CN110894599B - 等离子体化学气相沉积系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种等离子体化学气相沉积系统。该沉积系统包括等离子体沉积装置，该等离子体沉积装置包括等离子体炬和沉积室。该沉积系统还包括：尾气循环装置、新鲜气体供给装置和在线监控装置，该尾气循环装置一端连接于沉积室的排气口，另一端连接于等离子体炬的进气口；该新鲜气体供给装置，连接于等离子体炬的进气口；该在线监控装置用于实时检测气体组分、温度、沉积室压力及沉积基体温度。本发明还提出了一种等离子体化学气相沉积方法。本发明方法将等离子体化学气相沉积系统排放的气体经简单处理后进行气体循环使用，克服现有技术气体消耗较大的问题，大大降低气体成本，同时保证沉积系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于化学气相沉积制备领域，特别是涉及一种封闭式等离子体化学气相沉积系统及方法。
背景技术
传统的等离子体化学气相沉积系统气路普遍为封闭直排式或半开放式。封闭直排式多用于低压工艺，即所有的生产用气，包括反应气体(如氢、甲烷等)、辅助电离气体(如氩、氧气等)等，经过质量流量控制器进入等离子炬，在直流电弧的作用下，气体被分解、电离，进而喷射进入沉积室内产生化学反应，反应完毕的气体通过各种方式直接排出沉积系统。在该沉积系统中，为了使等离子电弧能够稳定的旋转，并把尽量多的能量带入反应室，必须保证等离子炬有足够多的工质气体流过，而且所有的气体都只能使用一次。在所使用的工质气体中，大部分气体的作用是保护等离子炬的阴极或炬管，并可使电弧保持稳定，并且其用量很大，成本也较为昂贵，在反应过程的前后基本没有发生变化。将这些气体直接排出会产生极大浪费，并大幅增加生产成本。
对于半开放式等离子体化学气相沉积系统，一般在正常大气压下即可工作，对沉积室的密封程度要求不高，因此其对设备要求相对较低。该工艺反应完毕的气体同样直接排出沉积系统，造成大量的气体浪费。另外，由于其半开放式结构导致沉积部位与大气直接联通，难以避免外部杂质的污染，并且，外部气压的波动直接导致沉积气氛不够稳定，影响制备材料的稳定性。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种等离子体化学气相沉积系统及方法，所要解决的技术问题是使其实现气体的循环利用，大大降低生产成本，同时控制沉积室内气体组分、压力稳定性，以保证沉积系统的稳定性及沉积质量。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种等离子体化学气相沉积系统，包括等离子体沉积装置，所述等离子体沉积装置包括等离子体炬和沉积室；
所述等离子体化学气相沉积系统还包括：
尾气循环装置，一端连接于所述沉积室的排气口，另一端连接于所述等离子体炬的进气口，用于循环利用等离子体化学气相沉积反应后的尾气，其中，所述尾气循环装置包括尾气净化设备和尾气排出设备；
新鲜气体供给装置，连接于所述等离子体炬的进气口，用于为所述等离子体炬供给新鲜气体；
在线监控装置，用于实时检测气体组分、温度、沉积室压力及沉积基体温度，并根据检测的数值来控制新鲜气体流量和抽气阀门开度，以保持沉积气体组分及压力的稳定。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积系统，其中所述气体净化设备包括：第一气体净化设备，用于去除尾气中的腐蚀性气体，并用于降温。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积系统，其中所述气体净化设备还包括：
第二气体净化设备，用于去除尾气中的粉尘和油雾；和/或，
第三气体净化设备，用于去除尾气中的微颗粒。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积系统，其中所述等离子体化学气相沉积系统还包括：
第一流量控制器，设在所述尾气循环装置上，用于控制反应后的尾气的循环量；
第二流量控制器，设在所述新鲜气体供给装置上，用于控制新鲜的反应气体的加入量；
第三流量控制器，设在所述新鲜气体供给装置上，用于控制新鲜的电离气体的加入量；
第四流量控制器，设在所述尾气排出设备上，用于控制尾气的排出量。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积系统，其中所述在线监控装置包括：压力传感器、光谱仪、红外测温仪和控制器；
其中，所述光谱仪用于实时检测沉积室内的气体组分；
所述红外测温仪用于实时检测沉积基体的温度；
所述控制器用于控制新鲜气体流量和抽气阀门开度，以保持沉积气体组分及压力的稳定。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种等离子体化学气相沉积方法，包括：
气源进入等离子体炬，形成等离子体；所述等离子体进入沉积室，进行等离子体化学气相沉积；
将反应后的尾气从所述沉积室抽出，对所述尾气在第一净化设备中进行第一次净化处理；
将部分所述尾气通过尾气排出设备排出，并将剩余的所述尾气作为循环气体返回到等离子体炬中；
将新鲜气体通过新鲜气体供给装置进入等离子体炬中，将所述循环气体和所述新鲜气体混合作为新的气源；
根据等离子体光谱实时调节新鲜气体的流量，以保持沉积气体组分的稳定；综合沉积基体温度、沉积室压力变化实时调节抽气阀门开度，以保持沉积压力的稳定；
将所述新的气源重复上述步骤，直至等离子体化学气相沉积反应完成，实现反应后的尾气的循环利用；
其中，所述气源包括电离气体和反应气体；
所述新鲜气体包括新鲜的电离气体和新鲜的反应气体。
所述的等离子体化学气相沉积方法利用前述的等离子体化学气相沉积系统来实现。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积方法，其中还包括：
在所述的将部分所述尾气通过尾气排出设备排出的步骤之前或之后，进行第二次净化处理，用于去除尾气中的粉尘和油雾；和/或，
在将所述循环气体与所述新鲜气体混合为新的气源的步骤之前，对所述循环气体进行第三次净化处理，用于去除所述循环气体中的微颗粒。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积方法，其中还包括：
控制通过所述尾气排出设备排出的尾气的流量、通过所述尾气循环装置循环的循环气体的流量和通过所述新鲜气体供给装置加入的新鲜气体的流量，使进入所述等离子体炬中的气体成分达到稳定状态。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积方法，其中所述的根据等离子体光谱实时调节新鲜气体的流量的方法包括：
根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态；
通过第一公式，调节各种新鲜气体供给量，
其中，所述第一公式为：
lgIf/lgIm＝aLf/Lm
式中，If为主要反应元素特征谱线强度，Im为不参与反应元素特征谱线强度，Lf为主反应气体流量，Lm为不参与反应气体流量，a为比例系数。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积方法，其中所述的保持沉积压力的稳定的方法包括：
通过实时监测沉积基体温度Tj、尾气温度Tw，在气体压力未发生显著变化时即做出响应，通过调节抽气阀门开度响应调节沉积室压力，以避免压力大幅波动，整个系统即达到动态平衡。
所述响应方法为：
当所述沉积基体的实时温度Tj与设定温度Tj0的差值大于设定值时，通过第二公式确定所述抽气阀门开度，调节所述抽气阀门开度，
其中，所述第二公式为：
式中，Kx为实时的抽气阀门开度，K0为设定的抽气阀门开度，Tj为沉积基体的实时温度，Tj0为沉积基体的设定温度，P1为沉积室的实时压力，P0为沉积室的设定压力，b、c为调节系数。
优选的，前述的等离子体化学气相沉积方法，其中所述等离子体化学气相沉积的工作压力为1Pa-1MPa。
借由上述技术方案，本发明等离子体化学气相沉积系统及方法至少具有下列优点：
1、本发明等离子体化学气相沉积系统为封闭循环式反应系统，该系统具有尾气循环装置和新鲜气体供给装置，通过调节尾气循环装置的阀门和流量控制器，来控制循环气量的多少，通过调节新鲜气体供给装置的流量计来控制加入的新鲜气体的流量和比例。通过计算结合实验确定反应气体消耗量，进而设定好尾气循环量、尾气排出量、新鲜气体供给量之后，在理想状态下气体组分保持稳定。在实际沉积过程中，根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态。
2、基于等离子体所用气体大部分不参与化学反应这一特点，通过增加一套尾气循环装置，将等离子体化学气相沉积系统排放的气体进行简单处理，满足使用要求后再作为气源，做到气体循环使用，克服现有技术气体消耗较大的问题，大大降低气体成本，同时保证沉积质量和沉积系统的稳定性，尾气的循环回用率可达到90％以上。
3、本系统通过调节尾气循环装置的阀门和流量控制器来控制循环气量的多少和沉积室的工作压力。设定好尾气循环量、尾气排出量、新鲜气体供给量之后，在沉积室内温度不变的情况下，系统压力达到稳定状态，其中，沉积室压力可在1Pa-1MPa范围内任选。如果等离子体状态、循环冷却水温度或其它因素发生变化，导致等离子体或沉积基体温度升高(或降低)，在气体流量参数不变的条件下，沉积室内气体压力随之升高(或降低)，由于气压影响传热状态，气压反过来影响沉积基体温度使其进一步升高(或降低)，因而导致恶性循环。本系统通过实时监测沉积基体温度，在气体压力未发生显著变化时即做出响应，通过调节抽气阀门开度响应调节沉积室气压，以避免压力大幅波动，整个系统即达到动态平衡。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图；
图2是本发明另一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图；
图3是本发明又一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图。
1沉积室，2等离子炬，3等离子体电源，4沉积基体，5第一净化设备，6第一泵，7第二泵，8抽气阀门，9第二净化设备，10第三净化设备，11第一流量控制器，12第二流量控制器，13第三流量控制器，14第三泵，15第二阀门，16第四流量控制器，17第一压力传感器，18第二压力传感器，19第三压力传感器，20尾气循环管，21尾气排出管，22新鲜气体供给管，23光谱仪，24红外测温仪，25温度传感器。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的等离子体化学气相沉积系统及方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明提出了一种等离子体化学气相沉积系统。
图1是本发明一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提出的等离子体化学气相沉积系统包括等离子体沉积装置，该等离子体沉积装置包括等离子体炬2和沉积室1。
需要说明的是，本发明实施例对等离子体沉积装置不做具体的限制，只要能实现等离子体化学气相沉积即可。常见的等离子体沉积装置主要包括用于沉积的沉积室1和产生等离子体的等离子体炬2，还包括位于沉积室1内的沉积基体4和与等离子体炬2连接的等离子体电源3。
进一步的，本发明实施例的等离子体化学气相沉积系统还包括：
尾气循环装置，一端连接于所述沉积室1的排气口，另一端连接于等离子体炬2的进气口，用于循环利用等离子体化学气相沉积反应后的尾气，其中，所述尾气循环装置包括尾气净化设备和尾气排出设备；
新鲜气体供给装置，连接于等离子体炬2的进气口，用于为等离子体炬2供给新鲜气体；
在线监控装置，用于实时检测气体组分、温度、沉积室压力及沉积基体温度，并根据检测的数值来调节新鲜气体流量和抽气阀门开度，以保持沉积气体组分及压力的稳定；
本发明实施例中，尾气循环装置通过尾气循环管20实现尾气的循环利用，尾气循环管20的一端连接于沉积室1的排气口，尾气循环管20的另一端连接于等离子体炬2的进气口，用于将等离子体化学气相沉积的尾气导出沉积室1，经处理后，再回到等离子体炬2。新鲜气体供给装置通过新鲜气体供给管22为等离子体炬2提供新鲜气体，新鲜气体供给管22连接于等离子体炬2的进气口。
更进一步的，本实施例的尾气循环装置包括净化设备和尾气排出设备。
本发明实施例中，净化设备为第一净化设备5，设在尾气循环管20上，用于去除尾气中的腐蚀性气体，并降低尾气的温度。
较佳的，第一净化设备5连接在沉积室1的排气口处的尾气循环管20上，沉积反应的尾气从沉积室1的排气口抽出后，先进入第一净化设备5中，尾气经第一净化设备5的净化，除去尾气中的腐蚀性气体，同时起到降低尾气温度的作用。第一净化设备5连接在沉积室1的排气口处使尾气得到初步的净化，除去尾气中的腐蚀性气体，防止尾气腐蚀后面的设备或管道，延长系统的使用寿命。
需要说明的是，本发明实施例对第一净化设备5不做具体的限制，第一净化设备5的目的是：一方面适当降低气体温度，另一方面去除化学反应后可能存在的腐蚀性气体，可以通过化学法、物理法或物理-化学法来达到除去尾气中含有的腐蚀性气体的目的，随沉积反应的不同，生成的气体就不同，所选用的净化方法就会不同，因此，可以根据反应尾气中要除去的气体组分来选择相应的净化方法，以尾气中含氯气为例来进行说明，可用碱溶液(NaOH溶液)吸收法来达到除去氯气的目的。
本发明实施例中，尾气排出设备设在尾气循环管20上，用于排出部分尾气。该尾气排出设备可设在沉积室1的排气口处，反应后的尾气从沉积室1的排气口出来后进入尾气循环管20，部分尾气直接从尾气循环管20进入尾气排出设备中，这部分尾气不经处理被直接排出，这样可以节省后面处理的费用，但是直接排放可能会造成环境污染。该尾气排出设备可设在第一净化设备5之后，尾气先经过第一净化设备5的净化，再进行排放，虽然增加了处理的成本，但是尾气经过处理之后再排放，有利于环境保护，具体可以根据实际的反应情况来安排尾气排出设备设在尾气循环管20上的位置。例如，反应后的尾气中不含污染气体，可直接排放，如果反应后的尾气中含污染气体，那么最好经过处理以后再排放。
本发明实施例并不对尾气排出设备做具体的限制，能够达到排出部分尾气的目的即可，可以只包括尾气排放管21，或者，该尾气排放管21上可以设有第二阀门15、第三泵14和第四流量控制器16中的至少一个，可以根据需要来灵活的选取。
本发明实施例中，该尾气循环装置还包括抽气阀门8、第一泵6和/或第一流量控制器11，设在尾气循环管20上，用于控制循环气量；新鲜气体供给装置包括第二流量控制器12和第三流量控制器13，设在新鲜气体供给管22上，如需其它新鲜反应气体，可并联更多流量控制器，分别用于控制新鲜的电离气体和新鲜的反应气体的流量和比例，进而控制沉积室1内的工作压力，以保证沉积室1内的电离气体和反应气体时刻处于稳定状态。抽气阀门8可选择电动调节阀，通过控制其开度调节第一泵6的抽气量，以调节沉积室1内的压力。
本发明实施例并不对抽气阀门第一泵6和第一流量控制器11做具体的限制，用于控制尾气循环管20中气体的流量和压力。抽气阀门第一泵6可以选择真空泵，如机械泵；第一流量控制器11、第二流量控制器12和第三流量控制器13可以选择质量流量控制器、体积流量控制器，优选质量流量控制器。
本发明实施例也不对第二流量控制器12和第三流量控制器13做具体的限制，用于控制新鲜气体供给管22中气体的流量，可以选择质量流量控制器、体积流量控制器，优选质量流量控制器。通过阀门、泵和流量控制器来控制管路中的气体流量和压力是常规手段，所用设备均属于现有技术的成熟产品，本领域技术人员可以根据需要进行自由选择，在此不再详述。
在等离子体化学气相沉积系统的运行过程中，可以通过调节抽气阀门8、第一泵6、第二阀门15、第三泵14、第一流量控制器11、第二流量控制器12、第三流量控制器13和第四流量控制器16来控制排出尾气的流量、循环气体的流量、新鲜气体的流量和沉积室1的工作压力。
本发明实施例的等离子体化学气相沉积系统中还包括在线监控装置，本发明实施例并不对在线监控装置做具体的限制，该在线监控装置可以实现实时检测气体组分、温度、沉积室压力及沉积基体温度，根据检测的实时数值，通过相关计算得到实时数值与设定数值之间的关系，调节新鲜气体流量、抽气阀门开度，以保持沉积气体组分、压力的稳定。
较佳的，该在线监控装置包括至少一个压力传感器，用于检测系统内某个位置处的压力。
在沉积室1内设有第一压力传感器17，用于检测沉积室1内的压力；在第一泵6和第二净化设备9之间设有第二压力传感器18，用于检测尾气循环管20在排出部分尾气前的压力；在第三净化设备10和第一流量控制器11之间设有第三压力传感器19，用于检测尾气循环管20在排出部分尾气后的压力，即，循环气体在尾气循环管20内的压力。
可选的，该在线监控装置还包括至少一个温度传感器，用于检测系统内某个位置处的温度。
具体的，在沉积室1的排气口处的尾气循环管20上设有温度传感器25，温度传感器25用于检测从沉积室1的排气口排出的尾气的温度。
进一步的，该在线监控装置还包括光谱仪23和红外测温仪24；光谱仪23用于实时检测沉积室1内的气体组分；红外测温仪24用于实时检测沉积基体4的温度。
更进一步的，该在线监控装置还包括控制器，该控制器连接压力传感器17、压力传感器18、压力传感器19、光谱仪23、红外测温仪24和温度传感器25，该控制器根据检测和计算的结果来调节新鲜气体流量、抽气阀门开度，以保持沉积气体组分、压力的稳定。
图2是本发明另一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提出的等离子体化学气相沉积系统，与图1所示的实施例相比，前述的尾气循环装置还包括：
第二净化设备9，设在尾气循环管20上，用于去除尾气中的粉尘和油雾。
需要说明的是，本发明实施例并不对第二净化设备9做具体的限制，，第二净化设备9可以选择除尘装置，如旋风除尘器、静电除尘器，初步去除尾气中的粉尘和油雾等。
第二净化设备9设置在尾气排出设备之前也可以设置在尾气排出设备之后。第二净化设备9和尾气排出设备的位置顺序的安排理由与第一净化设备5和尾气排出设备的相同，此处不再赘述。
较佳的，本发明实施例将第二净化设备9设置在排出设备之前，可以通过进一步的净化，去除尾气中的粉尘和油雾等，净化后再排放能够减少环境污染。
更进一步的，可在排出设备之前设置第二泵7，进一步为尾气循环提供动力，本发明实施例也不对第二泵7做具体的限定，可以选择真空泵，如机械泵，可以将第一泵6设置为一级泵，将第二泵7设置为二级泵。
图3是本发明又一个实施例提出的等离子体化学气相沉积系统的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提出的等离子体化学气相沉积系统，与图2所示的实施例相比，前述的尾气循环装置还包括：
第三净化设备10，设在尾气循环管20上，用于进一步去除循环气体中的微颗粒。通过排出设备排出部分尾气后，定义剩余的气体为循环气体。第三净化设备10设置在排出设备之后，是为了更进一步的净化循环气体，以达到等离子体化学气相沉积的使用要求，提高沉积质量。
需要说明的是，本发明实施例并不对第三净化设备10做具体的限制，可以选择高精度除尘过滤器，如，薄膜过滤器、静电过滤器，优选薄膜过滤器。
本发明实施例进一步提供了一种等离子体化学气相沉积方法。本发明的方法利用上述的等离子体化学气相沉积系统来实现。
本发明实施例提供的等离子体化学气相沉积方法，包括以下步骤：
(1)气源进入等离子体炬，形成等离子体；所述等离子体进入沉积室，进行等离子体化学气相沉积；
(2)将反应后的尾气从所述沉积室抽出，对所述尾气在第一净化设备中进行第一次净化处理；
(3)将部分所述尾气通过尾气排出设备排出，并将剩余的所述尾气作为循环气体返回到等离子体炬中；
(4)将新鲜气体通过新鲜气体供给装置进入等离子体炬中，将所述循环气体和所述新鲜气体混合作为新的气源；
(5)根据等离子体光谱实时调节新鲜气体流量，以保持沉积气体组分的稳定；综合沉积基体温度、沉积室压力变化实时调节抽气阀门开度，以保持沉积压力的稳定；
将新的气源重复上述(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的步骤，直至等离子体化学气相沉积反应完成，实现反应后的尾气的循环利用；
其中，气源包括电离气体和反应气体；新鲜气体包括新鲜的电离气体和新鲜的反应气体。
具体的，电离气体为氩气和/或氧气，电离气体的作用是产生等离子体。
反应气体为氢气(H2)和下列气体中的至少一种：甲烷(CH4)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)和四溴化硅(SiBr4)。
在步骤(1)中，等离子体为直流等离子体、电感耦合等离子体、电容耦合等离子体和微波等离子体中的至少一种。
进一步的，等离子体化学气相沉积的工作压力为1Pa-1MPa，该工作压力的下限还可以是10Pa，100Pa，200Pa，500Pa，1000Pa，10000Pa，该工作压力的上限可以是0.8MPa，0.5MPa，0.3MPa，0.1MPa，0.05MPa，0.01MPa。优选100Pa-0.5MPa，更优选0.1MPa。
在步骤(2)中，对尾气进行第一次净化处理，用于去除尾气中的腐蚀性气体，并用于降温；第一次净化处理防止尾气腐蚀后面的设备或管道，延长系统的使用寿命。
在步骤(3)中，通过尾气排出设备排出的部分尾气占尾气总量的0-10％，并将剩余的尾气作为循环气体返回到等离子体炬中。
在步骤(4)中，循环气体、新鲜气体进入等离子炬2的方式为混合进入或独立进入。
在步骤(5)中，根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态。
进一步的，根据等离子体光谱实时调节新鲜气体的流量的方法包括：
根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态；
通过第一公式，调节各种新鲜气体供给量，
其中，所述第一公式为：
lgIf/lgIm＝aLf/Lm
式中，If为主要反应元素特征谱线强度，Im为不参与反应元素特征谱线强度，Lf为主反应气体流量，Lm为不参与反应气体流量，a为比例系数。
具体的，上述比例系数a根据反应气体种类及特征谱线选择确定。通常在已知气体流量的条件下，选择好特征谱线之后，将特征谱线强度、气体流量代入公式，即可计算出比例系数a。
更进一步的，保持沉积压力的稳定的方法包括：
通过实时监测沉积基体温度Tj、尾气温度Tw，在气体压力未发生显著变化时即做出响应，通过调节抽气阀门开度响应调节沉积室压力，以避免压力大幅波动，整个系统即达到动态平衡。
所述响应方法为：
当所述沉积基体的实时温度Tj与设定温度Tj0的差值大于设定值时，通过第二公式确定所述抽气阀门开度，调节所述抽气阀门开度，
其中，所述第二公式为：
式中，Kx为实时的抽气阀门开度，K0为设定的抽气阀门开度，Tj为沉积基体的实时温度，Tj0为沉积基体的设定温度，P1为沉积室的实时压力，P0为沉积室的设定压力，b、c为调节系数。
具体的，调节系数b、c根据沉积系统状态设定。一般情况下，在选定压力下工作至接近稳定后，通过测试阀门开度、沉积基体温度、沉积室压力，得到多组数据，将所测多组数据代入上述公式，进行拟合计算得出b、c值。
本发明实施例提供的等离子体化学气相沉积方法，还包括以下步骤：
在所述的将部分所述尾气通过尾气排出设备排出的步骤之前或之后，进行第二次净化处理，用于去除尾气中的粉尘和油雾。
具体的，第二次净化处理用于去除尾气中的粉尘和油雾等，净化后再排放能够减少环境污染。
本发明实施例提供的等离子体化学气相沉积方法，还包括以下步骤：
在将所述循环气体与所述新鲜气体混合为新的气源的步骤之前，对所述循环气体进行第三次净化处理，用于去除所述循环气体中的微颗粒。
具体的，第三次净化处理用于进一步去除循环气体中的微颗粒，以达到等离子体化学气相沉积的使用要求，保证沉积质量。
本发明实施例提供的等离子体化学气相沉积方法，还包括以下步骤：
控制通过所述尾气排出设备排出的尾气的流量、通过所述尾气循环装置循环的循环气体的流量和通过所述新鲜气体供给装置加入的新鲜气体的流量，使进入所述等离子体炬中的气体成分达到稳定状态。
下面结合实施来详细描述本发明等离子体化学气相沉积方法。
实施例1
本实施例的等离子体化学气相沉积方法，包括如下步骤：
(1)使用额定功率为10kW的直流等离子体炬作为热源，Ar为辅助电离气体、CH4及H2为反应气体，进入等离子炬2后形成等离子体；
(2)形成的等离子体进入沉积室1中，进行等离子体化学气相沉积，其中，沉积基体4的材料为钼，沉积基体4的底部接有水冷装置；
(3)真空泵组将反应完成的尾气从沉积室1抽出，并经第一净化设备5进行降温并净化除去腐蚀性气体，由第一电磁阀8控制抽气量、第一压力传感器17监控沉积室1的压力，使沉积室1的压力控制在8000±30Pa，其中，真空泵组包括一级真空泵6和二级真空泵7，一级真空泵6和二级真空泵7可选机械泵；
(4)部分尾气在第二电磁阀15、第三机械泵14和第四质量流量控制器16的控制下排出系统；
(5)大部分循环气体经过第二净化设备9和第三净化设备10处理后达到洁净度要求，净化后的循环气体与新鲜气体混合后进入等离子炬2，循环气体流量由第一质量流量控制器11控制在100slm，新鲜的Ar、CH4及H2气体分别由质量流量控制器控制在5、2、1slm；
(6)为控制气体组分稳定性，主要反应元素特征发射谱线选择C2粒子在467nm处谱线，不参与反应元素特征发射谱线选择ArI粒子在811nm处谱线，比例系数a设定为0.7。为控制沉积室压力稳定性，比例系数b、c分别设定为0.08，0.3。
本实施例在此状态下循环气体占所需气量的比例为93％，沉积形成的金刚石薄膜状态良好，节约了大量气体。
实施例2
本实施例的等离子体化学气相沉积方法，包括如下步骤：
(1)使用额定功率为100kW的电感耦合高频等离子体炬作为热源，O2、Ar为电离气体、气态SiCl4为反应气体，进入等离子炬2后形成等离子体；
(2)形成的等离子体进入沉积室1中，进行等离子体化学气相沉积，其中，沉积基体4的材料为石英玻璃，沉积基体4的底部接有水冷装置；
(3)真空泵组将反应完成的尾气从沉积室1抽出，并经第一净化设备5进行降温并净化除去腐蚀性气体，如除去氯气，由第一电磁阀8控制抽气量、第一压力传感器17监控沉积室1的压力，使沉积室1的压力控制在100±10Pa，其中，真空泵组包括一级真空泵6和二级真空泵7，一级真空泵6和二级真空泵7可选机械泵或罗茨泵；
(4)部分尾气在第二电磁阀15、第三机械泵14和第四质量流量控制器16的控制下排出系统；
(5)大部分循环气体经过第二净化设备9和第三净化设备10处理后达到洁净度要求，净化后的循环气体与新鲜气体混合后进入等离子炬2，循环气体流量由第一质量流量控制器11控制在300slm，新鲜的O2、Ar、SiCl4气体分别由质量流量控制器控制在40、6、1slm。
(6)为控制气体组分稳定性，主要反应元素特征发射谱线选择SiI粒子在777nm处谱线，不参与反应元素特征发射谱线选择ArI粒子在764nm处谱线，比例系数a设定为0.13。为控制沉积室压力稳定性，比例系数b、c分别设定为12，5。
本实施例在此状态下循环气体占所需气量的比例为86％，沉积形成的二氧化硅材料状态良好，节约了大量气体。
综上所述，本发明的等离子体化学气相沉积系统和方法利用等离子体所用气体大部分不参与化学反应这一特点，通过增加一套尾气循环装置，将等离子体化学气相沉积系统排放的气体进行简单处理，满足使用要求后再作为气源，做到气体循环使用，克服现有技术气体消耗较大的问题；同时，根据等离子体光谱实时调节新鲜气体流量，以保持沉积气体组分的稳定；综合沉积基体温度、沉积室压力变化实时调节抽气阀门开度，以保持沉积压力的稳定；提高沉积系统的稳定性，大大降低气体成本，保证沉积质量，反应尾气的循环回用率可达到90％以上。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种等离子体化学气相沉积系统，包括等离子体沉积装置，所述等离子体沉积装置包括等离子体炬和沉积室；其特征在于，
所述等离子体化学气相沉积系统还包括：
尾气循环装置，一端连接于所述沉积室的排气口，另一端连接于所述等离子体炬的进气口，用于循环利用等离子体化学气相沉积反应后的尾气，其中，所述尾气循环装置包括尾气净化设备和尾气排出设备；
第一流量控制器，设在所述尾气循环装置上，用于控制反应后的尾气的循环量；
第四流量控制器，设在所述尾气排出设备上，用于控制尾气的排出量；
新鲜气体供给装置，连接于所述等离子体炬的进气口，用于为所述等离子体炬供给新鲜气体；
在线监控装置，用于实时检测气体组分、温度、沉积室压力及沉积基体温度，并根据检测的数值来调节新鲜气体流量和抽气阀门开度，以保持沉积气体组分及压力的稳定；根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态；
通过第一公式，判断气体组分是否稳定，
其中，所述第一公式为：
lgI f /lgI m=aL f /L m
式中，I f 为主要反应元素特征谱线强度，I m 为不参与反应元素特征谱线强度，L f 为主反应气体流量，L m 为不参与反应气体流量，a为比例系数。
2.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，其还包括气体净化设备；所述气体净化设备包括：
第一气体净化设备，用于去除尾气中的腐蚀性气体，并用于降温。
3.根据权利要求2所述的等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，
所述气体净化设备还包括：
第二气体净化设备，用于去除尾气中的粉尘和油雾；和/或，
第三气体净化设备，用于去除尾气中的微颗粒。
4.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，
所述等离子体化学气相沉积系统还包括：
第二流量控制器，设在所述新鲜气体供给装置上，用于控制新鲜的反应气体的加入量；
第三流量控制器，设在所述新鲜气体供给装置上，用于控制新鲜的电离气体的加入量。
5.根据权利要求1所述的等离子体化学气相沉积系统，其特征在于，
所述在线监控装置包括：压力传感器、光谱仪、红外测温仪和控制器；
其中，所述光谱仪用于实时检测沉积室内的气体组分；
所述红外测温仪用于实时检测沉积基体的温度；
所述控制器用于控制新鲜气体流量和抽气阀门开度，以保持沉积气体组分及压力的稳定。
6.一种等离子体化学气相沉积方法，其特征在于，包括：
气源进入等离子体炬，形成等离子体；所述等离子体进入沉积室，进行等离子体化学气相沉积；
将反应后的尾气从所述沉积室抽出，对所述尾气在第一净化设备中进行第一次净化处理；
将部分所述尾气通过尾气排出设备排出，并将剩余的所述尾气作为循环气体返回到等离子体炬中；
将新鲜气体通过新鲜气体供给装置进入等离子体炬中，将所述循环气体和所述新鲜气体混合作为新的气源；
根据等离子体光谱实时调节新鲜气体的流量，以保持沉积气体组分的稳定；综合沉积基体温度、沉积室压力变化实时调节抽气阀门开度，以保持沉积压力的稳定；
将所述新的气源重复上述步骤，直至等离子体化学气相沉积反应完成，实现反应后的尾气的循环利用；
其中，所述的根据等离子体光谱实时调节新鲜气体的流量的方法包括：
根据光谱仪实时监测等离子体光谱，通过检测主要反应元素与不参与反应元素特征发射谱线强度的比例，判断气体组分是否稳定，并以此调节各种新鲜气体供给量，使气体成分达到稳定状态；
通过第一公式，判断气体组分是否稳定，
其中，所述第一公式为：
lgI f /lgI m=aL f /L m
式中，I f 为主要反应元素特征谱线强度，I m 为不参与反应元素特征谱线强度，L f 为主反应气体流量，L m 为不参与反应气体流量，a为比例系数；
所述气源包括电离气体和反应气体；
所述新鲜气体包括新鲜的电离气体和新鲜的反应气体；
所述的等离子体化学气相沉积方法利用权利要求1-5中任一项所述的等离子体化学气相沉积系统来实现。
7.根据权利要求6所述的等离子体化学气相沉积方法，其特征在于，还包括：
在所述的将部分所述尾气通过尾气排出设备排出的步骤之前或之后，进行第二次净化处理，用于去除尾气中的粉尘和油雾；和/或，
在将所述循环气体与所述新鲜气体混合为新的气源的步骤之前，对所述循环气体进行第三次净化处理，用于去除所述循环气体中的微颗粒。
8.根据权利要求6所述的等离子体化学气相沉积方法，其特征在于，
所述的保持沉积压力的稳定的方法包括：
通过实时监测沉积基体温度T j 、尾气温度T w ，在气体压力未发生显著变化时即做出响应，通过调节抽气阀门开度响应调节沉积室压力，以避免压力大幅波动，整个系统即达到动态平衡；
所述响应的方法包括：
当所述沉积基体的实时温度T j 与设定温度T j0 的差值大于设定值时，通过第二公式确定所述抽气阀门开度，调节所述抽气阀门开度，
其中，所述第二公式为：
式中，K x 为实时的抽气阀门开度，K 0 为设定的抽气阀门开度，T j 为沉积基体的实时温度，T j0 为沉积基体的设定温度，P 1 为沉积室的实时压力，P 0 为沉积室的设定压力，b、c为调节系数。
9.根据权利要求6所述的等离子体化学气相沉积方法，其特征在于，
所述等离子体化学气相沉积的工作压力为1Pa-1MPa。
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