CN109913854B

CN109913854B - 等离子化学气相沉积装置

Info

Publication number: CN109913854B
Application number: CN201711317453.7A
Authority: CN
Inventors: 张志强; 彭帆; 杨平
Original assignee: Shanghai Jet Plasma Co ltd
Current assignee: Shanghai Jet Plasma Co ltd
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: CN109913854A

Abstract

本发明涉及化学气相沉积领域，公开了一种等离子化学气相沉积装置。本发明中，该等离子化学气相沉积装置，包括阳极、阴极及至少一个调节电路；所述阳极上连接有基底；通过调节所述调节电路的阻抗，能够调节所述阳极的电压，从而控制等离子对所述基底的轰击能量，以便改善基底表面材料的特性，提高表面结合力。相对于传统技术而言，本实施方式的装置无需设置多个射频电源，即可实现对离子轰击能量的调节，提高产品性能，大大降低了设备的成本以及设备的复杂性。

Description

等离子化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及化学气相沉积领域，特别涉及等离子化学气相沉积装置。

背景技术

在等离子化学气相沉积设备中，反应气体在射频电源作用下可以转变成等离子体从而进行化学反应生成需要的纳米膜材料。而在制备纳米材料膜时，一般需要对基底材料进行预处理，常用的预处理包括等离子处理，即射频电源将反应气体电离成离子，在预处理时，反应气体可能是氩气，氧气，氢气。而为了达到较好的预处理效果，需要控制离子轰击基底材料的能量，以便改善基底表面材料的特性，提高表面结合力、提高材料的质量。另外，在等离子化学气相沉积制备过程中，反应气体为硅烷等，反应气体开始时被电离成离子，通过控制离子对成膜面的轰击，可以更好改善膜的密度和释放应力。

但是，由于离子的通量由通入的射频能量决定，离子能量是由阳极电压的大小决定。而对于传统等离子化学气相沉积设备来说，电压和射频能量往往是正向关系，即射频能量越高，阳极电压越高。也就是说，在传统的等离子化学气相沉积设备中，在同样的射频功率下，离子通量和能量不是独立控制的，等离子化学气相沉积设备不具备独立地调节等离子轰击能量的功能。而为了实现对离子轰击能量的调节，一般需要使用多个频率射频电源，这样会增加等离子化学气相沉积装置的成本和设备复杂性。

因此，如何降低等离子化学气相沉积设备的成本，并使等离子化学气相沉积设备具备对离子轰击能量调节的功能，是目前我们需要解决的问题。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种等离子化学气相沉积装置，该装置通过增设调节电路，实现对阳极电压的调节，从而控制离子的轰击能量，通过改变离子轰击能量，改善基底表面材料的特性，提高表面结合力。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种等离子化学气相沉积装置，包括阳极、阴极及至少一个调节电路；所述阳极上连接有基底；通过调节所述调节电路的阻抗，能够调节所述阳极的电压，以控制等离子对所述基底的轰击能量。

本发明实施方式相对于现有技术而言，由于装置中设置有调节电路，通过改变调节电路中的阻抗，便可以调节阳极电压，进而控制装置中等离子对基底的轰击能量，改善基底表面材料的特性，提高表面结合力。相对于现有技术而言，本实施方式的装置无需设置多个射频电源，即可实现对离子轰击能量的调节，在提高产品性能的同时，大大降低了设备的成本以及设备的复杂性。

另外，所述调节电路包括一电感及一电容；所述电容的一端连接所述阳极，另一端通过所述电感接地。

另外，所述阴极通过一匹配电路连接至射频电源。

另外，所述调节电路有两个，所述阴极及所述阳极分别通过一个所述调节电路接地；所述调节电路包括一电容及所述电容串联的电感。

另外，所述装置还包括射频电源、匹配电路及变压器；所述射频电源通过所述匹配电路连接至所述变压器的输入端，所述变压器的输出端分别与所述阴极及阳极连接。

另外，|Z_L1|>|Z_C|，且|Z_L1|>|Z_C1|；其中，Z_L1为所述调节电路中的电感的阻抗，Z_C为所述阴极与所述阳极之间的耦合电容的阻抗，Z_C1为所述调节电路中与电感串联的电容的阻抗。

另外，通过调节所述调节电路中的电容的阻抗，来调节所述阳极的电压，以控制等离子对所述基底的轰击能量。

另外，所述基底通过机械卡盘或者静电卡盘固定于所述阳极上。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的化学气相沉积装置的电路图；

图2是根据本发明第二实施方式的化学气相沉积装置的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种等离子化学气相沉积装置，具体如图1所示，包括阳极、阴极及至少一个调节电路，其中，阳极上连接有基底，基底通过机械卡盘或者静电卡盘固定于阳极上，基底作为薄膜材料的生长面。

需要说明的是，通过调节上述调节电路的阻抗，能够调节阳极的电压，以控制等离子对基底的轰击能量。本实施方式以一个调节电路进行说明。

具体的说，结合图1所示，该调节电路包括一电感及一电容，电容的一端连接阳极，另一端与电感连接，电感的另一端接地。射频电源通过匹配电路与阴极连接。值得一提的是，本实施方式所说的匹配电路可以是T型匹配电路，π形匹配电路及L型匹配电路。在信号或广泛电能在传输过程中，为实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求电路连接实现阻抗匹配，阻抗匹配关系着系统的整体性能，而使用上述匹配电路，可实现匹配，从而使系统性能达到最优，且上述的匹配电路都可在网上找到。此外，需要说明的是，本实施方式中，上电极板与下电极板(即阴极板与阳极板)之间的电容为C，调节电路中的电容为C₁，该电容可选用电容值可调的电容器件，调节电路中的电感为L₁，该电感可以选择电感值可调的电感器件，其阻抗分别为Z_C1，Z_L1，Z_C，并且|Z_L1|>|Z_C|，|Z_L1|>|Z_C1|。

在实际制备过程中，一般在上电极板(即本实施方式的阴极板)上设有用于反应气体进入的通孔，在预处理阶段，反应气体可以是氩气，氧气，氢气，在膜材料制备阶段时，反应气体为硅烷等。上述反应气体被射频电源电离成离子，离子能量由阳极电压决定，不难理解，当阳极电压最小时，离子对基底轰击最小，沉积速度最快。

在本实施方式中，通过改变调节电路中的电容C₁可知，当Z_C1+Z_L1＝0，即Z_C1＝-Z_L1时，电容电感阻抗相消，阳极阻抗为0，可等效为接地，此时，阳极电压为0，离子对基底轰击最小，沉积速度最快。另外当Z_C+Z_C1+Z_L1＝0，Z_C1＝-Z_C-Z_L1，此时，阴极电压最小，而阳极电压降最大，此时离子能量最大，沉积速度减小。

需要说明的是，在调节电路中，若选择的电感为电感值可调的电感器件，则通过改变调节电路中的电感L₁，亦可以实现上述效果。即，调节电感L₁，使Z_C1+Z_L1＝0，Z_C1＝-Z_L1，电容电感阻抗相消，阳极阻抗为0，可等效为接地，此时，阳极电压为0，离子对基底轰击最小，沉积速度最快。另外，当Z_C+Z_C1+Z_L1＝0及Z_C1＝-Z_C-Z_L1，此时，阴极电压最小，而阳极电压降最大，此时离子能量最大，沉积速度减小。但是，目前可调电感在工业上较难实现，且工作不稳定，所以优选电容值可调的电容器件。

因此，本实施方式在传统装置中增设调节电路，通过选择适当Z_C1，Z_L1，并调节Z_C1和/或Z_L1，使得射频电源在同一个功率下，阳极的电压也可以被调节，实现离子能量的调控。调节电路相当于给装置增加了一个调节维度，使得装置在同样的射频功率下，能够实现离子能量和离子通量的独立控制，无需设置多个不同功率的射频电源，大大降低了设备成本。

概括地说，本实施方式由于装置中设置有调节电路，通过改变调节电路中的阻抗，便可以调节阳极电压，进而控制装置中等离子对基底的轰击能量，改善基底表面材料的特性，提高表面结合力。相对于传统技术而言，无需设置多个射频电源，大大降低了设备的成本以及设备的复杂性，同时提高产品性能。

本发明的第二实施方式涉及一种等离子化学气相沉积装置，第二实施方式与第一实施方式的区别之处在于，本实施方式中有两个调节电路，结合图2所示。阴极及阳极分别通过一个调节电路接地。

在本实施方式中，装置包括射频电源、匹配电路以及变压器，射频电源通过匹配电路连接至变压器的输入端，变压器的输出端分别与阴极及阳极连接。值得一提的是，本实施方式所说的匹配电路可以是T型匹配电路，π形匹配电路或者L型匹配电路，在实际应用中可根据实际情况灵活选择，本实施方式对此不做限制。在信号或广泛电能在传输过程中，为实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求电路连接实现阻抗匹配，阻抗匹配关系着系统的整体性能，而使用上述匹配电路，可实现匹配，从而使系统性能达到最优。

并且，上电极板与下电极板(即阴极板与阳极板)之间的电容为C，一个调节电路与阳极连接，该调节电路包括一电容及电容串联的电感。该电容的电容值为C₁，且该电容为电容值可调的电容，调节电路中的电感为L₁，该电感可以选择电感值可调的电感，其阻抗分别用Z_C1，Z_L1，Z_C，|Z_L1|>|Z_C|，且|Z_L1|>|Z_C1|，作为优选的，|Z_L1|大于300欧姆。

另外，阴极与另一个调节电路连接，该调节电路包括一电容及电容串联的电感。该电容的电容值为C₂，且该电容为电容值可调的电容器件，调节电路中的电感为L₂，该电感可以选择电感值可调的电感器件，其阻抗分别用Z_C2，Z_L2，|Z_L2|>|Z_C|，且|Z_L2|>|Z_C2|，作为优选的，|Z_L2|大于300欧姆。

不难理解，通过调节C₁，C₂，可以实现调节阳极阴极的离子轰击能量的效果。在具体调节中，当Z_C1＝-Z_L1，阳极接地，阳极电压为0，离子对基底轰击最小，沉积速度最快。当Z_C2＝-Z_L2，阴极接地，离子轰击能量最大。

需要说明的是，上述与阴极连接的调节电路以及与阳极连接的调节电路的结构也可以不同，但是需要满足Z_C1+Z_L1＝0时，离子能量最小，从而实现离子对基底轰击最小，沉积速度最快。

另外，在调节电路中，若选择的电感为电感值可调的器件，则可以通过改变调节电路中的电感L₁，L₂。具体为，当Z_C1＝-Z_L1，阳极接地，阳极电压为0，从而实现离子对基底轰击最小，沉积速度最快；当Z_C2＝-Z_L2，阴极接地，离子轰击能量最大。

因此，在调节电路中，选择适当Z_C1，Z_L1，Z_C2，Z_L2，通过调节Z_C1和/或Z_L1，或者调节Z_C2和/或Z_L2，即使射频电源在同一个功率下，阳极也可获得不同离子能量，从而实现离子能量和离子通量的独立控制。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种等离子化学气相沉积装置，其特征在于，包括阳极、阴极及至少一个调节电路；所述阳极上连接有基底；

通过调节所述调节电路的阻抗，能够调节所述阳极的电压，以控制等离子对所述基底的轰击能量；

所述调节电路包括一电容及所述电容串联的电感；所述电容的一端连接所述阳极，另一端通过所述电感接地；

所述调节电路有两个，所述阴极及所述阳极分别通过一个所述调节电路接地；

所述装置还包括射频电源、匹配电路及变压器；

所述阴极通过一匹配电路连接至所述射频电源；

所述射频电源通过所述匹配电路连接至所述变压器的输入端，所述变压器的输出端分别与所述阴极及阳极连接。

2.根据权利要求1所述的等离子化学气相沉积装置，其特征在于，|Z_L1|>|Z_C|且|Z_L1|>|Z_C1|；其中，Z_L1为所述调节电路中的电感的阻抗，Z_c1为所述调节电路中的与电感串联的电容的阻抗，Z_C为所述阴极与所述阳极之间的耦合电容的阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的等离子化学气相沉积装置，其特征在于，通过调节所述调节电路中的电容的阻抗，来调节所述阳极的电压，以控制等离子对所述基底的轰击能量。

4.根据权利要求1所述的等离子化学气相沉积装置，其特征在于，所述基底通过机械卡盘或者静电卡盘固定于所述阳极上。