УСТРОЙСТВО ДЛЯ АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к устройству атомно-слоевого осаждения покрытия на поверхность образца с фотостимуляцией химических реакций.
Технология атомно-слоевого осаждения (АСО), реализуемая в заявленной полезной модели - это технология, которая использует принцип молекулярного сбора материалов из газовой фазы. Рост слоев материала в АСО состоит из таких характерных четырех этапов, которые циклически повторяются:
1. Действие первого прекурсора (Химического реагента А) на поверхность образца (подложки) (хемосорбция реагента А на поверхности образца),
2. Удаление из реактора непрореагировавших прекурсоров и газообразных продуктов реакции (продувка),
3. Действие второго прекурсора (Химического реагента B), вступающего в химическую реакцию с первым прекурсором на поверхности образца с образованием слоя искомого соединения (химического покрытия) или другая обработка поверхности подложки с нанесенным на нее первым прекурсором для ее активирования перед повторным применением первого прекурсора (повторной обработкой поверхности первым прекурсором,
4. Удаление из реактора остатков реагентов.
Обычно процесс роста химического покрытия С (=A+B) происходит в реакторе под действием температуры (80-500°С), которая поддерживается нагревателем. Очередность напуска прекурсоров регулируется управляющими отсекающими клапанами (ALD-клапан, Atomic-Layer-Deposition – Атомно-Слоевое Осаждение). Прекурсоры в реактор переносятся с помощью газа-носителя.
Из уровня техники известно устройство для получения пленочных покрытий (патент РФ №2316612, 10.02.2008). Покрытия получают лазерной абляцией поверхности мишени с образованием струи частиц, направленной на подложку. Устройство содержит лазер, подложку для нанесения покрытия, выполненную с возможностью вращения, мишень. Для осуществления лазерной абляции поверхности мишени излучение 1 лазера фокусируется в фокусе 2 вблизи поверхности мишени 3, то есть мишень 3 устанавливают со смещение по оси, совпадающей с направлением излучения, и по оси, перпендикулярной первой оси, и выполняют лазерную абляцию поверхности мишени 3 для создания струи 4 частиц испаряемого материала. Постепенно мишень 3 подается в зону осаждения (по мере расходования материала мишени). Известное устройство имеет недостатки, обусловленные механизмом нанесения слоя, основанном на методе абляции: невозможность локального осаждения покрытия, невозможность создания рисунка осаждения и его выбора.
В качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели можно принять устройство атомно-слоевого осаждения покрытия на поверхность подложки, содержащее реакционную камеру, источник электромагнитного излучения (источник фотонов: УФ лампу, светодиодную лампу или, например, источник рентгеновского излучения, источник лазерного излучения или источник инфракрасного излучения), оптическую систему (линзу), экран (маска). Устройство для атомно-слоевого осаждения позволяет реализовать фотохимические реакции в установках атомно-слоевого осаждения (АСО) (патент РФ №2702669, 25.11.2015). Рост слоя происходит только на тех участках поверхности основы, на которых с помощью линзы 855 сфокусирован рисунок, образуемый маской 850. Таким образом, устройство функционирует как ALD (Atomic Layer Deposition – атомно-слоевое осаждение) принтер. Фотоны воздействуют на выбранный участок поверхности основы, который освещается лазером, и соответственно рост в период активации происходит только на выбранном участке.  Недостатком ближайшего аналога является то, что для создания рисунка (в зависимости от его сложности) может потребоваться сканирование подложки пучком фотонов ограниченного размера за счет перемещения основы, источника, лазерного луча, что увеличивает время осаждения покрытия (повышается трудоемкость процесса нанесения покрытия). Использование маски-экрана для создания рисунка на подложке уменьшает гибкость в выборе рисунка осаждения, то есть, одна и та же маска не может использоваться для получения на поверхности различных рисунков. В результате увеличивается время нанесения слоя на несколько подложек с разными рисунками (повышается трудоемкость процесса в целом) и снижаются функциональные возможности устройства.
Техническая проблема, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в разработке конструкции устройства атомно-слоевого осаждения (устройство АСО) материала на поверхность образца с фотостимуляцией химических реакций, обеспечивающего возможность получения покрытия на образце требуемой толщины и локального осаждения материала на образце для создания любого рисунка осаждения с возможностью его широкого выбора при снижении трудоемкости.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, заключается в повышении эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения трудоемкости при эксплуатации, повышения качества покрытия на образце, повышения точности нанесения покрытия (рисунка) и расширения его функциональных возможностей, а также возможности управления физико-химическими характеристиками наносимого материала.
Указанный технический результат достигается в устройстве атомно-слоевого осаждения, содержащем реактор с нагревателем и оптическим модулем, связанные с реактором подающую линию реагента и линию откачки реагента, внутри реактора расположено устройство для перемещения образца, причем оптический модуль включает  источник электромагнитного излучения, оптическую систему, состоящую из оптического элемента и микроэлектромеханической системы микрозеркал.
Устройство перемещения подложки может быть выполнено с возможностью вращения, горизонтального и вертикального перемещения образца.
Также, устройство атомно-слоевого осаждения может быть выполнено с возможностью изменения геометрии области освещения (наносимого покрытия) в ходе процесса осаждения за счет изменения взаимного расположения элементов оптического модуля без выгрузки образца из установки.
Устройство атомно-слоевого осаждения позволяет изменять свойства наносимого покрытия: показатели преломления, пропускания, поглощения, проводимость, диэлектрическую проницаемость в ходе процесса осаждения за счет изменения спектрального состава излучения без выгрузки образца из установки. Изменение спектрального состава излучения падающего на образец может быть произведено через использование иного источника излучения или, например, поворота оптического элемента с помощью шаговых, линейных, пьезоэлектрических двигателей.  Таким образом, длину волн меняют с помощью оптического элемента, чтобы получить один слой с одними характеристиками, а другой – с другими.
Оптическая система может также включать несколько оптических элементов.
Под образцом понимается любой твердый материал (например, пластина кремния или OLED матрица и др.), ткань или другое изделие, которое может быть использовано для нанесения на его поверхность покрытия.
Устройство перемещения образца выполнено с возможностью как горизонтального и вертикального перемещения образца, так и его вращения для возможности нанесения покрытия методом фото-АСО на образцах со сложным и 3D-рельефом, а также для возможности нанесения покрытия локально, на различные области образца за счет поворота образца. Устройство для перемещения образца представляет собой держатель с электроприводами которые позволяют перемещать держатель в пространстве. Держатель обеспечивает возможность фиксации образца.
Оптический модуль в качестве его элементов содержит источник электромагнитного излучения и оптическую систему.
Оптический модуль в установке атомно-слоевого осаждения служит для активации химических реакций.
Элементы оптического модуля расположены таким образом, что источник электромагнитного излучения обеспечивает подачу излучения в последовательно расположенные оптический элемент (или оптические элементы) и микроэлектромеханическую систему микрозеркал оптической системы.
Оптическим модуль может быть установлен внутри реактора устройства для атомно-слоевого осаждения или снаружи реактора, например, на его крышке, в которой имеется отверстие, закрытое стеклом для пропускания излучения, необходимого для осуществления химической реакции, внутрь реактора.
Источником электромагнитного излучения может являться любой объект, генерирующий электромагнитное излучение (лампа, лазер и т.д.). Электромагнитное излучение из источника попадает в оптическую систему. В оптической системе формируется необходимое направление, форма, интенсивность и спектральный состав электромагнитного излучения, которое передается внутрь установки атомно-слоевого осаждения. Диапазон излучения, падающего на образец, также может быть изменен за счет использования иного источника излучения или изменения взаимного расположения элемента оптической системы, например, поворота призмы.
В качестве оптических элементов могут использоваться зеркала, призмы, поляризаторы, дифракционные элементы, светофильтры или их комбинация.
Указанные оптические элементы позволяют варьировать длину волны и интенсивность излучения, попадающего на образец. Это позволит реализовывать на поверхности образца химические реакции различного типа (например, локальной термоактивации), а также управлять скоростью протекания реакции. Кроме того, оптические элементы позволяют выборочно исключать из спектра излучения, падающего на поверхность образца, определенные длины волн. Это позволит уменьшить число нежелательных реакций в ходе процесса осаждения и, как следствие, исключить образование побочных продуктов реакции. В результате при использовании заявленной полезной модели снижается количество нежелательных примесей и улучшается чистота материала, повышается прочность покрытия и его качество в целом.
Кроме того, возможность исключения из спектра излучения, падающего на поверхность образца, определенных длин волн, стимулирующих протекание побочных реакций, позволяет существенно ускорить процесс образования слоев однородного материала покрытия, уменьшить количество нежелательных примесей в материале и, следовательно, снизить трудоемкость при эксплуатации устройства и улучшить чистоту и качество получаемого покрытия, соответственно.
Таким образом, снижение трудоемкости при эксплуатации устройства с ускорением процесса образования слоев на поверхности образца, реализация на поверхности образца химических реакций различного типа, повышение качества покрытия обеспечивают повышение эксплуатационных характеристик установки атомно-слоевого осаждения.
Изменение относительного расположения элементов оптического модуля (например, за счет шаговых, линейных или пьезоэлектрических двигателей) позволяет изменять направление и интенсивность излучения, выходящего из модуля, непосредственно в ходе процесса АСО и, как следствие, изменять область осаждения и ее рисунок (форму засветки) по ходу процесса, не вынимая образец из установки, что дополнительно упрощает (снижает трудоемкость) процесс получения локального покрытия, повышает точность воспроизведения формы покрытия и приводит к повышению эксплуатационных характеристик устройства.
Таким образом, выполнение устройства с оптическим модулем, включающим источник электромагнитного излучения, оптическую систему, состоящую из оптического элемента и микроэлектромеханической системы микрозеркал, позволяет создавать рисунки любой сложности при использовании метода АСО.
Система микрозеркал и оптические элементы могут быть выполнены с возможностью вращения, горизонтального и вертикального  перемещения, что также обеспечивает возможность  легкого изменения направления излучения от источника излучения в нужную область образца, что дополнительно позволяет упростить процесс получения локального покрытия любой формы (снизить трудоемкость процесса) и повысить точность воспроизведения формы покрытия с повышением эксплуатационных характеристик устройства (установки АСО).
Микроэлектромеханическая система микрозеркал представляет собой микроразмерные зеркала, которые производятся на DMD-кристалле и активируются электростатическими, пьезоэлектрическими, тепловыми, магнитными (электромагнитными) средствами и предназначены для направления и/или сканирования светового луча. DMD-кристалл (матрица высокой точности, осуществляющая цифровое преобразование света) по сути представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой (точнее, ее содержимое) определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал (микрозеркала, например, могут иметь размер ок. 16×16 мкм). Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающихся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала. С помощью массива микроскопических зеркал формируется луч, причем каждое такое зеркало соответствует одному пикселу света в проецируемом изображении. Таким образом, меняя положения зеркал возможно точное и четкое проецирование любого изображения на поверхность образца (то есть получения покрытия любой формы), что приводит к расширению функциональных возможностей устройства АСО и повышению его эксплуатационных характеристик.  Микроэлектромеханическую систему микрозеркал подключают к компьютеру. Посредством компьютера возможно управление микроэлектромеханической системой микрозеркал, с направлением команд для проецирования   микрозеркалами выбранного изображения. Применение в патентуемом устройстве микроэлектромеханической системы микрозеркал, выполненной с возможностью управления зеркалами с помощью компьютера, позволяет достаточно быстро изменять проецируемое на образец изображение, что существенно упрощает и ускоряет сам процесс атомно-слоевого осаждения материала на образце.
В сочетании с цифровым сигналом, источником света и проекционным объективом эти зеркала обеспечивают самое высокое качество воспроизведения графических изображений.
Таким образом, благодаря наличию микроэлектромеханической системы микрозеркал в составе устройства для АСО возможно получение покрытий любой формы (любых рисунков)  на образце, при этом отсутствует необходимость в наличии нескольких экранов (масок) для получения различных рисунков  и замене одного экрана (маски) на другую для формирования на образце другой формы покрытия.  В связи с этим, наличие микроэлектромеханической системы позволяет существенно ускорить и упростить процесс получения покрытий различной формы на образце, что, следовательно, снижает трудоемкость при эксплуатации устройства и приводит к повышению эксплуатационных характеристик устройства АСО.
Реактор может быть соединен с двумя подающими линиями для двух различных прекурсоров, что дополнительно расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения возможности реализации больших вариантов схем обработки поверхности образца для формирования покрытия.
Патентуемое устройство выполнено с возможностью поочередной подачи в реактор  реагентов для проведения химической реакции. При этом, после подачи в реактор одного  реагента и проведения реакции с поверхностью подложки или закрепленным (в результате хемосорбции) на поверхности подложки другим реагентом, осуществляется продувка реактора для удаления из реактора непрореагировавших реагентов и газообразных продуктов реакции. Только после этого в реактор подают следующий газообразный реагент для проведения новой реакции. Таким образом, в устройстве исключается одновременное присутствие в реакторе паров нескольких реагентов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства атомно-слоевого осаждения с образцом, установленном в горизонтальном положении. На фиг. 2 представлен общий вид устройства атомно-слоевого осаждения с образцом, повернутым в вертикальное положение. Фиг. 3 иллюстрирует схему создания локального покрытия на образце с использованием микроэлектромеханической системы микрозеркал.
Устройство атомно-слоевого осаждения (далее Устройство) состоит из реактора 1, установленного в корпусе 2 устройства, оптического модуля 3. В реакторе (реакционная камера) 1 установлен нагреватель 8. Подающие линии 4 и 5 входят в реакционную камеру и служат для подачи внутрь нее химических реагентов А (например триметилалюминий) и В (например вода или кислород) из емкостей 7 и 6 с химическим реагентом А и В и одновременно газа-носителя (например, азот или аргон).  В подающих линиях 4, 5 установлены управляющие клапаны (ALD-клапаны) 19 и 18 для регулировки подачи реагентов В и А в подающие линии для их транспортировки потоком газа-носителя в реактор 1. Линия откачки 9 входит в реактор 1 и предназначена для отвода непрореагировавших реагентов или продуктов реакции из устройства.
Образец 23 в виде объемного изделия из кремния или ткани (в качестве тканей могут быть выбраны любые ткани, например, хлопковые или из синтетических волокон) - закреплен на устройстве 21 для перемещения образца внутри реакционной камеры. Устройство 21 для перемещения образца, в свою очередь, закреплено в реакторе 1. На крышке 13 реактора 1 установлен оптический модуль 3. В крышке 13 реактора имеется отверстие (на фигурах не показано). Отверстие закрыто стеклом, которое пропускает излучение, необходимое для химической реакции, внутрь реактора 1. Стекло можно считать еще одним оптическим элементом. Оптический модуль 3 содержит источник электромагнитного излучения 10 и последовательно установленные напротив него оптический элемент(ы) 11 и микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12. После системы микрозеркал могут быть дополнительно установлены оптические элементы, аналогичные 11. Это может быть необходимо для реализации засветки областей с определенным рисунком. Засветка обеспечивает создание локального рисунка для ускорения и упрощения процесса получения покрытий различной формы на образце. Микроэлектромеханическая система микрозеркал 12 представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти, каждая ячейка которой определяет положение каждого из размещенных на поверхности подложки микрозеркал размером ок. 16х16 мкм. Изменение положения каждого микрозеркала обеспечивается за счет электростатических или пьезоэлектрических или тепловых или магнитных (электромагнитных) средств. Микроэлектромеханическая система микрозеркал 12 связана с компьютером (на фигурах не отмечен) для управления положением зеркал.
Устройство атомно-слоевого осаждения работает следующим образом.
Образец 23 для нанесения локальных слоев закрепляется в держателе (на фигуре не показан) устройства для перемещения 21 образца в горизонтальном положении в реакторе 1 установки атомно-слоевого осаждения. Производятся необходимые этапы подготовки установки к началу процесса нанесения покрытия (откачка из реактора газов, попавших из атмосферы, после загрузки образца; продувка пространства реактора инертным газом). Включают нагреватель 8 и устанавливают температуру 60 ºС для проведения фотохимической реакции триметилалюминия и кислорода. Осуществляют стандартный процесс атомно-слоевого осаждения следующим образом.
Поток газа-носителя пускают по подающей линии 5 в направлении 17, 15 в реактор 1, при этом открывают клапан 18. Поступающий из емкости 7 в подающую линию 5 химический реагент А подхватывается газом-носителем и уносится в реактор 1. Химический реагент А за счет хемосорбции закрепляется на поверхности образца 23, закрепленного в держателе устройства для перемещения 21. Далее удаляют из реактора 1 излишек химического реагента А посредством линии откачки 9.  Поток газа-носителя пускают по подающей линии 4 в направлении 16, 14 в реактор 1, при этом открывают клапан 19. Поступающий из емкости 6 в подающую линию 4 химический реагент В подхватывается газом-носителем и уносится в реактор 1. Химический реагент В поступает на поверхность образца 23 и покрывает слой химического реагента А. А и B подобраны таким образом, что могут вступать в химическую реакцию только при дополнительном возбуждении.
Включают источник электромагнитного излучения 10. Относительное расположение элементов оптического модуля 3 (источник электромагнитного излучения 10, оптический элемент 11, микроэлектромеханическая система микрозеркал 12) и/или параметров элементов оптического модуля располагают таким образом, чтобы электромагнитное излучение попадало на образец 23 в соответствии с заданным рисунком.
Поток электромагнитного излучения поступает в оптический элемент (например, оптическую призму) 11, которая обеспечивает выделение из потока излучения волн с диапазоном длин волн 160-240 нм (для исключения параллельного протекания нежелательных реакций, протекающих вне значений указанного диапазона, с образованием побочных продуктов реакции). Из оптической призмы 11 поток излучения с длиной волны с диапазоном длин волн 160-240 нм поступает в микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12. Предварительно настраивают положение микрозеркал (например, посредством компьютера) в соответствии с выбранным изображением, которое должно быть спроецировано на образец 23. То есть, зеркальная плоскость каждого из микрозеркал повернута таким образом (на такой угол), чтобы спроецировать луч света на образец 23 с образованием заданного изображения (например, вертикальной полосы и квадрата, фиг. 3). А именно, микрозеркала 24 повернуты на угол, чтобы отразить свет на поверхность образца 23 для получения рисунка, а микрозеркала 25 не отражают свет на образец 23. Для этого необходимый рисунок выбирается или создается на программном обеспечении установки. При поступлении потока излучения в микроэлектромеханическую систему микрозеркал 12 каждое микрозеркало направляем излучение на поверхность образца 23 с находящимися на его поверхности химическими реагентами А и В. Излучение с длиной волны с диапазоном длин волн 160-240 нм стимулирует протекание химической реакции между реагентами А и В на поверхности с образованием слоя оксида алюминия.
Таким образом, в результате процесса АСО исключаются нежелательные длины волн (например, длины волн, запускающие нежелательные химические реакции и вызывающие дополнительный нагрев образца, реализуя термическое АСО, а не фото-АСО что может послужить причиной его порчи), и обеспечивается надежное получение покрытия с сохранением целостности образца.
Далее производят удаление из реактора 1 остатков реагентов и повторяют описанные выше этапы обработки образца 23 для получения дополнительных слоев 22 искомого вещества на его поверхности до получения требуемой толщины слоя. При этом, для нанесения локального слоя на образец с 3D-рельефом меняют положение подложки 21, вращая ее (фиг. 2) с поворотом в вертикальное положение за счет устройства перемещения подложки (на фигуре не показано). В результате достигается нанесение слоя на все стороны образца. После этого из реактора 1 удаляют остатки реагентов.
Устройство для атомно-слоевого осаждения может быть использовано в решении проблемы селективного осаждения тонких покрытий без использования травления и литографии, что в свою очередь позволит существенно удешевить производство микро- и наноустройств. Также разработанное устройство с оптическим модулем позволит реализовать фотохимические реакции в установках атомно-слоевого осаждения (АСО), низкая температура которых критически важна для разработки элементов гибкой электроники.  Устройство для атомно-слоевого осаждения, оснащенное оптическим модулем с подобным функционалом, функционирует как 3D-принтер для нанопрокрытий и может быть востребовано производителями электронных и оптических компонентов, а также лабораториями, так как предлагаемый продукт может существенно удешевить производство продукции и лабораторных образцов в области нанотехнологий.