CN103628045B - 一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头及装置。用于制作原子层沉积膜的喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆卸密闭连接。用于制作原子层沉积膜的装置，包括所述喷头、腔体支撑架、基片承载台和运动平台，腔体支撑架中间形成长条状镂空，可顺序设置多个可拆卸喷头，基片承载台设置在墙体支撑架下方，运动平台带动基片承载台。本发明能适应不同的原子层沉积反应，通过气体隔离原子层沉积法，高效快速的制作原子层沉积膜。

Description

一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头及装置

技术领域

本发明属于原子沉积镀膜领域，更具体地，涉及一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头及装置。

背景技术

随着半导体集成电路的不断发展，芯片尺寸不断缩小、性能不断提升，迫切要求具有高精度、纳米级厚度等特性的薄膜。而传统的薄膜技术如化学气相沉积和物理气相沉积很难满足条件日益严苛的技术要求。原子层沉积技术具有薄膜厚度纳米可控，均匀性好等特点，广泛应用于微纳米电子器件，太阳能电池等领域。一种高效率空间隔离原子层沉积技术是两种前驱体沉积反应单独发生在两个反应腔中。而两个反应腔是通过惰性气体隔开。基底在一个反应腔中发生原子层沉积半反应之后，运动至另一反应腔中反应物与该腔内的前驱体发生另一半反应来完成一个循环。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。薄膜的厚度通过基底来回运动的次数或反应腔的数量来保证的。该工艺使用反应腔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。

现有的实现空间隔离原子层沉积方法的装置主要是将进气口、出气口及隔离管路加工在同一结构中，在沉积实验过程中位于该结构下方的基片来回运动(或直线运动)来完成沉积所需的循环。进气口、出气口的尺寸参数对于沉积实验中工艺调节有着重要的作用，必须根据不同的需要进行修改，现有的实现空间隔离原子层沉积方法的装置不能改变进气口、出气口的尺寸参数，对于不同种类的原子层沉积反应，需要制作不同的装置，较为昂贵且费时。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于制作原子层沉积膜的喷头及装置，其目的在于通过前驱体喷头和支撑架的可拆卸连接，根据反应条件灵活调整喷头之间的距离及喷头的尺寸，由此解决现有技术对于特定的反应需要整套特定的原子层沉积装置，生产周期长，产量受限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过渡气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

优选地，所述的喷头，其进气口与出气口之间有橡胶圈。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于制作原子层沉积膜的装置，包括所述的可拆卸喷头、腔体支撑架、基片承载台和运动平台；所述腔体支撑架，中间形成长条状镂空，其中顺序设置多个可拆卸喷头；所述基片承载台，用于承载基片，设置在装配有喷头的腔体支撑架下方；所述运动平台，用于提供水平往复运动和垂直移动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口，用于充入隔离气体维持原子层沉积反应环境。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其隔离气体进气口设置在腔体支架两端的侧面。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其可拆卸喷头可采用压片、螺钉、卡扣、基孔间隙配合方式固定在腔体支撑架上。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其基片承载台下方设置有温度控制装置，用于控制原子层沉积反应温度。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其温温度控制装置分温度段控制。

优选地，所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其运动平台在垂直方向上的移动精度达到100um级。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用了可拆卸喷头，灵活调整用于制作原子沉积膜的装置的各项参数，能够取得下列有益效果：

(1)所述可拆卸喷头的模块化，使得其出气口可制作成各种尺寸，因此能适应各种前驱体。

(2)同样是由于可拆卸喷头的模块化，相对于现有一体成型的技术，降低了加工难度，提高了合格率。

(3)所述用于制作原子层沉积膜的装置，由于可拆卸喷头和腔体支架之间能灵活组合，因此能适应不同的原子层沉积反应，可通过调整个喷头之间的距离和喷头长度控制前驱体用量。

(4)所述用于制作原子层沉积膜的装置，可排列多个制作单元，从而连续沉积不同类型的原子层沉积膜，相对于现有技术大大简化了沉积多种类型原子层沉积膜的操作难度。

(4)所述用于制作原子层沉积膜的装置，由于运动平台，可实现水平往复运动，因此能方便的制作多层沉积膜，同时可设置多个原子层沉积单元，方便地形成多种原子层沉积膜交替沉积。

(5)所述用于制作原子层沉积膜的装置，由于运动平台，可在垂直方向上移动，因此能调整原子层沉积反应，使喷头与基片之间始终处于最适距离。

(6)所述用于制作原子层沉积膜的装置，其腔体支撑架侧面通入隔离气体，实现与大气密封，为原子层沉积反应提供多层隔离保护。因此，此装置可以在常压下工作，极大的降低了原子层沉积工艺对真空度的要求。

优选方案，所述用于制作原子层沉积膜的装置，其基片承载台下方设置有温度控制装置，能控制原子层沉积反应的反应温度，并且能分区域控制，实现多种类型的原子层沉积膜一次成形时，每种原子层沉积反应都处在最适宜的反应温度下。

附图说明

图1是本发明提供的用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头结构示意图；

图2是本发明提供的用于制作原子层沉积膜的装置的结构示意图；

图3是实施例1的结构示意图；

图4是实施例2的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为进气管路，102为进气口，103为O型橡胶圈，104为出气口，201为可拆卸喷头，202为墙体支撑架，203为侧面隔离气体进气管路，204为基片承载台，205为温度控制装置，206为运动平台。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头,一般选择为不锈钢，不仅仅限于304或316L型号的钢型。所述可拆卸喷头，如图1所示，包括进气管路101、进气口102和出气口104。

所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形，方便气体从较细的进气管路中进气时更快的扩散至较大的结构腔中。所述出气口104内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其下半部分尺寸根据加工工艺要求设计。其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过渡气流。

所述进气管路与进气口固定连接，进气口103与出气口104可拆卸密闭连接，例如通过螺栓连接，其中间使用O型橡胶圈103来密封，用于密封。所述可拆卸喷头外壁设有凸台，用于固定。气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

可拆卸喷头不仅是提供前驱体和载气输送结构，而且与基片承载台构成原子层沉积反应腔室，进行化学反应，使得前驱体与外围大气环境的物理尺寸隔离。

本发明提供的一种用于制作原子层沉积膜的装置，如图2所示，包括所述的可拆卸喷头201、腔体支撑架202、基片承载台204和运动平台206。

所述腔体支撑架202，中间形成长条状镂空，其中顺序设置多个可拆卸喷头202，侧面设有隔离气体进气口203，用于充入隔离气体维持原子层沉积反应环境。所述可拆卸喷头可采用压片、螺钉、卡扣、基孔间隙配合方式固定在腔体支撑架上，其外壁设有凸台，凸台下表面配合接触在腔体支撑架卡槽中，可以完成直线往复运动，从而调节工艺过程中喷头之间的距离。所述基片承载台204，用于承载基片，设置在装配有喷头的腔体支撑架下方。所述基片承载台204，设置有温度控制装置205，用于控制原子层沉积反应温度，可分段控制反应温度。所述运动平台206，用于提供水平往复运动和垂直移动，与基片承载台204连接，带动基片承载台运动，所述运动平台206在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

沉积化合物时，根据前驱体的种类及数量，选择合适的可拆卸喷头及喷头数量，每种前驱体根据其特性选择一种可拆卸喷头，不同种类的前驱体喷头，根据前驱体的喷射时间顺序，沿运动平台的运动方向依次设置在腔体支撑架上，前驱体喷头之间设置有隔离气体喷头。腔体支撑架202和基片承载台204之间的距离，通过移动平台在垂直方向上的运动调整。

反应时，腔体支撑架202侧面通入的隔离气体，形成气体隔离，原子层沉积提供反应条件。腔体支撑架上可排列多组前驱体喷头，每组中的各个前驱体喷头交替通入不同的前驱体。基片承载台204上设置基片，随着移动平台在水平方向上的往复运动而相对于腔体支撑架202运动。温度控制装置205，控制反应温度，为原子层沉积反应提供能量。

基片随基片承载台204直线运动至第一前驱体喷头正下方，基片与第一前驱体发生原子层沉积反应。然后基片运动至隔离气体喷头正下方，隔离气体一方面隔离各前驱体，防治前驱体混合发生交叉污染，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余前驱体。基片接下来运动至第二前驱体喷头正下方，第二前驱体与基片表面发生原子层沉积反应。基片直线运动直至经过所有喷头，形成原子层沉积膜，完成一次循环。此后，基片承载台204回到初始位置，开始第二次原子层沉反应。原子层沉积膜的厚度由前驱体喷头的组数，或者基片往复运动的循环数确定。

以下为实施例：

实施例1

在硅片上，沉积Al₂O₃膜，前驱体A为三甲基铝，前驱体B为H₂0。

针对前驱体反应，按照本发明提供的可拆卸喷头,选择316L型号的不锈钢制作。所述可拆卸喷头包括进气管路、进气口和出气口。

进气管路为为1/4英寸的swagelok(世伟洛克)直管或弯管,进气口内部为横截面为上窄下宽的梯形的空腔，上宽6mm，下宽30mm，高12mm，梯形夹角45度。方便气体从较细的管路中进气时更快的扩散至较大的结构腔中，进气口内部空腔下端为矩形尺寸为30*10mm。所述出气口内部形成空腔，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其下半部分尺寸为20*10mm。其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过渡气流，漏斗型结构角度设置为45度。

所述进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口通过螺栓连接，其中间使用O型橡胶圈来密封，用于密封。喷头出气口部分外部结构尺寸均为长40mm宽30mm高40mm的柱状结构。所述可拆卸喷头外壁设有凸台，向外突出5mm，宽度与喷头宽度相同，厚5mm，用于固定。

气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒。

可拆卸喷头不仅是提供前驱体和载气输送结构，而且与基片承载台构成原子层沉积反应腔室，进行化学反应，使得前驱体与外围大气环境的物理尺寸隔离。

本发明提供的一种用于制作原子层沉积膜的装置，如图3所示，包括所述的可拆卸喷头201、腔体支撑架202、侧面隔离气体进气管路203、基片承载台204、温度控制装置205和运动平台206。

所述腔体支撑架202，中间形成长条状镂空，腔体支撑架内部空腔尺寸，40*250*35mm，腔体支撑架两端的侧面设有隔离气体进气口203，该侧面进气口直径为10mm，连接设置于腔体内部的隔离气体管，隔离气体管长度230mm，管壁上设有多处隔离气体出口，用于充入隔离气体维持原子层沉积反应环境。所述可拆卸喷头与腔体支撑架配合，采用压片方式固定在腔体支撑架上，外壁的凸台，凸台下表面配合接触在腔体支撑架卡槽中，可以完成直线往复运动，从而调节工艺过程中喷头之间的距离，顺序设置5个可拆卸喷头201，喷头之间间距10mm。所述基片承载台204，用于承载基片，设置在装配有喷头的腔体支撑架202下方。所述基片承载台，设置有温度控制装置205，用于控制原子层沉积反应温度，可分段控制反应温度。所述运动平台206，用于提供水平往复运动和垂直移动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动，所述运动平台在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

沉积Al₂O₃膜时，第1、第3、第5喷头通入氮气，第2喷头通入三甲基铝气体，第4喷头通入水蒸气。腔体支撑架侧面通入的氮气，形成气体隔离，为原子层沉积提供反应条件。基片承载台204上设置硅片作为基片，尺寸为20*10mm，与喷头201出气口内空腔下半部分尺寸相同。通过运动平台206调整基片承载台204与喷头的距离1mm。反应时，基片承载台204随着运动平台206在水平方向上的往复运动，形成与腔体支撑架202的相对运动。温度控制装置205，控制反应温度150摄氏度，为原子层沉积反应提供能量。

一个循环内，基片随基片承载台204直线运动：运动至第1喷头正下方，通入氮气，氮气清理物理吸附于基片表面的杂质；运动至第2喷头正下方，通入三甲基铝气体，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第3喷头正下方，通入氮气，氮气一方面隔离三甲基铝和水蒸气，防止前驱体混合发生交叉污染，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余三甲基铝气体；运动至第4喷头正下方，通入水蒸气，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第5喷头正下方，通入氮气，氮气清理物理吸附于基片表面的残余水蒸气。至此，基片随基片承载台204，直线运动直至经过所有喷头201，形成原子层沉积膜，完成一次循环。此后，基片随基片承载台204回到初始位置，开始第二次原子层沉反应。如此循环一次，原子层沉积膜的厚度增加1nm，最终原子层沉积膜厚度为单次循环厚度增加量与基片往复运动的循环数的积，根据需要确定基片承载台204往复运动循环数即可。

实施例2

在硅片上，交替沉积Al₂O₃膜和TiO₂膜，前驱体A为三甲基铝，前驱体B为H₂O，前驱体C为四氯化钛。

针对前驱体反应，按照本发明提供的可拆卸喷头,选择304型号的不锈钢制作。所述可拆卸喷头包括进气管路、进气口和出气口。

进气管路为1/4英寸的swagelok(世伟洛克)直管或弯管,进气口内部为横截面为上窄下宽的梯形的空腔，上宽6mm，下宽30mm，高12mm，梯形夹角45度。方便气体从较细的管路中进气时更快的扩散至较大的结构腔中，进气口内部空腔下端为矩形尺寸为30*10mm。所述出气口内部形成空腔，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其下半部分尺寸为30*20mm。其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过渡气流，漏斗型结构角度设置为45度。

所述进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口通过螺栓连接，其中间使用O型橡胶圈来密封，用于密封。喷头出气口部分外部结构尺寸均为长40mm宽30mm高40mm的柱状结构。所述可拆卸喷头外壁设有凸台，向外突出5mm，宽度与喷头宽度相同，厚5mm，用于固定。

气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒。

可拆卸喷头不仅是提供前驱体和载气输送结构，而且与基片承载台构成原子层沉积反应腔室，进行化学反应，使得前驱体与外围大气环境的物理尺寸隔离。

本发明提供的一种用于制作原子层沉积膜的装置，如图4所示，包括所述的可拆卸喷头201、腔体支撑架202、侧面隔离气体进气管路203、基片承载台204、温度控制装置205和运动平台206。

所述腔体支撑架202，中间形成长条状镂空，腔体支撑架内部空腔尺寸，40*400*35mm，腔体支撑架两端的侧面设有隔离气体进气口203，该侧面进气口直径为10mm，连接设置于腔体内部的隔离气体管，隔离气体管长度380mm，管壁上设有多处隔离气体出口，用于充入隔离气体维持原子层沉积反应环境。所述可拆卸喷头201与腔体支撑架202配合，采用螺钉固定在腔体支撑架202上，外壁的凸台，凸台下表面配合接触在腔体支撑架卡槽中，松开螺钉，可以完成直线往复运动，从而调节工艺过程中喷头之间的距离，顺序设置7个可拆卸喷头201，喷头之间间距10mm。所述基片承载台204，用于承载基片，设置在装配有喷头201的腔体支撑架202下方。所述基片承载台204，设置有温度控制装置205，用于控制原子层沉积反应温度，可分段控制反应温度，第1喷头到第4喷头相应的区域为第一温度控制段，第4喷头到第7喷头相应的区域为第二温度控制段。所述运动平台206，用于提供水平往复运动和垂直移动，与基片承载台204连接，带动基片承载台204运动，所述运动平台206在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

交替沉积Al2O3膜和TiO2膜是，第1、第3、第5、第7喷头通入氦气，第2喷头通入三甲基铝，第4喷头通入水蒸气，第6喷头通入四氯化钛气体。腔体支撑架侧面通入的氦气，形成气体隔离，为原子层沉积提供反应条件。基片承载台上设置硅片作为基片，尺寸为30*20，与喷头出气口内空腔下半部分尺寸相同。运动平台206调整基片承载台与喷头201的距离1mm。反应时，基片承载台随着运动平台在水平方向上的往复运动，形成与腔体支撑架202的相对运动。温度控制装置205，控制反应温度，第一温度控制段150摄氏度，第二温度控制段180摄氏度，为原子层沉积反应提供能量。

一个循环内，基片随基片承载台204直线往复运动：运动至第1喷头正下方，通入氦气，氦气清理物理吸附于基片表面的杂志；运动至第2喷头正下方通入三甲基铝气体，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第3喷头正下方，通入氦气，氦气一方面隔离三甲基铝和水蒸气，防止前驱体混合发生交叉污染，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余三甲基铝气体；运动至第4喷头正下方，通入水蒸气，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第5喷头正下方；通入氦气，氦气一方面隔离水蒸气和四氯化钛，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余水蒸气；运动至第6喷头正下方，通入四氯化钛气体，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第7喷头正下方，通入氦气，氦气一方面隔离四氯化钛和水蒸气，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余四氯化钛；此后，基片随着基片承载台204折返，运动至第6、第5喷头正下方的过程如上所述；运动至第4喷头正下方时，通入水蒸气，与基片表面发生原子层沉积半反应，至此，完成一次循环，沉积一层厚1nm的Al₂O₃膜和一层厚1nm的TiO₂膜。基片承载台204继续运动至第3、第2、第1喷头正下方，然后折返，如此循环，交替沉积Al₂O₃膜和TiO2膜，一次循环原子层沉积膜厚度增加2nm，最终原子层沉积膜厚度为单次循环增加量与基片往复运动的循环数的积，根据需要确定基片承载台往复运动循环数即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于制作原子层沉积膜的可拆卸喷头，其特征在于，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过渡气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

2.如权利要求1所述的喷头，其特征在于，进气口与出气口之间有橡胶圈。

3.一种用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的喷头、腔体支撑架、基片承载台和运动平台；所述腔体支撑架，中间形成长条状镂空，镂空内部顺序设置多个可拆卸喷头；所述基片承载台，用于承载基片，设置在装配有喷头的腔体支撑架下方；所述运动平台，用于提供水平往复运动和垂直移动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动。

4.如权利要求3所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，所述腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口，用于充入隔离气体维持原子层沉积反应环境。

5.如权利要求4所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，所述隔离气体进气口设置在腔体支架两端的侧面。

6.如权利要求3所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，所述可拆卸喷头可采用压片、螺钉、卡扣、基孔间隙配合方式固定在腔体支撑架上。

7.如权利要求3所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于， 所述基片承载台下方设置有温度控制装置，用于控制原子层沉积反应温度。

8.如权利要求7所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，所述温度控制装置分温度段控制。

9.如权利要求3所述的用于制作原子层沉积膜的装置，其特征在于，所述运动平台在垂直方向上的移动精度达到100μm级别。