CN102534556A

CN102534556A - 一种常压多腔原子层沉积设备

Info

Publication number: CN102534556A
Application number: CN2012100385842A
Authority: CN
Inventors: 姜谦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种常压多腔原子层沉积设备，其目的是要解决现有技术成膜过程耗时长、产量低、设备结构复杂及制造成本高的技术难题。它包括冷却系统和存片装置。每个前躯体拥有一个独立的反应腔，在其中至少一个反应腔中设有能量来源装置，各反应腔之间用惰性气体分隔开。上述存片装置、冷却系统及反应腔与传送装置相接并相通，其中冷却系统可根据实际需要进行选择性安装，该设备可以拥有多个反应腔、多个传送装置，根据反应需要以能够生成一层原子层厚度薄膜的腔体为一套腔体，成倍的进行加载。本发明采用长方形腔体结构和圆环形的腔体结构。可广泛用于金属、玻璃、硅片、塑料及模板等基体材料的薄膜涂层领域。

Description

一种常压多腔原子层沉积设备

技术领域

本发明涉及一种原子层气相沉积的设备，应用于常压下原子层气相沉积技术，属于薄膜涂层领域。

背景技术

原子层沉积(Atomic layer deposition，简称ALD)技术是最前沿的薄膜沉积技术。它的原理是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应，并以单原子膜的形式一层一层形成沉积膜的一种方法。在沉积过程中，第一种反应前驱体(precursor)输入到基体材料表面并通过化学吸附(饱和吸附)保持在表面。当第二种前驱体通入反应器，会首先吸附在第一种前躯体表面，然后提供一种活化能，让两种前驱体发生反应，并产生相应的副产物通过真空设备抽掉，形成一个原子层厚度的反应薄膜，重复该周期，直至形成所需厚度的薄膜。该成膜技术可以在基体上长非常薄的膜，可以准确控制薄膜的厚度，可在任何形状的基体上进行接近100％的覆盖。

传统的ALD设备在为基体覆膜的过程中，存在如下问题：(1)所有反应过程均需在真空状态下完成，使腔体维持在真空状态的装置会加大设备的制造成本；(2)在真空状态下为基体覆膜，基体形状与大小受反应腔限制，不能超过反应腔的容量。(3)不同前躯体按照时间次序通入反应腔，基体在反应腔中与顺次通入该腔体的前躯体进行反应，成膜过程耗时比较长；(4)成膜过程的所有步骤均在一个反应腔内完成，一个反应腔每次只能为一个腔容量的基体进行覆膜，产量低；(5)前躯体通入反应腔时需要一定的时间达到稳定状态，而且控制前躯体的切换、吹扫等步骤还会占用一定的时间，由此延长了整个设备的覆膜时间，并且该步骤要求设备结构复杂，加大了制造成本。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，研发了一种低成本、高效率的常压多腔原子层沉积成膜设备。本发明将传统原子层沉积设备的真空反应环境变为常压反应环境，简化了反应装置。同时调整了原有的反应腔结构，将前躯体按照时间次序通入一个反应腔，并在一个反应腔内完成整个覆膜过程的结构，变为每个前躯体拥有一个独立的反应腔，在每个反应腔内完成一个反应步骤，进而完成整个覆膜过程的结构。对比传统的ALD设备，本发明将传统设备的真空反应环境变为了常压反应环境，将传统设备的一个反应腔变为了多个反应腔；对比“一种真空多腔原子层沉积设备”的专利，本发明将其真空多腔的设备变为了常压多腔的设备。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种常压多腔原子层沉积设备，包括冷却系统和存片装置，每个前躯体拥有一个独立的反应腔，在其中至少一个反应腔中设有能量来源装置，各反应腔之间用惰性气体分隔开，上述存片装置、冷却系统及反应腔与传送装置相接并相通，其中冷却系统可根据实际需要进行选择性安装。该设备调整了原有的反应腔结构，使每个前躯体拥有一个独立的反应腔，并在沉积过程中一直保持通入状态。各反应腔之间用惰性气体分隔开，基体(可以是金属、玻璃、硅片、塑料、模板等材料)通过传送装置(可以是机械手、传送带、转盘、螺纹等)从一个反应腔移出时先经过惰性气体气墙，去除多余的前躯体和副产物后进入下一个反应腔。反应腔之间的惰性气体气墙可以是同一种气体，也可以根据反应需要设置不同种类气体，该气墙除了能分隔腔体，避免反应腔之间的前躯体发生反应外，还能起到对基体进行吹扫的作用，该步骤相当于传统ALD设备中通过抽真空去掉腔体内多余的前躯体和副产物的过程。基体在各腔室间循环运动，并在能量来源装置(等离子体、加热器、紫外线、红外线、光源等)的作用下与不同腔体内的前躯体发生反应完成覆膜过程，形成所需薄膜。能量来源装置可以以独立的反应腔形式存在，也可以加载到反应所需的其中一个反应腔内，根据前躯体需要达到的反应条件进行设置。该设备可以拥有多个反应腔、多个传送装置。以能够生成一层原子层厚度薄膜的反应腔为一套腔体，一套腔体中反应腔的数量可根据反应需要进行增加；该设备可以是一套腔体，也可以根据产量要求，成倍的加载多套腔体。各套腔体可生长相同种类的薄膜，也可以生长不同种类的薄膜，可采用串联或并联的方式进行排列，每套腔体中反应腔数量可以不等。

本发明较好地解决了传统ALD设备存在的问题，并具有下述优点：(1)所有反应过程均在常压状态下完成，减少了使腔体维持在真空状态的装置，极大地降低了设备的制造成本；(2)基体的形状与大小不受反应腔的限制；(3)具有多个反应腔，每个前躯体拥有独立的反应腔，基体可在各反应腔内与不同前躯体直接反应生成所需薄膜，提高了原子层沉积设备的效率；(4)每个反应腔始终通入一种前躯体，不需要控制前躯体的切换、吹扫等步骤，减少了反应时间，不需要加入控制前躯体切换、吹扫等步骤的结构，降低了设备成本。本发明可以实现在大气状态下，基体顺次在各反应腔内同时进行覆膜，基体大小不受反应腔尺寸的限制、成膜速率快、产量高。该原子层沉积设备在芯片制造、电池、太阳能、军事、发动机、医疗等方面会有便捷、广泛的应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，也是本发明的实施例一。

图2是本发明的实施例二。

具体实施方式

实施例一

参照图1，该设备是由三个反应腔为一套腔体的设备示意图，是一个长方形腔体结构，它包括冷却系统1、存片装置2，传送装置9、反应腔A4、反应腔B6和反应腔C8。上述反应腔A4和反应腔B6中分设前躯体A3和前躯体B5；上述反应腔C8内设有能量来源装置A7；上述反应腔A4与存片装置2间设有惰性气体气墙A10、反应腔A4与反应腔B6间设有惰性气体气墙B11及反应腔B6与反应腔C8间设有惰性气体气墙C12。

上述各反应腔之间由惰性气体作为腔壁隔离开，每个腔体都保持常压状态。传送装置从存片装置中取出基体，将基体先送到反应腔A4中与前躯体A3进行反应，反应完毕后由传送装置9带动基体通过惰性气体气墙B11，去除多余的前躯体A3及反应产生的副产物，然后移动到反应腔B6中与前躯体B5进行反应，反应完毕后由传送装置9带动基体通过惰性气体气墙C12，去除多余的前躯体B5及反应产生的副产物，然后送到反应腔C8中在能量来源装置A7提供的反应条件下发生反应生成一个原子层厚度的薄膜。传送装置9带动基体不断在各反应腔内循环反应，直至生成所需厚度的薄膜，最后将基体送入冷却系统1进行冷却后放回到存片装置2中，冷却系统1与存片装置2的位置及数量可根据设备需要进行设置，冷却系统可根据实际需要进行选择性安装。在常压状态下，反应腔之间的惰性气体气墙除了能分隔腔体，避免反应腔之间的前躯体发生反应外，还能起到对基体进行吹扫的作用。传送装置9可同时输送几个基体或一个大基体在不同的腔体内发生反应。该设备还可根据反应需要及产量要求在此基础上以能够生成一层原子层厚度薄膜的腔体为一套腔体，成倍的进行加载。由此实现常压状态下，在每个反应腔内完成一个反应步骤、不断重复该步骤，直至生成所需厚度的薄膜，进而完成整个覆膜过程的结构。

实施例二

参照图2，该设备是由三个反应腔为一套腔体，共有两套腔体的设备示意图，是一个圆环形的腔体结构，它包括冷却系统1、存片装置2，传送装置9、反应腔A4、反应腔B6、反应腔C8、反应腔D17、反应腔E19及反应腔F21。上述反应腔A4、反应腔B6、反应腔D17及反应腔E19中分设前躯体A3、前躯体B5、前躯体C16及前躯体D18；上述反应腔C8内设有能量来源装置A7、反应腔F21内设有能量来源装置B20；上述反应腔A4与存片装置2间设有惰性气体气墙A10、反应腔A4与反应腔B6间设有惰性气体气墙B11、反应腔B6与反应腔C8间设有惰性气体气墙C12、反应腔C8与反应腔D17间设有惰性气体气墙D13、反应腔D17与反应腔E19间设有惰性气体气墙E14及反应腔E19与反应腔F21间设有惰性气体气墙F15。

上述各反应腔之间由惰性气体作为腔壁隔离开，每个腔体都保持常压状态。传送装置9从存片装置2中取出基体，带动基体在反应腔A4中与前躯体A3发生反应，反应完毕后带动基体通过惰性气体气墙B11去除未反应的前躯体A3及多余的副产物，然后将基体移动到反应腔B6中与前躯体B5发生反应，反应完毕后带动基体通过惰性气体气墙C12去除未反应的前躯体B5及多余的副产物，接下来基体被送到装有能量来源装置的反应腔C8中，在能量来源装置A7提供的反应条件下发生反应生成一个原子层厚度的薄膜。传送装置9继续移动基体在反应腔D17、反应腔E19及反应腔F21中循环该反应过程，生成两个原子层厚度的薄膜，可以是不同种类的薄膜，可以是相同种类的薄膜。不断重复该步骤，直至生成所需厚度的薄膜，最后将基体送入冷却系统1进行冷却后放回到存片装置2中，冷却系统可根据实际需要进行选择性安装。在常压状态下，反应腔之间的惰性气体除了能分隔腔体，避免反应腔之间的前躯体发生反应外，还能起到对基体进行吹扫的作用。传送装置9可同时输送几个基体或一个大基体分别在不同的腔体内发生反应。该设备还可根据反应需要及产量要求在此基础上以能够生成一层原子层厚度薄膜的腔体为一套腔体，成倍的进行加载。由此实现常压状态下，在每个反应腔内完成一个反应步骤、不断重复该步骤，直至生成所需厚度的薄膜进而完成整个覆膜过程的结构。

Claims

1.一种常压多腔原子层沉积设备，包括冷却系统和存片装置，其特征在于：每个前躯体拥有一个独立的反应腔，在其中至少一个反应腔中设有能量来源装置，各反应腔之间用惰性气体分隔开，惰性气体可以是同一种气体，也可以是不同种气体，上述存片装置、冷却冷却系统及反应腔与传送装置相接并相通，其中冷却系统可根据实际需要进行选择性安装，该设备可以拥有多个反应腔、多个传送装置，根据反应需要以能够生成一层原子层厚度薄膜的腔体为一套腔体，成倍的进行加载，各套腔体可采用串联或并联的方式进行排列。

2.如权利要求1所述的一种常压多腔原子层沉积设备，其特征在于：所述的设备采用长方形腔体结构和圆环形的腔体结构。

3.如权利要求1所述的一种常压多腔原子层沉积设备，其特征在于：该设备是一个长方形腔体结构，它包括冷却系统、存片装置，其中冷却系统可根据实际需要进行选择性安装，传送装置上分别设有反应腔A、反应腔B和反应腔C，上述反应腔A和反应腔B中分设前躯体A和前躯体B；上述反应腔C内设有能量来源装置A；上述反应腔A与存片装置间设有惰性气体气墙A、反应腔A与反应腔B间设有惰性气体气墙B及反应腔B与反应腔C间设有惰性气体气墙C，上述各反应腔之间由惰性气体作为腔壁隔离开，每个腔体都保持常压状态。

4.如权利要求1所述的一种常压多腔原子层沉积设备，其特征在于：该设备是一个圆环形的腔体结构，它包括冷却系统、存片装置，其中冷却系统可根据实际需要进行选择性安装，环绕传送装置分别设有反应腔A、反应腔B、反应腔C、反应腔D、反应腔E及反应腔F，上述反应腔A、反应腔B、反应腔D及反应腔E中分设前躯体A、前躯体B、前躯体C及前躯体D；上述反应腔C内设有能量来源装置A、反应腔F内设有能量来源装置B；上述反应腔A与存片装置间设有惰性气体气墙A、反应腔A与反应腔B间设有惰性气体气墙B、反应腔B与反应腔C间设有惰性气体气墙C、反应腔C与反应腔D间设有惰性气体气墙D、反应腔D与反应腔E间设有惰性气体气墙E及反应腔E与反应腔F间设有惰性气体气墙F，上述各反应腔之间由惰性气体作为腔壁隔离开，每个腔体都保持常压状态。