專利名稱：一種螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置的制作方法
技術領域：
本發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 化學氣相沉積裝置，屬于等離子體加工設備技術領域。
背景技術：
低壓等離子體的產生方式一般通過直流、交流、射頻、微波等氣體放電形式實現， 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，容易實現等離子體密度、溫度的控制等特性，在半導體材料合成，刻蝕及加工等領 域獲得了廣泛應用，低壓射頻等離子體化學氣相沉積技術是采用等離子體實現化學反應氣 體的電離、分解及激發，通過激發化學反應實現固態薄膜的沉積。該技術因能方便的實現反 應氣體的激發在化合物納米薄膜材料合成中也獲得了廣泛應用。螺旋波等離子體是利用低 氣壓放電產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，具有對反應氣體的高電離和高激發特性，相對于類似特性的電子回旋共 振等離子體的實現方式具有所需設備簡單、磁場低，參數可通過多種方式實現調整等特性。 在等離子體刻蝕、等離子體化學氣相沉積和輔助濺射等材料加工領域已獲得了廣泛應用。 目前，現有技術中的螺旋波等離子體發生裝置均是通過它激式方法連接外部射頻電源和天 線實現射頻電磁場與所激發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絡 才能實現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象。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能實現射頻功率的穩定和有效饋入、可有 效防止螺旋波等離子體的跳模現象、使所產生的螺旋波等離子體更穩定的螺旋波等離子體 增強化學氣相沉積裝置。解決上述技術問題的技術方案是一種螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，它包括外部高壓電源、激發螺旋波 等離子體的天線、絕緣電介質管、高真空腔體、線圈、輔助線圈，絕緣電介質管和高真空腔體 分別設置饋入反應氣體的進氣孔和進氣控制裝置、環形噴嘴和加熱器，其改進之處是，在外 部高壓電源和激發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氣相沉積裝置，振蕩槽路由振蕩管G、扼流圈ZL、電 感L、可調電阻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有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變電容C2與天線相并聯。本發明利用自激式振蕩方式實現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象，使所產生的螺旋波等離子體更穩定；同時，本發明利用螺旋 波等離子體的低的工作氣壓、高的等離子體密度和能夠實現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條件，為螺旋波等 離子體的應用開辟了新的發展空間；本發明還具有電路簡單、調試放便、造價低廉等優點。


圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的自激式射頻振蕩電路電原理方框圖；圖3是本發明的振蕩槽路電路圖。圖中標記如下1、高真空腔體 2、絕緣電介質管外設置線圈3、輔助線圈 4、天 線5、絕緣電介質管6、加熱器7、環形噴嘴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，本發明是一種自激式螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，其包括 用于激發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11，用作 螺旋波等離子體產生室的絕緣電介質管5和與其相連的作為等離子體增強化學氣相反應 室的高真空腔體1。絕緣電介質管5外設置線圈2用于產生軸向磁場以滿足螺旋波傳輸的 條件，高真空腔體1外設置用于產生約束磁場的輔助線圈3，絕緣電介質管5和高真空腔體 1分別設置饋入反應氣體的進氣孔8和進氣控制裝置9，高真空腔體1內設置饋入反應氣體 的環形噴嘴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。本發明的絕緣電介質管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。絕緣電介質管外設置線圈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。絕緣電介質管5和高真空腔體1分別單獨設置饋入 反應氣體的進氣孔8和進氣控制裝置9，設置的方式可以采用金屬法蘭連接形式或進氣孔 連接形式。環形噴嘴7為石英、玻璃或陶瓷等絕緣電介質材料制作，設置的方式為軸向對稱 設置。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連續可調。圖3所示，振蕩槽路16由振蕩管G、扼流圈ZL、電感L、可調電阻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 為可調柵漏電阻，R為柵漏電阻，ZL為高頻扼流圈。它們的連接關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有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變 電容C2與天線相并聯。本發明的一個實施例的部分部件規格如下天線4采用名古屋III型天線，其內徑為8cm，高為5cm，緊繞在放電管上；絕緣電介質管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范圍內調節；進氣孔8和環形噴嘴7均采用石英材質，進氣控制裝置9為多路質量流量控制器；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，當外加電源電流為IOA時，能在兩 線圈之間產生約200高斯的磁感應強度，這兩個線圈為螺旋波等離子體的產生提供必要條 件；第三個線圈即輔助線圈3的內徑為23cm，外徑為26cm，高為5. 5cm,當外加電流為IOA 時，能在軸心處形成64高斯的磁感應強度，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11，本底壓強達到10_4Pa的量級，實驗時通 過微調進氣閥使注入到反應室中的氣體，使反應室內保持一定的壓強。本發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氣相沉 積裝置和應用方向，而不對本發明的范圍構成任何限制。
權利要求
一種螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，它包括外部高壓電源(13)、激發螺旋波等離子體的天線(4)、絕緣電介質管(5)、高真空腔體(1)、線圈(2)、輔助線圈(3)，絕緣電介質管和高真空腔體分別設置饋入反應氣體的進氣孔(8)和進氣控制裝置(9)、環形噴嘴(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.根據權利要求1所述的螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，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.根據權利要求2所述的螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，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 線路上還串聯有高頻扼流圈ZL、隔直電容Cl，可變電容C2與天線(4)相并聯。
全文摘要
一種螺旋波等離子體增強化學氣相沉積裝置，屬于等離子體加工設備技術領域，用以實現射頻功率的穩定和有效饋入并能有效防止螺旋波等離子體的跳模現象，其技術方案是該裝置包括外部高壓電源、激發螺旋波等離子體的天線、絕緣電介質管、高真空腔體、線圈、輔助線圈，絕緣電介質管和高真空腔體分別設置進氣孔和進氣控制裝置、環形噴嘴和加熱器，在外部高壓電源和激發螺旋波等離子體的天線之間連接有自激式射頻振蕩電路。本發明利用自激式振蕩方式實現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象，使所產生的螺旋波等離子體更穩定，為螺旋波等離子體的應用開辟了新的發展空間；本發明還具有電路簡單、調試放便、造價低廉等優點。
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 優先權日2010年3月31日
發明者于威, 傅廣生, 劉麗輝, 王保柱, 路萬兵 申請人:河北大學