CN101397655A - 用于材料制备的化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料制备的化学气相沉积设备。该设备由可相互独立激活源气体来沉积材料的热丝化学气相沉积激活部分和直流等离子体化学气相沉积激活部分共同组成；衬底支架相对热丝、或直流等离子体电极、或热丝和直流等离子体电极运动。

Description

用于材料制备的化学气相沉积设备

一、技术领域

本发明涉及一种制备薄膜材料的化学气相沉积设备及应用，特别是利用该设备制备金刚石薄膜。该设备通过在低压下用附加偏压的热丝等离子体和直流等离子体激活源气体，沉积制备薄膜材料。

二、背景技术

附加偏压的热丝等离子体化学气相沉积设备通常包含供气系统(6)(8)(22)、抽气系统(26)、冷却系统(27)(11)、真空反应室(2)(7)(23)、衬底支架(4)(10)(25)、附加的偏压装置(20)(33)、源气体激活装置(3)(14)(30)和电控系统(13)(19～21)(29)(32)(33)(35)等。用于生长沉积的源气体及管道组成供气系统(6)(8)(22)。抽气系统(26)由真空泵、抽气管道及真空测量仪表组成。冷却液体和管道阀门构成冷却系统(27)(11)。热丝化学气相沉积(HFCVD)设备被用来沉积薄膜(参见国际专利WO99/02753，中国专利98806931.8，题为“利用热灯丝直流等离子体进行金刚石成核和沉积的设备及方法”)，HFCVD反应室一般包含一个电阻式加热灯丝(resistivelyheated filament)(3)(14)(30)和一个可被加热或冷却的衬底支架(4)(10)(25)。反应室(2)(7)(23)连接真空系统(26)，保持低压。灯丝(3)(14)(30)是由高熔点的耐熔金属制成，激活离解混合气体，生成要被制备材料的先驱物。然后，先驱物扩散并凝聚在衬底(5)(9)(24)上形成要被制备的材料。灯丝(3)(14)(30)与基底(5)(9)(24)之间在成核与生长阶段被分别加上正偏压和负偏压，以便有利于成核与生长。这种设备缺点是只能进行单一的附加偏压的热灯丝等离子体化学气相沉积，没有直流等离子体装置，不能同时在真空下对样品进行直流等离子体气相沉积。

另外，还有几种化学气相沉积方法联合制备的复合设备。中国专利CN2666928Y提出“一种等离子热丝法化学气相沉积金刚石膜的装置”，该设备在传统的热丝化学气相沉积设备的热丝上方，加一个上电极，以衬底支架作下电极，两电极之间加上直流电压作为偏压，并在两电极之间产生等离子辉光放电。该专利文中指出由于可施加较高的偏压(0～1200v可调)，非常有利于金刚石膜的生长。该结果与其他人的结论“较小偏压有利金刚石成核和生长”不一致。在Applied Physics Letters(应用物理通讯)58(10)，1036-1038(1991)的题为“在等离子体化学气相沉积中由电场生成金刚石核”一文中，Yugo等人报道了相对于CVD等离子体的偏压应当小于200伏，以避免溅射，典型的偏压为70伏。Jiang等人[参见国际专利WO99/02753，中国专利98806931.8，题为“利用热丝直流等离子体进行金刚石成核和沉积的设备及方法”]指出成核阶段灯丝被施加相对基底20～300v的正偏压，而在薄膜生长阶段，灯丝被施加相对基底-20～-300v的负偏压。由此可见，中国专利CN2666928Y的装置，有利于金刚石的生长，并不是由于施加较高偏压所导致的，而是高电压在两电极之间产生等离子辉光放电，相当于直流等离子体CVD，具有较高生长速率的优点，而低偏压有利于成核与生长的优点却没有体现。如果该装置两电极间施加低偏压，有利成核与生长，那么就不能产生足够的等离子辉光放电，体现不了直流等离子体CVD具有较高生长速率的优点。因此，该装置不能同时兼有直流等离子体与附加低偏压的HFCVD两者共同的优点。

中国专利CN2820878Y，题为“等离子增强热丝化学气相沉积薄膜装置”，类似于中国专利CN2666928Y，不同之处在于上、下电极不仅可以与直流电源，还可以与脉冲电源，或射频电源的两电极相连。上电极带有均流孔的喷头，喷头内可放置少量掺杂物质达到对薄膜材料进行掺杂的目的。因此，该装置如同上一专利的分析，也不能同时兼有直流等离子体与附加低偏压的HFCVD两者共同的优点。

同时，以上两专利由于热丝(3)(14)(30)分布的不均匀，这种没有衬底转动的设备，在衬底(5)(9)(24)上制备的材料均匀性较差；这种衬底(5)(9)(24)固定的设备，也不适合化学气相沉积材料的大规模流水线制备。

国际专利WO99/02753，中国专利98806931.8，题为“利用热丝直流等离子体进行金刚石成核和沉积的设备及方法”，提出在附加偏压的HFCVD中引入栅电极，由于栅电极相对于灯丝施加20～300v的低偏置电压，不能产生足够的等离子体辉光放电，该专利设备和方法不具有直流等离子体CVD所具有的较高生长速率的优点。因此，也不能同时兼有直流等离子体与附加低偏压的HFCVD两者共同的优点。同时，该装置汽体喷射单元与栅极不是一体化的，不利于栅极的冷却，和设备结构的简单化。

三、发明内容

本发明提供一种新的具有直流等离子体化学气相沉积功能的具有附加偏压的热灯丝等离子体化学气相沉积装置。能解决现有技术中具有附加偏压的热灯丝等离子体化学气相沉积装置，无法同时进行直流等离子体化学气相沉积工艺的问题，具有附加偏压的热灯丝等离子体和直流等离子体化学气相沉积组合功能的优点。

为实现上述目的，本发明的化学气相沉积设备由供气系统(6)(8)(22)、抽气系统(26)、冷却系统(27)(11)、真空反应室(2)(7)(23)、衬底支架(4)(10)(25)、附加的偏压装置(20)(33)、源气体激活装置(3)(14)(30)和电控系统(13)(19～21)(29)(32)(33)(35)组成。源气体激活装置(3)(14)(30)作了改进：源气体的激活由热丝激活部分(3)(14)(30)和直流等离子体激活部分(22)(25)共同组成；热丝激活部分包含热丝(3)(14)(30)、热丝支架和对热丝供电的热丝电源(21)(35)，和热丝(3)(14)(30)相对基底(5)(9)(24)的偏压电源(20)(33)，热丝电源(21)(35)能使热丝(3)(14)(30)单独激活源气体或混合源气体中的部分组份；直流等离子体激活部分，包含上下电极(22)(25)、电极冷却管道(27)和对电极供电的直流电源(32)，直流电源(32)的功率能使直流等离子体电极(22)(25)单独激活源气体或混合源气体中的部分组份。这种设备既可单独作具有附加偏压的热丝化学气相沉积，又可单独用作直流等离子体化学气相沉积，也可以进行具有附加偏压的热丝化学气相沉积和直流等离子体化学气相沉积的组合。该设备衬底支架(4)(10)(25)相对热丝(3)(14)(30)、或直流等离子体电极(22)(25)，或热丝(3)(14)(30)和直流等离子体电极(22)(25)运动，改善衬底(5)(9)(24)上沉积材料的均匀性，也可用于化学气相沉积材料大规模流水线制备。可供选用的一种结构是热丝(3)(14)(30)和直流等离子体电极(22)(25)固定不动，连续的衬底支架(4)(10)(25)分别携带衬底(5)(9)(24)移动进入真空反应室(2)(7)(23)，再匀速转动，最后移出真空反应室(2)(7)(23)。

本发明的优点和效果：

(1)在工业生产中，将样品从具有附加偏压的热灯丝等离子体沉积和直流等离子体化学气相沉积两独立工艺设备中的一种工艺送往另一种工艺中，会暴露于大气，造成污染。含有两种工艺的复合设备，可以在真空下分别进行两种工艺，而样品不必暴露于大气，避免大气污染。同时工序简单，降低成本。

(2)在沉积制备材料过程中，新设备可以同时利用直流等离子体化学气相沉积装置与具有附加偏压的热灯丝等离子体装置对气体源材料进行联合激活处理，形成新的联合工艺，制备材料。

(3)在电子器件制备过程中，可以利用直流等离子体化学气相沉积装置进行在线制备电极、封装，提高器件的成品率。

(4)在电子材料具有附加偏压的热灯丝等离子体制备过程中，可以利用直流等离子体化学气相沉积装置进行掺杂处理。

四、附图说明

图1是现有技术典型结构的常规HFCVD装置图。

图2是现有技术的、具有典型灯丝--栅极--基底结构的HFCVD装置图。

图3是本发明用于材料制备的化学气相沉积设备的原理图。

图4是本发明用于材料制备的化学气相沉积设备的真空反应室内源气体激活装置的主视图。

图5是图4中所示热丝均匀线性排列的俯视图。

说明如下：

1--------反应器

2--------沉积反应室

3--------热丝

4--------加热/冷却的基底夹持器

5--------基底

6--------气体扩散单元

7--------沉积反应室

8--------气体喷射单元

9--------基底

10--------基底夹持器

11--------管道

12--------热电偶

13--------基底温度控制器

14--------灯丝组

15--------导电棒

16--------栅电极

17--------导电棒

18--------真空室的窗

19--------DC电源

20--------偏压电源

21--------灯丝电源

22--------含有气体喷射单元和液体冷却的上电极

23--------沉积反应室

24--------基底

25--------基底夹持器(下电极)

26--------管道

27--------热交换流体

28--------热电偶

29--------基底温度控制器

30--------热丝

31--------导电棒

32--------直流等离子体激活部分DC电源

33--------热丝偏压DC电源

34--------真空室窗口

35--------热丝电源

36--------液体冷却的下电极

37--------热灯丝阵列或热蒸发丝阵列

图1示出了在现有技术的金刚石生长方法中所使用的典型HFCVD反应器的原理图。反应器(1)包括一个反应室(2)，内装有电阻式加热灯丝(3)和加热/冷却的基底夹持器(4)，其上放置有基底(5)。还包括泵和压力监控设备(未示出)。反应物气体混合物通过气体扩散单元(6)送入反应室内。灯丝(3)是由耐高熔点金属制成，如钨或钽，将其加热到1800-2300℃，以离解反应物气体混合物中的氢和其他分子，这种气体混合物通常含有氢和烃的混合物。

图2是现有技术的、具有典型灯丝--栅极--基底结构的HFCVD装置图。反应物气体混合物通过气体喷射单元(8)送入沉积反应室(7)内，将在其上要沉积薄膜的基底(9)放置在基底夹持器(10)上，该夹持器(10)可通过流经管道(11)的热交换流体进行加热或冷却。该基底夹持器(10)安装有感应基底夹持器温度的热电偶(12)，并与基底温度控制器(13)连接，以控制热交换流体的温度。灯丝组(14)安装在导电棒(15)上，并在基底夹持器(10)之上与其形成间隔。栅极(16)安装在导电棒(17)上，并在灯丝组(14)之上与其形成间隔，这样形成一个顺序的栅极—灯丝—基底组合件。利用DC电源(19)和(20)来提供所需要的DC偏压。尤其是利用电源(20)来保持灯丝组(14)和基底(9)之间所要求的偏压，利用电源(19)来提供栅极(16)和灯丝组(14)之间所要求的偏压。电源(21)、优选是AC电源，使灯丝组(14)保持在所要求的温度范围内。

由图3可见，本发明的设备是在现有技术一般传统的热丝等离子设备中的热丝(3)(14)(30)的上面和下面分别增加一个直流等离子体的上电极平板(22)和下电极平板(25)。上电极平板(22)可以与气体扩散单元合为一体。下电极平板(25)可以与衬底支架合为一体，也可以单独安装，位于衬底支架的下方。

五、具体实施方式

装置各部分具体实施如下：

本设备通过在传统的附加偏压的热丝化学气相沉积(CVD)现有设备的热丝(3)(14)(30)的上面和下面分别增加一个直流等离子体的上电极平板(22)和下电极平板(25)。上电极平板(22)可以与气体扩散单元(6)(8)(22)合为一体。下电极平板(25)可以与衬底支架(4)(10)(25)合为一体，也可以单独安装，位于衬底支架(4)(10)(25)的下方。上电极平板(22)和下电极平板(25)的位置可以在竖直方向调节。直流等离子体的上电极平板(22)和下电极平板(25)通过真空室壁上的接线柱与室外的电源相接。

源气体激活装置由热丝激活部分(3)(14)(30)和直流等离子体激活部分(22)(25)共同组成。直流等离子体激活部分(22)(25)，包含上下电极(22)(25)、电极冷却液管道(11)(27)和对电极供电的直流电源(32)。源气体是用来制备材料的气体源材料。

直流等离子体激活部分的上电极平板(22)位于热丝(3)(14)(30)上方，可安装于真空反应室上部。内有冷却水孔洞连接于冷却水管道上，供连接冷却水用。上电极平板(22)到下电极(25)距离可调节，上电极(22)经位于反应室上部的上电极接线柱引出。

下电极(25)能用衬底支架(4)(10)(25)作下电极(25)。也可以单独制作下电极平板(25)，位于衬底支架(4)(10)(25)的下方，安装于真空反应室(2)(7)(23)下部。下电极(25)经位于反应室(2)(7)(23)下部的下电极(25)接线柱引出。上下电极平板(22)(25)选择耐高温、电子脱出功小的材料，如：Ta、Mo、W等。

直流等离子体激活部分(22)(25)电源输出端分别连接于直流等离子体激活部分上、下电极(22)(25)的引线上，电源功率大小足够提供直流等离子体激活部分上、下电极(22)(25)单独激发源气体或混合源气体的部分组份，来在衬底上沉积材料。

热丝激活部分(3)(14)(30)包含热丝(3)(14)(30)、热丝支架和对热丝供电的热丝电源(21)(35)、偏压电源(20)(33)。

热丝(3)(14)(30)均匀安装于热丝支架(4)(10)(25)上，位于衬底与直流等离子体上电极(22)之间，热丝(3)(14)(30)到衬底支架(4)(10)(25)表面距离可调节。热丝(3)(14)(30)可用钨丝、钽丝或铼丝等高熔点金属丝制作。热丝(3)(14)(30)两端经接线柱引出连接于热丝电源上的输出端。热丝电源功率大小能提供热丝(3)(14)(30)单独激发源气体或混合源气体的部分组份，来在衬底上沉积材料。

衬底支架(4)(10)(25)是用来放置和夹持要制备材料的衬底(5)(9)(24)，位于热丝(3)(14)(30)的下方。如果直流等离子体激活部分的下电极(25)不是衬底支架，则位于直流等离子体激活部分下电极(25)之上。衬底支架(4)(10)(25)内有冷却液孔洞，连接到冷却系统，用来冷却衬底支架(4)(10)(25)与衬底(5)(9)(24)。衬底支架(4)(10)(25)内有加热丝用来加热衬底(5)(9)(24)，或没有加热丝加热衬底(5)(9)(24)。附有热电偶或其它测温仪表测量衬底(5)(9)(24)表面温度。

衬底支架(4)(10)(25)相对热丝(3)(14)(30)、或直流等离子体激活部分电极(22)(25)，或热丝(3)(14)(30)和直流等离子体激活部分(22)(25)电极运动，改善衬底(5)(9)(24)上沉积材料的均匀性，也可适用化学气相沉积材料大规模流水线制备。可供选用的一种结构是热丝(3)(14)(30)和直流等离子体电极(22)(25)固定不动，衬底支架(4)(10)(25)匀速转动。可选的一种结构也可是热丝(3)(14)(30)和直流等离子体电极(22)(25)固定不动，连续的衬底支架(4)(10)(25)分别携带衬底(5)(9)(24)移动进入真空反应室(2)(7)(23)内，再匀速转动，当衬底(5)(9)(24)上沉积材料后，从真空反应室(2)(7)(23)内移出。可供选用的一种结构也可是直流等离子体电极(22)(25)和衬底支架(4)(10)(25)固定不动，热丝支架匀速转动。前两种可选结构中的热丝(3)(14)(30)固定不动，也可以看成热丝(3)(14)(30)不能整体平动，但可以转动一定角度；热丝支架只有一根支柱，热丝(3)(14)(30)的两极沿着这根支柱相互绝缘引出；热丝支架可绕这根支柱转动一定角度，从位于衬底支架(4)(10)(25)上方到远离衬底支架(4)(10)(25)上方的相互转动。

金刚石薄膜的制备：气体混合物是指含有氢和含碳气体的气体混合物，热丝(3)(14)(30)被加热到1700～2700℃的温度范围内。衬底(5)(9)(24)被加热到400～1000℃温度范围内。沉积室中气体混合物的压力保持在10～500乇范围。上、下电极(22)(25)之间施加电压为0～1500v范围内可调。在金刚石薄膜生长的成核期间，将衬底(5)(9)(24)偏置以地电位，对灯丝(3)(14)(30)施加相对于地电位的20至380v范围内的偏置电压。在金刚石薄膜成核后的生长期间，将衬底(5)(9)(24)偏置以地电位，对灯丝(3)(14)(30)施加相对于地电位的-20至-380v范围的负电位偏压。同时可用直流等离子体激活装置(22)(25)进辅助制备。

在本发明材料制备中基底(5)(9)(24)相对运动，一种优选是热丝(3)(14)(30)和直流等离子体激活部分电极(22)(25)固定不动，衬底(5)(9)(24)匀速转动。一种优选是直流等离子体激活部分(22)(25)和基底(5)(9)(24)固定不动，热丝(3)(14)(30)匀速转动。一种优选是热丝(3)(14)(30)和直流等离子体激活部分电极(22)(25)固定不动，一系列衬底支架(4)(10)(25)分别携带衬底(5)(9)(24)连续的移动进入真空反应室(2)(7)(23)内，再匀速转动，当衬底(5)(9)(24)上沉积材料后，从真空反应室(2)(7)(23)内移出。

以上对本发明优选实施方案的描述是用来说明本发明的原理的，而不是将本发明限制于所描述的特定实施方案。应当指出，本发明的范围可由权利要求中包含的所有方案和它们的同等方案来限定。

Claims (16)

1、一种用于材料制备的化学气相沉积设备。为了将附加偏压的热丝化学气相沉积工艺和直流等离子体沉积工艺合并为一个整体，使得在低压环境下相关的材料制备工艺可以连续化和简单化，而不需要将样品在工艺的途中经过大气环境从一个真空室转移到另一个真空室；也使得附加偏压的热丝化学气相沉积和直流等离子体沉积两种工艺可以同时工作，组合成新的制备工艺。本发明的技术方案是在附加偏压的热丝化学气相沉积(CVD)现有设备的热丝的上面和下面分别增加一个直流等离子体的上电极平板和下电极平板。

设备由供气系统、抽气系统、冷却系统、真空反应室、衬底支架、源气体激活装置和电控系统组成。

其特征在于：在上述设备中，所述的直流等离子体装置与热丝等离子激活装置组成复合装置。源气体的激活由热丝激活部分和直流等离子体激活部分共同组成；直流等离子体激活部分，包含上下电极、电极冷却管道和对电极供电的直流电源。

2、按照权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述直流等离子体电源的功率能使直流等离子体电极单独激活源气体或混合源气体的部分组份，也可以与热丝等离子体装置同时工作。设备衬底支架相对热丝、或直流等离子体电极、或热丝和直流等离子体电极的组合运动。

3、按照权利要求1～2中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述直流等离子体激活部分的上电极平板位于热丝上方，内有冷却液孔洞连接于冷却液管道上，上电极平板到下电极距离可调节，用衬底支架作下电极。上下电极平板可选择耐高温、电子脱出功小的材料，如：Ta、Mo、W等。

4、按照权利要求1～2中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述直流等离子体激活部分的上电极平板位于热丝上方，内有冷却液孔洞连接于冷却液管道上，上电极平板到下电极距离可调节，单独安装下电极平板，位于衬底支架的下方。上下电极平板可选择耐高温、电子脱出功小的材料，如：Ta、Mo、W等。

5、按照权利要求1～2、4中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述直流等离子体激活部分的下电极不是衬底支架，衬底支架位于热丝与直流等离子体激活部分下电极之间。衬底支架内有冷却液孔洞，连接到冷却液管道，衬底支架内有加热丝；附有热电偶或其它测温仪表。

6、按照权利要求1～2、4中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述直流等离子体激活部分的下电极不是衬底支架，衬底支架位于热丝与直流等离子体激活部分下电极之间。衬底支架内有冷却液孔洞，连接到冷却液管道，衬底支架内没有加热丝；附有热电偶或其它测温仪表。

7、按照权利要求1～6中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述衬底支架相对运动，是热丝和直流等离子体激活部分电极固定不动，衬底支架匀速转动。

8、按照权利要求1～6中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述衬底支架相对运动，是直流等离子体激活部分电极和衬底支架固定不动，热丝支架匀速转动。

9、按照权利要求1～6中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述衬底支架相对运动，是热丝和直流等离子体激活部分电极固定不动，一系列的衬底支架携带衬底连续地分别移动进入真空反应室内，再匀速转动，当衬底上沉积材料后，从真空反应室内移出。

10、按照权利要求7或9所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述热丝固定不动，是指热丝不能整体平动，但可以转动一定角度；热丝支架只有一根支柱，热丝的两电极沿着这根支柱相互绝缘引出；热丝支架可绕这根支柱转动一定角度，从位于衬底支架上方到远离衬底支架上方的相互转动。

11、按照权利要求1～10中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述的真空反应室内外分别安装相应的实时测量设备，来测量真空反应室内的物质状态与衬底上沉积的材料特性。

12、按照权利要求1～11中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述的化学气相沉积设备连接计算机，来实时控制和调节所有的物理量。

13、按照权利要求1～12中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述的被连接的计算机，是根据相应测量设备实时测量的真空反应室内的物质状态与衬底上沉积的材料特性，进行数据分析与处理，来实时控制和调节所有的物理量。

14、按照权利要求1～13中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述热丝均匀安装于热丝支架上，位于衬底支架与直流等离子体上电极之间，热丝到衬底支架表面距离可调节。热丝用钨丝、钽丝或铼丝等高熔点金属丝制成。

15、按照权利要求1～14中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述衬底支架位于热丝的下方；衬底支架内有冷却液孔洞，连接到冷却液管道，衬底支架内有加热丝；附有热电偶或其它测温仪表。

16、按照权利要求1～14中任一项所述的化学气相沉积设备，其特征在于：所述衬底支架位于热丝的下方；衬底支架内有冷却液孔洞，连接到冷却液管道，衬底支架内没有加热丝；附有热电偶或其它测温仪表。

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