CN1103382C - 等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体化学气相沉积装置，包括一箱体，其具有多个限定于箱体之内的反应空间，用来容放工件；多个分别装入反应空间中的电极，各电极分别支撑工件；用于使反应空间抽真空的抽真空装置；用于向各个反应空间输送反应气体的气体供给装置；以及与电极相连的高频电源，向各个电极输送高频电流，以便在反应空间中形成等离子体，它还包括在箱体内形成的连通通道，用于使各个反应空间相互连通，连通通道足够大以使等离子体传播。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在工件上形成薄膜层的等离子体化学气相沉积(CVD)装置。
背景技术
最近，人们更多地关注等离子体CVD；即可以在较低温度下，例如室温下，用等离子体的化学气相沉积方法形成薄膜。日本公开专利文献No.311448/1993揭示了实施等离子体化学气相沉积方法的装置。在该装置中，用金属丝网使真空室中的内部空间划分为若干个部分。被划分的各个小空间(隔间)是由真空容器的壁与金属丝网围成的，构成反应隔间。真空容器与金属丝网适当地接地。每个反应隔间中都分别插入一个平板电极。所有的电极都通过阻抗匹配电路与高频电源相接通。每个电极的上表面上都放置一个工件。由于构成各反应隔间的壁(也就是真空容器的壁与金属丝网)与电极之间产生的高频电场的作用，使充入到各个反应隔间内的反应气体等离子化。由于上述高频电场的作用，使得所有的等离子体的阴离子或电子进行动态运动。其结果是，反应性气体部分地分解，形成自由基。由于阻抗匹配电路的偏置功能，使所有等离子体的阳离子移动到工件上，而上述自由基也伴随阳离子，移动到同样方向上。其结果是，在工件表面上形成薄膜。
在上述日本公开专利文献No.311448/1993所揭示的装置中，每个工件分别装在每个相隔开的狭窄反应隔间中，而且在各个反应隔间中分别形成等离子体，分别使工件表面上成膜。因此，相对于在一个大的空间中同时处理多个工件的装置，它具有能够节约能量的优点。
然而，在上述日本公开专利文献No.311448/1993所述的装置中，有时候，在其中的一些反应隔间中并没有形成等离子体，因此，放在这些隔间中的工件的表面上不能形成薄膜。此外，所有的反应隔间有时不能同时地形成等离子体。因此，当高频电源在同时切断时，晚形成等离子体的反应隔间中的工件上形成薄膜的厚度与早形成等离子体的反应隔间中的工件上形成薄膜的厚度是不相同的。其结果是，不可能使每个工件表面上都形成均匀的薄膜。应该注意到，将真空容器内空间划成若干个反应隔间的金属丝网可以使空气通过，但却阻止等离子体的传播。
本发明申请人在德国专利申请DE19602634A1(对应于美国专利申请No.08/590471)的图7与8中曾揭示过类似于本发明装置的装置。其中，使若干个反应隔间相互连通的通道是使各个隔间抽成真空的真空通道，然而，该通道太狭窄，不足于等离子气体的传播。
发明概述
本发明的目的是提供一种等离子体CVD装置，该装置可以节能地使若干个同时被加工的工件表面上，各个都形成均匀厚度的薄膜。
本发明的主题就是等离子体CVD装置，其中的若干个反应隔间之间通过一个连通通道相连通，而且该连通通道的尺寸足于使等离子体传播。具体地说，一个接地的箱体包括一个底基部分与多个可以设在底基部分上面的罩套部分。底基部分的内部空间构成了连通空间，而每个罩套部分的内部空间构成了反应空间。每个接通高频电源的电极都通过连通空间延伸到各个反应空间中。在连通空间中，每个电极表面都裹着导电防护套。
附图的简要说明
以下结合附图来详述本发明的优选实施例。附图中：
图1表示根据本发明的一个实施例，用于在圆柱状工件上形成薄膜的等离子体CVD装置的纵向剖面视图；
图2是一个沿图1中II-II线的平面剖视图。
优选实施方式的详细描述
图1与2描述了根据本发明的一个实施方案的一个等离子体CVD装置。该等离子体CVD装置是用于在一般的圆柱状工件W上成膜的。该工件W可以是导体，或是非导体。工件W的下端面W1是作为一个接触表面与一个电极5相接触(详情后述)，工件W的周边表面W2与上端面W3都是将在其上面形成薄膜的表面。
上述装置包括一个真空容器1，一个装在真空容器1中的箱体2，以及安装在箱体2内的数个电极5。一个真空泵3与上述真空容器1相连通。该箱体2与电极5都是由铜或不锈钢的导体材料构成的。该箱体2包括一个扁平盘状的中空的底基部件10，和一具可拆卸地与底基部件10的一个上表面相连接的罩套组件20。
上述底基部件10包括一个水平盘状的上壁11(第一壁)，一个水平盘状的下壁12(第二壁)，以及一个与上壁11和下壁12的周边边缘相互连接的一圆柱周边壁13。该底基部件10的内部空间构成了本发明的具有重要特点的部分，即连通空间15。在上壁11中有四个开孔11a，上述四个开孔11a与底基部件10的中心都是具有等距离的间隔，而且彼此在周向等间隔排列。在上壁11的上表面上固定了一个连接垫套16，后者与开孔11a的周边边缘齐平面嵌装。由一些小穿孔构成的脱气视窗17(目测视孔)位于开孔11a附近，并设在周边壁13上。每个脱气视窗17在真空容器1的相对应的部位上都是由透明材料构成的，而且是用作目测视孔(图中未显示)。
罩套组件20包括多个(例如，四个)罩套部件21，以及用于与罩套部件21的上端相互连接的盘状的水平连接板24。每个罩套部件21分别包括一个套筒22，以及一个与套筒22的上端开孔相连接的杯盖23，后者的内表面呈现为一个大致半球面。每个罩套部件21的内部空间分别构成反应空间25。底基部件10的连通空间15可以使上述四个反应空间25彼此相互连通。通过每个罩套部件21的套筒22的下端部分与连接垫套16的连接配合，使罩套组件20可以拆卸地连接到底基部件10上。
使箱体2的连接板24接地。这样，使箱体2的电势为零。
将四个气体入口连接管26分别与连接板24和罩套部件21的上端相连接。通过穿入真空容器1的管道6，使气体入口连接管26与一个储气瓶7(供气装置)相连。
通过一个绝缘板30，一个导电板31与底基部件10的下壁12的底端表面相接触。在导电板31的上端表面上，分别竖立固定了四个电极5。该电极5的直径与工件W的直径相同，并具有圆柱状构形，它们分别通过在下壁12与绝缘板30中的孔洞12a，30a，伸入到箱体2的内部。也就是说，各个电极5分别穿过连通空间15向上延伸，使得电极5的上端部面向反应25空间的内部。各个电极5与下壁12及箱体2都是电绝缘的。
每个具有圆柱状构形，并与各孔洞12a的周边边缘吻合的导电防护套垂直向上地竖立安装在下壁12的上表面上。该防护套35在连通空间15内围绕电极5。各个防护套35的上端分别向上稍超过位于反应25空间内的连接垫套16位置。各个电极5的上端部位分别向上穿过连接垫套16，进入反应空间25中。各个防护套35都与各个电极5径向相隔一段距离，并与电极5电绝缘。上述各个电极5，防护套35以及罩套部件21的套筒22都分别具有等轴线。
导电板31通过一个阻抗匹配电路40(偏流装置)与高频电源41相连。通过一个电感器42使电压表43与导电板31相连，以便检测导电板31以及电极5的中心电势。电感器42与电压表43共同构成中心电势的检测装置。
现在说明通过使用由此构成的装置在工件W上形成无定形碳膜的方法。
首先，将罩套组合件20从底基部件10上移走，将各工件W准确地分别放在四个电极5的各个上端表面上。为了使工件W准确地放在电极5上，把工件W的下端表面W1与电极5的上端表面紧紧地叠合。其结果是，各个工件W的周边表面W2与各个电极5的周边表面分别对齐。
把工件W如上述连接安装后，将罩套组件20连接安装在底基部件10上面。此时，各个罩套部件21的套筒22面对各个工件W的周边表面W2，而且该套筒22的整个周边与工件W的周边表面W2都分别平行地保持等距离间隔。
把罩套组合件20连接安装后，关闭真空容器1，启动真空泵3，并从储气瓶7中输送反应气体。通过气体入口连接管26，将反应气体送入罩套部件21的反应空间25中。然后，通过连通空间15，使反应气体从脱气视窗17送入真空容器1中。此时，通过阻抗匹配电路40与导电板31，将高频电源41的高频电流输送到电极5。
反应空间25中的部分气体被高频电流等离子体化。首先，被高频电场形成的阴离子或电子到达箱体2、电极5以及工件W。到达箱体2的电子因接地而逸出，而到达工件W与电极5的电子则通过导电板31聚集在阻抗匹配电路41的一个电容中。其结果是，工件W与电极5的中心电势水平达到负电势，并且吸引阳离子(自偏置)，详情后述。工件W的电势水平达到恒定的负电势，并趋于稳定。
由于在工件W与电极5的附近的中心(平均)电势水平比一预定的负阈值低，因此，不会形成等离子体。同样地，由于箱体2的电势是接地电势，因此，在箱体2附近也不会形成等离子气体。上述没有形成等离子气体的区域被称为“等离子体屏蔽区域(plasma sheath area)”。
在反应空间25中的除了上述等离子体屏蔽区域以外的部分形成了等离子体。同样地，由于在等离子体中电子的动态运动，使气体部分地分解，形成自由基。
由于在工件W附近形成的电势水平的梯度，使得等离子体的阳离子移向工件W，并最终地撞击工件W。此时，自由基与阳离子流向一致，也移向工件W，并撞击工件W。由于阳离子与自由基的冲撞，使得在工件W的W2，W3表面上形成薄膜。
如上所述，通过把高频电源以集中的方式输送到四个较小的反应空间25中，并在其中限定等离子体，在工件W上构成薄膜。这样就可以以更少的电耗，实施成膜过程，从而提高了生产率。由于所有的工件W都分别放入具有相同构形的各个罩套部件21中，并在相同的操作条件下成膜，因此可以减少形成在工件W表面上的薄膜厚度不均匀性与粘附强度不均匀性。
在本发明的实施方案中，由于箱体2的筒套22都是等距离地面向工件W的周边表面W2，而且杯盖23也是面向工件W的上端表面W3，因此，在W2与W3表面上形成的薄膜不仅厚，而且其粘附强度也有所增强。此外，在周边表面W2上形成的薄膜的厚度，在其圆周方向上都是相同的。
在输送高频电流的初期，有时会在有些反应空间25中没有形成等离子体。在这种情况下，已经形成等离子体的反应空间25的等离子体流，可以通过连通空间15流向尚未形成等离子体的反应空间25中。
尚未形成等离子体的反应空间25收到来自连通空间15的等离子体以后，就可以被诱发形成等离子体(等离子体放电的传播)。其结果是，导致在所有的反应空间25中都形成等离子体，从而可以确保在所有的工件W的表面上都形成薄膜。由于几乎同时地在所有的反应空间25中形成等离子体，因此，可以进一步降低形成在工件W表面上的薄膜的厚度不均匀性与粘附强度不均匀性。
操作人员可以通过监视电压表43，经过确认导电板31的中心电势低于预定的负电势水平。以辨认在所有的反应空间25中的等离子体的形成。其理由在于，如果至少一个反应空间25中形成了等离子体，导电板31的中心电势降低到预定的负电势的水平，而且由于连通空间15的作用，可以确保在一个反应空间25所形成的等离子体，能够导致在所有的反应空间25中都形成等离子体。通过一些在真空容器1上的目测视窗，以及箱体2的底基部件10的脱气视窗17，可直接观测在连通通道15中的等离子体的存在，从而辨认出在所有的反应空间25中的等离子体的形成。
如上所述，虽然等离子体也存在于连通空间15中，但由于在连通空间15中的各个电极5都分别被防护套35所包裹，因此，可以避免在电极5的表面上形成薄膜，从而避免电功率的损耗。
下面详述有关用上述装置形成的薄膜的试验。在试验中，把10mm直径，30mm长度的高速钢制的切削工具当成工件W。每个工件W的周边表面W2与每个套筒22之间的距离是35mm，而连通空间15的高度分别选择为5mm，10mm与30mm。
其它条件如下所述：第一步骤：
原料气体：CH4+N2+TMS(四甲基硅烷)
气体压力：8.67帕
输入功率：100W(13.56MHz)
气体流率：.CH4：2.4sccm，N2：4sccm，TMS：1.6sccm
成膜时间：55分钟第二步骤：
原料气体：CH4
气体压力：8帕
输入功率：170W(13.56MHz)
气体流率：CH4：4sccm.
成膜时间：45分钟
其中上述sccm表示标准立方厘米/分钟。
当连通空间15的高度是10mm时，经过上述试验，在每个工件W的周边表面W2上所形成的薄膜的厚度是8.5m，并在周边表面W2的整个区域的薄膜厚度是均匀的。
当连通空间15的高度是5mm时，没有等离子体的放电传播。
当连通空间15的高度是30mm时，虽然所形成的薄膜厚度是均匀的，但只有7.5m，其成膜效率不如当连通空间15的高度是10mm时的情况。
在该试验中，在箱体2的底基部件10的上壁11与下壁12附近的各个等离子体屏蔽区的厚度是4.5mm，即等离子体屏蔽区的总厚度是9.0mm。
由上述试验结果可以看出，如果连通空间15的高度小于等离子体屏蔽区的总厚度，这时就没有等离子体放电的传播，因此不能达到本发明的效果，如果连通空间15的高度大于必要的值时，则会形成电功率的浪费。也就是说，最好使连通通道15的高度稍稍大于等离子体屏蔽区的总厚度。
正如上面所述，连通空间15的高度是5mm的装置不属于根据本发明的等离子体CVD装置。
如上所述，连通空间15(即连通通道)应足够大以使等离子体能传播。换句话说，当沿着连通空间15的内表面形成了等离子体屏蔽区时，有必要存在被该等离子体屏蔽区域所包围的等离子体传播区域。
同样地，在上壁11中形成的开孔11a也需要大得足以使等离子体传播。
上述实施例并不构成对本发明的限制，可在此基础上作出一些改变与改进，例如，欲加工的工件的横截面可以构成矩形。在这种情况下，各个罩套部件的横截面也同样地构成矩形，而且各个防护套的横截面也同样地构成矩形。
在确认等离子体的形成方面，也可以用将负阈值与导电板31的中心电势(电极5与工件W的中心电势)相比较的电压比较器，代替电压表，以便当中心电势低于阈值时，可用如信号灯或蜂鸣器那样的指示装置指出等离子体的形成。
也可以取消导电板31，在这种情况下，可为各个电极提供一个阻抗匹配电路与高频电源。
在上述实施例中，虽然该箱体是用作接地电极，但也可以从箱体中分别地提供接地电极，并插入到各个反应空间中，使得接地电极面对在高频电源一侧的相对应的电极。
在上述实施例中，也可以在箱体中设有多个连通空间，以使每个连通空间只与相对应的反应空间相互连通。
用于限定反应空间的罩套部件可以以矩阵模式或线型模式排列。
Claims (2)
1.一种等离子体化学气相沉积装置，包括：
(a)一个箱体(2)，其具有多个限定于所述箱体(2)之内的反应空间(25)，每个所述反应空间(25)用来容放一个工件(W)；
(b)多个分别装入所述反应空间中的电极(5)，各电极(5)分别支撑所述工件；
(c)用于使所述反应空间抽真空的抽真空装置(3)；
(d)用于向各个反应空间输送反应气体的气体供给装置(17)；以及
(e)一个与所述电极相连的高频电源(41)，该电源向各个电极输送高频电流，以便在反应空间中形成等离子体，
其特征在于，在所述箱体(2)上相互连通所述多个反应空间，且形成容许等离子体放电传播的足够大的连通空间。
2.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积装置，其中所述箱体(2)是接地的，并包括一个中空的底基部件(10)与多个设在该底基部件上面的罩套部件(21)，所述底基部件的一个内部空间用作所述的连通空间(15)，而各个罩套部件的内部空间分别用作所述的反应空间(25)，并且，所述箱体的所述底基部件包括相互隔开并对置的第一与第二壁(11，12)，所述第一壁(11)用于支持罩套罩部件(21)，通过在所述第一壁上的开孔(11a)，使各个所述反应空间(25)与所述连通空间(15)之间相互连通，各个所述电极(5)分别穿过第二壁(12)，通过所述连通空间(15)与所述开孔(11a)，使得所述电极的一端部位分别面对各个反应空间(25)，用于在所述连通空间(15)中包裹所述电极(5)的导电防护套(35)，固定在第二壁(12)上。
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