一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備的製作方法
2023-06-09 03:43:51
一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備的製作方法
【專利摘要】一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，屬於等離子【技術領域】，該設備包括真空腔室，真空腔室上固定安裝有同軸微波等離子體源，包括微波發生器、波導、同軸線變換器、石英管和內電極，其中，石英管位於真空腔室內部且固定安裝於真空腔室兩側壁上，同軸線變換器通過真空腔室外側壁同軸對稱固定安裝於石英管兩端，同時同軸線變換器通過波導與微波發生器相連，內電極穿過石英管並固定在同軸線變換器上，內電極、同軸線變換器、石英管三者同軸，設備中還設置了等離子體的電子密度和電子溫度測試的儀器，以及功率和氣壓自動控制設備和系統，可以獲得穩定的、可控性強的等離子體，可實現高效、穩定、均勻的沉積薄膜，該設備生產效率高，生產成本低。
【專利說明】一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備
【技術領域】
[0001] 本發明屬於等離子【技術領域】，特別涉及一種微波等離子體沉積薄膜的設備。
【背景技術】
[0002] 伴隨著微波等離子體在半導體薄膜材料製備中的應用，以及半導體薄膜材料尤其 是液晶顯示材料和太陽能電池趨於大面積（> 30cm2)化的發展，生產大面積（>30cm2)半導 體薄膜材料是未來半導體工業尤其是液晶顯示材料和太陽能電池的發展方向。
[0003] 然而，傳統的電容f禹合等離子源（capacitivelycoupledplasma,CCP)已遠遠不 能滿足要求，微波激發等離子體放電有幾種不同的方法：
[0004] (1)微波能與等離子發生器相耦合。例如在反應器壁上通過一個帶有窗口的喇叭 形天線來把裝置分隔成高低壓兩部分。在天線的周圍產生等離子體，但只能通過增大喇叭 天線和窗口來增大等離子體。而通常情況下是不均勻的。
[0005] (2)可以通過電子迴旋共振機制來增大距離天線和發生器壁較遠區域的低壓等離 子。但這隻局限應用於低氣壓的情況。
[0006] (3)有一種微波等離子體源可以在一個方形波導的窄邊處輸出耦合微波能，在方 形波導的窄邊處等離子可以通過合適的窗口來屏蔽。波導的長度主要決定了等離子體的線 形延伸程度。等離子體的均勻性主要是受場附近微波輻射的影響。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是克服以上現有技術的不足，提供一種同軸微波等離子體沉積薄膜 的設備，該設備設置同軸的微波等離子體源，可以產生沿軸向呈線形分布的等離子，在這 種等離子體源中，等離子體本身也是微波傳輸必須的介質，同軸線波導在放電腔中實現外 放電，等離子體形成於同軸線外部的低壓區域，同時也充當外導體的作用，實現穩定放電， 而得到高度徑向對稱的高密度等離子體。設備中還設置了等離子體的電子密度和電子溫 度測試的儀器，以及功率和氣壓自動控制設備和系統，可以獲得穩定的、可控性強的等離子 體，可實現高效、穩定、均勻的沉積薄膜，該設備生產效率高，生產成本低。
[0008] 本發明為實現上述目的所採用的技術方案是：一種同軸微波等離子體沉積薄膜的 設備，包括真空腔室，其特徵在於，所述真空腔室上固定安裝有同軸微波等離子體源，所述 同軸微波等離子體源包括微波發生器、波導、同軸線變換器、石英管和內電極，其中，石英管 位於真空腔室內部且固定安裝於真空腔室兩側壁上，同軸線變換器通過真空腔室外側壁同 軸對稱固定安裝於石英管兩端，同時同軸線變換器通過波導與微波發生器相連，內電極穿 過石英管並固定在同軸線變換器上，內電極、同軸線變換器、石英管三者同軸，真空腔室頂 部設置有進氣管；
[0009] 真空腔室底部、頂部或側部的至少一個位置上活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸 出真空腔室壁連接位置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的 安裝有試樣臺，支撐臺與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0010] 真空腔室側壁上固定安裝有診斷測試裝置，等離子體探針一端連接於診斷測試裝 置上，其另一端伸入真空腔室內部，真空腔室側壁上還連接有真空管道，真空裝置連接於真 空管道之上，真空管道上安裝有閥門控制裝置和氣壓測試儀；
[0011] 反饋控制系統分別與微波發生器、診斷測試裝置、閥門控制裝置和氣壓測試儀連 接；
[0012] 所述真空腔室和內電極上設置有冷卻水管道，且真空腔室壁上安裝有腔室冷卻 水入口和腔室冷卻水出口，內電極壁上安裝有內電極冷卻水入口和內電極冷卻水出口。
[0013] 所述微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為連續模式或脈衝模 式，連續模式最大輸出功率為2000W，脈衝模式的峰值功率為4000W。
[0014] 所述內電極為導電金屬管，其材料為銅。
[0015] 所述腔室冷卻水出口的水平位置高於腔室冷卻水入口。
[0016] 所述真空腔室壁上還安裝有反應氣體進氣管。
[0017] 所述真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是一組或者至少兩組水平平行 等間距布置。
[0018] 所述支撐臺上設置有加熱器，加熱器與溫度控制器相連。
[0019] 所述試樣臺還與偏壓電源連接。
[0020] 所述進氣管下端安裝有至少一根導氣管，導氣管水平固定且每根導氣管開設至少 一個通氣狹縫，或者至少2個等間距的通氣孔，以形成氣簾式通氣。
[0021] 本發明設備的有益效果為：
[0022] (1)本設備將微波由同軸線兩端同時輸入，可獲得在軸向和徑向都均勻的等離子 體。若把多個同軸線平行放置於放電腔中，則可以很容易的成倍擴大均勻等離子體的面積， 具有廣闊的應用前景。
[0023] (2)設備中，石英管外部產生的等離子體與作為微波發射天線的內電極導電棒兩 者一同構成了同軸波導，它不僅構成了微波負載，同時也起著傳輸微波能量的作用。通過調 節輸入的微波的耦合程度以及氣體的壓力，可產生大面積、均勻等離子體。
[0024] (3)在等離子體下遊區域導入介質氣源，氣體在微波等離子體作用下分解並在樣 品臺上沉積、生長形成薄膜材料，設備配置的探針診斷系統可在等離子體上下遊區移動， 以診斷放電室等離子體的空間分布情況，並反饋到反饋控制系統，該系統實時監測等離子 體電子密度和電子溫度，還有氣壓大小，根據生產需要自動調節微波發生器的功率和真空 管道上閥門的大小，實時控制真空腔體內的等離子體的密度和氣壓，實現實時、有效的過程 控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備結構示意圖。
[0026] 圖2是採用圖1中設備進行微波等離子體沉積薄膜實驗中電子密度Ne分布圖。
[0027] 圖3是採用圖1中設備進行微波等離子體沉積薄膜實驗中電子溫度Te分布圖。
[0028] 圖中：1微波發生器，2波導，3同軸線變換器，4石英管，5導氣管、6進氣管，7內電 極，8內電極冷卻水入口，9反應氣體進氣管，10真空腔室，11支撐臺，12加熱器，13絕緣層， 14等離子體探針，15溫度控制器，16位置調節裝置，17位置控制裝置，18試樣臺，19真空管 道，20閥門控制裝置，21氣壓測試儀，22真空裝置，23腔室冷卻水入口，24診斷測試裝置，25 反饋控制系統，26腔室冷卻水出口，27內電極冷卻水出口，28偏壓電源
【具體實施方式】
[0029] 以下結合附圖對本發明做進一步說明，但本發明並不局限於具體實施例。
[0030] 實施例1
[0031] 如圖1所示的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，包括真空腔室，真空腔室 上固定安裝有同軸微波等離子體源，同軸微波等離子體源包括微波發生器、波導、同軸線變 換器、石英管和內電極，其中，石英管位於真空腔室內部且固定安裝於真空腔室兩側壁上， 同軸線變換器通過真空腔室外側壁同軸對稱固定安裝於石英管兩端，同時同軸線變換器 通過波導與微波發生器相連，內電極穿過石英管並固定在同軸線變換器上，內電極、同軸線 變換器、石英管三者同軸，真空腔室頂部設置有進氣管，放電氣體Ar、02、H2或N2的一種或幾 種以及反應氣體SiH4和/或CH4通過進氣管進入腔室中。
[0032] 該設備微波同軸等離子體源通過外部觸發產生頻率為2. 45GHz的微波。經過波導 和同軸線變換器及內電極後，微波由同軸線兩端同時輸入充有特定成分氣體的真空腔室。 在石英管外實現外放電，得到高度徑向對稱的高密度等離子體，內電極為導電銅管。
[0033]石英管外部產生的等離子體與作為微波發射天線的銅導體棒兩者一同構成了同 軸波導。
[0034]真空腔室底部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連接位置調節裝 置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支撐臺與試樣 臺之間設置有絕緣層；支撐臺上設置有加熱器，加熱器與溫度控制器相連，可以實現對工 件的加熱和溫度控制，支撐臺最高可加熱到600°C，試樣臺還與偏壓電源連接，同時可施 加-200V到+200V偏壓，試樣臺上放置工件進行鍍膜，試樣臺可以上下運動，實現了工件可 控、有效的鍍膜。
[0035] 真空腔室側壁上固定安裝有診斷測試裝置24,等離子體探針14 一端連接於診斷 測試裝置上，其另一端伸入真空腔室內部，真空腔室側壁上還連接有真空管道19,真空裝置 22連接於真空管道之上，真空管道上安裝有閥門控制裝置20和氣壓測試儀21，閥門控制裝 置包括閘板閥及控制器，氣壓測試儀為真空計。
[0036] 反饋控制系統25分別與微波發生器1、診斷測試裝置24、閥門控制裝置20和氣壓 測試儀21連接。
[0037] 設備中的等離子體探針可在等離子體上下遊區移動，以診斷真空腔室等離子體的 空間分布情況，並反饋到反饋控制系統，該系統實時監測等離子體電子密度和電子溫度，設 備中的氣壓測試儀可以測試真空腔室的氣壓大小，根據生產需要反饋控制系統控制調節微 波源的輸出功率，實時控制真空腔體內的等離子體的密度，氣壓測試儀實時監測真空室的 氣壓並反饋給反饋控制系統，反饋控制系統通過真空管道上閥門控制裝置控制真空的抽 速，從而控制氣壓大小，整體實現實時、有效的過程控制。
[0038] 真空腔室壁10和內電極7上設置有冷卻水管道，且真空腔室壁上安裝有下部冷卻 水入口 23和下部冷卻水出口 26,內電極7壁上安裝有內電極冷卻水入口 8和內電極冷卻水 出口 27,腔室冷卻水出口的水平位置高於腔室冷卻水入口。
[0039] 微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為連續模式，連續模式最 大輸出功率為1000W。
[0040] 真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是一組。
[0041] 進氣管下端安裝有一根導氣管，導氣管水平固定且開設一個通氣狹縫，以形成氣 簾式通氣。
[0042] 真空腔室壁上還安裝有反應氣體進氣9,反應氣體SiH4和/或CH4可以通過此進 氣管進入真空腔室。
[0043] 實施例2
[0044] 與實施例1內容相同，不同的技術參數為：
[0045] (1)真空腔室底部和頂部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連接位 置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支撐臺 與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0046] (2)微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為連續模式，連續模 式最大輸出功率為1500W。
[0047] (3)真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是4組水平平行等間距布置。
[0048] (4)進氣管下端安裝有3導氣管，導氣管水平固定且每根導氣管開設8個等間距的 通氣孔，以形成氣簾式通氣。實現對腔室內部均勻高效的通入氣體。
[0049] 採用實施例2所述設備進行薄膜的沉積，具體為：
[0050] 進氣管6和導氣管5裡面通入的為高純N2氣，反應氣體進氣管9通入的為SiH4。
[0051] 樣品臺加熱溫度為400°C，施加-100V負偏壓，在襯底上沉積SiNx薄膜。
[0052] 實施例3
[0053] 與實施例1內容相同，不同的技術參數為：
[0054](1)真空腔室底部和側部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連接位 置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支撐臺 與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0055] (2)微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為連續模式，連續模式 最大輸出功率為2000W。
[0056] (3)真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是8組水平平行等間距布置。
[0057] (4)進氣管下端安裝有7根導氣管，每根導氣管水平固定且每根導氣管開設12個 等間距的通氣孔，以形成氣簾式通氣。實現對腔室內部均勻高效的通入氣體。
[0058] 實施例4
[0059] 與實施例1內容相同，不同的技術參數為：
[0060] (1)真空腔室頂部和側部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連接位 置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支撐臺 與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0061] (2)微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為脈衝模式，脈衝模式 的峰值功率為1200W，佔空比為50%。
[0062] (3)真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是6組水平平行等間距布置。
[0063] (4)進氣管下端安裝有5根導氣管，導氣管水平固定且每根導氣管開設2個通氣狹 縫，以形成氣簾式通氣。實現對腔室內部均勻高效的通入氣體。
[0064] 實施例5
[0065] 與實施例1內容相同，不同的技術參數為：
[0066] (1)真空腔室頂部、底部和側部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連 接位置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支 撐臺與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0067] (2)微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為脈衝模式，脈衝模式 的峰值功率為2000W，佔空比為50%。
[0068] (3)真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是10組水平平行等間距布置。
[0069] (4)進氣管下端安裝有9根導氣管，導氣管水平固定且開設10個等間距的通氣孔， 以形成氣簾式通氣。實現對腔室內部均勻高效的通入氣體。
[0070] 實施例6
[0071] (1)真空腔室頂部和底部活動安裝有支撐臺，支撐臺下端伸出真空腔室壁連接位 置調節裝置，位置調節裝置與位置控制裝置相連，支撐臺上可拆卸的安裝有試樣臺，支撐 臺與試樣臺之間設置有絕緣層；
[0072] (2)微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為脈衝模式，脈衝模式 的峰值功率為4000W，佔空比為50%。
[0073] (3)真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是15組水平平行等間距布置。
[0074] (4)進氣管下端安裝有10根導氣管，導氣管水平固定且開設18個等間距的通氣 孔，以形成氣簾式通氣。實現對腔室內部均勻高效的通入氣體。
[0075] 實施例7
[0076] 採用本發明實施例1的設備進行微波等離子體沉積薄膜，調節微波功率、氫氬總 流量（氫氬流量比固定為3)以及等離子體探針距石英管的距離Z為正交實驗的三個因素 設計診斷實驗，下表是正交實驗表：
[0077]
【權利要求】
1. 一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，包括真空腔室（10)，其特徵在於，所述真 空腔室上固定安裝有同軸微波等離子體源，所述同軸微波等離子體源包括微波發生器（1)、 波導⑵、同軸線變換器（3)、石英管⑷和內電極（7)，其中，石英管⑷位於真空腔室（10) 內部且固定安裝於真空腔室兩側壁上，同軸線變換器（3)通過真空腔室外側壁同軸對稱固 定安裝於石英管（4)兩端，同時同軸線變換器（3)通過波導（2)與微波發生器（1)相連，內 電極（7)穿過石英管並固定在同軸線變換器上，內電極（7)、同軸線變換器（3)、石英管（4) 三者同軸，真空腔室頂部設置有進氣管（6); 真空腔室底部、頂部或側部的至少一個位置上活動安裝有支撐臺（11)，支撐臺下端伸 出真空腔室壁連接位置調節裝置（16)，位置調節裝置與位置控制裝置（17)相連，支撐臺上 可拆卸的安裝有試樣臺（18)，支撐臺與試樣臺（18)之間設置有絕緣層（13); 真空腔室側壁上固定安裝有診斷測試裝置（24)，等離子體探針（14) 一端連接於診斷 測試裝置上，其另一端伸入真空腔室內部，真空腔室側壁上還連接有真空管道（19)，真空裝 置（22)連接於真空管道之上，真空管道上安裝有閥門控制裝置（20)和氣壓測試儀（21); 反饋控制系統（25)分別與微波發生器（1)、診斷測試裝置（24)、閥門控制裝置（20)和 氣壓測試儀（21)連接； 所述真空腔室（10)和內電極（7)上設置有冷卻水管道，且真空腔室壁上安裝有腔室冷 卻水入口（23)和腔室冷卻水出口（26)，內電極（7)壁上安裝有內電極冷卻水入口（8)和內 電極冷卻水出口（27)。
2. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 微波發生器的微波觸發模式為外部觸發，微波輸出模式為連續模式或脈衝模式，連續模式 最大輸出功率為2000W，脈衝模式的峰值功率為4000W。
3. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 內電極為導電金屬管，其材料為銅。
4. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 腔室冷卻水出口（26)的水平位置高於腔室冷卻水入口（23)。
5. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 真空腔室（10)壁上還安裝有反應氣體進氣管（9)。
6. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 真空腔室上固定安裝的同軸微波等離子體源是一組或者至少兩組水平平行等間距布置。
7. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 支撐臺上設置有加熱器（12)，加熱器與溫度控制器（15)相連。
8. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 試樣臺（18)還與偏壓電源（28)連接。
9. 根據權利要求1所述的一種同軸微波等離子體沉積薄膜的設備，其特徵在於，所述 進氣管下端安裝有至少一根導氣管（5)，導氣管水平固定且每根導氣管開設至少一個通氣 狹縫，或者至少2個等間距的通氣孔，以形成氣簾式通氣。
【文檔編號】C23C16/517GK104357810SQ201410614384
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】吳愛民, 林國強, 陸文琪, 鄒瑞洵 申請人:大連理工常州研究院有限公司