一种常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备

摘要

本发明属于微纳制造相关设备领域，并公开了一种常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备，它包括喷头模块及对应配备的液压传动模块，其中该喷头模块用于对基底进行原子层沉积，具有空间隔离的作用，并且四周的气浮区可以帮助喷头在经过曲面时改变方向达到曲面沉积的作用；该液压传动模块通过转阀来实时获取喷头转动角度的信息，并通过改变进出油口的相对连接位置而使得喷头总体上升或者下降或者保持不动。通过本发明，能够可获得一种开放式、具有自调整功能的原子层沉积薄膜制备设备，其不仅可在常温常压下即可执行各类曲面沉积操作，而且喷头能够根据曲面曲率的不同而快速改变角度及升降运动，进而与现有设备相比可显著提高作业效率和适用性。

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造相关设备领域，更具体地，涉及一种常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，在太阳能电池板、柔性电子等多个领域，对材料表面的封装要求也不断提高。ALD，即原子层沉积技术，是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。此原子层沉积工艺虽然与普通的化学沉积有相似之处，但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。

ALD的应用广泛，且可获得优良的薄膜沉积质量，因此日益引起关注。然而，进一步的研究表明，该技术工艺目前面临的主要技术难题在于：首先，整个沉积效率低下，往往需要花费相当的时间，难以实现工业化；其次，沉积过程的工艺要求非常高，不仅需要高成本的真空腔室等附属元件，而且对于具备复杂曲面特征的基底往往无法高精度调整喷头的作业参数，这同样很大程度上影响了ALD的适用性。相应地，本领域亟需做出做出进一步的研究和改进，以便更好地满足现代化原子层薄膜沉积的高效率及高精度需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备，其中通过对其整个构造布局重新进行设计，特别是对多个关键组件如喷头模块、液压传动模块等的具体结构及工作机理等方面进行设计改进，相应能够可获得一种开放式、具有自调整功能的原子层沉积薄膜制备设备，其不仅可在避免采用真空腔室，在常温常压下即可执行各类沉积操作，而且喷头能够根据曲面曲率的不同而快速改变角度及升降运动，进而与现有设备相比可显著提高作业效率、降低成本及改善适用性，同时进一步提高了最终的原子层沉积质量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备，该设备包括喷头模块及对应配备的液压传动模块，其特征在于：

所述喷头模块被设定为仅执行竖直方向的升降运动及环绕自身的旋转运动，并且它朝向待沉积薄膜基底的喷头表面区域具备气浮调整区、惰性气体隔离通道、第一前驱体通道、第二前驱体通道、惰性气体清洗通道和排气通道，其中该气浮调整区围绕于整个喷头表面区域的最外缘而设置，并经由多个节流小孔相对于曲面基底来喷射形成具备一定厚度的气膜层；该惰性气体隔离通道相对于所述气浮调整区布置于所述喷头表面区域的相对内侧，并用于通入惰性气体以便隔绝外界环境，由此形成一个相对封闭的沉积反应空间；该第一前驱体通道通有第一种前驱体，它用于在曲面基底的一个运动行程中，使得该第一种前驱体首先接触到基底表面并与其发生第一个半反应；该第二前驱体通道通有不同于第一种前驱体的第二种前驱体，并随着基底在本行程的继续向前运动，使得该第二种前驱体接触到基底表面，并与其发生第二个半反应由此生产一层原子级别的薄膜；该惰性气体清洗通道布置于所述第一前驱体通道与所述第二前驱体通道之间，并用于将两种前驱体进行隔离，同时将完成各个半反应后的反应产物及剩余反应物从喷头表面区域执行清洗，然后通过所述排气通道带到外界环境中；

所述液压传动模块包括转阀、液压泵、推杆和油箱，其中该转阀具备转阀阀体和安装其中的转阀阀芯，同时借助于所述液压泵向其内部持续泵入液压油，所述转阀阀体被设定为与所述推杆固连在一起且不随着所述喷头模块的转动而转动，所述转阀阀芯则被设定为与所述喷头模块的喷头转角始终保持一致，由此当喷头发生转动时会带动此转阀阀芯也转动一定角度，相应促使液压油推入所述推杆自身所具备的腔体的上部或者下部；该推杆则在其腔体上部或者下部的液压油量发生变化后，相应带动与之相连的所述喷头模块沿着竖直方向执行向上或者向下的运动调整，由此确保所述喷头与曲面基底的表面保持恒定水平；此外，该油箱通过多个回路与所述转阀阀芯保持连通，并用于回收液压油。

作为进一步优选地，对于所述喷头模块而言，其优选呈模块化结构且可执行所需方向上的自由扩展，并且各个模块化结构各自对应配套有独立的所述转阀、液压泵和推杆这些组件。

作为进一步优选地，对于所述液压传动模块而言，其优选还包括安装在所述油箱的一个调速回路中的电液比例流量阀。

作为进一步优选地，对于上述原子层沉积薄膜制备设备中所有可执行运动的组件而言，它们优选被设计有闭环的自反馈功能。

作为进一步优选地，所述气膜层的厚度优选被设定为微米量级，更优选为100μm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对其整个构造布局重新进行设计，同时对多个关键组件如喷头模块、液压传动模块等的具体结构及设置方式等多个方面进行设计改进，不仅可以实现对曲面表面没有损伤的基础上，自动根据表面的曲率变化而对喷头进行调整，而且整个调整过程不会因为曲面基底的变化而导致运动产生不平稳性，同时确保微米量级的间隙带的恒定维持；

2、本发明不仅可以在大型平整的表面上镀膜，也可以在具备复杂曲率变化特征的曲面基底上镀膜，大大扩展了传统空间原子层沉积技术的应用范围；此外，还能够有效省去传统ALD设备的真空，大大降低了成本，并且节省了清洗等的时间，大大提高了效率，使原子层沉积可以迈向工业化高效率镀膜；

3、本发明可以在横向纵向进行单元模块的扩展，以满足不同领域如航空航天、手机电子制造等领域的不同需求；此外，还可以根据需要具有一定的闭环自反馈功能，将省去大量的电子传感器等元器件设备，也省去大量计算步骤而还能达到较高的精度要求。

附图说明

图1是按照本发明所构建的常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备的整体构造示意图；

图2是用于更为具体地显示图1中所示喷头模块的组成结构示意图；

图3是用于更为具体地显示图1中所示液压传动模块的组成结构示意图；

图4是用于解释说明按照本发明对喷头进行多方式支撑的原理示意图，其中通过保持恒定压力的节流小孔来支撑喷头的一部分重力，同时通过液压传动模块来支撑喷头的大部分重力；

图5是用于示范性说明按照本发明的曲面沉积速度计算及处理的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的常压下曲面基底的原子层沉积薄膜制备设备的整体构造示意图，图2和图3则分别更为具体地显示图1中所示喷头模块、液压传动模块的组成结构示意图。如图1-图3所示，该原子层沉积薄膜制备设备主要备包括喷头模块及对应配备的液压传动模块，下面将对其逐一进行具体解释说明。

同时参看图2，所述喷头模块1被设定为仅执行竖直方向的升降运动及环绕自身的旋转运动，并且它朝向待沉积薄膜基底的喷头表面区域具备气浮调整区101、惰性气体隔离通道102、第一前驱体通道104、第二前驱体通道105、惰性气体清洗通道106和排气通道103，其中该气浮调整区101围绕于整个喷头表面区域的最外缘而设置，并经由多个节流小孔相对于曲面基底来喷射形成具备一定厚度的气膜层；该惰性气体隔离通道102相对于所述气浮调整区布置于所述喷头表面区域的相对内侧，并用于通入惰性气体以便隔绝外界环境，由此形成一个相对封闭的沉积反应空间；该第一前驱体通道104通有第一种前驱体，它用于在曲面基底的一个运动行程中，使得该第一种前驱体首先接触到基底表面并与其发生第一个半反应；该第二前驱体通道105通有不同于第一种前驱体的第二种前驱体，并随着基底在本行程的继续向前运动，使得该第二种前驱体接触到基底表面，并与其发生第二个半反应由此生产一层原子级别的薄膜；该惰性气体清洗通道106布置于所述第一前驱体通道104与所述第二前驱体通道105之间，并用于将两种前驱体进行隔离，同时将完成各个半反应后的反应产物及剩余反应物从喷头表面区域执行清洗，然后通过所述排气通道103到外界环境中。

更具体进行解释的话，为避免大面积结构采用高成本的真空腔室，本设备所沉积的环境是常压环境，整个沉积方式本质上是一种高效率空间隔离原子层沉积技术，即两种前驱体沉积反应单独发生在两个被隔阂的独立空间中，中间通过惰性气体隔开并使用惰性气体进行清洗，基底在一个反应区域发生原子层沉积半反应之后，运动至另一反应区域，反应物与另一前驱体发生另一半反应来完成一次循环。薄膜的厚度通过基底来回运动的次数或反应区域的数量来保证的，该工艺技术使用反应区域之间的运动来切换原子层沉积的半反应，无需考虑传统原子层沉积技术中使用惰性气体来清洗腔体，从而节省大量的时间。

相应地，在往复直线运动过程中，总是104的前驱体先与基底表面发生半反应，接着再与105的前驱体发生反应，一次往复能沉积两层。102通道通入惰性气体，主要作用是隔绝反应空间与环境，反正环境中的水或者其他杂志干扰到原子层沉积过程，在其作用下相当于将基地与反应物置于一个相对密闭的空间内。106通道通入惰性气体，主要目的是将两种前驱体进行隔离，防止它们之间进行反应，并在喷头的运动下对基底表面进行清洗。除此之外，排气通道103将反应结束后的气体产物以及清扫后的气体带走，使得反应区流场稳定。

作为本发明的另一关键改进，为了能在曲面基底上沉积薄膜，设备需要能根据曲面曲率的不同而改变喷头的角度，以直线来拟合曲线。不仅如此，喷头还应该能随着曲面升高而升高，升高的速度随着曲率的不同而成相应的比例，以此来保证喷头与基底的微间隙带不发生明显的变大或者变下。

为了实现上述目的，同时参看图3，所述液压传动模块包括转阀、液压泵301、推杆303和油箱302等，此外在实际使用中还可以根据需要配备有液压缸3、液压单向阀4、电磁换向阀5、安全阀8等。其中该转阀2具备转阀阀体305和安装其中的转阀阀芯306，同时借助于所述液压/7向其内部持续泵入具备液压油，所述转阀阀体305被设定为与所述推杆303固连在一起且不随着所述喷头模块的转动而转动，所述转阀阀芯306则被设定为与所述喷头模块的喷头转角始终保持一致，由此当喷头发生转动时会带动此转阀阀芯也转动一定角度，相应促使液压油推入所述推杆303自身所具备的腔体的上部或者下部；该推杆303则在其腔体上部或者下部的液压油量发生变化后，相应带动与之相连的所述喷头模块沿着竖直方向执行向上或者向下的运动调整，由此确保所述喷头与曲面基底的表面保持恒定水平；该油箱9则通过多个回路与所述转阀阀芯保持连通，并用于回收液压油。此外，换向阀可用于配合两个液控单向阀实现转向以及停止；安全阀可用来保证液压泵的最高压力在安全范围内。

更具体进行解释的话，上述模块具有自调整功能，可以根据曲面的曲率变化而自动抬升和旋转喷头，其除了包括转阀、推杆这些组件之外，在实际使用中还可以配备有调速回路和换向回路等。如图2所示，气浮模块左右间隙的气膜层无变化，所以喷头不收转矩，保持水平，这时候图中所示转阀的P通道与A和B通道相通，液压缸的上下两腔体平衡。并且在液控单向阀的作用保持锁死不会运动。所以此时喷头保持在一定的垂直高度不动。当曲面基底运动到有一定斜率的基底在喷头下方时，由于瞬时状态下左右气膜间隙不一样，喷头左右两边所受到的力就不一样，开始在其转矩下转过一定角度并带着阀体转过一定角度，此时转阀壳体是不动的。这时候图中所示转阀的P就与A通道相通，B通道就与回油路相通；这时候A通道连接的液压缸腔体的压力就超过B通道液压缸腔体，并推动推杆运动，这时候由于回油路皆有调速阀，所以推杆作匀速运动。这时候推杆就会带着转阀和喷头在垂直方向运动。直到喷头又恢复了水平位置，垂直方向的运动才会停止。这时候如果运动速度过高或者过低，喷头两侧的气膜厚度将发生变化，使喷头向抑制这种变化的方向转动，这时候转阀的开度将会变化，也将影响P通道进入A通道的流量，会导致推杆的速度升高或者降低来平衡掉之前速度的过高或者过低。

此外，同时参看图4可见，201通有高压气体，高压气体通过节流小孔在喷头底部形成气膜，并且通过调节节流小孔，保证底部微间隙带为所需的高精度微米量级(譬如100μm)。当喷头在平整表面运动时，由于两边的喷头的气膜层都不会变化，所以喷头四周的受力均衡相互抵消，喷头不会旋转，此时图2所示的转阀处于图4所示位置，此时进出油口相通，推杆不会向上或者向下运动，并且在液控单向阀的作用下推杆维持不动，喷头保持着原位置继续运动。当遇到如图5所示情况，此时右侧的气膜会被压缩，此时会压强会在一瞬间增强，这时候喷头受到逆时针的转矩，直到两侧的气膜厚度恢复力矩才会消失。这时候转阀也随着喷头逆时针转过一定的角度。这时候进油口就执行连通，进入高压油并推动推杆向上运动，并且在调速阀的作用下，推杆保持稳定的上升速度。

按照本发明的一个优选实施例，所述液压传动模块而言选还可以包括安装在所述油箱的一个调速回路中的电液比例流量阀6。具体而言，该流量阀安装在回油路调速，可以保证调速更稳定平稳，也可以产生一定的背压保证负载状态下也能稳定运行。此外，通过组态软件获取直线电机设定的往复运动速度，通过一定的换算转为上升的速度，再反算得到相应的电信号数据，将其传送给电液比例流量阀，整个过程是自动化的。

换而言之，不同曲率的基底，喷头上升的速度是不同的。在此情况下，如图5所示的θ不同，那么相应的升降速度就应该不一样，为了实现上诉目的，本发明采用了转阀来进行调控，由于转阀转过的角度不同，对应的开度就不同，那么高压油进入腔体的流量就会有变化，从而实现了调控。

按照本发明的另一优选实施例，在控制过程中难免会有外界的干扰或者控制信号的波动导致的误差，拥有闭环的自反馈功能就显得十分重要。为了达到上述目的，本发明整个运动模块形成了闭环。一旦升降速度过快或者过慢，都无法保证两端气浮层厚度相等，此时就会改变喷头的转角，从而改变转阀的转角因此改变了升降的速度，此调整过程易知为负反馈调节的过程。这样就能保证即使外界有扰动或者调控不准时，喷头能适应外界变化而改变，从而保证微间隙带的稳定，以此来保证原子层沉积的质量。

此外，按照本发明的又一优选实施例，本发明不仅局限于一个喷头的情况，喷头单元可以向X或者Y方向扩展，拥有自己的独立的转阀和升降模块就可以，速度一定的情况下不需要而外的电液比例流量阀和油泵、油箱等，可以大大节省成本的同时提高效率。并且在多个喷头下，可以进行层叠状薄膜的沉积，可以更好的提升沉积表面的质量。

综上，本发明核心在于气浮自调整喷头以及相应液压运动模块。传统的空间原子层沉积装置并不具备在曲面基底上沉积的能力，而传统的全气浮式喷头依靠曲面基底的反作用力来支撑起整个喷头，这样对曲面基底不仅是一种伤害，还会因为曲面基底的变化而导致其运动的不平稳性。本发明装置，将传统的升降台去掉，以一套成熟的液压系统来替代它，从而实现了喷头的上升下降可以随着曲面基底的变化而变化，从而能保证微间隙带的稳定。此时的气浮模块并不需要承担喷头的重力，喷头的大部分重力由液压推杆承担，这样也不会伤害到曲面基底表面；运动过程中气浮模块的作用是可以使得喷头的转角根据曲面曲率的变化而变化，从而更好的沉积薄膜，并且通过转阀等液压组件将其自反馈给升降装置，使其完成喷头的升降工作。此喷头气浮以及液压模块控制都是达到微米级别，能满足空间原子层沉积技术的要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。