用于高生产量原子层沉积的设备和方法

摘要

一种用于以连续方式沉积膜的原子层沉积设备。本设备包括向下倾斜的加工隧道，其在运输方向上延伸并且由至少两个隧道壁限定。这两个壁都具有多个气体注入通道，由此在运输方向上观看，至少一个壁中的气体注入通道分别相继连接到第一前体气体源、净化气体源、第二前体气体源和净化气体源，以形成这样的隧道区段，在使用中该隧道区段包括分别装有第一前体气体、净化气体、第二前体气体和净化气体的连续区域。加工隧道的向下坡度使得重力能够将受到浮动支撑的衬底驱动通过连续区段，导致膜原子层沉积到衬底上。

权利要求

1.一种原子层沉积设备（100），包括：

加工隧道，所述加工隧道沿运输方向（104）延伸，并且至少由第一下部壁（110）和第二上部壁（120）限定，所述壁相互平行并且隔开，以允许平行于所述壁定向的基本平的衬底（130）容纳在它们之间；

多个气体注入通道（112、122），设置在所述加工隧道的所述第一下部壁和所述第二上部壁中，并以隔开方式沿所述运输方向布置，由此所述第一下部壁中的气体注入通道（112）被构造成提供第一下部气体支承（113），而所述第二上部壁中的气体注入通道（122）被构造成提供第二上部气体支承（123），所述气体支承被构造成浮动地支持并容纳衬底；

其中，在所述运输方向上观看，所述第一下部壁和所述第二上部壁中的至少一个壁中的气体注入通道相继连接到第一前体气体源、第一净化气体源、第二前体气体源和第二净化气体源，以形成隧道区段，在使用中所述隧道区段包括分别包含第一前体气体、净化气体、第二前体气体和净化气体的连续区域，其中，两个或两个以上的这样的隧道区段在所述运输方向上连续地布置，并且其中，在所述运输方向上观看，所述加工隧道的至少一部分具有向下的坡度（α），从而实现通过所述至少一个加工隧道部分进行衬底的重力驱动运输。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其中，所述加工隧道的不同部分具有相互不同的坡度。

3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其中，所述加工隧道沿所述运输方向（104）具有基本恒定的坡度（α）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的原子层沉积设备，其中，所述设备被构造成使得在使用中所述第一下部壁（110）与所述第二上部壁（120）之间的间距H处于H=1.4ds至

5.0ds的范围内，其中，ds是在所述隧道中加工的衬底（130）的厚度。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，所述设备被构造成使得在使用中所述第一下部壁（110）与所述第二上部壁（120）之间的间距H处于H=1.8ds至

2.2ds的范围内，其中，ds是在所述隧道中加工的衬底（130）的厚度。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，所述设备被构造成使得在使用中所述第一下部壁（110）与所述第二上部壁（120）之间的间距H处于（ds+100μm）和（ds+2mm）的范围内。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，所述设备被构造成使得在使用中所述第一下部壁（110）与所述第二上部壁（120）之间的间距H处于（ds+200μm）和（ds+400μm）的范围内。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，进一步包括间距调节器，所述间距调节器被构造成能够改变所述加工隧道的所述至少一部分上的第一下部壁（110）与第二上部壁（120）之间的间距（H）。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，进一步包括倾斜调节器，所述倾斜调节器被构造成能够改变所述加工隧道的所述至少一部分的坡度（α）。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，进一步包括：衬底处理机（302），用于向所述加工隧道的入口（300）供应衬底（130），所述衬底处理机被构造成以小于平衡速度（υs,eq）的速度供应衬底，所述衬底以所述平衡速度移动通过所述加工隧道的所述至少一部分。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，多个气体注入通道（112、122）中的至少一个气体注入通道被构造成在沿所述运输方向（104）具有非零分量的方向上将气体注入到所述加工隧道中。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，所述第一下部隧道壁（110）中的气体注入通道（112）连接到惰性气体源。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，其中，由于多个气体注入通道（112、122）中的相对的气体注入通道连接到基本相同气体成分的气体源，所述第一下部隧道壁（110）和第二上部隧道壁（120）是对称的。

14.根据权利要求1-3中任一项所述的原子层沉积设备，包括含有第一组合前体气体的一个或多个第一构造隧道区段（208），并且包括含有第二组合前体气体的一个或多个第二构造隧道区段。

说明书

用于高生产量原子层沉积的设备和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及薄膜沉积的领域，且更具体地涉及膜的原子层沉积的设备和方法。

背景技术

[0002] 原子层沉积(ALD)是允许以精确受控的方式来沉积厚度大约为数纳米的膜的薄膜沉积方法。典型地，ALD使用交替地并重复地应用于衬底的两个以上的气态前体(precursors)。其中衬底的表面暴露于全部前体的一系列连续步骤被称为沉积循环。每个沉积循环都使膜的单层或单层的一部分生长。这是由于这样的事实，即，在ALD中膜生长取决于化学吸附过程，借助该过程前体分子通过化学键的形成而附着至衬底的表面，而无需发生该前体分子的进一步热分解。当可用于与前体化学键接(chemical bonding)的全部衬底表面部位都已被覆盖时化学吸附自然停止。将衬底暴露于第二前体导致在固体膜形成的情况下第二前体与化学吸附的第一前体的化学反应，直到全部化学吸附的第一前体都已反应，并且用化学吸附的第二前体的层以自限制方式覆盖衬底。因此，ALD是一种提供高保形(conformal)涂覆和优良厚度控制的自限制逐层沉积方法。这些特征使它成为各种工业，尤其是半导体工业，并且更具体地是太阳能电池工业关注的方法。

[0003] 在太阳能电池工业中，ALD可以用来沉积氧化铝(Al2O3)膜，以用于预先的单Si太阳能电池的钝化。为此要求5-15nm的典型膜厚度，这可使用传统的单晶片或多晶片ALD系统实现。当前，最有效的多晶片ALD系统在所述膜厚度下的生产量为大约每小时60个晶片。然而，为了获得例如在屋顶上使用的太阳能电池板所处理的表面积的量是相当大的。并且随着对太阳能电池板的需求的上涨，对以更高生产量为特色的ALD设备的需要也正在增加。当然，太阳能电池工业仅是示例性的，并且仅是其中感到关于提高ALD装置的生产量的连续压力的许多工业中的一个。

[0004] 这样的更高生产量优选地使用从结构观点来看相对简单的设备实现。这是因为通常设备越简单，建造它越经济，它就越可靠并且需要越少的维护。因此本发明的目的是提供一种以最小程度的结构复杂性来提供改善的生产能力的原子层沉积的装置和方法。

发明内容

[0005] 根据本发明一方面，提供了一种原子层沉积设备。本设备包括沿运输方向延伸并至少由第一下部壁和第二上部壁限制的加工隧道。所述壁相互平行并隔开，以允许与这些壁平行地定向的基本平的衬底被容纳在它们之间。本设备进一步包括多个气体注入通道。这些气体注入通道设置在加工隧道的第一壁和第二壁中，并且以隔开的方式沿运输方向布置。第一下部壁中的气体注入通道被构造成提供第一下部气体支承，而第二上部壁中的气体注入通道被构造成提供第二上部气体支承。这些气体支承被构造成浮动地支撑并容纳衬底。在运输方向上观看，第一壁和第二壁至少一个中的气体注入通道相继连接到第一前体气体源、净化气体源、第二前体气体源和净化气体源，以形成这样的隧道区段，即，在使用中，该隧道区段包括分别装有第一前体气体、净化气体、第二前体气体和净化气体的连续区域。两个或两个以上的这样的隧道区段在运输方向上连续地布置。在运输方向上观看，至少加工隧道的一部分具有向下坡度(α)，以实现通过所述至少一个加工隧道部分的衬底的重力传动运输。

[0006] 根据本发明一方面，提供了一种在衬底上生长膜的方法。本方法包括提供第一下部气体支承和第二上部气体支承，所述气体支承被构造成将衬底浮动地支撑并容纳在它们之间。气体支承沿纵向运输方向向下延伸。本方法还包括提供衬底，并将衬底支撑和容纳在气体支承之间。本方法进一步包括使重力能够沿气体支承在运输方向上输送衬底，同时使衬底的表面经历原子层沉积处理。

[0007] 根据本发明方法的一方面，在运输方向上观看，将第一和第二气体支承中的至少一个划分为两个或两个以上的功能性区段，每个区段都包括至少四个横向延伸区域，每个横向延伸区域相继分别包括第一前体气体、净化气体、第二前体气体和净化气体，并且在衬底输送通过所述气体支承的单个功能性区段的至少四个区域时，将原子层沉积到衬底的至少一个表面上。

[0008] 从以下结合附图对本发明的某些实施例的详细描述中，将更彻底地理解本发明的这些和其它特性和优点，这些附图意在举例说明而非限制本发明。

附图说明

[0009] 图1是公开了原子层沉积设备的示例的图示性横向剖面图，该原子层沉积设备具有两个平行的隧道壁，它们之间容纳有衬底；

[0010] 图2是沿线A-A观看到的图1所示的加工隧道的一部分的图示性剖面平面图，示出了区段和区域的布置；

[0011] 图3是与图1和图2所示的实施例一致的加工隧道的一部分的图示性纵向剖面图，其中上部隧道壁和下部隧道壁不对称地构造；

[0012] 图4是与图1和图2所示的实施例一致的加工隧道的一部分的图示性纵向剖面图，其中上部隧道壁和下部隧道壁对称地构造；

[0013] 图5是加工隧道的一部分的图示性纵向剖面图，用来阐明在本说明中提出的数学模型；

[0014] 图6是加工隧道的一部分的图示性纵向剖面图，其中多个气体注入通道沿部分平行于运输方向的方向将气体注入到隧道空间中，以有助于传动任何衬底；

[0015] 图7是设置有入口部分的加工隧道的一部分的图示性纵向剖面图，该入口部分在隧道壁之间具有增大的间隙；

[0016] 图8是加工隧道的入口部分的图示性横向剖面图；以及

[0017] 图9是机械衬底处理机的示例性实施例的图示性顶视图。

具体实施方式

[0018] 所公开的原子层沉积设备包括加工隧道，衬底(优选地为一排衬底的一部分)可以线性方式通过该加工隧道被运输。即，衬底可在隧道的入口处插入到隧道中，以待传送到出口。隧道由至少两个基本平行的隧道壁限制。这些隧道壁靠近衬底并相互靠近地设置，以便提供细长加工空间，该细长加工空间每单位长度具有相对小的体积。在加工隧道的纵向方向上，加工隧道被分为一系列区段。在使用中，每个区段包括多个(典型地为四个)横向延伸的气体区域。区段内的连续区域分别包含第一前体气体、净化气体、第二前体气体和净化气体。随着衬底移动通过所述隧道，它的表面(例如，它的下表面、它的上表面，或两者)逐步经历与不同气体接触。如果合适地选择区域的布置与相应气体，那么经历一个隧道区段可等效于使衬底经历一个原子层沉积循环。由于该隧道可包括所期望的那么多的区段，因此任意厚度的膜都可在衬底穿过隧道期间生长在衬底上。加工隧道的线性性质使加工连续的一排衬底成为可能，因此给予原子层沉积设备显著改善的生产能力。

[0019] 为了在运输方向上输送衬底，加工隧道配备有彼此相对设置并能够将衬底接收在它们之间的两个气体支承。下部支承从下面支撑衬底，而上部支承从上方覆盖衬底，由此将衬底压向下部气体支承，以将衬底压平，并且使衬底的位置稳定。下部气体支承可经由布置在第一下部隧道壁中的气体注入通道提供，而上部气体支承可经由布置在第二上部隧道壁中的气体注入通道提供。随着加工隧道向下倾斜，隧道壁和设置在其中气体支承也向下倾斜。因此，通过气体支承容纳的衬底将经历在运输方向上拉动它的重力(分量)。该重力导致衬底滑动地前行而通过加工隧道。由于衬底是重力传动的，因此当前所公开的设备的特征在于本质上被动的衬底传动机构。这样的“重力传动”消除了对单独衬底输送机的需要，该单独衬底输送机的零件遭受污染(由于它们连续地穿过加工隧道中维持的沉积环境)、磨损和不可避免的周期性维护，因此导致较简单、更经济且更可靠的ALD设备设计成为可能。

[0020] 此后，参考附图。在这些附图中，相同的参考标号标出相似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。各种元件的形状和角度可以例如不按比例绘制，并且这些元件中的一些可任意地放大或安置，以提高附图易读性。进一步地，绘制的元件的特定形状并非意在传达关于这些特定元件的实际形状的任何信息，并可仅为了易于从图中识别而选择。

[0021] 图1是公开了适于将膜沉积在衬底130上的原子层沉积设备100的示例的图示性横向剖面图解。设备100包括加工隧道空间102，该加工隧道空间由第一下部隧道壁110、第二上部隧道壁120和连接第一与第二隧道壁的侧壁106限制。隧道壁110、120基本平行并相互隔开，从而允许将衬底130(例如半导体晶片)容纳在它们之间。在图1中，隧道壁110、120在垂直于该图的平面的运输方向104上纵向地延伸。实际上运输方向104和隧道壁110、120至少局部地向下倾斜(比较图3和图4)。在垂直于纵向运输方向104的横向方向上，隧道壁110、120可水平地定向，如所示的，或相对于水平线具有一倾角。

[0022] 隧道壁110、120两者分别配备有多个气体注入通道112和122。气体注入通道112、122的流出口沿着其横向和纵向方向分布在相应隧道壁110、120的面向衬底的内表面上。在图1中，横向隧道壁剖面包括九个气体注入通道112、122。然而，可设想横向隧道壁剖面可包括更多或更少数量的气体注入通道112、122。

[0023] 隧道壁110、120中的气体注入通道112、122分别连接至(多个)气体源114和124。处于相同隧道壁中且处于其相同纵向位置处的气体注入通道(例如，在图1中可见的气体注入通道112)可通常连接至相同气体或气体混合物的气体源。共享加工隧道相同纵向位置但处于相对隧道壁中的相对气体通道(例如在图1中可见的气体注入通道112和
122)是否连接至相同气体成分的气体源取决于设备100的期望构造。下面将紧接着参考图3和图4阐述该方面。对于此说明书的现有和剩余部分，按惯例假定处于相同纵向位置处的相对气体注入通道112、122被构造成注入相同气体或气体混合物，除非另有规定。

[0024] 在使用中，气体注入通道112、122可将气体注入到遍及隧道整个长度的隧道空间102中。一旦注入，那么气体在隧道壁110、120之间横向流动。当存在衬底130时，这意味着气体横向地流过衬底130的下表面130a和上表面130b、朝着衬底的边缘并越过衬底的边缘流动。假如气体可从隧道的两个横向侧逸出，则会出现横向气流。为此，加工隧道的侧壁
106可设置有排气通道108。排气通道108优选地保持在大气压下或大气压附近，从而致使真空泵是多余的。然而，可替代地，排气通道108可保持在偏离大气压的压力下，例如更低或更高的压力。侧壁106约束气体的流出。这些侧壁使横向气流停滞并在邻近侧壁106的隧道空间区域103中建立压力，这有助于使浮动衬底130的横向位置稳定。

[0025] 应理解的是，第一下部壁110中的气体注入通道112通常用于提供占据加工隧道空间102的下半部的横向气流(即，下部气体支承113)，而第二上部壁120中的气体注入通道112通常用于提供占据加工隧道空间的上半部的横向气流(即，上部气体支承123)。当衬底130存在于隧道壁110、120之间时，加工隧道空间102的下半部中的横向气流用作从下面浮动地支撑衬底的气体支承。

[0026] 图2示意性地示出了沿线A-A观看到的图1所示的加工隧道的一部分的剖面平面图。沿运输方向104看到，上面描述的横向气流形成连续的接近隧道宽的气体区域202、206、204、206’等等。连续的区域可分组成区段。气体注入通道112、122优选地构造成提供一系列区段208、208’等等，其中每个区段都沿运输方向相继包括第一前体气体区域202、净化气体区域206、第二前体气体区域204和另一净化气体区域206’。前体气体区域202、
204等等可包含净化前体或包括相应前体和惰性载体气体的气体混合物，由此添加上述惰性载体气体是用于促进前体的运输。净化气体区域206、206’等等可布置在包含相互反应前体的任何两个区域202、204之间。它们用作气相扩散势垒。已知衬底130的表面130a、
130b与相应隧道壁110、120之间的间隙相对较窄且横向气流速度较高(典型地在1-2m/s的范围内)，则这些势垒在防止前体混合方面是非常有效的。因此，隧道壁上几乎不会出现任何沉积，并且原子层沉积设备在工作期间具有非常低的粒子级别(particle level)。

[0027] 在图2中，衬底130在运输方向104上移动通过隧道。衬底130的下表面130a和上表面130b由此逐步经历存在于连续区域202、206、204、206’等等每个中的气体。当一条表面积已经过单个区段208、208’等等的全部区域时，它已经历一个完整的沉积循环。必须小心确保ALD设备100的构造实现合适的衬底运输速度。衬底的运输速度优选地使得当经过特定前体区域时，一条衬底表面积充分长地暴露于前体，以确保该衬底表面积完全浸透。更长的前体区域通常允许更高的运输速度，反之亦然。然而，应注意的是，浸透时间可取决于所使用的前体的性质，并且取决于相应区域中的前体的浓度。

[0028] 图3和图4每个都示出了与图1和图2所示的ALD设备的实施例一致的ALD设备的实施例的纵向剖面图。

[0029] 图3示出了不对称加工隧道的一部分的纵向剖面图。该图描绘了在隧道的纵向方向上接合到一起的两个相同隧道区段208、208’。每个区段208、208’都包括两排气体注入通道，一排处于上部隧道壁120中，并且一排处于下部隧道壁110中。在运输方向104上观看，上部壁120中的区段208、208’的气体注入通道122分别相继注入第一前体气体(三-甲基铝，TMA)、净化气体(氮，N2)、第二前体气体(水蒸汽，H2O)和净化气体(氮，N2)。当然，这些特定气体是示例性的。它们可根据期望的膜结构来选择。实际上，相邻区段208、208’甚至不需要相同。例如可通过添加或插入包含不同组合前体的区段而相当容易地沉积混合膜。底部隧道壁110中的区段208、208’的气体注入通道112全部注入氮(N2)。因此，在运输方向104上观看，加工隧道的上半部包括一排用于执行原子层沉积的连续气体区域，而下半部填满惰性气体支承113。惰性气体支承113防止存在于衬底130上面的气流/气体支承123中的前体穿透衬底130下面的空间。因此，不会出现意外的背面沉积。可替代地，可在衬底130的下表面130a提供前体气体，并且在衬底的上表面130b提供惰性气体。

[0030] 图4示出了加工隧道的实施例，其中第一下部加工隧道110相对于第二上部加工隧道120对称地构造。即，相对的气体注入通道112、122连接至基本相同气体成分的气体源。该构造允许同时沉积在衬底130的两个表面130a、130b上，并因此允许处理的衬底表面积的量加倍。

[0031] 现在请注意将介绍输送衬底130通过加工隧道的方式。如上面所讨论的，根据本发明的原子层沉积设备至少部分地依靠重力来运输衬底通过加工隧道。该“重力传动”需要加工隧道至少局部地向下倾斜，如图3和图4所示。然而，不是每个坡度都将导致合适的衬底速度。此外，加工隧道的坡度不是影响衬底速度的唯一因素。为了提供对影响衬底速度的不同参数的处理，下面提出该情况的基础物理模型。本领域技术人员应理解的是，将该模型应用于ALD设备的实际实施例可能需要进行小的改动，以补偿偏离这些概述的非理想的情形或环境。

[0032] 参考示出了加工隧道的一部分的示意性纵向剖面侧视图的图5。在该图中，为了图的易读性，已省略任何气体注入通道。基本平的衬底130位于加工隧道的第一下部壁110与第二上部壁120之间。第一壁和第二壁110、120相互平行，而衬底的下表面130a和上表面130b分别基本平行于第一壁110和第二壁120。假定情况是对称的，这意味着衬底130正好位于隧道壁110、120中间，并且意味着接触下表面130a的气体支承与接触上表面130b的气体支承相同。加工隧道，并因此壁110、120和衬底130相对于水平线以角度α倾斜。

[0033] 假定表示为Fn的在加工隧道的方向上的衬底130上的净力是两个相反力的结果：作用在衬底的底表面130a和顶表面130b上的黏滞力(表示为Fd)，以及拉动衬底通过加工隧道的重力的分量(表示为Fg，x)，以使得

[0034] Fn＝Fg，x-Fd (1)

[0035] 分别由衬底130的表面130a、130b与气体支承113、123之间的相互作用产生的黏滞力Fd可表示为：

[0036]

[0037] 其中Δυ/Δy表示存在于衬底的两侧上的每个气体支承(在衬底表面130a、130b与各隧道壁110、120之间)中的速度梯度，η表示气体支承的粘度，2A表示衬底的底表面和顶表面的组合表面积，υs表示衬底在加工隧道的运输方向上的速度，并且dg表示衬底的底表面和顶表面与第一和第二隧道壁之间的间隙或距离。实际上，考虑到将相应区域的相对长度作为加权因素，粘度η可通过所使用的净化气体和前体气体的粘度的加权平均值来约计。

[0038] 在重力方向104上拉动衬底130的重力Fg，x可表示为：

[0039] Fg，x＝m·g·sin(α)＝ρ·V·g·sin(α)＝ρ·ds·A·g·sin(α) (3)[0040] 其中m表示衬底的质量，g表示重力加速度，α表示加工隧道相对于水平线的倾角，ρ表示衬底的密度，V表示衬底的体积，并且ds表示衬底的厚度。

[0041] 将等式(1)、(2)和(3)组合，并将净力Fn设定为零，得到下面的衬底的平衡速度υs，eq的表达式

[0042]

[0043] 由等式(4)表示的平衡速度是衬底130在已插入加工隧道中之后最终将呈现的速度。平衡速度υs，eq本身确立如下。一旦衬底130处于加工隧道中，那么它在运输方向104上将经历与倾斜有关的重力拉力Fg，x。气体支承113、123依次对衬底130产生相反指向的取决于速度的阻力Fd：衬底的速度(相对于气体支承在运输方向上的速度)越大，阻力越大，参见等式(2)。在重力的拉力超过阻力时，衬底加速，反之亦然。拉动衬底130的净力Fn因此导致衬底上的阻力增大，直到阻力Fd等于重力Fg，x，从此衬底上的速度保持恒定为υs，eq。同样，拖拉在衬底上的净力Fn导致衬底130减慢，直到阻力Fd等于重力Fg，x，并且衬底呈现恒定速度υs，eq。

[0044] 使衬底130实现平衡速度υs，eq所花费的时间取决于它的初始速度，即，衬底被插入加工隧道中时的速度。υs中的一阶微分等式的时间常数τ

[0045]

[0046] 该等式是牛顿第二定律和等式(1)、(2)和(3)的编辑，时间常数τ为[0047]

[0048] 假设零初始速度，衬底将花费大致5τ来获得(超过99％的)其平衡速度vs。在该时间段中，插入的衬底将行进的距离xeq为

[0049]

[0050] 可从等式(4)得到的重要结论是衬底130的平衡速度υs，eq不仅取决于加工隧道的倾角α，而且还取决于衬底厚度ds和间隙宽度dg的乘积。倾角α以及下隧道壁与上隧道壁之间的间距(即，加工隧道的高度)H是可精确选择的设计参数。实际上，在衬底中，厚度关于目标厚度可有显著变化。这样的厚度变化可导致乘积dsdg的变化，并因此可导致平衡速度υs，eq的变化，这是不希望的，由于其可能导致衬底之间的碰撞。假定[0051] H＝ds+2dg (8)

[0052] 其遵循

[0053]

[0054] 据此可推断出，对于H的给定值，衬底厚度ds和间隙宽度dg的乘积具有最大值为[0055] H＝2ds (10)

[0056] 因此，一切都是相等的，最大平衡衬底速度υs，eq可通过将高度H选择成使其约等于特定衬底厚度ds的两倍(这意味着间隙宽度dg约等于衬底厚度ds的一半)而获得。该选择的优点在于，围绕它们的目标值的衬底厚度ds的相对小变化和间隙宽度dg的对应变化仅对它们的乘积值有很小的影响，因为通过减小的间隙宽度来(实际上完全)补偿较大的衬底厚度，且反之亦然。即，由于衬底厚度的变化所导致的向前的重力和阻力的变化基本相等并相互补偿。可考虑其中H落入1.4ds≤H≤5.0ds的范围内的构造以遵守等式(10)，从而充分接近最实际的目的。更优选地，H落入1.8ds≤H≤2.2ds的范围内。

[0057] 等式(10)可在原子层沉积设备100中静态和动态地实施。在静态实施中，原子层沉积设备100的实施例的特征在于，加工隧道具有关于待加工衬底的一种典型衬底厚度ds而选择的固定隧道高度H。在动态实施中，第一隧道壁110和第二隧道壁120之间的间距H可适应典型衬底厚度ds的改变。这允许原子层沉积设备100的性能为成批的具有相互变化的厚度的衬底130而优化。动态实施可因此包括间距调节器或间距适配装置，例如呈分布式的、可马达驱动的高精度起重机构的形式，以在加工隧道的至少一部分上改变第一隧道壁110与第二隧道壁120之间的间距H。

[0058] 在可替代的实施例中，发现大约150μm的间隙宽度dg导致气体支承的特征在于足够“坚硬”，这意味着气体支承113、123将衬底保持在稳定位置，与隧道的下部壁及上部壁隔开，同时允许沿平行于下部壁和上部壁的方向移动。对于dg的较低值，该设计变得非常关键，而对于dg的较高值，气体支承变得相当柔软。出于实际的目的，dg可优选地具有在100μm和1mm之间的值。对于高度H，这意味着H可优选地处于(ds+100μm)与(ds+2mm)之间的范围中，并且更优选地H具有处于(ds+200μm)和(ds+400μm)之间的范围中的值，即使这意味着不满足等式(10)，或H不处于1.4ds≤H≤5.0ds的范围中。典型地衬底厚度处于50μm到1000μm的范围中。

[0059] 关于倾角α，注意加工隧道的坡度优选地至少关于衬底130必须暴露于相应反应气体区域202、204每个中的气体的最小时间段来确定。加工隧道的坡度沿它的整个长度不需要是恒定的。例如，在混合的ALD设备中，其中不同的隧道区段208包含具有相互不同粘度的不同气体，具有局部变化的坡度α的加工隧道可以是有利的。例如，可采用较小坡度α来弥补局部较小的粘度η，反之亦然，从而使得遍及加工隧道都维持接近恒定的衬底速度。

[0060] 为允许原子层沉积设备100与不同材料密度ρ的衬底结合使用，和/或与具有不同粘度η的气体结合使用，原子层沉积设备100可设置有构造成能够改变加工隧道的至少一部分的坡度α的倾斜调节器。例如，为了确保较密集的衬底仍充分长地暴露于相应气体区域中的反应气体，将衬底130改变成更密集的衬底可要求加工隧道的坡度α减小。相似地，将前体改变成具有较高粘度η的前体可要求加工隧道的坡度α增大。倾斜调节器或倾斜调节机构可具有任何合适形式，并可典型地包括加工隧道的枢转布置，以允许对加工隧道的坡度的简单操纵。

[0061] 在所公开的原子层沉积设备100的一些实施例中，上面讨论的被动重力传动可通过其它辅助传动和/或导向系统来补充。

[0062] 图6中示出了一个这样的辅助传动系统。在设备100的示意性地示出的实施例中，净化气体(氮，N2)注入通道已倾斜，以使气流的切向分量有助于沿运输方向104传动衬底130。在另一实施例中，净化气体注入通道可相反地定向，以使注入气流的切向分量有助于使衬底130的速度减慢。如图6所示的倾斜的气体注入通道在加工隧道的入口部分中可以是有利的，以有助于将衬底130加速到它们的平衡速度，而相反定向的气体注入通道在出口部分中可以是有利的，以有助于使衬底的速度减慢。在任何情况下，气流的大小都可用来控制衬底130的速度。成一角度设置的气体注入通道112、122可经受设计考虑，但原理上任何气体注入通道都是可行的。

[0063] 另一辅助传动系统可包括隧道壁110、120中的凹槽，这些凹槽在纵向方向上延长，并具有紧邻气体注入通道112、122或排气通道的一端，如在申请人的美国申请6,824,619中所公开的，将该申请结合于此以供参考，其中其用来在浮动衬底上施加旋转移动。相似地，该方法可用来对衬底施加线性移动。

[0064] 由于沉积的膜的质量可取决于衬底在加工期间的表面温度，因此衬底可在经历沉积加工之前预热。可通过为沉积设备提供置特定的预热隧道区段来实现衬底的预热，该特定预热隧道区段位于第一反应隧道区段(即其中衬底经历两种或两种以上的前体的第一隧道区段)的上游。在预热隧道区段中，可使衬底与保持在与反应部分的温度相同或更高温度下的不超过一种的净化气体接触。相似地，在加工隧道的末端，即，最后反应隧道区段的下游可设置有冷却区段。由于预热区段和冷却区段中的净化气体的主要目的是传热，因此具有相对高的导热率的氦是有助于使这样的区段的长度最小化的一种良好选择。在原子层沉积设备的一个实施例中，预热和/或冷却区段可附加地用于允许衬底加速或减慢。这样的双重功能性区段可例如配备有倾斜的气体注入通道，如参考图6所描述的，和/或与它们的目的相匹配的特定斜面(例如，对于预热区段，相对大的向下斜面，而对于冷却区段，向上的斜面)。

[0065] 进一步地，为了便于通过机械衬底处理机将衬底装载到加工隧道内/从加工隧道中卸载，隧道的反应的或不反应的入口和/或出口区段可在隧道壁之间具有较大间距H，以分别增大插入的衬底130的上表面130b和下表面130a与上隧道壁120和下隧道壁110之间的间隙dg。由于通过下部气体支承传递的用以承载衬底的重量的力不改变，因此隧道壁110、120和衬底130之间的较大间隙dg会不利于气流速的增大。

[0066] 图7示意性地示出了加工隧道的入口部分300的纵向剖面图，在隧道壁110、120之间具有增大的间距H。由于典型的间距H可计大约(ds+300μm)，因此值得注意的是，“增大的间距”可计小到例如(ds+500μm)(因此从衬底的每侧130a、130b到相应隧道壁110、120为大约0.25mm)。所描绘的入口部分300也可用作预热区段。为此，该入口部分可注入有加热的氮(N2)，并制造得足够长，从而确保将衬底130适当地加热到期望的加工温度。为了实现适当地加热，衬底130的运输速度υs和间隙的宽度dg是应考虑的参数。毕竟，较高的运输速度υs将使衬底130在预热区段中的驻留长度减小，而对于较大的间隙dg，衬底的加热将是更逐步的。在入口部分300自身不用作预热区段的情况下，具有小间隙dg的预热区段(未示出)可紧随其后，其中仅引入N2，以允许在如前面所讨论的原子层沉积加工开始之前对衬底进行适当的加热。假定晶片速度为0.25m/s且加热时间为4s，那么要求预热长度为大约1m。可替代地，具有更高导热率的气体，例如He和H2可取代N2用作入口或预热部分中的加热气体，尽管N2因为它的相对低的成本是优选的。

[0067] 入口部分300在图8中的横向剖面图中示意性地示出。该图旨在示出具有构造成用于支撑衬底130的叉状齿304的机械衬底处理机302(在图9中的顶视图中示出)如何将所述衬底插入到隧道区段300中。当通过衬底处理机302将衬底130插入到入口部分300中时，隧道区段内的气体支承将接管负载。然后晶片处理机302稍微(进一步)降低它叉状齿304、304’到细长的凹口306、306’中，并从隧道缩回。

[0068] 衬底处理机302可以零初始速度释放衬底130。可替代地，衬底处理机302可在释放衬底130时赋予衬底一些向前的动量。在优选实施例中，衬底处理机302被构造成以低于衬底在移动通过加工隧道时获得的平衡速度的速度来供应衬底130，从而降低连续插入的衬底之间碰撞的机会。

[0069] 所公开的原子层沉积设备的尺寸和工作参数可依据它建造和使用的特定应用而变化。这里是一些数值详情中的示例性实例。将10nm的氧化铝膜沉积到标准圆形的300mm硅晶片上可涉及两种前体，三-甲基铝(Al(CH3)3，TMA)和水(H2O)。作为水的替代，可使用臭氧(O3)。氮(N2)可既用作前体区域中的惰性载体气体，也用作净化气体区域中的净化气体。这些区域中的每个在运输方向上都可具有若干厘米的长度，典型地为2-5cm。为了容纳每个都具有300mm的横向尺寸的单列晶片，加工隧道的宽度需要计稍微超过300mm。在前体区域的长度计5cm而净化气体区域计2cm的情况下，单个隧道区段的长度总计为0.14m。由于单个隧道区段负责沉积厚度为大约0.1nm的氧化铝的一个单层，因此需要总共100个区段来生长10nm的膜。因此，沉积需要的加工隧道的长度达到约14米。晶片可以高达0.25m/s的速度运输而通过该隧道，对于该特定例实例，这会带来每小时大约3000晶片的生产能-3 -2 -5 -1 -1力。使用下面的估计：ρ≈2300kgm ，ds≈200μm，g＝9.81ms ，η＝2.5·10 kgm s ，并且遵守等式(10)、等式(4)得出期望的倾角α接近1.6°。在晶片的初始速度不等于
0.25m/s的期望平衡速度的情况下，加工隧道必须延伸，从而提供晶片可加速或减慢到它们的期望平衡速度的入口部分。将上面的数字代入到等式(6)中得出τ＝0.92。将该值和υs，eq＝0.25m/s一起代入到等式(7)中，在衬底具有零初始速度的情况下，这样的入口部分的长度必须计大约0.92m。

[0070] 上面，已关于第一和第二前体描述了本发明。然而，本领域技术人员应认识到，可使用多于两种前体来执行原子层沉积。这里应强调的是，权利要求的语言并非意在排斥特征0在于三种、四种或更多种前体的原子层沉积设备。为此，每个区段都可包括全部通过净化气体注入区域分开的三个、四个或更多个前体气体注入区域。加工隧道的区段不需要相同。当用于沉积具有第一成分的第一膜的多个单层的多个第一构造连续区段与用于沉积具有第二成分的第二膜的多个单层的多个第二构造连续区段交替时，例如可沉积纳米膜。并且区段的这种序列可重复，直到沉积期望数量的纳米膜。并且，尽管仅将氧化铝作为待沉积的材料膜的一个实例而特别提及，但显然，本发明的设备和方法可与本领域中现在已知的全部前体材料和膜成分结合应用。

[0071] 另外，应注意的是，衬底可具有圆形形状、正方形形状、矩形形状或三角形形状或任何其它可用的形状。优选地，衬底的形状为使得在衬底相互邻近地设置时其允许表面区域的良好填充，例如正方形或矩形形状。可用来提高ALD设备的生产能力的另一种通用措施是拓宽加工隧道，从而使加工隧道能够容纳平行的两列或更多列衬底。例如，将隧道的宽度加倍潜在地可使设备的生产量加倍。

[0072] 进一步地，尽管上面已部分地参考附图描述了本发明的示例性实施例，但应理解本发明不限于这些实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，可从根据对图、本公开和所附权利要求的学习中来理解和实现对所公开的实施例的改变。遍及本说明书的参考“一个实施例”或“实施例”意指结合该实施例描述的特定特性、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个本说明书的各处中出现不需要全部参考相同实施例。可以任何合适的方式组合一个以上的实施例的特定特性、结构或特征，以形成新的、没有明确描述的实施例。

[0073] 元件列表

[0074] 100 原子层沉积设备

[0075] 102 加工隧道空间

[0076] 103 邻近侧壁的加工隧道空间区域

[0077] 104 运输方向

[0078] 106 加工隧道的侧壁

[0079] 108 排气通道

[0080] 110 第一隧道壁

[0081] 112 第一隧道壁中的气体注入通道

[0082] 113 下部气体支承

[0083] 114 与第一隧道壁中的气体注入通道相关联的气体源

[0084] 120 第二隧道壁

[0085] 122 第二隧道壁中的气体注入通道

[0086] 123 上部气体支承

[0087] 124 与第二隧道壁中的气体注入通道相关联的气体源

[0088] 130 衬底

[0089] 130a、b 衬底的下表面(a)或上表面(b)

[0090] 202 第一前体气体区域

[0091] 204 第二前体气体区域

[0092] 206 净化气体区域

[0093] 208 包括四个横向延伸气体区域的隧道区段

[0094] 300 加工隧道的入口部分

[0095] 302 机械衬底处理机

[0096] 304 叉状齿

[0097] 306 细长的凹口

[0098] 数学符号

[0099] dg 衬底表面与第一/第二隧道壁之间的间隙的宽度

[0100] ds 衬底厚度

[0101] g 重力加速度

[0102] H 加工隧道的高度，即第一和第二加工隧道壁之间的间距

[0103] υs，eq 衬底的平衡速度

[0104] xeq 衬底达到平衡速度的加速长度

[0105] α 加工隧道关于水平线的倾角

[0106] ρ 衬底密度

[0107] η 气体支承的粘度