CN117551989A - 磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，包括腔体、上电极板、基片电极、下电极板、射频电源、直流电源、绝缘体及磁体组件；下电极板包括隔离板部和电离板部，隔离板部将腔体分隔呈相互独立的电离腔室及沉积室；电离腔室被电离板部分隔呈电离区和布气区，工艺气体在电离区内被电离产生等离子体，离子体通过布气区呈均匀的进入沉积室，沉积室被处于下电极板和基片电极的电场作用下及磁体组件的磁场作用下。本发明通过电离区、布气区、沉积室的独立分隔对等离子体进行输送，以及等离子体在沉积室内的电场和磁场的作用下进行沉积，使得本发明可控制等离子体其轰击基片的速度、方向以及密度，从而提升镀膜质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种镀膜用沉积装置，尤其涉及一种对气体进行电离的等离子体增强化学气相沉积装置。
背景技术
随着经济建设的快速发展，微电子技术得到了迅猛的发展，等离子体增强化学气相沉积(英文全称：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；简称：PECVD)设备的开发和使用也日益广泛。PECVD设备是利用高频电源辉光放电，产生等离子体化学沉积的设备，由于等离子体的存在，从而降低沉积温度。目前，PECVD设备广泛的用于液晶显示行业、太阳能电池行业、半导体器件及大规模集成电路的制造行业等。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)通常被用来在基片(例如用于平面面板显示器的透明基片或半导体晶片)上沉积材料层。PECVD通常是通过导引前驱物气体或气体混合物进入含有基片的真空腔室来完成，通过施加射频给前驱物气体或者气体混合物使其被能量化(例如激发)成等离子体，这些等离子体可以相互反应或者与基底表面物质反应以便沉积成材料层。
目前，等离子体增强化学气相沉积设备中的电极装置在对气体的电离过程中，由于电离之前的气体及电极之间的不均匀接触，使得电离所产生的等离子呈现不均匀分布的技术缺陷，其难以控制处理操作的均匀性，从而在基片的表面上形成过厚或者过薄的沉积层，即在基片上呈现不均匀厚度的沉积层。
现有等离子体增强化学气相沉积设备仍然还存在如下缺陷：第一，等离子体直接对基片的表面进行轰击，存在破坏基片沉积表面结构的危险，特别是在多层镀膜的情况下，可对底层薄膜造成破坏，损害器件的物理性能。第二，等离子体的轰击强度与电源功率以及电压成正比，而电源功率的大小有直接影响沉积效率。因此目前而言，现有的PECVD技术在沉积效率和保护底层不被破坏之间无法同时达到最佳，鱼和熊掌不可兼得。第三，无法控制等离子体撞向基片的入射速度，因此无法控制膜层的密度、结构及缺陷；而入射撞击(即，轰击)速度之高低会直接影响被镀材质膜层与基片或底层膜的介面物理关系，如光电及半导体器件应用中的介面电阻等。工艺工程师为了克服上述这些困难，不得不在基片温度、气流速度、电源频率、电压、气体比例这几方面影响镀膜工艺的参数入手，进行折中优化，折中优化的手段都会有所取舍，难以达到最佳的技术效果。
因此，亟需一种能避免等离子强烈轰击基片及控制其轰击基片速度的装置，以提升镀膜质量，保证器件的物理性能不受损害。能有效提高沉积层均匀性的等离子体增强化学气相沉积用电极装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，该磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置能避免等离子强烈轰击基片及控制其轰击基片速度，以提升镀膜质量，保证器件的物理性能不受损害。
为实现上述目的，本发明提供了一种磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其包括：
呈密闭结构的腔体，所述腔体的顶部呈导电结构形成上电极板，所述腔体的底部呈导电结构形成基片电极；
呈导电结构的下电极板，所述下电极板包括隔离板部，所述隔离板部横置于所述腔体中并将所述腔体分隔呈相互独立的电离腔室及沉积室，所述电离腔室位于所述沉积室上方，所述隔离板部贯穿开设有若干气流通道，所述电离腔室与所述沉积室借由所述气流通道呈气流连通；所述隔离板部向所述电离腔室内弯折并延伸形成电离板部，所述电离板部位于所述上电极板与所述隔离板部之间，所述上电极板与所述电离板部之间形成电离区，所述电离区贯穿开设有用于与外界工艺气体连通的进气通道；所述电离板部与所述腔体的侧壁之间的间隙形成等离子体通道，所述电离板部与所述隔离板部之间形成布气区，所述电离区与所述布气区借由所述等离子体通道呈气流连通；
所述腔体的侧面呈绝缘结构并呈绝缘的连接所述上电极板、所述下电极板及基片电极；
射频电源，所述射频电源的两极分别对应与所述上电极板及所述下电极板电性连接；
直流电源，所述直流电源的两极分别对应与所述下电极板及所述基片电极电性连接，所述下电极板电性接地；
绝缘体，所述绝缘体与所述基片电极连接并位于所述基片电极之下；
提供穿入所述沉积室内磁场的磁体组件，所述磁体组件设置于所述绝缘体之下。
与现有技术相比，本发明的电离区由上电极板与下电极板之间的区域形成，且用于输入工艺气体的进气通道与电离区连通，工作时，射频电源放电对进入电离区内的工艺气体进行电离而产生等离子体。产生的等离子体由电离区大空间进入小空间的等离子体通道内，使得电离区产生的等离子体通过侧面设置的等离子通道呈汇聚集中的方式冲入到布气区内。等离子体从小空间的等离子通道冲入大空间的布气区内，使得等离子体较为均匀(即各处浓度及气流速度较为相同)的分布在整个布气区内。均匀分布在布气区内的等离子体通过气流通道均匀的进入沉积室内，进入沉积室内的等离子体同样呈较为均匀的分布。本发明沉积室内具有基片电极及下电极板通电所形成的电场，本发明沉积室内具有磁体组件所产生的磁场。因此，进入沉积室内的均匀分布的等离子体在磁场的作用下，等离子体的运动方向被磁场所引导，进而提高沉积在基片上的沉积效率及均匀性。同时，进入沉积室内的均匀分布的等离子体在电场作用下，根据需要可被加速或者减速，实现等离子体不同撞击(即轰击)速度的沉积在基片表面。与此同时，沉积室内的等离子体在电场的偏压下及磁场的磁控综合作用下，可根据需求而通过改变磁场的大小、密度以及电场的方向、大小、周期性，来产生不同的器件物理特性(如，密度、附着力、结构等)，改变膜层与基片的介面特性，提升器件性能。另，本发明用于电离的电离区、用于均匀分布等离子体的布气区以及用于沉积的沉积室，相互独立分隔开，使得电离产生的等离子体无法之间轰击基片，有效的避免了等离子强烈轰击基片对器件的物理性能造成损害的情况发生。综上所述，本发明通过电离区、布气区、沉积室的独立分隔对等离子体进行输送，以及等离子体在沉积室内的电场和磁场的作用下进行沉积，使得本发明可控制等离子体其轰击基片的速度、方向以及密度，从而提升镀膜质量、镀膜均匀度以及镀膜效率，并保证器件的物理性能不受损害，实用性强。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的所述电离板部与所述上电极板平行。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的所述气流通道呈均匀的贯穿开设于所述隔离板部上。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置还包括加热板，所述加热板设于所述基片电极之上。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的包括旋转机构，所述旋转机构与所述磁体组件传动连接，所述旋转机构驱动所述磁体组件绕中心线自转。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的所述磁体组件包括若干磁体，所述磁体呈同极竖直排列成一层设置。
较佳地，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的所述直流电源为脉冲直流电源。
附图说明
图1是本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施事例和附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，对本发明技术方案进行阐述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置100，包括腔体1、上电极板2、基片电极3、下电极板4、射频电源5、直流电源6、绝缘体7及磁体组件8。本发明的腔体1呈密闭结构。本发明的腔体1的顶部呈导电结构形成所述上电极板2，该腔体1的底部呈导电结构形成所述基片电3极。
如图1所示，本发明的下电极板4呈导电结构，该下电极板4包括隔离板部41，所述隔离板部41横置于腔体1中并将所述腔体1分隔呈相互独立的电离腔室11及沉积室12。本发明的电离腔室11位于沉积室12上方。具体地，本发明隔离板部41贯穿开设有若干气流通道411，所述电离腔室11与所述沉积室12借由所述气流通道411呈气流连通。本发明的隔离板部41向电离腔室11内弯折并延伸形成电离板部42，该电离板部42位于上电极板2与所述隔离板部41之间，所述上电极板2与所述电离板部42之间形成放点对工艺气体进行电离的电离区11－1，该电离区11－1贯穿开设有用于与外界工艺气体连通的进气通道12。本发明工艺气体的选择需更加需要沉积的薄膜对象而定，本领域技术人员无需创造性的劳动即可选择出对应的工艺气体，在此不再详细赘述。本发明的电离板部42与腔体1的侧壁之间的间隙形成等离子体通道13。本发明的电离板部42与隔离板部41之间形成布气区11－2；本发明电离区11－1与布气区11－2借由等离子体通道13呈气流连通。本发明的布气区11－2主要用于缓冲从电离区11－1电离产生的等离子体，使得等离子体在布气区11－2内均匀的分布。本发明的腔体1的侧面呈绝缘结构并呈绝缘的连接上电极板2、下电极板4及基片电极3，使得腔体1被围成一个密闭结构，便于抽真空对放置于下电极板3上基片200进行沉积镀膜。
如图1所示，本发明用于电离工艺气体的电源采用射频电源5，该射频电源5的两极分别对应与所述上电极板2及所述下电极板4电性连接。本发明用于对沉积室12内的等离子体进行偏压提供电场的电源为直流电源6，该直流电源的两极分别对应与下电极板4及基片电极3电性连接，本发明的下电极板4电性接地。具体地，本发明的直流电源6为脉冲直流电源；采用脉冲直流电源，既能介绍电能，又能有效的对等离子体的速度进行增速或减速的控制。
如图1所示，本发明的绝缘体7用于呈绝缘的隔离开基片电极3和磁体组件8；具体地，本发明的绝缘体7与基片电极3连接并位于所述基片电极3之下。所述磁体组件8的磁场穿过沉积室12进而作用在其内的等离子体上，用于引导等离子体的运动方向，实现对等离子体的磁控；具体地，本发明的磁体组件8设置于绝缘体7之下。
如图1所示，本发明的电离区11－1由上电极板2与下电极板3之间的区域形成，且用于输入工艺气体的进气通道12与电离区11－1连通，工作时，射频电源5放电对进入电离区11－1内的工艺气体进行电离而产生等离子体。产生的等离子体由电离区11－1大空间进入小空间的等离子体通道13内，使得电离区11－1产生的等离子体通过侧面设置的等离子通道13呈汇聚集中的方式冲入到布气区11－2内。等离子体从小空间的等离子通道13冲入大空间的布气区11－2内，使得等离子体较为均匀(即各处浓度及气流速度较为相同)的分布在整个布气区11－2内。均匀分布在布气区11－2内的等离子体通过气流通道411均匀的进入沉积室12内，进入沉积室12内的等离子体同样呈较为均匀的分布。本发明沉积室12内具有基片电极3及下电极板4通电所形成的电场，本发明沉积室12内具有磁体组件8所产生的磁场。因此，进入沉积室12内的均匀分布的等离子体在磁场的作用下，等离子体的运动方向被磁场所引导，进而提高沉积在基片200上的沉积效率及均匀性。同时，进入沉积室12内的均匀分布的等离子体在电场作用下，根据需要可被加速或者减速，实现等离子体不同撞击(即轰击)速度的沉积在基片200表面201。与此同时，沉积室12内的等离子体在电场的偏压下及磁场的磁控综合作用下，可根据需求而通过改变磁场的大小、密度以及电场的方向、大小、周期性，来产生不同的器件物理特性(如，密度、附着力、结构等)，改变膜层与基片200的介面特性，提升器件性能。另，本发明用于电离的电离区11－1、用于均匀分布等离子体的布气区11－2以及用于沉积的沉积室12，相互独立分隔开，使得电离产生的等离子体无法之间轰击基片，有效的避免了等离子强烈轰击基片200对器件的物理性能造成损害的情况发生。综上所述，本发明通过电离区11－1、布气区11－2、沉积室12的独立分隔对等离子体进行输送，以及等离子体在沉积室12内的电场和磁场的作用下进行沉积，使得本发明可控制等离子体其轰击基片200的速度、方向以及密度，从而提升镀膜质量、镀膜均匀度以及镀膜效率，并保证器件的物理性能不受损害，实用性强。
如图1所示，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置100的电离板部42与上电极板2平行。采用平行设计的电离板部42与上电极板2，使得电离区11－1内的工艺气体能充分的被离子；进一步提高沉积效率。
如图1所示，较佳者，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置100的所述气流通道411呈均匀的贯穿开设于所述隔离板部41上。
如图1所示，较佳者，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置还包括加热板9，所述加热板9设于所述基片电极3之上。基片200承载在加热板9上，加热板采用外部电源提供能量对其加热，通过对基片200加热，可有效的进一步提高沉积薄膜的质量。
如图1所示，较佳者，本发明磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置的包括旋转机构10，所述旋转机构10与所述磁体组件8传动连接，该旋转机构10驱动磁体组件10绕中心线自转。磁体组件10的旋转，使得进入沉积室12的磁场能更加有效的对等离子体进行引导式磁控，使得沉积在基片200上的镀膜质量提高，尤其镀膜的均匀性得到显著提高。具体地，本发明的磁体组件8包括若干磁体81，这些磁体8呈同极竖直排列成一层设置。
本发明所涉及的气体的电离及等离子体的沉积的工作原理，均为本领域普通技术人员所熟知的，在此不再作详细的说明。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。同时，以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，包括：
呈密闭结构的腔体，所述腔体的顶部呈导电结构形成上电极板，所述腔体的底部呈导电结构形成基片电极；
呈导电结构的下电极板，所述下电极板包括隔离板部，所述隔离板部横置于所述腔体中并将所述腔体分隔呈相互独立的电离腔室及沉积室，所述电离腔室位于所述沉积室上方，所述隔离板部贯穿开设有若干气流通道，所述电离腔室与所述沉积室借由所述气流通道呈气流连通；所述隔离板部向所述电离腔室内弯折并延伸形成电离板部，所述电离板部位于所述上电极板与所述隔离板部之间，所述上电极板与所述电离板部之间形成电离区，所述电离区贯穿开设有用于与外界工艺气体连通的进气通道；所述电离板部与所述腔体的侧壁之间的间隙形成等离子体通道，所述电离板部与所述隔离板部之间形成布气区，所述电离区与所述布气区借由所述等离子体通道呈气流连通；
所述腔体的侧面呈绝缘结构并呈绝缘的连接所述上电极板、所述下电极板及基片电极；
射频电源，所述射频电源的两极分别对应与所述上电极板及所述下电极板电性连接；
直流电源，所述直流电源的两极分别对应与所述下电极板及所述基片电极电性连接，所述下电极板电性接地；
绝缘体，所述绝缘体与所述基片电极连接并位于所述基片电极之下；
提供穿入所述沉积室内磁场的磁体组件，所述磁体组件设置于所述绝缘体之下。
2.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述电离板部与所述上电极板平行。
3.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述气流通道呈均匀的贯穿开设于所述隔离板部上。
4.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，还包括加热板，所述加热板设于所述基片电极之上。
5.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，还包括旋转机构，所述旋转机构与所述磁体组件传动连接，所述旋转机构驱动所述磁体组件绕中心线自转。
6.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述磁体组件包括若干磁体，所述磁体呈同极竖直排列成一层设置。
7.如权利要求1所述的磁控偏压等离子体增强化学气相沉积装置，其特征在于，所述直流电源为脉冲直流电源。
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