CN216838174U - 一种基于ald技术的薄膜制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于ALD技术的薄膜制备装置，涉及薄膜制备技术领域，包括：芯片基板、反应单元、供水/供臭氧单元、用于盛装不同反应物的若干个反应物容量瓶、内部环境为真空的混气罐，若干个反应物容量瓶分别通过电磁阀与混气罐的进气口相连通，混气罐的出气口通过电磁阀与反应腔室连通，混气罐内设置有用于搅动气流的风机组；本实用新型中在不同反应物进入反应腔室之前，先进入到混气罐内进行混合，并利用风机组的搅动作用提高不同反应物间的混合效果，混合后的混合物进入到反应腔室内并与后续通入的水或臭氧进行反应，在芯片基板上形成掺杂混合薄膜，且形成的掺杂混合薄膜是在同一(原子)层里实现掺杂，提高了薄膜的机械和光电性能。

Description

一种基于ALD技术的薄膜制备装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜制备技术领域，特别是涉及一种基于ALD技术的薄膜制备装置。

背景技术

原子层沉积(ALD)设备是薄膜制备(生长)最重要的设备之一，广泛的应用于集成电路、半导体材料、光学、封装、保护涂层等领域，该设备可以制备氧化物薄膜，金属薄膜，有机薄膜，传统的行业要求一般只用该设备生长单一的薄膜实现特定功能，然而随着技术的发展，单一功能的薄膜有时候不能满足技术的需要，就需要对薄膜实现掺杂，即生长出的薄膜不是单一的，可能是多种材料复合在一起，称之为掺杂，举例说明，制备铝掺杂氧化锌(AlZnO)这种混合薄膜，先生长其中的(如氧化锌)一层或者几层，再生长混合物另外一种(如氧化铝)的一层或者几层，这种制备薄膜的生长方式叫做掺杂，混合薄膜的掺杂比例通过调控彼此的层数实现。

通过ALD生长薄膜需要有前驱体材料(反应物)，例如生长氧化铝需要的反应物是三甲基铝和水，两者交替通入反应腔室，通入的量通过电磁阀门打开的时间控制(注释：对于三甲基铝(TMA)和水(H2O)来说在室温下就可以自然挥发)，在一定的环境下(如真空环境下，加热温度80-300度)实现化学反应生长出薄膜，以上三甲基铝和水交替通入一次，称之为一个循环，生长薄膜的厚度可以通过控制循环的次数控制。

传统方法制备掺杂混合薄膜可参考图1，首先生长其中的(如氧化锌)一层或者几层，再生长另外一种(如氧化铝)的一层或者几层，只能实现层间的掺杂和混合，最终得到的混合薄膜是分层的，无法实现同层薄膜的掺杂混合。

例如：申请号为“202010680690.5”，名称为“ALD沉积装置及ALD沉积方法”的发明专利以及申请号为“202010348365.9”，名称为“一种基于ALD技术制备氧化锌薄膜的装置及方法”的发明专利均公开了利用ALD技术制备薄膜的装置，但是两者均采用的是单层沉积的方式，在面对需要沉积多层时，其结构能够实现的仅仅是一层一层的沉积，即上述的先生长其中的一层或者几层，再生长另外一种的一层或者几层，这样成型的薄膜为分层结构，结构强度较弱。

因此人们亟需一种能够在同一原子层内实现掺杂和混合、提高薄膜的机械和光电性能的基于ALD技术的薄膜制备装置。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于ALD技术的薄膜制备装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过增设混气罐，反应物进入反应腔室前进行混合，使得形成的薄膜是在同一(原子)层里实现掺杂，提高薄膜的机械和光电性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种基于ALD技术的薄膜制备装置，包括芯片基板、反应单元、供水/供臭氧单元以及用于盛装不同反应物的若干个反应物容量瓶，所述芯片基板设置在所述反应单元的反应腔室内，所述供水/供臭氧单元与所述反应腔室相连通，其特征在于，还包括内部环境为真空的混气罐，若干个所述反应物容量瓶分别通过电磁阀与混气罐的进风口相连通，所述混气罐的出风口通过电磁阀与反应腔室连通，所述混气罐内设置有用于搅动气流的风机组。

优选的，所述风机组包括若干个风扇，若干个风扇均匀环设在所述混气罐的内壁上，所述风扇的出风方向与气流方向相同。

优选的，所述混气罐的外壳内环设有用于使混合物保持更高反应活性的加热壁。

优选的，所述加热壁内可拆卸设置有殷瓦合金内衬。

优选的，所述殷瓦合金内衬上设置有用于检测所述混气罐内真空度或压力情况的真空计。

优选的，所述反应单元包括外反应箱、内反应箱、用于为所述内反应箱加热的加热丝以及用于对所述内反应箱抽真空的机械泵，所述内反应箱设置在外反应箱内部，所述加热丝设置在所述内反应箱与外反应箱之间，所述机械泵与所述内反应箱连通，所述内反应箱的腔室为所述反应腔室。

优选的，所述供水/供臭氧单元为用于盛装水或臭氧的水/臭氧容量瓶，所述水/臭氧容量瓶通过电磁阀与所述内反应箱连通。

优选的，所述薄膜制备装置还包括氮气吹扫单元，所述氮气吹扫单元包括用于盛装氮气的高压氮气容量瓶，所述高压氮气容量瓶通过电磁阀与所述内反应箱连通，且连通管道的出气口对应所述芯片基板设置。

优选的，所述高压氮气容量瓶与所述内反应箱的连通管道上设置流量计。

优选的，所述内反应箱的外壁设置温度传感器和温度控制器，所述温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器与所述加热丝电连接。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本实用新型中在不同反应物进入反应腔室之前，先进入到混气罐内进行混合，并利用风机组的搅动作用提高不同反应物间的混合效果，混合后的混合物进入到反应腔室内并与后续通入的水或臭氧进行反应，在芯片基板上形成掺杂混合薄膜，且形成的掺杂混合薄膜，且形成的薄膜是在同一(原子)层里实现掺杂，提高薄膜的机械和光电性能。

2、本实用新型中在混气罐的内壁上均匀环设若干个风扇，不同风扇所引动的气流间会产生汇流，从而导致气流的紊乱，大大提高了不同反应物间的混合效果。

3、本实用新型中在混气罐的外壳内环设有加热壁，可通过控制加热壁控制内部混合物的温度，进而使其保持更高反应活性，进而提高后续进入到反应腔室内的反应效率。

4、本实用新型中在加热壁内可拆卸设置有殷瓦合金内衬，可便捷实现对内衬的更换以及拆卸清洁，殷瓦合金强度高、耐腐蚀、热膨胀系数高、不易变形的特点使其能够适应反应物的混合场景，而且价格较钛合金也低一些，有利于节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的薄膜制备装置结构示意图；

图2为本实用新型基于ALD技术的薄膜制备装置的结构示意图；

图3为本实用新型混气罐的截面图；

其中，1、芯片基板；2、反应物容量瓶；3、混气罐；4、电磁阀；5、风扇；6、外壳；7、加热壁；8、殷瓦合金内衬；9、真空计；10、外反应箱；11、内反应箱；12、加热丝；13、机械泵；14、水/臭氧容量瓶；15、高压氮气容量瓶；16、流量计；17、温度传感器；18、温度控制器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种基于ALD技术的薄膜制备装置，以解决现有技术存在的问题，通过增设混气罐，反应物进入反应腔室前进行混合，使得形成的薄膜是在同一(原子)层里实现掺杂，提高薄膜的机械和光电性能。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

请参考如图2～3所示，提供一种基于ALD技术的薄膜制备装置，包括芯片基板1、反应单元、供水/供臭氧单元以及用于盛装不同反应物的若干个反应物容量瓶2，芯片基板1设置在反应单元的反应腔室内，芯片基板1上所需成型薄膜的部分具有吸附性，用于吸附进入到反应腔室的反应物，具体的材料选择可根据反应物的特性进行选择，供水/供臭氧单元与反应腔室相连通，用于向反应腔室内通入水或臭氧，薄膜制备装置还包括内部环境为真空的混气罐3，环境为真空可以确保反应物在混气罐3内不会与空气接触发生反应，若干个反应物容量瓶2分别通过电磁阀4与混气罐3的进风口相连通，混气罐3的出风口通过电磁阀4与反应腔室连通，混气罐3内设置有用于搅动气流的风机组，通过在不同反应物进入反应腔室之前，先进入到混气罐3内进行混合，并利用风机组的搅动作用提高不同反应物间的混合效果，混合后的混合物进入到反应腔室内并与后续通入的水或臭氧进行反应，在芯片基板1上形成掺杂混合薄膜，且形成的掺杂混合薄膜，且形成的薄膜是在同一(原子)层里实现掺杂，提高薄膜的机械和光电性能。

为了提高混合的均匀性，风机组包括若干个风扇5，若干个风扇5均匀环设在混气罐3的内壁上，风扇5的出风方向与气流方向相同，不同风扇5所引动的气流间会产生汇流，从而导致气流的紊乱，大大提高了不同反应物间的混合效果。

风扇5手控制系统统一控制，且风扇5可拆卸设置在混气罐3的内壁上，便于后续维护及更换。

由于混气罐3的存在会延长反应物进入到反应腔室的时间，且风扇5搅动反应物时也可能会引起反应物热量的流失，本实施例中在混气罐3的外壳6内环设有用于使混合物保持更高反应活性的加热壁7，加热壁7与控制系统连接，控制系统根据反应物自身特性控制加热壁7的加热温度，通过加热壁7使混气罐3内温度维持在一定值，使混合物保持更高反应活性，进而提高后续进入到反应腔室内的反应效率。

本实施例中在加热壁7内可拆卸设置有殷瓦合金内衬8，可便捷实现对内衬的更换以及拆卸清洁，解决了反应物附着在加热壁7上难以清理的问题，殷瓦合金强度高、耐腐蚀、热膨胀系数高、不易变形的特点使其能够适应反应物的混合场景，而且价格较钛合金也低一些，有利于节约成本。

为了能够精确测量混气罐3的真空度以及在反应物混合时混气罐3内的压力情况，殷瓦合金内衬8上设置有用于检测混气罐3内真空度或压力情况的真空计9，便于提高整体装置的安全性，避免出现真空度不够以及混合压力过大的情况出现。

反应单元包括外反应箱10、内反应箱11、用于为内反应箱11加热的加热丝12以及用于对内反应箱11抽真空的机械泵13，内反应箱11设置在外反应箱10内部，加热丝12设置在内反应箱11与外反应箱10之间，用于为内反应箱11进行加热，机械泵13与内反应箱11连通，在薄膜制备前利用机械泵13将内反应箱11内抽至一定的真空度，内反应箱11的腔室为反应腔室。

内反应箱11以及外反应箱10同一侧均为开合门结构，便于实现芯片基板1的放入与取出，且开合门的门缝处需进行密封处理，可选择密封条等结构，由于薄膜制备时需要进行加热，因此需要保证所采用的密封材料具备一定的耐高温特性。

供水/供臭氧单元为用于盛装水或臭氧的水/臭氧容量瓶14，水/臭氧容量瓶14通过电磁阀4与内反应箱11连通，电磁阀4与控制系统连接，通过控制电磁阀4的开闭实现供水或臭氧的通断，供水方式可选用常规的气压供水、泵供水等，供臭氧方式可选用加压供臭氧等。

薄膜制备装置还包括氮气吹扫单元，氮气吹扫单元包括用于盛装氮气的高压氮气容量瓶15，高压氮气容量瓶15通过电磁阀4与内反应箱11连通，且连通管道的出气口对应芯片基板1设置，电磁阀4与控制系统连接，通过设置氮气吹扫单元，能够有效对在芯片基板1上吸附完成的反应物以及成型的薄膜进行降温并吹扫剩余的反应物，能够提高薄膜的制备效率。

高压氮气容量瓶15与内反应箱11的连通管道上设置流量计16，流量计16与控制系统连接，可通过流量计16控制吹入内反应箱11内的氮气量。

内反应箱11的材质为导热材质，内反应箱11的外壁设置温度传感器17和温度控制器18，温度传感器17与温度空气器电连接，温度控制器18与加热丝12电连接，通过温度传感器17实时监测内反应箱11的温度，并反馈给温度控制器18，并有温度控制器18控制加热丝12是否继续加热。

以制备AlZnO(铝掺杂氧化锌)为例，反应物容量瓶2为两个，分别盛装三甲基铝以及二乙基锌，使用水容量瓶盛装水，具体的薄膜制备步骤为：

步骤S1：将芯片基板1置于内反应箱11内，利用加热丝12对内反应箱11进行加热，当内腔到设定温度时，则控制加热丝12停止加热；关闭加热装置后，控制三甲基铝和二乙基锌流入混气罐3内(打开电磁阀4即可，因为三甲基铝和二乙基锌在常温下具有挥发性)，在混气罐3内风扇5的作用下两种反应物混合均匀，在混合过程中，控制加热壁7实时对混合物进行加热，保持混合物的反应活性；

步骤S2：控制电磁阀4进而控制混气罐3内混合好的混合物流入内反应箱11中，在芯片基板1上进行吸附反应，吸附在芯片基板1上；

步骤S3：当完成吸附反应后，控制高压氮气容量瓶15内氮气流入内腔，利用氮气进行第一次吹扫清理和降温；

步骤S4：当达到吹扫最大时间或吹扫氮气到达一定量时，控制水容量瓶内水流入内腔，利用水在芯片基板1上进行取代反应，此时薄膜成型；

步骤S5：当完成取代反应后，控制第三容量瓶内氮气流入内腔，利用氮气进行第二次吹扫清理和降温；

步骤S6：当达到吹扫最大时间或吹扫氮气到达一定量时，则判定循环次数是否大于或等于最大循环次数(根据所需薄膜的厚度以及单次薄膜成型厚度确定循环次数)；如果循环次数大于或等于最大循环次数，则反应结束；如果循环次数小于最大循环次数，循环上述步骤。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本实用新型的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种基于ALD技术的薄膜制备装置，包括芯片基板、反应单元、供水/供臭氧单元以及用于盛装不同反应物的若干个反应物容量瓶，所述芯片基板设置在所述反应单元的反应腔室内，所述供水/供臭氧单元与所述反应腔室相连通，其特征在于，还包括内部环境为真空的混气罐，若干个所述反应物容量瓶分别通过电磁阀与混气罐的进风口相连通，所述混气罐的出风口通过电磁阀与反应腔室连通，所述混气罐内设置有用于搅动气流的风机组。

2.根据权利要求1所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述风机组包括若干个风扇，若干个风扇均匀环设在所述混气罐的内壁上，所述风扇的出风方向与气流方向相同。

3.根据权利要求1所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述混气罐的外壳内环设有用于使混合物保持更高反应活性的加热壁。

4.根据权利要求3所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述加热壁内可拆卸设置有殷瓦合金内衬。

5.根据权利要求4所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述殷瓦合金内衬上设置有用于检测所述混气罐内真空度或压力情况的真空计。

6.根据权利要求1所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述反应单元包括外反应箱、内反应箱、用于为所述内反应箱加热的加热丝以及用于对所述内反应箱抽真空的机械泵，所述内反应箱设置在外反应箱内部，所述加热丝设置在所述内反应箱与外反应箱之间，所述机械泵与所述内反应箱连通，所述内反应箱的腔室为所述反应腔室。

7.根据权利要求6所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述供水/供臭氧单元为用于盛装水或臭氧的水/臭氧容量瓶，所述水/臭氧容量瓶通过电磁阀与所述内反应箱连通。

8.根据权利要求6所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述薄膜制备装置还包括氮气吹扫单元，所述氮气吹扫单元包括用于盛装氮气的高压氮气容量瓶，所述高压氮气容量瓶通过电磁阀与所述内反应箱连通，且连通管道的出气口对应所述芯片基板设置。

9.根据权利要求8所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述高压氮气容量瓶与所述内反应箱的连通管道上设置流量计。

10.根据权利要求6所述的基于ALD技术的薄膜制备装置，其特征在于，所述内反应箱的外壁设置温度传感器和温度控制器，所述温度传感器与所述温度控制器连接，所述温度控制器与所述加热丝电连接。

Images