專利名稱：一種螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備具有光、電和磁等特殊性能要求薄膜的螺旋波等離子體增強 化學(xué)氣相沉積裝置，屬于等離子體加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低壓等離子體的產(chǎn)生方式一般通過直流、交流、射頻、微波等氣體放電形式實現(xiàn)， 射頻等離子體氣體放電因可采用電容耦合與電感耦合方式，具有較低的放電電壓和較低工 作氣壓，容易實現(xiàn)等離子體密度、溫度的控制等特性，在半導(dǎo)體材料合成，刻蝕及加工等領(lǐng) 域獲得了廣泛應(yīng)用，低壓射頻等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)是采用等離子體實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)氣 體的電離、分解及激發(fā)，通過激發(fā)化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)固態(tài)薄膜的沉積。該技術(shù)因能方便的實現(xiàn)反 應(yīng)氣體的激發(fā)在化合物納米薄膜材料合成中也獲得了廣泛應(yīng)用。螺旋波等離子體是利用低 氣壓放電產(chǎn)生高密度等離子體的主要形式之一，在KT2Pa量級的低氣壓下其等離子體密度 可達IO13CnT3量級，具有對反應(yīng)氣體的高電離和高激發(fā)特性，相對于類似特性的電子回旋共 振等離子體的實現(xiàn)方式具有所需設(shè)備簡單、磁場低，參數(shù)可通過多種方式實現(xiàn)調(diào)整等特性。 在等離子體刻蝕、等離子體化學(xué)氣相沉積和輔助濺射等材料加工領(lǐng)域已獲得了廣泛應(yīng)用。 目前，現(xiàn)有技術(shù)中的螺旋波等離子體發(fā)生裝置均是通過它激式方法連接外部射頻電源和天 線實現(xiàn)射頻電磁場與所激發(fā)的螺旋波等離子體耦合的，這種方式都需要匹配箱或匹配網(wǎng)絡(luò) 才能實現(xiàn)射頻功率的有效饋入，而且存在螺旋波等離子體的模式跳變現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能實現(xiàn)射頻功率的穩(wěn)定和有效饋入、可有 效防止螺旋波等離子體的跳模現(xiàn)象、使所產(chǎn)生的螺旋波等離子體更穩(wěn)定的螺旋波等離子體 增強化學(xué)氣相沉積裝置。解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，它包括外部高壓電源、激發(fā)螺旋波 等離子體的天線、絕緣電介質(zhì)管、高真空腔體、線圈、輔助線圈，絕緣電介質(zhì)管和高真空腔體 分別設(shè)置饋入反應(yīng)氣體的進氣孔和進氣控制裝置、環(huán)形噴嘴和加熱器，其改進之處是，在外 部高壓電源和激發(fā)螺旋波等離子體的天線之間連接有自激式射頻振蕩電路。上述螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，所述的自激式射頻振蕩電路由反饋 回路、燈絲電源和振蕩槽路組成，外部高壓電源的輸出端連接振蕩槽路，振蕩槽路的輸出端 連接天線線圈，在外部高壓電源和振蕩槽路之間連接有反饋電路，燈絲電源連接到振蕩槽 路中。上述螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，振蕩槽路由振蕩管G、扼流圈ZL、電 感L、可調(diào)電阻W、電阻R、電容Cl、C2、C3、C4、C5、C6組成，振蕩管的陰極接燈絲電源，陽極 接在高壓電源與天線的連接線路上，柵極接電感L、電阻R、電容C3、C4、C5組成的耦合電路， 在高壓電源與天線的連接線路上還串聯(lián)有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變電容C2與天線相并聯(lián)。本發(fā)明利用自激式振蕩方式實現(xiàn)射頻電磁場和螺旋波等離子體的耦合，可有效防 止螺旋波等離子體的跳?，F(xiàn)象，使所產(chǎn)生的螺旋波等離子體更穩(wěn)定；同時，本發(fā)明利用螺旋 波等離子體的低的工作氣壓、高的等離子體密度和能夠?qū)崿F(xiàn)對制備薄膜表面提供較低離子 載能的獨特性能，其能夠提供化合物納米粒子自組裝的所滿足的熱力學(xué)條件，為螺旋波等 離子體的應(yīng)用開辟了新的發(fā)展空間；本發(fā)明還具有電路簡單、調(diào)試放便、造價低廉等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的自激式射頻振蕩電路電原理方框圖；圖3是本發(fā)明的振蕩槽路電路圖。圖中標(biāo)記如下1、高真空腔體 2、絕緣電介質(zhì)管外設(shè)置線圈3、輔助線圈 4、天 線5、絕緣電介質(zhì)管6、加熱器7、環(huán)形噴嘴8、進氣孔9、進氣控制裝置10、自激式振 蕩電路11、抽真空系統(tǒng)12、控溫電源13、高壓電源14、反饋回路15、燈絲電源16、振 蕩槽路
具體實施例方式圖1所示，本發(fā)明是一種自激式螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，其包括 用于激發(fā)螺旋波等離子體的高壓電源13、自激式振蕩電路10和天線4，抽真空系統(tǒng)11，用作 螺旋波等離子體產(chǎn)生室的絕緣電介質(zhì)管5和與其相連的作為等離子體增強化學(xué)氣相反應(yīng) 室的高真空腔體1。絕緣電介質(zhì)管5外設(shè)置線圈2用于產(chǎn)生軸向磁場以滿足螺旋波傳輸?shù)?條件，高真空腔體1外設(shè)置用于產(chǎn)生約束磁場的輔助線圈3，絕緣電介質(zhì)管5和高真空腔體 1分別設(shè)置饋入反應(yīng)氣體的進氣孔8和進氣控制裝置9，高真空腔體1內(nèi)設(shè)置饋入反應(yīng)氣體 的環(huán)形噴嘴7和用于襯底升溫的加熱器6，加熱器6溫度通過控溫電源12控制。本發(fā)明的絕緣電介質(zhì)管5可以是石英、玻璃或陶瓷材料的圓柱形管材制作。高真 空腔體3可以是空腔圓柱或空腔棱柱，可以是鋁、銅或不銹鋼金屬材料制作，也可以是的石 英、玻璃或陶瓷材料的空腔圓柱形管材制作。絕緣電介質(zhì)管外設(shè)置線圈2和輔助線圈3可 以采用有鐵芯或沒有鐵芯的洛倫茲線圈制作，可以采用一個或多個線圈，設(shè)置的方式可以 采用對稱形式，也可以是非對稱形式。絕緣電介質(zhì)管5和高真空腔體1分別單獨設(shè)置饋入 反應(yīng)氣體的進氣孔8和進氣控制裝置9，設(shè)置的方式可以采用金屬法蘭連接形式或進氣孔 連接形式。環(huán)形噴嘴7為石英、玻璃或陶瓷等絕緣電介質(zhì)材料制作，設(shè)置的方式為軸向?qū)ΨQ 設(shè)置。加熱器6與控溫電源12相連，加熱方式可以采用阻熱方式或熱輻射方式，加熱器6 的表面采用銅或不銹鋼材料制作。圖2所示，本發(fā)明的自激式振蕩電路10包括反饋回路14、燈絲電源15、振蕩槽路 16。高壓電源13的輸出端連接振蕩槽路16，振蕩槽路16的輸出端連接天線4線圈，在高壓 電源13和振蕩槽路16之間連接有反饋電路14，燈絲電源15連接到振蕩槽路16中。該振 蕩電路的振蕩頻率為30MHz，輸出功率為0 3500W連續(xù)可調(diào)。圖3所示，振蕩槽路16由振蕩管G、扼流圈ZL、電感L、可調(diào)電阻W、電阻R、電容Cl、 C2、C3、C4、C5、C6組成。在振蕩槽路16中，G為振蕩管(FU-5S型)，Cl為隔直電容，C2為槽路電容，C3為柵極旁路電容，C4、C6為穿心電容，C5為柵極表旁路電容，L為柵漏電感，W 為可調(diào)柵漏電阻，R為柵漏電阻，ZL為高頻扼流圈。它們的連接關(guān)系為振蕩管的陰極接燈 絲電源，陽極接在高壓電源與天線的連接線路上，柵極接電感L、電阻R、電容C3、C4、C5組成 的耦合電路，在高壓電源與天線的連接線路上還串聯(lián)有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變 電容C2與天線相并聯(lián)。本發(fā)明的一個實施例的部分部件規(guī)格如下天線4采用名古屋III型天線，其內(nèi)徑為8cm，高為5cm，緊繞在放電管上；絕緣電介質(zhì)管5采用直徑為7cm高為18cm的石英管；高真空腔體10用不銹鋼制成，高為250cm，直徑為250cm ；加熱器6使用一電阻式加熱器進行加熱，通過控溫電源12控制加熱器溫度，其溫 度可在20-800oC范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；進氣孔8和環(huán)形噴嘴7均采用石英材質(zhì)，進氣控制裝置9為多路質(zhì)量流量控制器；所用的磁場由三個線圈組成，其中上面兩個線圈2的內(nèi)徑為12. 4cm，外徑為 20. 5cm,高為4cm，二者相距8cm，形成一亥姆霍茲線圈，當(dāng)外加電源電流為IOA時，能在兩 線圈之間產(chǎn)生約200高斯的磁感應(yīng)強度，這兩個線圈為螺旋波等離子體的產(chǎn)生提供必要條 件；第三個線圈即輔助線圈3的內(nèi)徑為23cm，外徑為26cm，高為5. 5cm,當(dāng)外加電流為IOA 時，能在軸心處形成64高斯的磁感應(yīng)強度，起著約束電子的作用；機械泵和渦輪分子泵組成抽真空系統(tǒng)11，本底壓強達到10_4Pa的量級，實驗時通 過微調(diào)進氣閥使注入到反應(yīng)室中的氣體，使反應(yīng)室內(nèi)保持一定的壓強。本發(fā)明列舉的實施例旨在更進一步地闡明這種螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉 積裝置和應(yīng)用方向，而不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成任何限制。
權(quán)利要求
一種螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，它包括外部高壓電源(13)、激發(fā)螺旋波等離子體的天線(4)、絕緣電介質(zhì)管(5)、高真空腔體(1)、線圈(2)、輔助線圈(3)，絕緣電介質(zhì)管和高真空腔體分別設(shè)置饋入反應(yīng)氣體的進氣孔(8)和進氣控制裝置(9)、環(huán)形噴嘴(7)和加熱器(6)，其特征在于在外部高壓電源(13)和激發(fā)螺旋波等離子體的天線(4)之間連接有自激振蕩電路(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于所述 的自激振蕩電路(10)由外部高壓電源(13)、反饋回路(14)、燈絲電源(15)、振蕩槽路(16) 組成，外部高壓電源(13)的輸出端連接振蕩槽路(16)，振蕩槽路(16)的輸出端連接天線 (4)線圈，在外部高壓電源(13)和振蕩槽路(16)之間連接有反饋電路(14)，燈絲電源(15) 連接到振蕩槽路(16)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，其特征在于振蕩 槽路(16)由振蕩管6、扼流圈21^、電感1^、可調(diào)電阻1、電阻1 、電容(1丄2丄3丄4丄5丄6組 成，振蕩管的陰極接燈絲電源(15)，陽極接在外部高壓電源(13)與天線(4)的連接線路上， 柵極接電感L、電阻R、電容C3、C4、C5組成的耦合電路，在高壓電源(13)與天線(4)的連接 線路上還串聯(lián)有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變電容C2與天線(4)相并聯(lián)。
全文摘要
一種螺旋波等離子體增強化學(xué)氣相沉積裝置，屬于等離子體加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，用以實現(xiàn)射頻功率的穩(wěn)定和有效饋入并能有效防止螺旋波等離子體的跳模現(xiàn)象，其技術(shù)方案是該裝置包括外部高壓電源、激發(fā)螺旋波等離子體的天線、絕緣電介質(zhì)管、高真空腔體、線圈、輔助線圈，絕緣電介質(zhì)管和高真空腔體分別設(shè)置進氣孔和進氣控制裝置、環(huán)形噴嘴和加熱器，在外部高壓電源和激發(fā)螺旋波等離子體的天線之間連接有自激式射頻振蕩電路。本發(fā)明利用自激式振蕩方式實現(xiàn)射頻電磁場和螺旋波等離子體的耦合，可有效防止螺旋波等離子體的跳模現(xiàn)象，使所產(chǎn)生的螺旋波等離子體更穩(wěn)定，為螺旋波等離子體的應(yīng)用開辟了新的發(fā)展空間；本發(fā)明還具有電路簡單、調(diào)試放便、造價低廉等優(yōu)點。
文檔編號C23C16/513GK101805895SQ20101013623
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者于威, 傅廣生, 劉麗輝, 王保柱, 路萬兵 申請人:河北大學(xué)