ПОКРЫТИЕ ПОЛОТНА ПОДЛОЖКИ ОСАЖДЕНИЕМ АТОМНЫХ СЛОЕВ
COATING FABRIC SUBSTRATE BY DEPOSITION OF ATOMIC LAYERS

Область техники
Изобретение относится к реакторам для нанесения материалов. Более конкретно, изобретение относится к реакторам атомно-слоевого осаждения, в которых материал наносится на поверхности при последовательном использовании самоограниченных поверхностных реакций.
Уровень техники
Метод эпитаксии атомных слоев (Atomic Layer Epitaxy) был изобретен доктором Туомо Сунтола (Tuomo Suntola) в начале 1970-х годов. Другим распространенным названием этого метода является атомно-слоевое осаждение (Atomic Layer Deposition, АСО), которое к настоящему времени заменило ALE. АСО - это вариант метода химического осаждения, основанный на последовательной подаче по меньшей мере двух различных прекурсоров по меньшей мере к одному полотну.
3
Тонкие пленки, сформированные посредством АСО, являются плотными, свободными от точечных дефектов и имеющими однородную толщину. Например, в экспериментальных условиях посредством термического АСО было осуществлено выращивание оксида алюминия из триметилалюминия (CH)3AI и воды при 250-300°C с площадью неоднородностей, не превышающей 1% площади поверхности подложки.
До настоящего времени промышленное применение АСО концентрировалось, в основном, на нанесении материала на одну или более жестких подложек. Однако в последние годы имеет место рост интереса к рулонным процессам АСО, в которых материал наносится на покрываемое полотно (полотно подложки), отматываемое с первого рулона и сматываемое после нанесения материала во второй рулон.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ, включающий:
подачу покрываемого полотна в реакционное пространство реактора атомно-слоевого осаждения и
обеспечение доступности реакционного пространства разделенным во времени импульсам подачи (напуска) прекурсоров для нанесения материала на покрываемое полотно посредством последовательных самоограниченных поверхностных реакций.
В некоторых вариантах при нанесении на покрываемое полотно материала приращением его толщины управляют выбором скорости полотна. В определенных вариантах покрываемое полотно перемещают через рабочую камеру по прямолинейной траектории, а желательное тонкопленочное покрытие наносят на поверхность полотна методом АСО с разделением во времени. При этом каждую из фаз цикла АСО осуществляют в одном и том же реакционном пространстве рабочей камеры. В этом состоит отличие изобретения, например, от пространственного метода АСО, в котором различные фазы цикла нанесения осуществляются в различных реакционных пространствах.
В определенных вариантах все реакционное пространство может быть поочередно доступно для импульсов подачи прекурсоров. Соответственно, реакционное пространство может быть доступно для импульса подачи первого прекурсора точно в том же пространстве (т.е. в том же объеме рабочей камеры), что и для импульса подачи второго (другого) прекурсора. Таким образом, по контрасту с известным процессом АСО, требующим пространственного разбиения реакционного пространства, процесс АСО согласно изобретению разделен во времени. Покрываемое полотно может перемещаться через реакционное пространство непрерывно или периодически. Прирост толщины материала происходит, когда покрываемое полотно, находясь в реакционном пространстве, становится поочередно доступным импульсам подачи паров прекурсоров, чтобы вызвать на поверхности покрываемого полотна последовательные самоограниченные поверхностные реакции. Когда покрываемое полотно находится внутри реактора, но вне реакционного пространства, поверхность покрываемого полотна открыта только для неактивного газа и реакции АСО не протекают.
Реактор может содержать единственную рабочую камеру, формирующую указанное реакционное пространство. В некоторых вариантах покрываемое полотно может подаваться в рабочую камеру/реакционное пространство от источника покрываемого полотна, такого как подающий рулон. Покрываемое полотно обрабатывается в рабочей камере посредством реакций АСО и выводится из нее на целевой компонент для покрываемого полотна, такой как приемный рулон. Если источником и целевым компонентом покрываемого полотна являются рулоны, реализуется способ нанесения посредством рулонной технологии АСО. Покрываемое полотно может отматываться с первого рулона, подаваться в рабочую камеру и, после нанесения, сматываться во второй рулон. Другими словами, покрываемое полотно может быть перемещено с первого рулона на второй с воздействием на полотно на траектории перемещения посредством реакций АСО. Полотно может быть гибким, в том числе пригодным для сматывания в рулон. Полотном может быть, например, фольга, в частности металлическая.
В определенных вариантах покрываемое полотно входит в реакционное пространство из первого ограниченного пространства или через него. Первое ограниченное пространство может являться зоной избыточного давления. Из реакционного пространства покрываемое полотно может подаваться во второе ограниченное пространство. Второе ограниченное пространство также может быть зоной избыточного давления. Оно может иметь такой же или иной объем, что и первое ограниченное пространство. Назначение ограниченного пространства (ограниченных пространств) может состоять только в том, чтобы предотвращать выход паров прекурсоров/газообразных продуктов реакций за пределы рабочей камеры вдоль трассы покрываемого полотна. В случае рулонной технологии рулоны могут находиться в ограниченном пространстве или вне его. Реактор может составлять часть производственной линии, включающей, в дополнение к реактору (или модулю) АСО, другие производственные участки. В таком варианте рулоны могут находиться вне ограниченного пространства (ограниченных пространств), на соответствующем участке производственной линии.
В определенных вариантах способ включает введение покрываемого полотна из зоны избыточного давления в реакционное пространство через прорезь, обеспечивающую поддержание разности давлений между указанной зоной и реакционным пространством.
Выражение "избыточное давление" в данном описании означает, что, хотя давление в зоне избыточного давления является более низким, чем давление окружающей среды, оно выше, чем давление в реакционном пространстве. Чтобы поддерживать нужную разность давлений, в зону избыточного давления может подаваться неактивный газ. Соответственно, в некоторых вариантах способ включает подачу в зону избыточного давления неактивного газа.
В некоторых вариантах прорезь (входная) является настолько узкой, что покрываемое полотно проходит через нее фактически без какого-либо зазора. Зона избыточного давления может представлять собой объем, в котором находится первый (т.е. подающий) рулон. В некоторых вариантах и первый, и второй рулоны находятся в зоне избыточного давления, которая может именоваться также пространством или отделением избыточного давления. Прорезь может функционировать как ограничитель потока, позволяющий неактивному газу перетекать из зоны избыточного давления в реакционное пространство/рабочую камеру, но предотвращающий, по существу, любой поток в другом направлении (т.е. из реакционного пространства в зону избыточного давления). Прорезь может представлять собой дроссельную заслонку, ограничивающую поток неактивного газа.
В определенных вариантах реактор содержит ограничительные пластины, образующие указанную прорезь. Могут иметься две ограничительные пластины, установленные одна рядом с другой таким образом, что толщина покрываемого полотна точно соответствует расстоянию между пластинами. Пластины могут быть установлены взаимно параллельно, так что пространство между ними (объем прорези) будет вытянутым в направлении движения полотна.
Покрываемое полотно может отматываться с первого рулона, подвергаться воздействию методом АСО в рабочей камере, задающей реакционное пространство, и сматываться во второй рулон.
Покрываемое полотно, обработанное методом АСО, может выводиться из реакционного пространства через вторую (выходную) прорезь. Конструкция и функции второй прорези могут быть аналогичными конструкции и функциям первой прорези. По отношению к первой прорези вторая прорезь может находиться на другой боковой стороне реакционного пространства.
В определенных вариантах управление толщиной нанесенного материала осуществляют выбором скорости полотна. В некоторых вариантах скорость полотна регулирует модуль управления. Толщина нанесенного материала может непосредственно определяться скоростью полотна. Полотно может непрерывно перематываться с первого рулона во второй. В одном варианте полотно подают непрерывно с постоянной скоростью. В другом варианте подачу полотна осуществляют прерывистым образом. В этом варианте покрываемое полотно может быть остановлено для осуществления цикла нанесения, перемещено по окончании цикла, остановлено для следующего цикла и т.д. Другими словами, покрываемое полотно можно перемещать с перерывами, т.е. в заданные моменты времени.
В некоторых вариантах способ включает подачу неактивного газа в объем (объемы), в котором (в которых) находятся первый и второй рулоны. Соответственно, газ, подаваемый в этот объем (эти объемы), может полностью состоять из неактивного газа. Неактивный газ может доставляться в данный объем (в данные объемы) из окружающего объема. Так, неактивный газ может поступать в реакционную камеру, которая вмещает в себя рулоны и окружает фактическую рабочую камеру, из вакуумной камеры, окружающей, в свою очередь, реакционную камеру.
В некоторых вариантах направление потока паров прекурсоров в реакционном пространстве совпадает с направлением движения покрываемого полотна. У покрываемого полотна имеются две поверхности и два края, причем пары прекурсора могут течь вдоль по меньшей мере одной из этих поверхностей.
В определенных вариантах способ включает подачу в реакционное пространство паров прекурсоров с конца указанного пространства, входного для покрываемого полотна, и выведение газов с конца реакционного пространства, выходного для покрываемого полотна. Пары первого и второго (другого) прекурсоров могут поочередно подаваться с конца указанного пространства, входного для покрываемого полотна.
В определенных вариантах направление распространения паров прекурсора в реакционном пространстве является поперечным по отношению к направлению движения покрываемого полотна. У покрываемого полотна имеются две поверхности и два края, причем пары прекурсора могут течь по меньшей мере по одной из этих поверхностей.
В некоторых вариантах способ включает подачу в реакционное пространство паров прекурсоров с боковой стороны реакционного пространства и выведение газов с противоположной боковой стороны реакционного пространства.
В определенных вариантах способ включает поочередную подачу паров первого прекурсора в реакционное пространство с первой боковой стороны реакционного пространства, подачу паров второго (другого) прекурсора с первой или второй (противоположной) боковой стороны реакционного пространства и выведение газов в средней зоне реакционного пространства или с конца реакционного пространства, выходного для покрываемого полотна.
В определенных вариантах способ включает установку первого и второго рулонов на крышку реакционной камеры.
Реактор атомно-слоевого осаждения может быть реактором с камерами, встроенными одна в другую. В некоторых вариантах реактор содержит первую (вакуумную) камеру, являющуюся герметичным резервуаром и окружающую (вмещающую в себя) вторую (реакционную) камеру, также являющуюся герметичным резервуаром. В реакционную камеру помещены первый и второй рулоны, причем внутри этой камеры может быть образована третья (рабочая камера), формирующая реакционное пространство. В некоторых вариантах рабочая камера интегрирована с крышкой реакционной камеры.
Загрузка и разгрузка реактора может проводиться с верхней стороны реактора/реакционной камеры. В некоторых вариантах для осуществления загрузки нужно перевести в верхнее положение крышку реакционной камеры (которая может входить в двойную систему крышек, содержащую также крышку вакуумной камеры). На крышке установлены первый и второй рулоны. При опускании крышки реакционная камера закрывается (вместе с вакуумной камерой). Подача в реакционное пространство газов от источников прекурсоров/неактивного газа может производиться через крышку реакционной камеры.
В определенных вариантах способ включает прямолинейное перемещение покрываемого полотна через реакционное пространство. В других вариантах полотно можно перемещать в реакционном пространстве по более длинной траектории с целью обеспечить более высокую производительность.
В некоторых вариантах способ включает использование узкой (или тонкой) рабочей камеры, т.е. камеры, размер которой в поперечном направлении близок к толщине покрываемого полотна.
Применение рабочей камеры с шириной (или высотой), существенно не превышающей толщину покрываемого полотна, эффективно в случае нанесения материала на единственную сторону покрываемого полотна, поскольку само полотно препятствует затеканию газов на другую его сторону. Покрываемое полотно, прорезь (прорези) и рабочая камера могут иметь, по существу, одинаковый поперечный размер. В принципе, все варианты, в которых покрываемое полотно движется (в направлении, желательном для нанесения материала) близко к стенке рабочей камеры, хорошо подходят для одностороннего нанесения, тогда как варианты, в которых полотно движется через центральную зону рабочей камеры/реакционного пространства, хорошо подходят для двустороннего нанесения.
В определенных вариантах способ включает подачу неактивного газа в пространство между обратной стороной покрываемого полотна и стенкой рабочей камеры, чтобы создать экранирующий объем. Экранирующий объем создается, чтобы препятствовать нанесению материала на обратную сторону покрываемого полотна, которая, таким образом, становится поверхностью покрываемого полотна, не подлежащей нанесению покрытия.
В определенных вариантах реактор содержит отдельные впускные отверстия для подачи паров прекурсоров к обеим поверхностям покрываемого полотна.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается аппарат, содержащий:
приводной узел, сконфигурированный для осуществления перемещения покрываемого полотна в реакционном пространстве реактора атомно-слоевого осаждения, и
узел подачи паров прекурсоров, сконфигурированный для обеспечения доступности реакционного пространства разделенным во времени импульсам подачи прекурсоров для нанесения материала на покрываемое полотно посредством последовательных самоограниченных поверхностных реакций.
Аппарат может представлять собой реактор атомно-слоевого осаждения (АСО). Реактор АСО может быть автономным аппаратом или частью производственной линии. Приводной узел может быть сконфигурирован для перемещения покрываемого полотна с первого рулона через реакционное пространство во второй рулон, причем данный узел может быть соединен со вторым (приемным) рулоном. В некоторых вариантах приводной узел содержит первый привод, который соединен с первым (подающим) рулоном, и второй привод, который соединен со вторым (приемным) рулоном соответственно. Приводной узел может быть сконфигурирован для вращения рулона (рулонов) с желательной скоростью.
В определенных вариантах узел подачи паров прекурсоров содержит распылительные головки, размещенные внутри реакционного пространства, чтобы доставлять в него пары прекурсоров. В некоторых вариантах узел подачи паров прекурсоров образован крышкой реакционной камеры.
В определенных вариантах аппарат содержит входную прорезь для введения покрываемого полотна из зоны избыточного давления в реакционное пространство.
В некоторых вариантах прорезь служит для поддержания разности давлений между указанной зоной и реакционным пространством. В некоторых вариантах аппарат содержит ограничительные пластины, образующие входную прорезь.
В определенных вариантах аппарат содержит также канал, сконфигурированный для доставки неактивного газа в зону избыточного давления.
В некоторых вариантах данный канал проведен из вакуумной камеры в реакционную камеру сквозь стенку реакционной камеры или ее крышку.
В определенных вариантах аппарат имеет впускное отверстие для паров прекурсоров и выхлопной вывод, расположенные на концах реакционного пространства, входном и выходном для покрываемого полотна соответственно.
В определенных вариантах аппарат имеет впускное отверстие (впускные отверстия) для паров прекурсоров на боковой стороне реакционного пространства и выхлопной вывод на противоположной боковой стороне реакционного пространства.
Аппарат может иметь впускное отверстие (впускные отверстия) для паров прекурсоров, расположенное (расположенные) с боковой стороны реакционного пространства и проходящее (проходящие), по существу, через все реакционное пространство в его продольном направлении.
Среди направлений в реакционном пространстве можно указать следующие: направление перемещения покрываемого полотна, направление желательного приращения толщины наносимого материала, перпендикулярное направлению перемещения покрываемого полотна, и поперечное направление (перпендикулярное направлениям перемещения покрываемого полотна и приращения толщины наносимого материала). Упомянутое продольное направление реакционного пространства - это направление, параллельное направлению перемещения покрываемого полотна.
В определенных вариантах аппарат содержит крышку реакционной камеры, сконфигурированную для приема первого и второго рулонов.
В одном варианте крышка реакционной камеры содержит интегрированные в нее держатели рулонов для приема первого и второго рулонов.
В определенных вариантах крышка реакционной камеры содержит средство или механизм, посредством которого можно установить первый и второй рулоны. Начальный участок покрываемого полотна может быть протянут через рабочую камеру и смотан во второй рулон до того, как будет опущена крышка.
В определенных вариантах аппарат содержит узкую рабочую камеру, т.е. камеру, размер которой в боковом направлении близок к толщине входной прорези (это боковое направление соответствует указанному поперечному направлению). Аппарат может также содержать управляющий блок, сконфигурированный с возможностью управления функционированием реактора, в том числе временными параметрами импульсов подачи прекурсоров и периодов продувки. Данный блок может также управлять функционированием приводного узла. В некоторых вариантах управляющий блок регулирует скорость покрываемого полотна с целью управления толщиной наносимого слоя материала.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается аппарат, содержащий:
средство для перемещения покрываемого полотна в реакционной камере реактора атомно-слоевого осаждения и
средство для обеспечения доступности реакционного пространства разделенным во времени импульсам подачи прекурсоров для нанесения материала на покрываемое полотно посредством последовательных самоограниченных поверхностных реакций.
Различные аспекты и варианты изобретения были рассмотрены выше только с целью пояснения аспектов или операций, которые могут использоваться при осуществлении изобретения. Некоторые варианты могут быть реализованы применительно только к определенным аспектам изобретения. При этом должно быть понятно, что некоторые варианты, описанные в рамках одного аспекта, применимы и к другим аспектам, так что могут быть реализованы различные комбинации соответствующих вариантов.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлен, на виде сбоку, в фазе загрузки, вариант реактора для нанесения материалов.
На фиг. 2 реактор для нанесения материалов по фиг. 1 показан при осуществлении операции продувки.
На фиг. 3 вариант реактора для нанесения материалов по фиг. 1 представлен во время подачи прекурсора.
На фиг. 4 узкая рабочая камера реактора для нанесения материалов по фиг. 1 показана на виде сверху и в поперечном сечении через входную прорезь.
На фиг. 5 представлен реактор для нанесения материалов по фиг. 1 после завершения обработки методом АСО.
На фиг. 6 представлен вариант с единственной приводной системой.
На фиг. 7 представлен, на виде сбоку, в фазе загрузки, другой вариант реактора для нанесения материалов.
На фиг. 8 вариант реактора по фиг. 7 показан в работе, в период подачи прекурсора.
На фиг. 9 представлен, на виде сбоку, еще один вариант реактора для нанесения материалов.
На фиг.10 реактор для нанесения материалов по фиг. 9 представлен в состоянии, соответствующем одному из вариантов подачи прекурсора.
На фиг. 11 реактор для нанесения материалов по фиг. 9 показан, на виде сверху, в состоянии, соответствующем варианту подачи прекурсора.
На фиг. 12 реактор для нанесения материалов по фиг. 9 показан в состоянии, соответствующем одному из вариантов подачи другого прекурсора.
На фиг. 13 представлен вариант реактора для нанесения материалов, снабженный ограничительными пластинами.
Фиг. 14 схематично иллюстрирует пример зависимости толщины нанесенного материала от расстояния, пройденного полотном в реакционном пространстве.
На фиг.15 представлен вариант реактора для нанесения материалов, в котором пары прекурсора подаются на конце рабочей камеры, входном для покрываемого полотна.
На фиг. 16 представлен, на виде сверху, вариант реактора для нанесения материалов по фиг. 15.
На фиг. 17 представлен реактор для нанесения материалов с подачей паров прекурсора с боковой стороны рабочей камеры.
На фиг. 18 вариант реактора для нанесения материалов по фиг. 17 представлен на виде сверху.
На фиг. 19 представлен вариант альтернативной конструкции.
На фиг. 20 показан реактор для нанесения материалов, выполненный в соответствии еще с одним вариантом.
На фиг. 21 представлен, на виде сверху, вариант реактора для нанесения материалов с одновременным использованием нескольких рулонов.
На фиг. 22 показан вариант конструкции тонкого реактора.
На фиг. 23 представлен вариант конструкции тонкого реактора для нанесения материала на несколько рулонов.
На фиг. 24 иллюстрируется вариант двустороннего нанесения.
На фиг. 25 иллюстрируются особенности реактора применительно к одностороннему нанесению материала.
На фиг. 26 представлена упрощенная блок-схема варианта системы управления реактором для нанесения материалов.
Осуществление изобретения
В нижеследующем описании технология атомно-слоевого осаждения (АСО) рассматривается только в качестве примера. Основы формирования пленок методом АСО хорошо известны специалистам. Как было упомянуто выше, АСО представляет собой вариант метода химического осаждения, основанный на последовательном нанесении по меньшей мере двух различных прекурсоров по меньшей мере на одно покрываемое полотно. Полотно находится в реакционном пространстве, которое, как правило, нагревается. Механизм получения пленок посредством АСО основан на различиях сил связи в случае химической адсорбции (хемосорбции) и физической адсорбции (физисорбции). В процессе АСО используется хемосорбция и устраняется физисорбция. При хемосорбции образуется сильная химическая связь между атомом (атомами) твердой фазы (поверхности) и молекулой из подаваемой газовой фазы. Связь в результате физисорбции намного слабее, потому что она обусловлена только Ван-дер-Ваальсовыми силами.
Реакционное пространство реактора АСО в типичных вариантах содержит все нагреваемые поверхности, которые могут быть доступны, поочередно и последовательно, для каждого из прекурсоров, используемых в АСО для нанесения тонких пленок (покрытий). Базовый цикл нанесения методом АСО состоит из четырех последовательных операций (стадий): импульса А, продувки А, импульса В и продувки В. Импульс А в типичном варианте включает подачу паров прекурсора металла, а импульс В - паров прекурсора неметалла, в частности азота или кислорода. На стадиях продувки А и В используют неактивный газ, такой как азот или аргон, и вакуумный насос, чтобы удалить из реакционного пространства газообразные побочные продукты реакции и остаточные молекулы реагента. Процесс нанесения включает по меньшей мере один цикл нанесения. Циклы нанесения повторяют до тех пор, пока их последовательность не приведет к образованию тонкой пленки (покрытия) желаемой толщины.
В типичном процессе АСО частицы прекурсора образуют, посредством хемосорбции, химическую связь с реакционноспособными участками нагретых поверхностей. Типичные условия подбирают таким образом, чтобы за время подачи одного импульса прекурсора на поверхности сформировалось не более одного молекулярного монослоя материала в твердом состоянии. Следовательно, процесс нанесения является самоограниченным (насыщающимся). Так, первый прекурсор может включать лиганды, которые остаются прикрепленными к адсорбированным частицам и приводят к насыщению поверхности, что предотвращает дальнейшую хемосорбцию. В реакционном пространстве поддерживается температура, которая выше температуры конденсации и ниже температуры термической деструкции применяемых прекурсоров, так что молекулы прекурсора адсорбируются на полотне (полотнах), по существу, неизмененными. Это подразумевает, что в процессе хемосорбции молекул прекурсора на поверхности летучие лиганды могут отделяться от молекулы прекурсора. Поверхность становится, по существу, насыщенной на реакционноспособных участках первого типа адсорбированными молекулами первого прекурсора. За этой стадией хемосорбции обычно следует первая стадия продувки (продувка А), на которой из реакционного пространства удаляют избыток первого прекурсора и возможные продукты побочных реакций. Затем в реакционное пространство подают пары второго прекурсора. В типичных случаях молекулы второго прекурсора реагируют с адсорбированными молекулами первого прекурсора с формированием, в результате, желательной тонкой пленки материала (желательного покрытия). Процесс нанесения завершается, когда будет использован весь адсорбированный первый прекурсор и поверхность станет, по существу, насыщена реакционноспособными участками второго типа. После этого на второй стадии продувки (продувка В) удаляют избыток паров второго прекурсора и возможные парообразные побочные продукты реакции. После этого цикл повторяется до тех пор, пока пленка (покрытие) не достигнет желаемой толщины. Циклы нанесения могут быть и более сложными. Например, они могут включать стадии импульсной подачи трех или более парообразных реагентов, разделенные стадиями продувки. Все такие циклы нанесения образуют временную последовательность нанесения, управление которой осуществляется логическим блоком или микропроцессором.
На фиг. 1 представлен, на виде сбоку, в фазе загрузки, вариант реактора для нанесения материалов. Данный реактор содержит вакуумную камеру 110, образованную стенкой (стенками) 111. Вакуумная камера 110 является герметичным резервуаром. Она может иметь форму цилиндра или любую другую подходящую форму. В вакуумную камеру 110 помещена реакционная камера 120, которая также является герметичным резервуаром. Она также может иметь форму цилиндра или любую другую подходящую форму. Вакуумная камера 110 закрыта крышкой 101. В представленном варианте (как это показано на фиг. 1) крышка 101 соединена с крышкой 102 реакционной камеры с получением, тем самым, системы крышек (в данном варианте системы из двух крышек). К крышке 102 реакционной камеры посредством крепежного элемента (крепежных элементов) 185 прикреплена рабочая камера 130, образованная стенками 131. Между крышкой 102 реакционной камеры и крышкой 101 вакуумной камеры в составе системы крышек находятся отражатели 171 тепла.
Первый (подающий) рулон 151 покрываемого полотна 150 закреплен на первой оси 143 рулона. Ось рулона 151 может приводиться во вращение первым приводом 141, связанным с осью 143. Привод 141 находится снаружи вакуумной камеры 110. Он прикреплен к системе крышек посредством крепежного элемента 147. В системе крышек (т.е. в крышке 101 вакуумной камеры и в крышке 102 реакционной камеры) выполнен сквозной проход, через который ось 143 рулона проходит в реакционную камеру 120. На дне реакционной камеры 120 имеется гнездо 145 для связывания оси 143 рулона с реакционной камерой 120. С осью 143 рулона посредством соответствующего крепления 106 может быть связан рулон 151. Ось 143 рулона вместе с креплением 106 образуют держатель рулона.
Второй (приемный) рулон 152 закреплен на второй оси 144 рулона. Ось 144 (или рулон 152) может приводиться во вращение вторым приводом 142, связанным с осью 144. Привод 142 находится снаружи вакуумной камеры 110. Он прикреплен к системе крышек посредством крепежного элемента 148. В системе крышек (и в крышке 101 вакуумной камеры, и в крышке 102 реакционной камеры) выполнен сквозной проход, через который ось 144 рулона проходит в реакционную камеру 120. На дне реакционной камеры 120 имеется гнездо 146 для связывания оси 144 рулона с реакционной камерой 120. Подобно рулону 151, рулон 152 посредством соответствующего крепления 107 может быть связан с осью рулона. Таким образом, ось 144 рулона вместе с креплением 107 образуют еще один держатель рулона.
Реактор для нанесения материалов содержит находящийся в вакуумной камере 110, окружающей реакционную камеру 120 (или, в некоторых вариантах, в реакционной камере 120, окружающей рабочую камеру 130), нагреватель 175 для нагрева реакционного пространства, сформированного в рабочей камере 130. В вакуумной камере 110 между ее боковой стенкой и стенкой 121 реакционной камеры размещены отражатели 172 тепла.
Реактор для нанесения материалов содержит также верхний сопрягающий фланец 104, прикрепленный к верхнему сопрягающему фланцу 103 реакционной камеры. Между крышкой 101 вакуумной камеры и верхним сопрягающим фланцем 104 помещено уплотнение 181, чтобы герметизировать верхнюю часть вакуумной камеры 110. У реакционной камеры 120 имеется также верхний фланец 105. При опускании системы крышек крышка 102 реакционной камеры устанавливается на верхний фланец 105 реакционной камеры, закрывая ее.
Реактор для нанесения материалов содержит также вакуумный насос 160 и выхлопную линию 161, которая при работе реактора обеспечивает сообщение между рабочей камерой 130 и вакуумным насосом 160.
Загрузка реактора производится, когда система крышек находится в верхнем положении. Подающий рулон 151 с гибким или сматываемым покрываемым полотном установлен на ось 143 рулона. Первый конец покрываемого полотна 150 проведен через рабочую камеру 130 и зафиксирован, образуя приемный рулон 152. После этого систему крышек опускают, чтобы закрыть камеры. В представленном варианте у рабочей камеры 130 есть канал, выступающий из ее дна. Этот канал проходит через отверстие в реакционной камере 120 и, после опускания системы крышек, образует начало выхлопной линии 161, как это показано на фиг. 2.
На фиг. 2 вариант реактора по фиг. 1 показан в состоянии, соответствующем операции продувки. Покрываемое полотно 150 введено в рабочую камеру (реакционное пространство) 130 через прорезь 291, выполненную в стенке 131 рабочей камеры. Неактивный газ входит в рабочую камеру 130 через крышку 102 реакционной камеры, поступая от входа 135 в зону 136 расширения. Расширившись в этой зоне, газ выходит из нее через распределитель 137 потока (например в виде перфорированной пластины или сетки) в реакционное пространство рабочей камеры 130. Неактивный газ обеспечивает очистку продувкой поверхности покрываемого полотна, а затем течет сверху вниз в выхлопную линию 161 и, наконец, к вакуумному насосу 160. Покрываемое полотно 150 выводится из реакционного пространства 130 через прорезь 292, выполненную в стенке 131 рабочей камеры. Выведенное покрываемое полотно сматывается на приемный рулон 152.
У реакционной камеры 120 имеется по меньшей мере одно отверстие, ведущее в вакуумную камеру 110. В варианте по фиг. 2 первое отверстие 201 соответствует сквозному проходу, через который ось 143 рулона проходит сквозь крышку 102 реакционной камеры. Это отверстие образует вход в вакуумную камеру для неактивного газа (из пространства снаружи реакционной камеры 120). Этот неактивный газ проходит через отверстие 201 из промежуточного пространства 215 (между вакуумной камерой и реакционной камерой) в ограниченное пространство реакционной камеры 120, в котором находятся рулоны 151, 152. Данный поток отмечен стрелкой 211. Аналогично, второе отверстие 202 соответствует сквозному проходу, через который ось 144 рулона проходит сквозь крышку 102 реакционной камеры. Соответственно, неактивный газ проходит через отверстие 202 из промежуточного пространства 215 в ограниченное пространство реакционной камеры 120, в котором находятся рулоны 151, 152. Данный поток отмечен стрелкой 212.
Прорези 291 и 292 функционируют как заслонки, обеспечивающие поддержание разности давлений между реакционным пространством рабочей камеры 130 и окружающим объемом (в частности ограниченным пространством, в котором находятся рулоны 151 и 152). Давление в ограниченном пространстве выше, чем в реакционном пространстве. В качестве примера, давление в реакционном пространстве может оставлять 0,1 кПа, тогда как давление в ограниченном пространстве равно, например, 0,5 кПа. Разность давлений создает барьер для перетекания газа из реакционного в ограниченное пространство. Вместе с тем, как следствие разности давлений, возможно течение газа в другом направлении (т.е. через прорези 291 и 292 из ограниченного в реакционное пространство). Что же касается потока неактивного газа, поступающего от входа 135 (как и паров прекурсоров в периоды импульсной подачи этих паров), данный поток движется только к вакуумному насосу 160. На фиг. 2 поток из реакционной камеры (из ограниченного пространства) в реакционное пространство отмечен стрелками 221 и 222.
На фиг. 3 вариант реактора для нанесения материалов по фиг. 1 представлен во время подачи прекурсора. Пары первого прекурсора входят в рабочую камеру 130 через крышку 102 реакционной камеры, поступая от входа 135 в зону 136 расширения. Расширившись в этой зоне, пары выходят из нее через распределитель 137 потока в реакционное пространство рабочей камеры 130. Пары прекурсора вступают в реакцию с реакционноспособными участками на поверхности покрываемого полотна в соответствии с механизмом нанесения посредством АСО.
Как было упомянуто, разность давлений между реакционным пространством и ограниченным пространством, в котором находятся рулоны 151 и 152, создает барьер, препятствующий поступлению газов из реакционного в ограниченное пространство. Поэтому пары прекурсора, по существу, не попадают в пространство, в котором находятся рулоны 151 и 152. Однако, как следствие разности давлений, возможно течение газа в другом направлении (т.е. через прорези 291 и 292 из ограниченного в реакционное пространство).
Неактивный газ, газообразные побочные продукты реакции (если они присутствуют) и остаточные молекулы реагента (если они присутствуют) текут в выхлопную линию 161 и, в конечном итоге, в вакуумный насос 160.
Последовательность операций нанесения состоит из одного или более следующих друг за другом циклов нанесения, каждый из которых включает по меньшей мере период подачи первого прекурсора (импульс А), следующую за ним первую операцию продувки (продувку А), следующий за ней период подачи второго прекурсора (импульс В) и следующую за ним вторую операцию продувки (продувку В). Толщина нанесенного материала определяется скоростью покрываемого полотна. Перемещение полотна осуществляется приводами 141 и 142. За время одного цикла нанесения покрываемое полотно проходит определенное расстояние d. Если полная длина реакционного пространства равна D, количество слоев, нанесенных на покрываемое полотно, будет составлять D/d. После обработки желательной длины покрываемого полотна систему крышек поднимают и рулон покрытого полотна выгружают из реактора. На фиг. 5 проиллюстрировано конечное состояние процесса нанесения, когда подающий рулон 151 стал пустым, а в приемном рулоне 152 находится все полотно с покрытием.
Верхний рисунок на фиг. 4 соответствует виду сверху для варианта рабочей камеры 130, которая является узкой рабочей камерой с указанными прорезями 291 и 292, выполненными в ее стенках 131. Движущееся покрываемое полотно 150 вводится в (узкое) реакционное пространство через прорезь 291 и выводится через прорезь 292. Истечение паров прекурсора из реакционного пространства наружу с боковой стороны этого пространства предотвращается, во-первых, использованием узких прорезей и, во-вторых, поддержанием разности давлений.
Нижний рисунок на фиг. 4 иллюстрирует тот же вариант рабочей камеры 130 в сечении плоскостью b (см. верхний рисунок), проходящей через входную прорезь 291. В направлении по длине прорези 291 размер покрываемого полотна 150, по существу, совпадает с длиной этой прорези (т.е. ширина покрываемого полотна 150 соответствует длине прорези 291).
В определенных вариантах приводы 141, 142 вращают рулоны 151, 152 в одном направлении в процессе всей последовательности операций нанесения. В этих вариантах в принципе достаточно иметь один привод, а именно второй привод 142. В другой группе вариантов направление вращения рулонов 151 и 152 изменяется в середине процесса нанесения. В этих вариантах по завершении нанесения покрываемое полотно находится в первом рулоне 151, тогда как валик, несущий второй рулон 152, является пустым.
На фиг. 6 представлен вариант с единственной приводной системой. Перемещение покрываемого полотна обеспечивается приводом 142. Ось 643 рулона (по существу, соответствующая оси 143 рулона на фиг. 1) прикреплена к крепежному элементу 147. Остальные конструктивные и функциональные особенности варианта по фиг. 6 подобны описанным со ссылками на фиг. 1-5.
На фиг. 7 на виде сбоку представлен, в фазе загрузки, другой вариант реактора для нанесения материалов, тогда как на фиг. 8 вариант реактора по фиг. 7 показан в работе, в период подачи прекурсора. Основные конструктивные и функциональные свойства вариантов по фиг. 7 и 8 подобны описанным со ссылками на фиг. 1-6.
В вариантах по фиг. 7 и 8 привод 741 расположен ниже вакуумной камеры. Приводной механизм 742 привода 741 проходит в реакционную камеру через стенку 711 вакуумной камеры и стенку 721 реакционной камеры по сквозному проходу, выполненному в вакуумной и реакционной камерах. Концевая часть 744 валика или ось второго рулона входит в приемную часть 746 приводного механизма 742.
Линия 771 напуска (подачи) первого прекурсора проходит через стенку 711 вакуумной камеры по сквозному проходу 772, выполненному в вакуумной камере, а линия 781 напуска (подачи) второго прекурсора проходит через стенку 711 вакуумной камеры по выполненному в вакуумной камере сквозному проходу 782. Крышка 701 вакуумной камеры соединена с крышкой 702 реакционной камеры соединительной деталью 791. Линии 771, 781 напуска первого и второго прекурсоров проходят через верхний фланец 705 реакционной камеры и продолжаются внутри крышки 702 реакционной камеры. Соответствующие отрезки этих линий имеют цифровые обозначения 773 и 783. Линии 771 и 781 напуска открыты в рабочую камеру 730.
Как это проиллюстрировано на фиг. 8, в течение второго периода подачи прекурсора второй прекурсор проходит по линии 781 его напуска в реакционное пространство рабочей камеры 730, тогда как по линии 771 напуска первого прекурсора в рабочую камеру продолжает поступать только неактивный газ. Благодаря описанному выше формированию барьера у прорезей для введения/выведения покрываемого полотна газы из реакционного пространства выходят только в сторону вакуумного насоса 760.
2
На фиг. 9 представлен, на виде сбоку, еще один вариант реактора для нанесения материалов. В данном варианте реактор содержит источник 913 первого прекурсора, которым является, например, ТМА (триметилалюминий), и источник 914 второго прекурсора, которым является, например HO (вода). В этом и в других вариантах источник воды может быть заменен источником озона. Первый импульсный клапан 923 управляет поступлением паров первого прекурсора в линию 943 напуска этого прекурсора. Второй импульсный клапан 924 управляет поступлением паров второго прекурсора в линию 944 напуска этого прекурсора.
2
Реактор для нанесения материалов содержит также первый источник 903 неактивного газа. Во многих вариантах в качестве неактивного газа может использоваться азот (N). Первый источник 903 неактивного газа сообщается также с линией 943 напуска первого прекурсора. Данный источник 903 сообщается, кроме того, с ограниченным пространством 920а, где находится первый валик 963, на который намотано гибкое покрываемое полотно с образованием первого (подающего) рулона 953 покрываемого полотна.
Кроме того, реактор для нанесения материалов содержит второй источник 904 неактивного газа. Однако в некоторых вариантах источники 903 и 904 неактивного газа могут быть объединены в единственный источник. Второй источник 904 неактивного газа сообщается с линией 944 напуска второго прекурсора. В дополнение, источник 904 сообщается с ограниченным пространством 920b, где находится второй валик 964, на который должно быть смотано покрываемое полотно с образованием второго (приемного) рулона 954 покрываемого полотна.
Реактор содержит также рабочую камеру, задающую реакционное пространство 930, имеющее длину а. Линии 943 и 944 напуска входят в рабочую камеру и продолжаются в ней соответственно как распылительные каналы 973 и 974. В варианте по фиг. 9 эти каналы являются горизонтальными каналами, проходящими от одного до другого конца рабочей камеры (или реакционного пространства). По длине распылительных каналов 973 и 974 выполнены отверстия 983 и 984 соответственно, которые функционируют как распылители для подачи газов (неактивного газа и/или паров прекурсоров).
В состав реактора для нанесения материалов входят также вакуумный насос 960 и выхлопная линия 961, которая в процессе функционирования реактора обеспечивает сообщение реакционного пространства 930 с вакуумным насосом 960.
На фиг. 9 реактор для нанесения материалов показан при проведении одного из вариантов операции продувки. Покрываемое полотно 950 входит в рабочую камеру (реакционное пространство 930) через прорезь (узкий проход) 993 между ограниченным пространством 920а и реакционным пространством 930. Импульсные клапаны 923 и 924 закрыты. Неактивный газ поступает в рабочую камеру по линиям 943, 944 напуска, а в реакционное пространство 930 через отверстия 983, 984. Неактивный газ продувает поверхность покрываемого полотна 950 и течет в горизонтальном направлении к выхлопной линии 961 и, в конце концов, к вакуумному насосу 960. Покрываемое полотно 950 выводится из реакционного пространства 930 через прорезь (узкий проход) между ограниченным пространством 920b и реакционным пространством 930. Выведенное покрываемое полотно сматывается на второй валик 964 с формированием приемного рулона 954.
Прорези 993 и 994 функционируют как заслонки, обеспечивающие поддержание разности давлений между реакционным пространством 930 и ограниченным пространством, в котором находятся рулоны 953 и 954. Неактивный газ поступает в ограниченные пространства 920а и 920b по каналам 933 и 934 подачи соответственно. Давление в каждом из ограниченных пространств 920а, 920b выше, чем давление в реакционном пространстве 930. В качестве примера, давление в реакционном пространстве 930 может оставлять 0,1 кПа, тогда как давление в любом из ограниченных пространств 920а, 920b равно, например, 0,5 кПа. Разность давлений создает барьер для перетекания газа из реакционного пространства 930 в любое из ограниченных пространств 920а, 920b. Вместе с тем, как следствие разности давлений, возможно течение газа в другом направлении (т.е. через прорези 993 и 994 из любого ограниченного пространства 920а и 920b в реакционное пространство 930). Что же касается потока неактивного газа, поступающего из распылительных головок 983, 984 (как и паров прекурсоров в периоды импульсной подачи этих паров), данный поток движется только к вакуумному насосу 960.
Трасса перемещения покрываемого полотна 950 может проходить близко к стенке 931 рабочей камеры. Если покрываемое полотно имеет в поперечном направлении, по существу, ту же ширину, что и ширина реакционного пространства или рабочей камеры 930, причем покрываемое полотно является непроницаемым для применяемых прекурсоров, применительно к некоторым приложениям удобно наносить материал на единственную (нижнюю) сторону покрываемого полотна.
2
На фиг. 10 вариант реактора для нанесения материалов по фиг. 9 представлен в состоянии, соответствующем подаче (напуску) прекурсора. Импульсный клапан 924 открыт.Пары прекурсора (в частности HO) поступают в рабочую камеру по линии 944 напуска, а в реакционное пространство 930 через отверстия 984. Пары прекурсора заполняют реакционное пространство 930 и реагируют с реакционноспособными участками на поверхности покрываемого полотна в соответствии с механизмом нанесения методом АСО. Поскольку импульсный клапан 923 закрыт, через отверстия 983 в реакционное пространство поступает только неактивный газ. Неактивный газ, газообразные побочные продукты реакции (если они присутствуют) и остаточные молекулы реагента (если они присутствуют) текут в выхлопную линию 961 и, в конечном итоге, в вакуумный насос 960.
Как уже отмечалось, разность давлений между реакционным пространством 930 и любым из ограниченных пространств 920а, 920b, где находятся рулоны 953 и 954, создает барьер у прорезей 993 и 994. Это предотвращает перетекание паров прекурсора из реакционного пространства 930 в любое из ограниченных пространств 920а, 920b. Вместе с тем, как следствие разности давлений, возможно течение газа в другом направлении (т.е. через прорези 993 и 994 из любого ограниченного пространства 920а и 920b в реакционное пространство 930). При этом неактивный газ поступает по каналам 933, 934 в ограниченные пространства 920а, 920b соответственно. Разность давлений поддерживается за счет выполнения прорезями 993 и 994 функции дроссельных заслонок.
2
На фиг. 11 реактор для нанесения материалов по фиг. 9 и 10 показан, на виде сверху, в состоянии, соответствующем одному из вариантов напуска прекурсора HO. На фиг. 11 можно видеть дверцы 1141а и 1141b, через которые можно загружать в реактор для нанесения материалов и выгружать из него подающий рулон 953 и приемный рулон 954 соответственно. Можно видеть также оси 1105а и 1105b рулонов 953 и 954 соответственно. Реактор для нанесения материалов содержит один или более приводов (на фиг. 11 не изображены), связанных с осями 1105а и/или 1105b, чтобы приводить во вращение рулоны 953 и 954. Стрелкой 1104 отмечен поток паров прекурсора от канала 974 к собирающему каналу 962. Форма и местонахождение собирающего канала зависит от конкретного применения. В варианте по фиг. 11 собирающий канал находится у боковой стороны реакционного пространства. На фиг. 11 собирающий канал 962 проходит, по существу, по всей длине реакционного пространства. Этот канал сообщается по текучей среде с выхлопной линией 961, ведущей к вакуумному насосу 960. Стрелкой 1103 отмечен поток неактивного газа от канала 973 с распылительными головками к собирающему каналу 962, откуда этот газ попадает в выхлопную линию 961.
На фиг.12 реактор для нанесения материалов по фиг. 9-11 показан в состоянии, соответствующем одному из вариантов подачи (напуска) другого прекурсора. Импульсный клапан 923 открыт. Пары прекурсора (ТМА) поступают в рабочую камеру по линии 943 напуска, а в реакционное пространство 930 через отверстия 983. Пары прекурсора заполняют реакционное пространство 930 и реагируют с реакционноспособными участками на поверхности покрываемого полотна в соответствии с механизмом нанесения методом АСО. Поскольку импульсный клапан 924 закрыт, через отверстия 983 в реакционное пространство поступает только неактивный газ. Неактивный газ, газообразные побочные продукты реакции (если они присутствуют) и остаточные молекулы реагента (если они присутствуют) текут в выхлопную линию 961 и, в конечном итоге, в вакуумный насос 960.
2
3
Последовательность операций нанесения состоит из одного или более следующих друг за другом циклов нанесения, каждый из которых включает по меньшей мере период подачи первого прекурсора (импульс А), следующую за ним первую операцию продувки (продувку А), следующий за ней период подачи второго прекурсора (импульс В) и следующую за ним вторую операцию продувки (продувку В). Поэтому, например, если наносимым материалом является оксид алюминия (AlO), первым прекурсором (в импульсе А) может быть ТМА, а вторым прекурсором (в импульсе В) может быть вода.
2
2
2
2
3
Толщина нанесенного материала определяется скоростью полотна. В качестве примера, длина реакционного пространства 930 может составлять 100 см. Цикл нанесения может состоять из импульса подачи ТМА длительностью 0,1 с, продувки N длительностью 0,3 с, импульса подачи HO длительностью 0,1 с и продувки N длительностью 0,5 с. Таким образом, общая длительность цикла составляет 1 с. Толщина образующегося при этом монослоя AlO оценивается близкой 0,1 нм. Это соответствует следующим соотношениям:
2
3
если скорость полотна равна 1 см/цикл, будет проведено 100 циклов; они займут 1,66 мин, причем будет нанесено покрытие AlO толщиной 10 нм;
2
3
если скорость полотна равна 0,5 см/цикл, будет проведено 200 циклов; они займут 3,33 мин, причем будет нанесено покрытие AlO толщиной 20 нм;
2
3
если скорость полотна равна 0,1 см/цикл, будет проведено 1000 циклов; они займут 16,66 мин, причем будет нанесено покрытие AlO толщиной 100 нм.
Фиг. 9-12 являются упрощенными: на них не изображены, например, какие-либо нагреватели и другие типичные части или элементы, которые могут иметься в составе реактора для нанесения материалов и использование которых хорошо известно.
На фиг. 13 представлен реактор для нанесения материалов по фиг. 9-12, снабженный, согласно одному из вариантов, ограничительными пластинами. Как уже было описано, покрываемое полотно вводится в реакционное пространство и выводится из него через прорези. В варианте по фиг. 13 имеются ограничительные пластины, образующие эти прорези. Более конкретно, имеются две ограничительные пластины 1301а, 1301b, установленные одна рядом с другой на границе между ограниченным пространством 920а и реакционным пространством 930. Толщина покрываемого полотна 950 точно соответствует расстоянию между пластинами. Аналогично, на границе между реакционным пространством 930 и ограниченным пространством 920b имеются две ограничительные пластины 1302а и 1302b. Ограничительные пластины могут быть установлены взаимно параллельно, так что пространство между ними (объем прорези) будет вытянутым в направлении движения полотна.
Основные конструктивные и функциональные свойства варианта по фиг. 13 подобны описанным со ссылками на фиг. 9-12.
Фиг. 14 схематично иллюстрирует пример зависимости толщины нанесенного материала от расстояния, пройденного полотном в реакционном пространстве. В этом примере покрываемое полотно входит в реакционное пространство через входную прорезь, образованную ограничительными пластинами 1301а, 1301b, как это было показано в варианте по фиг. 13. Когда покрываемое полотно движется к выходной прорези, образованной ограничительными пластинами 1302а, 1302b, толщина нанесенного материала постепенно увеличивается, как это иллюстрируется на фиг. 13 ломаной линией и различными оттенками серого. Если средняя скорость полотна составляет 1 см/цикл, а длина реакционного пространства равна 100 см, в этом примере толщина в конце перемещения составит 10 нм. Ломаная линия на фиг. 13 показывает, что покрываемое полотно перемещалось на 10 см после каждых 10 циклов. Однако в других вариантах покрываемое полотно может перемещаться после каждого цикла. Альтернативно, движение покрываемого полотна может быть непрерывным.
Напуск паров прекурсора в реакционное пространство можно производить с помощью или без помощи каналов с распылительными головками с одной или с обеих сторон реакционного пространства. В альтернативных вариантах напуск паров прекурсора может осуществляться подающей головкой (подающими головками) на конце указанного пространства, входном для покрываемого полотна, или на обоих концах (входном и выходном для покрываемого полотна) реакционного пространства. В зависимости от конкретного варианта, выхлопная линия и, возможно, собирающий канал целесообразно расположить с боковой стороны реакционного пространства, противоположной стороне, с которой производится подача, на конце реакционного пространства, выходном для покрываемого полотна, или в средней зоне реакционного пространства.
На фиг. 15 представлен вариант реактора для нанесения материалов, в котором пары прекурсора подаются на конце рабочей камеры, входном для покрываемого полотна. Реактор содержит рабочую камеру, задающую реакционное пространство 1530. Подающий рулон 1553 находится в первом ограниченном пространстве 1520а, а приемный рулон 1554 - во втором ограниченном пространстве 1520b.
Первый импульсный клапан 1523 управляет потоком паров первого прекурсора от источника 1513 первого прекурсора, а второй импульсный клапан 1524 - потоком паров второго прекурсора от источника 1514 второго прекурсора. Первый источник 1503 неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1520а, в котором находится первый (подающий) рулон 1553 покрываемого полотна. Второй источник 1504 неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1520b, в котором находится второй (приемный) рулон 1554 покрываемого полотна. Однако в некоторых вариантах источники 1503, 1504 неактивного газа могут быть объединены в единственный источник, причем они могут сообщаться по текучей среде с линиями напуска паров прекурсоров.
Покрываемое полотно 1550 подается с подающего рулона 1553 в реакционное пространство 1530 через входную прорезь 1593, расположенную на конце реакционного пространства 1530, входном для покрываемого полотна. Трасса покрываемого полотна проходит вдоль верхней стенки рабочей камеры. Однако возможны и другие варианты трассы и конструкции. Нанесение посредством АСО происходит в реакционном пространстве 1530. Покрываемое полотно выводится из реакционного пространства 1530 в приемный рулон 1554 через выходную прорезь 1594 с конца реакционного пространства 1530, выходного для покрываемого полотна.
Первое и второе ограниченные пространства 1520а, 1520b являются зонами избыточного давления по отношению к реакционному пространству 1530. Избыточное давление поддерживается использованием прорезей 1593, 1594, а также подачей в зоны избыточного давления неактивного газа из источника (источников) 1503 (и 1504) неактивного газа.
Как показано на фиг. 15, в период напуска второго прекурсора его пары подаются в реакционное пространство на конце, входном для покрываемого полотна. Пары прекурсора подаются посредством подающей головки 1601, как это наиболее ясно показано на фиг. 16, соответствующей виду сверху на реактор для нанесения материалов по фиг. 15 в период напуска, в соответствии с одним из вариантов, паров второго прекурсора. Подающая головка 1601 может быть расположена по всей ширине реакционного пространства 1530. В период напуска первого прекурсора его пары подаются подающей головкой 1602, находящейся на конце, входном для покрываемого полотна. Однако в период напуска второго прекурсора в находящуюся в реакционном пространстве 1530 подающую головку 1602 вводится только неактивный газ. В период напуска второго прекурсора его пары движутся (как это показано стрелками 1611) в направлении движения этого полотна вдоль поверхности покрываемого полотна в выхлопную линию 1561, находящуюся на конце реакционного пространства, выходного для покрываемого полотна 1530. Неактивный газ из подающей головки 1602 также течет (как это отмечено обозначением 1612) в направлении движения этого полотна в выхлопную линию 1561, находящуюся на конце реакционного пространства 1530, выходном для покрываемого полотна. В некоторых вариантах реактор для нанесения материалов содержит собирающий канал 1662, расположенный у конца реакционного пространства 1530, выходном для покрываемого полотна. Собирающий канал 1662, проходящий в варианте по фиг. 16 по всей ширине реакционного пространства 1530, сообщается по текучей среде с выхлопной линией 1561, ведущей к вакуумному насосу 1560, и обеспечивает сбор газов, выводимых из реакционного пространства 1530, направляя их в выхлопную линию 1561 и, в конечном итоге, к вакуумному насосу 1560.
На фиг. 16 показаны также находящиеся на противоположных концах реактора дверцы 1141а и 1141b, через которые можно загружать и выгружать подающий и приемный рулоны 1553, 1554 соответственно.
На фиг. 17 представлен реактор для нанесения материалов с подачей паров прекурсора с боковой стороны рабочей камеры. Реактор содержит рабочую камеру, задающую реакционное пространство 1730. Подающий рулон 1753 находится в первом ограниченном пространстве 1720а, а приемный рулон 1754 - во втором ограниченном пространстве 1720b.
Первый импульсный клапан 1723 управляет потоком паров первого прекурсора от источника 1713 первого прекурсора, а второй импульсный клапан 1724 - потоком паров второго прекурсора от источника 1714 второго прекурсора. Первый источник 1703а неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1720а, в котором находится первый (подающий) рулон 1753 покрываемого полотна, и с линией напуска, идущей от источника 1713 первого прекурсора. Второй источник 1703b неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1720b и с линией напуска, идущей от источника 1714 второго прекурсора. Третий источник 1704 неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1720b, в котором находится второй (приемный) рулон 1754 покрываемого полотна. Однако в некоторых вариантах два источника 1703а и 1703b или три источника 1703а, 1703b и 1704 могут быть объединены в единственный источник.
Покрываемое полотно 1750 подается с подающего рулона 1753 в реакционное пространство 1730 через входную прорезь 1793, расположенную на конце реакционного пространства 1730, входном для покрываемого полотна. Трасса покрываемого полотна проходит вдоль нижней стенки рабочей камеры. Однако возможны и другие варианты трассы и конструкции. Нанесение посредством АСО происходит в реакционном пространстве 1730. Покрываемое полотно выводится из реакционного пространства 1730 в приемный рулон 1754 через выходную прорезь 1794 с конца реакционного пространства 1730, выходного для покрываемого полотна.
Первое и второе ограниченные пространства 1720а, 1720b являются зонами избыточного давления по отношению к реакционному пространству 1730. Избыточное давление поддерживается использованием прорезей 1793, 1794, а также подачей неактивного газа в зоны избыточного давления из источника (источников) 1703а (1703b и 1704).
Пары первого прекурсора поступают в реакционное пространство 1730 с его боковой стороны. Они подаются из канала 1873 с распылительными головками, как это наиболее ясно показано на фиг. 18, соответствующей виду сверху на реактор для нанесения материалов по фиг. 17 в период подачи, в соответствии с одним из вариантов, паров второго прекурсора. Канал 1873 может быть расположен, по существу, по всей длине реакционного пространства 1730. В период подачи второго прекурсора его пары подаются из соответствующего канала 1874 с распылительными головками с противоположной боковой стороны реакционного пространства 1730. Однако в период подачи первого прекурсора в реакционное пространство 1730 из канала 1874 вводится только неактивный газ. В период подачи первого прекурсора его пары движутся (как это отмечено стрелкой 1703) вдоль поверхности покрываемого полотна в поперечном направлении, но затем их поток поворачивает, под действием вакуумного насоса 1760, в сторону собирающего канала 1762, находящегося у конца реакционного пространства 1730, выходного для покрываемого полотна. Аналогично, поток неактивного газа, поступающий из канала 1874, течет (как это отмечено стрелкой 1704) вдоль поверхности покрываемого полотна сначала в поперечном направлении, но затем поворачивает к собирающему каналу 1762, в варианте по фиг. 18 расположенному, по существу, по всей ширине реакционного пространства 1730. Собирающий канал 1762, сообщающийся с выхлопной линией 1761, ведущей к вакуумному насосу 1760, осуществляет сбор газов, выводимых из реакционного пространства 1730, направляя их в выхлопную линию 1761 и, в конечном итоге, к вакуумному насосу 1760.
На фиг. 18 показаны также находящиеся на противоположных концах реактора дверцы 1141а и 1141b, через которые можно загружать и выгружать подающий и приемный рулоны 1753, 1754 соответственно.
Как уже отмечалось, реактор для нанесения материалов может быть автономным аппаратом или входить в состав производственной линии. На фиг. 19 показан реактор для нанесения материалов, образующий часть производственной линии.
Первый импульсный клапан 1923 управляет потоком паров первого прекурсора от источника 1913 первого прекурсора, а второй импульсный клапан 1924 - потоком паров второго прекурсора от источника 1914 второго прекурсора. Первый источник 1903 неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1920а. Второй источник 1904 неактивного газа сообщается с ограниченным пространством 1920b. Однако в некоторых вариантах источники 1903, 1904 неактивного газа могут быть объединены в единственный источник, причем они могут сообщаться по текучей среде с линиями напуска паров прекурсоров.
Покрываемое полотно 1950 поступает с предыдущей стадии обработки в рабочую камеру 1930 реактора для нанесения материалов через первое ограниченное пространство 1920а и входную прорезь 1993, расположенную на стороне реактора, входной для покрываемого полотна. Нанесение посредством АСО происходит в реакционном пространстве 1930. Покрываемое полотно выводится из реакционного пространства 1930 на следующую стадию обработки, обеспечиваемую производственной линией, через выходную прорезь 1994 и второе ограниченное пространство 1920b на стороне реактора, выходной для покрываемого полотна.
Первое и второе ограниченные пространства 1920а, 1920b являются зонами избыточного давления по отношению к реакционному пространству 1930. Избыточное давление поддерживается использованием прорезей 1993, 1994, а также подачей неактивного газа в зоны избыточного давления из источника (источников) 1903 (и 1904) неактивного газа.
Подача паров прекурсора в реакционное пространство 1930, а также выведение из него газов по выхлопной линии 1961 к вакуумному насосу 1960 могут осуществляться так, как это было описано применительно к вариантам по фиг. 15 и 16.
В другом варианте зона избыточного давления может отсутствовать. Если это требуется производственным процессом, покрываемое полотно 1950 может входить в рабочую камеру 1930, не проходя через какое-либо первое ограниченное пространство 1920а. В этом варианте следует уменьшить утечки на входе в рабочую камеру и выходе из нее за счет правильного выбора размеров или применения уплотнений.
На фиг. 20 показан реактор для нанесения материалов, выполненный в соответствии еще с одним вариантом. Данный реактор содержит первый и второй источники 2003, 2004 неактивного газа и источники 2013, 2014 первого и второго прекурсоров, а также первый и второй импульсные клапаны 2023 и 2024. Источники 2003, 2004 неактивного газа сообщаются по текучей среде с ограниченными пространствами (зонами избыточного давления) 2020а, 2020b, где находятся рулоны 2053 и 2054, которые могут загружаться и выгружаться через дверцы 2041а, 2041b. Покрываемое полотно 2050 перематывается с рулона в рулон через рабочую камеру 2030 и прорези 2093 и 2094 (в данном варианте снабженные ограничительными пластинами) с осуществлением АСО в рабочей камере 2030. Основные конструктивные и функциональные свойства варианта по фиг. 20 подобны описанным ранее. Отличие от предыдущих вариантов состоит в выполнении находящихся в реакционном пространстве каналов с распылительными головками (через которые производится подача паров прекурсора). Первый такой канал, сконфигурированный для напуска паров первого прекурсора, проходит в рабочей камере 2030 в направлении желательного наращивания материала. У данного канала имеется по меньшей мере по одному отверстию на обеих (в указанном направлении) сторонах покрываемого полотна. Аналогично, второй канал 2074, сконфигурированный для напуска паров второго прекурсора, проходит в рабочей камере 2030 в том же направлении. У данного канала имеется по меньшей мере по одному отверстию 2084а, 2084b на обеих (в указанном направлении) сторонах покрываемого полотна. Выхлопной вывод к вакуумному насосу 2060 находится в средней части рабочей камеры (реакционного пространства) 2030, на дне рабочей камеры.
На фиг. 21 представлен, на виде сверху, вариант реактора для нанесения материалов с одновременным использованием нескольких рулонов. Каждый рулон имеет отдельный вход в рабочую камеру. Первый и второй каналы 2173, 2174 с распылительными головками проходят в рабочей камере в направлении желательного наращивания материала. У каждого из этих каналов имеется по меньшей мере по одному отверстию на обеих сторонах каждого покрываемого полотна. Другие основные конструктивные и функциональные свойства варианта по фиг. 21 подобны описанным со ссылками на фиг. 20.
На фиг. 22 показан вариант конструкции тонкого реактора. Реактор для нанесения материалов содержит первый и второй источники неактивного газа (не изображены), источники 2213, 2214 первого и второго прекурсоров, а также первый и второй импульсные клапаны 2223 и 2224. Неизображенные источники неактивного газа сообщаются с ограниченными пространствами (зонами избыточного давления) 2220а и 2220b, в которых находятся рулоны 2253 и 2254. Покрываемое полотно 2250 перематывается с рулона в рулон с проходом через рабочую камеру 2230, в которой производится его обработка методом АСО. Пары прекурсоров подаются к покрываемому полотну у входного конца рабочей камеры 2230. Выхлопная линия 2261, идущая к вакуумному насосу 2260, находится у конца рабочей камеры 2230, выходного для покрываемого полотна Основные конструктивные и функциональные свойства варианта по фиг. 22 подобны аналогичным свойствам вариантов, описанных выше. Отличия от предыдущих вариантов касаются рабочей камеры 2230. В данном варианте прорезь проходит от первого ограниченного пространства 2220а вплоть до второго ограниченного пространства 2220b и образует, таким образом, тонкую рабочую камеру 2230.
На фиг. 23 представлен вариант конструкции тонкого реактора для нанесения материала на несколько рулонов. Каждому из рулонов соответствует отдельная входная прорезь 2393, ведущая в рабочую камеру 2330, а также отдельная выходная прорезь 2394, ведущая из рабочей камеры 2330. Подающие рулоны находятся в первом ограниченном пространстве (зоне избыточного давления) 2320а, а приемные рулоны - во втором ограниченном пространстве (зоне избыточного давления) 2320b. В варианте по фиг. 23 наружные стороны прорезей 2393 и 2394 образуют наружные стороны 2331а, 2331b стенки тонкой рабочей камеры. Другие основные конструктивные и функциональные особенности варианта по фиг. 23 подобны описанным выше со ссылками на фиг.22.
Предыдущие варианты, в которых покрываемое полотно движется (в направлении желательного приращения толщины материала) близко к стенке рабочей камеры, хорошо подходят для нанесения материала на единственную сторону, тогда как варианты, в которых полотно движется в центральной зоне рабочей камеры/реакционного пространства, хорошо подходят для двустороннего нанесения.
На фиг. 24 иллюстрируется вариант двустороннего нанесения. Реактор для нанесения материалов по фиг. 24, в основном, соответствует реактору по фиг. 15, так что его соответствующие признаки подобны описанным выше со ссылками на фиг. 15. Однако, в отличие от варианта по фиг. 15, в котором покрываемое полотно движется близко к верхней стенке рабочей камеры, в варианте по фиг. 24 оно движется через центральную зону рабочей камеры/реакционного пространства 1530. Реактор для нанесения материалов содержит головки 2475, подающие пары каждого прекурсора к обеим сторонам поверхности покрываемого полотна для осуществления двустороннего нанесения.
В определенных вариантах положение трассы покрываемого полотна в рабочей камере (реакционном пространстве) является регулируемым. Регулировку этого положения, которое может определяться текущими потребностями, можно осуществлять, например, регулировкой положения входной и выходной прорезей относительно рабочей камеры (реакционного пространства). Как было отмечено, при двустороннем нанесении покрываемое полотно может двигаться через центральную зону рабочей камеры, а при нанесении на единственную сторону - близко к стенке рабочей камеры.
На фиг. 25 иллюстрируются особенности реактора применительно к одностороннему нанесению материалов. Реактор по фиг. 25, в основном, соответствует реактору для нанесения материалов по фиг. 15. Покрываемое полотно 1550 проходит близко к первой (в данном примере к верхней) стенке рабочей камеры. Неактивный газ подается в пространство между обратной стороной полотна (т.е. стороной или поверхностью, которая не должна покрываться) и первой стенкой от источника 2505 неактивного газа (который может быть таким же, как источник 1503 или 1504, или отличаться от него). Неактивный газ заполняет пространство между обратной стенкой покрываемого полотна и первой стенкой, тем самым создавая экранирующий объем. Другая поверхность покрываемого полотна покрывается посредством последовательных самоограниченных поверхностных реакций. Фактическое реакционное пространство образуется в объеме между покрываемой поверхностью и второй стенкой рабочей камеры (противоположной первой стенке). Активный газ, по существу, не проникает в экранированный объем. Это частично обусловлено присутствием в этом объеме потока неактивного газа, а частично тем, что само покрываемое полотно препятствует затеканию газа к обратной стороне покрываемого полотна.
Описанные реакторы для нанесения материалов могут представлять собой систему с компьютерным управлением. Компьютерная программа, записанная в памяти системы, содержит команды, в процессе выполнения которых по меньшей мере один процессор системы обеспечивает функционирование реактора для нанесения материалов согласно соответствующим командам. Команды могут быть представлены в виде машиночитаемого программного кода. На фиг. 26 представлена упрощенная блок-схема варианта системы 2600 управления реактором для нанесения материалов. В базовом варианте системы параметры настройки процесса запрограммированы с помощью соответствующего программного обеспечения, а команды вводятся через человекомашинный интерфейс (ЧМИ), т.е. терминал 2606, и подаются через коммуникационную шину 2604, например шину Ethernet или аналогичную ей, в модуль 2602 управления. В одном варианте модуль 2602 управления содержит управляющий блок с программируемой логикой. Модуль 2602 содержит по меньшей мере один микропроцессор для выполнения программ управления, содержащий записанный в память программный код, динамические и статические запоминающие устройства, модули ввода/вывода, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и силовые реле. Модуль 2602 обеспечивает электропитание пневматических контроллеров соответствующих датчиков реактора нанесения, а также управляет функционированием привода (приводов), вакуумного насоса и нагревателя (нагревателей). Данный модуль получает информацию от соответствующих датчиков и осуществляет общее управление всеми функциями реактора для нанесения материалов. В частности, модуль 2602 управления управляет перемещением покрываемого полотна в реакторе атомно-слоевого осаждения из первого рулона через реакционное пространство во второй рулон. Путем регулирования скорости полотна модуль управления управляет скоростью нанесения материала, т.е. толщиной нанесенного материала. Данный модуль управляет также обеспечением доступности реакционного пространства для разделенных во времени импульсов подачи прекурсоров при нанесении материала на покрываемое полотно посредством последовательных самоограниченных поверхностных реакций. Модуль 2602 может также проводить измерения и передавать их результаты от реактора для нанесения материалов на терминал 2606. Пунктирная линия 2616 соответствует интерфейсу между компонентами реактора для нанесения материалов и модулем 2602 управления.
Среди технических результатов, которые обеспечиваются одним или более вариантами реактора (и которые не должны рассматриваться как ограничивающие объем формулы изобретения), можно отметить упрощение конструкции по сравнению с известными реакторами АСО, использующими пространственную рулонную технологию. Другой полезный технический результат состоит в том, что толщина нанесенного материала непосредственно определяется скоростью полотна. Еще один технический результат заключается в оптимизации расходов прекурсоров благодаря малой толщине рабочей камеры.
Данное описание содержит только неограничивающие примеры реализации конкретных вариантов изобретения, включая полное и информативное раскрытие варианта осуществления изобретения, представлявшегося авторам изобретения оптимальным на момент составления описания. Однако специалистам должно быть понятно, что изобретение не ограничивается представленными вариантами и может быть реализовано и в других вариантах, использующих эквивалентные средства, не выходящие за пределы изобретения.
При этом некоторые признаки описанных вариантов изобретения могут эффективно использоваться без одновременного использования других признаков. Поэтому приведенное описание должно рассматриваться как иллюстрация принципов изобретения, не ограничивающая его объем, который определяется только прилагаемой формулой.