CN104357810A - 一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备 - Google Patents

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Abstract

一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，属于等离子技术领域，该设备包括真空腔室，真空腔室上固定安装有同轴微波等离子体源，包括微波发生器、波导、同轴线变换器、石英管和内电极，其中，石英管位于真空腔室内部且固定安装于真空腔室两侧壁上，同轴线变换器通过真空腔室外侧壁同轴对称固定安装于石英管两端，同时同轴线变换器通过波导与微波发生器相连，内电极穿过石英管并固定在同轴线变换器上，内电极、同轴线变换器、石英管三者同轴，设备中还设置了等离子体的电子密度和电子温度测试的仪器，以及功率和气压自动控制设备和系统，可以获得稳定的、可控性强的等离子体，可实现高效、稳定、均匀的沉积薄膜，该设备生产效率高，生产成本低。

Description

一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备
技术领域
本发明属于等离子技术领域，特别涉及一种微波等离子体沉积薄膜的设备。 
背景技术
伴随着微波等离子体在半导体薄膜材料制备中的应用，以及半导体薄膜材料尤其是液晶显示材料和太阳能电池趋于大面积(＞30cm2)化的发展，生产大面积(>30cm2)半导体薄膜材料是未来半导体工业尤其是液晶显示材料和太阳能电池的发展方向。 
然而，传统的电容耦合等离子源(capacitively coupled plasma,CCP)已远远不能满足要求，微波激发等离子体放电有几种不同的方法： 
(1)微波能与等离子发生器相耦合。例如在反应器壁上通过一个带有窗口的喇叭形天线来把装置分隔成高低压两部分。在天线的周围产生等离子体，但只能通过增大喇叭天线和窗口来增大等离子体。而通常情况下是不均匀的。 
(2)可以通过电子回旋共振机制来增大距离天线和发生器壁较远区域的低压等离子。但这只局限应用于低气压的情况。 
(3)有一种微波等离子体源可以在一个方形波导的窄边处输出耦合微波能，在方形波导的窄边处等离子可以通过合适的窗口来屏蔽。波导的长度主要决定了等离子体的线形延伸程度。等离子体的均匀性主要是受场附近微波辐射的影响。 
发明内容
本发明的目的是克服以上现有技术的不足，提供一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，该设备设置同轴的微波等离子体源，可以产生沿轴向呈线形分 布的等离子，在这种等离子体源中，等离子体本身也是微波传输必须的介质，同轴线波导在放电腔中实现外放电，等离子体形成于同轴线外部的低压区域，同时也充当外导体的作用，实现稳定放电，而得到高度径向对称的高密度等离子体。设备中还设置了等离子体的电子密度和电子温度测试的仪器，以及功率和气压自动控制设备和系统，可以获得稳定的、可控性强的等离子体，可实现高效、稳定、均匀的沉积薄膜，该设备生产效率高，生产成本低。 
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，包括真空腔室，其特征在于，所述真空腔室上固定安装有同轴微波等离子体源，所述同轴微波等离子体源包括微波发生器、波导、同轴线变换器、石英管和内电极，其中，石英管位于真空腔室内部且固定安装于真空腔室两侧壁上，同轴线变换器通过真空腔室外侧壁同轴对称固定安装于石英管两端，同时同轴线变换器通过波导与微波发生器相连，内电极穿过石英管并固定在同轴线变换器上，内电极、同轴线变换器、石英管三者同轴，真空腔室顶部设置有进气管； 
真空腔室底部、顶部或侧部的至少一个位置上活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
真空腔室侧壁上固定安装有诊断测试装置，等离子体探针一端连接于诊断测试装置上，其另一端伸入真空腔室内部，真空腔室侧壁上还连接有真空管道，真空装置连接于真空管道之上，真空管道上安装有阀门控制装置和气压测试仪； 
反馈控制系统分别与微波发生器、诊断测试装置、阀门控制装置和气压测试仪连接； 
所述真空腔室和内电极上设置有冷却水管道，且真空腔室壁上安装有腔室 冷却水入口和腔室冷却水出口，内电极壁上安装有内电极冷却水入口和内电极冷却水出口。 
所述微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为连续模式或脉冲模式，连续模式最大输出功率为2000W，脉冲模式的峰值功率为4000W。 
所述内电极为导电金属管，其材料为铜。 
所述腔室冷却水出口的水平位置高于腔室冷却水入口。 
所述真空腔室壁上还安装有反应气体进气管。 
所述真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是一组或者至少两组水平平行等间距布置。 
所述支撑台上设置有加热器，加热器与温度控制器相连。 
所述试样台还与偏压电源连接。 
所述进气管下端安装有至少一根导气管，导气管水平固定且每根导气管开设至少一个通气狭缝，或者至少2个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。 
本发明设备的有益效果为： 
(1)本设备将微波由同轴线两端同时输入，可获得在轴向和径向都均匀的等离子体。若把多个同轴线平行放置于放电腔中，则可以很容易的成倍扩大均匀等离子体的面积，具有广阔的应用前景。 
(2)设备中，石英管外部产生的等离子体与作为微波发射天线的内电极导电棒两者一同构成了同轴波导，它不仅构成了微波负载，同时也起着传输微波能量的作用。通过调节输入的微波的耦合程度以及气体的压力，可产生大面积、均匀等离子体。 
(3)在等离子体下游区域导入介质气源，气体在微波等离子体作用下分解并在样品台上沉积、生长形成薄膜材料，设备配置的探针诊断系统可在等离子 体上下游区移动，以诊断放电室等离子体的空间分布情况，并反馈到反馈控制系统，该系统实时监测等离子体电子密度和电子温度，还有气压大小，根据生产需要自动调节微波发生器的功率和真空管道上阀门的大小，实时控制真空腔体内的等离子体的密度和气压，实现实时、有效的过程控制。 
附图说明
图1是一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备结构示意图。 
图2是采用图1中设备进行微波等离子体沉积薄膜实验中电子密度Ne分布图。 
图3是采用图1中设备进行微波等离子体沉积薄膜实验中电子温度Te分布图。 
图中：1微波发生器，2波导，3同轴线变换器，4石英管，5导气管、6进气管，7内电极，8内电极冷却水入口，9反应气体进气管，10真空腔室，11支撑台，12加热器，13绝缘层，14等离子体探针，15温度控制器，16位置调节装置，17位置控制装置，18试样台，19真空管道，20阀门控制装置，21气压测试仪，22真空装置，23腔室冷却水入口，24诊断测试装置，25反馈控制系统，26腔室冷却水出口，27内电极冷却水出口，28偏压电源 
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于具体实施例。 
实施例1 
如图1所示的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，包括真空腔室，真空腔室上固定安装有同轴微波等离子体源，同轴微波等离子体源包括微波发生器、波导、同轴线变换器、石英管和内电极，其中，石英管位于真空腔室内部且固定安装于真空腔室两侧壁上，同轴线变换器通过真空腔室外侧壁同轴对称 固定安装于石英管两端，同时同轴线变换器通过波导与微波发生器相连，内电极穿过石英管并固定在同轴线变换器上，内电极、同轴线变换器、石英管三者同轴，真空腔室顶部设置有进气管，放电气体Ar、O2、H2或N2的一种或几种以及反应气体SiH4和/或CH4通过进气管进入腔室中。 
该设备微波同轴等离子体源通过外部触发产生频率为2.45GHz的微波。经过波导和同轴线变换器及内电极后，微波由同轴线两端同时输入充有特定成分气体的真空腔室。在石英管外实现外放电，得到高度径向对称的高密度等离子体，内电极为导电铜管。 
石英管外部产生的等离子体与作为微波发射天线的铜导体棒两者一同构成了同轴波导。 
真空腔室底部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层；支撑台上设置有加热器，加热器与温度控制器相连，可以实现对工件的加热和温度控制，支撑台最高可加热到600℃，试样台还与偏压电源连接，同时可施加-200V到+200V偏压，试样台上放置工件进行镀膜，试样台可以上下运动，实现了工件可控、有效的镀膜。 
真空腔室侧壁上固定安装有诊断测试装置24，等离子体探针14一端连接于诊断测试装置上，其另一端伸入真空腔室内部，真空腔室侧壁上还连接有真空管道19，真空装置22连接于真空管道之上，真空管道上安装有阀门控制装置20和气压测试仪21，阀门控制装置包括闸板阀及控制器，气压测试仪为真空计。 
反馈控制系统25分别与微波发生器1、诊断测试装置24、阀门控制装置20和气压测试仪21连接。 
设备中的等离子体探针可在等离子体上下游区移动，以诊断真空腔室等离子体的空间分布情况，并反馈到反馈控制系统，该系统实时监测等离子体电子密度和电子温度，设备中的气压测试仪可以测试真空腔室的气压大小，根据生产需要反馈控制系统控制调节微波源的输出功率，实时控制真空腔体内的等离子体的密度，气压测试仪实时监测真空室的气压并反馈给反馈控制系统，反馈控制系统通过真空管道上阀门控制装置控制真空的抽速，从而控制气压大小，整体实现实时、有效的过程控制。 
真空腔室壁10和内电极7上设置有冷却水管道，且真空腔室壁上安装有下部冷却水入口23和下部冷却水出口26，内电极7壁上安装有内电极冷却水入口8和内电极冷却水出口27，腔室冷却水出口的水平位置高于腔室冷却水入口。 
微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为连续模式，连续模式最大输出功率为1000W。 
真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是一组。 
进气管下端安装有一根导气管，导气管水平固定且开设一个通气狭缝，以形成气帘式通气。 
真空腔室壁上还安装有反应气体进气9，反应气体SiH4和/或CH4可以通过此进气管进入真空腔室。 
实施例2 
与实施例1内容相同，不同的技术参数为： 
(1)真空腔室底部和顶部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
(2)微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为连续模式， 连续模式最大输出功率为1500W。 
(3)真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是4组水平平行等间距布置。 
(4)进气管下端安装有3导气管，导气管水平固定且每根导气管开设8个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。实现对腔室内部均匀高效的通入气体。 
采用实施例2所述设备进行薄膜的沉积，具体为： 
进气管6和导气管5里面通入的为高纯N2气，反应气体进气管9通入的为SiH4。 
样品台加热温度为400℃，施加-100V负偏压，在衬底上沉积SiNx薄膜。 
实施例3 
与实施例1内容相同，不同的技术参数为： 
(1)真空腔室底部和侧部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
(2)微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为连续模式，连续模式最大输出功率为2000W。 
(3)真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是8组水平平行等间距布置。 
(4)进气管下端安装有7根导气管，每根导气管水平固定且每根导气管开设12个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。实现对腔室内部均匀高效的通入气体。 
实施例4 
与实施例1内容相同，不同的技术参数为： 
(1)真空腔室顶部和侧部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
(2)微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为脉冲模式，脉冲模式的峰值功率为1200W，占空比为50％。 
(3)真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是6组水平平行等间距布置。 
(4)进气管下端安装有5根导气管，导气管水平固定且每根导气管开设2个通气狭缝，以形成气帘式通气。实现对腔室内部均匀高效的通入气体。 
实施例5 
与实施例1内容相同，不同的技术参数为： 
(1)真空腔室顶部、底部和侧部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
(2)微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为脉冲模式，脉冲模式的峰值功率为2000W，占空比为50％。 
(3)真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是10组水平平行等间距布置。 
(4)进气管下端安装有9根导气管，导气管水平固定且开设10个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。实现对腔室内部均匀高效的通入气体。 
实施例6 
(1)真空腔室顶部和底部活动安装有支撑台，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置，位置调节装置与位置控制装置相连，支撑台上可拆卸的安 装有试样台，支撑台与试样台之间设置有绝缘层； 
(2)微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为脉冲模式，脉冲模式的峰值功率为4000W，占空比为50％。 
(3)真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是15组水平平行等间距布置。 
(4)进气管下端安装有10根导气管，导气管水平固定且开设18个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。实现对腔室内部均匀高效的通入气体。 
实施例7 
采用本发明实施例1的设备进行微波等离子体沉积薄膜，调节微波功率、氢氩总流量(氢氩流量比固定为3)以及等离子体探针距石英管的距离Z为正交实验的三个因素设计诊断实验，下表是正交实验表： 
试验后，得到的为九组正交实验诊断得到的电子密度Ne和电子温度Te分布图为图2和图3。 
由图2和图3可以看出沿两石英管轴向中间位置电子密度Ne大部分在1010cm-3以上，在某些放电参数下(如在微波功率为1000W，氢氩总流量为80sccm和距石英管距离Z为7cm时)，电子密度Ne沿轴向分布较均匀。整体可以看出，随着微波功率由500W增加到1000W，等离子体电子密度Ne值由1E+10(cm-3) 增加至3.5E+10(cm-3)，增加幅度最大，由此可以判断该设备可以产生电子密度较大的等离子体源。 

Claims (9)

1.一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，包括真空腔室(10)，其特征在于，所述真空腔室上固定安装有同轴微波等离子体源，所述同轴微波等离子体源包括微波发生器(1)、波导(2)、同轴线变换器(3)、石英管(4)和内电极(7)，其中，石英管(4)位于真空腔室(10)内部且固定安装于真空腔室两侧壁上，同轴线变换器(3)通过真空腔室外侧壁同轴对称固定安装于石英管(4)两端，同时同轴线变换器(3)通过波导(2)与微波发生器(1)相连，内电极(7)穿过石英管并固定在同轴线变换器上，内电极(7)、同轴线变换器(3)、石英管(4)三者同轴，真空腔室顶部设置有进气管(6)；
真空腔室底部、顶部或侧部的至少一个位置上活动安装有支撑台(11)，支撑台下端伸出真空腔室壁连接位置调节装置(16)，位置调节装置与位置控制装置(17)相连，支撑台上可拆卸的安装有试样台(18)，支撑台与试样台(18)之间设置有绝缘层(13)；
真空腔室侧壁上固定安装有诊断测试装置(24)，等离子体探针(14)一端连接于诊断测试装置上，其另一端伸入真空腔室内部，真空腔室侧壁上还连接有真空管道(19)，真空装置(22)连接于真空管道之上，真空管道上安装有阀门控制装置(20)和气压测试仪(21)；
反馈控制系统(25)分别与微波发生器(1)、诊断测试装置(24)、阀门控制装置(20)和气压测试仪(21)连接；
所述真空腔室(10)和内电极(7)上设置有冷却水管道，且真空腔室壁上安装有腔室冷却水入口(23)和腔室冷却水出口(26)，内电极(7)壁上安装有内电极冷却水入口(8)和内电极冷却水出口(27)。
2.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述微波发生器的微波触发模式为外部触发，微波输出模式为连续模式或脉冲模式，连续模式最大输出功率为2000W，脉冲模式的峰值功率为4000W。
3.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述内电极为导电金属管，其材料为铜。
4.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述腔室冷却水出口(26)的水平位置高于腔室冷却水入口(23)。
5.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述真空腔室(10)壁上还安装有反应气体进气管(9)。
6.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述真空腔室上固定安装的同轴微波等离子体源是一组或者至少两组水平平行等间距布置。
7.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述支撑台上设置有加热器(12)，加热器与温度控制器(15)相连。
8.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述试样台(18)还与偏压电源(28)连接。
9.根据权利要求1所述的一种同轴微波等离子体沉积薄膜的设备，其特征在于，所述进气管下端安装有至少一根导气管(5)，导气管水平固定且每根导气管开设至少一个通气狭缝，或者至少2个等间距的通气孔，以形成气帘式通气。
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