高效模块化薄膜沉积系统设计及优化

摘要

原子层沉积（ALD）是一种超薄膜制备技术。它因其顺序发生自限制性半反应而被用在厚度精确可控、均匀性、一致性的薄膜制备。ALD技术因其独特的性能引起了其他应用领域的兴趣，如光伏和封装等需要高产量和大规模沉积能力的应用领域。在各种ALD技术的变型中，空间隔离原子层沉积（S-ALD）能够有效地满足高产量、大规模和低成本的商业要求。通过增加衬底和反应喷头之间的相对速度，薄膜制备速率可以增加1?2个数量级。本文自主设计基于空间隔离原子层沉积技术的高效模块化薄膜沉积系统，并对系统进行优化设计和系统特性验证，致力于实现更快、更均匀的薄膜制备。 （1）通过分析基底表面吸附的理论模型和单前驱体通道吸附模型得到了影响薄膜沉积过程的因素，包括：前驱体通道宽度、前驱体通道壁厚、排气通道宽度、隔离气体通道宽度、微间隙带的高度、基底移动速度等，并自主设计搭建了基于空间隔离原子层沉积技术并且集成了模块化喷头单元和线性运动的高效模块化薄膜制备系统。 （2）通过耦合薄膜沉积过程中的流体模型和化学吸附反应，仿真分析前驱体的扩散分布、薄膜沉积速率和薄膜生长均匀性，指导喷头结构的优化设计。采用多层分气结构改善前驱体在基底分布的均匀性，利用仿真分析通道内部前驱体扩散、薄膜沉积速率和薄膜生长均匀性状况，得到最优的喷头结构。对优化后的喷头单元仿真建模，研究微间隙带高度、隔离气体流量、运动速度、温度等工艺参数，获得系统最优的工艺条件。 （3）采用S曲线控制基底的运动轨迹，减小系统因高加速度的往复运动而产生的惯性冲击，改善薄膜的微观结构。在自搭建的模块化薄膜沉积系统上进行Al2O3和TiO2薄膜制备实验，测试系统在不同的运动速度下薄膜的线性生长和生长均匀性，得到薄膜沉积速度可达到100nm/min，沉积均匀性＜3%，实现薄膜高效、均匀制备。

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