[发明专利]液相化学沉积装置、方法及其制品

说明书

技术领域

本发明总体上涉及高质量材料（金属氧化物/陶瓷，金属/超合金，以及半导体）在任意表面上的形成，更具体地，涉及用于制造这种高质量材料的装置和方法。

背景技术

首先在衬底表面形成液膜随后使其分解的方法在此总称为金属有机溶液分解法（MOSD）。德罗什蒙（de Rochemont）等人的专利技术进一步指出，当液态气溶胶被喷射到已加热至温度范围在200°C到500°C、优选为250°C到450°C的衬底上时，沉积物内会产生分子水平上的化学均一性。在此例中，由加热衬底给予液态气溶胶的热能足以引发气溶胶喷雾内包含的所有金属有机物前体的同时分解，从而在沉积的氧化物内复制包含在金属有机溶液中的相同水平的前体细分。现有技术很好地体现了金属有机溶液分解法（MOSD）。替代的方案是利用溶液前体法，通过在环境温度下利用旋涂或者喷雾雾化施加液态前体薄膜。沉积的液态薄膜利用之后的加热或者干燥步骤随后被热解为所需要的材料。这两步过程很容易造成相分离以及在多组分薄膜中形成微核，其不利地影响均一的陶瓷材料微观结构的形成。多组分液态薄膜中含有一定量的不同种类的分子前体，用于多组分薄膜中所需的每种不同金属氧化物组分。每种不同的分子前体会有不同的分解温度。特定的金属种类被结合到有机物配体来形成分子前体，当其被加热到高于它们各自的分解温度时，就会爆燃并生成残留的金属氧化物分子。当多组分液态薄膜的温度从环境温度迅速地升到能够热解不同种类的前体的温度时，会形成相分离微核。在较低温度下爆燃的分子前体会首先形成它们各自的氧化物分子并在它们相转变时从液态薄膜中分离出来形成单一种类氧化物的微团簇，或者当液态薄膜迅速地升到使一些、而不是全部的分子前体转变成它们的氧化物的温度时，会形成部分混合的氧化物微团簇。此外，具有最高的分解温度的分子前体将会最后转化成氧化物相，并通常在之前形成的单一种类或者混合的氧化物微团簇上形成不均匀分布的氧化物壳。液相中获得的分子水平的化学均一性在加热烘烤阶段随后丧失。这种氧化物组分化学分布的不均一性产生化学动力学的不均一性以及在沉积后加热或者辐射加热过程中形成陶瓷结晶相的成核位置生成颗粒的情形。

布达金（Budargin,L.）的7,211,292Bl和US2002/0041928Al号美国专利文献,以及布达金（Budaragin,L.）等的7,718221号美国专利文献通过首先在环境温度下（<50°C）施加液态前体溶液形成液态薄膜，随后通过在高于400°C的温度下热处理转化成金属氧化物用来形成高度复杂性的压层材料。如下所述，此两步工艺通过前体组分的相继分解在沉积物中造成了相分离。

麦克米兰（McMillan）等人(美国专利号：5,456,945;5,540,772;5,614,252;5,759,923;5,888,583,下文中统称为麦克米兰等人)公开了通过在置于沉积室内的衬底上流动液态金属有机物前体薄雾形成液态前体薄膜的方法和装置，衬底和沉积室都保持在实质环境温度下。尽管此技术指出了包含湿化学技术的液态前体的使用，该湿化学技术包括羧酸和醇盐化学成份在集成电路衬底上形成二氧化硅以及其他的氧化物电介质，例如钛酸锶钡（BST），但发明者反复地指出在沉积过程中对沉积室及衬底的加热会造成较差质量的薄膜。在麦克米兰等人的专利中，沉积室内必须保持环境温度，在沉积过程中，其也可以在真空或者大气压力下进行。通常的环境温度明确地定义为-50°C到100°C，优选为15°C到40°C。最初的沉积物是液态薄膜，其随后被干燥并处理形成固相氧化物层。包含在液态薄膜内部的溶剂主要利用真空技术从沉积物中被提取。此外，在5,759,923号美国专利文献中，麦克米兰等人仅仅指出了在沉积二氧化硅材料时，需要无水醇盐化学成份，建议硅羧酸化学成份可以暴露在含水的化学物质或者具有相对湿度、例如环境空气的气氛中。其他指出通过气溶胶喷雾的方法将液态薄膜施加至衬底然后以溶剂提取及后续处理的现有技术被林（Hayashi）等人引用（公开号为2002/0092472Al的美国专利文献)。

已经发展出了多种沉积系统作为在各种不同的衬底上形成改进的压层材料的工业方法。这些方法包括：化学气相沉积（“CVD”），原子层沉积（“ALD”）,物理气相沉积（“PVD”），蒸发，以及分子束外延（“MBE”）等等。相对于以低成本形成成分复杂的材料的目标，每种方法都有优点和缺点。