一种化学气相沉积装置以及高厚度Parylene-N膜的制备方法

一种化学气相沉积装置以及高厚度parylene-n膜的制备方法
技术领域
1.本发明涉及parylene镀膜技术领域，具体地，涉及一种化学气相沉积装置以及高厚度parylene-n膜的制备方法。


背景技术：

2.parylene(聚对二甲苯)于20世纪90年代后期开始进入中国市场，主要应用在微电子、半导体领域做高纯度的钝化层和介质层，混合电路绝缘和隔离保护；在mems领域用做钝化、防护、润滑等涂层；在生物医学防腐及文物保护等领域作为隔离、固化和加固材料。目前使用的parylene主要有parylene-n，parylene-c和parylene-d三种，其共同点是高度惰性与高纯度，而每一种型号又有各自不同特点，其中parylene-n具有很高的击穿强度，同时具有与频率无关的低介电常数，但是其沉积速率较低，很难一次性形成厚膜，限制了其parylene-n膜的应用场景和作用。
3.现有的制备parylene-n膜的方法大致如下：在真空环境下，固体粉状的parylene-n原材料在蒸发室内加热后升华为气体，在压差的作用下气化的parylene-n原材料向裂解室方向移动，并在裂解室高温作用下发生裂解反应，裂解后的parylene-n气体进入沉积腔室内发生聚合反应形成parylene-n膜。
4.经过检索发现：
5.申请公开号为cn113102196a的中国发明专利，公开了一种化学气相沉积装置、聚对二甲苯薄膜及形成方法，该发明的化学气相沉积装置包括依次连通的蒸发室、裂解室、第一沉积室、冷井以及真空泵，并在第一沉积室中嵌入一个第二沉积室，所述第二沉积室上设置一个小于预定尺寸的第一通孔，根据气体流动学的相关原理，通过控制第一通孔的尺寸来控制第二沉积室内的气体流动状态以及压力，能够精确控制聚对二甲苯薄膜的厚度，提高聚对二甲苯薄膜的均匀性。
6.但是该发明仍然存在如下问题：沉积室的结构较为复杂；形成的是稳定厚度的超薄的聚对二甲苯薄膜，仅能精确控制厚度在50nm以下的聚对二甲苯薄膜的厚度；而且不能同时提升沉积效率。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种化学气相沉积装置以及高厚度parylene-n膜的制备方法，可以实现微米级别的parylene-n快速沉积，且只需要在常见的parylene沉积设备上进行改进和调节参数即可实现，有利于降低制造成本。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.根据本发明的一个方面，提供一种化学气相沉积装置，包括通过管道依次相连的蒸发室、裂解炉、沉积室和冷阱；所述冷阱通过真空泵与所述沉积室连通；所述沉积室的底部设有用于与所述冷阱连通的连通口，所述连通口处设有节流片，所述节流片用于调节所述连通口的大小；所述沉积室内还设有降温平台，所述降温平台位于所述沉积室的腔室底
部，所述降温平台用于降低衬底的温度。
10.优选地，所述连通口为圆形孔，所述节流片上设有圆孔，所述圆孔的直径小于所述连通口的直径。
11.优选地，所述圆孔的直径为3-10mm。
12.优选地，所述节流片呈方形。
13.优选地，还包括设于所述沉积室内的载物台，所述降温平台位于所述载物台上。
14.优选地，所述载物台的高度为0-12cm。
15.根据本发明的另一方面，提供一种高厚度parylene-n膜的制备方法，利用上述的化学气相沉积装置实现，包括：
16.将parylene-n原料放于蒸发室，加热使parylene-n原料气化蒸发，形成parylene-n气体；
17.所述parylene-n气体进入裂解炉，于裂解炉内在630-660℃发生裂解反应，被裂解成活性单体；
18.所述活性单体进入沉积室，控制沉积室内的压力为4-5.8kpa，所述活性单体在沉积室内于衬底上沉积聚合，形成parylene-n膜。
19.优选地，所述加热使parylene-n原料气化蒸发，包括：加热至175℃使parylene-n原料气化蒸发。
20.优选地，所述活性单体在沉积室内于衬底上沉积聚合，包括：通过降温平台控制衬底温度为-5～10℃。
21.优选地，所述parylene-n膜的厚度为微米级，所述活性单体的单次沉积厚度在15um以上。
22.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
23.1、本发明通过在沉积室内设置节流片和降温平台，可以控制parylene-n的沉积速率，并对裂解炉温度、沉积腔室压力等沉积参数进行优化，使得parylene-n这种沉积速率较慢的材料也可获得较快的沉积速率，且膜层成分纯净、均匀性好且性能优异。
24.2、本发明未对气相沉积设备做出较大改动，只需要在现有常见的parylene沉积设备上进行改进和调节参数，即可实现在保证膜层性能的前提下大幅提升沉积效率，单次沉积厚度能够达到15um以上。
25.3、本发明的沉积速率稳定，可以通过控制沉积参数和节流片直径的方式来控制parylene-n膜的厚度，从而能够降低parylene-n膜的膜厚控制难度。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1为本发明实施例的沉积室内部的结构示意图；
28.图2为本发明实施例的化学气相沉积装置的结构示意图；
29.图3为本发明实施例的沉积室内底部的结构示意图；
30.图4为本发明实施例的节流片的结构示意图；
31.图中：1为节流片，2为降温平台，3为载物台，4为沉积室。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
33.现有技术中的parylene-n气相沉积技术未对parylene-n型的沉积工艺参数等给出明确的建议，本发明通过从parylene-n型的沉积原理与过程着手，改进其工艺参数，在保证parylene-n膜性能的前提下提升沉积效率。
34.本发明实施例提供一种化学气相沉积装置，参照图1-2，该装置包括通过管道依次相连的蒸发室、裂解炉、沉积室4和冷阱；冷阱通过真空泵与沉积室4连通；沉积室4的底部设有用于与冷阱连通的连通口，连通口处设有节流片1，节流片1用于调节连通口的大小，通过节流片1来控制连通口的大小，从而可以控制parylene-n膜的沉积速率；沉积室4内还设有降温平台2，降温平台2位于沉积室4的腔室底部，降温平台2用于降低衬底的温度，由于衬底温度越低，沉积速率越高，通过降温平台2降低衬底的表面温度，在不影响parylene-n膜的性能和均匀性的前提下，能够增加parylene-n膜的沉积速率，从而可以达到控制parylene-n膜的厚度的目的。
35.在一些实施例中，沉积室4底部的连通口为圆形孔，如图3-4所示，相应地，节流片1上设有圆孔，以保证气流的均匀，圆孔的直径小于连通口的直径，且圆孔的直径可控。
36.为了更好地控制连通口的大小，在一些优选的实施例中，圆孔的直径为3-10mm，节流片1呈方形，节流片1的圆孔直径越大，沉积效率越高。
37.当然，为了遮住沉积室底部的圆形孔，在其他的一些实施例中，节流片1还可以采用其他的形状，在其他形状的节流片1上开设圆孔均可以实现与本发明实施例中相同的功能，本发明实施例对节流片1的形状不做具体限定。
38.在一些实施例中，还包括设于沉积室4内的载物台3，降温平台2位于该载物台3上。载物台3包括载物平台和用于支撑载物平台的多个支撑柱；根据实际情况和沉积的具体要求，可以通过支撑柱的不同高度实现载物台3高度的调节。载物台3的高度越高，沉积的parylene-n膜的粗糙度越低，即沉积的parylene-n膜的质量越高，但是沉积的速率会减慢，载物台3每升高1cm，沉积的parylene-n膜的表面粗糙度就会降低5nm，但是沉积速率会降低约100nm/小时，通过设置载物台3的合适高度，可以实现在保证膜层性能的前提下提升沉积效率。
39.沉积腔室4内衬底的高度越低，沉积效率越高，沉积腔室4内衬底的高度越高，成膜质量越好，为了在保证膜层性能的前提下尽可能地提升沉积效率，在一些优选的实施例中，载物台3的高度为0-12cm。
40.本发明实施例还提供一种高厚度parylene-n膜的制备方法，利用上述实施例中的化学气相沉积装置实现，该方法包括：
41.s1、将parylene-n原料放于蒸发室，加热使parylene-n原料气化蒸发，形成parylene-n气体；
42.s2、parylene-n气体进入裂解炉，于裂解炉内在630-660℃发生裂解反应，被裂解成活性单体；
43.s3、活性单体进入沉积室，控制沉积室内的压力为4-5.8kpa，在提高沉积速率的同时也能够保证parylene-n膜的质量，活性单体在沉积室内于衬底上沉积聚合，形成parylene-n膜。
44.为了使parylene-n原料气化蒸发，在一些实施例中，加热使parylene-n原料气化蒸发，包括：加热至175℃使parylene-n原料气化蒸发。
45.通过降温平台降低衬底的表面温度，在不影响parylene-n膜的性能和均匀性的前提下，可以增加parylene-n膜的沉积速率。在一些实施例中，活性单体在沉积室内于衬底上沉积聚合，包括：通过降温平台控制衬底温度为-5～10℃。
46.本方实施例通过控制裂解炉温度、沉积室压力、衬底温度以及在沉积室连通口处设置节流片的方式，在提高parylene-n膜的沉积效率的同时，还能够保持parylene-n膜的优异性能和均匀性，且活性单体的单次沉积厚度能在15um以上，parylene-n膜的厚度为微米级，在一些优选的实施例中，parylene-n膜的厚度在5um以上。
47.另外，本发明实施例通过控制沉积室压力、衬底温度、衬底在沉积室的高度以及节流片的圆孔直径，可以实现精确控制parylene-n膜的厚度，从而可以实现parylene-n膜的高效率以及高质量的沉积。
48.结合上述实施例中的化学气相沉积装置，通过实施例和对比例对本发明实施例中的高厚度parylene-n膜的制备方法进行进一步地详细说明。
49.实施例
50.本实施例提供一种高厚度parylene-n膜的制备方法，为制备表面粗糙度低、保形性高且无任何气泡的高厚度parylene-n膜，该方法包括以下步骤：
51.s1、将parylene-n原料放在蒸发室，加热到175℃，使其升华到气体进入裂解炉。
52.s2、从蒸发室进入裂解炉的parylene-n气体在630-660℃的裂解炉中，发生裂解反应后，形成活性单体。
53.s3、活性单体进入沉积腔室，设置沉积室压力为4-5.8kpa，活性单体进行沉积聚合，由于节流片对气体流通的限制作用，只有少量的parylene-n气体会被真空泵抽入冷阱附近，在沉积室内，降温平台使衬底温度下降到-5～10℃，能够同时加快parylene-n的沉积速率，该实施例单次沉积的厚度可达到15um以上，沉积速率可达到1um/每小时。
54.通过以上方法制备的parylene-n膜，可在短时间内单次沉积形成，解决了制备高厚度parylene-n膜时需多次沉积，导致薄膜分层的问题，同时，薄膜的表面粗糙度小于40nm，且保形性好，薄膜内部无任何气泡。
55.在一些优选的实施例中，控制裂解炉温度在650℃，沉积腔室压力在4-5.8kpa，衬底温度-5℃～10℃，在沉积室的连通口处设置节流片进行沉积，节流片的圆孔直径为3-10mm。通过这些工艺参数的设置和节流片的设置，单次沉积的厚度可达到15um以上，沉积速率可达到1um/每小时，parylene-n薄膜粗糙度为40nm左右，薄膜内部无任何气泡。
56.在沉积过程中，保持其他参数不变，通过控制沉积腔室的压力在4-5.8kpa的范围内，增加沉积腔室的压力可以防止parylene-n气体被过快抽到冷阱，气压越高，沉积效率越高，压力每升高0.1kpa，沉积的速率会升高0.08um/小时。
57.在沉积过程中，保持其他参数不变，通过降温平台控制温度，以降低衬底的温度，从而控制parylene-n膜的厚度，衬底温度越低，沉积效率越高，在-5～10℃的范围内，衬底
温度每降低1℃，沉积的速率会升高0.12um/小时。
58.在沉积过程中，保持其他参数不变，通过控制衬底在载物台上的高度，控制parylene-n膜的厚度，衬底在沉积腔室的高度越低，沉积效率越高，此外，沉积腔室内衬底的高度越高，成膜质量越好。
59.在沉积过程中，保持其他参数不变，通过不同的节流片，每种节流片的圆孔直径不同，节流片的圆孔直径越大，沉积效率越高，在圆孔直径范围3-10mm内，圆孔直径每增加1mm，沉积的速率会升高0.15um/小时。
60.对比例
61.本对比例提供一种parylene-n膜的制备方法，包括：原料的气化蒸发、裂解炉裂解、沉积腔室沉积聚合parylene-n膜，沉积室的连通口处没有设置节流片。
62.结果发现：在不设置节流片且不采取上述实施例中的工艺参数控制的情况下，parylene-n很难正常沉积，沉积速率约为60nm/小时，远小于上述实施例中的沉积速率；且单次成膜厚度很难达到1um以上。
63.造成上述现象的原因在于：若不设置节流片，由于parylene-n在高温下会裂解成气体，与parylene-c气体等不同，parylene-n的气体密度小，气化的parylene-n在沉积过程中，会被真空泵抽走，导致大量的parylene-n原料附着在冷阱上，沉积速率难以提高且很难单次沉积出较厚的parylene-n膜。对于裂解炉温度、衬底温度和沉积室压力等沉积工艺参数，在不采用上述实施例中的参数的情况下，很难实现parylene-n膜的高效率以及高质量的沉积，沉积速率难以达到1um/小时。
64.本发明上述实施例中的化学气相沉积装置以及高厚度parylene-n膜的制备方法，通过控制裂解炉温度、沉积室压力、衬底温度以及在沉积室的连通口设置节流片的方式，可以在显著提高parylene-n膜的沉积效率的同时保持parylene-n膜的优异性能和均匀性；此外，通过控制沉积室压力、衬底温度、衬底在沉积室内的高度以及节流片的圆孔直径，可以精确控制parylene-n膜的厚度。与传统的parylene-n沉积方法相比，本发明实施例中的parylene-n沉积速率显著提升，可以实现微米级别的parylene-n快速沉积，且只需要在现有常见的parylene沉积设备上进行改进和调节参数即可实现，有利于减少制造成本。
65.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。