CN102839352A

CN102839352A - 一种薄膜沉积装置及方法

Info

Publication number: CN102839352A
Application number: CN2011101675890A
Authority: CN
Inventors: 蒋猛; 刘志强; 何吉刚
Original assignee: SICHUAN SHANGDE SOLAR POWER CO Ltd; Wuxi Suntech Power Co Ltd
Current assignee: SICHUAN SHANGDE SOLAR POWER CO Ltd; Wuxi Suntech Power Co Ltd
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本发明公开一种薄膜沉积装置及方法，薄膜沉积装置用于在衬底上形成薄膜层，包括加热由载气携带的沉积材料的加热模块和向所述加热模块供料的进料总管，所述加热模块包括将所述载气及所述载气携带的沉积材料加热形成混合气体的加热部件及套设在所述加热部件外部的外壳体，所述外壳体与所述加热部件之间形成密封的腔体，所述外壳体开设有使所述混合气体喷出以在所述衬底上形成薄膜层的喷涂口，所述加热部件与所述外壳体之间还设有套在所述加热部件外的扩散管，所述扩散管与所述加热部件之间形成加热腔，所述扩散管具有允许所述混合气体通过的扩散孔。本发明克服了现有的薄膜沉积装置的成膜厚度不一致的缺点，提供一种成膜厚度一致的薄膜沉积装置。

Description

一种薄膜沉积装置及方法

技术领域

本发明涉及镀膜领域，具体为一种薄膜沉积装置及方法。

背景技术

在镀膜领域，VTD是一种广泛应用的薄膜沉积系统，使用该系统可使薄膜沉积速度快，成膜质量高。喷涂源是该系统最为关键的部件之一，专利号为US6037241的美国专利文献公开了一种半导体材料沉积方法和装置，该装置的喷涂源包括一可渗透的加热元件，气体携带半导体材料通过该可渗透的加热部件时，生成一种气体，该气体在玻璃板上沉积为半导体层。该可渗透元件是管状的，沿其长度方向被加有电压以提供热量，气体和粉末状的半导体被引进管状的可渗透元件并以气体形态从可渗透元件向外流出。环绕管状可渗透元件设有一罩体，罩体设有一开口，气体通过该开口流出以进行半导体层沉积。公开号为US20090246940A1的美国专利文献公开了一种在底板上沉积材料的系统及方法，该系统的喷涂源包括一套管，例如一陶瓷材料的套管，一加热器及一进料管。一陶瓷套管套在加热器外，加热器可为可渗透的加热器，加热器内设有进料管。套管可包括一个或多个分散孔，以在底板上提供半导体层。以上两种薄膜沉积系统的喷涂源，气体进入加热部件被加热后从加热部件扩散出来，即加热部件和渗透扩散部件为同一部件，一般采用碳化硅陶瓷管，碳化硅陶瓷管一方面作为加热部件可将气体和需要沉积的材料加热形成气体，另一方面具有微孔可使气体扩散出来。这种喷涂源的结构比较简单，但具有如下缺陷：经过一段时间的使用，碳化硅陶瓷管的电阻变大，加热效率不可避免下降，为了保证足够大的加热效率，需要更换。而碳化硅陶瓷管的微孔的分布均匀程度会受到制备工艺的影响，而微孔的分布会影响气体分布的均匀程度从而影响薄膜厚度的均匀程度。因此，更换了碳化硅陶瓷管后，即使经过精心地调整工艺，也会对薄膜厚度的一致性产生一定影响。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的薄膜沉积装置成膜厚度不一致的缺点，提供一种成膜厚度一致的薄膜沉积装置。

本发明提供的薄膜沉积装置，用于在衬底上形成薄膜层，包括加热并由载气携带的沉积材料的加热模块和向所述加热模块供料的供料总管，所述加热模块包括将所述载气及所述载气携带的沉积材料加热形成混合气体的加热部件及套设在所述加热部件外部的外壳体，所述外壳体与所述加热部件之间形成密封的腔体，所述外壳体开设有使所述混合气体喷出以在所述衬底上形成薄膜层的喷涂口，所述加热部件与所述外壳体之间还设有套在所述加热部件外的扩散管，所述扩散管与所述加热部件之间形成加热腔，所述扩散管具有允许所述混合气体通过的扩散孔。

作为优选，所述加热部件为两端接有电极的圆柱状加热棒，所述电极与外部电源相连接，所述外壳体和所述扩散管均为与所述加热棒同轴的圆管状。

作为进一步的优选，所述扩散管外壁缠绕有用于加热的电阻丝。

作为进一步的优选，所述扩散管与所述加热部件之间的所述加热腔内还设有多个进料管，多个所述进料管环绕所述加热部件均匀设置，每个所述进料管的轴线均与所述加热棒的轴线平行，所述进料管与所述进料总管相连通，所述进料管位于加热部件和扩散管之间的部分具有多个使所述载气和沉积材料从所述进料管进入所述扩散管与所述加热部件之间的小孔，多个所述小孔在所述进料管的管壁上呈阵列排列。

作为进一步的优选，所述小孔的直径为0.5mm-10mm。

作为进一步的优选，相邻的两个所述小孔之间的距离为5mm-30mm。

作为优选，所述薄膜沉积装置还包括相对设置以形成电场的两个偏置电压极板，其中一个紧靠所述加热模块的所述偏置电压极板开设有使所述混合气体通过的开口，所述开口与所述加热模块的外壳体的喷涂口相对接，所述电场内设有热电子灯丝，热电子灯丝成两列对称排列在所述开口的两侧，形成热电子区。

作为进一步的优选，两列所述热电子灯丝之间的距离为2mm-20mm。

本发明还提供一种利用上述的薄膜沉积装置进行薄膜沉积方法，包括以下步骤：

(1)由载气携带的沉积材料通过进料总管进入加热模块的加热部件与扩散管之间；

(2)利用所述加热部件将所述载气及所述载气携带的沉积材料加热成为混合气体；

(3)被加热后的所述混合气体从所述扩散管与所述加热部件之间扩散到所述扩散管与外壳体之间并进行进一步的混合；

(4)所述扩散管与所述外壳体之间的所述混合气体从所述外壳体的喷涂口喷涂并沉积在要镀膜的衬底的表面形成薄膜。

作为优选，在步骤(2)中对所述载气及所述载气携带的沉积材料加热的温度为600℃-1000℃。

作为优选，在步骤(3)中，所述混合气体被缠在所述扩散管外壁上的电阻丝再次加热。

作为优选，在步骤(4)中，所述混合气体被所述热电子丝产生的热电子撞击而带电，并经电场加速后在所述衬底上沉积生成薄膜。

本发明所述的薄膜沉积装置及方法和现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明提供的薄膜沉积装置的加热部件与扩散管是分体的，当加热部件达到使用寿命时，仅需要更换加热部件，不需要更换扩散管，因此，可防止更换扩散管导致的薄膜厚度不一致的情况发生，从而提高了薄膜的质量。

2、采用多根均匀排列的进料管可对加热部件与扩散管之间的空间进行均匀供料，不仅提高了热量的利用率，还使形成的混合气体更加均匀。

3、混合气体经过热电子灯丝形成的热电子区时，混合气体粒子被热电子撞击而带弱电，经过电场的加速，能量增大，形成的薄膜膜层致密、附着力强且结晶性强。另外，经过热电子处理后，混合气体的团簇粒子所带电荷极性相同，由于库伦力的作用，团簇不会进一步发生，减少了喷涂法经常出现的团聚现象，进一步提高了薄膜的质量。

附图说明

图1为本发明一个实施例的薄膜沉积装置的横向剖视图；

图2为本发明一个实施例的薄膜沉积装置的纵向剖视图。

附图说明

1-加热模块，3-加热部件，4-外壳体，5-扩散管，6-喷涂口，7-外部电源，8-进料管，9-偏置电压极板，10-开口，11-热电子灯丝，12-衬底，13-灯丝电源，14-偏置电源，15-进料总管，16-供气管，17-供料管。

具体实施方式

图1为本发明一个实施例的薄膜沉积装置的横向剖视图，图2为本发明一个实施例的薄膜沉积装置的纵向剖视图。如图1和图2所示，本发明提供的薄膜沉积装置，用于在衬底12上形成薄膜层，包括加热载气及载气携带的沉积材料的加热模块1和向所述加热模块1供料的进料总管15，所述进料总管15与供气管16和供料管17相连接，载气为惰性气体，如He、Ar或N₂，需要沉积的材料为粉末状，被所述载气携带进入加热模块1。所述加热模块1包括加热部件3及罩设在所述加热部件3外部的外壳体4，所述外壳体4与所述加热部件3之间形成密封的腔体，所述加热部件3与所述外壳体4之间还设有扩散管5，所述扩散管5与所述加热部件3之间形成加热空间，扩散管5的长度小于所述外壳体4的长度，被罩在所述外壳体4内。扩散管5为耐高温多孔金属材料或者耐高温多孔非金属材料，所述扩散管5的管壁上具有允许混合气体通过的扩散孔，所述扩散孔为微米级贯穿孔。在加热空间内，所述加热部件3将所述载气和沉积材料加热形成混合气体，混合气体可通过扩散孔进入扩散管5与外壳体4之间，在扩散管5与外壳体4之间进行进一步的均匀混合。所述外壳体4的两端是密封的，采用莫来石或其它耐高温材料制成，所述外壳体4的壁上开设有使所述混合气体喷出以在所述衬底12上形成薄膜层的喷涂口6，所述喷涂口6为一宽度为1mm-10mm的狭缝，混合气体自所述外壳的喷涂口6均匀喷出并在衬底12上沉积形成薄膜。本发明提供的薄膜沉积装置的加热部件3与扩散管5是分体的，当加热部件3的使用达到使用寿命时，仅需要更换加热部件3，不需要更换扩散管5，因此，可防止更换扩散管5导致的薄膜厚度不一致的情况发生，从而提高了薄膜的质量。

作为上述实施例的优选，所述加热部件3为两端接有电极的圆柱形加热棒，在本实施例中，所述加热棒为碳硅棒，在通电后可对载气和沉积材料进行加热。所述外壳体4和所述扩散管5均为与所述加热棒同轴的圆管状，加热棒的长度大于扩散管5和外壳体4的长度，露在外壳体4外的两端接有电极(图中未示出)，电极与外部电源7相连接，为加热棒提供加热的电能。加热棒的长度亦可小于扩散管5和外壳体4的长度，此时，电极需穿过扩散管5和外壳体4与外部电源7连接。外壳体4和扩散管5的形状可使加热棒对扩散管5与加热棒之间的载气和沉积材料均匀加热。

作为上述实施例的优选，所述扩散管5外壁缠绕有用于加热的电阻丝(图中未示出)，电阻丝通电后发热，可对从扩散管5流出的混合气体进行再加热，使混合气体保持较高的温度，从而提高薄膜的质量。

作为上述实施例的优选，所述扩散管5与所述加热部件3之间还设有多个进料管8，在本实施例中，扩散管5与所述加热部件3之间设有四根进料管8，四根所述进料管8环绕所述加热部件3均匀设置，每个所述进料管8的轴线均与所述加热部件3的轴线平行，所述进料管8与所述进料总管15相连通，载气和沉积材料从进料总管15进入各个进料管8。多根均匀排列的进料管8可对加热部件3与扩散管5之间的空间进行均匀供料，不仅提高了热量的利用率，还使形成的混合气体更加均匀。进料管8采用石英管或陶瓷管，进料管8的管壁具有使载气和沉积材料从进料管8流至所述扩散管5与所述加热部件3之间的小孔(图中未示出)，所述小孔成阵列排列。作为优选，所述小孔的直径为5mm，相邻的两个所述小孔之间的距离为10mm。

作为上述实施例的优选，薄膜沉积装置还包括由偏置电压极板9形成的电场，两块偏置电压极板9上下平行相对设置，接有偏置电源14形成电场，偏置电压极板9可采用石墨或金属材料制成。其中一个紧靠所述加热模块1的所述偏置电压极板9开设有使所述混合气体通过的开口10，所述开口10与所述加热模块1的外壳体4的喷涂口6相对设置，并且所述开口10与所述喷涂口6靠紧并相接通，所述电场内设有由灯丝电源13供电的热电子灯丝11，热电子灯丝11成两列对称排列在所述开口10的两侧，形成热电子区。相对的两列热电子灯丝11之间的距离为2mm-20mm，使灯丝的距离足够近，可以改善热电子自由程在高气压下较短的问题，所以偏置电压极板9之间不需要形成高真空度的环境。在本实施例中，相对的两列热电子灯丝11之间的距离为10mm。混合气体经过热电子区时，受到高速运行的热电子撞击，混合气体中的粒子带电，经过偏置电压极板9形成的电场加速，与设在偏置电压极板9之间的衬底12碰撞，在衬底12上实现薄膜的沉积。本实施例中，衬底12为玻璃。由于混合气体经过热电子灯丝11形成的热电子区时，混合气体粒子被热电子撞击而带弱电，经过电场的加速，能量增大，形成的薄膜膜层致密、附着力强且结晶性强。另外，经过热电子处理后，混合气体的团簇粒子所带电荷极性相同，由于库伦力的作用，团簇不会进一步发生，减少了喷涂法经常出现的团聚现象，进一步提高了薄膜的质量。

作为上述实施例的优选，本发明的薄膜沉积装置还包括控制加热部件3与扩散管5之间的加热腔的温度、进入所述进料总管15内的载气及沉积材料的进料量和偏置电压极板9的电压的控制装置。通过调整控制装置调整一个或多个以上参数，可调整薄膜沉积的厚度。

本发明还提供一种薄膜沉积方法，包括以下步骤：

(1)由载气携带的沉积材料通过所述进料总管进入加热模块的加热部件与扩散管之间；

(2)利用加热部件将载气及载气携带的沉积材料加热成为混合气体；

(3)混合气体从扩散管与加热部件之间扩散到扩散管与外壳体之间并进行进一步的混合；

(4)扩散管与外壳体之间的混合气体从外壳体的开口喷涂并沉积在要镀膜的衬底的表面形成薄膜。

作为上述实施例的优选，在步骤(2)中对所述载气及所述载气携带的沉积材料加热的温度为600℃-1000℃。

作为上述实施例的优选，在步骤(3)中，混合气体被缠在扩散管外壁上的电阻丝再次加热。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种薄膜沉积装置，用于在衬底上形成薄膜层，包括加热由载气携带的沉积材料的加热模块和向所述加热模块供料的进料总管，所述加热模块包括将所述载气及所述载气携带的沉积材料加热形成混合气体的加热部件及套设在所述加热部件外部的外壳体，所述外壳体与所述加热部件之间形成密封的腔体，所述外壳体开设有使所述混合气体喷出以在所述衬底上形成薄膜层的喷涂口，其特征在于：所述加热部件与所述外壳体之间还设有套在所述加热部件外的扩散管，所述扩散管与所述加热部件之间形成加热腔，所述扩散管具有允许所述混合气体通过的扩散孔。

2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述加热部件为两端接有电极的圆柱状加热棒，所述电极与外部电源相连接，所述外壳体和所述扩散管均为与所述加热棒同轴的圆管状。

3.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述扩散管外壁缠绕有用于加热的电阻丝。

4.根据权利要求2或3所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述扩散管与所述加热部件之间的所述加热腔内还设有多个进料管，多个所述进料管环绕所述加热部件均匀设置，每个所述进料管的轴线均与所述加热棒的轴线平行，所述进料管与所述进料总管相连通，所述进料管位于加热部件和扩散管之间的部分具有多个使所述载气和沉积材料从所述进料管进入所述扩散管与所述加热部件之间的小孔，多个所述小孔在所述进料管的管壁上呈阵列排列。

5.根据权利要求4所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述小孔的直径为0.5mm-10mm。

6.根据权利要求4所述的薄膜沉积装置，其特征在于：相邻的两个所述小孔之间的距离为5mm-30mm。

7.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于：所述薄膜沉积装置还包括相对设置以形成电场的两个偏置电压极板，其中一个紧靠所述加热模块的所述偏置电压极板开设有使所述混合气体通过的开口，所述开口与所述加热模块的外壳体的喷涂口相对接，所述电场内设有热电子灯丝，热电子灯丝成两列对称排列在所述开口的两侧，形成热电子区。

8.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其特征在于：两列所述热电子灯丝之间的距离为2mm-20mm。

9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的薄膜沉积装置进行薄膜沉积的方法，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的薄膜沉积方法，其特征在于：在步骤(2)中对所述载气及所述载气携带的沉积材料加热的温度为600℃-1000℃。

11.根据权利要求9所述的薄膜沉积方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述混合气体被缠在所述扩散管外壁上的电阻丝再次加热。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述混合气体被所述热电子丝产生的热电子撞击而带电，并经电场加速后在所述衬底上沉积生成薄膜。