CN103695867A - 一种微波等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波等离子体化学气相沉积装置。包括由反应腔上盖和反应台组成的反应腔，反应腔下方设置有相连接的矩形波导和同轴波导；同轴波导的中心轴伸入在反应腔内，中心轴的上方同轴固定连接有用于放置衬底的样品台；反应腔上盖的中心开有气体导入口，反应腔上盖的颈部还设置均匀开有进气小孔的水平隔板，水平隔板和反应腔上盖的上端面之间形成气体缓冲混合腔，反应台上相对于样品台的边缘外侧均匀呈圆周分布开有一圈排气通孔。本发明与现有技术相比，更能实现均匀的、高效率的、高质量的沉积薄膜。

Description

一种微波等离子体化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及微波等离子体加工领域，特别涉及一种微波等离子体化学气相沉积装置。

背景技术

微波等离子体是利用微波能将气体电离形成的一种等离子体：在反应腔中的气体在微波能的激发下开始电离，形成由原子、原子团、离子和电子共存的混合物。化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生电离或分解，在衬底表面反应并生成固态薄膜沉积，进而制得固体材料的工艺技术。微波等离子体CVD是利用微波能实现化学气相沉积的一种设备，具有产量大、质量高、成本低的优点，其原理是，利用微波在反应腔中发生共振，在中心形成强的电磁场区域，使该气体电离，形成等离子体，然后在衬底表面上形成固态薄膜沉积。

发明人在实现上述技术的过程中，发现现有技术中存在以下技术问题：

如图1所示，控制导入反应腔的气体流量和流出反应腔的气体流量可以使反应腔中维持规定的工作压强，但由于气体是从反应腔（由反应腔上盖4和反应台9组成）的底部的一侧A进入相对侧B排出的，因此导入反应腔中的气体不能均匀的分布在衬底上表面的区域，且反应过的气体不能及时排出腔体，最终导致不能在衬底上表面形成均匀的、高效率的、高质量的沉积薄膜，不能满足科研和大规模工业化生产的需求。

发明内容

本发明目的是提供一种微波等离子体化学气相沉积装置，与现有技术相比，更能实现均匀的、高效率的、高质量的沉积薄膜。

本发明所采用的技术方案是：一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括由反应腔上盖和反应台组成的反应腔，反应腔下方设置有相连接的矩形波导和同轴波导；同轴波导的中心轴伸入在反应腔内，中心轴的上方同轴固定连接有用于放置衬底的样品台；反应腔上盖的中心开有气体导入口，反应腔上盖的颈部还设置均匀开有进气小孔的水平隔板，水平隔板和反应腔上盖的上端面之间形成气体缓冲混合腔，反应台上相对于样品台的边缘外侧均匀呈圆周分布开有一圈排气通孔。

进一步的，气体缓冲混合腔的中部具有一外凸式环状结构。

进一步的，进气小孔的直径为1毫米。

进一步的，排气通孔的直径为1.5毫米。

本发明微波等离子体化学气相沉积装置通过上述方案，使气体均匀的分布在衬底周围，反应后的气体能及时排出以方便新鲜的反应气体到达衬底表面，最终实现均匀的、高效率的、高质量的沉积薄膜，使之能够满足大规模工业化的生产需求。

附图说明

图1是现有技术微波等离子体化学气相沉积装置的结构示意图；

图2为本发明微波等离子体化学气相沉积装置的第一种结构示意图；

图3为本发明微波等离子体化学气相沉积装置的第二种结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，本发明一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括由反应腔上盖4和反应台9组成的反应腔。反应腔下方设置有相连接的矩形波导1和同轴波导2，矩形波导1为水平向、且用于从微波发生器导入微波并传播TE10单模，同轴波导2为竖直向、且用于耦合并传播TM01模和TM02模。反应台9具有与同轴波导2内腔形状和大小相同的通孔12，通孔12与同轴波导2的出口重合，同轴波导2的中心轴10通过通孔12伸入在反应腔内。

中心轴10的上方同轴固定连接有用于放置衬底13的样品台11，样品台11和反应台9之间密封连接有环形的石英窗3。石英窗3的上边缘与样品台11密封连接，下边缘与反应台9密封连接。之所以选择石英窗，是因为该材料可以较小的阻碍微波的传递，使用石英仅仅是最优的解决方案之一，也可以采用其他具有相同功能的材料，除此之外，石英窗密封连接还可以起到隔离大气，维持反应腔内低气压工作环境的作用。反应腔上盖4的中心开有气体导入口5，反应腔上盖4的颈部还设置均匀开有多个进气小孔7的水平隔板6，水平隔板6和反应腔上盖4的上端面之间形成气体缓冲混合腔，反应台9上相对于样品台11的边缘外侧均匀呈圆周分布开有一圈排气通孔8。优选的，各进气小孔7的直径均为1毫米，各排气通孔8的直径均为1.5毫米。

本发明的工作原理是：微波经过矩形波导1和同轴波导2后形成TM01模和TM02模，其穿过石英窗3进入反应腔内，然后沿着样品台11底部由中心径向向外传播，当传播至样品台11的下表面边缘时，沿样品台11的边缘绕射传播至样品台11的上表面边沿，然后由四周向中心径向汇聚，在样品台11的上方的衬底13上表面区域形成强电场，进而使反应气体电离形成等离子体。另一方面：反应气体通过气体导入口5进入，然后进入气体缓冲混合腔，气体经过短暂的缓冲后更加均匀，然后通过水平板6上开设的进气小孔7往下运动，均匀开设的进气小孔7使气体更为均匀的流动到衬底表面13表面附近，然后在微波场较强的区域产生电离，形成均匀的等离子体，此后，气体通过在反应台9上开设的排气通孔8排出反应腔。

需要注意的是，在样品台11的内部需要加入冷却装置，以保持衬底上表面具有最佳的温度。

该装置工作时，需要接入微波，因此需要在矩形波导1的接口处设置圆形的连接盘14，以导入微波进入反应腔内。

本发明在反应腔顶部均匀设置气体导入口5，气体再经气体缓冲混合腔后从进气小孔7进入在位于样品台11上方的强电场区域被电离，使气体均匀的分布在衬底表面区域，再经均匀设置在反应台9上的排气通孔8排出反应腔。一方面，在反应腔内气体从上到下的流向保证了气体在衬底表面分布均匀，不会造成沉积不均匀；另一方面，在保持尽量少的装置元件的条件下（即不需要额外设置气体流出元件，只需要在现有的反应台9上开孔作为排气通孔8），且排气通孔8紧邻样品台11的边缘外侧设置，使反应后的气体能及时流出反应腔，保证了沉积效率，增加气体利用率，使之能够满足大规模工业化的生产需求。

反应腔的压力通过控制气体导入的总量和气体排出口外总排气管道处设置的压力控制器来调节。

实施2

如图3所示，本实施例中，气体缓冲混合腔的中部具有一外凸式环状结构。显然，上述外凸式环状结构是本实施例与实施例1的唯一区别，其他结构均相同。通过上述方案，扩大了体缓冲混合腔的横向空间，气体在进入气体缓冲混合腔时受到凸式环状侧壁的作用向中心流动，对冲式的效能混合方式能使气体混合的更充分，从而保证衬底表面上生长的薄膜质量更好。

本发明提供的一种微波等离子体化学气相沉积装置，通过上述方案，改善了沉积成膜的效果和效率，提高了质量，增加了均匀度。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括由反应腔上盖（4）和反应台（9）组成的反应腔，所述反应腔下方设置有相连接的矩形波导（1）和同轴波导（2）；所述同轴波导（2）的中心轴（10）伸入在所述反应腔内，所述中心轴（10）的上方同轴固定连接有用于放置衬底（13）的样品台（11）；所述反应腔上盖（4）的中心开有气体导入口（5），所述反应腔上盖（4）的颈部还设置均匀开有进气小孔（7）的水平隔板（6），所述水平隔板（6）和反应腔上盖（4）的上端面之间形成气体缓冲混合腔，所述反应台（9）上相对于样品台（11）的边缘外侧均匀呈圆周分布开有一圈排气通孔（8）。

2.根据权利要求1所述的一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体缓冲混合腔的中部具有一外凸式环状结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述进气小孔（7）的直径为1毫米。

4.根据权利要求3所述的一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述排气通孔（8）的直径为1.5毫米。

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