原子层沉积装置与方法

本发明涉及原子层沉积技术领域，特别是涉及一种原子层沉积装置与方法。

背景技术：

原子层沉积是一种超薄膜制备技术，通过该技术可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面。原子层沉积时形成的薄膜厚度非常小，可以达到纳米级别，且一致性较好，因此，其被广泛应用于微纳米电子器件与太阳能电池等领域。

在相关技术中，一些原子层沉积装置中，通过对进气口流入的气体进行多次分流，以增加喷气口与喷头数量，使得喷气口能够覆盖的长度增大，从而实现大面积沉积。但这种方式会使得装置的高度较大，内部流道结构也更加复杂，使其加工较为较高，成本也较高。另一些原子层沉积装置中，虽然能够简化装置，但沉积均匀性较差。

技术实现要素：

基于此，本发明提出一种原子层沉积装置，能够实现大面积原子层沉积，且其进气口与喷气口之间的高度较小，整个装置内部的流道结构较为简单，使得加工难度与加工成本有所降低，此外，沉积时的均匀性较好。

原子层沉积装置，包括：

主流道；

进气口，所述进气口设置于所述主流道上；

支流道，多个所述支流道沿所述主流道的轴向设置，且多个所述支流道均插入所述主流道，沿所述主流道的轴向形成多组支流道区，每组所述支流道区至少设有一个所述支流道，在气体沿所述主流道的流动方向上，每组所述支流道区中所述支流道的插入深度大于下一组所述支流道区中所述支流道的插入深度；

喷气口，所述喷气口设置于所述支流道上。

在其中一个实施例中，在气体沿所述主流道的流动方向上，每个所述支流道的插入深度逐渐减小。

在其中一个实施例中，每个所述支流道处的静压相等，每个所述支流道的横截面积相等，且每个所述支流道处的出流角不小于60°。

在其中一个实施例中，所述插入深度为h，所述主流道的半径为r，所述支流道的流入端的动压为pd入，所述支流道处的动压为pd，

在其中一个实施例中，在气体沿所述主流道的流动方向上，每组所述支流道区中所述支流道之间的间距大于下一组所述支流道区中所述支流道之间的间距。

在其中一个实施例中，在气体沿所述主流道的流动方向上，所述支流道之间的间距逐渐减小。

在其中一个实施例中，相邻的所述支流道之间的间距为s，相邻的两个所述支流道的流出端的动压的差值为pd损,单位长度上动压的损耗量为δpd损，

在其中一个实施例中，所述进气口位于所述主流道的端部。

在其中一个实施例中，所述支流道的横截面积与所述主流道的横截面积之比b的范围为0.04≤b≤0.16。

上述原子层沉积装置，设置了主流道与多个支流道，进气口设置于主流道上，每个支流道上均对应的设置有喷气口，多个支流道沿主流道的轴向排列，且多个支流道均插入主流道内，与主流道之间连通。沿主流道的轴向分为多个支流道区，每个支流道区至少设有一个支流道，在气体沿主流道的流动方向上，每组支流道区中支流道的插入深度大于下一组支流道区中支流道的插入深度。气体从进气口流入主流道后，会沿其轴向流动至各个支流道处，并经各个支流道进行分流，使气体经各个支流道流动至对应的喷出口，并朝外喷出以完成沉积。通常，在气体沿主流道的流动方向上，靠近进气口的支流道处得到的流量多于远离进气口的支流道处得到的流量。使每组支流道区中支流道的插入深度大于下一组支流道区中支流道的插入深度，可以减少靠近进气口的支流道处得到的流量，增加远离进气口的支流道处得到的流量，从而提高沉积均匀性。并且，沿主流道的轴向插入有多个支流道，相应的，喷气口的数量也较多，因此，能够增大沉积面积。由于多个支流道沿主流道的轴向排列，因此，设置于每个支流道上的喷气口也沿主流道的轴向排列，气体仅在主流道内进行单层分流，因此，使得进气口与喷气口之间的高度较小，装置的占用空间更小，并且内部流道的结构相对简单，使得加工难度与加工成本有所降低。

本发明还提出一种原子层沉积方法，使用该原子层沉积方法进行沉积时，不仅能够增加喷气口的数量，使得沉积面积增大，且其进气口与喷气口之间的高度较小，使得原子层沉积装置内部的流道结构较为简单，加工难度与加工成本有所降低，还能提高沉积均匀性。

原子层沉积方法，使用上述的原子层沉积装置，使待沉积气体流入所述进气口，并从所述喷气口喷出至待沉积区域。

上述原子层沉积方法，使气体从进气口流入主流道，气体沿主流道的轴向流动至各个支流道处，均匀的流入各个支流道，并流动至对应的喷出口，朝外喷出以完成沉积。对应的原子层沉积装置中的进气口与喷气口之间的高度较小，装置的占用空间更小，并且内部流道的结构相对简单，使得加工难度与加工成本有所降低。并且，气体在主流道内均匀的分流至支流道，因此，喷出口处的气体流量较均匀，沉积均匀性较好。

附图说明

图1为本发明一实施例中的原子层沉积装置的结构示意图；

图2为图1中原子层沉积装置的剖视图；

图3为图1中原子层沉积装置的各个喷出口的气体浓度仿真图；

图4为本发明另一实施例中的原子层沉积装置的结构示意图；

图5为本发明又一实施例中的原子层沉积装置的结构示意图。

附图标记：

主流道100、进气口110；

支流道200、喷出口210、第一支流道220、第二支流道230、第三支流道240。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1至图2，分别示出了本发明一实施例中的原子层沉积装置的结构示意图、图1中原子层沉积装置的剖视图。本发明一实施例提供的原子层沉积装置包括主流道100与多个支流道210。主流道100上设有进气口110，每个支流道200上均设有一个喷气口210。多个支流道200沿主流道100的轴向排列，且每个支流道200均沿主流道100的径向插入主流道100内，以实现与主流道100之间的连通。

沿主流道100的轴向，可以划分为多个支流道区，每个支流道区内至少设有一个支流道200。在气体沿主流道100的流动方向上，每组支流道区内支流道200插入主流道100的插入深度大于下一组支流道区内支流道200插入主流道100的插入深度。

使用本实施例中的原子层沉积装置进行原子层沉积时，待沉积的物质以气态形式从进气口110流入主流道100内，并在主流道100内沿其轴向进行流动，到达各个支流道200处。喷出口210位于支流道200的端部，进入各个支流道200的气体沿支流道200的轴向流动，到达喷出口210处，经喷出口210朝目标区域喷出，以完成沉积。

本实施例中的原子层沉积装置，由于沿主流道100的轴向插入有多个支流道200，相应的，喷气口210的数量也较多，因此，能够增大沉积面积，可以适用于一些需要进行大面积沉积的场景。此外，由于多个支流道200沿主流道100的轴向排列，因此，设置于每个支流道200上的喷气口210也沿主流道100的轴向排列，气体仅在主流道100内进行单层分流后便能经支流道200到达对应的喷气口210处。与通过多层分流来增加喷气口的方式相比，本方案可以使进气口110与喷气口210之间的高度较小，使得该原子层沉积装置在高度方向上的占用空间更小，并且其内部流道的结构相对简单，使得加工难度与加工成本有所降低。

通常，各个支流道200得到的气体流量与支流道200处的静压有关，通常，靠近进气口110的支流道200处的动压更大，静压较小。支流道200插入主流道100的插入深度会影响该支流道200处的动压与静压大小。因此，可以通过调整支流道200插入主流道100的插入深度，使各个支流道200处的静压基本相等。

具体的，气体在主流道100内流动至各个支流道200处时，支流道200中插入至主流道100内的部分会与流动至该区域的气体形成碰撞，在碰撞过程中，会使气体的动压降低，静压增大。支流道200插入至主流道100内的插入深度越大，碰撞越剧烈，动压降低越明显。

如前所述，在靠近进气口110的区域，气体的动压较大，静压较小；在远离进气口110的区域，气体的动压较小，静压较大。因此，可以使靠近进气口110的区域的支流道200的插入深度更大，使远离进气口110的区域的支流道200的插入深度更小。如此，便可以使靠近进气口110的区域的支流道200与气体之间的碰撞更加剧烈，动压降低的更多，而远离进气口110的区域的支流道200与气体之间的碰撞程度更轻，动压降低的较少，最终实现各个支流道200处的静压大致相等，从而提高沉积均匀性。

优选的，在气体沿所述主流道100的流动方向上，每个支流道200的插入深度逐渐减小。即每组支流道区中仅设有一个支流道200。

或者，每组支流道区中也可以设有多个支流道200，每组支流道区中的多个支流道200的插入深度相等。在远离进气口110的区域，动压已经较小，变化量不大，对于支流道200的气体流量的影响较小。因此，可以将远离进气口110的支流道区中的各个支流道200的插入深度设置为基本相同。

如前所述，气体从进气口110进入主流道100后，在主流道100中沿轴向流动，流动过程中，依次到达各个支流道200处，气体分流进入各个支流道200内，并经喷气口210喷出进行沉积。由相关公式可知，流入各个支流道200的气体的流量l支通过如下公式进行计算：

上述公式中：μ为孔口流量系数；

f0为孔口在实际出流速度垂直方向的投影面积，即支流道的横截面积；

pj为该支流道处的静压；

ρ为气体的密度。

其中，流入进气口110的气体为同一种，因此ρ相等，设各个支流道200的横截面积f0均相等。

综上，若要使得从主流道100分流进入各个支流道200中的气体的流量相等，还需要使孔口流量系数μ与该支流道处的静压pj相等。

参阅图1与图2，以单侧进气为例进行具体说明。进气口110位于主流道100的其中一端，即主流道100的一端开口以形成进气口110，另一端封闭。在图1所示的方位中，进气口110位于主流道100的右端，气体从进气口100流入主流道100后，向左流动，逐渐到达各个支流道200处。

设主流道100的半径为r，支流道200的半径为r，支流道200插入主流道100内的插入深度为h，相邻的支流道200之间的间距为s，动压速度为vd,静压速度为vj，从进气口110流入主流道内的气体流速为v，单位长度上的动压损耗比率为a％，静压为pj，动压为pd，全压为p全。

气体从进气口110进入主流道200后，向左依次流经第一支流道220、第二支流道230与第三支流道240进行分流，以这三个支流道为例，对于插入深度h与相邻的支流道200之间的间距s的计算进行说明。

一方面，要使孔口流量系数μ相等。若要满足孔口流量系数μ相等，需满足支流道200处的孔口出流角α不小于60°。支流道200处的动压速度vd、静压速度vj与孔口出流角α之间满足如下关系：

由于孔口出流角α不小于60°，因此，即满足：

一方面，要使支流道处的静压pj相等。气体流速v、动压速度vd、静压速度vj、静压pj与动压pd之间满足如下关系：

因此，进气口110处的全压p全为：

进气口110处的静压pj0基本为0，动压pd0与全压p全基本相等。

可以近似认为第一支流道220流入端的动压与进气口110处的动压pd0相等，即

另外，第一支流道220处的动压pd1与动压速度vd1之间满足如下关系：

第一支流道220处的静压pj1与静压速度vj1之间满足如下关系：

将公式3、公式7与公式8联立可得：

且第一支流道220处的静压pj1与动压pd1满足如下关系：

pj1+pd1＝p全⑩

将公式6、公式9与公式10联立，即可求出第一支流道220处的静压pj1与动压pd1的范围。

另外，第一支流道220处的动压pd1、第一支流道220流入端的动压pd1入、第一支流道220处的插入深度h1之间满足：

公式6与公式11联立，即可求出第一支流道220处的插入深度h1的范围。

设单位时间内，从进气口110进入主流道100内的进气量为l0，

各个支流道200的各个支流道200的横截面积为f0，

计算出第一支流道220处的静压pj1与支流道200的横截面积为f0后，即可带入公式1，计算出第一支流道210处的气体流入量l支1，由于要使各个支流道200处的气体流入量相等，因此，各个支流道200处的气体流入量l支＝l支1，则支流道200的数量n为：

从第一支流道220到达第二支流道230过程中，可以把第一支流道220的流出端看作一个新的进气口。在第一支流道220的流出端，剩余的气体流量l1为：

参照公式12，可求出第一支流道220的流出端的气体流速v1：

参照公式6，第一支流道220的流出端的全压p全1为：

第二支流道230处的静压pj2与动压pd2满足如下关系：

由于各个支流道200处的静压相等，即pj2＝pj1。因此，第二支流道230处的动压pd2为：

第二支流道230处的动压pd2、第二支流道230的流入端的动压pd2入、第二支流道230处的插入深度h2之间满足：

公式17、公式19与公式20联立，即可求出第二支流道230处插入深度h2的范围。

第三支流道240及后续的支流道处的插入深度与第二支流道230处的计算过程类似，故不再赘述。

另外，除了插入深度会通过动压与静压大小影响进入支流道200的气体流量外，支流道200之间的间距也会影响进入支流道200的气体流量。因此，要综合考虑插入深度与间距对于进入支流道200的气体流量的影响，可以通过调节各个支流道200之间的间距来进一步调节进入支流道200的气体流量。

通常，靠近进气口110的支流道200先得到气体流入，可能增大进入这些区域的支流道200流量。因此，使每组支流道区中支流道200之间的间距大于下一组支流道区中支流道200之间的间距。

优选的，可以使相邻的支流道200的间距逐渐减小，即每组支流道区中仅设有一个支流道200。

在计算相邻的支流道200之间的间距时，可以先求出相邻的支流道200之间的动压损耗量，例如，第一支流道220与第二支流道230之间的动压损耗量为pd1损，

单位长度上的动压的损耗量为pd损，

因此，第一支流道220与第二支流道230之间的距离s1为：

后续的各支流道200之间的距离的计算方式与上述过程类似，故不再赘述。

另外，从进气口110到第一支流道220之间的距离不按照上述公式进行计算，取适当值即可。

按照上述方式计算出支流道200的插入深度与相邻支流道200之间的距离之后，还需要进行仿真测试，通过仿真测试得到各个支流道200的喷气口210处喷出的气体流量，并进行微调，通过多次微调来使各个支流道200的喷气口210喷出的气体流动大致相等。

参阅图1，靠近右侧的支流道200的插入深度大于靠近左侧的支流道200的插入深度。理论上，从右向左各个支流道200的插入深度依次减小。但气体流动至左侧后半段时，动压已经较小，变化量不大，对于支流道200的气体流量的影响较小。因此，接近后半段时，可以将各个支流道200的插入深度设置为基本相同。即靠近左侧的部分区域中，各个支流道200的插入深度设置为基本相同。

参阅图4，图4所示的实施例中，为中间进气的方式，进气口110位于主流道100的中间部位。主流道100的中间部位朝上凸伸，凸伸段的顶端开口以形成进气口110。在图4所示的方位中，气体从进气口110流入主流道100后，会分成两路，其中一路向左流动，另一路向右流动。进气口110左右两侧的支流道200对称设置，因此，左右两侧的流动规律相同。此时，位于进气口110右侧的这一段可以近似看作进气口位于左侧的单侧进气的方式，位于进气口110左侧的这一段可以近似看作进气口位于右侧的单侧进气的方式。

在本实施例中，靠近主流道100中间区域的支流道200的插入深度大于靠近主流道100两端区域的支流道200的插入深度。理论上，从中间区域向两端区域的支流道200的插入深度逐渐减小。但气体流动至靠近两端区域时，动压已经较小，变化量不大，对于支流道200的气体流量的影响较小。因此，接近两端区域时，可以将各个支流道200的插入深度设置为基本相同。

但中间进气的方式会对靠近中间区域的支流道200处的动压有所影响。具体的，气体从进气口110垂直流入主流道100内，与主流道100的内壁进行碰撞，会使动压降低，因此，靠近中间区域的动压比单侧进气时靠近进气口110处的支流道200的动压更小。因此，要在单侧进气计算结果的基础上减小该区域的插入深度。调整时，根据仿真结果进行多次微调即可。

参阅图5，图5所示的实施例中，为两端进气的方式，主流道100的两端均开口以在其两端位置各形成一个进气口110。两路气体从两端进入主流道100后，均向中间区域流动。位于主流道100的中间区域的左右两侧的支流道200对称设置，因此，左右两侧的流动规律相同。此时，右半段区域的这一段可以近似看作进气口位于右侧的单侧进气的方式，左半段区域的这一段可以近似看作进气口位于左侧的单侧进气的方式。

在本实施例中，靠近主流道100的两端区域的支流道200的插入深度大于靠近主流道100中间区域的支流道200的插入深度。理论上，从两端区域向中间区域的支流道200的插入深度逐渐减小。但气体流动至靠近中间区域时，动压已经较小，变化量不大，对于支流道200的气体流量的影响较小。因此，接近中间区域时，可以将各个支流道200的插入深度设置为基本相同。

但两端进气的方式会对靠近中间区域的支流道200处的动压有所影响。具体的，气体从两端进入主流道100内，在中间区域形成对流，会使中间区域的动压降低。中间区域的动压比单侧进气时该区域的动压更小，因此，要在单侧进气计算结果的基础上减小该区域的插入深度。靠近进气口110区域的动压比单侧进气时靠近进气口110处的支流道200的动压更大，因此，要在单侧进气计算结果的基础上增大该区域的插入深度。调整时，根据仿真结果进行多次微调即可。

与两端进气与中间进气相比，单侧进气时，进气方式对于中间区域处动压影响较小，因此，优选单侧进气。

此外，支流道200与主流道100的横截面积大小也会影响出气均匀性。通过多次试验得知，优选的，支流道200的横截面积与主流道100的横截面积的比值b的范围为0.04≤b≤0.16。

此外，开孔率也会影响各个支流道200处的流量，若每个支流道200的横截面积相等，则支流道200之间的间距可以用来表征开孔率大小。

此外，按照前述方式计算出各个支流道200的插入深度，以及相邻支流道200的间距后，部分区域的数值可能较为相近。可以将数值相近的区域的数值设置为相同，在制造时较为简单。

以下提供单侧进气的一种具体实施例。

主流道100的长度为300mm，进气口110处的气体流速为0.25m/s，主流道100的直径为6mm，支流道200的直径为2mm。气体在主流道100内的流动方向上，将主流道100分为三段，第一段为0-30mm，第二段为30-130mm，第三段为130-300mm。第一段的开孔率为6.7％-13.3％；第二段的开孔率为4％-8％；第三段的开孔率为15％-20％。第一段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为25％-30％；第二段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为16.7％-20％；第三段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为16.7％-20％。进气口110与最近的支流道200之间的距离与第一段长度的比值为30％-35％。

参阅图3，图3为按照上述数据设置时，各个位置的支流道200处喷出的气体的流量大小。横坐标为支流道200的位置，纵坐标为喷气口210的气体浓度。由图可知，各个支流道200处喷出的气体的流量大致相等，沉积层的均匀性较好。

以下提供两端进气的一种具体实施例。

主流道100的长度为300mm，进气口110处的气体流速为0.25m/s，主流道100的直径为6mm，支流道200的直径为2mm。由于各支流道200关于中心区域对称，此处给出主流道100的一半长度上的数据。将这一半长度分为三段，第一段为0-30mm，第二段为30-80mm，第三段为80-150mm。第一段的开孔率为6.7％；第二段的开孔率为8％-12％；第三段的开孔率为20％-25％。第一段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为30％-35％；第二段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为20％-25％；第三段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为15％-20％。进气口110与最近的支流道200之间的距离与第一段长度的比值为30％-35％。

以下提供中部进气的一种具体实施例。

主流道100的长度为300mm，进气口110处的气体流速为0.25m/s，主流道100的直径为6mm，支流道200的直径为2mm。由于各支流道200关于中心区域对称，此处给出主流道100的一半长度上的数据。将这一半长度分为三段，第一段为0-30mm，第二段为30-80mm，第三段为80-150mm。第一段的开孔率为6.7％；第二段的开孔率为8％-12％；第三段的开孔率为20％-25％。第一段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为20％-25％；第二段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为15％-20％；第三段的支流道200的插入深度与主流道100的直径的比值为10％-16.7％。进气口110与最近的支流道200之间的距离与第一段长度的比值为30％-35％。

当主流道100与支流道200的直径、长度等参数变化时，在上述数值基础上微调即可。

在一些实施例中，还提供了一种原子层沉积方法，使用该原子层沉积方法，可以完成对目标区域的原子层沉积。设置主流道100与多个沿主流道100的轴向分布的支流道200，在主流道100上设置进气口110，在支流道200上设置喷气口210，使气体从进气口110流入主流道100内，并均匀的分流至各个支流道200，从喷气口210喷出以完成沉积。

由于沿主流道100在轴向插入有多个支流道200，相应的，喷气口210的数量也较多，因此，能够增大沉积面积。此外，由于多个支流道200沿主流道100的轴向排列，因此，每个支流道200上的喷气口210也沿主流道100的轴向排列，气体仅在主流道100内进行单层分流，因此，使得对应的原子层沉积装置中的进气口110与喷气口210之间的高度较小，装置的占用空间更小，并且内部流道的结构相对简单，使得加工难度与加工成本有所降低。并且，气体在主流道100内均匀的分流至支流道200，因此，喷出口210处的气体流量较均匀，沉积均匀性较好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。