一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及低溫等離子體領域，具體是一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]低溫等離子體技術在現代工業的體現出日益重要的作用，特別是隨著大規模集成電路、太陽能薄膜光伏電池、平板顯示器、材料表面改性、功能基團接枝及材料合成等領域的迅速發展，人們迫切地需要一種可以產生高沉積/刻蝕速率、大面積均勻、穩定的低溫等離子體發生技術。為了能夠在這項技術上取得突破，國內外等離子體業界專家為此做出不懈的努力。業內專家采用了很多種方法來獲得高密度、大面積穩定的等離子體源:其一，采用更加優越的放電位型；其二，采用更加優越的等離子體放電激勵源；其三，采用磁場增強/約束放電等。一般來說，提高等離子體激勵源頻率可以獲得高的等離子體截止密度，利于提高等離子體密度，同時降低離子能量，進而提高沉積/刻蝕速率、降低離子轟擊對薄膜的損傷等，但電極表面駐波及漸逝波導模式會導致沉積速率不均勻。
[0003]與傳統的大面積(兩維方向)和大體積(三維方向)等離子體源不同，線形等離子體源僅需在一維方向上實現均勻、穩定的等離子體，采用多個線形等離子體源并排，或與被鍍樣品在水平/垂直方向上以適當速度勻速運動，即可形成大面積均勻的薄膜沉積、刻蝕或者表面處理。這種結構大大降低了高性能等離子體產生設備的開發難度，但仍存在以下幾個問題:(I)超薄薄膜的制備，比如原子層沉積，要求最大限度減少等離子體對樣品表面的材料損傷，因而需要進行自由基增強薄膜沉積；(2)目前采用的自由基增強沉積的方式使得自由基濃度較低，樣品遠離等離子體放電區，自由基等成分通過遠距離的擴散以達到基材表面形成薄膜沉積，因此造成薄膜沉積速度較慢；(3)在采用兩路進氣方式以盡量減少沉積材料對電極或者電磁波傳輸通道的污染時，氣源因距離放電區(等離子體密度較高區域)較遠因此離解度不高，進而大大降低了氣源的有效率用率。
[0004]
【發明內容】
本發明的目的是提供一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，以解決現有技術存在的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:以大長方體狀密閉腔體作為擴散區，以連通在擴散區頂部的小長方體狀密閉腔體作為等離子體發生區，在等離子體發生區頂部設置第一永磁鐵，等離子體發生區左側設置第二永磁鐵，等離子體發生區右側設置第三永磁鐵，第一永磁鐵的磁化方向與第二、第三永磁鐵的磁化方向相反，形成類磁鏡場位形；在等離子體發生區內設置與氣源連接的上、下進氣管，上、下進氣管分別向等離子體發生區中通入工作氣體，上、下進氣管之間設有貫穿整個等離子體發生區的與同軸微波源相連接的同軸圓波導；在擴散區內底部設有安裝在R2R結構基片旋轉組件上的基片臺，擴散區底部安裝有與擴散區內連通的真空機組；第一、二、三永磁鐵形成呈門字形排列的永磁鐵組，在永磁鐵組產生的線形類磁鏡場約束條件下，使用與同軸微波源相連接的同軸圓波導在等離子體發生區中激發工作氣體產生線形微波等離子體，所通入工作氣體在線形微波等離子體作用下在基片臺上的基片表面形成薄膜；第一、二、三永磁鐵產生類磁鏡場位形磁場，增強和穩定微波線形等離子體，提高等離子體電離率；第一、二、三永磁鐵產生類磁鏡場位形磁場，有效阻止離子、電子等帶電粒子穿過磁鏡區域，而允許原子、分子、自由基等非帶電質粒順利通過磁鏡區域，形成高濃度、快速自由基增強化學氣相沉積過程。
[0006]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:第一永磁鐵的上、下端分別為N極、S極，第二、三永磁鐵的上、下端分別為S極、N極，形成類磁鏡場的磁場位形；或者，第一永磁鐵的上、下端分別為S極、N極，第二、三永磁鐵的上、下端分別為N極、S極，同樣形成類磁鏡場的磁場位形；各永磁鐵由長方形柱體永磁鐵塊組合而成，永磁鐵材料可以是合金永磁材料，優選銣鐵硼Nd2Fel4B、釤鈷SmCo、銣鎳鈷NdNiCo中的任意一種；或者鐵氧體永磁材料，優選Cu-N1-Fe、Fe-Co-Mo、Fe_Co_V、MnB1、AlMnC中的任意一種。
[0007]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:大、小長方體狀密閉腔體為無磁或弱磁不銹鋼的真空腔體，無磁或弱磁不銹鋼材料可以是304、321、316、310奧氏體型不銹鋼中的任意一種。
[0008]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:所述基片臺為不銹鋼基片臺，可加熱；也可使用直流、或交流、或脈沖電源施加偏壓。
[0009]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:所述工作氣體為惰性氣體、或者氧化性氣體、或者還原性氣體、或者烴類氣體，或者經過氣化的液體，或者硅烷，或者氬氣、氫氣、氫氣與硅烷或烴類氣體的混合氣體。
[0010]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:同軸圓波導連接的同軸微波源，其頻率可以是0.915GHz，或者2.45GHz，也可以是2.45-30 GHz頻段內的頻率。
[0011]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:所述同軸波導的內導體是紫銅管，同軸波導的外導體是被微波電場激發的等離子體。
[0012]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:采用磁鏡場位形限制帶電粒子達到待處理材料表面，減少對其的破壞，可用于超薄薄膜的連續無損沉積。
[0013]所述的一種快速自由基增強化學氣相沉積薄膜的方法，其特征在于:采用基片臺施加相應加熱和直流、連續或脈沖射頻偏壓手段，可實現快速刻蝕。
[0014]本發明的工作原理是:
本發明通過使用以等離子體為外導體的同軸傳輸波導，使微波與等離子體通過相互作用在同軸傳輸波導內沿同軸波導傳播，形成線形形狀等離子體，通過漂移擴散在真空室內形成等離子體；為了提高該線形等離子體的均勻性和等離子體密度，在該系統中引入磁鋼陣列組成的磁鏡場的磁場。使用三塊條形磁鐵排列在等離子體區腔體外，一組位于等離子體產生區頂端，另外兩組位于微波腔體兩側，所用永磁鐵的磁化方向沿垂直于基片臺的方向，頂端與兩側磁體通過組合形成前述多種磁場位形。這些磁場的引入減少了等離子體帶電粒子在壁面上的復合損失，增加等離子體中電子的碰撞截面，也增加了等離子體內部的電子碰撞使等離子體密度得到提高，增強了氣源的離解率和利用率。在磁鏡場位形的磁鋼組合中，帶電粒子無法或者較少漂移出磁鏡場區域，等離子體能夠被限制在磁鏡中，而非帶電的自由基則可以無阻礙穿過該區域，到達待處理樣品表面形成非常有效的自由基增強沉積，進而避免了等離子體中等對樣品的損傷。通過調節磁鏡比可允許調節帶電粒子的通過比例，配合可加熱、可加偏壓的基片臺能進一步控制等離子體中離子能量、通量和活性基團的能量，提高了用于薄膜沉積和刻蝕工藝的可控性。
[0015]本發明的優點是:
本發明采用線形磁場增強放電方式，提高等離子體密度，也增強了線形等離子體在一維方向上的均勻性和穩定性，通過將每一放電單元的橫向排列實現了大面積高密度等離子體的產生。將工作氣體分作兩路，分別位于同軸波導上下兩側，來實現等離子體區與樣品處理區的有效分離，特別是實現遠程等離子體的沉積，對于半導體、摻雜半導體或者金屬