CN102677022B

CN102677022B - 一种原子层沉积装置

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Publication number: CN102677022B
Application number: CN201210001350.0A
Authority: CN
Inventors: 陈强; 杨丽珍; 王正铎; 桑利军; 刘忠伟; 张受业
Original assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Current assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN102677022A

Abstract

一种原子层沉积装置属于等离子体应用技术领域，涉及一种阵列式空心阴极结构的等离子体发生装置。该装置包括配气系统(1)、真空腔室(2)、阵列式空心阴极上电极(3)、平板式接地下电极(4)、抽真空系统(5)、电源系统(6)，所述阵列式空心阴极上电极(3)带有多个均匀分布的直径范围为1-3mm的通孔，相邻的孔的间距为2-4mm，阵列式空心阴极上电极(3)与平板式接地下电极(4)之间的间距为5-20mm，阵列式空心电极(3)连接配气系统(1)的供气管道。该装置降低等离子体温度，改善其他一些等离子体参数，从而提高沉积效率，并优化所沉积材料的微观结构和性能。

Description

一种原子层沉积装置

技术领域：

本发明属于等离子体应用技术领域，涉及一种阵列式空心阴极结构的等离子体发生装置。该装置把原子层沉积功能与空心阴极放电特征结合在一起，利用空心阴极电极结构可以增加放电时的等离子体密度，降低等离子体温度，改善其他一些等离子体参数，从而提高沉积效率，并优化所沉积材料的微观结构和性能。

背景技术：

原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)是一种改良的化学气相沉积技术，起初称为原子层外延。它是由芬兰人Suntola T和Antson M J最先发明提出的，因此两人也申请了1977年的专利保护，但最初并没有受到很大的重视。直到20世纪90年代，由于硅衬底半导体需求，原子层技术才得到了长足的发展。目前，国内外关于利用原子层技术制备薄膜的报道越来越多。

普通的原子层沉积技术，大都属于热化学气相沉积。它的化学反应需要较高的活化温度，制备工艺过程的温度很高，好多超过了1000℃，这大大限制了该技术在很多方面的应用，例如在塑料基底上制备薄膜太阳能电池、柔性OLED器件等。为了降低原子层沉积技术的过程温度，人们采取了很多种技术手段。其中，低温等离子体是一种很有效的降低原子层沉积过程温度的技术手段，已经受到了人们的关注。

利用气体放电产生的低温等离子体，整体的温度很低(温度在几十至一百多摄氏度的范围)，允许使用大多数的塑料作为基材。在等离子体之中含有很多高速运动的电子，将它的动能折算成热能，它本身可以达到几万摄氏度的高温，可以有效的为其他很多化学反应提供激发能量，很容易将化学反应前驱体分解成原子、离子或其他活性基团，然后在基材表面反应沉积，最终生成薄膜或粉体材料，这就是等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)技术。人们已经开发出了很多种等离子体增强化学气相沉积技术，其中一些已经与原子层沉积技术相结合，可以精确、有效的制备多种功能薄膜。

但现有技术中，普遍存在等离子体区中的等离子体密度不高的问题，这对沉积速率、沉积膜层质量有重大影响。如何提高等离子体区内的等离子体密度，从而提高等离子体激发化学反应的效果，一直是该领域中备受关注的问题。

发明内容：

针对上述技术问题，本发明提供一种具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，

一种原子层沉积装置，其特征在于：该装置包括配气系统1、真空腔室2、阵列式空心阴极上电极3、平板式接地下电极4、抽真空系统5、电源系统6，所述阵列式空心阴极上电极3带有多个均匀分布的直径范围为1-3mm的通孔，相邻的孔的间距为2-4mm，阵列式空心阴极上电极3与平板式接地下电极4之间的间距为5-20mm，阵列式空心电极3连接配气系统1的供气管道。所述式空心阴极阵列电极3的接线柱连接到所述电源系统6的高压电极一端，并与所述装置的真空腔室、平板式接地下电极保持绝缘，所述电源系统6的接地端连接到所述真空腔室2和所述平板电极4上。

所述电源系统6，是60-100MHz的甚高频电源、2-60MHz的高频射频电源、10-60KHz的中频电源、10-60KHz的单极性或双极性脉冲直流电源中的任一种。所述电源系统采用脉冲控制方式能够控制和调节放电过程中的占空比。

所述平板电极4设有加热装置。

应用以上装置的方法步骤如下：

配气系统1以脉冲交替的周期循环方式向所述阵列式空心电极3供气，来自所述配气系统1的气体先通过所述阵列式空心电极3上的通孔，再进入真空腔室2。在所述阵列式空心阴极电极3和所述平板电极4之间施加电压，将气体电离产生等离子体进行薄膜沉积。

所述配气系统1包含至少两路气体管路，每个气体管路包括单向阀、气动阀门开关和质量流量计；其中气动阀门关控制时间在0.01～10秒范围，时间精度小于0.01秒。

所述电源系统6输出电源占空比5～90％。

配气系统1以脉冲交替的周期循环方式向阵列式空心电极3供给反应单体气体和氩气。

本发明涉及的具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，所述配气系统1可以控制多气路的串联或并联。

本发明涉及的具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，所述配气系统1包含至少两路气体管路，能够单独或同时供气，所述至少两路气体管路由气体质量流量计和精密电磁阀控制，所述至少两路气体管路中至少有一条气路供氩气。

本发明涉及的具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，所述抽真空系统5，能使所述真空腔室的本底真空达到1×10^-4Pa，根据工艺条件的不同，放电时的气压可控制在10-1000Pa的范围之内。

本发明涉及的具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，所述平板电极4采用下侧放置的方式，作为基片放置台，所述平板电极4有加热功能，温度从40～600℃范围内连续可调。

本发明在射频或甚高频电源激励下能够产生密度比传统平板电极高的等离子体。

附图说明：

图1是具有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置结构示意图；

图2是阵列式空心阴极结构正视示意图；

图3是阵列式空心阴极结构侧视示意图；

图4是配气系统示意图；

图5是气压220Pa，功率80W，电极间距18mm条件下等离子体放电的照片；

图6是所制备微晶硅薄膜的拉曼(Raman)光谱图；

图7是所制备微晶硅薄膜表面的原子力显微镜三维形貌图。

具体实施方式

本发明提供一种带有阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置。该套装置包括配气系统1、真空腔室2、阵列式空心电极3、平板电极4、抽真空系统5、电源系统6等组成。利用阵列式空心电极3的空心阴极放电效应，可以大幅度的提高气体的电离效率，提高放电气体的气压和等离子体密度，进而提高原子层沉积过程中的反应单体活化效率，增加空间里的活性基团浓度，大大提高薄膜的沉积速率，并可降低沉积温度。测量结果表明，此阵列式空心放电能增加等离子体密度到10¹¹～10¹³/cm³，降低等离子体能量在1eV以下，提高薄膜的沉积速率5～10倍，沉积温度为环境温度到600℃。并且，该装置能获得在100mm直径范围内，均匀性小于5％。

阵列式空心电极3，是带有很多细小通孔的平板状电极，它与平板电极4一起组成电容耦合放电电极，两个电极的间距可调，二者之间即为气体反应所需的放电区域。阵列式空心电极3连接配气系统1的供气管道，来自配气系统的气体先通过阵列式排布的细小通孔，再进入真空室，可以保证放电区域的气流分布较均匀。阵列式空心电极3连接到电源系统6的高压电极一端，并与真空腔室2是绝缘的。

配气系统1，通过高精度的微电脑在线气流控制，可以控制多气路的串联或并联，可以脉冲交替的以周期循环方式向阵列式空心电极3供气，气流先通过阵列式细小通孔，再进入放电区域。配气系统1包含至少两路气体管路，能够单独或同时供气，气体管路皆由气体质量流量计和精密电磁阀来控制，电磁阀开闭速度的控制精度可达0.01秒。其中至少有一条气路可以供氩气，氩气可以起到基片吹扫、携带反应单体、电离放电等作用。

电源系统6，可以是频率较高的交流电源(2-60MHz的高频射频电源，或60-100MHz的甚高频电源，或10-60KHz的中频电源)，也可以是10-60KHz的单极性或双极性脉冲直流电源，优先选用甚高频电源。电源的高压端连接到阵列式空心电极3的接线柱上，并与其他部件保持较好的绝缘；电源的接地端连接到真空腔室和平板电极4上。通过在3和4之间施加电压，可以将气体电离产生等离子体。电源系统采用脉冲控制方式，可以控制和调节放电过程中的占空比。电源系统与配气系统通过微电脑的统一控制，可以协同工作。

抽真空系统5，能使真空腔室的本底真空达到1×10^-2Pa-1×10^-4Pa或更佳，根据工艺条件的不同，放电时的气压可控制在10-1000Pa的范围之内。

平板电极4，一般采用下侧放置的方式，可以作为基片放置台。平板电极4有加热功能，温度范围从40～600℃连续可调。(以下标出地方均因为不够具体)

按照本发明内容制备出一套小的实验装置，将上电极设计为有阶梯通孔的阵列式空心阴极结构(见附图2)，多孔均匀分布，直径范围为1-3mm，相邻的孔的间距为2-4mm，孔的形状为园形、六边形、方形等通孔的平板状电极，选用不锈钢材质。电源系统为频率27.12MHz、输出功率300W的射频电源，带有自动匹配器。真空泵系统，选用旋片式真空泵与涡轮分子泵系统，并配有调节抽速的阀门。

在本底真空0.1Pa、放电气压220Pa、氩气流量220sccm、较低的放电功率80W、电极间距18mm的条件下，只用氩气放电。用朗格缪尔探针，测得氩气等离子体的电子密度可达115.2×10¹⁰cm^-3，优于相同条件下的平板式电极的等离子体电子密度28.4×10¹⁰cm^-3。放电照片见附图4。

以制备硅基太能能薄膜为例，来说明该装置的操作过程和使用效果。

以含硅的气体或液体为硅源前驱体，以氢气为还原气体；在真空或低真空条件下，用射频或甚高频电源激励产生等离子体，实现脉冲等离子体增强化学气相沉积微晶硅薄膜。工艺流程主要分为四步：基片预处理、真空获得与基台加热、薄膜沉积、关机。

一.基片预处理：使用有机薄膜、单晶硅片或玻璃片作为基片。对p型单晶硅片用20％的HF酸超声清洗60秒，以除去表面的SiO₂层，然后再依次使用无水乙醇、去离子水进行超声清洗，直至硅片表面洁净，然后用洁净的氮气吹干；玻璃片等基片直接用无水乙醇、去离子水进行超声清洗，直至玻璃片表面洁净，然后用氮气吹干。

二.真空获得与基台加热：将基片放在下电极上，当真空度小于10Pa时，打开分子泵，同时把对基片台加热的电源打开。真空室抽真空至1×10^-3Pa，控制基台温度范围100～600℃。

三.薄膜沉积：当真空度和基台温度达到要求后，开启配气系统。先输入氩气5～100sccm，5～10分钟，打开等离子体对基片进行等离子体表面清洗，清洗时间5～10分钟。关闭等离子体放电电源；继续通入氩气5～10分钟，关闭氩气输入；打开硅源气体，输入5～100sccm硅源气体，时间0.2～5秒；关闭硅源气体；输入氩气5～100sccm，1～5秒；关闭氩气；打开氢气气体，输入5～100sccm氢气气体，时间0.2～5秒，同时打开等离子体电源，等离子体放电功率30～400W；关闭氢气气体，关闭等离子体电源；输入氩气5～100sccm，1～5秒；关闭氩气；这是一个周期。接着分别输入硅源气体、氩气、氢气、氩气等重复进行，实现按照比例交替通入硅源气体和氢气，进行等离子体增强化学气相沉积微晶硅薄膜的沉积。

四.关机：薄膜沉积完毕，然后依次关闭硅源气体氢气，并对气路和真空室用氩气进行冲洗10～30分钟，最后关闭氩气，以及分子泵、机械泵和所有电源。

采用本发明的阵列式空心阴极结构的原子层沉积装置，结合空心阴极等离子体低温、高效以及原子层沉积精确、可控的优点，比传统平板电极结构具有更高的放电效率和等离子体密度，可以大大提高反应单体的裂解率。该装置有效的解决了传统ALD沉积需要高温加热的缺点，可以在较低温度下高效的沉积多种功能薄膜，有利于降低薄膜的生产成本，推动薄膜及相关产品的发展。

该装置特别适用于纳米厚度的硅基薄膜、氧化铝薄膜、氮化钛薄膜等精确制备。

该实施例中制备的微晶硅薄膜的拉曼光谱图中具有520cm^-1波数处的结晶峰，该薄膜样品的结晶率为51.8％，改变薄膜沉积条件可制得不同结晶率的微晶硅薄膜。

该实施例中制备的微晶硅薄膜的原子力显微镜AFM三维形貌图中具有微晶硅薄膜晶粒的柱状顶端。

采用空心阴极等离子体增强化学气相沉积的方法，由于放电时的空心阴极效应，比传统平板电极结构具有更高的放电效率和等离子体密度，可以大大提高反应单体的裂解率，等离子体的工作气压增加，从而提高薄膜的沉积速率，有利于降低微晶硅薄膜的生产成本，推动微晶硅薄膜太阳能电池及相关产品的发展。

Claims

1.一种原子层沉积装置，其特征在于：该装置包括配气系统(1)、真空腔室(2)、阵列式空心阴极上电极(3)、平板式接地下电极(4)、抽真空系统(5)、电源系统(6)，所述阵列式空心阴极上电极(3)带有多个均匀分布的直径范围为1-3mm通孔，相邻的孔的间距为2-4mm，阵列式空心阴极上电极(3)与平板式接地下电极(4)之间的间距为5-20mm，阵列式空心阴极上电极(3)连接配气系统(1)的供气管道；所述阵列式空心阴极上电极(3)的接线柱连接到所述电源系统(6)的高压电极一端，并与所述装置的真空腔室、平板式接地下电极保持绝缘，所述电源系统(6)的接地端连接到所述真空腔室(2)和所述平板式接地下电极(4)上；

所述电源系统(6)，是60-100MHz的甚高频电源、2-60MHz的高频射频电源、10-60KHz的单极性或双极性脉冲直流电源中的任一种；

所述平板式接地下电极(4)设有加热装置。