CN103966572A

CN103966572A - 卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法

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Publication number: CN103966572A
Application number: CN201310046772.4A
Authority: CN
Inventors: 王东君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-06

Abstract

本发明公开了一种卷对卷式原子层沉积设备，包括：用于传动带状的待沉积样品的至少两个卷筒装置；用于向所述卷筒装置输出动力的动力装置，所述动力装置与所述卷筒装置联接；反应腔体，所述反应腔体的内部具有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口以及出气口。还公开了一种使用前述卷对卷式原子层沉积设备来沉积原子层的方法。本发明的卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法，能够在大气压下甚至大气环境中进行原子层沉积，并且能够连续生产，满足了大规模工业化生产的要求。

Description

卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种原子层沉积设备，尤其涉及一种卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法。

背景技术

单原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)，又称为原子层沉积或原子层外延(Atomic Layer Epitaxy)，最初是由芬兰科学家提出的并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al₂O₃绝缘膜的研制，这些材料均可用于平板显示器。由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低沉积速度，直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。直至20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，所使用的材料厚度降低至几个纳米数量级。因此，原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等优异性能显著，相对来说，沉积速度慢的问题就不重要了。

但是，现有的原子层沉积设备都还是在真空条件下反应，将反应物顺次通入反应器进行交替吸附反应。这个过程由于需要顺次通入反应物，而且为了排除反应物之间直接的化学气相反应，需要等待很长的时间从而将前一种反应物全部抽走，沉积速率很低，很难满足微电子以外的大规模工业化生产的要求。

传统的原子层沉积设备由于在真空环境反应，对于连续的卷筒装置系统在真空中的运转设计十分复杂、成本也很高。而且，由于是真空环境，每次装卸样品都涉及充气和抽真空的过程，费时费力。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法，能够在大气压下甚至大气环境中进行原子层沉积，并且能够连续生产，满足了大规模工业化生产的要求。

为达到上述目的，本发明提供一种卷对卷式原子层沉积设备，包括：

用于传动带状的待沉积样品的至少两个卷筒装置；

用于向所述卷筒装置输出动力的动力装置，所述动力装置与所述卷筒装置联接；

反应腔体，所述反应腔体的内部具有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口以及出气口。

优选地，所述反应腔体可以为多个。

优选地，多个所述反应腔体可以以独立分布的方式间隔设置。

优选地，该设备还可以包括用于加热所述待沉积样品的加热装置。

优选地，该设备还可以包括用于去除反应生成的副产物的抽气装置、以及用于回收剩余反应物的回收装置。

本发明还提供了一种卷对卷式原子层沉积设备，该设备包括反应腔体，所述反应腔体的内部设置有用于传动带状的待沉积样品的至少两个卷筒装置、以及与所述卷筒装置联接的用于向所述卷筒装置输出动力的动力装置，所述反应腔体的内部还设置有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口以及出气口。

优选地，该设备还可以包括设置于提供空气的气道前的用于过滤空气的过滤装置。

本发明还提供了一种根据前述的卷对卷式原子层沉积设备的原子层沉积方法。

优选地，该方法利用空气中的水分子与反应物反应，在待沉积样品上形成氧化物薄膜。

与现有技术相比，本发明的卷对卷式原子层沉积设备及其使用方法，其设备结构简单，便于使用和维护；其次，在使用时，并不涉及真空系统，制造成本低；并且，能够连续生产，生产速率高；最后，反应源可以回收利用，提高反应物的利用率，尾气更洁净，减少了污染。

附图说明

图1为本发明的卷对卷式原子层沉积设备的使用方法的实施例一的示意图；

图2为本发明的卷对卷式原子层沉积设备的使用方法的实施例二的示意图；

图3为本发明的卷对卷式原子层沉积设备的使用方法的实施例三的示意图。

附图标记说明

10卷筒装置 20反应腔体

21气道 22通道

23进气口 24出气口

30待沉积样品 40抽气装置

41回收装置 50过滤装置

A反应物 B反应物

C惰性气体 D空气

具体实施方式

有关本发明技术内容及详细说明，现配合附图说明如下：

本发明公开了一种卷对卷式原子层沉积设备，包括：

至少两个卷筒装置，所述卷筒装置用于传动带状的待沉积样品；

动力装置，与所述卷筒装置联接，用于向所述卷筒装置输出动力；

反应腔体，所述反应腔体的内部具有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口及出气口。

其中，带状的待沉积样品在其中一个卷筒装置上卷好，并将尾端卷至另一卷筒装置上，则，动力装置驱动后者旋转，则带状的待沉积样品从前一个卷筒装置向另一卷筒装置移动，直至完全卷在另一卷筒装置上。

其中，所述反应腔体可以为多个。用于沉积不同的氧化物沉积层即氧化物薄膜，或者，多次沉积氧化物薄膜，以提高沉积效率。

进一步地，多个所述反应腔体可以独立分布的方式间隔设置。此时，多个独立的反应腔体可以沉积不同的反应物，可以通过设置反应腔体的不同数量，而获得反应物的不同沉积厚度。

每个独立反应腔体在沉积一种反应物的时候，其包括3个进气口，3个进气口分别向反应腔体提供压力大于等于大气压的惰性气体、反应物(如反应物A)以及惰性气体；即，该卷对卷式原子层沉积设备在使用时，反应腔体内以及反应腔体外(通道的两端部外侧与外界大气环境连通)共包括有：空气、惰性气体、反应物A、惰性气体及空气。具体地，空气主要是利用其包含的水H₂O，在待沉积样品的表面形成水分子层，用于在沉积反应时提供氧原子；惰性气体的压力大于等于大气压可以防止大气流入反应腔体，惰性气体用于去除多余的水等不需要的残余气体；反应物A用于与水进行反应生成氧化物薄膜，并且再吸附一层反应物分子层，用于下一次与水进行反应；之后的惰性气体用于去除多余的反应物等不需要的残余气体；最后，空气中的水与反应物A继续反应，生成另一层氧化物薄膜。此时，出气口的数量为1个，用于反应物A的回收。

换言之，每个独立反应腔体发生的反应过程包括以下五个步骤：1)带状的待沉积样品随着卷筒装置的转动朝前运动，在进入通道前，先吸附大气中的水分子，进而在待沉积样品的表面形成一层水分子层；2)进入通道后，先经过输送惰性气体的进气口，惰性气体会将待沉积样品表面多余的水分等不需要的残余气体吹走；3)而后经过输送反应物A的进气口，反应物A与待沉积样品表面的水分子反应，生成一层氧化物薄膜并吸附一层反应物A分子层；4)最后经过输送惰性气体的进气口，惰性气体会将待沉积样品表面多余的反应物等不需要的残余气体吹走；5)离开通道后，待沉积样品进入大气环境，其表面的反应物A与空气中的水分子反应，生成另一层氧化物薄膜。

在上述反应过程中，待沉积样品在每次通过反应腔体后会发生两次原子层沉积反应，生成两层氧化物薄膜。也就是说当带状的待沉积样品从一个卷筒装置完全卷到另一个卷筒装置上时，整个带状的待沉积样品的表面都生成两层的氧化物薄膜。如果需要沉积更厚的薄膜，只要将带状的待沉积样品从后一卷筒装置再卷回原来的卷筒装置，这样来回运转就可以制备更厚的薄膜。

此外，每个独立反应腔体在沉积两种反应物的时候，其包括7个进气口，分别向反应腔体提供惰性气体、反应物A、惰性气体、空气(主要是水)、惰性气体、另一反应物(如反应物B)以及惰性气体。其功能以及反应过程可以据上述描述获知，在此不再赘述。综上可知，惰性气体、反应物A以及惰性气体是作为沉积一种反应物的最小单位，当沉积多种反应物时，需要在前述最小单位之间加设空气。以此类推，可以得出沉积多种反应物时的进气口数量。此时，出气口的数量为2个，用于反应物A及反应物B的回收。

此外，如果需要沉积非氧化物薄膜可以将大气环境改成所需的气体环境。

其中，所述卷筒式原子层沉积设备还包括加热装置，用于加热所述待沉积样品以提供原子层沉积反应所需的能量。其加热方式可以采用辐射、热传递、直接给导电的带状的待沉积样品通电流等多种方式实现。

其中，所述卷对卷式原子层沉积设备还包括抽气装置，用于去除反应生成的副产物。

其中，所述卷对卷式原子层沉积设备还包括回收装置，用于回收剩余的反应物，实现资源再利用，节省生产成本。

上述方式中，卷筒装置通常安装在外界大气环境中，可以在使用过程中实现快速拆换。如果待沉积样品对空气敏感，则可以将卷筒装置系统安装在惰性气体区域。

进一步地，多个所述反应腔体可以一体的方式与所述卷筒装置整体设置，则本发明还公开了一种卷对卷式原子层沉积设备，包括反应腔体，所述反应腔体的内部设置有至少两个卷筒装置、以及与所述卷筒装置联接的动力装置；其中，所述卷筒装置用于传动带状的待沉积样品，所述动力装置用于向所述卷筒装置输出动力；所述反应腔体的内部还设置有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口及出气口。该设备中，卷筒装置通常安装在反应腔体内。

其反应过程可以据上述描述获知，在此不再赘述。而进气口的数量与上述不同，由于反应腔体与所述卷筒装置整体设置，无法利用外界大气环境中的水，因此，需要增加两个提供空气的进气口；即在沉积一种反应物的时候，其包括5个进气口；在沉积两种反应物的时候，其包括9个进气口。即空气、惰性气体、反应物、惰性气体以及空气是作为沉积一种反应物的最小单位，当沉积多种反应物时，相邻两个最小单位之间公用一个气道的空气。以此类推，可以得出沉积多种反应物时的进气口数量。其中，如果沉积非氧化物薄膜时，提供空气的进气口可以为变更为提供所需气体。此时，出气口为5个，其与空气以及反应物的气道相对应。

其中，所述卷对卷式原子层沉积设备还包括过滤装置，设置于提供空气的气道前，用于过滤空气中的灰尘和不需要的杂质。

所述卷对卷式原子层沉积设备也包括上述加热装置、抽气装置及回收装置。抽气装置及回收装置设置于输送反应物的出气口上。

此外，上述两种设备中的动力装置、加热装置、抽气装置、回收装置等均为市售成熟产品，其结构及功能等不再赘述；此外，滚轮、张力传感器、减速器、联轴器等等均可并入动力装置或卷筒装置的范围。而惰性气体可为氮气、氩气等；反应物可为三甲基铝(制备氧化铝)、二乙基锌(制备氧化锌)等；待沉积样品材料为柔性材料，如有机薄膜、编织物、金属薄带等。

对于不能制成带状的片状或小尺寸材料，可以将其粘附在带状的待沉积样品上进行沉积。单侧沉积完毕后，将其翻转，对其另一面进行原子层沉积。

以下通过具体实施例，进一步说明本发明。

实施例一

如图1所示，本实施例的卷对卷式原子层沉积设备包括：两个卷筒装置10、动力装置(未示出)、反应腔体20，其中，反应腔体20的内部具有3个气道21以及通道22，反应腔体20上具有3个进气口23及出气口24。

上述设备在使用时，待沉积样品30穿过通道22并在两个卷筒装置10之间移动，3个气道21与3个进气口23相对应，分别提供惰性气体、反应物以及惰性气体，用于沉积一种氧化物薄膜。

实施例二

如图2所示，本实施例的卷对卷式原子层沉积设备包括：三个卷筒装置10、动力装置(未示出)、反应腔体20；单个反应腔体20的结构与实施力一相同，而反应腔体20的数量为6个。6个反应腔体20可以沉积同一种氧化物薄膜，也可以沉积不同的氧化物薄膜。

当需要沉积不同种类不同厚度的多层氧化物薄膜时，例如在带状的待沉积样品上沉积由反应物A、反应物B、反应物C制备的氧化物薄膜为3∶2∶1，则设定3个提供反应物A的反应腔体20，2个提供反应物B的反应腔体20，1个提供反应物C的反应腔体20即可实现。

实施例三

如图3所示，本实施例的卷对卷式原子层沉积设备包括反应腔体20，反应腔体20的内部设置有5个卷筒装置10以及动力装置(未示出)，反应腔体20的内部还设置有9个气道21以及通道22，反应腔体20上具有9个进气口23及5个出气口24，2个出气口24分别连接有抽气装置40和回收装置41，此外，提供空气的气道前还设置有过滤装置50。

上述设备在使用时，可以通过管线或者可直接向9个进气口23分别提供空气D、惰性气体C、反应物A、惰性气体C、空气D、惰性气体C、反应物B、惰性气体C以及空气D，用于沉积多层的两种氧化物薄膜。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，均为本发明专利范围所涵盖。

Claims

1.一种卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，包括：

用于传动带状的待沉积样品的至少两个卷筒装置；

2.如权利要求1所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，所述反应腔体为多个。

3.如权利要求2所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，多个所述反应腔体以独立分布的方式间隔设置。

4.如权利要求1至3任一项所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括用于加热所述待沉积样品的加热装置。

5.如权利要求1至3任一项所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括用于去除反应生成的副产物的抽气装置、以及用于回收剩余反应物的回收装置。

6.一种卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备包括反应腔体，所述反应腔体的内部设置有用于传动带状的待沉积样品的至少两个卷筒装置、以及与所述卷筒装置联接的用于向所述卷筒装置输出动力的动力装置，所述反应腔体的内部还设置有多个气道、以及与所述气道的方向相交的用于所述待沉积样品穿过的通道，所述反应腔体上具有与多个所述气道相对应的多个进气口以及出气口。

7.如权利要求6所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括用于加热所述待沉积样品的加热装置。

8.如权利要求6所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括用于去除反应生成的副产物的抽气装置、以及用于回收剩余反应物的回收装置。

9.如权利要求6至8任一项所述的卷对卷式原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括设置于提供空气的气道前的用于过滤空气的过滤装置。

10.一种根据上述权利要求1至9任一项所述的卷对卷式原子层沉积设备的原子层沉积方法。

11.如权利要求10所述原子层沉积方法，其特征在于，该方法利用空气中的水分子与反应物反应，在待沉积样品上形成氧化物薄膜。