CN109868460B - 一种薄膜生长***及生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜生长***及生长方法，属于材料制备领；包括样品室、大腔室、多个小腔室、中心轴，所述多个小腔室位于所述大腔室内，所述中心轴位于所述大腔室轴中心，所述样品室通过横杆与所述中心轴相连，用于转移所述样品室中的样品，所述样品的转移包括在所述多个小腔室之间转移，和/或，在所述小腔室和所述大腔室之间转移；所述多个小腔室包括第一小腔室和第二小腔室和退火室，所述第一小腔室和所述第二小腔室底部设有可开合通孔；本发明提供的***同时具有原子层沉积和退火功能，可以制备样品吸附前驱体源温度和反应温度相差较大的薄膜，扩大了原子层沉积设备的应用范围。

Description

一种薄膜生长***及生长方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种薄膜生长***及生长方法。

背景技术

目前，生长薄膜的主要方法有物理法和化学法，物理法主要有真空蒸镀、磁控溅射和离子镀等，化学法主要有化学气相沉积和原子层沉积等。原子层沉积是将前驱体源胶体通入腔体在基体表面进行化学反应沉积薄膜的一种方法，目前主要应用在半导体、光电材料、集成电路和铜互联籽晶层等。原子层沉积具有很好的保型性和薄膜厚度的可控性的优点，但是目前原子层沉积的薄膜主要是非晶态的，要使薄膜转化成晶态薄膜，还需要一个退火的过程，往往退火跟原子层沉积在不同的设备中完成。

在原子层沉积和退火领域，中国专利(201410454132.1)“原子层沉积设备”中，原子层沉积设备包括反应室、上盖板、气体分配器、阀组、多个输入和输出端口，工艺气体经反应室联通与上盖板的开口，工艺气体可以在管道内有较少的保留，一边后期的检修和维护；中国专利(201580010609.X)“原子层沉积装置及原子层沉积***”把多个矩形基板共同支撑一个矩形基板，借助气体喷射的相对旋转在基板表面形成薄膜，从而能减小装置的安装空间，显著提高生产速度；中国专利(201710887168.2)“退火装置及退火方法”提供了一种退火装置，包括退火的腔体、输送腔、开盖以及输送口，基板在腔室内进行退火，退火过程通过保护气体，并不断用真空泵抽气，减少外界空气进入腔体对基板造成影响；美国专利(US20070134823A1)“Atomic layer deposition equipment and method”的设备包括一个独立的腔室、气体输送管路、气体排出管路以及检测气体流量的流量计，可以精确控制薄膜的厚度；美国专利(US 20100044932 A1)“Continuous annealing equipment”设备包括预热区、均热区和快速冷却区，在快速冷却区有气体喷射来对设备进行冷却，每个加热区都有热感应器来控制温度。

目前，薄膜制备过程中，通常将原子层沉积和退火分别在不同的设备中完成，存在原子层沉积设备晶态薄膜生长不足，以及薄膜后期在转移到退火设备中，容易对样品造成的污染，同时，现有的原子层沉积设备，不能用于样品吸附前驱体源温度和反应温度相差较大的薄膜生长，因此，本领域亟需一种集原子层沉积和退火功能为一体的薄膜生长***，并且能用于样品吸附前驱体的源温度和其反应温度相差较大的薄膜生长。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种薄膜生长***及生长方法，该***集原子层沉积和退火功能为一体，解决了将原子层沉积和退火分别在不同的设备中完成，存在的晶态薄膜生长不足、样品污染的技术问题，同时，解决了现有的原子层沉积设备，不能用于样品吸附前驱体的源温度和其反应温度相差较大的薄膜生长。

本发明提供一种薄膜生长***，包括样品室、大腔室、多个小腔室、中心轴，所述多个小腔室位于所述大腔室内，所述中心轴位于所述大腔室轴中心，所述样品室通过横杆与所述中心轴相连，用于转移所述样品室中的样品，所述样品的转移包括在所述多个小腔室之间转移，和/或，在所述小腔室和所述大腔室之间转移；所述多个小腔室包括第一小腔室和第二小腔室和退火室，所述第一小腔室和所述第二小腔室底部设有可开合通孔，用于通入前驱体。

进一步的，所述样品室沿中心轴的旋转半径与所述小腔室到中心轴的距离相等。

进一步的，一种薄膜生长***，还包括真空泵，所述真空泵与所述大腔室和所述退火室连接，用于对所述大腔室和所述退火室抽真空。

进一步的，所述大腔室和所述小腔室的材质包括不锈钢或铝合金。

本发明还提供一种薄膜生长方法，包括如下步骤：

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，并加热小腔室，使各小腔室分别处于预设温度状态；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将样品放入所述样品室，并向所述第一小腔室中充满第一前驱体，使所述样品在所述第一前驱体内进行饱和吸附，获得第一样品；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满第二前驱体，使所述第二前驱体，与吸附在所述样品表面的第一前驱体，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态薄膜。

进一步的，S2中，所述样品的溶解或融化温度大于薄膜的生长温度。

进一步的，S3和S5中，所述惰性气体包括氩气、氦气、氮气中的至少一种；所述惰性气体通过真空泵排出。

进一步的，S4中，所述第一薄膜包括氮化物、氧化物、金属单质、硫化物、碳化物、氟化物、硅化物、三五族化合物、四六族化合物中的至少一种。

进一步的，通过循环操作步骤S1至步骤S5，获得目标厚度的晶态薄膜。

本发明中，第一薄膜和第二薄膜均为非晶态薄膜。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的***同时具有原子层沉积和退火功能。

2、利用本发明提供的***，样品不会造成污染，且制得的晶态薄膜生长充足。

3、本发明提供的***和方法，可以用于样品吸附前驱体的源温度和其反应温度相差较大的薄膜生长，扩大了原子层沉积设备的应用范围，使得原本不适合用原子层沉积的薄膜也可采用原子层沉积。

附图说明

图1为薄膜生长***的立体图；

图2为薄膜生长***的俯视图；

其中：1、样品室，2、大腔室，3、小腔室，31、第一小腔室，32、退火室，33、第二小腔室，4、中心轴。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明提供一种薄膜生长***，包括样品室、大腔室、多个小腔室、中心轴，所述多个小腔室位于所述大腔室内，所述中心轴位于所述大腔室轴中心，所述样品室通过横杆与所述中心轴相连，用于转移所述样品室中的样品，所述样品的转移包括在所述多个小腔室之间转移，和/或，在所述小腔室和所述大腔室之间转移；所述多个小腔室包括第一小腔室和第二小腔室和退火室，所述第一小腔室和所述第二小腔室底部设有可开合通孔，用于通入前驱体。

其中，一种薄膜生长***，还包括真空泵，所述真空泵与所述大腔室和所述退火室连接，用于对所述大腔室和所述退火室抽真空。

其中，所述大腔室和所述小腔室的材质包括不锈钢或铝合金。

本发明还提供一种薄膜生长方法，包括如下步骤：

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，并加热小腔室，使各小腔室分别处于预设温度状态；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将样品放入所述样品室，并向所述第一小腔室中充满第一前驱体，使所述样品在所述第一前驱体内进行饱和吸附，获得第一样品；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满第二前驱体，使所述第二前驱体，与吸附在所述样品表面的第一前驱体，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态薄膜。

S2中，所述样品的溶解或融化温度大于薄膜的生长温度。

S3和S5中，所述惰性气体包括氩气、氦气、氮气中的至少一种；所述惰性气体通过真空泵排出。

S4中，所述第一薄膜包括氮化物、氧化物、金属单质、硫化物、碳化物、氟化物、硅化物、三五族化合物、四六族化合物中的至少一种。

通过循环操作步骤S1至步骤S5，获得目标厚度的晶态薄膜。

实施例1

一种薄膜生长***，包括样品室、大腔室、多个小腔室、中心轴，所述多个小腔室位于所述大腔室内，所述中心轴位于所述大腔室轴中心，所述样品室通过横杆与所述中心轴连接，用于转移所述样品室中的样品，所述样品的转移包括在所述多个小腔室之间转移，和/或，在所述小腔室和所述大腔室之间转移；所述多个小腔室包括第一小腔室和第二小腔室和退火室，所述第一小腔室和所述第二小腔室底部设有可开合通孔，用于通入前驱体。

具体的，为了能将样品室中的样品在多个小腔室之间转移，设置样品室沿中心轴的旋转半径与小腔室到中心轴的距离相等，能使样品室旋转到小腔室上方，从而将样品室中各阶段的样品在不同小腔室中进行处理。

实施例2

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，加热所述小腔室，使第一小腔室温度为100℃，第二小腔室温度为300℃，退火室温度为800℃；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将硅片放入所述样品室，并向所述第一小腔室中充满前驱体三甲基铝，使硅片在前驱体三甲基铝内进行饱和吸附，获得第一样品；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入氮气进行吹扫，所述吹扫过程中，真空泵排出所述氮气，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满前驱体氨气，使氨气与吸附在所述硅表面的三甲基铝，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入氮气进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述氮气，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态氮化铝薄膜。

通过循环操作步骤S1至步骤S5 300次，获得目标厚度的氮化铝薄膜。

实施例3

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，加热所述小腔室，使第一小腔室温度为80℃，第二小腔室温度为130℃，退火室温度为500℃；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将石英玻璃放入所述样品室，并向所述第一小腔室中充满前驱体六氟乙酰丙酮铜，使石英玻璃在前驱体六氟乙酰丙酮铜进行饱和吸附，获得第一样品；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入氩气进行吹扫，所述吹扫过程中，真空泵排出所述氩气，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满前驱体二乙基锌，使二乙基锌与吸附在所述石英玻璃表面的六氟乙酰丙酮铜，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入氩气进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述氩气，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态单质铜薄膜。

通过循环操作步骤S1至步骤S5 300次，获得目标厚度的单质铜薄膜。

实施例4

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，加热所述小腔室，使第一小腔室温度为100℃，第二小腔室温度为300℃，退火室温度为800℃；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将硅片放入所述样品室，并向所述第一小腔室中充满前驱体四-二甲氨基钛，使硅片在前驱体四-二甲氨基钛内进行饱和吸附，获得第一样品；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入氦气进行吹扫，所述吹扫过程中，真空泵排出所述氦气，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满前驱体水，使水与吸附在所述硅表面的四-二甲氨基钛，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入氦气进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述氦气，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态二氧化钛薄膜。

通过循环操作步骤S1至步骤S5 100次，获得目标厚度的二氧化钛薄膜。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种利用薄膜生长***的薄膜生长方法，所述薄膜生长***包括样品室、大腔室、多个小腔室、中心轴，所述多个小腔室位于所述大腔室内，所述中心轴位于所述大腔室轴中心，所述样品室通过横杆与所述中心轴连接，用于转移所述样品室中的样品，所述样品的转移包括在所述多个小腔室之间转移，和/或，在所述小腔室和所述大腔室之间转移；所述多个小腔室包括第一小腔室和第二小腔室和退火室，所述第一小腔室和所述第二小腔室底部设有可开合通孔，用于通入前驱体，所述样品室沿中心轴的旋转半径与所述小腔室到中心轴的距离相等，还包括真空泵，所述真空泵与所述大腔室和所述退火室连接，用于对所述大腔室和所述退火室抽真空，所述大腔室和所述小腔室的材质包括不锈钢或铝合金，所述薄膜生长方法包括如下步骤：

S1、启动真空泵，使所述大腔室和所述退火室处于真空状态，并加热小腔室，使各小腔室分别处于预设温度状态；

S2、将样品室置于第一小腔室中，将样品放入样品室，并向所述第一小腔室中充满第一前驱体，使所述样品在所述第一前驱体内进行饱和吸附，获得第一样品，所述样品的溶解或融化温度大于薄膜的生长温度；

S3、将装有所述第一样品的样品室，通过中心轴，从所述第一小腔室转移到大腔室内，并向所述大腔室中通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二样品；

S4、将装有所述第二样品的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到第二小腔室内，向所述第二小腔室中充满第二前驱体，使所述第二前驱体，与吸附在所述样品表面的第一前驱体，进行化学反应，获得第一薄膜；

S5、将装有所述第一薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述第二小腔室转移到所述大腔室内，并向所述大腔室内通入惰性气体进行吹扫，所述吹扫过程中，排出所述惰性气体，获得第二薄膜；

S6、将装有所述第二薄膜的样品室，通过所述中心轴，从所述大腔室转移到退火室内，进行高温退火操作，获得晶态薄膜。

2.根据权利要求1所述的薄膜生长方法，其特征在于，S3和S5中，所述惰性气体包括氩气、氦气、氮气中的至少一种，所述惰性气体通过真空泵排出。

3.根据权利要求1所述的薄膜生长方法，其特征在于，S4中，所述第一薄膜包括氮化物、氧化物、金属单质、硫化物、碳化物、氟化物、硅化物、三五族化合物、四六族化合物中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的薄膜生长方法，其特征在于，通过循环操作步骤S1至步骤S5，获得目标厚度的晶态薄膜。

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