本發(fā)明涉及，具體涉及一種原子層沉積反應(yīng)裝置及通孔材料表面薄膜沉積工藝。
背景技術(shù)：
：隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米科技不斷的應(yīng)用到各個領(lǐng)域,納米結(jié)構(gòu)材料成本低廉,具有表面與界面效應(yīng),小尺寸效應(yīng),量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點﹑光學(xué)性質(zhì)﹑化學(xué)反應(yīng)性﹑磁性﹑超導(dǎo)及塑性形變等許多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能，它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理﹑化學(xué)性質(zhì)。材料尺寸的不斷減小對納米結(jié)構(gòu)材料的制備提出了更高的要求，納米結(jié)構(gòu)的制備將直接影響著納米能源器件的性能。原子層沉積是一種通過將氣相前驅(qū)體脈沖交替地通入反應(yīng)器內(nèi)將物質(zhì)以單原子膜的形式一層一層的化學(xué)吸附在基底表面的方法。與傳統(tǒng)的沉積工藝相比，在原子層沉積過程中，不同的反應(yīng)物前驅(qū)體則是以氣體脈沖的形式交替送入反應(yīng)器內(nèi)，每種反應(yīng)物飽和吸附后過剩的反應(yīng)物則被惰性氣體沖走。原子層沉積的自限制性和互補(bǔ)性使其在薄膜的成分和厚度控制方面有出色的優(yōu)勢，所制備的薄膜均勻性好，純度高并且具有良好的保形性。原子層沉積適合于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的襯底，能沉積具有大的高深寬比結(jié)構(gòu)，同時還可以在熱穩(wěn)定性低的柔性基底上沉積材料。前驅(qū)體的飽和化學(xué)吸附能保證生成大面積均勻薄膜。因此，反應(yīng)前驅(qū)體是否被基底表面化學(xué)吸附是實現(xiàn)原子層沉積的關(guān)鍵。特別對于一些超高深寬比的通孔材料，氣相前驅(qū)體物質(zhì)分子依靠自身的布朗運動不足以擴(kuò)散到材料的內(nèi)部，無法在材料內(nèi)部實現(xiàn)均勻吸附。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠均勻吸附的原子層沉積反應(yīng)裝置及通孔材料表面薄膜沉積工藝。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種原子層沉積反應(yīng)裝置，所述裝置包括下反應(yīng)腔、覆蓋在反應(yīng)腔體頂部的頂蓋、設(shè)置在頂蓋中的供氣單元、設(shè)置在下反應(yīng)腔內(nèi)部并與供氣單元連接的上反應(yīng)腔以及設(shè)置在下反應(yīng)腔底部的排氣口，所述上反應(yīng)腔的底部設(shè)有沉積基板卡槽，所述沉積基板卡槽上固定放置樣品放置臺。其中，供氣單元用于提供所需反應(yīng)前驅(qū)體和凈化氣體，排氣口用于清除多余反應(yīng)前驅(qū)體和凈化氣體，排氣口還能連接一個真空機(jī)用于使得下反應(yīng)腔的壓強(qiáng)小于上反應(yīng)腔。所述的供氣單元包括設(shè)置在頂蓋上的多個進(jìn)氣口、設(shè)置在進(jìn)氣口下方并懸掛在頂蓋下表面的分流板，所述分流板和頂蓋之間形成氣體混合腔。所述的上反應(yīng)腔的頂部被頂蓋覆蓋，且所述所有進(jìn)氣口均與上反應(yīng)腔連通，所述氣體混合腔位于上反應(yīng)腔的上部。所述頂蓋上至少設(shè)有的3個進(jìn)氣口，其中，至少2個進(jìn)氣口通前驅(qū)體，其余進(jìn)氣口通凈化氣。所述沉積基板卡槽的形狀大小與樣品放置臺相匹配，且沉積基板卡槽上設(shè)有壓桿；所述樣品放置臺的中部設(shè)有用于連接上反應(yīng)腔和下反應(yīng)腔的連接口，用于原子層沉積反應(yīng)的基體放置在該連接口上，且覆蓋住連接口，所述基體通過壓桿固定在樣品放置臺上，所述基體設(shè)置在上反應(yīng)腔中。所述裝置內(nèi)部設(shè)有溫度控制單元，用于為前驅(qū)體反應(yīng)提供相應(yīng)溫度。一種采用如上所述原子層沉積反應(yīng)裝置進(jìn)行的通孔材料表面薄膜沉積工藝，該工藝過程中，上反應(yīng)腔內(nèi)的壓強(qiáng)始終大于下反應(yīng)腔，所述工藝包括以下幾個步驟：(1)第一前軀體氣體經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入上反應(yīng)腔，待基體達(dá)到飽和吸附后停止，即當(dāng)進(jìn)氣口進(jìn)入的第一前軀體氣體與排氣口出來的第一前軀體氣體的流量達(dá)到一致，說明基體達(dá)到飽和吸附；(2)從進(jìn)氣口通入凈化氣，直至將上反應(yīng)腔內(nèi)的第一前軀體氣體全部排盡，即當(dāng)排氣口已檢測不到第一前軀體氣體了，說明第一前軀體氣體全部排盡；(3)第二前軀體氣體經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入上反應(yīng)腔，待反應(yīng)結(jié)束后停止，即當(dāng)進(jìn)氣口進(jìn)入的第二前軀體氣體與排氣口出來的第二前軀體氣體的流量達(dá)到一致，說明反應(yīng)結(jié)束；(4)從進(jìn)氣口通入凈化氣，直至將上反應(yīng)腔內(nèi)的第二前軀體氣體全部排盡；(5)根據(jù)薄膜所需厚度要求，多次循環(huán)步驟(1)～(4)，步驟(1)～(4)過程為一個原子層沉積循環(huán)，通過控制原子層沉積循環(huán)數(shù)可以精確的控制所需薄膜的厚度。所述基體中布滿通孔，所述通孔的孔徑與通孔的深度之比為1：(50～250)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：通過設(shè)置在上下反應(yīng)腔之間的基體，使得前驅(qū)體氣體從上反應(yīng)腔進(jìn)入下反應(yīng)腔時，必然是均勻通過基體中的通孔的，從而保證最終生成的薄膜更加均勻。附圖說明圖1為本發(fā)明原子層沉積反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明上反應(yīng)腔底面的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例1中基板內(nèi)沉積三氧化二鋁薄膜截面掃描電鏡照片。其中，1為頂蓋，2為氣體混合腔，，3為分流板，4為上反應(yīng)腔，5為沉積基板卡槽，6為下反應(yīng)腔，7為排氣口，8為樣品放置臺，9為壓桿，10為連接口。具體實施方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。實施例1一種原子層沉積反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：頂蓋1，并在頂蓋中央設(shè)置進(jìn)氣口，用于提供反應(yīng)前驅(qū)體和凈化氣體；氣體混合腔2，用于混合反應(yīng)前驅(qū)體氣體以及凈化氣體；分流板3，用于將混合后的氣體均勻的供給上反應(yīng)腔；上反應(yīng)腔4，均勻的混合氣在上反應(yīng)腔內(nèi)沉積；沉積基板卡槽5，用于放置樣品放置臺8；下反應(yīng)腔6，用于結(jié)合上反應(yīng)腔提供壓強(qiáng)差。排氣口7，用于清除過多的反應(yīng)前驅(qū)體以及凈化氣體。其中，進(jìn)氣口至少包含兩種不同前驅(qū)體進(jìn)氣口，分別對應(yīng)提供不同的反應(yīng)前驅(qū)體，其他進(jìn)氣口均用于提供凈化氣體。為了保證前驅(qū)體能均勻的沉積在基底表面，前驅(qū)體氣體和凈化氣體首先進(jìn)入氣體混合腔內(nèi)進(jìn)行混合后，再經(jīng)過分流板進(jìn)入上反應(yīng)腔。沉積基板卡槽5中通過連接桿9固定樣片放置臺8，樣品放置臺8的中央設(shè)置連接口10。將基體放在樣品放置臺8上并完全覆蓋連接口10，用壓板9將基體壓緊，為保證氣體只經(jīng)過基體內(nèi)部從上反應(yīng)腔4進(jìn)入到下反應(yīng)腔6，沉積基板卡槽5的形狀和數(shù)量要結(jié)合基體的形狀大小來設(shè)計。上反應(yīng)腔4與下反應(yīng)腔6具有一個壓強(qiáng)差，在原子層沉積過程中，下反應(yīng)腔6的壓強(qiáng)小于上反應(yīng)腔4，前驅(qū)體氣體將從高濃度區(qū)域的上反應(yīng)腔4經(jīng)過樣片進(jìn)入到低濃度區(qū)域的下反應(yīng)腔7，因此，反應(yīng)前驅(qū)體可以到達(dá)并吸附在超高深寬比材料的內(nèi)部表面。多余的反應(yīng)前驅(qū)體以及凈化氣體經(jīng)過排氣口7排出反應(yīng)腔體外。該裝置通過設(shè)計將上下反應(yīng)腔將反應(yīng)腔體一分為二，利用所述上下反應(yīng)腔的壓強(qiáng)差以及氣密性良好的沉積基板卡槽，使得反應(yīng)前驅(qū)體只能經(jīng)過樣片從所述上反應(yīng)腔進(jìn)入所述下反應(yīng)腔，從而能有效的解決反應(yīng)前驅(qū)體無法在超高深寬比材料內(nèi)部表面均勻沉積的問題。采用上述裝置針對超高深寬比通孔材料表面薄膜沉積的工藝，以三氧化二鋁薄膜為例，即在基體的通孔內(nèi)沉積三氧化二鋁薄膜，通孔的具體參數(shù)為長20微米，寬20微米，深1毫米。具體包括以下步驟：在原子層沉積反應(yīng)進(jìn)行之前，反應(yīng)腔體在真空狀態(tài)下(12hpa)達(dá)到300℃的溫度，并穩(wěn)定半小時。向反應(yīng)腔體內(nèi)通入第一種反應(yīng)前驅(qū)體三甲基鋁，為沉積反應(yīng)提供鋁源，通入時間為0.5s。向反應(yīng)腔體內(nèi)通入凈化氣體氮氣(99.99％)，通入時間為30s。向反應(yīng)腔體內(nèi)通入第二種反應(yīng)前驅(qū)體水，為沉積反應(yīng)提供氧源，通入時間為0.5。向反應(yīng)腔體內(nèi)通入凈化氣體氮氣(99.99％)，通入時間為30s。其中，每向反應(yīng)腔內(nèi)通入前驅(qū)體后，將抽氣口的氣動閥關(guān)掉，靜止20s。反應(yīng)過程中可以通過控制原子層沉積循環(huán)數(shù)來精確的控制所得沉積薄膜的厚度。沉積40個循環(huán)大約得到4納米的三氧化二鋁，得到的基體進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖3所示，從中可以看出，在基體的通孔內(nèi)，三氧化二鋁薄膜未出現(xiàn)斷裂。檢測通孔內(nèi)沉積三氧化二鋁薄膜不同位置鋁元素的分布，其結(jié)果如表1所示。表1位置12345678原子比(％)1.91.71.51.41.41.31.71.7從表1可以看出三氧化二鋁薄膜均勻的沉積在基體通孔的內(nèi)部。當(dāng)前第1頁12