CN103695868A - 远程磁镜场约束线形等离子体增强化学气相沉积*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，包括有沉积腔，沉积腔分为等离子体发生区、材料表面处理区，沉积腔的顶端和两侧分别设有一块永磁铁，沉积腔的等离子体发生区设有与气源连接的上、下进气管以及与同轴微波源相连接的同轴圆波导，沉积腔的材料表面处理区中设有基片台，沉积腔的底部设有真空机组；在永磁铁组件产生的线形磁镜场约束条件下，使用同轴圆波导在沉积腔中激发工作气体产生线形微波等离子体，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜。本发明能实现半导体薄膜、掺杂半导体薄膜的大尺寸均匀沉积，通过远程通入反应气体实现薄膜的快速、连续沉积，易于实现工业化连续生产。

Description

远程磁镜场约束线形等离子体增强化学气相沉积***
技术领域
本发明属于等离子体与薄膜材料科学研究领域，具体涉及一种远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***。
背景技术
低温等离子体增强化学气相沉积技术（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）在大规模集成电路、太阳能薄膜光伏电池、平板显示器、材料表面改性、功能基团接枝及燃料电池离子交换膜等领域应用的迅速发展，人们迫切地需要一种可以产生高沉积/刻蚀速率、大面积均匀、稳定的低温等离子体发生技术。为了能够在这项技术上取得突破，国内外等离子体业界专家为此做出不懈的努力，采用了很多种方法：其一，采用更加优越的等离子体放电激励源，如直流激励源，低频（~500kHz）激励源，射频（~13.56MHz）激励源，甚高频（~60MHz）激励源，超高频（~500MHz）激励源，双频（13.56MHz+27.12MHz等）激励源，以及微波（~2.45GHz）激励源等；其二，采用更加优越的放电位型，例如用射频做等离子体激励源，可以采用有电极电容/电感耦合射频放电，也可以采用无电极电感耦合放电和螺旋波放电等；其三，采用磁场增强/约束放电，例如用微波激励源，可以采用发散磁场位型，也可以采用多级磁场位型等；其重要的目的是在获得高密度、大面积均匀稳定的等离子体源。一般来说，提高等离子体激励源频率可以获得高的等离子体截止密度，利于提高等离子体密度和降低离子能量，进而提高沉积/刻蚀速率、降低离子轰击对薄膜的损伤等。但同时提高激励源频率存在一些问题，例如电极表面驻波（TEM波）及渐逝波导模式（TE波）引起的沉积速率不均匀。
近年来，一种线形等离子体源引起了国内外专家广泛的关注。与传统的大面积（两维方向）和大体积（三维方向）等离子体源不同，线形等离子体源仅需在一维方向上实现均匀、稳定的等离子体，采用多个线形等离子体源并排，或与被镀样品在水平/垂直方向上以适当速度匀速运动，即可形成大面积均匀的薄膜沉积。这种结构大大降低了高性能等离子体沉积薄膜设备的开发难度，但在沉积某些半导体或掺杂半导体时存在趋肤效应不利于镀膜的连续性运行。
发明内容
针对上述PECVD工艺中的不足之处，本发明提供了一种远程磁镜场约束线形高密度等离子体增强化学气相沉积***，采用本发明的设备和工艺可实现半导体薄膜、掺杂半导体薄膜的沉积，本发明的突出特点是磁镜场约束线形等离子体可提供高密度、大尺度薄膜的沉积，通过远程通入反应气体实现薄膜的快速、连续沉积，且易于实现工业化连续生产。
本发明采用的技术方案是：
一种远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：包括有凸字形的沉积腔，沉积腔分为上、下两部分区域，分别为等离子体发生区、材料表面处理区，沉积腔的顶端设有第一永磁铁，沉积腔的等离子体发生区的两侧分别设有第二、第三永磁铁，第一永磁铁的磁化方向与第二、第三永磁铁的磁化方向相反，沉积腔上设有通向等离子体发生区中的与气源连接的上进气管、下进气管，上进气管、下进气管之间设有贯穿整个等离子体发生区的与同轴微波源相连接的同轴圆波导，沉积腔的材料表面处理区中设有基片台，沉积腔的材料表面处理区的左、右两侧壁上分别设有观察窗口、长方形沉积腔体门，沉积腔的底部设有真空机组；所述的第一、二、三永磁铁组成呈门字形排列的永磁铁组，在永磁铁组件产生的线形磁镜场约束条件下，使用与同轴微波源相连接的同轴圆波导在沉积腔中激发工作气体产生线形微波等离子体，在获得一维方向均匀等离子体的基础上进一步提高等离子体密度，进而进一步提高等离子体沉积速率，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的第一永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三永磁铁的上、下端分别为S极、N极；各永磁铁为长方形柱体，材料为铷铁硼等磁性材料。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的沉积腔为无磁不锈钢的真空腔体。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的基片台为长方形不锈钢基片台，基片台可加热；也可以使用直流、交流或射频电源施加偏压。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的同轴微波源的线形电极处于沉积腔中。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的工作气体为氩气、氢气、氢气与硅烷的混合气体或甲烷。
所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的等离子体发生区与基片台有一定距离，基片台处于远程等离子体发生区。
等离子体增强化学气相沉积***能多单元并用，或平行移动等离子体源，或平行移动基片台基片，实现大面积均匀高密度等离子体化学气相沉积。
本发明的工作原理是：
本发明通过使用长方形腔体结构，腔体上部是较窄的同轴微波等离子体发生区域，下部则是较宽敞的工作区域，来实现产生单一单元的线形等离子体增强化学气相沉积。然而在没有磁场约束的情况下等离子体向真空腔体壁扩散，一方面均匀性不好，另一方面在壁面的复合损失会降低等离子体密度。因此，为了提高线形等离子体的均匀性和等离子体密度，减少复合损失，从而引入了磁镜型磁场位形。使用三块条形磁铁排列在等离子体区腔体外，其中两块位于微波腔体两侧，一块位于微波腔体顶端，磁化方向沿垂直于基片台的方向，且顶端与两侧磁体磁化方向相反。通过适当的距离和磁化强度设计，可以得到上下两端强中间低的磁镜型磁场位形。这样等离子体能够被限制在磁镜中，从而减少了壁面复合的发生。磁场的引入也增加了电子的平均自由程，因而增加了电子的碰撞截面，等离子体密度得到提高。可加热、可加偏压的基片台能进一步控制等离子体中离子和活性基团的能量，提高了沉积的可控性。
本发明的优点是：
本发明采用线形磁镜场磁场位形，提高等离子体密度和大面积均匀性，能实现硅、碳等多种电介质薄膜的快速、连续沉积；仅需要在一维方向上实现均匀、稳定的等离子体，采用多个线形等离子体源并排，或与被镀样品在水平/垂直方向上以适当速度匀速运动，即可形成大面积均匀的薄膜沉积；这种结构大大降低了高性能等离子体沉积薄膜设备的开发难度，与传统大面积和大体积等离子体源相比不需要高功率维持，不仅降低了成本，还提高了可行性和灵活性。
附图说明
图1是远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***的横向截面示意图。
图2是远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***的纵向截面示意图。
图3是远程磁镜约束线形等离子体源的磁场组件示意图。
图4是远程磁镜约束线形等离子体源的磁镜形磁场位形分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
实施例
如图1和图2所示，远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，包括与气源相连接的进气管1和3，与同轴微波源相连接的同轴圆波导2，“凸”字形无磁不锈钢真空腔体11，长方形沉积腔体门4，观察窗口7，内置可加热、加偏压基片台5，真空机组6，和永磁铁8、9、10组成的磁场组件。本远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***中，使用机械泵-分子泵级联真空机组6抽真空，本底真空可达10-4Pa量级。用于沉积的工作气体通过上进气管1和下进气管3进入真空室内，其中惰性气体和还原性气体通过进气管1，反应性前驱物气体通过进气管3进入等离子体下游区域，这样的气路设计有助于减少沉积过程中对微波腔体产生的污染。同轴圆波导2两端分别与2.45GHz的同轴微波源相接，以降低使用单一微波源因微波在波导中的衰减造成的等离子体不均匀性。基片台5的位置能根据不同工况上下调节以获得最佳沉积条件，通过外接加热电源能对衬底加热，也可以与直流、交流、射频电源相接对基片形成偏压，这样实现控制到达衬底上的离子和活性基团的最佳沉积能量。长方形沉积腔门4的长度和高度与沉积腔11的尺寸相匹配，可以放入或取出大尺寸的衬底材料。通过观察窗口7可以观察装置中等离子体放电状况，也可作为光谱仪器的窗口诊断等离子体参数。三块永磁铁8、9、10通过适当的组合形成的磁镜型磁场位形用于提高等离子体的密度和均匀性。
    如图3所示，磁场组件由永磁铁8、9、10组成。它们的磁化方向如图中所示，两侧磁体8、9的磁化方向与上磁体10相反。使用的铷铁硼磁体的磁场强度由磁化强度与磁铁大小控制，磁铁的纵向长度远大于横向尺寸以形成线形磁镜型磁场位形。
    如图4所示，是磁场组件在空间中产生的磁场位形横截面，上下端磁力线密集，中间磁力线相对稀疏，是典型的磁镜型磁场位形。

Claims (7)

1.一种远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：包括有凸字形的沉积腔，沉积腔分为上、下两部分区域，分别为等离子体发生区、材料表面处理区，沉积腔的顶端设有第一永磁铁，沉积腔的等离子体发生区的两侧分别设有第二、第三永磁铁，第一永磁铁的磁化方向与第二、第三永磁铁的磁化方向相反，沉积腔上设有通向等离子体发生区中的与气源连接的上进气管、下进气管，上进气管、下进气管之间设有贯穿整个等离子体发生区的与同轴微波源相连接的同轴圆波导，沉积腔的材料表面处理区中设有基片台，沉积腔的材料表面处理区的左、右两侧壁上分别设有观察窗口、长方形沉积腔体门，沉积腔的底部设有真空机组；所述的第一、二、三永磁铁组成呈门字形排列的永磁铁组，在永磁铁组件产生的线形磁镜场约束条件下，使用与同轴微波源相连接的同轴圆波导在沉积腔中激发工作气体产生线形微波等离子体，所通入工作气体在线形微波等离子体作用下在基片台上的基片表面形成薄膜。
2.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的第一永磁铁的上、下端分别为N极、S极，第二、三永磁铁的上、下端分别为S极、N极；各永磁铁为长方形柱体，材料为铷铁硼等磁性材料。
3.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的沉积腔为无磁不锈钢的真空腔体。
4.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的基片台为长方形不锈钢基片台，基片台可加热；也可以使用直流、交流或射频电源施加偏压。
5.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的同轴微波源的线形电极处于沉积腔中。
6.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的工作气体为氩气、氢气、氢气与硅烷的混合气体或甲烷。
7.根据权利要求1所述的远程磁镜约束线形等离子体增强化学气相沉积***，其特征在于：所述的等离子体发生区与基片台有一定距离，基片台处于远程等离子体发生区。
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