TWI771124B - 具有下吹管的原子層沉積設備 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種具有下吹管的原子層沉積設備，主要包括一真空腔體、一軸封裝置及一驅動單元，其中驅動單元經由軸封裝置連接真空腔體，並帶動真空腔體轉動。真空腔體包括一反應空間及一下吹管，其中反應空間用以容置複數顆粉末，而下吹管則連接反應空間，並朝向反應空間的底部。至少一非反應氣體輸送管線位於軸封裝置內，用以連接下吹管，並經由下吹管將一非反應氣體輸送至反應空間內，以吹動沉積在反應空間的底部的粉末，以利於在粉末的表面形成厚度均勻的薄膜。
Description
本發明有關於一種具有下吹管的原子層沉積設備，有利於在粉末的表面形成厚度均勻的薄膜。
奈米顆粒(nanoparticle)一般被定義為在至少一個維度上小於100奈米的顆粒，奈米顆粒與宏觀物質在物理及化學上的特性截然不同。一般而言，宏觀物質的物理特性與本身的尺寸無關，但奈米顆粒則非如此，奈米顆粒在生物醫學、光學和電子等領域都具有潛在的應用。
量子點(Quantum Dot)是半導體材料的奈米顆粒，目前研究的半導體材料為II-VI材料，如ZnS、CdS、CdSe等，其中又以CdSe最受到矚目。量子點的尺寸通常在2至50奈米之間，量子點被紫外線照射後，量子點中的電子會吸收能量，並從價帶躍遷到傳導帶。被激發的電子從傳導帶回到價帶時，會通過發光釋放出能量。
量子點的能隙與尺寸大小相關，量子點的尺寸越大能隙越小，經照射後會發出波長較長的光，量子點的尺寸越小則能隙越大，經照射後會發出波長較短的光。例如5到6奈米的量子點會發出橘光或紅光，而2到3奈米的量子點則會發出藍光或綠光，當然光色還需取決於量子點的材料組成。
應用量子點的發光二極體(LED)產生的光接近連續光譜，同時具有高演色性，並有利於提高發光二極體的發光品質。此外亦可透過改變量子點的尺寸調整發射光的波長，使得量子點成為新一代發光裝置及顯示器的發展重點。
量子點雖然具有上述的優點及特性，但在應用或製造的過程中容易產生團聚現象。此外量子點具有較高的表面活性，並容易與空氣及水氣發生反應，進而縮短量子點的壽命。
具體來說，將量子點製作成為發光二極體的密封膠時，可能會產生團聚效應，而降低量子點的光學性能。此外，量子點在製作成發光二極體的密封膠後，外界的氧或水氣仍可能會穿過密封膠而接觸量子點的表面，導致量子點氧化，並影響量子點及發光二極體的效能或使用壽命。量子點表面的缺陷及懸空鍵(dangling bonds)亦可能造成非輻射復合(non-radiative recombination)，同樣會影響量子點的發光效率。
目前業界主要透過原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)在量子點的表面形成一層奈米厚度的薄膜，或者是在量子點的表面形成多層薄膜，以形成量子井結構。
原子層沉積可以在基板上形成厚度均勻的薄膜，並可有效控制薄膜的厚度，理論上亦適用於三維的量子點。量子點靜置在承載盤時，相鄰的量子點之間會存在接觸點，使得原子層沉積的前驅物氣體無法接觸這些接觸點，並導致無法在所有的奈米顆粒的表面皆形成厚度均勻的薄膜。
為了解決上述先前技術的問題，本發明提出一種具有下吹管的原子層沉積設備，可於原子層沉積製程中充份攪拌粉末，使得粉末擴散到真空腔體的反應空間的各個區域，以利於在各個粉末的表面上形成厚度均勻的薄膜。
本發明的一目的，在於提供一種具有下吹管的原子層沉積設備，主要包括一驅動單元、一軸封裝置及一真空腔體，其中驅動單元經由軸封裝置連接並帶動真空腔體轉動。真空腔體包括一反應空間及一下吹管，其中反應空間用以容置複數顆粉末，而下吹管則連接反應空間，並朝向反應空間的底部或側壁。
軸封裝置內設置至少一抽氣管線、至少一進氣管線及至少一非反應氣體輸送管線，其中非反應氣體輸送管線連接真空腔體的下吹管，並經由下吹管將一非反應氣體氣體吹向反應空間的底部或側壁，以吹動沉積在反應空間的底部的粉末。此外真空腔體轉動到特定角度時，非反應氣體輸送管線才會連通真空腔體的下吹管，使得下吹管固定朝反應空間內的特定角度或位置吹出非反應氣體。
本發明的一目的，在於提供一種具有下吹管的原子層沉積設備，包括一轉接空間設置於真空腔體及/或軸封裝置，其中非反應氣體輸送管線經由轉接空間連接真空腔體的下吹管。轉接空間的截面積大於非反應氣體輸送管線及下吹管，以利於非反應氣體輸送管線經由轉接空間對準下吹管，並將非反應氣體經由轉接空間輸送至下吹管。
此外轉接空間可為環狀的空間，並環繞在軸封裝置的內管體周圍，其中非反應氣體輸送管線可經由環狀的轉接空間將非反應氣體持續輸
送至下吹管，使得下吹管可以持續將非反應氣體輸送至真空腔體的反應空間內，並吹向反應空間的各個方位。
本發明的一目的，在於提供一種具有下吹管的原子層沉積設備，其中設置在軸封裝置內的非反應氣體輸送管線用以連接真空腔體的下吹管，並於非反應氣體輸送管線及下吹管的連接位置的兩側分別設置一密封環。
為了達到上述的目的，本發明提出一種具有下吹管的原子層沉積設備，包括：一驅動單元；一軸封裝置，連接驅動單元；一真空腔體，連接軸封裝置，驅動單元透過軸封裝置帶動真空腔體轉動，真空腔體包括：一反應空間，用以容置複數顆粉末，其中粉末受到重力作用沉積在反應空間的一底部；及一下吹管，連接反應空間，並朝向反應空間的底部；至少一抽氣管線，位於軸封裝置內，流體連接真空腔體的反應空間，並用以抽出反應空間內的一氣體；至少一進氣管線，位於軸封裝置內，流體連接真空腔體的反應空間，並用以將一前驅物氣體輸送至反應空間；及至少一非反應氣體輸送管線，位於軸封裝置內，並用以連接真空腔體的下吹管，其中非反應氣體輸送管線用以將一非反應氣體經由下吹管輸送至反應空間，以吹向反應空間的底部。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中軸封裝置包括一外管體及一內管體，外管體包括一容置空間用以容置內管體，而內管體則包括至少一連接空間用以容置抽氣管線、進氣管線及非反應氣體輸送管線。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中非反應氣體輸送管線包括一分枝部，分枝部貫穿內管體，並用以連接下吹管。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中真空腔體或內管體包括一轉接空間，非反應氣體輸送管線經由轉接空間連接下吹管，轉接空間的一截面積大於非反應氣體輸送管線及下吹管。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中轉接空間為一環狀體，環繞在內管體的周圍。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一第一密封環位於內管體與真空腔體之間。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一第二密封環位於外管體與真空腔體之間，其中非反應氣體輸送管線與下吹管的連接位置位於第一密封環與第二密封環之間。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中真空腔體包括一蓋板及一腔體，蓋板的一內表面覆蓋腔體以在兩者之間形成反應空間，並於蓋板的內表面設置一監控晶圓。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一延伸管體連接進氣管線，延伸管體位於真空腔體的反應空間內。
所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括至少一固定單元用以將真空腔體固定在軸封裝置上，連接單元解除鎖固後，真空腔體由軸封裝置卸下。
10:具有下吹管的原子層沉積設備
11:真空腔體
111:蓋板
1111:內表面
112:固定單元
113:腔體
114:凹部
115:監控晶圓
116:底部
117:下吹管
12:反應空間
121:粉末
13:軸封裝置
131:外管體
132:容置空間
133:內管體
134:連接空間
139:過濾單元
14:齒輪
15:驅動單元
161:第一密封環
163:第二密封環
171:非反應氣體輸送管線
1711:分枝部
172:延伸管體
1721:出氣孔
173:進氣管線
175:加熱器
177:抽氣管線
179:溫度感測單元
18:轉接空間
[圖1]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備一實施例的立體示意體。
[圖2]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備一實施例的剖面示意圖。
[圖3]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備的軸封裝置一實施例的剖面示意圖。
[圖4]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備又一實施例的剖面示意圖。
[圖5]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備又一實施例的剖面示意圖。
[圖6]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備又一實施例的剖面示意圖。
[圖7]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備又一實施例的剖面示意圖。
[圖8]為本發明具有下吹管的原子層沉積設備又一實施例的分解剖面示意圖。
請參閱圖1、圖2及圖3分別為本發明具有下吹管的原子層沉積設備一實施例的立體示意圖、剖面示意圖及具有下吹管的原子層沉積設備的軸封裝置的剖面示意圖。如圖所示，具有下吹管的原子層沉積設備10主要包括一真空腔體11、一軸封裝置13及一驅動單元15，其中驅動單元15透過軸封裝置13連接並帶動真空腔體11轉動。
真空腔體11內具有一反應空間12，用以容置複數顆粉末121，其中真空腔體11靜置時，粉末121會受到重力作用沉積在反應空間12的底部。粉末121可以是量子點(Quantum Dot)，例如ZnS、CdS、CdSe等II-VI半導體材料，而形成在量子點上的薄膜可以是三氧化二鋁(Al2O3)。真空腔體11可包括一蓋板111及一腔體113，其中蓋板111的一內表面1111用以覆蓋腔體113，並在兩者之間形成反應空間12。
在本發明一實施例中，可於蓋板111的內表面1111設置一監控晶圓115，當蓋板111覆蓋腔體113時，監控晶圓115會位於反應空間12內。在反應空間12內進行原子層沉積時，監控晶圓115的表面會形成薄膜。在實際應用時可進一步量測監控晶圓115表面的薄膜厚度與粉末121表面的薄膜厚度，並計算出兩者之間的關係。而後便可透過量測監控晶圓115表面的薄膜厚度，換算出粉末121表面的薄膜厚度。
軸封裝置13包括一外管體131及一內管體133，其中外管體131具有一容置空間132，而內管體133則具有一連接空間134，例如外管體131及內管體133可為空心柱狀體。外管體131的容置空間132用以容置內管體133，其中外管體131及內管體133同軸設置。軸封裝置13可以是一般常見的軸封或磁流體軸封，主要用以隔離真空腔體11的反應空間12與外部的空間，以維持反應空間12的真空。
驅動單元15連接軸封裝置13的一端，並透過軸封裝置13帶動真空腔體11轉動，例如透過外管體131連接真空腔體11，並透過外管體131帶動真空腔體11轉動。
驅動單元15可連接並帶動外管體131及真空腔體11以同一方向持續轉動，例如順時針或逆時針方向持續轉動。在本發明一實施例中，驅動單元15可為馬達，透過至少一齒輪14連接外管體131，並經由齒輪14帶動外管體131及真空腔體11相對於內管體133轉動。
內管體133的連接空間134內可設置至少一非反應氣體輸送管線171、至少一進氣管線173、一加熱器175、一抽氣管線177及/或一溫度感測單元179，如圖2及圖3所示。
抽氣管線177流體連接真空腔體11的反應空間12，並用以抽出反應空間12內的氣體，使得反應空間12為真空狀態，以進行原子層沉積製程。具體而言抽氣管線177可連接一幫浦，並透過幫浦抽出反應空間12內的氣體。
進氣管線173流體連接真空腔體11的反應空間12，並用以將一前驅物氣體或一非反應氣體輸送至反應空間12，其中非反應氣體可以是氮氣或氬氣等惰性氣體。例如進氣管線173可透過閥件組連接一前驅物氣體儲存槽及一非反應氣體儲存槽，並透過閥件組將前驅物氣體輸送至反應空間12內，使得前驅物氣體沉積粉末121表面。在實際應用時，進氣管線173可能會將一載送氣體(carrier gas)及前驅物氣體一起輸送到反應空間12內。而後透過閥件組將非反應氣體輸送至反應空間12內，並透過抽氣管線177抽氣，以去除反應空間12內的前驅物氣體。在本發明一實施例中，進氣管線173可連接複數個分枝管線，並分別透過各個分枝管線將不同的前驅物氣體依序輸送至反應空間12內。
此外進氣管線173可增大輸送至反應空間12的非反應氣體的流量，並透過非反應氣體吹動反應空間12內的粉末121，使得粉末121受到非反應氣體的帶動，而擴散到反應空間12的各個區域。
本發明所述的真空腔體11包括一下吹管117，其中下吹管117連接反應空間12，並朝向真空腔體11及反應空間12的底部或側面，例如下吹管117可相對於真空腔體11及/或軸封裝置13的軸心傾斜。在本發明一實施例中，反應空間12可近似一圓柱體或多邊形柱狀體，包括兩個底面及一個側面，其中兩個底面彼此面對，而側面則連接兩個底面。
非反應氣體輸送管線171用以連接真空腔體11的下吹管117，並經由下吹管117將一非反應氣體輸送至反應空間12內，以攪拌反應空間12內的粉末121。具體而言，下吹管117可用以朝反應空間12的側面及/或底部噴出非反應氣體，由以吹動受到重力作用而沉積在反應空間12的底部的粉末121。
在本發明一實施例中，非反應氣體輸送管線171的設置方向大致與軸封裝置13的軸向平行，並具有一分枝部1711。分枝部1711靠近內管體133連接真空腔體11的一端，其中分枝部1711貫穿內管體133，並用以連接下吹管117，例如分枝部1711沿著軸封裝置13的徑向設置。
當軸封裝置13的外管體131帶動真空腔體11轉動時，真空腔體11的下吹管117會相對於軸封裝置13的內管體133及非反應氣體輸送管線171轉動。在本發明一實施例中，當下吹管117轉動到一特定角度時，下吹管117才會連接非反應氣體輸送管線171，使得非反應氣體可由非反應氣體輸送管線171輸送至下吹管117。
在本發明一實施例中，進氣管線173及非反應氣體輸送管線171都可以用以將非反應氣體輸送至反應空間12，其中進氣管線173輸送的非反應氣體的流量較小，主要用以去除反應空間12內的前驅物氣體，而非反應氣體輸送管線171輸送的非反應氣體的流量較大，主要用以吹動反應空間12內的粉末121。
本發明的驅動單元15帶動外管體131及真空腔體11轉動時，內管體133及其內部的非反應氣體輸送管線171、抽氣管線177及進氣管線173不會隨著轉動，有利於提高進氣管線173及/或非反應氣體輸送管線171輸送至反應空間12的非反應氣體及/或前驅物氣體的穩定度。
加熱器175用以加熱連接空間134及內管體133，並透過加熱器175加熱內管體133內的抽氣管線177、進氣管線173及/或非反應氣體輸送管線171。溫度感測單元179則用以量測加熱器175或連接空間134的溫度，以得知加熱器175的工作狀態。當然在真空腔體11的內部、外部或周圍通常會設置另一個加熱裝置，其中加熱裝置鄰近或接觸真空腔體11，並用以加熱真空腔體11及反應空間12。
在本發明一實施例中，如圖4所示，軸封裝置13及/或真空腔體11之間可設置至少一個密封環，例如第一密封環161及/或第二密封環163，其中非反應氣體輸送轉線171與下吹管117的連接位置位於兩個密封環之間。
在實際應用時，第一密封環161位於內管體133及真空腔體11之間，而第二密封環163位於外管體131及真空腔體11之間，其中第一密封環161為一動態密封環，而第二密封環163為一靜態密封環。例如第一密封環161可套設在內管體133上，並為鐵氟龍O型環(Teflonoring)，而第二密封環
163則為橡膠製的O型環。軸封裝置13與真空腔體11之間具有第一及第二密封環161/163僅為本發明一實施例，在不同實施例中軸封裝置13與真空腔體11之間可僅設置第一密封環161，便可達到密封反應空間12的目的。
在本發明一實施例中，真空腔體11或軸封裝置13之間可設置一過濾單元139，其中設置在內管體133內的抽氣管線177、進氣管線173及/或非反應氣體輸送管線171經由過濾單元139流體連接真空腔體11的反應空間12。
在本發明一實施例中，如圖5所示，進氣管線173可由內管體133的連接空間134延伸至真空腔體11的反應空間12，並在真空腔體11的反應空間12內形成一延伸管體172。延伸管體172的端部及/或管壁上可設置至少一出氣孔1721，延伸管體172可經由出氣孔1721將前驅物氣體或非反應氣體輸送至反應空間12。
在本發明一實施例中，如圖6所示，非反應氣體輸送管線171及下吹管117之間可設置一轉接空間18，其中轉接空間18可設置在軸封裝置13的內管體133及/或真空腔體11上，並有利於對位非反應氣體輸送管線171及下吹管117。轉接空間18的截面積大於非反應氣體輸送管線171及下吹管117，當真空腔體11相對於軸封裝置13的內管體133轉動時，非反應氣體輸送管線171可經由轉接空間18流體連接下吹管117。
轉接空間18可以是下吹管117的一部分，使得下吹管117連接非反應氣體輸送管線171的位置具有較大的截面積，例如下吹管117連接非反應氣體輸送管線171的一端為喇叭狀。在本發明另一實施例中，轉接空間18可為一環狀體，並環繞在內管體133的周圍，使得設置在內管體133的非反應
氣體輸送管線171可經由環狀的轉接空間18持續連接下吹管117，並經由下吹管117持續將非反應氣體輸送置反應空間12，例如輸出的非反應氣體會隨著下吹管117轉動，並吹向反應空間12的不同角度。
在本發明一實施例中，如圖7及圖8所示，真空腔體11及軸封裝置13可被設計為兩個獨立的構件。在進行原子層沉積時，如圖7所示，可將真空腔體11連接軸封裝置13，並透過固定單元112固定真空腔體11及軸封裝置13，例如固定單元112為螺絲，使得驅動單元15可透過軸封裝置13帶動真空腔體11轉動。在完成原子層沉積後，可解除固定單元112的鎖固，並將真空腔體11由軸封裝置13上卸下。
在本發明一實施例中，如圖8所示，真空腔體11的底部116可設置一凹部114，並於凹部114內設置第一密封環161。軸封裝置13的內管體133部分凸出外管體131，並於外管體131連接真空腔體11的底部116的一側設置第二密封環163。
凸出的內管體133插入真空腔體11的凹部114時，凸出的內管體133會壓迫凹部114內的第一密封環161，而真空腔體11的底部116或凹部114則會壓迫設置在軸封裝置13的外管體131上的第二密封環163。上述第一密封環161、第二密封環163及/或凹部114的數量及設置位置僅為本發明一具體實施例，並非本發明權利範圍的限制。
在本發明一實施例中，凹部114可由真空腔體11的底部116延伸至反應空間12內，而軸封裝置13的內管體133則由外管體131的容置空間132延伸至外部，並凸出軸封裝置13及外管體131。連接真空腔體11及軸封裝置13時，凸出軸封裝置13的內管體133可用以插入凹部114，其中軸封裝置13的
內管體133會由外管體131的容置空間132延伸至真空腔體11的凹部114及/或反應空間12。
以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:具有下吹管的原子層沉積設備
11:真空腔體
111:蓋板
1111:內表面
113:腔體
115:監控晶圓
117:下吹管
12:反應空間
121:粉末
13:軸封裝置
131:外管體
132:容置空間
133:內管體
134:連接空間
14:齒輪
15:驅動單元
171:非反應氣體輸送管線
1711:分枝部
175:加熱器
177:抽氣管線
Claims (9)
- 一種具有下吹管的原子層沉積設備，包括：一驅動單元；一軸封裝置，連接該驅動單元，其中該軸封裝置包括一外管體及一內管體，該外管體包括一容置空間用以容置該內管體；一真空腔體，連接該軸封裝置，該驅動單元透過該軸封裝置帶動該真空腔體轉動，該真空腔體包括一反應空間，用以容置複數顆粉末，其中該粉末受到重力作用沉積在該反應空間的一底部；一下吹管，設置在該真空腔體內部，連接該反應空間，並朝向該反應空間的該底部，其中該下吹管隨著於該真空腔體轉動，並相對於該軸封裝置的該內管體轉動；至少一抽氣管線，位於該軸封裝置內，流體連接該真空腔體的該反應空間，並用以抽出該反應空間內的一氣體；至少一進氣管線，位於軸封裝置內，流體連接該真空腔體的該反應空間，並用以將一前驅物氣體輸送至該反應空間；及至少一非反應氣體輸送管線，位於該軸封裝置內，並用以連接該真空腔體的該下吹管，其中該非反應氣體輸送管線用以將一非反應氣體經由該下吹管輸送至該反應空間，以吹向該反應空間的該底部，其中該真空腔體或該內管體包括一轉接空間，該非反應氣體輸送管線經由該轉接空間連接該下吹管，該轉接空間的一截面積大於該非反應氣體輸送管線及該下吹管。
- 如請求項1所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中該內管體包括至少一連接空間用以容置該抽氣管線、該進氣管線及該非反應氣體輸送管線。
- 如請求項2所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中該非反應氣體輸送管線包括一分枝部，該分枝部貫穿該內管體，並用以連接該下吹管。
- 如請求項1所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中該轉接空間為一環狀體，環繞在該內管體的周圍。
- 如請求項2所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一第一密封環位於該內管體與該真空腔體之間。
- 如請求項5所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一第二密封環位於該外管體與該真空腔體之間，其中該非反應氣體輸送管線與該下吹管的連接位置位於該第一密封環與該第二密封環之間。
- 如請求項1所述的具有下吹管的原子層沉積設備，其中該真空腔體包括一蓋板及一腔體，該蓋板的一內表面覆蓋該腔體以在兩者之間形成該反應空間。
- 如請求項1所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括一延伸管體連接該進氣管線，該延伸管體位於該真空腔體的該反應空間內。
- 如請求項1所述的具有下吹管的原子層沉積設備，包括至少一固定單元用以將該真空腔體固定在該軸封裝置上，該連接單元解除鎖固後，該真空腔體由該軸封裝置卸下。
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