CN101248707A - 制造等离子体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供一种为加工表面产生等离子体例如以在其上沉积材料的装置。该装置包括包含可电离气体的外壳，多个等离子体激发设备，每个布置成使得微波能够从其第一端传播到第二端并从其辐射到所述气体中，以及用于在气体中产生磁场的装置。微波源将微波供给到激发设备的第一端。在使用中，区域存在于微波的电矢量的方向与磁场线不平行的所述气体内，并且磁场具有值B且微波具有频率f，以便基本上满足关系：B＝πmf/e，其中m和e分别是电子的质量和电荷。

Description

制造等离子体的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种制造等离子体的方法和装置，并且进一步涉及一种使得等离子体一旦产生，例如通过使得材料沉积于其上而处理加工表面的方法和装置。尤其，它涉及使用微波能量通过电子回旋共振产生等离子体。虽然本发明可适用于各种形式的表面处理，例如刻蚀、化学或热化学处理、喷射、清洁、消毒、净化，或者产生通过提取等离子体而获得的离子束，但是下面的描述集中于沉积。特别受关注的一个领域是在称作等离子体增强CVD(化学汽相沉积)的工艺中，通过硅烷前体例如SiH₄的分解沉积硅薄膜。

背景技术

在激发等离子体电子回旋共振(在下文缩写为“ECR”)的技术领域中，当静态或准静态磁场中电子的回转频率等于外加加速电场的频率时获得共振。对于磁场B，在以下面的关系与B相关的激发频率f时获得该共振：

B＝2πmf/e    (1)

其中m和e是电子的质量和电荷。

当以电子回旋共振频率激发等离子体时，电子与电场同相旋转，并且连续不断地从外部激发源获得能量以达到电离气体所必需的阈能。为了满足该条件，必要的是首先电子的回转半径足够小，特别地使得它能够保持在共振条件存在，也就是满足方程式(1)的电场和磁场同时存在的空间区域内，并且相对于静态磁场梯度足够小，使得电子在它的回转期间看到基本上恒定的磁场，以及其次回转频率相对于电子与中性元素例如原子和/或分子之间的碰撞频率保持大。换句话说，当气体压力相对低同时激发频率f高，这也意味着磁场强度B必须高时，期望获得激发等离子体电子回旋共振的最佳条件。

常规ECR的主要困难在于，在大面积上产生密度基本上均匀的等离子体是不可能的。这意味着它不能用来例如在大尺寸的加工表面上沉积基本上均匀的材料层。为了解决该问题，已经研制了一种称作分布式电子回旋共振(DECR)的技术，其使用一种装置，其中多个等离子体激发设备形成一个网络，设备共同地在加工表面产生密度基本上均匀的等离子体。各个等离子体激发设备每个由微波能量的丝线施布器构成，其一端连接到产生微波能量的源，并且相对一端安装有产生具有恒定且强度对应于电子回旋共振的磁场的至少一个表面的至少一个磁偶极子。偶极子以这种方式安装在微波施布器的端部，以便保证加速到电子回旋共振的电子在极之间振动，从而产生位于远离施布器端部的偶极子一侧上的等离子体扩散区。各个激发设备相对于彼此分布并且位于加工表面附近，以便一起为加工表面制造均匀的等离子体。

这种DECR装置在美国专利6,407,359号(对应于EP1075168)中描述，并且下面将给出这里描述的装置的更详细讨论。

但是，虽然EP-1075168中描述的DECR装置具有优于常规ECR装置的优点，但它仍然具有限制。一个限制是对于给定的微波频率f，仅存在磁场B的一个值将满足上面给出的方程式，反之亦然。在EP-1075168中引用的特定值是f＝2.45GHz且B＝875高斯(0.0875特斯拉)。该限制代表一个问题，因为在微波波谱内仅存在某些波段可用于工业用途，其他波段特许用于各种类型的通信。在EP-1075168中引用的频率2.45GHz可适用，因为它位于可用波段之一(2.4-2.5GHz)内。但是，2.45GHz的使用需要的875高斯的磁场处于当前实用的高端。虽然不可以使用非常低的磁场而没有不期望地减小等离子体约束的程度，能够使用略微较低的磁场从实用的观点是可能且期望的。但是，这样做的任何尝试由在较低磁场下，上面方程式需要的频率可能工业不可用的事实所限制。相反地，使用显著高于2.45GHz的频率，以便进一步增加等离子体密度可能是期望的。但是，上面的方程式然后将需要相应高的磁场，即使工业可用，产生它也将至少是困难且昂贵的，从而实际上可能不可能。

到目前为止使用的DECR装置的第二个限制是，虽然当用于在衬底上沉积薄膜时，它们可以在大尺寸上产生具有均匀性的薄膜，这对于一些目的是可接受的，但是均匀性仍然还有许多待改进之处。因此，使用该技术沉积的薄膜在每个单独的天线位置下面显示不均匀性(在厚度且更可能地在薄膜结构方面)。本发明者已经能够通过产生干涉条纹观察到在天线位置下面可见的这些不均匀性。不希望受该说明限制，本发明者将这些不均匀性归因于延伸到正在涂敷的衬底表面的静态磁场线。在薄膜沉积期间，可以观察到明亮的外壳，围绕每个单独的天线并且向下延伸到衬底表面。在这些外壳内发射的光比等离子体容量的剩余部分中强得多，这指示外壳内更高级别的种类激发(经由发光去激发)。这也非常可能与更大程度的薄膜前体分解相关，解释薄膜沉积的不均匀性。

解决不均匀性问题的显著方法将是增加天线与衬底之间的距离从而防止高等离子体密度外壳位于衬底附近并且也允许更多种类扩散。但是，这将由沉积效率的显著损失以及由此沉积速率的显著降低实现。

发明内容

根据本发明，提供有一种为加工表面产生等离子体的装置，该装置包括适合于包含可电离气体的外壳；多个等离子体激发设备，每个布置成使得微波能够从其第一端传播到第二端并从其辐射到所述气体中，以及每个具有用于在它的第二端的区域中的气体中产生磁场的装置；以及连接以将微波供给到激发设备的第一端的微波源；其中所述磁场具有值B，并且微波具有频率f，以便基本上满足关系：

B＝πmf/e    (2)

其中m和e分别是电子的质量和电荷，以及其中在使用中，区域存在于微波的波传播矢量的方向与磁场线不平行的所述气体内。

常规ECR在大致正确的假设上进行，即微波正在传播且等离子体正在制造的区域中的磁场线与微波传播的方向基本上平行。在这些条件下，仅当上面的方程式(1)基本上满足时，将期望阻尼，也就是微波能量的吸收，因此等离子体制造发生，并且当方程式(2)基本上满足时将不期望这些发生。本发明基于实现，即在DECR装置中，在气体中存在微波传播的方向与磁场线的方向之间的角度基本上从零偏离，换句话说，微波传播的方向具有垂直于磁场线的分量的显著区域。可以表明，在这种情况下，微波的阻尼将在基本上满足方程式(2)的频率和磁场的组合下发生。

应当补充，当等离子体由常规ECR产生时，除了电子回旋共振自身之外，好像涉及其他阻尼机制。类似地，当根据本发明产生等离子体时，除了由方程式(2)表示的修改形式的电子回旋共振之外，好像涉及其他阻尼机制。

本发明者知道在本发明中使用的频率下特殊等离子体行为的现有技术的报告。这在Oleg A.Popov，Sergei Y.Shapoval和Merle D.Yoder Jr.的标题为“2.45GHz microwave plasmas at magnetic fieldsbelow ECR(ECR下面的磁场下2.45GHz微波等离子体)”，等离子体服务科学技术，1(1992)，pp7-12的文章中。但是，Popov文章中描述的工作使用常规ECR装置，其中微波正在传播且等离子体正在制造的区域中的磁场线与微波传播的方向基本上平行。如上所述，在该区域中，可能期望存在的唯一阻尼机制将是经典ECR阻尼，并且仅在方程式(1)满足时生效。因此，阅读Popov的本领域技术人员不会认为，除了由方程式(1)限定的频率之外的频率将可能给出良好的性能，并且实际上，本发明者相信它将不会这样。

作为实例，本发明的方法可以使用在上述现有技术中使用的2.45GHz的频率，但是仅437.5高斯的磁场，即875高斯的现有技术值的一半。另一种可能性将是使用1035高斯的磁场，其虽然高于875高斯但仍然可行，以及5.8GHz的微波频率，其位于可用于工业用途的微波波谱的波段内。后者将在产生高密度等离子体方面有利，虽然不像前者，它不会解决从等离子体沉积的薄膜中不均匀性的问题。

附图说明

下面参考附随附图进一步描述本发明，其中：

图1是显示如EP-1075168中描述并显示的等离子体产生装置的图解立视图；

图2是图1的装置的平面图；

图3是在图1和2的装置中使用的各个等离子体激发设备的一个的实施方案的更详细视图；

图4显示由可以在本发明中使用的磁体的一种布置产生的磁场线；以及

图5显示由可以在本发明中使用的磁体的另一种布置产生的磁场线。

具体实施方式

本发明可以使用图1-3中显示的现有技术装置来实践(但是决定性的改变在于本发明需要的B和f之间的关系)，并且现在将基于EP-1075168中给出的描述来给出该装置的描述。但是应当理解，该装置可以代替地采取许多其他形式，只要存在微波传播的方向与磁场线不平行的等离子体产生区域。

图1和2显示相对于加工表面S_u(广义的“加工”)产生等离子体的装置I，其可以例如由适合于接收各种表面处理的表面构成。常规地，装置I包括图解表示的密封外壳1，并且安装有允许气体进入和将气体泵出的设备，没有显示但是本身已知，其使得待电离气体的压力能够维持在期望值，例如可以大约10^-2至2×10^-1帕斯卡，取决于气体的性质和激发频率。但是，可以使用小于10^-2Pa(比方说低至例如10^-4Pa)，或者大于2×10^-1Pa(比方说高达5×10^-1Pa，或者甚至1Pa或更多)的气体压力。气体例如可以包括SiH₄或H₂作为活性气体，以及非活性气体例如He、Ne或Ar。气体供给系统应当根据工艺规程保证进入反应器中的适当气体流，其典型地在从1至1000sccm(每秒标准立方分米)的范围内变化。

等离子体室装配有衬底支架，其功能是将衬底S_u固定在处于适当操作条件下的等离子体室中。这典型地为了将衬底加热到典型地在室温与600℃之间的所需沉积温度。这可以通过使热流体在衬底支架内循环来实现，但是也可以由嵌入于衬底支架中的电加热电阻器实现。衬底支架的另一个功能是允许衬底的极化以便控制离子能量朝向衬底。极化可以是RF或DC并且需要衬底支架电绝缘。在RF极化的情况下，极化通过使用适当匹配电路将电绝缘的衬底支架连接到适当RF或DC发生器来实现。

等离子体产生装置I具有彼此间隔且位于加工表面S_u附近以便一起操作从而为加工表面S_u制造均匀等离子体的一系列单独的等离子体激发设备3。每个单独的等离子体激发设备3由以丝线(wire)形式实现，也就是伸长的微波能量施布器(applicator)4构成。每个丝线施布器4其一端连接到源位于外壳1外部的微波能量源E(优选地经由同轴结构4′)。作为选择，但是，单个微波能量源可以供给微波到所有施布器4，或者可以存在数目少于施布器数目的多个能量源。每个丝线施布器4有利地是由同轴管4′包围的管的形式，从而使得微波能量能够传播到其自由端4₁同时避免辐射微波和避免施布器之间的微波耦合。为了保证微波能量到等离子体中的适当传送，供给等离子体激发设备的每个微波丝线优选地装配有最小化，或者至少减小来自等离子体激发设备的反射能量的匹配设备。如图3中更详细显示的，每个微波施布器4设计成具有连接到至少一个永久磁体5的自由端4₁。在图3中，磁体显示为其磁轴平行于磁体本身的长轴，对应于下面参考图5进一步描述的情况。在该方案的一种特殊形式中，所有等离子体激发设备的磁体定向于相同方向上(单极配置)，也就是所有它们的北极位于顶部且所有它们的南极位于底部，反之亦然。在另一种中，每个极的一些位于顶部且每个极的一些位于底部(多极配置)。后者的实例是阵列，其中如图2中从一端并且沿着设备的任何给定行或列观看，接连遇到具有交替极性的极。另一个实例是给定行(或列)中所有磁体具有相同极性，但是多列(多行)具有交替极性的情况。但是，也可以使用磁体的磁轴与磁体本身的长轴不平行的方案，如下面将进一步说明的。

如果磁体是固体，电子轨迹的至少一小部分将遇到丝线施布器4，使得一小部分电子因此将由丝线施布器4收集，从而引起电子的损失。该缺点可以通过使用中心钻孔8位于它的磁化轴上的轴向磁化圆柱磁体5来避免，如图3中所示。在该实施方案中，磁场线的一小部分7′沿着磁体的中心钻孔8而过。此外，磁极不再是点，而是描述位于磁体旋转轴的中心并且磁场线7和7′朝向其汇聚的圆。因此，如果施布器4的外部外壳的直径等于由磁极描述的圆的直径，由电子回旋共振加速的电子不能描述沿着磁场线7′的轨迹。结果，丝线施布器的端部4₁不会经过磁极。因此唯一可用的磁场线是位于磁体外部的磁场线7，从而没有电子轨迹遇到两个镜面点P₁和P₂之间的丝线施布器4。结果，没有电子损失，并且可以获得能量效率方面的最佳性能。

每个轴向钻孔8可以用来使得冷却流体供给管道9能够被安装，其有利地也用作磁体5安装于其上的支撑。该管道9以端部与限定在磁体和围绕磁体且相距一定距离的护套12之间的外壳11连通的管的形式实现。外壳11展开到限定在供给管道9和由管构成的丝线施布器4之间的冷却流体返回管道13中。磁体4从而由使得冷却流体能够围绕磁体循环的保护套12密封。作为实例，磁体密封于其中的材料和构成丝线施布器的材料是作为良好导体的非磁性材料(非磁性金属)。但是为了污染原因，它们也可以由电介质材料包围而不扰乱设备的适当操作。

图4和5作为实例显示磁体的两种可能布置以及产生的磁场。在图4中，磁体处于多极排列中，一个磁体的北极面向它的邻居的南极。磁轴垂直于磁体的长轴，因此垂直于其传播方向在图4中所示的微波的电矢量。作为实例，磁体的每个是场强为2000高斯，长度为8cm且直径为4cm的圆柱磁体。

线L在图4中标记，位置距离磁体端部大约4cm，并且可以看出，与由微波产生的电场垂直的该线长度上的磁场基本上恒定并且具有大约437.5G的值。沿着线L的磁场强度基本上是根据本发明在第一谐波使用2.45GHz微波提供阻尼所需的磁场强度。

另一个实例在图5中显示，磁轴现在垂直于磁体的长轴(其自身将平行于电矢量)。磁体也处于多极排列中，一个磁体的北极与它的邻居的南极位于同一侧，但是这里磁轴平行于磁体的长轴。磁体的每个具有与图4中相同的尺寸，但是场强为1000高斯。

再次，沿着附图中所示的线L的磁场基本上恒定，强度为437.5G，并且满足使用2.45GHz微波在第一谐波阻尼的需求。

Claims (13)

1.一种为加工表面产生等离子体的装置，该装置包括：

适合于包含可电离气体的外壳；

多个等离子体激发设备，每个等离子体激发设备布置成使得微波能够从其第一端传播到第二端并从其辐射到所述气体中；

用于在气体中产生磁场的装置；以及

被连接以将微波供给到激发设备的第一端的微波源；

其中所述磁场具有值B，并且微波具有频率f，使得基本上满足关系：

B＝πmf/e

其中m和e分别是电子的质量和电荷，以及

其中在使用中，在所述气体内存在这样的各个区域，在这些区域中微波的波传播矢量的方向与磁场线不平行。

2.根据权利要求1的装置，其中每个等离子体激发设备与各自的磁体相关联。

3.根据权利要求2的装置，其中具有各自磁体的等离子体激发设备布置在限定多行和多列设备的阵列中。

4.根据权利要求3的装置，其中阵列是矩形阵列。

5.根据任何一个前面权利要求的装置，其中磁体被布置成它们的磁轴大致平行于微波传播的方向。

6.根据任何一个前面权利要求的装置，其中磁体被布置成它们的磁轴大致垂直于微波传播的方向。

7.根据权利要求5或6的装置，其中在每行和每列内，交替磁体定向于彼此相反的方向上。

8.根据权利要求5或6的装置，其中磁体全部定向于彼此相同的方向上。

9.根据权利要求5或6的装置，其中在每行内交替磁体定向于彼此相同的方向上，并且在每列内交替磁体定向于彼此相反的方向上。

10.根据任何一个前面权利要求的装置，其中连接公共微波源以供给微波到所有激发设备。

11.根据权利要求1-9的任何一个的装置，其中微波源包括多个子源，每个子源供给激发设备的至少一个。

12.一种为加工表面产生等离子体的方法，包括：

提供可电离气体到用于该气体的外壳；

将来自其源的微波供给到多个等离子体激发设备的各自第一端，使得微波从其第一端传播到第二端并从其辐射到所述气体中；

以及在气体中产生磁场；

其中所述磁场具有值B，并且微波具有频率f，使得基本上满足关系：

B＝πmf/e

其中m和e分别是电子的质量和电荷，以及

其中在所述气体内存在这样的各个区域，在这些区域中微波的波传播矢量的方向与磁场线不平行。

13.根据权利要求12的方法，使用根据权利要求2-11的任何一个的装置来执行。

Images