本發明屬于微電子,尤其涉及一種基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置及方法。
背景技術:
1、微波等離子體化學氣相沉積(mpcvd)方法在高品質金剛石制造和襯底摻雜中應用廣泛,以該類方法為基礎的設備是制備高品質金剛石膜及進行復雜摻雜工藝研究的重要基礎設備。
2、在mpcvd金剛石生長工藝中,微波能量首先被輸入到沉積裝置的核心微波諧振腔中并在其中形成很強的交變電磁場。在此交變電磁場的激勵下,石英鐘罩中的低壓氣體將會被電離而形成等離子體,這些等離子體中被激發出來的化學活性基團擴散至合適的襯底表面后,將會沉積生長形成金剛石。常見的金剛石微波等離子體沉積過程中,以氫氣為主,同步加入少量含碳氣體(如1%~5%甲烷)作為工作氣體。氣體的壓力通常被維持在數千帕至數萬帕的范圍內。除了生長金剛石以外,目前對金剛石進行摻雜探索的新型摻雜工藝也具有很大的科研價值和商業價值。此時被電離的氣體將額外包含有硫或硼等其他成分,從而在一定的濃度下形成的金剛石襯底摻雜結構,構建出新的半導體材料。在此過程中微波等離子體化學氣相沉積裝置具有關鍵的作用。
3、常規的mpcvd裝置由微波激勵系統、氣體輸送和壓力控制系統、冷卻系統及襯底生長載體平臺系統及其他輔助系統構成。微波激勵系統是較為核心的系統,目前較典型的石英鐘罩式mpcvd設備中的微波饋電系統包含有大功率微波源、環形隔離器、匹配系統、模式轉換、天線。而反應腔室(內嵌石英鐘罩)和襯底生長平臺構成了微波系統的諧振邊界條件。目前主流的微波系統工作于2.45ghz或者918mhz。
4、目前mpcvd金剛石膜沉積技術目前面臨的挑戰之一為研發適用于復雜沉積和摻雜工藝探索的裝置,這一需求體現在多個方面:(1)目前的常規單套系統僅有一個腔室產生單個等離子體球進行生長,因此在一定的時間內單套系統只能生產單個產品,嚴重限制了系統工藝的探索效率。(2)單套系統用于多重摻雜時,僅能提供串行的摻雜方式,且受到實際的制約,不同的摻雜基團的切換需要進行一定時間,大大限制了復雜摻雜工藝的探索效率。(3)單套系統用于多重材料的沉積時也面臨同樣的制約。因此迫切需要開發新的mpcvd設備來滿足日益增長的金剛石膜沉積和摻雜工藝探索裝置。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的問題,本發明提供了一種基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置。
2、本發明是這樣實現的,一種基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置,該裝置包括:
3、大功率饋電系統、圓柱形高次模金屬諧振腔、石英鐘罩、嵌套氣體輸送系統、冷卻系統和沉積生長襯底載體平臺;
4、所述大功率饋電系統包含大功率微波源、匹配系統及環形器、同軸轉換裝置和天線。通過位于金屬諧振腔頂部的天線激勵,使圓柱形諧振腔準h20模被激勵并在腔體內產生雙波腹場。
5、進一步,所述石英鐘罩為圓柱形,構成了對微波透射并對氣體和等離子體氣密的雙邊界條件,一方面氣密邊界可以形成低壓區來保持電離條件;另一方面石英鐘罩對微波透射,可以不干擾圓柱形腔體形成的電磁場邊界條件,使雙等離子體基團均處于場強相對較大的區域,大大提升了氣密范圍內等離子體基團的規模和均勻性,提高了系統的沉積面積和效率;此外,所述石英鐘罩隔了等離子體和腔體金屬,避免了刻蝕引起的金屬雜質污染。
6、進一步,所述嵌套氣體輸送系統中嵌套載氣輸送管并連接兩個載氣輸出噴淋口;所述嵌套雙路載氣輸送管最外層金屬外殼同步作為同軸線的饋電系統內導體,同時該嵌套載氣輸送管本身又嵌套了兩路同心管道,每種管道一端與一路載氣源相連,另一端與圖中的載氣噴淋口相連,為雙基團電離提供載氣;所述載氣噴淋口和對應的載氣輸送管道采用非金屬材料制作,基本不影響金屬諧振腔的場分布。
7、進一步,所述嵌套氣體輸送系統輸送雙路載氣,并在鐘罩內低壓和高微波能量雙波腹場區產生雙等離子體基團。通過載氣和摻雜氣體的控制可以實現基于單腔體的復雜生長和摻雜工藝。
8、進一步,該裝置反應腔體的底部,所述冷卻系統和沉積生長襯底載體平臺為工藝生長提供基片支撐和溫度控制。
9、進一步,所述沉積生長襯底載體平臺,可以根據需要使用裝置中設置的調節機構,使沉積生長襯底載體平臺沿腔體軸向運動調節。隨著沉積生長襯底載體平臺的移動,可以實現沉積區域在腔體內的相對位置移動,從而使沉積區域位于兩個基團之一的下方。結合載氣和摻雜氣體的控制,理論上可以實現對雙載氣雙摻雜的無間斷連續沉積和摻雜,大大提升了系統可以支持到的工藝能力。
10、以下是基于上述裝置描述撰寫的三條對應的方法權利要求:
11、方法1:
12、一種使用基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置進行材料生長的方法,該方法包括:
13、1.?啟動大功率饋電系統,通過大功率微波源、匹配系統及環形器、同軸轉換裝置和天線,在圓柱形高次模金屬諧振腔內產生雙波腹場;
14、2.?通過嵌套氣體輸送系統向石英鐘罩內輸送低壓下的氣體,并在饋電波導輸送的微波場高次模激勵下,在石英鐘罩內形成雙等離子體球;
15、3.?控制載氣和摻雜氣體的流量和組成,實現基于單腔體的復雜生長和摻雜工藝;
16、4.?利用沉積生長襯底載體平臺,根據工藝需要調節沉積生長襯底的位置,以實現不同的生長和摻雜需求;
17、5.?通過冷卻系統對沉積生長襯底載體平臺進行溫度控制,確保生長過程的穩定性和均勻性。
18、方法2:
19、一種實現無間斷連續沉積和摻雜的方法,該方法使用如方法權利要求1所述的基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置,包括以下步驟:
20、1.?在雙波腹場區內,通過嵌套氣體輸送系統分別向兩個載氣噴淋口輸送不同的載氣和摻雜氣體;
21、2.?在石英鐘罩內形成兩個不同組分的等離子體基團;
22、3.?通過調節沉積生長襯底載體平臺的位置,使沉積區域位于其中一個等離子體基團的下方,實現特定組分的材料生長;
23、4.?在生長過程中,連續調節沉積生長襯底載體平臺的位置,使沉積區域依次經過兩個等離子體基團的下方,同時控制相應的載氣和摻雜氣體流量,實現無間斷連續沉積和摻雜;
24、5.?通過冷卻系統對沉積生長襯底載體平臺進行溫度控制,確保生長過程的穩定性和均勻性。
25、方法3:
26、一種優化mpcvd裝置工藝能力的方法,該方法使用如方法權利要求1所述的基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置,包括以下步驟:
27、1.?分析沉積生長襯底載體平臺的運動范圍和速度,以及雙等離子體基團的分布和穩定性;
28、2.?根據分析結果,優化載氣和摻雜氣體的輸送參數,如流量、壓力和組分等,以實現更均勻和穩定的等離子體基團;
29、3.?根據工藝需求,通過調節沉積生長襯底載體平臺的位置和速度,優化沉積區域在腔體內的相對位置,以提高材料的生長質量和效率;
30、4.?結合冷卻系統的溫度控制功能,優化沉積生長襯底載體平臺的溫度分布,以確保生長過程的穩定性和均勻性;
31、5.?不斷重復和優化上述步驟,直至達到所需的工藝能力和材料性能。
32、第一,針對上述現有技術存在的技術問題,解決問題之后帶來的一些具備創造性的技術效果。具體描述如下:
33、1.?單腔體激勵雙等離子體基團,為復雜生長-摻雜工藝的研究提供了高效率的實驗平臺。本發明通過圓柱形諧振腔尺寸和形狀調整,使其高次模形成雙電磁波腹點,進而可在單腔體中完成雙基團摻雜沉積,從而具有在同一裝置中支持多種材料的快速交替沉積和交互摻雜的能力。
34、2.?單一微波功率源激勵,相對多腔體多微波源系統成本大大降低。
35、3.?與微波同軸內芯集成設計的嵌套載氣輸送管道和雙路載氣噴淋系統,形成了雙路氣體輸入,可以實現復雜的雙路基團離子體獨立控制,為更加復雜的多種材料的快速交替沉積和交互摻雜提供實驗平臺。
36、本發明提供了一種基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置,典型工作頻率為2.45ghz。該裝置采用同軸饋電方式,通過優化諧振腔尺寸和形狀形成雙電磁波腹點,進而通過雙路載氣電離形成雙等離子基團。本發明無需考慮多腔模型下其他饋電方式的組合,大大簡化了裝置結構。此外,該裝置在單腔體中完成雙基團摻雜沉積,具有在同一裝置中支持多種材料的同時沉積和交互摻雜,有望在半導體制造行業中提供一種復雜摻雜工藝探索的高效率工具,也有潛力提供更為高效和經濟的生產方式。
37、本發明所提出的基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置較好解決了傳統單腔裝置利用率低,靈活性差和難以支撐復雜摻雜工藝探索的缺陷,有望在半導體制造行業中提供一種復雜摻雜工藝探索的高效率工具,也有潛力提供更為高效和經濟的生產方式。
38、第二,本發明的技術方案轉化后的預期收益和商業價值為:本發明的技術方案轉化后可以在半導體制造行業中提供一種復雜摻雜工藝探索的高效率設備平臺,也有潛力提供更為高效和經濟的生產方式。考慮到目前基于金剛石襯底的半導體器件在工業和電子領域的廣闊前景,本發明技術轉化后具有巨大的預期收益和商業價值。
39、第三,針對基于高次模的單腔體雙基團mpcvd裝置,本發明解決的現有技術問題以及獲得的顯著技術進步可以表述為以下四段話:
40、首先,本發明針對現有mpcvd裝置在單腔體內實現復雜生長和摻雜工藝受限的問題,通過引入高次模技術和雙基團設計,實現了在單一腔體內同時形成兩個獨立的等離子體基團。這一創新技術有效地解決了傳統裝置在工藝靈活性和多樣性方面的不足,顯著提高了生產效率和材料性能。
41、其次,本發明通過優化大功率饋電系統和嵌套氣體輸送系統,實現了微波功率的高效饋送和氣體的精確控制。這不僅提高了裝置的穩定性和可靠性,還確保了等離子體基團的規模和均勻性,從而獲得了更高質量的沉積材料和更均勻的摻雜效果。
42、再者,本發明中的沉積生長襯底載體平臺具有可調節性,能夠根據需要調整其位置和高度。這一設計使得沉積區域能夠靈活地位于兩個等離子體基團之一或之間的任意位置,為無間斷連續沉積和摻雜提供了。這一技術進步極大地擴展了裝置的工藝能力,并滿足了更復雜、更高要求的材料生長需求。
43、最后,本發明中的冷卻系統為工藝生長提供了基片支撐和精確的溫度控制。這一創新設計確保了沉積過程的穩定性和材料性能的一致性,進一步提升了裝置的實用性和市場競爭力。綜上所述,本發明在mpcvd技術領域取得了顯著的技術進步,為解決現有技術中的問題提供了新的思路和方法。