技术领域
[0001] 本
发明属于微纳制造相关领域，更具体地，涉及一种模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备。
背景技术
[0002] 随着
半导体技术的不断发展，
太阳能电池板、柔性
电子等多个领域对材料表面的封装要求也不断提高。ALD，即原子层沉积技术，是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的
镀在基底表面的方法。此原子层沉积工艺虽然与普通的化学沉积有相似之处，但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使得每次反应只能沉积一层原子。
[0003] ALD的应用广泛，且可获得优良的薄膜沉积
质量，因此日益引起关注。然而，进一步的研究表明，该技术工艺目前面临的主要技术难题在于：首先，整个沉积效率低下，往往需要花费相当的时间，难以实现工业化，所以业界现在开始广泛的发展各式各样的空间隔离原子层沉积(SALD)技术。SALD技术是一种利用空间隔离的办法替代传统ALD使用时间隔离的办法进行ALD生长的一种技术，主要技术难点体现在要得到有效的隔离，否则两种前驱体之间就会发生交叉污染产生CVD反应，而不是设备所需要的ALD反应。
[0004] 然而SALD技术发展至今仍有许多问题，一是部分发明仍未丢弃传统ALD所用的高
真空腔体，其目的是为了保证沉积环境的质量，以防在常压环境下空气中的
水以及其他污染物对沉积样品的影响；二是部分发明虽然抛弃了高真空腔体，但由于是在开放环境下，又没有其他手段进行保护，难以实现有效的隔离，这里的隔离包括前驱体之间的隔离，也包括空气中的杂质与反应区的隔离。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的以上
缺陷或改进需求，本发明提供了一种模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备，其中通过对重要组件如喷头装置、密封装置和反应装置的结构和布局进行设计，能够在进行空间隔离原子层沉积的同时实现模块化密封，保持喷头装置的真空度，因为尤其适用于原子层沉积的应用场合。
[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备，该设备包括运动装置、喷头装置、密封装置和反应装置，其中：
[0007] 所述运动装置包括第一运动动子、第二运动动子、水平轨道、直线
电机和升降台，所述第一运动动子和第二运动动子安装在所述水平轨道的两侧，并分别与所述密封装置和反应装置连接，工作时在所述直线电机的带动沿所述水平轨道移动，所述升降台与所述喷头装置连接，用于带动所述喷头装置沿竖直方向移动；
[0008] 所述喷头装置包括密封腔、密封腔承载板、密封腔盖板、模块化喷头和喷头承载板，所述密封腔通过所述密封腔承载板与所述升降台连接，所述密封腔盖板固定在所述密封腔的上方，并通过设置的进气口和出气口与外部进行气体交换，所述模块化喷头通过所述喷头承载板固定在所述密封腔的下方，用于喷射前驱体从而完成原子层沉积；
[0009] 所述密封装置位于所述水平轨道的一侧，不进行原子层沉积时，所述密封装置移动到所述喷头装置的下方，通过与所述喷头装置密封配合进而保持所述喷头装置的真空度，以此实现模块化密封，进行原子层沉积时，所述密封装置移动到所述喷头装置的外侧；
[0010] 所述反应装置位于所述水平轨道的另一侧，用于放置待加工
工件，进行原子层沉积时，所述反应装置在所述喷头装置的下方进行往复运动，从而实现空间隔离原子层沉积，不进行原子层沉积时，所述反应装置移动到所述喷头装置的外侧。
[0011] 作为进一步优选地，所述模块化喷头上设置有预设数量的前驱体通道、清洗隔离通道、排气通道和环境隔离侧流道，所述前驱体通道用于喷射相应的前驱体，从而在待加工工件表面发生半反应，以此进行原子层沉积，所述清洗隔离通道位于所述前驱体通道的两侧，用于隔离所述前驱体的同时对所述待加工工件进行清洗，所述排气通道与所述密封腔盖板上的出气口连接，所述环境隔离侧流道设置在所述模块化喷头的四周，用于导流环境中的气体。
[0012] 作为进一步优选地，所述前驱体通道的数量优选为4个。
[0013] 作为进一步优选地，所述密封装置包括密封板和
密封圈，所述密封板固定在所述第一运动动子上，在所述第一运动动子的带动下沿所述水平轨道移动，所述密封圈设置在所述密封板上，用于提高所述密封装置的气密性。
[0014] 作为进一步优选地，所述反应装置包括反应区承载板、加热器、加热器承载板、
隔热板和动子转接板，所述反应区承载板的上下表面设置有凹槽，其中上凹槽用于放置所述待加工工件，下凹槽用于安装所述加热器，为保证所述加热器与反应区承载板的间距，利用所述加热器承载板对所述加热器进行固定，所述隔热板设置在所述加热器和加热器承载板之间，避免局部
过热造成热
变形，所述动子转接板固定在所述加热器承载板的背面，用于与所述第二运动动子连接。
[0015] 作为进一步优选地，所述加热器与所述反应区承载板的间距优选为300μm～500μm，从而减少所述反应区承载板的热变形。
[0016] 作为进一步优选地，进行原子层沉积时，所述密封腔承载板与所述反应区承载板的间距优选为300μm～500μm。
[0017] 作为进一步优选地，所述密封腔承载板上设置有电
涡流传感器，用于控制所述喷头装置的移动距离。
[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0019] 1.本发明将密封装置和反应装置设置在水平轨道的两侧，进行原子层沉积时，反应装置在喷头装置下方进行往复运动，从而实现空间隔离原子层沉积，不进行原子层沉积时，密封装置移动到喷头装置的下方，对其进行密封从而保证喷头装置的真空度，以此实现模块化密封，能够有效隔离空气中的水和杂质对反应区造成污染，同时还避免了高真空腔体的使用，极大降低了设备的制造使用成本；
[0020] 2.尤其是，本发明通过对喷头装置中模块化喷头的结构进行改进，在环境隔离测流道、排气通道和清洗隔离管道的相互配合下，能够保证反应装置进行往复运动的过程中能够形成稳定的气膜，达到
动态密封的效果；
[0021] 3.此外，本发明还对反应装置的结构进行了优化，通过设置加热器承载板和隔热板，能够有效降低高宽幅衬底存在的热变形问题，同时对加热器与反应区承载板的间距、密封腔承载板与反应区承载板的间距进行限定，从而保证成品表面原子层的均匀度，解决高宽幅衬底存在的热变形问题。
附图说明
[0022] 图1是按照本发明优选
实施例构建的模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备的立体结构示意图；
[0023] 图2是图1所示模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备的俯视图；
[0024] 图3是图1所示模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备的主视图；
[0025] 图4是模块化喷头的结构示意图；
[0026] 图5是喷头装置的立体结构示意图；
[0027] 图6是图5所示喷头装置的俯视图；
[0028] 图7是反应装置的结构示意图；
[0029] 图8是图7所示反应装置的俯视图；
[0030] 图9是本发明提供的模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备不进行原子层沉积时的示意图；
[0031] 图10是本发明提供的模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备进行原子层沉积时的示意图；
[0032] 图11是本发明提供的模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备的排气管路原理图。
[0033] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0034] 101为直线电机，102为第一运动动子，103为第二运动动子，201为密封板，202为密封圈，301为密封腔承载板，302为密封腔，303为密封腔盖板，304为调整
垫块，401为反应区承载板，402为加热器
固定板，403为加热器承载板，404为动子转接板，405为加热器，501为第一升降台，502为第一转接块，503为第二升降台，504为第二转接块，505为电涡流传感器，601为清洗隔离通道，602为第一前驱体通道，603为第二前驱体通道，604为第三前驱体通道，605为第四前驱体通道，606为环境隔离侧流道。
具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036] 如图1～3所示，本发明实施例提供了一种模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备，该设备包括运动装置、喷头装置、密封装置和反应装置，其中：
[0037] 运动装置包括第一运动动子102、第二运动动子103、水平轨道、直线电机101和升降台，第一运动动子102和第二运动动子103安装在水平轨道的两侧，并分别与密封装置和反应装置连接，工作时在直线电机101的带动沿水平轨道移动，直线电机101的
定位精度为1μm，并且最高可达1m/s的运动速度，升降台与喷头装置连接，用于带动喷头装置沿竖直方向移动，升降台可实现行程最大为10mm，精度为2μm的上下调整，不仅可以调整喷头装置与反应装置的间隙，获得较好的沉积效果，而且可以为密封装置增加初始压
力来保证密封度，同时为保证喷头装置升降的
稳定性，可设置对称布置在第一转接块502和第二转接块504上的第一升降台501和第二升降台503，并分别通过调整垫块304与喷头装置连接；
[0038] 如图5～6所示，喷头装置包括密封腔302、密封腔承载板301、密封腔盖板303、模块化喷头306和喷头承载板307，密封腔302通过密封腔承载板301与升降台连接，密封腔盖板303固定在密封腔302的上方，并通过设置的进气口305和出气口308与外部进行气体交换，模块化喷头306通
过喷头承载板307固定在密封腔302的下方，用于喷射前驱体从而完成原子层沉积；
[0039] 密封装置位于水平轨道的一侧，其包括密封板201和密封圈202，密封板201固定在第一运动动子102上，在第一运动动子102的带动下沿水平轨道移动，密封圈202设置在密封板201上，用于提高密封装置的气密性，不进行原子层沉积时，密封装置移动到喷头装置的下方，通过与喷头装置密封配合，通过第一
气动角阀703、第二气动角阀704和真空油
泵706的作用下形成高真空腔体，在形成高真空腔体后可以关闭第一气动角阀703和第二气动角阀704，排出杂质的同时保持高真空度，达到较高的沉积环境质量，以此实现模块化密封，进行原子层沉积时，密封装置移动到喷头装置的外侧；
[0040] 反应装置位于水平轨道的另一侧，用于放置待加工工件，进行原子层沉积时，反应装置在喷头装置的下方进行往复运动，同时在常压泵705的配合下形成稳定的气流场，有效隔离环境污染，从而实现空间隔离原子层沉积，不进行原子层沉积时，反应装置移动到喷头装置的外侧。
[0041] 进一步，如图4所示，模块化喷头306上设置有预设数量的前驱体通道、清洗隔离通道601、排气通道607和环境隔离侧流道606，前驱体通道用于喷射相应的前驱体，从而在待加工工件表面发生半反应，以此进行原子层沉积，清洗隔离通道601位于前驱体通道的两侧，用于隔离前驱体的同时对待加工工件进行清洗，清除半反应后的反应产物以及剩余反应物，排气通道607与密封腔盖板303上的出气口308连接，进行原子层沉积反应时始终保持抽气状态，使用常压泵705保证在常压环境下将气体排出，从而获得所需流场，环境隔离侧流道606设置在模块化喷头306的四周，用于导流环境中的气体，避免因抽气
负压造成环境中的气体涌入，对反应区造成污染，经过3mm宽的环境隔离测流道606的导流后，环境中的气体不会涌入，同时还由于导流形成稳定流场，进而在润滑反应装置运动的同时隔绝环境。
[0042] 前驱体通道的数量优选为4个，分别记为第一前驱体通道602、第二前驱体通道603、第三前驱体通道604和第四前驱体通道605，反应装置进行一个周期的运动过程中，第一前驱体通道602喷射的前驱体首先
接触到待加工工件并与其发生第一半反应，随着反应装置的移动，第二前驱体通道603喷射的前驱体接触到待加工工件并与其发生第二个半反应，由此生成一层原子层薄膜，第三前驱体通道604可以通入第三种前驱体，第四前驱体通道605通入第四种前驱体，从而形成另一种原子层薄膜，以此交替进行不同种材料的原子层沉积，此外第三前驱体通道604也可以通入第一种前驱体，第四前驱体通道605通入第二种前驱体，从而形成同种原子层薄膜，以此在一次运动中完成两次原子层沉积，有效提高工作效率。
[0043] 进一步，如图7～8所示，反应装置包括反应区承载板401、加热器405、加热器承载板403、隔热板406和动子转接板404，反应区承载板401的上下表面设置有凹槽并且平面度小于100μm，其中上凹槽用于放置待加工工件，下凹槽用于安装加热器405，上凹槽的厚度优选为0.5mm，从而保证
温度最先到达该表面，其他不需要反应的表面温度不会太高，从而减少热变形，最大可放置300mm×300mm的样品，为保证加热器405与反应区承载板401的间距，利用加热器承载板403和加热器固定板402对加热器405进行固定，隔热板406设置在加热器405和加热器承载板403之间，避免局部过热造成热变形，同时避免加热对第二运动动子103产生影响，使得热量尽可能向上传播，为保证优异的隔热性能，隔热板406优选采用电木材料，具有较好的隔热效果，动子转接板404固定在加热器承载板403的背面，用于与第二运动动子103连接。
[0044] 进一步，因加热器405加热后该间隙会逐渐缩小，为减少加热所带来的热
应力影响，从而减少反应装置的热变形，加热器405与反应区承载板401的间距优选为300μm～500μm，从而有效解决宽幅衬底存在的热变形问题，同时加热器405与四周也要保持2mm的间隙，一方面便于安装，另一方面也避免加热器发生
热膨胀后与四周或顶部接触，此时热量只要向上传播，不会向四周传播带来过多的热变形；
[0045] 进行原子层沉积时，密封腔承载板301与反应区承载板401的间距优选为300μm～500μm。
[0046] 进一步，密封腔承载板301上设置有电涡流传感器505，用于控制喷头装置的移动距离，本发明能够实现高度的自动化，除了需人工取放样品以外，其余状态都可以通过电脑自动化实现，并且具有较高的准确性。
[0047] 下面对本发明提供的模块化密封式空间隔离原子层沉积薄膜设备的工作过程作具体描述。
[0048] 如图9所示，原子层沉积反应结束后，第一升降台501和第二升降台503带动喷头装置上升一定高度，密封装置在第一运动动子102的带动下运动到密封腔302的正下方，然后第一升降台501和第二升降台503带动喷头装置下降，与密封板201配合并压紧密封圈202，而后第二气动角阀704关闭，第一气动角阀703开启，在真空油泵706的作用下，将密封腔302内部抽真空，从而形成对整个反应区的保护作用，这样空气中的水分以及其他杂质不会附着在反应区内，在需要进行原子层沉积时维持一个相对清洁的环境，提高薄膜沉积的质量，密闭针阀701用于手动调节抽速，并在抽气结束后关闭从而更好的保证真空；
[0049] 如图10～11所示，需要进行原子层沉积时，通过进气口305向密封圈302内充气，使得内外
大气压趋于平衡，在真空计702达到大气压的指数时停止充气，然后第一升降台501和第二升降台503共同作用，将喷头装置抬升，而后第一运动动子102带动密封装置完全退出密封腔302的下方，第二运动动子103带动反应装置到密封装置的下方，此时电涡传感器505会测量反应区承载板401和抽气密封承载板301之间的间隙，调整至最佳
位置400μm，然后第二运动动子103带动反应装置在密封装置下方进行往复运动，与此同时第一气动角阀
703关闭，第二气动角阀704打开，排气口与常压泵705连通构成抽气系统。
[0050] 本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
