CN112391613B - 在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，主要包括一真空腔体、一轴封装置及一驱动单元。轴封装置包括一外管体及一内管体，其中内管体设置在外管体的容置空间内。驱动单元通过外管体驱动真空腔体转动，以搅动真空腔体的反应空间内的粉末。内管体的连接空间内设置一抽气管线及一进气管线，其中抽气管线用以抽出反应空间内的气体。进气管线用以将非反应气体输送至反应空间，以扬起反应空间内的粉末，并用以将前驱物气体输送至反应空间，以在粉末的表面形成厚度均匀的薄膜。

Description

在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置

技术领域

本发明有关于一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，可通过转动真空腔体及输送非反应气体至真空腔体内，使得粉末扩散到真空腔体的反应空间，并有利于在粉末的表面形成厚度均匀的薄膜。

背景技术

奈米颗粒(nanoparticle)一般被定义为在至少一个维度上小于100奈米的颗粒，奈米颗粒与宏观物质在物理及化学上的特性截然不同。一般而言，宏观物质的物理特性与本身的尺寸无关，但奈米颗粒则非如此，奈米颗粒在生物医学、光学和电子等领域都具有潜在的应用。

量子点(Quantum Dot)是半导体的奈米颗粒，目前研究的半导体材料为II-VI材料，如ZnS、CdS、CdSe等，其中又以CdSe最受到瞩目。量子点的尺寸通常在2至50奈米之间，量子点被紫外线照射后，量子点中的电子会吸收能量，并从价带跃迁到传导带。被激发的电子从传导带回到价带时，会通过发光释放出能量。

量子点的能隙与尺寸大小相关，量子点的尺寸越大能隙越小，经照射后会发出波长较长的光，量子点的尺寸越小则能隙越大，经照射后会发出波长较短的光。例如5到6奈米的量子点会发出橘光或红光，而2到3奈米的量子点则会发出蓝光或绿光，当然光色取决于量子点的材料组成。

应用量子点的发光二极体(LED)产生的光可接近连续光谱，同时具有高演色性，并有利于提高发光二极体的发光品质。此外亦可通过改变量子点的尺寸调整发射光的波长，使得量子点成为新一代发光装置及显示器的发展重点。

量子点虽然具有上述的优点及特性，但在应用或制造的过程中容易产生团聚现象。此外量子点具有较高的表面活性，并容易与空气及水气发生反应，进而缩短量子点的寿命。

具体来说，将量子点制作成为发光二极体的密封胶时，可能会产生团聚效应，而降低了量子点的光学性能。此外，量子点在制作成发光二极体的密封胶后，外界的氧或水气仍可能会穿过密封胶而接触量子点的表面，导致量子点氧化，并影响量子点及发光二极体的效能或使用寿命。量子点的表面缺陷及悬空键(dangling bonds)亦可能造成非辐射复合(nonradiative recombination)，同样会影响量子点的发光效率。

目前业界主要通过原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)在量子点的表面形成一层奈米厚度的薄膜，或者是在量子点的表面形成多层薄膜，以形成量子井结构。

原子层沉积可以在基板上形成厚度均匀的薄膜，并可有效控制薄膜的厚度，理论上亦适用于三维的量子点。量子点静置在承载盘时，相邻的量子点之间会存在接触点，使得原子层沉积的前驱物气体无法接触这些接触点，并导致无法在所有的奈米颗粒的表面皆形成厚度均匀的薄膜。

发明内容

为了解决上述先前技术面临的问题，本发明提出一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，可于原子层沉积制程中充份搅拌粉末，使得粉末充满整个真空腔体的反应空间，并减少各个粉末之间的接触点，以利于在各个粉末的表面上形成厚度均匀的薄膜。

本发明的一目的，在于提供一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，主要包括一驱动单元、一轴封装置及一真空腔体，其中驱动单元通过轴封装置连接并驱动真空腔体转动。轴封装置包括一外管体及一内管体，其中内管体位于外管体的容置空间。驱动单元通过外管体连接真空腔体，并通过外管体带动真空腔体转动。

内管体包括一连接空间，并可将至少一抽气管线、至少一进气管线、至少一非反应气体输送管线、至少一加热器及/或至少一温度感测单元设置在内管体的连接空间内。抽气管线用以抽出真空腔体的反应空间内的气体，进气管线用以将前驱物气体及/或非反应气体输送至反应空间，以在粉末的表面形成薄膜。驱动单元可带动真空腔体转动，而进气管线则可增大输送至真空腔体的非反应气体的流量，使得粉末扩散到反应空间内的各个区域，以减少各个粉末之间的接触点，而有利于在各个粉末的表面形成厚度均匀的薄膜。此外驱动单元带动外管体及真空腔体转动时，内管体及内部的抽气管线、进气管线及/或非反应气体输送管线会保持不动，以稳定传送至真空腔体的非反应气体及前驱物气体。

本发明的一目的，在于提供一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，主要包括一驱动单元、一轴封装置及一真空腔体，其中驱动单元通过轴封装置连接真空腔体。此外将一加热装置覆盖在真空腔体的侧表面，并用以加热真空腔体的反应空间，以提高反应空间内的温度。此外在加热的过程中，驱动单元会带动真空腔体转动，并充分翻搅反应空间内的粉末，使得反应空间内所有粉末皆具有相近的温度。

本发明的一目的，在于提供一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，主要于一承载板上设置一驱动单元、一轴封装置及一真空腔体，其中承载板通过至少一连接轴连接一固定架，并以连接轴为轴心相对于固定架转动。承载板转动时会带动驱动单元、轴封装置及真空腔体转动，并可依据制程的需求调整真空腔体的倾斜角度，以利于在各个粉末的表面上形成厚度均匀的薄膜。

为了达到上述的目的，本发明提出一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括：一真空腔体，包括一反应空间用以容置复数个粉末；一轴封装置，包括一外管体及一内管体，其中外管体具有一容置空间，用以容置内管体；一驱动单元，通过轴封装置连接真空腔体，并经由外管体带动真空腔体相对于内管体转动；至少一抽气管线，位于内管体内，流体连接真空腔体的反应空间，并用以抽出反应空间内的一气体；至少一进气管线，位于内管体内，流体连接真空腔体的反应空间，并用以将一前驱物或一非反应气体输送至反应空间，其中非反应气体用以吹动反应空间内的粉末。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其中进气管线包括至少一非反应气体输送管线，位于内管体内，流体连接真空腔体的反应空间，并用以该非反应气体输送至真空腔体的反应空间内，以吹动反应空间内的粉末。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其中轴封装置为一磁流体轴封。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括至少一齿轮连接驱动单元及轴封装置的外管体，驱动单元经由齿轮带动轴封装置的外管体及真空腔体相对于内管体转动。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括一齿轮盖板用以覆盖齿轮。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其中真空腔体包括一盖板及一腔体，盖板的一内表面覆盖腔体以在两者之间形成反应空间，并于盖板的内表面设置一监控晶圆。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括一检视孔位于盖板上。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，还包括一过滤单元位于内管体连接反应空间的一端，抽气管线经由过滤单元抽出反应空间内的气体。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括一加热器及一温度感测单元设置在内管体，加热器用以加热内管体的连接空间及真空腔体的反应空间，而温度感测单元则用以量测内管体的连接空间的温度。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括至少一加热装置位于真空腔体的周围，并用以加热真空腔体的反应空间。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，包括一承载板及至少一固定架，承载板用以承载驱动单元、真空腔体及轴封装置，承载板通过至少一连接轴连接固定架，并以连接轴为轴心相对于固定架转动，以改变驱动单元、真空腔体及轴封装置的仰角。

所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其中内管体由外管体的容置空间延伸至真空腔体的反应空间，并在反应空间内形成一管体凸部。

本发明的有益效果是：可于原子层沉积制程中充份搅拌粉末，使得粉末充满整个真空腔体的反应空间，并减少各个粉末之间的接触点，以利于在各个粉末的表面上形成厚度均匀的薄膜。

附图说明

图1为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置一实施例的立体示意体。

图2为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置一实施例的剖面示意图。

图3为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置的部分构造一实施例的剖面示意图。

图4为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置又一实施例的立体示意体。

图5为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置又一实施例的剖面示意图。

图6为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置又一实施例的立体示意体。

附图标记说明：10-在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置；11-真空腔体；111-盖板；1111-内表面；113-腔体；115-监控晶圆；117-检视孔；12-反应空间；121-粉末；13-轴封装置；131-外管体；1311-管体凸部；132-容置空间；133-内管体；134-连接空间；135-永久磁铁；136-磁极片；137-轴承；138-磁性流体；139-过滤单元；14-齿轮；141-第一齿轮；143-第二齿轮；15-驱动单元；171-抽气管线；173-进气管线；175-非反应气体输送管线；177-加热器；179-温度感测单元；191-承载板；193-固定架；195-连接轴；20-在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置；21-加热装置；211-连接架；23-齿轮盖板。

具体实施方式

请参阅图1、图2及图3，分别为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置一实施例的立体示意图、剖面示意图及部分构造的剖面示意图。如图所示，在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置10主要包括一真空腔体11、一轴封装置13及一驱动单元15，其中驱动单元15通过轴封装置13连接真空腔体11，并带动真空腔体11转动。

真空腔体11内具有一反应空间12，用以容置复数个粉末121，其中粉末121可以是量子点(Quantum Dot)，例如ZnS、CdS、CdSe等II-VI半导体材料，而形成在量子点上的薄膜可以是三氧化二铝(Al2O3)。真空腔体11可包括一盖板111及一腔体113，其中盖板111的一内表面1111用以覆盖腔体113，并在两者之间形成反应空间12。此外亦可于盖板111上设置一检视孔117，使用者可通过检视孔117观看反应空间12内的粉末121。例如可于盖板111上设置一穿孔，并于穿孔上设置耐热玻璃，以在盖板111上形成检视孔117。

在本发明一实施例中，可于盖板111的内表面1111设置一监控晶圆115，当盖板111覆盖腔体113时，监控晶圆115会位于反应空间12内。在反应空间12内进行原子层沉积时，监控晶圆115的表面会形成薄膜。在实际应用时可进一步量测监控晶圆115表面的薄膜厚度与粉末121表面的薄膜厚度，并计算出两者之间的关系。而后便可通过量测监控晶圆115表面的薄膜厚度，换算出粉末121表面的薄膜厚度。

轴封装置13包括一外管体131及一内管体133，其中外管体131具有一容置空间132，而内管体133则具有一连接空间134，例如外管体131及内管体133可为空心柱状体。外管体131的容置空间132用以容置内管体133，其中外管体131及内管体133同轴设置。

在本发明一实施例中，轴封装置13可以是一般常见的轴封，主要用以隔离真空腔体11的反应空间12与外部的空间，以维持反应空间12的真空。在本发明另一实施例中，轴封装置13可以是磁流体轴封，并包括复数个轴承137、至少一永久磁铁135、至少一磁极片136及至少一磁性流体138，其中轴承137、永久磁铁135、磁极片136及磁性流体138设置在外管体131与内管体133之间的容置空间132。

具体而言，轴承137套设在内管体133的外表面，并位于内管体133及外管体131之间，使得外管体131可相对于内管体133转动。永久磁铁135设置在外管体131的内表面，并位于两个轴承137之间。两个磁极片136设置在外管体131的内表面，并分别位于永久磁铁135及两个轴承137之间。磁极片136与内管体133的外表面之间具有一间隙，并将磁性流体138设置在间隙内。上述关于磁流体轴封的构造仅为本发明一实施例，并非本发明权利范围的限制。

驱动单元15通过外管体131动力连接真空腔体11，并通过外管体131带动真空腔体11转动。此外驱动单元15并未连接内管体133，因此驱动单元15带动外管体131及真空腔体11转动时，内管体133不会随着转动。

驱动单元15可带动外管体131及真空腔体11以同一方向持续转动，例如顺时针或逆时针方向持续转动。在不同实施例中，驱动单元15可带动外管体131及真空腔体11以顺时针的方向旋转一特定角度后，再以逆时针的方向旋转特定角度，例如特定角度可为360度。真空腔体11转动时，会搅拌反应空间12内的粉末121，以利于粉末121与前驱物气体接触。

在本发明一实施例中，驱动单元15可为马达，通过至少一齿轮14连接外管体131，并经由齿轮14带动外管体131及真空腔体11相对于内管体133转动。驱动单元15可连接一第一齿轮141，而外管体131则连接一第二齿轮143，其中第一齿轮141啮合第二齿轮143。当驱动单元15带动第一齿轮141转动时，第一齿轮141会带动啮合的第二齿轮143、外管体131及真空腔体11转动。在本发明一实施例中，第一齿轮141及第二齿轮143可为斜齿轮。

内管体133的连接空间134内可设置至少一抽气管线171、至少一进气管线173、至少一非反应气体输送管线175、一加热器177及/或一温度感测单元179，如图2及图3所示。

抽气管线171流体连接真空腔体11的反应空间12，并用以抽出反应空间12内的气体，使得反应空间12为真空状态，以进行后续的原子层沉积制程。具体而言抽气管线171可连接一帮浦，并通过帮浦抽出反应空间12内的气体。

进气管线173流体连接真空腔体11的反应空间12，并用以将一前驱物或一非反应气体输送至反应空间12，其中非反应气体可以是氮气或氩气等惰性气体。例如进气管线173可通过阀件组连接一前驱物储存槽及一非反应气体储存槽，并通过阀件组将前驱物气体输送至反应空间12内，使得前驱物气体沉积在粉末121表面。在实际应用时，进气管线173可能会将一载送气体(carrier gas)及前驱物气体一起输送到反应空间12内。而后通过阀件组将非反应气体输送至反应空间12内，以去除反应空间12内的前驱物气体。在本发明一实施例中，进气管线173可连接复数个分枝管线，并分别通过各个分枝管线将不同的前驱物气体依序输送至反应空间12内。

此外可增大进气管线173输送至反应空间12的非反应气体的流量，并通过非反应气体吹动反应空间12内的粉末121，使得粉末121受到非反应气体的带动，而扩散到反应空间12的各个区域。

在本发明一实施例中，进气管线173可包括至少一非反应气体输送管线175流体连接真空腔体11的反应空间12，并用以将非反应气体输送至反应空间12，例如非反应气体输送管线175可通过阀件组连接一氮气储存槽，并通过阀件组将氮气输送至反应空间12。非反应气体用以吹动反应空间12内的粉末121，配合驱动单元15驱动真空腔体11转动，将可有效且均匀的翻搅反应空间12内的粉末121，并有利于在各个粉末121的表面沉积厚度均匀的薄膜。

在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置10的进气管线173及非反应气体输送管线175都是用以将非反应气体输送至反应空间12，其中进气管线173输送的非反应气体的流量较小，主要用以去除反应空间12内的前驱物气体，而非反应气体输送管线175输送的非反应气体的流量较大，主要用以吹动反应空间12内的粉末121。此外进气管线173及非反应气体输送管线175所传输的非反应气体可以是相同或不同的气体。

具体而言，进气管线173及非反应气体输送管线175将非反应气体输送至反应空间12的时间点不同，因此在实际应用时可不设置非反应气体输送管线175，并调整进气管线173在不同时间点输送的非反应气体的流量。在去除反应空间12内的前驱物气体时，可降低进气管线173输送至反应空间12的非反应气体的流量，而要吹动反应空间12内的粉末121时，则增加进气管线173输送至反应空间12的非反应气体的流量。

在本发明一实施例中，内管体133连接反应空间12的一端可设置一过滤单元139，其中抽气管线171经由过滤单元139流体连接反应空间12，并经由过滤单元139抽出反应空间12内的气体。过滤单元139主要用以过滤反应空间12内的粉末121，以避免粉末121在抽气的过程中进入抽气管线171内，而造成粉末121的损耗。

进气管线173可经由过滤单元139流体连接反应空间12，并经由过滤单元139将前驱物气体或非反应气体输送至反应空间12。此外非反应气体输送管线175可经由过滤单元139流体连接反应空间12，并经由过滤单元139将非反应气体输送至反应空间12。进气管线173及非反应气体输送管线175主要用以将气体输送至反应空间12，而非用以将反应空间12内的气体抽出。反应空间12内的粉末121较不容易进入进气管线173及非反应气体输送管线175，因此进气管线173及非反应气体输送管线175可不经由过滤单元139将气体输送至反应空间12内，并直接将气体输送至反应空间12。

加热器177用以加热连接空间134及内管体133，并通过加热器177加热内管体133内的抽气管线171、进气管线173及/或非反应气体输送管线175，以提高抽气管线171、进气管线173及/或非反应气体输送管线175内的气体的温度。例如可提高进气管线173输送至反应空间12的非反应气体及/或前驱物气体的温度，并可提高非反应气体输送管线175输送至反应空间12的非反应气体的温度。使得非反应气体及/或前驱物气体进入反应空间12时，不会造成反应空间12的温度大幅下降或改变。此外可通过温度感测单元179量测加热器177或连接空间134的温度，以得知加热器177的工作状态。当然在真空腔体11的内部、外部或周围通常会设置另一个加热装置21，如图4所示，其中加热装置21邻近或接触真空腔体11，并用以加热真空腔体11及反应空间12。

驱动单元15带动外管体131及真空腔体11转动时，内管体133及内部的抽气管线171、进气管线173及/或非反应气体输送管线175并不会随着转动，并有利于稳定传送至反应空间12的非反应气体及前驱物气体。

在本发明一实施例中，在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置10亦可包括一承载板191及至少一固定架193，其中承载板191可为一板体，用以承载驱动单元15、真空腔体11及轴封装置13。例如承载板191连接驱动单元15，并通过驱动单元15连接轴封装置13及真空腔体11。此外轴封装置13及/或真空腔体11亦可通过至少一支撑架连接承载板191，以提高连接的稳定度。

承载板191可通过至少一连接轴195连接固定架193，其中固定架193的数量可为两个，并分别设置在承载板191的两侧。承载板191可以连接轴195为轴心相对于固定架193转动，以改变驱动单元15、轴封装置13及真空腔体11的仰角，以利于在各个粉末121的表面形成厚度均匀的薄膜。

请参阅图4及图5，分别为本发明在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置又一实施例的立体示意图及剖面示意图。如图所示，在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置20主要包括一真空腔体11、一轴封装置13、一驱动单元15、一加热装置21及一齿轮盖板23，其中驱动单元15通过轴封装置13连接真空腔体11，并带动真空腔体11转动。

加热装置21环绕设置在真空腔体11的侧表面，并用以加热真空腔体11及反应空间12。在本发明一实施例中，加热装置21可通过连接架211连接承载板191，而驱动单元15则驱动真空腔体11相对于加热装置21转动。

齿轮盖板23用以覆盖齿轮14，可避免齿轮14接触外界的污染源，亦可防止操作人员不小心接触运转中的齿轮14而受伤。齿轮盖板23设计为可拆卸式，并可于维修或保养时将齿轮盖板23拆除。

在本发明上述实施例中，轴封装置13的内管体133连接反应空间12的一端贴齐真空腔体11的内表面。在实施应用时，如图6所示，内管体133可由外管体131的容置空间132延伸至真空腔体11的反应空间12，并在反应空间12内形成一管体凸部1311。

本发明优点：

可于原子层沉积制程中充份搅拌粉末，使得粉末充满整个真空腔体的反应空间，并减少各个粉末之间的接触点，以利于在各个粉末的表面上形成厚度均匀的薄膜。

以上所述，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，包括：

一真空腔体，包括一反应空间用以容置复数个粉末；

一轴封装置，包括一外管体及一内管体，其中该外管体具有一容置空间，用以容置该内管体；

一驱动单元，通过该轴封装置的该外管体连接该真空腔体，并经由该外管体带动该真空腔体相对于该内管体转动，其中该驱动单元带动该外管体及该真空腔体转动时，该内管体不会随着转动；

至少一抽气管线，位于该内管体内，流体连接该真空腔体的该反应空间，并用以抽出该反应空间内的一气体；及

至少一进气管线，位于该内管体内，流体连接该真空腔体的该反应空间，并用以将一前驱物或一非反应气体输送至该反应空间，其中该非反应气体用以吹动该反应空间内的该粉末。

2.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，其中该进气管线包括至少一非反应气体输送管线，位于该内管体的连接空间内，流体连接该真空腔体的该反应空间，并用以将该非反应气体输送至该真空腔体的该反应空间内，以吹动该反应空间内的该粉末。

3.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，其中该轴封装置为一磁流体轴封。

4.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，包括至少一齿轮连接该驱动单元及该轴封装置的该外管体，该驱动单元经由该齿轮带动该轴封装置的该外管体及该真空腔体相对于该内管体转动。

5.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，其中该内管体由该外管体的该容置空间延伸至该真空腔体的该反应空间，并在该反应空间内形成一管体凸部。

6.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，其中该真空腔体包括一盖板及一腔体，该盖板的一内表面覆盖该腔体以在两者之间形成该反应空间，并于该盖板的该内表面设置一监控晶圆。

7.根据权利要求6所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，包括一检视孔位于该盖板上。

8.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，还包括一过滤单元位于该内管体连接该反应空间的一端，该抽气管线经由该过滤单元抽出该反应空间内的该气体。

9.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，包括一加热器及一温度感测单元设置在该内管体，该加热器用以加热该内管体的连接空间及该真空腔体的该反应空间，而该温度感测单元则用以量测该内管体的该连接空间的温度。

10.根据权利要求1所述的在粉末上形成薄膜的原子层沉积装置，其特征在于，包括至少一加热装置位于该真空腔体的周围，并用以加热该真空腔体的该反应空间。

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