CN220300844U - 一种薄膜制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜制备装置，包括雾化罐、缓冲罐、反应腔体和加热台，雾化罐通过进气胶管与所述缓冲罐连通，缓冲罐通过侧接头与反应腔体的进口端连通，加热台位于所述反应腔体下方用于给反应腔体加热；反应腔体内设有斜坡衬底托，该斜坡衬底托靠近所述反应腔体进气口的一端的高度小于所述斜坡衬底托靠近反应腔体出气口的一端的高度，斜坡衬底托的倾斜角度为5°‑30°。本方案通过设计斜坡衬底托，能够增加液滴与衬底的接触面积的同时缩短液滴到达衬底的水平距离，使得液滴在靠近衬底被蒸发前能够更加均匀、有效的与衬底发生热分解反应，提高了薄膜的生长质量。

Description

一种薄膜制备装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜制备技术领域，具体涉及一种薄膜制备装置。

背景技术

化学气相沉积(CVD)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法，是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术。原料是两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。现在已经有很多CVD方法，新的设备也在不断的更新和进步，雾化辅助CVD方法是历经数十年发展后受到关注较多的一种新型CVD技术，大量文献研究表明，这种方法对于高质量半导体薄膜的制备很有优势，它的优点是能够在常压下制备，不需要真空的环境，同时工作温度较低。相比于工业主流的MOCVD技术，成本优势十分明显。雾化辅助CVD方法是采用CVD与喷雾热解法相结合的方法，利用超声将前驱体溶液雾化成小液滴颗粒，通过载气将液滴颗粒运输至处于热源的反应腔体中的衬底上，雾滴在衬底周围的热分解是薄膜生长质量好坏的关键因素。与传统CVD方法相比，雾化辅助CVD法对气态源的依赖更低，能够以更低的成本制备出薄膜生长更均匀，质量好的薄膜。

在雾化辅助CVD设备中，反应腔体的设计尤为关键，对于科研工作者来说，CVD腔体的合理化设计对于高质量样品的制备至关重要，在薄膜生长过程中，前驱体液滴颗粒在载气的作用下输运至衬底的过程中，由于热场和流场的原因，液滴颗粒的寿命会减弱，会导致靠近反应腔体进气口的一边薄膜生长较厚，但液滴颗粒通过衬底后靠近反应腔体出气口的一边薄膜生长较薄，从而使得在衬底上的薄膜生长不均匀。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本实用新型提供一种薄膜制备装置，以解决现有技术中的问题。

为了实现上述发明目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种薄膜制备装置，包括雾化罐、缓冲罐、反应腔体和加热台，所述雾化罐通过进气胶管与所述缓冲罐连通，所述缓冲罐通过侧接头与所述反应腔体的进口端连通，所述加热台位于所述反应腔体下方用于给所述反应腔体加热；所述反应腔体内设有斜坡衬底托，该斜坡衬底托靠近所述反应腔体进气口的一端的高度小于所述斜坡衬底托靠近所述反应腔体出气口的一端的高度，所述斜坡衬底托的倾斜角度为5°-30°，衬底置于所述斜坡衬底托的斜坡表面。

优选的，所述斜坡衬底托靠近所述反应腔体进气口的一端设有限位台阶，该限位台阶的厚度与所述衬底的厚度相同。

如此设置，衬底放置在斜坡衬底托上后与限位台阶形成平整平面，利于液滴流动与薄膜生长。

优选的，所述斜坡衬底托上设有热电偶通道，该热电偶通道沿前驱体溶液在所述反应腔体内的流体方向贯穿所述斜坡衬底托。

如此设置，将热电偶放置到热电偶通道里，可以直接接触衬底，测温点的温度更真实准确，热稳定性更好，衬底的温度更稳定。

优选的，所述雾化罐包括罐体，所述罐体的顶部设雾化顶盖，所述罐体的底部设隔膜，所述罐体设于雾化罐底座上，所述雾化罐底座设于水罐内，所述水罐置于水罐底座上，所述雾化罐底座的中部设有向下延伸的安装部，该安装部上靠近所述罐体的一端设雾化片，所述安装部与所述水罐底座上的承接部相匹配。

如此设置，可显著提高雾化片的寿命，将雾化罐罐体与隔膜固定为一体，雾化片与雾化罐底座为一体，且位于水罐内，水罐内的水溶液为雾化片传导能量的介质，这种设计能够避免前驱体溶液与雾化片的直接接触，避免了雾化片被前驱体溶液腐蚀，同时水溶液的加入能够减小雾化片在工作中产生的热量，从而增加了雾化片的使用寿命，减小了由于雾化片寿命的变化，其产生的功率变化对雾化效果的影响导致实验结果的偏差，同时在雾化片发生损坏后，能够更加简易的更换雾化片。

优选的，还包括固定底座，所述固定底座上设散热风扇，所述水罐底座安装在所述固定底座上。

优选的，所述侧接头的截面呈梯形，且所述侧接头靠近所述缓冲罐一端的截面面积小于所述侧接头靠近所述反应腔体一端的截面面积。如此设置，侧接头和缓冲室可以将从进气胶管输运来的液滴进行缓冲，避免产生因流速不均匀导致的湍流。

优选的，还包括废液收集罐，该废液收集罐通过输运胶管与所述缓冲罐连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本方案通过设计斜坡衬底托，能够增加液滴与衬底的接触面积的同时缩短液滴到达衬底的水平距离，使得液滴在靠近衬底被蒸发前能够更加均匀、有效的与衬底发生热分解反应，提高了薄膜的生长质量。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中的雾化罐的爆炸示意图；

图3为图2的剖视图；

图4为图1中的缓冲罐与反应腔体的结构示意图；

图5为图4中的反应腔体的主视图；

图6为图5的Ⅰ处放大图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如附图1-附图6所示的一种薄膜制备装置，包括型材支架9、雾化罐1、缓冲罐23、反应腔体8、废液收集罐26、前驱体溶液储罐31和加热台7，反应腔体8、缓冲罐23和加热台7设于型材支架9上，所述雾化罐1通过进气胶管24与所述缓冲罐23连通，所述缓冲罐23通过侧接头22与所述反应腔体8的进口端连通，所述加热台7位于所述反应腔体8下方用于给所述反应腔体8加热，废液收集罐26通过输运胶管25与所述缓冲罐23连通。前驱体溶液储罐31通过两条管道与所述雾化罐1连通，其中一条管道上设蠕动泵，另一条管道上设反向蠕动泵。蠕动泵将前驱体溶液储罐31中的前驱体溶液输运至雾化罐1中，当雾化罐1中的前驱体溶液达到指定液面时，另一个反向蠕动泵开启，雾化罐1中高于指定液面的溶液将被输运至前驱体溶液储罐31中，直至达到液面平衡即可。

反应腔体8上端设开口，开口处设腔体盖板18，打开反应腔体时只需移动腔体盖板18即可。

所述侧接头22的截面呈梯形，且侧接头22靠近缓冲罐23一端的截面面积小于侧接头22靠近反应腔体8一端的截面面积。通过侧接头的设置可对缓冲室运输过来的液滴进行整流，避免产生因流速不均匀导致的湍流。

缓冲室23底部通过输运胶管连通废液收集罐26，在工作过程中，部分液滴由于液滴颗粒过大，通过雾化源到达缓冲室23之后，在重力的作用下将过滤这些对薄膜生长不利的大颗粒液滴，大颗粒液滴通过缓冲室底部的输运胶管进入废液收集罐26，废液收集罐26中会装有没过管口的稀释液体，以此用来避免前驱体液滴泄漏，以及对废液的处理。

从图5和图6可看出，所述反应腔体8内设有斜坡衬底托19，该斜坡衬底托19靠近所述反应腔体8进气口的一端的高度小于所述斜坡衬底托19靠近所述反应腔体8出气口的一端的高度，所述斜坡衬底托19的倾斜角度为5°-30°，优选为12°-20°，衬底置于所述斜坡衬底托19的斜坡表面。

本实施例中所述斜坡衬底托19靠近反应腔体8进气口的一端设有限位台阶3，该限位台阶3的厚度与所述衬底的厚度相同，这样衬底置于斜坡衬底托的斜坡上时与限位台阶3齐平，利于液滴流动。所述斜坡衬底托19上设有热电偶通道20，该热电偶通道20沿前驱体溶液在所述反应腔体8内的流体方向贯穿所述斜坡衬底托19，这样热电偶可直接接触衬底进行测温。

从图2和图3可看出，所述雾化罐1包括罐体111，罐体111的顶部设雾化顶盖10，罐体111的底部设隔膜110，用第一膜固定支架113将隔膜110挤压固定，第二膜固定支架112将隔膜的多余部分与第一膜固定支架113紧贴然后使用硅胶固定到罐体111底部与雾化罐成为一体结构，并将其放置在雾化罐底座12上，且可以从雾化罐底座12上自由取出。第一膜固定支架113和第二膜固定支架112均为圆环状结构套设在罐体111上。

所述罐体111设于雾化罐底座12上，雾化罐底座12设于水罐14内，水罐14置于水罐底座15上，雾化罐底座12的中部设有向下延伸的安装部121，该安装部121上靠近所述罐体111的一端设雾化片13，所述安装部121与所述水罐底座15上的承接部151相匹配。隔膜110与罐体固定为一个整体，同时隔膜110与雾化片13相分隔开，作用有以下四个方面：

一、能够使13雾化片和带有腐蚀性的前驱体溶液相隔离，能够有效的延长雾化片13的使用寿命，同时能够减小由于雾化片13寿命的减短导致的雾化效果不一致，能够减小雾化片13对于实验结果的影响；二、当雾化片13发生了损坏，能够更加简便的进行更换，将损坏的雾化片13从水罐底座15中心位置取出，将新的雾化片13重新放置进去，通过雾化片的橡胶圈与水管底座15上的承接部151挤压防止水罐中的水漏出；三、水罐14中的水溶液不仅能够提供能隔膜110与雾化片13之间的能量传递介质，同时能够降低雾化片13工作时候产生的热量；四、由于雾化片13的震动会使隔膜110与水罐14中的水溶液之间产生气泡，气泡的产生会导致雾化片13能量传递的损耗，但得益于罐体111与雾化片13是相互分离的结构，当长时间使用产生气泡后，使罐体111离开雾化罐底座12，通过调整雾化罐整体与水罐底座15之间的倾斜角度可以排去隔膜与水罐中的气泡，使得恢复原始的能量传递效率。

所述水罐底座15安装在固定底座17上，固定底座17上设散热风扇16。由于雾化片13在工作的过程中会产生大量的热量，热量堆积会导致雾化片13温度过高，从而使得雾化片13的使用寿命降低，因此设置散热风扇16进行散热，同时水罐14中的水溶液也能够帮助降低雾化片13的工作温度。

斜坡衬底托的加入相比于传统衬底托的优势在于，当前驱体溶液通过雾化罐1雾化后以液滴的形式进入缓冲室23，经过缓冲室23筛选掉对薄膜生长不利的大颗粒液滴后进入侧接头，通过侧接头对缓冲室23运输过来的液滴进行整流，最后液滴在载气的作用下通过反应腔体8到达斜坡衬底托19，由于加热台7温度场导致液滴在到达衬底前或衬底中心时，部分液滴会被蒸发或提前蒸发，传统反应腔体衬底与反应腔体平行放置，靠近侧接头进气方向的衬底的有效液滴数量更多，导致薄膜沉积更厚，后方靠近排气方向衬底上方的有效液滴在加热台产生的高温下，液滴提前蒸发导致寿命减小，薄膜沉积得更薄，导致衬底前后部分的薄膜生长不均匀，薄膜质量不佳。本方案通过加入斜坡衬底托19，由于斜坡衬底托的坡面为倾斜设置，相对于传统衬底托，在相同的水平方向长度下，衬底置于坡面上时其长度更长，从而能够增加液滴与衬底的接触面积使得薄膜沉积效率更高。在衬底长度相同的情况下下，位于坡面上的衬底的水平方向距离小于与传统平行放置的衬底的水平方向距离，从而缩短液滴到达衬底的水平距离，使得液滴在靠近衬底被蒸发前能够更加有效的与衬底发生热分解反应，提高了薄膜的生长质量和均匀性。

以上描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种薄膜制备装置，其特征在于：包括雾化罐(1)、缓冲罐(23)、反应腔体(8)和加热台(7)，所述雾化罐(1)通过进气胶管(24)与所述缓冲罐(23)连通，所述缓冲罐(23)通过侧接头(22)与所述反应腔体(8)的进口端连通，所述加热台(7)位于所述反应腔体(8)下方用于给所述反应腔体(8)加热；所述反应腔体(8)内设有斜坡衬底托(19)，该斜坡衬底托(19)靠近所述反应腔体(8)进气口的一端的高度小于所述斜坡衬底托(19)靠近所述反应腔体(8)出气口的一端的高度，所述斜坡衬底托(19)的倾斜角度为5°-30°，衬底置于所述斜坡衬底托(19)的斜坡表面。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：所述斜坡衬底托(19)靠近所述反应腔体(8)进气口的一端设有限位台阶(3)，该限位台阶(3)的厚度与所述衬底的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：所述斜坡衬底托(19)上设有热电偶通道(20)，该热电偶通道(20)沿前驱体溶液在所述反应腔体(8)内的流体方向贯穿所述斜坡衬底托(19)。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：所述雾化罐(1)包括罐体(111)，所述罐体(111)的顶部设雾化顶盖(10)，所述罐体(111)的底部设隔膜(110)，所述罐体(111)设于雾化罐底座(12)上，所述雾化罐底座(12)设于水罐(14)内，所述水罐(14)置于水罐底座(15)上，所述雾化罐底座(12)的中部设有向下延伸的安装部(121)，该安装部(121)上靠近所述罐体(111)的一端设雾化片(13)，所述安装部(121)与所述水罐底座(15)上的承接部(151)相匹配。

5.根据权利要求4所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：还包括固定底座(17)，所述固定底座(17)上设散热风扇(16)，所述水罐底座(15)安装在所述固定底座(17)上。

6.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：所述侧接头(22)的截面呈梯形，且所述侧接头(22)靠近所述缓冲罐(23)一端的截面面积小于所述侧接头(22)靠近所述反应腔体(8)一端的截面面积。

7.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于：还包括废液收集罐(26)，该废液收集罐(26)通过输运胶管(25)与所述缓冲罐(23)连通。