CN1173607C - 微波电子回旋共振等离子体均匀化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
微波电子回旋共振等离子体均匀化方法及装置属于微波低温等离子体技术领域。其特征在于，使微波通过在位置上存在相互旋转180度关系的双三角形波导管产生两束微波，使这两束微波经过双三角形的波导管后直接通过微波窗片耦合进入谐振腔，并在谐振腔内进行叠加，形成一种新的双束微波场。为达到本方法的目的，所设计的装置特征是，在过渡矩形波导管6与陶瓷微波窗片8及窗片法兰9之间，接入了一段在矩形波导管内部插入均分板19后、形成的双三角形的波导管7，其横截面被分为了两个三角形。本发明不仅较好地解决了电子回旋共振设备等离子体不均匀性的问题，且制造安装简便，对等离子体无污染，避免了采用同轴波导和多槽天线带来的制造安装复杂等问题。
Description
技术领域
微波电子回旋共振等离子体均匀化方法及装置属于微波低温等离子体技术领域。
背景技术
电子回旋共振(ECR)等离子体，是近十几年发展起来的新型微波等离子体。由于其电离度高、无电极污染等特点，日益受到人们的重视。然而，目前国内外使用的大部分微波电子回旋共振装置，所产生的等离子体都存在一定程度的不均匀性。
产生等离子体不均匀性的主要原因为：微波电子回旋共振设备普遍采用2.45G的微波，并且几乎都以TE10(即矩形波导横电模式，也是矩形波导的主型波)来传输，TE10微波经波导窗耦合进圆柱形谐振腔后变为TE11(圆形波导横电模式)，或者经过TE10模到TE11模的波型变换器再经微波窗片耦合进圆柱形谐振腔。但是不管是TE10还是TE11模式，其对应的横向电场都是不均匀的。横向电场不均匀直接导致电子回旋共振等离子体不均匀，采用这种等离子体所沉积的薄膜均匀性必然也不会很理想。等离子体的不均匀性在一定程度上妨碍了电子回旋共振等离子体的应用和发展。
1996年日本九州大学Yoko Ueda等人(Surface and CoatingsTechnology 74-75(1995)503-507)指出，通常产生ECR等离子体的微波皆是导入基本波导模式TE10或TE11，因此很难实现大面积均匀的等离子体。为改善等离子体均匀性，他们设计：微波由矩形波导通过模式变换器变为同轴波导，然后同轴波导再与电子回旋共振谐振腔内多槽天线相连，最终将微波能量耦合进谐振腔内。这样做虽然改善了等离子体的均匀性，但是由于微波传输复杂，而且在谐振腔内使用多槽天线存在天线金属污染等离子体的问题，难以应用和推广。
到目前为止，现有技术中尚没有一种较为简单的方法可以较好地解决电子回旋共振等离子体不均匀性的问题。
发明内容
本发明的目的在于，是针对电子回旋共振等离子体应用技术领域所存在的等离子体不均匀性问题，提出了一种新的方法来解决这种问题。并为完成方法的技术方案，设计了微波电子回旋共振等离子体均匀化装置。
本发明的技术方案中微波电子回旋共振等离子体均匀化方法：包括有利用电子回旋共振系统中的微波源产生微波后，经波导管和波导窗导入谐振腔后，在谐振腔和沉积室内产生电子回旋共振的等离子体，用于对样件进行薄膜沉积。本发明的特征在于，使微波通过在位置上存在相互旋转180度关系的双三角形波导管产生两束微波，使这两束微波经过双三角形的波导管后直接通过微波窗片耦合进入谐振腔，并在谐振腔内进行叠加，形成一种新的双束微波场。新的双束微波场决定了其在电子回旋共振条件下产生的等离子体的均匀性优于单束微波场下的等离子体的均匀性。
本发明的技术方案中微波电子回旋共振等离子体均匀化装置(参见图1)，包括有微波源、真空密封、薄膜沉积、真空泵系统、产生电子回旋共振及沉积所需的轴向磁场部分、气路及气体控制部分，各部分从前向后再向下的连接关系依次为，微波发生器1连接波导管2，波导管2连接三端环行器3，三端环行器3的反射端与大功率负载4连接，三端环行器3的出口端与三销钉调配器5连接，三销钉调配器5与带水平及垂直段的过渡矩形波导管6连接，过渡矩形波导管6向下与垂直的波导管7连接，中央开矩形孔的窗片法兰9上端面与垂直的波导管7连接，9的下端面将陶瓷微波窗片8压在谐振腔10的上端面上，谐振腔10的下端面与直径较大的沉积室11的上端面连接，样片台12通过其支撑杆与沉积室11下方底部的出口端固定，沉积室11下方侧面开孔处与由旋转泵14和涡轮分子泵15组成的真空泵系统连接，沉积室外壁与工作台13固定在一起，单并磁场线圈16位于圆柱形谐振腔10壁外，并与圆柱形谐振腔10为同轴布置，线圈16由沉积室11上端面上均布的三个支柱予以支撑，气路分两路，一路与谐振腔10相连，另一路与沉积室11相连。本发明的特征在于：波导管7内部插入均分板19，其横截面被分为两个对等三角形。
微波电子回旋共振等离子体均匀化装置中所用的双三角形波导管，其制造可选用标准尺寸的矩形波导管，采用常规技术将均分板与矩形波导管的对角连接，并将矩形法兰和圆形法兰分别与矩形波导管的两端进行焊接，矩形法兰用于与过渡矩形波导管6连接，圆形法兰用于同微波窗片法兰9连接。
本发明的装置，由于接入了一段新型的双三角形的波导管7，代替普通的矩形波导管，使得微波在经过双三角形的波导管7后，自然就可以将单束微波均分为双束微波；由于双三角形的波导管中两个三角形波导管在位置上存在相互旋转180度的关系，使得均分出双束微波实际上并不相同。微波在经过双三角形的波导管7后直接通过微波窗片8耦合进入圆柱形谐振腔10，使得双束微波在谐振腔内进行叠加，并形成一种新的微波场。上述装置较好地完成了本发明的技术方案。
采用本发明的微波电子回旋共振等离子体均匀化方法及装置所取得的实际效果为：
1.使电子回旋共振等离子体显著均匀化，解决了现有采用矩形波导传输微波的电子回旋共振装置等离子体均匀性差的问题。
2.制造安装简便，对等离子体无污染，避免了采用同轴波导和多槽天线所带来的制造安装复杂，污染等离子体的问题。
由于较好地解决了电子回旋共振设备等离子体不均匀性的问题，为电子回旋共振等离子体的应用和发展创造了有利条件。
附图说明
图1 微波电子回旋共振等离子体均匀化装置示意图
1-微波发生器，2-水平矩形波导管，3-三端环行器，4-大功率负载，5-三销钉调配器，6-带水平及垂直段的过渡矩形波导管，7-双三角形的波导管8-陶瓷微波窗片，9-窗片法兰，10-圆柱形谐振腔，11-沉积室，12-样片台，13-工作台，14-旋转泵，15-涡轮分子泵，16-单并磁场线圈，17-气路及气体控制单元；
图2 双三角形的波导管结构图
18-矩形波导管，19-均分板，20-矩形法兰，21-圆形法兰；
图3 采用矩形波导管的等离子体照片；
图4 采用双三角形的波导管的等离子体照片。
具体实施方式
本发明的微波电子回旋共振等离子体均匀化装置见图1，主要包括六个部分。第一部分为微波源。这一部分用于向垂直放置的电子回旋共振谐振腔提供微波。微波源由微波发生器1、传输系统和控制系统组成，其中传输系统又由三端环行器2、三销钉调配器3及波导管组成。微波发生器1及传输系统在空间处于本发明装置的最高位置，各部分从前向后再向下的连接关系为，微波发生器1的下出口与水平矩形波导管2上入口通过螺栓进行连接，矩形波导管2再与三端环行器3入口端进行法兰连接，三端环行器3的反射端与大功率负载4进行法兰连接，三端环行器3的出口端与三销钉调配器5进行法兰连接，三销钉调配器5再与带水平及垂直段的过渡矩形波导管6进行法兰连接，过渡矩形波导管6向下与垂直的双三角形的波导管7进行法兰连接。第二部分为陶瓷微波窗片8及中央开矩形孔的窗片法兰9，这一部分用于将微波耦合进谐振腔并提供真空密封。窗片法兰9上端面与第一部分中垂直放置的双三角形的波导管7进行法兰连接，下端面采用螺栓连接将陶瓷微波窗片压在第三部分中的圆柱形谐振腔10的上端面上。第三部分由垂直放置的圆柱形谐振腔10、沉积室11、样片台12及工作台13等组成。这一部分主要用于形成等离子体和进行薄膜沉积。圆柱形谐振腔10的下端面与直径较大的沉积室11的上端面通过平面密封和螺栓固定进行连接，样片台12通过其支撑杆与沉积室11下方底部的出口端通过螺栓连接及橡胶密封进行固定，沉积室11下方侧面开孔处与第四部分即由旋转泵14和涡轮分子泵15组成的真空泵系统进行法兰连接，沉积室外壁与工作台13固定在一起。第五部分为单并磁场线圈16及线圈电源，这一部分用于产生电子回旋共振及沉积所需的轴向磁场。第六部分为气路及气体控制单元17，用于提供等离子体气体及沉积和清洗用气体。
在上述装置中，双三角形波导管7是本发明的特征组件，其结构参见图2，其由矩形波导管18、均分板19、矩形法兰20和圆形法兰21组成。这里所用的矩形波导管18为标准尺寸的矩形波导管；均分板19的作用是将矩形波导管的横截面均分为两个等同的三角形。
下面给出分别采用矩形波导管和双三角形的波导管作为微波进入圆柱形谐振腔10前的最后一级波导管，在同样的实验条件下进行的对比实验。
例1：实验条件为，系统抽真空至1×10-3Pa，向谐振腔10通入氢气，流量为20毫升/分钟(sccm)，将气压调至0.5Pa，磁场线圈16通入137A的电流，微波源实际输出功率取500W。在微波和线圈磁场的共同作用下，在谐振腔10内即可产生电子回旋共振等离子体。
图3和图4分别为采用矩形波导管和双三角形的波导管的等离子体照片，采用矩形波导管的等离子体其辉光从谐振腔到沉积室都存在明暗相间的区域，表明其等离子体分布很不均匀。采用双三角形的波导管后，等离子体辉光从谐振腔到沉积室都见不到明暗相间的区域，表明等离子体分布显著均匀化。
例2：将尺寸为80mm×80mm×1mm的清洁玻璃片放至样片台12上，系统抽真空至1×10-3Pa，加热样片至280℃，向谐振腔通入氢气，流量为20毫升/分钟(sccm)，向沉积室11通入硅烷，流量为7毫升/分钟(sccm)，将总气压调至0.5Pa，磁场线圈16通入137A的电流，微波源实际输出功率取500W。在微波和线圈磁场的共同作用下，在谐振腔和沉积室内产生电子回旋共振的等离子体，并在玻璃片上开始沉积非晶硅薄膜。沉积时间为1小时。
检查膜厚发现，在直径为Φ60mm的范围内，采用矩形波导管得到的非晶硅薄膜膜厚为1.40μm~1.92μm，膜厚变化达36％，这表明其对应的硅烷等离子体很不均匀；采用双三角形的波导管得到的非晶硅薄膜膜厚为1.71μm~1.83μm，膜厚变化仅为6％，表明其对应的硅烷等离子体分布十分均匀。
Claims (3)
1、微波电子回旋共振等离子体均匀化方法，包括有利用电子回旋共振系统中的微波源产生微波后，经波导管和波导窗导入谐振腔，在谐振腔和沉积室内产生电子回旋共振的等离子体，用于对样件进行薄膜沉积，本发明的特征在于，使微波通过在位置上存在相互旋转180度关系的双三角形波导管产生两束微波，使这两束微波经过双三角形的波导管后直接通过微波窗片耦合进入谐振腔，并在谐振腔内进行叠加，形成一种新的双束微波场。
2、微波电子回旋共振等离子体均匀化装置，包括有微波源、真空密封、薄膜沉积、真空泵系统、产生电子回旋共振及沉积所需的轴向磁场部分、气路及气体控制部分，各部分从前向后再向下的连接关系依次为，微波发生器(1)连接波导管(2)，波导管(2)连接三端环行器(3)，三端环行器(3)的反射端与大功率负载(4)连接，三端环行器(3)的出口端与三销钉调配器(5)连接，三销钉调配器(5)与带水平及垂直段的过渡矩形波导管(6)连接，过渡矩形波导管(6)向下与垂直的波导管(7)连接，中央开矩形孔的窗片法兰(9)上端面与垂直的波导管(7)连接，窗片法兰(9)的下端面将陶瓷微波窗片(8)压在谐振腔(10)的上端面上，谐振腔(10)的下端面与直径较大的沉积室(11)的上端面连接，样片台(12)通过其支撑杆与沉积室(11)下方底部的出口端固定，沉积室(11)下方侧面开孔处与由旋转泵(14)和涡轮分子泵(15)组成的真空泵系统连接，沉积室(11)外壁与工作台(13)固定在一起，单片磁场线圈(16)位于圆柱形谐振腔(10)腔壁外，并与圆柱形谐振腔(10)为同轴布置，线圈(16)由沉积室(11)上端面上均布的三个支柱予以支撑，气路分两路，一路与谐振腔(10)相连，另一路与沉积室(11)相连，本发明的特征在于：波导管(7)内部插入均分板(19)，其横截面被分为两个三角形。
3、根据权利要求2所述的微波电子回旋共振等离子体均匀化装置，其特征在于：双三角形波导管(7)是采用标准尺寸的矩形波导管(18)，采用常规技术将均分板(19)与矩形波导管(18)的对角进行连接，并将矩形法兰(20)和圆形法兰(21)分别与矩形波导管(18)的两端进行焊接，矩形法兰(20)用于与过渡矩形波导管(6)连接，圆形法兰(21)用于同微波窗片法兰(9)连接。
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