CN109905955B - 原子态等离子体形成装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种原子态等离子体形成装置及其应用。该装置包括：微波等离子体反应单元，用于通过微波能量耦合待激发气体以激发产生等离子体火球；气压控制单元，与微波等离子体反应单元连通，用于向微波等离子体反应单元中输送待激发气体；原子态控制单元，分别与微波等离子体反应单元以及气压控制单元连通，用于对等离子体火球产生气体扰动以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。该装置借助气体扰动，使等离子体维持在初期的原子态，实现了对原子态等离子体与分子态等离子体激发比例的调控；并且，该装置若不启动气体扰动，在等离子体起辉后，反应腔内将维持分子态等离子的激发，从而实现分子态等离子和原子态等离子的调控激发。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体物理领域，具体而言，涉及一种原子态等离子体形成装置及其应用。
背景技术
宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态，也被称为物质的第四状态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。随着人们对等离子体认识的不断深入，等离子体技术也得到了快速发展，目前等离子体技术广泛应用于物理、环境、半导体等领域，例如等离子体冶炼、等离子体喷涂、等离子体焊接、等离子体刻蚀、等离子体氧化等等。
最常见的等离子体产生方法是气体放电法，主要的激励方式有：直流放电、交流放电、射频放电、激光和微波激励。其中微波等离子体能将微波能量转换为气体分子的内能，从而使气体激发、电离产生等离子体。与其他放电等离子体相比，微波等离子体具有很多优势：(1)微波等离子体由于无极高频放电，能避免电极污染；(2)微波等离子体具有更高的电子温度、电子密度以及更宽的发射光谱；(3)利用波导，可以将放电区与工艺操作区隔离。
目前国内对于微波等离子体的研究相对较少，国外的研究也不完全成熟。许多研究多集中在研究微波激发等离子体的性质如何，并未尝试对其激发种类进行调控。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种原子态等离子体形成装置及其应用，以实现对等离子体激发种类的调控。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了原子态等离子体形成装置，包括：微波等离子体反应单元，用于通过微波能量耦合待激发气体以激发产生等离子体火球；气压控制单元，与微波等离子体反应单元连通，用于向微波等离子体反应单元中输送待激发气体；原子态控制单元，分别与微波等离子体反应单元以及气压控制单元连通，用于对等离子体火球产生气体扰动以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
进一步地，气压控制单元包括：气体输送管线，与微波等离子体反应单元连通；第一电磁阀，设置于气体输送管线上，用于控制气体输送管线中的气体流量。
进一步地，气压控制单元还包括：真空泵，与微波等离子体反应单元连通；第二电磁阀，设置于真空泵与微波等离子体反应单元连通的管线上；压力传感器，与微波等离子体反应单元连通，并分别与第一电磁阀和第二电磁阀电连接，用于在微波等离子体反应单元中的气压变化时产生调节信号以调节第一电磁阀与第二电磁阀的开关。
进一步地，原子态控制单元包括：光谱仪，光谱仪的探头设置于微波等离子体反应单元中，用于采集等离子体激发光谱；气嘴，设置于微波等离子体反应单元中，并与气体输送管线连通，用于对等离子体火球产生气体扰动；第一控制模块，分别与光谱仪和第一电磁阀电连接，第一控制模块用于在判断激发光谱为分子态氧等离子体激发光谱时输出判断信号以控制第一电磁阀的开关。
进一步地，原子态控制单元还包括：流量计，设置于与气体输送管线上，用于检测经过气嘴的气体流量；第二控制模块，与第一电磁阀电连接，用于调整第一电磁阀的开度以调节经过气嘴的气体流量。
进一步地，原子态等离子体形成装置还包括微波产生单元以及微波传输单元，微波传输单元分别与微波产生单元和微波等离子体反应单元连通。
进一步地，形成装置还包括冷却单元，冷却单元围绕微波产生单元和微波等离子体反应单元设置。
根据本发明的另一方面，提供了一种原子态等离子体的激发方法，采用上述的原子态等离子体形成装置，激发方法包括以下步骤：S1，向原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元中输送待激发气体，通过微波能量耦合待激发气体，以激发产生等离子体火球；S2，向原子态等离子体形成装置的原子态控制单元中输送扰动气体，通过扰动等离子体火球，以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
进一步地，待激发气体和扰动气体独立地选自氧气、氮气、稀有气体及其同位素中的任一种或多种。
进一步地，步骤S1，在300～3000W的第一微波功率和300Pa～10kPa的第一气体压强的条件下，使等离子体起辉；步骤S2，在300～3000W的第二微波功率和300Pa～10kPa第二气体压强的条件下，对等离子体火球产生气体扰动以使至少部分等离子体维持激发初期的原子态。
根据本发明的另一方面，还提供了一种半导体材料的等离子体处理方法，将半导体材料设置于原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元中进行等离子体处理，等离子体采用上述的原子态等离子体的激发方法产生，原子态等离子体形成装置为上述的原子态等离子体形成装置中。
进一步地，等离子体处理包括氧化处理和氮化处理，半导体材料包括硅和碳化硅。
应用本发明的技术方案，提供了一种原子态等离子体形成装置，该装置借助气体扰动，使等离子体维持在初期的原子态，实现了对原子态等离子体与分子态等离子体激发比例的调控；并且，该装置若不启动气体扰动，在等离子体起辉后，反应腔内将维持分子态等离子的激发。因而该装置可以实现分子态等离子和原子态等离子的调控激发，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施方式所提供的一种原子态等离子体形成装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例1所提供的原子态等离子体形成装置分别激发原子态氧等离子体5min的光谱图；
图3示出了本发明实施例1所提供的原子态等离子体形成装置分别激发原子态氧等离子体11min的光谱图；
图4示出了本发明实施例2所提供的原子态等离子体形成装置激发原子态氧等离子体5min的光谱图；
图5示出了采用本发明实施例1所提供的原子态等离子体形成装置微波氧化碳化硅时，原子态氧等离子体激发光谱图和分子态氧等离子体激发光谱图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、微波等离子体反应单元；110、反应腔；120、基台；210、气体输送管线；220、第一电磁阀；230、真空泵；240、第二电磁阀；250、压力传感器；310、光谱仪；311、探头；320、气嘴；331、第一控制模块；332、第二控制模块；340、流量计；40、微波产生单元；50、微波传输单元；60、冷却单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
正如背景技术中所介绍的，目前国内对于微波等离子体的研究相对较少，国外的研究也不完全成熟。许多研究多集中在研究微波激发等离子体的性质如何，并未尝试对其激发种类进行调控。
本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种原子态等离子体形成装置，如图1所示，包括微波等离子体反应单元10、气压控制单元和原子态控制单元，微波等离子体反应单元10用于通过微波能量耦合待激发气体以激发产生等离子体火球；气压控制单元与微波等离子体反应单元10连通，用于向微波等离子体反应单元10中输送待激发气体；原子态控制单元分别与微波等离子体反应单元10以及气压控制单元连通，用于对等离子体火球产生气体扰动以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
上述装置借助气体扰动，使等离子体维持在初期的原子态，实现了对原子态等离子体与分子态等离子体激发比例的调控；并且，该装置若不启动气体扰动，在等离子体起辉后，反应腔内将维持分子态等离子的激发。因而该装置可以实现分子态等离子和原子态等离子的调控激发，具有非常广泛的应用前景。
在本发明提供的原子态等离子体形成装置中，如图1所示，微波等离子体反应单元10可以包括具有反应腔110的石英管以及升降基台120，升降基台120设置于反应腔110中。
在本发明提供的原子态等离子体形成装置中，如图1所示，上述气压控制单元可以包括气体输送管线210和第一电磁阀220，气体输送管线210与微波等离子体反应单元10连通；第一电磁阀220设置于气体输送管线210上，用于控制气体输送管线210中的气体流量。
优选地，上述气压控制单元还包括真空泵230、第二电磁阀240和压力传感器250，如图1所示，真空泵230与微波等离子体反应单元10连通；第二电磁阀240设置于真空泵230与微波等离子体反应单元10连通的管线上；压力传感器250与微波等离子体反应单元10连通，并分别与第一电磁阀220和第二电磁阀240电连接，用于在微波等离子体反应单元10中的气压变化时产生调节信号以调节第一电磁阀220与第二电磁阀240的开关。
上述气压控制单元还可以包括气瓶和放气阀，气瓶通过气体输送管线210向微波等离子体反应单元10输送待激发气体和扰动气体，当上述激发气体和上述扰动气体的种类不同时，气压控制单元包括多个气瓶，用于存储不同种类的气体；上述放气阀设置于微波等离子体反应单元10上，用于排放微波等离子体反应单元10中的气体。
在本发明提供的原子态等离子体形成装置中，优选地，上述原子态控制单元包括光谱仪310、气嘴320和第一控制模块331，如图1所示，光谱仪310的探头311设置于微波等离子体反应单元10中，用于采集等离子体激发光谱；气嘴320，设置于微波等离子体反应单元10中，并与气体输送管线210连通，用于对等离子体火球产生气体扰动；第一控制模块331分别与光谱仪310和第一电磁阀220电连接，第一控制模块331用于在判断激发光谱为分子态氧等离子体激发光谱时输出判断信号以控制第一电磁阀220的开关。
上述光谱仪310可以为现有技术中常规的光纤光谱仪，包括光线探头、光谱仪和光纤，光线探头设置于微波等离子体反应单元10的内部并通过光纤与外部的光谱仪电连接。
更为优选地，上述原子态控制单元还包括流量计340和第二控制模块332，如图1所示，流量计340设置于与气体输送管线210上，用于检测经过气嘴320的气体流量；第二控制模块332与第一电磁阀220电连接，用于调整第一电磁阀220的开度以调节经过气嘴320的气体流量。
上述第一控制模块331和上述第二控制模块332可以集成在一个计算机中通过控制端进行操作，原子态产生及维持均由计算机控制端自动调节，并通过该计算机调控原子态和分子态等离子体激发比例。
本发明提供的原子态等离子体形成装置还可以包括微波产生单元40以及微波传输单元50，如图1所示，微波传输单元50分别与微波产生单元40和微波等离子体反应单元10连通。微波产生单元40主要由微波源及控制柜组成；微波传输单元50可以为波导。
本发明提供的原子态等离子体形成装置还可以包括冷却单元60，如图1所示，冷却单元60围绕微波产生单元40和微波等离子体反应单元10设置。上述冷却单元60可以为水冷设备或换热器，如图1所示，冷水或换热介质从冷却单元60的入水口，对微波产生单元40和微波等离子体反应单元10降温后从冷却单元60的出水口排出。
根据本发明的另一方面，还提供了一种原子态等离子体的激发方法，该激发方法采用上述的原子态等离子体形成装置，如图1所示，且该激发方法包括以下步骤：S1，向原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元10中输送待激发气体，通过微波能量耦合待激发气体，以激发产生等离子体火球；S2，向原子态等离子体形成装置的原子态控制单元中输送扰动气体，通过扰动等离子体火球，以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
上述待激发气体和上述扰动气体可以独立地选自氧气、氮气、稀有气体及其同位素中的任一种或多种。例如16O2和18O2等氧的同位素均可以激发并维持原子态氧等离子体。
在一种优选的实施方式中，在上述步骤S1中，在300～3000W的第一微波功率和300Pa～10kPa的第一气体压强的条件下，使等离子体起辉；
在一种优选的实施方式中，在上述步骤S2中，在300～3000W的第二微波功率和300Pa～10kPa第二气体压强的条件下，对等离子体火球产生气体扰动以使至少部分等离子体维持激发初期的原子态。
根据本发明的另一方面，还提供了一种半导体材料的等离子体处理方法，将半导体材料设置于原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元10中进行等离子体处理，等离子体采用上述的原子态等离子体的激发方法产生，且原子态等离子体形成装置为上述的原子态等离子体形成装置中。
上述等离子体处理方法可以用于半导体材料氧化、氮化等处理，半导体材料可以为现有技术中的常规种类，例如硅氧化、碳化硅氧化、碳化硅氮化等等。
下面将结合实施例进一步说明本发明所提供的原子态等离子体形成装置、原子态等离子体的激发方法以及半导体材料的等离子体处理方法。
实施例1
本实施例提供的半导体材料的等离子体处理方法采用上述的原子态等离子体形成装置，该等离子体处理方法包括以下步骤：
步骤1：通电开启原子态等离子体形成装置，确认循环水、冷却风扇、气瓶通气等均正常工作状态；
步骤2：降基台，放碳化硅片，升基台。打开真空泵，对等离子体反应单元进行抽真空，直至真空度达到6E-1；
步骤3：设定起辉条件，在微波控制台设定输入功率400W，在计算机控制端设定气体压强0.4kPa，流量0.2L/min，等待起辉；
步骤4：起辉后调节微波控制台及计算机控制端，以达到所需工艺条件：微波功率500W、气体压强0.5kPa、流量0.2L/min；
步骤5：起辉后，光谱仪采集氧等离子体激发光谱，送至计算机控制端，计算机控制端记录到分子态氧等离子体激发光谱，产生电信号，送至电磁阀，使电磁阀开启，氧气以流量计控制的流量经过气嘴，对等离子体火球产生气体扰动；
步骤6：若等离子体反应腔内气压在气体扰动后偏离设定气体压强，压力传感器连接反应腔感受到气压的变化，产生电信号，分别送至真空泵与氧气气瓶处的电磁阀，调节二者通断以改变反应腔内气压；
步骤7：反应结束后，关闭微波控制台及计算机控制端等，取出碳化硅实验片。
实施例2
本实施例进一步采用实施例1中的原子态等离子体形成装置进行等离子体处理，该等离子体处理方法包括以下步骤：
步骤1：通电开启离子体形成装置，确认循环水、冷却风扇、气瓶通气等均正常工作状态；
步骤2：降基台，放碳化硅片，升基台。打开真空泵，对等离子体反应单元进行抽真空，直至真空度达到5E-1；
步骤3：设定起辉条件，在微波控制台设定输入功率300W，在计算机控制端设定气体压强0.3kPa，流量0.4L/min，等待起辉；
步骤4：起辉后调节微波控制台及计算机控制端，以达到所需工艺条件：微波功率700W、气体压强6kPa、流量0.4L/min；
步骤5：起辉后，光谱仪采集等离子体激发光谱，送至计算机控制端。计算机控制端记录到分子态等离子体激发光谱，产生电信号，送至电磁阀，使电磁阀开启，氩气以流量计控制的流量经过气嘴，对等离子体火球产生气体扰动；
步骤6：若等离子体反应腔内气压在气体扰动后偏离设定气体压强，压力传感器连接反应腔感受到气压的变化，产生电信号，分别送至真空泵与氮气气瓶处的电磁阀，调节二者通断以改变反应腔内气压；
步骤7：反应结束后，关闭微波控制台及计算机控制端等，取出碳化硅实验片。
获取上述实施例1中的装置在等离子体处理过程中激发原子态氧等离子体5min和11min的光谱图，分别如图2和图3所示，可见，同一次反应中，实施例1中的装置可以稳定维持原子态氧等离子体激发，几乎不随时间而改变。
获取上述实施例1和实施例2中分别激发原子态氧等离子体5min的光谱图，分别如图2和图4所示所示，可见，本装置也在维持原子态氧等离子体激发的同时，稳定性较好。
并且，获取上述实施例1中微波氧等离子体氧化碳化硅时，原子态氧等离子体激发光谱图和分子态氧等离子体激发光谱图，如图5所示，由图5的氧等离子体光谱图能够清晰看出原子态氧等离子体激发和分子态氧等离子体激发。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、上述原子态等离子体形成装置借助气体扰动，使等离子体维持在初期的原子态，实现了对原子态等离子体与分子态等离子体激发比例的调控；
2、上述原子态等离子体形成装置若不启动气体扰动，在等离子体起辉后，反应腔内将维持分子态等离子的激发。因而该装置可以实现分子态等离子和原子态等离子的调控激发，具有非常广泛的应用前景；
3、相比以往多集中在低压区的微波装置，上述原子态等离子体形成装置能够在高压条件下，激发等离子体的产生。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种原子态等离子体形成装置，其特征在于，包括：
微波等离子体反应单元(10)，用于通过微波能量耦合待激发气体以激发产生等离子体火球；
气压控制单元，与所述微波等离子体反应单元(10)连通，用于向所述微波等离子体反应单元(10)中输送所述待激发气体；
原子态控制单元，分别与所述微波等离子体反应单元(10)以及所述气压控制单元连通，用于对所述等离子体火球产生气体扰动以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
2.根据权利要求1所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述气压控制单元包括：
气体输送管线(210)，与所述微波等离子体反应单元(10)连通；
第一电磁阀(220)，设置于所述气体输送管线(210)上，用于控制所述气体输送管线(210)中的气体流量。
3.根据权利要求2所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述气压控制单元还包括：
真空泵(230)，与所述微波等离子体反应单元(10)连通；
第二电磁阀(240)，设置于所述真空泵(230)与所述微波等离子体反应单元(10)连通的管线上；
压力传感器(250)，与所述微波等离子体反应单元(10)连通，并分别与所述第一电磁阀(220)和所述第二电磁阀(240)电连接，用于在所述微波等离子体反应单元(10)中的气压变化时产生调节信号以调节所述第一电磁阀(220)与所述第二电磁阀(240)的开关。
4.根据权利要求2所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述原子态控制单元包括：
光谱仪(310)，所述光谱仪(310)的探头(311)设置于所述微波等离子体反应单元(10)中，用于采集等离子体激发光谱；
气嘴(320)，设置于所述微波等离子体反应单元(10)中，并与所述气体输送管线(210)连通，用于对所述等离子体火球产生气体扰动；
第一控制模块(331)，分别与所述光谱仪(310)和所述第一电磁阀(220)电连接，所述第一控制模块(331)用于在判断所述激发光谱为分子态氧等离子体激发光谱时输出判断信号以控制所述第一电磁阀(220)的开关。
5.根据权利要求4所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述原子态控制单元还包括：
流量计(340)，设置于与所述气体输送管线(210)上，用于检测经过所述气嘴(320)的气体流量；
第二控制模块(332)，与所述第一电磁阀(220)电连接，用于调整所述第一电磁阀(220)的开度以调节经过所述气嘴(320)的气体流量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述原子态等离子体形成装置还包括微波产生单元(40)以及微波传输单元(50)，所述微波传输单元(50)分别与所述微波产生单元(40)和所述微波等离子体反应单元(10)连通。
7.根据权利要求6所述的原子态等离子体形成装置，其特征在于，所述形成装置还包括冷却单元(60)，所述冷却单元(60)围绕所述微波产生单元(40)和所述微波等离子体反应单元(10)设置。
8.一种原子态等离子体的激发方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的原子态等离子体形成装置，所述激发方法包括以下步骤：
S1，向所述原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元(10)中输送待激发气体，通过微波能量耦合所述待激发气体，以激发产生等离子体火球；
S2，向所述原子态等离子体形成装置的原子态控制单元中输送扰动气体，通过扰动所述等离子体火球，以调控原子态等离子体与分子态等离子体的激发比例。
9.根据权利要求8所述的激发方法，其特征在于，所述待激发气体和所述扰动气体独立地选自氧气、氮气、稀有气体及其同位素中的任一种或多种。
10.根据权利要求8所述的激发方法，其特征在于，
所述步骤S1，在300～3000W的第一微波功率和300Pa～10kPa的第一气体压强的条件下，使所述等离子体起辉；
所述步骤S2，在300～3000W的第二微波功率和300Pa～10kPa第二气体压强的条件下，对所述等离子体火球产生气体扰动以使至少部分所述等离子体维持激发初期的原子态。
11.一种半导体材料的等离子体处理方法，将所述半导体材料设置于原子态等离子体形成装置的微波等离子体反应单元(10)中进行所述等离子体处理，其特征在于，所述等离子体采用权利要求8至10中任一项所述的原子态等离子体的激发方法产生，所述原子态等离子体形成装置为权利要求1至7中任一项所述的原子态等离子体形成装置中。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述等离子体处理包括氧化处理和氮化处理，所述半导体材料包括硅和碳化硅。
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