单腔叠层薄膜沉积设备的制作方法

本实用新型涉及一种单腔叠层薄膜沉积设备，特别是腔内不同薄膜在在不同局域化独立空间反应沉积，且生长速率独立精确控制的单腔叠层薄膜沉积设备。

背景技术：

多周期叠层薄膜能够综合其构成各种薄膜成分的特点，其特性参数能够通过调节其构成各种薄膜的厚度来控制，达到单层薄膜无法实现的特性，越来越受到人们的重视。例如在透明电子学研究领域，半导体薄膜晶体管的高k栅介质薄膜常用到Al2O3/Ta2O5、Al2O3/La2O3、Al2O3/HfO2等两种或多种材料的单周期或多周期叠层薄膜，其目的综合光学高k特性与电学高介电特性，且同时具有良好钝化特性；薄膜晶体管的沟道层采用ZnO/Al2O3、ZnO/HfO2多周期叠层薄膜形式，精确控制Al2O3与HfO2厚度，有助于提高ZnO电子迁移率的同时能够起到钝化效果而提高器件稳定性；在晶硅太阳能电池领域，新型PERC高效电池利用SiO2/Al2O3、Hf02/Al2O3、Al2O3/TiO2等复合叠层薄膜作为钝化层钝化n型或者p型硅，其目的是获得极佳化学钝化效果的同时，利用薄膜内部带有的固定电荷获得较好的场钝化效果。

叠层薄膜的制备，单腔方式下是通过时间先后通入不同反应气体生长对应的薄膜，如此往复形成多周期复合结构，因此反应时间极长，严重制约了量产产能；另一种方式是采用多腔集成方式，一个腔体做一种薄膜，但这种方式的硬件投入极大，大幅提高了成本。

因此，为了克服上述问题，本实用新型设计了单腔内部存在多个周期不同薄膜局域化独立反应空间，待处理衬底在独立反应空间中相对运动，沉积对应的薄膜。精确控制单个独立反应空间中的反应气体在衬底上反应成膜速率，进而控制周期内不同薄膜厚度与周期数，最终获得所需总厚度的叠层薄膜。如此，在保证低成本情况下，实现膜厚精确可调的叠层薄膜高产出效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种腔内不同薄膜在不同局域化独立空间反应沉积，且生长速率独立精确控制的单腔叠层薄膜沉积设备。

本实用新型的单腔叠层薄膜沉积设备包括：

进气装置，含第一出气口，其用于向所述待处理衬底输送第一反应气体A；第二出气口用于向所述待处理衬底输送第二反应气体B；第三出气口，其用于向所述待处理衬底输送第三反应气体C；第四出气口，用于向所述待处理衬底输送第二反应气体B；三种反应气体根据待沉积薄膜选择合适的气体源，在选取上，通常扩散速度快、成本低的做为第二反应气体B。

隔离装置，分布在所述第一反应气体A与第三反应气体C出气口周围的隔离装置，隔离装置使得第一反应气体A与第二反应气体B的混合反应在空间上实现局域化，同时第三反应气体C与第二反应气体B的混合反应在空间上实现局域化。

反应沉积局域化独立空间是指第一反应气体A与第二反应气体B的沉积反应被限制隔离装置所隔离出来的特定空间，与第三反应气体c与第二反应气体B的沉积反应被限制隔离装置所隔离出来的特定空间之间相互独立。在各自的特定空间内，第一反应气体与第二反应气体混合参与在待处理衬底上的沉积反应，第三反应气体与第二反应气体混合参与在待处理衬底上的沉积反应，在特定空间外，第一反应气体与第三反应气体不参与在待处理衬底上的反应沉积。

本实用新型的叠层薄膜可表示为(AB/AB.../CB/CB...)...式周期复合结构，叠层薄膜所需三种气体四个出气口以及分布在第一反应气体出气口与第三反应气体出气口周围的隔离装置组成最小周期复合结构单元，出气口[(AB)x(CB)y]m，x≥1，y≥1，m≥1。

本设备包括一个周期或一个以上周期复合结构单元(AB)x(CB)y，根据沉积叠层薄膜的需要选择一个周期复合结构单元，或者多个周期复合结构单元。

待处理衬底载具，用于装载待处理衬底。

驱动装置，用于驱动所述进气装置进气口与待处理衬底实现相对运动，进而实现不同局域化独立空间反应沉积在相对运动方向上的均匀沉积，在先后经过不同局域化独立空间后形成对应不同薄膜的叠层。驱动装置用于驱动单腔叠层薄膜沉积设备的周期复合结构单元(即进气装置及分布在第一反应气体出气口周围的隔离装置)与待处理衬底载具；驱动装置的作用是使进气装置与衬底之间形成相对运动，其中包含三种相对运动的形式，即一、驱动装置驱动待处理衬底载具，单腔叠层薄膜沉积设备的周期复合结构单元保持静止；二、驱动装置驱动单腔叠层薄膜沉积设备的周期复合结构单元，待处理衬底载具保持静止；三、驱动装置驱动单腔叠层薄膜沉积设备的周期复合结构单元和待处理衬底载具，单腔叠层薄膜沉积设备的周期复合结构单元和待处理衬底载具均运动。

隔离装置包括但不限于分布在一种反应气体出气口周围的抽气槽，抽气槽与抽气管道相通，抽气槽包括但不限于一组、两组或者多组抽气槽组合，抽气槽抽取参与反应的反应气体，抽气槽通过抽取上述反应气体，形成反应的特定空间，抽取的反应气体沿抽气管排出化学气相沉积设备。

抽气槽沿待处理衬底载具与进气装置进气口的相对运动方向开口宽度为为1×10^-3m到1×10^-1m，第一反应气体出气口周围抽气槽开口中心与第一反应气体出气口的间距为2×10^-3m到2×10^-1m，第三反应气体出气口周围抽气槽开口中心与第三反应气体出气口的间距为2×10^-3m到2×10^-1m，控制抽速将第一反应气体与第二反应气体的混合反应，第三反应气体与第二反应气体的混合反应限制在抽气槽所在的局域空间内。

在本实用新型的实施方式中，周期内复合结构单元(AB)x(CB)y可进一步扩展到3层不同薄膜(AB)x(CB)y(DB)z，四种反应气体出气口[(AB)x(CB)y(DB)z]n，x≥1，y≥1，z≥1，n≥1；进一步的，可以根据需要，扩展周期内的结构单元，复合结构单元扩展到j层不同薄膜(j≥4)。

在本实用新型的实施方式中，反应气体相应的载气包括但不限于H2、N2、Ar等气体或上述气体的混合气。

在本实用新型的实施方式中，反应气体出气口与待处理衬底之间的间距为1×10^-4m到2×10^-1m，根据反应需要适当优选间距。

在本实用新型的实施方式中，两种反应气体出气口之间的间距为1×10^-3m到1m，根据反应需要适当优选间距。

在本实用新型的实施方式中，进气装置进气口与待处理衬底相对运动速率为1×10^-3m/s到10m/s，根据反应需要适当优选相对运动速率。

在本实用新型的实施方式中，单向相对运动对应的进气装置情况下，如出气口[(AB)x(CB)y]m，x≥1，y≥1，m≥1。AB反应沉积与CB反应沉积得到的一个周期叠层薄膜厚度由AB与CB出气口的周期数x、y决定，总体厚度由复合结构单元周期z决定。

在本实用新型的实施方式中，相对运动为来回摆动模式对应的进气装置，如出气口[(AB)x(CB)y]m，x＝y＝1，m≥1。来回摆动的行进方向振幅为一个周期出气口(AB/CB)对应的距离时，AB反应沉积与CB反应沉积得到的一个周期叠层薄膜厚度由相对运动速率决定，总体厚度由来回摆动次数决定。

在本实用新型的实施方式中，反应沉积温度为0℃到2000℃，根据反应需要适当优选温度。

在本实用新型的实施方式中，反应处理压强为1×10^-8Pa到1×10⁶Pa，根据反应需要适当优选压强。

在本实用新型的实施方式中，反应沉积速率为1×10^-11m/s到5×10^-8m/s，根据反应需要适当优选沉积速率。

本实用新型的有益效果：

本实用新型只需要单个腔体，设计进气装置与隔离装置，实现单腔内部存在多个周期不同薄膜局域化独立反应空间，待处理衬底在独立反应空间中相对运动，沉积对应的薄膜。精确控制单个独立反应空间中的反应气体在衬底上反应成膜速率，进而控制周期内不同薄膜厚度与周期数，最终获得所需总厚度的叠层薄膜。

局域化独立反应空间是反应沉积的“印刷头”，不同局域化独立反应空间对应不同“印刷头”，周期性排列这些“印刷头”，通过进气装置进气口与待处理衬底实现相对运动，实现在相对运动方向上的“印刷式”均匀沉积成多周期叠层薄膜，具有极佳大面积均匀性，精确控制生长速率，适合工业量产等特点。本实用新型单腔叠层薄膜沉积设备可称为复合干法印刷设备，单向一次成形多周期叠层薄膜，能够有效减少集成腔体数量，降低设备成本，适合卷对卷柔性显示、太阳能电池、大面积与便携式平板显示、半导体、气敏传感器等应用领域。

附图说明

图1是单腔叠层薄膜沉积设备的实施例1的结构示意图。

附图标记说明：

10 进气装置

101 气源装置

102 第一反应气体出气口

103 第二反应气体出气口

104 第三反应气体出气口

11 隔离装置

12 待处理衬底载具

13 驱动装置

具体实施方式

具体实施方式例1

下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细地说明，但本实用新型并不限于此。

图1为根据本实用新型的腔内不同薄膜在不同局域化独立空间反应沉积，且生长速率独立精确控制的单腔叠层薄膜沉积设备的实施例1的示意图。如图1所示，该实施例中进气装置10，包括总气源101，第一反应气体出气口102，第二反应气体出气口103，第三反应气体出气口104。

隔离装置11在第一反应气体出气口102与第三反应气体104周围，实现反应沉积局域化独立空间。

隔离装置包括但不限于分布在第一反应气体出气口102与第三反应气体104周围的抽气槽。

待处理衬底载具12，用于装载待处理衬底，该载具材质包括但不限于石英、石墨、金属铝、柔性聚合物膜如PET、PEN、PI等等。

待处理衬底载具12与出气口102、103、104之间的间距1×10^-4m到2×10^-1m，优选间距2×10^-4m到5×10^-2m。

驱动装置13，在本实例中用于驱动所述待处理衬底载具12，实现与进气装置进气口的相对运动，进而实现空间局域化反应沉积在相对运动方向上的均匀沉积。驱动装置使待处理衬底载具12的运动速率为1×10^-3m/s到10m/s，优选运动速率为1×10^-3m/s到10m/s。

本实施例以沉积多周期ZnO/Al2O3叠层薄膜作为薄膜晶体管沟道层为例，102是第一反应气体出气口，该反应气体包括但不限于二乙基锌和氯化锌，本实施例以二乙基锌为例。103是第二反应气体出气口，该反应气体包括但不限于水气、一氧化二氮、氧气、臭氧等等，本实施例以水气为例。104是第三反应气体出气口，该反应气体包括但不限于三甲基铝、三乙基铝、叔丁醇铝等等，本实施例以三甲基铝为例。优选两两反应气体出气口之间的间距为1×10^-2m到5×10^-1m。

在本实施例中，二乙基锌、三甲基铝与水气在室温(25℃)及以上温度就能发生反应，考虑到ZnO薄膜的导电特性与Al2O3成膜特性，优选薄膜沉积温度为50℃到250℃，优选反应处理压强为1Pa到5×10⁴Pa。

在上述优选的温度与优选反应处理压强下，水气的扩散远远快于二乙基锌及三甲基铝，二者扩散系数有数倍甚至有量级上的差别。因此，在两种反应气体在从出气口出来后，水气扩散快，而二乙基锌及三甲基铝扩散慢，水气与二乙基锌的混合反应主要集中在二乙基锌出气口的周边，水气与三甲基铝的混合反应主要集中在二乙基锌出气口的周边。

根据实际ZnO薄膜导电特性需求，优选的单周期内ZnO薄膜厚度为2×10^-9m到5×10^-8m。根据实际Al2O3薄膜需求，优选的单周期内Al2O3薄膜厚度为1×10^-9m到2×10^-8m。

在以上参数优选后，根据设备的设计量产能力，优选Al2O3薄膜的沉积速率为1×10^-10m/s到1×10^-9m/s，进而优选水气与三甲基铝的源用量。

在单向相对运动情况下，气体出气口周期排列由ZnO/A12O3叠层薄膜周期数而定，如m个周期情况下，则需要m组(102/103)x/(104/102)y周期出气口，m≥1。组内小周期数x与y数量由ZnO与Al2O3薄膜厚度及生长速率决定。优选的，1≤x≤20，1≤y≤20，2≤m≤10；

上述实施例仅用于具体说明本实用新型，不应看作为对本实用新型的限制。任何不脱离本实用新型宗旨所进行的各种修改和变动，均应在本实用新型的保护范围内。