CN114975063A - 多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，谐振腔部分包括内腔体、环形波导、缝隙开口、石英环、金属台、沉积台、衬底和凹槽，其中，缝隙开口位于内腔体的壁上，连通内腔体与环形波导；金属台支撑石英环；沉积台设置在内腔体的底部中心位置，为工字形；衬底设置在沉积台的上方；凹槽设置在内腔体的顶部；内腔体和石英环均为空心圆柱形，环形波导环绕内腔体设置；微波传输部分设置若干个，均与谐振腔部分连接，将微波馈入内腔体，包括微波源、环形器和波导魔T结构，微波源产生微波振荡，环形器设置在微波源的出口，保护微波源不受反射的微波功率的影响，波导魔T结构用于调谐阻抗。

Description

多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置
技术领域
本发明属于金刚石膜沉积技术领域，涉及一种多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置。
背景技术
微波等离子体作为低温等离子体技术，其无极放电、放电区域集中的特征能够很好地避免电极和器壁的污染，同时其高电离度以及强反应活性使得等离子体能量密度很大，电子温度很高，可以获得高浓度的原子氢，再加上放电过程也十分稳定。因此，微波等离子体是一种高质量金刚石膜沉积方法。
典型的微波等离子体有电子回旋共振微波等离子体、表面波等离子体和谐振腔微波等离子体。其中，电子回旋共振微波等离子体是利用外加磁场激励电子与微波频率的一种共振现象，可使等离子体密度大幅增加。但由于在低压条件下工作，沉积速率很低，金刚石膜的质量也受影响。表面波等离子体的典型特点是微波只能沿着等离子体表面传输的过程中激发等离子体，无法进入等离子体区域内部。与上述两者不同的是，谐振腔式微波等离子体的产生则依靠微波在谐振腔内形成的高强变电场直接激励气体产生等离子体，其等离子体能量密度高，具有高浓度的活性基团，更适合用来沉积薄膜材料。
我国在2.45GHz微波等离子体CVD金刚石膜沉积装置经历了由石英管式、石英钟罩式、圆柱谐振腔式、环形天线式、椭球谐振腔式以及多种其他类型的MPCVD装置的变化过程。其发展过程中存在的问题可归纳为微波能量被大量吸收、介质窗口易被刻蚀、可调谐能力弱、沉积尺寸小、沉积速率不理想等。
目前国内团队对各种谐振腔结构的MPCVD均有较为深入系统的研究，例如北京科技大学功能研究所唐伟忠团队在CAP式圆柱形谐振腔、椭球形谐振腔MPCVD设备的研制上已经处于国内领先水平；西安电子科技大学芜湖研究院郝跃团队自主研制的首台MPCVD设备可实现2～3英寸的多晶金刚石散热衬底的生长；武汉工程大学等离子体化学与新材料湖北重点实验室汪建化团队在1～75kW全系列MPCVD设备的研制上也取得了实质进展。但与国外研究团队相比，国内微波等离子谐振腔在自主优化设计以及大尺寸等关键技术上还有待突破。
1994年德国Wuppertal大学研制出一种狭缝天线型等离子体源(SLAN)，它的特点是产生的等离子体面积不受微波波长的限制，直径可以从4cm至67cm不等，与之相对应，其为维持等离子体均匀性所需的气体压力区间也不同。对4cm直径的SLAN源来说，工作气压高达大气压，等效于一个等离子体喷射式的MPCVD装置；而对67cm直径的SLAN来说，等效于在低压下工作的等离子源。
1997年中国科学院等离子体研究所在低功率条件下采用微波单探针法测量了无等离子体情况下环形波导缝隙天线内的电场分布，利用Langmuir双探针测量了该源的氩等离子体的特性，据称日后还会做提高微波功率，降低气压等优化工作。
现有的用于产生大尺寸微波等离子体装置主要是利用狭缝天线对微波的衍射作用，在波导壁上作缝隙开口，形成波导缝隙天线。但由于强场区域主要集中在缝隙开口处，导致在功率过高时会产生次生等离子体刻蚀介质窗口的问题。近年来，波导缝隙阵列天线由于其低损耗、高辐射效率和性能稳定等一系列突出优点而得到广泛的应用，也为微波等离子体金刚石膜沉积装置的改进提供了一种可能。
现有技术主要存在两种技术方案，技术一注重的是狭缝与大缝相互配合对电场的改善作用，以便获得更加均匀的等离子体，其只涉及到谐振腔体的结构设计。在实际的应用过程中，微波等离子体沉积装置还需要包括但不限于阻抗调谐结构、微波源、循环器、冷却及进出气系统等结构，都需要依据仿真分析以及性能要求来做到相关指标与相关设备的匹配，单谐振腔体不具有普适性。而且没有采用多端口相位调控。技术二中微波从谐振腔侧面馈入的方式，增加了微波传输距离，造成能量大量的衰减，不利于耦合效率的提高，也对装置结构的简化造成影响。同时微波通过缝隙耦合进等离子体室内，形成的一定是多个强场汇集区域，而在实际的应用过程中，是需要稳定集中的单个强场区域来激发气体形成等离子体，来进行金刚石膜的沉积的，即缺少对沉积装置内部的完善。其次，三销钉调谐器和短路活塞结构只能局限于对TE模的调谐，无法对TM调谐，即对磁场无法有效的调谐作用，销顶结构在导纳原图中存在的匹配盲区，说明装置本身的调谐能力有限。最后多环形波导谐振器与等离子体室进行同向耦合时，虽然可以形成大尺寸的等离子体，但此时装置结构复杂，成本过高。
发明内容
为解决现有技术中至少存在的以下缺陷：应用中容易在顶盖挡板部分积碳，不利于金刚石的生长；等离子体密度较低，沉积的金刚石膜面积较小；装置冷却效率较低，不利于提高微波输入功率。本发明的目的在于提供一种多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，技术方案为：
一种多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，包括谐振腔部分和微波传输部分，其中，
所述谐振腔部分包括内腔体、环形波导、缝隙开口、石英环、金属台、沉积台、衬底和凹槽，其中，缝隙开口位于内腔体的壁上，连通内腔体与环形波导；金属台设置在内腔体底部一周，金属台支撑石英环；沉积台设置在内腔体的底部中心位置，为工字形；衬底设置在沉积台的上方，为圆盘形；凹槽设置在内腔体的顶部，呈圆柱形；内腔体和石英环均为空心圆柱形，环形波导环绕内腔体设置，为圆环状，横截面为矩形；
所述微波传输部分设置若干个，均与谐振腔部分连接，将微波馈入内腔体，微波传输部分包括微波源、环形器和波导魔T结构，微波源产生微波振荡，环形器设置在微波源的出口，保护微波源不受反射的微波功率的影响，波导魔T结构用于调谐阻抗。
优选地，所述微波源包括全屏蔽的磁控管或微波晶体管。
优选地，还包括法兰盖，设置在内腔体的顶部和底部，与内腔体可拆卸装配。
优选地，还包括进气口和出气口，进气口位于内腔体顶部的圆柱形凹槽底部，竖直向下方的工字形沉积台喷射气体；出气口位于工字形沉积台两侧的内腔体底部。
优选地，还包括观察圆孔，设置在内腔体的外壁一周。
优选地，还包括红外测温仪，设置在所述内腔体的上半部外壁，指向谐振时内腔体形成的球状等离子体的中心处。
优选地，还包括风冷设备，设置在内腔体的下方，用于石英环的散热。
优选地，还包括水冷设备，设置在法兰盖、沉积台、磁控管和环形器部分。
优选地，所述凹槽的深度以及沉积台的高度可调。
优选地，采用按照预设相位控制多个端口以不同微波功率输入的激励方式。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1.提出了一种多端口相位调制缝隙天线耦合的微波等离子设备。具体为一种按照一定相位控制多端口以不同微波功率输入的馈入方式，来增强耦合进等离子体室内的电场强度，进而提高气体的激发程度，可以产生更高密度且更加集中的等离子体；
2.该设计装置取消了三销钉调谐器、短路活塞以及模式转换器，简化微波等离子体沉积装置结构；
3.采用直接馈入TE模式的微波的方法，避免侧面馈入对微波能量的衰减，提高耦合效率；
4.阻抗调谐结构，采用多组波导魔T结构耦合电磁耦合，取消三销钉调谐器与短路活塞的设计，使得阻抗匹配不存在盲区，易调谐；
5.设计了谐振腔部分的内部结构，等离子体室内形成唯一的强场区域，使得沉积后的等离子体体积增大且更加稳定，可用于大尺寸金刚石膜的制备；
6.克服了传统狭缝天线微波功率不高的问题，石英介质靠近沉积台，在等离子体室内准确切割一个最大的电场区域，可以避免石英环内壁被次生等离子体刻蚀。本装置可在较高的微波输入功率条件下(10kw)，实现大面积高品质金刚石膜的高效沉积。
附图说明
图1为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的谐振腔部分示意图；
图3为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的石英环底部放大结构示意图；
图4为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的微波传输部分结构示意图；
图5为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的谐振腔外部结构示意图；
图6为现有技术中谐振腔部分电场分布图；
图7为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的谐振腔部分缝隙耦合初始电场分布图；
图8为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的谐振腔部分ne图像分布图；
图9为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置的五端口谐振腔部分电场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1-3，所示为本发明实施例的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，包括谐振腔部分20和微波传输部分30，其中，
谐振腔部分20包括内腔体1、环形波导2、缝隙开口3、石英环4、金属台5、沉积台6、衬底7和凹槽8，其中，缝隙开口3位于内腔体1的壁上，连通内腔体1与环形波导2；金属台5设置在内腔体1底部一周，金属台5支撑石英环4；沉积台6设置在内腔体1的底部中心位置，为工字形；衬底7设置在沉积台6的上方，为圆盘形；凹槽8设置在内腔体1的顶部，呈圆柱形；内腔体1和石英环4均为空心圆柱形，环形波导2环绕内腔体1设置，为圆环状，横截面为矩形；
微波传输部分30设置若干个，均与谐振腔部分20连接，将微波馈入内腔体1，微波传输部分30包括微波源9、环形器10和波导魔T结构11，微波源9产生微波振荡，环形器10设置在微波源9的出口，保护微波源9不受反射的微波功率的影响，波导魔T结构11用于调谐阻抗。微波源9包括全屏蔽的磁控管或微波晶体管。
上述装置的设计方案为，首先，借助电磁仿真软件分析频率为2.45GHz的微波在标准WR340矩形波导中的场分布，注意到矩形波导侧面存在竖直向下与竖直向上依次交替的表面电流。考虑在波导侧壁上横向挖槽对表面电流进行竖直切割，可将波导中的微波能量从侧面辐射出去，等效为缝隙天线；再考虑将笔直的矩形波导绕成环状让波导的侧面形成圆柱侧面来进行微波能量的汇聚，可得到初始的波导部分结构。其次，依据波导传输相关理论知识，优化该部分结构直至环形波导2内形成均匀分布的强场区域。注意到此时各个强场区域的磁场方向为顺时针与逆时针交替，要想微波从环形波导2内侧壁耦合进内腔中，则必须选择环形波导2内磁场与所想要激发的内腔磁场方向一致的区域来进行缝隙开口3处理。缝隙开口3的尺寸需要结合电磁场数值分析方法，借助高频电磁分析软件对缝隙天线进行各个参数的分析来优化。内腔体1形状可选用最简单的圆柱体，具体尺寸可采用特征频率的方法来确定。最后，完善内部结构得到完整的谐振腔部分20，再添加微波传输部分30。
本发明采用了按照预设相位控制多个端口以不同微波功率输入的激励方式，用来增强耦合进内腔体1的电场强度，提高耦合效率。
采用了将微波传输部分30直接馈入到谐振腔部分20，避免侧面馈入对微波能量的衰减。
采用了多组波导魔T结构11，替换了三销钉调谐器和短路活塞的设计，使得阻抗匹配不存在盲区、易调谐；
石英环4靠近沉积台6，在等离子体室内准确切割一个最大的电场区域，避免石英环4内壁被次生等离子体刻蚀。
具体实施例中，参见图5，括金属波纹管13位于谐振腔部分20的的上方，用于控制内腔体1顶部圆柱形的凹槽8深度的升降，底部工字形沉积台6也具有可上下调节升降的结构，均可用于调整谐振时内腔体1的电场分布以便得到更好的等离子体状态，装置整体的可调谐能力更好。法兰盖14位于谐振腔部分20的顶部以及底部，可拆卸，用于保证装置整体的气密性。进气口位于内腔体1顶部的圆柱形凹槽8底部，竖直向下方的工字形沉积台6喷射气体，有利于等离子体在沉积台6上集中性的激发；出气口位于工字形沉积台6两侧的内腔体1底部。红外测温仪15位于谐振腔部分20上半部分结构的外壁，指向谐振时内腔体1形成的球状等离子体的中心处。观察圆孔16分布于红外测温仪15的下方，环绕谐振腔部分20上半部分结构的外壁，图5中未示出一周，仅示出一部分以示例，观察圆孔16与内腔体1外壁的连接处存在网状结构，阻碍微波透过观察圆孔16辐射至谐振腔部分20外，等离子体的激发可以透过观察圆孔16直接观察，网格直径一般小于微波波长的八分之一，实际设置可为6mm，谐振腔部分20的密封主要在包围等离子体反应室的石英环4结构，观察圆孔16结构只需要保证装置整体的气密性就行。而石英环4保证气密性具体参见图3在金属台5上方做台槽51，石英环4底部嵌入该台槽51，该台槽51的底部嵌入胶圈41，石英环4的顶部与内腔体1顶部接壤，石英环4的底部挤压胶圈41来保证石英环4部分的结构整体密封性，在电磁仿真软件中可以通过对石英环4的位置进行参数化设置，观察谐振腔部分20内的电场分布变化情况，选择电场分布集中、场区较大的石英环4的位置作为最优解。
冷却系统主要包括两部分，采用风冷设备贴近谐振腔部分20的下方，用于石英环4的散热，水冷设备通过进出水管间接接触谐振腔部分20结构顶部与底部的法兰盖14、内腔体1中的工字形沉积台6、磁控管和环形器10等部分，由分水器调节水流量来匹配各个部分的冷却要求，确保整个装置在高微波功率输入下的稳定运行。
微波源9包括全屏蔽的磁控管，用于产生所需功率的微波；在其出口设置一个环形器10用于保护磁控管不受反射的微波功率的影响；微波源9可以由不同的电子器件产生微波振荡，包括磁控管、微波晶体管等。调谐部分采用波导魔T结构11，由一个E-T支节和一个H-T支节组成，可调整等离子体源的微波输入阻抗，降低反射系数。
微波经由波导魔T结构11直接馈入谐振腔部分20，在环形波导2内形成十个均匀分布的强场区，其中，环形波导2内强场区域的个数是可调节的，环形波导2的内外径的差值是恒定的，近似为波导波长，但内径的长度是可以根据所想要在内腔体1中沉积的等离子体室的尺寸在一定范围内进行调整的。注意内径过大，会影响微波能量的汇聚，过小的话会造成沉积出来的金刚石膜尺寸过小，装置本身的研究就没有意义了，具体实施例中选择十个。选择环形波导2内磁场与所想要激发的内腔中磁场旋转方向一致的强场区域，做环状的缝隙开口3，长度与所选区域的内环曲线长度近似。微波从缝隙开口3耦合进内腔体1中形成多个强场区域，电场分布如图6所示，此时采用了一个微波传输部分30，后续在添加多端口输入结构时，可以再添加一个微波传输部分30，使用功率分配器对各个端口的微波能量进行分配。
微波馈入成功后，在内腔体1添加圆柱形沉积台6，用于在内腔体1正中心沉积等离子体，基片位于沉积台6上方，尺寸略小。在缝隙开口3附近构建石英环4，石英环4底部通过挖槽嵌入胶圈41在宽度较其略宽的金属台5上方固定。内腔体1顶部做圆柱形挖槽处理，旨在压缩等离子体使之紧贴沉积台6上方，为了增加进一步调谐效果，也可对沉积台6做工字形处理，使得电场分布下降。完善过后的谐振腔部分20结构电场分布以及ne图像分别如图7、图8所示，所示的装置结构只包括一个微波传输部分30，即采用一个微波源9。
多端口输入结构：通过一定的相位控制，添加不同微波输入功率的端口，将传统的单微波端口输入模式改进至多端口微波输入模式，让耦合进内腔体1中的电场强度得到加强，进而增强对气体的激发程度，从而得到更高密度的等离子体。图1、图9分别为最简单的相位差为72度的输入功率相同的五端口结构以及相对应的电场图，可以看到耦合进内腔体1中的电场场强极大值扩大了近一倍。当然还有许多其他优化结构，重点在于按照一定的相位控制多端口以不同微波功率输入和相位控制的馈入结构对内腔体1中电场增强耦合作用。参见图9，五个微波传输部分30的结构除微波源9外是一致的，各个端口输入的微波功率可以通过功率分配器进行分配，微波源9可以添加至两个。
装置运行方式
1.打开谐振腔部分20的进气口和出气口，自发馈入外部空气平衡内腔体1内外气压，开启步进电机降低沉积台6，选取合适尺寸的硅片置于沉积台6上方作为衬底7，再重新上升沉积台6至内腔体1底部合拢；
2.使用真空泵将内腔体1内部的石英环4所包围的低压区，低压区的范围是内腔体1中石英环4所包围的区域，此处在微波工作前会抽至真空，通入气体调节内部气压，故称为低压区；同时观察大小量程的压力表的示数，满足要求后通入反应气体，调节装置中的气体压力；
3.开启水冷、风冷相关设备，通过流量传感器检查流量等参数是否满足需求，同时也对装置整体做好排查；
4.输入频率为2.45GHz、功率为10000W的微波，在观察圆孔16观察等离子体的产生；调节波导魔T结构11的短路活塞位置以及金属波纹管13的升降高度，降低装置的反射系数，然后开始进行金刚石膜的沉积；
5.沉积一段时间后，顺序关闭气体、微波电源以及真空泵等结构，结束金刚石膜的沉积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，包括谐振腔部分和微波传输部分，其中，
所述谐振腔部分包括内腔体、环形波导、缝隙开口、石英环、金属台、沉积台、衬底和凹槽，其中，缝隙开口位于内腔体的壁上，连通内腔体与环形波导；金属台设置在内腔体底部一周，金属台支撑石英环；沉积台设置在内腔体的底部中心位置，为工字形；衬底设置在沉积台的上方，为圆盘形；凹槽设置在内腔体的顶部，呈圆柱形；内腔体和石英环均为空心圆柱形，环形波导环绕内腔体设置，为圆环状，横截面为矩形；
所述微波传输部分设置若干个，均与谐振腔部分连接，将微波馈入内腔体，微波传输部分包括微波源、环形器和波导魔T结构，微波源产生微波振荡，环形器设置在微波源的出口，保护微波源不受反射的微波功率的影响，波导魔T结构用于调谐阻抗。
2.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述微波源包括全屏蔽的磁控管或微波晶体管。
3.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括法兰盖，设置在内腔体的顶部和底部，与内腔体可拆卸装配。
4.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括进气口和出气口，进气口位于内腔体顶部的圆柱形凹槽底部，竖直向下方的工字形沉积台喷射气体；出气口位于工字形沉积台两侧的内腔体底部。
5.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括观察圆孔，设置在内腔体的外壁一周。
6.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括红外测温仪，设置在所述内腔体的上半部外壁，指向谐振时内腔体形成的球状等离子体的中心处。
7.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括风冷设备，设置在内腔体的下方，用于石英环的散热。
8.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，还包括水冷设备，设置在法兰盖、沉积台、磁控管和环形器部分。
9.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，所述凹槽的深度以及沉积台的高度可调。
10.根据权利要求1所述的多端口相位补偿嵌套式微波等离子体金刚石膜沉积装置，其特征在于，采用按照预设相位控制多个端口以不同微波功率输入的激励方式。
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