本發(fā)明屬于微電子，尤其涉及一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置。

背景技術(shù)：

1、微波等離子體化學(xué)氣相沉積(mpcvd)設(shè)備在高品質(zhì)金剛石制造和襯底摻雜中至關(guān)重要，是制備高品質(zhì)金剛石及進(jìn)行復(fù)雜摻雜工藝研究的重要基礎(chǔ)設(shè)備。

2、在現(xiàn)有的mpcvd金剛石生長(zhǎng)設(shè)備和對(duì)應(yīng)的工藝中，微波能量首先被饋入到電磁諧振腔體中，通過(guò)諧振腔體的邊界條件調(diào)整可以產(chǎn)生很強(qiáng)的局部交變電磁場(chǎng)。進(jìn)一步，通過(guò)在諧振腔中用可以穿透微波的石英鐘罩構(gòu)建一個(gè)低壓區(qū)域，并在腔體內(nèi)注入載氣（如氫氣）和工作氣體（如甲烷）。此時(shí)在強(qiáng)電磁交變場(chǎng)的作用下，氣體發(fā)生電離，形成等離子體基團(tuán)，這些等離子體中被激發(fā)出來(lái)的化學(xué)活性基團(tuán)擴(kuò)散至合適的襯底表面后，將會(huì)沉積生長(zhǎng)形成金剛石。因此常規(guī)的做法是在等離子基團(tuán)的下方設(shè)置襯底載體生長(zhǎng)平臺(tái)，在平臺(tái)上方放置襯底，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沉積，就可以實(shí)現(xiàn)基于等離子體基團(tuán)的金剛石生長(zhǎng)，進(jìn)一步在工作氣體中加入硫或硼可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的摻雜。

3、常規(guī)的mpcvd裝置由微波激勵(lì)系統(tǒng)、石英鐘罩、氣體輸送和壓力控制系統(tǒng)、襯底生長(zhǎng)載體平臺(tái)系統(tǒng)（含冷卻系統(tǒng)）及其他輔助系統(tǒng)構(gòu)成。

4、提供高場(chǎng)強(qiáng)的微波激勵(lì)和諧振系統(tǒng)是mpcvd設(shè)備核心之一。該系統(tǒng)由微波饋電和諧振腔構(gòu)成。典型的微波饋電系統(tǒng)包含有大功率微波源、環(huán)形器、匹配系統(tǒng)、模式轉(zhuǎn)換器、同軸傳輸線和天線。而反應(yīng)腔室（含石英鐘罩）、載體平臺(tái)（襯底生長(zhǎng)平臺(tái)）構(gòu)成了微波系統(tǒng)的諧振邊界條件，即諧振腔邊界。目前主流的微波系統(tǒng)工作于2.45ghz或者918mhz。

5、現(xiàn)有mpcvd金剛石膜沉積技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)之一為裝置的效率較低。這一效率體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）單套系統(tǒng)僅有一個(gè)腔室產(chǎn)生單個(gè)等離子體基團(tuán)進(jìn)行生長(zhǎng)或摻雜，因此在一定的時(shí)間內(nèi)單套系統(tǒng)只能生產(chǎn)單個(gè)產(chǎn)品，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的產(chǎn)能。（2）單套系統(tǒng)用于多重?fù)诫s時(shí)，僅能提供串行的摻雜方式，且受到實(shí)際的制約，不同的摻雜基團(tuán)的切換需要進(jìn)行一定時(shí)間，大大限制了復(fù)雜摻雜工藝的探索和效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置，該裝置包含：大功率微波激勵(lì)源、波導(dǎo)功分、4套反應(yīng)子系統(tǒng)和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道及輔助設(shè)備；

3、所述每個(gè)子系統(tǒng)包含完整而獨(dú)立的微波饋電系統(tǒng)、諧振腔、石英鐘罩、載氣控制系統(tǒng)和襯底生長(zhǎng)載體平臺(tái)及輔助設(shè)備；其核心為基于一分四功分器饋電系統(tǒng)及連接腔室的環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道構(gòu)成并行多反應(yīng)腔室。

4、進(jìn)一步，所述的大功率微波源通過(guò)匹配系統(tǒng)、環(huán)形器、一分四功分器將輸入能量等分為4路輸出，為4個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)反應(yīng)腔室提供輸入微波能量。

5、進(jìn)一步，所述一分四功分器的四個(gè)輸出端與四組微波饋電系統(tǒng)連接，通過(guò)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換及天線將能量饋送耦合進(jìn)4個(gè)諧振腔，并在腔內(nèi)激發(fā)等離子體基團(tuán)，各個(gè)諧振腔內(nèi)設(shè)置的石英鐘罩、氣體輸送和壓力控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及襯底生長(zhǎng)載體平臺(tái)，構(gòu)成多個(gè)獨(dú)立可控的氣相沉積工作系統(tǒng)。

6、進(jìn)一步，該裝置各個(gè)可以獨(dú)立控制溫度、壓強(qiáng)、工作氣體和摻雜成分，從而支持4路并行生產(chǎn)或工藝調(diào)試。

7、進(jìn)一步，該裝置反應(yīng)腔組的底部，設(shè)有匹配的無(wú)泄漏環(huán)形旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌運(yùn)送系統(tǒng)，所述環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道可以將4個(gè)襯底生長(zhǎng)載體平臺(tái)及對(duì)應(yīng)的沉積對(duì)象在腔體之間進(jìn)行快速切換，使多參數(shù)復(fù)雜摻雜工藝實(shí)驗(yàn)達(dá)到可以高效率編程調(diào)整組合的狀態(tài)。

8、本發(fā)明還提供了一種使用基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置進(jìn)行氣相沉積或摻雜的并行生產(chǎn)方法，該方法包括：

9、1.?啟動(dòng)大功率微波激勵(lì)源，并通過(guò)匹配系統(tǒng)、環(huán)形器和一分四功分器將微波能量等分為四路，分別饋送至四個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)反應(yīng)腔室；

10、2.?在每個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室內(nèi)，通過(guò)微波饋電系統(tǒng)、諧振腔、石英鐘罩、載氣控制系統(tǒng)等部件激發(fā)等離子體基團(tuán)，并在預(yù)設(shè)的工作條件（如溫度、壓強(qiáng)、工作氣體和摻雜成分）下進(jìn)行氣相沉積或摻雜；

11、3.?監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)整工作條件或切換沉積對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)并行工藝調(diào)試。

12、本發(fā)明還提供了一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置的并行氣相沉積或摻雜過(guò)程優(yōu)化方法，該方法包括：

13、1.?初始化設(shè)備，設(shè)定每個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室的工作條件，包括溫度、壓強(qiáng)、工作氣體流量和摻雜成分等；

14、2.?啟動(dòng)微波激勵(lì)源，并通過(guò)一分四功分器將微波能量等分為四路，分別饋送至四個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室，以激發(fā)等離子體基團(tuán)；

15、3.?在氣相沉積或摻雜過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室的運(yùn)行狀態(tài)，包括等離子體基團(tuán)的穩(wěn)定性、沉積速率、摻雜濃度等參數(shù)；

16、4.?根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)獨(dú)立調(diào)整各個(gè)工作條件，如微調(diào)溫度、壓強(qiáng)或改變工作氣體和摻雜成分的配比，以?xún)?yōu)化氣相沉積或摻雜過(guò)程；并通過(guò)結(jié)果獨(dú)立找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合；

17、5.?將優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，提高氣相沉積或摻雜的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

18、本發(fā)明還提供了一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置的交互氣相沉積或摻雜過(guò)程優(yōu)化方法，該方法包括：

19、1.?初始化設(shè)備，設(shè)定每個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室的工作條件，包括溫度、壓強(qiáng)、工作氣體流量和摻雜成分等；

20、2.?啟動(dòng)微波激勵(lì)源，并通過(guò)一分四功分器將微波能量等分為四路，分別饋送至四個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室，以激發(fā)等離子體基團(tuán)；

21、3.?在氣相沉積或摻雜過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)子系統(tǒng)反應(yīng)腔室的運(yùn)行狀態(tài)，包括等離子體基團(tuán)的穩(wěn)定性、沉積速率、摻雜濃度等參數(shù)；

22、4.?根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)獨(dú)立調(diào)整各個(gè)工作條件，如微調(diào)溫度、壓強(qiáng)或改變工作氣體和摻雜成分的配比，以?xún)?yōu)化氣相沉積或摻雜過(guò)程；

23、5.?利用環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道快速切換沉積對(duì)象，在多個(gè)腔體間實(shí)現(xiàn)連續(xù)工藝試驗(yàn)，

24、6.?將優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，提高氣相沉積或摻雜的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

25、第一，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，解決問(wèn)題之后帶來(lái)的一些具備創(chuàng)造性的技術(shù)效果。具體描述如下：

26、1.?本發(fā)明采用單一微波源為4組腔室提供接近對(duì)等和一致的4組饋電支撐，在常規(guī)狀態(tài)下可以同步實(shí)現(xiàn)多組產(chǎn)品的并行生產(chǎn)，效率較高；

27、2.?除功率外，多個(gè)獨(dú)立可控的等離子體激勵(lì)區(qū)域溫度、氣壓、載氣、工作氣體均獨(dú)立可控，可以同步并行進(jìn)行不同工藝的探索和實(shí)驗(yàn)；

28、3.?旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌運(yùn)送系統(tǒng)可以將襯底平臺(tái)在不同腔室間快速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同摻雜工藝的準(zhǔn)無(wú)縫銜接，提供了更大的摻雜工藝探索空間。

29、本發(fā)明所提出一種基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置較好解決了傳統(tǒng)單腔裝置效率低和難以支撐復(fù)雜摻雜工藝探索的缺陷。

30、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值為：

31、本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后可以使單臺(tái)設(shè)備的金剛石沉積生產(chǎn)能力提升4倍，同時(shí)可以使單獨(dú)的工藝研究和復(fù)雜摻雜工藝研究的效率提升4倍，并支撐原有系統(tǒng)無(wú)法完成的更復(fù)雜工藝探索。

32、考慮到目前金剛石在各種領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力和基于金剛石襯底的半導(dǎo)體器件在工業(yè)和電子領(lǐng)域的廣闊前景，本發(fā)明技術(shù)轉(zhuǎn)化后具有巨大的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值。

33、第三，本發(fā)明針對(duì)基于波導(dǎo)功分和環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的并行多腔mpcvd裝置，解決的現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題以及取得的顯著技術(shù)進(jìn)步可以表述為以下四段話：

34、首先，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)mpcvd裝置在處理復(fù)雜氣相沉積或摻雜工藝時(shí)效率低下的問(wèn)題。通過(guò)引入波導(dǎo)功分技術(shù)，本發(fā)明將大功率微波源的能量等分為四路，分別供給四個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)反應(yīng)腔室，實(shí)現(xiàn)了多腔室并行工作的能力。這一創(chuàng)新顯著提高了氣相沉積或摻雜的產(chǎn)能和效率，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高效生產(chǎn)的需求。

35、其次，本發(fā)明通過(guò)環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)軌道的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了襯底生長(zhǎng)載體平臺(tái)及對(duì)應(yīng)沉積對(duì)象在多個(gè)腔體之間的快速切換。這一設(shè)計(jì)使得多參數(shù)復(fù)雜摻雜工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋咝实剡M(jìn)行編程調(diào)整組合，大大提高了工藝試驗(yàn)的靈活性和可控性。此外，該設(shè)計(jì)還有效縮短了不同工藝步驟之間的等待時(shí)間，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)效率。

36、最后，本發(fā)明中各個(gè)子系統(tǒng)均能獨(dú)立控制溫度、壓強(qiáng)、工作氣體和摻雜成分等參數(shù)，這為工藝調(diào)試和優(yōu)化提供了極大的便利。通過(guò)獨(dú)立控制各個(gè)子系統(tǒng)的工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同工藝條件的快速切換和比較，從而找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，提升產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

37、綜上所述，本發(fā)明在mpcvd技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，為氣相沉積和摻雜工藝的發(fā)展提供了有力的支持。