CN105088195A - 一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法。在等离子体扩散区的顶端和两侧设有永磁铁组，形成类磁镜场位形磁场分布，以增强和稳定位形等离子体放电等离子体发生区设有与气源连接的上、下进气管以及与同轴微波源相连接的同轴圆波导。在永磁铁组件产生的线形磁镜场约束条件下，使用同轴圆波导在沉积腔中激发工作气体产生线形微波等离子体，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜沉积。本发明通过远程通入反应气体实现薄膜的快速、连续沉积，反应气体在磁镜场作用下进一步提高了碰撞频率，增加了离解率，提高了自由基成分的浓度，可实现超薄薄膜，如半导体薄膜、掺杂半导体薄膜、导体薄膜的快速沉积。

Description

一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体领域，具体是一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法。

背景技术

低温等离子体技术在现代工业的体现出日益重要的作用，特别是随着大规模集成电路、太阳能薄膜光伏电池、平板显示器、材料表面改性、功能基团接枝及材料合成等领域的迅速发展，人们迫切地需要一种可以产生高沉积/刻蚀速率、大面积均匀、稳定的低温等离子体发生技术。为了能够在这项技术上取得突破，国内外等离子体业界专家为此做出不懈的努力。业内专家采用了很多种方法来获得高密度、大面积稳定的等离子体源：其一，采用更加优越的放电位型；其二，采用更加优越的等离子体放电激励源；其三，采用磁场增强/约束放电等。一般来说，提高等离子体激励源频率可以获得高的等离子体截止密度，利于提高等离子体密度，同时降低离子能量，进而提高沉积/刻蚀速率、降低离子轰击对薄膜的损伤等，但电极表面驻波及渐逝波导模式会导致沉积速率不均匀。

与传统的大面积（两维方向）和大体积（三维方向）等离子体源不同，线形等离子体源仅需在一维方向上实现均匀、稳定的等离子体，采用多个线形等离子体源并排，或与被镀样品在水平/垂直方向上以适当速度匀速运动，即可形成大面积均匀的薄膜沉积、刻蚀或者表面处理。这种结构大大降低了高性能等离子体产生设备的开发难度，但仍存在以下几个问题：（1）超薄薄膜的制备，比如原子层沉积，要求最大限度减少等离子体对样品表面的材料损伤，因而需要进行自由基增强薄膜沉积；（2）目前采用的自由基增强沉积的方式使得自由基浓度较低，样品远离等离子体放电区，自由基等成分通过远距离的扩散以达到基材表面形成薄膜沉积，因此造成薄膜沉积速度较慢；（3）在采用两路进气方式以尽量减少沉积材料对电极或者电磁波传输通道的污染时，气源因距离放电区（等离子体密度较高区域）较远因此离解度不高，进而大大降低了气源的有效率用率。

发明内容本发明的目的是提供一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：以大长方体状密闭腔体作为扩散区，以连通在扩散区顶部的小长方体状密闭腔体作为等离子体发生区，在等离子体发生区顶部设置第一永磁铁，等离子体发生区左侧设置第二永磁铁，等离子体发生区右侧设置第三永磁铁，第一永磁铁的磁化方向与第二、第三永磁铁的磁化方向相反，形成类磁镜场位形；在等离子体发生区内设置与气源连接的上、下进气管，上、下进气管分别向等离子体发生区中通入工作气体，上、下进气管之间设有贯穿整个等离子体发生区的与同轴微波源相连接的同轴圆波导；在扩散区内底部设有安装在R2R结构基片旋转组件上的基片台，扩散区底部安装有与扩散区内连通的真空机组；第一、二、三永磁铁形成呈门字形排列的永磁铁组，在永磁铁组产生的线形类磁镜场约束条件下，使用与同轴微波源相连接的同轴圆波导在等离子体发生区中激发工作气体产生线形微波等离子体，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜；第一、二、三永磁铁产生类磁镜场位形磁场，增强和稳定微波线形等离子体，提高等离子体电离率；第一、二、三永磁铁产生类磁镜场位形磁场，有效阻止离子、电子等带电粒子穿过磁镜区域，而允许原子、分子、自由基等非带电质粒顺利通过磁镜区域，形成高浓度、快速自由基增强化学气相沉积过程。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：第一永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三永磁铁的上、下端分别为S极、N极，形成类磁镜场的磁场位形；或者，第一永磁铁的上、下端分别为S极、N极，第二、三永磁铁的上、下端分别为N极、S极，同样形成类磁镜场的磁场位形；各永磁铁由长方形柱体永磁铁块组合而成，永磁铁材料可以是合金永磁材料，优选铷铁硼Nd2Fe14B、钐钴SmCo、铷镍钴NdNiCo中的任意一种；或者铁氧体永磁材料，优选Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、AlMnC中的任意一种。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：大、小长方体状密闭腔体为无磁或弱磁不锈钢的真空腔体，无磁或弱磁不锈钢材料可以是304、321、316、310奥氏体型不锈钢中的任意一种。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述基片台为不锈钢基片台，可加热；也可使用直流、或交流、或脉冲电源施加偏压。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述工作气体为惰性气体、或者氧化性气体、或者还原性气体、或者烃类气体，或者经过气化的液体，或者硅烷，或者氩气、氢气、氢气与硅烷或烃类气体的混合气体。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：同轴圆波导连接的同轴微波源，其频率可以是0.915GHz，或者2.45GHz，也可以是2.45-30GHz频段内的频率。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述同轴波导的内导体是紫铜管，同轴波导的外导体是被微波电场激发的等离子体。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：采用磁镜场位形限制带电粒子达到待处理材料表面，减少对其的破坏，可用于超薄薄膜的连续无损沉积。

所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：采用基片台施加相应加热和直流、连续或脉冲射频偏压手段，可实现快速刻蚀。

本发明的工作原理是：

本发明通过使用以等离子体为外导体的同轴传输波导，使微波与等离子体通过相互作用在同轴传输波导内沿同轴波导传播，形成线形形状等离子体，通过漂移扩散在真空室内形成等离子体；为了提高该线形等离子体的均匀性和等离子体密度，在该系统中引入磁钢阵列组成的磁镜场的磁场。使用三块条形磁铁排列在等离子体区腔体外，一组位于等离子体产生区顶端，另外两组位于微波腔体两侧，所用永磁铁的磁化方向沿垂直于基片台的方向，顶端与两侧磁体通过组合形成前述多种磁场位形。这些磁场的引入减少了等离子体带电粒子在壁面上的复合损失，增加等离子体中电子的碰撞截面，也增加了等离子体内部的电子碰撞使等离子体密度得到提高，增强了气源的离解率和利用率。在磁镜场位形的磁钢组合中，带电粒子无法或者较少漂移出磁镜场区域，等离子体能够被限制在磁镜中，而非带电的自由基则可以无阻碍穿过该区域，到达待处理样品表面形成非常有效的自由基增强沉积，进而避免了等离子体中等对样品的损伤。通过调节磁镜比可允许调节带电粒子的通过比例，配合可加热、可加偏压的基片台能进一步控制等离子体中离子能量、通量和活性基团的能量，提高了用于薄膜沉积和刻蚀工艺的可控性。

本发明的优点是：

本发明采用线形磁场增强放电方式，提高等离子体密度，也增强了线形等离子体在一维方向上的均匀性和稳定性，通过将每一放电单元的横向排列实现了大面积高密度等离子体的产生。将工作气体分作两路，分别位于同轴波导上下两侧，来实现等离子体区与样品处理区的有效分离，特别是实现远程等离子体的沉积，对于半导体、掺杂半导体或者金属等材料的快速连续沉积起到积极的作用。这种结构降低了高性能等离子体设备的开发难度，与传统大面积和大体积等离子体源相比不需要高功率维持，不仅降低了成本，还提高了可行性和灵活性。将磁场调制成类磁镜场的结构，通过调节类磁镜场的磁镜比，实现带电粒子的可控通过，进而实现高速、有效的自由基增强化学气相沉积技术，对于减少等离子体中的光、带电粒子对于待处理样品的破坏起到积极作用。

附图说明

图1是磁镜场约束微波线形等离子体系统的横向截面示意图。

图2是磁镜场约束微波线形等离子体系统纵向截面示意图。

图3是磁镜场约束微波线形等离子体系统类磁镜形磁场位形分布。

图4是磁镜场约束微波线形等离子体自由基增强沉积原理示意图。

具体实施方式

如图1所示为磁镜场约束微波线形等离子体系统的横向截面示意图，包括与气源相连接的上下两路进气管1和3，与同轴微波源相连接的同轴圆波导2，“门”字形无磁不锈钢真空腔体4，内置可加热、加偏压基片台5，真空机组6，永磁铁7、8、9组成的磁场组件，R2R结构基片旋转组件10，基片台偏压电源11。图2为磁镜场约束微波线形等离子体系统纵向截面示意图；磁场组件7、8、9由永磁铁多组磁钢组成，两侧磁体8、9的磁化方向与上磁体7相反，形成磁镜场位形，在一种磁场极化方向下，磁场强度分布图如图3所示。使用的铷铁硼磁体的磁场强度由磁化强度与磁铁大小控制，磁铁的纵向长度远大于横向尺寸以形成线形类磁镜型磁场位形。本发明所述磁镜场约束微波线形等离子体系统中，使用机械泵-分子泵级联真空机组6抽真空，本底真空可达10^-4Pa量级。用于沉积的工作气体通过上进气管1和下进气管3进入真空室内，其中惰性气体和还原性气体通过进气管1，反应性前驱物气体通过进气管3进入等离子体下游区域，这样的气路设计有助于减少沉积过程中对微波腔体产生的污染。同轴圆波导2两端分别与2.45GHz的同轴微波源相接，以降低使用单一微波源因微波在波导中的衰减造成的等离子体不均匀性。基片台5的位置能根据不同工况上下调节以获得最佳沉积条件，通过外接加热电源能对衬底加热，也可以与直流、交流、射频电源相接对基片形成偏压，这样实现控制到达衬底上的离子和活性基团的最佳沉积能量。三块永磁铁7、8、9通过适当的组合形成的磁镜型磁场位形用于提高等离子体的密度和均匀性。

如图4所示，带电粒子在磁镜场位形磁场分布下被约束，从而增加了碰撞频率，进而提高等离子体密度和气源的离解率，提高了气体中中性成分，特别是自由基的浓度；中性粒子则不受磁镜场限制，从而可以脱离磁镜场区域达到待处理工件表面，形成快速的自由基增强化学气相沉积薄膜过程。

Claims (9)

1.一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：以大长方体状密闭腔体作为扩散区，以连通在扩散区顶部的小长方体状密闭腔体作为等离子体发生区，在等离子体发生区顶部设置第一永磁铁，等离子体发生区左侧设置第二永磁铁，等离子体发生区右侧设置第三永磁铁，第一永磁铁的磁化方向与第二、第三永磁铁的磁化方向相反，形成类磁镜场位形；在等离子体发生区内设置与气源连接的上、下进气管，上、下进气管分别向等离子体发生区中通入工作气体，上、下进气管之间设有贯穿整个等离子体发生区的与同轴微波源相连接的同轴圆波导；在扩散区内底部设有安装在R2R结构基片旋转组件上的基片台，扩散区底部安装有与扩散区内连通的真空机组；第一、二、三永磁铁形成呈门字形排列的永磁铁组，在永磁铁组产生的线形类磁镜场约束条件下，使用与同轴微波源相连接的同轴圆波导在等离子体发生区中激发工作气体产生线形微波等离子体，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜；第一、二、三永磁铁产生类磁镜场位形磁场，增强和稳定微波线形等离子体，提高等离子体电离率；第一、二、三永磁铁产生类磁镜场位形磁场，有效阻止离子、电子等带电粒子穿过磁镜区域，而允许原子、分子、自由基等非带电质粒顺利通过磁镜区域，形成高浓度、快速自由基增强化学气相沉积过程。

2.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：第一永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三永磁铁的上、下端分别为S极、N极，形成类磁镜场的磁场位形；或者，第一永磁铁的上、下端分别为S极、N极，第二、三永磁铁的上、下端分别为N极、S极，同样形成类磁镜场的磁场位形；各永磁铁由长方形柱体永磁铁块组合而成，永磁铁材料可以是合金永磁材料，优选铷铁硼Nd2Fe14B、钐钴SmCo、铷镍钴NdNiCo中的任意一种；或者铁氧体永磁材料，优选Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、AlMnC中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：大、小长方体状密闭腔体为无磁或弱磁不锈钢的真空腔体，无磁或弱磁不锈钢材料可以是304、321、316、310奥氏体型不锈钢中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述基片台为不锈钢基片台，可加热；也可使用直流、或交流、或脉冲电源施加偏压。

5.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述工作气体为惰性气体、或者氧化性气体、或者还原性气体、或者烃类气体，或者经过气化的液体，或者硅烷，或者氩气、氢气、氢气与硅烷或烃类气体的混合气体。

6.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：同轴圆波导连接的同轴微波源，其频率可以是0.915GHz，或者2.45GHz，也可以是2.45-30GHz频段内的频率。

7.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：所述同轴波导的内导体是紫铜管，同轴波导的外导体是被微波电场激发的等离子体。

8.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：采用磁镜场位形限制带电粒子达到待处理材料表面，减少对其的破坏，可用于超薄薄膜的连续无损沉积。

9.根据权利要求1所述的一种快速自由基增强化学气相沉积薄膜的方法，其特征在于：采用基片台施加相应加热和直流、连续或脉冲射频偏压手段，可实现快速刻蚀。