一种原子层沉积镀膜设备及工艺

本发明属于原子层沉积装备制造、多孔材料表面改性及功能薄膜制备，具体涉及一种面向管状多孔材料的批量化、高均匀性原子层沉积镀膜设备及工艺。

背景技术：

1、原子层沉积（atomic layer deposition，ald）技术基于顺序性的表面自饱和反应，可在复杂多孔、高深宽比结构上实现原子级厚度控制、高保形覆盖的薄膜沉积，在调控多孔材料的孔结构、表面化学性质、传质性能、耐污性及催化活性等方面具有重要应用价值。

2、现有原子层沉积设备主要以平面基底或小批量单管处理为主。例如，中国专利cn105839079b公开了一种真空镀膜装置，采用喷淋板与独立气体管路实现气体分配，但该装置针对平面基底设计，不适用于细长管状多孔材料的批量化处理。中国专利cn107904572b公开了一种原子层沉积自动镀膜装置，实现了硅片的自动化上下料，但其反应腔体结构仍局限于片式基底，无法适配管状多孔材料的装载与镀膜。中国专利cn113174589b公开了一种模块化旋转式空间原子层沉积系统，采用环形腔室与旋转托盘实现多片晶圆的连续处理，但该系统的空间布局针对片式基底设计，无法直接应用于管式膜的管内沉积。

3、对于管状多孔材料等具有细长受限内部空间的基底，前驱体沿管状多孔材料轴向输运过程中存在较大的沿程消耗与浓度衰减，易导致入口端与出口端沉积厚度存在明显差异。同时，多孔壁体内部残留的前驱体可能引发非自限性副反应，造成孔道过度堵塞，影响材料原有的传质及功能特性。此外，现有设备缺乏对管状多孔材料内部流场分布的有效调控手段，前驱体利用率较低，制约了管状多孔材料表面改性及功能化处理的规模化应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种面向管状多孔材料批量化原子层沉积镀膜设备及工艺，旨在解决细长受限空间内沉积不均匀、前驱体利用率低及孔道堵塞的技术问题，实现管状多孔材料的批量化、高均匀性保形镀膜。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种面向管状多孔材料批量化原子层沉积镀膜设备，包括：真空反应腔体、管状多孔材料模块化装载单元、前驱体脉冲供气单元、均匀进气封头单元、双向真空抽气与吹扫单元、流场调控单元以及测控单元。

4、所述真空反应腔体为密封腔体，配置快速装夹接口，用于容纳所述模块化装载单元并提供镀膜反应空间。

5、所述管状多孔材料模块化装载单元包括管状多孔材料固定架，所述管状多孔材料两端密封固定于所述装载架，管状多孔材料外壁设有所述耐热阻隔层。所述装载单元可在一次镀膜循环中同时装载多根管状多孔材料，以实现批量化并行处理。

6、所述管状多孔材料外壁可设置耐热阻隔层，用于限定前驱体主要在管状多孔材料内表面反应。所述耐热阻隔层可选自聚四氟乙烯层或陶瓷涂层，其厚度可根据具体工艺需求确定，以在反应温度及多次原子层沉积循环条件下保持阻隔性能。

7、所述前驱体脉冲供气单元包括多路独立气源、质量流量控制器及脉冲阀，用于向所述真空反应腔体供给前驱体及载气。

8、所述均匀进气封头单元包括椭圆形封头与半球型多孔预分布器，所述预分布器采用分层开孔布局，沿纬向分为至少两层，每层开设若干通孔。优选的，不同层的通孔孔径不同，靠近中心区域的层通孔孔径可大于靠近边缘区域的层通孔孔径，以在瞬态脉冲工况下实现前驱体流量与浓度的均匀分配。

9、所述双向真空抽气与吹扫单元支持正向脉冲、反向脉冲、两端同时进料中的至少两种进气模式，以及动态延长吹扫模式。运行模式可根据工艺阶段需求进行切换，吹扫时间可随循环次数适应性调整。

10、所述流场调控单元包括计算流体力学仿真模块与工艺参数优化模块。所述计算流体力学仿真模块用于建立前驱体在腔体及管状多孔材料内部通道内的输运模型，预测前驱体浓度分布；所述工艺参数优化模块用于根据仿真预测结果为进气参数和吹扫策略的设定提供依据。

11、所述测控单元用于对所述真空反应腔体内的温度、压力及气体流量进行实时监测与闭环控制，以确保工艺参数稳定在设定范围内。

12、一种面向管状多孔材料批量化原子层沉积镀膜工艺，包括以下步骤：

13、(1) 装料与预处理：将管状多孔材料装入真空腔体，密封检漏，加热至反应温度并抽真空，随后进行吹扫；

14、(2) 均匀脉冲进气：通过均匀进气封头将前驱体与载气的混合气均匀分配至每根管状多孔材料；

15、(3) 双向脉冲沉积：采用正向脉冲与反向脉冲交替进气的方式，使前驱体从管状多孔材料的两端交替进入管状多孔材料；

16、(4) 动态吹扫：随原子层沉积循环次数增加，延长吹扫时间以清除孔道内残留前驱体；

17、(5) 循环沉积与冷却卸料。

18、作为另一种实施方式，步骤(3)可采用两端同时对称进料模式，即前驱体由管状多孔材料两端同步引入，使前驱体在管状多孔材料轴向形成对称浓度场。

19、优选的工艺参数范围为：反应温度80–500 ℃，工作压力0.01–10 torr，前驱体脉冲时间10–1000 ms，吹扫时间30–120 s。所述吹扫时间可随循环次数呈阶梯式增加，每完成预设数量的循环后，吹扫时间延长5%–30%。

20、在两端同时对称进料模式中，单侧进料喷嘴插入深度与管状多孔材料轴向长度的比值可为0.6–0.9。

21、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

22、(1) 批量化处理能力：通过模块化装载单元，一次装载可实现多根管状多孔材料的并行处理，相较于单管处理方式，产能显著提升，可满足规模化制备需求；

23、(2) 沉积均匀性改善：均匀进气封头与双向脉冲进料协同作用，可减小管状多孔材料轴向的前驱体浓度梯度，从而改善沉积厚度的均匀性；

24、(3) 前驱体利用率提高：双向脉冲交替进气策略可增加前驱体与管状多孔材料内表面的有效接触，减少死体积，有助于提高前驱体在细长受限空间中的利用率；

25、(4) 防堵塞可控沉积：通过动态延长吹扫，可减少孔道内残留前驱体引发的非自限性副反应，实现可控的保形沉积，降低孔道堵塞风险；

26、(5) 多场景适用性：设备与工艺可适配陶瓷、金属、聚合物等不同材质以及不同孔结构的管状多孔材料的镀膜需求，具有较广的应用范围。

1.一种面向管状多孔材料批量化原子层沉积镀膜设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述均匀进气封头单元包括椭圆形封头与半球型多孔预分布器，所述预分布器采用分层开孔布局，沿纬向分为至少两层，每层开设若干通孔，且不同层的通孔孔径不同。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述半球型多孔预分布器的多层通孔中，靠近中心区域的层通孔孔径大于靠近边缘区域的层通孔孔径。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述管状多孔材料外壁设有耐热阻隔层，用于限定前驱体主要在管状多孔材料内表面反应。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述耐热阻隔层为聚四氟乙烯层或陶瓷涂层。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述双向真空抽气与吹扫单元支持正向脉冲、反向脉冲、两端同时进料中的至少两种进气模式，以及动态延长吹扫模式。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述模块化装载单元可在一次镀膜循环中同时装载多根管状多孔材料。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述管状多孔材料两端密封固定于装载架。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流场调控单元包括计算流体力学仿真模块与工艺参数优化模块，所述计算流体力学仿真模块用于预测前驱体在腔体内的浓度分布，所述工艺参数优化模块用于根据预测结果为工艺参数的设定提供依据。

10.一种面向管状多孔材料批量化原子层沉积镀膜工艺，其特征在于，包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，步骤(3)中，采用两端同时对称进料模式，前驱体由管状多孔材料两端同步引入。

12.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，工艺参数范围为：

13.根据权利要求12所述的工艺，其特征在于，所述吹扫时间随循环次数呈阶梯式增加，每完成预设数量的循环后，吹扫时间延长5%–30%。

14.根据权利要求11所述的工艺，其特征在于，所述两端同时对称进料模式中，单侧进料喷嘴插入深度与管状多孔材料总长的比值为0.6–0.9。

15.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于，通过步骤(4)的动态吹扫，控制前驱体在多孔基底内的扩散渗透深度，实现可控保形沉积。

16.根据权利要求1至9任一项所述的设备在管式膜内表面原子层沉积镀膜中的应用。

17.根据权利要求10至15任一项所述的工艺在管式膜内表面原子层沉积镀膜中的应用。