CN102471887A - 用于原子层沉积的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于将材料原子层沉积在移动基底上的设备，所述设备包括用于沿着预定的平面或弯曲行进路径移动基底的传输装置和具有至少一个前体递送通道的涂覆杆。所述前体递送通道将包含待沉积在基底上材料的流体朝向行进路径引导。在使用时，可沿着行进路径移动的基底限定所述前体递送通道的出口端与所述基底之间的间隙。所述间隙限定对于来自前体递送通道的流体流的阻抗Z_g。在前体递送通道内部设置了限流器，其表现出对于通过穿过它的流的预定阻抗Z_fc。所述限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z_fc为所述阻抗Z_g的至少五(5)倍，并且更优选地为至少十五(15)倍。所述阻抗Z_fc具有摩擦因子f。前体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z_fc具有小于100，并且优选地小于10的摩擦因子f。

Description

用于原子层沉积的设备

要求优先权

本专利申请要求本文以引用方式并入的以下美国临时申请的优先权：

用于原子层沉积的设备，序列号61/230,336，提交于2009年7月31日。

发明背景

发明领域本发明涉及用于将一种或多种材料的原子层沉积在基底上的设备。

技术说明原子层沉积(“ALD”)是一种薄膜沉积技术，其对沉积在基底上的一层复合材料的厚度提供极其精密的控制。顾名思义，原子层沉积中的薄膜生长是一层接一层的，其允许沉积极其薄的保角涂层，所述保角涂层也没有晶界和针孔。这种涂层的沉积通常通过施用两种分子前体来进行。基底的表面暴露于第一前体(“前体I”)分子，其与表面发生化学反应。该反应是自限的并且持续直到有一个反应前体I的均匀单层涂层覆盖所述表面为止。所述表面接着暴露于第二前体(“前体II”)，其与涂覆有前体I的表面发生化学反应以形成期望的化合物。如前所述，所述反应是自限的，并且结果是反应的前体II的完成的单层涂层覆盖所述表面，并且因此期望的化合物材料的完成的单层覆盖所述表面。

所述过程接着可被重复，将表面首先暴露于前体I，然后暴露于前体II，直到已形成了期望厚度的涂层。由于每个完成的I-II层具有大约0.1nm的厚度，因此具有非常精密地控制的厚度的极薄层是可能的。

从历史观点上说，原子层沉积已经通过将待涂覆的基底放置在真空室中并且引入包含某些小百分比的前体(同样在气相中)的低压载气来进行。然而，因为从沉积室完全吹扫前体的时间可能很长，因此原子层沉积通常已经被认为是一种慢工艺。

已知原子层沉积涂覆头的一种供选择的替代形式，其允许以高得多的速率沉积。在这种头部布置中，前体气体(还是在惰性载气中的前体分子)通过长而窄的通道递送，并且这些通道与真空摄取通道和吹扫气体通道交替。所述头部接着在垂直于输出通道的长轴的方向上横跨待涂覆的基底穿过(或者保持在某一位置，而基底在其下方平移)。美国公布的专利申请2008/166,880(Levy)是这样一种头部的结构的代表。

在这个引用的公布专利申请中所公开的头部要求所述头部和所述基底之间的间隔非常小(约三十微米)并且极其精密可控。实际上，源自所述装置表面的喷射气体在待涂覆的基底上以类同于气垫船的方式被用作使涂覆头浮动的装置。

鉴于前述，据信提供一种对涂覆头和基底之间的精确距离不敏感而是独立于所述头部和基底之间的间隔并容忍该间隔上的尺寸变化的用于基底的原子层沉积涂层的设备是有利的。这样，不需要特别的措施来保持这个间距不变。具体地讲，据信有利的是不要求从所述头部排出的气体有双重用途：即气体不被要求以牺牲装置的主要功能为代价起到保持固定间隔的作用，沉积原子层沉积涂层。

发明概述

本发明涉及一种用于将材料的原子层沉积在移动基底上的设备，所述设备包括用于沿着预定的行进路径通过所述设备移动基底的传输装置和具有至少一个前体递送通道的涂覆杆。前体递送通道能够将包含待沉积在基底上的材料的流体朝向行进路径引导。在使用时，可沿着行进路径移动的基底限定前体递送通道的出口端和基底之间的间隙。所述间隙限定对于来自前体递送通道的流体流的阻抗Z_g。

所述设备还包括设置在前体递送通道内部的限流器。限流器对于前体递送通道中的所述流呈现预定的阻抗Z_fc。限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z_fc为阻抗Z_g的至少五(5)倍，并且更优选地至少十五(15)倍。

阻抗Z_fc具有摩擦因子f。前体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z_fc具有小于100，并且优选地小于10的摩擦因子。

涂覆杆也具有分别设置在前体递送通道的上游侧和下游侧上的第一惰性气体递送通道和第二惰性气体递送通道。

每个惰性气体递送通道的出口端也限定每个惰性气体流递送通道的末端与基底之间的间隙。每个间隙限定对于来自每个相应的惰性气体递送通道的流体流的阻抗Z’_g。限流器被设置在每个惰性气体递送通道的内部。每个限流器呈现对于相应的惰性气体递送通道中的所述流的预定的阻抗Z’_fc。每个惰性气体递送通道内部的每个限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z’_fc为阻抗Z’_g的至少五(5)倍，并且更优选地至少十五(15)倍。阻抗Z’_fc具有摩擦因子f’。惰性气体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z’_fc具有小于100，并且优选地小于10的摩擦因子f’。

基底穿过设备的行进路径可为平面的行进路径或者弯曲的行进路径。

附图简述

通过下列发明详述并结合作为本专利申请一部分的附图，将会更全面地理解本发明，并且其中：

图1是用于在移动基底上至少一种前体材料的连续流原子层沉积的设备的程式化图解表示，所述设备结合有根据本发明的涂覆杆；

图2是根据本发明的涂覆杆的基本结构元件的图解侧截面图；

图3是用于具有根据本发明的涂覆杆的涂覆设备的控制系统的方框图；

图4是适于将两种前体材料沉积到基底上的根据本发明的涂覆杆的分解透视图；

图5是用来组装图5所示的涂覆杆的结构板的分离透视图；

图6是用来组装图5所示的涂覆杆的垫圈的分离透视图；

图7至11是图4的组装好的涂覆杆的侧截面图，分别示出了惰性(吹扫)气体(图7)、排气(图8)、前体I(图9)、前体II(图10)通过所述杆的流动路径和排气密封路径(图11)；

图12是采用本发明的一个或多个涂覆杆将一种或多种材料连续流动原子层沉积在移动基底上的设备的图解示意图，其中基底通过所述设备的行进路径是弯曲的；

图13显示表现为图2结构的负片的构成实施例1的模型的空间区域；

图14显示实施例1的模型处于开始计算后时间t＝0.2s的状态；

图15显示在实施例1的模型的基底边界E上反应前体的表面浓度随着横向位置而变；

图16是类似于图14的视图，但显示实施例2的模型处于计算开始后时间t＝0.2s的状态；

图17是类似于图15的视图，并且显示在实施例2的模型的基底边界E上反应前体的表面浓度随着横向位置而变。

发明详述

在下列发明详述中，类似的附图标号表示所有附图中类似的元件。

图1是一般用参考符号10指示的设备的程式化图解表示，以用于将至少一种前体材料连续流动原子层沉积到移动基底S上。基底S可为刚性材料例如玻璃板，或者柔性材料例如柔性聚合物或金属纤维网。设备10包括用参考符号12图示的合适机罩。

在机罩12内部提供了用于沿着预定的行进路径16将基底S移动过设备10的传输装置14。在图1和2所示的布置中，基底S通过传输装置14沿着图片上所指示的基准坐标系的正X轴进行移动。基底S的行进路径16是大致平面的，基本上位于X-Z基准平面上。机罩12的目的是容纳惰性气氛并且允许在高温下运行设备。

设备10结合有根据本发明的至少一个涂覆杆20。图2是涂覆杆20的基本结构元件的图解侧截面图，可从其中获得所述杆20的运行的理解。

如图1和2所示，所述杆20是大致矩形的构件，其被构造提供各种内部流体的递送和移除通道，从而在基底S沿着行进路径16被传输过设备10时至少一种前体材料能够被沉积在基底S的表面上。对沉积至少一种前体材料所必需的各种流体递送和移除通道组被聚集在一起作为图2中实线所示的前体沉积模块21。如图2中的虚线所指示的以及与如将与图4相关所开发的那样，多个前体沉积模块(例如用参考符号21’、21”所描绘的)可被包括在杆20’中(图4)，以便给定的杆能够将两种或更多种前体沉积在正在所述杆下方运输的基底上。

将多个沉积模块(例如模块21、21”，图2)组合成单个涂覆杆具有有利的效率。如果包含前体递送通道28、一对排气通道32U和32D和一对惰性气体吹扫通道36U和36D的第一模块21紧挨着与相同的第二模块21”并置，则第一模块21的下游吹扫通道36D也可充当第二模块21”的上游吹扫通道36U。这样，如果涂覆杆包含N个数目的沉积模块21，则它只需要包含总数(N+1)个吹扫通道36。

结构上，在所述杆20内部的前体沉积模块21可以任何便利的方式进行构造。例如，在本专利申请中所描述的实施方案中，前体沉积模块21被成形为螺栓连接在端部构件24A、24B之间的层叠的结构板22。如将要更详细讨论的那样，板22中的每个被成形为使得当组装成夹心结构时，相邻板22间的间距限定本文所说明的各种内部通道。此外，所述板具有合适定位的开口，它们协同限定杆20内的所必需的给料头和流体传输通道。

在其最基本的形式中，能够将单一前体沉积在基底上的前体沉积模块21被构造成包括前体递送通道28、一对排气通道32和一对惰性气体通道36。流动箭头描绘流体流在待描述的每个通道中的方向。前体递送通道28、排气通道32中的每一个、和惰性气体通道均具有预定的宽度尺寸(在X方向上测量)大约为0.5至2毫米，并且通常为约1毫米。

前体递送通道28具有入口端28I和出口端28E。如流动箭头所示，前体递送通道28引导在通道28的入口端28I处供给的包含前体材料(“I”)的流体流朝向其出口端28E。前体递送通道28的入口端28I连接到由参考符号28F所指示的供气装置。当基底S在所述杆的下方移动时，从通道28的出口端28E排出的气流中所载运的前体材料被沉积在基底S上。

上游排气通道32U和下游排气(或“摄取”)通道32D在其上游侧和下游侧上分别位于前体递送通道28的侧面。如本文一般所用，术语“上游”和“下游”被定义为相对于基底S沿着其通过设备10的行进路径的方向16，并且沿着基准X轴分别对应于负向和正向。每个排气通道32U、32D具有集气端32C和排气端32E。每个排气通道的集气端32C邻近基底S的行进路径。每个排气通道32U、32D的排气端连接到由参考符号32F所图解指示的公用排气附件。

涂覆杆20还分别包括上游和下游惰性气体递送(或“吹扫”)通道36U、36D。如图所示，吹扫通道36U被布置成紧挨着上游排气通道32U的上游，而吹扫通道36D被布置成紧挨着下游排气通道28D的下游。每个吹扫通道36U、36D用来将惰性流体例如氮气从供气端36S递送到位于与基底S的行进路径相邻的排放端36H。每个吹扫通道36的供气端36S连接到由参考符号36F所图解指示的公用供气附件。

前体递送通道28的出口端28E、每个相应的排气通道32U、32D的集气端32C、以及每个相应的吹扫通道36U、36D的排放端36H均具有包围基底S的整个横向尺寸的横向尺寸(沿着正Z方向延伸)。

图3是用于操纵设备10的控制系统的方框图。通过控制器100提供输入氮气流并引导到包含前体材料(例如材料“I”)的起泡器102。前体的温度通过传感器104进行监测并且通过温度控制器106进行控制。饱含前体的氮气通过管线108排出起泡器并且任选地与纯氮流110混合。按期望的浓度包含前体的混合流经过温度控制管线112行进到涂覆杆20中的前体入口连接装置28F。递送到涂覆杆20的气体压力通过压力表114进行监测。氮的第二输入流通过控制器200来提供并且通过温度控制管线202被递送到涂覆杆20的吹扫入口连接装置36F。管线300将来自涂覆杆20上的排气连接装置32F的流出物引导到喷雾箱302并且随后引导到冷阱304。其中从所述设备吸入排气的速率通过真空流量控制器306进行控制。

运行时，包含前体材料(材料“I”)的气体通过装置28F被供应给前体递送通道28。前体材料通过前体递送通道28被引导朝向其出口端28E。在出口端28E处，前体气体流从前体递送通道28排出并被吸入到在形成递送通道28的板22的边缘和基底S之间限定的间隙42中。间隙42限定对于来自前体递送通道的流体流的阻抗Z_g。阻抗Z_g的大小通过间隙42的尺寸来直接控制。

同时，惰性气体流通过供气附件36F被引入到每个吹扫通道36U、36D。这些流体中的每一个被引导朝向这些通道的相应的排放端36D。惰性气体流被类似地吸入到在形成这些通道的板22的边缘和基底S之间限定的间隙43中。这些间隙43类似地限定对于来自惰性气体递送通道的流体流的阻抗Z’_g。间隙43的尺寸直接控制阻抗Z’_g的大小。

前体气体流以及惰性气体流被朝向排气通道32U、32D的集气端32C抽吸并被其所收集。当前体流压挤通过间隙42时，在基底S上沉积了一层前体“I”材料。

如前面在本专利申请的发明背景部分中所述的有关已知的原子层沉积涂覆头的讨论中所述，涂覆头和基底S之间的间隙的尺寸必须被严格控制以确保这些尺寸保持相对恒定，因为在间隙尺寸上的小变化将会导致流量上的大变化。然而，根据本发明的涂覆杆能够保持前体材料朝向基底基本稳定(即可变但在容许的工艺限制内)流动，即使一个或多个间隙42和/或43的尺寸发生一个或多个变化。

根据本发明消除对间隙尺寸的依赖通过在前体递送通道28以及在惰性气体递送通道36U、36D的每一个中设置限流器22R而获得。限流器22R的存在使得这些通道中的每一个变得狭窄并对通过的气体流产生限制。

由限流器22R引起的前体递送通道28中的限制表现出对于通过的流的预定阻抗Z_fc。根据本发明，限流器的尺寸被设置成使得阻抗Z_fc为阻抗Z_g的至少五(5)倍。更优选地，阻抗Z_fc为阻抗Z_g的至少十五(15)倍。

类似地，在每个惰性气体递送通道36中限制48的存在呈现对于流过这些通道的流的预定阻抗Z’_fc。这些通道36中的每一个中的限流器也应当的尺寸被设置成使得阻抗Z’_fc为阻抗Z’_g的至少五(5)倍，并且更优选地至少十五(15)倍。

通过合适地确定限制口的尺寸来表现出通道中的所述流动阻抗对于在通道的出口处间隙中的阻抗之间的限定关系。根据具体情况，前体和吹扫气体的递送可独立于一个或多个间隙42和/或43的尺寸上的变化公差所产生的间隙阻抗并因此基本上独立于间隙阻抗Z_g和/或Z’_g。

各种阻抗Z_g、Z’_g、Z_fc和Z’_fc涉及通过间隙或通道的体积流量Q(根据具体情况)与沿着流体的路径的压降ΔP，根据

$Q=\frac{\mathrm{\ΔP}}{Z}.---\left(1\right)$

流动阻抗讨论于S.Dushman的The Scientific Foundations of VacuumTechnique，第2版，John Wiley&Sons编辑，纽约，1962。

阻抗Z_fc和/或Z’_fc涉及也可分别具有摩擦因子f和f’。此类摩擦因子f、f’涉及在限制壁处的剪切应力τ_w与移动流体的动能K，根据

τ_w＝fK    (2)。

摩擦因子讨论于F.A.Holland和R Bragg的Fluid Flow for ChemicalEngineers，Elsevier，Amsterdam，1995。

根据本发明，前体递送通道中的阻抗Z_fc具有小于100，并且更优选小于10的摩擦因子。此外，根据本发明，每个惰性气体递送通道中的阻抗Z’_fc具有小于100，并且更优选地小于10的摩擦因子。

限流器22R可采用任何便利的形式。在所示的布置中，限流器采用矩形突出的形式，其横跨限定特定递送通道的板的任一个(或两个)延伸。在优选的情况下，限流器限定延伸整个横向(杆的Z方向)的流量限制。优选地，限流器应当在节流口的末端处包括过渡表面22C以最小化通过通道的气体流中涡流的形成。过渡表面22C可为平面的，如图所示。然而，表面的形状可被另外构型。

如前所述，涂覆杆可包含多个前体沉积模块21。图4是适于将两种前体材料(材料“I”和材料“II”)沉积在基底上的涂覆杆20’的分解透视图。在所示的特定构造中，涂覆杆20’被成形成分层的组合件，其包括交替在十一(11)个垫圈23之间的十(10)个结构板22。分层的组合件被用螺栓25和螺帽25N固定的端杆24A、24B包围。

图5是单个板22的分离的透视图，而图6显示单个垫圈23的分离的透视图。

如从图5所见，每个结构板22是大致平面的构件，其由与原子层沉积工艺相关联的气体和温度相容的任何适宜的刚体材料制成。所述板通常是一到二毫米(1-2mm)厚。每个板22均具有头部区域22I，其显示板的总厚度22T。总厚度矩形杆22R横跨板22的整个横向尺寸22W延伸。每个板22的一个表面在限流器杆22R上方和下方的部分被减小，从而限定横向延伸的供气狭槽区域22S和相对扩大的流动区域22F。在所述板的头部区域22H中提供了合适定位的通孔22G和小孔22H。沟槽22U限定将每个板22上的开口中的一个与其中的供气狭槽区域22S相连的传输通道。

如在图6中所见，单个垫圈23是由合适的聚合物材料制成的大致C形的构件。每个垫圈具有横向延伸的隔片部分23S，其内具有合适定位的通孔23G和小孔23H。腿部23L从隔片部分23S的每个端部悬伸出。

如从图4的分解图和图7-11的截面图所示，用于两种前体(分别是材料“I”和材料“II”)中的每一种的递送模块21、21’通过叠放在十一个垫圈23-1至23-11中间交替的十(10)个结构板22-1至22-10而形成。

如从图4中显而易见，当如此形成层叠时，每个板22和垫圈23上的小孔22H、23H对齐以限定小孔接纳螺栓25，从而将堆叠固定到端杆24A、24B。

板22和垫圈23上的通孔22G、23G中的适当的孔彼此分别对齐以限定供气头延伸适当的预定距离进入杆20’中。供气头与布置在端杆24A、24B上的装置连通。

在每个板的一个表面上减小的供气狭槽区域22S和扩大的流动区域22F面对相邻板的相对表面以限定存在于杆20’中的各种递送和排气通道。每个板上的沟槽22U将该板上的供气狭槽连接到在所述杆中形成的合适通道。相邻板22之间垫圈23的存在用来在一个板的表面上隔开限流器杆22R远离相邻板的相对表面，从而限定每个通道中的节流口。限流器22R的阻抗和摩擦因子可由横跨节流口的压降和通过它的质量流量二者的测量值进行确定，用于这样一种测量的设备和方法是熟知的。限流器22R的阻抗值可通过改变相关垫圈23的厚度而调节。

图11示出了附加的排气通道29A、29B，它们被分别设置在端杆24A、24B的附近。这些附加的排气通道29A、29B用来从涂覆杆20’和基底S之间的间隙清除任何残留的前体气体并将它们传输到排放装置30F。

由于前体材料的递送独立于间隙尺寸，因此基底的行进路径可以是弯曲的。图12是原子层沉积设备的程式化图解视图，其中基底S沿着弯曲路径从输入辊402越过惰辊404A、404B到输出辊406被圆形转筒400所承载。所述路径呈现希腊符号“ω”的形式。如图所见，沿着行进路径可设置一个或多个杆20、20’。

如果弯曲路径的曲率半径足够大，和/或如果单个涂覆杆足够窄，涂覆杆从而前体和吹扫气体的输出面呈现不需要被成型为与曲线相匹配。然而，如果情况不是这样，则单个板22可被成型为使得间隙42和43横跨杆的输出面保持不变而不会负面影响设备的性能。

实施例

可从下面的实施例更清楚地理解本发明的具有涂覆杆的原子层沉积设备的运行。

实施例1：依照图1和2的实施方案的能够沉积单一前体层的涂覆杆利用有限元件数值模型进行研究。这种模型的边界主要由包括涂覆杆的板以及由基底所规定。鉴于此，显示构成模型的空间区域的图13被表现为图2的负片。

该模型包括侧面为一对排气通道(32U、32D)的单个前体递送通道(28)。排气通道侧面为一对惰性气体通道(36U、36D)。间隙(42)在平直基底S和前体递送通道的端部之间限定。最后，模块与一对较宽的区域(50，图13)侧面相接以与涂覆杆设置在周围的惰性气体气氛中相符合。

垂直设置的流体递送和摄取通道具有宽度w＝1mm，除了在限流区域之外。各通道由厚度t＝1mm的实心板隔开。在杆的输出面下方距离g＝0.1mm设置标为E的基底表面。

模块中的开放体积被认为是在373K温度充满着具有氮气性质的流体。这种气体被认为是不可压缩的Navier-Stokes流体并且在堆积体积上服从以下公式：

$\mathrm{\ρ}(\stackrel{\→}{u}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{u}=\stackrel{\→}{\▿}\·[-\mathrm{pI}+\mathrm{\μ}(\stackrel{\→}{\▿}\stackrel{\→}{u}+{\left(\stackrel{\→}{\▿}\stackrel{\→}{u}\right)}^T)],---\left(E1.1a\right)$

$\stackrel{\‾}{\▿}\·\stackrel{\→}{u}=0,---\left(E1.1b\right)$

其中ρ为流体密度，

为流体速度，并且μ为流体粘度。I为单位张量。为了求解在限定区域内的任何联立方程，必须规定定义所述区域的边界上的行为。在图13中，包围阴影区域的粗实线构成模型区域的边界。这些边界的某些段用字母A到E来表示，因为这些边界要求与未标记段的技术参数不同的技术参数。在图13上用字母A到D指示的边界代表其中流体可进入或流出模型的入口和出口。边界A是前体入口(对应于通道28的入口端28I)，边界B是流体摄取(对应于通道32U、32D的排气端32E)，并且边界C是吹扫入口(对应于通道36U、36D的供气端36S)。较宽区域50的外边界D代表建模的模块周围的大气区域和未建模的区域之间的分水线。

沿着这些边界，流体进入或离开建模区域的条件由以下公式给出：

$\mathrm{\μ}(\stackrel{\→}{\▿}\stackrel{\→}{u}+{\left(\stackrel{\→}{\▿}\stackrel{\→}{u}\right)}^T)\hat{n}=0,---\left(E1.2a\right)$

p＝常数，(E1.2b)

其中

是向内指向的单位向量，与边界正交。沿着每个指示的边界，压力按表E1.1中给出的数值而保持恒定。

表E1.1

边界	压力(Pa)
		A	101000
B	100500
		C	99975
D	100000

除了E以外的所有剩余的边界(即所有未标记的边界)代表物理壁，

其中应用了所熟知的“无滑移”边界条件。标记为E的最后一个边界代表基底。这里也采用了无滑移条件：在接触线处流体相对于基底的速度被取为零，但基底本身处于运动中，具有指向正x方向的速度v₀，以便所计算的流体流对于极其接近于移动基底的涂覆杆将进行校正。

在流体内部传输前体根据对流和扩散公式进行计算，

$\frac{\∂c}{\∂t}+\stackrel{\→}{\▿}\·(-D_{12}\stackrel{\→}{\▿}c)-\stackrel{\→}{u}\·\stackrel{\→}{\▿}c=0,---\left(E1.3\right)$

其中c是弥散在惰性载气中的前体的摩尔浓度，并且用所讨论的边界条件通过公式E1.1的解答给出了流体速度。D₁₂是载气中的前体的扩散系数。这个数量被认为是

$D_{12}=\frac{D^{*}}{P},---\left(E1.4\right)$

其中对于在1.2Pa-m²/s的氮载气中的三甲基铝前体，D^*的值根据J.C.Slattery和R.B.Bird(A.I.Ch.E.Journal第四卷第137页，1958)进行计算。

沿着图13中所有未标记的边界，用于公式E1.3的边界条件为

$\hat{n}\·(-D_{12}\stackrel{\→}{\▿}c+c\stackrel{\→}{u})=0,---\left(E1.5\right)$

其规定没有前体可被携带通过这些边界。沿着边界A的条件被认为是

$\hat{n}\·(-D_{12}\stackrel{\→}{\▿}c+c\stackrel{\→}{u})=c_0{u}_y\left(x\right),---\left(E1.6\right)$

代表在浓度c₀为1摩尔％时前体的向内流量。沿着B、C和D，边界条件被认为是

$\hat{n}\·(-D_{12}\stackrel{\→}{\▿}c)=0.---\left(E1.7\right)$

这个所谓的对流流量条件允许待通过边界进行输入或输出的前体作为所指示的浓度和流体速度的局部值。最后，沿着E，边界条件被认为是

$\hat{n}\·(-D_{12}\stackrel{\→}{\▿}c+c\stackrel{\→}{u})=-k_s\mathrm{\σc}({\mathrm{\θ}}_0-c_s),---\left(E1.8\right)$

其中c_s是已经化学结合到基底上的前体的表面浓度(mol/m²)，θ₀是已完成的前体单层的表面浓度，σ是撞击表面的前体分子将反应和结合而不是去吸附的概率，并且k_s是表面速率常数。

从基本分子动力论(F.Reif的Fundamentals of Statistical and ThermalPhysics，McGraw-Hill，纽约，1965)计算速率常数将是k_s＝2.27×10⁶m³mol^-1s^-1。粘附概率被认为是(C.Soto和W.T.Tysoe的J.Vac.Sci.Technol.A，第9卷第2686页，1991)σ＝0.01，并且θ₀从ALD沉积的Al₂O₃薄膜的已知密度进行计算(Groner等人的Chem.Mater.第16卷第639页，2004)将是2.66×10^-5mol/m²。公式E1.7因此给出离开气相沉积到基底上的前体的流量。

在基底表面上，通过以下公式的解答给出沉积的前体浓度，

$\frac{\∂c_s}{\∂t}=-v_0\frac{\∂c_s}{\∂x}+k_s\mathrm{\σc}({\mathrm{\θ}}_0-c_s),---\left(E1.9\right)$

其中点边界条件

$\frac{\∂c_s}{\∂t}=0---\left(E1.10\right)$

在x＝0(图13中边界E的左手端)，和

$\frac{\∂c_s}{\∂t}=-v_0{c}_s---\left(E1.11\right)$

在x＝15mm处(图13E1.1中边界E的右手端)。

为了计算效率的目的，用两步法求解联立方程。首先，将Navier-Stokes分量仅作为静态问题进行求解，接着将全耦合的联立方程作为瞬态问题进行求解。在瞬态问题中流体流的初始条件取自静态问题的解答。对流-扩散分量的初始条件是处处c＝0。沉积的前体的初始条件是沿着边界E均为c_s＝0。

图14的E1.2指示在开始计算后在时间t＝0.2s处的模型状态(在模型时间中，不是计算时间)。前体在流体中的浓度作为灰度。按mm给出在模型内部的垂直和横向位置，并且按mol/m³给出浓度。此外，对于某些位置用箭头指示流体速度的局部方向和相对大小。在此时间点，浓度分布是稳定的，在约t＝0.14s处已经达到稳定状态。从图14中明显可见，在吹扫通道的区域中前体浓度为零，吹扫和流体摄取的组合用来完全限制前体到模型的中心区域。

图15显示反应前体的表面浓度随基底边界E上的横向位置而变。如图例所示，显示了处在几个不同时间处的浓度分布。对于后面的时间，所述分布与在t＝90ms时的分布难以分辨。数据通过最大浓度归一化，这样最大覆盖表面用数值1来代表。在x＝2mm处通过所述杆的上游边缘下方的移动基底上的特定斑点具有c_s＝0的表面浓度。当该斑点从x＝5mm前进到x＝7mm时，它变得快速覆盖有前体，并且在x＝13mm处离开具有饱和涂层的所述杆的下方。

实施例2：实施例1的涂覆杆是在基底被设置在杆的输出面下方距离g＝0.2mm的情况下进行分析。分析的所有其他细节均保持与实施例1中一致。图16显示与图14相同的视图，但用于实施例2的情况。与实施例1相比，在浓度分布和流体流上存在着微小差别；但基本的细节，前体对模型的中心区域的限制，保持不受影响。

图17显示与图14相同的视图，但用于实施例2的情况。如在前面的实施例中一样，通过t＝90ms已经获得了稳定状态的涂层分布。获得了完整覆盖。与实施例1的主要差别是，其中涂覆发生的区域已经在下游方向上移动了零点几毫米。

合在一起，这些实施例显示，通过具有如本文所定义的关系的阻抗和处在如本文所定义的范围中的摩擦因子的设备所进行的沉积对涂覆杆和基底之间的间隔上的适度变化不敏感。从实施例1到实施例2的g上的变化具有某一尺寸，其在包含移动或平移部件的机械设备上可合理地进行预计。例如，如果将基底保持到转筒上，如图12中一样，由于在转筒或其安装上缺乏完美的同心度的缘故，g可能改变0.1mm。

具有了如上文所述的本发明的教导的有益效果，本领域的技术人员可做出其众多的修改形式。此类修改形式旨在被理解为处在由所附权利要求所限定的本发明的设想范围内。

Claims (14)

1.用于将材料原子层沉积在移动基底上的设备，所述设备包括：

用于沿着预定行进路径使基底移动通过所述设备的传输装置；

具有本文所定义的至少一个前体递送通道的涂覆杆，所述前体递送通道具有出口端，所述前体递送通道能够将包含待沉积在基底上的材料的流体朝向行进路径引导；

这样，当使用时，可沿着行进路径移动的基底限定所述前体递送通道的出口端与所述基底之间的间隙，所述间隙限定对于来自所述前体递送通道的流体流的阻抗Z_g，

设置在所述前体递送通道内部的限流器，所述限流器呈现对于所述前体递送通道中的所述流的预定阻抗Z_fc，

通过所述阻抗Z_fc的所述流具有摩擦因子f，

其中所述限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z_fc为所述阻抗Z_g的至少五(5)倍并且

所述摩擦因子f小于100。

2.权利要求1的设备，其中所述前体递送通道具有相对于基底通过所述设备的行进路径的上游侧和下游侧，并且其中

所述涂覆杆具有本文所定义的第一惰性气体递送通道和第二惰性气体递送通道，所述第一惰性气体递送通道和第二惰性气体递送通道被分别设置在所述前体递送通道的上游侧和下游侧，

每个惰性气体递送通道具有出口端，每个惰性气体递送通道能够朝向行进路径引导惰性流体；

这样，在使用时，可沿着行进路径移动的基底限定每个惰性气体递送通道的所述末端和所述基底之间的间隙，每个间隙也限定对于来自每个惰性气体递送通道的流体流的阻抗Z’_g，

其中所述涂覆杆还包括：

设置在每个惰性气体递送通道内的限流器，每个限流器呈现对于所述相应的惰性气体递送通道中的所述流的预定的阻抗Z’_fc，

通过所述阻抗Z’_fc的所述流具有摩擦因子f’，

每个限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z’_fc为所述阻抗Z’_g的至少五(5)倍，并且

所述摩擦因子f’小于100。

3.权利要求2的设备，其中所述前体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z_fc为所述阻抗Z_g的至少十五(15)倍。

4.权利要求1的设备，其中所述前体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z_fc为所述阻抗Z_g的至少十五(15)倍。

5.权利要求3的设备，其中每个惰性气体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z’_fc为所述阻抗Z’_g的至少十五(15)倍。

6.权利要求2的设备，其中每个惰性气体递送通道中的限流器的尺寸被设置成使得所述阻抗Z_fc为所述阻抗Z_g的至少十五(15)倍。

7.权利要求1的设备，所述摩擦因子f小于10。

8.权利要求4的设备，所述摩擦因子f小于10。

9.权利要求6的设备，所述摩擦因子f’小于10。

10.权利要求2的设备，所述摩擦因子f’小于10。

11.权利要求1的设备，其中所述基底通过所述设备的行进路径是弯曲的。

12.权利要求1的设备，其中所述基底通过所述设备的行进路径是平面的。

13.权利要求2的设备，其中所述基底通过所述设备的行进路径是弯曲的。

14.权利要求2的设备，其中所述基底通过所述设备的行进路径是平面的。

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