CN117305818A - 一种等离子体反应室和微波等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体反应室和微波等离子体化学气相沉积装置。等离子体反应室包括真空腔室，真空腔室中包括从外部伸入腔体的基台结构，真空腔室的顶部在基台结构上方位置设有微波窗，用于供微波进入真空腔室，激发反应区域中的反应气体；真空腔室包括第一均流环，第一均流环设置于真空腔室的顶部围绕微波窗，第一均流环内部设置有第一气流通道，其中，第一均流环上设有与第一气流通道相连接的多个第一出气孔，第一气流通道通过第一出气孔向真空腔室内供应富氧气体，多个第一出气孔的朝向设置成使得从第一出气孔喷出的富氧气体在微波窗的表面形成富氧区域，富氧区域中氧含量高于反应区域。

Description

一种等离子体反应室和微波等离子体化学气相沉积装置
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种等离子体反应室和微波等离子体化学气相沉积装置。
背景技术
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，以制备金刚石膜为例，微波系统产生的微波进入等离子体反应室，在等离子体反应室中所设有的基片台上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜衬底材料表面沉积形成金刚石薄膜。
在等离子体反应过程中，例如制备金刚石膜时，反应气体如甲烷和氢气，在等离子体的作用下分解成各种活性基团，在基片台表面沉积形成金刚石膜。在这一过程中，由于真空反应腔内气体的激发、活化、扩散、沉积，一些固体沉积物也会沉积在微波窗口表面。而且随着沉积时间的延长，沉积物的厚度会不断增加，最后可能在内应力的作用下崩裂，崩裂产生的碎片会落在基片台表面形成污染物，从而影响金刚石的正常生长。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供一种等离子体反应室与微波等离子体化学气相沉积装置，能够在等离子体反应过程中刻蚀微波窗表面所沉积的固体沉积物，抑制微波窗表面区域的固体沉积物的形成，从而减少等离子体反应过程中固体沉积物在微波窗表面的污染。
具体来说，据本发明的第一方面提供的上述等离子体反应室，包括：真空腔室，所述真空腔室中包括从外部伸入腔体的基台结构，所述真空腔室的顶部在所述基台结构上方位置设有微波窗，用于供微波进入所述真空腔室，激发反应区域中的反应气体；所述真空腔室包括第一均流环，所述第一均流环设置于所述真空腔室的顶部围绕所述微波窗，所述第一均流环内部设置有第一气流通道，其中，所述第一均流环上设有与所述第一气流通道相连接的多个第一出气孔，所述第一气流通道通过所述第一出气孔向所述真空腔室内供应富氧气体，所述多个第一出气孔的朝向设置成使得从所述第一出气孔喷出的富氧气体在所述微波窗的下表面形成富氧区域，所述富氧区域中氧含量高于所述反应区域。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一均流环内部设置有与所述第一气流通道隔离的第二气流通道，并设有与所述第二气流通道相连接的多个第二出气孔，用于向所述真空腔室内反应区域供应反应气体。
优选地，在本发明的一实施例中，所述真空腔室还包括第二均流环，所述第二均流环上设有多个第三出气孔，用于向所述真空腔室内反应区域供应反应气体。
优选地，在本发明的一实施例中，所述多个第一出气孔的朝向被设置为朝向所述微波窗的中心位置。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一均流环沿所述微波窗的下缘紧贴所述微波窗的下表面设置。
优选地，在本发明的一实施例中，所述多个第一出气孔呈中心对称分布。
优选地，在本发明的一实施例中，所述富氧气体为包含氧气和/或一氧化碳的气体。
优选地，在本发明的一实施例中，所述富氧气体为纯氧气，用于清除所述微波窗的下表面的沉积碳。
优选地，在本发明的一实施例中，所述富氧区域的氧含量与所述反应区域的氧含量之和构成适于生长金刚石所需的氧含量。
此外，根据本发明的第二方面提供的上述微波等离子体化学气相沉积装置包括微波系统、真空系统、供气系统、以及上述任意一个实施例所提供的等离子体反应室。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一些实施例提供的微波等离子体化学气相沉积装置的示意图；
图2示出了根据本发明的一些实施例提供的等离子体反应室的局部示意图；以及
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的第一均流环的示意图。
附图标记
100 微波等离子体化学气相沉积装置；
110 等离子体反应室；
111、212 基台结构；
112 金刚石；
113、210、320 微波窗；
114 金属盖板；
115、310 第一均流环；
120 微波系统；
130 真空系统；
211 非金刚石碳沉积；
220 富氧区域；
230 反应区域；
330 真空密封环；
341、342 进气管道；以及
A、B 朝向。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，在等离子体反应过程中，例如制备金刚石膜时，反应气体如甲烷和氢气，在等离子体的作用下分解成各种活性基团，在基片台表面沉积形成金刚石膜。在这一过程中，由于真空反应腔内气体的激发、活化、扩散、沉积，一些固体沉积物也会沉积在微波窗口表面。而且随着沉积时间的延长，沉积物的厚度会不断增加，最后可能在内应力的作用下崩裂，崩裂产生的碎片会落在基片台表面形成污染物，从而影响金刚石的正常生长。
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供一种等离子体反应室与微波等离子体化学气相沉积装置，能够在等离子体反应过程中刻蚀微波窗表面所沉积的固体沉积物，抑制微波窗表面区域的固体沉积物的形成，从而减少等离子体反应过程中固体沉积物在微波窗表面的污染。
请参考图1，图1示出了根据本发明的一些实施例提供的微波等离子体化学气相沉积装置的示意图。
如图1所示，微波等离子体化学气相沉积装置100包括等离子体反应室110、微波系统120、真空系统130以及供气系统(图中未示出)。等离子体反应室110可以包括真空腔室，基台结构111从真空腔室的外部伸入真空腔室内，基台结构111的基片台表面可以用于生长金刚石112，该基台结构111可以位于该等离子体反应室110的中轴线处。
在基台结构111的上方位置设置有微波窗113，微波窗113位于真空腔室的顶部，用于供微波系统120发出的微波进入真空腔室。在此，如图1所示，该微波窗113可以和一金属盖板114一起构成真空腔室的顶部。在另一非限制性实施例中，该微波窗113也可以直接嵌于真空腔室的顶部内壁中。
在图1所示的实施例中，真空腔室还可以包括第一均流环115，第一均流环115设置于真空腔室的顶部围绕微波窗113，并且第一均流环115的内部设置有第一气流通道(图中未示出)。
请参考图2，图2示出了根据本发明的一些实施例提供的等离子体反应室的局部示意图。
如图2所示，在微波窗210的下方为等离子体反应室的真空腔室内部，微波窗210的下表面已经在等离子体反应过程中形成了非金刚石碳沉积211，非金刚石碳沉积211会污染微波窗210。
供气系统向第一均流环中所设置的第一气流通道内通入富氧气体，富氧气体通过与第一气流通道相连接的第一出气孔喷出，在微波窗210的表面形成富氧区域220。这一富氧区域220可以通过该富氧区域220中所包含的富氧气体与微波窗210表面的非金刚石碳沉积211进行反应，形成二氧化碳CO2(CO2是用于金刚石生长的气体中的原料气体之一)，从而有效地刻蚀微波窗210下表面沉积的非金刚石碳沉积211，同时还可以抑制新的非金刚石碳沉积的形成。
在此，多个第一出气孔的朝向可以设置成使得从第一出气孔喷出的富氧气体在微波窗210的表面形成富氧区域220。优选地，第一均流环可以沿微波窗210的下缘，紧贴微波窗210的下表面设置，与微波窗210的形状一致。多个第一出气孔的朝向可以被设置为在第一均流环上中心对称分布，并可以设置为朝向微波窗210的中心位置。
在另一些实施例中，本领域的技术人员还可以基于以上构思，对第一均流环及其多个第一出气孔进行适应性地设置，以同样实现在微波窗的表面形成富氧区域。可选地，第一均流环的内圈一侧可以围绕第一均流环分布多列第一出气孔，这些第一出气孔可以将朝向设置为倾斜向上。
请继续参考图2，微波可以经微波窗210进入真空腔室内，并激发基台结构212上方的反应区域230中的反应气体，从而在基台结构212的基台表面生长金刚石。在此，富氧区域220中氧含量高于反应区域230。
在一参照例中，基台结构上方的反应区域中由于存在等离子体球，反应区域的能量密度大于图2中富氧区域220所在的微波窗表面区域。因此在反应区域中，所通入的反应气体中的碳源气体(例如甲烷)的反应分解效率更高，更适合金刚石的生长。而在微波窗表面区域中，由于能量密度相对较低，因此分解效率也更低，此时反应气体中的碳源气体容易在微波窗表面区域中形成非金刚石碳膜。非金刚石碳膜虽然也是碳，但是排列结构上与金刚石的碳不同。非金刚石碳膜附着在微波窗表面会导致窗口发黑，影响光线的透过。同时，非金刚石碳膜的厚度达到一定程度时会随机的脱落，混入正在生长的金刚石中，对正常生长的金刚石造成污染。
因此，在图2所示的实施例中，等离子体反应室可以通过向富氧区域220中通入富氧气体来刻蚀微波窗210表面沉积的非金刚石碳膜，并抑制富氧区域220中非金刚石碳膜的生长。
此外，在等离子体反应过程中，等离子体反应室内的原料气体组分中的氧浓度如果过高，可能会导致金刚石生长速率降低。因此，在一优选实施例中，在不改变反应室内的原料气体总的组成成分的前提下，反应气体与富氧气体通过独立的进气管路分别通入至等离子体反应室中，富氧气体中的氧与非金刚石碳进行反应并全部转化为原料气体CO2，通过富氧气体与非金刚石碳的反应以及反应气体与富氧气体的混合形成反应室内的原料气体，从而使富氧区域的氧含量与反应区域的氧含量之和构成适于生长金刚石所需的氧含量。在此，富氧气体可以为包含氧气和/或一氧化碳等可进一步与碳进行反应的含氧气体(例如将氧气和/或一氧化碳直接添加至反应气体中形成的富氧气体)，也可以为纯氧气，用于和微波窗表面的非金刚石碳进行反应。
例如，在图2所示的实施例中，可以将流量为3.0sccm(standard cubiccentimeter per minute，标准状况下毫升每分钟)的氧气分出1.5sccm的纯氧气作为富氧气体，喷向微波窗210表面的富氧区域220。另外1.5sccm的氧气则混入甲烷CH4和氢气H2中，一起组成反应气体，通入反应区域230中。氧气与非金刚石碳膜形成CO2，甲烷和氢气在混入氧气时进行反应组成反应气体，一起形成气体组分为CH4/H2/CO2的原料气体用于生长金刚石。
在一参照例中，供气系统直接向等离子体反应室通入组分为CH4/H2/CO2的原料气体。在开始等离子体反应后的80小时，微波窗就因为非金刚石碳膜的形成而发黑，120小时的时候，微波窗基本就无法穿透可见光。而在上述实施例中，等离子体反应150小时的时候，微波窗210才开始由于非金刚石碳的沉积而微微发黑。因此，通过向富氧区域220通入富氧气体，能够有效地抑制非金刚石碳在微波窗210的沉积。与此同时，相较于参照例而言，由于富氧气体与反应气体的总的氧气的通入量即为适于生长金刚石所需的氧含量，等离子体反应室中原料气体总体上的浓度并没有变化，等离子体反应室内的原料气体组分CH4/H2/CO2不被改变，不会影响金刚石的正常生长，从而避免金刚石生长速率的降低。
进一步地，由于在上述实施例中，微波窗210表面仍然沉积了少许非金刚石碳，可以通过将3.0sccm流量的氧气的90％～100％作为富氧气体喷向富氧区域220，来清除在微波窗210表面沉积的非金刚石碳，以实现不同的刻蚀效果。
请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的第一均流环的示意图。
如图3所示，第一均流环310可以通过真空密封环330设置在微波窗320的下表面，以围绕微波窗320。在图3所示的实施例中，第一均流环310中还可以设置有与第一气流通道隔离的第二气流通道。第一气流通道通过供气系统的进气管道341通入富氧气体，富氧气体经由第一气流通道相连接的第一出气孔喷出。第一出气孔可以设置在第一均流环的内侧，以朝向A向微波窗320的中心喷出富氧气体。第二气流通道可以通过供气系统的进气管道342通入反应气体，反应气体经由第二气流通道相连接的第二出气孔喷出。第二出气孔可以设置在第一均流环的下侧，以朝向B向下方的反应区域喷出反应气体。可选地，第一出气孔和第二出气孔的朝向与排布可以根据需要适应性地进行改变。
在另一可选实施例中，真空腔室内可以设置第二均流环，第二均流环上设有多个第三出气孔，供气系统将反应气体通入第二均流环中，反应气体经由第三出气孔向真空腔室内的反应区域喷出。
可选地，第一均流环与第二均流环可以在相同高度设置，也可以将第二均流环设置在与反应区域平行或略高于反应区域的位置。第一出气孔可以设置在第一均流环的内侧，朝向为向微波窗的中心位置方向。第三出气孔可以设置在第二均流环的下侧，朝向为向真空腔室中反应区域的位置方向。
综上所述，本发明提供的等离子体反应室能够在等离子体反应过程中刻蚀微波窗表面所沉积的固体沉积物，抑制微波窗表面区域的固体沉积物的形成，从而减少等离子体反应过程中固体沉积物在微波窗表面的污染。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种等离子体反应室，包括：
真空腔室，所述真空腔室中包括从外部伸入腔体的基台结构，所述真空腔室的顶部在所述基台结构上方位置设有微波窗，用于供微波进入所述真空腔室，激发反应区域中的反应气体；
所述真空腔室包括第一均流环，所述第一均流环设置于所述真空腔室的顶部围绕所述微波窗，所述第一均流环内部设置有第一气流通道，
其中，所述第一均流环上设有与所述第一气流通道相连接的多个第一出气孔，所述第一气流通道通过所述第一出气孔向所述真空腔室内供应富氧气体，所述多个第一出气孔的朝向设置成使得从所述第一出气孔喷出的富氧气体在所述微波窗的表面形成富氧区域，所述富氧区域中氧含量高于所述反应区域。
2.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述第一均流环内部设置有与所述第一气流通道隔离的第二气流通道，并设有与所述第二气流通道相连接的多个第二出气孔，用于向所述真空腔室内反应区域供应反应气体。
3.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述真空腔室还包括第二均流环，所述第二均流环上设有多个第三出气孔，用于向所述真空腔室内反应区域供应反应气体。
4.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述多个第一出气孔的朝向被设置为朝向所述微波窗的中心位置。
5.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述第一均流环沿所述微波窗的下缘紧贴所述微波窗的下表面设置。
6.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述多个第一出气孔呈中心对称分布。
7.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述富氧气体为包含氧气和/或一氧化碳的气体。
8.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述富氧气体为纯氧气，用于清除所述微波窗的表面的沉积碳。
9.如权利要求1所述的等离子体反应室，其特征在于，所述富氧区域的氧含量与所述反应区域的氧含量之和构成适于生长金刚石所需的氧含量。
10.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括微波系统、真空系统、供气系统、以及如权利要求1至9中任一项所述的等离子体反应室。
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