專利名稱：等離子體處理裝置和方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生適合于化學蒸氣淀積、蝕刻和其它處理的強等離子體的裝置和方法。在一個重要的實施例中，本發(fā)明涉及一種蒸氣淀積系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中使用等離子體淀積大面積金剛石膜。
背景技術(shù)：
討論現(xiàn)有技術(shù)中用于生產(chǎn)金剛石膜的化學蒸氣淀積(CVD)方法包括DC炬法、微波法、熱絲法和射頻等離子體技術(shù)。迄今為止，薄膜成本一直非常高。大部分現(xiàn)有技術(shù)都只能在小面積上淀積金剛石膜，這降低了生產(chǎn)速度和限制了金剛石膜的應用；并且淀積薄膜的速率非常低。較小的淀積面積和較慢的淀積速率使得這種薄膜的生產(chǎn)成本很高。
發(fā)明概要本發(fā)明提供使用強等離子體大面積快速處理的裝置和方法。概括地說，本發(fā)明的方法包括以下步驟a)提供一個具有縱向軸和圍繞該縱向軸的側(cè)壁的腔室；b)提供一個沿軸向延伸的載流導體陣列，該陣列至少部分地圍繞著該腔室，并且基本垂直于該縱向軸；c)向該腔室中提供氣體物質(zhì)；d)向該導體中提供高頻電流以便通過磁感生作用使該腔室中的氣體物質(zhì)發(fā)生電離，并形成圍繞該縱向軸且形狀與該腔室側(cè)壁形狀一致的等離子體層；e)將一個沿該縱向軸延伸的工件表面暴露在該等離子體層中。
該腔室通常具有至少一個大面積平面?zhèn)缺冢摰入x子體層沿該側(cè)壁并平行于該側(cè)壁延伸。此外，該載流導體可由并聯(lián)電連接的導體回路構(gòu)成以使電路的阻抗最小，從而使導體中施加的用于在該腔室中產(chǎn)生磁場的電流最大。為了進一步降低阻抗，各個導體回路的至少一部分通常是由大直徑的高導電率棒構(gòu)成，它們最好是管狀的以便可以冷卻這些導體。
為了制備金剛石膜，導入該腔室中的氣體物質(zhì)由金剛石前體成分諸如水蒸氣和乙醇或氫氣和甲烷的混合物構(gòu)成。金剛石膜在反應室中以高于迄今為止我們所知的其它形成金剛石的蒸氣淀積技術(shù)的單位輸入功率的體積生成速率淀積而成；并且可以淀積出非常大面積的金剛石膜。
該方法可以由包括以下部分的裝置實施具有一個縱向軸和圍繞并平行于該縱向軸延伸的側(cè)壁的一個腔室，其中至少一個側(cè)壁是平行于該縱向軸的大面積平面壁；向該腔室中提供氣體的裝置；一個軸向延伸的載流導體回路陣列，該陣列基本垂直于該縱向軸，至少部分地圍繞該腔室，并在該腔室內(nèi)平行于縱向軸的方向建立一個磁場；和與該導體陣列連接并向?qū)w回路提供高頻電流以便通過磁感生作用使腔室中的氣體物質(zhì)電離的一個高頻電源。
雖然該導體回路也可以串聯(lián)連接，如以螺旋線的形狀，但是這些導體回路最好是并聯(lián)連接的，并且至少有一部分是由冷卻銅管構(gòu)成。
附圖簡介通過以下參照附圖所作的詳細描述可以更好地理解本發(fā)明，同時更完整地領(lǐng)會本發(fā)明及其所附帶的許多優(yōu)點，在這些附圖中

圖1是用于本發(fā)明的腔室的透視圖。
圖2是圖1中所示腔室的端視圖。
圖2a是沿圖2中剖線2a-2a剖開的剖視圖，其中管18a是放大表示的，即為了說明方便而沒有按照實際比例繪制。
圖3是用于本發(fā)明的腔室的另一個實施例的透視圖。
圖3a是沿圖3中剖線3a-3a剖開的剖視圖。
圖4是沿軸向延伸的載流導體陣列的透視圖，同時還示出了用于本發(fā)明的電源。
圖5(a)-(e)以頂視圖形式示意性地表示了用于本發(fā)明的載流導體的若干種結(jié)構(gòu)設置，圖5(f)以側(cè)視圖形式表示另一種結(jié)構(gòu)設置。
圖6是用于本發(fā)明的另一種電源的示意圖。
圖7是用于本發(fā)明的另一種腔室的透視示意圖。
優(yōu)選實施例的描述現(xiàn)在參照附圖進行說明，其中各個附圖中相同的參照標號指示相同的或相應的部分。更具體地說是參照其中的附圖1、2和2a，圖示的用于本發(fā)明的裝置中的一個壓控腔室10包括一個基本呈平面形的底板12和一個頂罩部分14。通常在底板12和頂罩部分14之間設置一個O-形環(huán)16以在這些部件之間實施有效密封。當該腔室10被部分抽真空后，大氣壓就會將該底板12和頂罩部分14壓合在一起。管19熔接安裝在頂罩部分14的一端，并用作真空抽氣口。一根小直徑的輸入導管18同軸支撐在管19中，并延伸到接近腔室10的中央處，由此將各種反應氣體導入腔室10。在一個優(yōu)選實施例中，如圖2a所示，在輸入導管18的端部附近形成有一個環(huán)形開口18a，它使得氣體可以更加均勻地分布在腔室中，從而能夠在腔室中的工件表面上實施更加均勻的處理和淀積。除了圖示的同軸結(jié)構(gòu)以外，輸入導管18和輸出導管19也可以設置在腔室的相對端部。腔室的縱向軸20平行于在腔室中所施加磁場的方向。
該腔室最好是用介質(zhì)材料，例如石英、陶瓷、塑料、合成材料和類似材料制成。使用介質(zhì)材料使得磁場和電場可以穿透進入腔室。圖1中所示結(jié)構(gòu)中的底板12和頂罩部分14可以具有大約1厘米至5厘米的厚度，更好的是具有大約2厘米至3厘米的厚度。底板12可以具有任何一種與頂罩部分匹配的平面形狀，例如，正方形、矩形、圓形、橢圓形、橢球形、或不規(guī)則形狀。腔室10的頂罩部分14可以是能夠保持腔室10中的低氣壓并具有結(jié)構(gòu)完整性的任何形狀，例如，當腔室內(nèi)處于低壓并加熱時它可以限制大氣壓的作用。頂罩部分14可以是，例如，圓拱形、半球形、或長方形；在后一種情況下，例如，它可能包括一個與底板12平行并且匹配的平板，和在底板12和該平板之間延伸的側(cè)壁。
用于本發(fā)明的腔室最好具有至少一個寬大的基本為平面的表面，該表面用作一個工件表面或者支撐一個工件表面。在腔室10中，底板12就是這樣一個平面表面。此外，盡管在這兒底板12是平坦的，但是它也可以具有例如網(wǎng)狀凸起的結(jié)構(gòu)。這種具有一定成形形狀的表面在本申請中也被認為是平坦的原因是，該表面的長度和寬度遠大于任何厚度或高度尺寸。平面表面越大，所能夠淀積的平面薄膜的面積或者能夠進行處理的平面表面的面積也越大。該平面可以具有至少100平方厘米的面積，更好些的是具有500平方厘米或者更大的面積，例如1或2平方米的面積或更大的面積。
在本發(fā)明的另一個實施例中，如圖3所示，底板12’基本上是平坦的，頂罩14’為半圓柱形。底板12’和頂罩14’可以用石英制成并熔接在一起。端板13通過用O-形環(huán)15抵住玻璃板17而實現(xiàn)的密封進一步限定了腔室10’，其中的玻璃板17與底板12’和頂罩14’熔接在一起。在腔室10’的另一端有第二塊端板21’。在端板13上設置有一個輸入口18’，而在端板21上設置有一個輸出口19’。
如上所述，還可以采用如圖7示意性表示的長方形腔室。對于某些應用來說長方形腔室是更可取的，因為可以在腔室的兩個較大面積側(cè)壁上(圖7中的上壁和下壁)，以及在這兩個較大面積側(cè)壁之間延伸的較短側(cè)壁上淀積較大面積的平面薄膜?！皞?cè)壁”指的是沿著縱向軸的方向延伸的壁面(盡管它們可能同時也朝向縱向軸延伸，例如在如圖1-2a所示的腔室10的拱形頂罩14的兩個傾斜部分的情況下)。這些側(cè)壁圍繞著縱向軸從而構(gòu)成縱向軸從中穿過的外殼或腔室的橫向部分；一般來說這些側(cè)壁是平行于縱向軸，并與之分開的，盡管在所指出的頂罩14具有兩個傾斜部分的情況下，它們可能與該縱向軸相交。
用于本發(fā)明的腔室的大小僅僅由承受作用在該腔室外面的大氣壓力所需的機械完整性和腔室尺寸需要基本小于工作頻率下的特征波長兩方面限制。在10MHz頻率下，特征波長為大約30米。腔室的縱橫比，即腔室的寬度與長度之比可以至少為2∶1，是至少為5∶1更好些，最好為10∶1或者更大。
該腔室應能夠維持小于100乇，更好些的是小于10乇，最好是小于1乇或者更小的內(nèi)部壓力?？刂魄皇抑袎毫Φ难b置在附圖中沒有示出，它可以包括，例如，蝶形控制閥、質(zhì)量流量控制器、和真空泵，以及諸如電容壓力計等的壓力測量裝置，所有這些裝置對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是熟知的。
還可以根據(jù)需要包括具有各種結(jié)構(gòu)的水套，它們都是熱處理領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知的，盡管在附圖中沒有表示。如果有水套的話，水套最好是圍繞著該腔室，以冷卻在高能作用下達到高溫的腔室。
圖4示意性表示出了一個高頻能量發(fā)生器22，或稱天線，它通常環(huán)繞著或者圍繞著低壓腔室，并向腔室中的氣體組分施加產(chǎn)生等離子體的能量。能量發(fā)生器在腔室內(nèi)產(chǎn)生的磁場比其在腔室外產(chǎn)生的磁場更加均勻和強大。該發(fā)生器包括載流導體24，一個由電容器26構(gòu)成的電容器組與之構(gòu)成諧振關(guān)系。根據(jù)所需的總電容和需要施加的能量強度，每個導體24可能具有或者可能不具有一個電容器。作為一種組合，每一個導體24和與之連接的電容器組構(gòu)成一個導體回路，而每一個導體回路通過總線38和39彼此并聯(lián)連接。
如圖所示，為了方便發(fā)生器22與腔室是分開表示的，但是該腔室通常位于導體回路之中，并且腔室的縱向軸基本垂直于各個回路的平面。
為了包圍寬度大于高度以利于大面積平面淀積的腔室，導體24呈U-形是可取的。這些導體應具有較大直徑以減小其阻抗。為了實現(xiàn)本發(fā)明，可在等離子體氣體中感生電流，產(chǎn)生加熱作用，使氣體離子化和發(fā)生電離。等離子體中電流的幅值正比于載流導體中的電流大小。任何一個載流導體均存在一個電流阻抗，它隨著所選擇導體的電阻增大而增大，并且隨著ωL增大而增大，其中ω＝2rf，f為工作頻率，L為電感。為了使得任何給定電壓下的電流達到最大，需要選擇使用具有高導電率的材料，并使載流導體的阻抗保持較低。這種條件在圖4所示的裝置中得以實現(xiàn)，其中采用了具有較大直徑的導體，這些導體構(gòu)成彼此并聯(lián)的單個回路，并且沿著腔室的縱向軸排列。
導體可以由高導電率材料(例如，銀、銅、鋁、或黃銅)構(gòu)成，以減少能量損失。事實上，銅或鍍銀銅是常用的，但是也可以使用鍍銀的黃銅或鋁。使用管狀導體可以使冷卻液本能夠在導體內(nèi)循環(huán)。直徑小到約0.5-1厘米的導體管適用于較低能量的應用，而大至約2.5厘米(1英寸)或者更大直徑的導體管適用于較高能量的應用。也可以使用實心元件，例如低電阻金屬帶等，其寬度可以是0.5-1厘米，更好些是2-5厘米，同時配備適當?shù)睦鋮s部件，例如焊接到金屬帶上的散熱片或冷卻管。
可以在導體24的長度方向24a的中點接出一條附圖中沒有表示的總線，并將其接地，從而相對于地電平建立一個對稱的電壓，如能這樣是可取的?？梢愿鶕?jù)本領(lǐng)域所熟知的技術(shù)，使裝置的任意部分接地而實現(xiàn)與地電平等電位，進而相對于地電平構(gòu)成對稱的或者不對稱的電壓。
這些導體回路基本上垂直于腔室的縱向軸。在圖4中，各導體回路的平面垂直于該縱向軸，并且均勻間隔。在另一種結(jié)構(gòu)中，導體可以如圖5(b)和圖5(c)所示不規(guī)則地間隔設置，以得到所需的等離子體形態(tài)和強度。還可以采用如圖5(e)所示的人字形結(jié)構(gòu)或者如圖5(d)所示的平行結(jié)構(gòu)與人字形結(jié)構(gòu)的結(jié)合。此外，還可以采用如圖5(f)所示的多個載流導體，其中一個導體重疊或者環(huán)繞著另一個。
還可以采用串聯(lián)纏繞的例如螺旋線圈等的線圈，它們可以是纏繞成長方形或者正方形螺旋線圈。這種串繞線圈所具有的較高阻抗可以限制載流導體中的電流，從而限制所傳輸?shù)哪芰康淖畲笾?；但是從另一方面講，這種線圈適用于低于最大能量值的情況。
該能量發(fā)生器的載流導體可以嵌在腔室的表面上，可以緊貼著腔室的表面，也可以與腔室表面分開而自由支撐。比較好的是使載流導體呈自由支撐狀態(tài)，并與腔室分開，以便于從發(fā)生器中放入和拆卸該腔室。這種結(jié)構(gòu)使得一個發(fā)生器可以方便地接連使用多個腔室。如果載流導體是與腔室分開設置的，它們與腔室外壁的間隔應在約1厘米(1/2英寸)范圍之內(nèi)，更可取的是在約0.25厘米(1/10英寸)范圍之內(nèi)，并按照腔室的形狀成形。
雖然讓導體回路完全環(huán)繞著腔室是可取的，但是我們也通過使導體穿過該腔室，例如使導體24的長度部分24a穿過腔室的中心并垂直于腔室的縱向軸而成功地實現(xiàn)了本發(fā)明。在該腔室中導體與位于導體回路內(nèi)的腔室側(cè)壁之間產(chǎn)生了等離子體層。
該發(fā)生器產(chǎn)生一個高頻磁場，該磁場平行于腔室的縱向軸穿過該腔室。被例如腔室中的電場激發(fā)的腔室內(nèi)的氣體成分中的帶電荷組分響應高頻磁場，在氣體物質(zhì)中感生出垂直于縱向軸的電流回路。該感生的電流回路形成在腔室邊界附近，并且距腔室的壁越遠，電流幅值越小(如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所能理解的，感生電流的取向使得其相關(guān)的磁場部分地抵消由載流裝置產(chǎn)生的磁場，所以當距腔室壁較遠時會進一步減小磁場強度)。感生的等離子體電流回路所作的功增強了氣體組分的離子化和電離，產(chǎn)生了更強的等離子體層，該等離子體層的形狀與腔室的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)一致。因為能量發(fā)生器具有軸向延伸的特性，以及在腔室中通常處于低壓狀態(tài)，所以該等離子體層沿軸向橫向延伸。等離子體覆蓋住在發(fā)生器內(nèi)部的腔室的側(cè)壁。在腔室的平面壁處，構(gòu)成了平行于該腔室壁的平面等離子體層，而在腔室的曲面壁處，形成了依照該曲面形狀成形的等離子體層。
感生電流回路形成后，就變成將施加的高頻能量變換成等離子體的主要功能性部分?？梢酝ㄟ^增加能量使電離和離子化效果增強。
由感生電流回路形成強等離子體的狀態(tài)被稱之為磁感生電離。通常，當發(fā)生磁感生電離時，等離子體的發(fā)光度會出現(xiàn)急劇的增大，從腔室壁到腔室中心等離子體的發(fā)光度會出現(xiàn)可見的差別。
圖3a為表示在該裝置工作期間腔室10’的剖面圖。附圖中的點表示腔室中磁感生等離子體(實際上等離子體是通過它的可見發(fā)光度來觀察的)。如圖所見，等離子體在接近腔室壁的外邊界處比較強或密集，而隨著它與側(cè)壁的距離增大其強度也逐漸減小。在某一距離處，其強度將減小到幾乎沒有可見發(fā)光的程度。在有關(guān)文獻中報告了磁感生電離可以得到每立方厘米1012個電子的等離子體，而根據(jù)有關(guān)報告，通過所謂的電容耦合只能夠產(chǎn)生每立方厘米1010個電子；例如在等離子體激發(fā)過程中實現(xiàn)磁感生電離之前，如果電場進入本發(fā)明的裝置的腔室中并作用在腔室中的中性氣體成分上，就會發(fā)生后者，即所謂的電容耦合。
如圖3a所示，當通過一根中心輸入導管將氣體引入腔室中時，它們首先通過相對低密度的等離子體區(qū)向高密度等離子體層擴散。氣體的這樣一條路徑有利于，例如在使用水蒸氣/乙醇混合物時形成一氧化碳，從一些早期專利申請中可以看到這一介紹，這些專利包括07/787,891，1991年11月5日申請；08/861,291，1993年5月14日申請；以及08/151,184，1993年11月12日申請。這些專利申請以及一篇PCT公開副本(WO93/08927，1993年5月13日)以引用方式結(jié)合在本申請中。
這種強等離子體具有許多優(yōu)點。例如，它能使金剛石前體氣體原料迅速產(chǎn)生電離，從而能夠快速淀積金剛石膜。等離子體層密度一致并且接近金剛石發(fā)生淀積的腔室壁是有益的，因為這樣可以使電離的金剛石形成組分需要只經(jīng)過很短的距離就與工件表面接觸。強等離子體中產(chǎn)生的高溫和高電子密度也可以以其它方式加以應用，例如清理表面、蝕刻表面、或者焚化廢料。
如上所述，腔室的側(cè)壁可以用作工件表面，或者用于支撐工件表面，通常工件表面與腔室側(cè)壁是合一的。因此，工件表面可以設置在等離子體層的外邊界，并與之重合，在這個位置等離子體層是最強和最有活性的；而且等離子體層可以以這個高強度作用在通常較為寬大的工件表面的幾乎整個表面上，該工件表面為平面。因此，能夠淀積大面積膜、或者清理、蝕刻大面積表面等等。雖然工件表面一般來說是沿著縱向軸方向延伸，并且可以具有與等離子體層輪廓一致的形狀，但是工件表面也可以位于等離子體層的其它區(qū)域。
能量發(fā)生器的電源可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的各種類型。所需的功率電平可以根據(jù)腔室中的壓力和腔室中氣體的電離勢能；淀積、蝕刻、或清理、或者其它所執(zhí)行的操作的類型；所需的生產(chǎn)率；適合于所用材料和基質(zhì)的溫度范圍等因素而加以選擇。感生電離所需的功率在許多情況下可以根據(jù)已知的功率電平、壓力和所需氣體之間的關(guān)系式很容易地求得；對于沒有報告過的材料可以根據(jù)在感應電弧領(lǐng)域中已知的一般原理通過簡單的實驗得到有關(guān)數(shù)據(jù)，或者通過簡單實驗進一步確定所需的和優(yōu)選的工作狀態(tài)。
在采用水-乙醇混合物進行金剛石淀積的情況下，每平方厘米大約7瓦特或更大的功率就足以以1微米/小時的速率淀積金剛石。用消耗在腔室中的功率除以腔室沿縱向延伸的側(cè)壁的面積就可以計算出功率密度(消耗在腔室中的功率可以測量出來，或者用所施加的初始功率乘以發(fā)生器的效率可以更準確地計算出來，對于圖示的發(fā)生器來說，其效率通常在65％的量級)。不很精確地講，其它諸如氫-甲烷混合物等的金剛石形成原材料一般需要將近兩倍或者更大的功率密度。當氣體壓力小于0.5乇時，一般以腔室側(cè)壁上每平方厘米2或3瓦特的功率密度即可實現(xiàn)磁感生電離。
射頻(RF)電源裝置可以從例如Lepel公司購得(例如，ModelNo.T-40-3-DF4-TL型)。其它適用的射頻電源示意性表示在圖4和圖6中。圖4表示了一個射頻電源30，該電源具有可變耦合控制。該射頻電源包括一個高壓可變直流電源31，該直流電源通過射頻軛流線圈32與真空管33陽極板相連。其開關(guān)操作將直流電能轉(zhuǎn)換成高頻能量。真空管33與柵極復合阻抗電路35和具有可變?nèi)萘康某跫墐δ芫€圈36相連。初級儲能線圈36和耦合線圈37構(gòu)成匹配電路。耦合線圈37連接在總線38與39之間，而總線與導體回路24和電容器組26相連。
圖6示意性表示了另一個射頻電源，該電源具有一個直流耦合電路40。該電路包括一個變壓器41，輔助電源44通過該變壓器向振蕩器絲極輸送能量。電感42和電容43構(gòu)成一個去耦電路，直流電能通過該去耦電路從輸入端31饋入。電流表45、電阻46、射頻軛流電感47、可變電容器48、和電感49構(gòu)成柵極電路的復合阻抗。真空管51以高頻開關(guān)該直流電源，并通過如圖4所示的總線38和39將射頻電流輸送到電容器26和載流導體24。連接器52接地以構(gòu)成從真空管到該電源的直流返回路徑。
該電源向發(fā)生器提供高頻電流，在由其它發(fā)生器或者發(fā)生器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生感應耦合等離子體的情況下，高頻指的是大約60赫茲到100兆赫茲之間的頻率。電源工作頻率為大約0.5到20兆赫茲，大約為7到15兆赫茲更好些。這樣的頻率處于通常稱之為無線電頻率的范圍內(nèi)。申請人所在國政府有關(guān)管理部門已經(jīng)批準13.56兆赫茲頻率可以用于工業(yè)，這個頻率是適用于本發(fā)明的。
根據(jù)所要進行的工作的種類，例如淀積金剛石或其它物質(zhì)、蝕刻、清理或高溫熱解，可以在腔室中使用各種原材料。原材料通常為氣體、或在引入腔室時蒸發(fā)為氣態(tài)。適合的形成金剛石的原材料氣體包括醇和水的混合物。適用于本發(fā)明的醇包括甲醇、乙醇、和異丙醇。其中乙醇是特別優(yōu)選的醇類。醇類與水的比例可以在1∶1.5到1∶4的范圍內(nèi)，在1∶1到2∶1的范圍內(nèi)更好些，最好是在1∶1到1.2∶1的范圍內(nèi)。
對于淀積除金剛石以外的其它薄膜，可以使用包含硅烷的原材料與氧氣配合淀積SiO2，與氮氣配合淀積Si3N4，與甲烷配合淀積SiC；即可以使用適當?shù)幕旌衔锏矸e各種硅合金。
對于蝕刻或蝕洗，即去除表面物質(zhì)的工作，主要根據(jù)所要蝕刻的表面來選擇氣體。對于硅表面，可以使用分子H2以及CF4/O2混合物。對于聚合物表面，可以使用富氧氣體，例如O2、H2O、N2O、H2O2。
對于清理基板表面以去除殘余的碳、油、或膠，也可以使用氧基原材料，例如O2、H2O、N2O、H2O2。
在使用本發(fā)明的裝置進行危險廢物處理時，危險物質(zhì)本身必須呈蒸氣狀態(tài)的或者夾帶在處理氣流中。例如，處理三氯乙烯就可以通過將液體夾帶在包含O2和H2的氣流中進行。生成物氣流中將包含CO、HCl、H2O。HCl和H2O將從氣流中冷凝出來，并被中和。CO將燃燒成CO2。
下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。實施例1本實施例采用圖1所示的腔室和圖4所示的能量發(fā)生器生產(chǎn)多晶金剛石膜。腔室的拱形部分14由石英制成，壁厚3/8英寸(大約1厘米)，其底部面積為14英寸×16英寸(大約35×40厘米)；底板厚度為1.25英寸(大約3厘米)。
本實施例使用了18個導體回路的陣列，所用導體為1.27厘米直徑的“U”形銅管，其長邊(圖4中的24b)長度為53厘米，底邊(圖4中的24a)長度為18厘米。本實施例使用了由11個250微微法、30千伏(測試電壓)的電容器構(gòu)成的電容器組，其總電容值為2750微微法，并且該電路工作的諧振頻率為8兆赫茲。
在該裝置的底板上放置了三塊石英基片，其中一個面積為8英寸×10英寸(20厘米×25厘米)，另外兩個面積為4英寸×4英寸(10厘米×10厘米)，以覆蓋8英寸×14英寸(20厘米×35厘米)的面積。將這些基片砂磨，然后用包含平均直徑為1微米的金剛石顆粒的金剛石膏再進行打磨。將腔室抽真空，然后通過導管18將水蒸氣和乙醇蒸氣的混合物導入腔室中。水蒸氣導入流率為19標準立方厘米(sccm)，乙醇導入流率為15標準立方厘米。腔室中的壓力設定為0.4乇。啟動等離子體電源，激發(fā)等離子體，從而使腔室中的壓力增加到0.5乇。在真空管33的陽極板上施加6.4千伏的直流電壓，從而形成頻率為8.5兆赫茲的1.5安培的陽極電流。計算得出在腔室的內(nèi)側(cè)表面上每平方厘米面積的等離子體能量密度大約為3瓦特。整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作47小時，隨后切斷電源，將裝置排氣，并將樣品從腔室中取出。視覺觀察基片表明已經(jīng)有金剛石膜淀積在基本整個8英寸×14英寸的面積上。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)淀積膜的厚度存在一定程度的層次變化，看起來具有不同的明暗度，但是淀積膜的大部分具有相當均勻的厚度。用拉曼譜儀檢測樣品，在1332cm-1處檢測到一個明顯的峰值。對樣品橫截面利用掃描式電子顯微鏡(SEM)照相確定的淀積膜的大部分厚度約為30微米，對淀積膜上表面的金相實驗表明淀積膜由若干小平面組成。
實施例2本實施例采用圖3所示的裝置(除了輸入導管18’是與導管19’同軸并且位于導管19’內(nèi)，其余部分如圖1所示的腔室10)和如圖4所示的能量發(fā)生器生產(chǎn)多晶金剛石膜。該腔室包括一塊石英制成的平面底板12，該底板0.375英寸(1厘米)厚、大約10英寸(25厘米)長、5英寸(12.5厘米寬)。拱形部分14’是由一個直徑大約為6英寸(15厘米)的圓柱體，沿其5英寸(12.5厘米)的弦切割而成。拱形部分的壁厚約為0.125英寸(0.32厘米)。
該實施例采用了由18個導體回路構(gòu)成的陣列，其中的導體為1.27厘米直徑的U形銅管，回路的長邊(圖4中所示的24b)長度為53厘米、底邊(圖4中所示的24a)長度為18厘米。本實施例使用了由11個250微微法、30千伏(測試電壓)的電容器構(gòu)成的電容器組，其總電容值為2750微微法，并且該電路工作的諧振頻率為8兆赫茲。
將直徑大約為5英寸(10厘米)的兩個硅片插入腔室中，并放置在底板上。將腔室抽真空，并將水蒸氣和乙醇蒸氣的混合物導入腔室中，水蒸氣的導入流率為8標準立方厘米、乙醇蒸氣的導入流率為12標準立方厘米。啟動電源，激發(fā)等離子體，使腔室中的壓力達到0.7乇。將真空管陽極板上的直流電壓設定為7.3千伏，從而形成頻率為8.5兆赫茲的1.8安培的陽極電流。保持這一狀態(tài)120小時。隨后切斷電壓，將裝置排氣，并將硅片從腔室中取出。金剛石膜已經(jīng)淀積在這些硅片上，以及腔室的拱形部分的內(nèi)表面上。
從拱形部分內(nèi)表面上分離出來的淀積膜面積約為8英寸×8英寸(20厘米×20厘米)。掃描式電子顯微鏡照相表明這種淀積膜具有較好的平面度，其厚度為70微米。拉曼譜儀檢測表明所得到的淀積膜在強發(fā)光背景下具有一個1332厘米-1的十分清晰的峰值。從硅片上分離出來的淀積膜顯示出具有較好的拉曼光譜，并具有尖銳的峰值和非常低的背景發(fā)光。有趣的是，淀積在硅片上的金剛石較厚，這可能是由于硅片放置在比拱形部分厚的平底板上使得基片的溫度較高而造成的。
實施例3該實施例中采用如在實施例2中所述的相似裝置蝕刻一個硅片，但是少用了一些導體回路，總電容為1000-1500微微法。將硅片放置在腔室的底板上，將腔室抽真空使其壓力降低到0.050乇以下。利用一個質(zhì)量流量控制器將氫氣以40標準立方厘米的流率導入腔室中，之后啟動電源，激發(fā)等離子體。使腔室壓力達到0.124乇，將功率管陽極板上的直流電壓設定在3.2千伏，產(chǎn)生頻率為13.56兆赫茲的0.8安培的陽極電流。在進行等離子體處理過程中通過石英拱頂測量發(fā)光譜。發(fā)光譜表明對于原子氫在656納米和486納米處有兩個峰值，此外，在414納米處存在相當大的發(fā)光，這表明在蝕刻過程中產(chǎn)生了氫化硅。處理過程持續(xù)3小時40分鐘，隨后切斷電壓，將裝置排氣，從腔室中取出硅片。經(jīng)過處理的硅片會發(fā)生可見的變化。SEM顯微照相表明硅表面已經(jīng)被氫等離子體輻照而明顯地蝕刻了。
實施例4在該實施例中使用如實施例3中所述的裝置清理一塊5英寸直徑大小的硅片，該硅片曾噴涂有3M“super 77”噴涂膠，并已干燥。膠層的厚度約為500微米。將硅片切割成兩半，并將其中的一半放入腔室中的底板上。將腔室抽真空到0.005乇，通過一個針閥將水蒸氣導入腔室中，直到腔室中壓力達到0.050乇。啟動電源，激發(fā)等離子體。在真空管的陽極板上施加3千伏的直流電壓，形成0.75安培的陽極電流。最初，大約2分鐘，當膠被熔化時系統(tǒng)壓力達到最大值。壓力達到最大值使得等離子體耗盡，然后當壓力恢復到初始的低壓狀態(tài)時重新形成等離子體。系統(tǒng)壓力在2分鐘內(nèi)穩(wěn)定在壓力為0.045乇、陽極電壓為2.5千伏和陽極電流為0.75安培的狀態(tài)。然后系統(tǒng)運行大約5分鐘，之后切斷電源，將系統(tǒng)排氣、并將硅片從腔室中取出。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)清理并不完全；只有硅片的中央部分被清理干凈了。接著再次進行處理，將水蒸氣導入，使腔室內(nèi)壓力在激發(fā)等離子體之前為0.070乇，在激發(fā)等離子體之后為0.119乇。陽極電壓為3千伏，陽極板電流為1安培。繼續(xù)進行處理15分鐘，然后膠質(zhì)似乎開始熔解，但是在硅片上仍然有殘留物。重新裝入樣品，再次處理15分鐘，其間壓力為0.130乇、陽極電壓為3千伏、陽極電流為0.8安培。經(jīng)過15分鐘后中斷處理，將樣品取出并進行檢查。還有一些象微小顆粒一樣的殘留物存在，但是很容易用濕布從硅片表面擦掉。
顯然根據(jù)上述的教導，很容易對本發(fā)明作出各種改進和變化。所以應當理解在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除了本申請所述的具體形式之外，還可以以其它方式實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種采用等離子體處理基片的方法，該方法包括以下步驟a)提供一個腔室，該腔室具有一條縱向軸和圍繞該縱向軸的側(cè)壁；b)提供一個沿軸向延伸的載流導體陣列，這些導體至少部分地環(huán)繞著該腔室，并且基本垂直于該腔室的縱向軸；c)向該腔室中提供氣體物質(zhì)；d)向?qū)w中提供高頻電流，以通過磁感生作用使腔室中的氣體電離，形成圍繞所說縱向軸和沿所說縱向軸延伸的、并且其形狀與所說腔室的側(cè)壁形狀一致的等離子體層；和e)將沿縱向軸方向延伸的一個工件表面暴露在該等離子體層中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的載流導體構(gòu)成以并聯(lián)方式電連接的回路。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說腔室至少有一個側(cè)壁是平面的，所說等離子體層以平面層形式平行于所說平面?zhèn)缺谘由臁?br> 4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為100平方厘米，所說等離子體層在所說平面?zhèn)缺诒砻嫔涎由臁?br> 5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為1平方米。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說氣體物質(zhì)構(gòu)成等離子體層中蝕刻所說工件表面的一種物質(zhì)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說氣體物質(zhì)構(gòu)成等離子體層中清理覆蓋在工件表面上物質(zhì)的一種物質(zhì)。
8.用等離子體處理基片的一種方法，該方法包括以下步驟a)提供一個腔室，該腔室具有一條縱向軸和圍繞該縱向軸并平行于所說縱向軸延伸的側(cè)壁，其中至少一個側(cè)壁是平面的；b)提供一個沿軸向延伸的載流導體回路陣列，這些回路環(huán)繞著所說平面?zhèn)缺冢敬怪庇谒f縱向軸，并且以并聯(lián)方式電連接；c)向該腔室中提供氣體物質(zhì)；d)向?qū)w回路中提供高頻電流，以通過磁感生作用使腔室中的氣體電離，形成圍繞所說縱向軸和沿所說縱向軸延伸的、并且其形狀與所說腔室的側(cè)壁形狀一致的等離子體層，所說等離子體層的一部分以平行于所說平面?zhèn)缺诘钠矫鎸有问窖由?；e)將沿縱向軸方向延伸的一個工件表面暴露在該等離子體層中。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為100平方厘米，所說平面等離子體層在所說平面?zhèn)缺诒砻嫔涎由臁?br> 10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為1平方米，所說平面等離子體層在所說平面?zhèn)缺诒砻嫔涎由臁?br> 11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所說氣體物質(zhì)構(gòu)成等離子體層中蝕刻所說工件表面的一種物質(zhì)。
12.一種形成金剛石膜的方法，該方法包括以下步驟a)提供一個腔室，該腔室具有一條縱向軸和至少部分地圍繞該縱向軸的側(cè)壁；b)提供一個沿軸向延伸的載流導體陣列，這些導體環(huán)繞著該腔室，并且基本垂直于該腔室的縱向軸；c)向該腔室中提供一種氣體金剛石前體原材料；d)向?qū)w中提供高頻電流，以通過磁感生作用使腔室中的氣體電離，形成圍繞所說縱向軸和沿所說縱向軸延伸的、并且其形狀與所說腔室的側(cè)壁形狀一致的等離子體層；e)將沿縱向軸方向延伸的一個工件表面暴露在該等離子體層中并用于淀積金剛石膜。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所說的載流導體以并聯(lián)方式電連接。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所說腔室至少有一個側(cè)壁是平面的，所說等離子體層以平面層形式平行于腔室的所說平面?zhèn)缺谘由臁?br> 15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所說工件表面是平面的，并且平行地暴露于所說平面等離子體層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所說平面工件表面的面積至少為100平方厘米，所說平面等離子體層沿所說平面工件表面延伸。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所說平面工件表面的面積至少為1平方米，所說平面等離子體層沿所說平面工件表面延伸。
18.一種形成金剛石膜的方法，該方法包括以下步驟a)提供一個腔室，該腔室具有一條縱向軸和圍繞該縱向軸并平行于該縱向軸延伸的側(cè)壁，其中至少一個側(cè)壁是平面的；b)提供一個沿軸向延伸的載流導體回路陣列，所說回路分別部分地環(huán)繞著該腔室，基本垂直于該腔室的縱向軸，并且以并聯(lián)方式電連接；c)向該腔室中提供一種氣體金剛石前體原材料；d)向?qū)w回路中提供高頻電流，以通過磁感生作用使腔室中的氣體電離，形成圍繞所說縱向軸和沿所說縱向軸延伸的、并且其形狀與所說腔室的側(cè)壁形狀一致的等離子體層，所說等離子體層的一部分以平面層形式平行于所說平面?zhèn)缺谘由?；e)將沿縱向軸方向延伸的一個工件表面暴露在該等離子體層中。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為100平方厘米，所說工件表面暴露于所說等離子體層的平面層部分。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所說平面?zhèn)缺诘拿娣e至少為1平方米，所說工件表面在所說等離子體層的平面層部分的外邊界處暴露于所說等離子體層的平面層部分。
21.一種等離子體處理裝置，它包括一個腔室，該腔室具有一縱向軸和圍繞著該縱向軸的側(cè)壁，其中至少一個側(cè)壁是平行于所說縱向軸的較寬大的平面壁；用于向所說腔室中提供氣體的裝置；一個沿軸向延伸并圍繞著所說腔室的載流導體回路陣列，所說導體回路陣列基本垂直于所說縱向軸，并建立一個平行于所說腔室的縱向軸的磁場；和與所說導體陣列連接的一個電源，該電源用于向?qū)w回路提供高頻電流以通過磁感生作用使腔室中的氣體物質(zhì)電離。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于各個導體回路以并聯(lián)方式電連接。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所說導體回路至少部分由冷卻管構(gòu)成。
24.用等離子體處理工件表面的一種方法，該方法包括以下步驟a)提供一個腔室，該腔室具有一條縱向軸和圍繞該縱向軸的側(cè)壁；b)向該腔室中提供氣體物質(zhì)；c)在所說腔室中產(chǎn)生磁感生等離子體層，所說等離子體層圍繞所說縱向軸和沿所說縱向軸延伸，并且其形狀與所說腔室的側(cè)壁形狀一致；d)按照沿所說腔室縱向軸延伸的方向放置所說工件表面，并將所說工件表面暴露于所說等離子體層中。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于其中放置工件表面的步驟d)包括將工件表面暴露于所說等離子體層的外邊界處的步驟。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于其中產(chǎn)生等離子體層的步驟c)包括以下步驟在至少部分地環(huán)繞著所說腔室并基本垂直于所說腔室的縱向軸的導體回路中產(chǎn)生高頻電流，所說高頻電流在腔室中沿平行于所說縱向軸的方向產(chǎn)生一個磁場，所說磁場的強度足以使腔室中的氣體物質(zhì)磁感生電離。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于在至少部分地環(huán)繞著所說腔室的沿軸向延伸的載流導體陣列中產(chǎn)生所說的高頻電流。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所說陣列由環(huán)繞著所說腔室和以并聯(lián)方式電連接的單個導體構(gòu)成。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所說步驟d)包括蝕刻所說工件表面。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所說步驟d)包括清理所說工件表面。
31.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所說步驟b)包括向所說腔室中提供一種氣體金剛石前體原材料的步驟；和所說步驟d)包括在所說工件表面上淀積一層金剛石膜的步驟。
32.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所說工件表面包括一個面積至少為100平方厘米的平面表面。
33.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于所說工件表面包括一個面積至少為100平方厘米的平面表面。
34.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所說工件表面包括一個面積至少為100平方厘米的平面表面。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于所說工件表面包括一個面積至少為100平方厘米的平面表面。
36.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所說工件表面包括一個面積至少為100平方厘米的平面表面。
37.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所說腔室包括至少兩個平行的平面?zhèn)缺凇?br> 38.一種用等離子體處理工件表面的方法，該方法包括以下步驟a)提供一個具有一縱向軸和圍繞著所說縱向軸的側(cè)壁的腔室，所說腔室的尺寸，使得當所說縱向軸與一個隨時間變化的磁場同向時，該腔室和磁場將形成一層等離子體層，該等離子體層具有適合于對所說工件進行預定的等離子體處理的特性；b)向所說腔室中提供一種氣體物質(zhì)；c)在所說腔室中產(chǎn)生一個隨時間變化的磁場，以磁感生出圍繞并沿所說縱向軸延伸和具有與所說腔室側(cè)壁形狀一致的等離子體層，所說磁場具有這樣的徑向強度分布，使得與所說等離子體層有關(guān)的磁通量足以在所說等離子體層中感生一個周邊電場，該電場足以維持具有進行所說的預定等離子體處理所需的能量密度的等離子體；d)基本平行于所說的隨時間變化的磁場在距所說等離子體層適當距離處放置所說工件表面，并進行所說預定的等離子體處理。
全文摘要
一種產(chǎn)生適合于化學蒸汽淀積、蝕刻和其它工作,特別是適合于淀積大面積金剛石膜的等離子體的方法和裝置,其中由圍繞著一條縱向軸的側(cè)壁所限定的一個腔室被沿軸向延伸的載流導體陣列環(huán)繞著,該導體陣列基本垂直于所說腔室的縱向軸。向該腔室中提供一種氣體物質(zhì)。在導體中產(chǎn)生高頻電流以磁感生電離腔室中的氣體物質(zhì),形成圍繞著并沿該縱向軸延伸和具有與腔室側(cè)壁一致形狀的等離子體層。將沿腔室的縱向軸方向延伸的一個工件表面接近一個側(cè)壁放置,暴露于該等離子體層中,并用該等離子體進行處理。腔室的寬度與高度之比為10∶1,或者更大,從而使得腔室包括一個鄰近該等離子體層的大面積平面表面,并且可以在接近該平面表面設置一個大面積基片或一組基片,從而可以進行大面積處理,例如淀積金剛石等等。
文檔編號C23F4/00GK1181172SQ95197370
公開日1998年5月6日 申請日期1995年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月22日
發(fā)明者羅納德·艾倫·拉德, 羅伯特·卡萊爾·亨德里, 喬治·卡爾頓·赫德森 申請人:研究三角協(xié)會