CN101821427A - 具有存在反应性气体空间分离的气体输送头和通过该输送头的基材运动的形成薄膜用的方法和沉积系统 - Google Patents

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Abstract

公开了在基材上沉积薄膜材料的方法，包括从薄膜沉积系统的输送头的输出面朝基材表面同时引导一系列气流，其中所述一系列气流包括至少第一反应性气态材料、惰性吹扫气体和第二反应性气态材料，其中第一反应性气态材料能与用第二反应性气态材料处理过的基材表面反应。还公开了能够进行这种方法的系统。

Description

具有存在反应性气体空间分离的气体输送头和通过该输送头的基材运动的形成薄膜用的方法和沉积系统
发明领域
本发明一般性涉及薄膜材料的沉积，更具体地涉及使用将同时气流引导到基材上的分配头在基材上进行原子层沉积的装置和方法。
发明背景
广泛用于薄膜沉积的技术包括使用在反应室中反应以在基材上沉积所需膜的化学反应性分子的化学气相沉积(CVD)。可用于CVD用途的分子前体包括要沉积的膜的元素(原子)成分，并且一般也包括其它元素。CVD前体是气相输送到室中以在基材上反应从而在其上形成薄膜的挥发性分子。化学反应沉积具有所需膜厚度的薄膜。
大多数CVD技术通常需要将一种或多种分子前体的良好受控流施加到CVD反应器中。使基材在受控压力条件下保持在良好受控温度下以促进这些分子前体之间的化学反应，同时有效除去副产物。获得最佳CVD性能要求能在整个过程中达到并维持气流、温度和压力的稳态条件和能尽量减少或消除瞬变现象。
尤其在半导体、集成电路和其它电子器件领域中，需要超过常规CVD技术的可实现限度的具有优异保形涂覆性能的薄膜，尤其是较高品质的较致密膜，尤其是能在较低温度下制成的薄膜。
原子层沉积(“ALD”)是与其CVD前身相比可提供改进的厚度分辨率和保形能力的可供选择的膜沉积技术。ALD法将常规CVD的常规薄膜沉积过程分割成单原子层沉积步骤。有利地，ALD步骤自终止并在进行到或超出自终止暴露时间时沉积一个原子层。原子层通常为约0.1至约0.5个分子单层，典型尺寸大约不大于几埃。在ALD中，原子层的沉积是反应性分子前体与基材之间的化学反应的结果。在各个独立的ALD反应-沉积步骤中，净反应沉积所需原子层并基本消除分子前体中最初包含的“额外”原子。在其最纯形式中，ALD在不存在其它反应前体的情况下包括各前体的吸附和反应。实际上，在任何系统中都难以避免不同前体的一定程度的直接反应，导致少量化学气相沉积反应。要求保护用于进行ALD的任何系统的目的是获得与ALD系统相称的装置性能和属性，同时承认可容许少量CVD反应。
在ALD用途中，一般将两种分子前体在单独阶段中引入ALD反应器。例如，金属前体分子MLx包含键合到原子或分子配体L上的金属元素M。例如，M可以是但不限于Al、W、Ta、Si、Zn等。在基材表面经制备以与分子前体直接反应时，金属前体与基材反应。例如，基材表面一般经制备以包含能与金属前体反应的含氢配体AH等。硫(S)、氧(O)和氮(N)是一些典型的A物类。气态金属前体分子有效地与基材表面上的所有配体反应，以致沉积单个金属原子层：
基材-AH+MLx→基材-AMLx-1+HL    (1)
其中HL是反应副产物。在反应期间，初始表面配体AH消耗，表面被不能进一步与金属前体MLx反应的L配体覆盖。因此，在表面上的所有初始AH配体被AMLx-1物类替代时，反应自终止。在反应阶段后一般接着惰性气体吹扫阶段，其在单独引入第二反应物气态前体材料前从室中除去过量金属前体。
然后使用第二分子前体恢复基材对金属前体的表面反应性。这例如通过除去L配体和再沉积AH配体来进行。在这种情况下，第二前体一般包含所需(通常为非金属)元素A(即O、N、S)和氢(即H2O、NH3、H2S)。下一反应如下：
基材-A-ML+AHγ→基材-A-M-AH+HL    (2)
这将表面转化回其AH-覆盖态。(在此，为简单起见，化学反应不平衡。)将所需附加元素A引入膜，不想要的配体L作为挥发性副产物消除。该反应仍消耗反应性位点(这次为L终止位点)并且当在基材上的反应性位点完全耗尽时自终止。随后在第二吹扫阶段中通过流过惰性吹扫气体从沉积室中除去第二分子前体。
总之，随后，基本ALD法要求按顺序改变化学物质到基材的流量。如上所述，代表性的ALD法是具有四个不同操作阶段的循环：
1.MLx反应；
2.MLx吹扫；
3.AHy反应；和
4.AHy吹扫，随后回到阶段1。
ALD常用于沉积无机化合物，其中金属前体是卤化物、烷氧化物、-二酮化物螯合物或有机金属化合物。当沉积氧化物、氮化物或硫化物时，第二前体通常分别是氧、氮或硫源。尽管较少研究，但有可能通过ALD沉积有机化合物或有机/无机混合层。在这些情况下，仍可以依次交替进行自限制反应，只是通过这种方法制成的限制层可能是分子而非原子的层。因此，这种技术也可以被称作分子层沉积(MLD)，尽管基本概念和沉积设备与ALD方法和设备类似。有机膜的原子层或分子层沉积的一个实例可见于“Atomic layer deposition of polyimide thin films，”MattiPutkonen等人著，The Journal of Materials Chemistry，2007，(7)，664-669。
在插入其间的吹扫操作下交替表面反应和前体移除(这使基材表面恢复至其初始反应态)的这种反复序列是典型的ALD沉积循环。ALD操作的关键特征是使基材恢复至其初始表面化学条件。使用这组反复步骤，可以使膜以化学动力学、每循环的沉积、组成和厚度方面都相同的等计量层形式成层到基材上。
ALD可用作形成多种薄膜电子器件，包括半导体器件和支持电子元件，如电阻器和电容器、绝缘体、总线线路和其它导电结构用的制造步骤。ALD特别适用于形成电子器件的元件中的金属氧化物薄层。可用ALD沉积的功能材料的一般种类包括导体、电介质或绝缘体和半导体。
导体可以是任何可用的导电材料。例如，导体可包括透明材料，如氧化锡铟(ITO)、掺杂的氧化锌ZnO、SnO2或In2O3。导体的厚度可变，根据具体实例，可以为约50至约1000纳米。
可用的半导体材料的实例是化合物半导体，如砷化镓、氮化镓、硫化镉、本征氧化锌和硫化锌。
介电材料电绝缘图形电路的各种部分。介电层也可被称做绝缘体或绝缘层。可用作电介质的材料的具体实例包括锶酸盐(strontiates)、钽酸盐、钛酸盐、锆酸盐、铝氧化物、硅氧化物、钽氧化物、铪氧化物、钛氧化物、硒化锌和硫化锌。此外，可以使用这些实例的合金、组合和多层作为电介质。在这些材料中，铝氧化物是优选的。
介电结构层可以包含两个或更多个具有不同介电常数的层。在在此引入作为参考的美国专利No.5,981,970和在此引入作为参考的同时待审的美国公开No.2006/0214154中论述了这类绝缘体。介电材料一般表现出大于约5eV的带隙。可用的介电层的厚度可变，根据具体实例，可以为约10至约300纳米。
可用上述功能层制造许多器件结构。可通过选择具有适中到不良导电性的导电材料来制造电阻器。可通过在两个导体之间设置电介质来制造电容器。可通过在两个导电电极之间设置两个互补载流子类型的半导体来制造二极管。也可以在互补载流子类型的半导体之间设置本征半导体区域，表明此区域具有少量自由电荷载流子。也可通过在两个导体之间设置单半导体来构造二极管，其中导体/半导体界面之一产生在一个方向强力阻挡电流的肖特基(Schottky)势垒。可通过在导体(栅)上设置绝缘层随后设置半导体层来制造晶体管。如果两个或更多个附加导体电极(源和漏)间隔开地与顶部半导体层接触布置，则可形成晶体管。可以以各种结构产生任何上述器件，只要产生必需的界面。
在薄膜晶体管的典型用途中，需要可以控制流过器件的电流的开关。因此，要求在开关接通时，高电流可以流过器件。电流的程度与半导体电荷载流子迁移率相关。当器件断开时，希望电流极小。这与电荷载流子浓度相关。此外，一般优选的是，可见光几乎或完全不影响薄膜晶体管响应。为实现这一点，半导体带隙必须足够大(＞3eV)，以使可见光曝光不造成带间跃迁。能够产生高迁移率、低载流子浓度和高带隙的材料是ZnO。此外，对于在移动网上的高体积制造，非常合意的是，该方法中所用的化学材料廉价且低毒，这可以通过使用ZnO及其大多数前体实现。
自饱和表面反应使ALD对传送不均匀性相对不敏感，否则，由于工程容限和流系统限制或与表面形貌有关的限制，这可能损害表面均匀性(即，沉积成三维的高长宽比结构)。通常，反应过程中化学品的不均匀流量一般造成在表面区域不同部分上的不同完成时间。然而，借助ALD，允许各反应在整个基材表面上完成。因此，完成动力学的差异不损害均匀性。这是因为，要最先完成反应的区域自终止该反应；其它区域能够继续，直至完全处理过的表面经历预期反应。
通常，ALD法在单一ALD循环(一个循环具有如前所列的编号步骤1至4)中沉积约0.1-0.2纳米膜。必须实现有用且经济可行的循环时间，以便为许多或大多数半导体应用提供约3纳米至30纳米的均匀膜厚度，甚至为其它应用提供更厚的膜。根据工业生产能力标准，基材优选在2分钟至3分钟内处理，这意味ALD循环时间必须为约0.6秒至约6秒。
ALD非常有望提供受控水平的高度均匀薄膜沉积。然而，尽管有其固有的技术能力和优点，但仍有许多技术障碍。一个重要考虑因素涉及所需循环数。由于其反复的反应物和吹扫循环，ALD的有效应用需要能够在快速进行吹扫循环的同时突然将化学品流从MLx变成AHy的装置。常规ALD系统被设计成以所需次序使不同气态物质快速循环到基材上。但是，难以获得以所需速度且在没有一些不想要的混合的情况下将所需系列的气态制剂引入室中的可靠方案。此外，ALD装置必须能够有效可靠地执行这种迅速排序许多个循环以便成本有效地涂布许多基材。
为了使ALD反应在任何给定反应温度下达到自终止所需的时间最小化，一种方法使用所谓的“脉冲”系统使流入ALD反应器的化学品流量最大化。为了使化学品进入ALD反应器的流量最大化，有利的是以最小惰性气体稀释和在高压下将分子前体引入ALD反应器。但是，这些措施妨碍了实现短循环时间和从ALD反应器中快速移除这些分子前体的需要。快速移除反过来要求在ALD反应器中的气体停留时间最小化。气体停留时间τ与反应器的体积V、ALD反应器中的压力P和流量Q的倒数成比例，即：
τ＝VP/Q    (3)
在典型的ALD室中，体积(V)和压力(P)独立受机械和泵送约束条件支配，导致难以将停留时间精确控制至低值。因此，降低ALD反应器中的压力(P)有利于低气体停留时间，并提高从ALD反应器中除去(吹扫)化学前体的速度。相反，使ALD反应时间最小化要求通过利用ALD反应器内的高压使化学前体进入ALD反应器的流量最大化。此外，气体停留时间和化学使用效率都与流量成反比。因此，尽管降低流量可提高效率，但也增加了气体停留时间。
现有ALD方法在缩短反应时间和改进化学利用效率的需要和另一方面使吹扫气体停留时间和化学移除时间最小化的需要之间作出折衷。克服气态材料的“脉冲”输送的固有限制的一种方法是连续提供各反应气体，并使基材接连穿过含有各气体的区域。在这些系统中，必须采用一定机制以将特定气体局限在一空间区域中以使基材可在其移动过程中取样所有气体，但各个会相互反应的气体不能混合以致造成不合意的CVD沉积。这种系统可以被称作空间限定ALD系统。例如，Yudovsky的题为“GAS DISTRIBUTION SYSTEM FOR CYCLICALLAYERDEPOSITION(循环层沉积用的气体分配系统)”的美国专利No.6,821,563描述了在真空下具有供前体和吹扫气体使用的并且与各气体口之间的真空泵口交替的单独气体口的加工室。各气体口将其气体流垂直向下引向基材。单独的气流被壁或间壁隔开，其中真空泵用于在各气流的两侧抽空气体。各间壁的下部延伸接近基材，例如距基材表面约0.5毫米或更大。由此，间壁的下部与基材表面隔开足以允许气流在气流与基材表面反应后围绕朝向真空口的下部流动的距离。
提供旋转式转盘或其它传输装置以固定一个或多个基材晶片。以此布置，使基材在不同气流下穿梭，由此实现ALD沉积。在一个实施方案中，基材以直线路径穿过室，在此基材来回穿过多次。
利用连续气流的另一方法显示在Suntola等人的题为“METHODFOR PERFORMING GROWTH OF COMPOUND THIN FILMS(进行复合薄膜生长的方法)”的美国专利No.4,413,022中。气流阵列具有交替的源气体开口、载气开口和真空排气开口。基材在该阵列上方的往复运动也不需要脉冲操作就实现ALD沉积。在图13和14的实施方案中，特别通过基材在源开口固定阵列上方的往复运动产生基材表面和反应性蒸气之间的依序相互作用。通过在排气开口之间提供载气开口，形成扩散壁垒。Suntola等人声称，此实施方案甚至可在大气压下操作，尽管几乎或完全没有提供此方法的细节或实例。
尽管如‘563Yudovsky和‘022Suntola等人的专利中所述的系统可避免脉冲气体方法固有的一些难题，但这些系统具有其它缺陷。‘563Yudovsky专利的气流输送装置和‘022Suntola等人的专利的气流阵列均不能比约0.5毫米更接近基材使用。‘563Yudovsky和‘022Suntola等人的专利中公开的气流输送装置都没有布置成可能与移动网表面(如可用作形成电子电路、光传感器或显示器用的柔性基材)一起使用。‘563Yudovsky专利的气流输送装置和‘022Suntola等人的专利的气流阵列的复杂布置各自都提供气流和真空，使这些解决方案难以实施，扩大规模的成本高，并限制它们对沉积到有限尺寸的移动基材上的应用的潜在适用性。此外，非常难以在阵列中的不同点保持均匀真空和在补充压力下保持同步气流和真空，因此危害提供到基材表面的气流均匀性。
Selitser的US专利公开No.2005/0084610公开了大气压原子层化学气相沉积法。Selitser声称，通过将操作压力变成大气压，获得反应速率的意外提高，这包括反应物浓度的量级增加，随之提高表面反应物速率。Selitser的实施方案包括用于该方法各阶段的单独的室，尽管2005/0084610中的图10显示了移除室壁的一个实施方案。一系列独立的注射器围绕旋转的圆形基材支架轨道间隔排列。各注射器包括独立操作的反应物、吹扫和排气歧管，并在各基材在该方法中在其下方通过时控制和充当一个完整的单层沉积和反应物吹扫循环。Selitser几乎或完全没有描述气体注射器或歧管的具体细节，尽管声称选择注射器间距以通过各注射器中所含的吹扫气流和排气歧管防止来自相邻注射器的交叉污染。
在上文列举的美国专利申请No.11/392,006中描述了在ALD加工设备中空间限定气体的另一方法，其公开了横流ALD设备。在这种设备中，各种气体彼此平行引导，由此通过限制逆流程度来限制任何气体互混。
允许气体隔离的最有效方法之一是上文列举的美国专利申请No.11/620,744的浮动头ALD设备。在这种设备中，利用流动的反应气体和吹扫气体的压力作为将输送头与基材分隔开的手段。由于在这种系统中可产生的相对较大的压力，迫使气体以边界分明的路径行进并由此消除不想要的气体互混。
在上文提到的浮动型ALD沉积头的操作中，提供允许稳定沉积高品质薄膜的方法是非常重要的。特别重要的是，保持基材与沉积头的分离以使潜在的机械干扰和其它干扰不会造成涂层品质的变动。
发明目的
本发明的目的是，在ALD涂布法中紧邻布置反应性气体时，以相对精确的方式输送气体，在输送头的尺寸范围内具有良好均匀性。
另一目的是提供使基材相对于输送头保持固定间隙并且甚至在外部干扰存在下也有效保持这种间隙的方法。
另一目的是提供使用浮动型沉积头的方法，其中基材可从沉积头上悬挂，通过流体产生的力和由输送头及其操作方案设定的压力保持其位置。
另一目的是提供可用于连续工艺并且可提供与之前的解决方案相比改进的气流分离的ALD沉积方法和装置。
另一目的是提供在操作过程中的工艺条件或环境方面的潜在干扰或不规则变化下更加稳固的ALD沉积方法和装置。
另一目的是在使用浮动输送头的实施方案中提供有利地提供改进的活动性的ALD沉积方法和装置。
发明概述
本发明提供在基材上沉积薄膜材料的装置和方法，包括从薄膜沉积系统的输送头的输出面朝基材表面同时引导一系列气流，其中所述一系列气流包括至少第一反应性气态材料、惰性吹扫气体和第二反应性气态材料。第一反应性气态材料能与用第二反应性气态材料处理过的基材表面反应。本发明特别涉及用于将薄膜材料沉积到基材上的输送设备，包括：
(A)至少第一、第二和第三气态材料的至少第一、第二和第三源；
(B)具有基材表面和单位面积平均重量的基材；
(C)将气态材料输送至用于薄膜沉积的基材表面的沉积头，其包括：
i)分别用于接收第一、第二和第三气态材料的至少第一、第二和第三入口；
ii)至少一个用于排出废气的排气端口(exhaust port)；
iii)邻近基材表面的输出面，其包括多个细长开口，其中
(a)各入口独立地连向沉积头面中的至少一个(优选多个)第一、第二和第三细长输出口(各自与细长发射通道结合或相连)以向基材供应各自的气态材料；且
(b)至少一个排气端口(exhaust port)连向至少两个(优选多个)各自具有相关压力的细长排气口(exhaust openings)，其中布置细长排气口(各自与相应的细长发射通道结合或相连)以使至少第一、第二或第三细长输出口在输出面中位于至少两个(优选多个中的各个)排气口之间；且
其中至少部分通过由一种或多种气态材料流从细长输出口到基材表面产生的压力保持输出面与基材表面之间的基本均匀的距离，且其中以帕斯卡为单位测得的大气压与细长排气口的平均压力之差为也以帕斯卡为单位测得的基材单位面积平均重量的至少两倍。
优选地，输送头包括用于各种用途的多个第一细长发射通道和/或多个第二细长发射通道。但是，在最低程度上，单级输送头可具有例如仅一个金属和或一个氧化剂通道以及至少两个吹扫通道。连接在一起或在同一时期内处理相同基材的多个独立的“输送头子单元”被视为本发明的“输送头”，即使单独构造或在沉积后可分离。
在一个优选实施方案中，第一和第二气态材料可以是可相互反应的气体，且第三气态材料可以是吹扫气体，如氮气。
本发明的另一方面涉及在基材上沉积薄膜材料的方法，包括从薄膜沉积系统的输送头的输出面朝基材表面同时引导一系列气流，其中一系列气流包括至少第一反应性气态材料、惰性吹扫气体和第二反应性气态材料，其中第一反应性气态材料能与用第二反应性气态材料处理过的基材表面反应，其中输送头包括：
(a)分别用于接收第一反应性气态材料、第二反应性气态材料和惰性吹扫气体的至少第一、第二和第三入口；
(b)至少一个用于排出废气的排气端口；
(c)邻近基材表面的输出面，其包括多个细长开口，其中
(i)各入口独立地分别连向至少一个各自与细长发射通道结合的第一、第二和第三细长输出口，以向基材供应各自的气态材料；且
(ii)至少一个排气端口连向至少两个各自与相应的细长排气通道相连或结合的细长排气口，各细长排气口具有相关压力，其中布置细长排气口以使至少第一、第二或第三细长输出口在输出面中位于至少两个细长排气口之间；且
其中至少部分通过由一种或多种气态材料流从细长输出口到基材表面产生的压力保持输出面与基材表面之间的基本均匀的距离，且其中以帕斯卡为单位测得的大气压与细长排气口的平均压力之差为也以帕斯卡为单位测得的基材单位面积平均重量的至少两倍。
在一个优选实施方案中，输出面中的所有射出气流提供基本上用于将基材表面与输送头的面分离的压力，同时一系列排气通道提供防止基材过于远离沉积头表面的吸力。
在另一优选实施方案中，在输出面(即在排气口)处的排气通道吸力大到足以允许基材位于沉积头下方，且该吸力提供对抗重力和防止基材下落所需的大部分力。
在另一实施方案中，系统提供分配头和基材之间的相对振动。在优选实施方案中，该系统可以在正进行薄膜沉积的基材的连续运动下运行，其中该系统能够将在网上或网形式的载体传送经过分配头，优选在处于基本大气压下的非密封环境中。
本发明的一个优点在于，其可以提供非常适合许多不同类型的基材和沉积环境的用于在基材上进行原子层沉积的小型装置。
本发明的另一优点在于，其在优选实施方案中允许在大气压条件下操作。
本发明的又一优点在于，其适合沉积在网上或其它移动基材上，包括沉积到大面积基材上。
本发明的又一优点在于，其可用于大气压下的低温工艺，该工艺可在对环境大气敞开的非密封环境中实施。本发明的方法能够控制之前公式(3)中所示的关系式中的气体停留时间τ，能够降低停留时间τ，且系统压力和体积由单一变量——气流控制。
除非另行指明，本文所用的术语“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“正面”、“背面”或“平行“等参照在理论构造下的输送设备的正面/底部水平面或所处理的基材的顶部水平平行表面，在该理论构造中，输送头垂直位于基材上方，尽管该构造是任选的，例如基材可位于输送头面的上方，或以其它方式定位。
在结合显示和描述了本发明的示例性实施方案的附图阅读下列详述后，这些和其它目的、特征和优点是本领域技术人员显而易见的。
附图简述
尽管本说明书以特别指出并清楚地要求保护本发明主题的权利要求书作为结束，但相信根据结合附图考虑的下列详述，可以更好地理解本发明，其中：
图1是本发明的用于原子层沉积的输送头的一个实施方案的横截面侧视图；
图2是输送头的一个实施方案的横截面侧视图，显示向经受薄膜沉积的基材提供气态材料的一个示例性布置；
图3A和3B是示意性显示附随沉积操作的输送头的一个实施方案的横截面侧视图；
图4是包括任选扩散器单元的沉积系统中的输送头的透视分解图；
图5A是图4的输送头的连接板的透视图；
图5B是图4的输送头的气室板的平面图；
图5C是图4的输送头的气体引导板的平面图；
图5D是图4的输送头的底板的平面图；
图6是显示一个实施方案中输送头上的底板的透视图；
图7是根据一个实施方案的气体扩散器单元的分解图；
图8A是图7的气体扩散器单元的喷嘴板的平面图；
图8B是图7的气体扩散器单元的气体扩散器板的平面图；
图8C是图7的气体扩散器单元的面板的平面图；
图8D是在图7的气体扩散器单元内的气体混合的透视图；
图8E是使用图7的气体扩散器单元的通气路径的透视图；
图9A是在使用垂直取向板的一个实施方案中输送头的一部分的透视图；
图9B是图9A中所示的输送头的部件的分解图；
图9C是显示用堆叠板形成的输送组装件的平面图；
图10A和10B分别是图9A的垂直板实施方案中所用的隔板的平面图和透视图；
图11A和11B分别是图9A的垂直板实施方案中所用的吹扫板的平面图和透视图；
图12A和12B分别是图9A的垂直板实施方案中所用的排气板的平面图和透视图；
图13A和13B分别是图9A的垂直板实施方案中所用的反应物板的平面图和透视图；
图13C是另一取向的反应物板的平面图；
图14是包括浮动输送头的沉积系统的一个实施方案的侧视图，其显示相关距离尺寸和力方向；
图15是显示基材传输系统所用的分配头的透视图；
图16是显示使用本发明的输送头的沉积系统的透视图；
图17是显示施加到移动网上的沉积系统的一个实施方案的透视图；
图18是显示施加到移动网上的沉积系统的另一实施方案的透视图；
图19是具有弯曲输出面的输送头的一个实施方案的横截面侧视图；
图20是使用气垫将输送头与基材分离的一个实施方案的透视图；
图21是显示包括用于移动基材的气流轴承的沉积系统的实施方案的侧视图；且
图22是图1中所示的输送头的放大图。
发明详述
本描述特别涉及形成本发明的装置的一部分或更直接与本发明的装置配合的元件。要理解的是，没有明确显示或描述的元件可呈现本领域技术人员公知的各种形式。
对于下列描述，术语“气体”或“气态材料”在广义上用于包括任何范围的气化或气态元素、化合物或材料。本文所用的其它术语，例如“反应物”、“前体”、“真空”和“惰性气体”均具有材料沉积领域技术人员充分了解的其常规含义。提供的附图不是按比例绘制，而旨在显示本发明一些实施方案的整体功能和结构布置。术语“上游”和“下游”具有与气流方向相关的其常规含义。
本发明的装置显著偏离常规ALD方法，使用用于将气态材料输送至基材表面的改进的分配设备，适用于沉积在更大且网基或网负载的基材上并且能够以改进的生产速度实现高度均匀的薄膜沉积。本发明的装置和方法使用连续(而非脉冲)气态材料分配。本发明的装置允许在大气压或近大气压以及在真空下操作并且能够在非密封或敞开环境中操作。
参照图1，显示本发明的用于在基材20上进行原子层沉积的输送头10的一个实施方案的横截面侧视图。输送头10具有充当用于接收第一气态材料的入口的气体入口管道或端口14、作为接收第二气态材料的入口的气体入口管道或端口16和作为接收第三气态材料的入口的气体入口管道或端口18。这些气体经由具有下述结构布置的细长输出口或通道12在输出面36射出。图1和随后图2-3B中的虚线箭头是指气体从输送头10输送至基材20。在图1中，箭头X也指示排气路径(在该图中显示为向上)和排气口或通道22，它们与提供排气端口的排气管道或端口24连通。为描述的简单起见，在图2-3B中没有标示排气。由于排出气仍可能含有大量未反应前体，允许主要含有一种反应性物类的排出气流与主要含有另一物类的排出气流混合可能是不合意的。因此，公认的是，输送头10可含有几个独立的排气端口。
在一个实施方案中，气体入口管道14和16适用于接收第一和第二气体，它们相继在基材表面上反应以实现ALD沉积，气体入口管道18接收对第一和第二气体呈惰性的吹扫气体。输送头10与基材20间隔距离D，该基材可以如下文更详细描述的那样在基材载体上提供。可以通过基材20的运动、通过输送头10的运动或通过基材20和输送头10两者的运动在基材20和输送头10之间提供往复运动。在图1中所示的具体实施方案中，如图1中箭头A和基材20左右的虚轮廓线所示，基材载体96使基材20以往复方式移过输出面36。应该指出，使用输送头10的薄膜沉积并非总是需要往复运动。也可以提供基材20和输送头10之间的其它类型的相对运动，如下文更详细描述的那样，基材20或输送头10以一个或多个方向移动。此外，如果沉积头含有足够通道或所需涂层足够薄，可以通过单次单向通过涂布系统的长度来实现完全沉积。
图2的截面图显示在输送头10的输出面36的一部分上射出的气流(如前所述省略排气路径)。在这种具体布置中，各细长输出口或通道12如图1中所示与气体入口管道14、16或18之一气流连通。各输出通道12一般输送第一反应物气态材料O或第二反应物气态材料M或第三惰性气态材料I。
图2显示相对基本或简单的气体布置。预计可以在薄膜单沉积中在各个端口相继输送多个非金属沉积前体(如材料O)流或多个含金属的前体材料(如材料M)流。或者，当制造例如具有交替金属层或具有混在金属氧化物材料中的较少量掺杂剂的复杂薄膜材料时，可以在单输出通道施加反应物气体的混合物，例如金属前体材料的混合物或金属和非金属前体的混合物。显著地，标作I的惰性气体(也称作吹扫气体)中间流隔开其中气体可能相互反应的任何反应物通道。第一和第二反应物气态材料O和M相互反应以实现ALD沉积，但反应物气态材料O和M都不与惰性气态材料I反应。图2和下文中所用的术语表明反应物气体的一些典型类型。例如，第一反应物气态材料O可以是氧化性气态材料；第二反应物气态材料M是含金属的化合物，如含锌的材料。惰性气态材料I可以是氮气、氩气、氦气或常用作ALD系统中的吹扫气体的其它气体。惰性气态材料I对第一或第二反应物气态材料O和M呈惰性。第一和第二反应物气态材料之间的反应会形成金属氧化物或其它二元化合物，如在一个实施方案中用在半导体中的氧化锌ZnO或ZnS。多于两种反应物气态材料之间的反应可形成三元化合物，例如ZnAlO。
图3A和3B的截面图以简化示意性形式显示在输送反应物气态材料O和M时在基材20沿输送头10的输出面36经过时进行的ALD涂布操作。在图3A中，基材20的表面首先接收从输出通道12连续射出的氧化材料，被称作输送第一反应物气态材料O。基材的表面现在包括易与材料M反应的材料O的部分反应形式。然后，在基材20进入第二反应物气态材料M的金属化合物的路径时，发生与M的反应，形成金属氧化物或可由两种反应物气态材料形成的一些其它薄膜材料。与常规解决方案不同，图3A和3B中所示的沉积序列对给定基材或其指定区域而言在沉积过程中是连续而非脉冲的。即，在基材20穿过输送头10的表面时，或相反，在输送头10沿基材20的表面通过时，材料O和M连续射出。
如图3A和3B所示，在第一和第二反应物气态材料O和M的流之间的交替输出通道12中提供惰性气态材料I。特别地，如图1所示，在输出通道12之间散置排气通道22，但优选没有真空通道。只需要提供少量抽吸的排气通道22排出从输送头10射出并在加工中用过的废气。
在一个实施方案中，如在此引入其全部内容作为参考的共同待审共同转让的美国专利申请No.11/620,744中更详细描述的那样，对着基材20提供气压，从而至少部分通过施加的压力保持分隔距离D。通过在输出面36和基材20的表面之间保持一定量气压，本发明的装置为输送头10自身或为基材20提供至少一部分空气轴承，或更适当气流轴承。这种布置有助于如下所述简化对输送头10的传输要求。这种允许输送头接近基材以由气压支承它的作用有助于提供气流之间的隔离。通过允许输送头浮在这些流上，在反应流区域和吹扫流区域建立压力场，以致气体在几乎或完全没有其它气流互混的情况下从入口导向排气口。在这种设备中，输送头与基材的这种邻近造成输送头下方相对较高的压力和高压力变动。输送头内不存在气体扩散器系统或不足的气体扩散系统意味着在该输送头内流动的气体几乎不存在压降。在这种情况下，如果随机力造成输送头一侧上的间隙小幅增加，该区域中的压力可能降低且气体可能以太高比例流入该区域。因此，需要气体扩散器以便相对均匀地保持离开该输送头的气流，尽管该输送头下方存在潜在变动。
在一个实施方案中，具有用于提供气态材料(用于薄膜材料沉积到基材上)的输出面的输送设备包括：
(a)多个入口，包括能够分别接收第一气态材料、第二气态材料和第三气态材料的普通供应源的至少第一入口、第二入口和第三入口；和
(b)至少三组细长发射通道，第一组包括一个或多个第一细长发射通道，第二组包括一个或多个第二细长发射通道，第三组包括至少两个第三细长发射通道，第一、第二和第三细长发射通道各自允许与相应的第一入口、第二入口和第三入口之一气流连通；
其中各第一细长发射通道在其至少一个长边上与最近的第二细长发射通道被第三细长发射通道隔开；
其中各第一细长发射通道和各第二细长发射通道位于第三细长发射通道之间，
其中各第一、第二和第三细长发射通道在长度方向延伸且基本平行；
其中这三组细长发射通道的至少一组细长发射通道中的各细长发射通道能够与输送设备的输出面基本垂直地分别引导第一气态材料、第二气态材料和第三气态材料中的至少一种材料的流，该气态材料流能够直接或间接地由至少一组中的各细长发射通道基本垂直于基材表面提供。
在一个实施方案中，至少一部分输送设备以多个带孔板的形式形成，它们叠加限定出互连供应室和引导通道的网络以将第一、第二和第三气态材料各自从其相应入口传送至其相应的细长发射通道。
例如，第一和第二气态材料可以是可相互反应的气体，第三气态材料可以是吹扫气体。
图4的分解图显示，对于一个实施方案中的总组装件的一小部分，输送头10可以如何由一组带孔板构成，并显示气体之一的仅一部分的示例性气体流径。输送头10的连接板100具有一系列输入口104以连至在输送头10上游且未显示在图4中的气体供应源。各输入口104与引导室102连通，引导室102将接收的气体向下游导向气室板110。气室板110具有与气体引导板120上的独立引导通道122气流连通的供应室112。气流从引导通道122进入底板130上的特定细长排气通道134。气体扩散器单元140提供扩散和输入气体的在其输出面36处的最终输送。示例气流F1沿路线经过输送头10的各部件组装件。在本申请中，图4中所示的x-y-z轴方向也适用于图5A和7。
如图4的实例中所示，输送头10的输送组装件150以叠置的带孔板的布置形式形成：连接板100、气室板110、气体引导板120和底板130。在此“水平”实施方案中，这些板基本平行于输出面36放置。气体扩散器单元140也可如下所述由叠置的带孔板形成。可以认识到，图4中所示的任何板本身可由一堆叠置板制成。例如，可有利地由四或五块适当配接在一起的堆叠带孔板形成连接板100。这种类型的布置可以没有用于形成引导室102和输入口104的机械加工或模制方法复杂。
如上所述，用于将薄膜材料沉积到基材上的输送设备可优选包括气体扩散器，其中来自所述第一、第二和第三细长发射通道的多个细长通道的至少一个(优选所有三个)的气态材料能够在从输送设备输送到基材上(包括沉积到基材上)之前通过气体扩散器，其中该输送设备允许各气态材料依次通过各自的入口、细长发射通道和(相对于多个发射通道中的所述至少一个)气体扩散器。气体扩散器可以在多个发射细长通道中的所述至少一个中和/或在发射细长通道上游。
在有利的实施方案中，气体扩散器能够提供高于1x102，优选1x104至1x108，更优选1x105至5x106的随后将描述的摩擦系数。这提供背压并促进至少一个第一、第二和第三气态材料流离开输送设备时的压力均化。
这种摩擦系数假定：下列公式中的特性面积等于所述至少一个多个发射细长通道的各发射细长通道任一侧上的排气细长通道之间的整个面积。换言之，通过连接各自的排气细长通道两端的直线确定该面积。对装置权利要求而言，为了计算装置(与使用方法无关)的摩擦系数，这也假定代表性气体为在25℃的氮气和0.01至0.5米/秒的平均速度。基于流速除以如下定义的特性面积A，计算平均速度。(这些代表数值用于表征与其使用方法无关的输送设备，并且不适用于本发明的方法，其中采用工艺过程中的实际值)。
术语“摩擦系数”可如下解释。当使气流通过通道时，由于扩散器的阻力性质，扩散器上游侧上存在的压力高于下游侧上存在的压力。该压力差已知为是跨过扩散器的压降。
气体扩散器或在输送头中提供背压的其它设备(该扩散器可以是装置、材料或其组合)在通道中提供流阻，同时仍允许流体均匀通过。气体扩散器设备可置于一定形状的流道末端。在不存在气体扩散器的情况下，流体往往可以在任何点离开该通道并且可能不受限制以均匀离开。在气体扩散器存在下，行进到气体扩散器的流体在此遇到强阻力，并通过具有最小阻力的路径沿扩散器的所有区域行进以更均匀离开，这是更流畅更稳定运行所要求的。
由于气体扩散器的所需性能是其流阻，通过流体动力学领域中的公认手段表征这种流阻是方便的(Transport Phenomena，R.B.Bird，W.E.Stewart，E.N Lightfoot，John WiLey & Sons，1960，在此引入作为参考)。跨过扩散器的压降可通过气体扩散器产生的摩擦系数f表征：
f = F k A × K - - - ( 4 )
其中Fk是最终与压降相关的由流体流施加的力，A是特性面积，且K代表流体流的动能。扩散器可呈现许多形状。对如本发明所述的典型系统而言，A垂直于输出流且Fk平行于输出流。因此，术语Fk/A可取为气体扩散器造成的压降ΔP。
该流的动能项是：
K = 1 2 &rho; < v > 2 - - - ( 5 )
其中ρ是气体密度，且<v>是平均速度，等于气态材料流速除以特性面积A。(氮气密度可用于该方法中实际使用的气体的第一次近似，或用作表征输送头装置用的代表性气体。)因此，由气体扩散器引起的压降可折算成：
&Delta;P = 1 2 f&rho; < v > 2 - - - ( 6 )
公式(6)可用于计算摩擦系数f，无量纲数，因为可以如下列实施例中所示经验确定或测量其它系数。
表现出较高摩擦系数的材料或设备表现出较高的气流阻力。可以通过在一定通道中安置扩散器和同时记录压降以及送至扩散器的气体的流速来测量给定扩散器的摩擦系数。根据气体流速和对通道形状的了解，可以计算速度<v>，由此能够由上述公式计算摩擦系数。给定系统的摩擦系数不完全恒定，而是相对较弱地依赖于流速。出于实用目的，唯一重要的是，摩擦系数在给定系统或方法中典型使用的流速下是已知的。对于输送头装置，与方法无关，可以取0.01至0.5米/秒的平均速度<v>作为代表数值。(在该装置的情况下，对于这种代表性范围内的所有平均速度<v>，应该满足所要求保护的摩擦系数。)
在一个实施方案中，合适的气体扩散器能够为通过气体扩散器的气流提供高于1x102，优选1x104至1x108，更优选1x105至5x106的摩擦系数。这提供了所需背压并促进至少一个第一、第二和第三气态材料(优选所有三种气态材料)的气流通过气体扩散器离开该输送设备时的压力均化。
如上所示，用于测定公式(6)的平均速度<v>的特性面积A等于与气体扩散器流体连通的发射细长通道中的各个发射细长通道任一侧上的排气细长通道之间的整个面积。换言之，通过连接各自的排气细长通道两端的直线确定该面积。对装置权利要求而言，这也假定代表性气体为在25℃的氮气。
技术人员可以认识到，典型的随机材料本身不提供必需的摩擦系数。例如，不锈钢多孔筛尽管代表用于典型的机械加工或机械制造元件的相当小的部件，但可能提供太低以致本身不足以用于本发明气体扩散器的摩擦系数。
为了测定摩擦系数，在多数情况下，可以通过使用进入输送头的压力得出良好近似，因为通向气体扩散器的流径的影响相对较小。
气体扩散器设备可以是提供必要摩擦系数的机械成形装置，例如，其中发射细长通道被设计成在经过在固体材料中包括开口的气体扩散器元件后向基材间接提供第一、第二和第三气态材料。例如，固体材料可以是钢，并通过模制、机械加工、施加激光或光刻等形成开口。
或者，气体扩散器设备可以包括多孔材料。代替固体材料中的机械加工孔，可以使用具有微孔的多孔材料产生所需背压。所造成的入口气体的均匀分布改进沉积生长的均匀性，以及在某些实施方案中，实现浮动头的更好浮动。多孔材料有利于提供相对简单的装置，其避免了钢和类似物的困难的机械加工。
在文献中，多孔材料已用于制造用于空气轴承的背压，但这类应用不涉及横流(即横向气体运动)。因此，可以使用烧结氧化铝粒子形成用于空气轴承的膜。但是，在本发明的ALD系统的优选实施方案中，气体优选基本垂直地从出口流出，且可能造成气体混合的无意横向运动极小或不存在。因此，以基本垂直的管状开口或孔隙引导气流的多孔材料尤其合适和有利。
多孔材料也已用于过滤器，其中目的是使流的一种组分留在一侧，同时使另一组分穿过。相反，在本发明中，目的是对整个气态材料流的适中阻力。为此，两种优选类型的多孔材料如下：
第一优选类型的多孔材料包括具有均匀的受控直径、柱形孔隙结构的多孔材料。在由这类材料制成的膜(或层)中，基本单向流过该膜，在孔隙通道之间基本没有任何横流。通过高纯铝的阳极化形成的氧化铝在文献中以其孔径的均匀性著称(尽管孔隙的横截面形状不一定是圆形或规则的)，这类材料可以以0.02、0.1和0.2微米的直径购得。ANOPORE氧化铝(一种市售氧化铝)中的孔隙相当致密，1.23x 109个孔隙/平方厘米(J Chem Phys，V.96，第7789页，1992)。但是，可以制造多种孔径和孔隙间距。多孔材料也可以由钛氧化物、锆氧化物和锡氧化物形成(Adv.Materials，V.13，第180页，2001)。具有柱形孔隙的另一市售材料是由被称作NUCLEOPORE的薄微孔聚碳酸酯膜材料制成的聚碳酸酯径迹蚀刻(PCTE)膜。嵌段共聚物可形成具有多种可调谐性的类似构造。
因此，在优选实施方案中，气体扩散器包括含有隔离的非连接孔隙结构的多孔材料，其中孔隙基本垂直于表面，例如阳极氧化铝。
在所有这些材料中，必须调节孔径和孔隙密度(或孔体积)的精确范围以实现对所需流而言适当的摩擦系数。最好避免扩散膜与流动气体的反应性。例如对无机氧化物而言，潜在问题可能小于有机基材料。
此外，膜必须具有一定机械韧性。流动的气体在膜上施加压力。可以通过支承膜实现韧性，以便由具有较小孔隙的层以及具有较大孔隙的更稳固层产生摩擦系数。
在第二优选类型的多孔材料中，制造多孔材料以使该流可以是各向同性的，即在该膜内部以及穿过该膜横向运动。但是，为了本发明目的，这种各向同性流动的材料优选被无孔材料上的壁(例如肋条)分隔，它们将各输出通道中的气态材料与另一输出通道中的气态材料隔开并防止气态材料在气体扩散器中或在离开气体扩散器或输送头时混合。例如，这类多孔材料可以由有机或无机的小粒子烧结。烧结通常包括施加足以粘结粒子的热和/或压力，优选两者。多种这样的多孔材料可购得，例如多孔玻璃(VYCOR例如具有28％的空隙体积)和多孔陶瓷。或者，可以压缩纤维材料以制造紧密网络来限制或阻挡气流。或者，可以通过等离子体涂布到随后移除的基材上来形成多孔不锈钢。
在一个实施方案中，为了在仍提供气体通道之间的相对隔离的同时产生合适背压，可以使用以产生可用孔隙的方式处理过的聚合材料，例如经处理产生孔隙的TEFLON材料(GoreTex，Inc.；Newark，Delaware)。在这种情况下，孔隙可能不互连。此外，这类材料的天然化学惰性是有利的。
多孔材料可以包括由粒子之间的间隙形成的孔隙、通过成孔剂或其它手段在固体材料中形成的互连空隙形式的孔隙、或由微米级或纳米级纤维形成的孔隙。例如，多孔材料可以由通过烧结、通过压力和/或热、胶粘材料或其它粘合手段团聚在一起的无机或有机粒子之间的间隙形成。或者，多孔材料可获自聚合物膜的加工以产生孔隙。
在一个实施方案中，气体扩散器设备包括含有通过汞侵入孔隙率测量法测得的平均直径小于10,000纳米，优选10至5000纳米，更优选平均直径为50至5000纳米的孔隙的多孔材料。
多孔材料在气体扩散器设备中的各种构造是可行的。例如，多孔材料可包括一个或多个不同多孔材料层或由多孔或穿孔片负载的多孔材料层，这些层任选被间隔元件隔开。多孔材料优选包括5至1000微米厚，优选5至100微米厚，例如约60微米厚的层。在一个实施方案中，多孔材料可以是覆盖输送组装件的面的至少一个水平布置的层形式并包括使气态材料从中离开输出面的输送设备部分。
多孔材料可以形成连续层，任选在其中机械形成通道。例如，气体扩散器的多孔层可以包括用于使排出气态材料相对无阻地向回流过该输送设备的机械成形开口或细长通道。或者，多孔材料层可以是一堆板中的基本完全连续的板形式。
在再一实施方案中，多孔材料可以引入细长发射通道或出自细长发射通道的流径中的其它壁分隔通道内或在其内形成，例如通过引入通道的粒子的粘合或烧结。通道可以至少部分被多孔材料填充。例如，扩散器元件或其一部分可以由钢板中的细长通道形成，在其中引入粒子并随后烧结。
由此，气体扩散器设备可以是元件组装件，其中多孔材料容纳在分离的限定区域。例如，多孔氧化铝材料可以生长到预先机械加工的铝件上以使所得多孔结构具有用于吹扫通道的大孔和用于供应气体的垂直孔隙板。
图5A至5D显示合并形成图4的实施方案中的输送头10的各主要部件。图5A是显示多个引导室102和入口104的连接板100的透视图。图5B是气室板110的平面图。在一个实施方案中，供应室113用于输送头10的吹扫或惰性气体。在一个实施方案中，供应室115为前体气体(O)提供混合；排气室116为此反应性气体提供排放路径。类似地，供应室112提供其它所需反应气体，第二反应物气态材料(M)；排气室114为此气体提供排放路径。
图5C是此实施方案中输送头10的气体引导板120的平面图。提供第二反应物气态材料(M)的多个引导通道122被布置为用于将适当供应室112(在此视图中未显示)与底板130连接的图案。相应的排气引导通道123位于引导通道122附近。引导通道90提供第一反应物气态材料(O)并具有相应的排气引导通道91。引导通道92提供第三惰性气态材料(I)。必须再次强调，图4和5A-5D显示一个示例性实施方案，许多其它实施方案也是可行的。
图5D是输送头10的底板130的平面图。底板130具有与细长排气通道134交错的多个细长发射通道132。因此，在此实施方案中，有至少两个细长的第二发射通道，各个第一细长发射通道在其两个长边上都与最近的第二细长发射通道被首先细长排气通道和其次第三细长发射通道隔开。更特别地，有多个第二细长发射通道和多个第一细长发射通道；其中各个第一细长发射通道在其两个长边上都与最近的第二细长发射通道被首先细长排气通道和其次第三细长发射通道隔开；且其中各个第二细长发射通道在其两个长边上都与最近的第一细长发射通道被首先细长排气通道和其次第三细长发射通道隔开。明显地，该输送设备仍然可以在最靠近输送设备输出面边缘(图5D中的上缘和下缘)的一侧上分别没有第二或第一细长发射通道的输送头两端的各端上，包括第一或第二细长发射通道。
图6是显示由水平板形成的底板130并显示输入口104的透视图。图6的透视图显示从输出侧观察并具有细长发射通道132和细长排气通道134的底板130的外表面。参照图4，图6的视图从面向基材方向的一侧获取。
图7的分解图显示用于形成如图4的实施方案和随后描述的其它实施方案中所用的机械气体扩散器单元140的一个实施方案的部件的基本布置。这些包括喷嘴板142、气体扩散器板146和面板148。喷嘴板142靠着底板130安装，并从细长发射通道132获得其气流。在图8A中所示的实施方案中，喷嘴孔形式的第一扩散器输出通道143提供所需气态材料。如下文所述在排气路径中提供狭槽180。
图8B中所示的气体扩散器板146(其与喷嘴板142和面板148协作扩散)靠着喷嘴板142安装。优化喷嘴板142、气体扩散器板146和面板148上的各种通道的布置以便提供所需量的气流扩散，并同时有效引导排气离开基材20的表面区域。狭槽182提供排气端口。在所示实施方案中，形成第二扩散器输出通道147的供气槽和排气槽182在气体扩散器板146中交替。
图8C中所示的面板148随后面对基材20。对于此实施方案，用于提供气体的第三扩散器通道149和排气槽184再次交替。
图8D集中于通过气体扩散器单元140的气体输送路径；图8E随后以相应方式显示排气路径。参照图8D，对于一组代表性的气口，显示在一个实施方案中用于作为输出流F2的反应气体的充分扩散的总体布置。通过喷嘴板142上的第一扩散器通道143提供来自底板130的气体(图4)。该气体向下游进入气体扩散器板146上的第二扩散器通道147。如图8D中所示，在一个实施方案中，在通道143和147之间可存在垂直偏移(即，使用图7中所示的水平板布置，垂直是与水平板的平面正交)，有助于产生背压，并因此有助于更均匀的流动。该气体随后进一步向下游进入面板148上的第三扩散器通道149，以提供输出面中的输出通道12。不同的扩散器通道143、147和149不仅可以空间错位，还可具有不同几何形状以助于气态材料在流过输送头时的分子间混合和均匀扩散。
在图8D的布置的具体情况中，大部分背压由形成通道143的喷嘴孔产生。如果在没有后继通道147和149的情况下将这种气体导向基材，出自喷嘴孔的气体的高速可能造成不均匀。因此，通道147和149有助于改进气流的均匀性。或者，涂布设备可以仅与喷嘴基背压发生器一起操作，由此以轻微的涂布不均匀性为代价消除通道147和149。
喷嘴板142中的喷嘴孔可具有适合生成背压的任何尺寸。这些孔的平均直径优选小于200微米，更优选小于100微米。此外，背压发生器中的孔的使用是方便但不必须的。也可以通过其它几何构造，如狭缝产生背压，只要选择尺寸以提供所需背压。
图8E象征性描绘类似实施方案中用于排出气体的排气路径，在此，下游方向与供应气体的方向相反。流F3指示排出的气体分别通过顺序的第三、第二和第一排气槽184、182和180的路径。与用于供气的流F2的更迂回混合路径不同，图8E中所示的排气布置旨在从表面快速移走废气。因此，流F3相对直接，从基材表面排走气体。
因此，在图4的实施方案中，来自第一、第二和第三细长发射通道132中的各个细长发射通道的气态材料能够在从输送设备送至基材之前单独地经过气体扩散器单元140，其中输送设备允许各气态材料依次通过各自的入口、细长发射通道和气体扩散器单元140。气体扩散器单元在此实施方案中是用于三种气态材料每个的气体扩散器设备，尽管也可以使用不形成共同组装件的单独或分立的扩散器元件。扩散器元件也可以与排气通道结合或置于排气通道内。
在此实施方案中，气体扩散器单元140也是设计成可与输送头10的其余部分-输送组装件150分离并基本覆盖第一、第二和第三气态材料在输送设备中在气体扩散器元件之前的最终开口或流道的单元。因此，气体扩散器单元140基本提供第一、第二和第三气态材料在从输送设备的输出面送至基材之前的最终流径。但是，该气体扩散器元件也可以被设计成输送头10的不可分离部件。
特别地，图7的实施方案中的气体扩散器单元140包括在三个垂直布置的气体扩散器部件(或板)中的互连垂直叠加通道，一起提供气态材料的流径。气体扩散器单元140提供被基本水平流径隔开的两个基本垂直流径，其中各基本垂直流径由在两个元件中纵向延伸的一个或多个通道提供，其中各基本水平流径在两个平行气体扩散器部件的平行表面区域之间的薄空间中。在此实施方案中，三个基本水平延伸的扩散器部件是基本平坦的堆叠板，并由位于相邻的平行气体扩散器部件-喷嘴板142和面板148之间的中心气体扩散器部件(气体扩散器板146)的厚度限定相对较薄的空间。但是，图7中的两个板可以换成单个板，其中气体扩散器板146和面板148例如机械加工或以其它方式成形成单个板。在这种情况下，气体扩散器的单个元件或板可以具有多个通道，它们各自在与相连的细长发射通道平行截取的板厚度的垂直横截面中形成与在板的一个表面敞开的板表面平行的细长通道，该细长通道在其一端整体连接到通向该板另一表面的窄垂直通道上。换言之，单个元件可以将图8D的第二和第三扩散器通道147和149合并成单个元件或板。
因此，本发明的气体扩散器单元可以是多级系统，其包括一系列至少两个基本水平延伸的扩散器部件，它们具有在与输送设备(例如堆叠板)的面正交的方向中彼此面对的平行表面。通常，与第一、第二和第三发射通道的各细长发射通道相连地，气体扩散器在至少两个垂直布置的气体扩散器板中分别包括垂直叠加或叠置的通道，它们一起提供气态材料的流径，包括被基本水平流径隔开的两个基本垂直流径，其中各基本垂直流径由纵向延伸的一个或多个通道或通道部件提供，且其中各基本水平流径由平行板中的平行表面区域之间的薄空间提供，其中垂直是指相对于输送设备的输出面的正交方向。术语“分通道”是指元件中不一直通过该元件的通道部分，例如，通过将图8D的第二和第三扩散器通道147和149合并成单个元件或板而形成的两个分通道。
在图7的具体实施方案中，气体扩散器分别在三个垂直布置的气体扩散器板中包括三组垂直叠加的通道，其中由位于两个平行气体扩散器板之间的中心气体扩散器板的厚度限定相对较薄的空间。三个扩散器部件中的两个，依次为第一和第三扩散器部件，各自包括纵向延伸的通道以使气态材料通过，其中第一扩散器部件中的通道相对于第三扩散器部件中的相应(互连)通道水平偏移(在与纵向长度垂直的方向上)。在图8D中可以更好地看出这种偏移(在通道143和通道149之间)。
此外，位于第一和第三扩散器部件之间的顺序第二气体扩散器部件包括通道147，各自为比各第一和第三扩散器部件中的通道宽度更宽的细长中心开口形式，以便通过两个长边限定中心开口并在从气体扩散器上方向下看时在其边界内分别含有第一扩散器部件和第三扩散器部件的互连通道。因此，气体扩散器单元140能够显著偏转穿过其的气态材料流。优选地，该偏转角度为45至135度，优选约90度，从而相对于输出面和/或基材的表面将垂直气流变成平行气流。由此，气态材料流可以基本垂直通过第一和第三气体扩散器部件中的通道并在第二气体扩散器部件中基本水平。
在图7的实施方案中，第一气体扩散器部件中的多个通道各自包括沿长边延伸的一系列孔或穿孔，其中第三扩散器部件中的相应互连通道是细长矩形狭槽，其任选在末端不是正方形。(因此，第一气体扩散器部件中的多于一个通道可以与随后的气体扩散器部件中的单个通道连接。)
或者，如上所述，气体扩散器可以包括多孔材料，其中设计该输送设备以使各个发射细长通道在穿过各个发射细长通道内和/或各发射细长通道上游的多孔材料后向基材间接提供气态材料。多孔材料通常包括由化学转化形成或存在于天然形成的多孔材料中的孔隙。
再参照图4，可将显示为连接板100、气室板110、气体引导板120和底板130的部件的组合集合以提供输送组装件150。输送组装件150可能有其它实施方案，包括使用图4的坐标布置和视图，由垂直而非水平的带孔板形成的组装件。
用于输送头10的带孔板可以以许多方式形成和结合在一起。有利地，可以使用已知方法，如顺序冲模、模制、机械加工或冲压单独地制造带孔板。带孔板的组合可以从图4和9A-9B的实施方案中所示的那些广泛变动，用任何数量的板，如5至100个板形成输送头10。在一个实施方案中使用不锈钢并因其耐化学和耐腐蚀性而有利。通常，带孔板是金属的，尽管陶瓷、玻璃或其它耐用材料可能也适用于形成一部分或全部带孔板，这取决于用途和取决于沉积法中所用的反应物气态材料。
为了组装，可以将带孔板胶合或使用机械紧固件如螺栓、夹具或螺丝钉接合在一起。为了密封，带孔板可以用合适的粘合剂或密封剂材料，如真空润滑脂涂布表皮。可以使用环氧树脂，如高温环氧树脂作为粘合剂。也已经利用熔融聚合物材料，如聚四氟乙烯(PTFE)或TEFLON的粘合性能将输送头10用的叠置带孔板粘合在一起。在一个实施方案中，在输送头10中所用的各带孔板上形成PTFE涂层。堆叠(叠置)这些板并在PTFE材料熔点(标称327℃)附近施加热的同时压在一起。热和压力的组合随后由涂布的带孔板形成输送头10。该涂料既充当粘合剂又充当密封剂。或者，KAPTON和其它聚合物材料可以可替换地用作粘合用的间隙涂料。
如图4和9B中所示，带孔板必须以适当次序组装在一起以形成将气态材料传送至输出面36的互连供应室和引导通道的网络。当组装在一起时，可以使用提供定位销或类似部件的固定装置，其中带孔板中孔和狭槽的布置与这些定位部件配合。
参照图9A，由底视图(即，从气体发射侧观察)显示可用于输送组装件150的备选布置，其使用相对于输出面36垂直安置的一堆垂直安置板或叠置带孔板。为了说明的简单起见，图9A的“垂直”实施方案中所示的输送组装件150部分具有两个细长发射通道152和两个细长排气通道154。图9A至13C的垂直板布置容易扩展以提供多个发射和排气细长通道。采用如图9A和9B中的相对于输出面36的平面垂直布置的带孔板，形成具有由随后更详细显示的隔板限定的侧壁的各细长发射通道152，其中反应物板位于隔板中间。孔的适当对准随后提供了与气态材料供应源的流体连通。
图9B的分解图显示用于形成图9A中所示的一小部分输送组装件150的带孔板的布置。图9C是显示具有五个发射气体通道并用堆叠带孔板形成的输送组装件150的平面图。图10A至13B随后以平面图和透视图显示各种板。为简单起见，对各类型的带孔板给出字母名称：隔板S、吹扫P、反应物R和排气E。
在图9B中从左到右为隔板160(S)，其也显示在图10A和10B中，交替位于用于将气体引向或引离基材的板之间。吹扫板162(P)显示在图11A和11B中。排气板164(E)显示在图12A和12B中。反应物板166(R)显示在图13A和13B中。图13C显示由图13A的反应物板166水平翻转而得的反应物板166’；这种备选取向也可按需要用于排气板164。在板叠置时，各板中的孔168对准，由此形成能使气体通过输送组装件150进入细长发射通道152和细长排气通道154的管，如参照图9A描述的那样。(术语“叠置”具有其常规含义，其中元件彼此叠加以使一个元件的部分与另一元件的相应部分对准，且它们的周界通常一致。)
回到图9B，只显示输送组装件150的一部分。这部分的板结构可用此前指定的字母缩写表示，即：
S-P-S-E-S-R-S-E-S
(此序列中的最后一个隔板未显示在图9A或9B中)。如该序列所示，隔板160(S)通过形成侧壁限定各通道。为典型的ALD沉积提供两种反应性气体以及必要的吹扫气体和排气通道的最小限度的输送组装件150可以用下列完整的缩写序列表示：
S-P-S-E1-S-R1-S-E1-S-P-S-E2-S-R2-S-E2-S-P-S-E1-S-R1-S-E1-S-P-S-E2-S-R2-S-E2-S-P-S-E1-S-R 1-S-E1-S-P-S
其中R1和R2代表供所用的两种不同反应物气体用的不同取向的反应物板166，E1和E2相应地代表不同取向的排气板164。
细长排气通道154不需要是常规意义上的真空口，但可以简单地提供以抽去其相应输出通道12中的气流，从而有利于该通道内的均匀流型。仅略小于相邻细长发射通道152中的气压负数的负抽吸能够有助于促进有序流。该负抽吸可例如用0.2至1.0大气压的源(例如真空泵)抽吸压力操作，而典型真空例如低于0.1大气压。
输送头10提供的流型的使用提供优于将气体逐一脉冲送入沉积室的常规方法(如之前在背景部分中提到的那些)的许多优点。沉积装置的灵活性改进，且本发明的设备适用于其中基材尺寸超过沉积头尺寸的高体积沉积用途。流体动力学也优于之前的方法。
本发明中所用的流布置如图1中所示允许输送头10和基材20之间存在极小距离D，优选小于1毫米。输出面36可非常接近基材表面放置，在约1密耳(约0.025毫米)内。反应物气流产生的气压有利于这种靠近放置。比较起来，CVD装置需要明显更大的分离距离。之前的方法，如前文引用的Yudovsky的美国专利No.6,821,563中所述的方法，仅限于0.5毫米或更大的与基材表面的距离，而本发明的实施方案可以以小于0.5毫米，例如小于0.450毫米实施。实际上，在本发明中优选使输送头10更接近基材表面。在一个特别优选的实施方案中，与基材表面的距离D可为0.20毫米或更小，优选小于100微米。
合意的是，在堆叠板实施方案中组装大量板时，输送至基材的气流在输送气流(I、M或O材料)的所有通道中均匀。这可以通过适当设计带孔板来实现，如在各板的流型的一定部分中具有精确机械加工以便为各发射细长输出通道或排气通道提供可再现的压降的限制(restrictions)。在一个实施方案中，输出口或通道12沿开口长度表现出基本相等的压力，在不大于约10％的偏差内。可提供甚至更高的容限，如允许不大于约5％或甚至小到2％的偏差。
尽管使用堆叠带孔板的方法是特别有用的构造输送头的方式，但有许多其它方式可用于构造备选实施方案中可用的这类结构。例如，装置可由金属块或粘在一起的几个金属块的直接机械加工构成。此外，可以如技术人员理解的那样使用涉及内模部件的模制技术。也可以使用众多立体平版印刷技术的任意者构造该装置。
在图14中，显示代表性数量的输出通道12和排气通道22。来自一个或多个输出通道12的射出气体的压力如该图中的向下箭头所示产生力，且任选弹簧170产生相反方向的力以助于流体轴承效应。为了使这种力对输送头10提供有用的缓冲或“空气”轴承(流体气体轴承)效应，必须有足够的着陆面积，即沿着输出面36能与基材紧密接触的实际表面面积。着陆面积的百分比相当于允许在其下方积累气压的输出面36实面积的相对量。最简单地说，着陆面积可计算为输出面36的总面积减去输出口或通道12和排气口或通道22的总表面面积。这意味着排除宽度为w1的输出通道12的气流面积或宽度为w2的排气通道22的气流面积的总表面面积必须尽可能最大。在一个实施方案中提供95％的着陆面积。另一些实施方案可使用较小着陆面积值，例如85％或75％。为了改变分离或缓冲力并由此改变距离D，也可以调节气体流速。
可以认识到，提供流体气体轴承是有利的，从而使输送头10基本保持在基材20上方的距离D处。这允许输送头10借助任何合适类型的传送机构基本无摩擦地移动。随后在前后引导输送头10时使其在基材20的表面上方“盘旋”，从而在材料沉积过程中扫过基材20的表面。
在一个这样的实施方案中，由于分离距离D相对较小，距离D的甚至小变化(例如甚至100微米)也要求用于提供该分离距离D的流速和因此气压的显著变化。例如，在一个实施方案中，分离距离D的翻倍(包括小于1毫米的变化)必然要求用于提供该分离距离D的气体流速多于翻倍，优选多于四倍。作为一般原理，使分离距离D最小化和因此在更低流速下运行实际上被认为更有利。
图22显示如图1中所示的输送头(10)的放大图，集中于包括供应或输出通道12和排气通道22的单个沉积段。由于沉积头的对称性，可以通过仅考虑由延伸至一组供应口和排气口的中部的虚线(x10)限定的输送头中心元件来进行测定该输送头的近似浮动性能的分析计算。通过该系统中存在的力的平衡使基材20与输送头保持固定间隙。力的平衡包括三个分量。当它们用于将基材推向与沉积头接触时，力被定义为正。
第一力来自涂布气体的压力，其往往将基材推离输送头。这种压力沿长度L连续变化，最大压力Pin由供应气造成，最小压力Pout由来自排气端口的抽吸造成。这种压力在基材上造成的力是平均压力(适当积分)乘以由线x10限定的区段的活性面积A，活性面积A是L乘以宽度W。
第二力来自作用于不与沉积头接触的基材表面的大气压Patm的效应。这种力简单地是大气压乘以面积A。这种力始终为正。
第三力Fm含有该系统中存在的任何附加机械力。这些力可能来自重力，或造成基材相对于沉积头的位置改变的任何其它机械力、磁性力或电力的施加。该力在这种情况下必须被视为施加到涂层的区段A上的成比例的力。
在排气端口上存在吸力的情况下，通过实验设备设定排气区压力值Pout。对于下列计算，Pout的值是输出面上紧邻排气通道的压力值。在本发明的输送头的大多数实际使用中，不能在输出面测量排气压力，而是通过位于输送头排气端口处的测压装置测量。由于设计良好的输送头中的气流限制出现在输出面紧密接触基材处，由输送头内部的气流引起的压降应极低，因此在排气端口处测得的压力应非常接近输出面处的，考虑以在输送头的排气端口处测得的压力代表Pout是可接受的。
在典型的输送头构造中，许多细长排气通道通向较少排气端口。在输出面上的细长排气通道处可能存在实际压力的轻微变化。对本发明而言，假定Pout值可以由在连向所有细长排气通道的所有排气端口上获取的平均压力代表是足够的。
为了约计由输送头和基材之间的涂布气体流引起的压力，几何构造可以被认为是通过狭缝的气流。狭缝长度是L、狭缝厚度是2h，狭缝宽度是W。通过这种狭缝的体积流Q被定义为(Transport phenomena.Bird RB，Stewart W E & Lightfoot E N.New York：John Wiley and Sons，1960.第62页)：
Q = 2 3 ( P in - P out ) h 3 W &mu;L - - - ( 7 )
其中μ是气体粘度。
上述力平衡是指，当
PatmA+Fm-PhA＝0    (8)
时，实现基材和输送头之间的稳定间隙。
公式(7)预计，如果沿长度L取样压力，其具有直线型。因此，涂布气体产生的平均压力Ph简单地为：
P h = ( P in + P out 2 ) - - - ( 9 )
公式(8)和(9)可以代入公式(7)中并重排以作为已知变量和参数的函数解出狭缝(间隙)厚度的一半h：
h = 3 Q&mu;L 4 W ( P atm + F m A - P out ) 3 - - - ( 10 )
为了使基材与输送头保持固定距离和为了稳定控制这种距离，希望浮动头以真空预载模式操作。在真空预载模式中，绝对压力Pout小于大气压。在这种情况下，只要机械份额Fm/A小于Patm和Pout之差，基材将被压近输送头但仍在气压作用下浮起，但需要力以使其移开此位置。
当公式(10)的分母中的项达到0时，出现临界点，此时基材不再靠近输送头。当
F m A = P out - P atm - - - ( 11 )
时，满足该条件。
基材本身的重量显著影响Fm。项Fm/A是：
F m A = t &times; &rho; sub &times; g
其中t是基材厚度，ρsub是基材密度，且g是重力加速度。假定典型基材的厚度可以为100微米至2000微米且密度可以为1至10千克/立方米，Fm/A的值典型地为1至200Pa。
为使该系统对通常与基材重量相关的机械微扰不敏感，希望Patm-Pout超过Fm/A 2倍，优选10倍。
在这种状况下另一操作益处是基材可以从输送头上悬挂。
输送头10可以相对于基材20以某种其它的取向放置。例如，可以通过与重力相反的流体气体轴承效应负载基材20，以使基材20可以在沉积过程中沿输送头10运动。利用流体气体轴承效应沉积到基材20上且基材20气垫在输送头10上方的一个实施方案显示在图20中。基材20沿所示双箭头方向移过输送头10的输出面36。
图21的备选实施方案显示在基材载体74(如网载体或辊)上的基材20，其以方向K在输送头10和气体流体轴承98之间运动。在这种情况中，可以独自使用空气或另一惰性气体。在这种实施方案中，输送头10具有空气轴承效应并与气体流体轴承98配合以保持输出面36和基材20之间的所需距离D。气体流体轴承98可以使用惰性气体或空气或某种其它气态材料的流F4引导压力。要指出的是，在本发明沉积系统中，基材载体或支架可以在沉积过程中与基材接触，该基材载体可以是用于传送基材的装置，例如辊。因此，被处理的基材的隔热不是本系统的要求。
如特别参照图3A和3B描述的那样，输送头10要求相对于基材20的表面运动以实施其沉积功能。这种相对运动可以以许多方式获得，包括输送头10和基材20之一或两者的运动，例如通过提供基材载体的装置的运动。根据需要多少个沉积循环，运动可以是摆动或往复运动，或可以是连续运动。也可以使用基材旋转，特别是在间歇法中，尽管连续法是优选的。可以将传动装置连接到输送头主体上，如机械连接。备选地可以使用交变力，如改变磁力场。
通常，ALD需要多个沉积循环，对于每个循环建立受控膜深度。使用之前给出的气态材料类型的命名法，单个循环可例如在简单设计中施加一次第一反应物气态材料O和施加一次第二反应物气态材料M。
O和M反应物气态材料的输出通道之间的距离决定完成各循环所需的往复运动距离。例如，图4的输送头10可在反应物气体通道出口和相邻吹扫通道出口之间具有0.1英寸(2.54毫米)宽的标称通道宽度。因此，为了往复运动(沿本文所用的y轴)以允许相同表面的所有区域经受完整的ALD循环，需要至少0.4英寸(10.2毫米)的一个行程。对于此实例，移过此距离的基材20的区域暴露在第一反应物气态材料O和第二反应物气态材料M两者中。或者，输送头可在其行程中移动大得多的距离，甚至从基材一端移到另一端。在这种情况下，生长的膜可以在其生长过程中暴露在环境条件下，以致在许多使用环境中不会造成不良作用。在一些情况下，均匀性的考虑可能要求随机测量各循环中往复运动的量，例如以降低边缘效应或沿往复运动末端的累积。
输送头10可以只有足以提供单循环的输出通道12。或者，输送头10可具有多循环布置，以使其能够覆盖更大沉积区域或使其能够在一定距离上往复运动以在穿越往复运动距离一次时允许两个或多个沉积循环。
例如，在一个具体应用中，据发现，各O-M循环在约1/4的处理表面上形成一个原子直径的层。因此，在这种情况下，需要4个循环在所述处理表面上形成一个原子直径的均匀层。类似地，在这种情况下，为了形成10个原子直径的均匀层，需要40个循环。
本发明的输送头10所用的往复运动的优点在于，其允许沉积到面积超过输出面36的面积的基材20上。图15示意性显示可如何利用沿箭头A所示的y轴的往复运动以及相对于x轴垂直于或横穿该往复运动的运动实现这种较宽面积覆盖。还必须强调的是，可以通过输送头10的运动、或通过由提供运动的基材载体74提供的基材20的运动、或通过输送头10和基材20两者的运动，实现如图15中所示的x或y方向的运动。
在图15中，输送头和基材的相对运动方向彼此垂直。这种相对运动也可以平行。在这种情况下，相对运动需要具有代表摆动的非零频率分量和代表基材位移的零频率分量。这种组合可如下实现：摆动与在固定基材上的输送头位移的组合；摆动与相对于固定基材输送头的基材位移的组合；或其中通过输送头和基材两者的运动提供摆动和固定运动的任何组合。
输送头10可以有利地以比很多类型的沉积头可能的尺寸更小的尺寸制造。例如，在一个实施方案中，输出通道12的宽度w1为约0.005英寸(0.127毫米)，长度延伸至约3英寸(75毫米)。
在一个优选实施方案中，可以在大气压或接近大气压下及在环境温度和基材温度的宽范围内(优选在低于300℃的温度下)进行ALD。优选需要相对洁净的环境以使污染可能性最小化；然而，在使用本发明装置的优选实施方案时，获得良好性能不需要完全“净室”条件或惰性气体填充的外壳。
图16显示具有用于提供相对良好受控和无污染物的环境的室50的原子层沉积(ALD)系统60。气体供应源28a、28b和28c通过供应线32向输送头10提供第一、第二和第三气态材料。挠性供应线32的任选使用有助于输送头10的移动容易。为简单起见，在图16中未显示任选的真空蒸气回收装置和其它载体部件，但也可以使用。传送子系统54提供基材载体，其沿输送头10的输出面36传送基材20，从而使用本公开中所用的坐标轴系统提供x方向的运动。可以通过控制逻辑处理器56，如计算机或专用微处理器组装件提供运动控制以及阀和其它承载部件的全面控制。在图16的布置中，控制逻辑处理器56控制用于为输送头10提供往复运动的传动装置30，也控制传送子系统54的传送电动机52。传动装置30可以是适合使输送头10沿活动基材20(或者沿静止基材20)前后运动的任何装置。
图17显示薄膜沉积到网基材66上用的原子层沉积(ALD)系统70的备选实施方案，该基材66沿充当基材载体的网传送器62传送通过输送头10。网本身可以是被处理的基材，或可以为基材，即另一网或独立的基材，例如晶片提供支承。输送头传送装置64以横穿网移动方向的方向横跨网基材66的表面传送输送头10。在一个实施方案中，横跨网基材66的表面前后推动输送头10，由气压提供完全分离力。在另一实施方案中，输送头传送装置64使用横穿网基材66宽度的导螺杆或类似机械装置。在另一实施方案中，沿网传送器62在适合位置使用多个输送头10。
图18显示使用静态输送头10的呈网布置的另一原子层沉积(ALD)系统70，其中流型与图17的构造垂直取向。在这种布置中，网传送机62的运动本身提供ALD沉积所需的移动。在这种环境中也可以使用往复运动。参照图19，显示输送头10的一部分的实施方案，其中输出面36具有一定量的弯曲，这可能有利于一些网涂布用途。可以提供凸弯曲或凹弯曲。
在可特别用于网制造的另一实施方案中，ALD系统70可具有多个输送头10，或双输送头10，在网基材66的各侧安置一个。或者可提供挠性输送头10。这提供了对沉积表面表现至少一定程度的共形性的沉积装置。
为了涂布平坦基材，通常认为沉积装置的输出面也是平坦的。但是，使用具有一定程度弯曲的输出面有一些优点。
表面的弯曲通常可以由曲率半径确定。曲率半径是圆的截面与输出面的弯曲部分匹配的圆的半径。在表面的曲率改变且不能用单一半径描述的情况下，可以使用最大曲率和最小曲率半径确定该系统的特性曲率半径。
对某些基材而言，沉积头在基材运动方向上具有一定的弯曲可能是有用的。这可以具有允许基材前缘具有比基材其余部分低的向下力的有益作用，因为该沉积头的弯曲趋于将基材前缘拉离沉积输出面。
对某些基材而言，在与基材运动方向垂直的方向上具有弯曲部分可能是有用的。这种程度的弯曲具有波纹效应，这提高基材的刚度并实现更稳定的涂布。
本发明的装置的优点在于，其能够在宽范围温度内在基材上进行沉积，在一些实施方案中包括室温或接近室温。本发明的装置可以在真空环境中操作，但尤其适合在大气压或接近大气压下操作。
已经特别参照某些优选实施方案详细描述了本发明，但要理解的是，本领域普通技术人员可以在不背离发明范围的情况下在如上所述和如所附权利要求书中指出的发明范围内作出变动和修改。例如，尽管可以使用空气轴承效应至少部分将输送头10与基材20的表面分离，但本发明的装置也备选地可用于将基材20抬离或浮离输送头10的输出表面36。也可以备选地使用其它类型的基材支架，包括例如台板。
实施例：
所有下列理论计算实施例中所用的理论沉积头由细长狭槽的下列布置构成：
P-Ex-O-Ex-P-Ex-M-Ex-P-Ex-O-Ex-P-Ex-M-Ex-P-Ex-O-Ex-P
其中P代表吹扫通道，Ex代表排气槽、O代表氧化剂气体通道，且M代表含金属的气体通道。
这些细长狭槽在其长边上隔开1.0毫米，且它们的长度为50毫米。选择用于实施例的基材以使该基材正好覆盖上述布置产生的区域，由此该基材为50毫米宽×20毫米长。
实施例1-对比
此实施例量化在平均排气吸力为基材的单位面积重量的1/2时作用于基材的力。
在此实施例中，基材位于沉积头上，以致重力用于将基材拉向沉积头。
基材是密度为2.2克/立方厘米且厚度为1毫米的一块常规玻璃。基于其面积，该玻璃的质量为2.2克，且基材重量，因此作用于基材的重力为0.0216N。该基材的单位面积重量因此为21.6Pa。
如果将排气通道压力设定为10.8Pa(0.043在H2O中)，则排气压力为该基材的单位面积重量的1/2。根据公式(5)，基材与输送头分离时的临界力为0.0108N。由于该力明显小于0.0216N的基材重量，施加于基材的小的力很可能显著改变基材与输送头间隙，造成不稳定操作。
实施例2-本发明
此实施例量化在平均排气吸力为基材的单位面积重量的5倍时作用于基材的力。
在此实施例中，基材位于沉积头上，以致重力用于将基材拉向沉积头。
基材是密度为2.2克/立方厘米且厚度为1毫米的一块常规玻璃。基于其面积，该玻璃的质量为2.2克，且基材重量，因此作用于基材的重力为0.0216N。该基材的单位面积重量因此为21.6Pa。
如果将排气通道压力设定为108Pa(0.43在H2O中)，则排气压力为该基材的单位面积重量的5倍。根据公式(5)，基材与输送头分离时的临界力为0.108N。由于该力明显大于0.0216N的基材重量，施加于基材的小的力不太可能显著改变基材与输送头间隙。
实施例3-对比
此实施例使用与实施例1相同的构造，只是沉积头反转以使基材位于沉积头下方。因此，重力用于将基材拉离沉积头。
此实施例量化在平均排气吸力为基材的单位面积重量的1/2时作用于基材的力。
基材是密度为2.2克/立方厘米且厚度为1毫米的一块常规玻璃。基于其面积，该玻璃的质量为2.2克，且基材重量，因此作用于基材的重力为0.0216N。该基材的单位面积重量因此为21.6Pa。
如果将排气通道压力设定为10.8Pa(0.043在H2O中)，则排气压力为该基材的单位面积重量的1/2。根据公式(5)，基材与输送头分离时的临界力为0.0108N。由于基材上的重力为0.0216N，沉积头施加的力不足以承载该基材且基材会下落。
实施例4-本发明
此实施例使用与实施例1相同的构造，只是沉积头反转以使基材位于沉积头下方。因此，重力用于将基材拉离沉积头。
此实施例量化在平均排气吸力为基材的单位面积重量的5倍时作用于基材的力。
基材是密度为2.2克/立方厘米且厚度为1毫米的一块常规玻璃。基于其面积，该玻璃的质量为2.2克，且基材重量，因此作用于基材的重力为0.0216N。该基材的单位面积重量因此为21.6Pa。
如果将排气通道压力设定为108Pa(0.043在H2O中)，则排气压力为该基材的单位面积重量的5倍。根据公式(5)，基材与输送头分离时的临界力为0.108N。由于基材上的重力为0.0216N，沉积头施加的力足以承载该基材并防止其下落。
部件清单
2h            狭缝厚度
10            输送头
12            输出通道
14，16，18    气体入口管
20            基材
22            排气通道
24            排气管
28a，28b，28c 气体供应源
30            传动装置
32            供应线
36            输出面
50            室
52            传送电动机
54            传送子系统
56            控制逻辑处理器
60            原子层沉积(ALD)系统
62            网传送器
64            输送头传送装置
66            网基材
70            原子层沉积(ALD)系统
74            基材载体
90            前体材料的引导通道
91            排气引导通道
92            吹扫气体的引导通道
96            基材载体
98            气体流体轴承
100           连接板
102           引导室
104           输入口
110           气室板
112，113，115 供应室
114，116          排气室
120               气体引导板
122               前体材料的引导通道
123               排气引导通道
130               底板
132               细长发射通道
134               细长排气通道
140               气体扩散器单元
142               喷嘴板
143，147，149     第一、第二、第三扩散器通道
146               气体扩散器板
148               面板
150               输送组装件
152               细长发射通道
154               细长排气通道
160               隔板
162               吹扫板
164               排气板
166，166′        反应物板
168               孔
170               弹簧
180               顺序的第一排气槽
182               顺序的第二排气槽
184               顺序的第三排气槽
A                 箭头
D                 距离
E                 排气板
F1，F2，F3，F4    气流
Fm                机械力
I                 第三惰性气态材料
L                 长度
K                 方向
M          第二反应物气态材料
O          第一反应物气态材料
P          吹扫板
Patm       大气压
Pin        最大压力
Pout       最小压力
R          反应物板
S          隔板
w1，w2     通道宽度
X          箭头
x10        输送头10的中心元件

Claims (26)

1.将固体材料薄膜沉积到基材上的系统，包括：
A)至少第一、第二和第三气态材料的至少第一、第二和第三源；
(B)具有基材表面和单位面积平均重量的基材；
(C)将气态材料输送至用于薄膜沉积的基材表面的沉积输送头，其包括：
i)分别用于接收第一、第二和第三气态材料的至少第一、第二和第三入口；
ii)至少一个用于排出废气的排气端口；和
iii)邻近基材表面的输出面，包括多个细长开口，其中
(a)各入口独立地连向沉积输送头的面中的至少一个第一、第二和第三细长输出口，各自与相应的细长第一、第二和第三细长发射通道相连，以向基材供应各自的气态材料；且
(b)至少一个排气端口连向沉积输送头的面中的至少两个细长排气口，各自与相应的细长排气通道相连，各自具有相关压力，其中布置至少两个细长排气口以使至少第一、第二或第三细长输出口位于至少两个细长排气口之间；且
其中至少部分通过由一种或多种气态材料流从细长输出口到基材表面产生的压力保持输出面与基材表面之间的基本均匀的距离，且其中以帕斯卡为单位测得的大气压与细长排气口的平均压力之差为也以帕斯卡为单位测得的基材单位面积平均重量的至少两倍。
2.权利要求1的系统，其中第一和第二入口各自分别独立地连向多个第一细长发射通道和多个第二细长发射通道；
其中各第一细长发射通道连向相应的细长输出口，它们各自在其两个长边上都与最近的第二细长输出口被相对较近的细长排气口和相对较远的第三细长吹扫气体口隔开；且
其中各第二细长输出口在两个长边上都与最近的第一细长输出口被相对较近的细长排气口和相对较远的第三细长吹扫气体输出口隔开。
3.权利要求1的系统，其中该系统在最靠近输送设备输出面边缘的一侧上没有第二或第一细长输出口的输送头两端的各端上包括第三细长输出口。
4.权利要求1的系统，其中基材位于沉积输送头上方，以致基材重量用于将基材拉向沉积输送头。
5.权利要求1的系统，其中基材位于沉积输送头下方，以致通过由细长排气口产生的保持力对抗用于将基材拉离沉积输送头的基材重量。
6.权利要求1的系统，其中沉积输送头固定在该系统内，且基材相对于沉积输送头运动。
7.权利要求1的系统，其中输出面具有弯曲部分。
8.权利要求7的系统，其中输出面的弯曲部分具有大于1米的半径。
9.权利要求7的系统，其中弯曲部分的轴平行于基材运动方向。
10.权利要求7的系统，其中弯曲部分的轴垂直于基材运动方向。
11.权利要求1的系统，包括负载基材的附加装置。
12.权利要求1的系统，包括使基材相对于沉积输送头移动的附加装置
13.权利要求1的系统，其中基材是网。
14.权利要求13的系统，其中通过传送装置提供网的运动，该运动连续通过该系统或是往复的。
15.权利要求1的系统，其中基材和沉积输送头向大气敞开。
16.权利要求1的系统，其中输出面与基材表面之间保持的基本均匀的距离小于0.5毫米。
17.在基材上沉积薄膜材料的方法，包括从薄膜沉积系统的输送头的输出面朝基材表面同时引导一系列气流，其中所述一系列气流包括至少第一反应性气态材料、惰性吹扫气体和第二反应性气态材料，其中第一反应性气态材料能与用第二反应性气态材料处理过的基材表面反应，其中输送头包括：
(a)分别用于接收第一反应性气态材料、第二反应性气态材料和惰性吹扫气体的至少第一、第二和第三入口；
(b)至少一个用于排出废气的排气端口；
(c)邻近基材表面的输出面，其包括多个细长开口，其中
(i)各入口独立地分别连向至少一个第一、第二和第三细长输出口，以向基材供应各自的气态材料；且
(ii)所述至少一个排气端口连向至少两个各自具有相关压力的细长排气口，其中布置细长排气口以使至少第一、第二或第三细长输出口位于所述至少两个细长排气口之间；且
其中至少部分通过由一种或多种气态材料流从细长输出口到基材表面产生的压力保持输出面与基材表面之间的基本均匀的距离，且其中以帕斯卡为单位测得的大气压与细长排气口的平均压力之差为也以帕斯卡为单位测得的基材单位面积平均重量的至少两倍。
18.权利要求17的方法，其中第一和第二反应性气态材料流在空间上基本被至少惰性吹扫气体和细长排气口分离。
19.权利要求17的方法，其中第一反应性气态材料、第二反应性气态材料和惰性吹扫气体的气流一起提供基本用于将基材表面与输送头的输出面分离的压力。
20.权利要求17的方法，其中由紧邻基材安置的一系列基本平行的细长输出口提供气流，其中输送头的输出面在经受沉积的基材表面的1毫米间距内。
21.权利要求17的方法，其中基材的给定区域一次在第一反应性气态材料的气流中暴露少于约500毫秒。
22.权利要求17的方法，进一步包括提供输送头和基材之间的相对运动。
23.权利要求17的方法，其中沉积过程中的基材温度低于300℃。
24.权利要求17的方法，其中第一反应性气体是含金属的反应性气态材料，第二反应性气体是非金属的反应性气态材料，它们反应形成选自五氧化钽、氧化铝、氧化钛、五氧化铌、氧化锆、氧化铪、氧化锌、氧化镧、氧化钇、氧化铈、氧化钒、氧化钼、氧化锰、氧化锡、氧化铟、氧化钨、二氧化硅、硫化锌、硫化锶、硫化钙、硫化铅及其混合物的氧化物或硫化物材料。
25.权利要求17的方法，其中该方法用于制造晶体管中所用的在基材上的半导体或介电薄膜，其中该薄膜包括金属氧化物基材料，该方法包括在300℃或更低的温度下在基材上形成至少一个金属氧化物基材料层，其中该金属氧化物基材料是至少两种反应性气体的反应产物，第一反应性气体包括有机金属前体化合物，第二反应性气体包括反应性的含氧气态材料。
26.权利要求17的方法，其中以帕斯卡为单位测得的排气通道的平均压力是也以帕斯卡为单位测得的基材单位面积平均重量的至少十倍。
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