CN203174200U - 等离子体增强原子层沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种等离子体增强原子层沉积设备，包括：相互贯通的等离子体产生腔体、扩散腔体、反应腔体以及抽气腔体，其中：所述等离子体产生腔体具有等离子体产生气体进气口以及使来自所述等离子体产生气体进气口的等离子体产生气体产生等离子体的等离子发生装置；所述等离子体产生腔体和所述扩散腔体之间设置有反应物进气口，来自所述反应物进气口的反应物与产生的等离子体在所述扩散腔体的内部均匀混合；所述反应腔体的内部设置有用于放置与所述反应物发生反应的待沉积样品的样品台；所述抽气腔体依次连接有尾气吸附装置以及抽气系统。该设备实现了高质量原子层薄膜的沉积。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种原子层沉积设备，尤其涉及一种等离子体增强原子层沉积设备。
背景技术
单原子层沉积(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或脱附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。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种等离子体增强原子层沉积设备，实现了高质量原子层薄膜的沉积。
为达到上述目的，本实用新型提供一种等离子体增强原子层沉积设备，包括：相互贯通的等离子体产生腔体、扩散腔体、反应腔体以及抽气腔体，其中：
所述等离子体产生腔体具有等离子体产生气体进气口以及使来自所述等离子体产生气体进气口的等离子体产生气体产生等离子体的等离子发生装置；
所述等离子体产生腔体和所述扩散腔体之间设置有反应物进气口，来自所述反应物进气口的反应物与产生的等离子体在所述扩散腔体的内部均匀混合；
所述反应腔体的内部设置有用于放置与所述反应物发生反应的待沉积样品的样品台；
所述抽气腔体依次连接有尾气吸附装置以及抽气系统。
优选地，所述等离子发生装置可以采用感应耦合等离子体发生装置。
优选地，该设备还可以包括设置在所述等离子体产生腔体的喷淋构件，所述喷淋构件上设置有多个扩散孔，所述等离子体产生气体进气口、所述扩散孔以及所述等离子体产生腔体相贯通。
优选地，该设备还可以包括设置在所述扩散腔体的环绕式多孔构件，所述环绕式多孔构件上设置有多个扩散孔，所述反应物进气口、所述扩散孔以及所述扩散腔体相贯通。
优选地，所述样品台的上表面与所述反应腔体的顶部之间的高度可以大于200mm。
优选地，所述样品台可以采用不锈钢或者纯镍制成。
优选地，该设备还可以包括用于加热所述样品台的加热装置。
优选地，该设备还可以包括样品托盘。
优选地，所述样品托盘可以采用纯镍制成，厚度可以为2-5mm。
优选地，所述样品托盘可以通过卡槽被稳定地放置在所述样品台上。
优选地，所述样品台的直径与所述反应腔体的内径之比可以在1∶1.2至1∶2之间。
优选地，所述扩散腔体可以为能够使所述等离子体与所述反应物混合均匀的穹顶状腔体。
优选地，所述抽气腔体、所述反应腔体、所述扩散腔体以及所述等离子体产生腔体之间均采用胶圈或无氧铜垫圈密封。
优选地，所述抽气腔体、所述反应腔体、所述扩散腔体以及所述等离子体产生腔体共同形成类似纺锤形状的腔体。
优选地，所述等离子体产生气体进气口的内径可以为2-12mm，所述喷淋构件的所述扩散孔的内径可以为0.2-3mm。
优选地，所述反应物进气口的内径可以为2-12mm，所述环绕式多孔构件的所述扩散孔的内径可以为0.2-4mm。
优选地，所述抽气系统可以包括真空规、旁抽阀、抽速调节阀、高真空阀、分子泵、前级阀以及机械泵。
根据本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备，一种等离子体增强原子层沉积方法也被公开。该方法包括：在真空条件下，将生成的等离子体与反应物混合均匀；反应物利用等离子体所提供的能量在待沉积样品沉积，并反应生成薄膜。
优选地，所述方法还可以包括：加热待沉积样品，以提供反应物在反应生成薄膜时所需的能量。
优选地，所述方法还可以包括：去除多余的反应物以及生成物。
与现有技术相比，本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备，采用等离子体提供反应能量，避免了需要加热时反应物可能发生的分解和脱附，保证了沉积过程的顺利进行；并且，沉积温度低，很多材料在等离子体提供的热量下即可顺利沉积，无需进行加热。此外，等离子体和反应物在基底表面均匀分布，沉积的薄膜具有很好的均匀性。另外，等离子体采用远程感应耦合等离子体，到达基底表面的能量温和，避免了对薄膜的刻蚀，沉积得到高质量的原子层薄膜。
附图说明
图1为本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备的部分结构示意图；
图2为本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备的工艺图；
图3A示出了本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备的等离子体气体进气口的分解立体图；
图3B为图3A的俯视示意图；
图3C为图3A的剖视示意图；
图4A示出了本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备的反应物进气口的分解立体图；
图4B为图4A的剖视示意图。
附图标记说明
1等离子体产生腔体 10等离子体产生气体进气口
11线圈 12反应物进气口
13扩散孔 14环孔
15通孔 16扩散孔
17出气口 2扩散腔体
3反应腔体 31样品台
32样品托盘 33加热装置
34真空密封法兰 4抽气腔体
5尾气吸附装置 51真空规
52旁抽阀 53抽速调节阀
54高真空阀 55分子泵
56前级阀 57机械泵
60反应源 61载气
62等离子体产生气体 63流量调节装置
64等离子气体进气管路 65反应物进气管路
d高度
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所示，本实用新型公开了一种等离子体增强原子层沉积设备，包括相互贯通的等离子体产生腔体1、扩散腔体2、反应腔体3以及抽气腔体4，其中：
等离子体产生腔体1具有等离子体产生气体进气口10，以及使来自等离子体产生气体进气口10的等离子体产生气体产生等离子体的等离子发生装置；
等离子体产生腔体1和扩散腔体2之间设置有反应物进气口12，来自反应物进气口12的反应物与产生的等离子体在扩散腔体2的内部均匀混合；
反应腔体3的内部设置有用于放置与反应物发生反应的待沉积样品的样品台31；
抽气腔体4依次连接有用于吸收过量的反应物的尾气吸附装置5以及抽气系统。
其中，所述等离子发生装置可以采用感应耦合等离子体发生装置，例如可为线圈11。等离子体产生腔体1采用高纯(纯度＞99％)氧化铝陶瓷或者石英材料制造，能够耐受绝大多数气体(包括氟化物)的腐蚀。线圈11围绕等离子体产生腔体1的外圆周，当线圈11中被通入高频电流后，等离子体产生腔体1内的所述等离子体产生气体在合适的压力下就会产生等离子体。
此外，线圈11可以采用例如外径为3-8mm的铜管，铜管围成的线圈11可以绕2-5圈，各圈之间的间距可以为15-25mm，线圈11的外部可以设有支架以调节线圈11的高低位置；等离子体产生腔体1的内径可以为40-100mm。
如图3A至图3C所示，本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备还可以包括设置在等离子体产生腔体1的喷淋构件，所述喷淋构件上设置有多个扩散孔13，等离子体产生气体进气口10、扩散孔13以及等离子体产生腔体1相贯通。即，来自等离子体产生气体进气口10的等离子体产生气体通过扩散孔13以喷淋方式进入等离子体产生腔体1的内部，采用喷淋方式可以让等离子体的扩散更加均匀。图中示出的喷淋构件可以按照以下方式实现：等离子体产生腔体1具有用于密闭腔体1的顶盖，所述顶盖具有连接等离子体产生气体进气口10的通孔，喷淋构件与所述顶盖的结构相配合，换言之，所述顶盖、喷淋构件以及等离子体产生腔体1组合(例如在圆周上通过6个螺钉固定)后仍然为密闭结构。图中所示的顶盖及喷淋构件均为板状，并不以此为限，在保证密闭性及连通性的情况下的其它形状均可。
此外，等离子体产生气体进气口10的内径可以为2-12mm，多个扩散孔13的内径可以为0.2-3mm。并且，等离子体产生腔体1、所述顶盖和所述喷淋构件之间采用胶圈或无氧铜垫圈密封。
其中，扩散腔体2可以为形状独特的穹顶状铝制腔体，使得等离子体与反应物在扩散腔体2的内部能够混合均匀。如图4A至图4B所示，其具体结构为：扩散腔体2的剖面左右对称，以其中任意一侧为例来说明，其剖面为两个相连接的平滑圆弧，并且位于下方的圆弧弧度大于位于上方的圆弧弧度。
其中，本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备还可以包括设置在扩散腔体2的环绕式多孔构件，所述环绕式多孔构件上设置有多个扩散孔16，反应物进气口12、扩散孔16以及扩散腔体2相贯通。即，来自反应物进气口12的反应物通过扩散孔16进入扩散腔体2的内部，然后会和生成的等离子体混合均匀地在扩散腔体2的内部扩散。图4A至图4B示出的环绕式多孔构件可以按照以下方式实现：等离子体产生腔体1和扩散腔体2之间具有盖体，所述盖体的中间具有供等离子体通过的通孔，所述盖体的外侧圆周面上设置有反应物进气口12，反应物进气口12与贯穿所述盖体一侧的出气口17相连通，环绕式多孔构件具有供等离子体通过的通孔、贯通所述构件的外表面并且与出气口17相连通的环孔14以及与环孔14的相连通的多个通孔15，即反应物进气口12、出气口17、环孔14、通孔15以及扩散腔体2相贯通。
此外，反应物进气口12的内径可以为2-12mm，扩散孔16的内径可以为0.2-4mm。并且，等离子体产生腔体1、所述盖体、所述环绕式多孔构件和扩散腔体2之间采用胶圈或无氧铜垫圈密封。
其中，样品台31的上表面与反应腔体3的顶部之间的高度d应大于200mm，该距离能够保证等离子体在到达样品台31后，既提供了沉积反应所需的热量，同时不会对待沉积样品造成例如刻蚀或氧化等不良反应。反应过程中，反应物通过载气被带入扩散腔体2，经过扩散腔体2的均匀扩散后的等离子体和反应物的分布和流量已经非常均匀，随后进入反应腔体3的内部，接着反应物在待沉积样品上吸附并反应生成所需的薄膜，而反应所需的热量通常是由等离子体提供。
其中，本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备还可以包括用于加热样品台31的加热装置33，加热装置33的导线通过两端带有真空密封法兰34的管而使得与外界相连时同时能够保证反应腔体3的密封，还防止了在等离子条件下电极之间的打火现象。加热装置33为市售成熟产品，不再赘述其具体组成及结构。除采用上述等离子体来提供反应所需的热量外，还可以通过加热装置33来提供。甚至，同时采用这两种方式来提供热量。
其中，本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备还可以包括样品托盘32，样品托盘32可以采用纯镍制成，厚度可以为2-5mm，样品托盘32的作用主要有两个：一个是待沉积样品可以放在样品托盘32上从而能够方便地被送入反应腔体3的内部，另一个是对于不锈钢材质的样品台31而言，可以防止不锈钢材料在等离子体和高温的作用下放出杂质。当然，也可以不使用样品托盘直接将待沉积样品放在样品台31上。此外，样品托盘32可以通过卡槽被稳定地放置在样品台31上，另外，样品托盘32的直径可以略大于样品台31的直径，则样品托盘32在被倒扣于样品台31时，样品托盘32不会任意滑动。
此外，反应腔体3的内径可以为150-500mm。样品台31可以采用不锈钢或者纯镍制成，直径可以为100-300mm。样品台31的直径与反应腔体3的内径之比在1∶1.2至1∶2之间，以保证整个设备中的气流的顺利流通。并且，扩散腔体2和反应腔体3之间采用胶圈或无氧铜垫圈密封。
其中，抽气腔体4可以为锥形的，抽气腔体4、反应腔体3、扩散腔体2以及等离子体产生腔体1共同形成类似纺锤形状的腔体，从而使等离子体和反应物在该腔体内能够均匀地流动。应当理解的是，抽气腔体4、反应腔体3、扩散腔体2以及等离子体产生腔体1之间可以采用例如螺钉的方式进行连接，并且均采用胶圈或无氧铜垫圈进行密封。当然，由于抽气腔体4位于样品台31的下方，因此，对其形状的要求并不高，还可以采用其他的任意形状。
尾气吸附装置5用于吸收过量的反应物，其中的孔道能够去除较大颗粒的物质以便净化尾气，从而达到保护后续抽气系统的目的。
所述抽气系统可以包括真空规51、旁抽阀52、抽速调节阀53、高真空阀54、分子泵55、前级阀56以及机械泵57。其连接关系及工作原理请参见图2，在反应开始前，所述抽气系统对整个腔体进行抽真空处理；反应开始后，所述抽气系统抽走反应完的多余反应物以及生成物。具体为：抽真空时先打开旁抽阀52由机械泵57将本实用新型的腔体抽到低真空状态，然后再打开分子泵55、高真空阀54以及前级阀56，并关闭旁抽阀52，由分子泵55将本实用新型的腔体抽到高真空状态。另外系统还配有抽速调节阀53用来控制所需的真空度。此外，真空度的调节范围可以为0.1-1000Pa。
本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备在使用时，如图2所示，具体包括以下步骤：
1、多种(例如图中所示的可为五种)反应物60利用载气61经反应物进气管路65进入扩散腔体2的内部。其中，各反应物60可以通过各自对应的阀门控制其向扩散腔体2的供应/停止供应。
此外，还可以采用加热、超声雾化等方式辅助反应物60进入扩散腔体2。
2、多种(例如图中所示的可为五种)等离子体产生气体62经等离子气体进气管路64进入等离子体产生腔体1。其中，可以通过流量调节装置63来控制等离子体产生气体62的流量。
此时，适量的等离子体产生气体62进入真空环境的等离子体产生腔体1后，在等离子发生装置的作用下生成等离子体，并且，生成的等离子体向扩散腔体2扩散，之后与反应物60在扩散腔体2的内部混合均匀。
3、混合均匀的反应物60和等离子体自扩散腔体2进入反应腔体3，反应物60在反应腔体3内样品台31上的待沉积样品吸附并反应生成所需的薄膜，而等离子体提供反应所需的能量。
当反应物60为两种时，第一反应物先在待沉积样品表面吸附，之后第二种反应物接着在待沉积样品表面吸附，并与之前吸附的第一反应物进行反应生成薄膜。当反应物60为三种时，第二种反应物继续在待沉积样品吸附，供第三反应物吸附并与其反应生成薄膜。等离子体也可以作为第二种反应物直接与之前吸附的第一反应物直接进行反应生成薄膜。
4、反应完的多余反应物以及生成物经抽气腔体4进入尾气吸附装置5，尾气吸附装置5去除会对后续抽气系统造成损伤的物质后，被净化后的尾气通过抽气系统排入大气。
基于前述的本实用新型的等离子体增强原子层沉积设备的工艺方法，一种等离子体增强原子层沉积方法也被公开。该方法包括：在真空条件下，将生成的等离子体与反应物混合均匀；反应物利用等离子体所提供的能量在待沉积样品吸附，并反应生成薄膜。此外，该方法还可以包括：加热待沉积样品，以提供反应物在反应生成薄膜时所需的能量。此外，该方法还可以包括：去除多余的反应物以及生成物。
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 (10)
1.一种等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，该设备包括：相互贯通的等离子体产生腔体、扩散腔体、反应腔体以及抽气腔体，其中：
所述等离子体产生腔体具有等离子体产生气体进气口以及使来自所述等离子体产生气体进气口的等离子体产生气体产生等离子体的等离子发生装置；
所述等离子体产生腔体和所述扩散腔体之间设置有反应物进气口，来自所述反应物进气口的反应物与产生的等离子体在所述扩散腔体的内部均匀混合；
所述反应腔体的内部设置有用于放置与所述反应物发生反应的待沉积样品的样品台；
所述抽气腔体依次连接有尾气吸附装置以及抽气系统。
2.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述等离子发生装置采用感应耦合等离子体发生装置。
3.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括设置在所述等离子体产生腔体的喷淋构件，所述喷淋构件上设置有多个扩散孔，所述等离子体产生气体进气口、所述扩散孔以及所述等离子体产生腔体相贯通。
4.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括设置在所述扩散腔体的环绕式多孔构件，所述环绕式多孔构件上设置有多个扩散孔，所述反应物进气口、所述扩散孔以及所述扩散腔体相贯通。
5.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述样品台的上表面与所述反应腔体的顶部之间的高度大于200mm。
6.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括用于加热所述样品台的加热装置。
7.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，该设备还包括样品托盘。
8.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述样品台的直径与所述反应腔体的内径之比在1∶1.2至1∶2之间。
9.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述扩散腔体为能够使所述等离子体与所述反应物混合均匀的穹顶状腔体。
10.如权利要求1所述的等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述抽气腔体、所述反应腔体、所述扩散腔体以及所述等离子体产生腔体之间均采用胶圈或无氧铜垫圈密封。
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