CN112103160B - 一种基片台和调整微波等离子体球稳定的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基片台，所述基片台设置在一个轴对称的微波等离子体(MPCVD)圆柱形真空腔体内的中央处，所述基片台由金属支架支撑，所述基片台下部设有一个可拆卸的金属反射环。目的是可根据基片台上衬底材料的材质属性及数量调整真空腔内微波场的分布，从而避免基片台底部出现微波激发等离子体，能提高反应腔中微波激发的等离子体在基片台上的稳定性。

Description

一种基片台和调整微波等离子体球稳定的方法
技术领域
本发明属于真空微电子技术领域，具体涉及一种通过添加金属反射环来提升微波激发等离子体球稳定性的方法。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积(简称MPCVD)，是一种常用的制备材料的方法。尤其是在制备金刚石膜方面，其原理是利用微波能将反应气体激发呈等离子体状态，在真空腔中央区域的基片台上沉积金刚石膜。由于等离子体是靠微波能激发，等离子体纯净，因此微波等离子体CVD法是高质量，大面积，高速率制备金刚石膜的首选方法。大致的工作原理是将反应气体通入一个轴对称的圆柱形真空腔内，利用微波发生器产生的微波沿波导管传输，经过一个微波模式转换器转换传输模式后馈入真空腔中，将反应气体激发呈等离子体状态，因为反应腔独特的设计，球状或者椭球状等离子体集中真空腔中轴线处的基片台表面。在基片台表面放置衬底材料，控制好工艺参数，就可以在衬底材料表面沉积出金刚石膜。
然而在MPCVD系统中，微波激发等离子体的方式有多种，根据真空腔内微波的模式，可以分为单模腔和多模腔。其中单模腔以微波激发等离子体区域集中而广泛用于单晶金刚石同质外延的制备中。典型的代表就是日本SEKI公司生产的AX5250微波等离子体设备，其结构如图1所示：这类设备的工作原理是微波发生器产生出频率为2.45GHz的微波，沿着矩形波导传输，经过环形器，到达天线，天线将TE10模式的微波转变为TM01模式，使得微波穿过一石英微波窗口后进入真空腔，在基片台上方放电并产生等离子体球。没有被等离子体吸收的剩余微波能量会通过环形器传到水负载被吸收到。其中三螺钉调配器能对微波的传输进行调整，目的是使微波能尽可能被等离子体球所吸收，减少被水负载吸收，从而能提高微波能的利用率。由于真空腔的几何尺寸是根据微波传输模式进行的优化设计，目的是能在基片台上方形成一个最有利于激发等离子体的能量集中区域，见图1中的区域B(基片台表面)。但是单模腔的特点就是在区域A(紧贴微波石英窗口下方)和区域C(紧贴金属挡板并围绕金属支架)也同样容易形成激发等离子体的区域。在正常操作下，通过调节金属挡板的高度以及三螺钉的匹配，在区域B处激发等离子体，使得系统能正常的工作。但是由于基片台上的衬底材料种类根据需要进行调整，从大小，材质属性等方面有多种变化，当放入几何尺寸较大或者数量较多的含金属制品的衬底材料时，金属对微波有反射效果，会影响到真空腔内微波电场的分布。其结果就有可能在区域A优先激发等离子体；或者在区域B激发等离子体的同时在区域C也伴随有等离子体的激发。如果在区域A处激发等离子体，可以通过观察窗很容易观察到，能够做到及时发现，及时调整；但如果在区域B激发等离子体的同时在区域C区伴随有等离子体的激发，由于观察窗不能直接观察到基片台底部的情况，同时，底部等离子体激发所发出的光线又往往被区域B处发射出的光线所掩盖，导致很难发现区域C处的激发等离子体。如果在区域C处的金属支架长时间被等离子体所包围，不仅会导致区域B处的微波能量密度减小；同时对区域C处下方的真空密封等产生不利的影响。因此如何避免在区域C处激发等离子体是这类MPCVD设备运行中的问题。而这种C处一旦放电，通过调整金属挡板和三螺钉都是很难进行消除的。
发明内容
针对以上问题，本发明利用金属反射微波的特点，通过在可能激发等离子体的区域，通过添加金属反射环的方式，来阻止区域C处等离子体的激发。
本发明包括提供了基片台，所述基片台设置在一个轴对称的微波等离子体(MPCVD)圆柱形真空腔体内的中央处，所述基片台由金属支架支撑，所述基片台下部设有一个可拆卸的金属反射环。金属反射环内环与支撑基片台所用的金属支架外径相同，相同的尺寸可以保证添加的金属环与基片台金属支架之间很好的贴合，不仅能方便定位，又能避免添加金属环内环与基片台金属支架外径间存在缝隙而导致不必要的微波放电，根据基片台金属支架外径的不同，金属反射环内环直径从15.0-60.0毫米不等，金属反射环外环直径在50.0-85.0毫米之间。
可选地，反射金属环用金属铜或者不锈钢制成，金属环上部外缘处倒圆。
可选地，为了方便金属反射环安装与拆卸，金属反射环以中轴线为对称分成对称的两部分，安装时，分别将两个半环放在基片台金属支架的底部并合拢，形成一个围绕金属支架的封闭金属圆环。
本发明还提供了一种调整微波等离子体球稳定性的方法，包括上述的基片台，所述金属反射环放置在基片台底部，避免等离子体在基片台底部围绕金属支架周围放电，从而能避免因为不必要的等离子体放电而使金属支架及相关的真空密封受到损伤，同时也能使微波能量更加集中在基片台的上表面，从而提高等离子体球的稳定性。
本发明提供的基片台可根据基片台上衬底材料的材质属性及数量调整真空腔内微波场的分布，从而避免基片台底部出现微波激发等离子体，能提高反应腔中微波激发的等离子体在基片台上的稳定性。
附图说明
图1为MPCVD系统的结构示意图。
图2为基片台添加金属反射环的具体结构示意图。
附图标记：1.等离子体；2.衬底材料；3.基片台；4.金属支架。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2为本发明的一实施例，该装置包含一圆柱形真空腔体，真空腔体内中轴线处有一圆柱形基片台(3)，基片台直径为60毫米，基片台可以自旋转运动，也可以上下沿中轴线运动；基片台上放置衬底材料(2)；基片台由金属支架(4)支撑，金属支架的外径为15毫米；金属支架底部是一个圆环形金属挡板。在金属挡板上方中央围绕金属支架可根据衬底材料状况选择性放置金属反射环。MPCVD系统工作时，利用MPCVD系统自带的真空系统将真空腔内气压降低到一定程度，打开微波输入，调节三螺钉调配器和金属挡板，就能在基片台上表面处产生球形或者椭球形的等离子体。为了方便了解在图1中的区域C处是否会产生等离子体(1)，下列实施例中在此区域放置适量脱脂棉。根据脱脂棉是否发生烧蚀现象来判断是否产生等离子体。
实施例1：
用在基片台上放置一个直径为50毫米，厚度为8.0毫米的单晶硅片，调整好三螺钉和金属挡板的位置，真空系统将真空腔内气压降低到0.6KPa，然后通入H2，H2流量100sccm(sccm：标准立方厘米每分钟)；开启微波源，使微波输入从500W开始逐渐提高，当微波输入功率达到800W时，在硅片表面产生等离子体。5分钟的时间内，将真空室内气压从0.6KPa提高到4.0KPa，同时微波功率从500W逐步提高到2.0KW，可以看到等离子体球稳定的悬浮在硅衬底材料的上表面。说明此时的等离子体稳定。然后关闭微波系统，等硅衬底材料充分冷却后取出脱脂棉，发现脱脂棉没有烧蚀的痕迹，说明在区域C处没有产生等离子体。
实施例2：
固定实施例1中调整好的金属挡板和三螺钉调配器不动，将实施例1中的硅衬底材料换成相同尺寸的金属钨，其他条件不变。真空系统将真空腔内气压降低到0.6KPa，然后通入H2，H2流量100sccm；开启微波源，使微波输入从500W开始逐渐提高，当微波输入功率达到900W时，在金属钨表面产生等离子体。5分钟的时间内，将真空室内气压从0.6KPa提高到4.0KPa，同时微波功率从500W逐步提高到2.0KW，可以看到等离子体球稳定的悬浮在硅衬底材料的上表面。说明此时的等离子体稳定。然后关闭微波系统，等钨衬底材料充分冷却后取出脱脂棉，发现脱脂棉被烧蚀掉了，说明在区域C处产生了等离子体。
实施例3：
固定实施例1中调整好的金属挡板和三螺钉调配器不动，将实施例1中的硅衬底材料换成相同尺寸的金属钨，在金属挡板上放置金属反射环，金属反射环具体尺寸为：内径15.1毫米；外径50.0毫米；高度15.0毫米；由两个对称的半环围绕基片台金属支架合并而成的一个完整的金属圆环，材质为不锈钢。其他条件不变。真空系统将真空腔内气压降低到0.6KPa，然后通入H2，H2流量100sccm；开启微波源，使微波输入从500W开始逐渐提高，当微波输入功率达到820W时，在金属钨表面产生等离子体。5分钟的时间内，将真空室内气压从0.6KPa提高到4.0KPa，同时微波功率从500W逐步提高到2.0KW，可以看到等离子体球稳定的悬浮在硅衬底材料的上表面。说明此时的等离子体稳定。然后关闭微波系统，等钨衬底材料充分冷却后取出脱脂棉，发现脱脂棉没有烧蚀的痕迹，说明在区域C处没有产生等离子体。
通过上述实施例1，2，3的试验结果对比，可以看出，在实施例1中，固定好三螺钉的位置和金属挡板的位置，当基片台表面使用的是单晶硅作为衬底材料时，MPCVD系统可以在800W的微波功率输入的条件下激发等离子体，通过脱脂棉的烧蚀情况证明，在区域C处没有产生等离子体。说明这时的MPCVD系统中等离子体在区域B处激发的状态良好；对比实施例2，在实施例1的基础上，保持三螺钉和金属挡板的位置不变，改变了基片台上衬底材料，将实施例1中的单晶硅变更为金属钨，结果微波激发等离子体的初始功率从实施例1中的800W，提高到900W才能激发等离子体，说明当衬底材料由单晶硅变更成金色钨后，区域B处的激发等离子体所需的功率要增加，同时基片台底部的脱脂棉被烧蚀了。说明在区域B处产生了等离子体。对比实施例1可以看出，基片台表面的衬底材料从单晶硅变更到金山钨，导致一部分微波能量被用于激发区域C处的等离子体，导致在B处激发等离子体所需要的微波输入功率从实施例1中的800W提高到了900W。在实施例3中，在基片台底部添加了金属反射环后，使得区域B处激发等离子体所需微波功率820W，非常接近实施例1中的情况，同时，区域C处的脱脂棉没有烧蚀，说明金属反射环的添加，可以避免在MPCVD真空腔中的区域C处产生等离子体。而且金属反射环安装与拆卸十分方便。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基片台，其特征在于：所述基片台设置在一个轴对称的微波等离子体(MPCVD)圆柱形真空腔体内的中央处，所述基片台由金属支架支撑，所述金属支架的底部包含一个圆环形金属挡板，所述基片台下部设有一个可拆卸的金属反射环，所述金属反射环位于所述金属挡板的上方，其中，所述金属反射环由一个实心圆柱体环沿中轴线方向分开而成的金属体。
2.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述金属反射环的内环直径为15.0-60.0毫米，所述金属反射环的外环直径为50.0-85.0毫米。
3.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：金属反射环的内环直径与金属支架外径相等。
4.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：金属反射环的外径和高度能根据基片台上放置的衬底材料的不同而进行调整。
5.根据权利要求1所述的基片台，其特征在于：所述金属反射环设置在可能激发等离子体的区域内。
6.一种调整微波等离子体球稳定性的方法，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的基片台，所述金属反射环放置在基片台底部，避免等离子体在基片台底部围绕金属支架周围放电，从而能避免因为不必要的等离子体放电而使金属支架及相关的真空密封受到损伤，同时也能使微波能量更加集中在基片台的上表面，从而提高等离子体球的稳定性。
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