CN207933525U - 一种真空反应装置及反应腔 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种真空反应装置，反应腔外设有加热器；反应腔内放置载具，所述载具导电并与反应腔内的其他部分绝缘，所述载具为至少一组平行排列的平板，两相邻的平板分别接等离子体电源的两极；设有多组平行排列的平板时，平行平板通过导电元件交替相互连接并引出真空腔体外，分别接等离子体电源的两极；所述反应腔一端设出气口，出气口连真空泵，另一端设进气口，进气口连接气源。真空反应装置既可以进行等离子体增强原子层沉积反应又可以进行等离子体增强化学气相沉积反应。本实用新型中采用绝缘的管式炉体和可承载大批量硅片的载具，可使载具上这些硅片一次同时处理，同时保持所镀薄膜的片内、片间和批间具有较高的厚度均匀性。
Description
技术领域
本实用新型属于薄膜材料真空制备，具体涉及到等离子体增强原子层沉积设备和等离子体增强化学气相沉积设备及其反应方法。
背景技术
等离子体增强原子层沉积(plasma-enhanced atomic layer deposition，PEALD)有异名如下：等离子体辅助原子层沉积(plasma-assisted atomic layerdeposition，PAALD)，等离子体原子层沉积(plasma atomic layer deposition， plasmaALD)或基团增强原子层沉积(radical-enhanced atomic layer deposition，radical-enhanced ALD)。因为历史原因而命名不同，但处理硅片的工艺方式实际完全相同，是同一种方法。本文采用PEALD名称，但是专利应涵盖其他名称。
ALD是指原子层沉积，CVD是指化学气相沉积。
等离子体增强原子层沉积(PEALD)真空镀膜技术已经广泛应用于半导体及光伏领域，可沉积多种半导体或金属薄膜，并精确控制薄膜到亚纳米级别。等离子体电源的使用使得PEALD技术所沉积的薄膜具有多变的材料性能，可用于各种场合。目前，PEALD设备仅限于小尺寸设备，一次仅能处理1片或若干片硅片，限制了产能提高了制备成本。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型公开了一种真空反应装置及其方法。
一、真空反应装置的技术方案如下：
一种真空反应装置，反应腔外设有加热器，优选的加热器为电阻丝加热器，电阻丝加热器加热反应腔，热辐射加热炉内载具上的硅片，以控制薄膜沉积时硅片表面温度；反应腔内放置载具，所述载具导电并与反应腔内的其他部分绝缘，所述载具为至少一组平行排列的平板，相邻的平板分别接等离子体电源的两极，平行平板设有多组时，平行平板交替相互连接并引出反应腔外，奇数平板互连成为一个电极，偶数平板互连成为另一个电极，两个电极由导线引出到反应腔外部，分别接等离子体电源的两极。
平行平板连接的优选技术方案为，所有的平行平板由绝缘的直杆在平板的四个顶角的位置垂直贯穿连接，相邻的平板由穿在直杆上的绝缘垫片隔离，交替的平板在平板的一端由导电材料互连。
这组平行平板的表面可上放置待镀膜的片状物料，如硅片，每个平板的两侧可以分别放置一个硅片，平板可以做的比较宽，使得一个平板表面可以承载多个硅片在同一平面。
反应腔一端设出气口，出气口连真空泵，真空泵对反应腔抽真空，保持腔体内的真空度，另一端设进气口，进气口连接气源。
真空反应装置的反应腔既可以应用于等离子体增强原子层沉积反应，又可以应用于等离子体增强化学气相沉积反应。本实用新型的反应腔的技术方案是真空反应装置原子层沉积和化学气相沉积的相互兼容的设备，既可以在反应腔内发生原子层沉积镀膜，又可以在反应腔内发生化学气相沉积镀膜。
所述气源包括反应气、化学源蒸汽、载气；上述气体与进气口连接的方式可以有多种，(此处气体连接指的是盛放气体的容器、管道以及控制阀门与进气口的连接，为了陈述方便简称气体与进气口的连接)，不同的镀膜反应需要不同的反应气，化学源；不同的镀膜反应可能需要几种反应气或者不同的镀膜反应需要几种化学源，在实际反应中需要根据需求进行调整：
(1)所述反应气、化学源蒸汽、载气分别与进气口连接；
(2)化学源蒸汽、反应气体分别与进气口连接；载气连接化学源蒸汽，载气携带化学源蒸汽进入反应腔；
(3)所述反应气、化学源蒸汽、载气分别与进气口连接，同时载气与化学源蒸汽连接；部分载气携带化学源蒸汽进入反应腔，部分载气直接进入反应腔。
反应腔的进气口与化学源之间设有第一阀门；化学源与载气之间设有第二阀门；反应腔的气体进气口与载气之间设有第三阀门；所述反应腔的气体进气口与反应气体一之间第四阀门；所述反应腔的气体进气口与反应气体二通过第五阀门连接。以上给出最基本的化学源、载气及反应气体的设置，具体到各个工艺中，可以根据工艺设置不同的化学源、载气及反应气体以及各自的数量。
本技术方案的真空反应装置的反应腔内，既可以进行原子层沉积反应，作为原子层沉积设备，又可以进行化学气相沉积反应，作为气相沉积设备；而现有技术中，原子层沉积设备与化学气相沉积设备并不能实现通用。
二、等离子体增强原子层沉积反应的方法如下：
所述沉积方法由若干个完全相同的循环组合而成，每个循环保证所沉积薄膜材料的一层原子层，控制循环数量可以精确控制薄膜厚度；
在每个循环中，分为四个步骤：
步骤1，打开第一阀门和第二阀门，令载气流经化学源进入反应腔，控制化学源进入腔体时间(化学源脉冲时间)；
步骤2，关闭第一阀门和第二阀门，开第三阀门，载气吹扫反应腔；
步骤3，打开第四阀门和/或第五阀门通入反应气，随后打开等离子体电源进行处理；
步骤4，关闭等离子体电源，打开第三阀门，载气吹扫反应腔。
载气有两种载入化学源的方式：当第一阀门和第二阀门开放时，通过控制第三阀门，载气可以全部进入化学源再进入反应腔，也可以部分进入化学源而另一部分直接进入反应腔。
化学源进入反应腔的方式分为三种：
(1)打开第一阀门，化学源进入反应腔，该种方式进入反应腔是纯化学源蒸气，没有载气参与，化学源浓度最高；
(2)打开第一阀门和第二阀门，载气进入化学源，载气带化学源进入反应腔，该种方式载气携带化学源蒸气进入反应腔，且载气全部进入化学源；
(3)开第一阀门、第二阀门和第三阀门，载气部分携带化学源进入反应腔或者载气直接通过第三阀门进入反应腔，该种方式也是载气携带化学源蒸气进入反应腔，但是载气仅部分进入化学源，还有部分载气直接进入腔体。
化学源进入反应腔反应，并通过载气吹扫后，第四阀门和第五阀门打开，反应气体一和反应气体二进入反应腔，打开等离子体电源，载具的两平行板之间产生等离子体，激发反应气和硅片表面膜层的化学反应。
三、等离子体增强化学气相沉积反应的方法如下：
同时或分别将化学源和反应气体通入反应腔，并开启等离子体电源生成等离子体；可以部分化学源或反应气体先通入反应腔，并开启等离子体电源生成等离子体，再将其他化学源或反应气体通入反应腔。保持打开相应的阀门，维持化学源、反应气体不断进入反应腔，并保持等离子体电源持续开启保证等离子体在平行载具间持续存在，控制等离子体电源的开启时间，可以控制薄膜厚度。
整个反应循环过程中第四阀门和第五阀门在整个反应过程中保持常开，同时等离子体电源常开，反应气体一与反应气体二与化学源反应，反应气之间发生化学反应。
该设备完全可以采用等离子体增强化学气相沉积工艺制备：氧化铝(AlOx)，氮化铝(AlNx)，氮氧化铝(AlOxNy)，氮化硅(SiNx)，氧化硅(SiOx)及氮氧化硅(SiOxNy)等。
采用本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型中采用绝缘的管式炉体和可承载大批量硅片的载具，可使载具上这些硅片一次同时处理，同时保持所镀薄膜的片内，片间，批间具有较高的厚度均匀性。
(2)产出的原子层沉积薄膜具有如下优点：1)镀膜保形性好，2)厚度可以精细控制到亚纳米级，3)相比PECVD技术和热ALD技术，沉积薄膜种类更加丰富，薄膜的材料特性可变范围更为宽广，适用于多种场合，4)对比PECVD技术，更加节省化学源(如三甲基铝TMA)。
(3)同时，本设备也兼容等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)。PEALD 和PECVD两种处理硅片的技术可以在同一腔体中依次完成，可显著降低半导体和光伏厂商的设备投资，降低硅片制成品的成本。
(3)对比仅能一次处理1片或若干片硅片的PEALD设备，因为上述管式炉和上述载具的使用，本设备可采用PEALD技术同时处理大批量400片以上)硅片，同时兼容PECVD工艺。
附图说明
图1为一种真空反应装置的结构示意图。
图2为一种真空反应装置的剖面示意图。
图3为等离子体增强原子层沉积的各气体和化学源进入腔体模式和等离子体馈入腔体模式的工作图。
图4为等离子体增强化学气相沉积的各气体和化学源进入腔体模式和等离子体馈入腔体模式的工作图。
具体实施方式
下面结合图1至图3和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
实施例一
图1为一种真空反应装置的结构示意图，炉体为圆柱形反应腔6，反应腔6 的制备材料如石英、陶瓷等，反应腔6的直径在300mm到500mm之间，长度在 2000mm到2500mm之间。
反应腔6外有电阻丝加热器7，热辐射加热炉内载具上的硅片表面，以控制薄膜沉积时硅片表面温度。工艺实施时，反应腔6内放置大批量的载具8，载具8内放置待镀膜的物体，例如硅片等，载具8制备材料如石墨、不锈钢等，可承载面积156mm x156mm硅片240-416片。载具8导电并与反应腔6内的其他部分绝缘，所述载具8为多组平行排列的平板，平行平板交替相互连接并引出反应腔外，分别接等离子体电源9的两极；所述反应腔6一端设出气口，出气口连真空泵10，另一端设进气口，进气口连接气源，图1中的箭头代表气流的方向。
反应腔6的进气口与化学源11之间设有第一阀门1；化学源11与载气12 之间设有第二阀门2；反应腔6的进气口与载气12之间设有第三阀门3；反应腔的进气口与反应气体一13之间第四阀门4；所述反应腔的进气口与反应气体二 14通过第五阀门5连接。
如图1所示，不携带化学源的载气可以通过第三阀门3直接进入反应腔6内，当第一阀门1和第二阀门22打开时，载气流经化学源的源瓶，可以携带化学源进入反应腔。而反应气可以通过各自的阀直接进入，可以安装多路反应气以制备三元和多元化合物。
图2为一种真空反应装置的剖面示意图，可见载具8为多组平行排列的平板，而硅片15放置在平板两侧，最外侧平板除外，硅片15仅装置在最外侧的平板内侧。
这种平行平板交替相互连接并引出到真空腔体外，分别接等离子体电源9的两极。而载具8放置在反应腔6上，与炉体内其他部分绝缘。工艺实施中，等离子体16产生于相邻平板内侧的相邻硅片之间。在反应腔6一端连接真空泵保持反应腔内真空。反应腔6的另一端通入载气，化学源和各种反应气。
图3为等离子体增强原子层沉积的各气体和化学源进入腔体模式和等离子体馈入腔体模式的工作图。
原子层沉积反应由若干个完全相同的循环组合而成，每个循环保证所沉积薄膜材料的一层原子层，控制循环数量可以精确控制薄膜厚度。
在每个循环中，分为四个步骤：
步骤1，打开第一阀门1和第二阀门2，令载气12流经化学源11进入反应腔6，控制化学源11进入腔体时间(化学源脉冲时间)；
步骤2，关闭第一阀门1和第二阀门2，开第三阀门3，载气12吹扫反应腔；
步骤3，打开第四阀门4和第五阀5门通入反应气，随后打开等离子体电源进行处理；
步骤4，关闭等离子体电源9，打开第三阀门3，载气11吹扫反应腔6。
载气12有两种载入化学源11的方式：当第一阀门1和第二阀门2开放时，通过控制第三阀门3，载气11可以全部进入化学源12再进入反应腔6，也可以部分进入化学源12而另一部分直接进入反应腔6。
进气方式有两种：方式1是脉冲式，方式2是恒定式；反应气一和反应气二都可以采用两种方式进气。
反应气有两种馈入腔体模式：或者整个循环中打开第四阀门4和第五阀门5 保证一致馈入腔体，或者仅在第3步骤内馈入腔体。因为仅在等离子体处理下，反应气才能和化学源反应，因此在没有等离子体时，反应气可以和载气共同做吹扫作用。因此，同时需要指明，在本设备上可以采用反应气作为载气使用。
具体以制备氧化铝(Al2O3)薄膜制备为例，描述如下：
制备5nm厚的氧化铝薄膜，采用液态三甲基铝(Al(CH3)3)为化学源，储存于源瓶中；采用氩气(Ar)作为载气，通过源瓶携带Al(CH3)3蒸气进入反应腔，控制流量为5SLM(标准升每分钟)，同时采用笑气(N2O)作为反应气，控制流量为0.5SLM。
在一个ALD循环中，通入Al(CH3)3，持续时间为5s然后切断；仅通入Ar 吹扫时间为10s；接下来通入N2O，并开启等离子体电源，输入等离子体功率进入腔体，维持5s，同时关闭N2O源和等离子体功率；继续通入Ar时间为10s完成ALD循环。一个循环共需时间30s。
每个ALD循环过程可以生长Al2O3薄膜～0.125nm，因此经过40个循环，1200s 可以完成目标厚度5nm的生长。
实施例二：
本装置为等离子体增强化学气相沉积设备的反应腔及进行等离子体增强化学气相沉积反应。
如图4所示，等离子体增强化学气相沉积的各气体和化学源进入腔体模式和等离子体馈入腔体模式的工作图。
与实施例一区别在于进气方式不同，当反应气一13和反应气二14和化学源 11以稳定方式馈入，同时等离子体电源9常开并维持稳定等离子体，可以实现等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
具体以制备氧化铝(Al2O3)薄膜制备为例，描述如下：
制备10nm厚的氧化铝薄膜，采用液态三甲基铝(Al(CH3)3)为化学源，储存于源瓶中；采用氩气(Ar)作为载气，通过源瓶携带Al(CH3)3蒸气进入反应腔，控制流量为5SLM(标准升每分钟)，同时采用笑气(N2O)作为反应气，控制流量为0.5SLM。
首先，将Ar通入反应腔，持续60s；然后，开启等离子体电源，输入等离子体功率进入腔体，维持30s；最后，同时通入Al(CH3)3和N2O，此时开始生长 Al2O3薄膜。
控制等离子体功率输入的时间可以控制薄膜厚度，如果采用低频(比如 40kHz)等离子体电源，Al2O3沉积速率一般为～0.05nm/s,生长200s可以获得预期厚度。
Claims (6)
1.一种用于真空反应装置的反应腔，其特征在于：所述反应腔外设有加热器；反应腔内放置载具，载具上放置待镀膜物体，所述载具导电并与反应腔内的其他部分绝缘；所述载具为至少一组平行排列的平板，两相邻的平板分别接等离子体电源的两极；所述反应腔一端设出气口，出气口连真空泵，另一端设进气口，进气口连接气源。
2.根据权利要求1所述的一种用于真空反应装置的反应腔，其特征在于：所述载具设有至少二组平行平板时，平行平板通过导电元件交替相互连接并引出真空腔体外，分别接等离子体电源的两极。
3.根据权利要求1所述的一种用于真空反应装置的反应腔，其特征在于：所述气源包括反应气、化学源蒸汽、载气；所述反应气、化学源蒸汽、载气分别通过管道与进气口连接；反应气体种类有一种、两种或者二种以上；化学源种类有一种、两种或者二种以上；载气种类有一种、两种或者二种以上。
4.根据权利要求3所述的一种用于真空反应装置的反应腔，其特征在于：所述反应腔的进气口与化学源之间设有第一阀门；化学源与载气之间设有第二阀门；反应腔的进气口与载气之间设有第三阀门；所述反应腔的进气口与反应气体一之间设有第四阀门；所述反应腔的进气口与反应气体二之间设有第五阀门。
5.一种真空反应装置，其特征在于：所述的真空反应装置的反应腔采用权利要求1所述的反应腔，所述真空反应装置进行原子层沉积反应；打开第一阀门，化学源蒸汽进入反应腔；或者打开第一阀门和第二阀门，载气进入化学源，载气带化学源蒸汽进入反应腔；或者打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，载气部分携带化学源蒸汽进入反应腔；化学源进入反应腔反应，并通过载气吹扫后，第四阀门和/或第五阀门打开，反应气体一和/或反应气体二进入反应腔，打开等离子体电源，载具的两平行板之间产生等离子体。
6.一种真空反应装置，其特征在于：所述真空反应装置的反应腔采用权利要求1所述的反应腔，真空反应装置进行化学气相沉积反应；打开第一阀门，化学源蒸汽进入反应腔；或者打开第一阀门和第二阀门，载气进入化学源，载气带化学源蒸汽进入反应腔；或者打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，载气部分携带化学源蒸汽进入反应腔；整个反应循环过程中第四阀门和/或第五阀门在整个反应过程中保持常开，同时等离子体电源常开，反应气体一和/或反应气体二与化学源反应。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 214028 No.11 Lijiang Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu micro nano technology Co.,Ltd. Address before: 214028, No. four, No. 7 Road, Wuxi New District, Jiangsu Patentee before: JIANGSU LEADMICRO NANO-EQUIPMENT TECHNOLOGY Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No. 27 Changjiang South Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province, China Patentee after: Jiangsu micro nano technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: No.11 Lijiang Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee before: Jiangsu micro nano technology Co.,Ltd. Country or region before: China |