CN107099784A - 一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头及装置。模块化喷头包括：前驱体通道组件、密封组件；前驱体通道组件包括板状基体、前驱体通道、气体管路；前驱体通道布置于板状基体正面，自上而下延伸，前驱体通道的顶端连通气体管路；密封组件设于板状基体正面，用于对前驱体通道进行密封，防止前驱体泄露。本发明的模块化喷头，由多个部件构成整体模块，并且通过前躯体通道对喷入的气体进行分流和缓冲，实现沉积均匀，且可以根据实际需求选取任意数量进行组合。本发明的装置包括多个模块化喷头，以一定的间隔排列，分别通入氧化物前驱体源和金属前驱体源，使得基底在前驱体单元下运动一个来回沉积多层薄膜，大大提高了薄膜沉积效率。

Description

一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头及装置

技术领域

本发明属于原子沉积薄膜制备领域，更具体地，涉及一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头及装置。

背景技术

柔性电子以其独特的柔性、延展性、低成本的制造工艺，在信息、能源、医疗、柔性显示等领域具有广泛的应用前景。柔性电子的制造过程包括：材料制备—薄膜沉积—图案化—封装—功能集成，其中薄膜层的性能直接决定了柔性电子器件的电学、力学以及密封性能。相较于化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等传统的薄膜制备技术，原子层沉积技术(ALD)具有台阶覆盖率高、适应于大表面沉积、厚度纳米级可控的特点，优势明显。但其不足之处在于，传统的时间隔离原子层沉积薄膜制备效率较低，无法满足大规模、低成本生产的需求。空间隔离原子层沉积技术依靠惰性气体实现对不同前驱体的隔离，通过基底在下方的往复运动来实现薄膜的连续生长，使得薄膜制备效率大大提升。此外，薄膜的生长呈现出较强的线性性，通过控制循环次数可以实现对薄膜厚度的控制。该技术在太阳能电池、柔性电子、光伏等领域具有广阔的前景。

目前，空间隔离原子层沉积技术面临的一个关键问题在于如何在基底快速运动时保障沉积薄膜的均匀一致性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，现提供了一种用于空间隔离原子层沉积的喷头及装置。其目的在于通过前躯体通道对喷入的气体进行分流和缓冲，由此解决空间隔离原子层系统在基底高速运动时薄膜生长不均匀、前驱体易发生交叉污染的问题，实现了高效快速大面积的均匀薄膜沉积。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，包括：前驱体通道组件、密封组件；前驱体通道组件包括板状基体、前驱体通道、气体管路；前驱体通道布置于板状基体正面，自上而下延伸，前驱体通道的顶端连通气体管路；密封组件设于板状基体正面，用于对前驱体通道进行密封，防止前驱体泄露。

进一步地，前驱体通道包括多层分流通道、前驱体扩散层；多层分流通道自上而下布置，且分流通道的数量逐层增加，以将气体管路输入的一路气体均匀分流为多路气体；前驱体扩散层设于最下层的分流通道下方，将最下层的分流通道连通，以使前驱体在到达反应基底前充分扩散。

进一步地，第n层有2ⁿ个分流通道，每个分流通道在下层分流为两路，最后一层的分流通道通过前驱体扩散层连通。

进一步地，前驱体通道包括四层分流通道和一层前驱体扩散层；

第一层至第四层分流通道自上而下布置，其中，第一层分流通道的进气口通过对称设置的斜面将前驱体均匀地分为两路；第四层分流通道采用锥形截面的进出气口，以产生气体压降的变化，有利于气体的扩散；前驱体扩散层设于第四层分流通道下方，将第四层分流通道连通，以使前驱体在到达反应基底前充分扩散。

进一步地，密封组件包括密封板、密封圈沟槽、密封组件加热区、密封圈；

密封板正面朝向板状基体正面安装于板状基体上；密封圈沟槽设于密封板正面，密封圈安装于密封圈沟槽中，用于将密封板和板状基体密封，防止前驱体泄露；密封组件加热区设置于密封板背面对应前驱体通道的位置；

前驱体通道组件包括前驱体通道加热区，其设于板状基体背面对应前驱体通道的位置；密封组件加热区和前驱体通道加热区均用于对前驱体通道进行加热。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于空间隔离原子层沉积的装置，包括上述任意一段所述的模块化喷头。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于空间隔离原子层沉积的装置，包括：箱体、测距传感器、排气组件，以及多个如上任意一段所述的模块化喷头；箱体中部设有贯通上下表面的腔体；模块化喷头沿反应基体前进方向排列，安装于腔体中，且前驱体扩散层朝下设置；测距传感器安装于箱体上，用于测量箱体与反应基底之间的距离；排气组件密封安装于箱体上部，其具有朝下开口的气体容腔，罩在模块化喷头上方，用于在沉积反应时充入惰性气体，提供惰性环境。

进一步地，腔体具有两个位于反应基底前进方向两侧的侧壁，两个侧壁上均设有距离调节槽；距离调节槽沿反应基底前进方向设置，且贯通所在侧壁；

每个模块化喷头两侧均设有调节杆，调节杆设置于两侧对应的距离调节槽中。

进一步地，排气组件包括箱盖，第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口、负压接口、第二惰性气体接口；

气体容腔设置于箱盖中；第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口、第二惰性气体接口、负压接口均设于箱盖上，且连通气体容腔；其中，

第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口分别连接对应的模块化喷头，用于向各模块化喷头提供惰性气体、氧化物前驱体，金属源前驱体；

第二惰性气体接口用于向气体容腔内通入惰性气体，形成惰性环境；

负压接口用于抽取反应产生的残余气体和多余副产物。

进一步地，模块化喷头数量为七个，沿反应基体前进方向分别通入惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体、金属源前驱体、惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的模块化喷头，由多个部件构成整体模块，并且通过前躯体通道对喷入的气体进行分流和缓冲，实现沉积均匀，且可以根据实际需求选取任意数量进行组合。

(2)前驱体通道通过多层分流通道将通入的前驱体逐级分流，可以根据待沉积基底的尺寸，复制多个相同的通道结构，适应基底尺寸的需求，实现大面积基底的薄膜沉积。

(3)前驱体通道采用四级分流通道，使气体由单通道均匀的分成十六通道；四级分流通道的最后一级分流通道采用锥形截面，使前驱体流经该截面时产生压力变化，更加有利于前驱体均匀扩散，实现薄膜的均匀沉积。

(4)由于薄膜沉积是在常压下反应，喷头易堵塞，本发明的模块化喷头是由通道结构和密封结构通过机械方式组装连接，便于拆卸清洗。并且由于是模块化喷头，任意喷头均可以单独更换清洗，不影响装置正常使用。

(5)前驱体单元采用七个模块化喷头以一定的间隔排列组成，包含两个氧化物前驱体源和一个金属前驱体源，使得基底在前驱体单元下运动一个来回沉积两层薄膜，大大提高了薄膜沉积效率。

(6)通过箱体上的距离调节槽和调节杆配合，可以根据沉积工艺要求自由调节每个喷头之间的间隔，防止前驱体的交叉污染，实现薄膜的均匀沉积。

(7)采用测距传感器，可以实时测量反应基底在进入前驱体单元和离开前驱体单元时二者之间的距离，从而可以控制二者之间的距离在工艺允许的范围内。

(8)本发明的排气组件，可以形成惰性保护氛围，并实时抽走薄膜沉积过程中的残余气体和反应副产物，保证了良好的薄膜沉积环境。

附图说明

图1是模块化喷头整体结构图；

图2(a)是模块化喷头的前驱体通道组件的立体结构示意图；

图2(b)是图2(a)的仰视图；

图2(c)是图2(a)中前驱体通道的分层结构示意图；

图3(a)是模块化喷头的密封组件的立体结构示意图；

图3(b)是图3(a)的仰视图；

图4是反应装置的整体示意图；

图5是前驱体单元的结构示意图；

图6(a)是箱体的立体结构示意图；

图6(b)是图6(a)的主视图；

图7(a)是排气组件的立体结构示意图；

图7(b)是图7(a)的俯视图。

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。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。

本发明的基本构思及原理如下：

按照本发明的一个方面，提供了一种用于实现均匀提供前驱体制作原子层沉积薄膜的模块化喷头，包括前驱体通道组件、密封组件和加热组件。其中前驱体通道组件分为前驱体进气区、前驱体分流区、前驱体扩散区、加热区四个区域；前驱体进气区为圆柱形空腔，通过焊接与外部的气体管路连接；前驱体分流区通过逐层分流将一路前驱体分为多路前驱体，实现前驱体的均匀分散，最后一层分流通道的进气端和出气端都采用锥形结构，有利于前驱体的扩散；前驱体扩散区为一横截面为等腰梯形的楔形空腔，用于从最后一层分流层流出的前驱体均匀的扩散到反应基底上。加热区设置在前驱体通道区的背面，用于对前驱体进行均匀加热；密封组件上开有安装密封圈的标准沟槽，通过密封圈用于对前驱体通道组件的密封；加热组件为加热片，固定在前驱体通道组件和密封组件上，用于对流经前驱体通道的前驱体进行均匀加热。

按照本发明的另一方面，提供了一种空间隔离原子层沉积的反应装置，用于高效快速的沉积均匀薄膜，包括前驱体单元、箱体、测距系统、排气组件；前驱体单元由七个上述提出的模块化喷头组成一个空间隔离原子层沉积前驱体单元；箱体，用于固定喷头组成反应单元，同时调节前驱体单元中每个模块化喷头之间的距离；测距系统，用于实时测量前驱体单元与反应基底之间的距离，该系统设置在喷头箱体上；排气组件，设置在喷头箱体上方，用于提供惰性气体环境和抽走反应的残余前驱体、反应副产物。

下面，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明：

本发明提供的一种用于空间隔离原子层沉积的喷头及装置，如图1所示，模块化喷头1包括：前驱体通道组件11、密封组件12、加热组件13。密封组件12和前驱体通道组件11之间通过密封圈进行密封；加热组件13通过沉头螺钉固定在密封组件12背面的密封组件加热区和前驱体通道组件11背面的前驱体通道加热区，对流经内部前驱体通道的前驱体进行均匀加热。

图2(a)～2(c)所示的是前驱体通道组件11的结构示意图，其主要包括气体管路111、前驱体通道112、前驱体通道加热区113。如图2(c)所示为前驱体通道112的分层结构示意图及前驱体的流向示意图，有A、B、C、D四层分流通道，E为前驱体扩散层。第一层分流通道A通过对称的斜面通道将前驱体均匀的分为两路，其斜面通道是为了更好的实现气体在速度方向上的改变；第二层分流通道B和第三层分流通道C具有保证在每层出口处前驱体速度的方向和大小一致的最小高度，使得气体分布最均匀的同时尽量减小整个喷头的尺寸；第四层分流通道D采用锥形截面的进出气口，产生气体压降的变化，更加有利于气体的扩散；前驱体扩散层E保证一定的高度，使得前驱体在到达反应基底前在垂直方向上进行充分扩散，保证到达反应基底的前驱体分布是均匀的。图3(a)、3(b)为密封组件12的结构示意图，其主要包括密封层121、密封圈沟槽122、密封组件加热区123，密封圈沟槽122是根据选择的密封圈型号按照标准进行设计加工。

图4所示的是反应装置的整体示意图，包括模块化喷头1、支撑组件2。支撑组件2包括箱体21、传感器支座22、测距传感器23、调节杆24、排气组件密封圈25。七个模块化喷头1组成了一个前驱体单元，依次是惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体、金属源前驱体、惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体，基底在前驱体单元下运动一个来回沉积两层薄膜。在箱体的左右两侧各装有3个测距传感器23组成了测距系统，在线实时测量反应基底在进出前驱体单元时二者之间的距离，从而可以控制二者之间的距离在工艺允许的范围内。图5所示的是前驱体单元的结构示意图，各个模块化喷头1之间的距离D对于薄膜沉积有着重要的影响。本实施例的调节杆24为螺栓，通过移动调节杆24带动模块化喷头1移动，进行距离D的调节满足不同的沉积工艺需求。

图6(a)、6(b)所示的是箱体21的整体结构示意图，包括喷头支撑座211、排气支撑座212、密封圈沟槽213、距离调节槽214，调节杆24在距离调节槽214内移动实现每个模块化喷头1之间的距离D的调节。

图7(a)、7(b)为排气组件3的整体结构示意图，包括箱盖31、气体管路快速接头32、法兰接头33、减压阀34、宝塔形接头35。箱盖31材料为玻璃，便于观察内部情况。玻璃箱盖31通过密封圈31、螺栓固定在箱体的排气支撑座上。如图所示，在玻璃箱盖31上共有三个气体管路快速接头32，分别为第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口，用于对应通入惰性气体、氧化物前驱体、金属源前驱体，通过转接头和软气管与各自对应的模块化喷头1连接，为前驱体单元供气。宝塔形接头35即第二惰性气体接口，与惰性气体源连接，并通过减压阀34向玻璃箱盖31内通入惰性气体，为前驱体单元提供惰性环境。同时，在法兰接头33(即负压接口)处提供一负压抽走反应产生的残余气体和多余副产物，保证良好的沉积环境。

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 (10)

1.一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，用于对反应基底进行前驱体沉积，其特征在于，包括：前驱体通道组件、密封组件；

前驱体通道组件包括板状基体、前驱体通道、气体管路；前驱体通道布置于板状基体正面，自上而下延伸，前驱体通道的顶端连通气体管路；

密封组件设于板状基体正面，用于对前驱体通道进行密封，防止前驱体泄露。

2.如权利要求1所述的一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，其特征在于，前驱体通道包括多层分流通道、前驱体扩散层；多层分流通道自上而下布置，且分流通道的数量逐层增加，以将气体管路输入的一路前驱体均匀分流为多路；前驱体扩散层设于最下层的分流通道下方，将最下层的分流通道连通，以使前驱体在到达反应基底前充分扩散。

3.如权利要求2所述的一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，其特征在于，第n层有2ⁿ个分流通道，每个分流通道在下层分流为两路，最后一层的分流通道通过前驱体扩散层连通。

4.如权利要求3所述的一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，其特征在于，前驱体通道包括四层分流通道和一层前驱体扩散层；

第一层至第四层分流通道自上而下布置，其中，第一层分流通道的进气口通过对称设置的斜面将前驱体均匀地分为两路；第二层分流通道和第三层分流通道具有一个最小高度，其能够使前驱体从第三层分流通道的各个出口流出时的方向和速度一致；第四层分流通道采用锥形截面的进出气口，以产生流体压降的变化，有利于前驱体的扩散；前驱体扩散层设于第四层分流通道下方，将第四层分流通道的各个出口连通，以使前驱体在到达反应基底前充分扩散。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种用于空间隔离原子层沉积的模块化喷头，其特征在于，密封组件包括密封板、密封圈沟槽、密封组件加热区、密封圈；

密封板正面朝向板状基体正面安装于板状基体上；密封圈沟槽设于密封板正面，密封圈安装于密封圈沟槽中，用于将密封板和板状基体密封，防止前驱体泄露；密封组件加热区设置于密封板背面对应前驱体通道的位置；

前驱体通道组件包括前驱体通道加热区，其设于板状基体背面对应前驱体通道的位置；密封组件加热区和前驱体通道加热区均用于对前驱体通道进行加热。

6.一种用于空间隔离原子层沉积的装置，用于对反应基底进行前驱体沉积，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的模块化喷头。

7.一种用于空间隔离原子层沉积的装置，用于对反应基底进行前驱体沉积，其特征在于，包括：箱体、测距传感器、排气组件，以及多个如权利要求1-5任意一项所述的模块化喷头；

箱体中部设有贯通上下表面的腔体；

模块化喷头沿反应基体前进方向排列，安装于腔体中，且前驱体扩散层朝下设置；

测距传感器安装于箱体上，用于测量箱体与反应基底之间的距离；

排气组件密封安装于箱体上部，其具有朝下开口的气体容腔，罩在模块化喷头上方，用于在沉积反应时充入惰性气体，提供惰性环境。

8.如权利要求7所述的一种用于空间隔离原子层沉积的装置，其特征在于，腔体具有两个位于反应基底前进方向两侧的侧壁，两个侧壁上均设有距离调节槽；距离调节槽沿反应基底前进方向设置，且贯通所在侧壁；

每个模块化喷头两侧均设有调节杆，调节杆设置于两侧对应的距离调节槽中。

9.如权利要求7所述的一种用于空间隔离原子层沉积的装置，其特征在于，排气组件包括箱盖，第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口、负压接口、第二惰性气体接口；

气体容腔设置于箱盖中；第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口、第二惰性气体接口、负压接口均设于箱盖上，且连通气体容腔；其中，

第一惰性气体接口、氧化物前驱体接口、金属源前驱体接口分别连接对应的模块化喷头，用于向各模块化喷头提供惰性气体、氧化物前驱体，金属源前驱体；

第二惰性气体接口用于向气体容腔内通入惰性气体，形成惰性环境；

负压接口用于抽取反应产生的残余气体和多余副产物。

10.如权利要求7-9任意一项所述的一种用于空间隔离原子层沉积的装置，其特征在于，模块化喷头数量为七个，沿反应基体前进方向分别通入惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体、金属源前驱体、惰性气体、氧化物前驱体、惰性气体。