CN102644063A - 用于实现原子层沉积工艺的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现原子层沉积工艺的设备，涉及原子层沉积技术领域，所述设备包括：反应模块，所述反应模块进一步包括：反应腔室、加热单元、预热腔室、预热单元、前驱物进料单元、抽气单元及控制单元；预热单元，用于对预热腔室中的基板进行预热；加热单元，用于对反应腔室及反应腔室中的基板进行加热；前驱物进料单元，用于为反应腔室内的基板提供气态的前驱物；抽气单元，用于对反应腔室进行抽气，以保证反应腔室内的基板进行反应之前，反应腔室处于真空状态。本发明通过设置预热单元来缩短反应时间，提高了反应效率，提高了原子层沉积设备的生产效率，并进一步通过多个反应腔室共同使用部分部件，使得设备结构简单、占地面积较小。

Description

用于实现原子层沉积工艺的设备

技术领域

本发明涉及原子层沉积技术领域，特别涉及一种用于实现原子层沉积工艺的设备。

背景技术

原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)设备进行原子层沉积反应的原理是在通入两种气体前驱物，使其先后通过加热的基板表面，分别先后在基板表面化学吸附并产生两个“半反应”来实现原子层沉积。一个基本的原子层沉积循环包括四个步骤：脉冲A、清洗A、脉冲B和清洗B，脉冲A和脉冲B分别指通入前驱物A(气体)和前驱物B(气体)，在前驱物A和前驱物B使用之间，需要通过惰性气体的吹扫，将反应腔室中的残余气体和反应产物清洗干净。ALD反应需要在一定的温度条件下进行，基板须经过加热然后进行沉积反应，但由于传统的ALD设备须将基板加热后再进行沉积反应，反应时间较长，反应效率较低，导致原子层沉积设备的生产效率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何缩短反应时间，提高反应效率，以提高原子层沉积设备的生产效率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于实现原子层沉积工艺的设备，所述设备包括：反应模块，所述反应模块进一步包括：反应腔室、加热单元、预热腔室、预热单元、前驱物进料单元、抽气单元及控制单元；

所述预热单元，用于对所述预热腔室中的基板进行预热；

所述加热单元，用于对所述反应腔室及所述反应腔室中的基板进行加热；

所述前驱物进料单元，用于为所述反应腔室内的基板提供气态的前驱物；

所述抽气单元，用于对所述反应腔室进行抽气，以保证所述反应腔室内的基板进行反应之前，所述反应腔室处于真空状态；

所述控制单元，用于对所述加热单元、预热单元、前驱物进料单元、以及抽气单元分别进行控制和状态检测。

优选地，所述反应模块的数量为一个或多个。

优选地，所述设备包括：基板供应模块，所述基板供应模块进一步包括：送料元件和基板传输单元；

所述基板传输单元，用于将基板传输至送料元件；

所述送料元件，用于在所述控制单元的控制下，将所述基板运送至所述预热腔室或反应腔室中、或者将所述预热腔室或反应腔室中的基板运送至所述基板传输单元上。

优选地，所述基板供应模块还包括：基板承载单元和装片单元，其中，所述基板承载单元，用于承载至少一块基板，所述装片单元，用于在所述控制单元的控制下，将基板装载至所述基板承载单元上，或者将所述基板承载单元上的基板进行卸载，所述送料元件在运送基板时，以所述基板承载单元为单位。

优选地，所述控制单元包括：电气控制子单元，用于控制所述预热单元的预热时间、所述反应腔室中基板的反应时间、以及基板承载单元上基板的装载/卸载；

气路控制子单元，用于控制所述前驱物进料单元所供应气态的前驱物的时间和流量；

温度控制子单元，用于控制所述反应腔室和所述基板承载单元的温度。

优选地，所述反应模块设有外壳。

优选地，所述外壳连有排气单元，所述排气单元，用于接收外壳内的气体，并将接收到的气体传输至所述尾气处理单元；一尾气处理单元与所述排气单元连接，

所述尾气处理单元用于对所述排气单元所传输的气体进行净化。

(三)有益效果

本发明通过设置预热单元来缩短反应时间，提高了反应效率，以提高原子层沉积设备的生产效率，并进一步通过多个反应腔室共同使用部分部件，使得设备结构简单，并且占地面积较小。

附图说明

图1是图2所示的设备中反应模块的结构示意图；

图2是按照本发明一种实施例的设备的结构示意图；

图3是按照本发明另一种实施例的设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的用于实现原子层沉积工艺的设备包括：反应模块，所述反应模块进一步包括：反应腔室、加热单元、预热腔室、预热单元、前驱物进料单元、抽气单元及控制单元；

所述反应腔室为基板实现原子沉积反应提供反应空间和反应能量；

所述预热单元，用于对所述预热腔室中的基板进行预热，将基板提前加热到一定的温度，以减少基板在反应腔室中的加热时间，为精确控制所述预热腔室中基板的预热温度，优选地，本实施方式中，所述预热单元为气体加热器；

所述加热单元，用于对所述反应腔室及所述反应腔室中的基板进行加热，本实施方式中，所述加热单元包括：用于对反应腔室加热的固体加热元件和用于对反应腔室中的基板加热的气体加热元件，所述的设备实施ALD反应时，反应腔室中的固体加热元件先将未装入基板承载装置的反应腔室加热，同时气体加热器将预热腔室中的基板承载装置加热到一定的温度，基板承载装置放入反应腔室后，反应腔室中的气体加热元件加热惰性气体，并将加热的惰性气体作为载气、清洗气体和环境气体以维持基板的反应温度；

所述前驱物进料单元，用于为所述反应腔室内的基板提供气态的前驱物，本实施方式中，所述前驱物进料单元包括冲洗气体源容器、以及至少两个的前驱物源容器，如气体容器、起泡器等，并包括导管将气态的前驱物导入反应腔室。所述前驱物在前驱物源容器内可以以气态、液态或固态的形式存在，但最终以气态的形式被注入反应腔室。所述前驱物进料系统中的前驱物源容器和冲洗气体源容器可以共用于部分或所有的反应腔室。

所述抽气单元，用于对所述反应腔室进行抽气，以保证所述反应腔室内的基板进行反应之前，所述反应腔室处于真空状态，本实施方式中，所述抽气单元包括真空抽气元件和抽气管路，真空抽气元件采用真空泵；

所述控制单元，用于对所述加热单元、预热单元、前驱物进料单元、以及抽气单元分别进行控制和状态检测。

为便于实现设备的全自动化，优选地，所述设备包括：基板供应模块，所述基板供应模块进一步包括：送料元件和基板传输单元；

所述基板传输单元，用于将基板传输至送料元件，所述基板传输单元可作为等候平台和冷却平台使用；

所述送料元件，用于在所述控制单元的控制下，将所述基板运送至所述预热腔室或反应腔室中、或者将所述预热腔室或反应腔室中的基板运送至所述基板传输单元上。

为便于一次能够处理多个基板，优选地，所述基板供应模块还包括：基板承载单元和装片单元，其中，

所述基板承载单元，用于承载至少一块基板，本实施方式中，所述基板承载单元可承载几百片的基板，

所述装片单元，用于在所述控制单元的控制下，将基板装载至所述基板承载单元上，或者将所述基板承载单元上的基板进行卸载，本实施方式中，将基板装载至所述基板承载单元时，可以横向装片，也可以纵向装片，装片的形式可以是单个方向，也可以是背靠背；

所述送料元件在运送基板时，以所述基板承载单元为单位，本实施方式中，所述送料元件包括夹持器，通过夹持器将基板承载单元运送至所述预热腔室或反应腔室中，并进一步将所述预热腔室或反应腔室中的所述基板承载单元运送至所述基板传输单元。

优选地，所述控制单元包括：

电气控制子单元，用于控制所述预热单元的预热时间、所述反应腔室中基板的反应时间、以及基板承载单元上基板的装载/卸载等；

气路控制子单元，用于控制所述前驱物进料单元所供应气态的前驱物的时间和流量等，所述气路控制子单元包括气体阀、流量测试元件、压力测试元件和通气管路等部件。

温度控制子单元，用于控制所述反应腔室和所述基板承载单元的温度等。

优选地，所述反应模块设有外壳。

为防止生产中的工艺气体扩散至空气中导致环境污染，优选地，所述外壳连有排气单元，

所述排气单元，用于接收外壳内多余的气体，维持外壳内的工艺压力状态，并将接收到的气体传输至所述尾气处理单元；一尾气处理单元与所述排气单元连接，

所述尾气处理单元用于对所述排气单元所传输的气体进行净化，本实施方式中，净化的方式包括物理净化、化学净化和生物净化。物理净化采用活性物质吸附，化学净化采用化学物质发生反应，生物净化采用生物进行分解。

所述反应模块的数量为一个或多个，为实现基板的不间断操作，以提高生产效率，优选地，所述反应模块的数量为至少两个，为节约成本，优选地，本实施方式中具有至少两个反应模块时，可共用一个送料元件、基板传输单元、装片单元、排气单元及尾气处理单元。

实施例1

将该发明的设备应用于光伏领域，在低压真空状态下下在156×156mm2的太阳能板衬底淀积厚度为20nm的三氧化二铝钝化薄膜。

参照图1～2，该设备包括反应腔室1、加热单元2、预热单元(未示出)、预热腔室3、装片单元4、基板传输单元5、基板承载单元7、送料元件8、前驱物进料单元9、电气控制子单元10、抽气单元11、气路控制子单元12、用于使送料元件8运动的水平导轨13、排气单元和尾气处理单元。

本实施例中，反应腔室1、加热单元2、预热腔室3、前驱物进料单元9、电气控制子单元10、抽气单元11和气路控制子单元12组合为一个反应模块，用一个外壳将所述反应模块封装，如图1所示。

如图2所示，本实施例中设备采用4个反应模块共同使用装片单元4、基板传输单元5、基板承载单元7、送料元件8、用于使送料元件8运动的水平导轨13、排气系统和尾气处理系统。

本实施例中，前驱物选用三甲基铝(TMA)和H₂O，冲洗气体为N₂。TMA和H₂O分别采用发泡器形成气态进入通气管路，N2作为清洗气体，通过控制气路，实现通入TMA--清洗N₂--通入H₂O--清洗N₂，进行20个反应周期后沉积完毕。

装片单元4将240片的基板背靠背的放置于基板承载单元7上，送料元件8将基板承载单元7放置于基板传输单元5上，基板传输单元5可同时传输四个基板承载单元7，将所述基板承载单元7传输至所述送料元件8，送料元件8将基板承载装置7送到预热腔室3加热，加热完毕后，再送入反应腔室1中反应，前驱物进料单元9包括两个发泡器分别用于向反应腔室1中通入气态的TMA和H₂O，按照工艺次序分别将TMA、H₂O和N₂送入反应腔室1中，使其在基板上发生沉积反应。沉积完毕后，送料元件8将基板承载单元7送入基板传输单元5上传输并冷却，装片单元4将基板从基板承载单元7中取出。本实施例的设备中，四个反应模块同时反应沉积，每次加工240×4片基板，产量高达2800片/时。

实施例2

如图3所示，本实施例的设备与实施例1的设备结构基本相同，不同之处在于包括2个反应腔室1、2个预热腔室3，其他部件与实例1相同。2个反应腔室1和2个预热腔室3纵向排布，共同使用加热单元、预热单元、装片单元、基板传输单元5、基板承载单元7、送料元件、前驱物进料系统9、电气控制系统10、抽气系统、气路控制系统12、用于使送料元件运动的水平导轨、排气系统和尾气处理系统，设备更为简单，占地面积小。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种用于实现原子层沉积工艺的设备，其特征在于，所述设备包括：反应模块，所述反应模块进一步包括：反应腔室、加热单元、预热腔室、预热单元、前驱物进料单元、抽气单元及控制单元；

所述预热单元，用于对所述预热腔室中的基板进行预热；

所述加热单元，用于对所述反应腔室及所述反应腔室中的基板进行加热；

所述前驱物进料单元，用于为所述反应腔室内的基板提供气态的前驱物；

所述抽气单元，用于对所述反应腔室进行抽气，以保证所述反应腔室内的基板进行反应之前，所述反应腔室处于真空状态；

所述控制单元，用于对所述加热单元、预热单元、前驱物进料单元、以及抽气单元分别进行控制和状态检测。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述反应模块的数量为一个或多个。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：基板供应模块，所述基板供应模块进一步包括：送料元件和基板传输单元；

所述基板传输单元，用于将基板传输至送料元件；

所述送料元件，用于在所述控制单元的控制下，将所述基板运送至所述预热腔室或反应腔室中、或者将所述预热腔室或反应腔室中的基板运送至所述基板传输单元上。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述基板供应模块还包括：基板承载单元和装片单元，其中，所述基板承载单元，用于承载至少一块基板，所述装片单元，用于在所述控制单元的控制下，将基板装载至所述基板承载单元上，或者将所述基板承载单元上的基板进行卸载，所述送料元件在运送基板时，以所述基板承载单元为单位。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制单元包括：电气控制子单元，用于控制所述预热单元的预热时间、所述反应腔室中基板的反应时间、以及基板承载单元上基板的装载/卸载；

气路控制子单元，用于控制所述前驱物进料单元所供应气态的前驱物的时间和流量；

温度控制子单元，用于控制所述反应腔室和所述基板承载单元的温度。

6.如权利要求1～5中任一项所述的设备，其特征在于，所述反应模块设有外壳。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述外壳连有排气单元，所述排气单元，用于接收外壳内的气体，并将接收到的气体传输至所述尾气处理单元；一尾气处理单元与所述排气单元连接，

所述尾气处理单元用于对所述排气单元所传输的气体进行净化。

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