用于薄膜沉积设备的流体分配装置、相关设备和方法与流程

本发明大体上涉及薄层沉积方法和相关联的装备。特别地，本发明涉及一种用于薄膜沉积反应器的、用以在反应空间中建立流体的层流流动的流体分配装置。

背景技术：

1、薄膜沉积方法，其中，薄膜涂层从气相沉积在基板上，在本领域中被广泛地描述。大体上被视为化学气相沉积(cvd)的子类的原子层沉积(ald)技术，已经证明了其在三维基板结构上制造高质量的保形涂层的效率性。

2、ald是基于交替的自饱和表面反应的，其中，将非反应性(惰性)气态载体中的被设置为化学化合物或元素的不同反应物(前体)顺次地脉冲到容纳基板的反应空间中。沉积反应物之后，用惰性气体吹扫基板。常规的ald循环以两个半反应(脉冲第一前体-吹扫；脉冲第二前体-吹扫)进行，从而以自限制(自饱和)的方式形成一层材料，通常厚度为0.05-0.2nm。

3、在每个脉冲期间，特定的前体化学品被注射到连续地流经反应空间的惰性(载体)流体中。脉冲由吹扫周期分隔，随之反应空间被所述载体气体吹扫，以从前面的脉冲中移除前体化学品。在沉积进程中，一个或多个循环被根据需要重复多次以获得具有预定厚度的膜。用于每个前体的典型的基板暴露时间的范围在0.01-1秒(每个脉冲)内。常见的前体包括金属氧化物、元素金属、金属氮化物和金属硫化物。

4、可能会对通过化学沉积方法，特别是通过ald生产的膜的质量有不利影响的一个常见缺点是当将反应性(前体)物质引入反应空间时的非保形流动图案。反应室的突出形状特征和反应空间中的各种伸出结构可能干扰流动并且引起涡旋和/或湍流。在这样的装置中，流动图案倾向于从层流的切换为湍流的，或者反之亦然，因为即使流体流动的微小变化(在时间、速度、化学成分等方面)也可能以不可预测的方式影响流动图案。

5、沉积时间主要受吹扫周期长的限制。为了优化沉积速度(例如，在每个沉积循环的时间方面，诸如每个沉积循环0.5-20秒)，应使通过沉积反应器的流体流动尽可能均衡。在ald中，湍流有可能使脉冲化学品的排空减慢，其导致不完全吹扫，随之在第二前体被输送到反应空间时，第一前体残留在反应空间中。当第二前体在气相中与第一前体反应时，出现非期望的情况，这导致了颗粒形成。在最坏的情形下，这样的情况会破坏待涂覆的样品。无论如何，两种前体而不是一种前体存在于ald反应中可能会导致颗粒形成、涂覆不均匀以及膜质量差，具有这些性质的膜会因电击穿电压和颗粒增加而受损。

6、在这方面，鉴于要应对与避免湍流有关联的挑战的同时在薄膜沉积反应器中提供前体的有效的混合，仍然期望薄膜沉积技术领域的更新。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决或至少缓解由相关技术的局限和缺点引起的每个问题。该目的通过用于薄膜沉积设备的流体分配装置、相关设备、系统和方法的各种实施方式来实现。因此，在本发明的一个方面，提供了一种薄膜沉积设备。

2、在实施方式中，该设备包括：反应室，该反应室用于容纳基板，该基板以其侧面彼此相邻的方式进行布置；以及流体分配装置，该流体分配装置包括扩展区域和过渡区域，该扩展区域具有子区域，流体流f1、f2经由被布置在每个子区域上的至少一个进口被接收到该子区域中，使得所述流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过子区域，在过渡区域中，经由子区域到达其中的流体流f1、f2相结合；其中，每个子区域具有内部，其中该内部具有的横跨过所述内部其的距离在沿着流体流动f1、f2的方向、在每个进口103与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1；并且其中，过渡区域被配置成进一步将相结合的流体流引导到所述反应室中，使得在反应室的入口处被建立并且于所述基板的侧面之间传播经过所述反应室的长度的流动f是层流的。

3、在实施方式中，薄膜沉积设备包括流体分配装置，其中在每个子区域的内部中在进口103和过渡区域之间的距离处建立的流体的流动是层流的。

4、在实施方式中，过渡区域是使入口和出口被设置为开口的通道，该开口具有宽度d2、d2'以及以与每个子区域的扩展宽度对应的距离d1延伸的长度。

5、在实施方式中，过渡区域102还包括收缩地带，该收缩地带是通过将通道的侧向表面倾斜到在距离d1处基本上恒定的宽度d3形成的。

6、在实施方式中，所述通道的至少一部分具有以一曲率倾斜的侧向表面。

7、在实施方式中，扩展区域的子区域被设置在与沉积设备的纵向轴线y基本上正交的截面平面p1处。

8、在实施方式中，传播经过扩展区域的流体流f1、f2的方向与传播经过反应室的流体流动f的方向基本上垂直。

9、在实施方式中，扩展区域的子区域分别被设置在截面平面p1'处，并且其中，每个这样的平面p1'相对于截面平面p1倾斜角度阿尔法α。在实施方式中，所述截面平面p1'是镜像对称的。

10、在实施方式中，在过渡区域处，每个流体流f1、f2从截面平面p1、p1'朝向沿着沉积设备的纵向轴线y的、被限定为子区域的对称平面的截面平面p2进行转向。

11、在实施方式中，流体分配装置还包括流动成形元件，该流动成形元件被配置成将进入过渡区域的流体流f1、f2的流动方向调整成基本上朝向反应室。在实施方式中，流体分配装置还包括位于过渡区域中的混合布置结构。

12、在实施方式中，所述设备的反应室在其整个长度上具有恒定的截面。

13、在实施方式中，在所述设备中，过渡区域由具有入口开口和出口开口的通道建立，并且其中，所述入口开口和/或所述出口开口具有与反应室相同的截面。

14、在实施方式中，所述设备的反应室的内部在尺寸上与被接收到该反应室中的预定数量的基板相符。

15、在实施方式中，该设备被配置成通过建立前体流体经过反应室的长度的层流流动f将材料沉积在基板表面上，其中，前体流体在前边缘处以基本上均匀的速度在所述基板的侧面之间传播。

16、在实施方式中，在所述设备中，被输送到反应室中的前体流体包括至少一种前体化学品。

17、在实施方式中，前体流体以若干连续脉冲的形式被输送到所述设备的反应室中。

18、在实施方式中，该设备被配置成在所有基板表面上同时沉积涂覆膜。

19、在实施方式中，该设备还包括排放导管和罩壳，该罩壳基本上被布置在所述排放导管周围并接收从反应室流动经过导管的流体，其中，所述排放导管和所述罩壳形成排放组件，该排放组件被配置成改变排放流动离开反应室的方向。在实施方式中，在所述排放组件中，排放导管和罩壳形成通路，在该通路中，经由排放导管离开反应室的排放流动在形成所述导管的一个或多个壁周围进行转向，同时仍然保留在罩壳中，以便经由被布置在罩壳的至少一个侧壁上的孔被进一步引导到排放歧管中。

20、在实施方式中，该设备被配置用于化学沉积反应的设备。在实施方式中，所述设备被配置用于原子层沉积(ald)的设备。

21、在另一方面，提供了一种用于在用于薄膜沉积的设备中在基板表面上沉积材料的方法。

22、在又一方面，提供了根据一些前述方面的用于薄膜沉积的设备用于将涂层材料沉积在基板表面上的用途。

23、在又一方面，提供了一种薄膜沉积系统，该薄膜沉积系统包括若干根据一些前述方面的用于薄膜沉积的设备。在实施方式中，所述系统中的设备顺次和/或按阵列彼此连接。

24、在实施方式中，设备被布置在所述系统中，以便将公共的前体化合物接收到至少两个设备中。

25、在一些其他方面，提供了用于在根据一些前述方面的用于薄膜沉积的设备中均匀分配流体的方法。

26、在一些配置中，还提供了一种用于薄膜沉积设备的流体分配装置，该流体分配装置包括扩展区域和过渡区域，扩展区域包括子区域，该子区域用于经由被布置在每个子区域上的至少一个进口来接收流体流f1、f2，使得所述流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过子区域，在过渡区域中，经由子区域到达其中的流体流f1、f2相结合，其中，每个子区域具有内部，其中该内部具有的横跨其的距离沿着流体流f1、f2的方向、在每个进口103与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1；并且其中，过渡区域被配置成将相结合的流体流引导到沉积设备的反应室中，使得在反应室的入口处被建立并传播经过所述反应室的长度的流动f是层流的。

27、在一些配置中，还提供了一种用于薄膜沉积设备的流体分配装置，该流体分配装置包括：扩展区域，该扩展区域包括子区域，该子区域用于经由被布置在每个子区域上的至少一个进口接收流体流f1、f2，使得流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过所述子区域；过渡区域，在该过渡区域中经由子区域到达过渡区域的流体流f1、f2相结合，其中，每个子区域具有内部，其中内部具有的横跨其的距离沿着流体流动的方向、在每个进口与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1；流动成形元件，该流动成形元件被配置成将进入过渡区域的流体流f1、f2的流动方向调整成基本上朝向薄膜沉积设备的反应室，使得在反应室的入口处被建立并且传播经过反应室的长度的流动是层流的。

28、在一些配置中，还提供了一种薄膜沉积设备，包括：反应室，该反应室用于容纳基板，该基板以其侧面彼此相邻的方式进行布置；流体分配装置，该流体分配装置包括扩展区域、过渡区域以及流动成形元件，该扩展区域具有子区域，流体流f1、f2经由被布置在每个子区域上的至少一个进口被接收到子区域中，使得流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过子区域，在过渡区域中，经由子区域到达过渡区域的流体流f1、f2相结合；其中，每个子区域具有内部，其中内部具有的横跨其的距离沿着流体流动的方向、在每个进口与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1，该流动成形元件被配置成将进入过渡区域的流体流f1、f2的流动方向调整成基本上朝向薄膜沉积设备的反应室，使得在反应室的入口处被建立并且在基板的侧面之间传播经过反应室的长度的流动是层流的。

29、在一些配置中，还提供了一种用于在用于薄膜沉积的设备中在基板表面上沉积材料的方法，包括：获得薄膜沉积设备，该薄膜沉积设备包括：反应室，该反应室用于容纳基板，该基板以其侧面彼此相邻的方式进行布置；以及流体分配装置，该流体分配装置包括扩展区域、过渡区域以及流动成形元件，该扩展区域包括子区域；经由被布置在每个子区域上的至少一个进口建立进入子区域的流体流动f1、f2，使得流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过子区域，其中，至少一个流体流f1、f2包括至少一种前体；使流体流f1、f2在过渡区域中相结合，借此形成包含至少一种前体的前体流体，并且用流动成形元件将前体流体的流动方向调整成基本上朝向薄膜沉积设备的反应室；以及通过在反应室的入口处建立前体流体的层流流动并且通过在前体流体在基板的侧面之间传播经过反应室的长度时保持层流流动，来使材料沉积在基板表面上，其中，每个子区域具有内部，该内部具有的横跨其的距离沿流体流动f1、f2的方向、在每个进口与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1。

30、在一些配置中，还提供了一种用于在用于薄膜沉积的设备中均匀分配流体的方法，包括：获得薄膜沉积设备，该薄膜沉积设备包括：反应室，该反应室用于容纳基板，该基板以其侧面彼此相邻的方式进行布置；以及流体分配装置，该流体分配装置包括扩展区域、过渡区域以及流动成形元件，该扩展区域包括子区域；经由被布置在每个子区域上的至少一个进口建立进入子区域的流体流动f1、f2，使得流体流f1、f2在基本上朝向彼此的方向上传播经过子区域；使流体流f1、f2在过渡区域中相结合，以及用流动成形元件将流体流的流动方向调整成基本上朝向薄膜沉积设备的反应室将相结合的流体流引导到反应室中，使得在反应室的入口处被建立并且于基板的侧面之间传播经过反应室的长度的流动是层流的，其中，每个子区域具有内部，该内部具有的横跨其的距离沿流体流动f1、f2的方向、在每个进口与过渡区域之间的截面平面上增加至扩展宽度d1；其中，反应室的内部在尺寸上与被接收到反应室中的预定数量的基板相符；以及其中，在过渡区域处，每个流体流f1、f2从截面平面朝向沿着沉积设备的纵向轴线的被限定为子区域对称平面的截面平面进行转向。

31、取决于本发明的每个特别的实施方式，本发明的实用性由于多种原因而产生。总体而言，本发明提供用于在沉积设备中有效地混合前体化学品并同时用于在化学沉积反应中建立层流流动条件的装置和方法。避免ald反应中的涡旋允许产生具有改善的厚度均匀性的高质量膜。通过建立和控制层流流动图案，本发明允许缩短吹扫时间并加快整个生产过程。

32、在ald实现方式中，在脉冲和吹扫阶段两者期间均保持层流流动。在吹扫阶段中建立层流流动条件允许从反应空间较有效地移除流体，诸如气体，并且相应地减少吹扫预定(反应室)体积所需的时间段。因此，层流地流入反应室的流体稳定地并且均衡地从前面的脉冲中“推开”以气相的仍然保留的前体化合物和/或反应产物。

33、在不支持层流流动的解决方案(现有技术)中，通常通过用惰性流体“稀释”来降低所述前体化合物和/或反应产物在反应空间中的浓度。然而，由于基本上湍流的流动条件，反应室的吹扫可能持续很长时间(例如超过1分钟)。在由此提出的设备中，在反应室的入口处被建立并且在使流体传播经过所述反应室时被保持的层流流动条件接近于在层流塞流反应器中观察到的条件。

34、根据本发明的流体分配装置允许将从不同源到达反应室中的前体化学品保持彼此分隔开，从而有效地防止所述化学品彼此混合和/或反应直到它们到达反应器设备中的预定空间。因此避免在反应室之前的反应器表面上形成膜。在该设备中，前体化学品被直接引导到反应室中，而不会被允许驻留在非期望的表面上(由于混合不及时/太早混合)。

35、在当前公开的设备中，前体化合物传播经过反应空间，一次传播经过一个前体，这通过改善的流速特性而成为可能，改善的流速特性又通过创新的配置成为可能。因此，该设备允许避免在淋浴头反应器中通常出现的问题，例如，并且避免在ald反应器中与所谓的cvd型反应(基于将至少两个前体同时引导到反应空间中)相关联的问题(基于将前体后继引导到反应空间中，使得化学品不会混合)。

36、在根据本公开内容的设备中进行化学沉积反应时，反应室中的所有基板诸如晶圆基板都沉积有均匀的前体层，使得前体的浓度在单个基板的(侧)表面上是均匀的，并且在反应空间中的所有基板的表面上是均匀的。由于其有均匀地混合前体化学品并且将所述混合的化学品均衡地散布到所有基板表面上的能力，可以使每个脉冲中被引导到反应空间中的前体化学品的量最小化。这允许节省化学品，减少一个或多个馈送管线中的膜形成，并且使吹扫时间最小化。

37、该设备还在没有压力损失的情况下运行。

38、在本公开内容中，具有小于1微米(μm)的层厚度的材料被称为“薄膜”。

39、在本公开内容中，表述“反应性流体”和“前体流体”表示在惰性载体中包括至少一个化合物(前体化合物)——以下称为前体——的流体流动。

40、在本公开内容中，表述“若干”是指从一(1)开始的任何正整数，例如一、二或三。在本文中，表述“多个”是指从二(2)开始的任何正整数，例如二、三或四。

41、术语“第一”和“第二”并非意在指示任何顺序、数量或重要性，而是仅用于将一个元件与另一元件区分开，除非另有明确说明。

42、在本公开内容中，表述“若干”是指从一(1)开始的任何正整数，例如一、二或三。在本文中，表述“多个”是指从二(2)开始的任何正整数，例如二、三或四。

43、在此呈现的图中的一些组件不必按比例绘制。