CN114959631A - 一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置 Download PDF

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Abstract

一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，属于微波等离子体法化学气相沉积领域。本装置具有双端微波馈入及谐振结构沿衬底呈左右对称的特性，可在衬底左右两侧同时产生等离子体，利用电子回旋共振等离子体高电子能量、高电离度、低沉积压强的性质，可实现Φ60‑200mm衬底两侧薄膜的同时沉积或一次性沉积两片薄膜。磁场谐振线圈产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈产生875Gs磁感应强度的整型磁场，谐振磁场与整型磁场的耦合提升了等离子体的均匀性，在增大沉积面积的同时提升了薄膜的均匀性。位于环形天线下方的石英介质窗口有效避免等离子体的加热、污染与刻蚀。本发明均匀性高，能降低薄膜沉积、表面处理成本，提高腔室的空间利用率。

Description

一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置
技术领域
本发明属于微波等离子体法化学气相沉积技术领域，具体涉及一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置。
技术背景
电子回旋共振(ECR)等离子体源用于各种材料制备加工应用，如薄膜沉积、半导体蚀刻。在ECR技术中，电源的微波频率与电子回旋运动频率相同，电子产生共振能量吸收，从而获得高达5eV的能量。高能电子与气体分子发生非弹性碰撞，产生大量、高活性等离子体，即使在很低的压强(0.05Pa～1Pa)条件下也可以生成高密度(≥1017m-3)的等离子体。这些优点适用于金刚石、硅、氧化硅和金属的等离子体辅助沉积，在这些沉积过程中可以在保持低衬底温度的同时获得高质量的薄膜。
微波放电的无电极性质，加上能够产生高密度的激发态粒子，使得微波等离子体化学气相沉积法成为制备金刚石膜的一种有吸引力的技术。自MPCVD金刚石膜沉积技术出现以来，出现了一系列的MPCVD金刚石膜沉积装置，包括石英管式[M.Kamo,Y.Sato,S.Matsumoto,J.Cryst.Growth 62(1983)642]、石英钟罩式[P.Bachmann,D.Leers,H.Lydtin,Diamond Relat.Mater.1(1991)1]、圆柱谐振腔式[P.Bachmann,Chemical&Engineering News 67(1989)24]、椭球谐振腔式[M.Funer,C.Wild,P.Koidl,Appl.Phys.Lett.72(1998)1149]。早期的石英管式MPCVD装置，其内石英管直径为20～60mm，这极大地限制了所能沉积金刚石膜的尺寸，且微波功率在800W左右就会造成等离子体对石英管的刻蚀，引发薄膜质量下降及真空泄露的风险。随后出现的石英钟罩式、圆柱谐振腔式MPCVD装置可容纳的微波功率提升至3000W，所沉积金刚石膜的典型面积为2英寸。基于有限元模拟仿真的方法，德国Fraunhofer研究所设计研发了椭球谐振腔式MPCVD装置，其频率为2.45GHz的椭球形谐振腔式MPCVD装置典型的使用功率为6kW，频率为915MHz的椭球形谐振腔式MPCVD装置典型的使用功率达到了30～60kW，所能沉积的金刚石膜典型面积分别为3英寸和6英寸。但该类型设备同样存在等离子体刻蚀石英介质窗口和设备占地体积大、造价昂贵、真空腔室利用率低的缺点。
综上所述，目前已有的各类MPCVD金刚石膜沉积装置存在金刚石膜沉积面积小，真空腔室利用率低的问题，这些因素都限制了金刚石薄膜在工业领域的进一步应用。因此，本发明提出了一种可高速率、大面积均匀性好、结构简单、真空腔室利用率高、可稳定运行和参数易于控制的金刚石膜沉积装置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，该装置可实现双端微波能量馈入和衬底表面两侧同时沉积薄膜，沉积速率高、真空腔室利用率高、等离子体大面积均匀性好、结构简单、可稳定运行和参数易于控制。
本发明的技术方案是：
一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，包括圆柱微波谐振腔、进气口A、进气口B、排气口、冷却水循环系统、磁场谐振线圈A、磁场谐振线圈B、磁场整型线圈、2.45GHz微波电源A、2.45GHz微波电源B、矩形波导A、矩形波导B、三销钉调配器A、三销钉调配器B、短路活塞A、短路活塞B、同轴线模式转换器A、同轴线模式转换器B、环形天线A、环形天线B、环形石英窗A、环形石英窗B、直流电源A、直流电源B、直流电源C、脉冲偏压电源、衬底架，其特征在于：
脉冲偏压电极负极与衬底架相连，直流电源A与磁场谐振线圈A相连，直流电源B与磁场谐振线圈B相连，直流电源C与磁场整型线圈相连；所述的装置通过调整直流电源A、直流电源B、直流电源C参数、微波谐振腔腔压和脉冲偏压电源参数，实现电子回旋共振等离子体放电与金刚石薄膜沉积。
进一步地，所述装置的谐振结构关于衬底呈左右对称，所述的双端馈入微波结构可于衬底左右两侧同时产生等离子体，实现薄膜于衬底两侧同时沉积或一次性沉积两片薄膜。
进一步地，所述脉冲偏压电极负极与衬底架相连，为衬底提供-(100-300)V电位偏压，促进金刚石形核及生长过程的均匀性。
进一步地，磁场整型线圈位于衬底支架外部，并保证磁场整型线圈产生875Gs的磁感应强度的整型磁场。
进一步地，所述环形石英窗A相对介电常数为4.2，磁场谐振线圈A位于环形石英窗A外部，并保证磁场谐振线圈A产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面。
进一步地，所述环形石英窗B相对介电常数为4.2，磁场谐振线圈B位于环形石英窗B外部，并保证磁场谐振线圈B产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面。
进一步地，所述微波谐振腔、衬底架及同轴线模式转换器材料均为不锈钢，环形石英窗口所用材料为相对介电常数为4.2的石英玻璃，环形天线材料为铜。所述微波谐振腔设有2个进气口和1个排气口。
进一步地，所述微波谐振腔一端通过同轴线模式转换器A与矩形波导A相连，微波谐振腔另一端通过同轴线模式转换器B与矩形波导B相连。
进一步地，所述微波谐振腔与环形石英窗A、环形石英窗B、环形天线A、环形天线B共同构成真空腔室。
进一步地，所述环形石英窗A、环形石英窗B与不锈钢腔体、环形天线A、环形天线B连接处均开有密封槽，环形石英窗A和环形石英窗B均放置在密封槽之中，环形石英窗A、环形石英窗B和不锈钢内壁、环形天线A、环形天线B和不锈钢内壁之间均设有固定橡胶圈。
本发明位于谐振腔两侧的微波电源产生频率为2.45GHz的微波，微波由矩形波导经同轴转换器由TE模式转换为TM模式，经过环形石英窗一系列对称结构后进入谐振腔内。微波功率沿收敛磁场传播，一直到达谐振面。此处磁场中的电子回旋共振频率等于输入微波的频率。由入口进入谐振腔的反应气体被击穿，谐振面强吸收产生的等离子体沿磁力线运动，与下游处的目标基板发生相互作用，实现薄膜的沉积。
进一步地，本发明所述的一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其中脉冲偏压电极负极与衬底架相连，直流电源A为磁场谐振线圈A供电，直流电源B为磁场谐振线圈B供电，直流电源C为磁场整型线圈供电；所述的装置通过调整直流电源A、直流电源B、直流电源C参数、微波谐振腔腔压和脉冲偏压电源参数，实现电子回旋共振等离子体放电与金刚石薄膜沉积。
本发明实施过程的关键在于：
本发明提出一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置。主要包括圆柱微波谐振腔、进气口A、进气口B、排气口、冷却水循环系统、磁场谐振线圈A、磁场谐振线圈B、磁场整型线圈、2.45GHz微波电源A、2.45GHz微波电源B、矩形波导A、矩形波导B、三销钉调配器A、三销钉调配器B、短路活塞A、短路活塞B、同轴线模式转换器A、同轴线模式转换器B、环形天线A、环形天线B、环形石英窗A、环形石英窗B、直流电源A、直流电源B、直流电源C、脉冲偏压电源、衬底架。其中脉冲偏压电极负极与衬底架相连，直流电源A为磁场谐振线圈A供电，直流电源B为磁场谐振线圈B供电，直流电源C为磁场整型线圈供电；所述的装置通过调整直流电源A、直流电源B、直流电源C参数、微波谐振腔腔压和脉冲偏压电源参数，实现电子回旋共振等离子体放电与金刚石膜沉积。
产生电子回旋共振等离子体与金刚石膜沉积的关键之处在于：将衬底固定于衬底架上，腔室抽真空至1.0×10-4Pa，抽至预定真空后向腔室中通入氢气和甲烷，保持腔压为10-10-2Pa。开启2.45GHz微波电源A、2.45GHz微波电源B，调节输出功率至0.6-2kW，调节三销钉调配器A、三销钉调配器B、短路活塞A和短路活塞B使微波反射系数最小。开启直流电源A、直流电源B和直流电源C，保证磁场谐振线圈A、磁场谐振线圈B产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈产生875Gs的磁感应强度的收敛整型磁场。开启脉冲偏压电源，调整脉冲偏压电源使衬底偏压电位为-(100-300)V。达到薄膜沉积过程理想的电子回旋共振等离子体放电状态。薄膜沉积完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
本发明利用提出一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，相对于传统的微波等离子体化学沉积装置，本发明可实现在衬底表面两侧同时沉积薄膜，沉积速率高、大面积均匀性好，装置结构简单、可稳定运行和参数易于控制，双端馈入微波能量产生电子回旋共振等离子体不仅能大大降低了成本，还能够提高真空腔室空间利用率。
附图说明
图1是一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置；
其中：1-2.45GHz微波电源A；2-矩形波导A；3-磁场谐振线圈A；4-三销钉调配器A；5-进气口A；6-环形石英窗A；7-同轴线模式转换器A；8-环形天线A；9-圆柱微波谐振腔；10-短路活塞A；11-2.45GHz微波电源B；12-脉冲偏压电源；13-矩形波导B；14-磁场谐振线圈B；15-三销钉调配器B；16-进气口B；17-环形石英窗B；18-同轴线模式转换器B；19-环形天线B；20-衬底架；21-排气口；22-短路活塞B；23-磁场整型线圈；24-直流电源A；25-直流电源B；26-直流电源C。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
如图所示，本发明提出一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，该装置机械结构关于谐振腔中心的衬底架(20)呈对称分布。2.45GHz微波电源A(1)产生的微波能量沿矩形波导A(2)传播，经同轴线模式转换器A(7)、环形石英窗A(6)和环形天线A(8)耦合后进入谐振腔(9)，调节三销钉调配器A(4)和短路活塞A(10)使微波反射系数最小。2.45GHz微波电源B(11)产生的微波能量沿矩形波导B(13)传播，经同轴线模式转换器B(18)、环形石英窗B(17)和环形天线B(19)耦合后进入谐振腔，调节三销钉调配器B(15)和短路活塞B(22)使微波反射系数最小。磁场谐振线圈A(3)由直流电源A(24)供电，产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面。磁场谐振线圈B(14)由直流电源B(25)供电，产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈(23)由直流电源C(26)供电，产生875Gs的磁感应强度的收敛整型磁场。谐振腔腔室的上方设置有进气口A(5)、进气口B(16)，腔室的下方设置有排气口(21)。脉冲偏压电源(12)为衬底架(20)提供负电位的偏压。
实施例1
将衬底固定于衬底架(20)上，腔室抽真空至1.0×10-4Pa，抽至预定真空后向谐振腔内通入H2和CH4为工作气体，气压为1.0Pa。开启2.45GHz微波电源A(1)、2.45GHz微波电源B(11)，调节输出功率至600W，调节三销钉调配器A(4)、三销钉调配器B(15)、短路活塞A(10)和短路活塞B(22)使微波反射系数最小。开启直流电源A(24)、直流电源B(25)和直流电源C(26)，保证磁场谐振线圈A(3)、磁场谐振线圈B(14)产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈(23)产生875Gs的磁感应强度的收敛磁场。开启脉冲偏压电源(12)，调整脉冲偏压电源使衬底偏压电位为-100V，达到薄膜沉积过程理想的电子回旋共振等离子体放电状态。目标衬底为Φ60mm单晶硅材质衬底，谐振腔双端的等离子体流动至单晶硅材质衬底的双侧，实现薄膜的沉积。薄膜沉积完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
实施例2
将衬底固定于衬底架(20)上，腔室抽真空至1.0×10-4Pa，抽至预定真空后向谐振腔内通入H2和CH4为工作气体，气压为0.1Pa。开启2.45GHz微波电源A(1)、2.45GHz微波电源B(11)，调节输出功率至1000W，调节三销钉调配器A(4)、三销钉调配器B(15)、短路活塞A(10)和短路活塞B(22)使微波反射系数最小。开启直流电源A(24)、直流电源B(25)和直流电源C(26)，保证磁场谐振线圈A(3)、磁场谐振线圈B(14)产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈(23)产生875Gs的磁感应强度的收敛磁场。开启脉冲偏压电源(12)，调整脉冲偏压电源使衬底偏压电位为-200V，达到薄膜沉积过程理想的电子回旋共振等离子体放电状态。目标衬底为Φ100mm单晶硅材质衬底，谐振腔双端的等离子体流动至单晶硅材质衬底的双侧，实现薄膜的沉积。薄膜沉积完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。
实施例3
将衬底固定于衬底架(20)上，腔室抽真空至1.0×10-4Pa，抽至预定真空后向谐振腔内通入H2和CH4为工作气体，气压为0.05Pa。开启2.45GHz微波电源A(1)、2.45GHz微波电源B(11)，调节输出功率至2000W，调节三销钉调配器A(4)、三销钉调配器B(15)、短路活塞A(10)和短路活塞B(22)使微波反射系数最小。开启直流电源A(24)、直流电源B(25)和直流电源C(26)，保证磁场谐振线圈A(3)、磁场谐振线圈B(14)产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈(23)产生875Gs的磁感应强度的收敛磁场。开启脉冲偏压电源(12)，调整脉冲偏压电源使衬底偏压电位为-300V，达到薄膜沉积过程理想的电子回旋共振等离子体放电状态。目标衬底为Φ200mm单晶硅材质衬底，谐振腔双端的等离子体流动至单晶硅材质衬底的双侧，实现薄膜的沉积。薄膜沉积完毕后关闭电源、关闭气体，抽至极限真空后关机。

Claims (10)

1.一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，包括圆柱微波谐振腔、进气口A、进气口B、排气口、冷却水循环系统、磁场谐振线圈A、磁场谐振线圈B、磁场整型线圈、2.45GHz微波电源A、2.45GHz微波电源B、矩形波导A、矩形波导B、三销钉调配器A、三销钉调配器B、短路活塞A、短路活塞B、同轴线模式转换器A、同轴线模式转换器B、环形天线A、环形天线B、环形石英窗A、环形石英窗B、直流电源A、直流电源B、直流电源C、脉冲偏压电源、衬底架，其特征在于：
脉冲偏压电极负极与衬底架相连，直流电源A与磁场谐振线圈A相连，直流电源B与磁场谐振线圈B相连，直流电源C与磁场整型线圈相连；所述的装置通过调整直流电源A、直流电源B、直流电源C参数、微波谐振腔腔压和脉冲偏压电源参数，实现电子回旋共振等离子体放电与金刚石薄膜沉积。
2.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述装置的谐振结构关于衬底呈左右对称，所述的双端馈入微波结构可于衬底左右两侧同时产生等离子体，实现薄膜于衬底两侧同时沉积或一次性沉积两片薄膜。
3.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述脉冲偏压电极负极与衬底架相连，为衬底提供-(100-300)V电位偏压，促进金刚石形核及生长过程的均匀性。
4.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述磁场整型线圈位于衬底支架外部，并保证磁场整型线圈产生875Gs的磁感应强度的整型磁场。
5.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述环形石英窗A相对介电常数为4.2，磁场谐振线圈A位于环形石英窗A外部，并保证磁场谐振线圈A产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面。
6.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述环形石英窗B相对介电常数为4.2，磁场谐振线圈B位于环形石英窗B外部，并保证磁场谐振线圈B产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面。
7.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述微波谐振腔、衬底架及同轴线模式转换器材料均为不锈钢，环形石英窗口所用材料为相对介电常数为4.2的石英玻璃，环形天线材料为铜；所述微波谐振腔设有2个进气口和1个排气口。
8.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的微波谐振腔一端通过同轴线模式转换器A与矩形波导A相连，微波谐振腔另一端通过同轴线模式转换器B与矩形波导B相连。
9.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的微波谐振腔与环形石英窗A、环形石英窗B、环形天线A、环形天线B共同构成真空腔室。
10.如权利要求1所述的双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述的环形石英窗A、环形石英窗B与不锈钢腔体、环形天线A、环形天线B连接处均开有密封槽，环形石英窗A和环形石英窗B均放置在密封槽之中，环形石英窗A、环形石英窗B和不锈钢内壁、环形天线A、环形天线B和不锈钢内壁之间均设有固定橡胶圈。
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