CN103614705B - 一种用于大型非平整表面沉积的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子层沉积装置，包括原子层沉积单元喷头，所述单元喷头包括高压气流入口，惰性隔离气体入口通道，出气口通道，和两种前驱体入口通道，其中所述高压气流入口喷出高压气体以顶起整个沉积装置，该装置是微型开放式且可移动可扩展，能够适用于大型非平整结构表面薄膜沉积，并可直接经过简单多块组合，增加沉积效率。

Description

一种用于大型非平整表面沉积的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于大面积非平整结构表面的原子层沉积装置及方法，该发明不同于传统表面镀膜，是一种低成本高效率的原子层沉积技术。

背景技术

原子层沉积是随着半导体集成电路的不断发展而迅速发展并逐渐成熟的一种尺寸精确可控、高保形性、可扩展性强的镀膜技术，经过几十年的发展，已广泛应用于微纳米电子器件，太阳能电池等领域。但传统的原子层沉积技术同其他工业真空镀膜技术一样（如化学气相沉积和物理气相沉积），对沉积环境有严苛的技术要求。真空和密封条件的制约使得此类气相沉积镀膜工艺仅适用于腔体空间能容纳的一定大小的基底结构，而很难应用于大面积镀膜。

原子层沉积的原理是将一种前驱体通入真空腔体中，与基底表面（一般为硅基底）发生化学吸附，伴随惰性气体清洗腔体之后，另一前驱体通入腔体与上阶段生成物发生化学反应。这两个阶段组成一个原子层沉积反应循环也即一层单层薄膜生长，通过控制循环的次数来确定薄膜的厚度。在传统真空原子层沉积系统中，两种前驱体之间是通过惰性气体来清洗的，耗费时间较长，无法满足大规模生产的需求；同时传统应用均在真空腔室内体积较小的硅基片上沉积，工艺条件无法满足大面积非平整复杂结构表面沉积，大大限制了该技术的应用范围。而近年来在研究领域的提出的大型常压原子层沉积技术仅限用于薄膜太阳能电池板等领域，该领域对大面积要求仅限于平整平面，所涉及的大型薄膜沉积无法应用于非平整平面镀膜。为进一步扩展该技术使用范围，特别是针对航空航天业和海洋船舶业所需的特殊环境应用的表面薄膜材料，其对薄膜高度致密性和非平整大面积表面镀膜有着重大需求。本发明拟提出一种微型开放式可扩展高效原子层沉积结构设计，能够切实的满足非平整大面积表面高效镀膜需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种微型开放式、可扩展的高效原子层沉积装置，以满足大面积非平整复杂结构表面沉积需要。

为避免大面积结构采用高成本的真空腔室，新型镀膜需采用常压环境，而且非平整面连续沉积需要微小体积和开放式结构，整个沉积方式本质上是一种高效率空间隔离原子层沉积技术，即两种前驱体沉积反应单独发生在两个被隔阂的独立空间中，中间通过惰性气体隔开，基底在一个反应区域发生原子层沉积半反应之后，运动至另一反应区域，反应物与另一前驱体发生另一半反应来完成一次循环。薄膜的厚度通过基底来回运动的次数或反应区域的数量来保证的，该工艺技术使用反应区域之间的运动来切换原子层沉积的半反应，无需考虑传统原子层沉积技术中使用惰性气体来清洗腔体，从而节省大量的时间。

为实现上述目的，本发明提供了一种微型开放式可扩展原子层沉积装置，包括原子层沉积单元喷头，所述单元喷头包括高压气流入口，惰性隔离气体入口通道，出气口通道，两种前驱体入口通道，其中所述高压气流入口喷出高压气体以顶起整个沉积装置；其中，所述一种前驱体入口通道为两个，位于一个另一种前驱体入口通道的两侧，从而形成三个子沉积区F3；所述高压气流入口由一组节流小孔组成，从而形成高压悬浮支撑区F1；所述三个沉积区F3各个区域中间分别由惰性隔离气体入口通道206喷出的惰性气体形成的隔离区F2隔离，所述悬浮支撑区、隔离区、沉积区三部分的气流通量与流速大小关系为F1>F2>F3。

其中所述高压气流入口喷出高压气体以顶起整个沉积装置。

所述高压气流入口由一组节流小孔组成，从而形成高压悬浮支撑区；所述三个沉积区各个区域中间分别由惰性隔离气体入口通道喷出的惰性气体形成的隔离区隔离。

其中，所述单元喷头可沿平面横向或纵向组合。

其中，所述单元喷头的三个前驱体通道中，两侧通入同一种前驱体，中间专用于通入金属前驱体。

其中，每个喷头单元中间通道通入的金属前驱体仅为一种并决定本单元沉积的薄膜材料，若涉及薄膜为多元化合物则可利用多个单元组合自由，方便的组成复合薄膜沉积装置。而两侧通入的非有机前驱体可根据具体薄膜沉积要求设为同一源或不同源，此源可根据反应要求起氧化、还原或置换作用。在原子层沉积使用最广泛的氧化铝薄膜中，有机金属前驱体为三甲基铝，另一种源为水汽，其结合本单元喷头则可简单的简化为只通一种有机金属前驱体源进行高效薄膜镀层。

本发明装置的核心在于简易式空间隔离原子层沉积喷头。传统空间隔离原子层沉积系统包括喷头、前驱体进气口、隔离气体进气口、腔体支撑架、基片承载台、加热器、运动平台，运动平台需保证实现水平方向来回运动和垂直方向上下运动，而垂直方向上的精度要达到微米级别。本发明的微型开放式沉积装置则改进了大部分组件，不再装载运动平台，通过轻型喷头的整体移动直接在大面积基底上进行薄膜沉积；不再设置垂直运动调节，直接由轻型喷头向下喷出的高压气体产生气浮作用顶起整个装置，气浮作用产生的间隙约为微米级别；整个装置水平运动为重要组件，由于大面积非平整表面在局部单位区域的大曲率半径使得喷头类似于平动，但总体的运动轨迹并未直线。每个单元喷头仅包含完成一个基本反应循环的前驱体通道，喷头仅实现横向运动沉积并依靠纵向扩展或来回运动，而微型单元可沿平面X向、Y向进行直接扩展，共同完成大面积表面镀膜

一般而言，非有机前驱体多为起置换（氧化、还原）作用的气体或液体源（常用如氧气、水汽、臭氧、氢气或氨气等），而另一种前驱体则为合成的有机金属源或无机金属源，如此设计不仅考虑节省贵重前驱体成本，同时可将待镀膜基底表面优先充分置换、氧化或还原，保证包含金属源的半反应沉积效率最高，本沉积单元仅适用于二元薄膜或金属薄膜的生长，当需要多元组合时可组合多喷头分别进行各半反应实验。整个大面积非平整结构表面均为基底，并与开放式沉积喷头构成相对密闭沉积区域，区域内与外界空气的隔离效应由高速流出的高压惰性气体实现。沉积过程中，喷头运动经过待沉积区域，非有机前驱体进气口通道优先表面发生原子层沉积反应，然后隔离气体进气口运动至该区域对表面进行吹洗去除多余未反应前驱体，之后金属前驱体进气口通道运动至该区域来完成另一半反应，隔离气体的作用一方面是有效隔离，防止两种前驱体混合发生交叉污染，另一方面清洗物理吸附于基片表面的残余前驱体。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、该装置是微型开放式且可移动可扩展，能够适用于大型非平整结构表面薄膜沉积，针对单元模块相当于平面镀膜。此设计可极大扩展原子层沉积镀膜应用范围，特别是航空航天和海洋船舶等领域的表面（高度致密薄膜）特殊材料镀膜。

2、单元喷头可直接经过简单多块组合，增加沉积效率，适用于大面积镀膜。组合数可根据所镀膜平面的曲率半径决定，从而不仅限于平整表面沉积，对于非平整大型表面亦有良好的效果。

3、结合节流悬浮支撑技术，既能实现喷头无摩擦运动又能在沉积区起到气流隔离作用。而使用常压镀膜技术避免了传统镀膜对大型结构所需的超大真空腔体，极大的降低成本。

附图说明

图1是本发明使用环境说明示意图；

图2是本发明多模块组合结构示意图；

图3是本发明单元模块底部结构示意图；

图4是本发明单元模块底部区域示意图；

图5是本发明单元模块气浮局部剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明所描述的微型开放式可扩展原子层沉积装置可用于沉积大面积非平整表面，相对于局部大曲率半径结构仍能作为平面与开放式喷头构成相对密闭空间进行沉积（如101）。多单元喷头可沿表面横向或纵向组合（如102,103）以扩展沉积面积、提高沉积效率，此时薄膜厚度由模块数量及反应来回次数决定；当组合的不同单元换为不同种类前驱体源时，也可以沉积不同化合物，即此喷头可利于沉积多元化合物薄膜。

图3和图4所示分别为单元喷头的底部的结构图和区域图，体现喷头悬浮和沉积最重要的结构特点。单元101包括高压气流入口201，惰性隔离气体入口通道206，出气口通道203、205，前驱体入口通道202和通道204，即惰性气体入口、出气口、前驱体入口、出气口、惰性气体入口连续相间的五部分为一个完整沉积区并构成真个喷头单元。由一组节流小孔201组成的高压悬浮支撑区301需要一定的面积提供悬浮支撑压力，其高压气流也隔离了沉积区与外界空气。沉积区302分为三部分，中间分别由惰性气体隔离开。悬浮支撑区、隔离区、沉积区三部分的气流通量与流速大小关系为F1>F2>F3，既保证高压隔离效率避免前驱体外渗，同时也充分提高前驱体利用率。

图5为模块气浮局部剖视图，体现气流悬浮的重要特点。惰性气体通入缓存区域401,经过节流小孔403后的高压气流与基底作用在喷头与基底间形成气膜间隙404而使喷头受力悬浮。前驱体由通道402进入沉积区405，两侧的惰性气体入口通道为保证整体气密隔离和喷头与基底间间隙。通过节流小孔调节的高压气流不仅能起到隔离喷头内与外界的扩散污染影响，同时亦可用于调节喷头与底面间悬浮层的作用。此悬浮式结构可大大减小喷头所需的功能性设计，保证了微型可扩展设计的可能。

沉积过程中，惰性气体通过侧面隔离气体进气口及惰性气体隔离进气口通入腔体承载架中，将腔内的空气排出，为实验提供无氧无水环境，此时非有机前驱体与惰性气体按一定的比例混合后经通道进入反应腔，金属前驱体与惰性气体按一定的比例混合后由通道通入反应腔。一层薄膜沉积之后，喷头可以来回运动来继续完成镀膜，薄膜的厚度由来回次数来保证，还可以将多个单元组合起来一起完成大面积镀膜过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微型开放式可扩展原子层沉积装置，包括原子层沉积单元喷头(101)，其特征在于，所述单元喷头包括高压气流入口(201)，惰性隔离气体入口通道(206)，出气口通道(203，205)，两种前驱体入口通道(202，204)，其中所述高压气流入口喷出高压气体以顶起整个沉积装置；其中，所述一种前驱体入口通道(202)为两个，位于一个另一种前驱体入口通道(204)的两侧，从而形成三个子沉积区F3；所述高压气流入口(201)由一组节流小孔组成，从而形成高压悬浮支撑区F1；所述三个沉积区F3各个区域中间分别由惰性隔离气体入口通道(206)喷出的惰性气体形成的隔离区F2隔离，所述悬浮支撑区、隔离区、沉积区三部分的气流通量与流速大小关系为F1>F2>F3。

2.根据权利要求1所述的沉积装置，其中，所述单元喷头(101)沿平面横向或纵向组合。

3.根据权利要求1或2所述的沉积装置，其中，所述单元喷头(101)的三个前驱体中，中间专用于通入含金属前驱体，两侧则通入另一种前驱体。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的沉积装置进行表面沉积的方法。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述单元喷头运动经过待沉积区域，第一个前驱体入口通道优先表面发生原子层沉积反应而发生第一个半反应，然后隔离气体进气口运动至该区域对表面进行吹洗去除多余未反应前驱体，之后另一种前驱体入口通道运动至该区域来完成另一半反应。