CN218146935U - 微波等离子体辅助原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，包括：微波等离子体发生器、等离子体扩散腔、真空反应室和反应源接口。微波等离子体发生器含有等离子体快速发生装置。微波等离子体发生器通过等离子体扩散腔与真空反应室相连通。等离子体扩散腔与真空反应室通过开合装置连接，通过该开合装置，可以方便样品取放样。本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备，能够提供微波辐照，提高等离子体的能量和密度，为原子层沉积的提供合适的能量，降低反应温度。本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备含有等离子体快速发生装置以及等离子体反应气体特殊脉冲进入模式，可以实现毫秒级的等离子体脉冲，大大缩短反应时间。

Description

微波等离子体辅助原子层沉积设备

技术领域

本实用新型涉及一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，应用于薄膜沉积领域。

背景技术

原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition），又称原子层沉积或原子层外延（Atomic Layer Epitaxy），最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al₂O₃绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用的材料厚度降低至几个纳米数量级。因此，原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速度慢的问题就不重要了。

现有的原子层沉积设备绝大部分是在低真空条件下反应，采用加热的方式提供反应能量。对于需要较高能量的物质只能采取高温加热。但是，反应物大多为金属有机化合物，其在高温下容易分解从而造成反应很难进行甚至无法进行，并且沉积的材料中杂质含量高；对于有些基底特别是有机物无法承受过高温度，从而使得在这些不耐温的基底上能够沉积的材料非常有限。

通过等离子体辅助原子层沉积技术，等离子体多采用射频等离子体技术。该技术能量密度偏低。基于一些特殊反应需求，需要采用更高能量密度的微波等离子体。而传统的微波等离子体发生装置，应用于原子层沉积技术这种特殊的脉冲模式，存在反复起辉放电，容易造成起辉困难；另一方面，传统微波等离子体技术等离子体起辉过程较长，从而大大延长了镀膜总时间。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，实现了快速、高质量的原子层薄膜的沉积。

与现有技术相比，本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备，开发设计了等离子体快速发生装置以及等离子体反应气体特殊脉冲进入模式，可以实现毫秒级的等离子体脉冲，大大缩短镀膜反应时间。引入的等离子体快速发生装置，可以实现等离子体反应气体进入等离子体扩散腔、真空反应室时，快速起辉。与现有技术相比，传统的微波等离子体都是通过质量流量计控制反应气体进入反应腔，而不同的反应气体需要对应不同的质量流量计。而本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备，等离子体反应气体通过本设备的任一反应源接口，脉冲模式进入，不需要专门的质量流量计。需要不同的反应气体，直接将所需的反应气体接入反应源接口即可。

本实用新型公开了一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，包括微波等离子体发生器、等离子体扩散腔、真空反应室和反应源接口。

所述微波等离子体发生器含有等离子体快速发生装置，所述微波等离子体发生器设置于所述等离子体扩散腔上方，通过所述等离子体扩散腔与所述真空反应室相连通。

所述等离子体快速发生装置，可以实现等离子体反应气体进入等离子体扩散腔、真空反应室时，快速起辉，最快起辉过程时间小于100ms。本实用新型微波等离子体辅助原子层沉积设备，是通过交替式脉冲引入等离子体反应气体和其他反应源，所需微波等离子体发生器需要频繁开、关起辉放电工作。所述等离子体快速发生装置，可以满足频繁间歇式起辉。

所述微波等离子体发生器设有冷却水管路系统，通过冷却水管路接口与冷却水管路系统连通，所述冷却水管路系统由水冷机提供循环冷却水。

所述等离子体扩散腔设有微波等离子体接入口、惰性气体接入口、观察窗口、真空反应室接口、等离子体快速发生装置接口，所述微波等离子体接入口与所述微波等离子体发生器连接，所述惰性气体接入口与惰性气体管路连通，所述真空反应室接口与所述真空反应室连接，所述等离子体快速发生装置接口与所述等离子体快速发生装置连接，所述观察窗口可以实时监测等离子体起辉状况，观察窗口可以是石英也可以是蓝宝石等透明材质。

所述等离子体扩散腔可以是喇叭型、圆柱形、长方体等各种形状。优选的，为了便于等离体子均匀扩散至真空反应室，等离体子扩散腔为喇叭型。

所述真空反应室设有等离子体扩散腔接口、进气口、出气口，所述等离子体扩散腔接口与所述等离子体扩散腔的所述真空反应室接口相连接，所述真空反应室的等离子体扩散腔接口表面上设置有闭合状的外层密封圈及内层密封圈双密封结构。所述进气口通过传输管路与所述反应源接口连通。所述出气口通过抽气管路与抽真空设备连接。所述抽真空设备包括不限于机械泵、冷泵、油泵。

所述真空反应室的等离子体扩散腔接口与所述等离子体扩散腔的真空反应室接口，通过闭合状的外层密封圈及内层密封圈双密封结构，完全吻合。

所述等离子体扩散腔与所述真空反应室通过开合装置连接。所述开合装置可以是合页、铰链等多种连接形式。通过该开合装置，可以打开所述等离子体扩散腔与所述真空反应室密封面，实现样品的放样、取样等操作。

所述微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括加热器，所述加热器设于所述真空反应室底部及所述传输管路、抽气管路。可选的，根据具体的工艺技术方案，所述加热器还可以设于所述等离子体扩散腔外壁。

所述微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括质量流量计、截止阀、真空计和温度探头。所述质量流量计安装在所述传输管路和惰性气体管路上，分别调节控制传输管路内惰性气体及惰性气体管路内的惰性气体流量。所述的传输管路内惰性气体及惰性气体管路内的惰性气体可以相同也可以不同。所述真空计设于所述抽气管路上，靠近所述出气口一端。所述截止阀安装在所述抽气管路上。

所述真空计与所述截止阀并联。

所述真空计与所述截止阀串联，且所述真空计位于所述出气口与所述截止阀之间。

所述温度探头安装在上述各部分加热器上。

所述反应源接口的数量大于或者等于2。

所述反应源接口设有隔膜阀，所述隔膜阀与反应源连通。

所述反应源设有加热装置。

所述反应源接口至少含有一个气体供应装置，所述气体供应装置用于与所述微波等离子体反应气体相连通。

附图说明

图1为本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备的部分结构示意图。

图2为本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备的微波等离子体发生器、等离子体扩散腔、真空反应室连接示意图。

图3为本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备的等离子体扩散腔示意图。

图4为本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备的真空反应室示意图。

图5为本实用新型的微波等离子体辅助原子层沉积设备的等离子体扩散腔、真空反应室连接示意图。

附图标记说明：

11微波等离子体发生器 12等离子体扩散腔

13真空反应室 14反应源接口

15等离子体快速发生装置 16惰性气体管路

17进气口 18出气口

19传输管路 20抽气管路

21抽真空设备 22质量流量计

23截止阀 24真空计

25隔膜阀 26反应源

111冷却水管路接口

121微波等离子体接入口 122惰性气体接入口

123观察窗口 124真空反应室接口

125等离子体快速发生装置接口 131等离子体扩散腔接口

132外层密封圈 133内层密封圈

134开合装置

具体实施方式

有关本实用新型技术内容及详细说明，现配合附图说明如下。

如图1、图3所示，本实用新型公开了一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，包括微波等离子体发生器11、等离子体扩散腔12、真空反应室13和反应源接口14。微波等离子体发生器11设置于等离子体扩散腔12上方，等离子体扩散腔12设置于真空反应室13上方。微波等离子体发生器11、等离子体扩散腔12与真空反应室13相连通，抽真空状态下，形成一个密闭的真空腔室。反应源26通过反应源接口14、隔膜阀25、传输管路19、进气口17进入真空反应室13。第一惰性气体通过惰性气体管路16、质量流量计22、惰性气体接入口122，进入等离子体扩散腔12。第二惰性气体通过质量流量计22、传输管路19、进气口17进入真空反应室13。多余的反应源26及反应产物通过出气口18、抽气管路20、真空计24、截止阀23，被抽真空设备21抽走。

进一步的，通过传输管路19内的第二惰性气体与惰性气体管路16内的第一惰性气体可以相同也可以不同。

进一步的，抽真空设备21包括不限于机械泵、冷泵、油泵。

进一步的，微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括加热器，加热器设于所述真空反应室13底部及所述传输管路19、抽气管路20。可选的，根据具体的工艺技术方案，所述加热器还可以设于所述等离子体扩散腔12的外壁。

进一步的，微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括质量流量计22、截止阀23、真空计24和温度探头。质量流量计22安装在传输管路19和惰性气体管路16上，分别调节控制传输管路19内的第二惰性气体及惰性气体管路16内的第一惰性气体流量。真空计24、截止阀23设于抽气管路20上，靠近真空反应室13的出气口18一端。

进一步的，温度探头安装在上述各部分加热器上。

进一步的，反应源接口14的数量大于或者等于2。反应源接口14设有隔膜阀25，隔膜阀25与反应源26连通。

进一步的，反应源26设有加热装置。

进一步的，反应源接口14至少含有一个气体供应装置，该气体供应装置用于与所述微波等离子体反应气体相连通。

如图2、图3所示，微波等离子体发生器11含有等离子体快速发生装置15、冷却水管路接口111。等离子体快速发生装置15通过等离子体扩散腔12侧壁的等离子体快速发生装置接口125，与等离子体扩散腔12相连。该冷却水管路接口111与冷却水管路系统连通，冷却水管路系统由水冷机提供循环冷却水。

等离子体扩散腔12包括微波等离子体接入口121、惰性气体接入口122、观察窗口123、真空反应室接口124、等离子体快速发生装置接口125。通过微波等离子体接入口121，微波等离子体发生器11与等离子体扩散腔12相连。惰性气体接入口122用于接入可以产生等离子体的惰性气体。观察窗口123设有观察窗口，通过该观察窗口123，可以实时监测等离子体起辉状况。观察窗口123可以是石英也可以是蓝宝石等材质。

如图4所示，真空反应室13设有等离子体扩散腔接口131、进气口17、出气口18、外层密封圈132及内层密封圈133双密封结构。

如图2、图3、图4所示，微波等离子体发生器11通过等离子体扩散腔12的微波等离子体接入口121与等离子体扩散腔12连通。等离子体扩散腔12的下表面真空反应室接口124与真空反应室13上表面的等离子体扩散腔接口131通过闭合状的外层密封圈132及内层密封圈133双密封结构，密封相连。

如图5所示，等离子体扩散腔12与真空反应室13通过开合装置134连接。开合装置134可以是合页、铰链等多种连接形式中的一种。通过该开合装置134，可以打开等离子体扩散腔12与所述真空反应室13密封面，实现样品的放样、取样等操作。

进一步的，等离子体扩散腔12可以是喇叭型、圆柱形、长方体等各种形状。优选的，为了便于等离体子均匀扩散至真空反应室13，等离体子扩散腔12为喇叭型。

上述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围。即凡依本实用新型权利要求书所做的均等变化与修饰，均为本实用新型专利范围所涵盖。

Claims (9)

1.一种微波等离子体辅助原子层沉积设备，包括微波等离子体发生器、等离子体扩散腔、真空反应室和反应源接口；其中，

所述微波等离子体发生器含有等离子体快速发生装置，所述微波等离子体发生器设置于所述等离子体扩散腔上方，通过所述等离子体扩散腔与所述真空反应室相连通；

所述等离子体扩散腔设有微波等离子体接入口、惰性气体接入口、观察窗口、真空反应室接口、等离子体快速发生装置接口，所述微波等离子体接入口与所述微波等离子体发生器连接，所述惰性气体接入口与惰性气体管路连通，所述真空反应室接口与所述真空反应室连接，所述等离子体快速发生装置接口与所述等离子体快速发生装置连接；

所述真空反应室设有等离子体扩散腔接口、进气口、出气口，所述等离子体扩散腔接口与所述所述等离子体扩散腔的所述真空反应室接口相连接，所述真空反应室的等离子体扩散腔接口表面上设置有闭合状的外层密封圈及内层密封圈双密封结构，所述进气口通过传输管路与所述反应源接口连通，所述出气口通过抽气管路与抽真空设备连接。

2.如权利要求1所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述等离子体扩散腔与所述的真空反应室通过开合装置连接。

3.如权利要求1所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体发生器设有冷却水管路系统。

4.如权利要求1所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括加热器，所述加热器设于所述真空反应室底部及所述传输管路、抽气管路。

5.如权利要求1所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体辅助原子层沉积设备还包括质量流量计、截止阀、真空计和温度探头。

6.如权利要求1所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述反应源接口的数量大于或者等于2。

7.如权利要求6所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体辅助原子层沉积设备的反应源接口设有隔膜阀，所述隔膜阀与反应源连通。

8.如权利要求7所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体辅助原子层沉积设备的反应源设有加热装置。

9.如权利要求6所述的微波等离子体辅助原子层沉积设备，其特征在于，所述微波等离子体辅助原子层沉积设备的反应源接口至少含有一个气体供应装置，所述气体供应装置用于与所述微波等离子体反应气体相连通。

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