提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方法及装置
专利汇可以提供提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提高 电子 回旋共振 化学气相沉积 速度的方法及装置属于 微波 低温 等离子体 技术领域。包括有微波源、 真空 密封、 薄膜 沉积、真空 泵 系统、 磁场 产生及气路、气体控制部分，磁场产生是在位于 谐振腔 壁外放置单并磁场线圈，产生 电子回旋共振 等离子体所需的轴向磁场位形，本 发明 的特征在于，是在沉积室内放置了可在样片台(12)上方产生均匀轴向磁场的的 永磁体 单元(13)，该单元不仅体积小，在沉积室有较大的移动空间，并且轴向磁场变化大，使得轴向磁场位形在靠近永磁体时发生显著变化，使得谐振腔及沉积室的轴向磁场位形由单并线圈和永磁体单元组合共同形成和调节。这种磁场位形决定了其在电子回旋共振条件下产生的等离子体可获得高的薄膜沉积速度。，下面是提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方法及装置专利的具体信息内容。
1、提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方法，是在电子 回旋共振系统中，位于谐振腔壁外放置单并磁场线圈，产 生电子回旋共振等离子体所需的轴向磁场位形，本发明的 特征在于，用在沉积室内放置永磁体单元的方法，使得谐 振腔及沉积室的轴向磁场位形由单个线圈和永磁体单元组 合共同形成和调节。
2、提高电子回旋共振化学气相沉积速度的装置，包括有微 波源、真空密封、薄膜沉积、真空泵系统、产生电子回旋 共振及沉积所需的轴向磁场部分、气路及气体控制部分， 各部分从前向后再向下依次连接的排列关系为，微波发生 器(1)、连接波导管(2)、三端环行器(3)、大功率负载 (4)、三销钉调配器(5)、带水平及垂直段的过渡矩形波 导管(6)和垂直的波导管(7)，其他连接为：中央开矩形 孔的窗片法兰(9)的上端面与垂直的波导管(7)的一端 连接，窗片法兰(9)的下端面将陶瓷微波窗片(8)压在 谐振腔(10)的上端面上，谐振腔(10)的下端面与直径 较大的沉积室(11)的上端面连接，样片台(12)置于沉 积室内，沉积室(11)下方侧面开孔处与由旋转泵(15) 和涡轮分子泵(16)组成的真空泵系统连接，沉积室外壁 与工作台(14)固定在一起，单并磁场线圈(17)位于圆 柱形谐振腔(10)壁外，气路(18)分两路，一路与谐振 腔相连，另一路与沉积室相连，本发明的特征在于：在沉 积室内放置了可在样片台(12)上方产生均匀轴向磁场的 的永磁体单元(13)。
3、根据权利要求2所述的提高电子回旋共振化学气相沉积 速度的装置，特征在于：永磁体单元(13)置于样片台(12) 下方，样片台(12)通过其支撑杆与沉积室(11)下方底 部的出口端固定。
4、根据权利要求2或3所述的提高电子回旋共振化学气相 沉积速度的装置，特征在于：永磁体单元(13)包括有均 磁板(19)、永磁体(20)、屏蔽套(21)、屏蔽盖(22)及 定位螺杆套(23)，永磁体(20)位于均磁板(19)下方， 屏蔽套(21)处于永磁体(20)周围，屏蔽盖(22)位于 屏蔽套(21)下方，装配时定位螺杆套(23)从下向上依 次贯穿屏蔽盖(22)、屏蔽套(21)、永磁体(20)、均磁板 (19)。
技术领域
提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方法及装置属于 微波低温等离子体技术领域。
背景技术
真空沉积室的轴向磁场位形对于控制等离子体的形态以 及薄膜沉积速度都起着至关重要的作用。目前国内外的微波电 子回旋共振化学气相沉积(MWECR-CVD)装置，基本采用线圈 或线圈组合来产生电子回旋共振及薄膜沉积所需的轴向磁场。 由于线圈所产生的磁场作用范围较大，如果同时要用几个线圈 来调节磁场位形，则必然要占用较大的空间。2001年日本九 州大学Akira Yonesu等人(Thin Solid Films 390 2001 208 -211)所采用的电子回旋共振装置采用了六个线圈，线圈在 轴向占据的尺寸高达1200mm左右。显然这样的装置即使可以 获得较高的沉积速度，但由于制造成本较高，控制较为复杂， 耗能较大，难以应用和推广。1994年叶超等人(真空，1994.6 4-6)探讨了小型环形永磁体同轴排列获得永磁磁镜场的途径， 但由于所用永磁体外径仅为φ45mm，故仅局限于对途径的探 讨。1995年叶超等人(核聚变与等离子体物理， Vol.15No.4，43-48)又在谐振腔外壁采用NbFeB永磁体排列组 成非对称轴向二极场，替代线圈磁场，但是由于轴向磁场分布 不均匀，难以沉积均匀的薄膜。总之现有技术中尚存在单纯采 用线圈磁场时体积庞大、控制复杂和成本较高，以及单纯采用 永磁体时磁场分布均匀性差问题。
到目前为止，现有技术中尚没有一种较为简单和方便的方 法，可用于形成和调节电子回旋共振等离子体所需的轴向磁场 位形，致使薄膜沉积速度徘徊在较低水平，在一定程度上制约 了微波电子回旋共振等离子体的应用和发展。
发明内容
本发明的目的在于，在电子回旋共振等离子体应用技术领 域，针对轴向磁场位形的形成及控制所存在的单纯采用线圈磁 场时体积庞大、控制复杂和成本较高，以及单纯采用永磁体时 磁场分布均匀性差问题，以及由此导致的薄膜沉积速度低的问 题，提出了一种新的方法来解决这种问题。并为完成方法的技 术方案，设计了提高电子回旋共振等离子体薄膜沉积速度的装 置。
本发明的技术方案中提高电子回旋共振化学气相沉积速 度的方法，包括有在电子回旋共振系统中，位于谐振腔壁外放 置单并磁场线圈，产生电子回旋共振等离子体所需的轴向磁场 位形，特征在于，用在沉积室内放置永磁体单元的方法，使得 谐振腔及沉积室的轴向磁场位形由单并线圈和永磁体单元组 合共同形成和调节。这种新的磁场位形决定了其在电子回旋共 振条件下产生的等离子体可获得较高的薄膜沉积速度。
本发明的技术方案中提高电子回旋共振化学气相沉积速 度方法的专用装置，包括有微波源、真空密封、薄膜沉积、真 空泵系统、产生电子回旋共振及沉积所需的轴向磁场部分、气 路及气体控制部分，各部分从前向后再向下依次连接的排列关 系为，微波发生器1、连接波导管2、三端环行器3、大功率 负载4、三销钉调配器5、带水平及垂直段的过渡矩形波导管 6和垂直的波导管7，其他连接为： 中央开矩形孔的窗片法兰 9的上端面与垂直的波导管7的一端连接，窗片法兰9的下端 面将陶瓷微波窗片8压在谐振腔10的上端面上，谐振腔10 的下端面与直径较大的沉积室11的上端面连接，样片台12 置于沉积室内，沉积室11下方侧面开孔处与由旋转泵15和涡 轮分子泵16组成的真空泵系统连接，沉积室外壁与工作台14 固定在一起，单并磁场线圈17位于圆柱形谐振腔10壁外，气 路18分两路，一路与谐振腔相连，另一路与沉积室相连，本 发明的特征在于：在沉积室内放置了可在样片台12上方产生 均匀轴向磁场的的永磁体单元13。
在提高电子回旋共振化学气相沉积速度的装置中，永磁体 单元13置于样片台12下方，样片台12通过其支撑杆与沉积 室11下方底部的出口端固定。
本发明的装置，由于在样片台12下方放置了永磁体单元 13，可在样片台上方产生均匀轴向磁场，使得轴向磁场位形 由线圈与永磁体单元组合共同形成和调节。永磁体单元轴向磁 场变化大，使得轴向磁场位形在靠近永磁体时发生显著变化。 永磁体单元13体积较小，可在沉积室有较大的移动空间。永 磁体单元13的采用较好地完成了达到调节整个轴向磁场位 形的目的。上述装置较好地完成了本发明的技术方案。
采用本发明的提高电子回旋共振化学气相沉积速度的方 法及装置所取得的实际效果为：
1.装置设计科学先进。仅采用一个线圈和一个永磁体单 元组合就可使电子回旋共振等离子体在样片台或永磁体单元 上方显著收敛和集中，为显著提高了薄膜沉积速度提供了决定 性条件。
2.较为简单地解决了用于形成和控制轴向磁场位形的现 有技术所存在的问题。
3.显著提高了薄膜沉积速度。采用此发明装置沉积非晶 硅薄膜，沉积速度可提高一倍以上(参见实施例2)。
4.装置体积小，易于控制，节约能源，制造成本较低， 便于推广。
附图说明
图1本发明的提高电子回旋共振化学气相沉积速度的装 置示意图
1-微波发生器，2-水平放置的矩形波导管，3-三端 环行器，4-大功率负载，5-三销钉调配器，6-带水平及 垂直段的过渡矩形波导，7-垂直放置的矩形波导管，8- 陶瓷微波窗片，9-窗片法兰，10-圆柱形谐振腔，11- 沉积室，12-样片台，13-永磁体单元，14-工作台， 15-旋转泵，16-涡轮分子泵，17-单并磁场线圈，18- 气路及气体控制单元。
图2永磁体单元结构图
19-均磁板，20-永磁体，21-屏蔽套，22-屏蔽盖，23- 定位螺杆套。
图3单线圈磁场时的等离子体照片
图4单线圈磁场与永磁体单元磁场组合时的等离子体照 片
具体实施方式
本发明整体装置装配见图1，主要包括六个部分。第一部 分为微波源，这一部分用于向垂直放置的电子回旋共振谐振腔 提供微波。微波源由微波发生器1、传输系统和控制系统组成， 其中传输系统又由三端环行器3、三销钉调配器5及波导管组 成。微波发生器1及传输系统在空间处于本发明装置的最高位 置，各部分从前向后再向下的连接关系为，微波发生器1的下 出口与水平矩形波导管2上入口通过螺栓进行连接，矩形波导 管2再与三端环行器3入口端进行法兰连接，三端环行器3 的反射端与大功率负载4进行法兰连接，三端环行器3的出口 端与三销钉调配器5进行法兰连接，三销钉调配器5再与带水 平及垂直段的过渡矩形波导管6进行法兰连接，过渡矩形波导 管6向下与垂直的矩形波导管7进行法兰连接。第二部分为陶 瓷微波窗片8及中央开矩形孔的窗片法兰9，这一部分用于将 微波耦合进谐振腔并提供真空密封。窗片法兰9上端面与第一 部分中垂直放置的矩形波导管7进行法兰连接，下端面采用螺 栓连接将陶瓷微波窗片压在第三部分中的圆柱形谐振腔10的 上端面上。第三部分由垂直放置的圆柱形谐振腔10、沉积室 11、样片台12、永磁体单元13及工作台14等组成。这一部 分主要用于形成等离子体和进行薄膜沉积。圆柱形谐振腔10 的下端面与直径较大的沉积室11的上端面通过平面密封和螺 栓固定进行连接，样片台12与其下方永磁体单元13通过样片 台的支撑杆与沉积室11下方底部的出口端通过螺栓连接及橡 胶密封进行固定，永磁体单元13与样片台12之间的连接则由 永磁体单元的定位螺杆套23完成，即定位螺杆套23上与样片 台12底部的螺母连接，下与样片台12的支撑杆部分形成套接， 沉积室11下方侧面开孔处与第四部分即由旋转泵15和涡轮分 子泵16组成的真空泵系统进行法兰连接，沉积室外壁与工作 台14固定在一起。第五部分为单并磁场线圈17及线圈电源， 这一部分用于产生电子回旋共振及沉积所需的轴向磁场，单并 磁场线圈17位于圆柱形谐振腔10壁以外，并与圆柱形谐振腔 10为同轴布置，线圈17由沉积室11上端面上均布的三个支 柱予以支撑。第六部分为气路18及气体控制单元，用于提供 等离子体气体及沉积和清洗用气体。气路分两路，一路与圆柱 形谐振腔10相连，另一路与沉积室11相连。
下面给出分别采用单线圈磁场电子回旋共振化学气相沉积 装置和单线圈磁场与永磁体单元磁场组合的电子回旋共振化 学气相沉积装置，在相同实验条件下进行的对比实验。
例1：实验条件为，系统抽真空至1×10-3Pa，向谐振腔10 通入氢气，流量为20sccm，将气压调至0.5Pa，磁场线圈17 通入137A的电流，微波源1实际输出功率取500W。在微波 和线圈磁场的共同作用下，在谐振腔10和沉积室11内即可产 生电子回旋共振等离子体。
图3和图4分别为单线圈磁场17时的等离子体照片和单线 圈17磁场与永磁体单元13磁场组合时的等离子体照片。单线 圈磁场时的等离子体在真空沉积室11呈发散分布；单线圈17 磁场与永磁体13单元磁场组合时的等离子体在真空沉积室11 先呈发散分布，再在靠近永磁体单元13逐步收敛，并且将等 离子体全部集中于永磁体13的上方。等离子体的集中为提高 薄膜沉积速度提供了决定性条件。
例2：将尺寸为20mm×20mm×1mm的清洁玻璃片放至样 片台12上，系统抽真空至1×10-3Pa，加热样片至280℃，向 谐振腔10通入氢气，流量为20sccm，向沉积室11通入硅烷， 流量为7sccm，将总气压调至0.5Pa，磁场线圈17通入137A 的电流，微波源1实际输出功率取500W。在微波和线圈磁场 的共同作用下，在谐振腔10和沉积室11内产生电子回旋共振 的等离子体，并在玻璃片上开始沉积非晶硅薄膜。 单线圈17磁场时的非晶硅薄膜沉积速度为5.2/s；单线圈17 磁场与永磁体单元13磁场组合时非晶硅薄膜沉积速度为 12.2/s。采用组合磁场使薄膜沉积速度提高一倍以上。
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