CN203602711U - 一种微波等离子体化学气相沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括用于导入微波的波导装置，所述波导装置与设置在其下方的反应室连接，所述反应室的在圆周方向上均匀设置有多个反应气体入口；在所述波导装置与反应室的连接处水平设置有隔离窗，所述隔离窗用于将波导装置与反应室隔离开，并使所述反应室保持预设定的真空度；在所述反应室内部同轴设置用于支撑衬底托的样品台，在所述衬底托的周围开设有供反应气体流出反应室的气体通道。本实用新型解决现有技术中，掺杂元素不能有效掺入到衬底表面形成的薄膜中，致使掺杂气体的使用效率低，成膜效果不理想的技术问题。本实用新型主要应用与等离子体加工领域。

Description

一种微波等离子体化学气相沉积装置

技术领域

本实用新型涉及微波等离子体加工领域，特别涉及一种微波等离子体化学气象沉积装置。

背景技术

微波等离子体是利用微波能将气体电离形成的一种等离子体：在反应室中的气体在导入的微波电磁场的作用下电离，形成由原子、原子团、离子和电子共存的混合物。化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生电离或分解，在衬底表面上或者附近反应并在其上生成固态物质沉积，进而制得固体材料的工艺技术。

微波等离子体CVD是利用微波能实现化学气相沉积的一种工艺装置，具有产量大、质量高、成本低的优点。其原理是，微波在反应室内形成共振，形成强的电磁场中心区域，使气体电离，形成等离子体，然后在衬底表面上形成固态物质沉积。该工艺中，适当导入一些掺杂气体含有比如P磷、B硼等元素可以改变衬底托表面上沉淀的固态物质的性能参数，通常情况下，沉淀到衬底表面上的固态物质称之为薄膜，沉淀的过程称之为成膜。

发明人在实现上述技术的过程中，发现现有技术中存在以下技术问题：在反应室中因电离气体形成的等离子体呈球状，进入反应室中的掺杂气体由于气流分布的原因，在衬底表面附近的气氛中掺杂气体浓度偏低，使得等离子体中的掺杂元素不能有效掺入到衬底表面形成的薄膜中，致使掺杂气体的使用效率低，成膜效果不理想。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种微波等离子体化学气相沉积装置，解决现有技术中掺杂气体使用率低，成膜效果不理想的技术问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种微波等离子体化学气相沉积装置，包括用于导入微波的波导装置，所述波导装置与设置在其下方的反应室连接，在所述反应室的顶部的圆周方向上均匀设置有多个反应气体入口；在所述波导装置与反应室的连接处水平设置有隔离窗，所述隔离窗用于将波导装置与反应室隔离开，并使所述反应室保持预设定的真空度；在所述反应室内部同轴设置用于支撑衬底托的样品台，在所述衬底托的周围开设有供反应气体流出反应室的气体通道。

进一步的，所述气体通道中心线与样品台中心线之间的距离为25-30毫米。

进一步的，所述气体通道为开设在样品台上的多个通孔，所述多个通孔围绕所述衬底托均匀设置。

进一步的，还包括环形挡板，所述挡板固定连接在样品台的外侧，并与反应室内壁相配合。

进一步的，所述通孔均匀开设在所述样品台的一个水平同心圆上，或均匀开设在所述样品台的一个以上水平同心圆上。

进一步的，所述通孔竖直向下开通至样品台的下端。

进一步的，所述通孔呈弧形向外开通至样品台侧壁与反应室内壁之间。

进一步的，所述通孔的直径为1-5毫米。

进一步的，所述反应室的内壁设置有环形凸台，所述环形凸台和样品台顶面高度平齐，所述环形凸台和样品台的侧壁之间形成供反应气体流出反应室的环形气体通道，所述样品台的尺寸为50-60毫米。

进一步的，所述环形凸台和样品台的侧壁之间环形气体通道的宽度为1-5毫米。

本实用新型提供一种微波等离子体发生器，通过在衬底托的周围开设气体通道的方式，改变气流分布，使衬底托表面附近掺杂元素浓度提高，从而使等离子体中的掺杂元素使用率提高，成膜效果增强。

附图说明

图1为本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1的第一种结构示意图；

图2为本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1的第二种结构示意图；

图3为本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1中通孔的第一种分布示意图；

图4为本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1中通孔的第二种分布示意图；

图5本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1的第三种结构示意图；

图6为本实用新型实施例1与现有技术的气流的对比示意图；

图7为本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置实施例1的结构示意图。

其中，1、波导装置，11、微波输入装置，12、微波输出装置，13、天线，131、天线管，2、反应室，21、环形凸台，3、衬底托，4、样品台，5、通孔，6、接触平面，7、隔离窗，8、挡板，9、反应气体入口。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实用新型包括导入微波的波导装置1。波导装置1包括：具有横截面形状为矩形的微波输入装置11；具有横截面形状为圆形的微波输出装置12；其中，微波输入装置11与微波输出装置12连接，使微波输入装置11输入的微波被引入微波输出装置12。一般说来，微波输入装置11中输入的微波频率介于0.5至15GHz,2.45GHz是较为理想的微波源。波导装置1还包括，横向穿过微波输入装置11，且伸入微波输出装置12并与微波输出装置同轴的可调节高度的天线13，天线13用于将矩形波导中的矩形坐标的微波转化为圆波导中的圆柱坐标的微波。通常情况下，在微波输入装置中还可以设置一个活塞，用于匹配反射的阻抗。

本实用新型中的波导装置1可以是可调节的，能够为反应室2提供一个轴对称的微波场，从而使反应室2中的气体被电离生成均匀的等离子体，以使衬底表面形成均匀薄膜。除此之外，该波导装置1可以通过调节天线13或/和调节微波输入装置中设置的活塞来耦合微波或匹配反应室中气体的阻抗。天线13的调节可以通过蜗轮蜗杆结构实现，且可以为使用者提供一个指示器，以方便的显示出天线13在波导装置1中的位置。通过调节天线13和活塞可以匹配几乎任何等离子体的阻抗。

天线13为圆柱形，且安装在天线管131内，在微波输入装置的开口处交汇。天线管131有一个环形阻塞，该阻塞中心开设有开口，以允许天线13通过。天线13通过阻塞且横向通过微波输入装置11，一般而言微波输入装置为矩形波导管，且同轴伸入截面为圆形的微波输出装置12。通常情况下，伸入微波输出装置12的天线部分的长度为微波在自由空间下的波长的四分之一的整数倍。这样在天线13的表面形成的感应电流会最小，以防止天线和阻塞因热或感应电流产生的电弧被熔化或者连接。

以下提供一种优选的方式：微波的频率在2.45Hz,功率为300-6000瓦（watts）,微波输入装置11为优化设计且足够长以使得仅横向电波模可以通过。这样可以精确测量功率。与圆形波导耦合的微波场是与角度不相关的横向电磁模和径向模节点的整数。更优先选的是，其有一个径向模节点。圆形波导的直径应足够的小以至于仅通过具有一个径向模节点和与角度不相关的横向电磁模。该直径可以增加，以通过具有不只一个径向模节点的横向电磁模也可以减少，以通过没有径向模节点的横向电磁模。这些可以通过一个较大或较小直径的微波输出装置，或通过增加微波输出装置在其长度方向上的直径（该直径随着长度方向逐渐增大而增加）来实现。

圆形微波输出装置12的长度比直径大，长度大约为12.8厘米，直径大约为10-12厘米。矩形微波输入装置11宽7.2厘米，高3.4厘米，长25.5厘米。

为了处理等离子体，对于不吸收微波能量的等离子体来说，微波输出装置12和与波导装置1连接的反应室2的长度应为微波输出装置中波长二分之一的整数倍。这样可以形成一个腔，在里面微波处于共振状态，形成一个高强度的微波。对于在处理过程中会吸收微波能量的等离子体来所说，该长度并不重要。

波导装置1在微波等离子体发生器的作用举足轻重，上文并没有对其进行更为详尽的描述，在现有技术中，已经有很多相似装置，均可以在本实用新型中使用，其可以实现的作用如下：

通过调节可以为等离子体匹配需要的轴对称模微波，并消除内部反射波，持续匹配等离子体的阻抗。显然，对于波导装置的调节非常重要，因为适当的调节可以把尽可能多的微波能传递给反应室，用以生成等离子体。不适当的调节，微波能会因未消除的内部反射波的损失而大打折扣。更普通的情况是，波导装置1将TE₁₀微波源转换为TM₀₁柱坐标模式。

波导装置1与位于波导装置1下方的反应室2连接，波导装置1将微波引入到反应室2，反应室2的顶部圆周方向上均匀设置有多个反应气体入口9。反应室2可以采用金属制造，利用水或其他液体进行冷却。

一般说来，反应室2中气体的压强保持在10^-7托（torr）至10³托（torr）之间为宜。其实现方式可以是，在波导装置1与反应室2的连接处水平设置有隔离窗7，通过隔离窗7将波导装置1与反应室2隔离，隔离窗7使反应室2保持预设定的真空度，然后，使用真空泵和调压阀来调节腔体内气体压力。在反应室2中的气体可以是原子H、H⁺离子、CHx离子，还有H₂、CH₄等。隔离窗7一般采用石英作为材料制作，因为石英是晶体结构，对微波通过石英时，其损失较少。显然，石英仅是众多材料中的其中一个，本实施例不对隔离窗7的材料做任何限定。

在反应室2中，衬底托3被置于等离子体中。在进行生产时，用于薄膜生长的衬底放在衬底托3上，衬底托3可以通过微波等加热系统和水冷却系统进行加热和制冷，以使衬底托3上的衬底维持在合适的表面温度。加热的方式可以是微波、高频、电阻通电制热的方式，冷却可以采用水冷的方式。

为使衬底托3上的衬底表面成长薄膜均匀，波导装置1、微波输出装置12与反应室2需要同轴安装。波导装置1与反应室2同轴安装的目的同样是使衬底托3上衬底表面形成均匀的薄膜。为了在例如10^-7托至10^-2托这样的低气压环境下使等离子体的密度达要求，需要在反应室2的外部加设电磁铁或永磁铁，以形成一个能与反应室2中的电子和电场共振的磁场，在该磁场的作用下，反应室2中自由电子的能量得到提升，从而完成镀膜。当然，在需要较高的离子撞击电压的地方，也可以增设一个电场，用以加速等离子。

在反应室2内部与反应室2同轴设置用于支撑衬底托3的样品台4。衬底托3的直径为10-50毫米，衬底托3的尺寸略大于衬底的尺寸，衬底的尺寸与现有装置中衬底的尺寸基本一致。现有技术中样品台的直径为100-130毫米，本实施例中样品台4的直径与现有装置中的样品台的尺寸基本一致，在衬底托3的周围开设气体通道，气体通道中心线与样品台4中心线之间的距离为25-30毫米。气体通道用于使在衬底托3上表面通过的气流能够接近衬底托3的表面并在衬底托表面有均匀的气流分布。

本实施例中，气体通道为开设在样品台4上的多个通孔5，多个通孔5围绕所述衬底托3均匀设置。如图3所示，通孔5均匀开设在样品台4的一个水平同心圆上，或如图4所示，通孔5均匀开设在样品台4的一个以上水平同心圆上。

通孔5的上端位于样品台4与衬底托3的接触平面6内，且与衬底托3不接触，通孔5的下侧位于样品台4上除接触平面6外的其它表面。如图1所示，通孔5竖直向下开通至样品台4的下端。如图5所示，通孔5呈弧形向外开通至样品台4侧壁与反应室2内壁之间。

通孔5的直径为1-5毫米，此尺寸设计在满足气体流通需求的同时，不至于影响反应室2内的电场分布。

如图2所示，本实施例还包括平行设置于样品台4的接触平面并能与样品台一起移动的挡板8。挡板8的作用是，使气流进入反应室2后，仅通过通孔5排除，进一步增强了本实施例的技术效果。

在以下的环境中进行试验：CH₄与H₂的浓度比为：0.01%-4%，PH₃与CH₄的浓度比为100-5000ppm,反应压力为50-200Torr(1Torr=133Pa),反应室中的气体流速为100-500sccm,衬底的温度为800-1000℃。使用本实用新型比使用现有技术的成膜效果更为理想：在所有条件都相同的情况下，现有技术中，薄膜中每立方厘米磷原子的实际掺杂浓度为1×10¹⁷个，使用本实用新型，薄膜中每立方厘米磷原子的实际掺杂浓度可达1×10¹⁸-2×10¹⁸个。

本实施例通过上述方案，改变气流分布，使衬底托表面附近掺杂元素浓度提高，从而使等离子体中的掺杂气体使用率提高，成膜效果增强。如图6所示，B为现有技术中反应室2内的气流流向分布，A为本实用新型中反应室2内的气流流向分布，从图中可清晰的看出，气流分布A比气流分布B在衬底托3表面附近的气流分布更为集中，在中心区域C中气流更多，从而更有利于增加薄膜形成时掺杂气体的使用率。

在反应室2中通过反应气体入口9导入B、P等元素时，在样品台4上开孔可以提高掺入元素的使用率，该使用率是不开孔时使用率的20倍。显然，由于反应室2中气压，温度，被维持在一个特定的范围内，因此，在通孔5内的气压和温度与反应室2中的气压温度并不太大差异。显然，之所以可以提高反应气体中掺杂元素的使用率，其原理是衬底托周围的腔体结构改变后，改变了气流的流动方向和分布，使衬底表面的掺杂元素浓度提高。

实施例2：

如图7所示，本实用新型微波等离子体化学气相沉积装置包括：包括用于导入微波的波导装置1，波导装置1与设置在其下方的反应室2连接，反应室2的顶部在圆周方向上均匀设置有多个反应气体入口9；在波导装置1与反应室2的连接处水平设置有隔离窗7，隔离窗7用于将波导装置1与反应室2隔离开，并使反应室2保持预设定的真空度；在反应室2内部同轴设置用于支撑衬底托3的样品台4，衬底托3的直径为10-50毫米；在衬底托3的周围开设有供反应气体流出反应室2的气体通道。

与实施例1不同的是，本实施例中，样品台4的直径为50-60毫米，反应室2的内壁设置有环形凸台21，环形凸台21和样品台4顶面高度平齐，环形凸台21和样品台4的侧壁之间形成供反应气体流出反应室2的环形气体通道。气体通道中心线与样品台4中心线之间的距离为25-30毫米。

优选的，环形凸台21和样品台4的侧壁之间环形气体通道的宽度为1-5毫米，此尺寸设计在满足气体流通需求的同时，不至于影响反应室2内的电场分布。

对于以上各种实施方式，一种可选的实施方式是样品台4可以上下移动，以调整等离子体与衬底之间的距离，或以调整等离子体的形成，或以调整衬底上薄膜的各项参数。在必要的情况下，样品台4可以设置成可旋转的形式。另外，加热和或/冷却系统既可以设置在样品台4内部，也可以设置在样品台4的外部。

本实用新型提供的一种微波等离子体化学气相沉积装置，通过上述方案，使等离子体中的掺杂气体使用率提高，成膜效果增强。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，包括用于导入微波的波导装置（1），所述波导装置（1）与设置在其下方的反应室（2）连接，在所述反应室（2）顶部的圆周方向上均匀设置有多个反应气体入口（9）；在所述波导装置（1）与反应室（2）的连接处水平设置有隔离窗（7），所述隔离窗（7）用于将波导装置（1）与反应室（2）隔离开，并使所述反应室（2）保持预设定的真空度；在所述反应室（2）内部同轴设置用于支撑衬底托（3）的样品台（4），在所述衬底托（3）的周围开设有供反应气体流出反应室（2）的气体通道。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体通道中心线与样品台（4）中心线之间的距离为25-30毫米。

3.根据权利要求1或2所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述气体通道为开设在样品台（4）上的多个通孔（5），所述多个通孔（5）围绕所述衬底托（3）均匀设置。

4.根据权利要求3所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，还包括环形挡板（8），所述挡板（8）固定连接在样品台（4）的外侧，并与反应室（2）内壁相配合。

5.根据权利要求3所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述通孔（5）均匀开设在所述样品台（4）的一个水平同心圆上，或均匀开设在所述样品台（4）的一个以上水平同心圆上。

6.根据权利要求5所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述通孔（5）竖直向下开通至样品台（4）的下端。

7.根据权利要求5所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述通孔（5）呈弧形向外开通至样品台（4）侧壁与反应室（2）内壁之间。

8.根据权利要求5所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述通孔（5）的直径为1-5毫米。

9.根据权利要求1或2所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述反应室（2）的内壁设置有环形凸台（21），所述环形凸台（21）和样品台（4）顶面高度平齐，所述环形凸台（21）和样品台（4）的侧壁之间形成供反应气体流出反应室（2）的环形气体通道，所述样品台（4）的尺寸为50-60毫米。

10.根据权利要求9所述的微波等离子体化学气相沉积装置，其特征在于，所述环形凸台（21）和样品台（4）的侧壁之间环形气体通道的宽度为1-5毫米。

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