[发明专利]ALD系统和方法

说明书

1.1 相关美国专利申请的交叉引用

本申请要求2009年2月27日提交的美国临时专利申请序列号61/208875的优先权；该专利申请针对所有的目的通过引用全文并入本文。

1.2 版权声明

本专利文件的部分公开内容可能包含作为版权保护主题的材料。当本专利文件或本公开作为专利文件或记录出现在专利和商标局时，版权所有者不反对任何人对其进行复制，否则保留所有的版权。以下声明适用于该文件：Copyright 2009，Cambridge NanoTech，Inc.。

1.3 背景技术

1.4 技术领域

本文的示例性、说明性技术涉及原子层沉积(ALD)系统及其操作方法，并且涉及与机器人大型衬底装卸、自动ALD涂覆操作和在大型矩形衬底上产生期望的气流模式以及延长维护程序之间的操作时间以提高生产率相容的气相沉积室和子系统配置。

本文的技术应用于生产单一或多种材料的单层涂层(如可用于制造液晶显示器(LCD)装置的那些)的领域。

1.5 相关技术

气体或蒸气沉积是一种用于在表面上形成薄材料层的方法，其涉及将固体衬底表面暴露于气体或蒸气(在下文称为气体)以在固体表面(在本文称为“衬底”)上沉积薄材料层。已知多种气体沉积方法，并且几种方法常用于半导体制造，用于制造集成电路等。更一般地，气体沉积方法用于将薄膜形成到多种衬底上以改变其表面性质。在实践中，通过将固体衬底置于气体沉积室(在本文也称为“反应室”)中并且将固体衬底暴露于一种或更多种气体来实施气体沉积方法。气体与暴露的固体衬底表面反应以沉积或以其它方式在其上形成新材料层。一般地，通过气体和衬底表面之间的化学反应使得膜层与衬底表面形成原子键从而形成材料层。

许多商业设施倾向于将原子层沉积(ALD)涂覆系统加入现有材料加工流程中来涂覆半导体晶片、玻璃衬底如液晶显示衬底坯料等。ALD加工方法用于利用至少两个气体沉积步骤将原子水平的材料单层涂覆到衬底的暴露表面上，其中每个气体沉积步骤均产生子单层。在实践中，衬底被插入气体沉积室或反应室中，并且抽空所述室以除去其中的空气、水蒸汽和其它污染物，然后将第一前体气体引入所述室中。第一前体与衬底的暴露表面以及所述室的所有其它暴露表面和任何其它部件表面发生化学反应，并且所述反应形成第一子单层。随后从所述室中冲洗移除第一前体，随后引入第二前体。第二前体与第一子单层反应。第一子单层与第二前体气体的反应使材料单层完全形成到暴露的衬底表面上。随后从室中冲洗移除第二前体。两种前体反应均是自限性(self-limiting)的，即在前体已经与所有可用的位点反应之后，反应停止。因此，ALD涂层基本上是均匀的，具有可预测的厚度，并且其厚度在整个衬底范围内基本上不变化。并且根据循环次数，ALD涂层甚至在具有非常高长宽比的微米级表面特征的整个表面上产生均匀的涂层厚度。第二前体反应还产生将与第一前体气体反应的表面分子以形成另一子单层。因此，ALD工艺可以无限重复从而以高精确度和纯度在暴露的衬底表面上累积期望的材料涂层厚度。

ALD工艺相比各种气体沉积方法的一些优点包括：对单层厚度、材料涂层均匀性的精确控制；相对低的工艺温度窗口(例如，低于400℃)；低前体气体消耗；高品质膜；和通过控制所进行的涂覆循环的数目来均匀控制总材料涂层厚度的能力。

ALD工艺的一些缺点包括：衬底生产率降低，原因是ALD工艺需要两个沉积循环/单层；适用于在ALD工艺中涂覆的有限前体数目以及因此可用于ALD薄膜涂覆的有限材料数目；和ALD反应物在暴露于其的每个表面(包括反应室的壁、气流导管、泵、阀和其它表面)上形成涂层的倾向，这导致材料随时间而连续累积。关于ALD反应室的一个特别问题在于随时间累积在涂覆室和其它设备上的ALD材料层可具有干扰热传递、剥落和污染衬底、干扰传感器读数和损坏移动部件(例如泵、阀和其它部件)的不利影响。而且，前体气体倾向于高度腐蚀性(有时有挥发性)，并且通常对操作人员有害。因此，前体气体需要小心地进行贮存操作。此外，许多应用需要使用高纯度前体气体以确保涂覆材料的期望电性质不因前体污染物而劣化，并且高纯度前体气体昂贵。