CN212199412U - 一种等离子体原子层沉积的反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于薄膜材料真空制备领域，具体涉及一种等离子体原子层沉积的反应装置，包括反应腔体，所述反应腔体内设置有载具，所述载具为至少一组平行排列的平板，平板间隔连接并引出反应腔体外，分别接等离子电源的两极，加热炉管环绕反应腔体设置，所述反应腔体的一端设置有出气端，出气端与真空泵连接；所述反应腔体还设置有至少一个进气端、端部进气口以及中部进气口，所述进气端与端部进气口、中部进气口连接，所述进气端向外与气源连接。本实用新型通过中间进气口的设计，优化腔体内部气流均匀性，从而进一步提升所镀薄膜的片间厚度均匀性。
Description
技术领域
本实用新型属于薄膜材料真空制备领域，具体涉及一种等离子体原子层沉积的反应装置。
背景技术
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PEA LD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。
现有申请号为201810116519.4的名为一种真空反应装置及反应方法的发明专利，其公开了一种真空反应装置的反应腔，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端，出气端连真空泵，另一端设进气端，进气端连接气源。该申请仍然存在由于腔体内部气流均匀性不足，进而导致所镀薄膜的片间厚度均匀性不足的问题。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种新的等离子体原子层沉积的反应装置，通过对反应装置的各零件位置进行优化，从而可以同时处理大批量硅片，所述硅片均具有较好的片间厚度均匀性。
本实用新型的具体技术方案如下：
一种等离子体原子层沉积的反应装置，包括反应腔体，所述反应腔体内设置有载具，所述载具为至少一组平行排列的平板，平板间隔连接并引出反应腔体外，分别接等离子电源的两极，加热炉管环绕反应腔体设置，所述反应腔体的一端设置有出气端，出气端与真空泵连接；所述反应腔体还设置有至少一个进气端、端部进气口以及中部进气口，所述进气端与端部进气口、中部进气口连接，所述进气端向外与气源连接。
其中，所述端部进气口设置于远离出气端的反应腔体一端。
其中，所述端部进气口的气体流向与反应腔体的长度方向平行。
其中，所述中部进气口设置于反应腔体的出气端与端部进气口之间。
其中，所述中部进气口的气体传输方向与载具所在平面平行。
其中，所述中部进气口为管道式或板式。
其中，所述出气端的真空泵与反应腔体之间设置有极速排气阀门。
其中，所述气源包括化学源，载气以及至少两种反应气体，所述反应腔体的进气端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；反应腔体的进气端与载气之间设有第三阀门；反应腔体的进气端与不同反应气体之间分别设置有阀门。
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，通过中间进气口的设计，优化腔体内部气流均匀性，从而进一步提升所镀薄膜的片间厚度均匀性。
(2)本实用新型采用极速排气阀门，控制等离子体起辉时间断内的腔体气压，能进一步控制腔体内等离子体的浓度，从而控制薄膜的沉积速率于成膜质量。在吹扫以及非等离子体起辉时间内完全打开可调阀门，能进一步节省相应的吹扫和进气时间，进一步灵活提升产能。
(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。
附图说明
图1为本实用新型的结构图
图2为本实用新型的轴向剖视图
图3为本实用新型的径向剖视图
其中，3为衬底基片，4为等离子体，5为极速排气阀门，6为反应腔体，7为加热炉管，8为载具，9为等离子电源，10为真空泵，11为第一阀门，12为第二阀门，13为第三阀门， 14为第四阀门，15为第五阀门，16为化学源，17为载气，18为反应气体一，19为反应气体二，20为进气端，21为端部进气口，22为中部进气口。
具体实施方式
如图1所示为本实用新型所述的等离子体原子层沉积的反应装置的剖面图，由图可知，所述等离子体原子层沉积的反应装置包括反应腔体6，本实施例中，所述反应腔体6的制备材料可以为石英、陶瓷等，所述反应腔体6可以为圆柱形也可以为其他长条形状。所述反应腔体6内设置有载具8，所述载具8上可以放置有衬底基片3，所述载具8导电并与反应腔体 6内的其他部分绝缘。本实施例中，如图2所示，所述载具8为至少一组平行排列的平板，平板间隔连接并引出反应腔体外，分别接等离子电源9的两极，所述衬底基片3设置在除了最外侧平板的其他平板的两侧，最外侧平板的衬底基片3仅设置于其内侧。所述载具8延伸方向与反应腔体6的长度方向相同。所述加热炉管7环绕反应腔体6设置，通过热辐射加热所述衬底基片，以控制制备工艺时衬底的表面温度。如图2所示，所述反应腔体6的一端设置有出气端，出气端连真空泵10，所述真空泵10用于将反应腔体6抽真空。所述反应腔体6 的另一端设置与气源连接，用于为原子层沉积提供反应原料。
具体来说，如图2所示，本实用新型的反应腔体6设置有至少1个进气端20，所述进气端20向外与气源连接，气源通过进气端20进入反应腔体6中。显而易见的是，所述进气端20可以设置于反应腔体6的任何位置，本实施例中，所述进气端20设置于与出气端相对的反应腔体6的另一端。
具体来说，所述反应腔体6内部还设置有端部进气口21以及中部进气口22，所述进气端20与端部进气口21、中部进气口22连接。所述端部进气口21设置于远离出气端的反应腔体6一端，所述端部进气口21的气体流向如图2所示，与反应腔体6的长度方向平行。所述中部进气口22设置于反应腔体6的出气端与端部进气口21之间，所述中部进气口22可以传输反应气体，所述中部进气口22的气体传输方向与载具8所在平面平行。如此设置，可以增加载具8上衬底基片3表面的气体分布的均匀性。
值得说明的是，所述中部进气口22显然具有多种实现形式，例如，如图2、图3所示，所述中部进气口22可以为管道式，所述管道朝向载具8的一面可以排出气体，所述气体的排出方向如图3所示与载具8所在平面的方向平行，使得反应气体可以直接补充在衬底基片3表面。又例如，所述中部进气口22也可以为板式，板式的中部进气口22的延伸方向与反应腔体6的长度方向平行，板式的中部进气口22的所在平面与载具8所在平面垂直，所述板式的中部进气口22朝向载具8的一面可以排出气体。如此设置，反应气体可以更加完整的补充在载具8之间。
其中优选的是，所述出气端的真空泵10与反应腔体6之间还可以设置有极速排气阀门5，从而使得反应腔体6内部的气压可以更快地到达预定值。
具体来说，为了使得沉积薄膜种类更加丰富，本实用新型的对气源配置进行了优化。如图1所示，所述气源包括化学源16，载气17，以及至少两种反应气体，以制备多元化合物。本实施例中，所述反应气体为两种，分别为反应气体一18，反应气体二19，所述反应腔体6 的进气端20与化学源16之间设有第一阀门11；化学源16与载气17之间设有第二阀门12；反应腔体6的进气端与载气17之间设有第三阀门13；反应腔体6的进气端与反应气体一18之间设有第四阀门14；所述反应腔体6的进气端与反应气体二19通过第五阀门15连接。
如图1所示，不携带化学源的载气17可以通过第三阀门13直接进入反应腔体6内，当第一阀门11和第二阀门12打开时，载气17流经化学源16的源瓶，可以携带化学源16进入反应腔体6。而反应气体一18、反应气体二19可以通过各自的阀直接进入。
本实用新型在工作时，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，分为五个步骤：
步骤1，开启真空泵10后，完全打开极速排气阀门5，将反应腔体6真空度抽至要求背底真空度，通过加热炉管7将衬底基片3温度加热到预定温度；
步骤2，打开第一阀门11，令化学源16蒸汽直接通过端部进气口21、中部进气口22进入反应腔体6；或者打开第一阀门11和第二阀门12，令载气17流经化学源16，载气17携带化学源16蒸汽通过端部进气口21、中部进气口22进入反应腔体6；或者打开第一阀门11，第二阀门12和第三阀门13，令部分载气17流经化学源16，并携带化学源16蒸汽通过端部进气口21、中部进气口22进入反应腔体6，三种方式均通过极速排气阀门5开闭动作控制化学源16进入反应腔体6的时间；
步骤3，关闭第一阀门11和第二阀门12(如果有开启的话)，仅开第三阀门13，使得不携带任何化学源16的载气通过端部进气口21、中部进气口22吹扫反应腔体6，控制第三阀门13开关动作控制吹扫时间；
步骤4，打开第四阀门14和/或第五阀门15通入反应气，此时通过极速排气阀门5调整腔内气压，当腔内气压达到预定值时，打开等离子体电源9，在所述载具8的平板之间生成等离子体4，令反应气体在等离子体能量辅助下与衬底表面反应；控制第四阀门14和/或第五阀门15开闭控制反应气注入反应腔体6的时间；
步骤5，关闭第四阀门14和/或第五阀门15，关闭等离子体电源9，打开第三阀门13，完全打开极速排气阀门5，采用不携带任何化学源16的载气17通过端部进气口21、中部进气口22吹扫反应腔。
载气17有两种载入化学源16的方式：当第一阀门11和第二阀门12开放时，通过控制第三阀门13，载气17可以全部进入化学源16再进入反应腔体6，也可以部分进入化学源16而另一部分直接进入反应腔体6。
进气方式有两种：方式1是脉冲式，方式2是恒定式；反应气体一18和反应气体二19都可以采用两种方式进气。
反应气有两种送入腔体模式：整个循环中打开第四阀门14和第五阀门15保证一致送入腔体，或者仅在第4步骤内送入腔体。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。
Claims (8)
1.一种等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，包括反应腔体(6)，所述反应腔体(6)内设置有载具(8)，所述载具(8)为至少一组平行排列的平板，平板间隔连接并引出反应腔体外，分别接等离子电源(9)的两极，加热炉管(7)环绕反应腔体(6)设置，所述反应腔体(6)的一端设置有出气端，出气端与真空泵(10)连接；
所述反应腔体(6)还设置有至少一个进气端(20)、端部进气口(21)以及中部进气口(22)，所述进气端(20)与端部进气口(21)、中部进气口(22)连接，所述进气端(20)向外与气源连接。
2.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述端部进气口(21)设置于远离出气端的反应腔体(6)一端。
3.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述端部进气口(21)的气体流向与反应腔体(6)的长度方向平行。
4.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述中部进气口(22)设置于反应腔体(6)的出气端与端部进气口(21)之间。
5.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述中部进气口(22)的气体传输方向与载具(8)所在平面平行。
6.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述中部进气口(22)为管道式或板式。
7.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述出气端的真空泵(10)与反应腔体(6)之间设置有极速排气阀门(5)。
8.根据权利要求1所述的等离子体原子层沉积的反应装置，其特征在于，所述气源包括化学源(16)，载气(17)以及至少两种反应气体，所述反应腔体(6)的进气端(20)与化学源(16)之间设有第一阀门(11)；化学源(16)与载气(17)之间设有第二阀门(12)；反应腔体(6)的进气端与载气(17)之间设有第三阀门(13)；反应腔体(6)的进气端与不同反应气体之间分别设置有阀门。
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