遠(yuǎn)程磁鏡場(chǎng)約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，包括有沉積腔，沉積腔分為等離子體發(fā)生區(qū)、材料表面處理區(qū)，沉積腔的頂端和兩側(cè)分別設(shè)有一塊永磁鐵，沉積腔的等離子體發(fā)生區(qū)設(shè)有與氣源連接的上、下進(jìn)氣管以及與同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)，沉積腔的材料表面處理區(qū)中設(shè)有基片臺(tái)，沉積腔的底部設(shè)有真空機(jī)組；在永磁鐵組件產(chǎn)生的線形磁鏡場(chǎng)約束條件下，使用同軸圓波導(dǎo)在沉積腔中激發(fā)工作氣體產(chǎn)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(tái)上的基片表面形成薄膜。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜、摻雜半導(dǎo)體薄膜的大尺寸均勻沉積，通過(guò)遠(yuǎn)程通入反應(yīng)氣體實(shí)現(xiàn)薄膜的快速、連續(xù)沉積，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】遠(yuǎn)程磁鏡場(chǎng)約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體與薄膜材料科學(xué)研究領(lǐng)域，具體涉及一種遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)在大規(guī)模集成電路、太陽(yáng)能薄膜光伏電池、平板顯示器、材料表面改性、功能基團(tuán)接枝及燃料電池離子交換膜等領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，人們迫切地需要一種可以產(chǎn)生高沉積/刻蝕速率、大面積均勻、穩(wěn)定的低溫等離子體發(fā)生技術(shù)。為了能夠在這項(xiàng)技術(shù)上取得突破，國(guó)內(nèi)外等離子體業(yè)界專家為此做出不懈的努力，采用了很多種方法:其一，采用更加優(yōu)越的等離子體放電激勵(lì)源，如直流激勵(lì)源，低頻(IOOkHz)激勵(lì)源，射頻-13.56MHz)激勵(lì)源，甚高頻-60ΜΗζ)激勵(lì)源，超高頻-500ΜΗζ)激勵(lì)源，雙頻(13.56ΜΗΖ+27.12MHz等)激勵(lì)源，以及微波-2.45GHz)激勵(lì)源等；其二，采用更加優(yōu)越的放電位型，例如用射頻做等離子體激勵(lì)源，可以采用有電極電容/電感耦合射頻放電，也可以采用無(wú)電極電感耦合放電和螺旋波放電等；其三，采用磁場(chǎng)增強(qiáng)/約束放電，例如用微波激勵(lì)源，可以采用發(fā)散磁場(chǎng)位型，也可以采用多級(jí)磁場(chǎng)位型等；其重要的目的是在獲得高密度、大面積均勻穩(wěn)定的等離子體源。一般來(lái)說(shuō)，提高等離子體激勵(lì)源頻率可以獲得高的等離子體截止密度，利于提高等離子體密度和降低離子能量，進(jìn)而提高沉積/刻蝕速率、降低離子轟擊對(duì)薄膜的損傷等。但同時(shí)提高激勵(lì)源頻率存在一些問(wèn)題，例如電極表面駐波(TEM波)及漸逝波導(dǎo)模式(TE波)引起的沉積速率不均勻。
[0003]近年來(lái)，一種線形等離子體源引起了國(guó)內(nèi)外專家廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的等離子體，采用多個(gè)線形等離子體源并排，或與被鍍樣品在水平/垂直方向上以適當(dāng)速度勻速運(yùn)動(dòng)，即可形成大面積均勻的薄膜沉積。這種結(jié)構(gòu)大大降低了高性能等離子體沉積薄膜設(shè)備的開發(fā)難度，但在沉積某些半導(dǎo)體或摻雜半導(dǎo)體時(shí)存在趨膚效應(yīng)不利于鍍膜的連續(xù)性運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述PECVD工藝中的不足之處，本發(fā)明提供了一種遠(yuǎn)程磁鏡場(chǎng)約束線形高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，采用本發(fā)明的設(shè)備和工藝可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜、摻雜半導(dǎo)體薄膜的沉積，本發(fā)明的突出特點(diǎn)是磁鏡場(chǎng)約束線形等離子體可提供高密度、大尺度薄膜的沉積，通過(guò)遠(yuǎn)程通入反應(yīng)氣體實(shí)現(xiàn)薄膜的快速、連續(xù)沉積，且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:包括有凸字形的沉積腔，沉積腔分為上、下兩部分區(qū)域，分別為等離子體發(fā)生區(qū)、材料表面處理區(qū)，沉積腔的頂端設(shè)有第一永磁鐵，沉積腔的等離子體發(fā)生區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)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(shè)有通向等離子體發(fā)生區(qū)中的與氣源連接的上進(jìn)氣管、下進(jìn)氣管，上進(jìn)氣管、下進(jìn)氣管之間設(shè)有貫穿整個(gè)等離子體發(fā)生區(qū)的與同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)，沉積腔的材料表面處理區(qū)中設(shè)有基片臺(tái)，沉積腔的材料表面處理區(qū)的左、右兩側(cè)壁上分別設(shè)有觀察窗口、長(zhǎng)方形沉積腔體門，沉積腔的底部設(shè)有真空機(jī)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(chǎn)生的線形磁鏡場(chǎng)約束條件下，使用與同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)在沉積腔中激發(fā)工作氣體產(chǎn)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(chǔ)上進(jìn)一步提高等離子體密度，進(jìn)而進(jìn)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(tái)上的基片表面形成薄膜。
[0006]所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于: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(zhǎng)方形柱體，材料為銣鐵硼等磁性材料。
[0007]所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的沉積腔為無(wú)磁不銹鋼的真空腔體。
[0008]所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的基片臺(tái)為長(zhǎng)方形不銹鋼基片臺(tái)，基片臺(tái)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(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的同軸微波源的線形電極處于沉積腔中。
[0010]所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的工作氣體為IS氣、氫氣、氫氣與硅烷的混合氣體或甲燒。
[0011]所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束`線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的等離子體發(fā)生區(qū)與基片臺(tái)有一定距離，基片臺(tái)處于遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生區(qū)。
[0012]等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)能多單元并用，或平行移動(dòng)等離子體源，或平行移動(dòng)基片臺(tái)基片，實(shí)現(xiàn)大面積均勻高密度等離子體化學(xué)氣相沉積。
[0013]本發(fā)明的工作原理是:
本發(fā)明通過(guò)使用長(zhǎng)方形腔體結(jié)構(gòu)，腔體上部是較窄的同軸微波等離子體發(fā)生區(qū)域，下部則是較寬敞的工作區(qū)域，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生單一單元的線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。然而在沒有磁場(chǎng)約束的情況下等離子體向真空腔體壁擴(kuò)散，一方面均勻性不好，另一方面在壁面的復(fù)合損失會(huì)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?gòu)?fù)合損失，從而引入了磁鏡型磁場(chǎng)位形。使用三塊條形磁鐵排列在等離子體區(qū)腔體外，其中兩塊位于微波腔體兩側(cè)，一塊位于微波腔體頂端，磁化方向沿垂直于基片臺(tái)的方向，且頂端與兩側(cè)磁體磁化方向相反。通過(guò)適當(dāng)?shù)木嚯x和磁化強(qiáng)度設(shè)計(jì)，可以得到上下兩端強(qiáng)中間低的磁鏡型磁場(chǎng)位形。這樣等離子體能夠被限制在磁鏡中，從而減少了壁面復(fù)合的發(fā)生。磁場(chǎng)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?？杉訜?、可加偏壓的基片臺(tái)能進(jìn)一步控制等離子體中離子和活性基團(tuán)的能量，提高了沉積的可控性。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明采用線形磁鏡場(chǎng)磁場(chǎng)位形，提高等離子體密度和大面積均勻性，能實(shí)現(xiàn)硅、碳等多種電介質(zhì)薄膜的快速、連續(xù)沉積；僅需要在一維方向上實(shí)現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的等離子體，采用多個(gè)線形等離子體源并排，或與被鍍樣品在水平/垂直方向上以適當(dāng)速度勻速運(yùn)動(dòng)，即可形成大面積均勻的薄膜沉積；這種結(jié)構(gòu)大大降低了高性能等離子體沉積薄膜設(shè)備的開發(fā)難度，與傳統(tǒng)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(shuō)明】
[0015]圖1是遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的橫向截面示意圖。
[0016]圖2是遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的縱向截面示意圖。
[0017]圖3是遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體源的磁場(chǎng)組件示意圖。
[0018]圖4是遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體源的磁鏡形磁場(chǎng)位形分布。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實(shí)施例
[0020]如圖1和圖2所示，遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，包括與氣源相連接的進(jìn)氣管I和3，與 同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)2，“凸”字形無(wú)磁不銹鋼真空腔體11，長(zhǎng)方形沉積腔體門4，觀察窗口 7，內(nèi)置可加熱、加偏壓基片臺(tái)5，真空機(jī)組6，和永磁鐵8、9、10組成的磁場(chǎng)組件。本遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，使用機(jī)械泵-分子泵級(jí)聯(lián)真空機(jī)組6 抽真空，本底真空可達(dá)KT4Pa量級(jí)。用于沉積的工作氣體通過(guò)上進(jìn)氣管I和下進(jìn)氣管3進(jìn)入真空室內(nèi)，其中惰性氣體和還原性氣體通過(guò)進(jìn)氣管1，反應(yīng)性前驅(qū)物氣體通過(guò)進(jìn)氣管3進(jìn)入等離子體下游區(qū)域，這樣的氣路設(shè)計(jì)有助于減少沉積過(guò)程中對(duì)微波腔體產(chǎn)生的污染。同軸圓波導(dǎo)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(dǎo)中的衰減造成的等離子體不均勻性。基片臺(tái)5的位置能根據(jù)不同工況上下調(diào)節(jié)以獲得最佳沉積條件，通過(guò)外接加熱電源能對(duì)襯底加熱，也可以與直流、交流、射頻電源相接對(duì)基片形成偏壓，這樣實(shí)現(xiàn)控制到達(dá)襯底上的離子和活性基團(tuán)的最佳沉積能量。長(zhǎng)方形沉積腔門4的長(zhǎng)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(guò)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(shù)。三塊永磁鐵8、9、10通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合形成的磁鏡型磁場(chǎng)位形用于提高等離子體的密度和均勻性。
[0021]如圖3所示，磁場(chǎng)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(cè)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(chǎng)強(qiáng)度由磁化強(qiáng)度與磁鐵大小控制，磁鐵的縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于橫向尺寸以形成線形磁鏡型磁場(chǎng)位形。
[0022]如圖4所示，是磁場(chǎng)組件在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)位形橫截面，上下端磁力線密集，中間磁力線相對(duì)稀疏，是典型的磁鏡型磁場(chǎng)位形。
【權(quán)利要求】
1.一種遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:包括有凸字形的沉積腔，沉積腔分為上、下兩部分區(qū)域，分別為等離子體發(fā)生區(qū)、材料表面處理區(qū)，沉積腔的頂端設(shè)有第一永磁鐵，沉積腔的等離子體發(fā)生區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)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(shè)有通向等離子體發(fā)生區(qū)中的與氣源連接的上進(jìn)氣管、下進(jìn)氣管，上進(jìn)氣管、下進(jìn)氣管之間設(shè)有貫穿整個(gè)等離子體發(fā)生區(qū)的與同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)，沉積腔的材料表面處理區(qū)中設(shè)有基片臺(tái)，沉積腔的材料表面處理區(qū)的左、右兩側(cè)壁上分別設(shè)有觀察窗口、長(zhǎng)方形沉積腔體門，沉積腔的底部設(shè)有真空機(jī)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(chǎn)生的線形磁鏡場(chǎng)約束條件下，使用與同軸微波源相連接的同軸圓波導(dǎo)在沉積腔中激發(fā)工作氣體產(chǎn)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(tái)上的基片表面形成薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于: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(zhǎng)方形柱體，材料為銣鐵硼等磁性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的沉積腔為無(wú)磁不銹鋼的真空腔體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的基片臺(tái)為長(zhǎng)方形不銹鋼基片臺(tái)，基片臺(tái)可加熱；也可以使用直流、交流或射頻電源施加偏壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的同軸微波 源的線形電極處于沉積腔中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的工作氣體為IS氣、氫氣、氫氣與硅烷的混合氣體或甲燒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程磁鏡約束線形等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，其特征在于:所述的等離子體發(fā)生區(qū)與基片臺(tái)有一定距離，基片臺(tái)處于遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生區(qū)。
【文檔編號(hào)】C23C16/54GK103695868SQ201310688648
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】陳龍威, 左瀟, 魏鈺, 孟月東, 王祥科 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所