CN114351119A - 一种沉积反应腔的排气系统及薄膜沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种沉积反应腔的排气系统及薄膜沉积设备，涉及薄膜沉积技术领域，该排气系统具有维护周期长，堵塞风险低的有益效果。原子层沉积反应腔的排气系统包括第一排气管、除尘装置和真空泵，第一排气管的两端分别与反应腔和除尘装置连通，第一排气管的管壁开设有外介质进口，外介质进口用于通入反应介质，反应介质能够与第一排气管中的气态反应物反应而产生粉尘状的物质；真空泵与除尘装置的气体出口连通。

Description

一种沉积反应腔的排气系统及薄膜沉积设备

技术领域

本公开涉及原子层沉积技术领域，尤其涉及一种沉积反应腔的排气系统及薄膜沉积设备。

背景技术

原子层沉积(原子层沉积，Atomic Layer Deposition)技术在薄膜沉积方面具有精准厚度控制、优良的台阶覆盖率、化学成分均匀，杂质少等众多优点。原子层沉积设备包括反应腔、进气系统和排气系统。排气系统包括真空泵以及连接在真空泵和反应腔室之间的排气管。在真空泵作用下，排气管和反应腔室可以保持在负压状态，以满足在反应腔室内形成原子层的工艺需求。

在进行原子层沉积时，排气管和反应腔室保持在负压状态，前驱气体通过进气系统进入到反应腔室中，经过反应后在衬底表面形成原子层。反应腔室中具有反应后产生的粉尘、未反应的残留原料以及前驱气体。前驱气体会携带粉尘和残余原料进入真空泵中。其中，粉尘进入到真空泵中经过长时间累积后会堵塞真空泵。前驱气体会携带残留原料进入真空泵中后会与水汽反应而产生粉尘，进一步增加堵塞真空泵的风险。因此，需要对进入真空泵的混合气体过滤，减少进入真空泵中的粉尘，提高真空泵的使用寿命。

发明内容

本申请的目的在于提供一种沉积反应腔的排气系统及薄膜沉积设备，该沉积反应腔的排气系统具有维护周期长，堵塞风险低的有益效果。

第一方面，本申请提供的沉积反应腔的排气系统包括第一排气管、除尘装置和真空泵，第一排气管的两端分别与反应腔和除尘装置连通，第一排气管的管壁开设有外介质进口，外介质进口用于通入反应介质，反应介质能够与第一排气管中的气态反应物反应而产生粉尘状的物质；真空泵与除尘装置的气体出口连通。

通过上述技术方案，当反应腔排出的混合废气进入到第一排气管后，可以与通入第一排气管中的反应介质反应生成粉尘状的物质，从而可以减少或避免气态反应物进入到真空泵中，降低堵塞真空泵的风险；反应后，混合废气朝向除尘装置流动，除尘装置可以除去混合废气中的粉尘，除尘装置的气体出口排放出经过除尘后的气体，该气体进入到真空泵中，真空泵被粉尘堵塞的风险小，维护周期长。因此，本申请提供的原子层沉积反应腔的排气系统具有维护周期长，堵塞风险低的有益效果。

在一种可能的实现方式中，沉积反应腔的排气系统还包括可开闭的阻断装置，阻断装置连接在反应腔和第一排气管之间，用于阻挡第一排气管中的气态反应物朝向反应腔反向流动。采用该技术方案，可以在真空泵发生故障停机而导致第一排气管压力增加时，阻止混合废气返回反应腔中，降低对反应腔的不良影响，并且便于维修真空泵。

在一种可能的实施例中，阻断装置包括管体和单向阀，单向阀安装在管体上的，管体的两端分别与反应腔和第一排气管连接。这样，当真空泵发生故障或停机，混合废气朝向反应腔反流时，单向阀可以自动阻止混合废气反流。

在一种可能的实现方式中，第一排气管包括沿气态反应物的正向流动方向依次连接的收缩段和咽喉段，收缩段的内径沿气态反应物的正向流动方向逐渐缩小，咽喉段各处的内径在气态反应物的正向流动方向上一致，外介质进口位于咽喉段。

采用该技术方案，混合废气经过收缩段后被压缩，气态反应物的含量密度增加，利于提高气态反应物与外介质的反应率，尽量多的消除气态反应物。

在一种可能的实施例中，第一排气管还包括沿气态反应物的正向流动方向依次连接的扩散段和尾段，扩散段与咽喉段连接，扩散段的内径沿气态反应物的正向流动方向逐渐扩大，尾段各处的内径在气态反应物的正向流动方向上一致。采用该技术方案，一方面，混合废气进入扩散段，流速降低，粉尘浓度降低，利于提高除尘装置的除尘率，减少进入到真空泵中的粉尘。另一方面，收缩段和扩散段设置在咽喉段的两侧，可以使得第一排气管的两端气压平衡，利于混合废气顺畅流动。

在一种可能的实施例中，第一排气管还包括安装在尾段的下侧壁上的第一集尘器，第一集尘器具有可打开的第一清灰口；或第一集尘器可拆卸地安装在尾段上。采用该技术方案的情况下，在尾段设置位于下侧壁的第一集尘器来收集沉积下来的粉尘，可以减少尾段内壁上积存的粉尘。在长时间使用后，第一集尘器内积存了大量粉尘，需要定期打开第一清灰口清理，或将第一集尘器拆卸下来清理，提高第一排气管内的清洁度。

在一种可能的实现方式中，除尘装置包括旋风分离器，旋风分离器具有入口、出气口和排尘口，入口与第一排气管的出口连通，出气口与真空泵连通，排尘口用于排放分离出的粉尘。第一排气管排放出的混合气体和粉尘，被旋风分离器分离，粉尘通过排尘口排出，气体通过出气口进入到真空泵中，这样，进入真空泵气体的含尘量极大减少，可以降低或避免真空泵被粉尘堵塞的风险。

在一种可能的实施例中，旋风分离器包括与排尘口连通的第二集尘器，第二集尘器具有可打开的第二清灰口；或第二集尘器可拆卸地安装在旋风分离器上。采用该技术方案的情况下，粉尘被分离后通过排尘口进入到第二集尘器中，在长时间使用后，第二集尘器中可能积存了大量的粉尘，需要定期打开第二清灰口清理，或将第二集尘器拆卸下来清理。

在一种可能的实施例中，除尘装置还包括粉尘过滤器和第二排气管，第二排气管的一端与旋风分离器的出气口连接，另一端与真空泵连接，粉尘过滤器安装在第二排气管上。采用该技术方案的情况下，可以利用粉尘过滤器再一次过滤从旋风分离器中排放的气体，进一步减少进入真空泵气体的含尘量，降低或避免真空泵被粉尘堵塞的风险。

第二方面，本申请还提供一种薄膜沉积设备，该设备包括用于薄膜沉积的反应腔，和上述所有可能实现方式所描述的沉积反应腔的排气系统。基于上述排气系统具有的有益效果，本申请提供的薄膜沉积设备具有有效运行时间长，生产效率高的有益效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种原子层沉积反应腔的排气系统的示意图。

附图标记：

1-第一排气管，10-外介质进口，11-收缩段，12-咽喉段，13-扩散段，14-尾段，15-第一集尘器；

2-除尘装置，21-旋风分离器，211-第二集尘器，22-粉尘过滤器，23-第二排气管；

3-真空泵，4-阻断装置。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在进行薄膜沉积时，会使用气态反应物在沉积反应腔中反应而在产品表面形成沉积层，经过反应后，反应腔排出的混合废气进入排气系统。混合废气包括气态反应物反应后产生的粉尘状的物质、未反应的残留气态反应物以及前驱气体。其中，一方面，粉尘进入到排气系统真空泵中后，经过长时间累积会造成真空泵堵塞卡死；另一方面，当真空泵停机后，真空泵降温，真空泵中有水汽存在，再开机后，气态反应物进入真空泵中会与水汽反应而产生粉尘状的物质，进一步增加真空泵被粉尘堵塞卡死的风险。因此，需要对进入真空泵的混合气体过滤，减少进入真空泵中的粉尘和气态反应物，延长真空泵的维护周期。

其中，前驱气体可以为惰性气体，例如氮气。

气态反应物可以是三甲基铝或三甲基镓。例如，在以三甲基铝为沉积原料进行原子层沉积时，排气管和反应腔室保持在负压状态，前驱气体携带气态的三甲基铝通过进气系统进入到反应腔室中，经过反应后在衬底表面形成原子层。经过反应后，反应腔排出的混合废气进入排气系统。混合废气包括反应后产生的粉尘、未反应的残留三甲基铝以及前驱气体。其中，一方面，粉尘进入到排气系统真空泵中后，经过长时间累积会造成真空泵堵塞卡死；另一方面，当真空泵停机后，真空泵降温，真空泵中有水汽存在，再开机后，气态三甲基铝进入真空泵中会与水汽反应而产生粉尘，进一步增加真空泵被粉尘堵塞卡死的风险。因此，需要对进入真空泵的混合气体过滤，减少进入真空泵中的粉尘和气态三甲基铝，延长真空泵的维护周期。

为此，本申请提供一种沉积反应腔的排气系统，该排气系统的真空泵的维护周期长。

第一方面，参考图1所示，本申请提供的沉积反应腔的排气系统包括第一排气管1、除尘装置2和真空泵3，第一排气管1的两端分别与反应腔和除尘装置2连通，第一排气管1的管壁开设有外介质进口10，外介质进口10用于通入反应介质，反应介质能够与第一排气管1中的气态反应物发生反应而产生粉尘状的物质；真空泵3与除尘装置2的气体出口连通。

通过上述技术方案，当反应腔排出的混合废气进入到第一排气管1后，可以与通入第一排气管1中的反应介质反应生成粉尘状的物质，从而可以减少或避免气态反应物进入到真空泵3中，降低堵塞真空泵3的风险；反应后，混合废气朝向除尘装置2流动，除尘装置2可以除去混合废气中的粉尘，除尘装置2的气体出口排放出经过除尘后的气体，该气体进入到真空泵3中，真空泵3被粉尘堵塞卡死的风险小，维护周期长。因此，本申请提供的原子层沉积反应腔的排气系统具有维护周期长，堵塞风险低的有益效果。

其中，反应介质可以为臭氧。臭氧可以与三甲基铝反应生成粉尘状的氧化铝；臭氧可以与三甲基镓反应生成粉尘状的氧化镓。

为了便于描述，可以定义气态反应物从反应腔朝向真空泵流动时为正向流动，气态反应物从真空泵朝向反应腔流动时为反向流动。实际上，气态反应物与前驱气体、粉尘混合形成混合废气，三者同步运动。因此，在排气系统中，气态反应物的流动趋势和混合废气的流动方向同步。如图1中所示，箭头所示方向为混合废气的正向流动方向。

在一种可能的实现方式中，沉积反应腔的排气系统还包括可开闭的阻断装置4，阻断装置4连接在反应腔和第一排气管1之间，用于阻挡第一排气管1中的气态反应物朝向反应腔反向流动。采用该技术方案，可以在真空泵3发生故障或停机而导致第一排气管1压力增加时，启动阻断装置4，阻止混合废气返回反应腔中，降低对反应腔的不良影响，并且便于维修或更换真空泵3。

在一种可能的实施例中，阻断装置4包括管体和单向阀，单向阀安装在管体上，管体的两端分别与反应腔和第一排气管连接。这样，当真空泵3发生故障或停机，混合废气朝向反应腔反流时，单向阀可以自动阻止混合废气反流。其中，单向阀的数量可以为一个或多个，当单向阀为多个时，阻断性能更好。

在其他实施例中，阻断装置4也可以包括管体和开关阀，当真空泵3发生故障或停机时，工作人员主动关闭开关阀，以阻断反应腔和第一排气管1的连通，以便于维修或更换真空泵3。

在一种可能的实现方式中，第一排气管1包括沿气态反应物的正向流动方向依次连接的收缩段11和咽喉段12，收缩段11的内径沿气体流动方向逐渐缩小，咽喉段12各处的内径在气态反应物的正向流动方向上一致，外介质进口10位于咽喉段12。

采用该技术方案，混合废气经过收缩段11后被压缩，混合废气中气态反应物的含量密度增加，利于提高气态反应物与外介质的反应率，尽量多的消除气态反应物。这里气态反应物的反应率是指：发生反应的气态反应物相对于混合废气中所有气态反应物的占比。

其中，混合废气经过收缩段11后，流速加快，可以适当延长咽喉管的长度来提高气态反应物的反应率，还可以使外介质以过饱和状态进入咽喉管中，来提高气态反应物的反应率。咽喉段12可以为直管，以便于气态反应物与反应介质充分反应。

在一种可能的实施例中，第一排气管1还包括沿气态反应物的正向流动方向依次连接的扩散段13和尾段14，扩散段13与咽喉段12连接，扩散段13的内径沿气态反应物的正向流动方向逐渐扩大，尾段14各处的内径在气态反应物的正向流动方向上一致。采用该技术方案，一方面，混合废气从咽喉段12进入扩散段13，流速降低，粉尘浓度降低，然后再从扩散段13进入到尾段14中，在尾段14中保持稳定流速。当混合废气以稳定流速进入除尘装置2后，利于提高除尘装置2的除尘率，减少进入到真空泵3中的粉尘。另一方面，收缩段11和扩散段13设置在咽喉段12的两侧，可以使得第一排气管1的两端气压平衡，利于混合废气顺畅流动。

在一种可能的实施例中，第一排气管1还包括安装在尾段14的下侧壁上的第一集尘器15，第一集尘器15具有可打开的第一清灰口；或第一集尘器15可拆卸地安装在尾段14上。采用该技术方案的情况下，经过咽喉段12的反应和扩散段13扩散后，混合废气流速减缓，含尘量增加，容易在尾段14沉积粉尘，因此，在尾段14设置位于下侧壁的第一集尘器15来收集沉积下来的粉尘，可以减少尾段14内壁上积存的粉尘。在长时间使用后，第一集尘器15内积存了大量粉尘，需要定期打开第一清灰口清理，或将第一集尘器15拆卸下来清理，提高第一排气管1内的清洁度。

在一种示例中，尾段14可以为直圆管，以减少粉尘在尾段14中积存，且利于粉尘掉落至第一集尘器15中。

在一种可能的实现方式中，除尘装置2包括旋风分离器21，旋风分离器21具有入口、出气口和排尘口，入口与第一排气管1的出口连通，出气口与真空泵3连通，排尘口用于排放分离出的粉尘。第一排气管1排放出的气体(包括前驱气体和少量仍未与反应介质反应的气态反应物)和粉尘，被旋风分离器21分离，粉尘通过排尘口排出，气体通过出气口进入到真空泵3中，这样，进入真空泵3气体的含尘量极大减少，可以降低或避免真空泵3被粉尘堵塞的风险。

旋风分离器21的工作原理为：混合废气进入到旋风分离器21后，在装置内旋转运动，在离心力作用下，粉尘颗粒被甩向器壁，与器壁碰撞后，失去转动惯性而沿重力方向下落进入到排尘口，而气体则朝向与真空泵3连接的气压较低的出气口运动，最终进入到真空泵3中，从而实现了粉尘和气体的分离。其中，出气口和排尘口可以沿重力方向分布，以便于最大程度的将气体和粉尘分离。

需要根据第一排气管1所排放的粉尘颗粒的粒径和重量来选取旋风分离器21，以便于获得较大的而分离率。例如，选取的旋风分离器21可以分离直径为5μm以上的粉尘颗粒。第一排气管1排放的混合废气进入旋风分离器21中时的流速可以根据选取的旋风分离器21的规格确定。例如，第一排气管1排放的混合废气可以12mm/s～25mm/s的速度进入旋风分离器21中。

在一种可能的实施例中，旋风分离器21包括与排尘口连通的第二集尘器211，第二集尘器211具有可打开的第二清灰口；或第二集尘器211可拆卸地安装在旋风分离器21上。采用该技术方案的情况下，粉尘被分离后通过排尘口进入到第二集尘器211中，被集中收集，便于集中处理。在长时间使用后，第二集尘器211中可能积存了大量的粉尘，需要定期打开第二清灰口清理，或将第二集尘器211拆卸下来清理。

在一种可能的实施例中，除尘装置2还包括粉尘过滤器22和第二排气管23，第二排气管23的一端与旋风分离器21的出气口连接，另一端与真空泵3连接，粉尘过滤器22安装在第二排气管23上。采用该技术方案的情况下，可以利用粉尘过滤器22再一次过滤从旋风分离器21中排放的气体，进一步减少进入真空泵3气体的含尘量，降低或避免真空泵3被粉尘堵塞的风险。此外，经过前面的旋风分离器21分离后，进入粉尘过滤器22的粉尘量很少，这样可以降低粉尘过滤器22的更换频率。

在一种示例中，粉尘过滤器22的滤芯可以为无纺布、复膜滤纸或玻璃纤维滤纸。粉尘过滤器22的滤芯需要定期更换以保证过滤能力。

第二方面，本申请还提供一种薄膜沉积设备，该设备包括用于薄膜沉积的反应腔，和上述所有可能实现方式所描述的沉积反应腔的排气系统。基于上述排气系统具有的有益效果，本申请提供的薄膜沉积设备具有有效运行时间长，生产效率高的有益效果。

在一种可能的实现方式中，沉积反应腔可以为基于化学气相沉积技术的化学气相沉积腔、基于物理气相沉积技术的物理气相沉积腔或基于原子层沉积技术的原子层沉积腔。例如当其为原子层沉积腔时，本申请提供的排气系统可以处理从沉积腔中排放出的含有气态三甲基铝的混合废气。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种沉积反应腔的排气系统，其特征在于，包括第一排气管、除尘装置和真空泵，所述第一排气管的两端分别与所述反应腔和所述除尘装置连通，所述第一排气管的管壁开设有外介质进口，所述外介质进口用于通入反应介质，所述反应介质能够与所述第一排气管中的气态反应物发生反应而产生粉尘状的物质；所述真空泵与所述除尘装置的气体出口连通。

2.根据权利要求1所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，还包括可开闭的阻断装置，所述阻断装置连接在所述反应腔和所述第一排气管之间，用于阻挡所述第一排气管中的所述气态反应物朝向所述反应腔反向流动。

3.根据权利要求2所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述阻断装置包括管体和单向阀，所述单向阀安装在所述管体上的，所述管体的两端分别与所述反应腔和所述第一排气管连接。

4.根据权利要求1所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述第一排气管包括沿所述气态反应物的正向流动方向依次连接的收缩段和咽喉段，所述收缩段的内径沿所述气体流动方向逐渐缩小，所述咽喉段各处的内径在所述气态反应物的正向流动方向上一致，所述外介质进口位于所述咽喉段。

5.根据权利要求4所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述第一排气管还包括沿所述气态反应物的正向流动方向依次连接的扩散段和尾段，所述扩散段与所述咽喉段连接，所述扩散段的内径沿所述气态反应物的正向流动方向逐渐扩大，所述尾段各处的内径在所述气态反应物的正向流动方向上一致。

6.根据权利要求5所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述第一排气管还包括安装在所述尾段的下侧壁上的第一集尘器，所述第一集尘器具有可打开的第一清灰口；或所述第一集尘器可拆卸地安装在所述尾段上。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述除尘装置包括旋风分离器，所述旋风分离器具有入口、出气口和排尘口，所述入口与所述第一排气管的出口连通，所述出气口与所述真空泵连通，所述排尘口用于排放分离出的粉尘。

8.根据权利要求7所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述旋风分离器包括与所述排尘口连通的第二集尘器，所述第二集尘器具有可打开的第二清灰口；或所述第二集尘器可拆卸地安装在所述旋风分离器上。

9.根据权利要求7所述的沉积反应腔的排气系统，其特征在于，所述除尘装置还包括粉尘过滤器和第二排气管，所述第二排气管的一端与所述旋风分离器的出气口连接，另一端与所述真空泵连接，所述粉尘过滤器安装在所述第二排气管上。

10.一种薄膜沉积设备，其特征在于，包括用于薄膜沉积的反应腔以及权利要求1～9任一项所述的沉积反应腔的排气系统。

Images