技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于原子沉積
薄膜制備領(lǐng)域,更具體地,涉及一種用于空間隔離原子層沉積的模塊化噴頭及裝置。
背景技術(shù)
[0002] 柔性
電子以其獨特的柔性、延展性、低成本的制造工藝,在信息、
能源、醫(yī)療、柔性顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
柔性電子的
制造過程包括:材料制備—薄膜沉積—
圖案化—封裝—功能集成,其中薄膜層的性能直接決定了柔性電子器件的電學(xué)、
力學(xué)以及
密封性能。相較于
化學(xué)氣相沉積(CVD)、
物理氣相沉積(PVD)等傳統(tǒng)的薄膜制備技術(shù),原子層沉積技術(shù)(ALD)具有臺階
覆蓋率高、適應(yīng)于大表面沉積、厚度
納米級可控的特點,優(yōu)勢明顯。但其不足之處在于,傳統(tǒng)的時間隔離原子層沉積薄膜制備效率較低,無法滿足大規(guī)模、低成本生產(chǎn)的需求??臻g隔離原子層沉積技術(shù)依靠惰性氣體實現(xiàn)對不同前驅(qū)體的隔離,通過基底在下方的往復(fù)運動來實現(xiàn)薄膜的連續(xù)生長,使得薄膜制備效率大大提升。此外,薄膜的生長呈現(xiàn)出較強的線性性,通過控制循環(huán)次數(shù)可以實現(xiàn)對薄膜厚度的控制。該技術(shù)在
太陽能電池、柔性電子、光伏等領(lǐng)域具有廣闊的前景。
[0003] 目前,空間隔離原子層沉積技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵問題在于如何在基底快速運動時保障沉積薄膜的均勻一致性。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 針對
現(xiàn)有技術(shù)的以上
缺陷或改進(jìn)需求,現(xiàn)提供了一種用于空間隔離原子層沉積的噴頭及裝置。其目的在于通過前軀體通道對噴入的氣體進(jìn)行分流和緩沖,由此解決空間隔離原子層系統(tǒng)在基底高速運動時薄膜生長不均勻、前驅(qū)體易發(fā)生交叉污染的問題,實現(xiàn)了高效快速大面積的均勻薄膜沉積。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種用于空間隔離原子層沉積的模塊化噴頭,包括:前驅(qū)體通道組件、密封組件;前驅(qū)體通道組件包括板狀基體、前驅(qū)體通道、氣體管路;前驅(qū)體通道布置于板狀基體
正面,
自上而下延伸,前驅(qū)體通道的頂端連通氣體管路;密封組件設(shè)于板狀基體正面,用于對前驅(qū)體通道進(jìn)行密封,防止前驅(qū)體泄露。
[0006] 進(jìn)一步地,前驅(qū)體通道包括多層分流通道、前驅(qū)體擴散層;多層分流通道自上而下布置,且分流通道的數(shù)量逐層增加,以將氣體管路輸入的一路氣體均勻分流為多路氣體;前驅(qū)體擴散層設(shè)于最下層的分流通道下方,將最下層的分流通道連通,以使前驅(qū)體在到達(dá)反應(yīng)基底前充分?jǐn)U散。
[0007] 進(jìn)一步地,第n層有2n個分流通道,每個分流通道在下層分流為兩路,最后一層的分流通道通過前驅(qū)體擴散層連通。
[0008] 進(jìn)一步地,前驅(qū)體通道包括四層分流通道和一層前驅(qū)體擴散層;
[0009] 第一層至第四層分流通道自上而下布置,其中,第一層分流通道的進(jìn)氣口通過對稱設(shè)置的斜面將前驅(qū)體均勻地分為兩路;第四層分流通道采用錐形截面的進(jìn)出氣口,以產(chǎn)生氣體壓降的變化,有利于氣體的擴散;前驅(qū)體擴散層設(shè)于第四層分流通道下方,將第四層分流通道連通,以使前驅(qū)體在到達(dá)反應(yīng)基底前充分?jǐn)U散。
[0010] 進(jìn)一步地,密封組件包括密封板、
密封圈溝槽、密封組件加熱區(qū)、密封圈;
[0011] 密封板正面朝向板狀基體正面安裝于板狀基體上;密封圈溝槽設(shè)于密封板正面,密封圈安裝于密封圈溝槽中,用于將密封板和板狀基體密封,防止前驅(qū)體泄露;密封組件加熱區(qū)設(shè)置于密封板背面對應(yīng)前驅(qū)體通道的
位置;
[0012] 前驅(qū)體通道組件包括前驅(qū)體通道加熱區(qū),其設(shè)于板狀基體背面對應(yīng)前驅(qū)體通道的位置;密封組件加熱區(qū)和前驅(qū)體通道加熱區(qū)均用于對前驅(qū)體通道進(jìn)行加熱。
[0013] 為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供了一種用于空間隔離原子層沉積的裝置,包括上述任意一段所述的模塊化噴頭。
[0014] 為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明還提供了一種用于空間隔離原子層沉積的裝置,包括:
箱體、測距
傳感器、排氣組件,以及多個如上任意一段所述的模塊化噴頭;箱體中部設(shè)有貫通上下表面的腔體;模塊化噴頭沿反應(yīng)基體前進(jìn)方向排列,安裝于腔體中,且前驅(qū)體擴散層朝下設(shè)置;測距傳感器安裝于箱體上,用于測量箱體與反應(yīng)基底之間的距離;排氣組件密封安裝于箱體上部,其具有朝下開口的氣體容腔,罩在模塊化噴頭上方,用于在沉積反應(yīng)時充入惰性氣體,提供惰性環(huán)境。
[0015] 進(jìn)一步地,腔體具有兩個位于反應(yīng)基底前進(jìn)方向兩側(cè)的
側(cè)壁,兩個側(cè)壁上均設(shè)有距離調(diào)節(jié)槽;距離調(diào)節(jié)槽沿反應(yīng)基底前進(jìn)方向設(shè)置,且貫通所在側(cè)壁;
[0016] 每個模塊化噴頭兩側(cè)均設(shè)有調(diào)節(jié)桿,調(diào)節(jié)桿設(shè)置于兩側(cè)對應(yīng)的距離調(diào)節(jié)槽中。
[0017] 進(jìn)一步地,排氣組件包括箱蓋,第一惰性氣體
接口、
氧化物前驅(qū)體接口、金屬源前驅(qū)體接口、
負(fù)壓接口、第二惰性氣體接口;
[0018] 氣體容腔設(shè)置于箱蓋中;第一惰性氣體接口、氧化物前驅(qū)體接口、金屬源前驅(qū)體接口、第二惰性氣體接口、負(fù)壓接口均設(shè)于箱蓋上,且連通氣體容腔;其中,[0019] 第一惰性氣體接口、氧化物前驅(qū)體接口、金屬源前驅(qū)體接口分別連接對應(yīng)的模塊化噴頭,用于向各模塊化噴頭提供惰性氣體、氧化物前驅(qū)體,金屬源前驅(qū)體;
[0020] 第二惰性氣體接口用于向氣體容腔內(nèi)通入惰性氣體,形成惰性環(huán)境;
[0021] 負(fù)壓接口用于
抽取反應(yīng)產(chǎn)生的殘余氣體和多余副產(chǎn)物。
[0022] 進(jìn)一步地,模塊化噴頭數(shù)量為七個,沿反應(yīng)基體前進(jìn)方向分別通入惰性氣體、氧化物前驅(qū)體、惰性氣體、金屬源前驅(qū)體、惰性氣體、氧化物前驅(qū)體、惰性氣體。
[0023] 總體而言,本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下有益效果:
[0024] (1)本發(fā)明的模塊化噴頭,由多個部件構(gòu)成整
體模塊,并且通過前軀體通道對噴入的氣體進(jìn)行分流和緩沖,實現(xiàn)沉積均勻,且可以根據(jù)實際需求選取任意數(shù)量進(jìn)行組合。
[0025] (2)前驅(qū)體通道通過多層分流通道將通入的前驅(qū)體逐級分流,可以根據(jù)待沉積基底的尺寸,復(fù)制多個相同的通道結(jié)構(gòu),適應(yīng)基底尺寸的需求,實現(xiàn)大面積基底的薄膜沉積。
[0026] (3)前驅(qū)體通道采用四級分流通道,使氣體由單通道均勻的分成十六通道;四級分流通道的最后一級分流通道采用錐形截面,使前驅(qū)體流經(jīng)該截面時產(chǎn)生壓力變化,更加有利于前驅(qū)體均勻擴散,實現(xiàn)薄膜的均勻沉積。
[0027] (4)由于薄膜沉積是在常壓下反應(yīng),噴頭易堵塞,本發(fā)明的模塊化噴頭是由通道結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)通過機械方式組裝連接,便于拆卸清洗。并且由于是模塊化噴頭,任意噴頭均可以單獨更換清洗,不影響裝置正常使用。
[0028] (5)前驅(qū)體單元采用七個模塊化噴頭以一定的間隔排列組成,包含兩個氧化物前驅(qū)體源和一個金屬前驅(qū)體源,使得基底在前驅(qū)體單元下運動一個來回沉積兩層薄膜,大大提高了薄膜沉積效率。
[0029] (6)通過箱體上的距離調(diào)節(jié)槽和調(diào)節(jié)桿配合,可以根據(jù)沉積工藝要求自由調(diào)節(jié)每個噴頭之間的間隔,防止前驅(qū)體的交叉污染,實現(xiàn)薄膜的均勻沉積。
[0030] (7)采用測距傳感器,可以實時測量反應(yīng)基底在進(jìn)入前驅(qū)體單元和離開前驅(qū)體單元時二者之間的距離,從而可以控制二者之間的距離在工藝允許的范圍內(nèi)。
[0031] (8)本發(fā)明的排氣組件,可以形成惰性保護(hù)氛圍,并實時抽走薄膜沉積過程中的殘余氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物,保證了良好的薄膜沉積環(huán)境。
附圖說明
[0032] 圖1是模塊化噴頭整體結(jié)構(gòu)圖;
[0033] 圖2(a)是模塊化噴頭的前驅(qū)體通道組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0034] 圖2(b)是圖2(a)的仰視圖;
[0035] 圖2(c)是圖2(a)中前驅(qū)體通道的分層結(jié)構(gòu)示意圖;
[0036] 圖3(a)是模塊化噴頭的密封組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0037] 圖3(b)是圖3(a)的仰視圖;
[0038] 圖4是反應(yīng)裝置的整體示意圖;
[0039] 圖5是前驅(qū)體單元的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0040] 圖6(a)是箱體的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0041] 圖6(b)是圖6(a)的主視圖;
[0042] 圖7(a)是排氣組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0043] 圖7(b)是圖7(a)的俯視圖。
具體實施方式
[0044] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及
實施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0045] 本發(fā)明的基本構(gòu)思及原理如下:
[0046] 按照本發(fā)明的一個方面,提供了一種用于實現(xiàn)均勻提供前驅(qū)體制作原子層沉積薄膜的模塊化噴頭,包括前驅(qū)體通道組件、密封組件和加熱組件。其中前驅(qū)體通道組件分為前驅(qū)體進(jìn)氣區(qū)、前驅(qū)體分流區(qū)、前驅(qū)體擴散區(qū)、加熱區(qū)四個區(qū)域;前驅(qū)體進(jìn)氣區(qū)為圓柱形空腔,通過
焊接與外部的氣體管路連接;前驅(qū)體分流區(qū)通過逐層分流將一路前驅(qū)體分為多路前驅(qū)體,實現(xiàn)前驅(qū)體的均勻分散,最后一層分流通道的進(jìn)氣端和出氣端都采用錐形結(jié)構(gòu),有利于前驅(qū)體的擴散;前驅(qū)體擴散區(qū)為一橫截面為等腰梯形的楔形空腔,用于從最后一層分流
層流出的前驅(qū)體均勻的擴散到反應(yīng)基底上。加熱區(qū)設(shè)置在前驅(qū)體通道區(qū)的背面,用于對前驅(qū)體進(jìn)行均勻加熱;密封組件上開有安裝密封圈的標(biāo)準(zhǔn)溝槽,通過密封圈用于對前驅(qū)體通道組件的密封;加熱組件為加熱片,固定在前驅(qū)體通道組件和密封組件上,用于
對流經(jīng)前驅(qū)體通道的前驅(qū)體進(jìn)行均勻加熱。
[0047] 按照本發(fā)明的另一方面,提供了一種空間隔離原子層沉積的反應(yīng)裝置,用于高效快速的沉積均勻薄膜,包括前驅(qū)體單元、箱體、測距系統(tǒng)、排氣組件;前驅(qū)體單元由七個上述提出的模塊化噴頭組成一個空間隔離原子層沉積前驅(qū)體單元;箱體,用于固定噴頭組成反應(yīng)單元,同時調(diào)節(jié)前驅(qū)體單元中每個模塊化噴頭之間的距離;測距系統(tǒng),用于實時測量前驅(qū)體單元與反應(yīng)基底之間的距離,該系統(tǒng)設(shè)置在噴頭箱體上;排氣組件,設(shè)置在噴頭箱體上方,用于提供惰性氣體環(huán)境和抽走反應(yīng)的殘余前驅(qū)體、反應(yīng)副產(chǎn)物。
[0048] 下面,結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0049] 本發(fā)明提供的一種用于空間隔離原子層沉積的噴頭及裝置,如圖1所示,模塊化噴頭1包括:前驅(qū)體通道組件11、密封組件12、加熱組件13。密封組件12和前驅(qū)體通道組件11之間通過密封圈進(jìn)行密封;加熱組件13通過
沉頭螺釘固定在密封組件12背面的密封組件加熱區(qū)和前驅(qū)體通道組件11背面的前驅(qū)體通道加熱區(qū),對流經(jīng)內(nèi)部前驅(qū)體通道的前驅(qū)體進(jìn)行均勻加熱。
[0050] 圖2(a)~2(c)所示的是前驅(qū)體通道組件11的結(jié)構(gòu)示意圖,其主要包括氣體管路111、前驅(qū)體通道112、前驅(qū)體通道加熱區(qū)113。如圖2(c)所示為前驅(qū)體通道112的分層結(jié)構(gòu)示意圖及前驅(qū)體的流向示意圖,有A、B、C、D四層分流通道,E為前驅(qū)體擴散層。第一層分流通道A通過對稱的斜面通道將前驅(qū)體均勻的分為兩路,其斜面通道是為了更好的實現(xiàn)氣體在速度方向上的改變;第二層分流通道B和第三層分流通道C具有保證在每層出口處前驅(qū)體速度的方向和大小一致的最小高度,使得氣體分布最均勻的同時盡量減小整個噴頭的尺寸;第四層分流通道D采用錐形截面的進(jìn)出氣口,產(chǎn)生氣體壓降的變化,更加有利于氣體的擴散;
前驅(qū)體擴散層E保證一定的高度,使得前驅(qū)體在到達(dá)反應(yīng)基底前在垂直方向上進(jìn)行充分?jǐn)U散,保證到達(dá)反應(yīng)基底的前驅(qū)體分布是均勻的。圖3(a)、3(b)為密封組件12的結(jié)構(gòu)示意圖,其主要包括密封層121、密封圈溝槽122、密封組件加熱區(qū)123,密封圈溝槽122是根據(jù)選擇的密封圈型號按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計加工。
[0051] 圖4所示的是反應(yīng)裝置的整體示意圖,包括模塊化噴頭1、
支撐組件2。支撐組件2包括箱體21、傳感器支座22、測距傳感器23、調(diào)節(jié)桿24、排氣組件密封圈25。七個模塊化噴頭1組成了一個前驅(qū)體單元,依次是惰性氣體、氧化物前驅(qū)體、惰性氣體、金屬源前驅(qū)體、惰性氣體、氧化物前驅(qū)體、惰性氣體,基底在前驅(qū)體單元下運動一個來回沉積兩層薄膜。在箱體的左右兩側(cè)各裝有3個測距傳感器23組成了測距系統(tǒng),在線實時測量反應(yīng)基底在進(jìn)出前驅(qū)體單元時二者之間的距離,從而可以控制二者之間的距離在工藝允許的范圍內(nèi)。圖5所示的是前驅(qū)體單元的結(jié)構(gòu)示意圖,各個模塊化噴頭1之間的距離D對于薄膜沉積有著重要的影響。本實施例的調(diào)節(jié)桿24為
螺栓,通過移動調(diào)節(jié)桿24帶動模塊化噴頭1移動,進(jìn)行距離D的調(diào)節(jié)滿足不同的沉積工藝需求。
[0052] 圖6(a)、6(b)所示的是箱體21的整體結(jié)構(gòu)示意圖,包括噴頭支撐座211、排氣支撐座212、密封圈溝槽213、距離調(diào)節(jié)槽214,調(diào)節(jié)桿24在距離調(diào)節(jié)槽214內(nèi)移動實現(xiàn)每個模塊化噴頭1之間的距離D的調(diào)節(jié)。
[0053] 圖7(a)、7(b)為排氣組件3的整體結(jié)構(gòu)示意圖,包括箱蓋31、氣體管路快速接頭32、
法蘭接頭33、減壓
閥34、寶塔形接頭35。箱蓋31材料為玻璃,便于觀察內(nèi)部情況。玻璃箱蓋31通過密封圈31、螺栓固定在箱體的排氣支撐座上。如圖所示,在玻璃箱蓋31上共有三個氣體管路快速接頭32,分別為第一惰性氣體接口、氧化物前驅(qū)體接口、金屬源前驅(qū)體接口,用于對應(yīng)通入惰性氣體、氧化物前驅(qū)體、金屬源前驅(qū)體,通過轉(zhuǎn)接頭和軟氣管與各自對應(yīng)的模塊化噴頭1連接,為前驅(qū)體單元供氣。寶塔形接頭35即第二惰性氣體接口,與惰性氣體源連接,并通過減壓閥34向玻璃箱蓋31內(nèi)通入惰性氣體,為前驅(qū)體單元提供惰性環(huán)境。同時,在法蘭接頭33(即負(fù)壓接口)處提供一負(fù)壓抽走反應(yīng)產(chǎn)生的殘余氣體和多余副產(chǎn)物,保證良好的沉積環(huán)境。
[0054] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何
修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。