一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构

摘要

本发明公开了一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，包括：真空组件及固接于所述真空组件上的复合窗口组件；所述真空组件包括多个金属反射挡板及用于封盖金属反射挡板，多个所述金属反射挡板构成一密封腔室，所述密封腔室的上端通过端盖进行密封，所述金属反射挡板上一体式连接于平面板，所述平面板上开设有微波孔；所述复合窗口组件包括固定于所述平面板上的第一窗口件及固接于所述平面板远离第一窗口件一端面上的第二窗口件，所述第一窗口件与所述第二窗口件平行且间隔设置。根据本发明，自身良好的散热特点，形成一个较低温度的热屏蔽层，避免传统的微波窗口过热，可以大幅度提高微波馈入真空腔的功率值。

权利要求

1.一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，其特征在于，包括：

真空组件及固接于所述真空组件上的复合窗口组件；

所述真空组件包括多个金属反射挡板及用于封盖金属反射挡板端盖，多个所述金属反射挡板与端盖构成一密封腔室，所述密封腔室的上端通过端盖进行密封，所述金属反射挡板上一体式连接有平面板，所述平面板上开设有微波孔；

所述复合窗口组件包括固定于所述平面板上的第一窗口件及固接于所述平面板远离第一窗口件一端面上的第二窗口件，所述第一窗口件与所述第二窗口件平行且间隔设置；

所述第一窗口件与第二窗口件均为圆形结构，且所述第二窗口件通过钎焊的方式焊接于平面板上，所述第一窗口件通过圆环形金属真空密封圈密封设置于平面板上；

所述第一窗口件的一相对两面抛光平整，且第一窗口件的厚度为10毫米；

所述第二窗口件的一相对两面抛光平整，且第二窗口件的厚度在1.5毫米；

所述第一窗口件为石英材料，所述第二窗口件为导热材料，所述导热材料为CVD金刚石厚膜。

2.如权利要求1所述的一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，其特征在于，还包括与真空组件连接的抽真空组件与供气组件、设置于真空组件内的等离子体反应室及与所述真空组件连通的微波组件，所述抽真空组件包括真空泵，所述真空泵与真空组件相连接；所述供气组件包括与真空组件连通的反应原料气体及与用于控制反应原料气体流量的气体流量控制器；所述微波组件包括微波源、与所述微波源连通的波导管及与所述波导管连接的微波模式转换器；所述等离子体反应室包括基片台及设置于所述基片台上的等离子球体。

说明书

一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构

技术领域

[0001] 本发明涉及真空微电子的技术领域，特别涉及一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构。

背景技术

[0002] 等离子体是继固态，液态，气态之后的作为物质的第四态，在很多领域有着广泛的应用。而要使物质处于等离子体状态，就需要提供一定的能量。微波作为一种电磁波，在真空的环境中比较容易的将气体激发成等离子体状态，因此微波等离子体技术在很多领域得到了广泛的应用。

[0003] 微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置一般包括微波系统、真空系统、供气系统和等离子体反应室，等离子体反应室中设有一个自旋转基片台6，以制备金刚石膜为例，微波系统产生的微波从常压区域透过一个圆形的由透微波材料(通常为二氧化硅)制备成的窗口材料后，进入真空腔内，在自旋转基片台6上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球紧贴在成膜衬底材料表面，通过调整不同的反应气体以及调整等离子体的工艺参数，可以在基片台6表面沉积CVD金刚石【1】，为了提高CVD金刚石的生长速度和生长质量，提高微波的输入功率是选择方案之一【2】。然而，这种微波真空腔由于微波窗口是直接对着微波激发产生的等离子体球，随着微波输入功率的增加，等离子体球的核心温度会逐渐升高，热辐射量也随之增大。当输入真空腔的微波输入功率达到超过5KW的时候，虽然能提升CVD金刚石的生长速度，但也会产生两个不利的影响：1)等离子体球产生的热辐射容易对传统的微波窗口材料造成热损伤，严重的时候会导致微波窗口强度降低，甚至被破坏，从而失去了真空密封的作用；2)强烈的等离子体球会刻蚀微波窗口材料，产生杂质而混入CVD金刚石中，降低了CVD金刚石的纯度。因此，这种微波窗口(以二氧化硅为例)最大所能承受的微波输入功率为5.0‑6.0KW。如果要进一步提高微波输入的最大功率，提升微波窗口的抗热辐射能力是关键。

[0004] 参考文献：

[0005] 【1】吕庆敖，邬钦崇，微波等离子体CVD装置中的微波模式转换器2的模式研究，真空电子技术，1997，5：12‑15；

[0006] 【2】满卫东，汪建华，马志斌，等等，微波等离子体化学气相沉积——一种制备金刚石膜的理想方法，真空与低温，2003，1：50‑56。

发明内容

[0007] 针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，自身良好的散热特点，形成一个较低温度的热屏蔽层，避免传统的微波窗口过热，可以大幅度提高微波馈入真空腔的功率值。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，包括：

[0008] 真空组件及固接于所述真空组件上的复合窗口组件；

[0009] 所述真空组件包括多个金属反射挡板及用于封盖金属反射挡板，多个所述金属反射挡板构成一密封腔室，所述密封腔室的上端通过端盖进行密封，所述金属反射挡板上一体式连接于平面板，所述平面板上开设有微波孔；

[0010] 所述复合窗口组件包括固定于所述平面板上的第一窗口件及固接于所述平面板远离第一窗口件一端面上的第二窗口件，所述第一窗口件与所述第二窗口件平行且间隔设置。

[0011] 优选的，所述第一窗口件为二氧化硅材料，所述二氧化硅材料为石英材料。

[0012] 优选的，所述第二窗口件为导热材料，所述导热材料为CVD金刚石厚膜。

[0013] 优选的，所述第一窗口件与第二窗口件均为圆形结构，且所述第二窗口件5通过钎焊的方式焊接于平面板上，所述第一窗口件通过圆环形金属真空密封圈密封设置于金属反射挡板上。

[0014] 优选的，所述第一窗口件的一相对两面抛光平整，且第一窗口件的厚度为8.0‑12.0毫米之间。

[0015] 优选的，所述第二窗口件一相对两面抛光平整，且第二窗口件的厚度在1.0‑2.0毫米之间。

[0016] 优选的，还包括与真空组件连接的抽真空组件与供气组件、设置于真空组件内的等离子体反应室及与所述真空组件连通的微波组件，所述抽真空组件包括真空泵，所述真空泵与真空组件相连接；所述供气组件包括与真空组件连通的反应原料气体及与用于控制反应原料气体流量的气体流量控制器；所述微波组件包括微波源、与所述微波源连通的波导管及与所述波导管连接的微波模式转换器；所述等离子体反应室包括基片台及设置于所述基片台上的等离子球体。

[0017] 本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过将该窗口设置为上下两层结构，且每一层结构均为圆形，一层为传统的微波窗口材料，通过金属真空密封，形成一个能透过微波，同时能形成真空密封的微波窗口；在所述微波窗口下方的真空区域，设有一层由高导热材料，同时又能透过微波的热屏蔽介质材料制成的窗口，该材料呈圆形，平行设置与上述传统的微波窗口材料，其圆周外缘通过钎焊焊接在水冷的金属真空腔上，通过自身良好的散热特点，形成一个较低温度的热屏蔽层，避免传统的微波窗口过热，可以大幅度提高微波馈入真空腔的功率值。

附图说明

[0018] 图1为根据本发明的提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构的结构示意图。

具体实施方式

[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 参照图1，一种提高微波CVD窗口耐热性的复合窗口结构，包括：真空组件及固接于所述真空组件上的复合窗口组件；所述真空组件包括多个金属反射挡板9及用于封盖金属反射挡板9，多个所述金属反射挡板9构成一密封腔室，所述密封腔室的上端通过端盖进行密封，所述金属反射挡板9上一体式连接于平面板，所述平面板上开设有微波孔；所述复合窗口组件包括固定于所述平面板上的第一窗口件4及固接于所述平面板远离第一窗口件4一端面上的第二窗口件5，所述第一窗口件4与所述第二窗口件5平行且间隔设置，所述第一窗口件4为二氧化硅材料，所述二氧化硅材料为石英材料，所述第二窗口件5为导热材料，所述导热材料为CVD金刚石厚膜，。

[0021] 进一步的，所述第一窗口件4与第二窗口件5均为圆形结构，且所述第二窗口件5通过钎焊的方式焊接于平面板上，所述第一窗口件4通过圆环形金属真空密封圈密封设置于金属反射挡板9上。

[0022] 进一步的，所述第一窗口件4的一相对两面抛光平整，且第一窗口件4的厚度为8.0‑12.0毫米之间，所述第二窗口件5一相对两面抛光平整，且第二窗口件5的厚度在1.0‑
2.0毫米之间，在传统的起到真空密封作用的微波窗口的下方，通过添加一个导热率高的由透微波的材料(选用CVD金刚石膜，热导率2000W/m.K)制成的窗口，起到减少等离子体热辐射对传统微波窗口的刻蚀作用，也能减少等离子体对传统微波窗口的直接接触，从而保护传统的微波窗口，减少硅杂质的混入，从而提高CVD金刚石膜的纯度。由于CVD金刚石膜窗口材料是碳组成的。即使有等离子体刻蚀，也是产生含碳的物质，碳物质也是生长CVD金刚石的有效成分，不会产生新的杂质污染。而CVD金刚石的高导热率，可以将等离子体球辐射过来的热量，通过其四周的钎焊，传递到水冷金属真空腔壁上。因此其本身不容易产生热损伤。因为CVD金刚石厚膜窗口不需要有真空密封的作用，因此CVD金刚石厚膜的厚度不需要很大，一般1.0‑2.0毫米的厚度就足够形成良好的热传导效果。

[0023] 工作过程中微波系统产生的微波透过复合微波窗口进入等离子体反应室，在自旋转基片台6上方激发供气系统提供的气体产生等离子体球，等离子体球的下方，在基片台6表面生长CVD金刚石。

[0024] 在用微波CVD方法进行CVD金刚石的生长中，微波功率输入越大，微波激发产生的等离子体活性就越大，CVD金刚石生长速度就越大；同时等离子体中的活性成分随着微波功率密度的增加而增加，因此CVD金刚石的生长质量也会升高。因此，大功率的微波馈入真空腔所形成的等离子体是提高CVD金刚石生长速度和质量的关键因素。然而由文献【1】所述的微波CVD真空腔，由于微波真空腔的设计要求，微波窗口需要直接面对微波激发产生的等离子体，当微波功率输入增大时，由于真空腔腔壁和基片台6都有水冷却设计，因此微波功率的增大对真空腔壁和基片台6影响不大，然而由于微波窗口材料二氧化硅，其本身热导率较低7.6W/m.K,加上需要进行机械压制的真空密封，因此需要一定的机械强度，因此二氧化硅制成的微波窗口的厚度为8.0‑12.0毫米之间，而且二氧化硅与水冷的金属腔壁之间通过金属真空密封圈进行导热接触，因此水冷金属真空腔壁对二氧化硅微波窗口的冷却效果不理想，导致二氧化硅窗口温度随着微波输入功率的增加而升高；另外，由于微波功率馈入量的增加，等离子体活性大，部分活性等离子体会扩散到微波窗口附近，从而导致对微波窗口表面的刻蚀，形成含硅的杂质而混入CVD金刚石中。

[0025] 进一步的，还包括与真空组件连接的抽真空组件与供气组件、设置于真空组件内的等离子体反应室及与所述真空组件连通的微波组件，所述抽真空组件包括真空泵，所述真空泵与真空组件相连接；所述供气组件包括与真空组件连通的反应原料气体8及与用于控制反应原料气体8流量的气体流量控制器7；所述微波组件包括微波源1、与所述微波源1连通的波导管3及与所述波导管3连接的微波模式转换器2；所述等离子体反应室包括基片台6及设置于所述基片台6上的等离子球体，其自旋转基片台6直径为60mm，微波源1最大功率为10KW，微波功率连续可调。激发等离子体用的反应气体是H2(纯度99.999％)，CH4(纯度99.9999％)。

[0026] 实施例一

[0027] 上层微波窗口材料为二氧化硅，厚度：10.0毫米；不设下层微波窗口。

[0028] 微波输入功率5KW，金属真空腔内气压为21.0kPa，气体流量H2：CH4＝200：4.0sccm(sccm:标准立方厘米每分钟)，CVD金刚石膜生长温度为880℃，衬底材料为单晶硅片。工作8小时后测量CVD金刚石膜的厚度，计算得出生长速度为6.2微米/小时：通过二次质谱分析得到CVD金刚石膜中Si的含量为1.153ppm。

[0029] 实施例二

[0030] 上层微波窗口材料为二氧化硅，厚度：10.0毫米；其下设下层微波窗口。

[0031] 下层微波窗口材料为二CVD金刚石，厚度：1.5毫米；外缘钎焊宽度3.0毫米。

[0032] 微波输入功率10KW，金属真空腔内气压为21.0kPa，气体流量H2：CH4＝200：4.0sccm(sccm:标准立方厘米每分钟)，CVD金刚石膜生长温度为880℃，衬底材料为单晶硅片。工作8小时后测量CVD金刚石膜的厚度，计算得出生长速度为8.6微米/小时：通过二次质谱分析得到CVD金刚石膜中Si的含量为0.218ppm。

[0033] 对比实施例一和实施例二，可以得出，由于使用了复合微波窗口，导致等离子体球对石英窗口的刻蚀效果大幅度降低，同时提高微波馈入的功率值，使得CVD金刚石生长速度有显著的提升。

[0034] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

[0035] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。