CN103361636B - 等离子体气相沉积双面材料局域生长装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置和方法。本发明材料局域生长装置包括真空反应室、等离子体电源、两个水电极、两个绝缘体边框以及一到两个材料生长基片。通过在两水电极之间设置绝缘体边框，用来定义放电气隙厚度和放电区域，通过更换绝缘体边框，可调节放电气隙厚度或改变放电面积，在向真空反应室注入放电气体和化学气相沉积所需气体后，接通等离子体电源，在两放电气隙内放电形成等离子体柱，在材料生长基片上即可形成薄膜材料的局域生长。本发明通过两个放电气隙的构置，可在基片的两面进行材料局域生长，操作简单，方便高效，工效可成倍提高，并可一次生成相同或不同的薄膜材料，在工业方面具有广泛的应用前景。

Description

等离子体气相沉积双面材料局域生长装置和方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体应用技术，具体地说是一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置和方法。

背景技术

CVD（Chemical Vapor Deposition）——化学气相沉积，是用来产生纯度高、性能好的固态材料的一种化学技术，所用装置是由一个与外部隔绝并保持真空的反应室、一个旋转地安装于反应室内并至少放有一片基质的基座以及一个注射器组成。其中注射器包括独立形成的第一和第二气体通道以及在各自入口处连接各自气体通道的用于将各自的第一和第二气体注射到基座上的第一和第二气体注射管，所述注射器独立注射不同的气体。半导体产业使用此技术来成长导电薄膜。典型的CVD过程是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前驱物下，在基底表面发生化学反应或化学分解来产生欲沉积的薄膜。反应过程中通常也会伴随产生不同的副产品，但大多会随着气流被带走，而不会停留在反应室中。

PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) ——等离子体增强化学气相沉积法，是由等离子体激活进行反应的化学气相沉积。PECVD的设备装置包括：晶片载装区、炉体、特气柜、真空系统、控制系统。其方法是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。

PECVD的优点是：基底温度低，沉积速率快，成膜质量好，针孔较少，不易龟裂；其缺点是：设备投资大，成本高，对气体的纯度要求高，对小孔孔径内表面难以涂层，在涂层过程中所产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体和金属蒸汽粉尘等对人体会产生有害的作用。

以上所述通过CVD和PECVD生长的薄膜材料都是均匀的薄膜，而现有的材料局域生长技术是一种非均匀性的膜层材料的生长技术。这种材料局域生长技术是利用了介质阻挡放电中的自组织等离子体柱斑图中所形成的局域等离子体，所以这种材料的生长，可只在有等离子体柱的部位生长，或是在有等离子体柱的部位生长得更快。

传统的介质阻挡放电系统也可以产生材料局域生长，但需要考虑基片与电极之间的连接问题。如用基片制成的水电极进行材料局域生长，那只能在基片的一面产生薄膜材料，而且基片与水电极一体，不易取下，既耗时耗力，又使得操作复杂、效率低下。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置，以解决现有通过介质阻挡放电等离子体技术产生材料生长存在的操作复杂和效率低下的问题。

本发明的目的之二就是提供一种等离子体气相沉积双面材料局域生长方法，以简化操作，提高工效。

本发明的目的之一是这样实现的：一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置，包括有：

一个真空反应室，在所述真空反应室的壁体上开有进气口和抽气口，通过所述进气口向所述真空反应室内注入放电气体和化学气相沉积所需气体，通过所述抽气口向外抽出气体，以控制所述真空反应室中的气压大小；

两个水电极，安装在所述真空反应室中，两个所述水电极端部的放电介质板的板面相对，并且两个所述水电极的轴心线在一条直线上；

等离子体电源，设置在所述真空反应室的外部，与两个所述水电极分别电连接，以控制所述水电极通过放电产生等离子体；

两个绝缘体边框，夹持在两个所述水电极的放电介质板之间，用于设定放电气隙的厚度和放电面积的大小；以及

材料生长基片，夹持在两个所述绝缘体边框之间，通过等离子体激活气体产生化学气相沉积，在所述材料生长基片的表面生成薄膜材料。

两个所述绝缘体边框的厚度相同或相异。

所述材料生长基片为单一平面片体或贴合在一起的两片平面片体，所述材料生长基片的边缘大于等于所述绝缘体边框的外侧边缘。

所述绝缘体边框为闭合的多边形或圆环形的平面框状架体。

本发明双面材料局域生长装置包括真空反应室及在其内部安装的两个水电极，在两水电极之间设置两个绝缘体边框，用来定义放电气隙厚度以及放电区域，通过更换绝缘体边框，可调节放电气隙厚度或改变放电面积，两个绝缘体边框之间夹持材料生长基片，将放电气隙分为两个，在向真空反应室注入放电气体和化学气相沉积所需气体后，接通等离子体电源，两放电气隙内放电形成等离子体柱，在材料生长基片上有等离子体柱的地方，材料生长的速度要比其他地方快很多，从而形成薄膜材料的局域生长。

本发明是一种用双气隙介质阻挡放电等离子体在隔开两气隙的材料生长基片的两面进行材料局域生长的装置，具有以下优点：

1、本发明材料局域生长装置通过两个绝缘体边框夹持材料生长基片，不存在基片与电极之间的连接问题，基片取下非常容易，并且能够在基片的两面产生相同或不同的薄膜材料。

2、由于本发明材料局域生长装置可以在基片的两面同时进行材料局域生长，因而，在将两个基片并置于两个水电极之间时，就可使每个基片的外侧面生长薄膜材料，这样就可使生产效率提高一倍。

3、通过在两个水电极之间设置不同厚度的绝缘体框架，就可相应调节等离子体放电气隙的厚度，并可在基片的两面产生晶格常数不同且有一定对应关系的斑图，从而在一个基片的两面或是在两个基片的外侧面生长不同的薄膜材料。

本发明的目的之二是这样实现的：一种等离子体气相沉积双面材料局域生长方法，包括以下步骤：

a、通过进气口向真空反应室内注入放电气体，直到真空反应室内的气压达到0.3—1个大气压时为止；

b、接通等离子体电源，控制放电电压达到4—7.8kV、电源频率达到60kHz的放电条件下，两个水电极在由绝缘体边框界定并由材料生长基片分隔的两个放电气隙内产生放电，在材料生长基片的两面形成等离子体斑图；

c、待等离子体斑图稳定后，通过进气口向真空反应室内注入化学气相沉积所需的气体，同时通过抽气口从真空反应室中抽出气体，以控制真空反应室中的气压保持恒定不变，即可在材料生长基片的两面产生薄膜材料的局域生长。

本发明中注入的所述放电气体为空气、氩气或是空气与氩气按任意比例混合的混合气体。

本发明双面材料局域生长方法操作简单，工效成倍提高，并可一次生成相同或不同的薄膜材料。本发明通过两个放电气隙的构置，可在基片的两面进行材料局域生长，方便高效，在工业方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明双面材料局域生长装置的结构示意图。

图2是在两气隙间距相等的条件下所产生的双层等离子体斑图和产生的等离子体柱的局部放大示意图。

图3是在两气隙间距不等的条件下所产生的双层等离子体斑图和产生的等离子体柱的局部放大示意图。

图4是在两气隙间距不等的条件下所产生的双层等离子体超点阵斑图。

图5是在两气隙间距相等和不等两种条件下设置双基片所产生的两种等离子体柱的局部放大示意图。

图中：1、真空反应室，2、铜环，3、放电介质板，4、绝缘体边框，5、材料生长基片，6、水电极，7、等离子体电源，8、放电气隙，9、有机玻璃管，10、进气口，11、抽气口。

具体实施方式

实施例1：等离子体气相沉积双面材料局域生长装置。

如图1所示，在真空反应室1的壁体上开有进气口10和抽气口11，进气口10为三通管口，一个管口连接放电气体的注入装置，另一个管口连接化学气相沉积所需气体的注入装置。在真空反应室1中设置有两个水电极6。

水电极6的构成形式是：在有机玻璃管9的两端封接有放电介质板3，形成圆筒状的密闭电介质容器；在该电介质容器中内置有铜环2，与铜环2相接的引线穿出电介质容器后，连接在设置于真空反应室1外部的等离子体电源7的正极或负极上；在电介质容器内注满水后即形成一个水电极。

两个水电极6安装在真空反应室1中，两个水电极6端部的放电介质板3的板面相对，并且两个水电极6的轴心线在一条直线上。在两个放电介质板3之间夹持有两个绝缘体边框4。两个绝缘体边框4可由玻璃等绝缘体制成，为闭合的四边形、正六边形等多边形平面框架，或是圆环状的平面框架，其厚度为1.0—3.0mm范围之间。绝缘体边框4的作用是定义放电气隙8的厚度和放电区域的大小。两个绝缘体边框4的厚度可以是相同的或是不同的。

在两个绝缘体边框4之间夹持有材料生长基片5，材料生长基片5将两个水电极6之间的放电间隙分隔成两个放电气隙8，两个放电气隙8的形状和厚度可通过更换绝缘体边框4进行调节。材料生长基片5为单一平面片体或是贴合在一起的两片平面片体；材料生长基片5的边缘大于等于绝缘体边框4的外侧边缘，以方便架设和拿取。

等离子体电源7控制水电极6通过放电产生等离子体，水电极6的放电电压由等离子体电源7提供，其幅值和频率可调。

由此即可形成一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置。

实施例2：等离子体气相沉积双面材料局域生长方法。

本发明双面材料局域生长方法是在上述双面材料局域生长装置中进行的，具体包括以下步骤：

a、通过进气口10向真空反应室1内注入放电气体，直到真空反应室1内的气压达到0.3—1个大气压时为止；

b、接通等离子体电源7，控制放电电压达到4—7.8kV、电源频率达到60kHz的放电条件下，两个水电极6在由绝缘体边框4界定并由材料生长基片5分隔的两个放电气隙8内产生放电，在材料生长基片5的两面形成等离子体斑图；

c、待等离子体斑图稳定后，通过进气口10向真空反应室1内注入化学气相沉积所需的气体，同时通过抽气口11从真空反应室1中抽出气体，以控制真空反应室1中的气压保持恒定不变，即可在材料生长基片5的两面产生薄膜材料的局域生长。

本发明中注入的放电气体为空气、氩气或是空气与氩气按任意比例混合的混合气体。注入的化学气相沉积所需气体如果是硅烷（SiH₄），则可根据真空反应室中含氧量的多少而分别制备出硅（Si）薄膜材料或者氧化硅（SiO₂）薄膜材料。

实施例3：两侧放电气隙厚度相同的双面材料局域生长。

在本发明双面材料局域生长装置中，材料生长基片5的厚度为1mm，两个绝缘体边框4是内边长为30mm的正方形平面框架，两个绝缘体边框4的厚度（即两个放电气隙8的厚度）均为1.5mm，注入的放电气体为空气，气压为0.3个大气压，等离子体电源7的电源频率为60kHz，放电电压的峰值为4.8kV，在材料生长基片5上即可产生出六边形双层等离子体斑图，见图2（a）。

注入放电气体的氩气含量为93%、空气含量为7%，气压为1个大气压，放电电压为7.8kV，其他条件与图2（a）的条件相同时，在材料生长基片5上即可产生出四边形双层等离子体斑图，见图2（b）。

图2（c）是图2（a）和图2（b）中纵向连续三个亮点部分所对应的等离子体柱的放大示意图。由该图可见，居中的材料生长基片两侧的放电气隙内的等离子体柱是一一对应的，待斑图稳定后，再向真空反应室1内注入薄膜生长所需的化学气相沉积气体，即可在材料生长基片5的两面生长出对应六边形或者四边形斑图的薄膜材料。在注入化学气相沉积气体时要保持真空反应室中的气压不变。

实施例4：两侧放电气隙厚度不同的双面材料局域生长。

在本发明双面材料局域生长装置中，材料生长基片5的厚度为1mm，两个绝缘体边框4是内边长为30mm的正方形框架，两个绝缘体边框4的厚度分别为1.2mm和2.4mm，注入的放电气体为空气，气压为0.3个大气压，等离子体电源7的电源频率为60kHz，放电电压的峰值为4.6kV，在材料生长基片5上即可产生出超四边形双层等离子体斑图，见图3（a）。

图3（b）是对图3（a）中的双层等离子体斑图在转过45°后从下部顶角向上部顶角的斜向观测视图。两斑图中的白色方框为对应部位。通过图3（b）可以看出，在白色方框的中心位置的放电丝上面还有一段放电丝，这说明，在四边形的中心位置，两层气隙均被击穿，产生双面等离子体柱；而在白色方框的四个顶点位置，只有较薄的一层气隙被击穿，产生单面等离子体柱。由此证明，两侧放电气隙的厚度不同，则在基片两面所产生的等离子体柱是不同的，但存在一定的对应关系。

图3（c）是在两个放电气隙厚度不同的情况下，所产生的等离子体柱的局部放大示意图。由该图可见，居中的材料生长基片两侧的放电气隙内的等离子体柱是不同的。

由图3可见，在此条件下，材料生长基片5两边产生的等离子体柱的晶格常数不等，而且两层等离子体柱有对应关系，从而形成一种超点阵斑图。这样就可以在材料生长基片5的两面生长出晶格常数不同且有对应关系的两种斑图。待斑图稳定后再向真空反应室1内注入薄膜生长所需化学气相沉积气体，即可在材料生长基片5的两面生长出与晶格常数相对应的薄膜。与实施例3相同，在注入化学气相沉积气体时要保持真空反应室1中的气压不变，气压保持在0.3个大气压。

图4 给出的是另外两种两层等离子体柱不对称的斑图，其等离子体柱的局部放大图与图3（c）所示相同。图4（a）的实验条件是：电压4.2kV，其他条件与图3（a）的相同。图4 b的实验条件是：注入的放电气体为33%氩气和67%空气，放电电压为4.0kV，其他条件与图3（a）的相同。

实施例5：双基片的双面材料局域生长。

本实施例中，两材料生长基片5的厚度均为0.5mm，其他条件与实施例3或实施例4对应相同。此种材料生长方式适合只需要在基片一面进行材料局域生长的情况。放电气隙的厚度相同时，可以在两材料生长基片5的外侧面生长相同的斑图，如图5（a）所示；放电气隙的厚度不同时，可以在两材料生长基片5的外侧面生长出不同的斑图，如图5（b）所示。待斑图稳定后，再向真空反应室1内注入薄膜生长所需化学气相沉积气体并保持真空反应室1中的气压恒定，即可在材料生长基片5的两面生长出对应于斑图的薄膜材料。

Claims (5)

1.一种等离子体气相沉积双面材料局域生长装置，其特征是，包括有：

一个真空反应室，在所述真空反应室的壁体上开有进气口和抽气口，通过所述进气口向所述真空反应室内注入放电气体和化学气相沉积所需气体，通过所述抽气口向外抽出气体，以控制所述真空反应室中的气压大小；

两个水电极，安装在所述真空反应室中，两个所述水电极端部的放电介质板的板面相对，并且两个所述水电极的轴心线在一条直线上；

等离子体电源，设置在所述真空反应室的外部，与两个所述水电极分别电连接，以控制所述水电极通过放电产生等离子体；

两个绝缘体边框，夹持在两个所述水电极的放电介质板之间，用于设定放电气隙的厚度和放电面积的大小，两个所述绝缘体边框的厚度相同或相异；以及

材料生长基片，夹持在两个所述绝缘体边框之间，通过等离子体激活气体产生化学气相沉积，在所述材料生长基片的表面生成薄膜材料。

2.根据权利要求1 所述的双面材料局域生长装置，其特征是，所述材料生长基片为单一平面片体或贴合在一起的两片平面片体，所述材料生长基片的边缘大于等于所述绝缘体边框的外侧边缘。

3.根据权利要求2 所述的双面材料局域生长装置，其特征是，所述绝缘体边框为闭合的多边形或圆环形的平面框状架体。

4.一种等离子体气相沉积双面材料局域生长方法，其特征是，包括以下步骤：

a、通过进气口向真空反应室内注入放电气体，直到真空反应室内的气压达到0.3—1个大气压时为止；

b、接通等离子体电源，控制放电电压达到4—7.8kV、电源频率达到60kHz 的放电条件下，两个水电极在由绝缘体边框界定并由材料生长基片分隔的两个放电气隙内产生放电，在材料生长基片的两面形成等离子体斑图；

c、待等离子体斑图稳定后，通过进气口向真空反应室内注入化学气相沉积所需的气体，同时通过抽气口从真空反应室中抽出气体，以控制真空反应室中的气压保持恒定不变，即可在材料生长基片的两面产生薄膜材料的局域生长。

5.根据权利要求4 所述的双面材料局域生长方法，其特征是，所述放电气体为空气、氩气或是空气与氩气按任意比例混合的混合气体。