遠程磁鏡場約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統的製作方法
2023-07-26 00:20:21
遠程磁鏡場約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，包括有沉積腔，沉積腔分為等離子體發生區、材料表面處理區，沉積腔的頂端和兩側分別設有一塊永磁鐵，沉積腔的等離子體發生區設有與氣源連接的上、下進氣管以及與同軸微波源相連接的同軸圓波導，沉積腔的材料表面處理區中設有基片臺，沉積腔的底部設有真空機組；在永磁鐵組件產生的線形磁鏡場約束條件下，使用同軸圓波導在沉積腔中激發工作氣體產生線形微波等離子體，所通入工作氣體在線形微波等離子體作用下在基片臺上的基片表面形成薄膜。本發明能實現半導體薄膜、摻雜半導體薄膜的大尺寸均勻沉積，通過遠程通入反應氣體實現薄膜的快速、連續沉積，易於實現工業化連續生產。
【專利說明】遠程磁鏡場約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於等離子體與薄膜材料科學研究領域，具體涉及一種遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統。
【背景技術】
[0002]低溫等離子體增強化學氣相沉積技術(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)在大規模集成電路、太陽能薄膜光伏電池、平板顯示器、材料表面改性、功能基團接枝及燃料電池離子交換膜等領域應用的迅速發展，人們迫切地需要一種可以產生高沉積/刻蝕速率、大面積均勻、穩定的低溫等離子體發生技術。為了能夠在這項技術上取得突破，國內外等離子體業界專家為此做出不懈的努力，採用了很多種方法:其一，採用更加優越的等離子體放電激勵源，如直流激勵源，低頻(IOOkHz)激勵源，射頻-13.56MHz)激勵源，甚高頻-60ΜΗζ)激勵源，超高頻-500ΜΗζ)激勵源，雙頻(13.56ΜΗΖ+27.12MHz等)激勵源，以及微波-2.45GHz)激勵源等；其二，採用更加優越的放電位型，例如用射頻做等離子體激勵源，可以採用有電極電容/電感耦合射頻放電，也可以採用無電極電感耦合放電和螺旋波放電等；其三，採用磁場增強/約束放電，例如用微波激勵源，可以採用發散磁場位型，也可以採用多級磁場位型等；其重要的目的是在獲得高密度、大面積均勻穩定的等離子體源。一般來說，提高等離子體激勵源頻率可以獲得高的等離子體截止密度，利於提高等離子體密度和降低離子能量，進而提高沉積/刻蝕速率、降低離子轟擊對薄膜的損傷等。但同時提高激勵源頻率存在一些問題，例如電極表面駐波(TEM波)及漸逝波導模式(TE波)引起的沉積速率不均勻。
[0003]近年來，一種線形等離子體源引起了國內外專家廣泛的關注。與傳統的大面積(兩維方向)和大體積(三維方向)等離子體源不同，線形等離子體源僅需在一維方向上實現均勻、穩定的等離子體，採用多個線形等離子體源並排，或與被鍍樣品在水平/垂直方向上以適當速度勻速運動，即可形成大面積均勻的薄膜沉積。這種結構大大降低了高性能等離子體沉積薄膜設備的開發難度，但在沉積某些半導體或摻雜半導體時存在趨膚效應不利於鍍膜的連續性運行。
【發明內容】
[0004]針對上述PECVD工藝中的不足之處，本發明提供了一種遠程磁鏡場約束線形高密度等離子體增強化學氣相沉積系統，採用本發明的設備和工藝可實現半導體薄膜、摻雜半導體薄膜的沉積，本發明的突出特點是磁鏡場約束線形等離子體可提供高密度、大尺度薄膜的沉積，通過遠程通入反應氣體實現薄膜的快速、連續沉積，且易於實現工業化連續生產。
[0005]本發明採用的技術方案是:
一種遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:包括有凸字形的沉積腔，沉積腔分為上、下兩部分區域，分別為等離子體發生區、材料表面處理區，沉積腔的頂端設有第一永磁鐵，沉積腔的等離子體發生區的兩側分別設有第二、第三永磁鐵，第一永磁鐵的磁化方向與第二、第三永磁鐵的磁化方向相反，沉積腔上設有通向等離子體發生區中的與氣源連接的上進氣管、下進氣管，上進氣管、下進氣管之間設有貫穿整個等離子體發生區的與同軸微波源相連接的同軸圓波導，沉積腔的材料表面處理區中設有基片臺，沉積腔的材料表面處理區的左、右兩側壁上分別設有觀察窗口、長方形沉積腔體門，沉積腔的底部設有真空機組；所述的第一、二、三永磁鐵組成呈門字形排列的永磁鐵組，在永磁鐵組件產生的線形磁鏡場約束條件下，使用與同軸微波源相連接的同軸圓波導在沉積腔中激發工作氣體產生線形微波等離子體，在獲得一維方向均勻等離子體的基礎上進一步提高等離子體密度，進而進一步提高等離子體沉積速率，所通入工作氣體在線形微波等離子體作用下在基片臺上的基片表面形成薄膜。
[0006]所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的第一永磁鐵的上、下端分別為N極、S極，第二、三永磁鐵的上、下端分別為S極、N極；各永磁鐵為長方形柱體，材料為銣鐵硼等磁性材料。
[0007]所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的沉積腔為無磁不鏽鋼的真空腔體。
[0008]所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的基片臺為長方形不鏽鋼基片臺，基片臺可加熱；也可以使用直流、交流或射頻電源施加偏壓。
[0009]所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的同軸微波源的線形電極處於沉積腔中。
[0010]所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的工作氣體為IS氣、氫氣、氫氣與矽烷的混合氣體或甲燒。
[0011]所述的遠程磁鏡約束`線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的等離子體發生區與基片臺有一定距離，基片臺處於遠程等離子體發生區。
[0012]等離子體增強化學氣相沉積系統能多單元並用，或平行移動等離子體源，或平行移動基片臺基片，實現大面積均勻高密度等離子體化學氣相沉積。
[0013]本發明的工作原理是:
本發明通過使用長方形腔體結構，腔體上部是較窄的同軸微波等離子體發生區域，下部則是較寬敞的工作區域，來實現產生單一單元的線形等離子體增強化學氣相沉積。然而在沒有磁場約束的情況下等離子體向真空腔體壁擴散，一方面均勻性不好，另一方面在壁面的複合損失會降低等離子體密度。因此，為了提高線形等離子體的均勻性和等離子體密度，減少複合損失，從而引入了磁鏡型磁場位形。使用三塊條形磁鐵排列在等離子體區腔體外，其中兩塊位於微波腔體兩側，一塊位於微波腔體頂端，磁化方向沿垂直於基片臺的方向，且頂端與兩側磁體磁化方向相反。通過適當的距離和磁化強度設計，可以得到上下兩端強中間低的磁鏡型磁場位形。這樣等離子體能夠被限制在磁鏡中，從而減少了壁面複合的發生。磁場的引入也增加了電子的平均自由程，因而增加了電子的碰撞截面，等離子體密度得到提高。可加熱、可加偏壓的基片臺能進一步控制等離子體中離子和活性基團的能量，提高了沉積的可控性。
[0014]本發明的優點是:本發明採用線形磁鏡場磁場位形，提高等離子體密度和大面積均勻性，能實現矽、碳等多種電介質薄膜的快速、連續沉積；僅需要在一維方向上實現均勻、穩定的等離子體，採用多個線形等離子體源並排，或與被鍍樣品在水平/垂直方向上以適當速度勻速運動，即可形成大面積均勻的薄膜沉積；這種結構大大降低了高性能等離子體沉積薄膜設備的開發難度，與傳統大面積和大體積等離子體源相比不需要高功率維持，不僅降低了成本，還提高了可行性和靈活性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統的橫向截面示意圖。
[0016]圖2是遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統的縱向截面示意圖。
[0017]圖3是遠程磁鏡約束線形等離子體源的磁場組件示意圖。
[0018]圖4是遠程磁鏡約束線形等離子體源的磁鏡形磁場位形分布。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明的進行詳細的描述。
實施例
[0020]如圖1和圖2所示，遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，包括與氣源相連接的進氣管I和3，與 同軸微波源相連接的同軸圓波導2，「凸」字形無磁不鏽鋼真空腔體11，長方形沉積腔體門4，觀察窗口 7，內置可加熱、加偏壓基片臺5，真空機組6，和永磁鐵8、9、10組成的磁場組件。本遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統中，使用機械泵-分子泵級聯真空機組6 抽真空，本底真空可達KT4Pa量級。用於沉積的工作氣體通過上進氣管I和下進氣管3進入真空室內，其中惰性氣體和還原性氣體通過進氣管1，反應性前驅物氣體通過進氣管3進入等離子體下遊區域，這樣的氣路設計有助於減少沉積過程中對微波腔體產生的汙染。同軸圓波導2兩端分別與2.45GHz的同軸微波源相接，以降低使用單一微波源因微波在波導中的衰減造成的等離子體不均勻性。基片臺5的位置能根據不同工況上下調節以獲得最佳沉積條件，通過外接加熱電源能對襯底加熱，也可以與直流、交流、射頻電源相接對基片形成偏壓，這樣實現控制到達襯底上的離子和活性基團的最佳沉積能量。長方形沉積腔門4的長度和高度與沉積腔11的尺寸相匹配，可以放入或取出大尺寸的襯底材料。通過觀察窗口 7可以觀察裝置中等離子體放電狀況，也可作為光譜儀器的窗口診斷等離子體參數。三塊永磁鐵8、9、10通過適當的組合形成的磁鏡型磁場位形用於提高等離子體的密度和均勻性。
[0021]如圖3所示，磁場組件由永磁鐵8、9、10組成。它們的磁化方向如圖中所示，兩側磁體8、9的磁化方向與上磁體10相反。使用的銣鐵硼磁體的磁場強度由磁化強度與磁鐵大小控制，磁鐵的縱向長度遠大於橫向尺寸以形成線形磁鏡型磁場位形。
[0022]如圖4所示，是磁場組件在空間中產生的磁場位形橫截面，上下端磁力線密集，中間磁力線相對稀疏，是典型的磁鏡型磁場位形。
【權利要求】
1.一種遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:包括有凸字形的沉積腔，沉積腔分為上、下兩部分區域，分別為等離子體發生區、材料表面處理區，沉積腔的頂端設有第一永磁鐵，沉積腔的等離子體發生區的兩側分別設有第二、第三永磁鐵，第一永磁鐵的磁化方向與第二、第三永磁鐵的磁化方向相反，沉積腔上設有通向等離子體發生區中的與氣源連接的上進氣管、下進氣管，上進氣管、下進氣管之間設有貫穿整個等離子體發生區的與同軸微波源相連接的同軸圓波導，沉積腔的材料表面處理區中設有基片臺，沉積腔的材料表面處理區的左、右兩側壁上分別設有觀察窗口、長方形沉積腔體門，沉積腔的底部設有真空機組；所述的第一、二、三永磁鐵組成呈門字形排列的永磁鐵組，在永磁鐵組件產生的線形磁鏡場約束條件下，使用與同軸微波源相連接的同軸圓波導在沉積腔中激發工作氣體產生線形微波等離子體，所通入工作氣體在線形微波等離子體作用下在基片臺上的基片表面形成薄膜。
2.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的第一永磁鐵的上、下端分別為N極、S極，第二、三永磁鐵的上、下端分別為S極、N極；各永磁鐵為長方形柱體，材料為銣鐵硼等磁性材料。
3.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的沉積腔為無磁不鏽鋼的真空腔體。
4.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的基片臺為長方形不鏽鋼基片臺，基片臺可加熱；也可以使用直流、交流或射頻電源施加偏壓。
5.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的同軸微波 源的線形電極處於沉積腔中。
6.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的工作氣體為IS氣、氫氣、氫氣與矽烷的混合氣體或甲燒。
7.根據權利要求1所述的遠程磁鏡約束線形等離子體增強化學氣相沉積系統，其特徵在於:所述的等離子體發生區與基片臺有一定距離，基片臺處於遠程等離子體發生區。
【文檔編號】C23C16/54GK103695868SQ201310688648
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】陳龍威, 左瀟, 魏鈺, 孟月東, 王祥科 申請人:中國科學院等離子體物理研究所