CN102534569A - 一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置 - Google Patents
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Abstract
一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，包括主腔室，所述主腔室内设有前驱体源进气管道口、等离子发生器上电极和等离子发生器下电极，所述等离子发生器下电极下方设有加热器，所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间形成气流通道，所述前驱体源进气管道口的出口正对气流通道，其进口与源进气加热管道连接，所述源进气加热管道与载气钢瓶连接，所述源进气加热管道上连接有前驱体源瓶；所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极与射频电源连接，所述等离子发生器上电极上设有多个将等离子体放电气体引入的通气孔，所述通气孔均与等离子体放电气体瓶连接；所述加热器、射频电源均连接到PLC上，所述PLC与计算机连接。
Description
技术领域
本发明涉及低温等离子体技术及原子层沉积设备装置，尤其涉及一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置。
背景技术
原子层沉积是在一个加热反应器中的衬底上交替引入气相前驱体，通过交替的表面饱和反应进行自限制生长超薄薄膜。原子层沉积技术具有结合强度好、逐层沉积、膜层厚度一致、成分均匀性好等许多优点，是一种先进的纳米表面处理技术，广泛应用于微电子机械系统、光电子材料和器件、存储器介电层、平板显示器、集成电路互连线扩散阻挡层、互连线势垒层、互连线铜电镀沉积籽晶层以及纳米材料、光学薄膜等方面应用。等离子体增强原子层沉积（PEALD）是在引入还原（氧化）气体的过程中引入等离子体，以形成还原（氧化）性气氛基团和自由基。PEALD不但具有原子层沉积的优点，由于高度活性基团的引入，扩展了ALD对沉积前驱体的选择范围和降低了反应的沉积温度，尤其适合于对温度敏感材料的沉积。
目前ALD和PEALD一般是在低气压下进行薄膜沉积，由于要对前驱体源进行快速的吹扫干净，生长速率慢，通常需要昂贵的真空系统并且不易实现连续批量处理，这严重限制了其工业应用。常压原子层沉积不但省略了昂贵的真空系统，由于在大气压下进行薄膜沉积，易于实现批量化处理。目前国外公司已经开发出了基于空间隔离技术的大气压原子层沉积设备。由于等离子体尤其是辉光放电等离子体难于在大气压下实现大面积放电，目前还没有关于大气压下辉光等离子体增强原子层沉积设备的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高原子层沉积速率，避免等离子体对沉积薄膜的损伤，降低等离子体增强原子层沉积设备成本，实现常压等离子体增强原子层沉积连续在线批量处理的常压辉光等离子体增强原子层沉积装置。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是：
一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，包括相对封闭的反应腔室，其特征在于：所述反应腔室包括主腔室，所述主腔室内设有前驱体源进气管道口、正对设置的等离子发生器上电极和等离子发生器下电极，所述等离子发生器下电极上放置有样品，所述等离子发生器下电极下方设有加热器，所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间形成气流通道，所述前驱体源进气管道口的出口正对气流通道，其进口与源进气加热管道连接，所述源进气加热管道与载气钢瓶连接，所述源进气加热管道上连接有前驱体源瓶；
所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极与射频电源连接，所述等离子发生器上电极上设有多个将等离子体放电气体引入的通气孔，所述通气孔均与等离子体放电气体瓶连接；
所述加热器、源进气加热管道上的加热系统和射频电源均连接到PLC上，所述PLC与计算机连接。
进一步，所述主腔室上在气流通道的出口处设置排气风扇。
进一步，所述前驱体源瓶与源进气加热管道的连接管路上设有ALD电磁阀和手动阀，所述ALD电磁阀与PLC连接。
进一步，所述载气钢瓶与源进气加热管道的连接管路上、所述等离子体放电气体瓶与通气孔的连接管路上均设有质量流量计和气动阀，所述质量流量计和气动阀与PLC连接。
进一步，所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间的间距可调，间距范围为1~5mm。
进一步，所述通气孔均匀分布在等离子发生器上电极上。
进一步，所述射频电源上配设有阻抗匹配系统。
进一步，所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。
本发明使用时，载气钢瓶出来的载气由质量流量计和气动阀控制携带从ALD电磁阀出来的前驱体源经过源进气加热管道后到达主腔室，由前驱体源进气管道口进入等离子体发生器上电极和等离子体发生器下电极之间的气流通道，在气流对流的作用下流经样品的表面后从排气风扇处排出反应腔室。常压辉光等离子体产生用的气体以及需要等离子体活化的气体由等离子体放电气体瓶出来后经过质量流量计和气动阀通过主腔室进入等离子体发生器上电极；光等离子体的引入是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和在反应腔室内净化完毕后开始，辉光等离子体产生的供应气体为氦气、氩气、氧气或者其混合气体，氦气或者氩气的流量为5L/min。
本发明前驱体源使用的载气的流量为20~2000sccm，前驱体源管路上的ALD电磁阀开启和关闭的响应时间为5ms。
本发明脉冲常压辉光放电采用的脉冲射频电源的频率是工业标准用的13.56MHz，射频功率为0~300W，脉冲频率为1~120s。该射频电源配备阻抗匹配系统并方形或者圆形平板电极直接相连。
本发明的等离子发生器上电极为多孔进气结构，起到匀气的作用以产生均匀的辉光等离子体。
本发明加热器的温度加热范围为室温~4000C，源进气加热管道的温度加热范围为25~2000C。
本发明由PLC和计算机组成的电气控制系统，用于监测和控制加热的温度、质量流量计的流量、射频功率以及电磁阀和射频电源的开关状态，实现前驱体源的交替引入、净化、脉冲辉光等离子体的产生和薄膜沉积。
本发明的优点是提高原子层沉积的速率，避免等离子体对沉积薄膜的损伤，降低了等离子体增强原子层沉积设备的成本，实现晶圆的连续在线批量生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参照图1，一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，包括相对封闭的反应腔室，所述反应腔室包括主腔室8，所述主腔室8内设有前驱体源进气管道口11、正对设置的等离子发生器上电极9和等离子发生器下电极10，所述等离子发生器下电极10上放置有样品13，所述等离子发生器下电极10下方设有加热器12，所述等离子发生器上电极9和等离子发生器下电极10之间形成气流通道14，所述前驱体源进气管道口11的出口正对气流通道14，其进口与源进气加热管道4连接，所述源进气加热管道4与载气钢瓶1连接，所述源进气加热管道4上连接有前驱体源瓶7；
所述等离子发生器上电极9和等离子发生器下电极10与射频电源18连接，所述等离子发生器上电极9上设有多个将等离子体放电气体引入的通气孔15，所述通气孔15均与等离子体放电气体瓶16连接；
所述加热器12、源进气加热管道4上的加热系统和射频电源18均连接到PLC19上，所述PLC19与计算机20连接。
所述主腔室8上在气流通道14的出口处设置排气风扇17。
所述前驱体源瓶7与源进气加热管道4的连接管路上设有ALD电磁阀5和手动阀6，所述ALD电磁阀5与PLC19连接。
所述载气钢瓶1与源进气加热管道4的连接管路上、所述等离子体放电气体瓶16与通气孔15的连接管路上均设有质量流量计2和气动阀3，所述质量流量计2和气动阀3与PLC19连接。
所述等离子发生器上电极9和等离子发生器下电极10之间的间距可调，间距范围为1~5mm。
所述通气孔15均匀分布在等离子发生器上电极9上。
所述射频电源18上配设有阻抗匹配系统。
所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。
本发明使用时，载气钢瓶1出来的载气由质量流量计2和气动阀3控制携带从ALD电磁阀5出来的前驱体源经过源进气加热管道4后到达主腔室8，由前驱体源进气管道口11进入等离子体发生器上电极9和等离子体发生器下电极10之间的气流通道14，在气流对流的作用下流经样品13的表面后从排气风扇17处排出反应腔室。常压辉光等离子体产生用的气体以及需要等离子体活化的气体由等离子体放电气体瓶16出来后经过质量流量计2和气动阀3通过主腔室8进入等离子体发生器上电极9；光等离子体的引入是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和在反应腔室内净化完毕后开始，辉光等离子体产生的供应气体为氦气、氩气、氧气或者其混合气体，氦气或者氩气的流量为5L/min。
本发明前驱体源使用的载气的流量为20~2000sccm，前驱体源管路上的ALD电磁阀5开启和关闭的响应时间为5ms。
本发明脉冲常压辉光放电采用的脉冲射频电源的频率是工业标准用的13.56MHz，射频功率为0~300W，脉冲频率为1~120s。该射频电源配备阻抗匹配系统并方形或者圆形平板电极直接相连。
本发明的等离子发生器上电极9为多孔进气结构，起到匀气的作用以产生均匀的辉光等离子体。
本发明加热器12的温度加热范围为室温~4000C，源进气加热管道4的温度加热范围为25~2000C。
本发明由PLC19和计算机20组成的电气控制系统，用于监测和控制加热的温度、质量流量计2的流量、射频功率以及电磁阀和射频电源的开关状态，实现前驱体源的交替引入、净化、脉冲辉光等离子体的产生和薄膜沉积。
Claims (8)
1. 一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，包括相对封闭的反应腔室，其特征在于：所述反应腔室包括主腔室，所述主腔室内设有前驱体源进气管道口、正对设置的等离子发生器上电极和等离子发生器下电极，所述等离子发生器下电极上放置有样品，所述等离子发生器下电极下方设有加热器，所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间形成气流通道，所述前驱体源进气管道口的出口正对气流通道，其进口与源进气加热管道连接，所述源进气加热管道与载气钢瓶连接，所述源进气加热管道上连接有前驱体源瓶；
所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极与射频电源连接，所述等离子发生器上电极上设有多个将等离子体放电气体引入的通气孔，所述通气孔均与等离子体放电气体瓶连接；
所述加热器、源进气加热管道上的加热系统和射频电源均连接到PLC上，所述PLC与计算机连接。
2. 根据权利要求1所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述主腔室上在气流通道的出口处设置排气风扇。
3. 根据权利要求1或2所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述前驱体源瓶与源进气加热管道的连接管路上设有ALD电磁阀和手动阀，所述ALD电磁阀与PLC连接。
4. 根据权利要求3所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述载气钢瓶与源进气加热管道的连接管路上、所述等离子体放电气体瓶与通气孔的连接管路上均设有质量流量计和气动阀，所述质量流量计和气动阀与PLC连接。
5. 根据权利要求4所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间的间距可调，间距范围为1~5mm。
6. 根据权利要求5所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述通气孔均匀分布在等离子发生器上电极上。
7. 根据权利要求6所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述射频电源上配设有阻抗匹配系统。
8. 根据权利要求7所述的一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。
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