(57)【要約】  改善されたプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）システム及び関連動作方法が開示される。真空反応チャンバーが、未反応の第１の前駆体を含む、反応チャンバーからの第１の流出物を、第２の前駆体を含む、反応チャンバーからの第２の流出物と、第２の前駆体とコーティング面との反応からの生成物によるあらゆる反応とから分離する真空システムを含む。トラップ材料表面を含むトラップが、第１の前駆体がトラップ材料表面と反応するときに第１の流出流から第１の前駆体を除去するように設けられる。第２の前駆体がプラズマ生成物質を含む場合、第２の前駆体はトラップを通過しない。トラップ表面上の材料堆積層を完成させるために、代替的な第２の前駆体源がトラップ内に適切な第２の前駆体を注入し、それにより、次の材料堆積サイクルで第１の前駆体と反応するようにトラップ材料表面が準備される。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子層堆積方法であって、
堆積ランに対して反応チャンバー内で１つ又は複数の基板を支持することであって、該堆積ランは複数の材料堆積コーティングサイクルを行うことを含むことと、
各堆積コーティングサイクルに対して、
前記１つ又は複数の基板の前記露出面と反応するように、前記反応チャンバー内に第１の前駆体を供給することと、
前記反応チャンバーから第１の流出物を除去することであって、該第１の流出物は未反応の第１の前駆体を含むことと、
前記第１の流出物をＡＬＤトラップに通過させることであって、該ＡＬＤトラップは、前記未反応の第１の前駆体と反応するのに適したトラップ材料表面を含むことと、
代替的な第２の前駆体を前記ＡＬＤトラップに通過させることであって、該代替的な第２の前駆体は、前記トラップ材料表面を、次のコーティングサイクルの前記第１の流出物からの未反応の第１の前駆体と反応しかつそれを除去することができるようにするように、前記トラップ材料表面と反応するのに適しており、前記代替的な第２の前駆体は、前記反応チャンバーから引き出されないことと、
を含む原子層堆積方法。
【請求項２】
前記第１の前駆体と前記１つ又は複数の基板の前記露出面との間の前記反応は、反応温度で発生し、前記方法は、前記トラップ材料表面を該反応温度で維持するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記反応チャンバーから前記第１の流出物を除去する前記ステップは、前記ＡＬＤトラップを含む第１の真空導管を通して前記第１の流出物を引き出すように主真空ポンプを動作させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
各堆積コーティングサイクルに対して、前記反応チャンバーから前記第１の流出物を除去した後、
フリーラジカルを含む第２の前駆体を、前記１つ又は複数の基板の前記露出面と反応するように前記反応チャンバー内に供給することと、
前記反応チャンバーから第２の流出物を除去することと、
を更に含み、
前記第２の流出物は前記ＡＬＤトラップを通過しない、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記反応チャンバーから第２の流出物を除去する前記ステップは、第２の真空導管を通して前記第２の流出物を引き出すように前記主真空ポンプを動作させることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記代替的な第２の前駆体を前記ＡＬＤトラップに通過させる前記ステップと、前記フリーラジカルを含む第２の前駆体物質を前記反応チャンバー内に供給する前記ステップとが、同時に行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記代替的な第２の前駆体を前記ＡＬＤトラップに通過させる前記ステップは、前記第１の流出物から前記未反応の第１の前駆体を除去した後に、かつ次のコーティング堆積サイクルを開始するように前記反応チャンバー内に前記第１の前駆体を供給する前に発生する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記反応チャンバーから前記第２の流出物を除去する前に、前記第１の真空導管に沿って前記ＡＬＤトラップと前記反応チャンバーとの間に配置された第１の真空弁を閉鎖する
ことと、ターボ分子真空ポンプを通して前記第２の流出物を除去するアクセスを可能にするように真空ゲート弁を開放することであって、該ターボ分子真空ポンプは該ターボ分子真空ポンプと前記前記主真空ポンプとの間に延在する第２の真空導管と流体連通していることと、前記第２の真空導管に沿って配置された第２の真空弁を開放することとを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記反応チャンバーから前記第１の流出物を除去する前に、ターボ分子真空ポンプを通して前記第１の流出物を除去するアクセスを阻止するように真空ゲート弁を閉鎖することであって、該ターボ分子真空ポンプは該ターボ分子真空ポンプと前記主真空ポンプとの間に延在する第２の真空導管と流体連通していることと、前記第２の真空導管に沿って前記反応チャンバーと前記主真空ポンプとの間に配置された第２の真空弁を閉鎖させることとを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
原子層堆積サイクルであって、
反応チャンバー内に支持された１つ又は複数の基板の露出面を第１の非プラズマ前駆体に露出させるステップと、
前記反応チャンバーから第１の流出物を引き出すように主真空ポンプを動作させるステップであって、該第１の流出物は、前記反応チャンバー内に残っている前記未反応の第１の前駆体の実質的に全てを含むステップと、
なお、前記第１の流出物は、前記反応チャンバーと前記主真空ポンプとの間に延在する第１の真空導管を通して引き出され、
なお、前記未反応の第１の前駆体と反応しやすいトラップ材料表面を備えたＡＬＤトラップが、前記第１の流出物からの前記未反応の第１の前駆体の実質的に全てを除去するように、前記第１の真空導管に沿って配置され、
フリーラジカルを含む第２のプラズマ励起前駆体に前記露出面を露出させるステップと、
前記反応チャンバーから第２の流出物を引き出すようにターボ分子真空ポンプを動作させるステップであって、該第２の流出物は、前記反応チャンバーから前記第２の前駆体の実質的に全てをパージするステップと、
なお、前記第２の流出物は、前記ターボ分子真空ポンプを通して、かつ該ターボ分子真空ポンプと前記主真空ポンプとの間に延在する第２の真空導管を通して引き出され、該第２の流出物は、前記ＡＬＤトラップを通して引き出されず、
前記トラップ材料表面と反応するように前記ＡＬＤトラップ内に代替的な第２の前駆体を供給するステップと、
を含み、
前記代替的な第２の前駆体は、前記トラップ材料表面を前記第１の流出物からの未反応の第１の前駆体と反応しかつそれを除去することができるようにするように、該トラップ材料表面と反応するのに適している、原子層堆積サイクル。
【請求項１１】
材料堆積サイクルを行う原子層堆積装置であって、
１つ又は複数の基板を内部に支持するように構成された反応チャンバーと、
前記１つ又は複数の基板の露出面と反応するように前記反応チャンバー内に第１の前駆体を供給するように設けられた第１の前駆体導管及びポートと、
前記反応チャンバーから第１の流出物を除去するように構成された真空システムであって、該第１の流出物を除去することにより、前記反応チャンバーから前記未反応の第１の前駆体の実質的に全てが除去される、真空システムと、
前記第１の流出物を内部に受け取るように配置されたトラップ材料表面を備えるＡＬＤトラップであって、該トラップ材料表面は、前記第１の流出物からの前記未反応の第１の前駆体の実質的に全てと反応しかつそれを除去するのに適している、ＡＬＤトラップと、
前記ＡＬＤトラップ内に代替的な第２の前駆体を供給する、該ＡＬＤトラップと流体連
通している代替的な第２の前駆体源と、
を備え、
前記代替的な第２の前駆体は、前記トラップ材料表面を前記第１の前駆体と反応するのに適したものとするように該トラップ材料表面と反応するのに適した材料を含む、原子層堆積装置。
【請求項１２】
前記１つ又は複数の基板は、前記材料堆積サイクル中に反応温度で維持され、前記原子層堆積装置は、電子コントローラーと通信するトラップヒーター及び温度検知素子を更に備え、該トラップヒーター及び該温度センサーは、前記トラップ材料表面を前記反応温度で維持するように動作可能である、請求項１１に記載の原子層堆積装置。
【請求項１３】
前記トラップ材料は、１つ又は複数の薄い金属箔を含み、該箔は、該箔の表面領域の高い割合が前記ＡＬＤトラップを通るガス流方向に対して平行に配置されるように方向付けられている、請求項１１に記載の原子層堆積装置。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の基板の前記露出面が前記第１の前駆体と反応した後、前記露出面と反応するように前記反応チャンバー内に第２の前駆体を供給するように設けられた第２の前駆体導管及びポートと、
前記第２の前駆体を励起し該第２の前駆体のフリーラジカルを生成する、前記第２の前駆体導管及びポートと関連するプラズマ発生器と、
を更に備え、
前記真空システムは、前記反応チャンバーから第２の流出物を除去し、該第２の流出物を除去することにより、該第２の流出物を前記ＡＬＤトラップに通過させることなく、前記反応チャンバーから前記第２の前駆体の実質的に全てが除去される、請求項１１に記載の原子層堆積装置。
【請求項１５】
前記真空システムは、
真空フランジを通して前記反応チャンバーと流体連通している主真空ポンプと、
前記真空フランジと前記主真空ポンプとの間に配置された第１の真空導管であって、前記ＡＬＤトラップは該第１の真空導管に沿って配置されている、第１の真空導管と、
前記第１の真空導管に沿って前記真空フランジと前記ＡＬＤトラップとの間に配置された第１の真空弁と、
を備える、請求項１４に記載の原子層堆積装置。
【請求項１６】
前記真空フランジを通して前記反応チャンバーと流体連通しているターボ分子真空ポンプと、
前記反応チャンバーと前記ターボ分子真空ポンプとの間に配置された真空ゲート弁であって、前記真空フランジを通してガス流を阻止するか又は可能にするように動作可能な真空ゲート弁と、
前記ＡＬＤトラップを通過することなく前記ターボ分子真空ポンプと前記主真空ポンプとの間に配置された第２の真空導管と、
前記第２の真空導管に沿って前記ターボ分子真空ポンプと前記主真空ポンプとの間に配置された第２の真空弁と、
を更に備える、請求項１５に記載の原子層堆積装置。
【請求項１７】
前記主真空ポンプは、約１０ミリトル（１．３パスカル）の真空圧まで前記反応チャンバーをポンピングすることができる粗引きポンプを含み、前記ターボ分子真空ポンプは、１．０マイクロトル（０．０００１３３パスカル）の真空圧まで前記反応チャンバーをポンピングすることができる仕上げポンプを含む、請求項１６に記載の原子層堆積装置。
【請求項１８】
前記代替的な第２の前駆体源と前記ＡＬＤトラップとの間に延在する流体導管に沿って配置された制御可能な弁を更に備える、請求項１１に記載の原子層堆積装置。
【請求項１９】
前記代替的な第２の前駆体源に関連する不活性ガス供給部であって、該代替的な第２の前駆体を該不活性ガス供給部によって供給される不活性ガスと混合する不活性ガス供給部を更に備える、請求項１１に記載の原子層堆積装置。
【請求項２０】
前記第１の前駆体導管及びポートを通る第１の前駆体流を調整するように動作可能な第１の制御可能なパルス弁と、
前記第２の前駆体がプラズマ前駆体である場合、前記第２の前駆体導管及びポートを通る第２の前駆体流を調整するように動作可能な、制御可能な質量流量コントローラーと、
前記第２の前駆体がプラズマ前駆体でない場合、前記第２の前駆体導管及びポートを通る第２の前駆体流を調整するように動作可能な、第２の制御可能なパルス弁と、
を備え、
前記原子層堆積装置は、前記第２の前駆体が前記プラズマ発生器によって励起され、前記第１の流出物のみが前記トラップを通して除去される、プラズマ強化原子層堆積サイクルを行うように動作可能であり、
前記原子層堆積装置は、前記第１の前駆体又は前記第２の前駆体のいずれも前記プラズマ発生器によって励起されず、前記第１の流出物及び前記第２の流出物の両方が前記ＡＬＤトラップを通して除去される、熱原子層堆積サイクルを行うように動作可能である、請求項１４に記載の原子層堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体基板の露出面に薄膜材料層を堆積させるために使用可能なプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ：Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition）ガス堆積サイクルを行うように構成されたガス堆積システムに関する。特に、ＰＥＡＬＤシステムは、反応チャンバーと、非プラズマ前駆体堆積サイクル中に反応チャンバー内で第１の真空圧を確立する主真空ポンプと、プラズマ前駆体堆積サイクル中に反応チャンバー内で第２のより低い真空圧を確立する第２の真空ポンプとを含む。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡＬＤ及び前駆体捕獲
従来の原子層堆積（ＡＬＤ）システムは、１つ又は複数の基板の露出面に薄膜材料層を堆積させるために使用可能なガス堆積又は蒸着システムとして動作する。より具体的には、原子層堆積（ＡＬＤ）は、堆積基板を複数の別個の化学的及び／又はエネルギー環境で逐次露出させることによって進行する薄膜堆積技術である。通常のプロセスは、基板表面の既存の化学的部分を化学吸着する前駆体を含む気相金属原子の導入で進行する。過剰な前駆体及び反応生成物を除去するパージサイクルに続き、第１の反応物質の化学吸着部分と反応しやすい第２の前駆体が反応器内に導入される。第２のパージサイクルにより、過剰な前駆体及び反応生成物が除去される。ＡＬＤプロセスが成功するためには、第２の前駆体サイクルにより、基板表面が再び、第１の前駆体にもう一度露出される準備ができた状態になる。表面を、前駆体１、パージ、前駆体２、パージ、繰返しに逐次露出させることにより、単原子層未満の厚さの制御でコンフォーマルな膜を堆積させることができる。
【０００３】
動作時、基板は、実質的に封止された反応チャンバー内部に配置され、そうした反応チャンバーは、一般に、低い堆積圧力、例えば０．１ミリトル〜１０ミリトルまで排気され、反応温度、例えば７５℃〜７５０℃まで加熱される。第１の前駆体又は反応物質が反応空間内に導入されて、基板の露出面又はコーティング面と反応する。第１の前駆体の供給中に、第１の前駆体に不活性キャリアガスを混合することができる。次に、所望の露出時間の後、反応チャンバーから第１の前駆体が除去されるか又はパージされる。パージサイクルには、一般に、真空ポンプと流体連通している出口ポートを通して反応チャンバーからガスを引き出すことが含まれる。その後、第２の前駆体又は反応物質が反応空間内に導入されて、所望の露出時間、基板コーティング面の露出面と反応する。第２の前駆体の供給中に、第２の前駆体に不活性キャリアガスを混合することができる。そして、上述したような出口ポートを通して、反応チャンバーから第２の前駆体が除去されるか又はパージされる。一般に、上述した２前駆体コーティングサイクルにより、露出面に単一材料厚さ層が付与され、層厚さは０．５Å〜約２．０Åの範囲である。通常、２前駆体コーティングサイクルが繰り返されて、所望の材料厚さを達成するように、複数の単一材料厚さ層が重ねて付与される。
【０００４】
従来のＡＬＤシステムでは、出口ポートと真空ポンプとの間にトラップが配置されている。トラップは、真空ポンプの損傷を回避するために、流出物から未反応前駆体を除去する。特にトラップがない場合、反応チャンバー内に収容された基板の露出面に材料層を付与するために使用される同じ２前駆体コーティングサイクルが結合して、排気導管及び真空ポンプの内面に同じ薄膜材料層を形成する可能性があり、最終的に望ましくない表面汚染及び結果としての真空ポンプの故障に至る。ガス堆積又は蒸着システムの流出物から未反応前駆体及び反応副生成物を除去するために、様々なトラップ機構が知られているが、従来ＡＬＤシステムで使用されている１つの特に有用な捕獲機構は、トラップチャンバー内部に、トラップチャンバーを通過する前駆体が反応する、表面積の広い加熱金属プレー
トを設けるというものである。１つのこうしたトラップについては、「VAPOR DEPOSITION
SYSTEMS AND METHODS」と題する２０１２年６月１９日にMonsma他に付与された米国特許第８，２０２，５７５号に開示されている。その開示では、Monsma他は、直列のＡＬＤ反応チャンバー、トラップ及び真空ポンプについて記載し、そこでは、反応チャンバーからの流出物は、真空ポンプを通して引き出される前にトラップを通過する。トラップは、小さいガス流抵抗及び高い真空コンダクタンスを提供しながら、反応チャンバー内部でコーティングされている基板の露出面で発生するものと同じ堆積プロセスが、トラップの内部に設けられた金属面において発生するのを可能にするように、特に構成されている。さらに、Monsma他は、トラップ材料の表面に形成されているコーティング層に亀裂が入るか又は剥離して真空ポンプ内に搬送されるのを防止するように、堆積された材料と同様の熱膨張係数のトラップ材料を提供することが望ましいことを示している。しかしながら、Monsma他によって提案されたトラップシステムの１つの問題は、トラップ材料が流出物内の前駆体と反応するために、トラップ材料表面との反応に関与するように両方の前駆体を導入することができなければならず（must be available）、流出物に両方の前駆体を導入することができない場合、トラップ内部のＡＬＤ反応は材料層を形成することができず、トラップの動作は中断し、未反応前駆体物質が真空ポンプ内に入る。
【０００５】
従来のＰＥＡＬＤ及び前駆体捕獲
従来のプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）システムは、１つ又は複数の基板の露出面に薄膜材料層を堆積させるように使用可能なガス堆積又は蒸着システムとして動作する。動作時、基板は実質的に封止された反応チャンバー内部に配置され、反応チャンバーは、一般に、低い堆積圧力、例えば０．１ミリトル〜１０ミリトルまで排気され、反応温度、例えば７５℃〜７５０℃まで加熱される。第１の前駆体又は反応物質、例えば、気相金属原子含有分子等の分子化学物質が、基板コーティング面の露出面と反応するように、反応空間内に蒸気として導入される。第１の前駆体の供給中に、第１の前駆体に不活性キャリアガスを混合することができる。次に、所望の露出時間の後、第１の前駆体は、反応チャンバーから除去されるか又はパージされる。パージサイクルは、一般に、真空ポンプと流体連通している出口ポートを通して反応チャンバーからガスを引き出すことを含む。その後、プラズマ源又は他のラジカル生成技法によって供給分子ガスの解離を通して生成されたラジカルのフラックスを含む第２の前駆体又は反応物質が、基板コーティング面の露出面と反応するように反応空間に導入される。
【０００６】
ＰＥＡＬＤシステムでは、第２の前駆体は、前駆体ガスをプラズマ状態に励起するか又は他のラジカル生成技法によって生成される、フリーラジカルを含む。特に、酸素、窒素、水素及び他の分子ガス又は混合ガス等の分子ガスが、プラズマ発生器によって励起され、フリーラジカルのフラックスが反応チャンバー内に供給されて、基板の露出面と反応する。フリーラジカルは、１つ若しくは複数の自由電子を有する１つ若しくは複数の原子又は原子団を含み、そのため、非常に反応性が高いが、比較的不活性の分子種に迅速に再結合することが予測されるため、それらの寿命は短い傾向がある。
【０００７】
従来のＡＬＤシステムと同様に、供給中のプラズマ前駆体に不活性キャリアガスを混合することができる。そして、上述したように、反応チャンバーから出口ポートを通して、第２の前駆体が除去されるか又はパージされる。一般に、上述した２前駆体プラズマコーティングサイクルは、反応チャンバー内部に配置された基板の露出面に単一材料厚さ層を付与し、単一層材料厚さは０．５Å〜約２．０Åの範囲である。通常、２前駆体サイクルが繰り返されて、複数の単一材料厚さ層を重ねて付与され、所望の材料厚さが達成される。
【０００８】
従来のＰＥＡＬＤシステムの一例は、「PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION SYSTEM AND METHOD」と題する、２０１０年７月２２日に公開されたBecker他による米国特許出願公開
第２０１００１８３８２５号に開示されている。その開示において、Becker他は、反応チャンバー内に非プラズマ前駆体を導入するための第１の前駆体ポートと、反応チャンバー内にプラズマ励起前駆体物質を導入する第２の前駆体ポート又は頂部開口部とを含むプラズマ反応チャンバーについて記載している。Becker他は、図１０に、図６に示すトラップアセンブリを通して反応チャンバーから流出物を除去するように動作するターボ真空ポンプを含む、真空システムを開示している。その開示は、ガス堆積チャンバーから出る流出ガスの前駆体及び／又はプラズマガスと反応するように加熱されるものとして、トラップアセンブリについて記載している。トラップ内部に配置された露出したトラップ材料表面と、流出物からのあらゆる残りの未反応前駆体蒸気及び／又は未反応プラズマラジカルとの間の反応により、流出物から未反応前駆体が除去され、反応チャンバー内部で基板上に堆積したものと同じ材料が、露出したトラップ材料表面の上に堆積する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
フリーラジカルの減衰
しかしながら、Becker他によって提案されたＰＥＡＬＤシステムの１つの問題は、プラズマ励起前駆体ラジカルが、反応性が高くかつ非励起状態に急速に減衰することに関し、これらの要素は、システムの動作に２つの方法で影響を与える。第１の関連する問題では、プラズマ前駆体のフリーラジカルは、コーティングされている基板の露出面と反応する前に、非励起状態に減衰するか又は反応チャンバー内部の他の表面と反応する可能性がある。その結果、反応チャンバー内部で発生すると期待される所望の自己制御ＡＬＤ反応は、露出面にプラズマラジカルがないため、完了まで続かない可能性があり、そのため、基板の露出面が完全にコーティングされない。
【００１０】
第２の関連する問題では、プラズマ前駆体のフリーラジカルは、トラップ内部の露出したトラップ材料面を反応させる前に、非励起状態まで減衰するか又は反応チャンバー内の他の面と反応する可能性がある。結果として、流出物から未反応前駆体を除去するために使用されるトラップ材料との同じ所望の自己制御ＡＬＤ反応が、完了まで続かない可能性があり、そのため、トラップ内部の露出面が完全にコーティングされず、最終的に、トラップ内部で第１の前駆体及び第２の前駆体の露出面とのあらゆる反応が中断することになる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した従来の方法及び装置に関連する問題を考慮して、本発明は、プラズマ又は他の方法で生成されたフリーラジカルを利用してコーティング面と反応する、原子層堆積システムのための様々な動作方法を提供する。
【００１２】
具体的には、各堆積は、反応チャンバー内に収容された１つ又は複数の基板の複数の材料堆積コーティングサイクルを行うことを含む。各堆積サイクル中、第１の前駆体が反応チャンバー内に供給されて１つ又は複数の基板の露出面と反応し、反応チャンバーは、反応チャンバーから第１の流出物を除去することによってパージされ、第１の流出物は未反応の第１の前駆体を含む。第１の流出物はまた、不活性ガス及び反応副生成物も含む。そして、第１の流出物はトラップを通過する。トラップは、未反応の第１の前駆体と反応するのに適しているトラップ材料表面の広い領域を含む。しかしながら、反応チャンバー内に供給される第２の前駆体は、トラップ材料表面と反応する前に非励起状態に減衰する可能性があるフリーラジカルであるため、第２の代替的な前駆体源が提供され、トラップを通過する。代替的な第２の前駆体は、トラップ材料表面を、次のコーティングサイクルの第１の流出物からの未反応の第１の前駆体と反応しかつそれを除去することができるようにするのを完了するように、トラップ材料表面と反応するのに適している。具体的には、代替的な第２の前駆体は、別個の前駆体源であり、反応チャンバーから引き出されない。
さらに、第１の前駆体と反応チャンバー内部の露出面との間の反応は、特定の反応温度で発生するため、動作方法は、トラップ材料表面を反応温度で維持することを更に含む。
【００１３】
後続するステップでは、反応チャンバーから第１の流出物を除去した後、フリーラジカルを含む第２の前駆体が反応チャンバー内に供給されて、露出基板面と反応する。その後、第２の流出物は反応チャンバーから除去されるが、第２の流出物はトラップを通過しない。
【００１４】
上述した方法に使用可能な原子層堆積装置は、堆積材料サイクルのために１つ又は複数の基板を内部で支持するように構成された反応チャンバーを含む。第１の前駆体導管が、基板の露出面と反応するように第１の前駆体を反応チャンバー内に供給する。反応チャンバーからの未反応の第１の前駆体を含む第１の流出物をパージするか又は除去するために、真空システムが設けられている。第１の流出物は、反応チャンバーの容積に等しい１つ若しくは２つのガス体積を除去するために必要な時間の程度に短いか又はそれより長い可能性がある、第１の前駆体と基板表面との間の所望の露出時間の後に除去される。
【００１５】
トラップ材料表面を含むトラップが、トラップを通して第１の流出物を受け取るように配置されている。トラップ材料表面は、第１の流出物からの未反応の第１の前駆体の実質的に全てと反応してそれを除去するのに適している。代替的な第２の前駆体源が、トラップ内に代替的な第２の前駆体を供給するように設けられている。代替的な第２の前駆体は、第１の前駆体がトラップ材料表面に材料層を形成するように提示する反応を完了する一方でまた、次の堆積サイクルにおいて第１の前駆体と反応するようにトラップ材料表面を準備するように、トラップ材料表面と反応するのに適している前駆体材料である。トラップは、反応面を所望の反応温度まで加熱するヒーターを含む。
【００１６】
第２の前駆体導管が、基板の露出面が第１の前駆体と反応した後にこの露出面と反応するように、反応チャンバー内に第２の前駆体を供給するために設けられている。プラズマ発生器が第２の前駆体導管に関連付けられて、第２の前駆体を励起して第２の前駆体のフリーラジカルを生成する。基板表面との反応の後、真空システムは、反応チャンバーから第２の流出物を除去する。第２の流出物は、第２の流出物をトラップに通過させることなく、反応チャンバーから第２の前駆体の実質的に全てを除去する。しかしながら、第２の流出物のフリーラジカルの大部分又は全ては、反応チャンバーから出る前により低いエネルギー状態に減衰している可能性がある。
【００１７】
真空システムは、反応チャンバーとインターフェースする真空フランジを通して反応チャンバーと流体連通している主真空ポンプを含む。真空フランジから主真空ポンプまで、第１の真空導管が延在しており、第１の真空導管に沿ってトラップが配置され、それにより、第１の真空導管を通って流れるガスがトラップを通過する。第１の真空導管に沿って真空フランジとトラップとの間に、制御可能な第１の真空弁が配置されている。真空フランジに第２のターボ真空ポンプがインターフェースされて、反応チャンバー内、特にプラズマ強化原子層堆積のために、より低い真空圧を達成し、反応チャンバーから流出物を除去する。第２の真空導管が、トラップを通過することなくターボ真空ポンプと主真空ポンプとの間に延在している。第２の真空導管に沿ってターボ真空ポンプと主真空ポンプとの間に、第２の真空弁が配置されている。主真空ポンプは、約１０ミリトルの真空圧まで反応チャンバーをポンピングするように動作可能な粗引きポンプである。第２のターボ真空ポンプは、約１．０マイクロトルの真空圧まで反応チャンバーをポンピングすることが可能な仕上げ（finishing）ポンプである。
【００１８】
本発明の特徴は、例示の目的で選択されかつ添付図面に示す本発明の詳細な説明及びその実施形態例から最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるＰＥＡＬＤシステムの例示的な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
概要
本発明は、プラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）システム及び関連する動作方法とともに、記載する方法によってコーティングされる基板の限定しない例示的な実施形態について記載する。特に、本システムは、反応チャンバー内部に配置された基板の露出面での薄膜成長に適した反応チャンバーを含む。反応チャンバーは、２つの異なる真空ポンプによって真空圧までポンピングされる真空チャンバーである。各真空ポンプは、異なる出口ポート及び異なる真空導管路を通して真空チャンバーに接続されている。特に、種々の流出物ライン及び／又はフォアラインが各真空ポンプに関連付けられており、別個の真空導管路は各々、１つ又は複数の弁を含み、それらの弁は、電子コントローラーにより、反応チャンバーからの流出ガスを、異なる真空導管路に沿ってシステムから流れ出るように調整し方向を変えるように動作可能である。特に、非プラズマ前駆体を除去し捕獲するために使用される第１の真空導管路は、従来のＡＬＤトラップを含むが、プラズマ前駆体を除去するために使用される第２の真空導管路は、トラップを含まない。結果として、第１の前駆体のみがＡＬＤトラップに入る。しかしながら、本発明は、トラップチャンバー内部に配置されたトラップ材料の露出面とのＡＬＤ反応を完了するために、第２の前駆体、例えば水蒸気をＡＬＤトラップ内に供給する代替的な第２の前駆体源を含む。したがって、次のＡＬＤコーティングサイクルで第１の前駆体と反応するようにトラップ内部の露出したトラップ材料表面の準備を続けるために、本発明の代替的な第２の前駆体源が用いられる。本発明で使用するために適した限定しないＰＥＡＬＤ反応チャンバー例は、全ての目的でその全体が本明細書の一部をなす、「PLASMA ATOMIC LAYER DEPOSITION SYSTEM AND METHOD」と題する、２０１０年７月２２日に公開されたBecker他による米国特許出願公開第２０１００１８３８２５号に開示されている。
【００２１】
定義
以下の定義は、特に別段の定めのない限り、全体を通して使用される。
【表１】
2016540124.tif 000002
【００２２】
符号リスト
以下の符号は、特に別段の定めのない限り、全体を通して使用される。
【表２】
2016540124.tif 000003
【００２３】
例示的なシステムアーキテクチャー
ここで図１を参照すると、本発明による限定しない例示的なＰＥＡＬＤシステム１００が概略的に示されている。ＰＥＡＬＤシステム１００は、加熱チャック１１１によって提供される基板支持面の上に支持された基板１１０を収容しているＰＥＡＬＤ構成反応チャンバー１０５を含む。基板は、反応チャンバー内に供給される前駆体蒸気及び／又はプラズマフリーラジカルが上方を向いたコーティング面１１５に突き当たるように、コーティング位置に支持される。他の限定しない例示的な実施形態では、反応チャンバーは、加熱チャック１１１によって提供される支持面の上で複数の基板１１０を支持することができ、各基板は、本発明から逸脱することなく上方を向いたコーティング面１１５を有している。
【００２４】
ガス供給モジュール
ガス及び前駆体供給モジュール１２０は、様々なプロセス蒸気及びガスの供給物を含み、それらは、液体及び固体の前駆体物質を保管するために使用される封止されたキャニスター内に保管され、及び／又は、限定されないがＯ２、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３等を含む反応性プラズマガス及びガス状の第１の前駆体、並びにキャリアガス及び／又はパージガスとして使用可能な不活性ガス等の前駆体ガスを保管するために使用される加圧ガスシリンダーに保管される。ガスモジュール１２０はまた、制御可能な弁又は質量流量調節器１４５及び１５０も含み、それらは、電子コントローラー１２５によって、選択された前駆体、キャリアガス及び／又はパージガスを反応チャンバー１０５内に供給する要求に応じて、開放するか、閉鎖するか、又は投入混合ガスの所望の質量流量を確立するように動作可能である。
【００２５】
液体及びガス前駆体キャニスターは、ガスバブラー又は他の気化装置を含むことができ
、それらは、前駆体を気化させるか又は他の方法でその蒸気圧を上昇させるように、及び／又は反応チャンバー内に迅速な蒸気流を促進するように使用可能である。ガス及び前駆体モジュール１２０は、液体又は固体の前駆体から収集された前駆体蒸気物質、及び／又はキャリアガス及び／又はパージガス又は両方として使用可能な不活性ガスを、混合し、方向付け、及び／又は調整する必要に応じて、電子コントローラー１２５によって制御可能な他のガス及び蒸気流調整要素を更に含むことができる。
【００２６】
本実施形態では、ガス及び前駆体供給モジュール１２０は、蒸気圧を上昇させ各前駆体を所望の前駆体温度で供給する必要に応じて、前駆体キャニスターを予熱するか又は他の方法で前駆体物質を加熱するために設けられた、図示しない前駆体ヒーターを更に含む。１つの限定しない実施形態例では、前駆体は、約７０℃の温度、好ましくは前駆体蒸気の熱破壊温度未満の温度まで加熱される。さらに、ガス及び前駆体モジュール１２０は、電子コントローラー１２５にフィードバック信号を提供しかつ複数の異なる動作モードでＰＥＡＬＤシステムを動作させる必要に応じて、図示しない、１つ又は複数の圧力調節器、質量流量調節器又は流量制限器、並びに様々な圧力センサー、温度センサー及び流量センサー等を含むことができ、上記動作モードは、１種又は複数種の異なる基板表面材料を１つ又は複数の異なる固体材料層でコーティングするように複数の異なる材料コーティングサイクルを行うための必要に応じて、異なる前駆体の組合せを提供することを含む。
【００２７】
限定しない例示的なＰＥＡＬＤシステム１００は、反応チャンバー１０５への後述するような２つの前駆体供給路を含むが、本発明から逸脱することなく、１つの供給路が使用可能である。第１の前駆体ポート及び投入導管１３０は、反応チャンバー１０５内に非プラズマ前駆体を供給する。第１の前駆体ポート及び投入導管１３０は、基板コーティング面１１５の上方の位置に配置され、基板１１０が、加熱チャック１１１によって提供される基板支持面によって支持されているときに、前駆体投入流が基板コーティング面１１５の中心に近接して突き当たるようにする投入角度で、好ましくは前駆体投入物質を方向付ける角度に向けられる。第２の前駆体ポート及び投入導管１３５は、プラズマ発生器１４０内部に配置された、図示しないプラズマ励起チューブを含むプラズマ発生器１４０を通過する。プラズマ発生器１４０は、電子コントローラー１２５によって、プラズマ励起チューブ内部で第２の前駆体を励起するか又は励起しないように制御される。したがって、非プラズマ前駆体及び／又はパージガスもまた、単にプラズマ発生器１４０を動作させないことにより、第２の前駆体ポート及び投入導管１３５を通して反応チャンバー１０５内に供給可能である。
【００２８】
第１の前駆体ポート及び導管１３０並びに第２の前駆体ポート及び導管１３５の各々は、第１の前駆体ポート及び投入導管１３０を通る第１の前駆体の流れを調整する第１のパルス弁１５０、第２の前駆体ポート及び投入導管１３５を通るプラズマ前駆体の流れを調整する質量流量コントローラー１４６、及び／又は任意選択的な第２のパルス弁１４５等の制御可能なガス調整要素を含むか又はそれに関連付けられている。好ましい実施形態では、第１のパルス弁１５０、質量流量コントローラー１４６及び任意選択的な第２のパルス弁１４５の各々は、ガス流モジュール１２０内部に前駆体供給容器に近接して収容されている。しかしながら、明確にするために、図１は、第１のパルス弁１５０が、内部を通過するガス流を調整するように第１の投入前駆体ポート及び導管１３０に沿って配置されているように示す。第１の前駆体パルス弁１５０は、電子コントローラー１２５によって、反応チャンバー１０５内に供給されるように選択された第１の前駆体ガスの所望の体積に対応するパルス持続時間、開閉するように制御可能である。プラズマ前駆体の場合、明確にするために、図１は、質量流量コントローラー１４６が第２の前駆体ポート及び導管１３５に沿って配置されているように示すが、それは、好ましくは、ガス供給モジュール１２０内部に配置される。質量流量コントローラー１４６を用いて、反応チャンバー１０５内に供給されるように選択された所望の質量流量のプラズマ前駆体を供給するために、
第２の投入前駆体ポート及び導管１３５を通過するプラズマガス前駆体の質量流量が調整される。質量流量コントローラー１４６は、電子コントローラー１２５によって制御可能であり、内部を通過するガスの質量流量を変更するように動作可能である。
【００２９】
ＰＥＡＬＤシステム１００は、電子コントローラー１２５によって制御可能な任意選択的な第２のパルス弁１４５を更に含むことができる。第２のパルス弁１４５は、基板１１０の露出面と反応するように非プラズマの第２の前駆体を使用して熱ＡＬＤ堆積サイクルを行うように使用可能である。熱ＡＬＤ堆積サイクル中、質量流量コントローラー１４６は、第２の前駆体の質量流量を調整するために使用されない。代りに、任意選択的な第２のパルス弁１４５は、電子コントローラー１２５によって、反応チャンバー１０５内に供給されるように選択された所望の体積の第２の前駆体ガスに対応するパルス持続時間開閉するように制御可能である。
【００３０】
図１に示すように、任意選択的な第２のパルス弁１４５は、第２の前駆体ポート及び投入導管１３５を通して反応チャンバー１０５内に第２の非プラズマ前駆体を供給することができることを強調するために、第２の前駆体ポート及び投入導管１３５に関連付けられて示されているが、任意選択的な第２のパルス弁１４５は、ガス及び前駆体供給モジュール１２０内部に配置されることが好ましい。代替的に、任意選択的な第２のパルス弁１４５は、第２の非プラズマ前駆体を、第１の前駆体ポート及び投入導管１３０を通して反応チャンバー１０５内に供給するように、第１の前駆体ポート及び投入導管１３０に関連付けることができる。したがって、１つの任意選択的な熱ＡＬＤ動作実施形態では、第１の非プラズマ前駆体は、第１の前駆体ポート及び投入導管１３０を通して反応チャンバー１０５内に供給され、第１のパルス弁１５０によって調整され、第２の非プラズマ前駆体は、第２の前駆体ポート及び導管１３５を通して反応チャンバー１０５内に供給され、プラズマ励起なしに任意選択的な第２のパルス弁１４５によって調整される。
【００３１】
別の任意選択的な熱ＡＬＤ実施形態では、第１の非プラズマ前駆体が、第１の前駆体ポート及び投入導管１３０を通して反応チャンバー１０５内に供給され、第１のパルス弁１５０によって調整され、第２の非プラズマ前駆体が、第１の前駆体ポート及び導管１３０を通して反応チャンバー１０５内に供給され、任意選択的な第２のパルス弁１４５によって調整される。１つの限定しない実施形態例では、第１のパルス弁１５０及び任意選択的な第２のパルス弁１４５のパルス持続時間は、１ミリ秒〜１５ミリ秒の範囲である。さらに、各第１のパルス弁１５０及び第２のパルス弁１４５のパルス弁持続時間は、電子コントローラー１２５によって、ユーザー入力によって、又はパルス弁１５０及び１４５の機械的調整によって、独立して制御可能である。
【００３２】
第２のパルス弁１４５及び第１のパルス弁１５０並びに質量流量コントローラー１４６の各々は、不活性ガス供給ライン２１０に接続された不活性ガス入口ポート２１１を含むことができる。第２のパルス弁１４５及び第１のパルス弁１５０の各々にかつ質量流量コントローラー１４６に設けられた不活性ガス入口ポート２１１は、不活性ガス供給ライン２１０から不活性ガスを受け取り、その不活性ガスを、第１の前駆体ポート及び導管１３０又は第２の前駆体ポート及び導管１３５の対応する一方を通して反応チャンバー１０５内に供給する。好ましい実施形態では、不活性ガス入口ポート２１１は常に開放しており、それにより、不活性ガスの連続した流れが、各不活性ガスポート２１１を通って反応チャンバー１０５まで移動することができる。他の実施形態では、第１のパルス弁１５０及び第２のパルス弁１４５は、対応するパルス弁が制御モジュール１２５によって駆動される場合を除き、対応する不活性ガスポート２１１を閉鎖するように動作可能である。いずれの場合も、不活性ガス入口ポート２１１を通って入る不活性ガスは、反応チャンバー１０５まで流れる前駆体と混合する。
【００３３】
真空システム
限定しない例示的なＰＥＡＬＤシステム１００は、主真空ポンプ１５５及びターボ分子真空ポンプ１８０を含む。主真空ポンプ１５５は、真空フランジ１６０に、真空フランジ１６０と主真空ポンプ１５５との間に延在する第１の真空導管１６５によって、流体接続されている。第１の真空弁１７０が、電子コントローラー１２５の制御の下で、第１の真空導管１６５を開閉するように動作可能である。第１の真空導管１６５に沿って従来のＡＬＤトラップ１７５が配置され、それにより、第１の真空導管１６５を通過する反応チャンバー１０５からのいかなる流出物も、主真空ポンプ１５５に達する前にＡＬＤトラップ１７５を通過する。特に、ＡＬＤトラップ１７５は、トラップによって形成されるトラップチャンバー又は流れ導管の内部に配置された、大きい内部材料表面領域、例えば、複数の密接して配置された金属プレート又は箔を含み、大きい内部表面領域の材料は、第１の真空導管１６５を通過する流出物に含まれるあらゆる未反応前駆体と反応し、それにより、流出物が主真空ポンプ１５５に達する前に流出物から未反応前駆体を実質的に除去するように提供される。本実施形態例では、主真空ポンプ１５５は、約１０ミリトル（１０−２トル）まで反応チャンバーをポンピングすることができる、より低コストの粗引きポンプである。
【００３４】
ターボ分子真空ポンプ１８０は、真空ゲート弁１８５を通して真空フランジ１６０に流体接続されている。ターボ分子真空ポンプ１８０は、真空ゲート弁１８５が開放されているときに、反応チャンバー１０５から流出物を引き出す。ターボ分子真空ポンプ１８０は、主真空ポンプ１５５によって提供することができる真空圧より低い真空圧を反応チャンバー１０５内に提供するように動作する。圧力が低いことは、基板の露出面へのプラズマ励起した第２の前駆体の供給を促進することにより、プラズマ強化原子層堆積の性能を向上させる傾向がある。真空ゲート弁１８５は、電子コントローラー１２５により、真空フランジ１６０によって形成される反応チャンバー１０５の出口ポートを開閉するように動作可能であり、ターボ分子ポンプ１８０に関連する反応チャンバー１０５の出口ポートは、第１の真空導管１６５との接続に関連する真空フランジ１６０を通過する出口ポートより大幅に大きい。更に後述するように、真空ゲート弁１８５は、第１の流出物を反応チャンバー１０５からＡＬＤトラップ１７５を通して除去するように閉鎖される。第２の真空導管１９０又はフォアラインが、ターボ分子真空ポンプ１８０から主真空ポンプ１５５まで、電子コントローラー１２５の制御の下で第２の真空導管１９０を開閉するように動作可能な第２の真空弁１９５を含む第２の真空導管１９０を介して延在している。本実施形態例では、ターボ分子真空ポンプ１８０は、反応チャンバーを約１．０マイクロトル（１０−６トル）までポンピングすることができる、よりコストの高い仕上げポンプである。さらに、従来のＰＥＡＬＤシステムと比較して、ターボ分子真空ポンプ１８０は、トラップを通して真空を引かず、それにより、したがって、本発明のターボ分子真空ポンプ１８０は、トラップを通して真空を引く従来のＰＥＡＬＤ真空システムより効率的になる。さらに、本発明の一態様に従って更に後述するように、第１の前駆体は、ターボ分子真空ポンプ１８０を決して通過せず、これにより、前駆体で汚染された環境で動作するように構成される必要のない、より低コストのターボ分子真空ポンプ１８０を使用することができる。
【００３５】
動作モード
限定しない例示的なＰＥＡＬＤシステム１００は、単数又は複数の基板１１０の露出面に、特に基板コーティング面１１５に複数の材料層を自動的に堆積させるように動作可能である。単層堆積サイクルとは、基板１１０の上に単層の堆積材料を堆積させることを言う。コーティングラン又はコーティングプロセスとは、複数の堆積サイクルを言う。１つの限定しないコーティングラン例では、所望のコーティング厚さ又は数の個々の材料層が達成されるまで、同じコーティング材料を用いて基板１１０の上に同じ堆積材料の多くの単層を堆積させることにより、複数の堆積サイクルが行われる。第２の限定しないコーテ
ィングラン又はコーティングプロセス例では、コーティング面に複数の層厚さの第１の堆積材料を堆積させるように、複数の第１の堆積サイクルが行われる。その後、ＰＥＡＬＤシステム１００は、第１の堆積材料の層にわたってコーティング面に複数の層厚さの第２の堆積材料を堆積させるように行われる複数の第２の堆積サイクルを行うように自動的に再構成される。コーティングラン又はコーティングプロセスの最後に、基板１１０は取り除かれて、別のコーティングされていない基板と交換される。様々なチャンバー実施形態では、コーティングするために複数の基板を支持することができ、コーティングラン又はコーティングプロセスにより基板１１０の全てにコーティングすることができる。
【００３６】
上述したように、単層堆積サイクルは、４つの基本ステップ、すなわち、１）第１の前駆体にコーティング面を露出させるステップと、２）反応チャンバー１０５から第１の前駆体をパージするステップと、３）第２の前駆体にコーティング面を露出させるステップと、４）反応チャンバー１０５から第２の前駆体をパージするステップとを含む。従来の熱ＡＬＤシステム及びＰＥＡＬＤシステムでは、単一のターボ真空ポンプが連続的に動作して、反応チャンバーから流出物を除去し、ＡＬＤトラップを通して流出物全体を引き出す。ＰＥＡＬＤシステムの特定の場合では、第２の前駆体は、高エネルギーラジカルを含むプラズマ前駆体である。
【００３７】
本発明の１つの限定しない動作実施形態によれば、上記ステップ１及びステップ２からの流出物のみ（流出物は第１の前駆体を含む）が、主真空ポンプ１５５によってＡＬＤトラップ１７５を通して引き出され、これは、反応チャンバー１０５から主真空ポンプ１５５を通して流出物を排他的に引き出すように真空ゲート弁１８５を閉鎖することによって行われる。そうでない場合、流出物がプラズマ前駆体を含むステップ３及びステップ４の間、流出物は、ＡＬＤトラップ１７５を通して引き出されず、代りに、ターボ分子真空ポンプ１８０によって反応チャンバー１０５から引き出され、その後、両ポンプが同時に動作しているとき、主真空ポンプ１５５によってシステムから排出される。特に、ステップ３及びステップ４の間、真空ゲート弁１８５は開放され、第１の真空弁１７０は閉鎖される。さらに、プラズマ前駆体を含む流出物は、トラップを全く通過せず、それは、プラズマラジカルが、真空フランジ１６０に達する時点まで本質的に非反応性であるように十分迅速に減衰する傾向があるためである。
【００３８】
本発明の改善された動作に関連するプロセスステップは以下の通りである。すなわち、１）第１の前駆体ポート及び投入導管１３０を通して供給される第１の前駆体にコーティング面１１５を露出させるステップ、及び２）真空ゲート弁１８５及び第２の真空弁１９５が閉鎖されており、第１の真空弁１７０が開放されている間に、反応チャンバー１０５から第１の前駆体をパージするステップであって、それにより、真空フランジ１６０から出る全ての流出物が第１の真空導管１６５に供給され、ＡＬＤトラップ１７５を通して引き出される、ステップである。特に、第１の非プラズマ前駆体は、ＡＬＤトラップ１７５を通るように仕向けられ、これにより、ＡＬＤトラップ１７５内に配置されたトラップ材料の表面が、流出物からの未反応の第１の前駆体と反応してそれを除去する。これによってまた、反応チャンバー１０５を通して、圧力が上昇し蒸気流量が低減し、それは、第１の前駆体露出ステップ中に、ＡＬＤトラップ１７５を通して引き込む主真空ポンプ１５５によって、流出物が反応チャンバー１０５から排他的に引き出されているためである。主真空ポンプ１５５を通過した後、第１の真空導管１６５からの流出物は、排気部に排出される。
【００３９】
１）第１の前駆体にコーティング面１１５を露出させること、及び２）真空ゲート弁１８５及び第２の真空弁１９５が開放されており、第１の真空弁１７０が閉鎖されている間に、反応チャンバー１０５から第１の前駆体をパージすることであって、それにより、反応チャンバー１０５からの全ての流出物が迂回して、ターボ分子真空ポンプ１８０を通り
、その後、第２の真空導管１９０を通って主真空ポンプ１５５を通して排気口まで流れることの後。したがって、第２の前駆体露出ステップ中、未反応前駆体を捕獲するためにトラップは使用されず、それは、プラズマ前駆体ラジカルが真空フランジ１６０に達する時点まで、高反応性ラジカル材料の実質的に全てが、反応チャンバー内部の表面と反応しているか、又は非反応状態まで減衰しているためである。したがって、本出願人は、プラズマ前駆体の場合、反応チャンバーからの流出物に未反応プラズマ前駆体が実質的に残っていないため、ステップ３及びステップ４のプラズマ前駆体露出からもたらされる反応チャンバーから出る流出物を、ターボ分子真空ポンプ１８０を損傷することなく、ターボ分子真空ポンプ１８０を通してポンピングすることができ、最終的に、主真空ポンプ１５５によって排気するように排出することができる。さらに、本発明の構成により、ターボ分子真空ポンプ１８０を通過する流出物に未反応プラズマ前駆体があった場合であっても、ステップ１及びステップ２においてポンプが第１の前駆体に露出していなかったため、ターボ分子真空ポンプ１８０の表面は、第２の前駆体と反応する準備はできておらず、したがって、ターボ分子真空ポンプ１８０の内面又は第２の真空導管１９０の内面に、有害な膜堆積反応は発生せず、そのため、より安価なターボポンプを使用することができる。
【００４０】
第２の前駆体源
上述した真空システムは、ターボ分子真空ポンプ１８０のポンピング効率を向上させ、汚染のリスクが低いため、より低コストのターボ真空ポンプを使用することを可能にするが、２真空ポンプ真空システムにより、第２の前駆体をＡＬＤトラップ１７５内に注入するように設けられた代替的な第２の前駆体供給部２００を追加しなければ、ＡＬＤトラップ１７５による連続した第１の前駆体除去は可能ではない。特に、上述したように、第１の前駆体は、ＡＬＤトラップ１７５によって、第１の真空導管１６５を通過する流出物から除去される。これは、第１の前駆体がトラップ材料表面と反応し、流出物から除去されるときに発生する。さらに、流出物から第１の前駆体を除去する同じ反応により、トラップ材料表面が第２の前駆体と反応する準備ができ、一方でまた、トラップ材料表面は第１の前駆体と非反応性になる。その結果、第１の前駆体のみが第１の真空導管１６５及びＡＬＤトラップ１７５を通過する後続する堆積サイクルにおいて、それ以上、流出物から第１の前駆体が除去されず、それは、トラップ内部のこのとき反応性であるトラップ材料表面と第２の前駆体との間の反応を完了するために、ＡＬＤトラップ１７５に第２の前駆体が流れないためである。したがって、後述するように、代替的な第２の前駆体供給部２００が設けられる。
【００４１】
本発明は、第２の前駆体がＡＬＤトラップ１７５内に供給されるときに、ＡＬＤトラップ１７５内部でトラップ材料表面との反応を完了するように、１つ又は複数の適切な第２の前駆体の供給物で充填された、代替的な第２の前駆体供給モジュール２００を含む。特に、第２の前駆体供給モジュール２００は、ＡＬＤトラップ１７５内に第２の前駆体蒸気を注入するように動作可能であり、第２の前駆体は、トラップ材料表面と反応して、第１の前駆体によって開始されたＡＬＤ反応を完了する。したがって、第２の前駆体とトラップ表面との間の反応により、トラップ材料表面に材料層が形成され、一方でまた、トラップ材料表面が次の堆積サイクルで第１の前駆体と反応する準備ができる。
【００４２】
１つの限定しない実施形態例では、代替的な第２の前駆体供給モジュール２００は、水蒸気（Ｈ２Ｏ）源を備えている。代替的な第２の前駆体供給モジュール２００は、電子コントローラー１２５によって操作される制御可能な弁２０５を通して代替的な第２の前駆体をＡＬＤトラップ１７５内に供給するように構成されている。弁２０５は、第１の真空弁１７０とＡＬＤトラップ１７５との間の位置で、代替的な第２の前駆体を第１の真空導管１６５内に放出するように開放される。弁２０５が開放されている間、好ましくは、代替的な第２の前駆体が反応チャンバー１０５を汚染しないように、第１の真空弁１７０は閉鎖されている。さらに、弁２０５が開放されている間、主真空ポンプ１５５は動作して
おり、それにより、第１の真空導管１６５を通して流出物を引き出し、ＡＬＤトラップ１７５を通して代替的な第２の前駆体を引き出す。
【００４３】
代替的な第２の前駆体供給モジュール２００は、好ましくは、代替的な第２の前駆体を不活性キャリアガス、例えば窒素又はアルゴンと混合するように構成され、不活性キャリアガスは、第１の真空弁１７０とＡＬＤトラップ１７５との間に配置された位置で第１の真空導管１６５と嵌合する不活性ガス供給ライン２１０にわたって、ガス及び代替的な第２の前駆体供給モジュール１２０から受け取られる。制御可能な弁２１５又は他のガス流調整要素は、キャリアガス流を調整するために、不活性ガス供給ライン２１０に沿ってガス及び前駆体供給モジュール１２０と第１の真空導管１６５との間に配置されている。
【００４４】
代替的な第２の前駆体供給モジュール２００は、必要な場合に、代替的な第２の前駆体を気化させるか又はその蒸気圧を上昇させるように動作可能な、バブラー又は気化装置２０２を含むことができる。さらに、代替的な第２の前駆体供給部２００は、必要な可能性がある場合に異なる堆積化学作用で使用されるように異なる前駆体容器に保管された複数の異なる代替的な第２の前駆体を収容することができる。好ましくは、各代替的な前駆体容器は、１つ又は複数のガス流制御要素を含み、それは、電子コントローラー１２５によって、使用されている特定の堆積化学作用の第１の前駆体に一致した代替的な第２の前駆体を選択し、各ガス堆積サイクルの適切な期間に、選択された代替的な第２の前駆体をＡＬＤトラップ１７５に供給するように動作可能である。さらに、代替的な第２の前駆体供給モジュール２００は、ガス及び前駆体モジュール１２０の一部を構成し、かつその内部に収容され得る。この構成では、本発明から逸脱することなく、代替的な第２の前駆体は、ガス及び前駆体供給モジュール１２０において不活性キャリアガスと混合することができ、その混合物は、不活性ガス供給ライン２１０を通してＡＬＤトラップ１７５に供給され、弁２１５によって調整される。
【００４５】
動作時、堆積サイクルの最初の２つのステップの間、すなわち、１）第１の非プラズマ前駆体にコーティング面１１５を露出させるステップ、及び２）反応チャンバー１０５から非プラズマの第１の前駆体をパージするステップの間、第１の真空弁１７０は開放し、真空ゲート弁１８５及び第２の真空弁１９５は閉鎖されている。これにより、第１の前駆体流出物は、第２のターボ分子真空ポンプ１８０を通過することなく、ＡＬＤトラップ１７５を通過して、主真空ポンプ１５５を通してシステムから排気口に出ることができる。一方、ＡＬＤトラップ１７５内部に設けられたトラップ材料表面と反応することにより、流出物からいかなる未反応の第１の前駆体も除去される。
【００４６】
堆積サイクルの第３のステップ及び第４のステップの間、すなわち、３）第２の（プラズマ）前駆体にコーティング面１１５を露出させるステップ、及び４）反応チャンバー１０５から第２の（プラズマ）前駆体をパージするステップの間、第１の真空弁１７０は閉鎖されており、真空ゲート弁１８５及び第２の真空弁１９５は開放されている。これにより、第２の前駆体流出物は、ターボ分子真空ポンプ１８０を通過し、その後、第２の真空導管１９０を通過して、主真空ポンプ１５５を通ってシステムから排気口に出る。代替的に、本発明から逸脱することなく、反応チャンバー１０５から除去された排気物質を、主真空ポンプ１５５を通過することなく排気口に直接排出するように、第２の真空導管１９０を構成することができる。一方で、堆積サイクルのステップ３）及びステップ４）の間、弁２０５は開放されて、供給するように開放された代替的な第２の前駆体を、トラップ内部に設けられたトラップ材料表面と反応するようにＡＬＤトラップ１７５内に放出し、弁２１５もまた開放されて、代替的な第２の前駆体をＡＬＤトラップ１７５に搬送するために、不活性キャリアガスを第１の真空導管１６５内に提供する。代替的に、本発明から逸脱することなく、弁２１５を必要とすることなく（すなわち、弁２１５は除去するか又は開放したままにすることができる）、不活性ガス供給ライン２１０を通して不活性ガス
の連続流を流すことができる。更なる代替実施形態では、弁２１５は、代替的に、質量流量コントローラー、制限器、又は内部を通過するガス流量を調整するのに適した他の要素を備えることができる。
【００４７】
他の任意選択的な要素としては、主真空ポンプ１５５からトラップを隔離するように使用可能な操作可能な又は手動の弁２２０と、様々な位置でガス圧を検知するように配置された、電子コントローラー１２５によって読取可能な１つ又は複数の圧力検知要素１９６とが挙げられる。さらに、第１の真空導管１６５及び第２の真空導管１９０は、２つの位置で主真空ポンプ１５５に接続しているように示されているが、これは、単なる概略表現であり、実際の構成は、本発明から逸脱することなく異なる可能性がある。特に、第２の真空導管１９０は、第１の真空導管１６５のみが主真空ポンプ１５５の単一フランジに接続された状態で、第１の真空導管１６５をＡＬＤトラップ１７５と主真空ポンプ１５５との間に接合することができる。
【００４８】
トラップ構成
ＡＬＤトラップアセンブリ１７５は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす、２００５年１月２７日に出願された、「VAPOR DEPOSITION SYSTEMS AND METHODS」と題する、２０１２年６月１９日にMonsma他に対して付与された米国特許第８，２０２，５７５号に開示されているもの等、従来のＡＬＤトラップ又はフィルタを備えている。ＡＬＤトラップアセンブリ１７５は、トラップ材料で充填された流体流導管を備えている。理想的には、ＡＬＤトラップ１７５アセンブリは、小さいガス流抵抗及び高い真空コンダクタンスを提供するように構成されている。
【００４９】
ＡＬＤトラップアセンブリ１７５は、トラップヒーター１９８及び関連する温度センサーを含み、各々、電子コントローラー１２５と電気的に通信する。トラップ材料は、長期の動作期間、例えば、堆積サイクルの何万倍の期間、内部に導入される第１の前駆体及び第２の前駆体と反応するために十分な表面領域があるように形成された、複数の異なる要素又は単一の要素を構成している。経時的に、トラップ表面領域に構築された材料層はトラップ性能を低下させる可能性があるため、優れたトラップ性能を維持する必要に応じて、トラップ要素を除去して交換することができる。
【００５０】
好ましくは、第１の前駆体及び第２の前駆体をトラップ材料表面領域と反応させ、ガス堆積反応チャンバー１０５内で行われているコーティングプロセスによって基板表面１１５にコーティングされているものと同じ材料層をトラップ材料表面に形成するために、トラップ材料表面領域は、コーティング面１１５と実質的に同じ温度まで加熱される。動作中、ＡＬＤトラップ１７５は、通常、高温で維持される。幾つかの実施形態では（例えば、ＡＬＤトラップ１７５が少なくとも部分的に出口ポートに配置される場合）、ＡＬＤトラップ１７５は、反応チャンバー１０５（例えば、管状ヒーターによって加熱される）からの熱コンダクタンスによって十分な温度まで加熱される。したがって、これらの実施形態では、ＡＬＤトラップ１７５は、別個のヒーター１９８を有する必要はない。
【００５１】
様々な形態の金属トラップ材料が好ましいが、他の適切なトラップ材料を使用することができる。トラップ材料形態としては、ガス流抵抗を低下させるように高い割合の表面領域がガス流方向に対して平行であるように仕向けられた薄い金属箔が挙げられる。波形金属箔も使用可能である。箔を用いる場合、ＡＬＤトラップ１７５の表面領域の実質的に全て（すなわち、９９％を超える）が、ガス流方向に対して平行である。波形又はロール状箔要素の長さ、直径を増大させ、波形を増加させることにより、箔トラップの表面積を増大させることができる。ＡＬＤトラップ１７５の材料の選択における考慮事項は、ＡＬＤトラップ１７５内部のコーティング材料の亀裂及び剥離を回避するために、トラップ材料の熱膨張係数をコーティング材料と一致させることである。したがって、トラップ材料は
、コバール、インバー、並びに他の耐熱及び耐食合金等、加工金属の箔を含むことができる。
【００５２】
トラップ材料の他の形態としては、ステンレス鋼、アルミニウム又は銅を含むメタルウール又はメッシュスクリーンが挙げられる。活性炭及び活性アルミナ等の粒状材料も使用可能であるが、これらはガス流抵抗を上昇させる。本発明について好ましい実施形態に関して上述したが、本発明はそれに限定されないということもまた、当業者には理解されるであろう。上述した発明の様々な特徴及び態様は、個々に又は合わせて使用することができる。さらに、本発明について、特定の環境においてその実施態様に関連して、かつ特定の用途（例えば、ＡＬＤ及びＰＥＡＬＤガス堆積システム）に対して記載したが、当業者は、本発明の有用性がそれに限定されず、未反応前駆体を流出物から除去するようにそれらの未反応前駆体を反応させることが望ましいあらゆる環境及び実施態様で、本発明を有益に利用することができることを理解するであろう。したがって、以下に示す特許請求の範囲は、本明細書に開示する本発明の全範囲及び趣旨を考慮して解釈されるべきである。
【図１】
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【国際調査報告】
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