具导流板的封闭式流道反应槽系统的制作方法

本发明有关一种化学气相反应的反应槽系统，尤指一种应用原子层沉积(Atomic layer deposition,ALD)技术的具导流板的封闭式流道反应槽系统。

背景技术：

工业上为了提升化学反应速率，经常于生产过程中加入触媒材料，以促进反应速率来提高产量。在一反应过程中，与化学反应速率有正相关的条件为触媒与反应物的接触面积，因此现今所使用触媒的颗粒尺寸多为纳米等级，以增加反应面积。

另外，在原子层沉积(ALD)的技术领域中，传统式ALD系统可依气体流向分为垂直流反应器(perpendicular-flow reactor)及水平流反应器(cross-flow reactor)。然而，此一传统式ALD系统的制程设备多适用于半导体制程成长薄膜于平面的衬底，并非应用在大尺寸复杂结构中以沉积纳米触媒。例如以涂布于硅衬底的纳米碳管为例，由于在传统式ALD系统中，前驱物于纳米结构中是以扩散方式进行传播，当前驱物脉冲时间或分压不足时，无法使前驱物扩散至纳米结构深部，导致纳米碳管底部并无任何沉积，而仅有上半部深约2μm的纳米碳管表面有所沉积。

换言之，现有技术中的传统式ALD系统对于具有高深宽比的纳米结构衬底很难达到均匀镀覆薄膜，且多数前驱物均无法扩散进入纳米结构衬底中，进而有前驱物传输不均匀性、浪费前驱物造成制程成本上升的问题。

因此，如何提供一种反应槽系统来解决上述问题，为目前此领域中亟待解决的课题之一。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的一目的在于提供一种具导流板的封闭式流道反应槽系统，可增加前驱物分子碰撞衬底来增加其反应性进而缩短脉冲时间，并可提升前驱物扩散效率及薄膜快速成长速率。

本发明的具导流板的封闭式流道反应槽系统包括：设有多个封闭式流道的反应槽主体；具有一进口端的上封盖，其设于该反应槽主体的一端，且该进口端连通该多个封闭式流道；具有一出口端的下封盖，其相对于该上封盖而设于该反应槽主体的另一端，且该出口端连通该多个封闭式流道；至少二个O型环，其分别设于该反应槽主体与该上封盖之间或该反应槽主体与该下封盖之间的至少一者，以增加密封度；以及第一导流板，其设于该上封盖与该反应槽主体之间，以通过该第一导流板将从该进口端所注入的前驱物均匀地导入该多个封闭式流道内。

于一实施例中，本发明的第一导流板包括：导流板本体，具有上表面及相对于该上表面的下表面；多个通孔，其贯穿该导流板本体的上表面及下表面；以及多个导槽，其凹陷并形成于该导流板本体的上表面上，且该多个导槽连通该多个通孔及该上封盖的进口端。

于另一实施例中，本发明的第一导流板包括：导流板本体，具有上表面及相对于该上表面的下表面；通孔，其贯穿该导流板本体的上表面及下表面；以及多个导槽，其凹陷并形成于该导流板本体的下表面上，且各该多个导槽的一端分别连通该反应槽主体的多个封闭式流道的对应流道，各该多个导槽的另一端集中连通该通孔，以使该多个导槽呈现放射状或鱼骨状排列。

再于一实施例中，本发明的具导流板的封闭式流道反应槽系统还包括第二导流板，该第二导流板包括：导流板本体，具有上表面及相对于该上表面的下表面；多个通孔，其贯穿该导流板本体的上表面及下表面；以及多个导槽，其凹陷并形成于该导流板本体的上表面上；其中，该第二导流板设于该第一导流板与该反应槽主体之间，且该第二导流板的导槽数量大于该第一导流板的导槽数量。

又于一实施例中，本发明的具导流板的封闭式流道反应槽系统还包括聚流板，该聚流板包括：聚流板本体，具有上表面及相对于该上表面的下表面；以及通孔，其贯穿该聚流板本体的上表面及下表面且位于该聚流板本体的中心点；其中，该聚流板设于该第一导流板与该上封盖之间。

通过本发明的封闭式流道反应槽系统及其导流板能够使前驱物被均匀地导入封闭式流道反应槽系统中的多个封闭式流道中，可增加前驱物分子碰撞衬底来增加其反应性进而缩短脉冲时间，并可提升前驱物扩散效率及薄膜快速成长速率，同时降低前驱物的使用量以降低制程成本，面对高深宽比的纳米结构衬底，更具可均匀镀覆薄膜的功效。

附图说明

图1A为本发明的封闭式流道反应槽系统的第一实施例的示意图；

图1B为图1A所示的C-C’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图1C为图1A所示的B-B’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图1D为图1A所示的A-A’剖面线中反应槽主体的剖面示意图；

图2A为图1A的封闭式流道反应槽系统的另一实施例的示意图；

图2B为图2A所示的B-B’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图2C为图2A所示的A-A’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图2D为图2A中第一导流板的立体示意图；

图3A为图1A的封闭式流道反应槽系统的另一实施例的示意图；

图3B为图3A所示的A-A’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图3C为图3A所示的B-B’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图3D为图3A所示的C-C’剖面线中第二导流板的剖面示意图；

图3E为图3A所示的D-D’剖面线中第二导流板的剖面示意图；

图3F为本发明的封闭式流道反应槽系统的另一实施例中第一及第二导流板的立体示意图；

图4A为本发明的封闭式流道反应槽系统的第二实施例的示意图；

图4B为图4A所示的C-C’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图4B’为图4B另一实施例的剖面示意图；

图4C为图4A所示的B-B’剖面线中第一导流板的剖面示意图；

图4C’为图4C另一实施例的剖面示意图；

图4D为图4A所示的A-A’剖面线中反应槽主体的剖面示意图；

图5为本发明的封闭式流道反应槽系统的第三实施例的示意图；

图6A为本发明的封闭式流道反应槽系统的另一实施例中第一、二导流板及聚流板的立体示意图；

图6B为本发明的封闭式流道反应槽系统的另一实施例中第一、二导流板及聚流板的立体示意图；

图7A为本发明的封闭式流道反应槽系统的另一实施例中第一导流板及聚流板的立体示意图；

图7B为本发明的封闭式流道反应槽系统的另一实施例中第一导流板及聚流板的立体示意图；

图8A至图8C为ALD系统的薄膜镀覆的照片图；以及

图9为使用本发明的封闭式流道反应槽系统成长薄膜于单根中空纤维的照片及SEM图。

符号说明

1 封闭式流道反应槽系统

10 反应槽主体

101 封闭式流道

102 上端面

103 下端面

11 上封盖

111 进口端

112、122 凹部

12 下封盖

121 出口端

13 第一导流板

130、160 导流板本体

131、161、171 上表面

132、162、172 下表面

133、163、173 通孔

134、136、164、176 导槽

135、165 导入方向

14 前驱物

15 O型环

16 第二导流板

17 聚流板

170 聚流板本体。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例加以说明本发明的实施方式，而熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点和功效，也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用。因此，以下本发明涵盖本文揭示的任何特定实施例的任何部件可与本文揭示的任何其他实施例的任何部件相结合。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技艺的人士的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍落在本发明所揭示的技术内容得以涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的用语也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本发明可实施的范畴。

本发明利用原子层沉积镀膜技术制作触媒材料，将拟制备材料前驱物分次通入该封闭式流道反应槽内进行反应，并以大量N₂或Ar等不参与反应的气体通入稀释或移除前驱物，配合多种或多次通入稀释或移除前驱物的循环步骤，进一步控制触媒颗粒尺寸、支撑材料厚度与其混和材料比例。本发明以大量N₂或Ar等不参与反应的气体通入稀释或移除前驱物，且不局限于上述两种气体，如假设两种前驱物A与B，注入不参与反应的气体为P，并以重复A-P-B-P的循环次数控制沉积触媒纳米颗粒的尺寸或是支撑材料的厚度，进而获得最佳触媒反应效率。

请参阅图1A，本发明的封闭式流道反应槽系统1包括反应槽主体10、上封盖11、下封盖12以及至少一第一导流板13。该反应槽主体10内设有多个封闭式流道101，而该反应槽主体10的外形可为圆柱状或多角柱状，本发明并不以此为限。于一实施例中，该多个封闭式流道101具体为一根根的中空长形管体，以设于该反应槽主体10内且贯通该反应槽主体10的上端面102与下端面103，另本发明并不限制该多个封闭式流道101的数量。

该上封盖11具有一进口端111及连通该进口端111的凹部112。该上封盖11利用该凹部112套设于该反应槽主体10的上端面102，以使该进口端111连通该反应槽主体10的该多个封闭式流道101。

该下封盖12也具有一出口端121及连通该出口端121的凹部122。该下封盖12利用该凹部122套设于该反应槽主体10的下端面103，以使该出口端121连通该反应槽主体10的该多个封闭式流道101。

该第一导流板13设于该上封盖11与该反应槽主体10之间，即第一导流板13接置该反应槽主体10的上端面102且位于该上封盖11的凹部112中，以使该上封盖11利用该凹部112套设于该反应槽主体10的上端面102之时，同时夹置该第一导流板13。而该第一导流板13用以将从该进口端111所注入的前驱物14均匀地导入该多个封闭式流道101内。

于本第一实施例中，该封闭式流道反应槽系统1更包括二个O型环15。该二个O型环15分别设于该反应槽主体10与该上封盖11之间，以及该反应槽主体10与该下封盖12之间，其目的是为了增加上封盖11或下封盖12套设于该反应槽主体10后的密封度，使该封闭式流道101处于真空环境(<760Torr)。

于本第一实施例中，请同时参阅图1A至图1D，该第一导流板13包括导流板本体130、多个通孔133以及多个导槽134。该导流板本体130具有上表面131及相对于该上表面131的下表面132，而该多个通孔133贯穿该导流板本体130的上表面131及下表面132，另该多个导槽134则凹陷并形成于该导流板本体130的上表面131上。如图1B所示，该多个导槽134是从该导流板本体130的中心向外延伸至该多个通孔133所形成，而呈现放射状排列以连通该多个通孔133，而位于该导流板本体130中心的多个通孔133的一端则可连通该上封盖11的进口端111。

于本第一实施例中，该第一导流板13更包括形成于该导流板本体130的上表面131呈现圆形的导槽136，以连通该多个导槽134，且该导槽136的位置相对于该上封盖11的进口端111。

于本第一实施例中，该多个导槽134以平行于该导流板本体130的上表面131的方式所形成，也就是该多个导槽134平行于该导流板本体130的上表面131，也可以其他方式(如倾斜、由深渐浅)来形成，本发明并不以此为限。

通过本发明的封闭式流道反应槽系统1及其所搭配的第一导流板13，当前驱物14从上封盖11的进口端111注入时，先抵达导流板13的圆形的导槽136，接着即分流至各导槽134，并沿着导入方向135而流入通孔133中，进而能够均匀地导入该多个封闭式流道101内。

于本发明的另一实施例中，请参阅图2A至图2D，该第一导流板13的多个导槽134呈现鱼骨状排列，且多个通孔133除了连通该多个导槽134的末端外，也可连通该多个导槽134的其他位置，本发明并不以此为限。本实施例中其他组件的叙述相同于前述的第一实施例，于此不再赘述。

再于本发明的一实施例中，请参阅图3A至图3E，该封闭式流道反应槽系统1可搭配二个导流板，即包括第一导流板13及第二导流板16。该第一导流板13及第二导流板16皆设于该上封盖11与该反应槽主体10之间，以上封盖11、第一导流板13、第二导流板16、反应槽主体10的顺序设置。其中，该第一导流板13的结构特征相较于前第一实施例，仅为导槽134呈现十字状排列的结构改良，而本实施例中除第二导流板16外的其他组件的叙述已如前第一实施例中所述，于此不再赘述。以下进一步叙述本实施例与前第一实施例中的不同处。

该第二导流板16包括导流板本体160、多个通孔163及多个导槽164。该导流板本体160具有上表面161及相对于该上表面161的下表面162。该多个通孔163贯穿该导流板本体160的上表面161及下表面162，且该多个通孔163的位置对应该多个封闭式流道101的位置。该多个导槽164则凹陷并形成于该导流板本体160的上表面161上，且该多个导槽164的位置则要搭配第一导流板13的多个通孔133的位置，以使前驱物14经第一导流板13分流后，从第一导流板13的多个通孔133再流至第二导流板16的多个导槽164，进而通过多个通孔163均匀地导入多个封闭式流道101中。其中，第二导流板16的导槽164数量大于第一导流板13的导槽134数量，以达到二次分流及将前驱物更均匀地导向更多封闭式流道的功效。然而，本发明并不限制导流板的数量，也不限制导流板上多个导槽的呈现形状，例如，如图3B至图3E所示，第一导流板13及第二导流板16上多个导槽134、164呈现十字状排列，也可呈现如图3F所示的放射状排列，本发明并不以此为限。本实施例的主要精神在于如图3A所示的多个导流板所具备的二次分流的功效。

于本发明的第二实施例中，请参阅图4A、图4B、图4C、图4D，该第一导流板13包括导流板本体130、通孔133以及多个导槽134。本实施例中的封闭式流道反应槽系统1除了上封盖11的进口端111并非位于正中央外，该进口端111的开口方向可平行于该上封盖11的轴向即可(即侧边进气)，其余技术内容皆相同于前述的封闭式流道反应槽系统，于此不再赘述。

该导流板本体130具有上表面131及相对于该上表面131的下表面132。该通孔133贯穿该导流板本体130的上表面131及下表面132。而该多个导槽134则凹陷并形成于该导流板本体130的下表面132上。第一导流板13接置于反应槽主体10及上封盖11之间，各该多个导槽134的一端分别连通该反应槽主体10的多个封闭式流道101的对应流道，而各该多个导槽134的另一端则集中连通该通孔133，使得该多个导槽134于该导流板本体130的下表面132上呈现放射性排列(如图4C所示)。于另一实施例中，该多个导槽134于该导流板本体130的下表面132上也可呈现鱼骨状排列(如图4C’所示)或是其他形状的排列，本发明并不限制多个导槽的排列方式。

于本实施例中，该通孔133位于第一导流板13的导流板本体130的中心点，另该多个导槽134可平行于该导流板本体130的下表面132而形成，也就是该多个导槽134可平行于该导流板本体130的下表面132，或是以其深度从连通该通孔133至连通该多个封闭式流道101由深渐变至浅来形成，也就是各该多个导槽134的深度从连通该通孔133的一端朝连通该多个封闭式流道101的对应流道的一端的方向递减，本发明并不以此为限。

于本实施例中，如图4B所示，该第一导流板13更包括形成于导流板本体130的上表面131的具有聚流功能的导槽136，该导槽136连通该通孔133，且自该通孔133向外延伸而呈扇形，以使前驱物能依据导入方向135而集中至通孔133处。另该导槽136的位置相对于该上封盖11的进口端111，本发明并不限制该导槽136及该上封盖11的进口端111的位置。

于另一实施例中，如图4B’所示，该第一导流板13更包括形成于导流板本体130的上表面131的至少二导槽136。不同于如图4B所示导槽136为扇形，本图4B’所示的导槽136为长条形沟槽，且自该第一导流板13边缘线性延伸至该通孔133。该二导槽136用以提供A-P-B-P原子层沉积制程中A与B前驱物集中至通孔133处的独立路径，避免A与B前驱物之间反应。但本发明并不限制导槽136的位置及数量。

另本发明的封闭式流道反应槽10中上封盖11的进口端111的开口方向也不作限制。如图4A所示的第二实施例，该进口端111的开口方向平行于该上封盖11的轴向，即该进口端111开设于该上封盖11具有凹部112的表面的相对面上；如图5所示的第三实施例，该进口端111的开口方向也可平行于该上封盖11的径向，即该进口端111开设于该上封盖11的侧面。本第三实施例除了进口端111的开口方向不同外，其余技术内容皆相同于前述的封闭式流道反应槽系统，于此不再赘述。

于本发明的其他实施例中，如图6A至图7B所示，本发明的封闭式流道反应槽系统还包括聚流板17。该聚流板17包括聚流板本体170及通孔173。该聚流板本体170具有上表面171及相对于该上表面171的下表面172，该通孔173贯穿该聚流板本体170的上表面171及下表面172且位于该聚流板本体170的中心点，且该聚流板17设于该第一导流板13与该上封盖11之间。该聚流板17的聚流板本体170的上表面171形成有至少一连通该通孔173的导槽176，导槽176的形式可为自通孔173向外延伸而呈扇形，或是自该聚流板17边缘线性延伸至该通孔173的长条形沟槽，且导槽176的位置相对于该上封盖11的进口端111。

换言之，本实施例即是将第二、三实施例中第一导流板13的上表面131的导槽136结构另外独立成聚流板17，如此一来即可搭配前述第一实施例中的第一导流板13、第二导流板16或二者的组合来均匀地导入前驱物，并使上封盖11的进口端11位置不受限必须位于上封盖11的正中央，仅需让进口端11的开口方向平行于该上封盖11的轴向即可。另聚流板17可不需于聚流板本体170的上表面171形成导槽176，仅具有通孔173的结构也可，或该聚流板17可搭配如图4A所示本体下表面凹陷形成有多个第一导槽，但于本体上表面未形成有第二导槽的第一导流板，甚或是多个第一导槽贯通本体的第一导流板，本领域技术人员应可理解聚流板17的主要功用为聚流，自可任意搭配前述各种态样的导流板(例如前述图4A或图5所述实施例的侧边进气的导流板设计)，以达前驱物均匀导入的功效，本发明并不限制前述导流板之间的搭配形式。

请参阅图8A至图8C，当能了解本发明的封闭式流道反应槽系统确具薄膜镀覆具均匀性的功效。于图8A至图8C中，是以色彩灰阶渐变的方式来表现薄膜镀覆是否均匀，色彩灰阶渐变越多，代表薄膜镀覆不均匀；色彩灰阶渐变越少，代表薄膜镀覆均。图8A为未使用载流气体及导流板输送的ALD系统所呈现的薄膜照片，其颜色变化显示薄膜镀覆厚度变化；图8B为使用载流气体但未使用导流板输送的ALD系统所呈现的薄膜照片；图8C为使用载流气体且使用本发明的导流板输送的ALD系统所呈现的薄膜照片。

本实验例为成长五氧化二钽(Ta₂O₅)于硅(Si)衬底上，硅衬底长度约10公分，而工作参数如下表所示：

依据图8A至图8C可知，图8C中使用载流气体且使用本发明的导流板输送的ALD系统所呈现的Ta₂O₅薄膜镀覆均匀性，明显较图8A、图8B均匀。

请参阅图9，其为使用载流气体且使用本发明的导流板输送的ALD系统成长二氧化钛(TiO₂)薄膜于聚枫(PSF)中空纤维模板的照片及SEM图，其工作参数如下表所示：

由图9可知，使用载流气体且使用本发明的导流板输送的ALD系统能够均匀成长二氧化钛(TiO₂)在中空纳米微孔纤维模板上，不论是该中空纳米微孔纤维模板的上、中、下段，均具有极佳的薄膜沉积覆盖性与均匀性。

通过本发明的封闭式流道反应槽系统并搭配前述的导流板的设计，能够使前驱物被均匀地导入封闭式流道反应槽系统中的多个封闭式流道中，可增加前驱物分子碰撞衬底来增加其反应性，进而缩短脉冲时间，并可提升前驱物扩散效率及薄膜快速成长速率，同时降低前驱物的使用量以降低制程成本，面对高深宽比的纳米结构衬底，更具可均匀镀覆薄膜的功效。此外，本发明也可应用至低蒸气压前驱物的ALD制程中。

上述实施例仅为例示性说明本发明的技术原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何熟习此技术的人士均可在不违背本发明的精神与范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。然任何运用本发明所教示内容而完成的等效修饰及改变，均仍应为下述的申请专利范围所涵盖。而本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。