之壓力大概相同即可。
本案之應用範圍不限於ALD，而可擴展至譬如用於大面積製造有機發光二極體障蔽層、有機光電元件、撓性有機電子元件(譬如電晶體)、鈍化層或緩衝層薄膜太陽能電池、(食品)包裝中之濕氣及氧氣擴散屏障層等之捲盤至捲盤堆積設備，且不僅限於Al2O3之生產。亦可設想到其他材料(氧化鋅等)之堆疊。
同樣地，可將所有運動式轉化(kinematic inversion)視為實際隱含揭示，且屬於本發明之範疇內。使用措辭，如：「較佳地」、「明確地」、「特別地」、「典型地」等，並非意欲限制本發明，不定冠詞「一」並非排除複數個。未明確或明白地描述或主張之特徵可附帶地包含於依據本發明之結構中，而不致脫離本發明之範疇。例如，堆疊頭可設有加熱器，用於在把原子層堆疊於部份基板期間，使該部份之基板達到一升高之溫度，譬如接近220℃。另一範例中，該裝置可設有一壓力控制器，用於控制孔腔中、先質氣體供應器、先質氣體排洩管、反應物氣體供應器、反應物氣體排洩管、支承氣體供應器、及/或先質氣體排洩管中之氣體壓力。該壓力控制器可包括氣體控制器。又，該裝置可譬如包括一微電漿源，或者適合於在堆疊於基板期間加強先質氣體材料反應性、或在堆疊於基板後作堆疊後處理之另一源。明顯地，除旋轉堆疊頭以外、或旋轉堆疊 頭之另一選擇，往復運動之堆疊頭可提供有用的堆疊選擇。
2‧‧‧裝置
5‧‧‧鼓輪
8‧‧‧先質氣體供應器
38‧‧‧沖洗用氣體供應器
38’‧‧‧環周沖洗用氣體供應器
42‧‧‧反應物氣體供應器
51‧‧‧內鼓輪
53‧‧‧外表部
55‧‧‧密封件
57‧‧‧溝槽
58‧‧‧氣體入口/出口
58a‧‧‧氣體入口
59‧‧‧饋通板
61‧‧‧嵌件半體
63‧‧‧連接件
67‧‧‧排洩管

Claims (13)

  1. 一種把原子層堆疊於基板之方法，該方法包括：自包含於一鼓輪中之一先質氣體供應器供應一先質氣體；該鼓輪可相關於自一氣源接收氣體之一密封件旋轉；該鼓輪或密封件其中之一包括一個或更多氣體氣體饋送通道，該等通道係與該先質氣體供應器流體連通；該鼓輪或密封件其中另一個在表面中包括一個或更多環周溝槽，該表面係由該鼓輪或密封件其中一所密封，藉以防止一沿徑向方向流體流動路徑，且留下一環周方向流體流動路徑；在自該先質氣體供應器朝基板供應該先質氣體期間，該等氣體饋送通道緊靠該等密封溝槽，其中一部份氣體流動路徑係由該等密封溝槽形成；其中至少一密封溝槽設有一個或更多分隔件，以使該密封溝槽中之鄰接製程氣體饋送區帶相分離，因此容許各區帶提供互不相同之製程氣體組成；及使該先質氣體在譬如基板上之基板附近反應，以藉由沿一旋轉軌跡旋轉該鼓輪且同時供應該先質氣體來形成一原子層；因此堆疊出具一梯度組成之一疊積原子層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一溝槽係一直立壁形成，該直立壁係由該密封件或鼓輪其中之一的一緊靠面密封；該等分隔件相對於該直立壁凹陷，藉此形成相對於該緊靠面之一流動限制，以提供鄰近區帶之間一經控制之交叉流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等分隔件設有一壁厚，該壁厚小於一相對應之饋送通道直徑，以提供鄰近區帶之間一經控制之交叉流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其尚包括在以下者之間切換：在該旋轉軌跡之一第一部份上，自該先質氣體供應器朝基板供應該先質氣體；及在該旋轉軌跡之一第二部份上，中斷自該先質氣體供應器供應該先質氣體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中在該旋轉軌跡第一部份上，基板係鄰近輸出面以堆疊該原子層；在該旋轉軌跡第二部份上，基板將自輸出面移除或遠離；及藉由重新定向或關閉通過該先質氣體供應器之一先質氣體流動來提供該中斷，以防止該先質氣體在該旋轉軌跡第二部份上洩漏。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該等環周密封溝槽係沿該旋轉軌跡第一部份延伸，終結於該旋轉軌跡第一與第二部份之間，使得在該旋轉軌跡第二部份上中斷自該先質氣體供應器供應該先質氣體期間，藉由該鼓輪或密封件其中另一個之一表面來中斷氣體流動路徑。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該氣體供應器係包含於一鼓輪中，該鼓輪自一靜止氣源經由一氣體流動路 徑接收氣體，該氣體流動路徑包括複數個相對旋轉部件；其中該先質氣體經由該等相對運動部件間之一開口的洩漏係因環繞該開口設置之一沖洗用氣體而得防止，其中該沖洗用氣體具有高於該先質氣體者之一較高壓力。
  8. 一種把原子層堆疊於基板之裝置，該裝置包括：一鼓輪，其包括一堆疊頭，及一密封件，其密封至少部份之該鼓輪表面；該鼓輪可相關於自一氣源接收氣體之該密封件旋轉；該鼓輪或密封件其中之一包括一個或更多氣體饋送通道，該等通道係與該先質氣體供應器流體連通；該鼓輪或密封件其中另一個在表面中包括一個或更多環周溝槽，該表面係由該鼓輪或密封件其中一所密封，藉以防止一沿徑向方向流體流動路徑，且留下一環周方向流體流動路徑其中當使用時，在自該先質氣體供應器朝基板供應該先質氣體期間，該等氣體饋送通道緊靠該等密封溝槽，其中一部份氣體流動路徑係由該等密封溝槽形成；及其中至少一密封溝槽設有一個或更多分隔件，以使該密封溝槽中之鄰接製程氣體饋送區帶相分離，因此容許各區帶提供互不相同之製程氣體組成；及將該沉積頭構成為，使該經供應之先質氣體譬如在基板上之基板附近反應，以藉由沿一旋轉軌跡旋轉該鼓輪且同時供應該先質氣體來形成一原子層；因此堆疊出具一梯度組成之一疊積原子層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該至少一溝槽係 藉一直立壁形成，該直立壁係由該密封件或鼓輪其中之一的一緊靠面密封；該等分隔件相對於該直立壁凹陷，藉此形成相對於該緊靠面之一流動限制，以提供鄰近區帶之間一經控制之交叉流。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該等分隔件設有一壁厚，該壁厚小於一相對應之饋送通道直徑，藉此形成一流動限制，以提供鄰近區帶之間一經控制之交叉流。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其尚包括：一氣體切換結構，配置且構成為在以下者之間切換：在該旋轉軌跡之一第一部份上，自該先質氣體供應器朝基板供應該先質氣體及在該旋轉軌跡之一第二部份上，中斷自該先質氣體供應器供應該先質氣體。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該等環周密封溝槽係沿該旋轉軌跡第一部份延伸，包括一末端壁，藉一末端壁終結該溝槽於該旋轉軌跡第一與第二部份之間，使得在該旋轉軌跡第二部份上中斷自該先質氣體供應器供應該先質氣體期間，藉由該鼓輪或密封件其中另一個之一表面來中斷氣體流動路徑。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該等環周密封溝槽係沿該可旋轉鼓輪之末端面延伸。
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