一種用於空間隔離原子層沉積的模塊化噴頭及裝置的製作方法

2023-04-30 06:56:06

本發明屬於原子沉積薄膜製備領域，更具體地，涉及一種用於空間隔離原子層沉積的模塊化噴頭及裝置。

背景技術：

柔性電子以其獨特的柔性、延展性、低成本的製造工藝，在信息、能源、醫療、柔性顯示等領域具有廣泛的應用前景。柔性電子的製造過程包括：材料製備—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、力學以及密封性能。相較於化學氣相沉積(cvd)、物理氣相沉積(pvd)等傳統的薄膜製備技術，原子層沉積技術(ald)具有臺階覆蓋率高、適應於大表面沉積、厚度納米級可控的特點，優勢明顯。但其不足之處在於，傳統的時間隔離原子層沉積薄膜製備效率較低，無法滿足大規模、低成本生產的需求。空間隔離原子層沉積技術依靠惰性氣體實現對不同前驅體的隔離，通過基底在下方的往復運動來實現薄膜的連續生長，使得薄膜製備效率大大提升。此外，薄膜的生長呈現出較強的線性性，通過控制循環次數可以實現對薄膜厚度的控制。該技術在太陽能電池、柔性電子、光伏等領域具有廣闊的前景。

目前，空間隔離原子層沉積技術面臨的一個關鍵問題在於如何在基底快速運動時保障沉積薄膜的均勻一致性。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，現提供了一種用於空間隔離原子層沉積的噴頭及裝置。其目的在於通過前軀體通道對噴入的氣體進行分流和緩衝，由此解決空間隔離原子層系統在基底高速運動時薄膜生長不均勻、前驅體易發生交叉汙染的問題，實現了高效快速大面積的均勻薄膜沉積。

為了實現上述目的，本發明提供了一種用於空間隔離原子層沉積的模塊化噴頭，包括：前驅體通道組件、密封組件；前驅體通道組件包括板狀基體、前驅體通道、氣體管路；前驅體通道布置於板狀基體正面，自上而下延伸，前驅體通道的頂端連通氣體管路；密封組件設於板狀基體正面，用於對前驅體通道進行密封，防止前驅體洩露。

進一步地，前驅體通道包括多層分流通道、前驅體擴散層；多層分流通道自上而下布置，且分流通道的數量逐層增加，以將氣體管路輸入的一路氣體均勻分流為多路氣體；前驅體擴散層設於最下層的分流通道下方，將最下層的分流通道連通，以使前驅體在到達反應基底前充分擴散。

進一步地，第n層有2n個分流通道，每個分流通道在下層分流為兩路，最後一層的分流通道通過前驅體擴散層連通。

進一步地，前驅體通道包括四層分流通道和一層前驅體擴散層；

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氣口通過對稱設置的斜面將前驅體均勻地分為兩路；第四層分流通道採用錐形截面的進出氣口，以產生氣體壓降的變化，有利於氣體的擴散；前驅體擴散層設於第四層分流通道下方，將第四層分流通道連通，以使前驅體在到達反應基底前充分擴散。

進一步地，密封組件包括密封板、密封圈溝槽、密封組件加熱區、密封圈；

密封板正面朝向板狀基體正面安裝於板狀基體上；密封圈溝槽設於密封板正面，密封圈安裝於密封圈溝槽中，用於將密封板和板狀基體密封，防止前驅體洩露；密封組件加熱區設置於密封板背面對應前驅體通道的位置；

前驅體通道組件包括前驅體通道加熱區，其設於板狀基體背面對應前驅體通道的位置；密封組件加熱區和前驅體通道加熱區均用於對前驅體通道進行加熱。

為了實現上述目的，本發明還提供了一種用於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。

為了實現上述目的，本發明還提供了一種用於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；箱體中部設有貫通上下表面的腔體；模塊化噴頭沿反應基體前進方向排列，安裝於腔體中，且前驅體擴散層朝下設置；測距傳感器安裝於箱體上，用於測量箱體與反應基底之間的距離；排氣組件密封安裝於箱體上部，其具有朝下開口的氣體容腔，罩在模塊化噴頭上方，用於在沉積反應時充入惰性氣體，提供惰性環境。

進一步地，腔體具有兩個位於反應基底前進方向兩側的側壁，兩個側壁上均設有距離調節槽；距離調節槽沿反應基底前進方向設置，且貫通所在側壁；

每個模塊化噴頭兩側均設有調節杆，調節杆設置於兩側對應的距離調節槽中。

進一步地，排氣組件包括箱蓋，第一惰性氣體接口、氧化物前驅體接口、金屬源前驅體接口、負壓接口、第二惰性氣體接口；

氣體容腔設置於箱蓋中；第一惰性氣體接口、氧化物前驅體接口、金屬源前驅體接口、第二惰性氣體接口、負壓接口均設於箱蓋上，且連通氣體容腔；其中，

第一惰性氣體接口、氧化物前驅體接口、金屬源前驅體接口分別連接對應的模塊化噴頭，用於向各模塊化噴頭提供惰性氣體、氧化物前驅體，金屬源前驅體；

第二惰性氣體接口用於向氣體容腔內通入惰性氣體，形成惰性環境；

負壓接口用於抽取反應產生的殘餘氣體和多餘副產物。

進一步地，模塊化噴頭數量為七個，沿反應基體前進方向分別通入惰性氣體、氧化物前驅體、惰性氣體、金屬源前驅體、惰性氣體、氧化物前驅體、惰性氣體。

總體而言，本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有如下有益效果：

(1)本發明的模塊化噴頭，由多個部件構成整體模塊，並且通過前軀體通道對噴入的氣體進行分流和緩衝，實現沉積均勻，且可以根據實際需求選取任意數量進行組合。

(2)前驅體通道通過多層分流通道將通入的前驅體逐級分流，可以根據待沉積基底的尺寸，複製多個相同的通道結構，適應基底尺寸的需求，實現大面積基底的薄膜沉積。

(3)前驅體通道採用四級分流通道，使氣體由單通道均勻的分成十六通道；四級分流通道的最後一級分流通道採用錐形截面，使前驅體流經該截面時產生壓力變化，更加有利於前驅體均勻擴散，實現薄膜的均勻沉積。

(4)由於薄膜沉積是在常壓下反應，噴頭易堵塞，本發明的模塊化噴頭是由通道結構和密封結構通過機械方式組裝連接，便於拆卸清洗。並且由於是模塊化噴頭，任意噴頭均可以單獨更換清洗，不影響裝置正常使用。

(5)前驅體單元採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體源和一個金屬前驅體源，使得基底在前驅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。

(6)通過箱體上的距離調節槽和調節杆配合，可以根據沉積工藝要求自由調節每個噴頭之間的間隔，防止前驅體的交叉汙染，實現薄膜的均勻沉積。

(7)採用測距傳感器，可以實時測量反應基底在進入前驅體單元和離開前驅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範圍內。

(8)本發明的排氣組件，可以形成惰性保護氛圍，並實時抽走薄膜沉積過程中的殘餘氣體和反應副產物，保證了良好的薄膜沉積環境。

附圖說明

圖1是模塊化噴頭整體結構圖；

圖2(a)是模塊化噴頭的前驅體通道組件的立體結構示意圖；

圖2(b)是圖2(a)的仰視圖；

圖2(c)是圖2(a)中前驅體通道的分層結構示意圖；

圖3(a)是模塊化噴頭的密封組件的立體結構示意圖；

圖3(b)是圖3(a)的仰視圖；

圖4是反應裝置的整體示意圖；

圖5是前驅體單元的結構示意圖；

圖6(a)是箱體的立體結構示意圖；

圖6(b)是圖6(a)的主視圖；

圖7(a)是排氣組件的立體結構示意圖；

圖7(b)是圖7(a)的俯視圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

本發明的基本構思及原理如下：

按照本發明的一個方面，提供了一種用於實現均勻提供前驅體製作原子層沉積薄膜的模塊化噴頭，包括前驅體通道組件、密封組件和加熱組件。其中前驅體通道組件分為前驅體進氣區、前驅體分流區、前驅體擴散區、加熱區四個區域；前驅體進氣區為圓柱形空腔，通過焊接與外部的氣體管路連接；前驅體分流區通過逐層分流將一路前驅體分為多路前驅體，實現前驅體的均勻分散，最後一層分流通道的進氣端和出氣端都採用錐形結構，有利於前驅體的擴散；前驅體擴散區為一橫截面為等腰梯形的楔形空腔，用於從最後一層分流層流出的前驅體均勻的擴散到反應基底上。加熱區設置在前驅體通道區的背面，用於對前驅體進行均勻加熱；密封組件上開有安裝密封圈的標準溝槽，通過密封圈用於對前驅體通道組件的密封；加熱組件為加熱片，固定在前驅體通道組件和密封組件上，用於對流經前驅體通道的前驅體進行均勻加熱。

按照本發明的另一方面，提供了一種空間隔離原子層沉積的反應裝置，用於高效快速的沉積均勻薄膜，包括前驅體單元、箱體、測距系統、排氣組件；前驅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體單元；箱體，用於固定噴頭組成反應單元，同時調節前驅體單元中每個模塊化噴頭之間的距離；測距系統，用於實時測量前驅體單元與反應基底之間的距離，該系統設置在噴頭箱體上；排氣組件，設置在噴頭箱體上方，用於提供惰性氣體環境和抽走反應的殘餘前驅體、反應副產物。

下面，結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明：

本發明提供的一種用於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：前驅體通道組件11、密封組件12、加熱組件13。密封組件12和前驅體通道組件11之間通過密封圈進行密封；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和前驅體通道組件11背面的前驅體通道加熱區，對流經內部前驅體通道的前驅體進行均勻加熱。

圖2(a)～2(c)所示的是前驅體通道組件11的結構示意圖，其主要包括氣體管路111、前驅體通道112、前驅體通道加熱區113。如圖2(c)所示為前驅體通道112的分層結構示意圖及前驅體的流向示意圖，有a、b、c、d四層分流通道，e為前驅體擴散層。第一層分流通道a通過對稱的斜面通道將前驅體均勻的分為兩路，其斜面通道是為了更好的實現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儘量減小整個噴頭的尺寸；第四層分流通道d採用錐形截面的進出氣口，產生氣體壓降的變化，更加有利於氣體的擴散；前驅體擴散層e保證一定的高度，使得前驅體在到達反應基底前在垂直方向上進行充分擴散，保證到達反應基底的前驅體分布是均勻的。圖3(a)、3(b)為密封組件12的結構示意圖，其主要包括密封層121、密封圈溝槽122、密封組件加熱區123，密封圈溝槽122是根據選擇的密封圈型號按照標準進行設計加工。

圖4所示的是反應裝置的整體示意圖，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、調節杆24、排氣組件密封圈25。七個模塊化噴頭1組成了一個前驅體單元，依次是惰性氣體、氧化物前驅體、惰性氣體、金屬源前驅體、惰性氣體、氧化物前驅體、惰性氣體，基底在前驅體單元下運動一個來回沉積兩層薄膜。在箱體的左右兩側各裝有3個測距傳感器23組成了測距系統，在線實時測量反應基底在進出前驅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範圍內。圖5所示的是前驅體單元的結構示意圖，各個模塊化噴頭1之間的距離d對於薄膜沉積有著重要的影響。本實施例的調節杆24為螺栓，通過移動調節杆24帶動模塊化噴頭1移動，進行距離d的調節滿足不同的沉積工藝需求。

圖6(a)、6(b)所示的是箱體21的整體結構示意圖，包括噴頭支撐座211、排氣支撐座212、密封圈溝槽213、距離調節槽214，調節杆24在距離調節槽214內移動實現每個模塊化噴頭1之間的距離d的調節。

圖7(a)、7(b)為排氣組件3的整體結構示意圖，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，便於觀察內部情況。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、氧化物前驅體接口、金屬源前驅體接口，用於對應通入惰性氣體、氧化物前驅體、金屬源前驅體，通過轉接頭和軟氣管與各自對應的模塊化噴頭1連接，為前驅體單元供氣。寶塔形接頭35即第二惰性氣體接口，與惰性氣體源連接，並通過減壓閥34向玻璃箱蓋31內通入惰性氣體，為前驅體單元提供惰性環境。同時，在法蘭接頭33(即負壓接口)處提供一負壓抽走反應產生的殘餘氣體和多餘副產物，保證良好的沉積環境。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。