一种薄膜制备装置及方法与流程

1.本发明涉及薄膜成形技术领域，具体的涉及一种薄膜制备装置及方法。


背景技术：

2.浸渍提拉法形成薄膜一般是：将整个洗净的基片浸入预先制备好的溶液之中，然后以精确控制的均匀速度将基片平稳地从溶液中提拉出来，在粘度和重力作用下基片表面形成一层均匀的液膜，紧接着溶剂迅速蒸发，于是附着在基片表面的溶液溶剂迅速挥发而溶质形成一层薄膜。薄膜的厚度取决于溶液的浓度、粘度和提拉速度以及提拉次数。在采用该浸渍提拉法时，一般使用夹具夹持基片，电机驱动夹具上下运动以使得基片能自由进出溶液。
3.在上述情况下，夹具可能会损伤基片表面，还会导致夹持接触位置处无法形成薄膜，从而破坏薄膜表面的一致性。另一方面，由于基片运动行程较大，且夹具及驱动部件运动导致基片周边环境颗粒度控制较难，当基片被拉出溶液外时，附在基片表面的溶液可能与空气中的尘粒接触，造成基片表面沾污，也会影响薄膜质量。
4.另外，夹具和基片的提拉过程中，不可避免的产生机械振动，影响溶液液面和附在基片表面的溶液的稳定，造成薄膜成膜的一致性变差。同时，目前的提拉装置体积较大，较难实现密闭，隔绝外界的影响，过程中空气气流的扰动也会影响溶液液面稳定和附在基片表面溶液的挥发速度，影响成膜的过程。而且仅能做到单片提拉，薄膜沉积效率较低。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜制备装置及方法，可以不使用夹具，提高薄膜表面的一致性，提高薄膜的形成质量，具体技术方案如下：
7.本发明实施例第一方面提供了一种薄膜制备装置，包括：
8.用于盛放薄膜溶液的第一容器，所述第一容器具有与内部连通的气口(2)和第一容器口；
9.第二容器，所述第二容器位于所述第一容器上方并通过导液管与所述第一容器连通，所述导液管上具有密封塞，所述密封塞封堵在所述第一容器口；
10.第二容器上具有第二容器盖，以及设置于所述第二容器内的基片支架。
11.在本发明第一方面的实施例中，所述的导液管伸入到所述第一容器的底部，并与第一容器的底壁的间距在1-10mm之间；
12.所述第一容器口为内圈具有磨砂的磨砂口，所述密封塞为外圈具有磨砂的磨砂塞。
13.在本发明第一方面的实施例中，所述基片支架包括一水平托盘和沿所述水平托盘外周均匀设置的至少3个支脚。
14.在本发明第一方面的实施例中，具有与第一容器和第二容器连通的清洗容器,其
中第一容器、第二容器以及清洗容器之间具有三通阀。
15.在本发明第一方面的实施例中，在所述薄膜制备装置外部具有电场或磁场发生装置，用于在薄膜制备过程中施加电场或磁场。
16.在本发明第一方面的实施例中，还包括气体控制装置，所述气体控制装置包括电气控制盒、上位机、加压气路和泄压气路。
17.在本发明第一方面的实施例中，所述加压气路一端与总进气管道连接，顺次连接有加压气路针阀、加压气路气动隔膜阀和加压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接；
18.所述泄压气路一端与泄压气体排放管路连接，顺次连接有泄压气路针阀、泄压气动隔膜阀和泄压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接。
19.本发明第二方面还提供了薄膜制备装置进行薄膜制备的方法，包括以下步骤：
20.将薄膜溶液导入第一容器中；
21.在基片支架上放置至少一个基片，并将所述基片支架放置在第二容器中；
22.通过气体控制装置控制加压气路导通、泄压气路关闭，加压气路通过气口向第一容器内通气加压，将第一容器内的薄膜溶液通过导液管压入第二容器内直至浸没所述基片；
23.通过气体控制装置控制加压气路关闭、泄压气路导通，将第一容器内气体通过气口由泄压气路排出，控制泄压气路的泄压速度使得第二容器内的薄膜溶液下降，回流至第一容器，并完全露出基片，通过吹扫气路通入氮气或压缩空气对基片表面进行吹扫，使表面无溶液残留；重复多次上述过程，完成薄膜制备。通过控制重复次数，可以实现对薄膜密度的控制。
24.在本发明第二方面的实施例中，在第二容器内将基片浸没在薄膜溶液中3秒～10分钟，优选的10秒～2分钟，然后控制泄压气路的泄压速度使得第二容器(6)内的薄膜溶液快速下降，在薄膜溶液下降露出基片后，在溶剂挥发形成的溶剂气氛下保持3秒～10分钟，优选为10秒～2分钟；
25.对清洗容器加压，使清洗溶液进入第二容器(6)并浸没基片，保持3秒～10分钟，优选为10秒～2分钟；
26.控制泄压气路，使第二容器(6)内的清洗溶液流回清洗容器，增加压力或氮气吹扫，使基片表面干燥；然后加压，使第一容器内的薄膜溶液进入第二容器，浸没基片，重复上述过程，完成薄膜制备。
27.在本发明第二方面的实施例中，所述薄膜溶液为碳纳米管溶液，所述基片表面具有绝缘材料，所述绝缘材料选自氧化硅、玻璃、聚合物、氧化钇、氧化铪或氧化铝。
28.在本发明第二方面的实施例中，其特征在于，在露出基片后通过吹扫气路通入氮气或压缩空气对基片进行吹扫。
29.本发明的薄膜制备装置通过气压控制溶液液面的上升和下降来实现提拉效果，基片保持固定无需进行提拉运动，一方面无机械振动产生，机械设备生产噪音小，避免机械振动对溶液液面和基片带来扰动，影响成膜；另一方面避免由夹持基片的夹具运动引入杂质离子，从而有利于形成高质量的薄膜；此外该方法在薄膜制备过程中，基片保持不动，方便施加外场，例如电场和磁场等，进行诱导排列。同时，本发明的薄膜制备装置形成薄膜的过
程中尽量少与尘粒接触，在整个装置中没有金属材料，从而避免了金属离子污染薄膜。本发明的薄膜装置同时可以置于密闭环境下，避免气流扰动和空气中粉尘颗粒等对成膜的干扰和污染，影响薄膜质量，装置洁净并且成本低。此外，该装置能够同时放置多片基片，实现批量制备，极大的提升了制膜效率，还能与湿法刻蚀和清洗工艺进行兼容，有广泛的应用前景。
附图说明
30.图1本发明水平放置基片实施方式的薄膜制备装置的结构示意图；
31.图2本发明水平放置基片实施方式的薄膜制备装置的爆炸图；
32.图3具有旁路清洗容器的示意图；
33.附图标记说明：1-第一容器 2-气口 3-第一卡箍连接处 4-第一容器口 5-第二卡箍连接处 6-第二容器 7-排气口 8-第二容器盖 9-吹扫进气口/排气口 10-导液管 11-密封塞 12-托盘 13-承托基面 14-支脚 15三通阀16导液管
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。应注意到本发明中相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.参见图1至图3所示，本实施例提供一种薄膜制备装置，包括：
39.用于盛放薄膜溶液的第一容器1，在本实施例中薄膜溶液采用碳纳米管溶液，第一容器1具有与内部连通的气口2和第一容器口4；具有一敞口的第二容器6，第二容器6位于第一容器1上方并通过导液管与第一容器1连通，导液管伸入到所述第一容器1的底部，并与第一容器1的底壁的间距在1-10mm之间。在另一个实施例中导液管的底部开口为倾斜口，防止导液管伸入到第一容器1内被底壁封堵，导致溶液无法由此流通。通过将第一容器1和第二容器6进行上下设置可以使得薄膜溶液被压入第二容器6中可通过重力作用自然回流到第一容器1中，同时由于薄膜溶液中的溶剂具有一定的腐蚀作用，在本实施例中采用刚性的石
英管或耐腐蚀聚合物材料，如聚四氟乙烯，作为导液管来防止对通常的塑料或橡胶软管的腐蚀，第一容器和第二容器也都采用全石英材料或耐腐蚀聚合物材料，通过将第一容器和第二容器进行上下设置来配合刚性导液管的使用，避免带来外部弯折。在本实施例中，第二容器6上具有第二容器盖8，对第二容器6进行密封，第二容器盖8上具有吹扫进气口/排气口9。在另一实施例中，第一容器1和第二容器6可以不必须在同一竖直方向上，两者之间可以通过弯折的导液管进行连通。
40.如图2所示，导液管10上具有密封塞11，所述密封塞11封堵在所述第一容器口4；第一容器口4为内圈具有磨砂的磨砂口，密封塞11为外圈具有磨砂的磨砂塞。在一个实施例中第二容器6、排气口7和导液管10、磨砂塞为一体成型，其磨砂塞外圈具有磨砂。第一容器1的磨砂口和第二容器6的磨砂塞卡合，可以采用卡箍连接第一卡箍连接处3和第二卡箍连接处5，使第一容器1和第二容器6的连接更加紧固，避免在进气排气时导致第一容器1和第二容器6的连接处漏气脱节。
41.上述薄膜制备装置进一步包括设置于第二容器6内的基片支架。在一个实施例中，如图1和图2所示，基片支架中水平放置待进行薄膜沉积的基片，在本实施例中采用基片为氧化硅片，在其他的实施例中，基片上具有其他类型的绝缘材料，绝缘材料可以为玻璃、聚合物、氧化钇、氧化铪或氧化铝。基片支架包括一水平托盘12和沿水平托盘12外周均匀设置的至少三个支脚14，三个支脚14的上表面高出承托基面13上表面1-5mm,在本实施例中优选为3mm，支脚14下表面低于承托基面13的下表面1-5mm，在本实施例中优选为2mm。承托基面13直径根据基片直径确定，在本实施例中直径为100mm-200mm，承托基面13厚度满足机械强度的需求即可，在本实施例中厚度为2mm。基片放置在承托基面13上，三个支脚14可以卡住基片防止基片水平方向滑动。将托盘12放入第二容器6内部，托盘12的支脚14与第二容器6的内壁接触，使托盘12与第二容器6的内壁之间存在缝隙，便于溶液或气流在托盘下方流动。托盘12可与第二容器6底部分离，以利于清洗托盘和第二容器。在另一个实施例中，托盘12也可以固定在第二容器6的底部。
42.进一步，本发明实施例还包括气体控制装置，气体控制装置包括电气控制盒、上位机、加压气路和泄压气路。其中加压气路一端与总进气管道连接，顺次连接有加压气路针阀、加压气路气动隔膜阀和加压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接；泄压气路一端与泄压气体排放管路连接，顺次连接有泄压气路针阀、泄压气动隔膜阀和泄压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接。
43.在另一个实施例中，可以同时设置具有一个清洗溶剂的旁路。在需要对装置进行清洗时，可切换到另一个装有清洗剂的槽中，通过导入清洗溶剂进行清洗。清洗完毕后，则再切换到沉积薄膜的溶剂槽。具体如图3所示，在第一容器1旁设置一个盛装与第一容器溶剂成分相同的清洗溶液的清洗容器1’,第一容器1和清洗容器1’以及第二容器6通过阀门15和导液管16连同。在该实施例中，第一容器1和第二容器6之间的导液管可以为弯折，使得第一容器1和第二容器6不在竖直方向上，更便于灵活适应空间。在另一实施例中，第一容器1和第二容器6可以在竖直方向上，其间的导液管为直管。其中第二容器为密闭环境，以实现溶液的饱和蒸汽压，加压使溶液浸没基片，并保持浸没状态2秒至30分钟，优选的10秒至30秒。然后泄压，使溶液快速回流至第一容器1，基片表面覆盖残余溶液，在饱和蒸汽环境下保持2秒至30分钟，优选10秒至180秒，然后通过三通阀21进行气路控制，将清洗容器1’(清洗
溶液)，加压浸没基片，保持浸没状态2秒至30分钟时间，优选的为10秒至60秒，然后泄压，使溶液快速回流至第一容器1’,基片裸露出来，通过氮气吹扫，使基片表面溶液快速挥发。这样可实现边沉积边清洗，提高薄膜洁净度和制备效率。
44.本实施例的薄膜制备装置通过设置相互连通的第一容器1和第二容器6，通过气压控制溶液液面的上升和下降来实现提拉效果，基片保持固定无需进行提拉运动，从而避免由夹持基片的夹具运动引入杂质离子，以及避免基片随夹具提拉运动引起振动，有利于形成一致性良好的薄膜。此外，本实施例的薄膜制备装置形成薄膜的过程中尽量少与尘粒接触，提高薄膜质量。
45.在本发明另一个实施例中，还提出了一种采用上述薄膜制备装置来制备薄膜的方法，具体包括以下步骤，首先将薄膜溶液导入第一容器中，在本实施例中薄膜溶液为将碳纳米管分散在甲苯、邻二甲苯、氯仿、一种或多种卤代烃中形成，优选为甲苯、氯仿、二氯乙烷、三氯乙烷、氯苯、二氯苯、溴苯等有机溶剂。其中碳纳米管选自单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。然后在基片支架上放置至少一个基片，并将基片支架放置在第二容器中，在本实施例中基片为氧化硅片，在其他的实施例中也可以玻璃、金属或者塑料；通过气体控制装置控制加压气路导通、泄压气路关闭，加压气路通过气口向第一容器内通气加压，将第一容器内的薄膜溶液通过导液管压入第二容器内直至浸没所述基片；随后，通过气体控制装置控制加压气路关闭、泄压气路导通，将第一容器内气体通过气口由泄压气路排出，控制泄压气路的泄压速度使得第二容器内的薄膜溶液缓慢下降或者快速下降，回流至第一容器，并完全露出基片，通过吹扫气路通入氮气或压缩空气对基片进行吹扫，使基片表面附着溶液快速挥发，基片表面无溶液残留。重复上述过程多次，实现薄膜制备。
46.在本实施例中，借助于气压将第二容器6内的薄膜溶液压回至第一容器1中，具体的可通过气压装置与第二容器6连通，当第一容器1内的气体泄压后，控制气压装置向第二容器6内加压将薄膜溶液压回流至第一容器1中。该方式需要外加气压装置，但是对于第一容器1、第二容器6的安装没有要求，也不受限于设置场地。
47.在另一个实施例中，通过第一容器1和第二容器6之间设置的位置关系，借助于重力将薄膜溶液回流至第一容器1中，具体可参考本实施例的图1至图2中将第二容器6设置在第一容器1的上方的方式，当第一容器1内的气体泄压后，第二容器6内的薄膜溶液在重力作用下回流至第一容器1中。
48.在另一个实施例中，在露出基片后通过吹扫气路通入氮气或压缩空气对基片进行吹扫。通过向第二容器内吹扫，能够让残留在基片表面的溶液快速挥发，缩短薄膜制备的工艺时间，提升生产效率。
49.综上所述，本发明的薄制备装置通过气压控制溶液液面的上升和下降来实现提拉效果，基片保持固定无需进行提拉运动，一方面无机械振动产生，避免振动对成膜的干扰，尤其是薄膜顺排的干扰，另一方面避免由夹持基片的夹具运动引入杂质离子，从而有利于形成表面一致性良好的薄膜；同时，本发明的薄膜制备装置形成薄膜的过程中尽量少与尘粒接触，在整个装置中没有金属材料，从而避免了颗粒杂质和金属离子污染薄膜。装置洁净并且成本低。此外，该装置能够同时放置多片基片，实现批量制备，极大的提升了制膜效率，通过本发明的装置，能够制备出高质量高均匀性的碳纳米管薄膜，并与湿法刻蚀和清洗工艺相结合，在碳基集成电路工艺有广泛的应用前景。
50.以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种薄膜制备装置，其特征在于，包括：用于盛放薄膜溶液的第一容器(1)，所述第一容器(1)具有与内部连通的气口(2)和第一容器口(4)；第二容器(6)，所述第二容器(6)位于所述第一容器(1)上方并通过导液管(10)与所述第一容器(1)连通，所述导液管(10)上具有密封塞(11)，所述密封塞(11)封堵在所述第一容器口(4)；第二容器(6)上具有第二容器盖(8)，以及设置于所述第二容器(6)内的基片支架。2.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于，所述的导液管伸入到所述第一容器(1)的底部，并与第一容器(1)的底壁的间距在1-10mm之间；所述第一容器口(4)为内圈具有磨砂的磨砂口，所述密封塞(11)为外圈具有磨砂的磨砂塞。3.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于，所述基片支架包括一水平托盘(12)和沿所述水平托盘(12)外周均匀设置的至少3个支脚(14)。4.根据权利要求1-3所述的任一薄膜制备装置，其特征在于，具有与第一容器(1)和第二容器(6)连通的清洗容器(1’),其中第一容器(1)、第二容器(6)以及清洗容器(1’)之间具有三通阀(21)。5.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于，在所述薄膜制备装置外部具有电场或磁场发生装置，用于在薄膜制备过程中施加电场或磁场。6.根据权利要求1所述的一种薄膜制备装置，其特征在于，还包括气体控制装置，所述气体控制装置包括电气控制盒、上位机、加压气路和泄压气路。进一步，所述加压气路一端与总进气管道连接，顺次连接有加压气路针阀、加压气路气动隔膜阀和加压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接；所述泄压气路一端与泄压气体排放管路连接，顺次连接有泄压气路针阀、泄压气动隔膜阀和泄压气路单向阀，另一端与所述第一容器的所述气口连接。7.一种利用权利要求1-6任意一项所述薄膜制备装置进行薄膜制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：将薄膜溶液导入第一容器(1)中；在基片支架上放置至少一个基片，并将所述基片支架放置在第二容器(6)中；通过气体控制装置控制加压气路导通、泄压气路关闭，加压气路通过气口向第一容器(1)内通气加压，将第一容器(1)内的薄膜溶液通过导液管压入第二容器内直至浸没所述基片；通过气体控制装置控制加压气路关闭、泄压气路导通，将第一容器(1)内气体通过气口由泄压气路排出，控制泄压气路的泄压速度使得第二容器(6)内的薄膜溶液下降，回流至第一容器，并完全露出基片，通过吹扫气路通入氮气或压缩空气对基片表面进行吹扫，使表面无溶液残留；重复多次上述过程，完成薄膜制备，通过控制重复次数，可以实现对薄膜密度的控制。8.如权利要求7所述的薄膜制备的方法，其特征在于，在第二容器内将基片浸没在薄膜溶液中3秒～10分钟，优选的10秒～2分钟，然后控制泄压气路的泄压速度使得第二容器(6)内的薄膜溶液快速下降，在薄膜溶液下降露出基片后，在溶剂挥发形成的溶剂气氛下保持3
秒～10分钟，优选为10秒～2分钟；对清洗容器加压，使清洗溶液进入第二容器(6)并浸没基片，保持3秒～10分钟，优选为10秒～2分钟；控制泄压气路，使第二容器(6)内的清洗溶液流回清洗容器，增加压力或氮气吹扫，使基片表面干燥；然后加压，使第一容器内的薄膜溶液进入第二容器，浸没基片，重复上述过程，完成薄膜制备。9.如权利要求7和8所述的薄膜制备的方法，其特征在于，所述薄膜溶液为碳纳米管溶液，所述基片表面具有绝缘材料，所述绝缘材料选自氧化硅、玻璃、聚合物、氧化钇、氧化铪或氧化铝。

技术总结
本发明公开一种薄膜制备装置及方法，包括：第一容器，用于盛放薄膜溶液；第二容器，与第一容器连通；以及基片，设置于第二容器内；第一容器上具有连通内部的气口，通过气口向第一容器内通气加压，将第一容器内的薄膜溶液压入第二容器内直至浸没基片，再通过气口将第一容器内气体排出，第二容器内的薄膜溶液回流至第一容器，漏出基片，完成一次薄膜制备。本发明的薄膜制备装置通过气压控制溶液液面的上升和下降来实现提拉效果，基片保持固定无需进行提拉运动，从而避免由夹持基片的夹具运动引入机械振动；此外，本发明的薄膜制备装置形成薄膜的过程可以隔绝外界尘粒或气流扰动等影响，提高薄膜质量。高薄膜质量。高薄膜质量。


技术研发人员：杜晓东 许海涛
受保护的技术使用者：北京华碳元芯电子科技有限责任公司
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/7/31