[发明专利]一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于采用真空等离子体方式进行薄膜生长的装置，具体涉及一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器。

背景技术

等离子体是离子和电子的密度大致相当的一种呈电中性的电离气体。工业使用的等离子体通常属于低温等离子体，其等离子体密度在10⁸-10¹¹cm^-3之间，平均电子温度约几个电子伏特，是典型的弱电离气体。这些低温等离子体在电磁波的激励下通常在一定真空的条件下激发产生，在真空腔体中通入气压为几十毫乇到几十乇之间的不同反应气体，可以实现对半导体晶片、绝缘体、金属等基片样品进行不同的处理，如薄膜生长、衬底刻蚀、表面等离子体处理等。

用来激发产生工业使用的低温等离子体的电磁波形式可以是射频或者微波。但由于微波激发的等离子体通常还需要其他昂贵的波导元件作为附件，有时还需要磁场的约束来产生高密度的等离子体，因而结构复杂、成本高；与之相比，从加工制造的角度考虑，射频激发的等离子体装置具有构造简单、造价低廉等优势。

工业上较常使用的射频(RF)等离子体装置包括两类，一类是将RF场通过电缆经由一个匹配网络传输给真空腔体中的电极板，射频电场垂直于电极板，当输入的射频功率足够高时，射频场就可以使反应气体电离，从而激发产生射频等离子体，由此在真空腔体中形成的等离子体通常称为容性耦合等离子体；另一类是将RF场通过电缆经由一个匹配网络传输给置于介质窗口外部的感应线圈，射频电场平行于介质板，当输入的射频功率足够高时，射频场就可以使反应气体电离，从而激发产生射频等离子体，由此在真空腔体形成的等离子体通常称为感性耦合等离子体。连接在射频电源和电极板或线圈之间的匹配网络通常包含两个可变电容，通过调节这两个可变电容可使得射频电源的阻抗与等离子体的负载阻抗相匹配，从而获得最大的射频功率传输效率。

反应气体通常是在反应腔体顶部以喷淋方式进入腔体，在腔体的底部则由真空机组组成的抽气系统将残余气体抽出。基片样品通常放置在等离子体激发区底部的一个电极上。通常，底部电极可以加热，通过热传导方式将热量传递给基片，提高基片表面薄膜生长的质量。对基片进行刻蚀处理时，底部电极则不需要加热，而通常施加一个较低频率的射频偏压电源，以增强基片的刻蚀效果。

尽管上述反应器结构经常用于加工现有技术的样品，但是，在处理大尺寸样品尤其是需要在玻璃衬底上高速生长大面积均匀的硅薄膜时，上述结构的等离子体反应器将不能满足使用要求。单纯地放大反应器的口径及电板板或介质板的直径存在问题：一方面，硅薄膜生长的均匀性取决于电磁波激发等离子体的均匀性，而这又决定于真空等离子体反应器中的电极板或者介质板上方的感应线圈激励产生射频场的均匀性，因此，真空反应器口径放大时如何产生均匀的射频场是大面积真空等离子体反应器设计的一个关键。由于受到驻波条件的影响，并且为了获得均匀的射频场，电极板或介质板的直径受到限制，无法制作大面积的反应容腔。

发明内容

本发明目的是提供一种适用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，在较大面积范围内提供一个均匀的射频场。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于大面积薄膜生长的真空等离子体反应器，包括反应腔体、射频电源，所述反应腔体顶部设有进气孔，底部设有真空抽气口，所述反应腔体内设有与射频电源通过匹配网络连接的电极板、用于承载基片的基片架电极，所述电极板为由方形电极构成的极板阵列；所述进气孔经分进气管道连通至位于各方形电极板中央的气体导流孔；还设有与上电极板和基片架电极板处于同平面且呈同轴排列的接地匀流环，所述接地匀流环上分布有通孔。

上文中，电极板阵列与基片架电极之间构成了真空等离子体激发区域，由于采用方形电极板构成极板阵列，可以在较大面积范围内获得均匀的射频场，同时，气体导流孔分别位于各个方形电极板的中央，可以保证反应气体的均匀分布，接地匀流环对等离子体区域进行了限制，避免等离子体从电极板侧边泄漏，以提高等离子体的均匀性。使用时，启动射频电源，输出的射频电压经过匹配网络的输出端口馈入到并联的电极板上，利用该电压在电极板上产生的垂直电场来击穿气体，产生的电子从该电场中获得能量，并激发真空腔体内的反应气体，使之产生电离，形成等离子体，即为电容耦合等离子体。该等离子体由带电的电子和离子组成，真空腔体中的反应气体在电子的不断撞击下，发生分解，产生大量的离子或活性基团，活性基团和基片表面形成化学反应，得以实现薄膜的生长。其它挥发性的反应生成物则从抽气口抽出腔体。