CN101148756A - 一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，包括反应腔体、射频电源，所述反应腔体顶部设有进气孔，底部设有真空抽气口，所述反应腔体内设有与射频电源通过匹配网络连接的电极板、用于承载基片的基片架电极，其特征在于：所述电极板为由方形电极构成的极板阵列；所述进气孔经分进气管道连通至位于各方形电极板中央的气体导流孔；还设有与上电极板和基片架电极板处于同平面且呈同轴排列的接地匀流环，所述接地匀流环上分布有通孔。本发明提高了射频功率的耦合效率，可以在较大面积范围内获得均匀的射频场。

Description

一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器

技术领域

本发明涉及一种用于采用真空等离子体方式进行薄膜生长的装置，具体涉及一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器。

背景技术

等离子体是离子和电子的密度大致相当的一种呈电中性的电离气体。工业使用的等离子体通常属于低温等离子体，其等离子体密度在10⁸-10¹¹cm^-3之间，平均电子温度约几个电子伏特，是典型的弱电离气体。这些低温等离子体在电磁波的激励下通常在一定真空的条件下激发产生，在真空腔体中通入气压为几十毫乇到几十乇之间的不同反应气体，可以实现对半导体晶片、绝缘体、金属等基片样品进行不同的处理，如薄膜生长、衬底刻蚀、表面等离子体处理等。

用来激发产生工业使用的低温等离子体的电磁波形式可以是射频或者微波。但由于微波激发的等离子体通常还需要其他昂贵的波导元件作为附件，有时还需要磁场的约束来产生高密度的等离子体，因而结构复杂、成本高；与之相比，从加工制造的角度考虑，射频激发的等离子体装置具有构造简单、造价低廉等优势。

工业上较常使用的射频(RF)等离子体装置包括两类，一类是将RF场通过电缆经由一个匹配网络传输给真空腔体中的电极板，射频电场垂直于电极板，当输入的射频功率足够高时，射频场就可以使反应气体电离，从而激发产生射频等离子体，由此在真空腔体中形成的等离子体通常称为容性耦合等离子体；另一类是将RF场通过电缆经由一个匹配网络传输给置于介质窗口外部的感应线圈，射频电场平行于介质板，当输入的射频功率足够高时，射频场就可以使反应气体电离，从而激发产生射频等离子体，由此在真空腔体形成的等离子体通常称为感性耦合等离子体。连接在射频电源和电极板或线圈之间的匹配网络通常包含两个可变电容，通过调节这两个可变电容可使得射频电源的阻抗与等离子体的负载阻抗相匹配，从而获得最大的射频功率传输效率。

反应气体通常是在反应腔体顶部以喷淋方式进入腔体，在腔体的底部则由真空机组组成的抽气系统将残余气体抽出。基片样品通常放置在等离子体激发区底部的一个电极上。通常，底部电极可以加热，通过热传导方式将热量传递给基片，提高基片表面薄膜生长的质量。对基片进行刻蚀处理时，底部电极则不需要加热，而通常施加一个较低频率的射频偏压电源，以增强基片的刻蚀效果。

尽管上述反应器结构经常用于加工现有技术的样品，但是，在处理大尺寸样品尤其是需要在玻璃衬底上高速生长大面积均匀的硅薄膜时，上述结构的等离子体反应器将不能满足使用要求。单纯地放大反应器的口径及电板板或介质板的直径存在问题：一方面，硅薄膜生长的均匀性取决于电磁波激发等离子体的均匀性，而这又决定于真空等离子体反应器中的电极板或者介质板上方的感应线圈激励产生射频场的均匀性，因此，真空反应器口径放大时如何产生均匀的射频场是大面积真空等离子体反应器设计的一个关键。由于受到驻波条件的影响，并且为了获得均匀的射频场，电极板或介质板的直径受到限制，无法制作大面积的反应容腔。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，在较大面积范围内提供一个均匀的射频场。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，包括反应腔体、射频电源，所述反应腔体顶部设有进气孔，底部设有真空抽气口，所述反应腔体内设有与射频电源通过匹配网络连接的电极板、用于承载基片的基片架电极，所述电极板为由方形电极构成的极板阵列；所述进气孔经分进气管道连通至位于各方形电极板中央的气体导流孔；还设有与上电极板和基片架电极板处于同平面且呈同轴排列的接地匀流环，所述接地匀流环上分布有通孔。

上文中，电极板阵列与基片架电极之间构成了真空等离子体激发区域，由于采用方形电极板构成极板阵列，可以在较大面积范围内获得均匀的射频场，同时，气体导流孔分别位于各个方形电极板的中央，可以保证反应气体的均匀分布，接地匀流环对等离子体区域进行了限制，避免等离子体从电极板侧边泄漏，以提高等离子体的均匀性。使用时，启动射频电源，输出的射频电压经过匹配网络的输出端口馈入到并联的电极板上，利用该电压在电极板上产生的垂直电场来击穿气体，产生的电子从该电场中获得能量，并激发真空腔体内的反应气体，使之产生电离，形成等离子体，即为电容耦合等离子体。该等离子体由带电的电子和离子组成，真空腔体中的反应气体在电子的不断撞击下，发生分解，产生大量的离子或活性基团，活性基团和基片表面形成化学反应，得以实现薄膜的生长。其它挥发性的反应生成物则从抽气口抽出腔体。

优选的技术方案，所述极板阵列由2～4个相同大小的方形电极板并联构成，每个极板的边长在200毫米至500毫米之间，各电极板在同一平面内均匀布置，彼此之间由陶瓷绝缘材料隔离，隔离距离在1毫米至3毫米之间。

上述技术方案中，所述电极板的顶面及四周设有接地的金属屏蔽板，所述从属屏蔽板与电极板之间由绝缘板隔离。

上述技术方案中，所述射频电源的激发频率高于27MHz，以利于等离子体密度的提高。

进一步的技术方案，所述基片架电极经一谐振滤波网络结构连接至直流脉冲负偏压电源。谐振滤波网络结构主要用于隔离来自于施加在阵列方形电极上的射频基波电流和高次谐波电流信号；衬底施加的直流脉冲负偏压主要是诱导等离子体中的离子成份，轰击基片表面，增强薄膜与基片表面的结合力。

上述技术方案中，所述直流脉冲负偏压电源的脉冲频率、幅度和占空比可调，所述脉冲频率在6KHz～15KHz的范围，幅值在±500V之间，占空比在0.1～0.5之间。

上述技术方案中，所述基片架电极具有竖直方向的运动自由度，以调节等离子体激发区域的间距。

所述射频电源通过匹配网络与电极板间的连接结构为，在反应腔体顶部穿透设置有电极，电极位于电极板阵列的中央位置经等长对称分布的电缆线与各电极板连接；所述进气孔位于电极顶端中央，各进气分管道与进气孔连通且相对电极对称分布。

进一步的技术方案，所述电极板以及各所述电缆线的表面均镀有银导电层，银导电层的厚度在1微米至10微米之间。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明采用电极板并联的方式而不是大电极板方式来获得大面积的真空等离子体激发区域，提高了射频功率的耦合效率，可以在较大面积范围内获得均匀的射频场；

2.本发明中，气体导流孔分别位于各个方形电极板的中央，可以保证反应气体的均匀分布，并利用接地匀流环对等离子体区域进行限制，避免了等离子体从电极板侧边泄漏，可以提高等离子体的均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是图一中电极板阵列的示意图。

其中：1、反应腔体；2、基片架电极；3、进气阀；4、匹配网络；5、射频电源；6、分进气管道；8、电极板；10、电缆线；12、屏蔽板；13、绝缘板；14、绝缘材料；16、匀流环；17、电极；18、进气孔；19、电绝缘环；20、屏蔽环；21、滤波网络；22、导流孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

参见附图1，其中等离子体反应器包括真空反应腔体1，其较好的配置方式为一个圆筒状设计，以保证反应腔体1相对整个电极的对称轴线对称。反应腔体1包含了一个圆筒形的高导电的金属侧壁和一个顶盖，反应腔体1底部是两个呈对称放置的抽气口，由真空机组(未示出)对反应腔体1内部进行真空抽气。顶盖轴心处设置有同轴的导电性好的金属电极17和同轴的电绝缘环19，电绝缘环19将金属电极17和顶盖之间电隔离。金属电极17的轴心处钻有进气孔18，并由分进气管道6连通至各电极板中心处的导流孔22以喷淋的方式均匀导入到等离子体激发区。

与金属电极17相连的各电缆线10分别对称连接到各分电极板8的顶端，并联设置有4个方形电极板，电极之间的隔离距离在1-2mm之间，所有与电缆线相连的各分电极板的上半部分所产生的电信号均有接地的屏蔽板12所屏蔽，各电极板和屏蔽板之间均设有绝缘板13，只有面向等离子体激发区的电极板部分是开放的。另外，金属电极17与屏蔽板之间由电绝缘材料进行电隔离，金属电极17在反应腔体1中的部分由屏蔽环20进行信号屏蔽，电隔离材料为电绝缘环19。

基片架的下半部位包含一个接地的屏蔽套，电绝缘材料电隔离了基片架电极2和屏蔽套。基片架电极2通过一个谐振滤波网络与一个脉冲偏压电源相连。谐振滤波网络基本上是由两级电感和电容的振荡回路组成。电感和电容组成的两级并联回路主要是用来阻止甚高频激发产生的从等离子体流经到下电极板的基波电流和二次谐波电流。在一个较佳的实施例中，甚高频激发频率为60MHz，因此，需要将两级LC振荡回路分别调制了60MHz和120MHz的振荡频率。

需要说明的是，尽管上述的利用上电极板和下电极板的位置可以将上极板所激发的等离子体界定在两极板区域，但仍有部分的电离气体会从极板激发区域逸出到真空腔体的其他部分，从而降低了等离子体在基片架上的薄膜样品的生长均匀性。本实施例中包括了在两个电极板的外围设置了钻有许多小孔的接地匀流环16，匀流环16的作用是一方面阻止了等离子体向其他真空区域的扩散，另一方面，增强了所激发等离子体的局域效果，增加了等离子体的电子密度，有利于提高硅薄膜的生长速率。

本实施例的真空等离子体反应器的工作原理如下，从气体流量控制器以一定的流量发出的工艺气体通过进气阀3平均分流到各电极板中心的导流孔处，并以喷淋方式进入到等离子体激发区域中。在等离子体激发区域中，工艺气体在甚高频电场的作用下被转换呈弱离化的等离子体，等离子体中各种基团在电场的作用扩散输运到基片架样品的表面处，在一定的温度条件下形成一个薄膜样品。上电极板施加的是一个甚高频电压信号，下电极施加的是一个直流负偏压脉冲信号。在该较佳的实施例中，甚高频激发频率为60MHz，直流脉冲电源的脉冲周期为8KHz，占空比为10％。

本实施例中，四组方形电极板(230mm×230mm)并联，彼此之间的隔离材料为聚四氟乙烯，隔离距离为2毫米。调节基片架的垂直位置，使得基片架和电极板的垂直距离为4厘米。将硅烷(与H₂混合，混合比例为5∶95)以100sccm的流量经由主进气通道18和各分进气通道6和7进入真空室1中，放电气压为4Pa，基片为大面积的玻璃基片。启动频率为60MHz的射频电源，并激励等离子体，射频功率设定为900W，薄膜沉积时间为30分钟。玻璃基片上生长的硅薄膜的总厚度约为320纳米，薄膜在400mm范围内不均匀性小于10％。

实施例二：基本结构同实施例一，四组方形电极板(230mm×230mm)并联，彼此之间的隔离材料为聚四氟乙烯，隔离距离为2毫米。调节基片架的垂直位置，使得基片架和电极板的垂直距离为5厘米。将硅烷(与H₂混合，混合比例为5∶95)以150sccm的流量经由主进气通道18和各分进气通道6和7进入真空室1中，放电气压为15Pa，基片为大面积的玻璃基片。启动频率为60MHz的射频电源，并激励等离子体，射频功率设定为1200W，薄膜沉积时间为30分钟。玻璃基片上生长的硅薄膜的总厚度约为500纳米，薄膜在400mm范围内不均匀性小于6％。

Claims (9)

1.一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，包括反应腔体(1)、射频电源(5)，所述反应腔体顶部设有进气孔，底部设有真空抽气口，所述反应腔体内设有与射频电源通过匹配网络(4)连接的电极板、用于承载基片的基片架电极(2)，其特征在于：所述电极板(8)为由方形电极构成的极板阵列；所述进气孔经分进气管道(6)连通至位于各方形电极板中央的气体导流孔；还设有与上电极板和基片架电极板处于同平面且呈同轴排列的接地匀流环，所述接地匀流环上分布有通孔。

2.如权利要求1所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述极板阵列由2～4个相同大小的方形电极板并联构成，每个极板的边长在200毫米至500毫米之间，各电极板在同一平面内均匀布置，彼此之间由陶瓷绝缘材料(14)隔离，隔离距离在1毫米至3毫米之间。

3.如权利要求2所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述电极板的顶面及四周设有接地的金属屏蔽板(12)，所述从属屏蔽板与电极板之间由绝缘板(13)隔离。

4.如权利要求1所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述射频电源的激发频率高于27MHz。

5.如权利要求1所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述基片架电极经一谐振滤波网络结构连接至直流脉冲负偏压电源。

6.如权利要求5所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述直流脉冲负偏压电源的脉冲频率、幅度和占空比可调，所述脉冲频率在6KHz～15KHz的范围，幅值在±500V之间，占空比在0.1～0.5之间。

7.如权利要求1所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述基片架电极具有竖直方向的运动自由度，以调节等离子体激发区域的间距。

8.如权利要求1所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述射频电源通过匹配网络与电极板间的连接结构为，在反应腔体顶部穿透设置有电极(17)，电极位于电极板阵列的中央位置经等长对称分布的电缆线(10)与各电极板连接；所述进气孔位于电极顶端中央，各进气分管道与进气孔连通且相对电极对称分布。

9.如权利要求8所述的真空等离子体反应器，其特征在于：所述电极板以及各所述电缆线的表面均镀有银导电层，银导电层的厚度在1微米至10微米之间。

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