CN100494488C - 介质阻挡放电等离子体热丝化学气相沉积的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以介质阻挡放电方式产生等离子体的等离子体热丝化学气相沉积的方法与装置。本发明的特征是利用金属网强制提供的零等位面作为介质阻挡放电的零电位电极，热丝位于金属网的另一侧，从而实现了等离子体区与热丝区的分离。处于热丝下方的衬底远离等离子体区，避免了高能离子的轰击。与直流、射频与微波等离子体相比，介质阻挡放电还具有装置简单，造价低，能耗小等优点。因此本方法与装置能在大幅度提高薄膜沉积速率的同时，有效地提高薄膜质量。本发明可适用于多晶/非晶Si、SiC、金刚石、纳米金刚石及C纳米管的制备。
Description
技术领域
本发明属于化学气相沉积技术领域，涉及到介质阻挡放电等离子体热丝化学气相沉积方法与装置。
背景技术
等离子体增强化学气相沉积应用于SiO2、SiN、多晶硅/非晶硅、金刚石等薄膜材料的制备已有多年历史，它通过电场使反应粒子解离或激发，形成等离子体，利用其中丰富的活性粒子，实现多种薄膜的低温沉积，在微电子薄膜的制备及新型功能薄膜的开发中得到广泛应用。但它的沉积速率低，一般只为
且其中的高能粒子往往对薄膜造成一定的损伤。热丝化学气相沉积利用热丝的催化作用，将气相反应物分解成活性粒子从而得到薄膜的沉积，它往往具有较高的沉积速率，一般可达到
。H.Wiesmann等于1979年首次提出热丝化学气相沉积的概念(J.Appl.Phys.50(1979)，p.3752)，在上世纪八十年代后期Doyle et al.[J.Appl.Phys.64(1988)，p.3215]and Matsumura[J.Appl.Phys.65(1989)，p.4396]等人开始HWCVD沉积a-Si:H薄膜的研究，1991年A.H.Mahan[J.Non-Cryst.Solids137/138(1991)，p.657]等人第一次证明用HWCVD可沉积H含量低于1％的器件质量的a-Si:H。自此人们尝试用热丝法制备不同的薄膜，如SiC金刚石膜等，尤其在金刚石膜、纳米C膜的制备上取得了比较大的成功。
等离子体热丝化学气相沉积法结合了两者的优点，能在较高的沉积速率下得到满足一定质量要求的薄膜(美国专利号：6,638,839)。根据等离子体产生方式的不同，一般采用直流等离子体热丝化学气相沉积(Kyung Ho Jung等ThinSolid Films 501(2006)238-242，Characteristics of carbonaceous materials withanotubes grown by hot-filament plasma-enhanced chemical vapor depositionmethod)、微波等离子体热丝化学气相沉积(陈光华、阴毅生，中国专利，公开号CN1556245)、射频等离子体热丝化学气相沉积(I.Ferreira等Thin Solid Films427(2003)231—235，Combining HW-CVD and PECVD techniques to producea-Si:H films)等。这些方法都将等离子体区与热丝区交叉在一起，热丝引入等离子体会严重影响等离子体的稳定性及均匀性，而热丝的寿命受到等离子体的影响也要降低，同时等离子体中高能离子轰击生长薄膜而影响薄膜质量的问题没有得到解决。
发明内容
本发明提供了一种以介质阻挡放电方式产生等离子体的等离子体热丝化学气相沉积的方法与装置。该装置利用金属网强制提供的零等位面作为介质阻挡放电的零电位电极，热丝位于金属网的另一侧，从而实现了等离子体区与热丝区的分离。处于热丝下方的衬底远离等离子体区，避免了高能离子的轰击。与直流、射频与微波等离子体相比，介质阻挡放电还具有装置简单，造价低，能耗小等优点。
本发明所采用的技术方案是：
1、在沉积室中央水平设置一个接地的金属网。该金属网将沉积室分为上下两部分，因其接地，在沉积室中强制形成一个平整的零等位面。
2、沉积室上盖中央插入一端封闭的圆柱形石英玻璃管，高压电极插入石英管中与封闭端的石英玻璃板紧密接触，要求封闭端的石英玻璃板两面平整，厚度均匀，用以作为介质阻挡放电的介质层，金属网与石英管的下端面之间形成放电区，通过改变石英玻璃管的上下位置来调节放电间距，间距范围在1～10mm。
3、金属网以下的部分是热丝催化区，热丝下方是带有加热及温度控制部分的样品台。
4、入气口位于沉积室的上盖，抽气口位于样品台的下方，在整个气流的带动下，反应粒子依次经过等离子体放电区和热丝催化分解区，经过电离和解离的反应粒子最终到达样品表面，进而完成薄膜的沉积。
本发明的工作原理为：在热丝化学气相沉积装置的基础上加入介质阻挡放电系统，经过等离子体活化的反应粒子再经过热丝的催化解离，活性粒子浓度提高，种类也发生变化，使薄膜的沉积速率增加，沉积过程也发生一定的改变，通过工艺条件的优化可以得到高质量的薄膜沉积。通过接地金属网的隔离，将等离子体放电区与热丝催化区分离开，这样即保证了等离子体的均匀性与稳定性，也提高了热丝的寿命，同时热丝的寿命不会因为等离子体的影响而降低。
本发明的效果和益处是：
本发明方法与直流、射频或微波等离子体热丝化学气相沉积装置相比最大的不同是将等离子体区与热丝区分隔开，避免了两者的相互影响。与其它等离子体产生方式相比产生介质阻挡放电等离子体还具有设备简单，成本低，能耗小等特点。
本发明装置中反应气体经过等离子体的活化与热丝的催化离解，活性粒子的种类更加丰富，浓度大幅提高，使沉积薄膜的质量与沉积速率都得到提高。样品远离等离子体区，还从根本上解决了高能离子对样品轰击的问题。本发明可适用于多晶/非晶Si、SiC、金刚石、纳米金刚石及C纳米管的制备。
附图说明
附图是介质阻挡放电等离子体热丝化学气相沉积装置结构示意图。
图中：1石英玻璃管；2进气孔；3真空室；4高压电极；5作为介质阻挡层的石英玻璃；6接地金属网；7热丝电极；8热丝；9样品台；10观察窗；11热电偶；12加热电炉；13抽气孔；14接地电极；15样品加热电源及温度控制仪；16热丝加热电源。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图所示。首先选择需要的热丝8固定在真空室3内的两个热丝电极7上，热丝8的材料可根据实验的不同要求进行更换。接下来处理需要沉积薄膜的衬底材料，之后放置在真空室底部中央的样品台9上。关闭真空室，把真空抽到适当的数值后打开样品加热电源及温度控制仪15开始给衬底加热。当衬底的温度达到所需值后，通入反应气体，并通过热丝加热电源16给热丝8加热。同时，给位于石英玻璃管1中的高压电极4加高压交流电，反应开始。反应气体由进气孔2进入真空室3，首先在高压电极4下作为介质阻挡层的石英玻璃5与接地金属网6之间产生等离子体，形成大量自由基与带电粒子。等离子体在整个气流的带动下通过接地金属网6到达热丝8附近，进一步分解，自由基的浓度得到提高。在等离子体与热丝的共同作用下，薄膜最终均匀地沉积到位于气流下端的衬底表面，随后气体由机械泵抽气孔13抽走。在整个过程中，衬底附近的热电偶11一直在测量衬底的温度，并通过样品加热电源及温度控制仪15自动调节衬底下面的加热电炉12，使衬底的温度在整个反应的过程中保持恒定。
Claims (2)
1.一种介质阻挡放电等离子体热丝化学气相沉积的方法，其特征在于：将介质阻挡放电等离子体与热丝化学气相沉积结合在一起，实现一种将等离子体区与热丝催化区分开的全新的等离子体辅助热丝化学气相沉积方法；该方法在沉积室中央水平设置一个接地的金属网，将沉积室分为上下两部分，因其接地，在沉积室中强制形成一个平整的零等位面；其上部用以实现介质阻挡放电，下部用以实现热丝化学气相沉积。
2.用于权利要求1所述方法的装置，其特征在于：真空室中间的金属网接地，强制引入零电位平面，其上部是介质阻挡放电等离子体区，下部是热丝催化离解区；此金属网实现了等离子体区与热丝单元的分离；
a)沉积室上盖中央插入一端封闭的圆柱形石英玻璃管，高压电极插入石英管中与封闭端的石英玻璃板紧密接触，要求封闭端的石英玻璃板两面平整，厚度均匀，用以作为介质阻挡放电的介质层，金属网与石英管的下端面之间形成放电区，通过改变石英玻璃管的上下位置来调节放电间距，间距范围在1～10mm；
b)入气口位于沉积室的上盖，抽气口位于样品台的下方，在整个气流的带动下，反应粒子依次经过等离子体放电区和热丝催化分解区，经过电离和解离的反应粒子最终到达样品表面，进而完成薄膜的沉积。
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