(57)【要約】  移動する基板上への材料の原子層堆積装置は、所定の平面または湾曲移動経路に沿って基板を移動させる搬送機構と、少なくとも１つの前駆体送出流路を有するコーティングバーとを備える。前駆体送出流路は、基板上に堆積される材料を含有する流体を移動経路に向かって導く。使用時、移動経路に沿って移動可能な基板が、前駆体送出流路の出口端部と基板との間に間隙を画定する。間隙は、前駆体送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺｇを画定する。流れ制限体が、前駆体送出流路内に配置され、前駆体送出流路内の流れに対して所定インピーダンスＺｆｃを提供する。制限体は、インピーダンスＺｆｃがインピーダンスＺｇの少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１５倍であるように寸法が決められる。インピーダンスＺｆｃは、摩擦係数ｆを有する。前駆体送出流路内の制限体は、インピーダンスＺｆｃが、１００未満、好ましくは１０未満の摩擦係数ｆを有するように寸法が決められる。
2013501141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する基板上への材料の原子層堆積装置であって、
当該装置を通る所定の移動経路に沿って基板を移動させる搬送機構と、
少なくとも１つの前駆体送出流路が内部に画定されているコーティングバーであって、前記前駆体送出流路が出口端部を有し、前記前駆体送出流路が、基板上に堆積される材料を含有する流体を前記移動経路に向かって導くことができ、
それにより、使用時、前記移動経路に沿って移動可能な基板が、前記前駆体送出流路の前記出口端部と前記基板との間に間隙を画定し、前記間隙が、前記前駆体送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺｇを画定する、コーティングバーと、
前記前駆体送出流路内に配置された流れ制限体であって、前記前駆体送出流路内の前記流れに対して所定インピーダンスＺｆｃを提供する流れ制限体と、
を具備し、
前記流れが摩擦係数ｆを有する前記インピーダンスＺｆｃを通り、
前記制限体が、前記インピーダンスＺｆｃがインピーダンスＺｇの少なくとも５倍であるように寸法が決められ、
前記摩擦係数ｆが１００未満である、装置。
【請求項２】
前記前駆体送出流路が、当該装置を通る基板の前記移動経路に対して上流側および下流側を有し、
前記コーティングバーの内部に第１不活性ガス送出流路および第２不活性ガス送出流路が画定され、前記第１不活性ガス送出流路および第２不活性ガス送出流路が、それぞれ、前記前駆体送出流路の前記上流側および前記下流側に配置され、
各不活性ガス送出流路が出口端部を有し、各不活性ガス送出流路が、前記移動経路に向かって不活性ガスを導くことができ、
それにより、使用時、前記移動経路に沿って移動可能な基板が、各不活性ガス送出流路と前記基板との間に間隙を画定し、各間隙が、各不活性ガス送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺ’ｇを画定し、
前記コーティングバーが、
各不活性ガス送出流路内に配置された流れ制限体であって、各々が、前記それぞれの不活性ガス送出流路内の前記流れに対し所定インピーダンスＺ’ｆｃを提供する、流れ制限体をさらに備え、
前記流れが、摩擦係数ｆ’を有する前記インピーダンスＺ’ｆｃを通り、
各制限体が、前記インピーダンスＺ’ｆｃがインピーダンスＺ’ｇの少なくとも５倍であるように寸法が決められ、
前記摩擦係数ｆ’が１００未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記前駆体送出流路内の前記制限体が、前記インピーダンスＺｆｃが前記インピーダンスＺｇの少なくとも１５倍であるように寸法が決められる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記前駆体送出流路内の前記制限体が、前記インピーダンスＺｆｃが前記インピーダンスＺｇの少なくとも１５倍であるように寸法が決められる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
各不活性ガス送出流路内の前記制限体が、前記インピーダンスＺ’ｆｃが前記インピーダンスＺ’ｇの少なくとも１５倍であるように寸法が決められる、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記不活性ガス送出流路内の前記制限体が、前記インピーダンスＺｆｃが前記インピーダンスＺｇの少なくとも１５倍であるように寸法が決められる、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記摩擦係数ｆが１０未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記摩擦係数ｆが１０未満である、請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記摩擦係数ｆ’が１０未満である、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記摩擦係数ｆ’が１０未満である、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
当該装置を通る前記基板の前記移動経路が湾曲している、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
当該装置を通る前記基板の前記移動経路が平面である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
当該装置を通る前記基板の前記移動経路が湾曲している、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
当該装置を通る前記基板の前記移動経路が平面である、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、開示内容が参照により本明細書に援用される以下の米国仮特許出願の優先権を主張する。
Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、２００９年７月３１日に出願された米国特許出願第６１／２３０，３３６号明細書
【０００２】
本発明は、基板の上に材料を原子層堆積する装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
原子層堆積（「ＡＬＤ」）は、基板の上に堆積される複合材料の層の厚さにわたり極めて厳密な制御を提供する薄膜堆積技法である。名前が示唆するように、ＡＬＤにおける膜成長は、層単位であり、それにより、結晶粒界およびピンホールもない極めて薄いコンフォーマルコーティングの堆積が可能となる。このコーティングの堆積は、通常、２種の分子前駆体の付与を通して行われる。基板の表面は、表面と化学反応する第１前駆体（「前駆体Ｉ」）に曝露される。この反応は、自己制御性であり、反応した前駆体Ｉの一様な単層コーティングが表面を覆うまで進行する。そして、表面は、第２前駆体（「前駆体ＩＩ」）に曝露され、前駆体ＩＩは、前駆体Ｉがコーティングされた表面と化学反応して所望の化合物を形成する。前述のように、反応は自己制御性であり、結果は、表面を覆う反応した前駆体ＩＩの完成した単層コーティング、したがって所望の複合材料の完成した単層である。
【０００４】
その後、所望の厚さのコーティングが形成されるまで、まず表面を前駆体Ｉに次いで前駆体ＩＩに曝露してプロセスを繰り返すことができる。各完成したＩ−ＩＩ層が０．１ｎｍ程度の厚さであるため、厚さが非常に厳密に制御された非常に薄い層が可能である。
【０００５】
伝統的に、ＡＬＤは、コーティングされる基板を真空チャンバ内に配置し、同様に気相において幾分かのわずかな割合の前駆体を含有する低圧キャリアガスを導入することによって、行われてきた。しかしながら、堆積チャンバから前駆体を完全にパージする時間が長い可能性があるため、ＡＬＤは、通常低速なプロセスとみなされてきた。
【０００６】
はるかに高速での堆積を可能にする、ＡＬＤコーティングヘッドの別の形態が知られている。このヘッド構成では、前駆体ガス（この場合もまた、不活性キャリアガスにおける前駆体分子）は、長く狭い流路によって送出され、これらの流路は、真空吸上流路およびパージガス流路と交互になっている。そして、ヘッドは、流出流路の長軸に対して垂直な方向に、コーティングされる基板を横切る（または別法として、１つの位置に保持され、その間、基板がその下を並進する）。特許文献１は、こうしたヘッドの構造の代表である。
【０００７】
この参照した公開出願に開示されているヘッドは、ヘッドと基板との間の離隔距離が、非常に小さく（約３０ミクロン）かつ非常に厳密に制御されることが必要である。実際には、装置の正面から出るガスの噴流は、コーティングされる基板にわたり、ホバークラフトに類似する方法で、コーティングヘッドを浮遊させる手段として用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／１６６，８８０号明細書（Ｌｅｖｙ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したことを考慮して、コーティングヘッドと基板との厳密な距離に対して影響を受けにくく、代りに、ヘッドと基板との間の離隔距離とは無関係であるとともに、その離隔距離の寸法の変動を許容できる、基板のＡＬＤコーティング装置を提供することが有利であると考えられる。そのように、この離隔距離を一定に維持するために追加の手段は不要である。特に、ヘッドから出るガスが２つの役割を果たす必要がないことが有利であると考えられ、すなわち、ガスは、装置の主な機能、すなわちＡＬＤコーティングの堆積を危うくするという犠牲を払って、一定の離隔距離を維持する機能を果たす必要がない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、移動する基板上に材料を原子層堆積する装置であって、装置を通る所定の移動経路に沿って基板を移動させる搬送機構と、少なくとも１つの前駆体送出流路を有するコーティングバーとを備える装置に関する。前駆体送出流路は、基板上に堆積される材料を含有する流体を移動経路に向かって導くことができる。使用時、移動経路に沿って移動可能な基板が、前駆体送出流路の出口端部と基板との間に間隙を画定する。間隙は、前駆体送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺｇを画定する。
【００１１】
本装置は、前駆体送出流路内に配置された流れ制限体（ｆｌｏｗ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）をさらに備える。流れ制限体は、前駆体送出流路内の流れに対して所定インピーダンスＺｆｃを提供する。制限体は、インピーダンスＺｆｃがインピーダンスＺｇの少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１５倍であるように寸法が決められる。
【００１２】
インピーダンスＺｆｃは、摩擦係数ｆを有する。前駆体送出流路内の制限体は、インピーダンスＺｆｃが、１００未満、好ましくは１０未満の摩擦係数ｆを有するように寸法が決められる。
【００１３】
コーティングバーはまた、前駆体送出流路の上流側および下流側にそれぞれ配置された第１不活性ガス送出流路および第２不活性ガス送出流路を有する。
【００１４】
各不活性ガス送出流路の出口端部はまた、各不活性ガス流送出流路の端部と基板との間に間隙を画定する。各間隙は、それぞれの不活性ガス送出流路各々からの流体の流れに対してインピーダンスＺ’ｇを画定する。流れ制限体が、各不活性ガス送出流路内に配置される。各流れ制限体は、それぞれの不活性ガス送出流路内の流れに対し所定インピーダンスＺ’ｆｃを提供する。各不活性ガス送出流路内の各流れ制限体は、インピーダンスＺ’ｆｃがインピーダンスＺ’ｇの少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１５倍であるように寸法が決められる。インピーダンスＺ’ｆｃは摩擦係数ｆ’を有する。不活性ガス送出流路内の流れ制限体は、インピーダンスＺ’ｆｃが、１００未満、好ましくは１０未満の摩擦係数ｆ’を有するように寸法が決められる。
【００１５】
装置を通る基板の移動経路を、平面移動経路または湾曲移動経路とすることができる。
【００１６】
本発明は、本出願の一部を形成する添付図面に関連して以下の詳細な説明からより十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるコーティングバーを組み込んでいる、移動する基板の上に少なくとも１種の前駆体材料を連続流で原子層堆積する装置の様式化された（ｓｔｙｌｉｚｅｄ）概略図である。
【図２】本発明によるコーティングバーの基本的な構造要素の概略側面図である。
【図３】本発明によるコーティングバーを有するコーティング装置用の制御システムのブロック図である。
【図４】２種の前駆体材料を基板上に堆積させるように適合された、本発明によるコーティングバーの組立分解斜視図である。
【図５】図５に示すコーティングバーを組み立てるために用いられる構造板の分離された斜視図である。
【図６】図５に示すコーティングバーを組み立てるために用いられるガスケットの分離された斜視図である。
【図７】バーを通る不活性（パージ）ガス用の流路を示す、図４の組み立てられたコーティングバーの側面図である。
【図８】バーを通る排気用の流路を示す、図４の組み立てられたコーティングバーの側面図である。
【図９】バーを通る前駆体Ｉ用の流路を示す、図４の組み立てられたコーティングバーの側面図である。
【図１０】バーを通る前駆体ＩＩ用の流路を示す、図４の組み立てられたコーティングバーの側面図である。
【図１１】バーを通るベントシール経路用の流路を示す、図４の組み立てられたコーティングバーの側面図である。
【図１２】装置を通る基板の移動経路が湾曲している、本発明の１つまたは複数のコーティングバーを用いる、移動する基板の上に材料を連続流で原子層堆積する装置の概略図である。
【図１３】図２の構造の陰画として描かれる実施例１のモデルを構成する空間の領域を示す。
【図１４】計算の開始後の時刻ｔ＝０．２秒における実施例１のモデルの状態を示す。
【図１５】実施例１のモデルの基板境界Ｅにおける横方向位置の関数としての反応した前駆体の表面濃度を示す。
【図１６】図１４に類似する図であるが、計算の開始後の時刻ｔ＝０．２秒における実施例２のモデルの状態を示す。
【図１７】図１５に類似する図であるが、実施例２のモデルの基板境界Ｅにおける横方向位置の関数としての反応した前駆体の表面濃度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の詳細な説明を通して、同様の参照数字は、図面のすべての図における同様の要素を指す。
【００１９】
図１は、全体的に参照文字１０によって示す、移動する基板Ｓの上に少なくとも１種の前駆体材料を連続流で原子層堆積する装置の様式化された概略図である。基板Ｓは、ガラス板等の剛性材料か、または可撓性ポリマーあるいは金属ウェブ等の可撓性材料であり得る。装置１０は、参照文字１２によって図式で好適な筐体を有している。
【００２０】
筐体１２内に、装置１０を通して所定の移動経路１６に沿って基板Ｓを移動させる搬送機構１４が設けられている。図１および図２に示す構成では、基板Ｓは、搬送機構１４により、図面に示す基準座標系の正のＸ軸に沿って移動する。基板Ｓの移動経路１６は、概して平面であり、実質的にＸ−Ｚ基準面にある。筐体１２の目的は、不活性雰囲気を収容すること、および高温での装置の動作を可能にすることである。
【００２１】
装置１０は、本発明による少なくとも１つのコーティングバー２０を組み込んでいる。図２は、コーティングバー２０の基本的な構造要素の概略側面図であり、そこから、バー２０の動作を理解することができる。
【００２２】
図１および図２に示すように、バー２０は、さまざまな内部流体送出流路および流体除去流路を提供するように構成された略矩形状（ｒｅｃｔａｎｇｕｌｏｉｄ）部材であり、上記流路により、基板Ｓが装置１０を通して移動経路１６に沿って搬送される際に、少なくとも１種の前駆体材料が基板Ｓの表面上に堆積されることが可能である。少なくとも１種の前駆体材料を堆積するために必要なさまざまな流体送出流路および流体除去流路のセットは、図２において実線で示す前駆体堆積モジュール２１として合わせてグループ化される。図２の想像線によって示唆するように、かつ図４に関連して展開するように、（たとえば参照文字２１’、２１’’によって示す）複数の前駆体堆積モジュールをバー２０’に含めることができ（図４）、それにより、所与のバーが、バーの下に搬送されている基板上に２種以上の前駆体を堆積することができる。
【００２３】
複数の堆積モジュール（たとえば、モジュール２１、２１’’、図２）を単一のコーティングバーに結合する際に有利な効率がある。前駆体送出流路２８、一対の排気流路３２Ｕおよび３２Ｄ、ならびに一対の不活性ガスパージ流路３６Ｕおよび３６Ｄを含む第１モジュール２１が、同一の第２モジュール２１’’の隣に並置されている場合、第１モジュール２１の下流のパージ流路３６Ｄはまた、第２モジュール２１’’の上流のパージ流路３６Ｕとしての役割も果たすことができる。そのように、コーティングバーは、Ｎ個の堆積モジュール２１を含む場合、合計（Ｎ＋１）個のパージ流路３６のみを含めばよい。
【００２４】
構造的に、バー２０内の前駆体堆積モジュール２１を、任意の好都合な方法で構成することができる。たとえば、本出願に示す実施形態では、前駆体堆積モジュール２１は、端部材２４Ａ、２４Ｂの間にボルト締めされた構造板２２の層状スタックとして形成されている。より詳細に説明するように、板２２の各々は、この挟装体が組み立てられると、隣接する板２２間の空間が本明細書で説明するさまざまな内部流路を画定するように構成されている。さらに、板は、適切に位置決めされる開口部を有し、それら開口部は協働して、バー２０内に必要な供給ヘッダおよび流体搬送通路を画定する。
【００２５】
基板上に単一前駆体を堆積することができる前駆体堆積モジュール２１は、その最も基本の形態において、前駆体送出流路２８、一対の排気流路３２および一対の不活性ガス流路３６を含むように構成されている。流れ方向矢印は、説明する流路の各々における流体流の方向を示す。前駆体送出流路２８、排気流路３２の各々および不活性ガス流路はすべて、０．５ｍｍから２ｍｍ程度、通常はおよそ１ｍｍの所定幅寸法（Ｘ方向に測定）を有している。
【００２６】
前駆体送出流路２８は、入口端部２８Ｉおよび出口端部２８Ｅを有している。流れ方向矢印によって示すように、前駆体送出流路２８は、流路２８の入口端部２８Ｉに供給される前駆体材料（「Ｉ」）を含有する流体の流れを、流路２８の出口端部２８Ｅに向かって導く。前駆体送出流路２８の入口端部２８Ｉは、参照文字２８Ｆによって示す供給継手に接続されている。流路２８の出口端部２８Ｅから出る流れで搬送される前駆体材料は、基板Ｓがバーの下を移動する際に基板Ｓ上に堆積される。
【００２７】
上流の排気（または「吸上」）流路３２Ｕおよび下流の排気（または「吸上」）流路３２Ｄは、それぞれ、その上流側および下流側両方において前駆体送出流路２８の側面に位置している。本明細書において概して「上流」および「下流」という用語は、装置１０を通る基板Ｓの移動方向に沿った基板Ｓの方向１６に対して定義され、基準Ｘ軸に沿った負の方向および正の方向にそれぞれ対応する。各排気流路３２Ｕ、３２Ｄは、収集端部３２Ｃおよび排気端部３２Ｅを有している。各排気流路の収集端部３２Ｃは、基板Ｓの移動経路に隣接している。排気流路３２Ｕ、３２Ｄの各々の排気端部は、参照文字３２Ｆによって図式で示す共通の排気継手に接続されている。
【００２８】
コーティングバー２０は、上流の不活性ガス送出（または「パージ」）流路３６Ｕおよび下流の不活性ガス送出（または「パージ」）流路３６Ｄをそれぞれさらに有している。図示するように、パージ流路３６Ｕは、上流の排気流路３２Ｕのすぐ上流に配置されており、パージ流路３６Ｄは、下流の排気流路２８Ｄのすぐ下流に配置されている。各パージ流路３６Ｕ、３６Ｄは、窒素ガス等の不活性流体を供給端部３６Ｓから、基板Ｓの移動経路に隣接して位置する吐出端部３６Ｈまで送出する役割を果たす。各パージ流路３６の供給端部３６Ｓは、参照文字３６Ｆによって図式で示す共通の供給継手に接続されている。
【００２９】
前駆体送出流路２８の出口端部２８Ｅ、それぞれの排気流路３２Ｕ、３２Ｄ各々の収集端部３２Ｃ、ならびにそれぞれのパージ流路３６Ｕ、３６Ｄ各々の吐出端部３６Ｈはすべて、基板Ｓの横方向寸法全体を包含する（正のＺ方向に延在する）横方向寸法を有している。
【００３０】
図３は、装置１０の動作のための制御システムのブロック図である。コントローラ１００によって、窒素の流入流が提供され、前駆体材料（たとえば材料「Ｉ」）を収容しているバブラ１０２に向けられる。前駆体の温度は、センサ１０４によって監視され、温度コントローラ１０６を介して制御される。前駆体で飽和している窒素ガスは、ライン１０８を介してバブラから出て、任意に、純粋な窒素流１１０と結合される。所望の濃度の前駆体を含有する結合された流れは、温度制御されたライン１１２を通って、コーティングバー２０の前駆体入口接続継手２８Ｆまで移動する。コーティングバー２０に送出されるガスの圧力は、圧力計１１４を介して監視される。コントローラ２００により、窒素の第２の流入流が提供され、温度制御されたライン２０２を介してコーティングバー２０のパージ入口接続継手３６Ｆに送出される。ライン３００は、流出流を、コーティングバー２０の上の排気接続継手３２Ｆから噴霧ボックス３０２まで、その後コールドトラップ３０４まで向ける。排気ガスが装置から引き出される速度は、真空流れコントローラ３０６によって調節される。
【００３１】
動作時、前駆体材料（材料「Ｉ」）を含有するガスは、継手２８Ｆを介して前駆体送出流路２８に供給される。前駆体材料は、前駆体送出流路２８を通ってその出口端部２８Ｅに向かって導かれる。出口端部２８Ｅにおいて、前駆体ガスの流れは、前駆体送出流路２８を出て、送出流路２８を形成する板２２の縁と基板Ｓとの間に画定された間隙４２内に引き込まれる。間隙４２は、前駆体送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺｇを画定する。インピーダンスＺｇの大きさは、間隙４２のサイズによって直接制御される。
【００３２】
同時に、供給継手３６Ｆを介して、パージ流路３６Ｕ、３６Ｄの各々に不活性ガスの流れが導入される。これらの流れの各々は、これらの流路のそれぞれの吐出端部３６Ｄに導かれる。不活性ガス流は、これらの流路を形成する板２２の縁と基板Ｓとの間に画定された間隙４３内に同様に引き込まれる。これらの間隙４３は、同様に、不活性ガス送出流路からの流体の流れに対してインピーダンスＺ’ｇを画定する。間隙４３のサイズは、インピーダンスＺ’ｇの大きさを直接制御する。
【００３３】
前駆体ガス流は、不活性ガス流とともに、排気流路３２Ｕ、３２Ｄの収集端部３２Ｃに向かって引き込まれ、それによって収集される。前駆体流が間隙４２を押し進む際、前駆体「Ｉ」材料の層が基板Ｓの上に堆積される。
【００３４】
本出願の背景部分で示した既知のＡＬＤコーティングヘッドの説明に関連して述べたように、コーティングヘッドと基板Ｓとの間の間隙の寸法を、間隙の寸法のわずかな変化により流れが大きく変化するため、これらの寸法が相対的に一定のままであることを確実にするように厳密に制御しなければならない。しかしながら、本発明によるコーティングバーは、間隙４２および／または４３の寸法が変化する場合であっても、基板に向かう前駆体材料の実質的に安定した（すなわち、可変であるが、許容できるプロセス限界内である）流れを維持することができる。
【００３５】
本発明による間隙の寸法への依存をなくすことは、前駆体送出流路２８に、かつ不活性ガス送出流路３６Ｕ、３６Ｄの各々に、流れ制限体２２Ｒを配置することによって得られる。流れ制限体２２Ｒの存在により、これらの流路の各々が狭くなり、そこを通るガスの流れに対する制限部（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）がもたらされる。
【００３６】
制限体２２Ｒによってもたらされる前駆体送出流路２８内の制限部により、そこを通る流れに対して所定のインピーダンスＺｆｃが提供される。本発明によれば、制限体は、インピーダンスＺｆｃがインピーダンスＺｇの少なくとも５倍であるように寸法が決められる。より好ましくは、インピーダンスＺｆｃはインピーダンスＺｇの少なくとも１５倍である。
【００３７】
同様に、不活性ガス送出流路３６の各々における制限部４８の存在により、これらの流路を通る流れに対して所定のインピーダンスＺ’ｆｃが提供される。これらの流路３６の各々における制限体もまた、インピーダンスＺ’ｆｃがインピーダンスＺ’ｇの少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１５倍であるように寸法が決められるべきである。
【００３８】
流路内の流れインピーダンスの流路の出口における間隙内のインピーダンスに対する定義された関係を表すように、制限部の寸法を適切に決めることにより、前駆体、場合によってはパージガスの送出は、間隙４２および／または４３の寸法の変動を許容できる間隙インピーダンスとは無関係になり、したがって、実質的に間隙インピーダンスＺｇおよび／またはＺ’ｇとは無関係になる。
【００３９】
さまざまなインピーダンスＺｇ、Ｚ’ｇ、ＺｆｃおよびＺ’ｆｃは、以下の式に従って、間隙または（場合によっては）流路を通る体積流量Ｑを流体の経路に沿った圧力低下ΔＰに関連付ける。
【数１】
2013501141.tif 000003
流れインピーダンスは、Ｓ．Ｄｕｓｈｍａｎ著、Ｔｈｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、２Ｅｄ．、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９６２において述べられている。
【００４０】
インピーダンスＺｆｃおよび／またはＺ’ｆｃは、それぞれ摩擦係数ｆおよびｆ’も有することができる。こうした摩擦係数ｆ、ｆ’は、以下の式に従って、制限部の壁におけるせん断応力τｗを、移動する流体の運動エネルギーＫに関連付ける。
【数２】
2013501141.tif 000004
摩擦係数は、Ｆ．Ａ．ＨｏｌｌａｎｄおよびＲ  Ｂｒａｇｇ著、Ｆｌｕｉｄ  Ｆｌｏｗ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ、１９９５において述べられている。
【００４１】
本発明によれば、前駆体送出流路におけるインピーダンスＺｆｃは、摩擦係数が１００
未満、より好ましくは１０未満である。さらに、本発明によれば、各不活性ガス送出流路におけるインピーダンスＺ’ｆｃは、摩擦係数が１００未満、より好ましくは１０未満である。
【００４２】
流れ制限体２２Ｒは、任意の好都合な形態をとることができる。図示する構成では、流れ制限体は、特定の送出流路を画定する板の一方（または両方）を横方向に延在する矩形状突起の形態をとる。好ましい場合、制限体は、完全な横方向（バーのＺ方向）に延在する流れ制限部を画定する。好ましくは、流れ制限体は、流路を通るガス流における渦の形成を最小限にするように、制限部の端部に遷移面２２Ｃを含むべきである。遷移面２２Ｃは、図示するように平面であり得る。しかしながら、表面の形状を他の形状に構成してもよい。
【００４３】
上述したように、コーティングバーは、複数の前駆体堆積モジュール２１を含むことができる。図４は、基板の上に２種類の前駆体材料（材料「Ｉ」および材料「ＩＩ」）を堆積するように適合されたコーティングバー２０’の組立分解斜視図である。図示する特定の構成では、コーティングバー２０’は、１１個のガスケット２３の間に交互に配置された１０個の構造板２２を備えた層状アセンブリとして形成されている。層状アセンブリは、ボルト２５およびナット２５Ｎによって固定される端部バー２４Ａ、２４Ｂによって閉鎖される。
【００４４】
図５は、個々の板２２の分離された斜視図であり、図６は、個々のガスケット２３の分離された斜視図である。
【００４５】
図５から分かるように、各構造板２２は、ＡＬＤプロセスに関連するガスおよび温度に適合性のある任意の好適に剛性の材料から製造される略平面部材である。板は、通常、厚さが１〜２ｍｍである。各板２２は、板の全厚さ２２Ｔを呈するヘッダ領域２２Ｉを有している。完全な厚さの矩形状バー２２Ｒが、板２２の完全な横方向寸法２２Ｗにわたって延在している。各板２２の一方の面の制限体バー２２Ｒの上方および下方の部分は、除去されて、横方向に延在する供給スロット領域２２Ｓおよび相対的に拡大した流れ領域２２Ｆを画定している。板のヘッダ領域２２Ｈに、適切に位置決めされた貫通開口部２２Ｇおよび穴２２Ｈが設けられている。溝２２Ｕが、各板２２の開口部のうちの１つを板２２内の供給スロット領域２２Ｓと接続する搬送通路を画定している。
【００４６】
図６に示すように、個々のガスケット２３は、好適なポリマー材料から製造された略Ｃ字型部材である。各ガスケットは、適切に位置決めされた貫通開口部２３Ｇおよび穴２３Ｈを有する、横方向に延在するスペーサ部２３Ｓを有している。スペーサ部２３Ｓの各端部から脚部２３Ｌが垂下している。
【００４７】
図４の組立分解図と図７〜図１１の断面図とから分かるように、２種類の前駆体（それぞれ材料「Ｉ」および材料「ＩＩ」）の各々に対する送出モジュール２１、２１’が、１１個のガスケット２３−１〜２３−１１の間の中間に交互に配置されている１０個の構造板２２−１〜２２−１０を積層することによって形成されている。
【００４８】
図４から明らかであるように、層状スタックがそのように形成される場合、板２２およびガスケット２３の各々の穴２２Ｈ、２３Ｈは、位置合せして、ボルト２５を受け入れそれによりスタックを端部バー２４Ａ、２４Ｂに固定する穴を画定する。
【００４９】
板２２およびガスケット２３の貫通開口部２２Ｇ、２３Ｇのうちの適切なものが、それぞれ互いに位置合せして、バー２０’内に適切な所定距離延在する供給ヘッダを画定する。供給ヘッダは、端部バー２４Ａ、２４Ｂのうちの一方に設けられた継手と連通している。
【００５０】
各板の一方の面における除去された供給スロット領域２２Ｓおよび拡大流れ領域２２Ｆは、隣接する板の対向する面と対面して、バー２０’に存在するさまざまな送出流路および排気流路を画定する。各板における溝２２Ｕは、その板の供給スロットを、バーに形成された適切な通路に接続する。隣接する板２２間の中間のガスケット２３の存在は、一方の板の表面の制限体バー２２Ｒを、隣接する板の対向する面から離れる方向に間隔を空けて配置する役割を果たし、それにより、各流路に制限部を画定する。制限体２２Ｒのインピーダンスおよび摩擦係数を、制限部前後の圧力低下とそれを通る質量流との両方の測定値から確定することができ、こうした測定に必要な機器および方法は既知である。制限体２２Ｒのインピーダンスの値を、関連するガスケット２３の厚さを変更することによって調整することができる。
【００５１】
図１１は、それぞれ端部バー２４Ａ、２４Ｂに隣接して配置されるさらなる排気流路２９Ａ、２９Ｂを示す。これらのさらなる排気流路２９Ａ、２９Ｂは、コーティングバー２０’と基板Ｓとの間の間隙から任意の残留前駆体ガスを捕集し、それらを吐出継手３０Ｆに搬送する役割を果たす。
【００５２】
前駆体材料の送出は間隙寸法とは無関係であるため、基板の移動経路を湾曲させることができる。図１２は、ＡＬＤ装置の様式化された概略図であり、そこでは、基板Ｓが、円形ドラム４００により、入力ロール４０２からアイドラローラ４０４Ａ、４０４Ｂを超えて出力ロール４０６まで湾曲経路に沿って搬送される。経路は、ギリシャ文字「オメガ」の形態をとる。図示するように、移動経路に沿って１つまたは複数のバー２０、２０’を配置することができる。
【００５３】
湾曲経路の曲率半径が十分に大きい場合、かつ／または個々のコーティングバーが十分に狭い場合、前駆体およびパージガスが出てくるためのコーティングバー出力面は、湾曲と一致するように成形される必要はない。しかしながら、そういう場合でない場合、個々の板２２を、装置の性能に悪影響を与えることなく、間隙４２、４３がバーの出力面にわたって一定のままであるように成形することができる。
【実施例】
【００５４】
本発明によるコーティングバーを有する原子層堆積装置の動作を、以下の実施例からより明確に理解することができる。
【００５５】
実施例１
有限要素数値モデルを用いて、図１および図２の実施形態による単一前駆体層を堆積することができるコーティングバーを調査した。このモデルの境界を、コーティングバーを備える板により、かつ基板により広く画定することができる。その理由で、モデルを構成する空間の領域を示す図１３は、図２の陰画として描かれている。
【００５６】
このモデルは、一対の排気流路（３２Ｕ、３２Ｄ）が側面に位置する単一前駆体送出流路（２８）を含んでいた。排気流路の側面に、一対の不活性ガス流路（３６Ｕ、３６Ｄ）を配置した。平坦な基板Ｓと前駆体送出流路の端部との間に、間隙（４２）を画定した。最後に、不活性ガスの周囲雰囲気におけるコーティングバーの配置に対応するように、モジュールの側面に一対のより広い領域（図１３、５０）を配置した。
【００５７】
垂直に配置された流体送出流路および流体吸上流路は、流れ制限部の領域を除き、幅ｗ＝１ｍｍであった。流路を、厚さｔ＝１ｍｍの固体板によって分離した。Ｅで示す基板表面を、バーの出力面から距離ｇ＝０．１ｍｍ下方に配置した。
【００５８】
モデルの開放容積を、３７３Ｋの温度で窒素ガスの特性を有する流体で充填されているものとみなした。このガスを、非圧縮性ナビエ・ストークス流体であり、バルクでは、以下の式に従うものとみなした。
【数３】
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式中、ρは流体密度であり、
【数４】
2013501141.tif 000006
は流体速度であり、μは流体粘度である。Ｉは恒等テンソルである。画定された領域内で任意の方程式系を解くために、その領域を画定する境界における挙動を指定しなければならない。図１３において、陰付き領域を包囲する太線は、モデル化領域に対する境界を構成する。これらの境界のいくつかのセグメントを、文字Ａ〜Ｅによって示し、それは、これらの境界が、ラベルのないセクションのものとは異なる仕様を必要とするためである。図１３において文字Ａ〜Ｄで示す境界は、流体がモデルに入るかまたはモデルから出ることができる入口および出口を表す。境界Ａは、前駆体入口（流路２８の入口端部２８Ｉに対応する）であり、境界Ｂは、流体吸上部（流路３２Ｕ、３２Ｄの排気端部３２Ｅに対応する）であり、境界Ｃはパージ入口（流路３６Ｕ、３６Ｄの供給端部３６Ｓに対応する）である。より広い領域５０の外部境界Ｄは、モデル化されたモジュールの周囲の雰囲気の領域とモデル化されていない領域との分割を表す。
【００５９】
これらの境界に沿って、モデル化領域に入るかまたはそこから出る流体に対する条件を以下によって与えた。
【数５】
2013501141.tif 000007
式中、
【数６】
2013501141.tif 000008
は、境界に対して垂直な内側に向いた単位ベクトルである。示した境界各々に沿って、圧力を、表Ｅ１．１に示す値で一定に保持した。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
Ｅ（すなわち、ラベル付けされていない境界すべて）を除く残りの境界すべてが物理的な壁を表し、そこでは、周知の「すべりなし」境界条件
【数７】
2013501141.tif 000010
を適用した。Ｅとして示す最後の境界は基板を表していた。ここでまた、すべりなし条件を適用し、すなわち、基板に対する流体の速度を接触線においてゼロとしたが、基板自体は正のｘ方向に向けられた速度Ｖ０で移動しており、それにより、計算された流体流は、移動している基板に近接しているコーティングバーに対して適切である。
【００６２】
流体内の前駆体の搬送を、以下の対流拡散方程式に従って計算した。
【数８】
2013501141.tif 000011
式中、ｃは、不活性キャリアガスで分散された前駆体のモル濃度であり、流体速度は、境界条件について述べた式Ｅ１．１に対する解によって与えられる。Ｄ１２は、キャリアガスにおける前駆体に対する拡散係数である。この量を以下のように取得した。
【数９】
2013501141.tif 000012
ここで、Ｄ＊に対する値を、１．２Ｐａ−ｍ２／秒の窒素キャリアガスにおけるトリメチルアルミニウム前駆体に対して、Ｊ．Ｃ．ＳｌａｔｔｅｒｙおよびＲ．Ｂ．Ｂｉｒｄ（Ａ．Ｉ．Ｃｈ．Ｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｖｏｌ．４、ｐ．１３７、１９５８）に従って計算した。
【００６３】
図１３のすべてのラベルのない境界に沿った式Ｅ１．３に対する境界条件は、以下の通りであった。
【数１０】
2013501141.tif 000013
これは、これらの境界を通って前駆体を搬送することができないことを指定している。境界Ａに沿った条件は、以下のように取得した。
【数１１】
2013501141.tif 000014
これは、１モル％の濃度ｃ０での前駆体の内向きフラックス（ｉｎｗａｒｄ  ｆｌｕｘ）を表す。Ｂ、ＣおよびＤに沿って、境界条件を以下のように取得した。
【数１２】
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このいわゆる対流フラックス（ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ  ｆｌｕｘ）条件により、濃度および流体速度に対する局所値が示すように、前駆体が境界を横切って内外に搬送されることが可能となった。最後に、Ｅに沿って、境界条件を以下のように取得した。
【数１３】
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式中、ｃｓは、基板に対してすでに化学接合された前駆体の表面濃度（ｍｏｌ／ｍ２）であり、θ０は、前駆体の完成した単層の表面濃度であり、σは、表面に突き当たる前駆体分子が脱着する（ｄｅａｄｓｏｒｂｉｎｇ）のではなく反応しかつ結合する確率であり、ｋｓは、表面速度定数である。
【００６４】
速度定数を、基本運動論（Ｆ．Ｒｅｉｆ著、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ  ｏｆ  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９６５）から、ｋｓ＝２．２７×１０６ｍ３ｍｏｌ−１ｓ−１であるように計算した。突き当たる確率を、σ＝−０．０１として取得し（Ｃ．ＳｏｔｏおよびＷ．Ｔ．Ｔｙｓｏｅ著、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ、ｖｏｌ．９、ｐ．２６８６、１９９１）、θ０を、ＡＬＤ堆積Ａｌ２Ｏ３膜の既知の密度から２．６６×１０−５ｍｏｌ／ｍ２として計算した（Ｇｒｏｎｅｒら著、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．ｖｏｌ．１６、ｐ．６３９、２００４）。したがって、式Ｅ１．７より、気相を離れて基板の上に堆積する前駆体のフラックスが得られる。
【００６５】
基板表面において、堆積された前駆体の濃度を、以下の式に対する解によって得た。
【数１４】
2013501141.tif 000017
ここで、点境界条件は、ｘ＝０（図１３の境界Ｅの左側端部）において
【数１５】
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であり、ｘ＝１５ｍｍ（図１３の境界Ｅの右側端部、Ｅ１．１）において
【数１６】
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である。
【００６６】
計算効率の目的で、方程式系を、２段階プロセスで解いた。まず、定常問題として、ナビエ・ストークス成分のみを解き、その後、過渡問題として完全結合方程式系を解いた。過渡問題における流体流に対する初期条件を、定常問題に対する解から取得した。対流拡散成分に対する初期条件は、いずれの場合においてもｃ＝０であった。堆積された前駆体に対する初期条件は、境界Ｅ全体に沿ってＣｓ＝０であった。
【００６７】
図１４、Ｅ１．２は、計算の開始後の時刻ｔ＝０．２秒（モデル時間であって計算時間ではない）におけるモデルの状態を示す。グレイスケールとしての流体の前駆体の濃度。モデル内の垂直位置および横方向位置をｍｍで与え、濃度をｍｏｌ／ｍ３で与えている。さらに、流体速度の局所的な方向および相対的な大きさを、いくつかの位置に対して矢印で示している。この時点で、濃度プロファイルは安定していており、約ｔ＝０．１４秒で定常状態に達した。図１４から、前駆体濃度が、パージ流路の領域においてゼロであり、パージ部および流体吸上部の組合せが、前駆体をモデルの中心領域に対して完全に制限するように作用していることが明らかである。
【００６８】
図１５は、基板境界Ｅにおける横方向位置の関数として、反応した前駆体の表面濃度を示す。濃度プロファイルを、凡例によって示すように、いくつかの異なる時刻で示す。後になるほど、プロファイルは、ｔ＝９０ミリ秒におけるプロファイルから識別不可能である。データを、最大濃度によって正規化しているため、最大に覆われる表面が１の値で表されている。移動する基板上の特定のスポットが、表面濃度ｃｓ＝０でｘ＝２ｍｍにおいてバーの上流縁の下を通過する。このスポットは、ｘ＝５ｍｍからｘ＝７ｍｍまで進む際に、迅速に前駆体によって覆われ、コーティングが飽和した状態でｘ＝１３ｍｍでバーの下から出る。
【００６９】
実施例２
実施例１のコーティングバーを、基板がバーの出力面から距離ｇ＝０．２ｍｍ下方に配置された場合に分析した。分析の他のすべての詳細は、実施例１と同じままである。図１６は、図１４と同じであるが、実施例２の場合の図を示す。実施例１と比較すると、濃度プロファイルおよび流体流にわずかな相違があるが、本質的な詳細、すなわちモデルの中心領域に対する前駆体の制限は影響を受けないままである。
【００７０】
図１７は、図１４と同じであるが、実施例２の場合の図を示す。先の実施例と同様に、定常状態コーティングプロファイルをｔ＝９０ミリ秒によって達成した。完全な被覆を得る。実施例１との主な相違は、コーティングが発生する領域が、下流方向に数分の１ミリメートルシフトしたということである。
【００７１】
これらの実施例を合わせると、本明細書で定義した関係と本明細書で画定した範囲内の摩擦係数とを有するインピーダンスを有する装置によって実行される堆積は、コーティングバーと基板との離隔距離の適度な変動に影響を受けないことが分かる。実施例１から実施例２のｇの変動は、移動しているかまたは並進している部分を含む機械装置において妥当に予測され得るサイズのものである。たとえば、基板が、図１２に示すように、回転ドラムに保持されていた場合、ドラムまたはその取付において同心度が完全でないためにｇは０．１ｍｍ変化する可能性がある。
【００７２】
上述した本発明の教示の利益を有する当業者は、本発明に対して多数の変更を行うことができる。こうした変更は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の企図の範囲内にあるものと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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