CN1585588A - 一种磁控等离子体装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁控等离子体装置，属真空等离子体沉积和刻蚀装置的技术领域，含真空腔体、基片架、等离子体产生电源、沉积气源和真空泵，它还含线圈和激磁电源，线圈跨接在激磁电源的两端，线圈套在真空腔体外，有利用线圈产生的磁场有效地控制低温等离子体，使等离子体的密度增加和分布均匀，从而增大薄膜材料沉积或刻蚀的速率和提高薄膜材料沉积或刻蚀的均匀性等优点。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种磁控等离子体装置，属真空等离子体沉积和刻蚀装置的技术领域。
背景技术
高性能薄膜材料制备设备开发及制造与真空等离子体表面技术的应用有着密切的关系。真空等离子体表面技术是集物理学、材料学、机械工程、计算机、电力电子和自动化控制等多种学科为一体的高科技边缘交叉领域，具有技术密集的典型特征。由于与其它领域相交叉并成为很多领域的关键技术，所以在近年呈现出快速发展的态势。在国防装备、光电子、半导体、信息等高技术领域，得到了越来越广泛的应用。等离子体作为物质的第四态(其它三态为固、液、气态)是由中性原子(或原子团)、离子和电子组成，整体呈中性状态。低温等离子体技术已广泛应用于薄膜材料的沉积或刻蚀。根据产生等离子体的电源的不同，等离子体可分为直流(DC)、射频(RF)、微波(MW)等离子体，与它们相应的装置的复杂性和制造成本依次递增。通常因等离子体产生于真空腔体内，电子迁移率高，使得在真空腔体内的等离子体呈弱正电性，同时等离子体中心与周边的状态和分布不均匀，这样会造成薄膜材料沉积或刻蚀时的不均匀性。为提高均匀性，需增大真空腔体的尺寸，使需要薄膜材料沉积或刻蚀的衬底位于等离子体中心位置，这样会增加等离子体装置的成本，同时也使等离子体的密度降低。在大多数应用中，要求薄膜材料沉积或刻蚀的速率要高，以提高生产效率，较为有效的方法是提高等离子体的密度。常用的提高等离子体密度的方法是增大产生等离子体的电源的功率。这样又会大幅增加等离子体装置的成本。另外，因电源功率的增大，使衬底上的自偏压升高，导致薄膜沉积时质量变差。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种磁控等离子体装置，该装置利用磁场控制低温等离子体，使等离子体的密度增加和分布均匀，从而增大薄膜材料在沉积或刻蚀的过程中沉积或刻蚀的速率，同时提高薄膜材料沉积或刻蚀的均匀性，这样可以大幅降低制造性能与现有的真空等离子体装置的性能相同的真空等离子体装置的制造成本，同时改善薄膜沉积或刻蚀的质量。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。一种磁控等离子体装置，含真空腔体、基片架、等离子体产生电源、沉积气源和真空泵，它还含线圈和激磁电源，线圈跨接在激磁电源的两端，线圈套在真空腔体外。线圈用来产生控制和增强真空腔体内等离子体密度的磁场。激磁电源用来驱动激磁电流流过线圈。
现详细说明本发明的技术方案。一种磁控等离子体装置，含真空腔体、基片架、等离子体产生电源、沉积气源和真空泵，真空腔体是由不锈钢材料制成的空心球体、空心圆柱或空心正直棱柱，真空腔体含抽气口、抽气管、抽气阀门、进气口、进气管、进气阀门和基片架引出电极，真空腔体内装有基片架，真空腔体与基片架引出电极绝缘密封连接，抽气口经抽气管通过抽气阀门与真空泵连接，进气口经进气管通过进气阀门与沉积气源连接，真空腔体内的压强为10-3～105Pa，等离子体产生电源的频率和功率分别为0～1GHz和20～10000W，等离子体产生电源的两个输出端分别与真空腔体的外壳和基片架引出电极连接，其特征在于，它还含线圈和激磁电源，线圈由绝缘导线缠绕而成，线圈套在真空腔体外，激磁电源为电压可调的直流稳压电源，激磁电源的两个输出端，正端和负端分别与线圈的两个端头，始端和末端或末端和始端连接，线圈的内部空间有载激磁电流线圈产生的磁场。
本发明的技术方案的进一步特征在于，线圈由漆包铜线缠绕而成，该漆包铜线的直径和匝数分别为0.5～6mm和50～2000匝，激磁电源的直流输出电压为10～60伏，电流为2～300安培，载激磁电流线圈产生的磁场的磁场强度为10～1000Gauss。
本发明的技术方案的进一步特征在于，线圈有两个，第一线圈和第二线圈，第一线圈与第二线圈相同，第一线圈和第二线圈的匝数分别为所述线圈的一半，第一线圈和第二线圈分别套在真空腔体的两端，第一线圈的末端与第二线圈的始端连接，第一线圈的始端与第二线圈的末端分别跨接在激磁电源的两个输出端，正端和负端或负端和正端之间。
本发明的技术方案的进一步特征在于，线圈有两个，第一线圈和第二线圈，第一线圈与第二线圈相同，第一线圈和第二线圈的匝数分别为所述线圈的一半，第一线圈的末端与第二线圈的末端连接，第一线圈的始端与第二线圈的始端分别跨接在激磁电源的两个输出端，正端和负端或负端和正端之间。
与背景技术相比，本发明有以下优点：
1.能有效地控制低温等离子体，使等离子体的密度增加和分布均匀，从而增大薄膜材料沉积或刻蚀的速率和提高薄膜材料沉积或刻蚀的均匀性。
2.能大幅降低制造性能与现有的真空等离子体装置的性能相同的真空等离子体装置的制造成本。
附图说明
图1是本发明的磁控等离子体装置的纵中剖结构示意图，其中，1是真空腔体，10是进气口，11是抽气口，2是线圈，20和21分别是线圈2的始端和末端，3是基片架，30是基片架引出电极，4是等离子体产生电源，40和41分别是等离子体产生电源4的两个输出端，5是激磁电源，51和52分别是正端和负端，6是沉积气源，60是进气管，61是进气阀门，7是真空泵，70是抽气管，71是抽气阀门。
图2是本发明的含两个线圈的磁控等离子体装置的纵中剖结构示意图，其中，22和23分别是第一线圈和第二线圈，220和230分别是第一线圈22和第二线圈23的始端，221和231分别是第一线圈22和第二线圈23的末端，第一线圈22和第二线圈23分别套在真空腔体1的两端，第一线圈22的末端221与第二线圈23的始端230连接，第一线圈22的始端220和第二线圈23的末端231分别跨接在激磁电源5的正端51和负端52之间。
图3是本发明的另一种含两个线圈的磁控等离子体装置的纵中剖结构示意图，其中，第一线圈22的末端221与第二线圈23的末端231连接，第一线圈22的始端220和第二线圈23的始端230分别跨接在激磁电源5的正端51和负端52之间。
图4是本发明的磁控等离子体装置在四种不同的磁场和电场的作用下沉积类金刚石薄膜时，类金刚石薄膜生长速率的比较图线。四种不同的磁场和电场的作用为无磁场；磁场与电场互相平行；对称分布的磁场和磁场与电场互相垂直。
具体实施方式
现结合附图说明本发明的具体实施方式。真空腔体1是不锈钢空心圆柱。使用时，将拟沉积薄膜或刻蚀的基片固定在基片架3上，沉积或刻蚀气源6经进气管60和进气阀门61与进气口10连接，关闭进气阀门61。真空泵7通过抽气管70和抽气阀门71与抽气口11连接。将真空腔体1的内部抽成真空。开启进气阀门61并导入反应气体。在所述的基片上沉积类金刚石薄膜时，反应气体为甲烷。通过抽气阀门71调节真空腔体1内的反应气体的压强，使其保持一定并介于10- 3～105Pa。通过把等离子体产生电源4的两个输出端40和41分别接在基片架引出电极30和真空腔体1的外壁，使等离子体产生电源4的产生的电场加在基片架3和真空腔体1间，真空腔体1内形成等离子体。等离子体产生电源4的频率和功率分别为0～1GHz和20～10000W。激磁电源5驱动激磁电流流过线圈2(或第一线圈22和第二线圈23)，载流线圈2(或第一线圈22和第二线圈23)在其内部空间形成磁场，调节激磁电源5的直流输出电流，可将所述磁场的磁场强度调节在10～1000Gauss的范围内。
当磁控等离子体装置具有图1或2所示的结构时，线圈2套在真空腔体1外(或第一线圈22和第二线圈23分别套在真空腔体1的两端)，线圈2(或第一线圈22和第二线圈23)所产生的磁场(B)的磁力线是是沿圆柱形真空腔体1的中心轴线轴向分布的。将基片架3放置在真空腔体1内，并加上等离子体产生电源4后可产生等离子体。基片架3处的电场方向可与磁场(B)呈平行状态，或呈垂直状态。
如图2所示，将两个线圈22和23加在真空腔体1外，产生较为均匀的磁场。若第一线圈22的末端221与第二线圈23的始端230连接，第一线圈22的始端220和第二线圈23的末端231分别跨接在激磁电源5的正端51和负端52之间。磁场(B)的磁力线是沿圆柱轴向分布的。
如图3所示，第一线圈22的末端221与第二线圈23的末端231连接，第一线圈22的始端220和第二线圈23的始端230分别跨接在激磁电源5的正端51和负端52之间。磁场(B)的磁力线是按镜像对称分布的，即磁镜，在基片架3的中心处，磁场最弱。
本发明的工作原理。电场和磁场对等离子体的联合作用的形式可归纳为两类：电场与磁场相互垂直和电场与磁场相互平行。在等离子体中，因正离子质量远大于电子的质量，故在磁场作用下，主要考虑电子的运动。当电场与磁场相互平行时，在磁场作用下，电子作绕着磁力线旋转的运动；在电场作用下，电子作沿着电力线迁移的运动；在电场与磁场的联合作用下，电子作绕着磁力线沿电场方向作螺旋状运动。换句话说，电子受到磁场的约束。由于线圈2(或第一线圈22和第二线圈23)在其内部所产生的磁场非常均匀，所以在均匀磁场的控制下，电子分布均匀，使含有电子的等离子体随之分布均匀。当电场与磁场相互垂直时，电子除了作绕着磁力线作螺旋状运动外，还作垂直于电场和磁场的迁移运动。上述电场和磁场对等离子体的联合作用，都会增加电子运动的路径，这样使得电子与粒子间的碰撞几率增大，从而使等离子体的密度得到提高；此外，在线圈产生的均匀磁场的控制下，等离子体分布均匀。
以本发明的磁控等离子体装置沉积类金刚石薄膜为例来说明磁场对等离子体的控制作用。沉积气源为甲烷，气压为2Pa，等离子体产生电源为射频电源，频率为13.56MHz，沉积温度为25摄氏度，线圈产生的磁场为200Gauss。沉积的类金刚石薄膜生长速率的比较如图4所示。在不同射频功率时，沉积速率随射频功率增强而增大(无磁场)。在同一功率下，沉积速率在磁场作用下明显增大。
当电场与磁场呈平行分布(平行磁场)状态时，类金刚石薄膜生长速率在磁场作用下增大，如在功率为100W时，比无磁场时提高1.3倍。
当电场与磁场呈镜像对称分布(镜磁场)状态时，类金刚石薄膜生长速率在磁场作用下增大，如在功率为100W时，比无磁场时提高1.5倍。
当电场与磁场呈垂直分布(垂直磁场)状态时，类金刚石薄膜生长速率在磁场作用下有较大的提高，如在功率为100W时，比无磁场时提高3.1倍。
实施例1：真空腔体1是直径为100mm、高为200mm的不锈钢空心圆柱。圆柱外绕有线圈2，线圈2由直径为2mm的漆包铜导线缠绕100匝而成。直流电流流过线圈2，在线圈2内部产生强度为5～500Gass的磁场，直流电流的范围为2～50A。真空腔体1内通入氩气和其它反应气体，在压强为10-2～103Pa范围内，等离子体产生电源4输出的直流或射频电压加在基片架3上，功率范围为10～600W，在真空腔体1内产生高密度和分布均匀的等离子体，对固定在基片架3上的基片进行薄膜沉积或刻蚀。
实施例2：真空腔体1是直径为500mm、高为500mm的不锈钢空心圆柱。圆柱外绕有两个线圈22和23，线圈22和23由直径为6mm的漆包铜导线缠绕200匝而成。直流电流流过线圈22和23，在线圈22和23的内部产生强度为5～1000Gass磁场，直流电流的范围为5～150A。真空腔体1内通入氩气和其它反应气体，在压强为10-2～103Pa范围内，等离子体产生电源4输出的直流或射频电压加在基片架3上，功率范围为20～2000W，在真空腔体1内可产生高密度和分布均匀的等离子体，对固定在基片架3上的基片进行薄膜沉积或刻蚀。
实施例3：真空腔体1是直径为1200mm、高为2000mm的不锈钢空心圆柱。圆柱外绕有两个线圈22和23，线圈22和23由直径为8mm的漆包铜导线缠绕1000匝而成。直流电流流过线圈22和23，在线圈22和23的内部产生强度为5～1000Gass磁场，直流电流的范围为5～300A。真空腔体1内通入氩气和其它反应气体，在压强为10-2～103Pa范围内，等离子体产生电源4输出的直流或射频电压加在基片架3上，功率范围为50～10000W，在真空腔体1内可产生高密度和分布均匀的等离子体，对固定在基片架3上的基片进行薄膜沉积或刻蚀。
本发明的磁控等离子体装置特别适于作等离子体薄膜材料的沉积或刻蚀。
Claims (4)
1.一种磁控等离子体装置，含真空腔体(1)、基片架(3)、等离子体产生电源(4)、沉积气源(6)和真空泵(7)，真空腔体(1)是由不锈钢材料制成的空心球体、空心圆柱或空心正直棱柱，真空腔体(1)含抽气口(11)、抽气管(70)、抽气阀门(71)、进气口(10)、进气管(60)、进气阀门(61)和基片架引出电极(30)，真空腔体(1)内装有基片架(3)，真空腔体(1)与基片架引出电极(30)绝缘密封连接，抽气口(11)经抽气管(70)通过抽气阀门(71)与真空泵(7)连接，进气口(10)经进气管(60)通过进气阀门(61)与沉积气源(6)连接，真空腔体(1)内的压强为10-3～105Pa，等离子体产生电源(4)的频率和功率分别为0～1GHz和20～10000W，等离子体产生电源(4)的两个输出端(40)、(41)分别与真空腔体(1)的外壳和基片架引出电极(30)连接，其特征在于，它还含线圈(2)和激磁电源(5)，线圈(2)由绝缘导线缠绕而成，线圈(2)套在真空腔体(1)外，激磁电源(5)为电流可调的直流稳压电源，激磁电源(5)的两个输出端，正端(51)和负端(52)分别与线圈(2)的两个端头，始端(20)和末端(21)或末端(21)和始端(20)连接，线圈(2)的内部空间有载激磁电流线圈(2)产生的磁场。
2.根据权利要求1所述的磁控等离子体装置，其特征在于，线圈(2)由漆包铜线缠绕而成，该漆包铜线的直径和匝数分别为0.5～8mm和50～1000匝，激磁电源(5)的直流输出电压为10～60伏，电流为2～300安培，载激磁电流线圈(2)产生的磁场的磁场强度为10～1000Gauss。
3.根据权利要求1或2所述的磁控等离子体装置，其特征在于，线圈(2)有两个，第一线圈(22)和第二线圈(23)，第一线圈(22)与第二线圈(23)相同，第一线圈(22)和第二线圈(23)的匝数分别为所述线圈(2)的一半，第一线圈(22)和第二线圈(23)分别套在真空腔体(1)的两端，第一线圈(22)的末端(221)与第二线圈(23)的始端(230)连接，第一线圈(22)的始端(220)与第二线圈(23)的末端(231)分别跨接在激磁电源(5)的两个输出端，正端(51)和负端(52)或负端(52)和正端(51)之间。
4.根据权利要求1或2所述的磁控等离子体装置，其特征在于，线圈(2)有两个，第一线圈(22)和第二线圈(23)，第一线圈(22)与第二线圈(23)相同，第一线圈(22)和第二线圈(23)的匝数分别为所述线圈的一半，第一线圈(22)和第二线圈(23)分别套在真空腔体的两端，第一线圈(22)的末端(221)与第二线圈(23)的末端(231)连接，第一线圈(22)的始端(220)与第二线圈(23)的始端(230)分别跨接在激磁电源(5)的两个输出端，正端(51)和负端(52)或负端(52)和正端(51)之间。
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| CNA2004100251152A CN1585588A (zh) | 2004-06-11 | 2004-06-11 | 一种磁控等离子体装置 |
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| CN1585588A true CN1585588A (zh) | 2005-02-23 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108986614A (zh) * | 2018-10-08 | 2018-12-11 | 湖南商学院 | 一种磁场控制等离子体的物理实验教学装置及实验方法 |
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2004
- 2004-06-11 CN CNA2004100251152A patent/CN1585588A/zh active Pending
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| CN108986614A (zh) * | 2018-10-08 | 2018-12-11 | 湖南商学院 | 一种磁场控制等离子体的物理实验教学装置及实验方法 |
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