CN114875385A - 一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种沉积设备的新型结构设计，特别涉及一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置，通过两个反应仓的结构设计大大提高原子层沉积的反应效果；包括外反应仓、内反应仓和气源控制系统；所述外反应仓前方设有可开合仓门，外反应仓的侧壁上设有用于机械臂通过进料口，外反应仓上还设有用于气源控制系统进气的多个气路；外反应仓内壁上设有用于控制反应环境温度的加热器；内反应仓通过立柱若干安装在外反应仓内，内反应仓上设有反应气体进气口和反应气体出气口；反应气体进气口和反应气体出气口也分别与气源控制系统连接；还包括上料机构和上料盘，所述上料机构安装在外反应仓上且穿过反应仓与上料盘连接，上料盘可与内反应仓卡和。
Description
技术领域
本发明涉及一种沉积设备的新型结构设计，特别涉及一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置。
背景技术
原子层沉积作为一种特殊的化学气相沉积技术，制备的涂层具有多种优点。原子层沉积技术也逐渐成为微电子器件制造及半导体领域的必要技术，但就目前的原子层沉积装置的设计方式而言，主要是通过建立一个密闭反应腔，通过将待反应的原材料放入反应腔内保持密闭后，再对反应腔进行加温并通入反应气体，在保持一定的反应温度、反应气体的浓度以及反应气体的流速的条件下，进行稳定有效的原子层沉积。
但就目前的结构设计而言，由于待反应的材料取放需频繁的将反应腔打开，使其反应环境暴露于室外，所以反应腔内的沉积反应条件波动性较高，进而使原子层沉积的效果不一，所以如何设计一种原子层沉积反应装置使原子层沉积反应中可以更加精确的控制沉积温度稳定性，沉积气体浓度稳定性等一系列反应条件的，使产品在进行原子层沉积后的性能更加稳定可控是迫切需要解决的技术难题。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置，通过两个反应仓的结构设计大大提高原子层沉积的反应效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置，包括外反应仓、内反应仓和气源控制系统；
所述外反应仓前方设有可开合仓门，外反应仓的侧壁上设有用于机械臂通过进料口，
外反应仓上还设有用于气源控制系统进气的多个气路；
外反应仓内壁上设有用于控制反应环境温度的加热器；
内反应仓通过立柱若干安装在外反应仓内，内反应仓上设有反应气体进气口和反应气体出气口；
反应气体进气口和反应气体出气口也分别与气源控制系统连接；
还包括上料机构和上料盘，所述上料机构安装在外反应仓上且穿过反应仓与上料盘连接，上料盘可与内反应仓卡和。
作为优选，所述内反应仓包括内反应仓盖板和内反应仓基板，内反应仓盖板边缘设有环形凹槽，内反应仓基板边缘设有环形凸起，内反应仓盖板和内反应仓基板卡和，内反应仓基板通过环形凸起与内反应仓盖板的环形凹槽相抵；内反应仓材质均为铝合金且表面经过阳极氧化处理。
作为优选，所述内反应仓基板的边缘还设有环形布气孔，环形布气孔分别与反应气体进气口和反应气体出气口连通。
作为优选，所述上料机构包括伸缩机构一、上料底座、连接柱一和伸缩机构二，伸缩机构一的固定端与外反应仓底部连接，伸缩机构一的伸缩端与上料底座连接，连接柱一穿过外反应仓的底部且一端与上料底座连接，另一端与上料盘连接。
作为优选，还包括上料盘基板，上料盘基板通过螺栓与上料盘连接且存在间隙，连接柱一与上料盘基板连接。
作为优选，还包括伸缩机构二、连接杆和顶杆，上料盘上设有含倒角台阶的通孔，顶杆设在上料盘基板与上料盘的间隙处且通过通孔与上料盘滑动配合，顶杆还与连接杆的一端连接，连接杆的另一端与伸缩机构二的伸缩端连接，所述伸缩机构二的固定端安装在上料底座上。
作为优选，还包括密封件和焊接波纹管，所述焊接波纹管的一端与上料底座密封连接，密封件安装在外反应仓底部，焊接波纹管的另一端与密封件密封连接。
作为优选，所述上料盘的中间设有用于摆放反应材料的样品台，所述上料盘的边缘设有用于提高密封性能的弧形结构。
作为优选，所述伸缩机构二的伸缩端通过弹簧二与连接杆连接。
作为优选，所述上料盘上还设有加热器二，所述加热器位于样品台处。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：通过外反应仓注入反应气体且营造反应温度，从而使内反应仓进行上料和下料时，可以降低内反应仓的温度波动和反应气体浓度变化，同时在内反应仓进行原子层沉积时，内反应仓和外反应仓之间保证气密性和降低温差，进一步保证反应的精确可控，顶杆的设计更加便于反应材料的脱离，内反应仓以及上料盘之间的密封设计和隔热设计使内反应仓的反应环境参数控制更加精确稳定且可控性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的外反应仓的结构示意图；
图3为本发明的内反应仓的结构示意图；
图4为本发明的内反应仓的剖视图；
图5为本发明的上料盘和上料机构的结构示意图；
图6为本发明的内反应仓基板的结构示意图；
图7为本发明的生产流程示意图。
附图标记：1、外反应仓；2、内反应仓；3、气源控制系统；4、仓门；5、进料口；6、气路；7、加热器；8、立柱；9、反应气体进气口；10、反应气体出气口；11、上料机构；12、上料盘；13、内反应仓盖板；14、内反应仓基板；15、环形凹槽；16、环形凸起；17、环形布气孔；18、伸缩机构一；19、上料底座；20、连接柱一；21、伸缩机构二；22、上料盘基板；24、连接杆；25、顶杆；26、通孔；27、密封件；28、焊接波纹管；29、样品台；30、弧形结构；32、观察窗；33、加热器二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置，包括外反应仓1、内反应仓2和气源控制系统3；所述外反应仓1上设有可开合仓门4，外反应仓1的侧壁上设有用于机械臂通过进料口5，外反应仓1上还设有用于气源控制系统进气的多个气路6；气路6分别含有气源入口一：用于通入反应源，比如水；气源入口二：用于通入前驱体源，比如三甲基铝；气源入口一和气源入口二处均设有压力计；外腔载气入口：用以通入载气以稳定外反应仓的压力，外反应仓载气入口处分别串接流量计、压力计以及手动调节阀门，流量计的流量在100-1000sccm，控制到外反应仓1和内反应仓2的压力在200-1000Pa；以及外反应仓1的压力监控入口；以及抽气口若干，分别为外反应仓1和内反应仓2抽气，保持进气和抽气量平衡状态，在保持一定的外腔压力的同时，不对内腔的外环境产生干扰，比如气流和加热。
外反应仓1内壁上设有用于控制反应环境温度的加热器7；内反应仓2通过立柱8若干安装在外反应仓1内，立柱8的作用是保持内反应仓2的上部分保持水平状态，否则在升降过程中，内腔无法有效保持密封；内反应仓2上设有反应气体进气口9和反应气体出气口10；反应气体进气口9和反应气体出气口10也分别与气源控制系统3连接；还包括上料机构11和上料盘12，所述上料机构11安装在外反应仓上且穿过反应仓与上料盘12连接，上料盘12可与内反应仓2卡和。所述内反应仓2包括内反应仓盖板13和内反应仓基板14，内反应仓盖板13边缘设有环形凹槽15，内反应仓基板14边缘设有环形凸起16，内反应仓盖板13和内反应仓基板14卡和，内反应仓基板14通过环形凸起16与内反应仓盖板13的环形凹槽15相抵；所述内反应仓基板14的边缘还设有环形布气孔17，环形布气孔17分别与反应气体进气口9和反应气体出气口10连通。
所述上料机构11包括伸缩机构一18、上料底座19、连接柱一20和伸缩机构二21，伸缩机构一18的固定端与外反应仓1底部连接，伸缩机构一18的伸缩端与上料底座19连接，连接柱一20穿过外反应仓1的底部且一端与上料底座19连接，另一端与上料盘12连接；还包括上料盘基板22，上料盘基板22通过螺栓与上料盘12连接且存在间隙，连接柱一20与上料盘基板22连接；还包括伸缩机构二21、连接杆24和顶杆25，上料盘12上设有通孔26，通孔26边缘设有倒角台阶的，顶杆25的顶部设有与倒角凸台配合密封的形状，这个顶杆25合上刚好保持密封状态，反应源不能从通孔26漏出；顶杆25设在上料盘基板22与上料盘12的间隙处且通过通孔26与上料盘12滑动配合，顶杆25还与连接杆24的一端连接，连接杆24的另一端与伸缩机构二21的伸缩端连接，所述伸缩机构二21的固定端安装在上料底座19上；还包括密封件27和焊接波纹管28，所述焊接波纹管28的一端与上料底座19相抵，密封件27安装在外反应仓1底部，焊接波纹管28的另一端与密封件27相抵。
所述上料盘12的中间设有用于摆放反应材料的样品台29，可用于放置4英寸、8英寸、12英寸的硅片，凹陷的深度1-10mm，一般深度为3mm；所述上料盘12的边缘设有用于提高密封性能的弧形结构30；弧形结构30与内反应仓基板的弧形边缘是配合结构，但需预留一定的间隙，材料在加热状态会有一定膨胀，为确保样品台可以顺利的退下来，一般间隙范围为0.1-1mm；所述伸缩机构二21的伸缩端与连接杆24连接；所述上料盘12上还设有加热器二33，所述加热器二33位于样品台29处；所述外反应仓1上还设有观察窗32。
结合图7的流程图，本发明在进行原子层沉积时先进样品，上料机构11中的伸缩机构一18带动上料底座19向下运动，从而使得上料盘12下移，此时进料口5打开，机械臂夹取待反应基材放在上料盘12的样品台29处，此时伸缩机构二21通过连接杆24带动顶杆25相对于上料盘12向下运动，使上料盘12的样品台29处于平整状态，当待反应基材稳定放入上料盘12后，机械臂远离进料口5，仓门4也保持关闭状态，再对外反应仓1及内反应仓抽真空，伸缩机构一18再次启动使上料底座19带动连接柱一20连通上料盘基板22和上料盘12一同向上运动，使上料盘12通过弧形结构30与内反应仓盖板13相抵，从而使得内反应仓2处于密封状态，当内反应仓2进入关闭状态时，外反应仓1内的加热器7对外反应仓1中的环境进行加温，上料盘12上的加热器二33进行加热，使得内反应仓2的内环境温度处于稳态，反应气体进气口9通过环形布气孔17进行供气，反应气体出气口10通过部分环形布气孔17进行气体抽离，使得内反应仓2内的反映气体保持稳定气流供应，外反应仓1中通过载气，调节载气的流量以及抽气的量调节内外保持稳定的压差，此时内反应仓2的温度以及气流均处于稳定状态。一种前驱体，比如三甲基铝由独立的源入口通过环形气孔17匀气后均匀的在基底上吸附沉积，多余的前驱体源以及副产物通过环形气孔17进行气体抽离，然后另外一种前驱体源，比如水由其他的源入口通过通过环形气孔17匀气后均匀的在基底上吸附沉积，多余的前驱体源以及副产物通过环形气孔17进行气体抽离，如此反复沉积至需要厚度的薄膜。
内反应仓基板14与内反应仓盖板13通过环形凹槽15和环形凸起16保持密封，该密封性能可以有效的保持较好的气密性的同时，内反应仓2和外反应仓1之间的热量仍然可以有效传导，当完成原子层沉积反应后，伸缩机构一18再次带动上料盘12下降使上料盘12远离内反应仓2，此时进料口5打开，伸缩机构二21通过连接杆24带动顶杆25向上顶起，从而使待反应基材从上料盘12上顶起，进一步便于待反应基材取下，当基材从外反应仓1中取出后，机械臂再次将待反应的基材送入外反应仓1中，重复上述步骤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，包括外反应仓(1)、内反应仓(2)和气源控制系统(3)；
所述外反应仓(1)前方设有可开合仓门(4)，外反应仓(1)的侧壁上设有用于机械臂通过进料口(5)，
外反应仓(1)上还设有用于气源控制系统进气的多个气路(6)；
外反应仓(1)内壁上设有用于控制反应环境温度的加热器(7)；
内反应仓(2)通过立柱(8)若干安装在外反应仓(1)内，内反应仓(2)上设有反应气体进气口(9)和反应气体出气口(10)；
反应气体进气口(9)和反应气体出气口(10)也分别与气源控制系统(3)连接；
还包括上料机构(11)和上料盘(12)，所述上料机构(11)安装在外反应仓上且穿过反应仓与上料盘(12)连接，上料盘(12)可与内反应仓(2)卡和。
2.根据权利要求1所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述内反应仓(2)包括内反应仓盖板(13)和内反应仓基板(14)，内反应仓盖板(13)边缘设有环形凹槽(15)，内反应仓基板(14)边缘设有环形凸起(16)，内反应仓盖板(13)和内反应仓基板(14)卡和，内反应仓基板(14)通过环形凸起(16)与内反应仓盖板(13)的环形凹槽(15)相抵；内反应仓(2)材质均为铝合金且表面经过阳极氧化处理。
3.根据权利要求2所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述内反应仓基板(14)的边缘还设有环形布气孔(17)，环形布气孔(17)分别与反应气体进气口(9)和反应气体出气口(10)连通。
4.根据权利要求1所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述上料机构(11)包括伸缩机构一(18)、上料底座(19)、连接柱一(20)和伸缩机构二(21)，伸缩机构一(18)的固定端与外反应仓(1)底部连接，伸缩机构一(18)的伸缩端与上料底座(19)连接，连接柱一(20)穿过外反应仓(1)的底部且一端与上料底座(19)连接，另一端与上料盘(12)连接。
5.根据权利要求4所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，还包括上料盘基板(22)，上料盘基板(22)通过螺栓与上料盘(12)连接且存在间隙，连接柱一(20)与上料盘基板(22)连接。
6.根据权利要求5所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，还包括伸缩机构二(21)、连接杆(24)和顶杆(25)，上料盘(12)上设有含倒角台阶的通孔(26)，顶杆(25)设在上料盘基板(22)与上料盘(12)的间隙处且通过通孔(26)与上料盘(12)滑动配合，顶杆(25)还与连接杆(24)的一端连接，连接杆(24)的另一端与伸缩机构二(21)的伸缩端连接，顶杆(25)可与通孔(26)保持密封，所述伸缩机构二(21)的固定端安装在上料底座(19)上。
7.根据权利要求6所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，还包括密封件(27)和焊接波纹管(28)，所述焊接波纹管(28)的一端与上料底座(19)密封连接，密封件(27)安装在外反应仓(1)底部，焊接波纹管(28)的另一端与密封件(27)密封连接。
8.根据权利要求1所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述上料盘(12)的中间设有用于摆放反应材料的样品台(29)，所述上料盘(12)的边缘设有用于提高密封性能的弧形结构(30)。
9.根据权利要求6所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述伸缩机构二(21)的伸缩端与连接杆(24)连接。
10.根据权利要求8所述的新型双层腔室的原子层沉积反应装置，其特征在于，所述上料盘(12)上还设有加热器二(33)，所述加热器二(33)位于样品台(29)处。
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