CN104630738A - 一种在高温、真空下连续生长薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在衬底上进行沉积或喷镀等方法进行薄膜制备的领域以及类似装置。本发明提供了一种在高温、真空下连续生长薄膜的方法，解决了单腔体生长薄膜时遇到的抽放气时间长、升降温速度慢等延长生长周期的问题。每当有一批薄膜从三腔式流水线的终端流出时，就有一批衬底从流水线的始端流入进行薄膜生长，因此避免了重复抽放气、升降温的时间损耗和能耗。此外，本发明使用的不锈钢腔体易于扩大尺寸，可以容纳大尺寸的、多层的衬底，从而极大地提高了单批次生长的薄膜的产量。

Description

一种在高温、真空下连续生长薄膜的方法

技术领域：

本发明涉及薄膜生长或薄膜制备领域，更确切地说涉及在衬底上进行沉积或喷镀等方法批量进行薄膜制备的领域以及类似装置。

背景技术：

薄膜材料及相关薄膜器件兴起于20世纪60年代，是新理论、高技术高度结晶的产物。随着现代科学和技术的快速发展，许多领域都需要使用大量功能各异的无机新材料或薄膜材料，如石墨烯、六角氮化硼以及聚合物薄膜等。薄膜材料与元器件结合，已成为电子、信息、传感器、光学、太阳能等技术的核心基础。一般来讲，薄膜材料的制备方法不外乎物理成膜法和化学成膜法两种。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)技术：在真空条件下，采用物理方法，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基底表面沉积具有某种特殊功能的薄膜。PVD的主要方法有真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜及分子束外延等。发展到目前，PVD技术不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)技术：是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基底表面，进而制得固体薄膜材料的工艺技术，本质上属于原子范畴的气态传质过程。典型的CVD制程是将基底暴露在一种或多种不同的反应物下，在基底表面发生化学反应来沉积薄膜。反应过程中通常会伴随产生副产品，但大多会随着气流被带走，而不会留在生长腔中。CVD技术是一种用来产生高纯度、高性能固态材料的化学技术，多用于半导体产业。微制程大都使用CVD技术来沉积不同形式的材料，包括单晶、多晶、非晶及磊晶材料，这些材料主要有硅、碳纤维、碳纳米纤维、纳米线、纳米碳管、SiO2、硅锗、钨、硅碳、氮化硅、氮氧化硅及各种不同的high-k介质等材料。

目前来讲，无论PVD还是CVD，工艺中都存在以下三个缺陷：

①  单张薄膜的生长尺寸较小。工业中普遍使用的PVD或CVD的设备所生长的薄膜尺寸较小（最大约40cm），并不能够满足市场对大尺寸薄膜的需求；

②  单批生长的薄膜的张数较少，无法进行批量生产；

③  薄膜生长周期太长。薄膜的生长往往需要在高温真空的环境下进行，整个生长周期需要经历抽气→升温→前处理→生长→降温→充气的过程，特别是抽真空和降温的时间较长，是整个生长过程的“速控步”。

总之，薄膜生长工艺中存在的以上三个缺陷都是制约薄膜生长效率的因素。如何克服这三个缺陷，是实现大规模薄膜生产、提高薄膜销售利润所亟需考虑的问题。

发明内容：

针对以上提到的问题，提出本发明。

本发明提供了一种在高温、真空下连续生长薄膜的方法，通过设计预备区、生长区及降温区三大腔室，省去升温、降温以及抽气、充气的过程，有效缩短薄膜生长周期，大幅提升了薄膜的生长效率。

本发明解决问题的方法采用如下方案：

1、该方法的实现依赖于一种含有三个连续的真空腔体的结构，三个真空腔体首尾相连，并通过插板阀相互隔开。通过插板阀的开合，可以保证每个腔体和相邻的腔体任意隔绝或联通；

2、三个腔体都分别配有真空泵和放气阀，通过插板阀的控制，每个腔体可单独达到特定真空度。真空泵可使腔体内的真空度达到薄膜生长的要求，放气阀可使腔体恢复气压。处于中间的腔体是薄膜实际生长所在的腔体，其内部含有一个四面密闭、两面贯通的加热构件，可在一定空间内构造相对稳定的高温环境（即恒温区）。在薄膜的连续生长过程中，该腔体持续保持高温和真空的状态；

3、薄膜生长过程发生在处于高温高真空条件下的衬底表面。本发明采用的承载衬底的平台是一种类似于多层货架的结构，每一层都是耐高温材料制作的平台，用来放置薄膜生长所用的衬底。每层货架平台的面积越大，可以放置的衬底的面积就越大，可生长的单张薄膜的面积也越大；如果增加货架平台的层数，可以放置的衬底层数增多，从而提高了单次生长的薄膜数量。因此，通过这种搭载衬底的货架结构，可以解决单批次生长薄膜数量少的缺陷。此外，货架底端安装有滑轮，可以使货架很方便地从一个腔体滑动到任意腔体。

本发明的主要特点在于：

1.  方案2中所述的加热构件可以为：电阻加热源、电子束轰击源等任何将衬底加热至薄膜生长所需温度的加热构件。

2.  方案3中所述的衬底可以但不仅限于：铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)。

附图说明

图1.三个连续的真空腔及承载有衬底的货架的示意图： 19）为两个相同的承载有衬底的货架，底部带有滑轮；（10）为滑轨。生长腔（8）和预备腔（5）通过插板阀（2）隔开，生长腔（8）和降温腔（9）通过插板阀（3）隔开；预备腔（5）和外界大气通过插板阀（1）隔开，降温腔（9）和外界大气通过插板阀（4）隔开。

具体实施方式：

下面将结合附图1对本发明的连续生长薄膜的流程作进一步的详细描述。

实施例：在高温、真空下连续生长石墨烯薄膜：

1.关闭插板阀（2）、（3）、（4），将生长腔（8）和降温腔（9）抽至所需真空度，加热构件（6）将其所围的空间加热至薄膜生长所需的高温（1000摄氏度）；

2. 打开插板阀（1），将承载有多层Cu衬底的货架（7）通过滑轨（10）推入预备腔（5）中，闭合插板阀（1），抽真空至和生长腔（8）真空度相当时，打开插板阀（2），将货架（7）推入高温区，反应气体（甲烷+氢气）通过微漏阀（18）进入生长腔（8）。在薄膜生长过程中，可同时将预备腔（5）充气至大气压，然后再将第二批次承载有衬底的货架（19）推入预备腔（5），然后将预备腔（5）抽气至真空状态，待命；

3. 待生长过程结束后，打开插板阀（3）， 迅速将货架（7）推入降温腔（9）中快速降温，之后立即关闭插板阀（3）。打开插板阀（2），将下一批次的货架（19）推入生长腔（8）中。同时，如前操作，再将第三个同样承载有衬底的货架推入预备腔（5），待命；

4. 待降温腔（9）中的货架（7）降温结束后，打开放气阀（13）对生长腔（9）充气至大气压强。随后打开插板阀（4），取出货架（7），之后立即关闭插板阀（4），并将降温腔（9）重新抽气至所需真空度。等降温腔（9）回复真空后，生长腔（8）中第二批次货架（19）的生长过程也已结束，可打开插板阀（3）将其直接送入降温腔（9）；

5. 于此同时，预备腔（5）中待命的第三个货架又可以直接进入生长腔（8）进行反应，同时又有新的第四个货架进入预备腔（5）待命。

整体看来，薄膜产品从流水线终端取出的同时，就有承载有衬底的货架从流水线的始端进入，开始参与薄膜生长。通过这三个腔体，就可以实现流水线型的、连续的、一直不间断的薄膜生长。

此发明的关键之处在于，通过三个腔体分别承担预备、反应、降温的功能，从而避免了把预备、反应、降温的功能都集中在单一的腔体内，完全取消了充放气、升降压、升降温等过程对薄膜生长周期的大比例占用，这种流水线似的生长方法实现了薄膜生长效率的飞跃式提高。

Claims (6)

1.一种在高温、真空下连续生长薄膜的方法，其特点在于：通过构造连续真空腔体来分别承担预备、生长、降温的功能，避免了重复的升降压和升降温过程，大大缩短了薄膜生长周期；通过设计多层承载衬底的货架，提高了单批次的产量，克服了薄膜生长工艺中普遍存在的缺陷。

2.权利要求1中所述的加热构件可以为： 电阻加热源、电子束轰击源等任何将衬底加热至薄膜生长所需要温度的加热构件。

3.根据权利要求1中所述的衬底，其特性在于：可以但不仅限于：铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铬(Cr)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、钌(Rh)、钽(Ta)、钛(Ti)、铑（Rh）、钨(W)、硅（Si）、碳化硅（SiC）中的一种或任意两种以上的组合。

4.权利要求1中所述的承载衬底的货架平台可以为任意硬质耐高温的材料，例如钼(Mo)、热解石墨、铁铬铝等。

5.权利要求1中所述的薄膜可以为任意薄膜材料，例如石墨烯、六角氮化硼、聚合物膜等。

6.权利要求1中所述的腔体可以但不仅限于三个，事实上，如果为了提高降温速度，可以设计多个降温腔逐级降温；同理，预备腔也可以有多个，从而可以在诸多预备腔中对衬底进行不同的预处理，以提高衬底的质量，从而有利于生长高质量的薄膜材料。