专利名称：等离子体处理装置和方法
背景技术：
发明领域本发明涉及用于产生适合于化学蒸气淀积、蚀刻和其它处理的强等离子体的装置和方法。在一个重要的实施例中，本发明涉及一种蒸气淀积系统，在该系统中使用等离子体淀积大面积金刚石膜。
背景技术：
讨论现有技术中用于生产金刚石膜的化学蒸气淀积(CVD)方法包括DC炬法、微波法、热丝法和射频等离子体技术。迄今为止，薄膜成本一直非常高。大部分现有技术都只能在小面积上淀积金刚石膜，这降低了生产速度和限制了金刚石膜的应用；并且淀积薄膜的速率非常低。较小的淀积面积和较慢的淀积速率使得这种薄膜的生产成本很高。
发明概要本发明提供使用强等离子体大面积快速处理的装置和方法。概括地说，本发明的方法包括以下步骤a)提供一个具有纵向轴和围绕该纵向轴的侧壁的腔室；b)提供一个沿轴向延伸的载流导体阵列，该阵列至少部分地围绕着该腔室，并且基本垂直于该纵向轴；c)向该腔室中提供气体物质；d)向该导体中提供高频电流以便通过磁感生作用使该腔室中的气体物质发生电离，并形成围绕该纵向轴且形状与该腔室侧壁形状一致的等离子体层；e)将一个沿该纵向轴延伸的工件表面暴露在该等离子体层中。
该腔室通常具有至少一个大面积平面侧壁，该等离子体层沿该侧壁并平行于该侧壁延伸。此外，该载流导体可由并联电连接的导体回路构成以使电路的阻抗最小，从而使导体中施加的用于在该腔室中产生磁场的电流最大。为了进一步降低阻抗，各个导体回路的至少一部分通常是由大直径的高导电率棒构成，它们最好是管状的以便可以冷却这些导体。
为了制备金刚石膜，导入该腔室中的气体物质由金刚石前体成分诸如水蒸气和乙醇或氢气和甲烷的混合物构成。金刚石膜在反应室中以高于迄今为止我们所知的其它形成金刚石的蒸气淀积技术的单位输入功率的体积生成速率淀积而成；并且可以淀积出非常大面积的金刚石膜。
该方法可以由包括以下部分的装置实施具有一个纵向轴和围绕并平行于该纵向轴延伸的侧壁的一个腔室，其中至少一个侧壁是平行于该纵向轴的大面积平面壁；向该腔室中提供气体的装置；一个轴向延伸的载流导体回路阵列，该阵列基本垂直于该纵向轴，至少部分地围绕该腔室，并在该腔室内平行于纵向轴的方向建立一个磁场；和与该导体阵列连接并向导体回路提供高频电流以便通过磁感生作用使腔室中的气体物质电离的一个高频电源。
虽然该导体回路也可以串联连接，如以螺旋线的形状，但是这些导体回路最好是并联连接的，并且至少有一部分是由冷却铜管构成。
附图简介通过以下参照附图所作的详细描述可以更好地理解本发明，同时更完整地领会本发明及其所附带的许多优点，在这些附图中
图1是用于本发明的腔室的透视图。
图2是图1中所示腔室的端视图。
图2a是沿图2中剖线2a-2a剖开的剖视图，其中管18a是放大表示的，即为了说明方便而没有按照实际比例绘制。
图3是用于本发明的腔室的另一个实施例的透视图。
图3a是沿图3中剖线3a-3a剖开的剖视图。
图4是沿轴向延伸的载流导体阵列的透视图，同时还示出了用于本发明的电源。
图5(a)-(e)以顶视图形式示意性地表示了用于本发明的载流导体的若干种结构设置，图5(f)以侧视图形式表示另一种结构设置。
图6是用于本发明的另一种电源的示意图。
图7是用于本发明的另一种腔室的透视示意图。
优选实施例的描述现在参照附图进行说明，其中各个附图中相同的参照标号指示相同的或相应的部分。更具体地说是参照其中的附图1、2和2a，图示的用于本发明的装置中的一个压控腔室10包括一个基本呈平面形的底板12和一个顶罩部分14。通常在底板12和顶罩部分14之间设置一个O-形环16以在这些部件之间实施有效密封。当该腔室10被部分抽真空后，大气压就会将该底板12和顶罩部分14压合在一起。管19熔接安装在顶罩部分14的一端，并用作真空抽气口。一根小直径的输入导管18同轴支撑在管19中，并延伸到接近腔室10的中央处，由此将各种反应气体导入腔室10。在一个优选实施例中，如图2a所示，在输入导管18的端部附近形成有一个环形开口18a，它使得气体可以更加均匀地分布在腔室中，从而能够在腔室中的工件表面上实施更加均匀的处理和淀积。除了图示的同轴结构以外，输入导管18和输出导管19也可以设置在腔室的相对端部。腔室的纵向轴20平行于在腔室中所施加磁场的方向。
该腔室最好是用介质材料，例如石英、陶瓷、塑料、合成材料和类似材料制成。使用介质材料使得磁场和电场可以穿透进入腔室。图1中所示结构中的底板12和顶罩部分14可以具有大约1厘米至5厘米的厚度，更好的是具有大约2厘米至3厘米的厚度。底板12可以具有任何一种与顶罩部分匹配的平面形状，例如，正方形、矩形、圆形、椭圆形、椭球形、或不规则形状。腔室10的顶罩部分14可以是能够保持腔室10中的低气压并具有结构完整性的任何形状，例如，当腔室内处于低压并加热时它可以限制大气压的作用。顶罩部分14可以是，例如，圆拱形、半球形、或长方形；在后一种情况下，例如，它可能包括一个与底板12平行并且匹配的平板，和在底板12和该平板之间延伸的侧壁。
用于本发明的腔室最好具有至少一个宽大的基本为平面的表面，该表面用作一个工件表面或者支撑一个工件表面。在腔室10中，底板12就是这样一个平面表面。此外，尽管在这儿底板12是平坦的，但是它也可以具有例如网状凸起的结构。这种具有一定成形形状的表面在本申请中也被认为是平坦的原因是，该表面的长度和宽度远大于任何厚度或高度尺寸。平面表面越大，所能够淀积的平面薄膜的面积或者能够进行处理的平面表面的面积也越大。该平面可以具有至少100平方厘米的面积，更好些的是具有500平方厘米或者更大的面积，例如1或2平方米的面积或更大的面积。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，底板12’基本上是平坦的，顶罩14’为半圆柱形。底板12’和顶罩14’可以用石英制成并熔接在一起。端板13通过用O-形环15抵住玻璃板17而实现的密封进一步限定了腔室10’，其中的玻璃板17与底板12’和顶罩14’熔接在一起。在腔室10’的另一端有第二块端板21’。在端板13上设置有一个输入口18’，而在端板21上设置有一个输出口19’。
如上所述，还可以采用如图7示意性表示的长方形腔室。对于某些应用来说长方形腔室是更可取的，因为可以在腔室的两个较大面积侧壁上(图7中的上壁和下壁)，以及在这两个较大面积侧壁之间延伸的较短侧壁上淀积较大面积的平面薄膜。“侧壁”指的是沿着纵向轴的方向延伸的壁面(尽管它们可能同时也朝向纵向轴延伸，例如在如图1-2a所示的腔室10的拱形顶罩14的两个倾斜部分的情况下)。这些侧壁围绕着纵向轴从而构成纵向轴从中穿过的外壳或腔室的横向部分；一般来说这些侧壁是平行于纵向轴，并与之分开的，尽管在所指出的顶罩14具有两个倾斜部分的情况下，它们可能与该纵向轴相交。
用于本发明的腔室的大小仅仅由承受作用在该腔室外面的大气压力所需的机械完整性和腔室尺寸需要基本小于工作频率下的特征波长两方面限制。在10MHz频率下，特征波长为大约30米。腔室的纵横比，即腔室的宽度与长度之比可以至少为2∶1，是至少为5∶1更好些，最好为10∶1或者更大。
该腔室应能够维持小于100乇，更好些的是小于10乇，最好是小于1乇或者更小的内部压力。控制腔室中压力的装置在附图中没有示出，它可以包括，例如，蝶形控制阀、质量流量控制器、和真空泵，以及诸如电容压力计等的压力测量装置，所有这些装置对于本领域技术人员都是熟知的。
还可以根据需要包括具有各种结构的水套，它们都是热处理领域中技术人员所熟知的，尽管在附图中没有表示。如果有水套的话，水套最好是围绕着该腔室，以冷却在高能作用下达到高温的腔室。
图4示意性表示出了一个高频能量发生器22，或称天线，它通常环绕着或者围绕着低压腔室，并向腔室中的气体组分施加产生等离子体的能量。能量发生器在腔室内产生的磁场比其在腔室外产生的磁场更加均匀和强大。该发生器包括载流导体24，一个由电容器26构成的电容器组与之构成谐振关系。根据所需的总电容和需要施加的能量强度，每个导体24可能具有或者可能不具有一个电容器。作为一种组合，每一个导体24和与之连接的电容器组构成一个导体回路，而每一个导体回路通过总线38和39彼此并联连接。
如图所示，为了方便发生器22与腔室是分开表示的，但是该腔室通常位于导体回路之中，并且腔室的纵向轴基本垂直于各个回路的平面。
为了包围宽度大于高度以利于大面积平面淀积的腔室，导体24呈U-形是可取的。这些导体应具有较大直径以减小其阻抗。为了实现本发明，可在等离子体气体中感生电流，产生加热作用，使气体离子化和发生电离。等离子体中电流的幅值正比于载流导体中的电流大小。任何一个载流导体均存在一个电流阻抗，它随着所选择导体的电阻增大而增大，并且随着ωL增大而增大，其中ω＝2rf，f为工作频率，L为电感。为了使得任何给定电压下的电流达到最大，需要选择使用具有高导电率的材料，并使载流导体的阻抗保持较低。这种条件在图4所示的装置中得以实现，其中采用了具有较大直径的导体，这些导体构成彼此并联的单个回路，并且沿着腔室的纵向轴排列。
导体可以由高导电率材料(例如，银、铜、铝、或黄铜)构成，以减少能量损失。事实上，铜或镀银铜是常用的，但是也可以使用镀银的黄铜或铝。使用管状导体可以使冷却液本能够在导体内循环。直径小到约0.5-1厘米的导体管适用于较低能量的应用，而大至约2.5厘米(1英寸)或者更大直径的导体管适用于较高能量的应用。也可以使用实心元件，例如低电阻金属带等，其宽度可以是0.5-1厘米，更好些是2-5厘米，同时配备适当的冷却部件，例如焊接到金属带上的散热片或冷却管。
可以在导体24的长度方向24a的中点接出一条附图中没有表示的总线，并将其接地，从而相对于地电平建立一个对称的电压，如能这样是可取的。可以根据本领域所熟知的技术，使装置的任意部分接地而实现与地电平等电位，进而相对于地电平构成对称的或者不对称的电压。
这些导体回路基本上垂直于腔室的纵向轴。在图4中，各导体回路的平面垂直于该纵向轴，并且均匀间隔。在另一种结构中，导体可以如图5(b)和图5(c)所示不规则地间隔设置，以得到所需的等离子体形态和强度。还可以采用如图5(e)所示的人字形结构或者如图5(d)所示的平行结构与人字形结构的结合。此外，还可以采用如图5(f)所示的多个载流导体，其中一个导体重叠或者环绕着另一个。
还可以采用串联缠绕的例如螺旋线圈等的线圈，它们可以是缠绕成长方形或者正方形螺旋线圈。这种串绕线圈所具有的较高阻抗可以限制载流导体中的电流，从而限制所传输的能量的最大值；但是从另一方面讲，这种线圈适用于低于最大能量值的情况。
该能量发生器的载流导体可以嵌在腔室的表面上，可以紧贴着腔室的表面，也可以与腔室表面分开而自由支撑。比较好的是使载流导体呈自由支撑状态，并与腔室分开，以便于从发生器中放入和拆卸该腔室。这种结构使得一个发生器可以方便地接连使用多个腔室。如果载流导体是与腔室分开设置的，它们与腔室外壁的间隔应在约1厘米(1/2英寸)范围之内，更可取的是在约0.25厘米(1/10英寸)范围之内，并按照腔室的形状成形。
虽然让导体回路完全环绕着腔室是可取的，但是我们也通过使导体穿过该腔室，例如使导体24的长度部分24a穿过腔室的中心并垂直于腔室的纵向轴而成功地实现了本发明。在该腔室中导体与位于导体回路内的腔室侧壁之间产生了等离子体层。
该发生器产生一个高频磁场，该磁场平行于腔室的纵向轴穿过该腔室。被例如腔室中的电场激发的腔室内的气体成分中的带电荷组分响应高频磁场，在气体物质中感生出垂直于纵向轴的电流回路。该感生的电流回路形成在腔室边界附近，并且距腔室的壁越远，电流幅值越小(如本领域中技术人员所能理解的，感生电流的取向使得其相关的磁场部分地抵消由载流装置产生的磁场，所以当距腔室壁较远时会进一步减小磁场强度)。感生的等离子体电流回路所作的功增强了气体组分的离子化和电离，产生了更强的等离子体层，该等离子体层的形状与腔室的内壁结构一致。因为能量发生器具有轴向延伸的特性，以及在腔室中通常处于低压状态，所以该等离子体层沿轴向横向延伸。等离子体覆盖住在发生器内部的腔室的侧壁。在腔室的平面壁处，构成了平行于该腔室壁的平面等离子体层，而在腔室的曲面壁处，形成了依照该曲面形状成形的等离子体层。
感生电流回路形成后，就变成将施加的高频能量变换成等离子体的主要功能性部分。可以通过增加能量使电离和离子化效果增强。
由感生电流回路形成强等离子体的状态被称之为磁感生电离。通常，当发生磁感生电离时，等离子体的发光度会出现急剧的增大，从腔室壁到腔室中心等离子体的发光度会出现可见的差别。
图3a为表示在该装置工作期间腔室10’的剖面图。附图中的点表示腔室中磁感生等离子体(实际上等离子体是通过它的可见发光度来观察的)。如图所见，等离子体在接近腔室壁的外边界处比较强或密集，而随着它与侧壁的距离增大其强度也逐渐减小。在某一距离处，其强度将减小到几乎没有可见发光的程度。在有关文献中报告了磁感生电离可以得到每立方厘米1012个电子的等离子体，而根据有关报告，通过所谓的电容耦合只能够产生每立方厘米1010个电子；例如在等离子体激发过程中实现磁感生电离之前，如果电场进入本发明的装置的腔室中并作用在腔室中的中性气体成分上，就会发生后者，即所谓的电容耦合。
如图3a所示，当通过一根中心输入导管将气体引入腔室中时，它们首先通过相对低密度的等离子体区向高密度等离子体层扩散。气体的这样一条路径有利于，例如在使用水蒸气/乙醇混合物时形成一氧化碳，从一些早期专利申请中可以看到这一介绍，这些专利包括07/787,891，1991年11月5日申请；08/861,291，1993年5月14日申请；以及08/151,184，1993年11月12日申请。这些专利申请以及一篇PCT公开副本(WO93/08927，1993年5月13日)以引用方式结合在本申请中。
这种强等离子体具有许多优点。例如，它能使金刚石前体气体原料迅速产生电离，从而能够快速淀积金刚石膜。等离子体层密度一致并且接近金刚石发生淀积的腔室壁是有益的，因为这样可以使电离的金刚石形成组分需要只经过很短的距离就与工件表面接触。强等离子体中产生的高温和高电子密度也可以以其它方式加以应用，例如清理表面、蚀刻表面、或者焚化废料。
如上所述，腔室的侧壁可以用作工件表面，或者用于支撑工件表面，通常工件表面与腔室侧壁是合一的。因此，工件表面可以设置在等离子体层的外边界，并与之重合，在这个位置等离子体层是最强和最有活性的；而且等离子体层可以以这个高强度作用在通常较为宽大的工件表面的几乎整个表面上，该工件表面为平面。因此，能够淀积大面积膜、或者清理、蚀刻大面积表面等等。虽然工件表面一般来说是沿着纵向轴方向延伸，并且可以具有与等离子体层轮廓一致的形状，但是工件表面也可以位于等离子体层的其它区域。
能量发生器的电源可以是本领域技术人员所知的各种类型。所需的功率电平可以根据腔室中的压力和腔室中气体的电离势能；淀积、蚀刻、或清理、或者其它所执行的操作的类型；所需的生产率；适合于所用材料和基质的温度范围等因素而加以选择。感生电离所需的功率在许多情况下可以根据已知的功率电平、压力和所需气体之间的关系式很容易地求得；对于没有报告过的材料可以根据在感应电弧领域中已知的一般原理通过简单的实验得到有关数据，或者通过简单实验进一步确定所需的和优选的工作状态。
在采用水-乙醇混合物进行金刚石淀积的情况下，每平方厘米大约7瓦特或更大的功率就足以以1微米/小时的速率淀积金刚石。用消耗在腔室中的功率除以腔室沿纵向延伸的侧壁的面积就可以计算出功率密度(消耗在腔室中的功率可以测量出来，或者用所施加的初始功率乘以发生器的效率可以更准确地计算出来，对于图示的发生器来说，其效率通常在65％的量级)。不很精确地讲，其它诸如氢-甲烷混合物等的金刚石形成原材料一般需要将近两倍或者更大的功率密度。当气体压力小于0.5乇时，一般以腔室侧壁上每平方厘米2或3瓦特的功率密度即可实现磁感生电离。
射频(RF)电源装置可以从例如Lepel公司购得(例如，ModelNo.T-40-3-DF4-TL型)。其它适用的射频电源示意性表示在图4和图6中。图4表示了一个射频电源30，该电源具有可变耦合控制。该射频电源包括一个高压可变直流电源31，该直流电源通过射频轭流线圈32与真空管33阳极板相连。其开关操作将直流电能转换成高频能量。真空管33与栅极复合阻抗电路35和具有可变容量的初级储能线圈36相连。初级储能线圈36和耦合线圈37构成匹配电路。耦合线圈37连接在总线38与39之间，而总线与导体回路24和电容器组26相连。
图6示意性表示了另一个射频电源，该电源具有一个直流耦合电路40。该电路包括一个变压器41，辅助电源44通过该变压器向振荡器丝极输送能量。电感42和电容43构成一个去耦电路，直流电能通过该去耦电路从输入端31馈入。电流表45、电阻46、射频轭流电感47、可变电容器48、和电感49构成栅极电路的复合阻抗。真空管51以高频开关该直流电源，并通过如图4所示的总线38和39将射频电流输送到电容器26和载流导体24。连接器52接地以构成从真空管到该电源的直流返回路径。
该电源向发生器提供高频电流，在由其它发生器或者发生器结构产生感应耦合等离子体的情况下，高频指的是大约60赫兹到100兆赫兹之间的频率。电源工作频率为大约0.5到20兆赫兹，大约为7到15兆赫兹更好些。这样的频率处于通常称之为无线电频率的范围内。申请人所在国政府有关管理部门已经批准13.56兆赫兹频率可以用于工业，这个频率是适用于本发明的。
根据所要进行的工作的种类，例如淀积金刚石或其它物质、蚀刻、清理或高温热解，可以在腔室中使用各种原材料。原材料通常为气体、或在引入腔室时蒸发为气态。适合的形成金刚石的原材料气体包括醇和水的混合物。适用于本发明的醇包括甲醇、乙醇、和异丙醇。其中乙醇是特别优选的醇类。醇类与水的比例可以在1∶1.5到1∶4的范围内，在1∶1到2∶1的范围内更好些，最好是在1∶1到1.2∶1的范围内。
对于淀积除金刚石以外的其它薄膜，可以使用包含硅烷的原材料与氧气配合淀积SiO2，与氮气配合淀积Si3N4，与甲烷配合淀积SiC；即可以使用适当的混合物淀积各种硅合金。
对于蚀刻或蚀洗，即去除表面物质的工作，主要根据所要蚀刻的表面来选择气体。对于硅表面，可以使用分子H2以及CF4/O2混合物。对于聚合物表面，可以使用富氧气体，例如O2、H2O、N2O、H2O2。
对于清理基板表面以去除残余的碳、油、或胶，也可以使用氧基原材料，例如O2、H2O、N2O、H2O2。
在使用本发明的装置进行危险废物处理时，危险物质本身必须呈蒸气状态的或者夹带在处理气流中。例如，处理三氯乙烯就可以通过将液体夹带在包含O2和H2的气流中进行。生成物气流中将包含CO、HCl、H2O。HCl和H2O将从气流中冷凝出来，并被中和。CO将燃烧成CO2。
下面通过实施例进一步描述本发明。实施例1本实施例采用图1所示的腔室和图4所示的能量发生器生产多晶金刚石膜。腔室的拱形部分14由石英制成，壁厚3/8英寸(大约1厘米)，其底部面积为14英寸×16英寸(大约35×40厘米)；底板厚度为1.25英寸(大约3厘米)。
本实施例使用了18个导体回路的阵列，所用导体为1.27厘米直径的“U”形铜管，其长边(图4中的24b)长度为53厘米，底边(图4中的24a)长度为18厘米。本实施例使用了由11个250微微法、30千伏(测试电压)的电容器构成的电容器组，其总电容值为2750微微法，并且该电路工作的谐振频率为8兆赫兹。
在该装置的底板上放置了三块石英基片，其中一个面积为8英寸×10英寸(20厘米×25厘米)，另外两个面积为4英寸×4英寸(10厘米×10厘米)，以覆盖8英寸×14英寸(20厘米×35厘米)的面积。将这些基片砂磨，然后用包含平均直径为1微米的金刚石颗粒的金刚石膏再进行打磨。将腔室抽真空，然后通过导管18将水蒸气和乙醇蒸气的混合物导入腔室中。水蒸气导入流率为19标准立方厘米(sccm)，乙醇导入流率为15标准立方厘米。腔室中的压力设定为0.4乇。启动等离子体电源，激发等离子体，从而使腔室中的压力增加到0.5乇。在真空管33的阳极板上施加6.4千伏的直流电压，从而形成频率为8.5兆赫兹的1.5安培的阳极电流。计算得出在腔室的内侧表面上每平方厘米面积的等离子体能量密度大约为3瓦特。整个系统稳定工作47小时，随后切断电源，将装置排气，并将样品从腔室中取出。视觉观察基片表明已经有金刚石膜淀积在基本整个8英寸×14英寸的面积上。经检测发现淀积膜的厚度存在一定程度的层次变化，看起来具有不同的明暗度，但是淀积膜的大部分具有相当均匀的厚度。用拉曼谱仪检测样品，在1332cm-1处检测到一个明显的峰值。对样品横截面利用扫描式电子显微镜(SEM)照相确定的淀积膜的大部分厚度约为30微米，对淀积膜上表面的金相实验表明淀积膜由若干小平面组成。
实施例2本实施例采用图3所示的装置(除了输入导管18’是与导管19’同轴并且位于导管19’内，其余部分如图1所示的腔室10)和如图4所示的能量发生器生产多晶金刚石膜。该腔室包括一块石英制成的平面底板12，该底板0.375英寸(1厘米)厚、大约10英寸(25厘米)长、5英寸(12.5厘米宽)。拱形部分14’是由一个直径大约为6英寸(15厘米)的圆柱体，沿其5英寸(12.5厘米)的弦切割而成。拱形部分的壁厚约为0.125英寸(0.32厘米)。
该实施例采用了由18个导体回路构成的阵列，其中的导体为1.27厘米直径的U形铜管，回路的长边(图4中所示的24b)长度为53厘米、底边(图4中所示的24a)长度为18厘米。本实施例使用了由11个250微微法、30千伏(测试电压)的电容器构成的电容器组，其总电容值为2750微微法，并且该电路工作的谐振频率为8兆赫兹。
将直径大约为5英寸(10厘米)的两个硅片插入腔室中，并放置在底板上。将腔室抽真空，并将水蒸气和乙醇蒸气的混合物导入腔室中，水蒸气的导入流率为8标准立方厘米、乙醇蒸气的导入流率为12标准立方厘米。启动电源，激发等离子体，使腔室中的压力达到0.7乇。将真空管阳极板上的直流电压设定为7.3千伏，从而形成频率为8.5兆赫兹的1.8安培的阳极电流。保持这一状态120小时。随后切断电压，将装置排气，并将硅片从腔室中取出。金刚石膜已经淀积在这些硅片上，以及腔室的拱形部分的内表面上。
从拱形部分内表面上分离出来的淀积膜面积约为8英寸×8英寸(20厘米×20厘米)。扫描式电子显微镜照相表明这种淀积膜具有较好的平面度，其厚度为70微米。拉曼谱仪检测表明所得到的淀积膜在强发光背景下具有一个1332厘米-1的十分清晰的峰值。从硅片上分离出来的淀积膜显示出具有较好的拉曼光谱，并具有尖锐的峰值和非常低的背景发光。有趣的是，淀积在硅片上的金刚石较厚，这可能是由于硅片放置在比拱形部分厚的平底板上使得基片的温度较高而造成的。
实施例3该实施例中采用如在实施例2中所述的相似装置蚀刻一个硅片，但是少用了一些导体回路，总电容为1000-1500微微法。将硅片放置在腔室的底板上，将腔室抽真空使其压力降低到0.050乇以下。利用一个质量流量控制器将氢气以40标准立方厘米的流率导入腔室中，之后启动电源，激发等离子体。使腔室压力达到0.124乇，将功率管阳极板上的直流电压设定在3.2千伏，产生频率为13.56兆赫兹的0.8安培的阳极电流。在进行等离子体处理过程中通过石英拱顶测量发光谱。发光谱表明对于原子氢在656纳米和486纳米处有两个峰值，此外，在414纳米处存在相当大的发光，这表明在蚀刻过程中产生了氢化硅。处理过程持续3小时40分钟，随后切断电压，将装置排气，从腔室中取出硅片。经过处理的硅片会发生可见的变化。SEM显微照相表明硅表面已经被氢等离子体辐照而明显地蚀刻了。
实施例4在该实施例中使用如实施例3中所述的装置清理一块5英寸直径大小的硅片，该硅片曾喷涂有3M“super 77”喷涂胶，并已干燥。胶层的厚度约为500微米。将硅片切割成两半，并将其中的一半放入腔室中的底板上。将腔室抽真空到0.005乇，通过一个针阀将水蒸气导入腔室中，直到腔室中压力达到0.050乇。启动电源，激发等离子体。在真空管的阳极板上施加3千伏的直流电压，形成0.75安培的阳极电流。最初，大约2分钟，当胶被熔化时系统压力达到最大值。压力达到最大值使得等离子体耗尽，然后当压力恢复到初始的低压状态时重新形成等离子体。系统压力在2分钟内稳定在压力为0.045乇、阳极电压为2.5千伏和阳极电流为0.75安培的状态。然后系统运行大约5分钟，之后切断电源，将系统排气、并将硅片从腔室中取出。经过检查发现清理并不完全；只有硅片的中央部分被清理干净了。接着再次进行处理，将水蒸气导入，使腔室内压力在激发等离子体之前为0.070乇，在激发等离子体之后为0.119乇。阳极电压为3千伏，阳极板电流为1安培。继续进行处理15分钟，然后胶质似乎开始熔解，但是在硅片上仍然有残留物。重新装入样品，再次处理15分钟，其间压力为0.130乇、阳极电压为3千伏、阳极电流为0.8安培。经过15分钟后中断处理，将样品取出并进行检查。还有一些象微小颗粒一样的残留物存在，但是很容易用湿布从硅片表面擦掉。
显然根据上述的教导，很容易对本发明作出各种改进和变化。所以应当理解在权利要求的范围内，除了本申请所述的具体形式之外，还可以以其它方式实施本发明。
权利要求
1.一种采用等离子体处理基片的方法，该方法包括以下步骤a)提供一个腔室，该腔室具有一条纵向轴和围绕该纵向轴的侧壁；b)提供一个沿轴向延伸的载流导体阵列，这些导体至少部分地环绕着该腔室，并且基本垂直于该腔室的纵向轴；c)向该腔室中提供气体物质；d)向导体中提供高频电流，以通过磁感生作用使腔室中的气体电离，形成围绕所说纵向轴和沿所说纵向轴延伸的、并且其形状与所说腔室的侧壁形状一致的等离子体层；和e)将沿纵向轴方向延伸的一个工件表面暴露在该等离子体层中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的载流导体构成以并联方式电连接的回路。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说腔室至少有一个侧壁是平面的，所说等离子体层以平面层形式平行于所说平面侧壁延伸。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为100平方厘米，所说等离子体层在所说平面侧壁表面上延伸。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为1平方米。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说气体物质构成等离子体层中蚀刻所说工件表面的一种物质。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说气体物质构成等离子体层中清理覆盖在工件表面上物质的一种物质。
8.用等离子体处理基片的一种方法，该方法包括以下步骤a)提供一个腔室，该腔室具有一条纵向轴和围绕该纵向轴并平行于所说纵向轴延伸的侧壁，其中至少一个侧壁是平面的；b)提供一个沿轴向延伸的载流导体回路阵列，这些回路环绕着所说平面侧壁，基本垂直于所说纵向轴，并且以并联方式电连接；c)向该腔室中提供气体物质；d)向导体回路中提供高频电流，以通过磁感生作用使腔室中的气体电离，形成围绕所说纵向轴和沿所说纵向轴延伸的、并且其形状与所说腔室的侧壁形状一致的等离子体层，所说等离子体层的一部分以平行于所说平面侧壁的平面层形式延伸；e)将沿纵向轴方向延伸的一个工件表面暴露在该等离子体层中。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为100平方厘米，所说平面等离子体层在所说平面侧壁表面上延伸。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为1平方米，所说平面等离子体层在所说平面侧壁表面上延伸。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于所说气体物质构成等离子体层中蚀刻所说工件表面的一种物质。
12.一种形成金刚石膜的方法，该方法包括以下步骤a)提供一个腔室，该腔室具有一条纵向轴和至少部分地围绕该纵向轴的侧壁；b)提供一个沿轴向延伸的载流导体阵列，这些导体环绕着该腔室，并且基本垂直于该腔室的纵向轴；c)向该腔室中提供一种气体金刚石前体原材料；d)向导体中提供高频电流，以通过磁感生作用使腔室中的气体电离，形成围绕所说纵向轴和沿所说纵向轴延伸的、并且其形状与所说腔室的侧壁形状一致的等离子体层；e)将沿纵向轴方向延伸的一个工件表面暴露在该等离子体层中并用于淀积金刚石膜。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所说的载流导体以并联方式电连接。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所说腔室至少有一个侧壁是平面的，所说等离子体层以平面层形式平行于腔室的所说平面侧壁延伸。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所说工件表面是平面的，并且平行地暴露于所说平面等离子体层。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所说平面工件表面的面积至少为100平方厘米，所说平面等离子体层沿所说平面工件表面延伸。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所说平面工件表面的面积至少为1平方米，所说平面等离子体层沿所说平面工件表面延伸。
18.一种形成金刚石膜的方法，该方法包括以下步骤a)提供一个腔室，该腔室具有一条纵向轴和围绕该纵向轴并平行于该纵向轴延伸的侧壁，其中至少一个侧壁是平面的；b)提供一个沿轴向延伸的载流导体回路阵列，所说回路分别部分地环绕着该腔室，基本垂直于该腔室的纵向轴，并且以并联方式电连接；c)向该腔室中提供一种气体金刚石前体原材料；d)向导体回路中提供高频电流，以通过磁感生作用使腔室中的气体电离，形成围绕所说纵向轴和沿所说纵向轴延伸的、并且其形状与所说腔室的侧壁形状一致的等离子体层，所说等离子体层的一部分以平面层形式平行于所说平面侧壁延伸；e)将沿纵向轴方向延伸的一个工件表面暴露在该等离子体层中。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为100平方厘米，所说工件表面暴露于所说等离子体层的平面层部分。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于所说平面侧壁的面积至少为1平方米，所说工件表面在所说等离子体层的平面层部分的外边界处暴露于所说等离子体层的平面层部分。
21.一种等离子体处理装置，它包括一个腔室，该腔室具有一纵向轴和围绕着该纵向轴的侧壁，其中至少一个侧壁是平行于所说纵向轴的较宽大的平面壁；用于向所说腔室中提供气体的装置；一个沿轴向延伸并围绕着所说腔室的载流导体回路阵列，所说导体回路阵列基本垂直于所说纵向轴，并建立一个平行于所说腔室的纵向轴的磁场；和与所说导体阵列连接的一个电源，该电源用于向导体回路提供高频电流以通过磁感生作用使腔室中的气体物质电离。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于各个导体回路以并联方式电连接。
23.如权利要求21所述的装置，其特征在于所说导体回路至少部分由冷却管构成。
24.用等离子体处理工件表面的一种方法，该方法包括以下步骤a)提供一个腔室，该腔室具有一条纵向轴和围绕该纵向轴的侧壁；b)向该腔室中提供气体物质；c)在所说腔室中产生磁感生等离子体层，所说等离子体层围绕所说纵向轴和沿所说纵向轴延伸，并且其形状与所说腔室的侧壁形状一致；d)按照沿所说腔室纵向轴延伸的方向放置所说工件表面，并将所说工件表面暴露于所说等离子体层中。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于其中放置工件表面的步骤d)包括将工件表面暴露于所说等离子体层的外边界处的步骤。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于其中产生等离子体层的步骤c)包括以下步骤在至少部分地环绕着所说腔室并基本垂直于所说腔室的纵向轴的导体回路中产生高频电流，所说高频电流在腔室中沿平行于所说纵向轴的方向产生一个磁场，所说磁场的强度足以使腔室中的气体物质磁感生电离。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于在至少部分地环绕着所说腔室的沿轴向延伸的载流导体阵列中产生所说的高频电流。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于所说阵列由环绕着所说腔室和以并联方式电连接的单个导体构成。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于所说步骤d)包括蚀刻所说工件表面。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于所说步骤d)包括清理所说工件表面。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于所说步骤b)包括向所说腔室中提供一种气体金刚石前体原材料的步骤；和所说步骤d)包括在所说工件表面上淀积一层金刚石膜的步骤。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于所说工件表面包括一个面积至少为100平方厘米的平面表面。
33.如权利要求25所述的方法，其特征在于所说工件表面包括一个面积至少为100平方厘米的平面表面。
34.如权利要求29所述的方法，其特征在于所说工件表面包括一个面积至少为100平方厘米的平面表面。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于所说工件表面包括一个面积至少为100平方厘米的平面表面。
36.如权利要求31所述的方法，其特征在于所说工件表面包括一个面积至少为100平方厘米的平面表面。
37.如权利要求24所述的方法，其特征在于所说腔室包括至少两个平行的平面侧壁。
38.一种用等离子体处理工件表面的方法，该方法包括以下步骤a)提供一个具有一纵向轴和围绕着所说纵向轴的侧壁的腔室，所说腔室的尺寸，使得当所说纵向轴与一个随时间变化的磁场同向时，该腔室和磁场将形成一层等离子体层，该等离子体层具有适合于对所说工件进行预定的等离子体处理的特性；b)向所说腔室中提供一种气体物质；c)在所说腔室中产生一个随时间变化的磁场，以磁感生出围绕并沿所说纵向轴延伸和具有与所说腔室侧壁形状一致的等离子体层，所说磁场具有这样的径向强度分布，使得与所说等离子体层有关的磁通量足以在所说等离子体层中感生一个周边电场，该电场足以维持具有进行所说的预定等离子体处理所需的能量密度的等离子体；d)基本平行于所说的随时间变化的磁场在距所说等离子体层适当距离处放置所说工件表面，并进行所说预定的等离子体处理。
全文摘要
一种产生适合于化学蒸汽淀积、蚀刻和其它工作,特别是适合于淀积大面积金刚石膜的等离子体的方法和装置,其中由围绕着一条纵向轴的侧壁所限定的一个腔室被沿轴向延伸的载流导体阵列环绕着,该导体阵列基本垂直于所说腔室的纵向轴。向该腔室中提供一种气体物质。在导体中产生高频电流以磁感生电离腔室中的气体物质,形成围绕着并沿该纵向轴延伸和具有与腔室侧壁一致形状的等离子体层。将沿腔室的纵向轴方向延伸的一个工件表面接近一个侧壁放置,暴露于该等离子体层中,并用该等离子体进行处理。腔室的宽度与高度之比为10∶1,或者更大,从而使得腔室包括一个邻近该等离子体层的大面积平面表面,并且可以在接近该平面表面设置一个大面积基片或一组基片,从而可以进行大面积处理,例如淀积金刚石等等。
文档编号C23F4/00GK1181172SQ95197370
公开日1998年5月6日 申请日期1995年12月22日 优先权日1994年12月22日
发明者罗纳德·艾伦·拉德, 罗伯特·卡莱尔·亨德里, 乔治·卡尔顿·赫德森 申请人:研究三角协会