專利名稱：一種原子層沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生裝置。該裝置把原子層沉積功能與空心陰極放電特征結(jié)合在一起，利用空心陰極電極結(jié)構(gòu)可以增加放電時(shí)的等離子體密度，降低等離子體溫度，改善其他一些等離子體參數(shù)，從而提高沉積效率，并優(yōu)化所沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。
背景技術(shù)：
原子層沉積(ALD, Atomic Layer Deposition)是ー種改良的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，起初稱為原子層外延。它是由芬蘭人Suntola T和Antson M J最先發(fā)明提出的，因此兩人也申請(qǐng)了 1977年的專利保護(hù)，但最初并沒(méi)有受到很大的重視。直到20世紀(jì)90年代，由于硅襯底半導(dǎo)體需求，原子層技術(shù)才得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于利用原子層技術(shù)制備薄膜的報(bào)道越來(lái)越多。 普通的原子層沉積技術(shù)，大都屬于熱化學(xué)氣相沉積。它的化學(xué)反應(yīng)需要較高的活化溫度，制備エ藝過(guò)程的溫度很高，好多超過(guò)了 1000°c，這大大限制了該技術(shù)在很多方面的應(yīng)用，例如在塑料基底上制備薄膜太陽(yáng)能電池、柔性O(shè)LED器件等。為了降低原子層沉積技術(shù)的過(guò)程溫度，人們采取了很多種技術(shù)手段。其中，低溫等離子體是ー種很有效的降低原子層沉積過(guò)程溫度的技術(shù)手段，已經(jīng)受到了人們的關(guān)注。利用氣體放電產(chǎn)生的低溫等離子體，整體的溫度很低(溫度在幾十至一百多攝氏度的范圍)，允許使用大多數(shù)的塑料作為基材。在等離子體之中含有很多高速運(yùn)動(dòng)的電子，將它的動(dòng)能折算成熱能，它本身可以達(dá)到幾萬(wàn)攝氏度的高溫，可以有效的為其他很多化學(xué)反應(yīng)提供激發(fā)能量，很容易將化學(xué)反應(yīng)前驅(qū)體分解成原子、離子或其他活性基團(tuán)，然后在基材表面反應(yīng)沉積，最終生成薄膜或粉體材料，這就是等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)技術(shù)。人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多種等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，其中一些已經(jīng)與原子層沉積技術(shù)相結(jié)合，可以精確、有效的制備多種功能薄膜。但現(xiàn)有技術(shù)中，普遍存在等離子體區(qū)中的等離子體密度不高的問(wèn)題，這對(duì)沉積速率、沉積膜層質(zhì)量有重大影響。如何提高等離子體區(qū)內(nèi)的等離子體密度，從而提高等離子體激發(fā)化學(xué)反應(yīng)的效果，一直是該領(lǐng)域中備受關(guān)注的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供ー種具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，—種原子層沉積裝置，其特征在于該裝置包括配氣系統(tǒng)I、真空腔室2、陣列式空心陰極上電極3、平板式接地下電極4、抽真空系統(tǒng)5、電源系統(tǒng)6，所述陣列式空心陰極上電極3帶有多個(gè)均勻分布的直徑范圍為1-3_的通孔，相鄰的孔的間距為2-4_，陣列式空心陰極上電極3與平板式接地下電極4之間的間距為5-20mm，陣列式空心電極3連接配氣系統(tǒng)I的供氣管道。所述式空心陰極陣列電極3的接線柱連接到所述電源系統(tǒng)6的高壓電極一端，并與所述裝置的真空腔室、平板式接地下電極保持絕緣，所述電源系統(tǒng)6的接地端連接到所述真空腔室2和所述平板電極4上。所述電源系統(tǒng)6，是60-100MHZ的甚高頻電源、2_60MHz的高頻射頻電源、10_60KHz的中頻電源、10-60KHz的單極性或雙極性脈沖直流電源中的任ー種。所述電源系統(tǒng)采用脈沖控制方式能夠控制和調(diào)節(jié)放電過(guò)程中的占空比。所述平板電極4設(shè)有加熱裝置。應(yīng)用以上裝置的方法步驟如下配氣系統(tǒng)I以脈沖交替的周期循環(huán)方式向所述陣列式空心電極3供氣，來(lái)自所述配氣系統(tǒng)I的氣體先通過(guò)所述陣列式空心電極3上的通孔，再進(jìn)入真空腔室2。在所述陣列式空心陰極電極3和所述平板電極4之間施加電壓，將氣體電離產(chǎn)生等離子體進(jìn)行薄膜沉 積。所述配氣系統(tǒng)I包含至少兩路氣體管路，每個(gè)氣體管路包括單向閥、氣動(dòng)閥門開(kāi)關(guān)和質(zhì)量流量計(jì)；其中氣動(dòng)閥門關(guān)控制時(shí)間在0.01 10秒范圍，時(shí)間精度小于O. 01秒。所述電源系統(tǒng)6輸出電源占空比5 90%。配氣系統(tǒng)I以脈沖交替的周期循環(huán)方式向陣列式空心電極3供給反應(yīng)單體氣體和1 氣。本發(fā)明涉及的具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，所述配氣系統(tǒng)I可以控制多氣路的串聯(lián)或并聯(lián)。本發(fā)明涉及的具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，所述配氣系統(tǒng)I包含至少兩路氣體管路，能夠單獨(dú)或同時(shí)供氣，所述至少兩路氣體管路由氣體質(zhì)量流量計(jì)和精密電磁閥控制，所述至少兩路氣體管路中至少有一條氣路供氬氣。本發(fā)明涉及的具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，所述抽真空系統(tǒng)5，能使所述真空腔室的本底真空達(dá)到I X IO-4Pa,根據(jù)エ藝條件的不同，放電時(shí)的氣壓可控制在IO-IOOOPa的范圍之內(nèi)。本發(fā)明涉及的具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，所述平板電極4采用下側(cè)放置的方式，作為基片放置臺(tái)，所述平板電極4有加熱功能，溫度從40 600°C范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明在射頻或甚高頻電源激勵(lì)下能夠產(chǎn)生密度比傳統(tǒng)平板電極高的等離子體。


圖I是具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)正視示意圖；圖3是陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖；圖4是配氣系統(tǒng)示意圖；圖5是氣壓220Pa，功率80W，電極間距18mm條件下等離子體放電的照片；圖6是所制備微晶娃薄膜的拉曼(Raman)光譜圖；圖7是所制備微晶硅薄膜表面的原子力顯微鏡三維形貌圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種帶有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置。該套裝置包括配氣系統(tǒng)I、真空腔室2、陣列式空心電極3、平板電極4、抽真空系統(tǒng)5、電源系統(tǒng)6等組成。利用陣列式空心電極3的空心陰極放電效應(yīng)，可以大幅度的提高氣體的電離效率，提高放電氣體的氣壓和等離子體密度，進(jìn)而提高原子層沉積過(guò)程中的反應(yīng)單體活化效率，増加空間里的活性基團(tuán)濃度，大大提高薄膜的沉積速率，并可降低沉積溫度。測(cè)量結(jié)果表明，此陣列式空心放電能增加等離子體密度到IO11 1013/cm3，降低等離子體能量在IeV以下，提高薄膜的沉積速率5 10倍，沉積溫度為環(huán)境溫度到600°C。并且，該裝置能獲得在IOOmm直徑范圍內(nèi)，均勻性小于5%。陣列式空心電極3，是帶有很多細(xì)小通孔的平板狀電極，它與平板電極4 一起組成電容耦合放電電極，兩個(gè)電極的間距可調(diào)，二者之間即為氣體反應(yīng)所需的放電區(qū)域。陣列式空心電極3連接配氣系統(tǒng)I的供氣管道，來(lái)自配氣系統(tǒng)的氣體先通過(guò)陣列式排布的細(xì)小通孔，再進(jìn)入真空室，可以保證放電區(qū)域的氣流分布較均勻。陣列式空心電極3連接到電源系 統(tǒng)6的高壓電極一端，并與真空腔室2是絕緣的。配氣系統(tǒng)1，通過(guò)高精度的微電腦在線氣流控制，可以控制多氣路的串聯(lián)或并聯(lián)，可以脈沖交替的以周期循環(huán)方式向陣列式空心電極3供氣，氣流先通過(guò)陣列式細(xì)小通孔，再進(jìn)入放電區(qū)域。配氣系統(tǒng)I包含至少兩路氣體管路，能夠單獨(dú)或同時(shí)供氣，氣體管路皆由氣體質(zhì)量流量計(jì)和精密電磁閥來(lái)控制，電磁閥開(kāi)閉速度的控制精度可達(dá)O. 01秒。其中至少有一條氣路可以供氬氣，氬氣可以起到基片吹掃、攜帯反應(yīng)單體、電離放電等作用。電源系統(tǒng)6，可以是頻率較高的交流電源(2-60MHZ的高頻射頻電源，或60-100MHZ的甚高頻電源，或10-60KHZ的中頻電源)，也可以是10-60KHZ的單極性或雙極性脈沖直流電源，優(yōu)先選用甚高頻電源。電源的高壓端連接到陣列式空心電極3的接線柱上，并與其他部件保持較好的絕緣；電源的接地端連接到真空腔室和平板電極4上。通過(guò)在3和4之間施加電壓，可以將氣體電離產(chǎn)生等離子體。電源系統(tǒng)采用脈沖控制方式，可以控制和調(diào)節(jié)放電過(guò)程中的占空比。電源系統(tǒng)與配氣系統(tǒng)通過(guò)微電腦的統(tǒng)ー控制，可以協(xié)同工作。抽真空系統(tǒng)5，能使真空腔室的本底真空達(dá)到lX10_2Pa_lX10_4Pa或更佳，根據(jù)エ藝條件的不同，放電時(shí)的氣壓可控制在IO-IOOOPa的范圍之內(nèi)。平板電極4，一般采用下側(cè)放置的方式，可以作為基片放置臺(tái)。平板電極4有加熱功能，溫度范圍從40 600°C連續(xù)可調(diào)。(以下標(biāo)出地方均因?yàn)椴粔蚓唧w)按照本發(fā)明內(nèi)容制備出ー套小的實(shí)驗(yàn)裝置，將上電極設(shè)計(jì)為有階梯通孔的陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)(見(jiàn)附圖2)，多孔均勻分布，直徑范圍為l_3mm，相鄰的孔的間距為2_4mm，孔的形狀為園形、六邊形、方形等通孔的平板狀電極，選用不銹鋼材質(zhì)。電源系統(tǒng)為頻率27. 12MHz、輸出功率300W的射頻電源，帶有自動(dòng)匹配器。真空泵系統(tǒng)，選用旋片式真空泵與渦輪分子泵系統(tǒng)，并配有調(diào)節(jié)抽速的閥門。在本底真空O. IPa、放電氣壓220Pa、氬氣流量220sccm、較低的放電功率80W、電極間距18_的條件下，只用氬氣放電。用朗格繆爾探針，測(cè)得氬氣等離子體的電子密度可達(dá)115. SXlOiciCnr3,優(yōu)于相同條件下的平板式電極的等離子體電子密度28. 4X IO1W30放電照片見(jiàn)附圖4。以制備硅基太能能薄膜為例，來(lái)說(shuō)明該裝置的操作過(guò)程和使用效果。
以含硅的氣體或液體為硅源前驅(qū)體，以氫氣為還原氣體；在真空或低真空條件下，用射頻或甚高頻電源激勵(lì)產(chǎn)生等離子體，實(shí)現(xiàn)脈沖等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積微晶硅薄膜。エ藝流程主要分為四步基片預(yù)處理、真空獲得與基臺(tái)加熱、薄膜沉積、關(guān)機(jī)?！?基片預(yù)處理使用有機(jī)薄膜、單晶硅片或玻璃片作為基片。對(duì)P型單晶硅片用20%的HF酸超聲清洗60秒，以除去表面的SiO2層，然后再依次使用無(wú)水こ醇、去離子水進(jìn)行超聲清洗，直至硅片表面潔凈，然后用潔凈的氮?dú)獯蹈桑徊Ａ然苯佑脽o(wú)水こ醇、去離子水進(jìn)行超聲清洗，直至玻璃片表面潔凈，然后用氮?dú)獯蹈?。?真空獲得與基臺(tái)加熱將基片放在下電極上，當(dāng)真空度小于IOPa時(shí)，打開(kāi)分子泵，同時(shí)把對(duì)基片臺(tái)加熱的電源打開(kāi)。真空室抽真空至IX10 ,控制基臺(tái)溫度范圍100 600。。。 三.薄膜沉積當(dāng)真空度和基臺(tái)溫度達(dá)到要求后，開(kāi)啟配氣系統(tǒng)。先輸入氬氣5 IOOsccm, 5 10分鐘，打開(kāi)等離子體對(duì)基片進(jìn)行等離子體表面清洗，清洗時(shí)間5 10分鐘。關(guān)閉等離子體放電電源；繼續(xù)通入氬氣5 10分鐘，關(guān)閉氬氣輸入；打開(kāi)硅源氣體，輸入5 IOOsccm娃源氣體，時(shí)間O. 2 5秒；關(guān)閉娃源氣體；輸入IS氣5 IOOsccm, I 5秒；關(guān)閉IS氣；打開(kāi)氫氣氣體，輸入5 IOOsccm氫氣氣體,時(shí)間O. 2 5秒，同時(shí)打開(kāi)等離子體電源，等離子體放電功率30 400W ;關(guān)閉氫氣氣體，關(guān)閉等離子體電源；輸入氬氣5 IOOsccm, I 5秒；關(guān)閉IS氣；這是ー個(gè)周期。接著分別輸入娃源氣體、IS氣、氫氣、気氣等重復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)按照比例交替通入硅源氣體和氫氣，進(jìn)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積微晶硅薄膜的沉積。四.關(guān)機(jī)薄膜沉積完畢，然后依次關(guān)閉硅源氣體氫氣，并對(duì)氣路和真空室用氬氣進(jìn)行沖洗10 30分鐘，最后關(guān)閉氬氣，以及分子泵、機(jī)械泵和所有電源。采用本發(fā)明的陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，結(jié)合空心陰極等離子體低溫、高效以及原子層沉積精確、可控的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)平板電極結(jié)構(gòu)具有更高的放電效率和等離子體密度，可以大大提高反應(yīng)單體的裂解率。該裝置有效的解決了傳統(tǒng)ALD沉積需要高溫加熱的缺點(diǎn)，可以在較低溫度下高效的沉積多種功能薄膜，有利于降低薄膜的生產(chǎn)成本，推動(dòng)薄膜及相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。該裝置特別適用于納米厚度的硅基薄膜、氧化鋁薄膜、氮化鈦薄膜等精確制備。該實(shí)施例中制備的微晶硅薄膜的拉曼光譜圖中具有520CHT1波數(shù)處的結(jié)晶峰，該薄膜樣品的結(jié)晶率為51. 8%，改變薄膜沉積條件可制得不同結(jié)晶率的微晶硅薄膜。該實(shí)施例中制備的微晶硅薄膜的原子力顯微鏡AFM三維形貌圖中具有微晶硅薄膜晶粒的柱狀頂端。采用空心陰極等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法，由于放電時(shí)的空心陰極效應(yīng)，比傳統(tǒng)平板電極結(jié)構(gòu)具有更高的放電效率和等離子體密度，可以大大提高反應(yīng)單體的裂解率，等離子體的工作氣壓增加，從而提高薄膜的沉積速率，有利于降低微晶硅薄膜的生產(chǎn)成本，推動(dòng)微晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種原子層沉積裝置，其特征在于該裝置包括配氣系統(tǒng)(I)、真空腔室(2)、陣列式空心陰極上電極(3)、平板式接地下電極(4)、抽真空系統(tǒng)(5)、電源系統(tǒng)(6)，所述陣列式空心陰極上電極(3)帶有多個(gè)均勻分布的直徑范圍為l_3mm的通孔，相鄰的孔的間距為2-4mm，陣列式空心陰極上電極(3)與平板式接地下電極(4)之間的間距為5_20mm，陣列式空心電極(3)連接配氣系統(tǒng)(I)的供氣管道。所述式空心陰極陣列電極(3)的接線柱連接到所述電源系統(tǒng)出)的高壓電極一端，并與所述裝置的真空腔室、平板式接地下電極保持絕緣，所述電源系統(tǒng)出)的接地端連接到所述真空腔室(2)和所述平板電極(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原子層沉積裝置，其特征在于所述電源系統(tǒng)(6)，是60-100MHZ的甚高頻電源、2-60MHZ的高頻射頻電源、10_60KHz的中頻電源、10_60KHz的單極性或雙極性脈沖直流電源中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的原子層沉積裝置，所述平板電極(4)設(shè)有加熱裝置。
全文摘要
一種原子層沉積裝置屬于等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種陣列式空心陰極結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生裝置。該裝置包括配氣系統(tǒng)(1)、真空腔室(2)、陣列式空心陰極上電極(3)、平板式接地下電極(4)、抽真空系統(tǒng)(5)、電源系統(tǒng)(6)，所述陣列式空心陰極上電極(3)帶有多個(gè)均勻分布的直徑范圍為1-3mm的通孔，相鄰的孔的間距為2-4mm，陣列式空心陰極上電極(3)與平板式接地下電極(4)之間的間距為5-20mm，陣列式空心電極(3)連接配氣系統(tǒng)(1)的供氣管道。該裝置降低等離子體溫度，改善其他一些等離子體參數(shù)，從而提高沉積效率，并優(yōu)化所沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。
文檔編號(hào)C23C16/50GK102677022SQ201210001350
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者劉忠偉, 張受業(yè), 楊麗珍, 桑利軍, 王正鐸, 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京印刷學(xué)院