CN219010454U - 一种原子层沉积装置和气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原子层沉积装置和气相沉积设备，原子层沉积装置包括反应腔室，反应腔室上设有真空口、第一进气口和多个第二进气口；设于反应腔室内的加热盘；设于反应腔室外的真空泵；设于反应腔室外的第一供应部，第一供应部的输出口与第一进气口连通，用于经载气供应非金属物质至反应腔室；设于反应腔室外的第二供应部，第二供应部的输出口与多个第二进气口连通，用于经载气供应金属物质的前驱体至反应腔室，由于第二进气口为多个，能够经多个第二进气口将金属物质的前驱体更均匀地分流输出至反应腔室，减小单个第二进气口供应时产生的不均匀性，进而提高了原子层沉积工艺中沉积薄膜的均匀性。

Description

一种原子层沉积装置和气相沉积设备

技术领域

本申请涉及原子层沉积的技术领域，尤其涉及一种原子层沉积装置和气相沉积设备。

背景技术

PEALD(lasma Enhanced Atomic Layer Deposition，原子层沉积)是一种通过自限表面化学反应制备薄膜材料的先进技术，主要由远程脉冲感应耦合等离子体发生器、真空反应腔室、真空系统、前驱体输运系统等部分实施。沉积过程中前驱体的交替、等离子体的产生、样品台温度、载气流量、沉积周期等参数都可以预先设定并由控制系统自动执行。PEALD包含若干半反应序列，每个半反应序列在生长薄膜时，将气相前驱体交替脉冲地通入反应腔，在沉积的基底上进行表面化学吸附反应，形成薄膜，通过惰性气体清洗去除多余的前驱体和副产物。PEALD的每一次循环都可以实现原子级生长，即单原子层吸附，因此可以通过反应循环次数精确控制膜的厚度和组成，制备出致密无针孔的沉积膜，这种薄膜具有极佳的三维共形性。在薄膜的沉积过程中，现有方式是从单侧进源，对沉积薄膜的均匀性存在不利影响。

因此，如何提高原子层沉积工艺中沉积薄膜的均匀性，是目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的一种原子层沉积装置和气相沉积设备，提高了原子层沉积工艺中沉积薄膜的均匀性。

本实用新型实施例提供了以下方案：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种原子层沉积装置，包括：

反应腔室，其内部形成的空腔用于金属物质的前驱体在反应基底上进行沉积，所述反应腔室上设有真空口、第一进气口和多个第二进气口；

加热盘，设于所述反应腔室内，用于对所述反应基底进行加热；

真空泵，设于所述反应腔室外，所述真空泵的抽气口与所述真空口连通，用于对所述反应腔室抽真空；

第一供应部，设于所述反应腔室外，所述第一供应部的输出口与所述第一进气口连通，用于经载气供应非金属物质至所述反应腔室；

第二供应部，设于所述反应腔室外，所述第二供应部的输出口与所述多个第二进气口连通，用于经载气供应包含所述金属物质的前驱体至所述反应腔室。

在一种可选的实施例中，所述第一供应部包括：

第一载气瓶；

第一流量计，所述第一流量计的进气口与所述第一载气瓶的出气口连通；

第一进气管，所述第一进气管的进气口与所述第一流量计的出气口连通，所述第一进气管的出气口与所述第一进气口连通；

第一前驱体瓶，所述第一前驱体瓶的出气口与所述第一进气管的进气口连通。

在一种可选的实施例中，所述第一进气口的数量为多个，所述第一进气管上设有多个出气口，每个所述第一进气口与每个所述第一进气管的出气口对应连通。

在一种可选的实施例中，所述第二供应部包括：

第二载气瓶；

第二流量计，所述第二流量计的进气口与所述第二载气瓶的出气口连通；

第二进气管，所述第二进气管的进气口与所述第二流量计的出气口连通，所述第二进气管上设有多个出气口，每个所述第二进气管的出气口与每个所述第二进气口连通；

第二前驱体瓶，所述第二前驱体瓶的出气口与所述第二进气管的进气口连通。

在一种可选的实施例中，所述第一进气口和第二进气口的数量均为两个，所述第一进气管和所述第二进气管上均设有两个出气口，所述第一进气管的出气口与所述第一进气口连通，所述第二进气管的出气口与所述第二进气口连通。

在一种可选的实施例中，一个所述第一进气口和一个所述第二进气口设置于所述反应腔室的第一区域，另一个所述第一进气口和另一个所述第二进气口设置于所述反应腔室的第二区域，所述第一区域和所述第二区域相对设置于所述加热盘的上方。

在一种可选的实施例中，所述第一进气口和所述第二进气口均设置于所述加热盘的上方，所述第一进气口的气流方向和所述第二进气口的气流方向呈预设角度。

在一种可选的实施例中，所述第二进气口在所述反应腔室的外周圆形阵列设置。

在一种可选的实施例中，所述装置还包括：

第三载气瓶；

第三流量计，所述第三流量计的进气口与所述第三载气瓶的出气口连通；

等离子体发生器，所述第三流量计的出气口与所述等离子体发生器的输入口连通，所述等离子体发生器的输出口与所述反应腔室连通；

第三前驱体瓶，所述第三前驱体瓶的出气口与所述等离子体发生器的输入口连通。

第二方面，本发明实施例还提供了一种气相沉积设备，所述设备包括第一方面中任一所述的原子层沉积装置。

本实用新型的一种原子层沉积装置和气相沉积设备与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型的原子层沉积装置，包括内部形成的空腔用于金属物质的前驱体在反应基底上进行沉积的反应腔室，反应腔室上设有真空口、第一进气口和多个第二进气口；设于反应腔室内的加热盘，用于对反应基底进行加热；设于反应腔室外的真空泵，用于对反应腔室抽真空；设于反应腔室外的第一供应部，第一供应部的输出口与第一进气口连通，用于经载气供应非金属物质至反应腔室；设于反应腔室外的第二供应部，第二供应部的输出口与多个第二进气口连通，用于经载气供应金属物质的前驱体至反应腔室，由于第二进气口为多个，能够经多个第二进气口将金属物质的前驱体更均匀地分流输出至反应腔室，减小单个第二进气口供应时产生的不均匀性，进而提高了原子层沉积工艺中沉积薄膜的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种原子层沉积装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的反应腔室的正视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的反应腔室的俯视结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的反应腔室的工作状态示意图。

附图标记说明：1-反应腔室、2-真空口、3-第一进气口、4-第二进气口、5-加热盘、6-真空泵、7-第一供应部、8-第二供应部、9-第三流量计、10-等离子体发生器、11-载气瓶、12-第三前驱体瓶、13-第三前驱体阀、14-第三调节阀；

71-第一流量计、72-第一前驱体瓶、73-第一进气管、74-第一调节阀、75-第一前驱体阀；

81-第二流量计、82-第二前驱体瓶、83-第二进气管、84-第二调节阀、85-第二前驱体阀。

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、完整的描述，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，基于本实用新型实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型实施例保护的范围。

请参阅图1，本实用新型实施例提供了一种原子层沉积装置，包括：

反应腔室1，其内部形成的空腔用于金属物质的前驱体在反应基底上进行沉积，反应腔室1上设有真空口2、第一进气口3和多个第二进气口4；加热盘5，设于反应腔室1内，用于对反应基底进行加热；真空泵6，设于反应腔室1外，真空泵6的抽气口与真空口2连通，用于对反应腔室1抽真空；第一供应部7，设于反应腔室1外，第一供应部7的输出口与第一进气口3连通，用于经载气供应非金属物质至反应腔室1；第二供应部8，设于反应腔室1外，第二供应部8的输出口与多个第二进气口4连通，用于经载气供应包含金属物质的前驱体至反应腔室1。

具体的，反应腔室1为设有密封门的中空结构，通过密封门放置和取出反应基底；加热盘5用于承载反应基底，并将反应基底加热至沉积工艺的设定温度，反应基底可以是晶圆；第一供应部7用于经载气将非金属物质输出至反应腔室1，用于吹扫等操作，非金属物质可以是水或氧气等，以作为氧化物；第二供应部8用于经载气将金属物质输出至反应腔室1，以进行原子层沉积，金属物质可以是铝，也可以是其他金属元素，以作为还原物。

进行原子层沉积时，经加热盘5进行预热，待预热温度达到设置值并稳定一段时间后，除尽反应腔室1内的湿气、有机质等，当真空度达到目标要求一段时间后，打开反应腔室1，将反应基底放加热盘5中心，关闭反应腔室1。将腔体的沉积温度加热至预定温度开始沉积过程。金属物质的前驱体通过第二供应部8，经多个第二进气口4从多个方位均匀进入反应腔室1，其原理是经进入一定量的载气，载气与液态的金属物质以混合物的形式进入反应腔室1，使金属物质的前驱体均匀的在反应基底进行化学吸附；通过真空泵6对反应腔室1抽真空，以清除反应腔室1内金属物质的前驱体，使反应基底的表面吸附一层金属物质前驱体；非金属物质的前驱体通过第一供应部7，经一定量的载气形成混合物进入反应腔室1，与吸附在反应基底的金属物质前驱体发生反应，再对反应腔室1抽真空，以清除反应腔室1内的共反应物和副产物；循环重复上述流程，重复总循环数可以为300-500次，以进行原子层沉积。

需要说明的是，多个第二进气口4可以根据需求在反应腔室1上排列设置，例如间隔直线排列，或在反应腔室1的外周圆形阵列设置。能够使前驱体更均匀进入反应腔室1即可。

在实际实施时，由于原子层沉积工艺制备的沉积薄膜厚度较为精密，因此需要对前驱体的输出量进行准确控制。基于此，在一种具体的实施方式中，第一供应部7包括：第一载气瓶；第一流量计71，第一流量计71的进气口与第一载气瓶的出气口连通；第一进气管73，第一进气管73的进气口与第一流量计71的出气口连通，第一进气管73的出气口与第一进气口3连通；第一前驱体瓶72，第一前驱体瓶72的出气口与第一进气管73的进气口连通。

具体的，请继续参阅图1，第一供应部7用于供应气体源的前驱体，第一载气瓶用于预装惰性气体或氮气，以作为气体源前驱体的载气；第一进气管73可以设置两个进气口，分别用于载气和气体源前驱体输入，再经第一进气管73的出气口输入至反应腔室1，第一前驱体瓶72用于预装气态水或氧气。通过第一流量计71可以精确设置载气的供应量，以实现前驱体的输出量的准确控制。需要进一步说明的是，还可以在第一前驱体瓶72的出口管路上安装第一前驱体阀75，用于调节第一前驱体瓶72的流量大小；在第一流量计71的出口管路上安装第一调节阀74，用于调节第一进气管73中载气的流量大小。

在实际应用时，由于第一供应部7输出的前驱体需要参与沉积过程中的化学反应，若该前驱体供应至反应腔室1的均匀性不足，则同样会影响沉积薄膜分布和厚度的均匀性。基于此，在一种具体的实施方式中，第一进气口3的数量为多个，第一进气管73上设有多个出气口，每个第一进气口3与每个第一进气管73的出气口对应连通。

具体的，第一进气管73可以设置一个进气口和多个出气口，一个进气口用于载气和前驱体输入，多个出气口对应与多个第一进气口3连通，以输入载气和前驱体的混合物，多个第一进气口3同样可以沿反应腔室1圆形阵列设置，使各第一进气口3可以均匀输入非金属物质的前驱体。

在一种具体的实施方式中，第二供应部8包括：

第二载气瓶；第二流量计81，第二流量计81的进气口与第二载气瓶的出气口连通；第二进气管83，第二进气管83的进气口与第二流量计81的出气口连通，第二进气管83上设有多个出气口，每个第二进气管83的出气口与每个第二进气口4连通；第二前驱体瓶82，第二前驱体瓶82的出气口与第二进气管83的进气口连通。

具体的，请继续参阅图1，第二供应部8用于供应金属物质的前驱体，金属物质的前驱体预装至第二前驱体瓶82内。供应时将第二前驱体瓶82开启至预设开度，第二载气瓶和第二流量计81同样开启至预设开度，使载气和前驱体的配比满足沉积工艺的设定要求，第二载气瓶中的载气与前驱体经多个第二进气口4输入至反应腔室1内。还可以在第二前驱体瓶82的出口管路上安装第二前驱体阀85，用于调节第二前驱体瓶82的流量大小；在第二流量计81的出口管路上安装第二调节阀84，用于调节第二进气管83中载气的流量大小。

在实际应用时，开设较多的第一进气口和第二进气口，对促进沉积薄膜厚度的均匀性具有较好的提升效果，但也提高了管路的布置难度，加工的繁琐程度同样会提高。基于此，在一种具体的实施方式中，第一进气口3和第二进气口4的数量均为两个，第一进气管73和第二进气管83上均设有两个出气口，第一进气管73的出气口与第一进气口3连通，第二进气管83的出气口与第二进气口4连通。

具体的，请参阅图2和图3，将第一进气口3和第二进气口4均设置为两个，可以保障前驱体进入反应腔室1的均匀性，同时降低各管路的布置难度，第一进气管73和第二进气管83均可以设置为三通结构，以将前驱体分流输入反应腔室1。

在一种具体的实施方式中，一个第一进气口3和一个第二进气口4设置于反应腔室1的第一区域，另一个第一进气口3和另一个第二进气口4设置于反应腔室1的第二区域，第一区域和第二区域相对设置于加热盘5的上方。

具体的，由于第一区域的第一进气口3和第二区域的第一进气口3相对设置，因此在供应非金属物质的前驱体时，供应过程中可以进行预混，进一步提高前驱体在反应腔室1的均匀性。同理，将第一区域的第二进气口4和第二区域的第二进气口4相对设置，同样可以提高金属物质的前驱体供应至反应腔室1的均匀性。

在一种具体的实施方式中，第一进气口3和第二进气口4均设置于加热盘5的上方，第一进气口3的气流方向和第二进气口4的气流方向呈预设角度。

具体的，预设角度可以是60-160°中的任意角度，第一进气口3和第二进气口4均设置于加热盘5的上方，真空口2设置于加热盘5的下方，能够使前驱体更均匀附着于反应基底上。

在实际应用时，由于通入气态的前驱体其氧化能力较弱，导致沉积薄膜时应用存在一定的局限性。基于此，在一种具体的实施方式中，装置还包括：

第三载气瓶；第三流量计9，第三流量计9的进气口与第三载气瓶的出气口连通；等离子体发生器10，第三流量计9的出气口与等离子体发生器10的输入口连通，等离子体发生器10的输出口与反应腔室1连通；第三前驱体瓶12，第三前驱体瓶12的出气口与等离子体发生器10的输入口连通。

具体的，请继续参阅图1和图4，等离子体发生器10可以将第三前驱体瓶12输出的前驱体电离为等离子体，将等离子体输出至反应腔室1，以提高前驱体的氧化能力。需要说明的是，第一载气瓶、第二载气瓶和第三载气瓶可以设置为同一载气瓶11，分离三个独立的阀门，以对应供应载气。还可以在第三前驱体瓶12的出口管路上安装第三前驱体阀13，以调节前驱体的输出量，第三流量计9的出口管理上安装第三调节阀14，以调节载气的输出量；还可以设置一控制器，将各流量计和阀门进行对应的控制连接，实现沉积装置的智能化控制。

基于与原子层沉积装置同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种气相沉积设备，所述设备包括任一所述的原子层沉积装置。

本实用新型实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型的原子层沉积装置，包括内部形成的空腔用于金属物质的前驱体在反应基底上进行沉积的反应腔室，反应腔室上设有真空口、第一进气口和多个第二进气口；设于反应腔室内的加热盘，用于对反应基底进行加热；设于反应腔室外的真空泵，用于对反应腔室抽真空；设于反应腔室外的第一供应部，第一供应部的输出口与第一进气口连通，用于经载气供应非金属物质至反应腔室；设于反应腔室外的第二供应部，第二供应部的输出口与多个第二进气口连通，用于经载气供应金属物质的前驱体至反应腔室，由于第二进气口为多个，能够经多个第二进气口将金属物质的前驱体更均匀地分流输出至反应腔室，减小单个第二进气口供应时产生的不均匀性，进而提高了原子层沉积工艺中沉积薄膜的均匀性。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的方案构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种原子层沉积装置，其特征在于，包括：

反应腔室，其内部形成的空腔用于金属物质的前驱体在反应基底上进行沉积，所述反应腔室上设有真空口、第一进气口和多个第二进气口；

加热盘，设于所述反应腔室内，用于对所述反应基底进行加热；

真空泵，设于所述反应腔室外，所述真空泵的抽气口与所述真空口连通，用于对所述反应腔室抽真空；

第一供应部，设于所述反应腔室外，所述第一供应部的输出口与所述第一进气口连通，用于经载气供应非金属物质至所述反应腔室；

第二供应部，设于所述反应腔室外，所述第二供应部的输出口与所述多个第二进气口连通，用于经载气供应包含所述金属物质的前驱体至所述反应腔室。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第一供应部包括：

第一载气瓶；

第一流量计，所述第一流量计的进气口与所述第一载气瓶的出气口连通；

第一进气管，所述第一进气管的进气口与所述第一流量计的出气口连通，所述第一进气管的出气口与所述第一进气口连通；

第一前驱体瓶，所述第一前驱体瓶的出气口与所述第一进气管的进气口连通。

3.根据权利要求2所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第一进气口的数量为多个，所述第一进气管上设有多个出气口，每个所述第一进气口与每个所述第一进气管的出气口对应连通。

4.根据权利要求2所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第二供应部包括：

第二载气瓶；

第二流量计，所述第二流量计的进气口与所述第二载气瓶的出气口连通；

第二进气管，所述第二进气管的进气口与所述第二流量计的出气口连通，所述第二进气管上设有多个出气口，每个所述第二进气管的出气口与每个所述第二进气口连通；

第二前驱体瓶，所述第二前驱体瓶的出气口与所述第二进气管的进气口连通。

5.根据权利要求4所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第一进气口和第二进气口的数量均为两个，所述第一进气管和所述第二进气管上均设有两个出气口，所述第一进气管的出气口与所述第一进气口连通，所述第二进气管的出气口与所述第二进气口连通。

6.根据权利要求5所述的原子层沉积装置，其特征在于，一个所述第一进气口和一个所述第二进气口设置于所述反应腔室的第一区域，另一个所述第一进气口和另一个所述第二进气口设置于所述反应腔室的第二区域，所述第一区域和所述第二区域相对设置于所述加热盘的上方。

7.根据权利要求5所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第一进气口和所述第二进气口均设置于所述加热盘的上方，所述第一进气口的气流方向和所述第二进气口的气流方向呈预设角度。

8.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述第二进气口在所述反应腔室的外周圆形阵列设置。

9.根据权利要求1所述的原子层沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三载气瓶；

第三流量计，所述第三流量计的进气口与所述第三载气瓶的出气口连通；

等离子体发生器，所述第三流量计的出气口与所述等离子体发生器的输入口连通，所述等离子体发生器的输出口与所述反应腔室连通；

第三前驱体瓶，所述第三前驱体瓶的出气口与所述等离子体发生器的输入口连通。

10.一种气相沉积设备，其特征在于，所述设备包括权利要求1-9任一所述的原子层沉积装置。

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