CN202610317U - 一种在线原子层沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在线原子层沉积装置，包括基板送料系统、加工腔室、前驱物送料系统、至少一个装卸元件、提升元件、控制与检测系统、排气系统，其中所述基板送料系统将基板送入所述加工腔室，所述前驱物送料系统设置在加工腔室侧面，所述装卸元件设置于加工腔室进、出口位置，所述提升元件设置在所述加工腔室的正下方，通过加工腔室上的开槽与基板承载装置接触，所述控制与检测系统和排气系统分别与加工腔室连接。该在线原子层沉积装置可以解决装载元件和基板承载装置复杂的问题，并能够以批处理的方式实现基板表面的原子层沉积。

Description

一种在线原子层沉积装置

技术领域

本实用新型涉及一种原子层沉积装置，特别涉及一种在线原子层沉积装置。

背景技术

原子层沉积装置进行ALD反应的方法为：在一定温度下，向反应腔室中通入第一种反应前驱物使前驱物分子吸附在基板表面上形成活性剂；当前驱物的吸附达到饱和状态时，除去反应腔室中的第一种前驱物及副产物；通入第二种反应前驱物，第二种前驱物与已吸附在基板表面的活性剂即第一种前驱物发生化学反应，在基板表面生成所要制备的薄膜的单分子层并释放气态的副产物；除去反应腔室中的第二种前驱物及副产物。依次类推，通过两种或两种以上的气态前驱物交替注入反应腔室，在被加工的基板表面形成交替饱和的表面反应，从而实现原子层沉积。通过选择不同数目的生长周期可以制备不同厚度的薄膜。

一般的批处理原子层沉积装置，反应前基板被装卸元件装载于基板承载装置。该基板承载装置由机械手或其他类似装置装载于数个低压或常压反应腔室中。不同反应腔室内的基板将被同步地、顺序地或连续地施加气体前驱物。当一批基板在一个或一个以上反应腔室内被同时加工时，另一个反应腔室内的一批基板被装载入或卸载出反应腔室。在上述装置中需要相对复杂的基板装卸元件和基板承载装置，为基板的连续装载和进料带来了不便。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是如何提供一种原子层沉积装置，用于解决装载元件和基板承载装置复杂的问题，并能够以批处理的方式实现基板表面的原子层沉积。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种在线原子层沉积装置，包括基板送料系统、加工腔室、前驱物送料系统、至少一个装卸元件、提升元件、控制与检测系统和排气系统，其中所述基板送料系统将基板送入所述加工腔室中，所述前驱物送料系统设置在加工腔室的侧面，所述装卸元件设置于加工腔室的进、出口位置，所述提升元件设置在所述加工腔室的正下方，通过加工腔室上的开槽与基板承载装置接触，所述控制与检测系统和排气系统分别与加工腔室连接。

更好地，所述加工腔室包括：预热腔室、至少一个反应腔室和冷却腔室；所述预热腔室、所述反应腔室和所述冷却腔室依序连接。

更好地，所述预热腔室、反应腔室和冷却腔室都包括一个与腔室本体分离的上盖，该上盖分别与预热腔室本体、反应腔室本体和冷却腔室本体采用螺栓固定连接，所述上盖上开设有气体扩散口，并且所述上盖中间设有开槽，用于放置加热元件。

更好地，所述基板送料系统包括开有凹槽的传送带，传送带驱动机构及其附属机构，用以装载基板承载装置并使其随传送带而移动。

更好地，所述装卸元件包括一个自动控制系统、至少一个移动元件和至少一个基板承载装置，所述板承载装置上开有供放置基板用的凹槽，使基板可以在基板承载装置上呈矩阵式排布，用以容纳一个及一个以上的基板。

更好地，所述前驱物送料系统包括至少一个前驱物源容器及冲洗气体源容器。

更好地，所述在线原子层沉积装置还包括：加热系统，所述加热系统包括至少一个加热元件。

更好地，控制与检测系统，用以控制装卸元件、基板送料系统、前驱物送料系统和加热系统的动作，并实时检测基板的ALD反应状态。

(三)有益效果

避免使用结构复杂的基片承载装置及装卸元件；脉冲式间歇性进料使得基片装卸元件结构简单，且使得基片装卸过程更易于实现；同时，数个顺序排列的原子层沉积反应腔室共用一套基板送料系统、前驱物进料系统、装卸元件及控制与检测系统，可以减少装置中的配置；每一个基板在基板承载装置上呈矩阵排布，可以在多个反应腔室中同时加工不同的基板；基板承载装置由装卸元件装载入基板送料系统，并由基板送料系统送入各个腔室，在各腔室中，由提升元件提升基板承载装置的位置，并与腔室上盖之间形成密闭反应室，这使得预热、反应和冷却腔室的实际应用空间狭小，而狭小的预热和冷却空间可以缩短预热和冷却所需要的时间，狭小的反应空间结构可以增加气体注入的均匀性，提高基板的加工质量，还可以缩短冲洗时间，提高基板的生产效率。

附图说明

图1为本实用新型在线原子层沉积装置的各腔室的布置示意图；

图2为本实用新型在线原子层沉积装置的示意图；

图3为本实用新型在线原子层沉积装置的地面布置示意图；

图4为本实用新型在线原子层沉积装置反应腔室的结构示意图；

图5为本实用新型在线原子层沉积装置各腔室上盖与基板承载装置形成的密闭反应室内气体流向的示意图；

图6为本实用新型装置的前驱物送料系统气路走向示意图。

具体实施方式

下下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

一种在线原子层沉积装置，包括基板送料系统1、加工腔室456、前驱物送料系统13、至少一个装卸元件7、提升元件19、控制与检测系统12、排气系统9、11。

其中所述加工腔室456包括：预热腔室4、至少一个反应腔室5和冷却腔室6，所述预热腔室4、所述反应腔室5和所述冷却腔室6依序连接。所述预热腔室4，用于将承载于基板承载装置2上的基板3加热到ALD反应所需要的温度。所述反应腔室5，用于实现ALD反应，使得基板3的覆膜达到所需要的厚度；另外，所述下反应腔室5部有开槽，用于使提升元件19穿过腔室本体对基板承载装置2的位置进行提升。所述冷却腔室6，用于将完成全部ALD反应的基板3冷却到室温。

所述基板送料系统1，用于将承载了基板3的基板承载装置2顺序送入预热腔室4、各反应腔室5和冷却腔室6；另外，该基板送料系统1包括开有凹槽的传送带，传送带驱动机构及其附属机构，用以装载基板承载装置2并使其随传送带而移动。

所述前驱物送料系统13设置在加工腔室456侧面，其包括一个或一个以上的前驱物源容器及冲洗气体源容器，如气体容器、起泡器等，并采用导管引导气体前驱物进入反应腔室5。前驱物在前驱物源容器内可以气体、液体或固体的形式存在，但最终以气体的形式被注入反应腔室5。所述前驱物送料系统13的前驱物源容器、冲洗气体源容器以及抽取元件可被共用于部分或所有的反应腔室5。具体地说：所述前驱物送料系统13向各个不同的反应腔室5同步地以precursor1→purge→precursor2→purge的方式交替注入不同的反应前驱物和冲洗气体，以实现基板3在各反应腔室5中同步地发生ALD反应。同时，所述前驱物送料系统13的抽气元件将反应腔室5中残余的反应前驱物气体和冲洗气体从反应腔室5抽除，排入排气系统9、11。所述排气系统9、11排出的有害气体通过所述尾气处理系统进行处理后，成为无污染气体，且可直接排入大气。

所述装卸元件7，包括一个自动控制系统、至少一个移动元件和至少一个基板承载装置2，该装卸元件7用于移动基板3在基板承载装置2上装卸，并用于移动基板承载装置2在基板送料系统1中装卸，所述装卸元件7设置于加工腔室456进、出口的位置，具体位置为：预热腔室4之前和冷却腔室6之后。。所述板承载装置2上开有供放置基板3用的凹槽，使基板3可以在基板承载装置2上呈矩阵式排布，用以容纳一个及一个以上的基板3。

所述提升元件19设置在所述加工腔室456的正下方，通过加工腔室456上的开槽与基板承载装置2接触，用于提升基板承载装置2的位置。

所述控制与检测系统12和排气系统9、11分别与加工腔室456连接。

所述预热腔室4、反应腔室5和冷却腔室6都包括一个与腔室本体分离的上盖18，两路气体前驱物进气口17，一路出气16。所述上盖18分别与预热腔室4本体、反应腔室5本体和冷却腔室6本体采用螺栓固定连接，且能够与被提升元件19提升位置后的基板承载装置2形成密闭空间，成为反应室的一部分。所述两路前驱物进气口17和出气口16分别位于反应腔室5顶面的左右两端。所述上盖18上开有气体扩散口，并且所述上盖18中间设有开槽，用于放置加热元件。所述在线原子层沉积装置还包括：加热系统，所述加热系统包括至少一个加热元件，用以加热预热腔室4中的基板3到反应需要的温度，并在各反应腔室5中维持基板3在反应需要的温度。预热腔室4和每一个反应腔室5包括分离的加热元件，即各自包含独立的加热元件，各个独立的加热元件共同组成加热系统的一部分。

所述控制与检测系统12，用以控制装卸元件7、基板送料系统1、前驱物送料系统13和加热系统的动作，并实时检测基板3的ALD反应状态。

如图6所示，本发明装置的气路走向为：

预热阶段：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC02、气动阀v5、氮气加热器GH，进入预热腔室4，完成预热后被抽出预热腔室4。

冷却阶段：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC01、气动阀v2进入冷却腔室6，实现冷却后被抽出冷却腔室6。

工艺过程：(1)通入第一种前驱物：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC03、气动阀v11进入第一种前驱物的源容器，在氮气中携带第一种前驱物，然后流经气动阀v12、v13进入反应腔室5，然后被抽出反应腔室5。

(2)冲洗第一种前驱物：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC05、气动阀v10进入反应腔室5，然后被抽出反应腔室5。

(3)通入第二种前驱物：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC04、气动阀v7进入第二种前驱物的源容器，在氮气中携带第二种前驱物，然后流经气动阀v8、v9进入反应腔室5，然后被抽出反应腔室5。

(4)冲洗第二种前驱物：氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC05、气动阀v10进入反应腔室5，然后被抽出反应腔室5。

在不需要预热时，氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC02、气动阀v5、氮气加热器GH后可经由气动阀v6和v4走旁路排出系统；在不需要冷却时，氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC01、气动阀v2后可经由气动阀v3和v4走旁路排出系统；在不需要冲洗前驱物时，氮气经过手动阀和过滤器GF后流经MFC05、气动阀v10、v15和v17走旁路排出系统。

工作原理：待加工的基板3被所述装卸元件7装载于基板承载装置2，并被进一步装载到所述基板送料系统1，由所述基板送料系统1送入所述预热腔室4，在预热腔室4中，所述加热系统受所述控制与检测系统12控制，将基板3加热到反应需要的温度。在各反应腔室5中，加热系统受所述控制与检测系统12控制，维持基板3在反应需要的温度。所述基板送料系统1继续将预热后的基板3送入顺序排列的第一个反应腔室5，在该第一反应腔室5中进行第一次ALD反应；其中，提升元件19在一次ALD反应中有两次动作。当所述基板送料系统将基板承载装置2送至各腔室内对应位置时，所述提升元件19动作，提升基板承载装置2的位置，使基板承载装置2与腔室的上盖18形成密闭的反应室。所述前驱物送料系统13交替地向该密闭的反应腔室5送入不同的反应前驱物气体和冲洗气体。所述排气系统9，11从该反应腔室5中排出参与反应气体、冲洗气体及副产物。在该反应腔室5中，基板3完成包含数个ALD周期的ALD反应后，所述提升元件19再次动作，降低基板承载装置2，使基板承载装置2重新装载到所述基板送料系统1。所述基板送料系统1将该基板承载装置2送入下一腔室。

反应完成后，再次由所述基板送料系统1将基板3送入顺序排列的第二个反应腔室5，进行第二次ALD反应。依此类推，直至该基板3通过所有的顺序排列的反应腔室5完成各次ALD反应，覆盖层薄膜厚度达到所需要求。由所述基板送料系统1将加工完成的基板3送入所述冷却腔室6冷却，并将冷却完成后的基板3送出。所述装卸元件7从所述基板送料系统1上卸载冷却后的基板承载装置2，并进一步地卸载基板3。当第一个基板承载装置2被送入第一个反应腔室5时，第二个基板承载装置2被送入所述预热腔室4预热。第一个基板承载装置2上的基板3在第一个反应腔室5内完成ALD反应后，第一个基板承载装置2被送入第二个反应腔室5进行ALD反应。同时，第二个基板承载装置2上的基板3完成预热，第二个基板承载装置2被送入第一个反应腔室5进行ALD反应。依此类推，当第一个基板承载装置2顺序通过了所有的n个反应腔室5，上面的基板3完成了全部ALD反应，覆盖层薄膜厚度达到所需要求时，由所述基板送料系统1将加工完成后的基板3送入所述冷却腔室6冷却。此时，第二个、第三个、第四个、……、第n个、第n+1个基板承载装置2由所述基板送料系统1依此送入第n个、第n-1个、第n-2个、……、第二个、第一个反应腔室5，第n+2个基板承载装置2由基板送料系统1送入预热腔室4。一般地，当第N个基板承载装置2上的基板3完成了全部ALD反应，由所述基板送料系统1将加工完成后的基板3送入所述冷却腔室6冷却时，第N+1个、第N+2个、第N+3个、……第N+n-1个、第N+n个基板承载装置2由所述基板送料系统1依此送入第n个、第n-1个、第n-2个、……、第二个、第一个反应腔室5，第N+n+1个基板承载装置2由基板送料系统1送入预热腔室4。

另外，应用于常压ALD反应时，所述排气系统9，11可以采用普通风机抽气，或者只采用惰性气体冲洗，不采用排气系统9，11。应用于低压ALD反应时，所述排气系统可以包含真空元件，所述真空元件包括真空泵9、真空阀、真空管路11等，用于为反应室提供低压环境。

所述尾气处理系统在净化少量有害气体时采用活性碳吸附，在净化大量有害气体时可采用吸附法、水浴法、盐浴法或其他方法。具体方法根据所用化学物的性质而定。

实施例1

参见图1～5所示，该实用新型应用于光伏领域，在低压下为尺寸为156×156mm²的太阳能板基板淀积厚度为15nm的三氧化二铝钝化薄膜。该装置包括一个预热腔室4、五个顺序排列的ALD反应腔室5、一个冷却腔室6、一套基板送料系统1、前驱物送料系统13、加热系统、装卸元件7、提升元件19、控制与检测系统12、真空泵9、真空管道11、电气柜8以及尾气处理系统。在图1中，五个反应腔室在预热腔室和冷却腔室之间顺序排列。反应前驱物选用TMA和H₂O或O₃。冲洗气体为N₂。

基板送料系统1、装卸元件7、加热系统、尾气处理系统及控制与检测系统12由所有腔室共用。每个腔室包含各自的提升元件19和前驱物送料系统13。基板3被装载于基板承载装置2，并在基板承载装置2上呈5×5的矩阵排布。基板承载装置2被进一步装载到基板送料系统1，被送入预热腔室4。提升元件19提升基板承载装置2的位置，使之与预热腔室2的上盖形成密闭的反应室。控制系统12控制加热系统对基板3进行预热，使之达到ALD反应需要的温度200℃。预热腔室4中采用热氮气对基板进行加热。加热系统中包含氮气加热器，可将氮气温度加热至500℃，从而用于预热腔室4中对基板的加热。基板3温度达到200℃后，提升元件19降低基板承载装置2的位置，使之重新装载于基板送料系统1上。基板送料系统1将预热后的基板送入第一个反应腔室。提升元件19提升基板承载装置2的位置，使之与第一个反应腔室5的上盖形成密闭的反应室。控制与检测系统12控制加热系统维持基板温度在200℃，同时控制前驱物送料系统13向反应室中交替地注入TMA→N₂→H₂O或O₃→N₂。在第一个反应腔室5中，基板3完成30个工艺周期的ALD反应，生成厚度为3nm的三氧化二铝覆膜。反应结束后，提升元件19降低基板承载装置2的位置，使之再次重新装载于基板送料系统1上。基板送料系统1将完成第一次ALD反应的基板3送入第二个反应腔室。依此类推，基板3完成第五次ALD反应，表面覆膜厚度达到15nm。基板送料系统1将完成第五次ALD反应的基板3送入冷却腔室。提升元件19提升基板承载装置2的位置，使之与冷却腔室6的上盖形成密闭的反应室。控制与检测系统12控制前驱物送料系统13向密闭反应室中注入N₂，从而使基板3温度降至室温。提升元件19降低基板承载装置2的位置，将其重新装载于基板送料系统1上。冷却后的基板3由基板送料系统1送出冷却腔室6，并由装卸元件19卸载。

在基板承载系统2与各腔室上盖形成密闭反应室时，真空泵9通过真空管道11对该密闭反应室进行抽真空，提供低压环境，增加气体扩散的均匀性，同时将反应腔室5中残留的TMA、H₂O或O₃和N₂通过真空管道11抽入排气系统。排气系统排出气体在尾气处理系统中，采用水浴法去除其中的污染物TMA，然后直接排入大气。

实施例2

一种原子层沉积装置，其与实施例1不同之处在于，不包含真空泵9和真空管道11，而安装有风机，对基板承载系统2与各腔室上盖18形成密闭反应室进行抽气。此装置用于常压下采用ALD方法为156×156mm²的太阳能板基板淀积15nm的三氧化二铝钝化薄膜。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种在线原子层沉积装置，其特征在于，包括基板送料系统、加工腔室、前驱物送料系统、至少一个装卸元件、提升元件、控制与检测系统和排气系统，其中所述基板送料系统将基板送入所述加工腔室中，所述前驱物送料系统设置在加工腔室的侧面，所述装卸元件设置于加工腔室的进、出口位置，所述提升元件设置在所述加工腔室的正下方，通过加工腔室上的开槽与基板承载装置接触，所述控制与检测系统和排气系统分别与加工腔室连接。

2.如权利要求1所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述加工腔室包括：预热腔室、至少一个反应腔室和冷却腔室；所述预热腔室、所述反应腔室和所述冷却腔室依序连接。

3.如权利要求2所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述预热腔室、反应腔室和冷却腔室都包括一个与腔室本体分离的上盖，该上盖分别与预热腔室本体、反应腔室本体和冷却腔室本体采用螺栓固定连接，所述上盖上开设有气体扩散口，并且所述上盖中间设有开槽，用于放置加热元件。

4.如权利要求1所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述基板送料系统包括开有凹槽的传送带，传送带驱动机构及其附属机构，用以装载基板承载装置并使其随传送带而移动。

5.如权利要求1所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述装卸元件包括一个自动控制系统、至少一个移动元件和至少一个基板承载装置，所述板承载装置上开有供放置基板用的凹槽，使基板可以在基板承载装置上呈矩阵式排布，用以容纳一个及一个以上的基板。

6.如权利要求1所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述前驱物送料系统包括至少一个前驱物源容器及冲洗气体源容器。

7.如权利要求1-6任意一项所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，所述在线原子层沉积装置还包括：加热系统，所述加热系统包括至少一个加热元件。

8.如权利要求7所述的在线原子层沉积装置，其特征在于，控制与检测系统，用以控制装卸元件、基板送料系统、前驱物送料系统和加热系统的动作，并实时检测基板的ALD反应状态。

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