[发明专利]在原子层沉积系统中抑制过量前体在单独前体区之间运送

说明书

相关申请

根据35 U.S.C.§119(e) ，本申请主张保护在2009年10月14提交的美国临时专利申请No. 61 /251 ,639的权益，该专利申请以引用的方式合并到本文中。

技术领域

本公开的领域涉及薄膜沉积，其包括了在诸如聚合物膜这样的柔性基板上的原子层沉积(ALD)。

背景技术

在之前被称作原子层外延(“ALE”)的原子层沉积(“ALD”)是薄膜沉积工艺，其具有优于诸如物理气相沉积(“PVD”)(例如，蒸镀或溅镀/溅射)和化学气相沉积(“CVD”)这样的其它薄膜沉积方法的若干益处，如在Atomic Layer Epitaxy (T. Suntola和M. Simpson编辑，Blackie and Son Ltd., Glasgow, 1990)中所描述的那样。

与其中基板向存在于反应腔室中的多个前体同时暴露的CVD相对比，在ALD处理中的前体暴露为循序的，从而使得物质一次向仅一种前体暴露。成功的ALD生长已经常规地涉及向处于被称作行波反应器的沉积系统中的固定基板周围的反应空间内引入两种或两种以上的不同前体蒸气。ALD常规地在高温和低压的情况下执行。举例而言，反应空间可加热到介于200℃与600℃之间，且在介于0.1毫巴与50毫巴之间的压力的情况下操作。在典型的行波型ALD反应器中，反应空间由反应腔室加以界定，反应腔室的大小适于接纳一个或多个基板。通常提供一个或多个前体材料递送系统(也被称作“前体源”)用于向反应腔室内馈送前体材料。

在基板被加载到反应腔室内、且加热到所需处理温度之后，在基板上引导/导向第一前体蒸气。某些前体蒸气化学吸附或吸附于基板的表面上以形成单层。前体蒸气的分子将通常并不附着到其它相似分子上，且该工艺因此是自限制的。但是，某些前体可倾向于以过量的非化学吸附量而物理吸附或另外附着到基板表面处的相似分子上。在向第一前体蒸气暴露之后，净化了反应空间以移除过量的第一蒸气和任何挥发性反应产物。通常通过用不与第一前体反应的惰性净化气体来冲洗反应空间，来实现净化。对于ALD沉积，净化条件和持续时间足以移除基本上所有非化学吸附的前体。在净化之后，引入第二前体蒸气。第二前体蒸气的分子化学吸附、或另外与化学吸附的第一前体分子起反应以形成第一前体和第二前体的薄膜产物。为了完成ALD循环，同样利用惰性净化气体来净化反应空间以移除任何过量的第二蒸气以及任何挥发性反应产物。第一前体脉冲、净化，第二前体脉冲和净化的步骤通常被重复数百或数千次，直到实现了膜的所需厚度。

Dickey等人在2007年3月26日提交且公布为Pub. No. US 2007/0224348 A1的美国专利申请No. 11 /691 ,421(“ '421 申请”)描述了在柔性基板上原子层沉积的各种方法和系统。该'421 申请的说明书以其全文引用的方式合并到本文中。'421申请描述了ALD沉积方法，其涉及基板交替向第一前体气体和第二前体气体暴露、而不是如在常规行波ALD反应器中那样使用动态脉动的前体和净化气体流动。在'421申请的系统和方法中，诸如柔性幅材这样的基板沿着起伏路径被往复地移动经过由一个或多个隔离腔室或区分开的两个或两个以上的前体腔室或区以在基板的表面上实现薄膜的原子层沉积。当基板在前体区之间横穿过时，其经过隔离区的一系列流动限制通道，惰性气体喷射到流动限制通道内以抑制前体气体从前体区迁移出来。

本发明者已发现，当'421申请的系统结合三甲基铝(TMA)且水作为第一前体和第二前体用来沉积氧化铝(Al₂O₃)薄膜时，对于一组给定的水剂量强度、源温度和区分隔的条件集合，存在一定基板平移速度，高于该速度，则过量的非化学吸附的水分子似乎随着基板运送到TMA前体区内。表明过量水以高速运送到TMA前体区内的实验观察包括了：在向前体的每个循环暴露期间所观察到的薄膜沉积速率的增加，且伴随着薄膜的屏障层性质下降，以及在基板首先遇到TMA前体蒸气的位置Al₂O₃沉积到沉积系统的TMA前体区的壁上。这些观察与在TMA前体区中的CVD型沉积是一致的。

预期的是，除了水之外的前体可在工艺条件与高基板运送速度的某种组合情况下展示出类似的不想要的运送行为。举例而言，倾向于强固地粘附到其本身上 (例如，对用于使得前体彼此隔离的惰性气体具有相对较高表面张力的前体)、具有较低蒸气压力和/或向基板的表面展示了较强的物理吸附的前体更可能被随着基板运送到其它前体区内。