技术领域
[0001] 本
发明涉及用于在
基板上施加材料的原子层沉积(ALD)设备。
背景技术
[0002] ALD设备用于在基板上施加材料的多个原子层。原子层沉积是用于各种不同靶材的超
薄膜沉积的方法。
[0003] ALD可以用于
太阳能电池和显示装置制造。例如，原子层沉积与
化学气相沉积的不同之处在于，利用原子层沉积，所使用的不同前体气体替代性地施用或空间上分离。在第一处理步骤或所谓的半循环期间，施用前体气体，前体气体以自行限制方式与基板表面反应，从而导致第一靶材(即，三甲基
铝)沉积。在后半循环期间，施用第二前体气体，前体气体以自行限制方式与新形成的表面反应，从而沉积第二靶材(即，
水)。一个完整的原子层沉积循环导致靶材(即，
氧化铝)的一个(子)
单层的沉积。由于每个ALD半循环的自行限制的生长行为，因此可以实现目标层厚度的最终控制的优点。
[0004] 用于原子层沉积的常规空间分离ALD设备包括
框架和
注射器头，所述注射器头设有纵向狭槽，用于分别将气体供应到由纵向狭槽和基板约束的相应沉积空间；设备还包括了可移动的载体，被布置来
支撑基板，用于在横向于纵向狭槽的方向上移动，纵向狭槽沿基板的移动方向相互邻近布置，用于分别供应前体气体和反应气体的纵向狭槽通过用于供应惰性气流的纵向狭槽彼此分离。这些纵向狭槽和惰性气流也用作
气体轴承以便在基板上支撑注射器头。惰性气流还用于限制注射器头(即，纵向狭槽)与基板和惰性气流之间的反应空间。此外，常规设备设有控制装置，控制装置被连接到惰性气体供应并且被布置来通过调整相应纵向狭槽中的惰性气流来调整注射器头参考平面与基板表面之间的工作距离。
[0005] ALD设备可以用于
太阳能电池制造以便在基板上提供多个原子层。基板可以是例如普通玻璃片材。这些普通玻璃片材厚度可以随玻璃片材的长度和/或宽度变化，并且玻璃片材表面可能不是平面平行的。例如，玻璃片材可以具有楔形形状。
[0006] 常规装置的缺点是，当基板和注射器头相对于彼此而移动时，维持注射器头与基板表面之间的间隙高度和维持良好气体分离是复杂的。
[0007] US 2009/0078204公开了用于维持ALD系统中的至少两个涂覆模
块之间的对准或
定位关系的设备，所述设备包括：涂覆部分中的多个涂覆模块、用于支撑涂层模块的至少第一杆和第二杆、以及用于支撑杆的至少第一杆安装结构和第二杆安装结构，其中每个涂覆模块由第一杆和第二杆支撑，并且其中至少两个涂覆模块与第一杆和第二杆的组合限定涂覆模块的输出面的涂覆部分轮廓。EP 2441860公开了用于在基板表面上进行原子层沉积的设备，所述设备包括：沉积构件；基板台，用于支撑基板；第一反应物注射器，用于供应第一反应物；第二反应物注射器，用于供应第二反应物；气体注射器，被布置来通过气体注射器所注射的气体形成气体屏障并且任选地被布置来用于产生
气体轴承；用于加热气体注射器要注射的气体的加热器、以及用于加热沉积构件和基板台并用于加热基板的附加的加热器。沉积构件具有用于气体注射器要注射的气体的气体入口。加热器设置在沉积构件的外部。
发明内容
[0008] 本发明的目的是减轻上述缺点并且提供一种用于原子层沉积过程的设备，所述设备可处理具有相对较大厚度变化的基板。
[0009] 根据本发明的第一方面，通过用于原子层沉积的设备实现这个目的，所述设备包括框架和注射器头，所述注射器头设有纵向狭槽，用于分别将气体供应到由纵向狭槽和基板约束的相应沉积空间，其中纵向狭槽被定向成横向于基板相对注射器头在第一方向(X)上的移动。所述设备还包括：子框架，被布置来悬挂注射器头；可移动的载体，被布置来支撑基板以便在第一方向上移动；气垫，定位在子框架处，处于注射器头外部，在子框架与可移动的载体之间，以便在可移动的载体上支承子框架以便在注射器头的下方在第一方向上移动，其中设备还包括
致动器，用于从子框架悬挂注射器头；以及控制装置，被连接到致动器并且被布置来控制致动器以便调整注射器头的参考平面与基板表面之间的预定工作距离，并且调整对应于基板取向的注射器头的取向。
[0010] 在这种布置中，气垫可以是例如
空气轴承垫。空气轴承垫提升子框架，以便使得基板(8)能够在注射器头(40)的下方在X方向上移动。
[0011] 此外，控制装置和致动器可以调整注射器头与基板表面之间的高度处于朝基板的预定距离。通过致动器对注射器头与基板表面之间的高度的这种调整可独立于通过注射器头的纵向狭槽的气流和通过气垫的气流进行。因此，可精确地调整在注射器头与基板之间约束的反应腔室的工作距离或高度，并且即使当基板表面例如低程度地起伏时，基板(例如玻璃片材片材)也可在注射器头的下方具有足够的间隙高度的地方移动。
[0012] 在另一实施方式中，ALD设备包括测量装置，被布置来确定在第二方向(Z)上注射器头的参考平面与基板表面之间的距离。在这种布置中，连接到致动器并且被布置来控制致动器的控制装置可以根据确定的距离和基板取向来调整注射器头的参考平面与基板表面之间的工作距离。注射器头的参考平面可以是面向基板的注射器头表面。控制装置可以基于所确定的距离通过致动器调整注射器头相对于基板的工作距离和取向。例如，在第一次通过后，可以进行这种调整，其中在执行实际沉积之前基板相对于注射器头而来回移动，然后在第一次通过中确定基板表面相对于注射器头的距离和取向。例如，可以根据从基板表面的最高点到注射器头的参考平面的距离确定工作距离。
[0013] 在根据本发明的设备的实施方式中，载体设有支承表面，支承表面布置在载体与气垫相对的边沿处以便允许基板相对于注射器头的相应纵向狭槽在第一方向上移动。
[0014] 在根据本发明的设备的实施方式中，设备包括用于支撑载体的平板、用于沿第一方向定向载体的导向件、以及定位在平板与载体之间的用于支承载体的另一空气轴承。气体轴承可以包括预张紧的空气轴承或
真空预张紧的空气轴承。
[0015] 在根据本发明的设备的实施方式中，另一气体轴承设有：第一纵向狭槽，在载体的面向平板的第一侧面中定向在第一方向上；第二狭槽，周向围绕载体的第一侧面中的第一纵向狭槽；以及排气孔，位于布置在载体的第一侧面中的第二狭槽外部。这种布置提供平板与载体的紧凑集成，其中所需的空气和真空连接可通过连接到静态平板的软管或管道来进行。
[0016] 在根据本发明的设备的实施方式中，致动器包括
电机和机械地连接到电机的
心轴。
[0017] 在根据本发明的设备的实施方式中，其中测量装置包括：
辐射源，被布置来辐射相干辐射束；辐射导向件，被布置来将辐射束定向到基板表面以及从基板表面定向辐射束，其中辐射导向件还包括参考玻璃，所述参考玻璃设置在面向基板的注射器头表面中的辐射导向件的出口处；分束器，其定位在辐射源与辐射导向件之间，被布置来将辐射束定向到辐射导向件；以及将分别从参考玻璃和基板反射的辐射束定向到辐射
传感器，所述辐射传感器被布置来接收反射的辐射束并且将接收的辐射束转换成电
信号，其中测量装置还被布置来根据
电信号确定参考玻璃与基板之间的距离，并且确定基板相对于注射器头的取向。辐射源可以是生成
波长范围在400-1200nm之间的辐射的辐射源(包括红外辐射)。例如，辐射源可以是LED。测量装置基于本领域的技术人员众所周知的干涉仪原理。
[0018] 在根据本发明的设备的实施方式中，辐射导向件包括将辐射束从辐射源传导到
导向管的光纤，其中管的一端定位在设备外部从而背对基板，并且另一端定位在注射器头中与基板表面相对，其中参考玻璃布置在另一端处。导向管减少了设备内的红外辐射对测量装置中应用的辐射传感器的影响。
[0019] 在根据本发明的设备的实施方式中，参考玻璃集成在注射器头中。参考玻璃可以定位在最靠近注射器头边沿的纵向狭槽附近。在这个
位置中，参考玻璃将由通过气流清洗/冲洗。
[0020] 在根据本发明的设备的实施方式中，控制装置还被布置来在第一次通过中相对于注射器头在第一方向上相对来回移动基板，并且根据所测量的距离确定基板的高度图和取向。
[0021] 在根据本发明的设备的另一实施方式中，控制装置还被布置来根据高度图确定基板表面与注射器头之间的工作距离，并且控制致动器以便将注射器头调整到所确定的工作距离。
[0022] 在根据本发明的设备的另一实施方式中，控制装置还被布置来确定基板的取向，并且控制致动器以便根据所确定的基板取向来调整注射器头。这种布置可以补偿基板的非平行表面。
[0023] 尽管将参考多个优选实施方式来描述本发明，但是本发明不限于此。以下讨论的实施方式仅是本发明的可能解释的示例，并且本领域的技术人员将清楚也可能以另一方式实现本发明的优点。
附图说明
[0024] 现将参考附图更详细地描述了本发明，其中：
[0025] 图1示意性地示出了根据本发明的原子层沉积(ALD)设备的实施方式的第一视图；
[0026] 图2示意性地示出了ALD设备的实施方式的第二视图；
[0027] 图3A和图3B示意性地示出了ALD设备的载体和平板；
[0028] 图4示意性地示出了用于ALD设备的注射器头的实施方式；
[0029] 图5示意性地示出了子框架、载体和注射器头；
[0030] 图6示意性地示出了子框架和注射器头的第一透视图；
[0031] 图7示意性地示出了子框架和注射器头的第二透视图；
[0032] 图8示意性地示出了距离测量装置；以及
[0033] 图9示意性地示出了用于ALD设备的控制装置。
具体实施方式
[0034] 图1和图2示意性地示出了根据本发明的原子层沉积(ALD)设备1的第一实施方式。ALD设备可以用于从基板制造光伏太阳能电池。基板可以包含例如玻璃，并且具有例如60×
40cm、120×60cm或110×140cm的尺寸。设备1包括分层材料(例如
钢板堆叠)、耐热绝缘材料(例如岩
棉)、以及
石墨层的
外壳(未示出)。
[0035] 此外，ALD设备1可以设有框架2，所述框架2设有入口端口或负载
锁定件3。负载锁定件3可以被密封并且设有用于允许基板8进入或退出ALD设备的
门。入口端口也可以由钢、石墨、
硼硅酸盐或熔融
二氧化硅制成。ALD设备1还可以设有电加热元件，例如负载锁定件与用于产生期望
温度的注射器头之间的
石英元件9。内部温度范围可以设定在例如80至500℃的范围内。
[0036] 图1还示出了具有X轴、Y轴和Z轴的
坐标系。X轴在水平面中定向在纵向方向上，Y轴在水平面中垂直于X轴，并且Z轴垂直于X轴和Y轴。ALD设备1还设有输送辊15，其定位在框架2中以用于沿X方向在ALD设备内输送基板。输送辊15可由熔融二氧化硅制成，并且长度为
80cm而直径为100mm。一些输送辊15可以设有
驱动器(未示出)。输送辊15可以可旋转地附接到框架2，使得能够在ALD设备1内将基板8输送到夹持器站10。
[0037] 在一个实施方式中，ALD设备1设有：载体30，用于支撑基板8；以及两个隔板11、12，具有与基板相同材料并且具有与基板相同的厚度，例如玻璃。此外，ALD设备包括夹持器站10。夹持器站10被布置来拾取基板8并且将基板输送到载体30。
[0038] ALD设备1还可以设有：平板31，用于支撑载体30；以及气体轴承，位于平板30与载体31之间，用于沿X方向将载体支承在平板上。例如，气体可以是氮气。
[0039] 图3A示意性地示出了载体30的底视图，并且图3B示意性地示出了载体30和平板31的顶侧视图。载体30可以是矩形金属板。平板31可以设有用于沿X方向定向载体30的导向件。载体30与平板31之间的气体轴承设有纵向狭槽32，所述纵向狭槽32位于载体30的被定向到平板31的第一侧面中。纵向狭槽32沿X方向定向并且穿过载体第一侧面的中心、例如围绕纵向狭槽32周向设置的零槽33、以及设置在零槽33外部的排气孔或真空垫34。载体30还设有：第一通道，被连接到纵向狭槽32，用于接收高于1033hPa的第一压
力的加压气体；第二通道，被连接到零槽33，用于接收在1hPa的压力的气体；以及第三通道，用于将排气孔或真空垫34彼此连接并连接到真空。真空，即压力低于1hPa。
[0040] 在操作中，由于从高压区域朝真空的气流被间隙的小尺寸限制，因此通过平板31的平坦表面与载体30之间的间隙维持的气流向载体提供升力并且同时用作密封，使得可以在零槽32中维持高压。气流可以用于预先设定气体轴承，即，间隙高度。
[0041] 用于支撑基板的载体30的第一侧面的相对侧面设有排气孔35，它们彼此连接并且通过用于将基板8夹持在载体30上的第四通道连接到第二真空。
[0042] ALD设备1还设有驱动带21和连接到控制装置100的电机20，用于在ALD设备的平板31上沿X方向来回移动载体31。ALD设备1还包括注射器头40。
[0043] 图4示出了设有8个纵向狭槽48、49的注射器头40的实施方式，所述纵向狭槽用于分别限定7个沉积空间41、42、43、44、45、46、47。第一沉积空间41、42、46、47还可设有用于供应第一材料沉积的反应物供应。第二沉积空间43、44、45可以设有前体供应。纵向狭槽48、49被设置用于供应惰性气流，以便将沉积空间彼此分离并且将沉积空间与ALD设备中的空间的其余部分分离。沿垂直于基板的移动方向(X方向)的Y方向定向纵向狭槽。
[0044] 惰性气体可以是氮气。其中沉积空间由惰性气流形成的注射器头本身是已知的，参见
专利NL 2010893。然而，在已知注射器头中，惰性气流也用于注射器头与基板之间的高度调整，然而由于通过纵向狭槽的气流的限制，可以调整的高度变化是有限的。然而在根据本发明的ALD设备的实施方式中，可以设计前体和反应物供应，而无对允许
等离子体沉积的实质流动限制。因此，朝向基板8的表面，等离子体流不被任何流动限制阻碍。
[0045] 可替代地或附加地，反应气体、等离子体、激光生成的辐射和紫外线辐射中的至少一种可以设置在沉积空间中，用于在前体气体沉积在基板表面的至少一部分上之后使前体与反应气体反应，以便在基板表面的至少一部分上获得原子层。
[0046] 在根据本发明的ALD设备的实施方式中，ALD设备设有用于悬挂注射器头40的子框架52。
[0047] 图5示出了子框架52、注射器头40、载体30和平板31的布置的示意性侧视图。
[0048] 图6和图7示意性地示出了子框架52、平板31、载体30和注射器头40的布置的不同侧视图。子框架52还设有用于从载体30提升子框架52的三个气垫53、54、55。气垫53、54、55定位在注射器头40的外部，并且与用于支撑基板8的空间外的载体30边沿相对。例如，两个气垫53、54可以在纵向上定位在第一边沿处，并且第三气垫55可以定位在相对边沿处。气垫可以通过中心通道而连接到氮气供应。
[0049] 此外，控制装置100包括气流控制单元101，其用于调整通过气垫的气流以便设置子框架的参考表面与载体之间的预定高度。
[0050] 载体52还在与子框架52的气垫53、54、55相对的边沿处设有轴承表面57、58，使得基板8可以沿着X方向在注射器头40的相应纵向狭槽下方前后移动。
[0051] 支撑基板8的载体52的侧面还可以设有用于支撑附加基板11、12或模型基板的附加空间，所述附加空间沿纵向定位在用于支撑基板8的空间的相对侧上。当基板8的边沿在注射器头下移动时，模型基板11、12限制基板边沿与注射器头之间的沉积空间。
[0052] 子框架52还可以设有用于从子框架52悬挂注射器头40三个致动器60、61、62。致动器60、61、62可以包括电机64、65、66，例如步进电机和机械地联接到步进电机的心轴67、68、69。控制装置100进一步电连接到致动器60、61、62，并且被布置来通过三个致动器调整子框架52与注射器头40的参考表面之间的距离，并且通过所述三个致动器调整注射器头40与基板8之间的高度以及注射器头40相对于基板8表面的取向。致动器60、61、62的这种布置可以调整注射器头与基板表面之间的高度，这与通过相应的纵向狭槽48、49的气流和通过气垫
53、54、55的气流无关。
[0053] 在根据本发明的实施方式中，可以调整在基板8与注射器头40之间形成的沉积空间的高度，这与通过纵向狭槽48、49的用于为了分离沉积空间而供应氮气的气流、以及前体和反应气流无关。
[0054] 在一个实施方式中，ALD设备还设有距离测量装置70，其用于测量基板8的表面上的位置与注射器头40的参考平面之间的距离。距离测量装置可以是光学距离测量装置。参考平面可以是面向基板的注射器头表面。
[0055] 图8示意性地示出了光学测量装置70。光学测量装置可以包括三个干涉仪。干涉仪可以设有辐射源72，例如布置在ALD设备1外部的固态激光装置，这是因为ALD设备内部的操作温度可能高于固体激光装置的最大操作温度。ALD设备内的操作温度可以是例如350℃。辐射源可以生成波长在400至1200nm之间的辐射，包括红外辐射。
[0056] 干涉仪还设有：两个分束器730、731，其用于获得三个辐射束；以及三个辐射导向件74、75、76，其被布置来将来自分束器730、731的相应辐射束定向到面向注射器头40的基板8的表面，并且将从基板8的表面反射的辐射束定向回分束器730、731。分束器730、731、732还被布置来将反射的辐射束定向到辐射传感器80。辐射导向件74、75、76可以包括光纤(例如玻璃
纤维)和导向管。
[0057] 导向管可以定位在ALD设备中，其中导向管的面向载体上的基板8的端部可以被布置来与三
角形的角点重合。图6示出了安装在子框架52中的一个导向管85，所述导向管85的一端定位在ALD设备1的上侧面处从而背离基板8，并且另一端定位在注射器头80的被定向到基板8的侧面处。导向管85可以在内部涂覆有辐射吸收涂层，以便防止辐射束的相互干扰和红外辐射的影响。
[0058] 例如，在ALD设备外部的导向管85端部处的辐射导向件还可以设有用于调整基板8表面处的相应辐射束的焦点的透镜81、82、83。辐射导向件还可以设有参考玻璃片材77、78、79。参考玻璃片材77、78、79被布置来通过分束器730、731将入射辐射束的一部分作为参考辐射束反射到辐射传感器70。参考玻璃片材77、78、79可以在面向基板8的侧面处合并在注射器头40中、合并在用于供应氮气的外纵向狭槽的外部或附近。在这种布置中，可以沿着参考玻璃片材定向氮气流，以便防止参考玻璃片材上的寄生沉积。
[0059] 辐射传感器80进一步电耦合到传感器控制装置71。辐射传感器80被布置来将来自分束器73的入射辐射束转换成电信号。
[0060] 在操作中，辐射束被定向到基板，并且从参考基板反射的参考辐射束在辐射传感器80处干扰从基板8反射的辐射束。辐射传感器80转换电信号中进入的干扰图案。传感器控制装置71还被布置来根据子框架的参考玻璃77、78、79与基板8的表面之间的电信号距离来确定。光学距离测量装置本身是已知的，并且可以从德国的Precitec获得。光学距离测量装置可以测量0mm与8mm之间的基板高度差。光学测量装置的
分辨率通常为1至2微米。
[0061] ALD设备可以包括控制装置。
[0062] 图9示意性地示出了用于ALD设备的控制装置100。此外，图9示意性地示出了致动器60、61、62，气流
控制器101和步进电机20。控制装置可以包括用于执行操作程序的微型计算机。控制装置100电连接到致动器60、61、62，光学测量装置71，气流控制控制器101，以便分别控制通过轴承垫53、54、55和/或步进电机20的气流来调整载体30的方向和速度。
[0063] 在操作中，在第一步骤中，ALD设备中的夹持器站10将基板8放置在载体30上，并且在另一步骤中，ALD设备在基板在注射器头40下方的基板的第一次通过中以预定时间间隔测量子框架参考平面的三个位置与基板表面之间的距离，同时基板8以例如1m/s的速度在注射器头40下方前向后移动。控制装置100还被布置来根据测量的距离来确定基板8的表面高度图，并且确定注射器头40到基板8的最小距离，其中基板8可以在注射器头下自由移动。此外，可以从确定的高度图确定注射器头的参考平面的取向。
[0064] 在下一步骤中，控制装置100根据确定的最小距离和参考平面取向来调整注射器头40的参考平面与载体8之间的工作距离。以此方式，当在下一步骤中时，基板和载体在注射器头40下方来回移动，在注射器头40的相应纵向狭槽与基板8的表面之间形成的反应空间的高度偏差被最小化。
[0065] 在进一步的步骤中，基板8可以随后在注射器头40下方通过，基板8的表面的每个部分随后暴露于通过注射器头的随后纵向狭槽接收的相应前体反应气体。
[0066] 在单次通过中，靶材的(子)单层可以被施加在基板上，所述(子)单层的厚度通常在0.005nm与0.2nm之间。实际上，功能层的厚度约为25nm。获得该厚度的通过次数可以是例如125和500。
[0067] 基板8和载体30在注射器头下移动的速度可以是例如1m/s。
[0068] 本发明不限于本文中描述的本发明的优选实施方式。相反，所寻求的权利是由随附
权利要求限定，这允许了许多
修改。
