Изобретение относится к устройству для нанесения атомного слоя на поверхность подложки. Изобретение относится также к способу нанесения атомного слоя на поверхность подложки.
Нанесение атомного слоя известно как способ нанесения монослоя материала мишени. Нанесение атомного слоя отличается, например, от химического осаждения из паровой фазы, при котором нанесение атомного слоя требует по меньшей мере двух технологических операций. Первая из этих технологических операций включает нанесение газообразного прекурсора на поверхности подложки. Вторая из этих технологических операций включает реакцию этого материала прекурсора для формирования монослоя материала мишени. Нанесение атомного слоя обладает преимуществом возможности хорошего контроля толщины слоя. Однако известные способы нанесения атомного слоя демонстрируют, довольно неэффективное использование газообразного прекурсора. Обычно более половины газообразного прекурсора расходуется впустую. Это является проблемой, поскольку обычно газообразный прекурсор является очень дорогостоящим.
Целью изобретения является предложение устройства и способа нанесения атомного слоя с улучшенным использованием газообразного прекурсора.
Соответственно изобретение предлагает устройство для нанесения атомного слоя на поверхность подложки, причем устройство включает в себя инжекторную головку для прекурсора, причем инжекторная головка для прекурсора содержит систему подачи прекурсора и пространство нанесения, которое при использовании ограничивается инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки, где инжекторная головка для прекурсора приспособлена для инжекции газообразного прекурсора из системы подачи прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью подложки, причем устройство приспособлено для относительного перемещения между пространством перенесения и подложкой в плоскости поверхности подложки, и устройство снабжено удерживающей структурой, предназначенной для удерживания введенного газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки. Таким образом введенный газообразный прекурсор может удерживаться в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки. Такое удерживание уменьшает количество использованного газообразного прекурсора. Удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, уменьшает также загрязнение устройства, вызванное нежелательным отложением прекурсора на устройстве и/или на обратной стороне подложки, противоположенной поверхности подложки. Это исключает операции очистки, направленные на удаление загрязнений.
Удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, предпочтительно означает, что газообразный прекурсор удерживается в пределах расстояния удерживания поверхности подложки. Расстояние удерживания является, например, не больше чем одним из числа максимального размера и минимального размера поверхности подложки, но может также быть толщиной подложки. Такой размер может быть диаметром или шириной поверхности подложки. С другой стороны, удерживающее расстояние является, например, не более чем долей одного из числа максимального размера и минимального размера, причем доля, например, равна 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 или 0,8. С другой стороны, удерживающее расстояние, например, более чем, например, в 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; 3 или 10 раз превышает один из числа максимального размера и минимального размера. С другой стороны или дополнительно, газообразный прекурсор, который удерживается в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, может означать, что газообразный прекурсор удерживается в по существу протяженном, например, плоском, пространстве вдоль поверхности подложки. Здесь поверхность подложки может включать плоскостное расширение этой поверхности на столе подложки, так что головка может свободно двигаться над краями поверх подложки. С другой стороны или дополнительно, газообразный прекурсор, который удерживается в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, может означать, что газообразный прекурсор в процессе использования не проходит через воображаемую плоскость вдоль поверхности подложки. С другой стороны или дополнительно, газообразный прекурсор, который удерживается в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, может означать, что пространство нанесения не расширяется в стороны от подложки в направлении вдоль плоскости поверхности подложки.
Удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения дает возможность контролировать давление в пространстве нанесения, например, давление газообразного прекурсора в пространстве нанесения или общее давление в пространстве нанесения. Для этого устройство может включать в себя регулятор давления в пространстве нанесения. Давление в пространстве нанесения может контролироваться независимо и/или в зависимости от давления вне пространства нанесения. Таким образом в пространстве нанесения может быть задано определенное давление, предпочтительно предназначенное для оптимизации процесса нанесения атомного слоя.
При использовании устройства пространство нанесения ограничивается поверхностью подложки. Может быть ясно, что таким путем подложка помогает удерживать газообразный прекурсор. Предпочтительно такое удерживание подложкой обеспечивает по существу предотвращение прохождения газообразного прекурсора через воображаемую плоскость вдоль поверхности подложки.
Сочетание относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки, и удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения дополнительно обеспечивает довольно эффективное использование газообразного прекурсора. Таким образом объем газообразного прекурсора может быть эффективно распределен по поверхности подложки, повышая таким образом вероятность соединения молекул газообразного прекурсора с поверхностью подложки после их инжекции в пространство нанесения.
Устройство приспособлено для относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки. В этом варианте реализации пространство нанесения при использовании является неподвижным в плоскости поверхности подложки, в то время как подложка находится в движении. В другом варианте реализации пространство нанесения является подвижным в плоскости поверхности подложки, в то время как подложка является неподвижной. Еще в одном варианте реализации и пространство нанесения, и подложка находятся в движении в плоскости поверхности подложки.
Может быть ясно, что удерживающая структура может быть образована одной или больше выступающими частями инжекторной головки для прекурсора.
В одном варианте реализации использование пространства нанесения ограничивается инжекторной головкой для прекурсора, удерживающей структурой и поверхностью подложки, предпочтительно только ими. Это дополнительно улучшает эффективность использования газообразного прекурсора.
В US 2007/0218702 описано полупроводниковое обрабатывающее устройство с вращающимся основанием для нанесения атомного слоя. US 2007/0218702 имеет целью решение проблемы длительных периодов очистки при нанесении атомного слоя и не касается проблемы неэффективного использования газообразного прекурсора. В полупроводниковом обрабатывающем устройстве согласно US 2007/0218702 газообразный прекурсор заполняет относительно большое пространство вокруг основания, которое несет на себе полупроводниковую подложку. Полупроводниковое обрабатывающее устройство приспособлено для отвода газообразного прекурсора далеко от полупроводниковой подложки. Кроме того, отвод и инжекция имеют место на различных сторонах полупроводниковой подложки. В результате газообразный прекурсор не удерживается рядом с поверхностью полупроводниковой подложки при использовании полупроводникового обрабатывающего устройства US 2007/0218702.
В одном варианте реализации устройство дополнительно приспособлено для относительного перемещения между инжекторной головкой для прекурсора и подложкой в плоскости, не совпадающей с поверхностью подложки, причем инжекторная головка прекурсора дополнительно содержит газовый инжектор для инжекции газа между инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки, и газ образует таким образом газосодержащий слой. С другой стороны и дополнительно, газовый инжектор подходит для инжекции газа между инжекторной головкой для прекурсора и держателем подложки, который механически прикреплен к подложке, и газ образует таким образом газосодержащий слой.
Перемещение в плоскости вне поверхности подложки помогает удерживать введенный газообразный прекурсор. Газосодержащий слой позволяет инжекторной головке для прекурсора близко приближаться к поверхности подложки и/или держателю подложки, например в пределах 50 мкм или в пределах 15 мкм, например, в диапазоне от 3 до 10 мкм. Такое тесное приближение инжекторной головки для прекурсора к поверхности подложки и/или к держателю подложки обеспечивает удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения, так что выход газообразного прекурсора из пространства нанесения затруднен из-за тесного приближения. Поверхность подложки, при использовании ограничивающая поверхность подложки, может обеспечить тесное приближение инжекторной головки для прекурсора к поверхности подложки. Предпочтительно поверхность подложки при использовании не имеет механического контакта с инжекторной головкой для прекурсора. Такой контакт легко может привести к повреждению подложки.
Дополнительно система подачи прекурсора образует газовый инжектор. Однако в этом варианте реализации газовый инжектор образуется инжектором несущего газа для создания газосодержащего слоя, причем инжектор несущего газа отделен от системы подачи прекурсора. Наличие такого отдельного инжектора для несущего газа позволяет контролировать давление газосодержащего слоя отдельно от давления других газов, например давления газообразного прекурсора в пространстве нанесения. Например, в процессе применения давление газообразного прекурсора может быть ниже давления газосодержащего слоя. Возможно, что давление газообразного прекурсора ниже атмосферного давления, например в диапазоне от 0,01 до 100 миллибар, возможно в диапазоне от 0,1 до 1 миллибара. Числовое моделирование, выполненное авторами изобретения, показывает, что при последнем диапазоне возможно выполнение быстрого процесса нанесения. Длительность нанесения может обычно составлять 10 микросекунд для плоских подложек и 20 миллисекунд для неровных подложек, например в случаях относительно быстрой химической кинетики. Общее давление газа в пространстве нанесения может обычно составлять 10 миллибар. Давление газообразного прекурсора может быть выбрано на основании свойств прекурсора, например, летучести прекурсора. Давление газообразного прекурсора, которое ниже атмосферного давления, в особенности в диапазоне от 0,01 до 100 миллибар, допускает использование широкого выбора прекурсоров, в особенности прекурсоров с разнообразными показателями летучести.
Газосодержащий слой при использовании демонстрирует обычно сильное возрастание давления в газосодержащем слое в результате приближения на близкое расстояние инжекторной головки для прекурсора к поверхности подложки. Например, при использовании давление в газосодержащем слое по меньшей мере удваивается, например, обычно возрастает в восемь раз в то время, когда инжекторная головка для прекурсора приближается в два раза ближе к подложке, например из положения в 50 мкм от поверхности подложки в положение в 25 мкм от поверхности подложки, при прочих равных условиях. Предпочтительно жесткость газосодержащего слоя при использовании составляет от 103 до 1010 Ньютон/миллиметр, но может также выходить за пределы этого диапазона.
В одном варианте реализации устройство приспособлено для приложения усилия предварительного напряжения к инжекторной головке для прекурсора, обращенного к поверхности подложки. Газовый инжектор может быть приспособлен для противодействия усилию предварительного напряжения путем контроля давления в газосодержащем слое. При использовании усилие предварительного напряжения увеличивает жесткость газосодержащего слоя. В результате инжекторная головка для прекурсора может применяться ближе к поверхности подложки, не касаясь поверхности подложки.
В одном варианте реализации инжекторная головка для прекурсора снабжается выступающими частями, при которых в процессе применения формируется газосодержащий слой между выступающими частями и подложкой, и/или формируется между выступающими частями и поверхностью держателя подложки в держателе подложки. В результате толщина газосодержащего слоя меньше толщины пространства нанесения, измеренной в плоскости вне поверхности подложки. Такая инжекторная головка для прекурсора считается эффективной. Такая эффективность вытекает, например, из возможности в этом варианте реализации лучше отделять газообразный прекурсор от других, возможно химически активных, газов, применяемых при нанесении атомного слоя. Другим примером такой эффективности при использовании этого варианта реализации является в пространстве нанесения расстояние между инжекторной головкой и подложкой, которое отличается от расстояния между инжекторной головкой и подложкой в газосодержащем слое. Это обеспечивает, например, более длительное время пребывания молекул газообразного прекурсора в пространстве нанесения, так что возрастает возможность нанесения на подложку. Это может привести к более эффективному использованию газообразного прекурсора. Расчеты и эксперименты, выполненные автором изобретения, показывают, что в этом варианте реализации толщина газосодержащего слоя находится в диапазоне от 3 до 7 мкм, обычно 5 мкм.
В одном варианте реализации предусмотрены выступающие части с системой подачи несущего газа и, возможно, с инжектором несущего газа, который может включать в себя систему подачи несущего газа. Таким образом может быть образован газосодержащий слой между выступающими частями и подложкой, и/или между выступающими частями и поверхностью держателя подложки в держателе подложки. Предпочтительно в процессе использования система подачи несущего газа обращена к поверхности подложки и/или к поверхности держателя подложки в держателе подложки.
Предпочтительно устройство включает в себя регулятор давления в газосодержащем слое, предназначенный для контроля давления несущего газа в газосодержащем слое, и регулятор давления предварительного напряжения, приспособленный для приложения усилия предварительного напряжения путем установки давления предварительного напряжения, противодействующего давлению несущего газа.
В одном варианте реализации устройство включает в себя регулятор давления в пространстве нанесения, предназначенный для контроля общего давления в пространстве нанесения, и регулятор давления в газосодержащем слое, предназначенный для контроля давления в газосодержащем слое, в котором инжектор газа образуется инжектором несущего газа, отделенным от системы подачи прекурсора, причем регулятор давления в пространстве нанесения приспособлен для приложения усилия предварительного напряжения путем установки суммарного давления в пространстве нанесения, и в котором регулятор давления в газосодержащем слое приспособлен для приложения давления в газосодержащем слое выше суммарного давления в пространстве нанесения. Усилие предварительного напряжения может быть образовано суммарным давлением газа в пространстве нанесения, будучи ниже давления во внешней среде относительно инжекторной головки для прекурсора. Этот вариант реализации хорошо сочетается с предпочтительными значениями давления газообразного прекурсора и суммарного давления газа в пространстве нанесения, как показывает численное моделирование, выполненное авторами изобретения. С другой стороны и дополнительно, усилие предварительного напряжения может быть создано магнитными силами и/или гравитационной силой путем добавления веса инжекторной головке для прекурсора для создания усилия предварительного напряжения. С другой стороны или дополнительно, усилие предварительного напряжения может быть создано пружиной или другим упругим элементом. С другой стороны и дополнительно, усилие предварительного напряжения может быть приложено путем создания отдельно от давления в пространстве нанесения, между инжекторной головкой для прекурсора и подложкой, давления газа, которое ниже давления во внешней среде относительно инжекторной головки для прекурсора, например, вакуума. Соответственно давление предварительного напряжения может быть приложено для создания усилия предварительного напряжения путем установки давления предварительного напряжения, противодействующего давлению несущего газа.
В одном варианте реализации система подачи прекурсора приспособлена для пропуска потока газообразного прекурсора в направлении, поперечном относительно продольного направления пространства нанесения. В этом варианте реализации система подачи прекурсора образуется по меньшей мере одной щелью для прекурсора, в которой продольное направление в пространстве нанесения направлено вдоль по меньшей мере одной щели для подачи прекурсора. Предпочтительно инжекторная головка для прекурсора приспособлена для пропуска газообразного прекурсора в направлении, поперечном относительно продольного направления по меньшей мере одной щели для подачи прекурсора. Это обеспечивает почти постоянную концентрацию газообразного прекурсора вдоль щели для подачи прекурсора, поскольку никакого градиента концентрации может не образоваться в результате сцепления газообразного прекурсора с поверхностью подложки. Концентрацию газообразного прекурсора предпочтительно выбирают как несколько превышающую минимальную концентрацию, требующуюся для нанесения атомного слоя. Это способствует эффективному использованию газообразного прекурсора. Предпочтительно относительное движение между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки является поперечным относительно продольного направления по меньшей мере одной щели для подачи прекурсора.
В одном варианте реализации удерживающая структура образуется барьером для потока газообразного прекурсора вдоль внешнего пути течения, размещенного при использовании между инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки до внешней среды, для того, чтобы практически затруднить объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора. Предпочтительно барьер для потока получают, близко подводя инжекторную головку для прекурсора к поверхности подложки и/или держателю подложки, что обеспечивается газосодержащим слоем. Хотя варианты удерживающей структуры не ограничиваются барьером для потока, барьер для потока образует эффективный вариант удерживающей структуры. Внешняя среда может быть средой вне инжекторной головки для прекурсора, где граница инжекторной головки для прекурсора отклоняется от плоскости поверхности подложки, но может также помещаться между инжекторной головкой прекурсора и плоскостью подложки вне пространства нанесения.
При использовании этого варианта реализации барьер для потока по существу затрудняет объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора. Такое ограничение может по существу уменьшить объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора, например, во время заполнения пространства нанесения газообразным прекурсором. Кроме того, ограничение создает возможность эксплуатации устройства с повышенным давлением газообразного прекурсора и/или при повышенном суммарном давлении газа в пространстве нанесения во время работы в устойчивом состоянии после заполнения. Такие повышенные значения давления газа могут, например, находиться в диапазоне от 1,2 до 20 бар, в частности в диапазоне от 3 до 8 бар. Более прочный барьер для потока ведет к получению более высоких повышенных значений давления. Повышенное давление газообразного прекурсора повышает скорость нанесения газообразного прекурсора на поверхность подложки. Поскольку нанесения газообразного прекурсора часто ведет к важной ограничивающей скорость производственной операции нанесения атомного слоя, этот вариант реализации допускает повышение скорости нанесения атомного слоя. Скорость процесса важна, например в случае использования устройства для построения структуры, которая включает в себя множество атомных слоев, что часто имеет место на практике. Повышение скорости увеличивает максимальную толщину слоя структуры, которая может быть наложена путем нанесения атомного слоя экономичным путем, например от толщины 10 нанометров до значений больше 10 нанометров, например, в диапазоне от 20 до 50 нанометров или даже обычно 100 нанометров. Устройство допускает, таким образом, применение новых областей использования нанесения атомного слоя.
В одном варианте реализации газосодержащий слой образует удерживающую структуру, в частности барьер для потока. В этом варианте реализации внешний путь потока может по меньшей мере частично вести через газосодержащий слой. Поскольку газосодержащий слой образует довольно эффективную версию удерживающей структуры и/или барьера для потока, может быть предотвращена потеря газообразного прекурсора по внешнему пути потока.
В одном варианте реализации барьер для потока образуется удерживающей газовой завесой и/или давлением удерживающего газа во внешнем пути потока. Они образуют надежные и гибкие варианты формирования барьера для потока. Газ, который образует удерживающую газовую завесу и/или давление, может также по меньшей мере частично образовать газосодержащий слой. С другой стороны или дополнительно, барьер для база образуется текучей структурой, которая присоединена к инжекторной головке для прекурсора. Предпочтительно такая текучая структура образована из текучей среды, которая может выдерживать температуру вплоть до 80°С, 200°С, 400°С и 600°С. Такие текучие среды относятся к известным специалистам в данной области техники.
В одном варианте реализации барьер для потока образуется проемом для потока между инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки и/или между инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью, которая тянется от поверхности подложки в плоскости поверхности подложки, причем ширина и длина проема для потока вдоль внешнего пути потока приспособлена для того, затруднить объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора. Предпочтительно такой проем для потока образует по меньшей мере часть внешнего пути потока. Предпочтительно ширина проема для потока определяется газосодержащим слоем. Хотя в этом варианте из пространства нанесения вдоль внешнего пути потока может вытекать небольшое количество газообразного прекурсора, он обеспечивает довольно несложный, но эффективный вариант формирования барьера для потока.
В одном варианте реализации пространство нанесения имеет протяженную форму в плоскости поверхности подложки. Размеры пространства нанесения в направлении поперек поверхности подложки могут быть значительно, например по меньшей мере в 5 раз или по меньшей мере в 50 раз меньше одного или более размеров пространства нанесения в плоскости поверхности подложки. Протяженная форма может быть плоской или криволинейной. Такая протяженная форма уменьшает объем газообразного прекурсора, который требуется ввести в пространство нанесения, повышая таким образом эффективность введенного газа. Это обеспечивает также сокращение времени, требующегося для заполнения и опорожнения пространства нанесения, повышая таким образом скорость осуществления всего процесса нанесения атомного слоя.
В одном варианте реализации пространство нанесения устройства образуется проемом нанесения между поверхностью подложки и инжекторной головкой для прекурсора, предпочтительно имеющим минимальную ширину менее 50 мкм, более предпочтительно меньше 15 мкм, например около 3 мкм. Проем для потока может иметь сходные размеры. Пространство нанесения, имеющее минимальную ширину меньше 50 мкм, образует довольно узкий проем, ведущий к довольно эффективному использованию газообразного прекурсора, одновременно избегая наложения жестких ограничений на отклонения в плоскости от поверхности подложки системы позиционирования, что обеспечивает относительное перемещение между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки. За счет этого система позиционирования может быть менее дорогостоящей. Минимальная ширина проема нанесения меньше 15 мкм дополнительно улучшает эффективное использование газообразного прекурсора.
Газосодержащий слой делает проем для потока и/или проем нанесения относительно небольшими, имеющими, например, минимальную толщину меньше 50 мкм или меньше 15 мкм, например, около 10 мкм или даже близко к 3 мкм.
В одном варианте реализации инжекторная головка для прекурсора содержит также сброс прекурсора и приспособлена для ввода газообразного прекурсора из системы подачи прекурсора через пространство нанесения до сброса прекурсора. Наличие сброса прекурсора обеспечивает возможность образования непрерывного потока через пространство нанесения. При непрерывном потоке могут быть исключены быстродействующие клапаны, регулирующие поток газообразного прекурсора. Предпочтительно расстояние от сброса прекурсора до системы подачи прекурсора фиксируется во время применения устройства. Предпочтительно в процессе применения сброс прекурсора и система подачи прекурсора оба обращены к поверхности подложки. Сброс прекурсора и/или система подачи прекурсора могут быть образованы отверстием сброса прекурсора и/или отверстием подачи прекурсора.
В одном варианте реализации устройство имеет идущий от сброса прекурсора путь отходящего потока, в котором в процессе применения барьер для потока и сопротивление потоку и/или давление газа вдоль пути отходящего потока приспособлены для того, чтобы по существу способствовать поддержке объемного расхода газообразного прекурсора вдоль пути отходящего потока по сравнению с объемным расходом газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока. Это уменьшает потери газообразного прекурсора во внешней среде. Газообразный прекурсор, который выходит из пространства нанесения через сброс, может улавливаться и повторно использоваться.
В одном варианте реализации устройство приспособлено для подачи по меньшей мере одного химически активного газа, например, газообразного окислителя, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционное пространство для осуществления реакции, например окисления прекурсора химически активным газом на по меньшей мере части поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой на по меньшей мере части поверхности подложки. Реакционное пространство может совпадать с пространством нанесения, но предпочтительно отделено от пространства нанесения. Такое отдельное реакционное пространство обеспечивает осуществление хорошо контролируемой реакции нанесенного прекурсора и предотвращает образование нежелательных частиц в пространстве нанесения, образованных прореагировавшим газообразным прекурсором.
Следует отметить, что использование плазмы для реакции с нанесенным прекурсором допускает осуществление реакции при относительно низкой температуре. Это может быть важно для пластиковых, возможно гибких, подложек. Кроме того, плазма может генерироваться при относительно широком диапазоне давлений. В результате использование плазмы для реакции с нанесенным прекурсором увеличивает технологическое окно устройства. Например, давление в газосодержащем слое и/или давление газообразного прекурсора в пространстве нанесения может быть выбрано в более широком диапазоне давления. Это может быть понятно, например, когда обнаруживается, что все давление плазмы, давление газообразного прекурсора и давление газосодержащего слоя могут повлиять на приближение инжектора прекурсора к поверхности подложки и/или держателю подложки. Поэтому вариант реализации, при котором устройство приспособлено для подачи плазмы в реакционное пространство для осуществления реакции, например, окисления, прекурсор с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора по меньшей мере на часть поверхности подложки с целью получить атомный слой на по меньшей мере части поверхности подложки, хорошо сочетается с вариантом реализации, при котором устройство дополнительно приспосабливается для относительного перемещения между инжекторной головкой для прекурсора и подложкой в плоскости, находящейся вне поверхности подложки, причем инжекторная головка для прекурсора дополнительно содержит газовый инжектор для ввода газа между инжекторной головкой прекурсора и поверхностью подложки, а газ образует таким образом газосодержащий слой.
Согласно первому аспекту изобретения предлагается устройство для нанесения атомного слоя на поверхность подложки, причем устройство включает в себя инжекторную головку для прекурсора, инжекторная головка для прекурсора содержит систему подачи прекурсора и пространство нанесения, которое в процессе использования ограничено инжекторной головкой прекурсора и поверхностью подложки, причем инжекторная головка для прекурсора приспособлена для ввода газообразного прекурсора из системы подачи прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью нанесения, где устройство приспособлено для относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки, где устройство приспособлено для подачи плазмы в реакционное пространство для осуществления реакции, например, окисления прекурсора с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора на части поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой на части поверхности подложки. Устройство согласно первому аспекту предпочтительно содержит реакционное пространство. Оно может использоваться для подачи плазмы в реакционное пространство для осуществления реакции газообразного прекурсора с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора на часть поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой на части поверхности подложки. Таким образом, с использованием устройства может контролируемым путем формироваться атомный слой. Более конкретно, устройство согласно этому первому аспекту допускает изящный путь нанесения атомного слоя на подложку. Кроме того, может быть очевидно, что из-за относительного перемещения реакционного пространства и подложки между собой и из-за того, что в определенный момент в реакцию вступает только часть подложки, может быть получен довольно равномерно нанесенный слой. Таким образом, в значительной степени могут быть предотвращены обычные проблемы, связанные с плазмой, которые выражаются в неоднородности по поверхности подложки. Кроме того, отмечается согласно этому первому аспекту возможность отказа от удерживающей структуры, хотя она может и присутствовать. Далее может быть очевидным, что предпочтительно реакционное пространство в процессе использования ограничивается инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки. В отношении существующих технических решений отмечается, что любое известное устройство для нанесения атомного слоя, имеющее реакционное пространство и приспособленное для подачи в реакционное пространство химически активного газа через диффузор, такой как пористый материал, не может использоваться для подачи плазмы в реакционное пространство, поскольку диффузор значительно уменьшит качество плазмы, такое как реакционную способность плазмы, например, реакционную способность послесвечения плазмы. Для преодоления этой проблемы в самых общих чертах устройство предпочтительно снабжается системой подачи реагента, в которой по существу отсутствуют препятствия для плазмы, вдуваемой через систему подачи реагента. Такие препятствия могут вступать в реакцию с плазмой. Таким образом плазма может подаваться в реакционное пространство при постоянном объеме плазмы.
Варианты реализации, рассмотренные ниже или выше, могут относиться к устройству, снабженному удерживающей структурой согласно изобретению, и могут относиться к устройству согласно первому аспекту.
В одном варианте реализации устройство снабжается головкой для нанесения атомного слоя, которая включает в себя систему подачи прекурсора, подачи реагента, пространство нанесения и реакционное пространство, устройство приспособлено для перемещения головки для нанесения атомного слоя и подложки относительно друг-друга в плоскости поверхности подложки. Такая головка для нанесения атомного слоя совмещает наложение и реакцию, например окисление или гидрогенизацию прекурсора. Перемещение пространства нанесения и подложки относительно друг-друга в этом варианте реализации может быть представлено перемещением относительно друг-друга головки для нанесения атомного слоя и подложки.
В одном варианте реализации устройство приспособлено для создания буферной газовой завесы рядом с пространством нанесения, где буферный газ по существу инертен относительно газообразного прекурсора, и величина расхода потока, направление потока и положение буферной газовой завесы приспособлены для того, чтобы по существу предотвращать смешивание газообразного прекурсора с другими газами кроме буферного газа. Такая буферная газовая завеса помогает предотвратить формирование нежелательных частиц, которые могут отлагаться на поверхности подложки. Предпочтительно буферная газовая завеса приспособлена для формирования удерживающей структуры. Газ, который образует буферную газовую завесу, может также формировать по меньшей мере часть газосодержащего слоя.
В одном варианте реализации сброс прекурсора образуется по меньшей мере одной щелью для сброса прекурсора. Эта по меньшей мере одна щель для сброса прекурсора и/или по меньшей мере одна щель для подачи прекурсора может содержать множество отверстий или же может содержать по меньшей мере одну прорезь. Использование щелей допускает эффективное нанесение атомного слоя на относительно большую поверхность подложки, или одновременное нанесение атомного слоя на множестве подложек, увеличивая таким образом производительность устройства. Предпочтительно расстояние от по меньшей мере одной щели сброса прекурсора до по меньшей мере одной щели подачи прекурсора значительно меньше, например меньше более чем в пять раз чем длина щели подачи прекурсора и/или щели сброса прекурсора. Это помогает сделать концентрацию газообразного прекурсора по существу постоянной вдоль пространства нанесения.
В одном варианте реализации устройство приспособлено для относительного перемещения между пространством нанесения подложкой в плоскости поверхности подложки за счет включения в него катушечной системы, приспособленной для перемещения подложки в плоскости поверхности подложки. Этот вариант реализации справедливо относится к основному преимуществу устройства, заключающемуся в наличии закрытого кожуха вокруг инжекторной головкой для прекурсора с созданием вакуума внутри него, и дополнительно также может быть исключен загрузочный шлюз для ввода подложки в закрытый кожух без нарушения вакуума внутри него. Катушечная система предпочтительно образует систему позиционирования.
Предпочтительно ижекторная головка для прекурсора снабжена выступающими частями, где при использовании газосодержащий слой образуется между выступающими частями и подложкой, и/или поверхностью держателя подложки в держателе подложки. Предпочтительно ширина одной из выступающих частей находится в диапазоне от 1 до 30 мм.
В одном варианте реализации толщина газосодержащего слоя меньше толщины пространства нанесения, измеренной в плоскости вне поверхности подложки.
В одном варианте реализации толщина газосодержащего слоя находится в диапазоне от 3 до 15 мкм, и/или толщина пространства нанесения вне плоскости подложки находится в диапазоне от 3 до 100 мкм.
Предпочтительно система подачи прекурсора образуется щелью, имеющей волнистую форму.
В одном варианте реализации подложка является ломкой или гибкой подложкой.
В одном варианте реализации подложка при использовании не поддерживается возле инжекторной головки для прекурсора.
В одном варианте реализации устройство приспособлено для подачи плазмы в реакционное отверстие для осуществления реакции, например, окисления прекурсора химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора по меньшей мере на часть поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой по меньшей мере на части поверхности подложки.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается устройство для нанесения атомного слоя на поверхность подложки, причем устройство включает в себя инжекторную головку для прекурсора, инжекторная головка для прекурсора содержит систему подачи прекурсора и пространство нанесения, которое в процессе использования ограничено инжекторной головкой прекурсора и поверхностью подложки, причем инжекторная головка для прекурсора приспособлена для ввода газообразного прекурсора из системы подачи прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью нанесения, где устройство приспособлено для относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки, где система подачи прекурсора образована щелью, имеющей волнистую форму. Такая форма допускает оптимизацию распределения давления по поверхности подложки. Такая оптимизация может быть важной для ломких или гибких подложек, в особенности в случае, если такие подложки не поддерживаются возле инжекторной головки для прекурсора. Например, путем использования волнистой щели можно предотвратить картину распределения по гибкой подложке, которая должна вызвать деформацию гибкой подложки согласно одной из ее натуральных мод. Использование прямых щелей может поэтому более легко привести к деформациям в гибкой подложке. Может быть ясно, что устройство согласно второму аспекту изобретения может сочетаться с одним или больше из вариантов реализации, описанных выше или ниже.
Далее изобретение предлагает способ нанесения атомного слоя на поверхность подложки с использованием устройства, включающего в себя инжекторную головку для прекурсора, причем инжекторная головка для прекурсора содержит систему подачи прекурсора и пространство нанесения, которое в процессе использования ограничено инжекторной головкой прекурсора и поверхностью подложки, а способ содержит операции: а) вдувания газообразного прекурсора из системы подачи прекурсора в пространство прекурсора для контакта с поверхностью подложки; b) установления относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки; и с) удерживания газообразного прекурсора в пространстве нанесения рядом с поверхностью подложки, чтобы получить пространство нанесения, которое при использовании ограничено инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки. Этот способ ведет к относительно эффективному использованию газообразного прекурсора.
В одном варианте реализации, когда устройство содержит реакционное пространство, способ содержит операцию: d) подачи по меньшей мере одного химически активного газа, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционном пространстве для осуществления реакции прекурсора с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора на по меньшей мере часть поверхности подложки для получения атомного слоя на по меньшей мере части поверхности подложки. Таким образом с использованием устройства можно контролируемым путем сформировать атомный слой.
В одном варианте реализации способ включает в себя получение газосодержащего слоя в проеме между инжекторной головкой прекурсора и поверхностью подложки. Это позволяет получить относительно небольшой, например, меньше 15 мкм, проем между инжекторной головкой для прекурсора и поверхностью подложки.
Далее изобретение будет описано не ограничивающим его образом со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1А показано устройство, в первом варианте реализации согласно изобретению, для нанесения атомного слоя на поверхность подложки;
на фиг.1В показан пример стороны инжекторной головки для прекурсора, обращенной при использовании к поверхности подложки;
на фиг.1С и 1D показаны примеры волнистой формы щели для подачи прекурсора и щели для сброса прекурсора;
на фиг.2 показана сторона инжекторной головки для прекурсора, обращенной при использовании к поверхности подложки;
на фиг.3 показано устройство в третьем варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.4 показана инжекторная головка для прекурсора в четвертом варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.5 показано устройство в пятом варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.6 показано устройство в шестом варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.7 показано устройство в седьмом варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.8А показана инжекторная головка для прекурсора возле стороны инжекторной головки для прекурсора, обращенная при использовании к поверхности подложки, сквозь инжекторную головку для прекурсора;
на фиг.8В показана инжекторная головка для прекурсора в поперечном разрезе;
на фиг.8С показана инжекторная головка для прекурсора в девятом варианте реализации согласно изобретению;
на фиг.9А показано относительное поступательное движение между подложкой и инжекторной головкой для прекурсора;
на фиг.9В показано вращательное движение подложки относительно инжектора прекурсора;
на фиг.9С показано комбинированное вращательное и поступательное движение множества подложек относительно множества инжекторных головок для прекурсора; и
на фиг.10 показано устройство в пятом варианте реализации согласно изобретению.
Одинаковые ссылочные позиции относятся на чертежах к одинаковым компонентам, если не оговорено иное.
На фиг.1А показано устройство 2 в первом варианте реализации согласно изобретению, предназначенное для нанесения атомного слоя на поверхность 4 подложки 6. Поверхность 4 может включать в себя бороздки 8, в частности, в случае использования подложки 6 для изготовления микросхем динамической оперативной памяти, хотя бороздки могут также отсутствовать. Бороздки 8, например, имеют глубину от 5 до 15 мкм и ширину от 100 до 300 нанометров, например 200 нм. Обычно плотность бороздок может составлять 1012 бороздок на квадратный метр. С помощью бороздок может быть достигнут коэффициент умножения поверхности, обычно находящийся в диапазоне от пяти до десяти. Подложка 6 является, например, полупроводниковой подложкой, выполненной из кремния или другого полупроводникового материала. Устройство 2 включает в себя инжекторную головку для прекурсора 10. Инжекторная головка 10 для прекурсора содержит систему подачи 12 прекурсора и пространство 14 нанесения. Пространство 14 нанесения при использовании ограничивается инжекторной головкой 10 для прекурсора и поверхностью 4 подложки.
Инжекторная головка 10 для прекурсора приспособлена для инжекции газообразного прекурсора из системы 12 подачи прекурсора в пространство 14 нанесения для контакта с поверхностью 4 подложки. Газообразный прекурсор может, например, содержать хлорид гафния (HfCl4), но может также держать другой материал прекурсора, например тетракис-(этил-метил-амино) гафний или триметилалюминий (Al(CH3)3). Газообразный прекурсор может вводиться вместе с несущим газом, таким как газообразный азот или газообразный аргон. Концентрация газообразного прекурсора в несущем газе может обычно составлять от 0,01 до 1 объемного %. При использовании, давление газообразного прекурсора в пространстве 14 нанесения может обычно составлять от 0,1 до 1 миллибара, но может также быть близким к атмосферному давлению, или значительно превышать атмосферное давление. Инжекторная головка для прекурсора может быть снабжена нагревателем для установления в пространстве 14 нанесения повышенной температуры, например, около 220°С.
Устройство 2 приспособлено для относительного перемещения между пространством 14 нанесения и подложкой 6 в плоскости поверхности 4 подложки. Устройство 2 может быть приспособлено для относительного перемещения между системой 12 подачи прекурсора и подложкой 6 в плоскости поверхности 4 подложки. Для относительного перемещения в плоскости поверхности подложки устройство в целом может включать в себя систему позиционирования, которая приспособлена для перемещения по меньшей мере одного из числа пространства нанесения и подложки относительно другого из числа пространства нанесения и подложки, с поступательным движением и/или вращательным движением. Пример системы позиционирования и различные примеры относительного перемещения в плоскости подложки будут проиллюстрированы со ссылкой на фиг.9А, 9В, 9С и/или 10. В первом варианте реализации инжекторная головка 10 для прекурсора при использовании остается по существу неподвижной в плоскости поверхности 4 подложки, в то время как система позиционирования приспособлена для перемещения подложки 6 в направлении, обозначенном стрелкой 15. Для наложения пакета слоев система позиционирования может быть приспособлена для перемещения подложки 6 назад, в направлении, противоположном указанному стрелкой 15. Однако ясно, что в других вариантах реализации в устройстве может отсутствовать система позиционирования.
В целом система позиционирования может включать в себя держатель 16 подложки для подложки 6, который приспособлен для поддержки подложки 6. Держатель 16 подложки может перемещаться вместе с подложкой, как показано на фиг.1А. В этом случае система позиционирования может быть приспособлена для перемещения по меньшей мере одного элемента из числа системы подачи прекурсора 12 и держателя 16 подложки относительно другого элемента из числа системы 12 подачи прекурсора и держателя 16 подложки. В первом варианте реализации держатель 16 подложки может быть снабжен выемкой 18, предназначенной для помещения подложки 6. Поверхность 20 держателя подложки в держателе 16 подложки может находиться на одном уровне в пределах нескольких микронов с поверхностью 4 подложки. С другой стороны, поверхность 4 подложки может быть заглублена относительно поверхности 20 держателя подложки.
Устройство 2 по первому варианту реализации снабжено удерживающей структурой, приспособленной для удерживания введенного газообразного прекурсора в пространстве 14 нанесения, прилегающем к поверхности подложки 4. При использовании, газообразный прекурсор может не проходить через воображаемую плоскость 21 вдоль поверхности 4 подложки и поверхности 20 держателя подложки. Удерживающая структура может быть образована барьером для потока газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока. Внешний путь потока в этом примере обозначен стрелками 22. Внешний путь 22 потока размещается при использовании между инжекторной головкой для прекурсора 10 и поверхностью подложки 4 в направлении внешней среды 24, расположенной, например, вне пространства нанесения 14 и/или вне инжекторной головки для прекурсора 10. С другой стороны или дополнительно, внешний путь 22 потока размещается при использовании между инжекторной головкой для прекурсора 10 и поверхностью 20 держателя подложки, которая идет от поверхности подложки 4 в плоскости поверхности подложки 4. В этом примере барьер для потока образуется разрывом в потоке 26 между инжекторной головкой для прекурсора 10 и поверхностью подложки 4. С другой стороны, или дополнительно, барьер для потока образуется инжекторной головкой для прекурсора 10 и поверхностью держателя подложки 20, которая отходит от поверхности подложки 4 в плоскости поверхности подложки 4. Таким образом объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути 22 потока может быть в значительной степени затруднен по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора через систему 12 подачи прекурсора, например, во время заполнения пространства 14 нанесения, или во время работы в установившемся режиме. Давление газообразного прекурсора в пространстве 14 нанесения, которое может быть достигнуто таким образом, повышает скорость нанесения газообразного прекурсора на поверхность подложки. Хотя в общем это дает преимущество, это особенно ценно для нанесения атомного слоя внутри бороздок 8, поскольку нанесение внутри таких бороздок требует больше времени, чем нанесения на совершенно плоской поверхности.
Ширина и длина разрыва в потоке 26 вдоль внешнего пути потока могут быть по существу приспособлены для практического затруднения объемного расхода газообразного прекурсора вдоль внешнего пути потока по сравнению с объемным расходом введенного газообразного прекурсора. Обычная ширина разрыва в потоке находится в диапазоне от 3 до 50 мкм, предпочтительно меньше 15 мкм.
При использовании, пространство 14 нанесения может иметь протяженную форму в плоскости поверхности 4 подложки. Это может означать, что протяженность пространства 14 нанесения в направлении, поперечном поверхности подложки, значительно, например, по меньшей мере в 10 раз или по меньшей мере в 100 раз, меньше протяженности пространства 14 нанесения в плоскости поверхности подложки. При использовании, пространство нанесения устройства может быть образовано проемом 28 нанесения между поверхностью 4 подложки и инжекторной головкой 10 для прекурсора. Проем нанесения предпочтительно имеет минимальную ширину меньше 50 мкм, и более предпочтительно меньше 15 мкм.
Такие значения разрыва в потоке и/или в проеме нанесения могут быть получены путем формирования газосодержащего слоя, дополнительно проиллюстрированного со ссылкой на фиг.4-8.
В целом размеры пространства 14 нанесения вдоль поверхности подложки в направлении относительного перемещения, причем это направление в первом варианте реализации обозначено стрелкой 15, могут в процессе применения быть значительно меньше, чем размеры поверхности 4 подложки в направлении относительного перемещения в плоскости поверхности 4 подложки. Размеры пространства нанесения могут, например, по меньшей мере в два, пять и/или десять раз меньше чем размеры подложки. Это допускает нанесение газообразного прекурсора на отдельные участки на поверхности подложки.
В устройстве 2 согласно первому варианту реализации инжекторная головка 10 для прекурсора содержит также сброс 30 прекурсора, в этом примере два сброса 30 прекурсора. Инжекторная головка 10 для прекурсора может быть приспособлена для инжекции газообразного прекурсора из системы 12 подачи прекурсора через пространство 14 нанесения к сбросам 30 прекурсора. Устройство может иметь идущий от сбросов прекурсора путь отходящего потока, обозначенный стрелками 32, в этом примере для пути 32 отходящего потока. При использовании барьер 26 для потока и/или сопротивление потоку и/или давление газа вдоль пути 32 отходящего потока приспособлены для того, чтобы по существу облегчить объемный расход газообразного прекурсора вдоль внешнего пути 22 потока. Главное преимущество сброса прекурсора заключается в том, что он может быть использован для улавливания неиспользованного газообразного прекурсора для повторного использования. Кроме того, наличие сброса прекурсора допускает улучшенный контроль выхода газообразного прекурсора из пространства 14 нанесения. При использовании, типичное значение объемного расхода газообразного прекурсора вдоль внешнего пути 22 потока может быть в диапазоне от 500 до 3000 ст.куб.см/мин (стандартных кубических сантиметров в минуту).
В общем, устройство 2 может быть приспособлено для подачи по меньшей мере одного средства из числа химически активного газа, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционное пространство 36 для осуществления реакции с прекурсором после нанесения газообразного прекурсора на по меньшей мере часть поверхности 4 подложки. Таким образом, например, может быть обеспечено плазмостимулированное атомарное лазерное нанесение. Плазмостимулированное атомарное лазерное нанесение особенно подходит для нанесения слоев low-k оксида алюминия (Al2O3) высокого качества, например, для изготовления полупроводниковых продуктов, таких как микросхемы и солнечные элементы. Химически активный газ содержит, например, окислительный газ, такой как кислород (О2), озон (О3) и/или воду (Н2О).
После реакции, атомный слой 37 может быть получен по меньшей мере на части поверхности 4 подложки. В первом варианте реализации инжекторная головка 10 для прекурсора снабжена системой 38 подачи реагента. Инжекторная головка 10 для прекурсора может быть приспособлена для инжекции химически активного газа из системы 38 подачи реагента в реакционное пространство 36 для контакта с поверхностью 4 подложки. Кроме того, инжекторная головка 10 для прекурсора содержит также сброс 40 реагента, в данном примере два сброса 40 реагента. Инжекторная головка 10 для прекурсора может быть приспособлена для инжекции газообразного прекурсора из системы 38 подачи реагента через реакционное пространство 36 к сбросам 40 для реагентов.
Описанная таким образом инжекторная головка 10 для прекурсора образует пример, возможно части, головки 41 нанесения атомного слоя. В этом примере, головка нанесения атомного слоя включает в себя систему 12 подачи прекурсора, систему 38 подачи реагента, пространство 14 нанесения и реакционное пространство 36. Устройство 2 может включать в себя головку нанесения атомного слоя, и может быть приспособлено для относительного перемещения между головкой 41 нанесения атомного слоя и подложкой в плоскости поверхности подложки.
На фиг.1В показан пример со стороны, обозначенной позицией 42 на фиг.1А, инжекторной головки 10 для прекурсора, обращенной при использовании к поверхности 4 подложки. На фиг.1В показана система 12 подачи прекурсора, сбросы 30 прекурсора, система 38 подачи реагента и сбросы 40 реагента. В этом примере система 12 подачи прекурсора и сброс 30 прекурсора образуются продольными пазами, где продольные пазы являются примерами соответственно щели 12 подачи прекурсора и щели 30 сброса прекурсора. С другой стороны, щель 12 подачи прекурсора и щель 30 сброса прекурсора могут также иметь форму совокупности отверстий, возможно соединенных между собой. Аналогичным образом, в этом примере сбросы 30 прекурсора и сбросы 40 реагента образуются продольными пазами.
В примере процесса нанесения атомного слоя могут быть обозначены различные этапы. На первом этапе поверхность подложки открыта для газообразного прекурсора, например, тетрахлорида гафния. Нанесение газообразного прекурсора обычно прекращается, если поверхность 4 подложки полностью занята молекулами газообразного прекурсора. На втором этапе пространство 14 нанесения продувают продувочным газом и/или освобождают пространство 14 нанесения с использованием вакуума. Таким образом могут быть удалены избыточные молекулы прекурсора. Продувочный газ предпочтительно является инертным относительно газообразного прекурсора. На третьем этапе молекулы прекурсора подвергаются воздействию химически активного газа, например окислителя, например, водяного пара (Н2О). Благодаря реакции реагента с нанесенными молекулами прекурсора формируется атомный слой, например, оксид гафния (HfO2). Этот материал может быть использован как подзатворный оксид в новом поколении транзисторов. На четвертом этапе реакционное пространство 36 продувают с целью удаления избыточных молекул реагента.
Устройство 2 в первом варианте реализации приспособлено для осуществления первого и второго этапов. В общем может быть ясно, что из-за того, что для нанесения и осуществления реакции используются отдельные пространства, они могут оставаться заполненными во время использования устройства, например, тогда, когда множество подложек получают атомный слой или тогда, когда несколько атомных слоев наносятся на одну или больше подложек. Таким образом, такие условия как температура, давление газообразного прекурсора и/или длительность воздействия на поверхность газообразного прекурсора могут быть заданы более точно по сравнению с ситуацией, при которой одна камера образует и пространство нанесения, и реакционное пространство. Возникновение переходных состояний в давлении газообразного прекурсора может быть уменьшено. Кроме того, может быть исключена продувка пространства нанесения для замены газообразного прекурсора химически активным газом. Это значительно повышает скорость процесса нанесения атомного слоя.
На фиг.1В показана щель 12 подачи прекурсора и щели 30 сброса прекурсора, имеющие довольно прямую форму. Однако может быть ясно, что в общем одна или больше из этих щелей и другие щели могут иметь волнистую форму в качестве альтернативы или добавления к скорее прямой форме. На фиг.1С и 1D показаны примеры волнистой формы для щели 12 подачи прекурсора и щели 30 сброса прекурсора. Эти варианты допускают оптимизацию распределения давления на поверхности 4 подложки. Такая оптимизация может быть важна для ломких или гибких подложек, в особенности в случае, если подложки не имеют опоры возле инжекторной головки 10 для прекурсора.
На фиг.2 показана сторона 42 инжекторной головки 10 для прекурсора, которая в процессе применения обращена к поверхности 4 подложки, во втором варианте реализации устройства согласно изобретению. Во втором варианте реализации инжекторная головка 10 для прекурсора снабжена системой 12 подачи прекурсора, сбросами 30 прекурсора, системой 38 подачи реагента и сбросами 40 реагента. Кроме того, инжекторная головка 10 для прекурсора во втором варианте реализации снабжена по меньшей мере одной, в этом примере N+3, дополнительной системой 44 подачи прекурсора. Из этих N+3 систем подачи прекурсора три дополнительных системы подачи прекурсора начерчены на фиг.2, в то время как N дополнительных систем 44 подачи прекурсора обозначены двойной стрелкой 45. Дополнительные системы 44 подачи прекурсора сходны с системой 12 подачи прекурсора, N может равняться любому целому числу, включая ноль, например 1, 5, 10 или 50. Аналогичным образом инжекторная головка 10 для прекурсора может быть снабжена по меньшей мере одним дополнительным сбросом 46 прекурсора и/или по меньшей мере одним дополнительным пространством нанесения, будучи сходной с соответственно сбросом 12 прекурсора и/или пространством 14 нанесения.
В целом инжекторная головка для прекурсора, будучи снабжена по меньшей мере одной дополнительной схемой подачи прекурсора, по меньшей мере одним дополнительным сбросом прекурсора и/или по меньшей мере одним дополнительным пространством нанесения, сходными соответственно со схемой подачи прекурсора, схемой сброса прекурсора и/или пространством нанесения, предоставляет возможность нанесения по меньшей мере двух атомных слоев без изменения направления относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки. Кроме того, и при поступательном, и при круговом движении по меньшей мере одна дополнительная схема подачи прекурсора с возможно по меньшей мере одним сбросом прекурсора и по меньшей мере одним пространством нанесения увеличивает возможности для узорчатого нанесения атомного слоя с использованием устройства. Например, различные прекурсорные материалы могут быть узорчатым образом нанесены в плоскости поверхности подложки или вне плоскости поверхности подложки. Последнее относится к примеру пакета монослоев с взаимно различающимся химическим составом.
На фиг.3 показано устройство 2 в третьем варианте реализации согласно изобретению. В этом варианте реализации барьер для потока образован удерживающей газовой завесой 48 в пути 22 потока. Удерживающая газовая завеса образуется газом, который вытекает из системы 50 подачи удерживающего газа, и выпускается через сбросы 52 удерживающего газа, причем система подачи удерживающего газа помещается между сбросами 52 удерживающего газа. С другой стороны, только один сброс 52 удерживающего газа может работать вместе с системой 50 подачи удерживающего газа. Поток удерживающей газовой завесы обозначен стрелками 53. С другой стороны или дополнительно, к газовой завесе барьер для потока может быть создан давлением удерживающего газа. Давление удерживающего газа может быть обеспечено удерживающей газовой завесой, но может также быть обеспечено газом, продуваемым вдоль разрыва в потоке 26 в направлении пространства 14 нанесения. В общем устройство 2 приспособлено для регулирования давления удерживающего газа в системе 50 подачи удерживающего газа относительно общего давления газа в системе 12 подачи газа, например, для установки этих давлений равными друг другу. Таким образом может быть в значительно мере предотвращена утечка газообразного прекурсора через сброс 52 удерживающего газа. Общее давление газа может быть образовано давлением газообразного прекурсора и давлением несущего газа.
Путем подачи буферного газа, например, азота (N2) в удерживающую газовую завесу 48 устройство 2 согласно фиг.3 приспособлено для создания буферной газовой завесы, прилегающей к пространству 14 нанесения, в которой буферный газ по существу инертен относительно газообразного прекурсора. Величина расхода, направление потока и положение буферной газовой завесы 48 могут быть приспособлены для того, чтобы по существу предотвращать смешивание газообразного прекурсора с иными, чем буферный газ, газами. Удерживающая газовая завеса создает таким образом буферное пространство 54 между пространством 14 нанесения и реакционным пространством 36. Однако такая функция буферизации между пространством 14 нанесения и реакционным пространством 36 может отсутствовать, и газовая завеса 48 может обладать только удерживающим воздействием на газообразный прекурсор. В частности, это существенно в случае реакции с использованием иных средств чем использование химически активного газа, например, путем использования возбужденного лазером излучения и/или ультрафиолетовой радиации.
В целом путем применения удерживающей газовой завесы и/или буферной газовой завесы может быть удален избыточный газообразный прекурсор и/или избыточный химически активный газ.
На фиг.4 показана инжекторная головка 10 для прекурсора в четвертом варианте реализации устройства 2 согласно изобретению. Четвертый вариант реализации представляет базовый вариант устройства 2. Инжекторная головка 10 для прекурсора в этом варианте содержит систему 12 подачи прекурсора и пространство 14 нанесения. Барьер для потока и удерживающая структура могут быть образованы разрывом в потоке 26. Ширина D разрыва в потоке 26 обычно равна 10 мкм. Длина L1 от системы 24 подачи прекурсора до внешней среды может обычно составлять от 1 до 10 миллиметров.
Устройство 2 в четвертом варианте реализации дополнительно приспособлено для относительного перемещения между инжекторной головкой 10 для прекурсора и подложкой 6 в плоскости вне поверхности подложки 4, например, поперечной к поверхности 4 подложки. Относительное перемещение в плоскости вне поверхности подложки в процессе использования может зависеть от давления газа между поверхностью 4 подложки и инжекторной головкой 10 для прекурсора и/или между инжекторной головкой 10 для прекурсора и держателем 16 подложки, механически скрепленным с подложкой 6, так что газ образует таким образом газосодержащий барьер 55. Держатель 16 подложки может быть механически скреплен с подложкой 6, например, за счет небольшого разрежения или силы тяжести.
Инжекторная головка 10 для прекурсора может содержать инжектор газа, предназначенный для инжекции газа между инжекторной головкой для инжектора и поверхностью подложки, когда газ образует таким образом газосодержащий слой 55. В этом варианте реализации инжектор газа включает в себя систему 12 подачи прекурсора. В этом примере несущий газ образуется газообразным прекурсором и транспортирующим газом. В целом такой газосодержащий слой 55 подходит для достижения значения ширины D разрыва в потоке 26, которая меньше 50 мкм, предпочтительно меньше 15 мкм. Разрыв в потоке, имеющий в процессе использования минимальную ширину, которая меньше 15 мкм, полученный посредством газосодержащего слоя или другими средствами, обеспечивает формирование качественной удерживающей структуры для газообразного прекурсора. В целом, в результате присутствия газосодержащего слоя инжекторная головка 10 для прекурсора может плавать в направлении, поперечном относительно поверхности 4 подложки.
В общем газосодержащий слой 55 оказывает поразительное влияние, заключающееся в том, что введенный газообразный прекурсор может быть по существу ограничен пространством нанесения без необходимости иметь камеру для газообразного прекурсора, образованную стенками, идущими от стороны 42 инжекторной головки прекурсора в направлении, поперечном относительно стороны 42. Хотя и необязательно, но такие стенки могут иметься в инжекторной головке 10 для прекурсора. Однако отмечено, что такие стенки могут быть неудобными, поскольку они увеличивают количество газообразного прекурсора, которое требуется вдувать для заполнения пространства нанесения. Кроме того, стенки не позволяют остаточной части стороны 42 приблизиться, например, в пределах расстояния 50 мкм, к поверхности 4 подложки, препятствуя таким образом образованию газосодержащего слоя. Пример устройства, имеющего такие стенки, можно найти в WO 2007/126585, в котором устройство не имеет также, в процессе использования, приспособления для удерживания газообразного прекурсора в пространстве нанесения рядом с поверхностью подложки.
На фиг.5 показано устройство 2 в пятом варианте реализации согласно изобретению, имеющее инжекторную головку 10 для прекурсора. Инжекторная головка 10 для прекурсора в этом варианте реализации содержит систему 12 подачи прекурсора, сбросы 30 прекурсора и пространство 14 нанесения. Поток введенного газообразного прекурсора, частично идущий вдоль пути 32 отходящего потока, обозначен стрелками 56. Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать инжектор газа, в этом случае инжектор несущего газа, предназначенный для создания газосодержащего слоя 55. Инжектор несущего газа может быть отделен от системы 12 подачи прекурсора и может быть снабжен системой 57 подачи несущего газа, в этом примере двумя системами 57 подачи газа. В этом примере несущий газ в процессе использования вытекает во внешнюю среду 24 или в направлении и через сбросы 30 прекурсора. Поток несущего газа обозначается стрелками 59.
В целом противодействие силе, приложенной в процессе использования к стороне 42 инжекторной головки 10 прекурсора несущим газом в газосодержащем слое 55, может быть обеспечено весом инжекторной головки 10 для прекурсора. Однако устройство может быть приспособлено для приложения при использовании дополнительного усилия к инжекторной головке 10 для прекурсора в направлении, поперечном относительно стороны 42. Дополнительное усилие может быть направлено к поверхности подложки. В этом случае дополнительное усилие образует усилие предварительного напряжения в газосодержащем слое. Кроме того, дополнительное усилие может быть направлено от поверхности подложки. Рама, которая механически соединяется, например, с помощью упругого элемента типа пружины, с инжекторной головкой 10 для прекурсора, может использоваться для приложения дополнительного усилия.
Инжекторная головка 10 для прекурсора может быть снабжена выступающими частями 60. Газосодержащий слой в процессе применения образуется, например, между выступающими частями 60 и подложкой 6 и/или поверхностью 20 держателя подложки в держателе 16 подложки. Расстояние С1 между сбросами 30 прекурсора может находиться обычно в пределах от 1 до 10 миллиметров, что является также типичной длиной пространства 14 нанесения в плоскости подложки 6. Типичная толщина газосодержащего слоя, обозначенная как D1, может находиться в пределах от 3 до 15 мкм. Типичная ширина С2 выступающей части 60 может находиться в пределах от 1 до 30 мкм. Типичная толщина D2 пространства 14 нанесения вне плоскости подложки 6 может находиться в пределах от 3 до 100 мкм. Все они считаются эффективными значениями. Такая эффективность вытекает, например, из возможности задать толщину D2 пространства нанесения отличающейся от толщины D1 газосодержащего слоя. Это допускает получение более эффективных настроек процесса. В результате, например, объемный расход прекурсора, введенного из системы 12 подачи в пространство 14 нанесения, может быть выше объемного расхода несущего газа в газосодержащем слое, в то время как давление, требующееся для инжекции газообразного прекурсора, может быть меньше, чем давление, требующееся для инжекции несущего газа в газосодержащий слой. Таким образом можно будет предположить что, как показано на фиг.5, 6 и 7, толщина D1 газосодержащего слоя может в общем быть меньше толщины D2 пространства 14 нанесения, измеренная в плоскости вне поверхности подложки.
В самых общих чертах, т.е. в отношении такой эффективности, автор изобретения обнаружил, что падение давления Δр, связанное с ламинарным газовым потоком (при плотности ρ и вязкости μ) в канале с толщиной канала Dс, длиной L и шириной W, выражается формулой:
где Dh [m] является гидравлическим диаметром канала, который выражается формулой:
Ширину канала W измеряют в направлении, поперечном относительно взаимно поперечных направлений толщины канала Dc и длины L. Канал, например, образуется разрывом 26 в потоке, как показано, например, на фиг.4. Далее, длина L канала может быть равна по меньшей мере части длины L1 от системы подачи прекурсора до внешней среды 24 и/или толщина Dc может равняться толщине D разрыва 26 в потоке. В качестве другого примера, длина L канала может равняться по меньшей мере части ширины С2 выступающей части 60, показанной на фиг.5-7, и/или толщина Dc может равняться толщине D1 газосодержащего слоя 55, показанного на фиг.5-7. Более того, канал, например, образуется пространством 14 нанесения. Далее, длина L может равняться по меньшей мере части ширины пространства 14 нанесения, будучи сходной, например, с по меньшей мере частью расстояния С1 между сбросами 30 прекурсора, как показано на фиг.5-7, и/или толщина Dc может равняться толщине D2 пространства 14 нанесения, как показано на фиг.5-7. Другой пример канала может быть реакционным пространством 36. При условии, что W>>L>>Dc, что может быть разумным допущением для разрыва 26 в потоке, для пространства 14 нанесения и/или реакционного пространства 36, это можно легко упростить до:
Dh≈2Dc [m]
Re [-] является числом Рейнольдса канала, определяемым формулой:
V [м/сек] является скоростью газа в канале, которая может быть выражена формулой:
Φ [м3/сек] означает суммарный объемный расход газа. Подстановка ведет к следующему падению давления, выраженному расходом Φ и толщиной канала Dс:
Таким образом, падение давления пропорционально толщине канала мощности 3. Для того, чтобы избежать появления высокого давления в системе доставки газа, а также, как избежать больших градиентов давления в канале из-за трения (и в равной мере нежелательных эффектов сжимаемости и расширения газа), отношение падения давления к абсолютному давлению предпочтительно отвечает следующим требованиям:
Предполагая, что нанесение происходит при близком к атмосферному давлении (р ~105 Па или 1 бар) падение давления должно предпочтительно быть меньше чем ~2·104 Па. При типичном расходе в пределах 5·10-4-2·10-3 м3/сек на метр ширины канала и типичном расстоянии L=5 мм, например, равном расстоянию от системы подачи прекурсора до сброса прекурсора, толщина канала Dc, например, толщина D2 пространства нанесения 14, должны быть предпочтительно больше 25-40 мкм. Однако функциональные возможности переноса газа предпочтительно требуют гораздо меньших расстояний от инжекторной головки для прекурсора до подложки, обычно порядка 5 мкм, чтобы удовлетворять важным требованиям в отношении жесткости и разделения газа и для того, чтобы свести к минимуму количество требующегося несущего газа. Однако толщина D2 в пространстве 14 нанесения, составляющая 5 мкм, может, при упомянутых выше условиях технологического процесса, привести к неприемлемо большому падению давления, равному приблизительно 20 бар. Таким образом, предпочтительно требуется конструкция устройства 2 с различной толщиной газосодержащего слоя (т.е. толщиной D1) и пространства нанесения (т.е. толщиной D2). Для плоских подложек, например, кремниевых пластин - или пластин, содержащих большое количество бороздок 8 с малым отношением сторон (т.е. неглубоких), имеющих отношение сторон А (т.е. глубину бороздки, разделенную на ширину бороздки) ≤10 - скорость осуществления процесса зависит от расхода прекурсора (кг/сек): чем выше расход прекурсора, тем короче длительность насыщения.
Для пластин, содержащих большое количество бороздок с большим отношением сторон (т.е. узких и глубоких) А≥50, скорость осуществления процесса может зависеть от расхода прекурсора и от парциального давления прекурсора. В обоих случаях скорость процесса может по существу не зависеть от общего давления пространства 14 нанесения. Хотя скорость осуществления может (почти) не зависеть от общего давления в пространстве 14 нанесения, общее давление в пространстве 14 нанесения, близкое к атмосферному давлению, может быть благоприятным по следующим причинам:
1. При давлении ниже атмосферного скорость газа vg в пространстве 14 нанесения требуется увеличить, вызывая нежелательно сильное падение давления вдоль пространства 14 нанесения.
2. При более низком давлении увеличение скорости газа vg ведет к сокращению длительности пребывания газа в пространстве 14 нанесения, что оказывает отрицательное влияние на выход годного.
3. При более низком давлении ограничение протечки прекурсора из пространства 14 нанесения через газосодержащий слой является менее эффективным.
4. При более низком давлении могут потребоваться дорогостоящие вакуумные насосы.
Нижний предел скорости газа vg в пространстве 14 нанесения может определяться поперечной скоростью подложки vs: в целом, для того чтобы предотвратить асимметричный режим потока в пространстве 14 нанесения, должно предпочтительно удовлетворяться следующее условие:
vg>>vs
Это условие предлагает предпочтительное верхнее значение толщины D, D2 реакционного пространства 36. За счет соблюдения по меньшей мере одного, а предпочтительно всех требований, упомянутых выше, получается система нанесения атомного слоя (ALD -Atomic layer deposition) для быстрого непрерывного нанесения атомного слоя на плоские пластины, содержащие большое количество бороздок с большим отношением сторон.
Устройство 2 может включать в себя регулятор 103 давления в пространстве нанесения, предназначенный для регулирования суммарного давления в пространстве 14 нанесения. Устройство 2 может также содержать регулятор 105 давления в газосодержащем слое, предназначенный для регулирования давления в газосодержащем слое. Регулятор 103 давления в пространстве нанесения может быть приспособлен для приложения усилия предварительного напряжения путем установки суммарного давления в пространстве 14 нанесения, например, установки суммарного давления ниже атмосферного давления, предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 10 миллибар. Регулятор 105 давления в газосодержащем слое может быть приспособлен для приложения давления в газосодержащем слое, по существу превышающего суммарное давление в пространстве нанесения.
На фиг.6 показано устройство 2 в шестом варианте реализации согласно изобретению. Устройство 2 в этом варианте реализации включает в себя инжекторную головку 10 для прекурсора, содержащую систему 12 подачи прекурсора, сброс 30 прекурсора и пространство 14 нанесения. Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать систему 38 подачи реагента, сбросы 40 реагента и реакционное пространство 36.
Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать дополнительную систему 44 подачи прекурсора, дополнительные сбросы 46 прекурсора и дополнительное пространство 61 нанесения. Дополнительная система 44 подачи прекурсора может использоваться для подачи иного газообразного прекурсора, чем поступающий из системы 12 подачи прекурсора, допуская таким образом наложение пакета слоев различного состава.
В инжекторной головке 10 для прекурсора согласно шестому варианту реализации система 57 подачи несущего газа образует систему 50 подачи удерживающего газа. Газосодержащий слой может образовать удерживающую структуру и/или барьер для потока. Такое сочетание улучшает компактность инжекторной головки 10. В результате буферное пространство 54 по меньшей мере частично перекрывает газосодержащий слой 55.
В этом варианте реализации газосодержащий слой может рассматриваться как приспособленный для создания удерживающей газовой завесы и/или удерживающего давления во внешнем пути потока. Газосодержащий слой может в процессе использования определять значение разрыва в потоке.
В процессе использования общее давление газа в пространстве 14 нанесения может отличаться от общего давления газа в дополнительном пространстве 61 нанесения и/или от общего давления газа в реакционном пространстве 36. Общее давление газа в пространстве 14 нанесения и/или общее давление газа в дополнительном пространстве 61 нанесения может находиться в пределах, от 0,2 до 3 бар, например, 0,5 бар или 2 бара. Такие значения давления могут быть выбраны на основании свойств прекурсора, например, летучести прекурсора. Кроме того, устройство может быть приспособлено для уравновешивания давления несущего газа и общего давления газа в пространстве нанесения для того, чтобы свести к минимуму вытекание газообразного прекурсора из пространства нанесения.
На фиг.7 показано устройство 2 в седьмом варианте реализации согласно изобретению. Устройство 2 в этом варианте реализации включает в себя инжекторную головку 10 для прекурсора, содержащую систему 12 подачи прекурсора, сброс 30 прекурсора и пространство 14 нанесения. Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать систему 38 подачи реагента, сбросы 40 реагента и реакционное пространство 36. Поток газообразного прекурсора в процессе применения этого варианта реализации обозначается стрелками 56, в то время как поток химически активного газа в процессе применения обозначается стрелками 65.
Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать системы 57 подачи несущего газа. Кроме того, инжекторная головка 10 для прекурсора может быть снабжена сбросами 66 несущего газа, дополнительно обеспечивая регулирование несущего газа. Поток несущего газа после инжекции обозначается стрелками 59. Инжекторная головка 10 для прекурсора может также содержать систему 50 подачи удерживающего газа и сбросы 52 удерживающего газа, в этом примере применяемые для инжекции буферного газа. Поток буферного газа обозначается стрелками 53. Наличие отдельных систем продувки для установления газосодержащего слоя 55 и установления буферного пространства 54 обеспечивает улучшенный контроль процесса.
Может быть ясно, что в вариантах реализации, показанных на фиг.5-7, выступающие части 60 снабжены системами 57 подачи несущего газа.
На фиг.8А и 8В показана инжекторная головка 10 для прекурсора по восьмому варианту реализации согласно изобретения. На фиг.8А показана инжекторная головка 10 для прекурсора возле боковой стороны инжекторной головки 10 для прекурсора, которая в процессе применения обращена к поверхности 4 подложки, если смотреть сквозь инжекторную головку 10 прекурсора. На фиг.8В показана инжекторная головка 10 для прекурсора в поперечном разрезе по линии А-А', обозначенной на фиг.8А. Инжекторная головка 10 для прекурсора может включать в себя щель подачи прекурсора и щель 30 сброса прекурсора. Кроме того, щель для прекурсора может включать в себя щель 57 подачи несущего газа. Щель подачи несущего газа в этом варианте реализации приспособлена для применения удерживающей структуры, образуемой газосодержащим слоем, вокруг щели 57 подачи прекурсора. Удерживающая структура, в этом примере газосодержащий слой, может проходить вокруг концов 80 щели 12 подачи прекурсора. В результате, удерживание газообразного прекурсора в пространстве 14 нанесения не нарушается возле концов 80 и 82 щели 12 подачи прекурсора.
Инжекторная головка 10 для прекурсора включает также в себя щель 38 подачи реагента и щель 40 сброса реагента. Удерживающая структура, в этом примере - газосодержащий слой, может проходить вокруг концов 82 щели 38 подачи реагента.
Инжекторная головка 10 в этом варианте реализации может быть приспособлена для пропуска газообразного прекурсора в направлении 84, поперечном к продольном направлению 86 щели 12 подачи прекурсора.
В целом, инжекторная головка 10 для прекурсора, предпочтительно измеряемая вдоль щели 12 подачи прекурсора, может иметь большие размеры, такие, как диаметр, подложки 6. Это допускает нанесение атомного слоя на всю поверхность 4 подложки 6.
На фиг.8С показана инжекторная головка 10 для прекурсора по девятому варианту реализации согласно изобретению. Аналогично фиг.8А, на фиг.8С показана инжекторная головка 10 для прекурсора возле боковой стороны 42 инжекторной головки 10 для прекурсора, которая в процессе применения обращена к поверхности 4 подложки, если смотреть сквозь инжекторную головку 10 прекурсора. В целом, инжекторная головка 10 для прекурсора, предпочтительно измеренная вдоль щели подачи прекурсора 12, может иметь значительно меньшие размеры, такие как диаметр, подложки 6. Это допускает нанесение атомного слоя на часть поверхности 4 подложки 6, в этом примере, - на часть 88.
На фиг.9А-С иллюстрируются различные примеры относительного перемещения между подложкой 6 и инжекторной головкой 10 для прекурсора, содержащей систему 12 нанесения прекурсора и пространство 14 нанесения. В этом примере подложка 6 помещается в держатель 16 подложки. На фиг.8А показано относительное поступательное движение между подложкой 6 и инжекторной головкой 10 для прекурсора. Инжекторная головка 10 для прекурсора может быть по существу неподвижной, в то время как подложка 10 может перемещаться в направлении, обозначенном стрелкой 15. С другой стороны или дополнительно, держатель 16 подложки может быть по существу неподвижным, и инжекторная головка 10 для прекурсора может находиться в поступательном движении, обозначенном стрелкой 72.
На фиг.9В показано вращательное движение подложки 6 относительно инжекторной головки 10 для прекурсора, обозначенное стрелкой 74. В этом примере инжекторная головка 10 для прекурсора остается по существу неподвижной. С другой стороны, инжекторная головка 10 для прекурсора может выполнять вращательное движение относительно подложки 6, обозначенное стрелкой 76. В этом примере подложка 6 является по существу неподвижной. Такое вращательное относительное движение дает то преимущество, что позволяет отказаться от нанесения на поверхность 20 держателя подложки. Вращательное движение может иметь место относительно более чем одной инжекторной головки 10 для прекурсора, например, четырех инжекторных головок 10 для прекурсора. Четыре инжекторных головки 10 для прекурсора могут быть помещены вдоль направления вращения 74 с интервалом поворота, по существу равным 90 градусам. На фиг.9С показано комбинированное вращательное и поступательное движение множества подложек 6 относительно множества инжекторных головок 10 для прекурсора. В этом примере держатель 16 подложки приспособлен для поступательного движения относительно рамы 77 устройства. Путем вращения по меньшей мере одного держателя 16 подложки и множества инжекторных головок 10 для прекурсора вдоль стрелки 78 или против нее, может быть установлено комбинированное вращательное и поступательное движение. Таким путем может быть достигнут полный охват поверхностей 4 подложки.
На фиг.10 показано устройство 2 в десятом варианте реализации согласно изобретению. Устройство 2 в десятом варианте реализации включает в себя катушечную систему 90, включающую в себя первый ролик 92, второй ролик 94 и вращающийся барабан 96. Вращающийся барабан может отсутствовать, так что подложка 6 является по существу плоской в позиции инжекторной головки 10 для прекурсора. Катушечная система 90 является примером системы позиционирования. Катушечная система 90 может быть приспособлена для относительного перемещения между пространством 14 нанесения и подложкой 6 в плоскости поверхности подложки 6 путем включения катушечной системы 90, приспособленной для перемещения подложки 6 в плоскости поверхности 4 подложки. В этом примере плоскость поверхности 4 подложки является криволинейной плоскостью. Относительное движение, в этом примере - поступательное движение, обозначается стрелкой 15.
Подложка 6 и/или держатель 16 подложки в катушечной системе относительно подвержены нежелательному перемещению из плоскости подложки 6 из-за гибкости подложки 6. Такое нежелательное перемещение может быть вызвано, например, вибрацией. В целом устройство 2 приспособлено для относительного перемещения между системой подачи прекурсора и подложкой в плоскости вне поверхности подложки, например, устройство 2 по четвертому, пятому, шестому, седьмому, восьмому и/или девятому варианту реализации может быть в особенности подходящим для применения с катушечной системой. Газосодержащий слой позволяет инжекторной головке для прекурсора следовать, по меньшей мере частично, нежелательному перемещению, избегая таким образом контакта между инжекторной головкой 10 для прекурсора и подложкой 6 и позволяя использовать более близкий подход инжекторной головки для прекурсора к поверхности подложки.
Хотя это может быть однозначно не показано, любое устройство согласно первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому, седьмому, восьмому, девятому и/или десятому варианту реализации может иметь признаки устройства или другого из числа первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и/или десятого варианта реализации.
Изобретение также включает в себя способ нанесения атомного слоя. Первый вариант реализации способа согласно изобретению, далее упоминаемый как первый способ, будет объяснен с использованием устройства 2 в первом варианте реализации. Первый способ используется для нанесения атомного слоя на поверхности 4 подложки 6 с использованием устройства 2, включающего инжекторную головку 10 для прекурсора. Первый способ содержит операцию инжекции газообразного прекурсора из системы 12 подачи прекурсора в пространство 14 нанесения для контакта с поверхностью 4 подложки. Кроме того, первый способ содержит операцию установления относительного перемещения между пространством 14 нанесения и подложкой 6 в плоскости поверхности 4 подложки. Первый способ содержит также операцию удержания введенного газообразного прекурсора в пространстве 14 нанесения рядом с поверхностью подложки 6 для получения пространства 14 нанесения, которое при использовании ограничено инжекторной головкой 10 для прекурсора и поверхностью 4 подложки.
Первый способ может также содержать операцию подачи химически активного газа, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционное пространство 36 для осуществления реакции с прекурсором после нанесения газообразного прекурсора на по меньшей мере часть поверхности 4 подложки для того, чтобы получить атомный слой по меньшей мере на части поверхности 4 подложки.
Первый способ может также включать в себя создание газосодержащего слоя в проеме, например, в разрыве 26 в потоке и/или в проеме 28 нанесения между инжекторной головкой 10 для прекурсора и поверхностью 4 подложки.
В целом первый способ может включать в себя установление повторяющегося относительного перемещения между пространством нанесения и подложкой в плоскости поверхности подложки, при котором повторное относительное перемещение в одном направлении сопровождается относительным перемещением в другом, противоположном направлении. Например, перемещение подложки в направлении, обозначенном стрелкой 15 на фиг.9А, сопровождается перемещением в направлении, противоположном указанному стрелкой 15, которое вновь сопровождается перемещением в направлении, указанном стрелкой 15. Инжекторная головка 10 для прекурсора, например, в шестом варианте реализации, снабжена реакционным пространством или дополнительным реакционным пространством с двух противоположных сторон пространства нанесения, особенно подходит для использования согласно этому аспекту первого способа, поскольку это допускает осуществление реакции в любом из противоположных направлений.
Устройство 2 по одному из описанных вариантов реализации может также быть применено в модифицированном состоянии отдельно от изобретения, будучи приспособлено для травления вместо нанесения атомного слоя. В этом модифицированном состоянии инжекторная головка для прекурсора приспособлена для инжекции травильного газа вместо газообразного прекурсора. Преимущества, относящиеся к эффективности использования травильного газа и скорости процесса травления сходны с теми, которые относятся к использованию газообразного прекурсора и скорости процесса нанесения атомного слоя.
Дальнейшие аспекты раскрытых вариантов реализации могут включать: устройство, в котором в процессе применения пространство нанесения имеет протяженную форму в плоскости поверхности подложки; устройство, в котором в процессе применения пространство нанесения устройства образуется проемом нанесения между поверхностью подложки и инжекторной головкой для прекурсора, предпочтительно имеющим минимальную толщину меньше 50 мкм, более предпочтительно меньше 15 мкм; устройство, в котором размеры реакционного пространства вдоль поверхности подложки, в направлении относительного перемещения между системой подачи прекурсора и подложкой в плоскости поверхности подложки значительно меньше размеров поверхности подложки в направлении относительного перемещения между системой подачи прекурсора и подложкой в плоскости поверхности подложки; устройство, приспособленное для подачи химически активного газа и, возможно, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционное пространство для осуществления реакции прекурсора с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора по меньшей мере на часть поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой на по меньшей мере части поверхности подложки; снабженное головкой нанесения атомного слоя, которая включает в себя систему подачи прекурсора, систему подачи реагента, пространство нанесения и реакционное пространство, причем устройство приспособлено для относительного перемещения между головкой нанесения атомного слоя и подложкой в плоскости поверхности подложки; устройство, приспособленное для создания буферной газовой завесы, прилегающей к пространству нанесения, причем буферный газ является по существу инертным относительно газообразного прекурсора, а величина расхода, направление потока и положение буферной газовой завесы приспособлены для того, чтобы по существу предотвратить смешивание газообразного прекурсора с иными, чем буферный газ, газами; устройство, в котором буферная газовая завеса приспособлена для формирования удерживающей структуры; устройство, в котором система подачи прекурсора и/или сброс прекурсора образуются соответственно по меньшей мере одной щелью подачи прекурсора и/или по меньшей мере одной щелью сброса прекурсора; и/или устройство, в котором инжекторная головка для прекурсора снабжается по меньшей мере одной дополнительной системой подачи прекурсора, по меньшей мере одним дополнительным сбросом прекурсора и/или по меньшей мере одним дополнительным пространством нанесения, сходными соответственно с системой подачи прекурсора, сбросом прекурсора и/или пространством нанесения.
Изобретение не ограничивается любым описанным здесь вариантом реализации и, исходя из компетенции специалиста в данной области техники, возможны модификации, которые могут рассматриваться в рамках прилагаемой формулы изобретения. В равной степени все кинематические взаимные изменения считаются по сути своей раскрытыми и входящими в рамки объема настоящего изобретения. Использование таких выражений как «предпочтительно», «в частности», «обычно» и т.д. не должно ограничивать изобретение. Применение единственного числа не исключает множественности. Признаки, которые конкретно или ясно не описаны или заявлены, могут быть дополнительно включены в структуру согласно настоящему изобретению без отклонения от его объема.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ АТОМНЫХ СЛОЕВ | 2010 |
|
RU2555282C2 |
| АТОМНО-СЛОЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ С ПЛАЗМЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ | 2011 |
|
RU2584841C2 |
| РЕАКТОР ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ С ПЛАЗМЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ | 2011 |
|
RU2571547C2 |
| СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКА ИЛИ ДИЭЛЕКТРИКА | 2010 |
|
RU2443799C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ АТОМНЫХ СЛОЕВ | 2012 |
|
RU2600047C2 |
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ПОДЛОЖКИ | 2015 |
|
RU2704875C2 |
| ПОКРЫТИЕ ПОЛОТНА ПОДЛОЖКИ ОСАЖДЕНИЕМ АТОМНЫХ СЛОЕВ | 2012 |
|
RU2600462C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАКТОРОВ ОСАЖДЕНИЯ | 2009 |
|
RU2502834C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ АТОМНОГО СЛОЯ И СПОСОБ ЗАГРУЗКИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ АТОМНОГО СЛОЯ | 2009 |
|
RU2518845C2 |
| ПОКРЫТИЕ ПОЛОТНА ПОДЛОЖКИ ОСАЖДЕНИЕМ АТОМНЫХ СЛОЕВ | 2012 |
|
RU2605408C2 |
Изобретение относится к устройству и способу для нанесения атомного слоя на поверхность подложки. Упомянутое устройство содержит инжекторную головку для газообразного прекурсора с выступающими частями, содержащую систему подачи газообразного прекурсора, причем упомянутая инжекторная головка выполнена с возможностью инжекции газообразного прекурсора из системы подачи газообразного прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью подложки. Пространство нанесения ограничено упомянутой инжекторной головкой и поверхностью подложки. Упомянутое устройство выполнено с возможностью обеспечения перемещения упомянутой инжекторной головки и подложки относительно друг друга в плоскости поверхности подложки. Упомянутая инжекторная головка содержит инжектор несущего газа для инжекции несущего газа между упомянутой инжекторной головкой и поверхностью подложки и/или между упомянутой инжекторной головкой и поверхностью держателя подложки, который механически прикреплен к подложке. Инжектор несущего газа отделен от системы подачи прекурсора для получения несущего газ слоя, сформированного несущим газом, между выступающими частями упомянутой инжекторной головки и подложкой и/или между выступающими частями упомянутой инжекторной головки и поверхностью держателя подложки, и обеспечивающего образование удерживающей структуры для удерживания введенного газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки. Устройство дополнительно выполнено с возможностью обеспечения относительного перемещения инжекторной головки для газообразного прекурсора и подложки в плоскости вне поверхности подложки в зависимости от давления несущего газа между поверхностью подложки и инжекторной головкой для газообразного прекурсора и/или между инжекторной головкой для газообразного прекурсора и держателем подложки. Обеспечивается улучшенное использование газообразного прекурсора для осаждения атомного слоя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Устройство для нанесения атомного слоя на поверхность подложки, содержащее инжекторную головку для газообразного прекурсора с выступающими частями, содержащую систему подачи газообразного прекурсора, причем упомянутая инжекторная головка выполнена с возможностью инжекции газообразного прекурсора из системы подачи газообразного прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью подложки, а пространство нанесения ограничено упомянутой инжекторной головкой и поверхностью подложки, при этом устройство выполнено с возможностью обеспечения перемещения упомянутой инжекторной головки и подложки относительно друг друга в плоскости поверхности подложки, упомянутая инжекторная головка содержит инжектор несущего газа для инжекции несущего газа между упомянутой инжекторной головкой и поверхностью подложки и/или между упомянутой инжекторной головкой и поверхностью держателя подложки, который механически прикреплен к подложке, при этом инжектор несущего газа отделен от системы подачи прекурсора для получения несущего газ слоя, сформированного несущим газом, между выступающими частями упомянутой инжекторной головки и подложкой и/или между выступающими частями упомянутой инжекторной головки и поверхностью держателя подложки, и обеспечивающего образование удерживающей структуры для удерживания введенного газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, при этом устройство дополнительно выполнено с возможностью обеспечения относительного перемещения инжекторной головки для газообразного прекурсора и подложки в плоскости вне поверхности подложки в зависимости от давления несущего газа между поверхностью подложки и инжекторной головкой для газообразного прекурсора и/или между инжекторной головкой для газообразного прекурсора и держателем подложки.
2. Устройство по п.1, которое выполнено с возможностью приложения усилия предварительного напряжения к инжекторной головке для газообразного прекурсора, обращенной к поверхности подложки, причем газовый инжектор выполнен с возможностью противодействия усилию предварительного напряжения за счет обеспечения регулирования давления в несущем газ слое.
3. Устройство по п.2, в котором указанное усилие предварительного напряжения сформировано по меньшей мере посредством одного из следующего: общего давления газа в пространстве нанесения, которое ниже давления во внешней среде инжекторной головки для газообразного прекурсора, магнитных сил, гравитационных сил, путем добавления веса в инжекторной головке для газообразного прекурсора, пружины или иного эластичного элемента, и/или сформировано отдельно от давления в пространстве нанесения посредством обеспечения давления газа между инжекторной головкой для газообразного прекурсора и подложкой, которое ниже давления во внешней среде относительно инжекторной головки для газообразного прекурсора.
4. Устройство по п.1, в котором выступающие части инжекторной головки снабжены системой подачи несущего газа.
5. Устройство по п.1, в котором несущий газ слой сформирован между выступающими частями инжекторной головки и подложкой и/или между выступающими частями и поверхностью держателя подложки, при этом толщина несущего газ слоя меньше толщины пространства нанесения, измеренной в плоскости вне поверхности подложки.
6. Устройство по п.5, в котором толщина несущего газ слоя находится в диапазоне от 3 до 15 мкм, и/или толщина пространства нанесения вне плоскости подложки находится в диапазоне от 3 до 100 мкм.
7. Устройство по п.1, в котором пространство нанесения имеет плоскую или искривленную протяженную форму в плоскости поверхности подложки.
8. Устройство по п.1, в котором инжекторная головка для газообразного прекурсора содержит сброс прекурсора и выполнена с возможностью инжекции газообразного прекурсора из системы подачи газообразного прекурсора через пространство нанесения в сброс прекурсора.
9. Устройство по п.1, в котором система подачи газообразного прекурсора образована щелью, имеющей волнообразную форму.
10. Устройство по п.1, которое выполнено с возможностью подачи плазмы в реакционное пространство для осуществления реакции, например окисления, газообразного прекурсора с химически активным газом после нанесения газообразного прекурсора по меньшей мере на часть поверхности подложки для того, чтобы получить атомный слой на по меньшей мере части поверхности подложки.
11. Способ нанесения атомного слоя на поверхность подложки с использованием устройства по п.1, включающий инжекцию газообразного прекурсора из системы подачи газообразного прекурсора в пространство нанесения для контакта с поверхностью подложки, обеспечение относительного перемещения упомянутой инжекторной головки и подложки в плоскости поверхности подложки и удерживание газообразного прекурсора в пространстве нанесения, ограниченном упомянутой инжекторной головкой и поверхностью подложки, при этом дополнительно обеспечивают несущий газ слой в промежутке между выступающими частями упомянутой инжекторной головки и поверхностью подложки и/или между выступающими частями инжекторной головки и держателем подложки, который механически прикреплен к подложке, причем несущий газ слой обеспечивает удерживающую структуру для удерживания введенного газообразного прекурсора в пространстве нанесения, прилегающем к поверхности подложки, при этом обеспечивают возможность относительного перемещения упомянутой инжекторной головки и подложки в плоскости вне поверхности подложки, которое зависит от давления несущего газа между поверхностью подложки и упомянутой инжекторной головкой.
12. Способ по п.11, в котором удерживающую структуру дополнительно формируют выступающими частями инжекторной головки.
13. Способ по п.11, в котором несущий газ слой сформирован между выступающими частями и подложкой и/или между выступающими частями и поверхностью держателя подложки, при этом толщина несущего газ слоя меньше толщины пространства нанесения, измеренной в плоскости вне поверхности подложки.
14. Способ по п.11, в котором инжекцию газообразного прекурсора осуществляют из системы подачи газообразного прекурсора через пространство нанесения в сброс прекурсора, дополнительно предусмотренный в инжекторной головке.
15. Способ по п.11, в котором после нанесения газообразного прекурсора на, по меньшей мере, часть поверхности подложки для получения атомного слоя на указанной, по меньшей мере, части поверхности подложки осуществляют подачу, по меньшей мере одного из химически активного газа, плазмы, возбужденного лазером излучения, ультрафиолетовой радиации в реакционную область для реакции газообразного прекурсора с химически активным газом.
| WO 2008085474 A2, 17.07.2008 | |||
| ИНЖЕКТОР И СПОСОБ ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ВВЕДЕНИЯ РЕАГЕНТОВ В ПЛАЗМУ | 2001 |
|
RU2291223C2 |
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ СЛОЕВ (ВАРИАНТЫ) | 1992 |
|
RU2041164C1 |
| Головка для распыления материалов | 1979 |
|
SU772601A1 |
| WO 2008027215 A2, 06.03.2008 | |||
