CN104152869B - 等离子体薄膜沉积装置及沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体薄膜沉积装置及沉积方法，该装置包括腔体、供气系统、等离子体喷枪系统、抽真空系统、射频电源系统和压力控制系统，所述腔体中设置有样品台；所述等离子体喷枪系统与所述供气系统连通；所述抽真空系统与所述腔体连通；所述压力控制系统与所述腔体连通，在所述压力控制系统中设置有压力控制阀；所述压力控制系统控制所述腔体的压力为0.05kPa至10kPa。本发明的等离子体薄膜沉积装置将腔体的压力控制在0.05kPa至10kPa之间，能够实现薄膜的高效、快速、低温沉积。

Description

等离子体薄膜沉积装置及沉积方法

技术领域

本发明涉及薄膜加工技术领域，特别是涉及一种等离子体薄膜沉积装置以及采用该沉积装置的沉积方法。

背景技术

低压等离子化学气相沉积技术(LPCVD)和热化学气相沉积法技术(TCVD)技术是常规的两种用来制备高质量薄膜的技术。LPCVD的压力一般在0.1kPa以下，因为其低的气体密度，其外延生长速度较低，例如，RF-驱动等离子体增强CVD(PECVD)、电子回旋共振化学气相沉积(ECR-CVD)、Remote-PECVD等的生长速率一般在20nm/min以下，无法达到薄膜的高速沉积要求。以常压CVD(APCVD)为代表的TCVD作为工业上最主要的快速沉积技术，其薄膜的生长速度达到几十纳米/秒的量级。最新报道的使用SiHCl₃作为源气体，硅薄膜的外延生长达到了120nm/s的速度，基本能够满足沉积速率方面的要求。但是，以上过程中，TCVD的化学产率较低，在理论上和实际上都限制在30％以下，会导致原材料的较大浪费，并且TCVD一般工作在高达1000℃以上的温度以实现快速沉积，较高的沉积温度限制了衬底的使用，因为较高的沉积速度不仅会带来严重的自掺杂效应，也会导致衬底杂质大量扩散进入薄膜层，致使薄膜层质量下降。

发明内容

基于上述不足，本发明提供了一种能够提高薄膜沉积速度同时提高化学产率和降低衬底温度的等离子体薄膜沉积装置及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种等离子体薄膜沉积装置，包括：

腔体，所述腔体中设置有样品台；

供气系统，所述供气系统包括气源、流量控制装置和气体导入管；所述气源与所述气体导入管连通，所述流量控制装置设置在所述气体导入管上；

等离子体喷枪系统，所述等离子体喷枪系统与所述气体导入管连通，所述等离子体喷枪系统的另一端与所述腔体连通；

抽真空系统，所述抽真空系统与所述腔体连通；

用于激发等离子体气体从而产生等离子体的射频电源系统；以及

压力控制系统，所述压力控制系统与所述腔体连通，在所述压力控制系统中设置有压力控制阀；所述压力控制系统控制所述腔体的压力为0.05kPa至10kPa。

较优的，所述射频电源系统包括射频电感线圈和射频电源，所述射频电感线圈与所述射频电源连接，所述射频电源的功率为5kw至40kw，所述射频电源的频率为2MHz至40MHz。

较优的，所述等离子体喷枪系统包括冷却系统；

所述冷却系统包括第一冷却结构和/或第二冷却结构；

其中所述第一冷却结构中设置有适于气体通过的第一通孔，且在所述第一冷却结构中设置有第一冷却液；

所述第二冷却结构中设置有与所述第一通孔连通的第二通孔，所述第二通孔与所述腔体连通；且在所述第二冷却结构中设置有第二冷却液。

较优的，所述第一冷却结构的端部伸入所述第二通孔，且所述第一冷却结构的端部的位置高于所述射频电感线圈的位置或者与所述射频电感线圈的最靠近所述第一冷却结构的线圈的位置平齐。

较优的，所述第一冷却结构中还设置有气体延伸管，所述气体延伸管与所述第一冷却结构的第一通孔连通，所述气体延伸管的长度大于所述第一冷却结构的长度。

较优的，所述射频电感线圈环绕所述第二冷却结构的外壁设置。

较优的，所述气体导入管包括第一气体导入管和第二气体导入管，所述第一气体导入管与所述第一通孔连通；

在所述第二冷却结构的侧壁上设置有气体入口，所述第二气体导入管与所述气体入口连通。

较优的，所述腔体和/或所述样品台上均设置有冷却装置。

一种采用上述的等离子体薄膜沉积装置的沉积方法，包括如下步骤：

将衬底放入腔体的样品台上；

对所述腔体进行抽真空处理，使所述腔体达到目标真空度；

向所述腔体中通入等离子体气体；

调节所述腔体的压力为0.05kPa至10kPa，并保持恒定；

打开射频电源系统的电源，并调节所述电源的功率为设定功率；

向所述腔体中通入反应气体；

在所述衬底上沉积薄膜。

较优的，，所述等离子体气体为惰性气体或惰性气体与反应气体的混合物。

本发明的有益效果是：本发明的等离子体薄膜沉积装置将腔体的压力控制在0.05kPa至10kPa之间，能够实现薄膜的高效、快速、低温沉积，尤其适用于半导体工业中的薄膜沉积。本发明的沉积方法利用中压等离子体来进行薄膜沉积，中压等离子体的离子轰击损伤少、热损伤少，其化学成分主要以原子态存在，实现了高质量薄膜的快速沉积。

附图说明

图1为本发明中的一个实施例的放电等离子体中压力与电子温度以及气体温度的对应曲线图；

图2为本发明的等离子体薄膜沉积装置的一个实施例的整体示意图；

图3为图2所示的等离子体薄膜沉积装置中的第一冷却结构的一个实施例的整体示意图；

图4为图2所示的等离子体薄膜沉积装置中的第一冷却结构的另一实施例的整体示意图；

图5为本发明的等离子体薄膜的沉积过程的一个实施例的示意图；

图6为本发明的等离子体薄膜沉积装置的另一实施例的整体示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1，发明人研究了放电等离子体中压力与电子温度以及气体温度的关系，在小于10^-2kPa时，气体温度较低而电子温度较高，随着压力的增加，气体温度逐渐升高，电子温度逐渐降低，最后趋于一致。为了保证沉积速率同时降低衬底温度，发明人认为0.05kPa至10kPa即本发明中的中压是合适的沉积速率压力范围。如图1中所示，中压等离子体的工作压力一般在0.05kPa-10kPa的范围内，处在低压和高压的中间区域，因此也具有相对较高的等离子体流。另外，与低压等离子体技术相比，它具有较低的电子温度，Te<1eV；与高压等离子体(热等离子体)相比，它具有相对较低的气体温度，Tg∈(1000,5000)K。因为这些特性，该等离子体中的化学组分主要以原子态存在，解决了由于离子轰击和热损伤而导致的膜质变差的问题，能够得到低温、高速沉积的高质量的薄膜。

参见图2，本发明提供一种等离子体薄膜沉积装置，包括：

腔体100，所述腔体100中设置有样品台110；

供气系统，所述供气系统包括气源210、流量控制装置600和气体导入管200，所述气体导入管200的进气端与气源210连通，所述流量控制装置设置在所述气体导入管200上；其中气体导入管200泛指通气管路，流量控制装置可以是气体流量计；

等离子体喷枪系统，所述等离子体喷枪系统与所述气体导入管210的出气端连通；所述等离子体喷枪系统与所述腔体100连通；较优的所述等离子体喷枪位于腔体的顶部；

抽真空系统400，所述抽真空系统400与所述腔体100连通；

用于激发等离子体气体(本实施例中的等离子体气体是能够产生等离子体的工艺气体)从而产生等离子体的射频电源系统320；以及

压力控制系统500，所述压力控制系统500与所述腔体100连通，在所述压力控制系统中设置有压力控制阀510；所述压力控制系统500控制所述腔体100的压力为0.05kPa至10kPa。

本实施例中的腔体是整个等离子体薄膜沉积发生装置的主体部分，样品台设置在腔体中，整个沉积过程均在腔体中进行，等离子体喷枪系统产生的等离子体和反应气体均进入腔体中，同时利用抽真空系统控制腔体的真空度，并且利用压力控制系统控制腔体在薄膜沉积过程中的压力。本实施例中的等离子体薄膜沉积装置与现有的薄膜沉积装置最大的不同之处在于其主要是将腔体的压力控制在0.05kPa至10kPa。在等离子体沉积方法中，该压力范围为中压。从气体导入管导入的气体在等离子体喷枪内通过电感耦合线圈的激发产生等离子体。该等离子体的压力为0.05kPa至10kPa之间，处于高压等离子体(＞10kPa)和低压等离子体(＜0.01kPa)之间，中压等离子体的电子温度和气体温度都相对较低，同时具有相对较高的等离子体密度和低的电子温度，并且气体组分主要以原子态的形式存在。通入的反应气体在等离子体中心分解后，气体原子即沉积原子随着等离子体流快速输送到衬底表面，并且在衬底表面的热边界层内迅速冷凝形成纳米团簇。当热边界层的厚度足够的小(如<100μm)时，气体原子所形成的纳米团簇的尺寸足够小，且具有松散的结构。当该纳米团簇高速撞击到衬底表面后，原子能实现自发的迁移和重新排列，从而实现薄膜的快速沉积。本发明中的等离子体的薄膜沉积过程如图5所示。当本发明的等离子体薄膜沉积装置沉积硅薄膜时其沉积速率大于10μm/min，同时沉积过程中的化学产率在50％以上，衬底温度低于700℃，减少了工艺时间，降低了生产成本，同时较低的衬底温度可以减少杂质原子的掺入，提高了产品质量。

应当说明的是，本实施例中的压力控制阀能够自动控制腔体中的压力为预设值，本实施例的一个优选例为压力控制阀510采用蝶阀，当腔体内部压力发生变化时，如等离子体发生引起气体膨胀，蝶阀的开启角度便会根据预设压力值自动调节，从而保持腔体内压力恒定。并且，本实施例中的压力控制系统同时还可以处理沉积完毕之后的尾气。

较佳的，作为一种可实施方式，参见图2，所述射频电源系统320包括射频电感线圈321、电源匹配器和射频电源322，所述射频电感线圈321、电源匹配器与所述射频电源322依次连接，其中所述射频电源系统用于激发等离子体气体以产生等离子体。本实施例中的等离子体是由射频电源作用于射频电感线圈对导入的等离子体气体激发而产生的，是电感耦合等离子体。更优的，所述射频电源的功率为5kw至40kw，所述射频电源的频率为2MHz至40MHz。射频电感线圈的匝数为3圈至6圈，本实施例可以通过改变加载在射频电感线圈上的射频功率来改变等离子体的温度，一般的位于等离子体喷枪系统中心的气体温度为1000℃至6000℃。该中压等离子体具有较高的蒸发、原子化和激发能力，并且无电极放电，无电极玷污。采用射频电源系统有利于在本发明的中压条件下形成较高密度的等离子体流。

一般的，等离子体喷枪系统可以是一个用于导流气体的导管，导管外壁上设置有射频电感线圈。较佳的，作为一种可实施方式，参见图2，所述等离子体喷枪系统包括冷却系统310，所述冷却系统310与所述气体导入管200的出气端连通；所述冷却系统310包括第一冷却结构311；所述第一冷却结构311中设置有第一通孔3111，所述第一冷却结构中设置有循环流动的第一冷却液。参见图3，本实施例中的所述第一冷却结构311包括与所述气体导入管连通的底座3112和与所述底座连接的圆柱形主体3113，所述底座3112和所述圆柱形主体3113的中部设置有第一通孔3111，第一冷却液充满底座3112和圆柱形主体3113。

更优的，所述冷却系统310还包括第二冷却结构312；所述第二冷却结构312中设置有贯通所述第二冷却结构312的第二通孔3121；所述第二通孔与所述腔体连通，且所述第一冷却结构311的圆柱形主体3113伸入所述第二通孔3121；所述第二冷却结构312中设置有循环流动的第二冷却液。

更优的，所述第一冷却结构311的端部伸入所述第二通孔3121，且第一冷却结构311的端部的位置不低于射频电感线圈的最靠近第一冷却结构的线圈的位置。本实施例中第一冷却结构的一部分伸入第二通孔，这样可以保证冷却效果。本实施例中采用第一通孔3111和第二通孔3121作为气体通道，同时在气体通道外侧设置了冷却液，这样可以保护等离子体薄膜沉积装置，避免等离子体流的高温损坏装置。

本实施例采用了两个冷却结构，从气体导入管进入的等离子体气体和/或反应气体需要依次经过第一冷却结构和第二冷却结构，设置两个冷却结构的目的是为了降低本发明的等离子体薄膜沉积装置的温度，从而保护等离子体薄膜设备。第一冷却结构和第二冷却结构均为套筒结构，从气体导入管进入的气体先进入第一通孔，由于第一冷却结构伸入所述第二冷却结构的第二通孔中，第一通孔与第二通孔连通，气体随之进入第二通孔。本实施例中在第一冷却结构中设置有循环流动的第一冷却液，这是由于虽然射频电源系统设置在第二冷却结构的外侧，但是产生的等离子体向电感线圈两侧延伸，使得第一冷却结构浸没在等离子中，为了保护第一冷却结构，需要对其进行冷却；而当气体在第二冷却结构的第二通孔中被电离为等离子体时，等离子体的温度很高，第二冷却结构中的第二冷却液的温度升高的很快，为了保证第二冷却结构的冷却效果，本实施例采用循环流动的第二冷却液。第一冷却结构可以由导热性能较好的无氧铜制成，第二冷却结构可以由石英玻璃制成，也可以是氮化硅管和石英玻璃管配合使用。本实施例中的第一和第二冷却液均为循环冷却水。

较佳的，作为一种可实施方式，参见图4，本实施例中的所述第一冷却结构311中还设置有气体延伸管3114，所述气体延伸管3114与所述第一冷却结构311的第一通孔3111连通，所述气体延伸管的长度大于所述第一冷却结构的长度，较优的，所述气体延伸管3114的端部位于所述射频电感线圈321的最靠近第一冷却结构的线圈的中心。本实施例中的气体延伸管的大小、位置和长度均可调。应当说明的是，气体延伸管3114可以与底座3112和圆柱形主体3113一体成型。所述气体延伸管3114的端部位于所述射频电感线圈321的最靠近第一冷却结构的线圈的中心，气体从气体延伸管出来后立即进入射频电感线圈321的电感范围形成等离子体流，能够更好的保护装置。更优的，在气体延伸管上也设置有水冷装置。

较佳的，作为一种可实施方式，所述射频电感线圈321环绕所述第二冷却结构312的外壁设置。这样射频电源系统激发产生的等离子体流均位于第二冷却结构的冷却区域，能够避免等离子体的高温对本发明装置的损害。

较佳的，作为一种可实施方式，参见图2，可以设置一个气体导入管200，此时等离子体气体和反应气体均通过该气体导入管进入冷却系统，或者参见图6，可以设置多个气体导入管，所述气体导入管包括第一气体导入管220和第二气体导入管230，所述第一气体导入管220与所述第一通孔3111连通；在所述第二冷却结构312的侧壁上设置有气体入口，所述第二气体导入管230与所述气体入口连通。其中，第二气体导入管230的数量至少为1个。本实施例中设置有两个第二气体导入管230，两个第二气体导入管均与第二冷却结构312的第二通孔3121连通。参见图6，第一冷却结构伸入第二冷却结构的部分与第二通孔3121的侧壁有间隙，气体从该间隙中进入，这样能对第二冷却结构的内壁起到保护作用。设置多个气体导入管可以使反应气体和等离子体气体分别通入，有利于控制等离子体气体和反应气体的比例和流量。用于激发产生等离子体的等离子体气体从第一气体导入管进入即从第一冷却结构的顶部进入，反应气体从第二气体导入管进入即从第二冷却结构的侧面进入。较优的，第二气体导入管的数量大于等于2。

较佳的，作为一种可实施方式，所述腔体100的外壁上设置有第一冷却装置，所述样品台110上设置有第二冷却装置。本实施例在腔体的外壁上也设置有第一冷却装置，可以避免因辐射导致的腔体温度过高的问题，从而保护腔体。进一步的，本发明在样品台上设置了第二冷却装置，第二冷却装置可以是循环冷却水，同时可以在衬底与样品台之间放置具有一定厚度的导热材料，通过设置不同厚度的不同导热系数的导热材料，以及调节第二冷却装置的循环冷却水的不同流量可以调节衬底的温度。

较佳的，作为一种可实施方式，所述抽真空系统400包括分子泵，在分子泵和腔体100之间还设置有闸板阀410。

本发明还提供了一种采用上述的等离子体薄膜沉积装置的沉积方法，包括如下步骤：

S100：将衬底放入腔体100的样品台110上；衬底在放入前分别经过丙酮、异丙酮和去离子水的超声清洗；进一步的，本步骤中还包括调节样品台高度的步骤，衬底表面与等离子体喷枪出口的距离为30mm～60mm。

S200：采用抽真空装置400对所述腔体100进行抽真空处理，使所述腔体达到目标真空度，一般的真空度为10^-4至10^-6Pa；

S310：向所述腔体100中通入等离子体气体；通过压力控制系统500调节所述腔体100的压力为0.05kPa至10kPa，并保持恒定；

S400：打开射频电源系统320的电源，并调节所述电源的功率为设定功率；

S510：首先利用等离子体对衬底表面进行短暂的清洗以去除表面氧化层；

S520：向所述腔体100中通入反应气体；

S530：在所述衬底上沉积薄膜。

本发明的方法是通过电感耦合的方式产生等离子体并通过等离子体喷涂的方式将沉积原子运输至衬底表面，实现了薄膜的快速沉积。

需要说明的是，反应气体可以和等离子体气体一起通入，也可以混合通入。即步骤S520可以在步骤S310和S400之间进行。本实施例中优选先通入等离子体气体并采用等离子体对衬底进行清洗后再通入反应气体沉积薄膜。

参见图5，通入的反应气体首先在等离子体中心区域(喷枪中心位置)彻底分解，分解后的气体原子在等离子体流的携带下，快速运输至衬底表面。在等离子体与衬底表面之间因为温度梯度存在一层热边界层。运往衬底表面的沉积原子在热边界层内迅速冷凝形成纳米团簇，并且通过调节热边界层的厚度可以调节纳米团簇的尺寸和特性。由于热边界层的厚度足够的小，所形成的纳米团簇的尺寸在1-3nm之间，且具有松散的结构。当其在高速撞击到衬底表面后，原子能实现自发的迁移和重新排列，从而实现薄膜的快速外延沉积生长。该过程中松散结构纳米团簇的形成和原子在衬底表面的自发迁移和重新排列是中压等离子体技术区别于其他等离子体喷涂技术的重要特点，也是利用该技术实现快速沉积薄膜的关键之处。

较佳的，所述等离子体气体为惰性气体或惰性气体与反应气体的混合物。

本发明的沉积方法沉积的薄膜可以是单晶、多晶或非晶结构。一般的薄膜的沉积速率大于10μm/min，同时沉积过程中的化学产率在50％以上，衬底温度低于700℃。

实施例1

(1)将清洗后的(100)晶面的单晶硅片作为衬底安装在沉积腔室的样品台上；

(2)调节样品台的高度，使衬底表面与等离子体喷枪的出口距离为30mm；

(3)开启抽真空系统，将沉积腔室抽真空至10^-5Pa的本底真空度；

(4)开启压力控制系统，向等离子喷枪中通入流量为21slm的高纯Ar和0.6slm的高纯H₂，并通过压力控制系统使沉积腔室内的压力达到800Pa；

(5)打开射频电源，并调节功率至28kW，产生等离子体；

(6)向等离子喷枪中通入流量为300sccm的，SiHCl₃气体在等离子喷枪中分解；

(7)混合气体分解产生的Si原子在等离子体的携带下进入沉积腔室，沉积在衬底表面，沉积厚度为60微米；

(8)沉积结束后，关闭SiHCl3和H2、关闭射频电源、关闭Ar。

本实施例中的薄膜的沉积速率为31μm/min，衬底温度为561℃，化学产率为56％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，包括：

腔体，所述腔体中设置有样品台,所述样品台上设置有冷却装置；

供气系统，所述供气系统包括气源、流量控制装置和气体导入管；所述气源与所述气体导入管连通，所述流量控制装置设置在所述气体导入管上；

等离子体喷枪系统，所述等离子体喷枪系统与所述气体导入管连通，所述等离子体喷枪系统的另一端与所述腔体连通；

抽真空系统，所述抽真空系统与所述腔体连通；

用于激发等离子体气体从而产生等离子体的射频电源系统；以及

压力控制系统，所述压力控制系统与所述腔体连通，在所述压力控制系统中设置有压力控制阀；所述压力控制系统控制所述腔体的压力为0.05kPa至10kPa，

所述射频电源系统包括射频电感线圈和射频电源，所述射频电感线圈与所述射频电源连接，所述射频电源的功率为5kW至40kW，所述射频电源的频率为2MHz至40MHz。

2.根据权利要求1所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述等离子体喷枪系统包括冷却系统；

所述冷却系统包括第一冷却结构和/或第二冷却结构；

其中所述第一冷却结构中设置有适于气体通过的第一通孔，且在所述第一冷却结构中设置有第一冷却液；

所述第二冷却结构中设置有与所述第一通孔连通的第二通孔，所述第二通孔与所述腔体连通；且在所述第二冷却结构中设置有第二冷却液。

3.根据权利要求2所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述第一冷却结构的端部伸入所述第二通孔，且所述第一冷却结构的端部的位置高于所述射频电感线圈的位置或者与所述射频电感线圈的最靠近所述第一冷却结构的线圈的位置平齐。

4.根据权利要求3所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述第一冷却结构中还设置有气体延伸管，所述气体延伸管与所述第一冷却结构的第一通孔连通，所述气体延伸管的长度大于所述第一冷却结构的长度。

5.根据权利要求3所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述射频电感线圈环绕所述第二冷却结构的外壁设置。

6.根据权利要求3所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述气体导入管包括第一气体导入管和第二气体导入管，所述第一气体导入管与所述第一通孔连通；

在所述第二冷却结构的侧壁上设置有气体入口，所述第二气体导入管与所述气体入口连通。

7.根据权利要求1所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述腔体设置有冷却装置。

8.根据权利要求1所述的等离子体薄膜沉积装置，其特征在于，所述样品台上设置有导热材料。

9.一种采用权利要求1至8任意一项所述的等离子体薄膜沉积装置的沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：

将衬底放入腔体的样品台上；

对所述腔体进行抽真空处理，使所述腔体达到目标真空度；

向所述腔体中通入等离子体气体；

调节所述腔体的压力为0.05kPa至10kPa，并保持恒定；

打开射频电源系统的电源，并调节所述电源的功率为设定功率；

向所述腔体中通入反应气体；

在所述衬底上沉积薄膜。

10.根据权利要求9所述的沉积方法，其特征在于，所述等离子体气体为惰性气体或惰性气体与反应气体的混合物。