[发明专利]一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置

说明书

一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，属于微波等离子体法化学气相沉积领域。本装置具有双端微波馈入及谐振结构沿衬底呈左右对称的特性，可在衬底左右两侧同时产生等离子体，利用电子回旋共振等离子体高电子能量、高电离度、低沉积压强的性质，可实现Φ60‑200mm衬底两侧薄膜的同时沉积或一次性沉积两片薄膜。磁场谐振线圈产生875Gs的磁感应强度的电子回旋共振面，磁场整型线圈产生875Gs磁感应强度的整型磁场，谐振磁场与整型磁场的耦合提升了等离子体的均匀性，在增大沉积面积的同时提升了薄膜的均匀性。位于环形天线下方的石英介质窗口有效避免等离子体的加热、污染与刻蚀。本发明均匀性高，能降低薄膜沉积、表面处理成本，提高腔室的空间利用率。

技术领域

本发明属于微波等离子体法化学气相沉积技术领域，具体涉及一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置。

技术背景

电子回旋共振(ECR)等离子体源用于各种材料制备加工应用，如薄膜沉积、半导体蚀刻。在ECR技术中，电源的微波频率与电子回旋运动频率相同，电子产生共振能量吸收，从而获得高达5eV的能量。高能电子与气体分子发生非弹性碰撞，产生大量、高活性等离子体，即使在很低的压强(0.05Pa～1Pa)条件下也可以生成高密度(≥10¹⁷m^-3)的等离子体。这些优点适用于金刚石、硅、氧化硅和金属的等离子体辅助沉积，在这些沉积过程中可以在保持低衬底温度的同时获得高质量的薄膜。

微波放电的无电极性质，加上能够产生高密度的激发态粒子，使得微波等离子体化学气相沉积法成为制备金刚石膜的一种有吸引力的技术。自MPCVD金刚石膜沉积技术出现以来，出现了一系列的MPCVD金刚石膜沉积装置，包括石英管式[M.Kamo,Y.Sato,S.Matsumoto,J.Cryst.Growth 62(1983)642]、石英钟罩式[P.Bachmann,D.Leers,H.Lydtin,Diamond Relat.Mater.1(1991)1]、圆柱谐振腔式[P.Bachmann,ChemicalEngineering News 67(1989)24]、椭球谐振腔式[M.Funer,C.Wild,P.Koidl,Appl.Phys.Lett.72(1998)1149]。早期的石英管式MPCVD装置，其内石英管直径为20～60mm，这极大地限制了所能沉积金刚石膜的尺寸，且微波功率在800W左右就会造成等离子体对石英管的刻蚀，引发薄膜质量下降及真空泄露的风险。随后出现的石英钟罩式、圆柱谐振腔式MPCVD装置可容纳的微波功率提升至3000W，所沉积金刚石膜的典型面积为2英寸。基于有限元模拟仿真的方法，德国Fraunhofer研究所设计研发了椭球谐振腔式MPCVD装置，其频率为2.45GHz的椭球形谐振腔式MPCVD装置典型的使用功率为6kW，频率为915MHz的椭球形谐振腔式MPCVD装置典型的使用功率达到了30～60kW，所能沉积的金刚石膜典型面积分别为3英寸和6英寸。但该类型设备同样存在等离子体刻蚀石英介质窗口和设备占地体积大、造价昂贵、真空腔室利用率低的缺点。

综上所述，目前已有的各类MPCVD金刚石膜沉积装置存在金刚石膜沉积面积小，真空腔室利用率低的问题，这些因素都限制了金刚石薄膜在工业领域的进一步应用。因此，本发明提出了一种可高速率、大面积均匀性好、结构简单、真空腔室利用率高、可稳定运行和参数易于控制的金刚石膜沉积装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种双端馈入微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积装置，该装置可实现双端微波能量馈入和衬底表面两侧同时沉积薄膜，沉积速率高、真空腔室利用率高、等离子体大面积均匀性好、结构简单、可稳定运行和参数易于控制。

本发明的技术方案是：