JP2010541242A - 反応性ガスを空間的に分離するガス配送ヘッドを用い、配送ヘッドを通過する基板の移動を伴う、薄膜形成のための方法及び堆積装置 - Google Patents

Abstract

基板上に薄膜材料を堆積するための方法を開示し、その方法は一連のガスフローを同時に薄膜堆積装置の配送ヘッドのアウトプット面から基板の表面に向けることを含み、この一連のガスフローは第一の反応性気相材料、不活性パージガス及び第二の反応性気相材料を少なくとも含み、第一の反応性気相材料は第二の反応体気相材料で処理された基板の表面と反応することができる。このような方法を実施することができる装置も開示される。

Description

発明の分野
本発明は、一般に、薄膜材料の堆積に関し、より詳細には複数の同時ガスフローを基板上に向ける配送ヘッドを用いた、基板上への原子層堆積の装置及び方法に関する。

発明の背景
薄膜堆積に広く使われる技術の中には、反応チャンバー中で反応して基板上に所望の膜を堆積させる化学反応性分子を用いる化学気相堆積（CVD）がある。CVD用途に有用な分子前駆体は堆積すべき膜の元素（原子）成分を含み、通常、追加的な元素も含む。CVD前駆体は基板で反応してその上に薄膜を形成するために気相でチャンバーに配送される揮発性分子である。化学反応によって所望の膜厚の薄膜が堆積される。

ほとんどのCVD技術に共通するのは、一つ以上の分子前駆体のよく制御されたフラックスをCVD反応器中に加える必要があることである。これら分子前駆体の間の化学反応を促進するとともに副生成物の効率的な除去を行うために、基板は制御された圧力条件下でよく制御された温度に保たれる。最適なCVD性能を得るためには、プロセスを通じたガスフロー、温度及び圧力の定常条件を達成し、維持する能力及び過渡物を除去し又は最少にする能力が要求される。

特に、半導体、集積回路及び他の電子デバイスの分野では、従来のCVD技術で達成可能な限界を超える薄膜、特により高品質なより高密度の膜で、より優れた共形被覆（conformal coating）属性を持つもの、特により低温で製造できる薄膜への需要がある。

原子層堆積（ALD）は、その先行のCVDと比べ、改善された厚さ解像度及び共形機能を提供できる代替的な膜堆積技術である。ALD法は従来のCVDの薄膜堆積法を複数工程の単一原子層堆積工程に分割する。有利なことに、ALD工程は自己終結式（self-terminating）であり、自己終結曝露時間まで又はそれを超えて実施されたときに１原子層を堆積できる。１原子層は、通常、約0.1〜約0.5単分子層の範囲であり、典型的な寸法は数オングストローム以下程度である。ALDでは、原子層の堆積は反応性分子前駆体と基板との間の化学反応の結果生じるものである。別個の各ALD反応‐堆積工程において、正味の反応は所望の原子層を堆積させ、分子前駆体にもともと含まれていた「余剰」原子を実質的になくす。最も純粋な形では、ALDは各前駆体の吸着及び反応を伴い、その反応の他の前駆体（単数又は複数）の非存在下に行われる。実際には、いかなる装置においても、異種の前駆体の何らかの直接反応によって少量の化学気相堆積反応が生じるのを回避することは難しい。ALDを実施するものとうたっている装置の目的は、少量のCVD反応が許容できることを認識しながら、ALD装置に見合う装置性能及び属性を得ることである。

ALD用途において、通常、２つの分子前駆体がALD反応器に別々の段階において導入される。たとえば、金属前駆体分子ML_xは、原子又は分子リガンドLに結合した金属元素Mを含む。たとえば、Mは、限定するわけではないが、Al、W、Ta、Si、Znなどであることができる。金属前駆体は、基板表面が上記の分子前駆体と直接反応するよう調製されている場合に、基板と反応する。たとえば、基板表面は、通常、金属前駆体と反応性である水素含有リガンド、AHなどを含むよう調製される。硫黄（S）、酸素（O）及び窒素（N）はいくつかの典型的なA種である。気相金属前駆体分子は効率的に基板表面上のリガンドの全部と反応し、上記の金属の単一原子層を堆積させる：
基板-AH ＋ ML_x → 基板-AML_x-1 ＋ HL (1)
上式中、HLは反応副生成物である。反応の間に、初期の表面リガンドAHが消費され、表面はLリガンドで覆われ、それ以上金属前駆体ML_xと反応できなくなる。したがって、反応は表面上の初期のAHリガンドが全部AML_x-1種で置き換えられたときに自己終結する。通常、反応段階の後には不活性ガスパージ段階が続き、それにより、第二の反応体気相前駆体材料の別個の導入に先立ってチャンバーから余剰の金属前駆体をなくす。

次いで、第二の分子前駆体を用いて金属前駆体に対する基板の表面反応性を回復させる。このことは、たとえば、Lリガンドを除去してそしてAHリガンドを再堆積させることによってなされる。この場合、第二の前駆体は、通常、所望の（通例は非金属の）元素A（すなわち、O、N、S）及び水素を含む（すなわち、H₂O、 NH₃、H₂S）。次の反応は下記のとおりである：
基板-A-ML + AH_γ→基板-A-M-AH + HL (2)
これは表面をもとのAHに覆われた状態に変換する。（ここで、単純化のために、化学反応は平衡とされていない。）所望の追加的元素Aは膜に組み込まれ、望まれないリガンドLは揮発性の副生成物として排除される。いま一度、反応が反応性部位（今回はLで終端された部位）を消費し、基板上の反応性部位が完全に枯渇したら自己終結する。次いで第二の分子前駆体は、第二のパージ段階において不活性パージガスを流すことによって堆積チャンバーから除去される。

要約すると、基本的なALD法は基板への化学物質のフラックスを順次、交互させることを必要とする。上で論じたような代表的なALD法は、四つの異なる操作段階：
1. ML_x反応；
2. ML_xパージ；
3. AH_y反応；及び
4. AH_yパージ、次いで段階１．への戻り
を有するサイクルである。

ALDは、金属前駆体がハロゲン化合物、アルコキシド、ジケトネートキレート又は有機金属化合物である無機化合物の堆積のために最も典型的に利用されてきた。第二の前駆体は、通常、酸化物、窒化物又は硫化物がそれぞれ堆積される場合に、酸素、窒素又は硫黄物の源となってきた。比較的に研究がなされていないが、有機化合物又は有機/無機ハイブリッド層のALDによる堆積も可能である。これらの場合においても、そのような方法により生成される制御層が、原子層とは対照的に分子層であることを除いては、自己制御反応の交互のシーケンスとすることが可能である。したがって、基本的概念及び堆積装置がALD法及び装置と類似しているけれども、そのような技術は分子層堆積（MLD）とも呼ばれる。有機膜の原子層又は分子層堆積の例は、Journal of Materials Chemistry中のMatti Putkonenらによる“Atomic Layer Deposition of Polymide Thin Films”に見ることができる。

表面反応と、基板表面をその初期の反応性状態に復元させる前駆体除去とを交互させ、パージ操作を介在させる、この反復シーケンスが典型的なALD堆積サイクルである。ALD操作の重要な特徴は、基板をその初期の表面化学状態に復元させることである。この反復された一組の工程を用いて、均等に計量された複数の層として膜が基板上に層化されることができる。その複数の層は化学反応速度論、サイクル当たりの堆積、組成及び厚さにおいてみな同様である。

ALDは、半導体デバイスならびに抵抗及びコンデンサ、絶縁体、バス線及び他の導電性構造などの補助電子部品を含む、いくつものタイプの薄膜電子デバイスを形成するための製造工程として使用できる。ALDは、電子デバイスの部品において金属酸化物の薄層を形成するために特に好適である。ALDを用いて堆積できる機能性材料の一般的なクラスとして、導体、誘電体すなわち絶縁体及び半導体が挙げられる。

導体はいかなる有用な導電性材料であってもよい。たとえば、導体はインジウムスズ酸化物（ITO）、ドーピングされた酸化亜鉛ZnO、SnO₂又はIn₂O₃などの透明材料を含んでよい。導体の厚さは様々であることができる。具体例によれば、その厚さは約50〜約1000nmの範囲とすることができる。

有用な半導体材料の例は、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、硫化カドミウム、真性酸化亜鉛及び硫化亜鉛などの化合物半導体である。

誘電体材料はパターン形成された回路のさまざまな部分を電気的に絶縁する。誘電体層は絶縁体層又は絶縁層と呼ぶこともできる。誘電体として有用な材料の特定の例として、ストロンチウム酸塩（strontiates）、タンタル酸塩（tantalates）、チタン酸塩（titanates）、ジルコン酸塩（zirconates）、アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、セレン化亜鉛及び硫化亜鉛が挙げられる。さらに、これらの例のアロイ、組み合わせ及び多層体が誘電体として使用されうる。これらの材料のうち、アルミニウム酸化物が好ましい。

誘電体構造層は、異なる比誘電率をもつ二つ以上の層を含むことができる。そのような絶縁体は米国特許第5,981,970号明細書（参照によって本明細書に取り込む）及び同時係属中の米国特許出願公開第2006/0214154号明細書（参照によって本明細書に取り込む）で論じられている。誘電体材料は典型的には約5eVより大きなバンドギャップを示す。有用な誘電体層の厚さは様々であることができ、具体例によれば、約10〜約300nmの範囲とすることができる。

上記の機能層を用いていくつかのデバイス構造を作ることができる。抵抗は中程度ないし低導電率をもつ導電性材料を選択することによって製造できる。コンデンサは二つの導体の間に誘電体を配置することによって作成できる。ダイオードは、相補的なキャリア型の二つの半導体を二つの導電性電極の間に配置することによって作成できる。相補的なキャリア型の半導体の間に真性半導体領域が配置されてもよい。これは、その領域は自由電荷キャリアの数が少ないことを示す。ダイオードは二つの導体の間に単一の半導体を配置することによって構築されてもよい。この場合、導体／半導体界面の一つが一方向の電流の流れを強く阻害するショットキー障壁を生成する。トランジスタは導体（ゲート）上に絶縁層、続いて半導体層を配置することによって作成できる。二つ以上の追加的な導体電極（ソース及びドレイン）が離間して、上部半導体層と接触状態で配置されれば、トランジスタが形成できる。上記のデバイスのいずれも、必要な界面ができる限り、さまざまな構成で作成できる。

薄膜トランジスタの典型的な用途では、必要なのは、デバイスを流れる電流の流れを制御できるスイッチである。よって、スイッチがオンにされるとき、高電流がデバイスを通って流れることができることが望まれる。電流の流れの程度は、半導体電荷キャリア易動度に関係している。デバイスがオフにされるときは、電流が非常に小さいことが望まれる。これは電荷キャリア濃度に関係している。さらに、可視光が薄膜トランジスタの応答にほとんど又は一切影響を与えないことが一般に望ましい。これを実現するためには、可視光への曝露がバンド間遷移を引き起こさないように、半導体バンドギャップを十分大きく（＞3eV）しなければならない。高い易動度、低いキャリア濃度及び高いバンドギャップを与えることのできる材料はZnOである。さらに、動いているウェブへの大量（high volume）製造方式では、プロセス中に使用される化学物質が安価でかつ毒性が低いことがきわめて望ましい。これは、ZnO及びその多くの前駆体の使用によって満たすことができる。

普通なら、工学上の許容誤差及びフローシステムの制約あるいは表面形態（すなわち、三次元の、高アスペクト比構造中への堆積）に関係した制約のために、表面均一性を損なうところであるが、自己飽和性表面反応のために、ALDは輸送の不均一性には比較的敏感でない。一般論として、反応プロセスにおける化学物質の不均一なフラックスは、一般に表面領域の異なる部分における異なる完了時間につながる。しかしながら、ALDでは、各反応は基板表面全体で完了させることができる。よって、完了反応速度の違いは均一性に害を及ぼさない。これは、反応を最初に完了する領域が反応を自己終結させ、他の領域は、処理された表面のすべてが意図された反応を経るまで続くことができるからである。

通常、ALD法は単一のALDサイクル（先に挙げた番号付けされた１から４の工程を有する一つのサイクル）において約0.1〜0.2nmの膜を堆積する。多くの又はほとんどの半導体用途のために約3nm〜30nmの範囲の均一な膜厚を提供し、さらには他の用途のためにより厚い膜を提供するために、有用かつ経済的に現実性のあるサイクル時間を達成しなければならない。業界のスループット標準によると、基板が2分又は3分以内で処理されることが好ましい。これは、ALDサイクル時間が約0.6秒〜約6秒の範囲でなければならないことを意味する。

ALDは、制御されたレベルの高度に均一な薄膜堆積物を提供するためのかなりの展望を提供する。しかしながら、その内在的な技術能力及び利点にもかかわらず、いくつかの技術的なハードルがまだ残っている。一つの重要な考察は、必要とされるサイクル数に関係する。反復される反応体及びパージサイクルのために、ALDを有効に使用するには、化学物質のフラックスを突然ML_xからAH_yに変更するとともに、パージサイクルを迅速に実行できる装置が必要とされてきた。従来のALD装置は、異なる気相物質を必要とされる順序で基板上に高速にサイクルを行うように設計されている。しかしながら、必要とされる一連の気相配合物をチャンバーに必要とされる速度で、何らかの望ましくない混合なしに導入するための信頼できる方式を得ることは難しい。さらに、多数の基板のコスト効率のよいコーティングを可能にするためには、ALD装置は、このシーケンス処理を多くのサイクルに対して効率的かつ信頼性をもって実行できる必要がある。

任意の所与の反応温度でALD反応が自己終結に達するのに必要な時間を最小にしようとする努力において、一つのアプローチは、ALD反応器に流入する化学物質のフラックスを、いわゆる「パルス化（pulsing）」装置を用いて最大化することであった。ALD反応器への化学物質のフラックスを最大化するためには、不活性ガスによる最小限の希釈で、高圧で、分子前駆体をALD反応器に導入することが有利である。しかしながら、これらの手段は、短いサイクル時間及びこれらの分子前駆体のALD反応器からの急速な除去を達成するという要求に反する方向に作用する。急速除去は、ガスのALD反応器内の滞在時間を最小化することを要求する。ガス滞在時間τは反応器の体積V、ALD反応器内の圧力P及びフローQの逆数に比例する。すなわち：
τ＝VP/Q (3)
となる。

典型的なALDチャンバーでは、体積（V）及び圧力（P）は機械的制約及びポンピングの制約に独立して左右され、それにより滞在時間を低い値に厳密に制御することが困難となっている。したがって、ALD反応器内の圧力（P）を下げることによって、低いガス滞在時間を容易にし、ALD反応器からの化学前駆体の除去（パージ）の速度を増す。これに対し、ALD反応時間を最小にするには、ALD反応器内での高圧を使うことを通じて、ALD反応器への化学前駆体のフラックスを最大化することが要求される。さらに、ガス滞在時間及び化学物質使用効率はいずれもフローに反比例する。よって、フローを下げることで効率を増すことができるものの、ガス滞在時間を増加させることにもなる。

既存のALDアプローチは、化学物質利用効率を改善して反応時間を短くするという要求と、他方ではパージガス滞在時間及び化学物質除去時間を最小化するという要求との間のトレードオフのために妥協させられてきた。気相材料の「パルス化」配送の内在的な限界を克服するための一つのアプローチは、各反応体ガスを連続的に提供し、逐次に各ガスを含む領域を通じて基板を動かすことである。これらの装置では、基板が移動している間にすべてのガスを採取することができるが、個々の相互に反応性のガスが混合して望ましくないCVD堆積を生じさせることができないように、特定のガスを空間領域に閉じ込める、何らかのメカニズムを採用しなければならない。そのような装置は空間的に閉じ込められたALD装置と呼ぶことができる。たとえば、Yudovskyの“Gas Distribution System for Cyclical Layer Deposition”という発明の名称の米国特許第6,821,563号明細書は、前駆体ガス及びパージガスについての別個のガスポートを有し、各ガスポートの間に真空ポンプポートが交互にはいる、真空下の処理チャンバーを記載している。各ガスポートはそのガスのストリームを基板に向かって垂直下方に向ける。別個のガスのフローは壁又は仕切りによって隔てられ、真空ポンプが各ガスストリームの両側でガスを排気する。各仕切りの下部は基板近くにまで、たとえば基板表面から約0.5mm以上まで延在している。この仕方では、仕切りの下部は、ガスストリームを基板表面と反応させた後、ガスストリームが真空ポートに向かって該下部を回って流れることができるために十分な距離だけ基板表面から離されている。

回転式ターンテーブル又は他の輸送デバイスが、一つ以上の基板ウエハーを保持するために設けられる。この配置では、基板は異なるガスストリームの下でシャトルされ、それによりALD堆積が行われる。１つの実施形態では、基板はチャンバーを通じて線形経路で動かされ、基板は何度か行ったり来たりその経路を通される。

連続的なガスの流れを使うもう一つのアプローチは、Suntolaらの“Method for Performing Growth of Compound Thin Films”という発明の名称の米国特許出願第4,413,022号明細書に示されている。交互の原料ガス開口部、キャリアガス開口部及び真空排気開口部を備えたガスフローアレイが設けられる。そのアレイ上での基板の往復運動がALD堆積を実施する。ここでもまた、パルス化操作は必要ない。図１３及び図１４の実施形態では、特に、基板表面と反応性蒸気との間の順次の相互作用が、原料開口部の固定アレイ上の基板の往復運動によってなされる。排気開口部の間にキャリアガス開口部を持つことによって拡散障壁が形成される。Suntolaらは、そのような実施形態での動作は大気圧でも可能であると述べている。ただし、その方法の詳細又は実施例はほとんど又は全く提供されていない。

'563号のYudovsky及び'022号のSuntolaらの特許に記載されているような装置は、パルス化ガスのアプローチに内在的な困難のいくつかを回避するかもしれないが、これらの装置は他の欠点を有する。'563号のYudovskyの特許のガスフロー配送ユニット及び'022号のSuntolaらの特許のガスフローアレイはいずれも、約0.5mmより基板に接近して使用することはできない。'563号のYudovsky及び'022号のSuntolaらの特許で開示されているガスフロー配送装置はいずれも、電子回路、光センサー又はディスプレイなどを形成するためのフレキシブル基板として使用することができるような移動ウェブ表面で使用できるようになっていない。それぞれガスフロー及び真空を提供する'563号のYudovskyの特許のガスフロー配送ユニット及び'022号のSuntolaらの特許のガスフローアレイの両方の複雑な配置は、これらの解決策の実装を困難にし、大規模化をコスト高にし、その潜在的な使用可能性を限られた寸法の移動中の基板上への堆積の用途に限定する。さらに、アレイ内の種々の点において均一な真空を維持し、相補的な圧力でガスフロー及び真空を維持することは非常に難しく、こうして基板表面に提供されるガスフラックスの均一性が損なわれる。

Selitserの米国特許出願公開第2005/0084610号明細書は大気圧での原子層化学気相堆積法を開示している。Selitserは、操作圧力を大気圧に変えることによって、反応体の濃度の何桁もの増大を伴うことになり、結果として表面反応体割合が向上し、反応速度が極端に増大すると述べている。Selitserらの実施形態は、米国特許出願第2005/0084610号明細書の図１０はチャンバーの壁が除去された実施形態を示しているが、プロセスの各段階のための別個のチャンバーを必要としている。一連の別個の注入器が回転する円形基板ホルダートラックのまわりに離間されている。各注入器は独立して操作される反応体ガス、パージガス及び排気ガスのマニホールド及びコントロールを組み込んでおり、プロセスにおいてその下を通される各基板のための一つの完全な単層堆積及び反応体パージのサイクルとして作用する。Selitserらは、注入器の間隔は隣接している注入器からの相互汚染がパージガスフロー及び各注入器に組み込まれている排気マニホールドによって防止されるように選択されると述べてはいるものの、ガス注入器又はマニホールドの具体的な詳細についてはほとんど又は全く記載していない。

ALD加工装置で空間的にガスを閉じ込めるもう一つのアプローチは、横方向フローALDデバイスを開示している上記で引用した米国特許出願第11/392,006号明細書に記述されている。このようなデバイスでは、さまざまなガスが相互に平行に向けられ、向流の度合いを制限することによってガスが混合することを抑制する。

ガス分離を可能にする最も効率的な方法の１つは、上記に引用した米国特許出願第11/620,738号明細書の浮動ヘッドALDデバイスである。このデバイスでは、反応性ガス及びパージガスの圧力をコーティングヘッドを基板から分離する手段として使用する。このような装置で生成できる比較的大きな圧力によって、ガスが強制的に適切に画定されたパスを移動し、それにより、好ましくないガス混合を排除する。

上記に提案したとおりの浮動式ALD堆積ヘッドの操作において、高品質の薄膜の健全な堆積を可能にする方法を提供することが非常に重要である。特に、生じうる機械的障害お及び他の障害がコーティング品質の変化をもたらすことがないように堆積ヘッドからの基板の分離を維持することが重要である。

発明の目的
本発明の目的は、ALDコーティング法において複数の反応性ガスを近接して配置したときに、配送ヘッドの寸法にわたって良好な均一性をもって比較的に正確にガスを配送することである。

別の目的は、配送ヘッドに対して一定のギャップで基板を維持し、そして外部障害の存在下であっても、このギャップを効率的に一定に維持する手段を提供することである。

別の目的は、基板を堆積ヘッドからつり下げることができ、その基板の位置を配送ヘッド及びその操作形態によって設定されるフロー及び圧力によって発生する力によって維持する浮動式堆積ヘッドを使用する手段を提供することである。

別の目的は、連続法で用いることができ、また、以前の解決法よりも改良されたガスフロー分離を提供することができるALD堆積法及び装置を提供することである。

別の目的は、操作の間のプロセス条件又は環境において生じうる障害及び不規則性に強くなったALD堆積法及び装置を提供することである。

別の目的は、浮動式堆積ヘッドを用いる実施形態において、改良された易動度を有利に提供するALD堆積法及び装置を提供することである。

発明の要旨
本発明は、一連のガスフローを同時に薄膜堆積装置の配送ヘッドのアウトプット面から基板の表面に向けることを含み、この一連のガスフローは第一の反応性気相材料、不活性パージガス及び第二の反応性気相材料を少なくとも含む、基板上に薄膜材料を堆積させるための装置及び方法を提供する。第一の反応性気相材料は第二の反応性気相材料で処理した基板表面と反応することができる。特に、本発明は基板上に薄膜材料堆積を行うための配送デバイスに関し、その配送デバイスは、
(A)少なくとも第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料のための少なくとも第一の源、第二の源及び第三の源、
(B)基板表面を有しそして、ある単位面積あたりの平均重量を有する基板、
(C)薄膜堆積を行うための基板表面に気相材料を配送するための堆積ヘッドであって、
i)上記の第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料をそれぞれ受けるための少なくとも第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポート、
ii)排気ガスを排気するための少なくとも１つの排気ポート、
iii)複数の延在開口部を含む、基板表面に近接したアウトプット面、
を含む堆積ヘッド、
を含み、
(a)上記のインレットポートの各々は、上記の基板にそれぞれの気相材料を供給するための堆積ヘッドの面において、少なくとも１つの（好ましくは複数の）第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部及び第三の延在アウトプット開口部（各々延在射出チャンネルと連携し又は連結している）に独立に連結されており、そして
(b)上記の少なくとも１つの排気ポートは各々がある連携圧力を有する少なくとも２つの（好ましくは複数の）延在排気開口部に連結されており、この延在排気開口部（各々対応する延在射出チャンネルと連携し又は連結している）はアウトプット面において少なくとも第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部又は第三の延在アウトプット開口部が上記の少なくとも２つの（好ましくは複数の各々の）排気開口部の間に存在するように配置されており、
上記のアウトプット面と基板表面との間の実質的に均一な距離は、上記の延在アウトプット開口部から基板の表面への１つ以上の気相材料のフローによって発生する圧力によって少なくとも部分的に維持され、そして、パスカルとして測定した大気圧と延在排気開口部の平均圧力との差は、パスカルとして測定した、上記の基板の単位面積あたりの平均重量の少なくとも２倍である。

好ましくは、配送ヘッドは様々な用途のために複数の第一の延在射出チャンネル及び／又は複数の第二の延在射出チャンネルを含む。しかし、最低限として、第一段階の配送ヘッドは、たとえば、少なくとも２つのパージチャンネルとの組み合わせで１つの金属チャンネル及び／又は１つの酸化剤チャンネルのみを有することができる。互いに連結された、又は、同一の基板を共通の時間処理する、複数の個々の「配送ヘッドサブユニット」は別個に形成され又は堆積後に分離可能であるとしても本発明の目的では「配送ヘッド」と考えられる。
好ましい実施形態において、第一の気相材料及び第二の気相材料は相互に反応性のガスであり、第三の気相材料は窒素などの不活性パージガスである。

本発明の別の態様は基板上に薄膜材料を堆積させるための方法に関し、その方法は、一連のガスフローを同時に薄膜堆積装置の配送ヘッドのアウトプット面から基板の表面に向けることを含み、この一連のガスフローは第一の反応性気相材料、不活性パージガス及び第二の反応性気相材料を少なくとも含み、第一の反応性気相材料は第二の反応性気相材料で処理した基板表面と反応することができ、上記の配送ヘッドは、
(a)上記の第一の反応性気相材料、第二の反応性気相材料及び不活性パージガスをそれぞれ受けるための少なくとも第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポート、
(b)排気ガスを排気するための少なくとも１つの排気ポート、
(c)複数の延在開口部を含む、基板表面に近接したアウトプット面、
を含み、
(i)上記のインレットポートの各々は、上記の基板にそれぞれの気相材料を供給するための、少なくとも１つの第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部及び第三の延在アウトプット開口部（各々延在射出チャンネルと連携し又は連結している）にそれぞれ独立に連結されており、そして
(ii)上記の少なくとも１つの排気ポートは各々がある連携圧力を有する少なくとも２つの延在排気開口部（各々対応する延在射出チャンネルと連携し又は連結している）に連結されており、この延在排気開口部はアウトプット面において少なくとも第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部又は第三の延在アウトプット開口部が上記の少なくとも２つの排気開口部の間に存在するように配置されており、
上記のアウトプット面と基板表面との間の実質的に均一な距離は、上記の延在アウトプット開口部から基板の表面への１つ以上の気相材料のフローによって発生する圧力によって少なくとも部分的に維持され、そして、パスカルとして測定した大気圧と延在排気開口部の平均圧力との差は、パスカルとして測定した、上記の基板の単位面積あたりの平均重量の少なくとも２倍である。

１つの好ましい実施形態において、アウトプット面におけるすべての射出ガスフローは配送ヘッドの面から基板の表面を分離することに実質的に寄与する圧力を提供し、一方、一連の排気チャンネルは堆積ヘッドの表面から基板が遠くに移動し過ぎるのを防止する吸引力を提供する。

別の好ましい実施形態において、アウトプット面（すなわち、排気開口部）での排気チャンネル吸引力は基板が堆積ヘッドの下に存在することができるように十分に大きく、そしてその吸引力は重力に抗し基板が落下するのを防止するのに要求される力の大部分を提供する。

別の実施形態において、装置は分配ヘッドと基板との間の相対振動運動を提供する。好ましい実施形態において、装置は薄膜堆積を受ける基板の連続移動によって操作でき、その装置は好ましくは実質的に大気圧で周囲条件に対してシールされていない環境下でウェブ上の支持体又はウェブを分配ヘッドを通過して輸送することができる。

本発明の利点は、幾つかの異種の基板及び堆積環境によく適合する、基板上での原子層堆積のためのコンパクトな装置を提供することができることである。

本発明のさらなる利点は、好ましい実施形態において、大気圧条件で操作を行うことが可能となることである。

本発明のなおもさらなる利点は大面積の基板上の堆積を含む、ウェブ又は他の移動している基板上での堆積に適合されうることである。

本発明のなおもさらなる利点は大気圧での低温プロセスに用いることができることであり、その方法は周囲雰囲気に開放された、シールされていない環境下に実施されうる。本発明の方法はガスの滞在時間τを上記の式（３）の関係に制御することが可能であり、滞在時間τを低減でき、単一の変数であるガスフローによって装置圧力及び体積を制御することができる。

本明細書中に使用するときに、用語「垂直」、「水平」、「上部」、「下部」、「前部」、「後部」又は「平行」などは、特に断らないかぎり、配送ヘッドが基板上に垂直になっている理論形態において、配送デバイスの前部／下部水平面又は処理される基板の上部水平平行表面などを参照するが、その形態は選択が自由であり、たとえば、配送ヘッドの面の上に基板を配置することもでき、又は、別の様式で配置してもよい。

本発明のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例示の実施形態が示されそして記載されている図面と組み合わせて下記の詳細な説明を読んだときに当業者に明らかになるであろう。

図面の簡単な説明
本明細書は特許請求の範囲が本発明の構成を特に示しそして明確に請求しているものと結論づけているが、本発明は添付の図面と組み合わせたときに下記の説明からよりよく理解されるものと信じられる。

図１は本発明に係る原子層堆積のための配送ヘッドの一実施形態の側断面図である。 図２は薄膜堆積を受ける基板に提供される気相材料の１つの例示の配置を示す配送ヘッドの一実施形態の側断面図である。 図３Ａ及び３Ｂは付属の堆積操作を模式的に示している、配送ヘッドの一実施形態の側断面図である。 図４は随意のディフューザーユニットを含む場合の堆積装置中の配送ヘッドの分解斜視図である。 図５Ａは図４の配送ヘッドのためのコネクションプレートの斜視図である。 図５Ｂは図４の配送ヘッドのためのガスチャンバープレートの平面図である。 図５Ｃは図４の配送ヘッドのためのガス方向付けプレートの平面図である。 図５Ｄは図４の配送ヘッドのためのベースプレートの平面図である。 図６は一実施形態における配送ヘッド上のベースプレートを示す斜視図である。 図７は一実施形態に係るガスディフューザーユニットの分解図である。 図８Ａは図７のガスディフューザーユニットのノズルプレートの平面図である。 図８Ｂは図７のガスディフューザーユニットのガスディフューザープレートの平面図である。 図８Ｃは図７のガスディフューザーユニットのフェースプレートの平面図である。 図８Ｄは図７のガスディフューザーユニット内のガス混合の斜視図である。 図８Ｅは図７のガスディフューザーユニットを用いた通気路の斜視図である。 図９Ａは垂直配向プレートを用いた実施形態における配送ヘッドの一部の斜視図である。 図９Ｂは図９Ａに示した配送ヘッドの部品の分解図である。 図９Ｃは積み重ねプレートを用いて形成された配送アセンブリーを示す平面図である。 図１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれ、図９Ａの垂直プレートの実施形態において使用されるセパレータプレートの平面図及び斜視図である。 図１１Ａ及び１１Ｂは、それぞれ、図９Ａの垂直プレートの実施形態において使用されるパージプレートの平面図及び斜視図である。 図１２Ａ及び１２Ｂは、それぞれ、図９Ａの垂直プレートの実施形態において使用される排気プレートの平面図及び斜視図である。 図１３Ａ及び１３Ｂは、それぞれ、図９Ａの垂直プレートの実施形態において使用される反応体プレートの平面図及び斜視図である。図１３Ｃは交互配置の反応体プレートの平面図である。 図１４は適切な距離寸法及び力方向を示す浮動式配送ヘッドを含む堆積装置の一実施形態の側面図である。 図１５は基板輸送装置とともに用いる分配ヘッドを示す斜視図である。 図１６は本発明の配送ヘッドを用いた堆積装置を示す斜視図である。 図１７は移動しているウェブに応用する堆積装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１８は移動しているウェブに応用する堆積装置の別の実施形態を示す斜視図である。 図１９は曲面を有するアウトプット面を用いた配送ヘッドの一実施形態の側断面図である。 図２０は基板から配送ヘッドを分離するためのガスクッションを用いた実施形態の斜視図である。 図２１は移動している基板とともに用いるガス流体支持を含む堆積装置の一実施形態を示す側面図である。 図２２は図１に示す配送ヘッドの拡大図である。

発明の詳細な説明
本記載は本発明に係る装置の部品を形成する要素又はその装置と比較的に直接的に共働する要素に特に向けられている。詳細に示し又は記載していない要素は当業者によく知られた変更形態を取ってよいことが理解されるべきである。

下記の記載に関し、用語「ガス」又は「気相材料」はあらゆる範囲の蒸発した又は気相の元素、化合物又は材料を包含する広い意味で使用される。本明細書中に使用される他の用語、たとえば、「反応体」、「前駆体」、「真空」及び「不活性ガス」などはすべて、材料堆積技術における当業者により十分に理解されるとおりの従来の意味である。提供した図面は寸法通りに示しておらず、本発明のある実施形態の全体の機能及び構造上の配置を示すことが意図されている。用語「上流」及び「下流」はガスフローの方向に関するときに従来の意味である。

本発明の装置は従来のアプローチからALDへ有意に進歩させ、基板表面への気相材料の配送のための改良された分配デバイスを用い、より大きなウェブベースの基板又はウェブ支持された基板上への堆積に適合されており、そして改良されたスループット速度で高度に均一な薄膜堆積を達成することができる。本発明の装置及び方法は連続（パルス化とは対照的に）の気相材料分配を用いる。本発明の装置によって、真空下だけでなく、大気圧もしくは大気圧付近での操作が可能となり、また、シールされていない又は空気に開放された環境下で操作をすることができる。

図１を参照すると、本発明に係る、基板２０上への原子層堆積のための配送ヘッド１０の一実施形態の側断面図が示されている。配送ヘッド１０は、第一の気相材料を受けるためのインレットポートとして機能するガスインレット導管又はポート１４、第二の気相材料を受けるインレットポートのためのガスインレット導管又はポート１６、及び、第三の気相材料を受けるインレットポートのためのガスインレット導管又はポート１８を有する。これらのガスは延在アウトプット開口部又はチャンネル１２を介して堆積アウトプット面３６で射出され、その延在アウトプット開口部又はチャンネル１２は下記に記載される構造的配置を有する。図１及び続く図２〜３Ｂ中の波線矢印は配送ヘッド１０から基板２０へのガスの配送を示す。図１において、Ｘの矢印はガス廃棄物のための通路（この図中、上向きに示されている）を示し、排気ポートを提供する排気導管又はポート２４に連通している排気開口部又はチャンネル２２が示されている。記載の単純化のために、ガス廃棄物は図２〜３Ｂには示していない。排気ガスはなおもある量の未反応前駆体を含みうるので、ある反応性種を主として含む排気フローを、別の種を主として含む排気フローと混合させることは望ましくないことがある。そのため、配送ヘッド１０は幾つかの独立の排気ポートを含みうることが理解される。

一実施形態において、ガスインレット導管１４及び１６はALD堆積を行うために基板表面上で順次に反応する第一のガス及び第二のガスを受けるようになっており、ガスインレット導管１８は第一のガス及び第二のガスに対して不活性であるパージガスを受ける。配送ヘッド１０は基板２０から距離Ｄの空間を空けており、基板２０は下記により詳細に記載されるとおり、基板支持体上に提供されうる。基板２０と配送ヘッド１０との間に往復運動を提供することができ、その往復運動は基板２０の移動、配送ヘッド１０の移動又は基板２０と配送ヘッド１０の両方の移動によって提供されうる。図１に示す特定の実施形態において、基板２０は、図１中の矢印Ａ及び基板２０の右と左に架空の外周線によって示されるとおり、往復様式でアウトプット面３６を横切って基板支持体９６によって移動される。往復運動は配送ヘッド１０を用いた薄膜堆積に常に必要とされるわけではないことに注意すべきである。基板２０及び配送ヘッド１０の間の他のタイプの相対運動も提供されてよく、たとえば、下記により詳細に記載されるとおり、基板２０又は配送ヘッド１０の一方向又はそれ以上の方向への移動も提供されうる。さらに、堆積ヘッドが十分なチャンネルを含むか又は所望のコーティングが十分に薄い場合には、完全な堆積はコーティング装置の長さを通る単一回の一方向の通過によって達成されうる。

図２の断面図は配送ヘッド１０のアウトプット面３６の部分にわたって射出されているガスフローを示している（上記のような排気通路は省略している）。この特定の配置において、各延在アウトプット開口部又はチャンネル１２は図１に示されるようなガスインレット導管１４、１６又は１８のいずれかに気体流連通している。各アウトプットチャンネル１２は、通常、第一の反応体気相材料Ｏ、又は、第二の反応体気相材料Ｍ又は第三の不活性気相材料Ｉを配送する。

図２は比較的に基本的又は単純なガスの配置を示している。複数の非金属堆積前駆体（たとえば、材料Ｏ）のフロー又は複数の金属含有前駆体材料（たとえば、材料Ｍ）のフローを薄膜単一堆積において様々なポートで順に配送することができると考えられる。又は、反応体ガスの混合物、たとえば、金属前駆体材料の混合物、又は、金属前駆体と非金属前駆体の混合物は複合薄膜材料、たとえば、金属の交互の層を有するか又は金属酸化物材料中に混合された比較的に少量のドーパントを有する複合薄膜材料を製造するときに単一のアウトプットチャンネルで適用されうる。有意には、パージガスとも呼ぶ不活性ガスについてＩと符号付けしたインターストリームはガスどうしが互いに反応する傾向がある反応体チャンネルを分離する。第一の反応体気相材料及び第二の反応体気相材料Ｏ及びＭは互いに反応してALD堆積を行うが、反応体気相材料のＯ又はＭのいずれも不活性気相材料Ｉと反応しない。図２及びこれ以降において使用されている用語は幾つかの典型的なタイプの反応体ガスを提示する。たとえば、第一の反応体気相材料Ｏは酸化性気相材料であることができ、第二の反応体気相材料Ｍは金属含有化合物、たとえば、亜鉛含有材料であることができる。不活性気相材料Ｉは窒素、アルゴン、ヘリウム又はALD装置でパージガスとして一般的に使用される他の気体であることができる。不活性気相材料Ｉは第一の反応体気相材料又は第二の反応体気相材料Ｏ及びＭに対して不活性である。第一の反応体気相材料と第二の反応体気相材料との反応は、一実施形態において、半導体で使用されるＺｎＯ又はＺｎＳなどの金属酸化物又は他の二元化合物を形成するであろう。二つより多くの反応体気相材料の反応によって、三元化合物、たとえば、ＺｎＡｌＯを形成することができる。

図３Ａ及び３Ｂの断面図は、単純化された模式図の形で、ALDコーティング操作を示し、ALDコーティング操作は反応体気相材料Ｏ及びＭを配送しているときに配送ヘッド１０の堆積アウトプット面３６にそって基板２０を通過させるときに行われる。図３Ａにおいて、基板２０の表面は最初に、第一の反応体気相材料Ｏを配送するように指定されたアウトプットチャンネル１２から連続的に射出される酸化性材料を受ける。ここで、基板の表面は部分的に反応した形の材料Ｏを含み、その材料は材料Ｍとの反応を受けやすい。その後、基板２０が第二の反応体気相材料Ｍの金属化合物の通路を通過するときに、Ｍとの反応が起こり、金属酸化物又は２つの反応体気相材料から形成されうるある種の他の薄膜材料を形成する。従来の解決法とは異なり、図３Ａ及び３Ｂに示される堆積シーケンスはパルス化されるのではなく、所与の基板又はその特定の領域に対して堆積の間に連続である。すなわち、材料Ｏ及びＭは、基板２０が配送ヘッド１０の表面を横切って通過するときに又は、逆に、配送ヘッド１０が基板２０の表面に沿って通過するときに、連続的に射出される。

図３Ａ及び３Ｂが示すとおり、不活性気相材料Ｉは、第一の反応体気相材料Ｏのフロー及び第二の反応体気相材料Ｍのフローの間で、交互のアウトプットチャンネル１２中に提供されうる。顕著には、図１に示したとおり、排気チャンネル２２が存在するが、好ましくは、アウトプットチャンネル１２の間に真空チャンネルは介在されない。少量の吸引を行う排気チャンネル２２のみが、配送ヘッド１０から射出されそして処理に使用された使用後ガスを通気させるために必要である。

１つの実施形態において、同時係属中の同一出願人の米国特許出願第１１／６２０，７４４号明細書（その全体を参照により取り込む）により詳細に記載されているとおり、ガス圧力は、分離距離Ｄが課される圧力の力によって少なくとも部分的に維持されるように基板２０に対して提供される。アウトプット面３６と基板２０の表面との間にある量のガス圧力を維持することによって、本発明の装置は、配送ヘッド１０自体、又は、基板２０に対する空気支持、又は、より適切にはガス流体支持の少なくとも一部を提供する。この配置は、下記に記載されるように、配送ヘッド１０のための輸送要求を単純化する助けになる。基板をガス圧によって支持するように配送ヘッドを基板に近接させることにより生じる効果はガスストリーム間の分離を助けることである。ヘッドをこれらのストリーム上で浮遊させることによって、圧力場は反応性及びパージフロー領域でセットアップされ、他のガスストリームと混合することがほとんどなく又は全くなく、インレットから排気にガスを送ることになる。このようなデバイスでは、配送ヘッドを基板に近接させることにより、比較的に高い圧力を提供しそしてヘッド下の圧力の高い変化をもたらす。ヘッド内にガスディフューザー装置が存在せず又は不十分なガスディフューザー装置であることはヘッド内にガスの流れのための圧力損失がほとんどないことを示す。このような場合には、もしヘッドの片側のギャップで無秩序な力が少し増加したら、その領域での圧力が低下し、その領域に高すぎる割合でガスが流入する可能性がある。このため、配送ヘッド下で起こりうる変動にかかわらず、ヘッドからのガスフローを比較的に均一に維持するためにガスディフューザーが要求される。

一実施形態において、基板上に薄膜材料堆積を行うための気相材料を提供するためのアウトプット面を有する配送デバイスは、
(a)それぞれ第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料の共通サプライを受けることができる少なくとも第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポートを含む複数のインレットポート、及び、
(b)１つ以上の第一の延在射出チャンネルを含む第一の群、１つ以上の第二の延在射出チャンネルを含む第二の群及び少なくとも２つの第三の延在射出チャンネルを含む第三の群、の少なくとも３つの延在射出チャンネルの群であって、その第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネルの各々は対応する第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポートの１つにガス流体連結されることができる、射出チャンネルの群、
を含み、ここで、各第一の延在射出チャンネルは、その少なくとも１つの延在面において、第三の延在射出チャンネルによって、最も近接した第二の延在射出チャンネルから分離されており、
各第一の延在射出チャンネル及び各第二の延在射出チャンネルは第三の延在射出チャンネルの間に存在し、
第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネルの各々は長さ方向にかつ実質的に平行に延びており、
延在射出チャンネルの３つの群のうちの少なくとも１つの延在射出チャンネルの群における延在射出チャンネルの各々はそれぞれ第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料の少なくとも１つのフローを配送ヘッドのアウトプット面に対して実質的に直交方向に向けることができ、その気相材料のフローを、少なくとも１つの群における延在射出チャンネルの各々から直接的又は間接的に基板の表面に実質的に直交方向に供給することができる。

一実施形態において、配送デバイスの少なくとも一部は複数の孔付きプレートとして形成され、その複数の孔付きプレートは重ねられて、第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料の各々を対応するインレットポートから対応する延在射出チャンネルに導くための方向付けチャンネルとサプライチャンバーを相互連結するネットワークを画定する。

たとえば、第一の気相材料及び第二の気相材料は相互に反応性のガスであることができ、そして第三の気相材料はパージガスであることができる。

図４の分解図は、一実施形態における全体アセンブリーの小さな部分について、配送ヘッド１０がどのように一連の孔付きプレートで構成されうるかを示し、そして複数のガスのうちの１つの一部分についてのみ例示のガスフロー通路を示している。配送ヘッド１０についてのコネクションプレート１００は配送ヘッド１０の上流にあり、図４に図示していないガス供給源に連結するための一連のインプットポート１０４を有する。各インプットポート１０４は受け入れたガスを下流のガスチャンバープレート１１０に方向付ける方向付けチャンバー１０２に連結されている。ガスチャンバープレート１１０はサプライチャンバー１１２を有し、そのサプライチャンバー１１２はガス方向付けプレート１２０にある個々の方向付けチャンネル１２２とガスフロー連結されている。方向付けチャンネル１２２から、ガスフローはベースプレート１３０にある特定の延在排気チャンネル１３４に進行する。ガスディフューザーユニット１４０は拡散を行い、そしてアウトプット面３６でインプットガスの最終の配送を行う。例示のガスフローＦ１は配送ヘッド１０の各部品アセンブリーを通して追跡される。図４に示しているｘ−ｙ−ｚ軸の向きは本明細書の図５Ａ及び７にも適用される。

図４の例に示すとおり、配送ヘッド１０の配送アセンブリー１５０は重なった孔付きプレート：コネクションプレート１００、ガスチャンバープレート１１０、ガス方向付けプレート１２０及びベースプレート１３０の配置として形成される。これらのプレートはこの「水平」実施形態において、アウトプット面３６に対して実質的に平行に配置される。ガスディフューザーユニット１４０も下記に記載されるように、重なった孔付きプレートから形成できる。図４に示すプレートのいずれも、それ自体が、重なったプレートの積層物から形成されうることが理解できる。たとえば、適切に組み合わされた４枚又は５枚の積層された孔付きプレートからコネクションプレート１００を形成することが有利であることがある。このタイプの配置は方向付けチャンバー１０２及びインプットポート１０４を形成するための機械加工法又は成形法よりも複雑でないことがある。

上記のとおり、基板上への薄膜堆積材料堆積のための配送デバイスは、好ましくはガスディフューザーを含むことができ、ここで、上記の第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネルの複数の延在チャンネルの少なくとも１つ（好ましくは３つすべて）からの気相材料は、基板上への堆積を含め、配送デバイスから基板に配送される前にガスディフューザーを通過することができ、配送デバイスは各気相材料を、順に、それぞれのインレットポート、延在射出チャンネル及び（上記の複数の射出チャンネルのうちの少なくとも１つに対して）ガスディフューザーに通過させる。ガスディフューザーは上記の複数の延在射出チャンネルの少なくとも１つの中に、及び／又は、延在射出チャンネルの上流に存在することができる。

有利な実施形態において、ガスディフューザーは１×１０^２より大きく、好ましくは１×１０^４〜１×１０^８であり、より好ましくは１×１０^５〜５×１０^６である摩擦係数（後述する）を提供することができる。これによって背圧を提供し、上記の少なくとも１つの第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料のフローが配送デバイスを出るところで圧力の均衡を促進する。

この摩擦係数は、下記式の特性面積が上記の複数の延在射出チャンネルの少なくとも１つの各延在射出チャンネルの両側での延在排気チャンネルの間の全面積に等しいものと仮定している。別の言い方をすれば、この面積はそれぞれの延在排気チャンネルの２つの末端を直線で結ぶことにより画定される。装置クレームの目的で、代表的ガス、すなわち、２５℃及び平均速度０．０１〜０．５ｍ／秒の窒素を仮定し、これは使用方法を除いた装置のための摩擦係数の計算の目的である。平均速度は下記に規定する特性面積Ａで流速を割ることに基づいて計算される（これらの代表値は使用方法を除いた配送デバイスを特徴付けるためのものであって、本発明の方法には適用されず、プロセスの間の実測値を用いる）。

用語「摩擦係数」は下記のとおりに説明できる。ガスのフローがチャンネルを通して通過するときに、ディフューザーの抵抗特性によってディフューザーの上流側がディフューザーの下流側よりも高い圧力となる。この圧力の差はディフューザーを横切る圧力損失として知られている。

配送ヘッドにおいて背圧を提供するためのガスディフューザー又は他の手段（そのディフューザーは装置であっても、材料であっても又はそれらの組み合わせであってもよい）は、流体を均一に通過させながら、チャンネル内のフローに抵抗を与える。ガスディフューザー手段はある形状のフローチャンネルの末端に配置されることができる。ガスディフューザーが存在しないと、流体はチャンネルのいずれかの位置から出て行く傾向があり、均一に出て行くように拘束されない。ガスディフューザーが存在すると、ガスディフューザーまで進んだ流体はそこで強い抵抗を見いだし、ディフューザーのすべての領域にそって抵抗の最も低い通路を進み、より均一に出て行くことになり、このことは、よりなめらかで、よりしっかりした操作のために望まれる。

ガスディフューザーの望ましい特性は流れに対する抵抗であるから、流体力学の分野で受け入れられている手段によってこの抵抗を特性化することが便利である（Transport Phenomena, R.B. Bird, W.E. Stewart, E.N Lightfoot, John Wiley & Sons, 1960, 参照により本明細書中に取り込む）。ディフューザーを横切る圧力損失はガスディフューザーによって示される摩擦係数ｆによって特性化できる。

上式中、Ｆｋは流体フローによって発生する力であり、究極的に圧力損失に関係し、Ａは特性面積であり、Ｋは流体フローの運動エネルギーである。ディフューザーは多くの形状であることができる。本発明について記載するとおりの典型的な装置では、Ａはアウトプットフローに垂直に配置され、Ｆｋはアウトプットフローに平行になる。このため、用語Ｆｋ／Ａはガスディフューザーによって生じる圧力損失ΔＰとすることができる。

フローの運動エネルギーは下記の通りである。

上式中、ρはガスの密度であり、＜γ＞は平均速度であり、気相材料の流速を特性面積Ａで割った値と等しい。（プロセスにおいて実際に使用するガスについての最初の概算のために、又は、配送ヘッド装置を特性化するための代表的ガスとして、窒素の密度を用いることができる）。このため、ガスディフューザーによる圧力損失は以下のとおりにまとめることができる。

下記の実施例で示すとおり、他の係数は実験的に決定し又は測定することができるので、無次元数の摩擦係数ｆは等式（６）を用いて計算することができる。

より高い摩擦係数を示す材料又はデバイスはガス流に対して、より高い抵抗を示す。所与のディフューザー手段の摩擦係数はあるチャンネルにディフューザーを配置し、ディフューザーに示されるガスの流速とともに圧力損失を同時に記録することで測定することができる。ガスの流速及びチャンネルの形状の知見から、速度＜γ＞を計算することができ、それにより、上記の等式から摩擦係数を計算することが可能になる。所与の装置の摩擦係数は完全な定数ではないが、流速依存性は比較的に低い。実用の目的では、所与の装置又は方法での使用に典型的な流速での摩擦係数を知ることのみが重要である。方法を除いた配送ヘッド装置では、平均速度＜γ＞は代表的な数値として０．０１〜０．５ｍ／秒の窒素を用いることができる。（装置の場合に請求された摩擦係数はこの代表的な範囲のすべての平均速度＜γ＞について満たされるべきである）。

一実施形態において、適切なガスディフューザーはそのガスディフューザーを通るガスフローについて１×１０^２より大きく、好ましくは１×１０^４〜１×１０^８であり、より好ましくは１×１０^５〜５×１０^６である摩擦係数を提供することができる。これによって望ましい背圧を提供し、上記の少なくとも１つの第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料（好ましくはすべて３つの気相材料）のガスフローがガスディフューザーを通って配送デバイスを出るところで圧力の均衡を促進する。

上記に示したとおり、等式（６）の平均速度＜γ＞を決定するための特性面積Ａはガスディフューザーとフロー連結している延在射出チャンネル中の個々の延在射出チャンネルの両側での延在排気チャンネルの間の全面積に等しい。別の言い方をすれば、この面積はそれぞれの延在排気チャンネルの２つの末端を直線で結ぶことにより画定される。装置クレームの目的で、代表的ガス、すなわち、２５℃の窒素を仮定している。

当業者は、典型的なランダム材料自体は必要な摩擦係数を提供しないであろうと認識することができる。たとえば、ステンレススチールの孔付きスクリーンは典型的な機械加工され又は機械製造した要素についてはかなり小さい形態を示すが、本ガスディフューザーのためにはそれ自体では適切とするには低すぎる摩擦係数を与えるであろう。

摩擦係数を決定する目的では、ほとんどの場合には、ガスディフューザーに導く流路の効果は比較的に小さいので、配送ヘッドに入る圧力を用いて良好な概算を行うことができる。

必要な摩擦係数を提供するガスディフューザー手段は機械的に形成された装置であることができ、たとえば、延在射出チャンネルは、第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料を、固体材料中に開口部を含むガスディフューザー要素を通って通過した後に基板に間接的に提供するように設計される。たとえば、固体材料はスチールであることができ、開口部は成形、機械加工、レーザー適用又はリソグラフィーなどによって形成されうる。

又は、ガスディフューザー手段は多孔質材料を含むことができる。固体材料中に孔を機械加工する代わりに、小さな孔群を有する多孔質材料を使用して所望の背圧を形成することができる。インレットガスの均一な分散が得られることによって、堆積成長の均一性が改良でき、また、特定の実施形態では、浮動式ヘッドの良好な浮遊が可能になる。スチールの機械加工などの困難さを避ける、比較的に単純なユニットを提供するのに多孔質材料は有利である。

文献において、多孔質材料は空気支持のための背圧を形成するために使用されてきたが、このような用途ではガスの横断流（すなわち、ガスが横方向に流れること）についての懸念はない。このため、焼結アルミナ粒子は空気支持のための膜を形成するために使用できる。しかしながら、本発明のALD装置の好ましい実施形態においては、ガスはアウトレットから実質的に垂直に流れ、ガスの混合を起こしうる意図しない横逸れを最少とし又はなくすことが好ましい。それゆえ、ガスフローを方向付けるための実質的に垂直の管状開口部又は孔を有する多孔質材料は特に望ましくそして有利である。

多孔質材料は、また、フィルターの目的で使用されてきた。その目的は片側に１つの成分を維持し、一方、別の成分を通過させることである。対照的に、本発明では、全体の気相材料のフローに適度の抵抗を与えることが目的である。この目的で、２つの好ましいクラスの多孔質材料は下記の通りである。

第一の好ましいクラスの多孔質材料は均一の制御された直径の柱状型孔構造を含む多孔質材料を含む。このような材料から作られた膜（又は層）では、膜を通るフローは実質的に一方向であり、孔チャンネル間の横流れが本質的にない。高純度のアルミニウムの陽極酸化により形成されるアルミナは孔直径（孔の断面形状は必ずしも円形又は規則的である必要はないが）の均一性について文献周知であり、このような材料は０．０２ミクロン、０．１ミクロン及び０．２ミクロンの直径で市販されている。市販のアルミナであるＡＮＯＰＯＲＥアルミナの孔はかなり密度が大きく、１．２３×１０^９孔／ｃｍ^２である（J Chem Phys, V.96, p.7789, 1992）。しかしながら、広範な孔径及び孔間距離を形成することができる。多孔質材料は、また、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物及びスズ酸化物から形成することもできる（Adv. Materials, V.13, p.180, 2001）。柱状孔を有する別の市販の材料はポリカーボネートトラックエッチ（ＰＣＴＥ）膜であり、それはＮＵＣＬＥＯＰＯＲＥとして知られている薄い微孔性ポリカーボネート膜材料から製造されている。ブロックコポリマーは同様の形態物で様々な調整可能なものを形成することができる。

このように、好ましい実施形態において、ガスディフューザーは孔が表面に対して実質的に垂直である、独立の非連結性孔構造を含む多孔質材料、たとえば、陽極酸化アルミナを含む。

これらのすべての材料の中で、正確な範囲の孔直径範囲及び孔密度（孔体積）は要求されるフローについての適切な摩擦係数を達成するように調節されなければならない。拡散膜の流れているガスとの反応性を避けることが望ましい。このことは、有機物をベースとする材料よりも無機酸化物については問題となる傾向が低い。

さらに、膜はある機械的強靱さを有しなければならない。流れているガスは膜に圧力を課すであろう。強靱さは支持膜によって達成されることができ、それにより、より大きな孔を有する、より強健な層と組み合わせて、より小さな孔を有する層によって摩擦係数が生じる。

第二の好ましいクラスの多孔質材料において、多孔質材料はフローが等方性となるように、すなわち、ガスが膜を通るのに加えて、膜の内部を横方向に移動するように製造される。しかしながら、この目的では、このような等方的に流れる材料は、各アウトプットチャンネルの気相材料を他のアウトプットチャンネルの気相材料から分離しそしてガスディフューザー中で又はガスディフューザーもしくは配送ヘッドを出て行くときに気相材料が混合するのを防止する無孔性材料（たとえば、リブ）で壁によって分離されることが好ましい。たとえば、このような多孔質材料は有機又は無機の小さい粒子から焼結されることができる。焼結には、通常、粒子を結合するのに十分な熱及び／又は圧力、好ましくはその両方を課すことを用いる。様々なこのような多孔質材料は市販されており、たとえば、多孔質ガラス（たとえば、ＶＹＣＯＲは、２８％の空隙率を有する）及び多孔質セラミックが市販されている。又は、ガスの流れを制限し又は抑制する密なネットワークを形成するように繊維材料を圧縮することができる。又は、多孔質ステンレススチールは基板上にプラズマコーティングし、次いで基板を除去することにより形成することができる。

一実施形態において、ガスチャンネル間の相対的分離を提供しながら、適切な背圧を生じさせるために、有用な孔を発生するように処理したポリマー材料、たとえば、多孔性を生じるように処理したＴＥＦＬＯＮ（登録商標）材料（Gore Tex, Inc.;Newark, Delaware）を用いることができる。この場合には、孔は相互に連結していない。また、このような材料の生来的な化学的不活性は有利である。

多孔質材料は、粒子の介在性空間から形成される孔、空隙剤又は他の手段によって固体材料中に形成された相互連結空隙である孔、又は、マイクロスケール又はナノスケールの繊維から形成された孔を含むことができる。たとえば、多孔質材料は、焼結、圧力及び／又は熱、接着剤材料又は他の結合材料によって結合した有機又は無機粒子の間の介在性空間から形成されうる。又は、多孔質材料は多孔性を生じるポリマーフィルムの加工から得ることができる。

一実施形態において、ガスディフューザー手段は、水銀圧入多孔度測定によって測定して、平均直径が１０，０００ｎｍ未満、好ましくは１０〜５０００ｎｍ、より好ましくは５０〜５０００ｎｍの平均直径の孔を含む多孔質材料を含む。

ガスディフューザー手段における多孔質材料の様々な形態が可能である。たとえば、多孔質材料は異なる多孔質材料の１つ以上の層、又は、多孔質もしくは孔付きシートに支持された多孔質材料の層を含むことができる。それらの層は場合によりスペーサー要素によって分離される。好ましくは、多孔質材料は５〜１０００μｍの厚さ、好ましくは５〜１００μｍの厚さ、たとえば、約６０μｍの厚さの層を含む。一実施形態において、多孔質材料は配送アセンブリーの面を覆いそして気相材料がアウトプット面を出てくる配送デバイスの一部を含む、少なくとも一層の水平配置された層の形態であることができる。

多孔質材料は連続層を形成することができ、場合により、通路がその層の中に機械的に形成されている。たとえば、ガスディフューザーの多孔質層は配送デバイスを通して戻る排気気相材料の比較的に阻害されないフローのために、機械的に形成された開口部又は延在チャンネルを含むことができる。又は、多孔質材料の層はプレートの積層物中で実質的に完全に連続のプレートの形態であることができる。

なおも別の実施形態において、たとえば、チャンネル中に導入された粒子の結合又は焼結によって、延在射出チャンネルからの流路中の延在射出チャンネル又は他の壁付きチャンネル内部に多孔質材料を導入し又は形成することができる。チャンネルは多孔質材料によって少なくとも部分的に充填されていることができる。たとえば、ディフューザー要素又はその一部は、粒子を導入し、その後、焼結したスチールプレート内の延在チャンネルから形成されることができる。

このように、ガスディフューザー手段は多孔質材料が別個の閉じ込められた領域に維持されている要素のアセンブリーであることができる。たとえば、事前に機械加工したアルミニウム片の上に多孔質アルミナ材料を成長させることができ、それにより、得られた多孔性構造はパージチャンネル用の大きな開口部及びサプライガス用の垂直孔のシートを有する。

図５Ａ〜図５Ｄは図４の実施形態における配送ヘッド１０を形成するために組み合わせた主要部品の各々を示している。図５Ａはコネクションプレート１００の斜視図であり、複数の方向付けチャンバー１０２及びインレットポート１０４を示している。図５Ｂはガスチャンバープレート１１０の平面図である。サプライチャンバー１１３は一実施形態において配送ヘッド１０のためのパージ又は不活性ガスのために使用される。サプライチャンバー１１５は一実施形態において前駆体ガス（Ｏ）の混合を提供し、排気チャンバー１１６はこの反応性ガスの排気通路を提供する。同様に、サプライチャンバー１１２はもう一つの必要な反応性ガスである第二の反応体気相材料（Ｍ）を提供し、排気チャンバー１１４はこのガスの排気通路を提供する。

図５Ｃはこの実施形態における配送ヘッド１０のためのガス方向付けプレート１２０の平面図である。第二の反応体気相材料（Ｍ）を提供する複数の方向付けチャンネル１２２は適切なサプライチャンバー１１２（この図に示していない）をベースプレート１３０に接続するようなパターンで配置される。対応する排気方向付けチャンネル１２３は方向付けチャンネル１２２付近に配置される。方向付けチャンネル９０は第一の反応体気相材料（Ｏ）を提供し、そして対応する排気方向付けチャンネル９１を有する。方向付けチャンネル９２は第三の不活性気相材料（Ｉ）を提供する。ここでも、図４及び５Ａ〜５Ｄは１つの例示の実施形態を示し、多くの他の実施形態も可能であることを強調しなければならない。

図５Ｄは配送ヘッド１０のためのベースプレート１３０の平面図である。ベースプレート１３０は排気チャンネル１３４が間に挿入された複数の延在射出チャンネル１３２を有する。このように、この実施形態において、少なくとも２つの第二の延在射出チャンネルが存在し、各第一の延在射出チャンネルは、その延在する両面において、第一に、延在排気チャンネル、及び、第二に、第三の延在射出チャンネルによって、最も近接している第二の延在射出チャンネルから分離されている。より詳細には、複数の第二の延在射出チャンネル及び複数の第一の延在射出チャンネルが存在し、各第一の延在射出チャンネルは、その延在する両面において、第一に、延在排気チャンネル、及び、第二に、第三の延在射出チャンネルによって、最も近接している第二の延在射出チャンネルから分離されている。明らかに、配送デバイスは、それでも、配送ヘッドの２つの末端の各々で第一の延在射出チャンネル又は第二の延在射出チャンネルを含むことができ、配送ヘッドは配送ヘッドのアウトプット面の縁（図５Ｄの上部縁及び下部縁）に最も近い側に、第二の延在射出チャンネル又は第一の延在射出チャンネルを有しない。

図６は水平プレートから形成されたベースプレート１３０を示しそしてインプットポート１０４を示す斜視図である。図６の斜視図はアウトプット側から見たときのベースプレート１３０の外側表面を表し、ベースプレート１３０は延在射出チャンネル１３２及び延在排気チャンネル１３４を有する。図４を参照すると、図６の図は基板の方向に面した側から取ったものである。

図７の分解図は図４の実施形態において及び下記に記載される他の実施形態において使用される、機械ガスディフューザーユニット１４０の一実施形態を形成するために使用される部品の基本配置を示している。これらの部品はノズルプレート１４２、ガスディフューザープレート１４６及びフェースプレート１４８を含む。ノズルプレート１４２はベースプレート１３０に対して取り付けられ、延在射出チャンネル１３２からのガスフローを得る。図８Ａに示した実施形態において、ノズル孔の形態の第一のディフューザーアウトプット通路１４３は必要とされる気相材料を提供する。スロット１８０は下記に記載されるように排気通路において提供される。

図８Ｂに示すガスディフューザー１４６であって、ノズルプレート１４２及びフェースプレート１４８と共働して拡散するガスディフューザープレート１４６はノズルプレート１４２に対して取り付けられている。ノズルプレート１４２、ガスディフューザー１４６及びフェースプレート１４８の様々な通路の配置は必要量のガスフローの拡散を提供し、そして同時に、基板２０の表面領域から離れる方向に排気ガスを効率的に方向付けるのに最適化されている。スロット１８２は排気ポートを提供する。示した実施形態において、第二のディフューザーアウトプット通路１４７を形成するガスサプライスロット及び排気スロット１８２はガスディフューザープレート１４６において交互になっている。

図８Ｃに示すとおり、フェースプレート１４８は、その後、基板２０に対面する。ガスを提供するための第三のディフューザー通路１４９及び排気スロット１８４もこの実施形態で交互になっている。

図８Ｄはガスディフューザーユニット１４０を通るガス配送通路に焦点が当てられており、図８Ｅは、対応して、ガス排気通路を示している。図８Ｄを参照すると、代表的なガスポートに組み合わせについて、一実施形態におけるアウトプットフローＦ２のための反応体ガスの徹底的な拡散のために使用される全体配置が示されている。ベースプレート１３０（図４）からのガスはノズルプレート１４２にある第一のディフューザー通路１４３を通して提供される。ガスは下流のガスディフューザープレート１４６にある第二のディフューザー通路１４７に向かっていく。図８Ｄに示すとおり、一実施形態において、通路１４３と通路１４７との間に垂直オフセット（すなわち、図７に示す水平プレート配置を用い、垂直とは水平プレートの平面に対して法線方向）が存在することができ、それにより、背圧を発生させ、より均一なフローを容易に作り出す。その後、ガスはさらに下流のフェースプレート１４８にある第三のディフューザー通路１４９に向かっていき、アウトプット面にアウトプットチャンネル１２を提供する。異なるディフューザー通路１４３，１４７及び１４９は空間的にずれているだけでなく、異なる幾何学形状を有し、それにより、配送ヘッドを通って流れていくときに気相材料の均一拡散及び分子間混合に寄与することができる。

図８Ｄの特定の配置の場合には、背圧の多くは通路１４３を形成しているノズル孔によって発生される。もしこのガスが続く通路１４７及び１４９なしに基板に向けられるならば、ノズル孔から出てくる高速のガスは不均一性を生じる可能性がある。このように、通路１４７及び１４９はガスフローの均一性を改良するのを支援する。又は、コーティングデバイスは、若干のコーティング不均一性という犠牲を払って、ノズルをベースとする背圧発生器のみを用いて、通路１４７及び１４９をなくして操作することができる。

ノズルプレート１４２にあるノズル孔は背圧発生に適するいかなるサイズであってもよい。これらの孔は平均直径で好ましくは２００ミクロン未満であり、より好ましくは１００ミクロン未満である。さらに、背圧発生器に孔を使用することは便利であるが必須ではない。サイズが所望の背圧を提供するように選択されるかぎり、スリットなどの他の幾何学形状によって背圧を発生させることができる。

図８Ｅは、下流方向が供給ガスの場合と反対である同様の実施形態において、ガスを通気するために提供される排気通路を模式的にトレースしている。フローＦ３は順次の第三の排気スロット１８４、第二の排気スロット１８２及び第一の排気スロット１８０をそれぞれ通った通気ガスの通路を示す。ガスサプライのためのフローＦ２の回路のような混合通路とは異なり、図８Ｅ中に示す通気構成は表面からの使用済みガスの急速な移動が意図されている。このため、フローＦ３は基板表面から離れていく比較的に直接的な通気ガスである。

このように、図４の実施形態において、第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネル１３２の中の個々の延在射出チャンネルの各々からの気相材料は配送デバイスから基板への配送の前にガスディフューザーユニット１４０を別々に通過することができ、ここで、配送デバイスはそれぞれインレットポート、延在射出チャンネル及びガスディフューザーユニット１４０の順での各気相材料の通過を可能にしている。この実施形態におけるガスディフューザーユニットは３つの気相材料の各々のためのガスディフューザー手段であるけれども、共通のアセンブリーを形成しない別個の又は分離したディフューザー要素を用いることができる。ディフューザー要素も、排気チャンネルと連携し又は排気チャンネル内に配置されてもよい。

この実施形態において、また、ガスディフューザーユニット１４０は配送ヘッド１０の残りの部分である配送アセンブリー１５０から分離可能に設計されたユニットであり、そしてガスディフューザー要素の前の配送デバイス中の第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料の流路又は最終開口部を実質的に覆っている。このように、ガスディフューザーユニット１４０は配送デバイスのアウトプット面から基板への配送の前の第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料の最終流路を本質的に提供する。しかしながら、ガスディフューザー要素は、また、配送ヘッド１０の分離不可能な部品として設計されることもできる。

特に、図７の実施形態におけるガスディフューザーユニット１４０は３つの垂直に配置されたガスディフューザー部品（又はプレート）内に相互連結して垂直に重層されている通路を含み、ガスディフューザー部品（又はプレート）が組み合わされて気相材料の流路を提供している。ガスディフューザーユニット１４０は実質的に水平の流路によって分離された２つの実質的に垂直の流路を提供し、ここで、各々の実質的に垂直の流路は２つの要素で延在方向に延びた１つ以上の通路によって提供され、各々の実質的に水平な流路は２つの平行なガスディフューザー部品の２つの平行な表面の間の薄い空間にある。この実施形態において、３つの実質的に水平に広がっているディフューザー部品は実質的に平らな積み重ねプレートであり、比較的に薄い空間は隣接の平行なガスディフューザー部品であるノズルプレート１４２及びフェースプレート１４８の間にある中央のガスディフューザー部品（ガスディフューザープレート１４６）の厚さによって決まる。しかしながら、図７の２つのプレートは、ガスディフューザープレート１４６とフェースプレート１４８とが、たとえば、機械加工又はその他の方法で単一のプレートに加工された、単一のプレートによって置き換えることができる。その場合、ガスディフューザーの単一の要素又はプレートは複数の通路を有することができ、その各々は、連携する延在射出チャンネルと平行にとったプレートの厚さ方向の垂直断面において、プレートの１つの表面で開放された、プレートの表面に平行の延在通路を形成し、その延在通路はその１つの末端付近で、プレートの他の表面に導く狭い垂直通路に一体につながっている。別い言い方をすれば、単一の要素を図８Ｄの第二のディフューザー通路１４７及び第三のディフューザー通路１４９と組み合わせて単一の要素又はプレートとすることができる。

このように、本発明に係るガスディフューザーユニットは、配送デバイス（たとえば、積み重ねプレート）の面に対して直交方向に、互いに平行な表面が対面している一連の少なくとも２つの実質的に水平に広がっているディフューザー部品を含む多段システムであることができる。一般に、第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネルの各々の延在射出チャンネルと連携して、ガスディフューザーは、少なくとも２つの垂直に配置されたガスディフューザープレート中に垂直に重層され又は重ねられた通路を含み、それらのガスディフューザープレートは組み合わせて気相材料の流路を提供し、その流路は実質的に水平な流路によって分離された２つの実質的に垂直な流路を含み、各々の実質的に垂直な流路は延在方向に延びた１つ以上の通路又は通路部分によって提供され、各々の実質的に水平な流路は平行なプレートの平行な表面領域の間の薄い空間によって提供され、ここで、垂直とは配送デバイスのアウトプット面に対して直交方向を指す。用語「通路部分」とは、要素全体を通過しない要素内の通過の部分、たとえば、図８Ｄの第二のディフューザープレート１４７及び第三のディフューザープレート１４９を組み合わせて単一の要素又はプレートとすることによって形成される２つの通路部分を指す。

図７の特定の実施形態において、ガスディフューザーは３つの垂直に配置されたガスディフューザープレートにそれぞれ３つの垂直に重層されている通路を含み、比較的に薄い空間は２つの平行なガスディフューザープレートの間に配置された中央のガスディフューザープレートの厚さによって決まる。３つのディフューザー部分のうちの２つ、順に第一のディフューザー部分及び第三のディフューザー部分は、各々が気相材料の流路のための延在方向に延びた通路を含み、第一のディフューザー部分にある通路は第三のディフューザー部分にある対応する通路（相互連結している）に対して水平方向に（延在方向の長さに垂直の方向）にずれている。このずれ（通路１４３及び通路１４９）は図８Ｄにおいて、より良好に見ることができる。

さらに、第一のディフューザー部分と第三のディフューザー部分との間にある順序として第二のガスディフューザー部分は通路１４７を含み、その各々は第一のディフューザー部分及び第三のディフューザー部分の各々の通路の幅よりも比較的に広い延在中心開口部の形態であり、その中心開口部は２つの延在面によって画定され、ガスディフューザーを上から見下ろしたときにそれぞれ、第一のディフューザー部分及び第三のディフューザー部分の相互連結した通路をその境界内に含む。結果として、ガスディフューザーユニット１４０はそこを通過する気相材料のフローを実質的に偏向させることができる。好ましくは、偏向は４５°〜１３５°の角度であり、好ましくは約９０°であり、それにより、アウトプット面及び／又は基板の表面に対して直交するガスフローは平行なガスフローに変更される。このため、気相材料のフローは第一のディフューザー部分及び第三のディフューザー部分の通路を通して実質的に垂直であり、第二のガスディフューザー部分の通路を通して実質的に水平であることができる。

図７の実施形態において、第一のガスディフューザー部分の複数の通路の各々は延在ラインに沿って延びた一連の孔又はパーホレーションを含み、第三のディフューザー部分の対応する相互連結した通路は長く延びた長方形スロットであり、それは場合により末端で正方形になっていない（このため、第一のガスディフューザー部分中の１つ以上の通路は次のディフューザー部分で単一の通路と連結することができる）。

又は、上記の通り、ガスディフューザーは多孔質材料を含むことができ、ここで、配送デバイスは、個々の延在射出チャンネルの各々が、その個々の延在射出チャンネルの各々の中にある及び／又は延在射出チャンネルの各々の上流にある多孔質材料を通過した後に気相材料を基板に間接的に提供するように設計されている。多孔質材料は、通常、化学変化により形成され、又は、自然に発生する多孔質材料中に存在する孔を含む。

戻って図４を参照すると、コネクションプレート１００、ガスチャンバープレート１１０、ガス方向付けプレート１２０及びベースプレート１３０として示している部品の組み合わせは配送アセンブリー１５０を提供するものとしてグループ分けできる。図４の図面及び座標軸配置を用いて、水平でなく垂直の孔付きプレートから形成される配送アセンブリーを含む配送アセンブリー１５０の別の実施形態が可能である。

配送ヘッド１０のために使用される孔付きプレートは多くの方法で形成しそして組み合わせることができる。有利なことに、孔付きプレートは順送型、モールディング、機械加工又はスタンピングなどの既知の方法を用いて別個に製造することができる。孔付きプレートの組み合わせは図４及び９Ａ〜９Ｂの実施形態に示されるものから広く変更でき、５〜１００枚のプレートなど、何枚のプレートから配送ヘッド１０を形成してもよい。一実施形態において、ステンレススチールを用い、それは化学薬品及び腐食に耐性であるために有利である。一般に、孔付きプレートは金属製であるが、用途及び堆積プロセスに使用される反応体気相材料によって、セラミック、ガラス又は他の耐久性材料も一部の又はすべての孔付きプレートを形成するのに適することができる。

アセンブリーのために、孔付きプレートはボルト、クランプ又はスクリューなどの機械締結手段を用いて接合又は結合することができる。シーリングのために、孔付きプレートは真空グリースなどの適切なシーラント材料又は接着剤を用いてスキンコートされてよい。高温エポキシなどのエポキシは接着剤として用いることができる。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はＴＥＦＬＯＮ（登録商標）などの溶融ポリマー材料の接着特性も配送ヘッド１０のための積み重ね孔付きプレートを結合するために使用されてきた。一実施形態において、ＰＴＦＥのコーティングは配送ヘッド１０に使用される孔付きプレートの各々の上に形成される。プレートを積層し（積み重ね）、ＰＴＦＥの融点付近（通常、３２７℃）に加熱しながら、圧縮する。その後、熱及び圧力の組み合わせによって、コーティングされた孔付きプレートから配送ヘッド１０が形成される。コーティング材料は接着剤及びシーラントの両方として作用する。代わりに、ＫＡＰＴＯＮ及び他のポリマー材料は接着のための介在コーティング材料として使用できる。

図４及び９Ｂに示すように、孔付きプレートは、サプライチャンバーと、アウトプット面３６に気相材料を導く方向付けチャンネルとを相互に接続するためのネットワークを形成するために適切な順序で組み立てられなければならない。組み立てたときに、アラインメントピン又は同様の形態物の配列を提供する留め具を用いることができ、孔付きプレートにオリフィス又はスロットの配列はこれらのアラインメント形態物と係合する。

図９Ａを参照すると、アウトプット面３６に対して垂直に配置されたプレート積層体又は垂直に配置された積層した孔付きプレートを用いた配送アセンブリー１５０に使用できる別の配列の底面図が示されている（すなわち、ガス射出面から見たもの）。説明の単純化のために、図９Ａの「垂直形態」中に示す配送アセンブリー１５０の部分は２つの延在射出チャンネル１５２及び２つの延在排気チャンネル１５４を有する。図９Ａ〜１３Ｃの垂直プレート配列は多数の延在射出チャンネル及び延在排気チャンネルを提供するように容易に拡張することができる。図９Ａ及び９Ｂのように、アウトプット面３６の平面に対して垂直に配置される孔付きプレートを用いて、各延在射出チャンネル１５２は下記に詳細に示すセパレータプレートと、そのセパレータプレートの間の中心にある反応体プレートで画定される側壁によって形成される。その後、孔の適当な位置合わせによって気相材料の供給源との流体連通が提供される。

図９Ｂの分解図は図９Ａに示している配送アセンブリー１５０の小さいセクションを形成するために使用される孔付きプレートの配置を示している。図９Ｃは、５つの射出ガス用チャンネルを有し、積層された孔付きプレートを用いて形成された配送アセンブリー１５０を示す平面図である。次いで、図１０Ａ〜図１３Ｂは様々なプレートを平面図及び斜視図の両方で示している。単純化のために、各タイプの孔付きプレートを文字で指定している：セパレータＳ、パージＰ、反応体Ｒ及び排気Ｅ。

セパレータプレート１６０（Ｓ）が図９Ｂの左から右に示されており、また、図１０Ａ及び１０Ｂにも示されている。セパレータプレートはガスを基板に向けて又は基板から離れていくように方向付けするために使用されるプレートの間に交互に存在する。パージプレート１６２（Ｐ）は図１１Ａ及び１１Ｂに示されている。排気プレート１６４（Ｅ）は図１２Ａ及び１２Ｂに示されている。反応体プレート１６６（Ｒ）は図１３Ａ及び１３Ｂに示されている。図１３Ｃは図１３Ａの反応体プレート１６６を水平にひっくり返すことにより得られる反応体プレート１６６’を示している。この交互の配向は必要ならば排気プレート１６４でも用いてよい。各プレートの孔１６８はプレートを重ねた際に整列しており、このため、図９Ａを参照して説明したように、配送アセンブリー１５０を通してガスを延在射出チャンネル１５２及び排気チャンネル１５４に通過させることができるダクトを形成する。（用語「重ねた」又は「重ね」はその従来の意味であり、１つの要素の部分が別の要素の対応する部分と位置合わせされており、その周囲が概して一致しているように要素を互いの上に載せ又は互いに合わせることを意味する。）

図９Ｂに戻ると、配送アセンブリー１５０の一部のみが示されている。この部分のプレート構造は上記で指定した略文字を用いて示すことができる：すなわち、
Ｓ−Ｐ−Ｓ−Ｅ−Ｓ−Ｒ−Ｓ−Ｅ−Ｓ
（この配列の最後のセパレータプレートは図９Ａ又は９Ｂには示していない）。この配列が示すとおり、セパレータプレート１６０（Ｓ）は側壁を形成することで各チャンネルを画定している。典型的なALD堆積のための２つの反応体ガスと必要なパージガスならびに排気チャンネルを提供するための最小配送アセンブリー１５０は下記の完全な略語シーケンスを用いて表される。
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−Ｒ１−Ｓ−Ｅ１−Ｓ−Ｐ−Ｓ

Ｒ１及びＲ２は使用される異なる２種の反応体ガスのための、異なる配向の反応体プレート１６６を表し、Ｅ１及びＥ２は対応して、異なる配向の排気プレート１６４を表す。

延在排気プレート１５４は従来の意味の真空ポートである必要はなく、対応するアウトプットチャンネル１２からフローを抜き出し、それにより、チャンネル内で均一フローパターンを促進するために単に供給されるものであってよい。隣接する延在射出チャンネル１５２のガス圧力の正反対の圧力より若干低い負の吸引で、均一なフローを促進させることができる。負の吸引は、たとえば、０．２〜１．０気圧の源（たとえば、真空ポンプ）での吸引圧で操作することができ、一方、典型的な真空は、たとえば、０．１気圧未満である。

配送ヘッド１０により提供されるフローパターンを使用すると、堆積チャンバーに個々にガスをパルス化する、背景セクションで上述したような従来のアプローチに対して多くの利点がある。堆積装置の移動性が改良され、そして本発明の装置は基板の寸法が堆積ヘッドのサイズを超える高体積堆積用途に適する。流体動力学的性質も従来のアプローチよりも改良される。

本発明で使用されるフロー構成では図１に示したとおり、配送ヘッド１０と基板２０との間の非常に小さい距離Ｄが可能になり、好ましくは１ｍｍ未満である。アウトプット面３６は基板表面に非常に近接して配置することができ、約１ミル（約０．０２５ｍｍ）以内とすることができる。近接配置は反応体ガスフローによって発生されるガス圧力によって容易になる。対照的に、CVD装置は有意に大きな分離距離を必要とする。上記で引用したYudovskyの米国特許第6,821,563号明細書に記載されているものなどの以前のアプローチは基板表面に対する距離が０．５ｍｍ以上に限定されていたが、本発明の実施形態では０．５ｍｍ未満、たとえば、０．４５０ｍｍ未満で実施することができる。実際、基板表面に配送ヘッドをより近づけて配置することが本発明で好ましい。特に好ましい実施形態において、基板表面からの距離Ｄは０．２０ｍｍ以下であることができ、好ましくは１００μｍ未満である。

積層プレートの実施形態において多数のプレートを組み立てる場合には、基板に送られるガスフローはガスフロー（Ｉ、Ｍ又はＯ材料）を配送するすべてのチャンネルにわたって均一である。これは孔付きプレートの適切な設計によって達成でき、たとえば、各延在射出アウトプット又は排気チャンネルに再現可能な圧力損失を提供するように正確に機械加工された各プレートのフローパターンのある部分に流体制限を与えるなどによって達成されうる。一実施形態において、アウトプット開口部又はチャンネル１２は約１０％以下の誤差範囲で、開口部の長さに沿って実質的に等価の圧力を示す。約５％以下の誤差又はさらには２％という小さい誤差を可能とするような、より高度な許容限度を提供することもできる。

積層した孔付きプレートを用いる方法は配送ヘッドを製造する特に有用な方法であるが、別の実施形態で有用であることができるこのような構造を製造する他の幾つかの方法が存在する。たとえば、装置は金属ブロックを直接的に機械加工することで製造でき、又は、幾つかの金属ブロックを互いに接着することで製造できる。さらに、内部成型形状を用いた成形技術も、当業者に理解されるとおり、使用されうる。装置はまた、いくつかの立体リソグラフィー技術のいずれかを用いて製造されうる。

図１４において、代表的な数のアウトプットチャンネル１２及び排気チャンネル２２を示している。１つ以上のアウトプットチャンネル１２からの射出ガスの圧力はこの図で下向き矢印で示すとおりの力を発生しており、随意のスプリング１７０は流体支持効果を援助するための反対方向の力を発生している。この力が配送ヘッド１０に有用なクッション又は「空気」支持（流体ガス支持）効果を与えるために、基板２０に近接することができる、十分なランド面積、すなわち、アウトプット面３６にそった固体表面が存在しなければならない。ランド面積の百分率はアウトプット面３６の固体面積の相対量に対応しており、それにより、その下のガス圧力の蓄積が可能になる。最も単純な用語で、ランド面積はアウトプット面３６の合計面積−アウトプット開口部又はチャンネル１２及び排気開口部又はチャンネル２２の合計面積として計算できる。このことは幅ｗ１のアウトプットチャンネル１２又は幅ｗ２の排気チャンネル２２のガスフロー面積を除く合計面積をできるかぎり大きくしなければならないことを意味する。一実施形態において、９５％のランド面積が提供される。他の実施形態は、たとえば、８５％又は７５％などの、より小さいランド面積値を用いる。分離力又はクッション力を変更しそれにより距離Ｄを変更するためにガスフロー速度の調節を用いることもできる。

配送ヘッド１０が基板２０上に距離Ｄを実質的に維持するように、流体ガス支持を提供することが有利であることが理解できる。これにより、あらゆる適切なタイプの輸送機構を用いても配送ヘッド１０の本質的に摩擦を生じない移動が可能になる。配送ヘッド１０は、配送ヘッド１０が前後に導かれ、材料堆積の間に基板２０の表面を横切ってさっと通過するときに、基板２０の表面上を「浮遊」することができる。

１つの実施形態において、分離距離Ｄは比較的に小さいので、距離Ｄの小さな変化であっても（たとえば、１００マイクロメートルであっても）、流速の有意な変化が要求され、結果的に、分離距離Ｄを与えるガス圧の変化が要求される。たとえば、１つの実施形態において、１ｍｍ未満の変化を必要とする、２倍の分離距離Ｄとするには、分離距離Ｄを提供するガスの流速を２倍より大きく、好ましくは４倍より大きくする必要があろう。一般的な原理として、分離距離Ｄを最小にし、そして結果として流速を低くして操作することが、より有利であると考えられる。

図２２は、サプライ又はアウトプットチャンネル１２及び排気チャンネル２２を含む単一の堆積セグメントに焦点を当てた、図１に示すとおりの配送ヘッド（１０）の拡大図を示している。堆積ヘッドの対称性のために、ヘッドの大まかな浮遊挙動を決定するための分析計算は１セットのサプライ開口部及び排気開口部のまん中に延びている点線（ｘ１０）によって画定されるヘッドの中央要素のみを考えることによって行われることができる。基板２０は装置に存在する力の釣り合いによって配送ヘッドに対して一定のギャップで維持される。力の釣り合いは３つの要素を含む。力は基板を堆積ヘッドに接触して押すように働くときに正であると定義することにする。

第一の力はコーティングガスの圧力によって生じ、その力は基板をヘッドから押し離す傾向がある。この圧力は長さＬに沿って連続的に変化しており、最大圧力Ｐinはサプライガスによって生じ、最小圧力Ｐoutは排気ポートからの引っ張り又は吸引によって生じる。この圧力から基板上に得られる力は線ｘ１０によって画定されるセグメントの活性面積Ａ、すなわち、Ｌ×幅Ｗと平均圧力（適切に統合された）とをかけ算したものである。

第二の力は堆積ヘッドと接触していない基板の表面上に作用する大気圧Ｐatmの効果により生じる。この力は単純に大気圧×面積Ａである。この力は常に正である。

第三の力Ｆｍは装置に存在するあらゆる追加的な機械力をも含む。これらの力は重力から生じることができ、又は、堆積ヘッドに対する基板の位置を変化させる他の機械的、磁気的又は電気的力の印加により生じることができる。この場合の力は、コーティングの面積セグメントＡにかかる釣り合い力として考えなければならない。

排気ポートに吸引が存在する条件下に、排気領域圧力Ｐoutの値は実験装置によって設定される。下記の計算について、Ｐoutの値は排気チャンネルのすぐ近傍のアウトプット面での圧力の値である。本発明の配送ヘッドの最も実用的な実施において、排気圧力はアウトプット面で測定することができず、代わりに、ヘッド排気ポートの位置でガス測定手段によって測定される。よく設計された配送ヘッドでのガスフローの制約が基板とアウトプット面との密接な接触点で起こるので、配送ヘッドの内部でのガスフローによる圧力損失は非常に低くすべきであり、それゆえ、排気ポートで測定される圧力はアウトプット面での圧力と非常に近いはずであり、Ｐoutが配送ヘッドの排気ポートで測定される圧力によって表されると考えることは許容される。

典型的な配送ヘッド形態では、多くの延在排気チャンネルがより少ない数の排気ポートへと導かれる。アウトプット面での延在排気チャンネルの実際の圧力の若干の変更があってもよい。Ｐoutの値は、すべての延在排気チャンネルに連結されているすべての排気ポートにわたってとった平均によって表すことができると、本発明の目的では十分に仮定することができる。

ヘッドと基板との間のコーティングガスのフローにより生じる圧力を概算するために、幾何学形状は狭いスリットを通るガスのフローと考えることができる。スリットの長さはＬであり、スリットの厚さは２ｈであり、スリットの幅はＷである。このようなスリットを通る体積流量Ｑは下記の通りに規定できる：(Transport phenomena. Bird R B. Stewart W E及びLightfoot E N. New York: John Wiley and Sons, 1960. P.62)

上式中、μはガスの粘度である。
上記の力の釣り合いは基板と配送ヘッドの間の安定なギャップが、

であるときに達成される。等式（７）はもし圧力を長さＬに沿ってサンプリングするならば、圧力は直線形状を有するであろうということを予測する。それゆえ、コーティングガスによって生じる平均圧力はＰhは単純に下記の通りである。

等式（７）中で等式（８）及び（９）で置き換え、既知の変数及びパラメータとして半スリット（ギャップ）厚さｈの解を得るように変形する。

配送ヘッドから一定の距離に基板を維持し、この距離をしっかりと制御するために、浮動式ヘッドを真空予備負荷モードで操作することが望ましい。真空予備負荷モードにおいて、絶対圧Ｐoutは大気圧よりも低い。このような場合、ＰatmとＰoutとの間の差についての機械的寄与Ｆm／Ａが小さいかぎり、ガス圧によってなおも浮遊されるが、この位置から取り除くには力を必要とするように、基板は力によって配送ヘッドの近傍に強制される。

基板が配送ヘッドの近傍にもはや維持されなくなる臨界点は式（１０）の分母の項が０に達するときに起こる。その条件は下記式を満たすときである。

Ｆmに対する有意な寄与は基板自体の重量によるものである。項Ｆm／Ａは下記の通りである。

上式中、ｔは基板の厚さであり、ρsubは基板の密度であり、ｇは重力加速度である。典型的な基板の厚さを１００ミクロン〜２０００ミクロンの範囲であることができ、密度は１〜１０ｋｇ／ｍ^３であることができると仮定すると、Ｆm／Ａの値は、通常、１〜２００Ｐａの範囲であろう。

基板の重量にしばしば関係するであろう機械的攪乱に対して装置を非感受性とするために、Ｐatm−ＰoutがＦm／Ａの２倍より大きく、好ましくは１０倍より大きいことが望ましい。

このような状態で操作することのさらなる利益は基板が配送ヘッドからつり下がることができることである。

配送ヘッド１０は基板２０に対してある別の配向で配置されることができる。たとえば、基板２０は基板２０が堆積の間に配送ヘッド１０に沿って移動することができるように、重力に抗する流体ガス支持効果によって支持されることができる。基板２０上への堆積のために流体支持効果を用い、配送ヘッド１０の上方で基板２０をクッション支持させる１つの実施形態を図２０に示している。配送ヘッド１０のアウトプット面３６を横切る基板２０の移動は図示のとおりの双方向矢印に沿った方向である。

図２１に示す別の実施形態は配送ヘッド１０及びガス流体支持９８の間でＫ方向に移動しているウェブ支持体又はローラーなどの基板支持体７４の上の基板２０を示している。この場合、空気又は別の不活性ガスのみを使用することができる。この実施形態において、配送ヘッド１０は空気支持効果を有し、ガス支持９８と共働してアウトプット面３６と基板２０との所望の距離Ｄを維持する。ガス支持９８は不活性ガス、空気又は特定の他の気相材料のフローＦ４を用いて圧力を向かわせる。本堆積装置において、基板支持体又は基板ホルダーは堆積の間に基板と接触していることができ、その基板支持体はローラーなどの基板を輸送するための手段であることができることが注目される。このように、処理される基板の熱的孤立は本装置では要求されない。

図３Ａ及び３Ｂを参照して具体的に記載されるとおり、配送ヘッド１０は堆積機能を発揮するために基板２０の表面に対する移動が必要である。この相対移動は配送ヘッド１０及び基板２０のいずれか又は両方の移動を含む幾つかの方法で得ることができ、たとえば、基板支持体を与える装置の移動によって得ることができる。移動は、何回の堆積サイクルが必要かによって、振動もしくは往復又は連続の運動であることができる。連続法が好ましいが、特にバッチ法においては基板の回転も用いることができる。配送ヘッドの本体にアクチュエータを、たとえば、機械的接続などで接続することができる。磁力場を変更するなどで、交互の力を交互に用いることができる。

通常、ALDは各サイクルで制御された膜厚を堆積する複数の堆積サイクルを必要とする。上述のタイプの気相材料について用語を用いて、単一のサイクルは、たとえば、単純な設計では、第一の反応体気相材料Ｏの１回の適用及び第二の反応体気相材料Ｍの１回の適用を与えることができる。

Ｏ反応体材料及びＭ反応体材料のアウトプットチャンネルの間の距離は各サイクルを完了するための往復運動をするのに必要な距離を決定する。たとえば、図４の配送ヘッド１０は反応体ガスチャンネルアウトレット及び隣接するパージチャンネルアウトレットの間に幅０．１インチ（２．５４ｍｍ）の名目上のチャンネル幅を有することができる。それゆえ、完全なALDサイクルを観測するために同一表面上ですべての領域で往復運動（ここで使用されるｙ軸に沿って）をさせるために、少なくとも０．４インチ（１０．２ｍｍ）のストロークが必要である。この例では、基板２０の領域はこの距離にわたって動くときに、第一の反応体気相材料Ｏ及び第二の反応体気相材料Ｍの両方に暴露されるであろう。又は、配送ヘッドはそのストロークあたりに、もっとずっと大きな距離を移動してもよく、基板の１つの端部から別の端部にまで移動することさえできる。この場合には、成長している膜は、使用の多くの環境で悪影響を生じることなく、その成長の間に周囲条件に暴露されることができる。ある場合には、均一性を考慮すると、各往復移動の端部に沿っての縁効果又は蓄積を減じるなど、各サイクルの往復運動の量にある程度のばらつきが要求されるであろう。

配送ヘッド１０は単一のサイクルを提供するために十分なだけのアウトプットチャンネル１２を有することができる。又は、配送ヘッド１０は１つの往復移動距離の通過で２回以上の堆積サイクルを可能にする、より大きな堆積面積を網羅することができる、又は、そのような距離にわたって往復運動を行うことができる、複数サイクルの配列を有することができる。

たとえば、１つの特定の用途において、各Ｏ−Ｍサイクルは処理される表面の１／４にわたって１原子直径の層を形成することができることが判った。このため、この場合には、処理される表面上に１原子直径の均一な層を形成するのに４サイクルが必要である。同様に、この場合、１０原子直径の均一な層を形成するのに４０サイクルが必要である。

本発明の配送ヘッドに使用される往復移動の効果はアウトプット面３６の面積を超える面積の基板２０上での堆積が可能になることである。図１５は、矢印によって示されるｙ軸に沿った往復運度を用い、そしてｘ軸に対して直交及び横断する移動によって、このより広い面積の網羅をいかに行うことができるかを模式的に示している。また、図１５に示すｘ軸又はｙ軸方向のいずれの動きも、配送ヘッドの動き、動きを提供する基板支持体によって提供される基板２０の動き又は、配送ヘッド１０及び基板２０の両方の動きによって行うことができることを強調しなければならない。

図１５において、配送ヘッドと基板との相対運動の方向は互いに垂直である。この相対運動は平行であることもできる。この場合、相対運動は振幅を表す非ゼロ周波数成分及び基板の変位を表すゼロ周波数成分を有することが必要である。この組み合わせは、固定された基板の上での配送ヘッドの変位、固定した配送ヘッドに対する基板の変位、又は、それらの組み合わせによって達成でき、ここで、振幅運動及び一定の運動は配送ヘッド及び基板の両方の動きによって提供される。

有利なことに、配送ヘッド１０は多くのタイプの堆積ヘッドに可能であるよりも小さいサイズで製造できる。たとえば、一実施形態において、アウトプットチャンネル１２は約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の幅ｗ１を有し、約３インチ（７５ｍｍ）の長さで延在している。

好ましい実施形態において、ALDは大気圧又は大気圧付近の圧力及び広い範囲の雰囲気温度及び基板温度で、好ましくは、３００℃未満の温度で行うことができる。好ましくは、汚染の可能性を最小にするために比較的にクリーンな環境が必要であるが、本発明の装置の好ましい実施形態を用いるときに良好な性能を得るために完全な「クリーンルーム」条件又は不活性ガス充填包囲状態は必要ない。

図１６は比較的に良好に制御されそして汚染物のない環境を提供するためのチャンバー５０を有する、原子層堆積（ＡＬＤ）装置６０を示している。ガスサプライ２８ａ、２８ｂ及び２８ｃはサプライライン３２を通して配送ヘッド１０に第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料を提供する。可とう性サプライライン３２を場合により使用すると、配送ヘッド１０の移動が容易になる。単純化のために、随意に存在しうる真空蒸気回収装置及び他の補助部品は図１６に示していないが、それらも使用することができる。輸送副装置５４は配送ヘッド１０のアウトプット面３６に沿って基板２０を輸送する基板支持体を提供し、本開示で使用される座標軸系を用いてｘ軸方向に移動させる。移動制御ならびにバルブ及びその他の補助部品の全体の制御は、コンピュータ又は他の専用マイクロプロセッサーアセンブリーなどの制御ロジックプロセッサー５６によって与えられることができる。図１６の配置で、制御ロジックプロセッサー５６は配送ヘッド１０に往復運動を与えるためのアクチュエータ３０を制御し、また、輸送副装置５４の輸送モータ５２を制御する。アクチュエータ３０は移動している基板２０に沿って（又は、静止している基板２０に沿って）配送ヘッド１０の前後の動きを生じさせるのに適する多くのデバイスのいずれであってもよい。

図１７は基板支持体として作用するウェブコンベア６２に沿って配送ヘッド１０を通過して輸送されるウェブ基板６６上に薄膜堆積を行うための原子層堆積（ＡＬＤ）装置７０の別の実施形態を示している。ウェブ自体が処理される基板であっても、又は、別のウェブ又は別個の基板、たとえば、ウェハである基板を支持することもできる。配送ヘッド輸送体６４はウェブが移動する方向を横切る方向でウェブ基板６６の表面を横切って配送ヘッド１０を輸送する。一実施形態において、配送ヘッド１０は、ガス圧力によって提供される完全な分離力でもって、ウェブ基板６６の表面を横切って前後に推し進められる。別の実施形態において、配送ヘッド輸送体６４はウェブ基板の幅を横切るリードスクリュー又は同様のメカニズムを用いる。別の実施形態において、配送ヘッド１０はウェブコンベア６２に沿った適切な位置で、複数配送ヘッド１０が用いられる。

図１８はフローパターンが図１７の形態と直交の方向に向いている、静止した配送ヘッド１０を用いたウェブ配置の別の原子層堆積（ＡＬＤ）装置を示している。この配置において、ウェブコンベア６２自体の動きはＡＬＤ堆積に必要とされる動きを提供している。この環境で、往復運動も使用できる。図１９を参照すると、配送ヘッド１０の一部の実施形態が示されており、ここで、アウトプット面３６はある量の曲率を有し、その曲率は特定のウェブコーティング用途に有利であることができる。凸又は凹曲面は提供されてよい。

ウェブ加工に特に有用であることができる別の実施形態において、ALD装置７０は 多数の配送ヘッド１０又はデュアル配送ヘッド１０であって、その配送ヘッドがウェブ基板６６の両側に配置されるものを有することができる。可とう性材料の可とう性配送ヘッド１０を１つ置きに提供することもできる。これにより、堆積表面に少なくともある程度の共形性を示す堆積装置を提供する。

平らな基板をコーティングする目的では、一般に、堆積装置のアウトプット面も平らであるものと考えられる。しかし、ある程度の曲率を有するアウトプット面を有することが有利である可能性がある。

表面の曲率は一般に曲面の半径によって定義されうる。曲面の半径は円の一部がアウトプット面の曲面に整合する円の半径である。表面の曲面が変化し、単一の半径で記載できない場合には、最大の曲面及び最小の曲面の半径を用いて、装置の曲面の特性半径を規定することができる。

特定の基板では、基板の移動方向において特定の曲率の堆積ヘッドを有することが有用なことがある。このことは、ヘッドの曲率が堆積アウトプット面から離れる方向に基板の前方縁を引っ張る傾向があるので、基板の前方縁に基板の残りの部分よりも小さい下向きの力を持たせることができるという有益な効果を有することができる。

ある基板では、基板の移動方向に垂直の方向に曲率を有することが有用なことがある。この曲率は波状効果を有し、基板の剛性を増加し、そしてより強健なコーティングをもたらす。

本発明の装置はある実施形態において、室温又は室温付近の温度を含む広い範囲の温度にわたって基板上で堆積を行うことができる能力の点で利点がある。本発明の装置は真空環境で操作することができるが、大気圧又は大気圧付近の圧力での操作に特に適している。

本発明をその特定の実施形態を特に参照しながら詳細に説明してきたが、上記に記載しそして添付の特許請求の範囲に規定する通りの発明の範囲内で、本発明の範囲を逸脱することなく変更及び修飾を行うことができることは当業者に理解されうる。たとえば、空気支持効果を用いて基板２０の表面から配送ヘッド１０を少なくとも部分的に分離することができるが、代わりに、本発明の装置を用いて配送ヘッド１０のアウトプット面３６から基板を持ち上げ又は空中に浮遊させることができる。プラテンを含む他のタイプの基板ホルダーを代わりに用いることができる。

下記の理論的に計算されるすべての実施例において使用される理論的堆積ヘッドは下記の延在スロットの配列からなる。
Ｐ−Ｅｘ−Ｏ−Ｅｘ−Ｐ−Ｅｘ−Ｍ−Ｅｘ−Ｐ−Ｅｘ−Ｏ−Ｅｘ−Ｐ−Ｅｘ−Ｍ−Ｅｘ−Ｐ−Ｅｘ−Ｏ−Ｅｘ−Ｐ

上式中、Ｐはパージチャンネルを表し、Ｅｘは排気スロットを表し、Ｏは酸化剤ガスチャンネルを表し、Ｍは金属含有ガスチャンネルを表す。

延在スロットはその長い側で１．０ｍｍ分離されており、長さが５０ｍｍである。実施例の目的の基板は上記の配列によって生じる領域を正確に網羅するように選択され、このため、基板は５０ｍｍ幅で２０ｍｍ長さである。

例１（比較例）
この例は、平均排気吸引力が基板の単位面積あたりの重量の１／２であるときに基板上に作用する力を定量化する。
この例において、重力による力が堆積ヘッドに向けて基板を引っ張るように作用するように、基板を堆積ヘッドの上に配置している。
基板は２．２ｇ／ｃｍ^３の密度で１ｍｍの厚さの従来のガラス片である。その面積に基づくと、ガラスの質量は２．２グラムであり、基板重量、すなわち、基板上に作用する重力は０．０２１６Ｎであろう。この基板の単位面積あたりの重量はそれゆえ２１．６Ｐａである。
もし排気チャンネルの圧力を１０．８Ｐａ（０．０４３インチＨ_２Ｏ）と設定すると、排気圧は基板の単位面積あたりの重量の１／２であろう。等式（５）によると、基板がヘッドから分離する臨界力は０．０１０８Ｎであろう。この力は実質的に基板の重量の０．０２１６Ｎよりも小さいので、基板にかかる小さな力が基板から配送ヘッドへのギャップを有意に変更する傾向があり、安定しない運転となる。

例２−本発明
この例は、平均排気吸引力が基板の単位面積あたりの重量の５倍であるときに基板上に作用する力を定量化する。
この例において、重力による力が堆積ヘッドに向けて基板を引っ張るように作用するように、基板を堆積ヘッドの上に配置している。
基板は２．２ｇ／ｃｍ^３の密度で１ｍｍの厚さの従来のガラス片である。その面積に基づくと、ガラスの質量は２．２グラムであり、基板重量、すなわち、基板上に作用する重力は０．０２１６Ｎであろう。この基板の単位面積あたりの重量はそれゆえ２１．６Ｐａである。
もし排気チャンネルの圧力を１０８Ｐａ（０．４３インチＨ_２Ｏ）と設定すると、排気圧は基板の単位面積あたりの重量の５倍であろう。等式（５）によると、基板がヘッドから分離する臨界力は０．１０８Ｎであろう。この力は実質的に基板の重量の０．０２１６Ｎよりも大きいので、基板にかかる小さな力は基板から配送ヘッドへのギャップを有意に変更する傾向がない。

例３−比較例
この例は例１と同一の形態を用いるが、堆積ヘッドを反転させ、ヘッドの下に基板をもってくる。それゆえ、重力による力はヘッドから基板を引っ張るように作用する。
この例は、平均排気吸引力が基板の単位面積あたりの重量の１／２であるときに基板上に作用する力を定量化する。
基板は２．２ｇ／ｃｍ^３の密度で１ｍｍの厚さの従来のガラス片である。その面積に基づくと、ガラスの質量は２．２グラムであり、基板重量、すなわち、基板上に作用する重力は０．０２１６Ｎであろう。この基板の単位面積あたりの重量はそれゆえ２１．６Ｐａである。
もし排気チャンネルの圧力を１０．８Ｐａ（０．０４３インチＨ_２Ｏ）と設定すると、排気圧は基板の単位面積あたりの重量の１／２であろう。等式（５）によると、基板がヘッドから分離する臨界力は０．０１０８Ｎであろう。基板上の重力は０．０２１６Ｎであるから、堆積ヘッドによってかかる力は基板を支持するのに不十分であり、そして基板は落下するであろう。

例４−本発明
この例は例１と同一の形態を用いるが、堆積ヘッドを反転させ、ヘッドの下に基板をもってくる。それゆえ、重力による力はヘッドから基板を引っ張るように作用する。
この例は、平均排気吸引力が基板の単位面積あたりの重量の５倍であるときに基板上に作用する力を定量化する。
基板は２．２ｇ／ｃｍ^３の密度で１ｍｍの厚さの従来のガラス片である。その面積に基づくと、ガラスの質量は２．２グラムであり、基板重量、すなわち、基板上に作用する重力は０．０２１６Ｎであろう。この基板の単位面積あたりの重量はそれゆえ２１．６Ｐａである。
もし排気チャンネルの圧力を１０８Ｐａ（０．４３インチＨ_２Ｏ）と設定すると、排気圧は基板の単位面積あたりの重量の５倍であろう。等式（５）によると、基板がヘッドから分離する臨界力は０．１０８Ｎであろう。基板上の重力は０．０２１６Ｎであるから、堆積ヘッドによってかかる力は基板を支持するのに十分であり、そして基板が落下するのを防止する。

部品リスト
２ｈ スリットの厚さ
１０ 配送ヘッド
１２ アウトプットチャンネル
１４，１６，１８ ガスインレット導管
２０ 基板
２２ 排気チャンネル
２４ 排気導管
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ ガスサプライ
３０ アクチュエータ
３６ アウトプット面
５０ チャンバー
５２ 輸送モータ
５４ 輸送副装置
５６ 制御ロジックプロレッサー
６０ 原子層堆積（ALD）装置
６２ ウェブコンベア
６４ 配送ヘッド輸送体
６６ ウェブ基板
７０ 原子層堆積(ALD)装置
７４ 基板支持体
９０ 前駆体材料の方向付けチャンネル
９１ 排気方向付けチャンネル
９２ パージガスの方向付けチャンネル
９６ 基板支持体
９８ ガス流体支持
１００ コネクションプレート
１０２ 方向付けチャンバー
１０４ インプットポート
１１０ ガスチャンバープレート
１１２，１１３，１１５ サプライチャンバー
１１４，１１６ 排気チャンバー
１２０ ガス方向付けプレート
１２２ 前駆体材料の方向付けチャンネル
１２３ 排気方向付けチャンネル
１３０ ベースプレート
１３２ 延在射出チャンネル
１３４ 延在排気チャンネル
１４０ ガスディフューザーユニット
１４２ ノズルプレート
１４３，１４７，１４９ 第一、第二、第三のディフューザー通路
１４６ ガスディフューザープレート
１４８ フェースプレート
１５０ 配送アセンブリー
１５２ 延在射出チャンネル
１５４ 延在排気チャンネル
１６０ セパレータプレート
１６２ パージプレート
１６４ 排気プレート
１６６，１６６’ 反応体プレート
１６８ 開口部
１７０ スプリング
１８０ 順次の第一の排気スロット
１８２ 順次の第二の排気スロット
１８４ 順次の第三の排気スロット
Ａ 矢印
Ｄ 距離
Ｅ 排気プレート
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４ ガスフロー
Ｆm 機械的力
Ｉ 第三の不活性気相材料
Ｌ 長さ
Ｋ 方向
Ｍ 第二の反応体気相材料
Ｏ 第一の反応体気相材料
Ｐ パージプレート
Ｐatm 大気圧
Ｐin 最大圧力
Ｐout 最小圧力
Ｒ 反応体プレート
Ｓ セパレータプレート
ｗ１，ｗ２ チャンネル幅
Ｘ 矢印
ｘ１０ 配送ヘッド１０の中央要素

Claims (26)

1. 基板上に固体材料の薄膜堆積を行うための装置であって、
   A)少なくとも第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料のための少なくとも第一の源、第二の源及び第三の源、
   B)基板表面を有しそして、ある単位面積あたりの平均重量を有する基板、
   C)薄膜堆積を行うための前記基板表面に前記気相材料を配送するための堆積配送ヘッドであって、
   i)前記第一の気相材料、第二の気相材料及び第三の気相材料をそれぞれ受けるための少なくとも第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポート、
   ii)排気ガスを排気するための少なくとも１つの排気ポート、及び、
   iii)複数の延在開口部を含む、前記基板表面に近接したアウトプット面、
   を含む堆積配送ヘッド、
   を含み、
   (a)前記インレットポートの各々は、前記基板にそれぞれの気相材料を供給するための堆積配送ヘッドの面において、少なくとも１つの第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部及び第三の延在アウトプット開口部に独立に連結されており、該延在アウトプット開口部の各々は対応する第一の延在射出チャンネル、第二の延在射出チャンネル及び第三の延在射出チャンネルに連結されており、そして
   (b)前記少なくとも１つの排気ポートは堆積配送ヘッドの面において少なくとも２つの延在排気開口部に連結されており、該延在排気開口部の各々は対応する延在排気チャンネルと連結しており、前記延在排気開口部の各々は連携圧力を有し、前記少なくとも２つの延在排気開口部は少なくとも第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部又は第三の延在アウトプット開口部が前記少なくとも２つの延在排気開口部の間に存在するように配置されており、
   前記アウトプット面と基板表面との間の実質的に均一な距離は、前記延在アウトプット開口部から基板表面への１つ以上の気相材料のフローによって発生する圧力によって少なくとも部分的に維持され、そして、パスカルとして測定した大気圧と延在排気開口部の平均圧力との差は、パスカルとして測定した、前記基板の単位面積あたりの平均重量の少なくとも２倍である、装置。
2. 前記第一のインレットポート及び第二のインレットポートの各々はそれぞれ複数の第一の延在射出チャンネル及び複数の第二の延在射出チャンネルに独立に連結されており、
   前記第一の延在射出チャンネルの各々は対応する延在アウトプット開口部に連結されており、該延在アウトプット開口部は、その両側の延在面において、相対的に近い方の延在排気開口部及び相対的に近くない方の第三のパージガス用延在開口部によって、最も近い第二の延在アウトプット開口部から分離されており、
   前記第二の延在アウトプット開口部の各々は、その両側の延在面において、相対的に近い方の延在排気開口部及び相対的に近くない方の第三のパージガス用延在アウトプット開口部によって、最も近い第一の延在アウトプット開口部から分離されている、請求項１記載の装置。
3. 前記装置は、配送デバイスのアウトプット面の縁に最も近い側で第二の延在アウトプット開口部又は第一の延在アウトプット開口部を有しない配送ヘッドの２つの末端の各々に第三の延在アウトプット開口部を含む、請求項１記載の装置。
4. 前記基板は前記堆積配送ヘッドの上方にあり、それにより、前記基板の重量が前記基板を前記堆積配送ヘッドに向かって引っ張るように作用する、請求項１記載の装置。
5. 前記基板は前記堆積配送ヘッドの下方にあり、それにより、前記基板を前記堆積配送ヘッドから離れる方向に引っ張るように作用する前記基板の重量は前記延在排気開口部による保持力によって相殺される、請求項１記載の装置。
6. 前記堆積配送ヘッドは装置内に固定されており、前記基板は前記堆積配送ヘッドに対して移動する、請求項１記載の装置。
7. 前記アウトプット面は曲面を有する、請求項１記載の装置。
8. 前記アウトプット面の曲面は１メートルを超える半径を有する、請求項７記載の装置。
9. 前記曲面の軸は前記基板の移動方向に平行である、請求項７記載の装置。
10. 前記曲面の軸は前記基板の移動方向に垂直である、請求項７記載の装置。
11. 前記基板を支持するための追加の手段を含む、請求項１記載の装置。
12. 前記堆積配送ヘッドに対して前記基板を移動するための追加の手段を含む、請求項１記載の装置。
13. 前記基板はウェブである、請求項１記載の装置。
14. 前記ウェブの移動は輸送機器によって与えられ、該移動は装置を通して連続であり又は往復運動である、請求項１３記載の装置。
15. 前記基板及び堆積配送ヘッドは大気に開放されている、請求項１記載の装置。
16. 前記アウトプット面と基板表面との間で維持される実質的に均一な距離は０．５ｍｍ未満である、請求項１記載の装置。
17. 基板上に薄膜材料を堆積させるための方法であって、一連のガスフローを同時に薄膜堆積装置の配送ヘッドのアウトプット面から基板の表面に向けることを含み、該一連のガスフローは第一の反応性気相材料、不活性パージガス及び第二の反応性気相材料を少なくとも含み、前記第一の反応性気相材料は前記第二の反応性気相材料で処理した基板表面と反応することができ、前記配送ヘッドは、
    (a)前記第一の反応性気相材料、第二の反応性気相材料及び不活性パージガスをそれぞれ受けるための少なくとも第一のインレットポート、第二のインレットポート及び第三のインレットポート、
    (b)排気ガスを排気するための少なくとも１つの排気ポート、
    (c)複数の延在開口部を含む、基板表面に近接したアウトプット面、
    を含み、
    (i)前記インレットポートの各々は、前記基板にそれぞれの気相材料を供給するための、少なくとも１つの第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部及び第三の延在アウトプット開口部に独立に連結されており、そして
    (ii)前記少なくとも１つの排気ポートは各々がある連携圧力を有する少なくとも２つの延在排気開口部に連結されており、前記延在排気開口部は少なくとも第一の延在アウトプット開口部、第二の延在アウトプット開口部又は第三の延在アウトプット開口部が前記少なくとも２つの排気開口部の間に存在するように配置されており、
    前記アウトプット面と基板表面との間の実質的に均一な距離は、前記延在アウトプット開口部から基板表面への１つ以上の気相材料のフローによって発生する圧力によって少なくとも部分的に維持され、そして、パスカルとして測定した大気圧と延在排気開口部の平均圧力との差は、パスカルとして測定した、前記基板の単位面積あたりの平均重量の少なくとも２倍である、方法。
18. 前記第一の反応性気相材料のフロー及び第二の反応性気相材料のフローは少なくとも前記不活性パージガス及び延在排気開口部によって実質的に空間的に分離されている、請求項１７記載の方法。
19. 前記第一の反応性気相材料のガスフロー、第二の反応体気相材料のガスフロー及び不活性パージガスのガスフローは、組み合わせとして、前記配送ヘッドのアウトプット面から前記基板の表面を分離するのに実質的に寄与する圧力を提供する、請求項１７記載の方法。
20. 前記基板の近傍に配置された、実質的に平行な一連の延在アウトプット開口部からガスフローは提供され、前記配送ヘッドのアウトプット面は堆積を受ける前記基板の表面から１ｍｍ以内の間隔である、請求項１７記載の方法。
21. 前記基板の所与の領域は一度に約５００ミリ秒未満の時間、前記第一の反応性気相材料のガスフローに暴露される、請求項１７記載の装置。
22. 前記配送ヘッドと基板のと間の相対運動を与えることをさらに含む、請求項１７記載の方法。
23. 堆積の間の前記基板の温度は３００℃未満である、請求項１７記載の方法。
24. 第一の反応性ガスは金属含有反応性気相材料であり、第二の反応性ガスは反応して酸化物又は硫化物材料を生成する非金属反応性気相材料であり、該酸化物又は硫化物材料は五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタン、五酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、酸化ランチウム（ｌａｎｔｈｉｕｍ）、酸化イットリウム、酸化セリウム、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化マンガン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化タングステン、二酸化ケイ素、硫化亜鉛、硫化ストロンチウム、硫化カルシウム、硫化鉛及びそれらの混合物からなる群より選ばれる、請求項１７記載の方法。
25. トランジスタにおける使用のための金属酸化物をベースとする材料を含む半導体又は誘電体薄膜を基板上に製造するために使用され、
    基板上で３００℃以下の温度で金属酸化物をベースとする材料を少なくとも一層形成することを含み、該金属酸化物をベースとする材料は第一の反応性ガスが有機金属前駆体化合物を含みかつ第二の反応性ガスが反応性酸素含有気相材料を含む少なくとも２つの反応性ガスの反応生成物である、請求項１７記載の方法。
26. パスカルとして測定した前記排気チャンネルの平均圧力は、パスカルとして測定した前記基板の単位面積あたりの平均重量の少なくとも１０倍である、請求項１７記載の方法。

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