專利名稱：一種用于大面積薄膜生長的真空等離子體反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于采用真空等離子體方式進(jìn)行薄膜生長的裝置，具體涉 及一種用于大面積薄膜生長的真空等離子體反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
等離子體是離子和電子的密度大致相當(dāng)?shù)囊环N呈電中性的電離氣體。工業(yè) 使用的等離子體通常屬于低溫等離子體，其等離子體密度在10S—10Hcm's之 間，平均電子溫度約幾個電子伏特，是典型的弱電離氣體。這些低溫等離子體 在電磁波的激勵下通常在一定真空的條件下激發(fā)產(chǎn)生，在真空腔體中通入氣壓 為幾十毫乇到幾十乇之間的不同反應(yīng)氣體，可以實現(xiàn)對半導(dǎo)體晶片、絕緣體、 金屬等基片樣品進(jìn)行不同的處理，如薄膜生長、襯底刻蝕、表面等離子體處理 等。用來激發(fā)產(chǎn)生工業(yè)使用的低溫等離子體的電磁波形式可以是射頻或者微 波。但由于微波激發(fā)的等離子體通常還需要其他昂貴的波導(dǎo)元件作為附件，有 時還需要磁場的約束來產(chǎn)生高密度的等離子體，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；與之 相比，從加工制造的角度考慮，射頻激發(fā)的等離子體裝置具有構(gòu)造簡單、造價 低廉等優(yōu)勢。工業(yè)上較常使用的射頻(RF)等離子體裝置包括兩類， 一類是將RF場通 過電纜經(jīng)由一個匹配網(wǎng)絡(luò)傳輸給真空腔體中的電極板，射頻電場垂直于電極 板，當(dāng)輸入的射頻功率足夠高時，射頻場就可以使反應(yīng)氣體電離，從而激發(fā)產(chǎn) 生射頻等離子體，由此在真空腔體中形成的等離子體通常稱為容性耦合等離子 體；另一類是將RF場通過電纜經(jīng)由一個匹配網(wǎng)絡(luò)傳輸給置于介質(zhì)窗口外部的 感應(yīng)線圈，射頻電場平行于介質(zhì)板，當(dāng)輸入的射頻功率足夠高時，射頻場就可 以使反應(yīng)氣體電離，從而激發(fā)產(chǎn)生射頻等離子體，由此在真空腔體形成的等離 子體通常稱為感性耦合等離子體。連接在射頻電源和電極板或線圏之間的匹配 網(wǎng)絡(luò)通常包含兩個可變電容，通過調(diào)節(jié)這兩個可變電容可使得射頻電源的阻抗
與等離子體的負(fù)載阻抗相匹配，從而獲得最大的射頻功率傳輸效率。反應(yīng)氣體通常是在反應(yīng)腔體頂部以噴淋方式進(jìn)入腔體，在腔體的底部則由 真空機(jī)組組成的抽氣系統(tǒng)將殘余氣體抽出?；瑯悠吠ǔ７胖迷诘入x子體激發(fā) 區(qū)底部的一個電極上。通常，底部電極可以加熱，通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞 給基片，提髙基片表面薄膜生長的質(zhì)量。對基片進(jìn)行刻蝕處理時，底部電極則 不需要加熱，而通常施加一個較低頻率的射頻偏壓電源，以增強(qiáng)基片的刻蝕效 果。盡管上述反應(yīng)器結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于加工現(xiàn)有技術(shù)的樣品，但是，在處理大尺寸 樣品尤其是需要在玻璃襯底上髙速生長大面積均勻的硅薄膜時，上述結(jié)構(gòu)的等 離子體反應(yīng)器將不能滿足使用要求。單純地放大反應(yīng)器的口徑及電板板或介質(zhì) 板的直徑存在問題 一方面，硅薄膜生長的均勻性取決于電磁波激發(fā)等離子體 的均勻性，而這又決定于真空等離子體反應(yīng)器中的電極板或者介質(zhì)板上方的感 應(yīng)線圈激勵產(chǎn)生射頻場的均勻性，因此，真空反應(yīng)器口徑放大時如何產(chǎn)生均勻 的射頻場是大面積真空等離子體反應(yīng)器設(shè)計的一個關(guān)鍵。由于受到駐波條件的 影響，并且為了獲得均勻的射頻場，電極板或介質(zhì)板的直徑受到限制，無法制 作大面積的反應(yīng)容腔。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種適用于大面積薄膜生長的真空等離子體反應(yīng)器，在 較大面積范圍內(nèi)提供一個均勻的射頻場。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種用于大面積薄膜生長的 真空等離子體反應(yīng)器，包括反應(yīng)腔體、射頻電源，所述反應(yīng)腔體頂部設(shè)有進(jìn)氣 孔，底部設(shè)有真空抽氣口，所述反應(yīng)腔體內(nèi)設(shè)有與射頻電源通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接 的電極板、用于承載基片的基片架電極，所述電極板為由方形電極構(gòu)成的極板 陣列；所述進(jìn)氣孔經(jīng)分進(jìn)氣管道連通至位于各方形電極板中央的氣體導(dǎo)流孔； 還設(shè)有與上電極板和基片架電極板處于同平面且呈同軸排列的接地勻流環(huán)，所 述接地勻流環(huán)上分布有通孔。上文中，電極板陣列與基片架電極之間構(gòu)成了真空等離子體激發(fā)區(qū)域，由 于采用方形電極板構(gòu)成極板陣列，可以在較大面積范圍內(nèi)獲得均勻的射頻場，同時，氣體導(dǎo)流孔分別位于各個方形電極板的中央，可以保證反應(yīng)氣體的均勻 分布，接地勻流環(huán)對等離子體區(qū)域進(jìn)行了限制，避免等離子體從電極板側(cè)邊泄 漏，以提髙等離子體的均勻性。使用時，啟動射頻電源，輸出的射頻電壓經(jīng)過 匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端口饋入到并聯(lián)的電極板上，利用該電壓在電極板上產(chǎn)生的垂 直電場來擊穿氣體，產(chǎn)生的電子從該電場中獲得能量，并激發(fā)真空腔體內(nèi)的反 應(yīng)氣體，使之產(chǎn)生電離，形成等離子體，即為電容耦合等離子體。該等離子體 由帶電的電子和離子組成，真空腔體中的反應(yīng)氣體在電子的不斷撞擊下，發(fā)生 分解，產(chǎn)生大量的離子或活性基團(tuán)，活性基團(tuán)和基片表面形成化學(xué)反應(yīng)，得以 實現(xiàn)薄膜的生長。其它揮發(fā)性的反應(yīng)生成物則從抽氣口抽出腔體。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述極板陣列由2 4個相同大小的方形電極板并聯(lián)構(gòu) 成，每個極板的邊長在200毫米至500毫米之間，各電極板在同一平面內(nèi)均勻 布置，彼此之間由陶瓷絕緣材料隔離，隔離距離在1毫米至3毫米之間。上述技術(shù)方案中，所述電極板的頂面及四周設(shè)有接地的金屬屏蔽板，所述 從屬屏蔽板與電極板之間由絕緣板隔離。上述技術(shù)方案中，所述射頻電源的激發(fā)頻率髙于27MHz，以利于等離子 體密度的提髙。進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述基片架電極經(jīng)一諧振濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接至直流脈 沖負(fù)偏壓電源。諧振濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要用于隔離來自于施加在陣列方形電極上 的射頻基波電流和髙次諧波電流信號；襯底施加的直流脈沖負(fù)偏壓主要是誘導(dǎo) 等離子體中的離子成份，轟擊基片表面，增強(qiáng)薄膜與基片表面的結(jié)合力。上述技術(shù)方案中，所述直流脈沖負(fù)偏壓電源的脈沖頻率、幅度和占空比可 調(diào)，所述脈沖頻率在6KHz 15KHz的范圍，幅值在士500V之間，占空比在0.1~ 0.5之間。上述技術(shù)方案中，所述基片架電極具有豎直方向的運動自由度，以調(diào)節(jié)等 離子體激發(fā)區(qū)域的間距。所述射頻電源通過匹配網(wǎng)絡(luò)與電極板間的連接結(jié)構(gòu)為，在反應(yīng)腔體頂部穿 透設(shè)置有電極，電極位于電極板陣列的中央位置經(jīng)等長對稱分布的電纜線與各 電極板連接；所述進(jìn)氣孔位于電極頂端中央，各進(jìn)氣分管道與進(jìn)氣孔連通且相 對電極對稱分布。進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述電極板以及各所述電纜線的表面均鍍有銀導(dǎo)電 層，銀導(dǎo)電層的厚度在l微米至IO微米之間。由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點1. 本發(fā)明采用電極板并聯(lián)的方式而不是大電極板方式來獲得大面積的真 空等離子體激發(fā)區(qū)域，提高了射頻功率的耦合效率，可以在較大面積范圍內(nèi)獲 得均勻的射頻場；2. 本發(fā)明中，氣體導(dǎo)流孔分別位于各個方形電極板的中央，可以保證反 應(yīng)氣體的均勻分布，并利用接地勻流環(huán)對等離子體區(qū)域進(jìn)行限制，避免了等離 子體從電極板側(cè)邊泄漏，可以提高等離子體的均勻性。


圖1是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖一中電極板陣列的示意圖。其中1、反應(yīng)腔體；2、基片架電極；3、進(jìn)氣閥；4、匹配網(wǎng)絡(luò)；5、射 頻電源；6、分進(jìn)氣管道；8、電極板；10、電纜線；12、屏蔽板；13、絕緣板； 14、絕緣材料；16、勻流環(huán)；17、電極；18、進(jìn)氣孔；19、電絕緣環(huán)；20、屏 蔽環(huán)；21、濾波網(wǎng)絡(luò)；22、導(dǎo)流孔。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實施例一參見附圖1，其中等離子體反應(yīng)器包括真空反應(yīng)腔體1,其較好的配置方 式為一個圓筒狀設(shè)計，以保證反應(yīng)腔體1相對整個電極的對稱軸線對稱。反應(yīng) 腔體l包含了一個圓筒形的髙導(dǎo)電的金屬側(cè)壁和一個頂蓋，反應(yīng)腔體l底部是 兩個呈對稱放置的抽氣口，由真空機(jī)組(未示出)對反應(yīng)腔體1內(nèi)部進(jìn)行真空 抽氣。頂蓋軸心處設(shè)置有同軸的導(dǎo)電性好的金屬電極17和同軸的電絕緣環(huán)19， 電絕緣環(huán)19將金屬電極17和頂蓋之間電隔離。金屬電極17的軸心處鉆有進(jìn) 氣孔18,并由分進(jìn)氣管道6連通至各電極板中心處的導(dǎo)流孔22以噴淋的方式 均勻?qū)氲降入x子體激發(fā)區(qū)。 與金屬電極17相連的各電纜線IO分別對稱連接到各分電極板8的頂端， 并聯(lián)設(shè)置有4個方形電極板，電極之間的隔離距離在l一2mm之間，所有與電 纜線相連的各分電極板的上半部分所產(chǎn)生的電信號均有接地的屏蔽板12所屏 蔽，各電極板和屏蔽板之間均設(shè)有絕緣板13,只有面向等離子體激發(fā)區(qū)的電 極板部分是開放的。另外，金屬電極17與屏蔽板之間由電絕緣材料進(jìn)行電隔 離，金屬電極17在反應(yīng)腔體1中的部分由屏蔽環(huán)20進(jìn)行信號屏蔽，電隔離材 料為電絕緣環(huán)19?；艿南掳氩课话粋€接地的屏蔽套，電絕緣材料電隔離了基片架電 極2和屏蔽套。基片架電極2通過一個諧振濾波網(wǎng)絡(luò)與一個脈沖偏壓電源相連。 諧振濾波網(wǎng)絡(luò)基本上是由兩級電感和電容的振蕩回路組成。電感和電容組成的 兩級并聯(lián)回路主要是用來阻止甚高頻激發(fā)產(chǎn)生的從等離子體流經(jīng)到下電極板 的基波電流和二次諧波電流。在一個較佳的實施例中，甚高頻激發(fā)頻率為 60MHz,因此，需要將兩級LC振蕩回路分別調(diào)制了 60MHz和120MHz的振 蕩頻率。需要說明的是，盡管上述的利用上電極板和下電極板的位置可以將上極板 所激發(fā)的等離子體界定在兩極板區(qū)域，但仍有部分的電離氣體會從極板激發(fā)區(qū) 域逸出到真空腔體的其他部分，從而降低了等離子體在基片架上的薄膜樣品的 生長均勻性。本實施例中包括了在兩個電極板的外圍設(shè)置了鉆有許多小孔的接 地勻流環(huán)16,勻流環(huán)16的作用是一方面阻止了等離子體向其他真空區(qū)域的擴(kuò) 散，另一方面，增強(qiáng)了所激發(fā)等離子體的局域效果，增加了等離子體的電子密 度，有利于提髙硅薄膜的生長速率。本實施例的真空等離子體反應(yīng)器的工作原理如下，從氣體流量控制器以一 定的流量發(fā)出的工藝氣體通過進(jìn)氣閥3平均分流到各電極板中心的導(dǎo)流孔處， 并以噴淋方式進(jìn)入到等離子體激發(fā)區(qū)域中。在等離子體激發(fā)區(qū)域中，工藝氣體 在甚高頻電場的作用下被轉(zhuǎn)換呈弱離化的等離子體，等離子體中各種基團(tuán)在電 場的作用擴(kuò)散輸運到基片架樣品的表面處，在一定的溫度條件下形成一個薄膜 樣品。上電極板施加的是一個甚高頻電壓信號，下電極施加的是一個直流負(fù)偏 壓脈沖信號。在該較佳的實施例中，甚高頻激發(fā)頻率為60MHz，直流脈沖電 源的脈沖周期為8KHz，占空比為10%。
本實施例中，四組方形電極板(230mmX230mm)并聯(lián)，彼此之間的隔離 材料為聚四氟乙烯，隔離距離為2毫米。調(diào)節(jié)基片架的垂直位置，使得基片架 和電極板的垂直距離為4厘米。將硅垸(與H2混合，混合比例為5: 95)以 100sccm的流量經(jīng)由主進(jìn)氣通道18和各分進(jìn)氣通道6和7進(jìn)入真空室1中， 放電氣壓為4Pa，基片為大面積的玻璃基片。啟動頻率為60MHz的射頻電源， 并激勵等離子體，射頻功率設(shè)定為900W，薄膜沉積時間為30分鐘。玻璃基 片上生長的硅薄膜的總厚度約為320納米，薄膜在400mm范圍內(nèi)不均勻性小 于10%。實施例二基本結(jié)構(gòu)同實施例一，四組方形電極板(230mmX230mm)并 聯(lián)，彼此之間的隔離材料為聚四氟乙烯，隔離距離為2毫米。調(diào)節(jié)基片架的垂 直位置，使得基片架和電極板的垂直距離為5厘米。將硅垸(與H2混合，混 合比例為5: 95)以150sccm的流量經(jīng)由主進(jìn)氣通道18和各分進(jìn)氣通道6和 7進(jìn)入真空室1中，放電氣壓為15Pa,基片為大面積的玻璃基片。啟動頻率 為60MHz的射頻電源，并激勵等離子體，射頻功率設(shè)定為1200W,薄膜沉積 時間為30分鐘。玻璃基片上生長的硅薄膜的總厚度約為500納米，薄膜在 400mm范圍內(nèi)不均勻性小于6% 。
權(quán)利要求
1.一種用于大面積薄膜生長的真空等離子體反應(yīng)器，包括反應(yīng)腔體(1)、射頻電源(5)，所述反應(yīng)腔體頂部設(shè)有進(jìn)氣孔，底部設(shè)有真空抽氣口，所述反應(yīng)腔體內(nèi)設(shè)有與射頻電源通過匹配網(wǎng)絡(luò)(4)連接的電極板、用于承載基片的基片架電極(2)，其特征在于所述電極板(8)為由方形電極構(gòu)成的極板陣列；所述進(jìn)氣孔經(jīng)分進(jìn)氣管道(6)連通至位于各方形電極板中央的氣體導(dǎo)流孔；還設(shè)有與上電極板和基片架電極板處于同平面且呈同軸排列的接地勻流環(huán)，所述接地勻流環(huán)上分布有通孔。
2. 如權(quán)利要求1所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述極板陣 列由2 4個相同大小的方形電極板并聯(lián)構(gòu)成，每個極板的邊長在200毫米至 500毫米之間，各電極板在同一平面內(nèi)均勻布置，彼此之間由陶瓷絕緣材料(14) 隔離，隔離距離在1毫米至3毫米之間。
3. 如權(quán)利要求2所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述電極板 的頂面及四周設(shè)有接地的金屬屏蔽板(12)，所述從屬屏蔽板與電極板之間由絕 緣板(13)隔離。
4. 如權(quán)利要求1所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述射頻電 源的激發(fā)頻率高于27MHz。
5. 如權(quán)利要求1所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述基片架 電極經(jīng)一諧振濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接至直流脈沖負(fù)偏壓電源。
6. 如權(quán)利要求5所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述直流脈 沖負(fù)偏壓電源的脈沖頻率、幅度和占空比可調(diào)，所述脈沖頻率在6KHz 15KHz 的范圍，幅值在士500V之間，占空比在0.1 0.5之間。
7. 如權(quán)利要求1所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述基片架 電極具有豎直方向的運動自由度，以調(diào)節(jié)等離子體激發(fā)區(qū)域的間距。
8. 如權(quán)利要求1所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述射頻電 源通過匹配網(wǎng)絡(luò)與電極板間的連接結(jié)構(gòu)為，在反應(yīng)腔體頂部穿透設(shè)置有電極 (17)，電極位于電極板陣列的中央位置經(jīng)等長對稱分布的電纜線(10)與各電極 板連接；所述進(jìn)氣孔位于電極頂端中央，各進(jìn)氣分管道與進(jìn)氣孔連通且相對電 極對稱分布。
9. 如權(quán)利要求8所述的真空等離子體反應(yīng)器，其特征在于所述電極板 以及各所述電纜線的表面均鍍有銀導(dǎo)電層，銀導(dǎo)電層的厚度在l微米至io微 米之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于大面積薄膜生長的真空等離子體反應(yīng)器，包括反應(yīng)腔體、射頻電源，所述反應(yīng)腔體頂部設(shè)有進(jìn)氣孔，底部設(shè)有真空抽氣口，所述反應(yīng)腔體內(nèi)設(shè)有與射頻電源通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接的電極板、用于承載基片的基片架電極，其特征在于所述電極板為由方形電極構(gòu)成的極板陣列；所述進(jìn)氣孔經(jīng)分進(jìn)氣管道連通至位于各方形電極板中央的氣體導(dǎo)流孔；還設(shè)有與上電極板和基片架電極板處于同平面且呈同軸排列的接地勻流環(huán)，所述接地勻流環(huán)上分布有通孔。本發(fā)明提高了射頻功率的耦合效率，可以在較大面積范圍內(nèi)獲得均勻的射頻場。
文檔編號C23C16/50GK101148756SQ20071013495
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者寧兆元, 左則文, 毅 施, 煜 辛 申請人:蘇州大學(xué);南京大學(xué)