CN105088196A - 一种大面积、高密度微波等离子体产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积高密度微波等离子体产生装置，由多组线形微波等离子体放电单元排列形成，每放电单元包括有放电腔、扩散腔，放电腔的顶端和两侧分别设有永磁铁组，形成类磁镜场位形磁场分布或者发散位形场磁场分布，以增强和稳定位形等离子体放电；放电腔的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；扩散腔通过多组放电腔产生的等离子体径向和纵向扩散，形成较均匀的等离子体密度分布。本发明通过远程通入反应气体实现薄膜的快速、连续沉积，可实现半导体薄膜、掺杂半导体薄膜、导体薄膜的沉积，或者用于等离子体清洗，或者用于等离子体干法刻蚀，或者用于材料表面的等离子体改性。

Description

一种大面积、高密度微波等离子体产生装置

技术领域

本发明涉及等离子体产生装置领域，具体是一种大面积、高密度微波等离子体产生装置。

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，例如用射频做等离子体激励源，可以采用有电极电容/电感耦合射频放电，也可以采用无电极电感耦合放电和螺旋波放电等；其二，采用更加优越的等离子体放电激励源，如直流激励源，低频（~500kHz）激励源，射频（~13.56MHz）激励源，甚高频（~60MHz）激励源，超高频（~500MHz）激励源，双频（13.56MHz+27.12MHz等）激励源，以及微波（~2.45GHz）激励源等；其三，采用磁场增强/约束放电，例如用微波激励源，可以采用发散磁场的位型，也可以采用多级磁场的位型等。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。但与此同时会存在一些问题，例如电极表面驻波及渐逝波导模式引起的沉积速率不均匀。

近年来，一种线形等离子体源引起了国内外专家广泛的关注。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）在沉积某些半导体、掺杂半导体、导体时会不可避免的会在石英玻璃管的表面形成薄膜，这些薄膜具有一定的电导率，薄膜逐渐变厚的时候存在趋肤效应，影响微波在以等离子体为外导体的同轴波导内传播以及在气体中产生击穿放电，进而不利于该等离子体装置的连续性运行及加工；（2）对于某些不适于采用R2R结构实现大面积等离子体处理的工件，目前采用的是多组线形等离子体并排的方式产生大面积等离子体，这种大面积等离子体源在处理上述材料的薄膜沉积，或者需要进行自由基增强沉积时同样存在上述问题。

发明内容本发明的目的是提供一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，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：

一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：包括有大长方体状腔体，以及彼此独立且并排连通设置在大长方体状腔体顶部的多个小长方体状腔体，以每个小长方体状腔体内作为等离子体产生区，多个等离子体产生区共用大长方体状腔体作为等离子体扩散区，每个小长方体状腔体顶部分别设置有永磁铁，最左侧的小长方体状腔体左侧，最右侧的小长方体状腔体右侧、相邻小长方体状腔体之间亦分别设置有永磁铁，以每个小长方体状腔体顶部永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第一组永磁铁，每个小长方体状腔体左侧永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第二组永磁铁，每个小长方体状腔体右侧永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第三组永磁铁，即前一小长方体状腔体中等离子体产生区的第三组永磁铁作为后一相邻小长方体状腔体中等离子体产生区的的第二组永磁铁，构成对应每个等离子体产生区的呈品字形分布的永磁铁阵列，每个等离子体产生区对应的永磁铁阵列中，第一组永磁铁的磁化方向分别与第二、第三组永磁铁的磁化方向相反，由三组永磁铁在对应的等离子体产生区内形成类磁镜场的磁场分布；每个等离子体产生区内分别设置有与等离子体产生区内连通的上、下进气管，上、下进气管分别向所在的等离子体产生区内通入工作气体，每个等离子体产生区内位于上、下进气管之间分别设置有贯通等离子体产生区的与同轴微波源连接的同轴圆波导，所述大长方体状腔体内底部设置有高度可调的基片台，大长方体状腔体底部还安装有与大长方体状腔体内连通的真空机组。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：每个等离子体产生区中，第一组永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三组永磁铁的上、下端分别为S极、N极，形成类磁镜场的磁场位形；或者，第一组永磁铁的上、下端分别为S极、N极，第二、三组永磁铁的上、下端分别为N极、S极，同样形成类磁镜场的磁场位形；或者三组磁钢组合形成发散场的磁场分布，或者形成会切场的磁场分布，以满足不同的应用范围。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：各组永磁铁由长方形柱体永磁铁块组合而成，所述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；或者是铁氧体永磁材料，优选Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、AlMnC中的任意一种。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：大、小长方体状腔体均为无磁或弱磁不锈钢材料的真空腔体，无磁或弱磁不锈钢材料可以是304、321、316、310中的任意一种。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的同轴圆波导由紫铜内导体套在紫铜内导体外的石英玻璃管组成，同轴圆波导石英玻璃管内可通入空气进行冷却；以紫铜内导体作为同轴圆波导的内导体，以石英玻璃管与紫铜内导体之间的被微波电场激发的等离子体作为同轴圆波导的外导体。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的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。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的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。

所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的基片台为不锈钢基片台，可加热；也可以使用直流、交流或脉冲电源施加偏压。

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、发散形场或会切形场的磁场。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。在磁镜场位形的磁钢组合中，带电粒子无法或者较少飘逸出磁镜场区域，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的光、带电粒子轰击等对样品的损伤。通过将单放电单元横向排列产生大面积等离子体源，使用多组磁钢组合以增强放电强度，其中每一放电单元由三组磁钢阵列形成一定位形的磁场，前一放电单元的第三组磁钢充作下一放电单元的第二组磁钢，如此组合成一整套磁钢阵列，形成磁场增强高密度大面积微波等离子体源。可加热、可加偏压的基片台能进一步控制等离子体中离子和活性基团的能量，提高了用于薄膜沉积的可控性。

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。通过将磁场位形调制成不同的形状以实现不同的应用领域，比如将磁场调制成类磁镜场的结构，将可实现高速、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。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。

附图说明

图1是大面积高密度等离子体系统的三放电单元排列横向截面示意图。

图2是大面积高密度等离子体系统的三放电单元排列纵向截面示意图。

图3是大面积高密度等离子体系统的单放电单元的磁场组件示意图。

图4是大面积高密度等离子体系统的三放电单元的类磁镜形磁场位形分布。

图5是大面积高密度等离子体系统的三放电单元排列下等离子体密度分布示意图。

具体实施方式

如图1所示为三放电单元排列大面积高密度微波等离子体系统横向截面图，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”字形无磁不锈钢的小长方体状腔体4，内置可加热、加偏压基片台5，真空机组6，图2为上述等离子体系统纵向截面图；图3为单等离子体单元的永磁铁7、8、9组成的磁场组件。本发明所述大面积高密度微波等离子体系统中，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，磁场组件由永磁铁多组磁钢组成，每组磁钢组成如图3所示，前一单元第三组磁钢充作后一放电单元第二组磁钢组。它们的磁化方向如图中所示，两侧磁体8、9的磁化方向与上磁体7相反。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；或者调整极化方向（7、8、9组磁钢磁化方向相同）形成发散位形场磁场。

如图5所示，是三放电单元等离子体扩散在真空腔内形成等离子体密度分布示意图，每放电单元产生等离子体在轴向和径向均有一定衰减，三组或者大于三组放电单元的扩散将弥补这种衰减，进而形成较均匀的等离子体密度分布，以满足应用需求。

Claims (8)

1.一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：包括有大长方体状腔体，以及彼此独立且并排连通设置在大长方体状腔体顶部的多个小长方体状腔体，以每个小长方体状腔体内作为等离子体产生区，多个等离子体产生区共用大长方体状腔体作为等离子体扩散区，每个小长方体状腔体顶部分别设置有永磁铁，最左侧的小长方体状腔体左侧，最右侧的小长方体状腔体右侧、相邻小长方体状腔体之间亦分别设置有永磁铁，以每个小长方体状腔体顶部永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第一组永磁铁，每个小长方体状腔体左侧永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第二组永磁铁，每个小长方体状腔体右侧永磁铁作为该小长方体状腔体中等离子体产生区的第三组永磁铁，即前一小长方体状腔体中等离子体产生区的第三组永磁铁作为后一相邻小长方体状腔体中等离子体产生区的的第二组永磁铁，构成对应每个等离子体产生区的呈品字形分布的永磁铁阵列，每个等离子体产生区对应的永磁铁阵列中，第一组永磁铁的磁化方向分别与第二、第三组永磁铁的磁化方向相反，由三组永磁铁在对应的等离子体产生区内形成类磁镜场的磁场分布；每个等离子体产生区内分别设置有与等离子体产生区内连通的上、下进气管，上、下进气管分别向所在的等离子体产生区内通入工作气体，每个等离子体产生区内位于上、下进气管之间分别设置有贯通等离子体产生区的与同轴微波源连接的同轴圆波导，所述大长方体状腔体内底部设置有高度可调的基片台，大长方体状腔体底部还安装有与大长方体状腔体内连通的真空机组。

2.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：每个等离子体产生区中，第一组永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三组永磁铁的上、下端分别为S极、N极，形成类磁镜场的磁场位形；或者，第一组永磁铁的上、下端分别为S极、N极，第二、三组永磁铁的上、下端分别为N极、S极，同样形成类磁镜场的磁场位形；或者三组磁钢组合形成发散场的磁场分布，或者形成会切场的磁场分布，以满足不同的应用范围。

3.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：各组永磁铁由长方形柱体永磁铁块组合而成，所述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；或者是铁氧体永磁材料，优选Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、AlMnC中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：大、小长方体状腔体均为无磁或弱磁不锈钢材料的真空腔体，无磁或弱磁不锈钢材料可以是304、321、316、310中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的同轴圆波导由紫铜内导体套在紫铜内导体外的石英玻璃管组成，同轴圆波导石英玻璃管内可通入空气进行冷却；以紫铜内导体作为同轴圆波导的内导体，以石英玻璃管与紫铜内导体之间的被微波电场激发的等离子体作为同轴圆波导的外导体。

6.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的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所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的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。

8.根据权利要求1所述的一种大面积、高密度微波等离子体产生装置，其特征在于：所述的基片台为不锈钢基片台，可加热；也可以使用直流、交流或脉冲电源施加偏压。