等離子體薄膜沉積裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種等離子體薄膜沉積裝置，該裝置包括腔體、供氣系統(tǒng)、等離子體噴槍系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、射頻電源系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)，所述腔體中設(shè)置有樣品臺(tái)；所述等離子體噴槍系統(tǒng)與所述供氣系統(tǒng)連通；所述抽真空系統(tǒng)與所述腔體連通；所述壓力控制系統(tǒng)與所述腔體連通，在所述壓力控制系統(tǒng)中設(shè)置有壓力控制閥；所述壓力控制系統(tǒng)控制所述腔體的壓力為0.05kPa至10kPa。本實(shí)用新型的等離子體薄膜沉積裝置將腔體的壓力控制在0.05kPa至10kPa之間，能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜的高效、快速、低溫沉積。
【專利說(shuō)明】等離子體薄膜沉積裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及薄膜加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種等離子體薄膜沉積裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 低壓等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)（LPCVD)和熱化學(xué)氣相沉積法技術(shù)（TCVD)技術(shù)是 常規(guī)的兩種用來(lái)制備高質(zhì)量薄膜的技術(shù)。LPCVD的壓力一般在0. lkPa以下，因?yàn)槠涞偷臍?體密度，其外延生長(zhǎng)速度較低，例如，RF-驅(qū)動(dòng)等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)、電子回旋共振化 學(xué)氣相沉積（ECR-CVD)、Remote-PECVD等的生長(zhǎng)速率一般在20nm/min以下，無(wú)法達(dá)到薄膜 的高速沉積要求。以常壓CVD(APCVD)為代表的TCVD作為工業(yè)上最主要的快速沉積技術(shù)， 其薄膜的生長(zhǎng)速度達(dá)到幾十納米/秒的量級(jí)。最新報(bào)道的使用SiHCl 3作為源氣體，硅薄膜 的外延生長(zhǎng)達(dá)到了 120nm/s的速度，基本能夠滿足沉積速率方面的要求。但是，以上過(guò)程 中，TCVD的化學(xué)產(chǎn)率較低，在理論上和實(shí)際上都限制在30%以下，會(huì)導(dǎo)致原材料的較大浪 費(fèi)，并且TCVD -般工作在高達(dá)1000°C以上的溫度以實(shí)現(xiàn)快速沉積，較高的沉積溫度限制了 襯底的使用，因?yàn)檩^高的沉積速度不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的自摻雜效應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致襯底雜質(zhì)大量 擴(kuò)散進(jìn)入薄膜層，致使薄膜層質(zhì)量下降。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 基于上述不足，本實(shí)用新型提供了一種能夠提高薄膜沉積速度同時(shí)提高化學(xué)產(chǎn)率 和降低襯底溫度的等離子體薄膜沉積裝置。
[0004] 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種等離子體薄膜沉積裝置，包括：
[0006] 腔體，所述腔體中設(shè)置有樣品臺(tái)；
[0007] 供氣系統(tǒng)，所述供氣系統(tǒng)包括氣源、流量控制裝置和氣體導(dǎo)入管；所述氣源與所述 氣體導(dǎo)入管連通，所述流量控制裝置設(shè)置在所述氣體導(dǎo)入管上；
[0008] 等離子體噴槍系統(tǒng)，所述等離子體噴槍系統(tǒng)與所述氣體導(dǎo)入管連通，所述等離子 體噴槍系統(tǒng)的另一端與所述腔體連通；
[0009] 抽真空系統(tǒng)，所述抽真空系統(tǒng)與所述腔體連通；
[0010] 用于激發(fā)等離子體氣體從而產(chǎn)生等離子體的射頻電源系統(tǒng)；以及
[0011] 壓力控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)與所述腔體連通，在所述壓力控制系統(tǒng)中設(shè)置 有壓力控制閥；所述壓力控制系統(tǒng)控制所述腔體的壓力為〇· 〇5kPa至10kPa。
[0012] 較優(yōu)的，所述射頻電源系統(tǒng)包括射頻電感線圈和射頻電源，所述射頻電感線圈與 所述射頻電源連接，所述射頻電源的功率為5kw至40kw，所述射頻電源的頻率為2MHz至 40MHz。
[0013] 較優(yōu)的，所述等離子體噴槍系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)；
[0014] 所述冷卻系統(tǒng)包括第一冷卻結(jié)構(gòu)和/或第二冷卻結(jié)構(gòu)；
[0015] 其中所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有適于氣體通過(guò)的第一通孔，且在所述第一冷卻結(jié) 構(gòu)中設(shè)置有第一冷卻液；
[0016] 所述第二冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有與所述第一通孔連通的第二通孔，所述第二通孔與所 述腔體連通；且在所述第二冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有第二冷卻液。
[0017] 較優(yōu)的，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的端部伸入所述第二通孔，且所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的端 部的位置高于所述射頻電感線圈的位置或者與所述射頻電感線圈的最靠近所述第一冷卻 結(jié)構(gòu)的線圈的位置平齊。
[0018] 較優(yōu)的，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中還設(shè)置有氣體延伸管，所述氣體延伸管與所述第一 冷卻結(jié)構(gòu)的第一通孔連通，所述氣體延伸管的長(zhǎng)度大于所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。
[0019] 較優(yōu)的，所述射頻電感線圈環(huán)繞所述第二冷卻結(jié)構(gòu)的外壁設(shè)置。
[0020] 較優(yōu)的，所述氣體延伸管所述氣體延伸管的端部的位置位于所述射頻電感線圈的 最靠近第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的中心。
[0021] 較優(yōu)的，所述氣體導(dǎo)入管包括第一氣體導(dǎo)入管和第二氣體導(dǎo)入管，所述第一氣體 導(dǎo)入管與所述第一通孔連通；
[0022] 在所述第二冷卻結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上設(shè)置有氣體入口，所述第二氣體導(dǎo)入管與所述氣體 入口連通。
[0023] 較優(yōu)的，所述第二氣體導(dǎo)入管至少為兩個(gè)。
[0024] 較優(yōu)的，所述腔體和/或所述樣品臺(tái)上均設(shè)置有冷卻裝置。
[0025] 本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型的等離子體薄膜沉積裝置將腔體的壓力控 制在0. 05kPa至10kPa之間，能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜的高效、快速、低溫沉積，尤其適用于半導(dǎo)體工業(yè) 中的薄膜沉積。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為本實(shí)用新型中的一個(gè)實(shí)施例的放電等離子體中壓力與電子溫度以及氣體 溫度的對(duì)應(yīng)曲線圖；
[0027] 圖2為本實(shí)用新型的等離子體薄膜沉積裝置的一個(gè)實(shí)施例的整體示意圖；
[0028] 圖3為圖2所示的等離子體薄膜沉積裝置中的第一冷卻結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的整體 示意圖；
[0029] 圖4為圖2所示的等離子體薄膜沉積裝置中的第一冷卻結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的整體 示意圖；
[0030] 圖5為本實(shí)用新型的等離子體薄膜的沉積過(guò)程的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0031] 圖6為本實(shí)用新型的等離子體薄膜沉積裝置的另一實(shí)施例的整體示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情 況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0033] 參見圖1，發(fā)明人研究了放電等離子體中壓力與電子溫度以及氣體溫度的關(guān)系，在 小于l(T 2kPa時(shí)，氣體溫度較低而電子溫度較高，隨著壓力的增加，氣體溫度逐漸升高，電子 溫度逐漸降低，最后趨于一致。為了保證沉積速率同時(shí)降低襯底溫度，發(fā)明人認(rèn)為〇. 〇5kPa 至10kPa即本實(shí)用新型中的中壓是合適的沉積速率壓力范圍。如圖1中所示，中壓等離子 體的工作壓力一般在0. 05kPa-10kPa的范圍內(nèi)，處在低壓和高壓的中間區(qū)域，因此也具有 相對(duì)較高的等離子體流。另外，與低壓等離子體技術(shù)相比，它具有較低的電子溫度，Te〈leV ; 與高壓等離子體（熱等離子體）相比，它具有相對(duì)較低的氣體溫度，Tg e (1〇〇〇, 5000)K。 因?yàn)檫@些特性，該等離子體中的化學(xué)組分主要以原子態(tài)存在，解決了由于離子轟擊和熱損 傷而導(dǎo)致的膜質(zhì)變差的問(wèn)題，能夠得到低溫、高速沉積的高質(zhì)量的薄膜。
[0034] 參見圖2,本實(shí)用新型提供一種等離子體薄膜沉積裝置，包括：
[0035] 腔體100,所述腔體100中設(shè)置有樣品臺(tái)110 ;
[0036] 供氣系統(tǒng)，所述供氣系統(tǒng)包括氣源210、流量控制裝置600和氣體導(dǎo)入管200,所述 氣體導(dǎo)入管200的進(jìn)氣端與氣源210連通，所述流量控制裝置設(shè)置在所述氣體導(dǎo)入管200 上；其中氣體導(dǎo)入管200泛指通氣管路，流量控制裝置可以是氣體流量計(jì)；
[0037] 等離子體噴槍系統(tǒng)，所述等離子體噴槍系統(tǒng)與所述氣體導(dǎo)入管210的出氣端連 通；所述等離子體噴槍系統(tǒng)與所述腔體1〇〇連通；較優(yōu)的所述等離子體噴槍位于腔體的頂 部；
[0038] 抽真空系統(tǒng)400,所述抽真空系統(tǒng)400與所述腔體100連通；
[0039] 用于激發(fā)等離子體氣體（本實(shí)施例中的等離子體氣體是能夠產(chǎn)生等離子體的工 藝氣體）從而產(chǎn)生等離子體的射頻電源系統(tǒng)320 ;以及
[0040] 壓力控制系統(tǒng)500,所述壓力控制系統(tǒng)500與所述腔體100連通，在所述壓力控制 系統(tǒng)中設(shè)置有壓力控制閥510 ;所述壓力控制系統(tǒng)500控制所述腔體100的壓力為0· 05kPa 至 10kPa。
[0041] 本實(shí)施例中的腔體是整個(gè)等離子體薄膜沉積發(fā)生裝置的主體部分，樣品臺(tái)設(shè)置在 腔體中，整個(gè)沉積過(guò)程均在腔體中進(jìn)行，等離子體噴槍系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體和反應(yīng)氣體均 進(jìn)入腔體中，同時(shí)利用抽真空系統(tǒng)控制腔體的真空度，并且利用壓力控制系統(tǒng)控制腔體在 薄膜沉積過(guò)程中的壓力。本實(shí)施例中的等離子體薄膜沉積裝置與現(xiàn)有的薄膜沉積裝置最 大的不同之處在于其主要是將腔體的壓力控制在0. 〇5kPa至10kPa。在等離子體沉積方法 中，該壓力范圍為中壓。從氣體導(dǎo)入管導(dǎo)入的氣體在等離子體噴槍內(nèi)通過(guò)電感耦合線圈的 激發(fā)產(chǎn)生等離子體。該等離子體的壓力為〇.〇5kPa至10kPa之間，處于高壓等離子體（> 10kPa)和低壓等離子體（< 0. OlkPa)之間，中壓等離子體的電子溫度和氣體溫度都相對(duì)較 低，同時(shí)具有相對(duì)較高的等離子體密度和低的電子溫度，并且氣體組分主要以原子態(tài)的形 式存在。通入的反應(yīng)氣體在等離子體中心分解后，氣體原子即沉積原子隨著等離子體流快 速輸送到襯底表面，并且在襯底表面的熱邊界層內(nèi)迅速冷凝形成納米團(tuán)簇。當(dāng)熱邊界層的 厚度足夠的?。ㄈ纭?〇〇 μ m)時(shí)，氣體原子所形成的納米團(tuán)簇的尺寸足夠小，且具有松散的 結(jié)構(gòu)。當(dāng)該納米團(tuán)簇高速撞擊到襯底表面后，原子能實(shí)現(xiàn)自發(fā)的遷移和重新排列，從而實(shí)現(xiàn) 薄膜的快速沉積。本實(shí)用新型中的等離子體的薄膜沉積過(guò)程如圖5所示。當(dāng)本實(shí)用新型的 等離子體薄膜沉積裝置沉積硅薄膜時(shí)其沉積速率大于10 μ m/min，同時(shí)沉積過(guò)程中的化學(xué) 產(chǎn)率在50 %以上，襯底溫度低于700°C，減少了工藝時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)較低的襯 底溫度可以減少雜質(zhì)原子的摻入，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
[0042] 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，本實(shí)施例中的壓力控制閥能夠自動(dòng)控制腔體中的壓力為預(yù)設(shè)值， 本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選例為壓力控制閥510采用蝶閥，當(dāng)腔體內(nèi)部壓力發(fā)生變化時(shí)，如等離 子體發(fā)生引起氣體膨脹，蝶閥的開啟角度便會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持腔體內(nèi) 壓力恒定。并且，本實(shí)施例中的壓力控制系統(tǒng)同時(shí)還可以處理沉積完畢之后的尾氣。
[0043] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，參見圖2,所述射頻電源系統(tǒng)320包括射頻電感線 圈321、電源匹配器和射頻電源322,所述射頻電感線圈321、電源匹配器與所述射頻電源 322依次連接，其中所述射頻電源系統(tǒng)用于激發(fā)等離子體氣體以產(chǎn)生等離子體。本實(shí)施例 中的等離子體是由射頻電源作用于射頻電感線圈對(duì)導(dǎo)入的等離子體氣體激發(fā)而產(chǎn)生的，是 電感耦合等離子體。更優(yōu)的，所述射頻電源的功率為5kw至40kw，所述射頻電源的頻率為 2MHz至40MHz。射頻電感線圈的匝數(shù)為3圈至6圈，本實(shí)施例可以通過(guò)改變加載在射頻電 感線圈上的射頻功率來(lái)改變等離子體的溫度，一般的位于等離子體噴槍系統(tǒng)中心的氣體溫 度為1000°C至6000°C。該中壓等離子體具有較高的蒸發(fā)、原子化和激發(fā)能力，并且無(wú)電極 放電，無(wú)電極玷污。采用射頻電源系統(tǒng)有利于在本實(shí)用新型的中壓條件下形成較高密度的 等離子體流。
[0044] 一般的，等離子體噴槍系統(tǒng)可以是一個(gè)用于導(dǎo)流氣體的導(dǎo)管，導(dǎo)管外壁上設(shè)置有 射頻電感線圈。較佳的，作為一種可實(shí)施方式，參見圖2,所述等離子體噴槍系統(tǒng)包括冷卻系 統(tǒng)310,所述冷卻系統(tǒng)310與所述氣體導(dǎo)入管200的出氣端連通；所述冷卻系統(tǒng)310包括第 一冷卻結(jié)構(gòu)311 ;所述第一冷卻結(jié)構(gòu)311中設(shè)置有第一通孔3111，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置 有循環(huán)流動(dòng)的第一冷卻液。參見圖3,本實(shí)施例中的所述第一冷卻結(jié)構(gòu)311包括與所述氣體 導(dǎo)入管連通的底座3112和與所述底座連接的圓柱形主體3113,所述底座3112和所述圓柱 形主體3113的中部設(shè)置有第一通孔3111，第一冷卻液充滿底座3112和圓柱形主體3113。
[0045] 更優(yōu)的，所述冷卻系統(tǒng)310還包括第二冷卻結(jié)構(gòu)312 ;所述第二冷卻結(jié)構(gòu)312中設(shè) 置有貫通所述第二冷卻結(jié)構(gòu)312的第二通孔3121 ;所述第二通孔與所述腔體連通，且所述 第一冷卻結(jié)構(gòu)311的圓柱形主體3113伸入所述第二通孔3121 ;所述第二冷卻結(jié)構(gòu)312中 設(shè)置有循環(huán)流動(dòng)的第二冷卻液。
[0046] 更優(yōu)的，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)311的端部伸入所述第二通孔3121，且第一冷卻結(jié)構(gòu) 311的端部的位置不低于射頻電感線圈的最靠近第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的位置。本實(shí)施例中 第一冷卻結(jié)構(gòu)的一部分伸入第二通孔，這樣可以保證冷卻效果。本實(shí)施例中采用第一通孔 3111和第二通孔3121作為氣體通道，同時(shí)在氣體通道外側(cè)設(shè)置了冷卻液，這樣可以保護(hù)等 離子體薄膜沉積裝置，避免等離子體流的高溫?fù)p壞裝置。
[0047] 本實(shí)施例采用了兩個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)，從氣體導(dǎo)入管進(jìn)入的等離子體氣體和/或反應(yīng)氣 體需要依次經(jīng)過(guò)第一冷卻結(jié)構(gòu)和第二冷卻結(jié)構(gòu)，設(shè)置兩個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)的目的是為了降低本實(shí) 用新型的等離子體薄膜沉積裝置的溫度，從而保護(hù)等離子體薄膜設(shè)備。第一冷卻結(jié)構(gòu)和第 二冷卻結(jié)構(gòu)均為套筒結(jié)構(gòu)，從氣體導(dǎo)入管進(jìn)入的氣體先進(jìn)入第一通孔，由于第一冷卻結(jié)構(gòu) 伸入所述第二冷卻結(jié)構(gòu)的第二通孔中，第一通孔與第二通孔連通，氣體隨之進(jìn)入第二通孔。 本實(shí)施例中在第一冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有循環(huán)流動(dòng)的第一冷卻液，這是由于雖然射頻電源系統(tǒng) 設(shè)置在第二冷卻結(jié)構(gòu)的外側(cè)，但是產(chǎn)生的等離子體向電感線圈兩側(cè)延伸，使得第一冷卻結(jié) 構(gòu)浸沒(méi)在等離子中，為了保護(hù)第一冷卻結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行冷卻；而當(dāng)氣體在第二冷卻結(jié)構(gòu) 的第二通孔中被電離為等離子體時(shí)，等離子體的溫度很高，第二冷卻結(jié)構(gòu)中的第二冷卻液 的溫度升高的很快，為了保證第二冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果，本實(shí)施例采用循環(huán)流動(dòng)的第二冷 卻液。第一冷卻結(jié)構(gòu)可以由導(dǎo)熱性能較好的無(wú)氧銅制成，第二冷卻結(jié)構(gòu)可以由石英玻璃制 成，也可以是氮化硅管和石英玻璃管配合使用。本實(shí)施例中的第一和第二冷卻液均為循環(huán) 冷卻水。
[0048] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，參見圖4,本實(shí)施例中的所述第一冷卻結(jié)構(gòu)311中 還設(shè)置有氣體延伸管3114,所述氣體延伸管3114與所述第一冷卻結(jié)構(gòu)311的第一通孔 3111連通，所述氣體延伸管的長(zhǎng)度大于所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，較優(yōu)的，所述氣體延伸管 3114的端部位于所述射頻電感線圈321的最靠近第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的中心。本實(shí)施例 中的氣體延伸管的大小、位置和長(zhǎng)度均可調(diào)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，氣體延伸管3114可以與底座 3112和圓柱形主體3113 -體成型。所述氣體延伸管3114的端部位于所述射頻電感線圈 321的最靠近第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的中心，氣體從氣體延伸管出來(lái)后立即進(jìn)入射頻電感線 圈321的電感范圍形成等離子體流，能夠更好的保護(hù)裝置。更優(yōu)的，在氣體延伸管上也設(shè)置 有水冷裝置。
[0049] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，所述射頻電感線圈321環(huán)繞所述第二冷卻結(jié)構(gòu)312 的外壁設(shè)置。這樣射頻電源系統(tǒng)激發(fā)產(chǎn)生的等離子體流均位于第二冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻區(qū)域， 能夠避免等離子體的高溫對(duì)本實(shí)用新型裝置的損害。
[0050] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，參見圖2,可以設(shè)置一個(gè)氣體導(dǎo)入管200,此時(shí)等離 子體氣體和反應(yīng)氣體均通過(guò)該氣體導(dǎo)入管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，或者參見圖6,可以設(shè)置多個(gè)氣體 導(dǎo)入管，所述氣體導(dǎo)入管包括第一氣體導(dǎo)入管220和第二氣體導(dǎo)入管230,所述第一氣體導(dǎo) 入管220與所述第一通孔3111連通；在所述第二冷卻結(jié)構(gòu)312的側(cè)壁上設(shè)置有氣體入口， 所述第二氣體導(dǎo)入管230與所述氣體入口連通。其中，第二氣體導(dǎo)入管230的數(shù)量至少為 1個(gè)。本實(shí)施例中設(shè)置有兩個(gè)第二氣體導(dǎo)入管230,兩個(gè)第二氣體導(dǎo)入管均與第二冷卻結(jié)構(gòu) 312的第二通孔3121連通。參見圖6,第一冷卻結(jié)構(gòu)伸入第二冷卻結(jié)構(gòu)的部分與第二通孔 3121的側(cè)壁有間隙，氣體從該間隙中進(jìn)入，這樣能對(duì)第二冷卻結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁起到保護(hù)作用。設(shè) 置多個(gè)氣體導(dǎo)入管可以使反應(yīng)氣體和等離子體氣體分別通入，有利于控制等離子體氣體和 反應(yīng)氣體的比例和流量。用于激發(fā)產(chǎn)生等離子體的等離子體氣體從第一氣體導(dǎo)入管進(jìn)入即 從第一冷卻結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)入，反應(yīng)氣體從第二氣體導(dǎo)入管進(jìn)入即從第二冷卻結(jié)構(gòu)的側(cè)面進(jìn) 入。較優(yōu)的，第二氣體導(dǎo)入管的數(shù)量大于等于2。
[0051] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，所述腔體100上設(shè)置有第一冷卻裝置，所述樣品臺(tái) 110上設(shè)置有第二冷卻裝置。本實(shí)施例在腔體的壁上也設(shè)置有第一冷卻裝置，可以避免因輻 射導(dǎo)致的腔體溫度過(guò)高的問(wèn)題，從而保護(hù)腔體。進(jìn)一步的，本實(shí)用新型在樣品臺(tái)上設(shè)置了第 二冷卻裝置，第二冷卻裝置可以是循環(huán)冷卻水，同時(shí)可以在襯底與樣品臺(tái)之間放置具有一 定厚度的導(dǎo)熱材料，通過(guò)設(shè)置不同厚度的不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱材料，以及調(diào)節(jié)第二冷卻裝 置的循環(huán)冷卻水的不同流量可以調(diào)節(jié)襯底的溫度。
[0052] 較佳的，作為一種可實(shí)施方式，所述抽真空系統(tǒng)400包括分子泵，在分子泵和腔體 100之間還設(shè)置有閘板閥410。
[0053] 采用上述的等離子體薄膜沉積裝置的沉積方法，包括如下步驟：
[0054] S100 :將襯底放入腔體100的樣品臺(tái)110上；襯底在放入前分別經(jīng)過(guò)丙酮、異丙酮 和去離子水的超聲清洗；進(jìn)一步的，本步驟中還包括調(diào)節(jié)樣品臺(tái)高度的步驟，襯底表面與等 離子體噴槍出口的距離為30mm?60mm。
[0055] S200 :采用抽真空裝置400對(duì)所述腔體100進(jìn)行抽真空處理，使所述腔體達(dá)到目標(biāo) 真空度，一般的真空度為ΚΓ4至l(T 6Pa ;
[0056] S310 :向所述腔體100中通入等離子體氣體；通過(guò)壓力控制系統(tǒng)500調(diào)節(jié)所述腔 體100的壓力為0· 05kPa至10kPa，并保持恒定；
[0057] S400 :打開射頻電源系統(tǒng)320的電源，并調(diào)節(jié)所述電源的功率為設(shè)定功率；
[0058] S510 :首先利用等離子體對(duì)襯底表面進(jìn)行短暫的清洗以去除表面氧化層；
[0059] S520 :向所述腔體100中通入反應(yīng)氣體；
[0060] S530 :在所述襯底上沉積薄膜。
[0061] 需要說(shuō)明的是，反應(yīng)氣體可以和等離子體氣體一起通入，也可以混合通入。即步驟 S520可以在步驟S310和S400之間進(jìn)行。本實(shí)施例中優(yōu)選先通入等離子體氣體并采用等離 子體對(duì)襯底進(jìn)行清洗后再通入反應(yīng)氣體沉積薄膜。
[0062] 參見圖5,通入的反應(yīng)氣體首先在等離子體中心區(qū)域（噴槍中心位置）徹底分解， 分解后的氣體原子在等離子體流的攜帶下，快速運(yùn)輸至襯底表面。在等離子體與襯底表面 之間因?yàn)闇囟忍荻却嬖谝粚訜徇吔鐚?。運(yùn)往襯底表面的沉積原子在熱邊界層內(nèi)迅速冷凝形 成納米團(tuán)簇，并且通過(guò)調(diào)節(jié)熱邊界層的厚度可以調(diào)節(jié)納米團(tuán)簇的尺寸和特性。由于熱邊界 層的厚度足夠的小，所形成的納米團(tuán)簇的尺寸在l_3nm之間，且具有松散的結(jié)構(gòu)。當(dāng)其在高 速撞擊到襯底表面后，原子能實(shí)現(xiàn)自發(fā)的遷移和重新排列，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的快速外延沉積 生長(zhǎng)。該過(guò)程中松散結(jié)構(gòu)納米團(tuán)簇的形成和原子在襯底表面的自發(fā)遷移和重新排列是中壓 等離子體技術(shù)區(qū)別于其他等離子體噴涂技術(shù)的重要特點(diǎn)，也是利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速沉積薄 膜的關(guān)鍵之處。
[0063] 較佳的，所述等離子體氣體為惰性氣體或惰性氣體與反應(yīng)氣體的混合物。
[0064] 本實(shí)用新型的沉積裝置所沉積的薄膜可以是單晶、多晶或非晶結(jié)構(gòu)。一般的薄 膜的沉積速率大于10 μ m/min，同時(shí)沉積過(guò)程中的化學(xué)產(chǎn)率在50 %以上，襯底溫度低于 700。。。
[0065] 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對(duì)本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬 于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，包括： 腔體，所述腔體中設(shè)置有樣品臺(tái)； 供氣系統(tǒng)，所述供氣系統(tǒng)包括氣源、流量控制裝置和氣體導(dǎo)入管；所述氣源與所述氣體 導(dǎo)入管連通，所述流量控制裝置設(shè)置在所述氣體導(dǎo)入管上； 等離子體噴槍系統(tǒng)，所述等離子體噴槍系統(tǒng)與所述氣體導(dǎo)入管連通，所述等離子體噴 槍系統(tǒng)的另一端與所述腔體連通； 抽真空系統(tǒng)，所述抽真空系統(tǒng)與所述腔體連通； 用于激發(fā)等離子體氣體從而產(chǎn)生等離子體的射頻電源系統(tǒng)；以及 壓力控制系統(tǒng)，所述壓力控制系統(tǒng)與所述腔體連通，在所述壓力控制系統(tǒng)中設(shè)置有壓 力控制閥；所述壓力控制系統(tǒng)控制所述腔體的壓力為〇· 〇5kPa至lOkPa。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述射頻電源系統(tǒng)包 括射頻電感線圈和射頻電源，所述射頻電感線圈與所述射頻電源連接，所述射頻電源的功 率為5kw至40kw，所述射頻電源的頻率為2MHz至40MHz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述等離子體噴槍系 統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)； 所述冷卻系統(tǒng)包括第一冷卻結(jié)構(gòu)和/或第二冷卻結(jié)構(gòu)； 其中所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有適于氣體通過(guò)的第一通孔，且在所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中 設(shè)置有第一冷卻液； 所述第二冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有與所述第一通孔連通的第二通孔，所述第二通孔與所述腔 體連通；且在所述第二冷卻結(jié)構(gòu)中設(shè)置有第二冷卻液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的 端部伸入所述第二通孔，且所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的端部的位置高于所述射頻電感線圈的位置 或者與所述射頻電感線圈的最靠近所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的位置平齊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述第一冷卻結(jié)構(gòu)中 還設(shè)置有氣體延伸管，所述氣體延伸管與所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的第一通孔連通，所述氣體延 伸管的長(zhǎng)度大于所述第一冷卻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述射頻電感線圈環(huán) 繞所述第二冷卻結(jié)構(gòu)的外壁設(shè)置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述氣體延伸管所述 氣體延伸管的端部的位置位于所述射頻電感線圈的最靠近第一冷卻結(jié)構(gòu)的線圈的中心。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述氣體導(dǎo)入管包括 第一氣體導(dǎo)入管和第二氣體導(dǎo)入管，所述第一氣體導(dǎo)入管與所述第一通孔連通； 在所述第二冷卻結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上設(shè)置有氣體入口，所述第二氣體導(dǎo)入管與所述氣體入口 連通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述第二氣體導(dǎo)入管 至少為兩個(gè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體薄膜沉積裝置，其特征在于，所述腔體和/或所述 樣品臺(tái)上均設(shè)置有冷卻裝置。
【文檔編號(hào)】C23C16/52GK203999809SQ201420479374
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】葉繼春, 鄔蘇東, 高平奇, 楊映虎, 韓燦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所