气体喷注装置、原子层沉积装置以及使用该原子层沉积装置的原子层沉积方法

摘要

本发明涉及一种气体喷注装置、原子层沉积装置以及使用该装置的原子层沉积方法。所述气体喷注装置被配置成单管形状。气体通过所述气体喷注装置的中心部分被供应到衬底上。同时，通过在沿着供气管的外表面的特定部分中所形成的进气孔所供应的气体被吸入。因此，当所述气体喷注装置被设置在靠近所述衬底处时，气体的供应和吸入可以同时进行。此处，由于沉积工艺是在常压下进行，所以不需要提供额外的装置及设置额外的时间来建立真空。并且，因为能够实施连续的工艺，所以工艺前步骤或工艺后步骤可以同时一起进行。此外，可以提供多个来源气喷注装置来形成多组分化合物。在这种情况下，可以针对每一种来源气分解温度来单独地调整热源的种类和所供应的热量。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及原子层沉积装置，并且更具体地讲，涉及一种能在常 压条件下进行原子层沉积过程的气体喷注装置、具有该气体喷注装置的原子 层沉积装置以及使用该原子层沉积装置的原子层沉积方法。

背景技术

一般来讲，进行不同种类的制造方法来生产半导体设备或平板显示器。 特别地，必然需要一种在例如晶圆或玻璃的衬底上沉积薄膜的方法。在这种 薄膜沉积方法中主要使用溅射方法、化学气相沉积（CVD）方法和原子层沉 积（ALD）方法等。

原子层沉积方法是一种纳米级薄膜沉积技术，该技术使用了针对单原子 层的化学吸附和解吸。具体地讲，原子层沉积方法是一种新的薄膜沉积技术， 该技术按照种类分离反应物质，将它们以脉冲形式单独地供应到反应室中， 并且通过在衬底的表面上使反应物质表面饱和来使用化学吸附和解吸。

在常规的原子层沉积技术中，在沉积过程中需要真空状态。因此，需要 建立真空的额外设备以及维护和维修这些额外设备，这增加了处理时间，因 此降低了生产率。此外，因为建立真空所需的空间有限，所以常规技术适用 于追求生产大面积或大尺寸显示器的显示器行业。

发明内容

技术问题

因此，本发明已经考虑到现有技术中存在的上述问题，并且本发明的目 的是提供一种能在常压条件下进行原子层沉积过程的气体喷注装置、具有该 气体喷注装置的原子层沉积装置以及使用该原子层沉积装置的原子层沉积方 法。

技术方案

为了实现上述目的，在一方面，本发明提供了一种气体喷注装置，包括： 供气管，所述供气管具有第一圆周表面和导槽，所述第一圆周表面围住气体 供应所通过的孔，所述导槽从所述第一圆周表面的开口部分起延伸，所述导 槽限定出用作排气孔的空间；以及吸气管，所述吸气管具有第二圆周表面和 吸气孔，所述第二圆周表面连接至所述导槽，所述第二圆周表面围住所述第 一圆周表面的外表面，所述吸气孔形成在所述第二圆周表面的一部分中。

另一方面，本发明提供了一种原子层沉积装置，包括能够同时进行气体 供应和气体吸取的至少两个气体喷注单元，各个所述气体喷注单元包括：供 气管，所述供气管具有第一圆周表面和导槽，所述第一圆周表面引导气体的 供应，所述导槽限定出排气孔以用于将气体排放到衬底上；以及吸气管，所 述吸气管具有第二圆周表面和吸气孔，所述第二圆周表面连接至所述导槽， 所述第二圆周表面围住所述第一圆周表面的外表面，所述吸气孔形成在所述 第二圆周表面的一部分中。

又一方面，本发明提供了一种原子层沉积方法，包括：通过第一气体喷 注单元将来源气供应到衬底上并且使用所述第一气体喷注单元来吸取所述来 源气；通过与所述第一气体喷注单元间隔第一距离的第二气体喷注单元将吹 扫气供应到所述衬底上并且使用所述第二气体喷注单元来吸取所述吹扫气； 并且通过与所述第二气体喷注单元间隔第二距离的第三气体喷注单元将反应 气供应到所述衬底上并且使用所述第三气体喷注单元来吸取所述反应气。

有益效果

根据本发明，因为沉积方法可以在常压条件下进行，不需要建立真空所 需的单独的装置或时间。因此，可以实现生产率的增加。另外，由于增大装 置的大小变得容易，所以本发明可以容易地被调适到显示器生产领域。

例如卤素灯、灯泡或激光器的不同种类的热源可以用于加热衬底的表面。 在这种情况下，热源仅临时性地加热衬底中需供应沉积源的那一部分，而不 是对整个衬底进行加热，由此防止由于温度增加所导致的附带问题，例如热 扩散，使用寿命的减小或衬底的物理变形。此外，本发明通过使用常压等离 子体设备、紫外线灯、激光器等可以增大沉积速率。此外，本发明还可以沉 积金属薄膜、氮化物薄膜等。

此外，整个过程可以连续地进行，由此可以在单一的工艺生产线上进行 预处理和后处理。在设置几个来源气喷注装置的情况下，能够形成多组分化 合物。在这种情况下，热源的种类和热能可以根据各来源气的分解温度来单 独地加以调整。如果气体喷注装置被交替地设置在衬底的上方和下方，则能 够进行双面沉积。参照气体喷注装置的构造，供气孔沿纵向形成在供气管中， 而吸气孔形成在供气孔的那一侧。因此，可以从衬底去除与被供应到衬底上 的气体量成正比的气体量，由此可以增加沉积效率。气体供应速率可以通过 气阀管进行调节。

本发明的效果不限于上述效果，并且本领域的技术人员从附图会清楚地 认识到其他未提及的效果。

附图说明

图1是图示了根据本发明的实施例的气体喷注装置的透视图；

图2是沿着图1的I-I’线截取的截面图；

图3是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图；

图4是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图；

图5是示出了当衬底表面的一部分被卤素灯加热时，衬底表面上的位置 与其温度之间的关系的曲线图；

图6是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图；

图7是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图；

图8是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图；以及

图9是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

具体实施方式

在能够对本发明进行各种修改的前提下，将会在本说明书中说明本发明 的优选实施例。然而，这些实施例并非旨在将本发明限制于特殊形式。相反， 落入本发明的边界或边界的等同形式内的所有修改都应当被理解为包含在本 发明内。现在应当参照附图，其中在所有这些附图使用相同的附图标记来指 代相同或相似的部件。

除非另有说明，包括本文中使用的技术术语和科技术语的所有术语具有 与本发明所属的技术领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还应 当理解的是，术语，例如常用的字典中定义的术语，应当被理解为具有与相 关领域和本发明的上下文中的意思相一致的意思，并且不应当以理想化或过 于正式意义上的方式来进行理解，除非本文中特别作出了如此定义。

以下，将参照附图来更加详细地描述本发明的优选实施例。

术语“常压”指的是不特别增加或减小且通常指约1个大气压的压力，这里 的“1个大气压”与标准大气压相同。

实施例

图1是图示了根据本发明的实施例的气体喷注装置100的透视图。

参照图1，气体喷注装置100包括供气管和吸气管。该供气管具有第一圆 周表面111和导槽112，该第一圆周表面围住气体供应所通过的孔110，并且 该导槽从第一圆周表面111的开口部分起延伸。由导槽112所限定的空间被用 作排气孔113。吸气管具有第二圆周表面120和吸气孔121，该第二圆周表面 连接到导槽112上并且围住第一圆周表面111的外表面，并且该吸气孔形成在 第二圆周表面120的一部分中。

在气体喷注装置100的吸气孔121与排气孔113相对于中心轴的角度在5° 至90°的范围内。如果在气体喷注装置100的吸气孔121与排气孔113相对于 中心轴的角度小于5°，则由沉积的气体量与供应的气体量的比值所定义的气 体供应效率会降低，因为通过气体喷注装置100的排气孔113而被供应到衬 底上的一些气体被吸入到吸气孔121中。如果气体喷注装置100的吸气孔121 与排气孔113相对于中心轴的角度大于90°，则关于衬底周围的气体被吸入到 吸气孔121中的吸气效率会降低。

吸气孔121包括多个吸气孔121，这些吸气孔形成在关于排气孔113的对 称位置处。由于这些吸气孔121被布置在排气孔113的相对两侧，所以气体 喷注装置100可以通过吸气孔121吸取在预操作过程之后留在衬底上的气体， 通过排气孔113在主操作过程中将气体供应到衬底上，然后在完成反应之后 再次吸取留在衬底上的气体。为此，优选的是吸气孔121被布置在关于排气 孔113的对称位置处。本发明不限于此结构。例如，吸气孔121可以仅布置 在排气孔113的某一侧。

因为气体喷注装置100同时进行供气和吸气，所以不需要建立真空状态， 可以在常压条件下工作。

气体喷注装置100还包括安装在供气管中的气阀管130以调节气体流速。 气阀管130被设置成绕着供气管的中心轴旋转。气阀管130具有在气阀管130 的纵向上延伸的开口131。

气阀管130的开口131可以包括在气阀管130的纵向上的气阀管130中 形成的单个一体式槽，或者在纵向上以规则的间距彼此间隔的位置处形成在 气阀管130中的多个孔。在需要调整排气方法的前提下，可以根据气阀管130 的开口131的形状而在线排气模式与点排气模式之间调整排气方式。

此外，为了以线排气模式或点排气模式提供气体，排气孔113被定向在 吸气管的纵向上，并且可以包括以规则的间距彼此间隔的多个孔，或者具有 一体式槽形状。

图2是沿着图1的I-I’线截取的截面图。

参照图2，根据气阀管130的开口131的取向，（a）图示了供气被中断的 状态，并且（b）图示了进行供气的状态。例如，为了完成沉积过程，必须中 断气体供应。为此，气阀管130封闭供气管。以此方式，可以中断气体供应。

此外，因为可以根据气阀管的工作条件来部分地封闭排气孔113，所以还 能够调整气体的流速。

图3是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图3，衬底200被布置在加热器210上，并且原子层沉积装置被布置 在衬底200的上方。原子层沉积装置包括：第一气体喷注单元140；第二气体 喷注单元150，与第一气体喷注单元140间隔第一距离e；以及第三气体喷注 单元160，与第二气体喷注单元150间隔第二距离f。第一距离e和第二距离 f可以通过考虑进行各反应过程所需的时间来加以调整。

衬底200在箭头所指定的方向上从右向左移动，并且第一至第三气体喷 注单元140至160是静止的。在这种状态下，可以同时进行来源气的供应/吸 取、吹扫气的供应/吸取以及反应气的供应/吸取。

可替代地，衬底200可以是静止的，并且在同时进行来源气的供应/吸取、 吹扫气的供应/吸取以及反应气的供应/吸取时，第一至第三气体喷注单元140 至160可以移动。作为另一种替代方式，第一至第三气体喷注单元140至160 与衬底200可以在彼此相反的方向上移动，或者它们可以在彼此相反的方向 上重复地往返移动。如果衬底和气体喷注单元同时移动，则可以获得运动距 离减小的效果。

另外，本发明不限于这些结构。

从第一气体喷注单元140将来源气供应到衬底200上，并且从第二气体 喷注单元150将吹扫气供应到衬底200上。随后，从第三气体喷注单元160 将反应气供应到衬底200上。因此，原子层沉积在衬底200上。

例如，为了通过沉积方法在衬底上形成硅树脂薄膜，含硅树脂的硅烷(SiH₄) 气体、乙硅烷(Si₂H₆)气体和四氟化硅(SiF₄)气体中的一种可以用作来源气，并 且氧气(O₂)或臭氧(O₃)气体可以用作反应气。氩气(Ar)、氮气(N₂)和氦气(He) 中的一种，或这些气体中的至少两种物质的混合物中的一种，可以用作吹扫 气。此外，本发明不限于此，并且可以以各种方式来改变来源气、吹扫气或 反应气的成分的数量和种类。

优选地，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在几个毫米的范围内。 更优选地，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在0.1mm至5mm的范 围内。如果各气体喷注单元与衬底200之间的距离c小于0.1mm，则气体喷 注单元可能与衬底200接触。如果各气体喷注单元与衬底200之间的距离c 大于5mm，则存在的问题是来源气等无法稳定地供应到衬底200上。

图4是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图4，衬底200位于冷却垫220上，并且卤素灯230位于衬底200的 上方。此外，在衬底200的上方布置第一气体喷注单元140、与第一气体喷注 单元140间隔第一距离e的第二气体喷注单元150以及与第二气体喷注单元 150间隔第二距离f的第三气体喷注单元160。在给定各反应过程所需的进行 时间的前提下，可以调整第一距离e和第二距离f。

衬底200在箭头所指代的方向上移动，即，从右到左。本发明不限于此。 例如，在衬底200静止的情况下，气体喷注单元可以移动。另外，气体喷注 单元与衬底200可以在彼此相反的方向上移动，或者它们可以在彼此相反的 方向上重复地往返移动。如果衬底和气体喷注单元同时移动，则可以获得运 动距离减小的效果。

在这种情况下，优选的是，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在 几毫米的范围内。更优选地，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在0.1 mm至5mm的范围内。

在供应来源气以及通过吸气来去除来源气的操作之前，衬底200的上表 面被卤素灯230加热。衬底200的下表面通过冷却垫220连续冷却以便防止 衬底200的整体的温度由于卤素灯230而增加。在衬底200上供应和吸取来 源气的预定部分上进行衬底200的加热。

此外，从第一气体喷注单元140将来源气供应到衬底200上的被加热的 预定部分上，并且从第二气体喷注单元150将吹扫气供应到衬底200上。随 后，从第三气体喷注单元160将反应气供应到衬底200上。因此，原子层沉 积在衬底200上。

在衬底上，来源气的供应/吸取、吹扫气的供应/吸取以及反应气的供应/ 吸取在常压下进行。原因在于，因为供应和吸取气体同时进行，所以不需要 真空状态。

在卤素灯230上设置冷却单元231以防止衬底200中除衬底200的上表 面之外的部分被加热，因而防止衬底200的整体的温度增加。

图5是示出了当衬底200上表面的一部分被卤素灯230加热时，衬底200 的上表面上的位置与其温度之间的关系的曲线图，其中冷却垫220安装在衬 底200的下表面的下方，并且作为加热构件的卤素灯230被布置在衬底200 的上方。从图中可以看出，可以仅对衬底200中被供应来源气和吸取来源气 的预定部分进行加热。

借助于这种表面加热方法，在使用若干种来源气的多组分化合物的情况 中，可以根据各来源气来单独地控制温度。

图6是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图6，衬底200被放置在冷却垫220上，并且加热构件240被放置在 衬底200的上方。加热构件240可以包括卤素灯、紫外线灯或激光器。加热 构件240不限于这些，并且任何装置都可以用作加热构件240，只要它们可以 加热衬底200的上表面。此外，在衬底200的上方布置第一气体喷注单元140、 与第一气体喷注单元140间隔第一距离e的第二气体喷注单元150以及与第 二气体喷注单元150间隔第二距离f的第三气体喷注单元160。在给定各反应 过程所需的进行时间的前提下，可以调整第一距离e和第二距离f。

衬底200在箭头所指代的方向上移动，即，从右到左。本发明不限于此。 例如，在衬底200静止的情况下，该等气体喷注单元可以移动。另外，该等 气体喷注单元与衬底200可以在彼此相反的方向上移动，或者它们可以在彼 此相反的方向上重复地往返移动。

在这种情况下，优选的是，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c可 以在几毫米的范围内。更优选地，各气体喷注单元体与衬底200之间的距离c 在0.1mm至5mm的范围内。

图7是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图7，衬底200位于冷却垫220上，并且卤素灯230位于衬底200的 上方。在卤素灯230旁边，在衬底200的上方布置有第一气体喷注单元140、 与第一气体喷注单元140间隔第一距离e的第二气体喷注单元150以及与第 二气体喷注单元150间隔第二距离f的常压等离子体发生器170。在给定各反 应过程所需的进行时间的前提下，可以调整第一距离e和第二距离f。因为原 子层可以在常压下沉积，所以在反应气被供应到衬底200上时可以使用常压 等离子体发生器170。常压等离子体发生器170实施为低温等离子体炬。

衬底200在箭头所指代的方向上移动，即，从右到左。本发明不限于此。 例如，在衬底200静止的情况下，该等气体喷注单元可以移动。另外，该等 气体喷注单元与衬底200可以在彼此相反的方向上移动，或者它们可以在彼 此相反的方向上重复地往返移动。

在这种情况下，优选的是，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在 几毫米的范围内。更优选地，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在0.1 mm至5mm的范围内。

图8是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图8，衬底200位于冷却垫220上，并且卤素灯230位于衬底200的 上方。在卤素灯230旁边，在衬底200的上方布置有第一气体喷注单元140、 与第一气体喷注单元140间隔第一距离e的第二气体喷注单元150以及与第 二气体喷注单元150间隔第二距离f的第三气体喷注单元160。在给定各反应 过程所需的进行时间的前提下，可以调整第一距离e和第二距离f。此外，布 置紫外线灯250以引起在第三气体喷注单元160所进行的操作接下来的操作 中留下的来源气的反应。本发明不限于这种结构。此外，在卤素灯250上设 置冷却单元251以防止衬底200中除衬底200的上表面之外的部分被加热， 因此防止衬底200的整体的温度增加。

在常规技术中，如果在沉积方法中使用紫外线灯，则在沉积过程期间一 些气体会沉积在灯玻璃的表面上，因此降低了沉积效率。然而，在本发明中， 紫外线灯250与来源气间隔适当的距离。另外，气体被令人满意地吸入到气 体喷注单元中，并且仅有经过热沉积的来源气留在衬底200的表面上。因此， 可以防止灯受到污染。

衬底200在箭头所指代的方向上移动，即，从右到左。本发明不限于此。 例如，在衬底200静止的情况下，该等气体喷注单元可以移动。另外，该等 气体喷注单元与衬底200可以在彼此相反的方向上移动，或者它们可以在彼 此相反的方向上重复地往返移动。

在这种情况下，优选的是，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在 几毫米的范围内。更优选地，各气体喷注单元与衬底200之间的距离c在0.1 mm至5mm的范围内。

图9是图示了根据本发明的实施例的原子层沉积装置的截面图。

参照图9，衬底200位于冷却垫220上。通过将气体喷注单元、常压等离 子体发生器和加热构件整合为尺寸缩小的单一模块而形成的原子层沉积装置 模块300，被布置在衬底200的上方。如图9所示，该原子层沉积装置模块加 热衬底的上表面，相继地供应来源气303、吹扫气304和等离子体气体302， 然后通过吸气来去除这些气体。被吸入到模块中的气体305通过预定的通道 被排出模块。原子层沉积装置模块300的冷却单元301防止衬底200中除衬 底200的上表面之外的部分被加热，从而防止衬底200的整体的温度增加。

因此，构成原子层沉积装置的元件可以形成该一体式模块。多个一体式 模块可以被布置成在衬底或模块的单次运动过程中，可以进行几个周期的原 子层沉积。

在这种情况下，优选的是，原子层沉积装置模块300与衬底之间的距离d 在几个毫米的范围内。更优选地，原子层沉积装置模块300与衬底之间的距 离d在0.1mm至2mm的范围内。如果原子层沉积装置模块与衬底之间的距 离d小于0.1mm，则该等气体喷注单元可能与衬底接触。如果原子层沉积装 置与衬底之间的距离d大于2mm，则存在的问题是原子层沉积装置模块300 的沉积效率会减小。

<图中文字的说明>

100：气体喷注装置110：孔

111：第一圆周表面112：导槽

113：排气孔120：第二圆周表面

121：吸气孔130：气阀管

131：开口140：第一气体喷注单元

150：第二气体喷注单元160：第三气体喷注单元

170：常压等离子体发生器200：衬底

210：加热器220：冷却垫

230：卤素灯231：冷却单元

240：加热构件250：紫外线灯

251：冷却单元

300：原子层沉积装置模块

301：冷却单元302：等离子体气体

303：来源气304：吹扫气

305：吸取的气体