CN109402599A - 一种等离子体装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体装置及其应用。所述等离子体装置包括等离子体发生器、密封机构、第一电极、第二电极、第一电极板以及第二电极板；所述密封机构能够与薄膜沉积设备的真空腔室配合形成密封空间，第一电极及第二电极设置于密封机构上，第一电极分别与等离子体发生器和第一电极板连接，第二电极与第二电极板连接，第二电极还用于与薄膜沉积设备的外壳连接，第一电极板与第二电极板之间设有用以容置待处理样品的、可调的间距，该间距能够在等离子体发生器工作时形成等离子体区域。本发明的等离子体装置结构简单、灵活，可实现样品预处理与薄膜生长在同一真空环境下完成，避免转移时产生的二次污染问题以及半导体器件中的表面态问题。

Description

一种等离子体装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种等离子体装置及其应用，属于薄膜制备技术领域。
背景技术
薄膜制备领域中，在进行薄膜沉积或外延之前，采用等离子体工艺对衬底进行预处理至关重要，如果可以在同一真空环境下处理完衬底后直接进行生长，而不再接触大气，可有效避免二次污染及解决表面态问题，而很多薄膜生长或外延设备不具有原位等离子体处理功能，并且由于设备厂商在设计时没有考虑此功能，所以也没有预留相应的扩展接口。对此一般采用的方式是湿法或在专用的等离子体设备中处理衬底，进行样品表面的预处理，然后尽可能的缩短衬底暴露在大气中的时间，将衬底取出转入薄膜沉积设备中进行生长或外延。这样的方法在取出、放入阶段容易造成样品表面的氧化、颗粒粘污等问题，带来二次污染。
另一种方式是将等离子体处理设备与薄膜沉积设备通过真空互联使设备集成，衬底在等离子体设备中预处理完成后通过机械传送装置直接传送到薄膜沉积设备中，整个过程一直处于真空环境中，此方法造价昂贵，需同时对两台设备改造，在设备上改动较大，并且要为两个设备间的传送单独建立真空传送及对接系统，结构复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种等离子体装置及其在薄膜沉积设备中的应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种等离子体装置，可与薄膜沉积设备的真空腔室连接，所述装置包括等离子体发生器、密封机构、第一电极、第二电极、第一电极板以及第二电极板；
所述密封机构至少能够与薄膜沉积设备的真空腔室配合形成密封空间，所述第一电极及第二电极设置于密封机构上，所述第一电极分别与所述等离子体发生器和第一电极板连接，所述第二电极与第二电极板连接，所述第二电极还用于与薄膜沉积设备的外壳连接；所述第一电极板与第二电极板之间设置有至少用以容置待处理样品的、可调的间距，当所述等离子体发生器处于工作状态时，至少在所述间距内形成等离子体区域。
在一些实施方案中，所述装置还包括可设置于薄膜沉积设备的真空腔室内的电极板连动结构，所述电极板连动结构，至少能够带动第一电极板和第二电极板中的至少一者移动，从而调节第一电极板与第二电极板的间距。
在一些实施方案中，所述电极板连动结构包括第一传动杆、第二传动杆以及传动轴承，所述第一传动杆、第二传动杆分别与传动轴承活动连接，所述第二传动杆与第一电极板或第二电极板固定连接。
进一步的，所述装置还包括与所述电极板连动结构连接的旋转部件，所述旋转部件包括旋转接口和旋转控制组件，所述旋转接口设置于密封机构内侧，且与所述第一传动杆连接，所述旋转控制组件设置于密封机构外侧。
本发明实施例还提供了前述的等离子体装置于薄膜制备领域中的应用。
本发明实施例还提供了一种薄膜沉积设备，包括真空腔室，其还包括：与所述真空腔室连接的前述的等离子体装置。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明在已有的薄膜沉积设备中，针对不具有等离子体处理功能并且也没有预留扩展接口的薄膜生长或外延设备上增加等离子体装置，可实现在对样品表面进行等离子体处理后直接进行薄膜生长，使样品的表面预处理过程与薄膜生长过程在同一真空环境下完成，在两步工艺之间，样品未受到二次污染，从而解决样品在等离子体处理与薄膜制备两个工艺之间进行转移时产生的二次污染问题以及半导体器件中的表面态问题；
2)本发明结合原有的薄膜设备进行改动，增加等离子体处理功能，改造成本低，装置结构简单、灵活，经济适用，兼容原有设备系统，具有可移植性，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一典型实施例中一种等离子体装置的整体结构示意图。
图2是本发明一典型实施例中密封机构上的第一电极、第二电极的剖示图。
图3是本发明一典型实施例中电极板连动结构的结构示意图。
图4是本发明一典型实施例中旋转部件的剖示图。
图5是本发明一典型实施例中第一电极板的结构示意图。
附图标记说明：100-真空腔室，101-样品支架，102-样品，1-等离子体发生器，2-密封门，3-第一电极，31a-第一电极内接线柱，31b-第一电极外接线柱，32-导线，33-第一电极连接线，34-绝缘材料，4-第二电极，41a-第二电极内接线柱，41b-第二电极外接线柱，42-导线，43-第二电极连接线，5-第一电极板，51-圆形金属板，52-接线点，6-第二电极板，7-电极板连动结构，71-第一传动杆，72-第二传动杆，73-传动轴承，8-旋转部件，81-旋转接口，82-旋转钮。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种等离子体装置，可与薄膜沉积设备的真空腔室连接，所述装置包括等离子体发生器、密封机构、第一电极、第二电极、第一电极板以及第二电极板；
所述密封机构至少能够与薄膜沉积设备的真空腔室配合形成密封空间，所述第一电极及第二电极设置于密封机构上，所述第一电极分别与所述等离子体发生器和第一电极板连接，所述第二电极与第二电极板连接，所述第二电极还用于与薄膜沉积设备的外壳连接；所述第一电极板与第二电极板之间设置有至少用以容置待处理样品的、可调的间距，当所述等离子体发生器处于工作状态时，至少在所述间距内形成等离子体区域。
优选的，所述密封机构可以采用密封门结构。
在一些实施方案中，所述装置还包括可设置于薄膜沉积设备的真空腔室内的电极板连动结构，所述电极板连动结构至少能够带动第一电极板和第二电极板中的至少一者移动，从而调节第一电极板与第二电极板的间距。
在一些实施方案中，所述电极板连动结构包括第一传动杆、第二传动杆以及传动轴承，所述第一传动杆、第二传动杆分别与传动轴承活动连接，所述第二传动杆与第一电极板或第二电极板固定连接。
进一步的，所述第一传动杆或第二传动杆的材质选自钼、钨等金属，或者碳碳复合材料等，但不限于此。
进一步的，所述装置还包括与所述电极板连动结构连接的旋转部件，所述旋转部件包括旋转接口和旋转控制组件，所述旋转接口设置于密封机构内侧，且与所述第一传动杆连接，所述旋转控制组件设置于密封机构外侧。
进一步的，所述旋转控制组件可以采用旋转钮，但不限于此。通过旋转位于密封机构外侧的旋转钮，实现第二传动杆带动第一电极板移动，从而调节第一、第二电极板的间距。
在一些实施方案中，所述密封机构两侧分别设置有与第一电极连接的第一电极外接线柱、第一电极内接线柱，所述第一电极外接线柱通过导线与等离子体发生器连接，所述第一电极内接线柱通过第一电极连接线与第一电极板连接。
进一步的，所述密封机构两侧分别设置有与第二电极连接的第二电极外接线柱、第二电极内接线柱，所述第二电极外接线柱通过导线与薄膜沉积设备的外壳连接，所述第二电极内接线柱通过第二电极连接线与第二电极板连接。
更进一步的，所述第一电极外接线柱、第一电极内接线柱、第二电极外接线柱或第二电极内接线柱与密封机构之间用绝缘材料隔离。例如，所述绝缘材料可以优选采用陶瓷。
更进一步的，在密封机构内侧(即薄膜设备真空腔室内)，所述第一电极连接线为螺旋缠绕状，所述第二电极连接线为直线弯折状。
优选的，所述第一电极连接线、第二电极连接线上均套设有陶瓷绝缘柱。
进一步的，所述第一电极板、第二电极板均包括至少两个同心设置的圆形金属板。
优选的，所述第一电极板、第二电极板上均设置有复数个相对于电极板的圆心对称分布的、供电极连接线接入的接线点。
尤其优选的，所述接线点的个数在4个以上。
本发明实施例的另一个方面提供了前述的等离子体装置于薄膜制备领域中的应用。
例如，本发明实施例还提供了一种薄膜沉积设备，包括真空腔室，其还包括：与所述真空腔室连接的前述的等离子体装置，增加等离子体装置后即可在该设备上增加等离子体功能。
进一步的，所述真空腔室内设置有样品支架，所述等离子装置设置于所述样品支架的上方。
进一步的，所述薄膜沉积设备包括低压化学气相沉积设备(LPCVD)。
本发明的等离子体装置在应用时，第一、第二电极板位于真空腔室内的样品支架上，两电极板之间摆放样品。工作过程中，在真空腔室达到设定的真空度后，通入工艺气体，打开等离子体发生器，在第一、第二电极板之间形成等离子体区域，对样品进行表面处理，可通过旋转密封机构外侧的旋转钮调整第一、第二电极板之间的距离。处理完成后，关闭等离子体发生器，然后直接进行薄膜生长。本发明可以使样品的表面预处理过程与薄膜生长过程在同一真空环境下完成，在两步工艺之间，样品未受到二次污染，从而解决样品在等离子体处理与薄膜制备两个工艺之间进行转移时产生的二次污染问题以及半导体器件中的表面态问题。
再者，本发明结合原有的薄膜设备进行改动，增加等离子体处理功能，改造成本低，装置结构简单、灵活，经济适用，兼容原有设备系统，具有可移植性，具有广泛的应用前景。
下面将结合附图及典型案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
请参阅图1所示为本实施例中的一种等离子体装置与薄膜沉积设备相连，例如，在低压化学气相沉积设备(LPCVD)上增加等离子体功能，所述等离子体装置与沉积设备的真空腔室100连接，所述装置包括等离子体发生器1、密封门2、第一电极(亦可以称为前电极)3、第二电极(亦可以称为后电极)4、第一电极板(亦可以称为前电极板)5、第二电极板(亦可以称为后电极板)6以及电极板连动结构7等几个主要部分。所述第一电极板5与第二电极板6之间设置有至少用以容置待处理样品的、可调的间距，当所述等离子体发生器处于工作状态时，至少在所述间距内形成等离子体区域。
再请参阅图1所示，其中所述密封门2至少能够与所述真空腔室100配合形成密封空间，所述第一电极3及第二电极4设置于密封门2上。
所述密封门2的内外两侧分别设置有与第一电极3连接的第一电极外接线柱31b、第一电极内接线柱31a。位于密封门2外侧，所述第一电极外接线柱31b通过导线32与等离子体发生器1连接；位于密封门2内侧，即薄膜设备真空腔室内，所述第一电极内接线柱31a通过第一电极连接线33与第一电极板5连接。所述第一电极连接线为螺旋缠绕状，其上穿有陶瓷绝缘柱，其一端与位于密封门内侧的第一电极内接线柱相连，另一端与第一电极板相连。
相应的，所述密封门2的内外两侧分别设置有与第二电极4连接的第二电极外接线柱41b、第二电极内接线柱41a。位于密封门2外侧，所述第二电极外接线柱41b通过导线42与薄膜沉积设备的金属外壳相连接地；位于密封门2内侧，即薄膜设备真空腔室内，所述第二电极内接线柱41a通过第二电极连接线43与第二电极板6连接。所述第二电极连接线为直线弯折状，其上穿有陶瓷绝缘柱，其一端与位于密封门内侧的第二电极内接线柱相连，另一端与第二电极板相连。
如图2所示，所述第一电极外接线柱31b、第一电极内接线柱31a、第二电极外接线柱41b或第二电极内接线柱41a与密封门之间用绝缘材料34隔离。例如，所述绝缘材料可以是陶瓷。
请参见图3所示，所述电极板连动结构7设置于所述真空腔室100内，至少能够带动第一电极板5移动，从而调节第一电极板5与第二电极板6的间距。所述电极板连动结构7包括第一传动杆71、第二传动杆72以及传动轴承73，所述第一传动杆71、第二传动杆72分别与传动轴承73活动连接，所述第二传动杆72与第一电极板5固定连接。进一步的，所述第一传动杆或第二传动杆的材质选自钼、钨等金属，或者碳碳复合材料等，但不限于此。
请参阅图3和图4所示，所述装置还包括与所述电极板连动结构连接的旋转部件8，所述旋转部件8包括旋转接口81和旋转钮82，所述旋转接口设置于密封门内侧，且与所述第一传动杆71连接，所述旋转钮82设置于密封门外侧，通过旋转旋转钮82，实现第二传动杆72带动第一电极板5移动，从而调节第一、第二电极板的间距。
再请参阅图5，以第一电极板5为例，其包括两个同心设置的圆形金属板51。所述内侧的圆形金属板上设置有4个相对于电极板的圆心对称分布的、供电极连接线接入的接线点。第二电极板6的结构与第一电极板5的结构相同，此处不再赘述。
本发明的等离子体装置在应用时，第一、第二电极板5、6位于真空腔室100内的样品支架101上，两电极板之间摆放样品102。工作过程中，在真空腔室100达到设定的真空度后，通入工艺气体，打开等离子体发生器1，在第一、第二电极板5、6之间形成等离子体区域，对样品进行表面处理，可通过旋转密封机构外侧的旋转钮82调整第一、第二电极板5、6之间的距离。处理完成后，关闭等离子体发生器1，然后直接进行薄膜生长。
藉由上述技术方案，本发明可实现样品的表面预处理过程与薄膜生长过程在同一真空环境下完成，在两步工艺之间，样品未受到二次污染，从而解决样品在等离子体处理与薄膜制备两个工艺之间进行转移时产生的二次污染问题以及半导体器件中的表面态问题。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种等离子体装置，可与薄膜沉积设备的真空腔室连接，其特征在于，所述装置包括等离子体发生器、密封机构、第一电极、第二电极、第一电极板以及第二电极板；
所述密封机构至少能够与薄膜沉积设备的真空腔室配合形成密封空间，所述第一电极及第二电极设置于密封机构上，所述第一电极分别与所述等离子体发生器和第一电极板连接，所述第二电极与第二电极板连接，所述第二电极还用于与薄膜沉积设备的外壳连接；所述第一电极板与第二电极板之间设置有至少用以容置待处理样品的、可调的间距，当所述等离子体发生器处于工作状态时，至少在所述间距内形成等离子体区域。
2.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于：所述装置还包括可设置于薄膜沉积设备的真空腔室内的电极板连动结构，所述电极板连动结构能够带动第一电极板和第二电极板中的至少一者移动，从而调节第一电极板与第二电极板的间距。
3.根据权利要求2所述的等离子体装置，其特征在于：所述电极板连动结构包括第一传动杆、第二传动杆以及传动轴承，所述第一传动杆、第二传动杆分别与传动轴承活动连接，所述第二传动杆与第一电极板或第二电极板固定连接。
4.根据权利要求3所述的等离子体装置，其特征在于：所述装置还包括与所述电极板连动结构连接的旋转部件，所述旋转部件包括旋转接口和旋转控制组件，所述旋转接口设置于密封机构内侧，且与所述第一传动杆连接，所述旋转控制组件设置于密封机构外侧。
5.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于：所述密封机构两侧分别设置有与第一电极连接的第一电极外接线柱、第一电极内接线柱，所述第一电极外接线柱通过导线与等离子体发生器连接，所述第一电极内接线柱通过第一电极连接线与第一电极板连接。
6.根据权利要求1所述的等离子体装置，其特征在于：所述密封机构两侧分别设置有与第二电极连接的第二电极外接线柱、第二电极内接线柱，所述第二电极外接线柱通过导线与薄膜沉积设备的外壳连接，所述第二电极内接线柱通过第二电极连接线与第二电极板连接。
7.根据权利要求5或6所述的等离子体装置，其特征在于：所述第一电极外接线柱、第一电极内接线柱、第二电极外接线柱或第二电极内接线柱与密封机构之间设置有绝缘材料，所述绝缘材料优选地包括陶瓷。
8.根据权利要求5或6所述的等离子体装置，其特征在于：所述第一电极连接线呈螺旋缠绕状；和/或，所述第二电极连接线呈直线弯折状；优选的，所述第一电极连接线、第二电极连接线上均套设有陶瓷绝缘柱。
9.根据权利要求1或2所述的等离子体装置，其特征在于：所述第一电极板、第二电极板均包括至少两个同心设置的圆形金属板；优选的，所述第一电极板、第二电极板上均设置有复数个相对于电极板的圆心对称分布的、供电极连接线接入的接线点；尤其优选的，所述接线点的个数在4个以上。
10.根据权利要求3所述的等离子体装置，其特征在于：所述第一传动杆或第二传动杆的材质选自金属和/或碳碳复合材料；优选的，所述金属包括钼和/或钨。
11.权利要求1-10中任一项所述的等离子体装置于薄膜制备领域中的应用。
12.一种薄膜沉积设备，包括真空腔室，其特征在于还包括：与所述真空腔室连接的权利要求1-10中任一项所述的等离子体装置。
13.根据权利要求12所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述真空腔室内设置有样品支架，所述等离子装置设置于所述样品支架的上方。
14.根据权利要求12或13所述的薄膜沉积设备，其特征在于：所述薄膜沉积设备包括低压化学气相沉积设备。
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