CN101012551B - 等离子体增强沉积薄膜装置的基片台 - Google Patents
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Abstract
等离子体增强沉积薄膜装置的基片台，由密封中空盘部件、固定支架部件、加热管部件和温度传感器部件连接构成。其中，密封中空盘部件由基片板、侧板、底盘和绝缘陶瓷固定连接构成；固定支架部件由金属套管、射频天线和固定法兰连接构成；加热管部件由加热钨丝套在金属加热套管内构成。该基片台能够在不破坏反应室的真空度、并对等离子体实施有效屏蔽的条件下对自身进行均匀加热和变温控制，同时可以通过改变射频偏压参数来控制基片台附近的等离子体参数，以此改变成膜的内应力、微观结构、进而达到不同的成膜偏压的条件。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种等离子体增强沉积薄膜装置的基片台，特别是能够实现加热和等离子体屏蔽功能的基片台，即在对基片台加热和变温控制的同时，能实现对等离子体的屏蔽作用。
(二)背景技术
随着等离子体技术的不断完善和进步，等离子体在微电子领域，材料领域以及光电子等各个领域都有了更为广泛的用途，各种生产制备工艺发展相当迅速，同时也对各类型的薄膜沉积设备提出了更高的设计要求。
在各类型的沉积设备中，基片台是一个重要的部件。等离子体增强沉积薄膜利用的是反应室内等离子体中富含的大量高活性自由基、激发态粒子、离子发生气相沉积反应，经过气体输运在基片上沉积成薄膜，实现须高温合成材料的低温沉积。另一方面，为了满足不同的工艺要求，在需要不同的沉积偏压、不同的成膜温度的情况下，要求能随时改变基片台的偏压与温度。因为等离子体被施加偏压与温度对成膜的内应力、溅射现象、微观结构和化学计量均有影响，所以在一般的沉积设备中，基片台的作用不仅要能提供衬底的放置，还需要具备改变沉积偏压和成膜温度的功能。
若要改变基片台温度，必须要给基片台安装加热部件。但是等离子体是由大量的带电粒子组成，是良导体，若加热电极与反应室中的等离子体接触，就会造成短路，进而破坏设备中的电路系统，烧毁电源。
工艺的进步以及设备的更新都要求基片台能实现对等离子体的屏蔽和温度的即时改变，并通过改变射频偏压参数来控制等离子体的轰击能量，以此改变成膜的内应力、微观结构、进而达到不同的成膜偏压的条件。但现有技术目前还没有解决这一问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种新的等离子体增强沉积薄膜装置的基片台，该基片台能够在不破坏反应室的真空度、并对等离子体实施有效屏蔽的条件下对自身进行均匀加热和变温控制。
为了实现本发明的目的，本发明必须解决几个相关的技术问题：一、要避免等离子体与基片台的加热电极相连造成短路。二、反应室对真空的要求极高，本发明的基片台不能破坏反应室的真空度。三、为了使在基片台不同区域的基片温度相同，使同一次实验结果更具有可比较性，要求基片台在加热时，能受热均匀。四、基片台的温度必须能够即时反映在实验控制面板上并进行即时控制。为此，本发明采用环形阻热式加热器及点触式温度传感等技术手段解决了上述问题。
具体的讲，本发明的基片台由密封中空盘部件、固定支架部件、加热管部件和温度传感器部件连接构成。其中，密封中空盘部件由基片板、侧板、底盘和绝缘陶瓷固定连接构成，基片板、侧板和底盘共同密封连接形成中空的圆柱体结构，绝缘陶瓷安装于基片板上；固定支架部件与密封中空盘部件固定连接，它由金属套管、射频天线和固定法兰连接构成，射频天线安装于金属套管内，与金属套管之间绝缘，射频天线头伸入到密封中空盘内并近抵基片板但不与基片板接触，其间用绝缘陶瓷绝缘；加热管部件由相互绝缘的金属加热套管和加热钨丝连接构成，加热钨丝套在金属加热套管内；加热管部件与密封中空盘部件固定连接，部分伸入密封中空盘部件中，该部分的加热管缠成平面同心圆状(称为环形阻热式加热器)，固定在密封中空盘的底盘上，可对基片板进行均匀加热；温度传感器穿过密封中空盘嵌入到前端基片板背面上进行点触式温度传感，可以实时输出温度信号。
在上述的基片台中，密封中空盘部件是圆柱形状的中空盘，可实现对导电等离子体的初步屏蔽；射频天线与金属套管之间、金属加热套管与加热钨丝之间分别通过填充绝缘材料进行绝缘，一般采用绝缘陶瓷，金属加热套管的绝缘材料同时实现对等离子体的再次屏蔽。密封中空盘部件的侧板和底盘、固定支架部件的金属套管、加热管部件的金属加热套管一般采用不锈钢材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点或效果：等离子体被屏蔽不与基片台加热电极相接触，避免短路，在不破坏反应室真空度的前提下实现了对基片台均匀加热的目的；基片台受热均匀，使得同批次的样品是在相同的温度下成膜的；使用时，本发明与外加的温度控制电路模块连接，通过加热温度设定和控制电路调控加热管电流可实现变温控制；可给基片台提供不同的射频偏压以改变等离子体的轰击能量，从而完全控制成膜中的内应力，化学计量、溅射现象，使得膜的结构发生变化。
(四)附图说明
图1是现有等离子体增强沉积薄膜装置的一般结构示意图；
图2是本发明等离子体增强沉积薄膜装置的基片台的结构示意图；
图3是加热管部件位于密封中空盘部件内部分(环形阻热式加热器)的平面形状示意图。
(五)具体实施方法
由图1可见，等离子体增强沉积薄膜装置一般由波导管1、励磁线圈2、中空腔3、基片台4、配气系统5、真空系统6连接构成。其中，基片台4从中空腔后部伸入到中空腔内，用于放置样品和对样品进行加热。本发明的目的就是对现有的基片台4进行改进。
在图2中，7为基片板、8为侧板、9为底盘、10为绝缘陶瓷、11为金属套管、12为射频天线、13为固定法兰、14为金属加热套管、15为加热钨丝、16为环形阻热式加热器；17为温度传感器。
本发明的基片台由密封中空盘部件、固定支架部件、加热管部件和温度传感器部件构成。各部件的构成和相互连接关系为：
(1)密封中空盘部件是圆柱形状的中空盘，密封中空盘的前端是基片板，用于放置基片的基片板由厚铜板制成，铜板的厚度越厚，加热均匀性就越好，但同时会造成温度传感和控制的困难。并用侧板和底盘围起密封形成圆柱状的密封中空盘，以实现对导电等离子体的初步屏蔽，密封中空盘部件由固定支架部件支撑；
(2)固定支架部件的金属套管里面套有射频天线，金属套管和射频天线之间填有陶瓷绝缘材料，固定支架通过固定法兰固定；射频天线头伸入到密封中空盘内并近抵基片板但不与基片板接触，其间用绝缘陶瓷绝缘。当给射频天线施加射频偏压时就可以改变样品台附近的等离子体参数，从而改变薄膜样品的薄膜品质；
(3)基片台的加热由加热管部件来完成。采用电阻式钨丝加热方式加热，加热钨丝套在金属加热套管内，其间用陶瓷绝缘材料绝缘以实现对等离子体的再次屏蔽，伸入密封中空盘部件的加热管缠成平面同心圆状，该部分称为环形阻热式加热器，环形阻热式加热器固定在密封中空盘的底盘上，通过环形阻热式加热器发出的热辐射实现均匀加热基片板；
(4)温度传感器采用铂铱热偶温度传感器，它穿过密封中空盘嵌入到基片板背面上进行点触式温度传感，并通过加热温度设定和控制电路调控加热管电流来实现变温控制。
在本实施方式中，基片台通过如下设计方式实现：设计固定支架部件的金属套管长70mm，直径为φ32mm，将射频电极置于该管内，射频电极直径φ2mm，并直达密封中空盘部件，其中射频天线被绝缘材料包裹，射频天线头近抵基片板但不与基片板接触，其间用绝缘陶瓷绝缘，射频电源考虑使用13.56MHz射频源。固定支架通过法兰固定在反应室后部，法兰采用“o”型橡胶密封环来实现真空密封。密封中空盘部件为直径φ200mm，高为70mm的中空盘，基片板是直径为φ150mm的厚铜板，铜板的厚度为5～20mm，厚度越厚，均匀性就越好，但同时会造成温度传感和控制的困难，本发明人认为铜板厚度5～15mm为佳。加热管直径φ8～10mm。加热电阻丝，即钨丝的直径是φ1～2mm。环形阻热式加热电阻丝固定于密封中空盘部件内的底盘上，通过热辐射加热基片板。环形阻热式加热电阻丝的内环φ50mm，外环直径φ100mm，共拉三个环，三个环均匀分布。铂铱热偶温度传感器直径为φ2～5mm，探测头嵌入基片板内2～5mm，嵌入点位于基片板半径的约1/2处，以尽量减少基片板实际温度与探测温度的差异。
由图3可见，加热管部件位于密封中空盘部件内部分——环形阻热式加热器为平面同心圆状，这样可以实现基片板整体同时升温，衬底均匀受热。
本发明装置的主体结构可以通过上述方式实现，但并不局限于此，其它与本发明实质内容相同或相似的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种等离子体增强沉积薄膜装置的基片台，其特征在于：它由密封中空盘部件、固定支架部件、加热管部件和温度传感器部件连接构成，其中，密封中空盘部件由基片板、侧板、底盘和绝缘陶瓷固定连接构成，基片板、侧板和底盘共同密封连接形成中空的圆柱体结构，绝缘陶瓷安装于基片板上；固定支架部件与密封中空盘部件固定连接，它由金属套管、射频天线和固定法兰连接构成，射频天线安装于金属套管内，与金属套管之间绝缘，射频天线头伸入到密封中空盘内并近抵基片板但不与基片板接触，其间用绝缘陶瓷绝缘；加热管部件由相互绝缘的金属加热套管和加热钨丝连接构成，加热钨丝套在金属加热套管内；加热管部件与密封中空盘部件固定连接，部分伸入密封中空盘部件中，该部分的加热管缠成平面同心圆状，固定在密封中空盘的底盘上；温度传感器穿过密封中空盘嵌入到基片板上。
2.如权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述的射频天线与金属套管之间、金属加热套管与加热钨丝之间填充有绝缘材料。
3.如权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述的温度传感器采用铂铱热偶温度传感器。
4.如权利要求1～3任一权利要求所述的基片台，其特征在于：所述的密封中空盘部件的侧板和底盘、固定支架部件的金属套管、以及加热管部件的金属加热套管采用不锈钢材料。
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