專利名稱：微波電子回旋共振等離子體均勻化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
微波電子回旋共振等離子體均勻化方法及裝置屬于微波低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域。
產(chǎn)生等離子體不均勻性的主要原因為微波電子回旋共振設(shè)備普遍采用2.4 5G的微波，并且?guī)缀醵家訲E10(即矩形波導(dǎo)橫電模式，也是矩形波導(dǎo)的主型波)來傳輸，TE10微波經(jīng)波導(dǎo)窗耦合進(jìn)圓柱形諧振腔后變?yōu)門E11(圓形波導(dǎo)橫電模式)，或者經(jīng)過TE10模到TE11模的波型變換器再經(jīng)微波窗片耦合進(jìn)圓柱形諧振腔。但是不管是TE10還是TE11模式，其對應(yīng)的橫向電場都是不均勻的。橫向電場不均勻直接導(dǎo)致電子回旋共振等離子體不均勻，采用這種等離子體所沉積的薄膜均勻性必然也不會很理想。等離子體的不均勻性在一定程度上妨礙了電子回旋共振等離子體的應(yīng)用和發(fā)展。
1996年日本九州大學(xué)Yoko Ueda等人(Surface and CoatingsTechnology 74-75(1995)503-507)指出，通常產(chǎn)生ECR等離子體的微波皆是導(dǎo)入基本波導(dǎo)模式TE10或TE11，因此很難實現(xiàn)大面積均勻的等離子體。為改善等離子體均勻性，他們設(shè)計微波由矩形波導(dǎo)通過模式變換器變?yōu)橥S波導(dǎo)，然后同軸波導(dǎo)再與電子回旋共振諧振腔內(nèi)多槽天線相連，最終將微波能量耦合進(jìn)諧振腔內(nèi)。這樣做雖然改善了等離子體的均勻性，但是由于微波傳輸復(fù)雜，而且在諧振腔內(nèi)使用多槽天線存在天線金屬污染等離子體的問題，難以應(yīng)用和推廣。
到目前為止，現(xiàn)有技術(shù)中尚沒有一種較為簡單的方法可以較好地解決電子回旋共振等離子體不均勻性的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案中微波電子回旋共振等離子體均勻化方法包括有利用電子回旋共振系統(tǒng)中的微波源產(chǎn)生微波后，經(jīng)波導(dǎo)管和波導(dǎo)窗導(dǎo)入諧振腔后，在諧振腔和沉積室內(nèi)產(chǎn)生電子回旋共振的等離子體，用于對樣件進(jìn)行薄膜沉積。本發(fā)明的特征在于，使微波通過在位置上存在相互旋轉(zhuǎn)180度關(guān)系的雙三角形波導(dǎo)管產(chǎn)生兩束微波，使這兩束微波經(jīng)過雙三角形的波導(dǎo)管后直接通過微波窗片耦合進(jìn)入諧振腔，并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行疊加，形成一種新的雙束微波場。新的雙束微波場決定了其在電子回旋共振條件下產(chǎn)生的等離子體的均勻性優(yōu)于單束微波場下的等離子體的均勻性。
本發(fā)明的技術(shù)方案中微波電子回旋共振等離子體均勻化方法專用裝置(參見

圖1)，包括有微波源、真空密封、薄膜沉積、真空泵系統(tǒng)、產(chǎn)生電子回旋共振及沉積所需的軸向磁場部分、氣路及氣體控制部分，各部分從前向后再向下的連接關(guān)系依次為，微波發(fā)生器1連接波導(dǎo)管2，波導(dǎo)管2連接三端環(huán)行器3，三端環(huán)行器3的反射端與大功率負(fù)載4連接，三端環(huán)行器3的出口端與三銷釘調(diào)配器5連接，三銷釘調(diào)配器5與帶水平及垂直段的過渡矩形波導(dǎo)管6連接，過渡矩形波導(dǎo)管6向下與垂直的波導(dǎo)管7連接，中央開矩形孔的窗片法蘭9上端面與垂直的波導(dǎo)管7連接，9的下端面將陶瓷微波窗片8壓在諧振腔10的上端面上，諧振腔10的下端面與直徑較大的沉積室11的上端面連接，樣片臺12通過其支撐桿與沉積室11下方底部的出口端固定，沉積室11下方側(cè)面開孔處與由旋轉(zhuǎn)泵14和渦輪分子泵15組成的真空泵系統(tǒng)連接，沉積室外壁與工作臺13固定在一起，單并磁場線圈16位于圓柱形諧振腔10壁外，并與圓柱形諧振腔10為同軸布置，線圈16由沉積室11上端面上均布的三個支柱予以支撐，氣路分兩路，一路與諧振腔10相連，另一路與沉積室11相連。本發(fā)明的特征在于在過渡矩形波導(dǎo)管6與陶瓷微波窗片8及窗片法蘭9之間，接入了一段在其內(nèi)部插入均分板19的波導(dǎo)管7，其橫截面被分為兩個對等三角形。
微波電子回旋共振等離子體均勻化方法專用裝置中所用的雙三角形波導(dǎo)管，其制造可選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的矩形波導(dǎo)管，采用常規(guī)技術(shù)將均分板與矩形波導(dǎo)管的對角連接，并將矩形法蘭和圓形法蘭分別與矩形波導(dǎo)管的兩端進(jìn)行焊接，矩形法蘭用于與過渡矩形波導(dǎo)管6連接，圓形法蘭用于同微波窗片法蘭9連接。
本發(fā)明的裝置，由于接入了一段新型的雙三角形的波導(dǎo)管7，代替普通的矩形波導(dǎo)管，使得微波在經(jīng)過雙三角形的波導(dǎo)管7后，自然就可以將單束微波均分為雙束微波；由于雙三角形的波導(dǎo)管中兩個三角形波導(dǎo)管在位置上存在相互旋轉(zhuǎn)180度的關(guān)系，使得均分出雙束微波實際上并不相同。微波在經(jīng)過雙三角形的波導(dǎo)管7后直接通過微波窗片8耦合進(jìn)入圓柱形諧振腔10，使得雙束微波在諧振腔內(nèi)進(jìn)行疊加，并形成一種新的微波場。上述裝置較好地完成了本發(fā)明的技術(shù)方案。
采用本發(fā)明的微波電子回旋共振等離子體均勻化方法及裝置所取得的實際效果為1.使電子回旋共振等離子體顯著均勻化，解決了現(xiàn)有采用矩形波導(dǎo)傳輸微波的電子回旋共振裝置等離子體均勻性差的問題。
2.制造安裝簡便，對等離子體無污染，避免了采用同軸波導(dǎo)和多槽天線所帶來的制造安裝復(fù)雜，污染等離子體的問題。
由于較好地解決了電子回旋共振設(shè)備等離子體不均勻性的問題，為電子回旋共振等離子體的應(yīng)用和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。
在上述裝置中，雙三角形波導(dǎo)管7是本發(fā)明的特征組件，其結(jié)構(gòu)參見圖2，其由矩形波導(dǎo)管18、均分板19、矩形法蘭20和圓形法蘭21組成。這里所用的矩形波導(dǎo)管1 8為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的矩形波導(dǎo)管；均分板19的作用是將矩形波導(dǎo)管的橫截面均分為兩個等同的三角形。
下面給出分別采用矩形波導(dǎo)管和雙三角形的波導(dǎo)管作為微波進(jìn)入圓柱形諧振腔10前的最后一級波導(dǎo)管，在同樣的實驗條件下進(jìn)行的對比實驗。
例1實驗條件為，系統(tǒng)抽真空至1×10-3Pa，向諧振腔10通入氫氣，流量為20sccm，將氣壓調(diào)至0.5Pa，磁場線圈16通入137A的電流，微波源實際輸出功率取500W。在微波和線圈磁場的共同作用下，在諧振腔10內(nèi)即可產(chǎn)生電子回旋共振等離子體。
圖3和圖4分別為采用矩形波導(dǎo)管和雙三角形的波導(dǎo)管的等離子體照片。，采用矩形波導(dǎo)管的等離子體其輝光從諧振腔到沉積室都存在明暗相間的區(qū)域，表明其等離子體分布很不均勻。采用雙三角形的波導(dǎo)管后，等離子體輝光從諧振腔到沉積室都見不到明暗相間的區(qū)域，表明等離子體分布顯著均勻化。
例2將尺寸為80mm×80mm×1mm的清潔玻璃片放至樣片臺12上，系統(tǒng)抽真空至1×10-3Pa，加熱樣片至280℃，向諧振腔通入氫氣，流量為20sccm，向沉積室11通入硅烷，流量為7sccm，將總氣壓調(diào)至0.5Pa，磁場線圈16通入137A的電流，微波源實際輸出功率取500W。在微波和線圈磁場的共同作用下，在諧振腔和沉積室內(nèi)產(chǎn)生電子回旋共振的等離子體，并在玻璃片上開始沉積非晶硅薄膜。沉積時間為1小時。
檢查膜厚發(fā)現(xiàn)，在直徑為φ60mm的范圍內(nèi)，采用矩形波導(dǎo)管得到的非晶硅薄膜膜厚為1.40μm~1.92μm，膜厚變化達(dá)36％，這表明其對應(yīng)的硅烷等離子體很不均勻；采用雙三角形的波導(dǎo)管得到的非晶硅薄膜膜厚為1.71μm~1.83μm，膜厚變化僅為6％，表明其對應(yīng)的硅烷等離子體分布十分均勻。
權(quán)利要求
1.微波電子回旋共振等離子體均勻化方法，包括有利用電子回旋共振系統(tǒng)中的微波源產(chǎn)生微波后，經(jīng)波導(dǎo)管和波導(dǎo)窗導(dǎo)入諧振腔，在諧振腔和沉積室內(nèi)產(chǎn)生電子回旋共振的等離子體，用于對樣件進(jìn)行薄膜沉積，本發(fā)明的特征在于，使微波通過在位置上存在相互旋轉(zhuǎn)180度關(guān)系的雙三角形波導(dǎo)管產(chǎn)生兩束微波，使這兩束微波經(jīng)過雙三角形的波導(dǎo)管后直接通過微波窗片耦合進(jìn)入諧振腔，并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行疊加，形成一種新的雙束微波場。
2.微波電子回旋共振等離子體均勻化方法專用裝置，包括有微波源、真空密封、薄膜沉積、真空泵系統(tǒng)、產(chǎn)生電子回旋共振及沉積所需的軸向磁場部分、氣路及氣體控制部分，各部分從前向后再向下的連接關(guān)系依次為，微波發(fā)生器(1)連接波導(dǎo)管(2)，波導(dǎo)管(2)連接三端環(huán)行器(3)，三端環(huán)行器(3)的反射端與大功率負(fù)載(4)連接，三端環(huán)行器(3)的出口端與三銷釘調(diào)配器(5)連接，三銷釘調(diào)配器(5)與帶水平及垂直段的過渡矩形波導(dǎo)管(6)連接，過渡矩形波導(dǎo)管(6)向下與垂直的波導(dǎo)管(7)連接，中央開矩形孔的窗片法蘭(9)上端面與垂直的波導(dǎo)管(7)連接，窗片法蘭(9)的下端面將陶瓷微波窗片(8)壓在諧振腔(10)的上端面上，諧振腔(10)的下端面與直徑較大的沉積室(11)的上端面連接，樣片臺(12)通過其支撐桿與沉積室(11)下方底部的出口端固定，沉積室(11)下方側(cè)面開孔處與由旋轉(zhuǎn)泵(14)和渦輪分子泵(15)組成的真空泵系統(tǒng)連接，沉積室(11)外壁與工作臺(13)固定在一起，單片磁場線圈(16)位于圓柱形諧振腔(10)腔壁外，并與圓柱形諧振腔(10)為同軸布置，線圈(16)由沉積室(11)上端面上均布的三個支柱予以支撐，氣路分兩路，一路與諧振腔(10)相連，另一路與沉積室(11)相連，本發(fā)明的特征在于在過渡矩形波導(dǎo)管(6)與陶瓷微波窗片(8)及窗片法蘭(9)之間，接入了一段在其內(nèi)部插入均分板(19)的波導(dǎo)管(7)，其橫截面被分為兩個三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波電子回旋共振等離子體均勻化方法專用裝置，其特征在于雙三角形波導(dǎo)管(7)其制造采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的矩形波導(dǎo)管(18)，采用常規(guī)技術(shù)將均分板(19)與矩形波導(dǎo)管(18)的對角進(jìn)行連接，并將矩形法蘭(20)和圓形法蘭(21)分別與矩形波導(dǎo)管(18)的兩端進(jìn)行焊接，矩形法蘭(20)用于與過渡矩形波導(dǎo)管(6)連接，圓形法蘭(21)用于同微波窗片法蘭(9)連接。
全文摘要
微波電子回旋共振等離子體均勻化方法及裝置屬于微波低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，使微波通過在位置上存在相互旋轉(zhuǎn)180度關(guān)系的雙三角形波導(dǎo)管產(chǎn)生兩束微波，使這兩束微波經(jīng)過雙三角形的波導(dǎo)管后直接通過微波窗片耦合進(jìn)入諧振腔，并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行疊加，形成一種新的雙束微波場。為達(dá)到本方法的目的，所設(shè)計的裝置特征是，在過渡矩形波導(dǎo)管6與陶瓷微波窗片8及窗片法蘭9之間，接入了一段在矩形波導(dǎo)管內(nèi)部插入均分板19后、形成的雙三角形的波導(dǎo)管7，其橫截面被分為了兩個三角形。本發(fā)明不僅較好地解決了電子回旋共振設(shè)備等離子體不均勻性的問題，且制造安裝簡便，對等離子體無污染，避免了采用同軸波導(dǎo)和多槽天線帶來的制造安裝復(fù)雜等問題。
文檔編號H05H1/30GK1416307SQ02155430
公開日2003年5月7日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者陰生毅, 陳光華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)