CN107012448B - 一种射频等离子体增强化学气相沉积方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频等离子体增强化学气相沉积方法及装置。该方法包括以下步骤：对镀膜室进行抽真空，由等离子体产生室通入反应气体，开启与射频天线连接的射频源以激发反应气体等离子化，在镀膜室上相对等离子体发生室的一侧设置有用于约束等离子体流沿径向扩散的终端磁体，设定终端磁体的磁感应强度大于源磁体的磁感应强度，镀膜。该射频等离子体增强化学气相沉积方法利用源磁体和终端磁体的协同作用，对进入镀膜室的等离子体束流进行限场和分布调控，使等离子束流达到远程稳定和分布可控，等离子束流的离子密度与等离子发生室内等离子源附近的离子密度相当，实现等离子体束流的长程稳定传播。

Description

一种射频等离子体增强化学气相沉积方法及装置

技术领域

本发明属于射频等离子体增强化学气相沉积领域，具体涉及一种射频等离子体增强化学气相沉积方法及装置。

背景技术

等离子体增强化学气相沉积是利用低温等离子体源进行气体放电而使反应气体等离子体化，从而打开反应气体的化学键，造成反应气体的裂解，促使裂解物在基底上沉积形成固态薄膜。低温等离子体放电主要包括直流、射频和微波三种形式。射频等离子体放电与直流放电相比，能够在较低的气压下工作，电离作用更加显著，空间分布很均匀；与微波放电相比，射频电源的性价比更高且电源功率较大，且微波辉光放电的能量高，一般只能用于对金属和无机材料的处理。以上这些特点使得射频等离子体放电成为工业应用最普遍的选择。

目前射频等离子体增强化学气相沉积主要采用管式射频等离子增强化学气相沉积方法，其是依赖管式腔体限制等离子体，通过对反应腔体的整体加热，促进等离子体的稳定性，镀膜过程能耗高，等离子体在管式腔体的纵向分布不够稳定，因而影响镀膜产品的化学均匀性。对管式射频等离子体增强化学气相沉积方法进行改进以工业生产的要求具有重要的技术意义和广阔的应用前景。

授权公告号为CN101805895B的专利公开了一种螺旋波等离子体增强化学气相沉积装置，包括等离子体产生室(绝缘电介质管)及与等离子体产生室连通的镀膜室(高真空腔体)，等离子体产生室外设有用于激发螺旋波等离子体的射频天线，还设有用于产生轴向磁场以满足螺旋波传播条件的源磁体(线圈)，镀膜室外设有用于约束电子的辅助线圈。

该化学气相沉积装置在工作时，套设于镀膜室的外周上的辅助线圈，其产生的轴向磁场与镀膜室的横向内径相当，磁感应强度小于源磁场的磁感应强度，等离子体流自等离子体产生室进入镀膜室后，在辅助线圈的磁场作用下大幅度径向扩散，进而增加了等离子体流中中性气体分子的比例，降低了离子密度，导致等离子体流的径向及纵向分布不均，难以充分发挥等离子体辅助化学气相沉积的效果，不能得到沉积成分均匀、结构一致的镀膜产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种射频等离子体增强化学气相沉积方法，从而解决现有方法在等离子束流向衬底运动过程中离子密度降低的问题。本发明同时提供一种射频等离子体增强化学气相沉积装置。

为了实现以上目的，本发明的射频等离子体增强化学气相沉积方法所采用的技术方案是：

一种射频等离子体增强化学气相沉积方法，包括以下步骤：对镀膜室进行抽真空，由等离子体产生室通入反应气体，开启与射频天线连接的射频源以激发反应气体等离子化，在镀膜室上相对等离子体发生室的一侧设置有用于约束等离子体流沿径向扩散的终端磁体，设定终端磁体的磁感应强度大于源磁体的磁感应强度，镀膜。

在射频等离子体增强化学气相沉积过程中，螺旋波通过朗道阻尼的方式将能量传送给电子，进而维持等离子体流稳定。本发明提供的射频等离子体增强化学气相沉积方法，进入镀膜室的等离子体流，在终端磁体的作用下，等离子体流被可控限制在终端磁场的轴向磁场区域，且由于终端磁场的磁感应强度大于源磁场的磁感应强度，可利用终端磁场的磁镜效应，反射等离子体流，避免其与终端腔壁发生有效碰撞。本发明中，终端磁体对等离子体流具有聚焦、限场作用，避免等离子体流在传播过程中离子浓度降低，实现等离子体束流的长程稳定传播；同时在该过程中，等离子体流中的离子和电子在磁场内因受到方向相反的磁力，从而环绕磁力线产生螺旋相向的运动，减少电子离子复合的机会，加强电子与中性气体分子的非弹性碰撞，促进等离子体化，强化等离子体流的稳定性。此时，在等离子体束流附近设置衬底，诱导等离子体流在衬底上进行沉积，即可形成沉积成分均匀、结构一致的镀膜产品。

终端磁体与源磁体同轴设置。镀膜室上还设有与终端磁体的磁场方向呈夹角设置的换向磁体，用于改变等离子体束流的运动方向；换向磁体、终端磁体、源磁体的磁感应强度依次减小。

优选的，对镀膜室抽真空至真空度不大于10^-4mbar，镀膜时维持真空度为10^-2～10^-4mbar。

进一步的，本发明的射频等离子体增强化学气相沉积方法，可以根据需要引导等离子体束流的分布，避免等离子体束流向周边扩散，不降低等离子体束流的离子密度；可根据工件尺寸、镀膜部位的需要引导等离子束流的沉积，扩展镀膜衬底的操作空间，增加工业生产的可操作性。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置所采用的技术方案是：

一种射频等离子体增强化学气相沉积装置，包括等离子体产生室、设于等离子体发生室外周的射频天线和源磁体、镀膜室以及设于镀膜室上的真空泵接口，在镀膜室上相对等离子体发生室的一侧设置有用于约束等离子体流沿径向扩散的终端磁体，终端磁体的磁感应强度大于源磁体的磁感应强度。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置，通过在镀膜室上设置终端磁体，对进入镀膜室的等离子体束流起到稳定、限场作用，避免等离子体束流向周边扩散，实现等离子体束流的长程稳定传播，进而提高镀膜过程的均匀性和一致性。

终端磁体与源磁体同轴设置。镀膜室包括筒状壳体和设于筒状壳体两端的左侧壁、右侧壁，左侧壁与等离子体发生室的出口相连接，所述终端磁体设于右侧壁上，筒状壳体上设有用于改变等离子体流的运动方向的换向磁体，换向磁体、终端磁体、源磁体的磁感应强度依次减小。

优选的，源磁体设于射频天线的下游。源磁体和射频天线的位置设置，不会干扰射频发射效果，易于稳定射频等离子体激发效果，源磁体对等离子体束流具有适度聚焦作用，其静磁场通过与等离子体束流的交互作用，进一步增强等离子体激发。

镀膜室内设有衬底，衬底连接射频偏压电源和加热系统。对衬底实施负偏压利于实现衬底的原位清洁处理，同时增进沉积薄膜的致密性；对衬底单独进行加热可避免传统管式等离子体化学气相沉积装置对反应腔体整体进行加热的不足，高效节能。

射频天线连接有射频源，射频源的频率为1～90MHz；射频源的功率为100W～10kW；优选的，射频源的功率为13±0.7MHz，或6.5±0.25MHz，27±0.5MHz。

换向磁体、终端磁体、源磁体的磁感应强度为10^-4～10^-1T。

进一步，本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置，产生的等离子体密度高、流量大，促进反应气体裂解，降低化学气相沉积的反应温度；利用磁体控制等离子体束流分布及传导路径，不降低等离子体束流的离子密度，促进等离子体稳定性及镀膜均匀性。

附图说明

图1为本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例1的结构示意图；

图2为本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例2的结构示意图；

图3为本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例3的结构示意图；

图4为本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例1，如图1所示，包括圆筒形的等离子体发生室2和与等离子体发生室2连通的镀膜室1，等离子体发生室2的外周设有射频天线3和环形源磁体4，射频天线3与射频源31连接，环形源磁体4位于射频天线下游；镀膜室1包括方筒形壳体和设于方筒形壳体两端的左侧壁101、右侧壁102，等离子体发生室具有反应气体入口20和出口21，出口与左侧壁相连接，右侧壁上设有片状终端磁体5，片状终端磁体5与环形源磁体4同轴设置，其与环形源磁体的磁场方向一致，磁感应强度大于环形源磁体4的磁感应强度。方筒形壳体具有顶壁和底壁，顶壁上设有真空泵接口9，用于对镀膜室进行抽真空；底壁上设有观察窗10。镀膜室内设有与右侧壁平行设置的衬底7，衬底7连接有射频偏压电源和加热系统8。

本实施例中，环形源磁体的磁感应强度为5×10^-3T，片状终端磁体5的磁场强度为5×10^-2T；等离子体束流11在环形源磁体和片状终端磁体的作用下，在衬底7上进行沉积镀膜；等离子体束流11的离子密度与射频源的功率正相关，射频功率在100W～10kW内变化时，等离子体束流的离子密度大于10¹³cm^-3；镀膜时，可通过加热系统将衬底加热到合适的反应温度，反应温度可在100℃～1000℃之间，镀膜温度与等离子体的离子密度负相关，等离子体的离子密度越高，镀膜过程可在更低的温度下进行。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例2，如图2所示，其结构与实施例1基本相同，区别仅在于衬底7与等离子体束流11平行设置。该实施例的结构设置便于对衬底进行横向等离子体抛光清洁，由于衬底7上施加有射频偏压，可在抛光清洁后引导等离子体中的离子在衬底上沉积。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例3，如图3所示，其结构与实施例2基本相同，区别仅在于真空泵接口9与等离子体发生室的反应气体入口20同轴设置，终端磁体51为与环形源磁体4同轴设置的环形磁体，其磁场方向与环形源磁体4一致，磁感应强度大于环形源磁体4的磁感应强度。这里真空泵接口9的位置与等离子体束流的分布影响不大，其主要作用是对镀膜室进行抽真空操作。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的实施例4，如图4所示，其结构与实施例2基本相同，区别在于，对等离子体束流进行约束的磁体包括设于右侧壁上的终端磁体5和设于方筒形壳体的底壁上的换向磁体11，终端磁体为片状电磁体，与环形源磁体4同轴设置，换向磁体为环形磁体，终端磁体、换向磁体的磁场方向呈夹角设置，在起到约束等离子束流向外周扩散时，容易理解，终端磁体、换向磁体与环形源磁体的磁力线方向不相冲突，磁感应强度大小为：换向磁体＞终端磁体＞环形源磁体，具体地，环形源磁体的磁场强度为3╳10^-3T，终端磁体的磁感应强度为4╳10^-2T，换向磁体的磁感应强度为6╳10^-2T。该实施例中，可利用终端磁体、换向磁体的设置引导等离子体束流11的分布发生变化，从而使衬底7的位置、尺寸不受限制，工件的适应性好，增加镀膜过程的可操作性和灵活性。

在本发明的射频等离子体增强化学气相沉积装置的其他实施例中，终端磁体可以是电磁体，也可以是永久磁体；磁感应强度、射频源的射频功率和频率可以根据需要进行调整。等离子体发生室可以为方筒形。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积方法的实施例，可采用上述射频等离子体增强化学气相沉积装置，包括以下步骤：

1)对镀膜室抽真空至真空度不大于10^-4mbar，将衬底加热至设定温度；

2)由等离子体发生室的反应气体入口通入反应气体，维持镀膜室的真空度为10^{- 4}mbar～10^-2mbar；

3)开启射频源，设定衬底的射频偏压和源磁体、终端磁体的磁感应强度，待等离子体稳定时，镀膜。

本发明的射频等离子体增强化学气相沉积方法是利用源磁体和终端磁体的协同作用，对进入镀膜室的等离子体束流进行限场和分布调控，使等离子束流达到远程稳定和分布可控，等离子束流的离子密度与等离子发生室内等离子源附近的离子密度相当；此时在等离子体束流附近通过在衬底设定射频偏压，即可将高密度的等离子束流引导至衬底上，从而保证化学气相沉积过程的均匀性和沉积一致性。该方法对工件的尺寸、位置的要求低，大大增加了化学气相沉积过程在工业实施时的灵活性，具有等离子体束流的离子密度高、沉积效果好、废气排量小的特点，拓宽了射频等离子体化学气相沉积的工业化应用。

Claims (4)

1.一种射频等离子体增强化学气相沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：对镀膜室进行抽真空，由等离子体产生室通入反应气体，开启与射频天线连接的射频源以激发反应气体等离子化，在镀膜室上相对等离子体发生室的一侧设置有用于约束等离子体流沿径向扩散的终端磁体，设定终端磁体的磁感应强度大于源磁体的磁感应强度，所述终端磁体为片状或环形终端磁体，所述源磁体为环形源磁体，终端磁体与环形源磁体同轴设置，其与环形源磁体的磁场方向一致，环形源磁体位于射频天线下游，镀膜。

2.如权利要求1所述的射频等离子体增强化学气相沉积方法，其特征在于，对镀膜室抽真空至真空度不大于10^-4mbar，镀膜时维持真空度为10^-2～10^-4mbar。

3.一种射频等离子体增强化学气相沉积装置，包括等离子体产生室、设于等离子体发生室外周的射频天线和源磁体、镀膜室以及设于镀膜室上的真空泵接口，其特征在于，在镀膜室上相对等离子体发生室的一侧设置有用于约束等离子体流沿径向扩散的终端磁体，终端磁体的磁感应强度大于源磁体的磁感应强度，所述终端磁体为片状或环形终端磁体，所述源磁体为环形源磁体，终端磁体与环形源磁体同轴设置，其与环形源磁体的磁场方向一致，环形源磁体位于射频天线下游。

4.如权利要求3所述的射频等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，射频源的频率为1～90MHz，射频源的功率为100W～10kW。