CN107201509A - 一种具有同一等离子体源的原子层沉积装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有同一等离子体源的原子层沉积的装置及方法，包括反应物传输腔以及与反应物传输腔相邻的可移动基底，反应物传输腔内设置有至少一个独立的前驱体反应物传输渠道和至少一个与所述前驱体反应物传输渠道间隔分布的等离子体反应物传输渠道，所述前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口设置在反应物传输腔与可移动基底的相邻面上，所述反应物传输腔上还连接有一等离子体源，为等离子体反应物传输渠道提供等离子体反应物，所有等离子体反应物传输渠道共享同一个等离子体源。本发明通过设置多个等离子体反应物传输渠道和前驱体反应物传输渠道间隔分布，并设置可移动基底，达到高速率沉积材料的效果。

Description

一种具有同一等离子体源的原子层沉积装置及方法
技术领域
本发明涉及原子层沉积领域，特别是涉及一种具有同一等离子体源的原子层沉积装置及方法。
背景技术
原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）是一种适合于研制最新的和前沿性产品的薄膜材料制备技术。ALD是基于向基材顺序引入至少两种反应性前体物质的特殊的化学沉积方法。所述基材位于反应空间内。反应空间通常被加热。ALD的基本生长机制依赖于化学吸附和物理吸附之间的结合强度差异。在所述沉积过程期间，ALD利用化学吸附并消除物理吸附。化学吸附期间，在固相表面的原子和从气相抵达的分子或等离子体之间形成强化学键。通过物理吸附的结合要弱的多，因为只涉及范德华力。当局部温度超过所述分子的凝结温度时，物理吸附键就很容易被热能断裂。
由于ALD 渐渐应用于各产业，为了加快传统加热式ALD 制作工艺速度与因应成长特殊薄膜，等离子体增强型原子层沉积(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition,PEALD) 的技术开始被开发。PEALD是指在ALD过程中加入等离子体反应物以实现某些金属、低温氧化物和氮化物等材料的薄膜制备。PEALD工艺过程主要通过将前驱体反应物气体和等离子体反应物气体依次交替引入到基底或衬底表面而完成。前驱体反应物首先被吸附到基底或衬底表面上进行反应；此后，等离子体反应物在基底或衬底表面上进行反应。PEALD的技术源自等离子体辅助化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD) 与ALD 总合，虽然有较ALD 明显大范围应用，但是现有PEALD技术的材料的沉积速度慢，使量产成本增加，制约了它的产业化应用。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有同一等离子体源的原子层沉积装置及方法，旨在现有PEALD技术中材料沉积速度慢，量产成本高的问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，包括反应物传输腔以及与所述反应物传输腔相邻的可移动基底，所述反应物传输腔内设置有至少一个独立的前驱体反应物传输渠道和至少一个与所述前驱体反应物传输渠道间隔分布的等离子体反应物传输渠道，所述前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口设置在反应物传输腔与所述可移动基底的相邻面上，所述反应物传输腔上还连接有一等离子体源，为所述等离子体反应物传输渠道提供等离子体反应物，所有等离子体反应物传输渠道共享同一个等离子体源。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述反应物传输腔内还设置有等离子体反应物产生区，所述等离子体反应物产生后通过所述等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底上。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述等离子体源为远程等离子体源，等离子体反应物在反应物传输腔外产生后传输至反应物传输腔内，进而通过等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底上。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述反应物传输腔与可移动基底的相邻面为弧形面，所述可移动基底为可卷基底。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口呈扇形排列，所述可移动基底沿所述扇形的方向移动。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述反应物传输腔与所述可移动基底的相邻面为扇形面或圆环面。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述前驱体反应物传输渠道的数量至少为一个，每个前驱体反应物传输渠道传输一种前驱体反应物。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述前驱体反应物传输渠道与等离子体反应物传输渠道之间还设置有阻隔气体传输渠道或抽气渠道。
所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其中，所述前驱体反应物传输渠道的入口设置在所述反应物传输腔的侧面。
一种如上所述的同一等离子体源的原子层沉积的方法，包括以下步骤：
步骤1：注入前驱体反应物，通过前驱体反应物传输渠道传输至可移动基底；等离子体源产生等离子体反应物，通过等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底；
步骤2：移动所述可移动基底，使其经过交替分布的前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口，依次接收前驱体反应物和等离子体反应物进行反应。
本发明的有益效果包括：本发明提供的具有同一等离子体源的原子层沉积装置及方法通过设置多个等离子体反应物传输渠道和前驱体反应物传输渠道间隔分布，通过移动可移动基底来接收等离子反应物和前驱体反应物，从而实现短时间内前驱体反应物和等离子反应物在基底表面反应多次，达到高速率沉积材料的效果，相比传统依次通入前驱体反应物和等离子反应物的沉积方式，本发明提供的同一等离子体源的原子层沉积装置及方法可使沉积速度得到极大的提高；本发明的多个等离子体反应物传输渠道共享同一个等离子体源，有效降低了生产成本，增加了反应腔的空间利用率。
附图说明
图1为本发明提供的具有同一等离子体源的原子层沉积装置的基本结构示意简图。
图2为本发明提供的一种具有同一等离子体源的原子层沉积装置的立体图。
图3为本发明提供的一种具有同一直接等离子体源的原子层沉积装置的剖视图。
图4为本发明提供的一种具有同一远程等离子体源的原子层沉积装置的剖视图。
图5为本发明提供的本发明提供的一种卷对卷的具有同一等离子体源的原子层沉积装置的剖视图。
图6本发明提供的一种扇形的具有同一等离子体源的原子层沉积装置的俯视剖视图。
图7本发明提供的另一种扇形的具有同一等离子体源的原子层沉积装置的俯视剖视图。
图8为本发明提供的一种具有阻隔气体传输渠道或抽气渠道和同一等离子体源的原子层沉积装置的剖视图。
图9为本发明提供的另一种具有阻隔气体传输渠道或抽气渠道和同一等离子体源的原子层沉积装置的剖视图。
图10为本发明提供的一种具有同一等离子源的原子层沉积的方法流程图。
附图标记说明：1、反应物传输腔；2、可移动基底；3、前驱体反应物传输渠道；301、前驱体反应物传输渠道出口；302、前驱体反应物传输渠道入口；4、等离子体反应物传输渠道；401、等离子体反应物传输渠道出口；5、等离子体源；6、等离子体反应物产生区；7、阻隔气体传输渠道或抽气渠道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
参见图1，为本发明提供的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置的基本机构示意简图，本发明提供的原子层沉积的装置包括反应物传输腔1以及与反应物传输腔1相邻的可移动基底2，优选地，可移动基底2与反应物传输腔1的底部相邻，反应物从反应物传输腔1底部传输至可移动基底2上。反应物传输腔1内设置有至少一个独立的前驱体反应物传输渠道3和至少一个与前驱体反应物传输渠道3间隔分布的等离子体反应物传输渠道4，前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401设置在反应物传输腔1与可移动基底2的相邻面上。前驱体反应物传输渠道3的数量可以为一个也可以为多个，在本实施例中为3个，每个前驱体反应物传输渠道3传输的反应物为一种，但是不同前驱体反应物传输渠道3传输的反应物可以为一种或多种，从而可形成单一元素材料或多元化合物。参见图1，在本实施例中，三个前驱体反应物传输渠道3传输的材料分别为A、B、C，等离子体反应物传输渠道传输的等离子反应物为D，通过移动可移动基底2，接收A、B、C、D，从而实现短时间内前驱体反应物和等离子反应物在可移动基底2表面反应多次，达到高速率沉积材料的目的。可移动基底2的移动方向为等离子体反应物传输渠道4和前驱体反应物传输渠道3排列分布的方向，可以为单向移动，也可以为双向的往复移动。其反应的基本机理可以表示为A→D→B→D→C→D……，在其中一种实施例中，前驱体反应物为Al-R，其中R代表前驱物配体，其反应机理可以表示为Al-R -> O+ -> Al-R -> O+ -> Al-R -> O+ = AlOx。在另外一个实施例中，前驱体反应物为Li-R、Ni-R 、Co-R和Mn-R，其反应机理可以表示为： Li-R -> O+ -> Ni-R -> O+ -> Co-R -> O+ -> Mn-R -> O+ = LiNiCoMnOx。
在实际应用中，等离子体源所占用的空间大，如果每一个等离子反应物传输渠道4都由一个独立的等离子体源来提供等离子体反应物，则其空间利用率就会非常低，且成本极高。本发明的反应物传输腔1上连接一个等离子体源5，为等离子体反应物传输渠道4提供等离子体反应物，所有等离子体反应物传输渠道4共享同一个等离子体源5。
参见图2，为本发明提供的一个实施例的立体图，在本实施例中，反应物传输腔1为长方体结构，前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401设置在反应物传输腔1的底部，为矩形形状。可移动基底2沿前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401排布方向双向往复移动，前驱体反应物传输渠道入口302设置在反应物传输腔1的侧面，方便注料，在实际应用中，为缩短前驱体反应物传输渠道3的长度，节约成本，前驱体反应物传输渠道入口302还可以根据位置不同，设置在反应物传输腔1的不同侧面。等离子体源5与反应物传输腔1顶部连接，提供等离子体反应物。
根据基底材料及前驱体反应物等的不同，本发明的结构还可以有其他变换。下面举其他一些实施例来具体说明。
实施例1：
参见图3，由于有些等离子寿命短，因此需要快速的传输到可移动基底2上，为实现等离子的快速传输，在本实施例中，反应物传输腔1内设置有等离子体反应物产生区6，让等离子体反应物直接在反应物传输腔1内产生，随即通过等离子体反应物传输渠道4传输至可移动基底2上进行反应。优选地，反应物传输腔1的高度可以适当减小，使等离子体反应物可以更加快速地移动至可移动基底2上。本实施例优选地可用于处理玻璃基底或可卷的塑料基底。
实施例2：
在实际生产中，等离子反应物的产生可能会对可移动基底2造成损伤，为解决此问题，对于寿命较长的等离子体，参见图4，本实施例将等离子源5设置为远程等离子体源，等离子体反应物在反应物传输腔1外产生后，再传输到反应物传输腔1内，并通过等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底2上，从而实现对可移动基底2的保护。在实际应用中，也可以通过增加反应物传输腔1的高度来增加等离子体反应物的传输路程，进而减小对可移动基底2的伤害。
实施例3：
参见图5，在本实施例中，反应物传输腔1为圆柱体形状，等离子体源5设置在圆心位置上，前驱体反应物传输渠道3和等离子体反应物传输渠道4设置在反应物传输腔1的圆弧形侧面上，可移动基底2卷曲地环绕反应物传输腔1的弧形侧面往复移动。本实施例适用于可移动基底2为可卷的基底材料。
实施例4：
可移动基底2除沿直线移动外，还可以绕某圆心做弧形移动。参见图6，在本实施例中，前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401呈扇形交替排布在反应物传输腔1的底部，可移动基底2可以以所述扇形的圆心为中心，沿扇形方向往复移动。在实际应用中，参见图7，为节约材料，反应物传输腔1的底部也可以做成扇形形状，优选地，可移动基底2为方形或圆形的，反应物传输腔1的底部可以制成圆环状，前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401交替排布在所述圆环上。
实施例5：
参见图8，在实施例5中，前驱体反应物传输渠道3和等离子体反应物传输渠道4之间设置有阻隔气体传输渠道或抽气渠道 7，用于防止不同的前驱体反应物互相干扰。如图8所示，如为阻隔气体传输渠道，阻隔气体可按照箭头方向自上而下传输，如为抽气渠道，则可从下而上进行抽气。优选地，所述阻隔气体传输渠道或抽气渠道 7可以为抽真空阻隔渠道或惰性气体阻隔渠道，通过将阻隔气体传输渠道或抽气渠道 7抽真空或通入惰性气体来实现阻隔效果。在实际应用中，参见图9，为进一步加强阻隔效果，前驱体反应物传输渠道3两侧的阻隔气体传输渠道或抽气渠道 7还可以为多个，还可以将所述抽真空阻隔渠道或惰性气体阻隔渠道混合使用。在图9所示的实施例中，前驱体反应物传输渠道3两侧的各有一个阻隔气体传输渠道或抽气渠道 7。
本发明还提供的一种具有同一等离子体源的原子层沉积的方法，如图10所示，包括以下步骤：
步骤1：注入前驱体反应物，通过前驱体反应物传输渠道3传输至可移动基底2；等离子体源5产生等离子体反应物，通过等离子体反应物传输渠道4传输至可移动基底2；在实际应用中，对于传输前驱体反应物和等离子体反应物的顺序并不做限定，既可以是先传输前驱体反应物，后传输等离子体反应物，也可以是先传输等离子体反应物，后传输前驱体反应物，还可以同时传输前驱体反应物和等离子体反应物。如图10所示，在本实施例中，为先传输前驱体反应物，后传输等离子体反应物。
步骤2：移动可移动基底2，使其经过交替分布的前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401，依次接收前驱体反应物和等离子体反应物进行反应。
通过同一等离子体源5产生等离子体反应物，并经多条等离子体反应物传输渠道4传输至可移动基底2表面，移动可移动基底2，使其经过前驱体反应物传输渠道出口301和等离子体反应物传输渠道出口401，依次接收前驱体反应物和等离子体反应物进行反应，从而实现短时间高速率多频次的反应。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，包括反应物传输腔以及与所述反应物传输腔相邻的可移动基底，所述反应物传输腔内设置有至少一个独立的前驱体反应物传输渠道和至少一个与所述前驱体反应物传输渠道间隔分布的等离子体反应物传输渠道，所述前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口设置在反应物传输腔与所述可移动基底的相邻面上，所述反应物传输腔上还连接有一等离子体源，为所述等离子体反应物传输渠道提供等离子体反应物，所有等离子体反应物传输渠道共享同一个等离子体源。
2.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述反应物传输腔内还设置有等离子体反应物产生区，所述等离子体反应物产生后通过所述等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底上。
3.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述等离子体源为远程等离子体源，等离子体反应物在反应物传输腔外产生后传输至反应物传输腔内，进而通过等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底上。
4.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述反应物传输腔与可移动基底的相邻面为弧形面，所述可移动基底为可卷基底。
5.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口呈扇形排列，所述可移动基底沿所述扇形的方向移动。
6.根据权利要求5所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述反应物传输腔与所述可移动基底的相邻面为扇形面或圆环面。
7.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述前驱体反应物传输渠道的数量至少为一个，每个前驱体反应物传输渠道传输一种前驱体反应物。
8.根据权利要求7所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述前驱体反应物传输渠道与等离子体反应物传输渠道之间还设置有一条或多条阻隔气体传输渠道或抽气渠道。
9.根据权利要求1所述的具有同一等离子体源的原子层沉积的装置，其特征在于，所述前驱体反应物传输渠道的入口设置在所述反应物传输腔的一个或多个侧面。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的同一等离子体源的原子层沉积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：注入前驱体反应物，通过前驱体反应物传输渠道传输至可移动基底；等离子体源产生等离子体反应物，通过等离子体反应物传输渠道传输至可移动基底；
步骤2：移动所述可移动基底，使其经过交替分布的前驱体反应物传输渠道出口和等离子体反应物传输渠道出口，依次接收前驱体反应物和等离子体反应物进行反应。
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