CN101584256B - 通过从等离子体沉积形成膜的装置 - Google Patents

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Abstract

描述一种等离子体激发装置，其用于从分布式电子回旋共振所形成的等离子体在衬底上沉积膜。该装置包含具有发射微波的末端的微波天线，设置在所述天线末端的区域中而且与其一起限定出在其中可以生成等离子体的电子回旋共振区域的磁体，以及具有膜前体气体或等离子体气体出口的进气单元。设置该出口以引导气体朝向从微波天线来看位于磁体之外的膜沉积区域。

Description

通过从等离子体沉积形成膜的装置
背景技术
本发明涉及通过从等离子体沉积至加工表面上而形成膜的方法。更具体地，本发明涉及使用微波能量以通过电子回旋共振产生等离子体。特别关注的一个领域是在称为等离子体增强CVD(化学气相沉积)的工艺中，通过硅烷如SiH4、Si2H6或者更高阶低聚物的离解沉积无定形硅(a-Si:H)的膜。可以用于沉积无定形硅或无定形硅合金的其它前体气体包括其中硅与一个或多个碳、氧或氮结合、任选地连同氢一起存在的分子。硅合金的实例为SiOxNy所示类型的结构。此外，含硅气体可以与其它气体一起使用，例如锗烷、或可以用于沉积其它膜的不含硅的气体。关于无定形硅膜应用的特别关注的一个领域是将太阳能转化成电功率的装置。这类无定形硅材料还可以用于电子应用中，例如显示器用的TFT。本文使用的术语“无定形硅”表示氢化的无定形硅，a-Si:H。为了用于刚才提及的领域中，必须存在一些氢，通常是3-20％，以钝化作为缺陷的悬空键。
另外认为本发明适用于使用其它前体气体来沉积无定形形态的其它材料，例如使用锗烷以沉积a-Ge:H。此外认为本发明适用于沉积微晶材料例如μc-Si、μc-Ge以及适用于沉积DLC(类金刚石碳)。
在激发等离子体至电子回旋共振(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，在由以下关系与B相关的激发频率f下获得该共振：
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，并且连续地从满足ECR条件(1)的外部激发源获得能量从而达到离解或电离气体所必需的阈能。为了满足该条件，首先需要的是电子保持陷入磁力线，也就是它的回转半径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，以及其次是回转频率相对于电子与中性成分例如原子和/或分子之间的碰撞频率保持较大。换句话说，当气体压力相对低且同时激发频率f高(这也意味着磁场强度B必须高)时，可望获得激发等离子体至电子回旋共振的最佳条件。
常规的发散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。这意味着不能将它用于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，已经开发出一种称作分布式电子回旋共振(DECR)的技术，它使用其中多个等离子体激发装置形成网络的设备，这些装置共同地在加工表面产生密度基本上均匀的等离子体。单个的等离子体激发装置各自由微波能量的线式施加器构成，其末端与产生微波能量的源相连，相对一端安装有至少一个用于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磁偶极子。该偶极子安装在微波施加器的端部，其安装方式确保加速到电子回旋共振的电子在极之间振荡，以至于产生位于远离施加器端部的偶极子一侧上的等离子体扩散区。各个激发装置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产生均匀的等离子体。
上述DECR设备在美国专利6,407,359(对应于EP-1075168)中有描述，而且其中所述设备的更详细论述参照附图在下面给出。从那些图中可以清楚的是，从衬底看去，激发装置采取一般为矩形阵列的形式，其中包括该矩形为正方形的特定情况，因此有时将上述设备称为矩阵DECR(MDECR)设备。然而，应当理解的是，本发明还可以应用于如下的DECR设备，其中激发装置以非矩形的二维网络、例如六边形网络设置，或者其中存在装置的两条平行线，一条线中的装置相对于彼此偏移。六边形阵列的实例在以下给出：“Determination of theEEDF by Langmuir probe diagnostic in a plasma excited at ECRabove a multipolar magnetic field”，T.Lagarde，Y.Arnal，A.Lacoste，J.Pelletier，Plasma Sources Sci.Technol.10，181-190，2001。该装置还可以设置成环形、部分环形或近环形阵列。应当注意的是，在本发明人完成的一些工作中，已经用三个或六个装置围绕的中心等离子体激发装置进行沉积，周围装置的磁体极性与中心装置的磁体相反设置并且分别以三角形或六边形阵列设置。
此外，本发明可以应用于不是MDECR类型的DECR设备。因此，例如，它可适用于历史上在MDECR类型之前而且具有圆柱体形状并使用从该圆柱体的顶端延伸到底端的磁体和长天线的DECR反应器。上述设置在Michel Moisan和Jacques Pelletier的“Microwave ExcitedPlasmas”，Elsevier，1992中有描述，而且适合于均匀涂覆圆柱形衬底例如管子或者特征如下的物体：其尺寸(长度、半径)比等离子体双极平均自由程小(参见上述参考文献，附录9.1，第269-271页)。该物体可以具有位于等离子体的中心部分并垂直于圆柱体轴线定向的平坦表面。
与大多数发散ECR反应器不同，DECR反应器仅采用单一腔室，其既用作等离子体室又用作沉积室。这容许通过等离子体直接分解前体气体而不使用额外和专门的等离子体气体。衬底并不位于等离子体中或直接位于强磁场中，这避免热电子和离子对生长中的膜的非有意轰击。在紧临天线、而且特别地靠近生成ECR区域的磁体的每个MW-ECR区域中生成等离子体。
形成MW-ECR天线网络具有容许等离子体区域扩展以及生成朝向衬底的物质均匀流动的益处。附图中的图3显示了由四根天线产生的等离子体。
在DECR中，使用不同于膜前体气体的等离子体气体不是必要的，并且可以单独使用膜前体气体而不使用另外的等离子体气体。在这种情况下膜前体气体在天线附近分解并朝向衬底扩散以沉积和形成膜。在该“行进”过程中，等离子体生成物质与未离解的气体之间可发生副反应。例如，在前体气体是SiH4时，由SiH4分解生成的氢基团可以与未离解的SiH4反应以形成SiH3基团，该SiH3基团被认为是沉积高品质膜所需要的最重要的基团。
然而，尽管不必要，但是除了膜前体气体外在DECR中还可以使用等离子体气体。这类等离子体气体的实例为H2、Ar和He。期望这些等离子体气体在与膜前体气体反应之前被等离子体激发或分解。使用将气体注入DECR反应器的常规方式实现这样的要求是复杂的，特别是为了在很大面积上沉积均匀膜而需要产生大面积等离子体的话。
本发明涉及等离子体激发装置，在DECR设备中可以组合多个该单元，每个该装置包含用于以有利的方式注入气体的机构，无论是等离子体气体、膜前体气体或是等离子体气体和膜前体气体的混合物，最后提及的可能性在微晶硅或其它微晶材料的沉积中特别引人关注。关于其中通过DECR工艺沉积的膜的品质以及沉积速率可以通过对引入膜前体气体的位置和引入气体的指向进行适当选择而得到改善的论述，可关注我们在与本申请相同日期提交并且题为“Method andapparatus for forming a film by deposition from a plasma”的共同待决的申请(我们的卷号G28331EP(欧洲专利申请No.06301115.9))。
发明内容
根据本发明，提供一种等离子体激发装置，其用于从分布式电子回旋共振所形成的等离子体在衬底上沉积膜，该单元包含具有发射微波的末端的微波天线，位于所述天线末端的区域中而且与其一起限定出电子回旋共振区域的磁体，在该电子回旋共振区域中能够生成等离子体，以及具有膜前体气体或等离子体气体出口的进气单元，设置该出口以引导气体越过磁体朝向从微波天线来看位于磁体之外的膜沉积区域。
用于本文时，应当理解提及设置出口以将气体引向膜沉积区域不仅包括其中使气体直接瞄准该区域的情形，而且包括该区域完全处于从出口开始并在来自该出口的气流方向上延伸的线和与其成直角并穿过该出口的线之间所限定的角度内的任何情形。在上述情况下，从出口出来的气流将会具有朝着所述区域的所有部分的矢量分量。此外，应当设置气体出口以引导气体越过磁体的本发明的要求当然是参考气体出口对气体在它离开该出口后的流动的影响，即考虑的是出口在引导来自该出口的气体越过磁体方面的影响。
可以注意到尽管EP-1075168在其图6中显示其中进气出口位于等离子体区域中的等离子体激发装置，但是该位置非常靠近该区域的下边界，以至于在那里不能获得本发明所实现的效果。实际上，EP-1075168的图6不符合气体出口应当引导气体越过磁体的本发明的要求，因为在该图6中气体出口在磁体下游端之外而且引导气体远离磁体。
附图说明
在下面参照附图进一步描述本发明，其中：
图1是显示如EP-1075168中描述和显示的等离子体产生设备的概略正视图，省去引入和抽出气体的装置；
图2是图1设备的俯视图；
图3a和3b显示两种特定磁体构造的热电子约束包络体；和
图4-7显示了本发明等离子体激发装置的四种实施方案。
具体实施方式
图1和2显示相对于其上要沉积膜的衬底产生等离子体的设备。该设备包含概略表示并装配有进气装置和气体泵吸装置(图1中未示出)的密封罩壳1，它使得要电离或离解的气体的压力能够根据气体性质和激发频率保持在期望的值，该值例如可以是约10-2至2×10-1Pa。然而，可以使用小于10-2Pa(比如低至10-4Pa)，或高于2×10-1Pa(比如高达5×10-1Pa，乃至1Pa或更大)的气体压力。例如，泵吸可以由1600l/s Alcatel Turbo-分子泵进行，它用来从罩壳中抽出气体。
使气体在质量流量控制器(MFC)的控制下从适当的气体源、例如压力气瓶进入罩壳。该气体例如可以包含SiH4作为膜前体气体，或者在上面关于无定形硅的沉积提及的其它气体中的一种。除了膜前体外，还可以引入诸如He、Ne或Ar的非反应性稀释气体，诸如氢、氮或氧的反应性气体，或诸如乙硼烷、三甲基硼或膦的掺杂剂气体。通常，任何这些其它气体通过与膜前体气体相同的端口、作为与它的混合物引入罩壳中，然而它们可以分别引入。供气系统应当确保适当的气体流量进入反应器中，其通常为1-1000sccm(标准立方厘米/分钟)。在下面参照图4-7所示的实施方案进一步说明本发明中将气体引入罩壳内的方式。
等离子体室装配有衬底支架10，它显示为该设备的固定部件。衬底支架的一个作用是加热衬底至所需的沉积温度。这通常为室温与600℃之间，在沉积无定形硅的情况下优选超过200℃，更优选为225℃-350℃。这里提及的温度是实际的衬底温度，与可以通过测量衬底支架的温度而测得的标称衬底温度不同。该区别的重要性进一步论述于上文所述的我们在与本申请相同日期提交并且题为“Method forforming a film of amorphous silicon by deposition from a plasma”的共同待决的申请中(我们的卷号G27558EP(欧洲专利申请No.06301114.2))。
将其上具有至少一个衬底14、任选具有多个所述衬底的载板12可移动地安装在支架10上，以便可以将它与要涂覆的衬底一起带进室内，并在进行涂覆之后将其与衬底一起从室中取出。然而，作为替代可以用导热胶将衬底直接粘在衬底支架上。这改善衬底与衬底支架之间的热接触，否则在低压条件下难以实现该热接触。这进一步论述于我们在与本申请相同日期提交并且题为“Method for forming a filmof amorphous silicon by deposition from a plasma”的共同待决的申请中(我们的卷号G27558EP(欧洲专利申请No.06301114.2))。在这种情况下需要在沉积过程之前将支架与其衬底一起引入罩壳中并且事后从中取出。不用胶粘的话，一种设法改善衬底加热的方式是在低压膜沉积步骤之前存在其中用相对高压力(通常约100-200Pa)的气体填充罩壳的步骤。该高压气体提供跨越衬底与加热支架间可能存在的任何间隙的热传递，确保衬底的初始加热。另一种可能性是在衬底与衬底支架间放置导热碳膜。可以通过使热流体在衬底支架内循环而加热它，但是作为替代可以通过衬底支架中内嵌的电加热电阻器实现加热。然而，作为替代，可以直接加热衬底，例如通过使用红外灯加热。
衬底支架的另一个作用是容许衬底表面的极化以便控制朝向衬底的离子的能量。极化可以用RF电压源或用DC电压实现而且需要衬底支架对地电绝缘。通过将电绝缘的衬底支架与合适的RF或DC发生器16相连而实现极化，在RF极化的情况下使用合适的匹配电路。当在绝缘衬底上或在预先沉积于衬底(其可以是绝缘的或非绝缘的)上的绝缘层上沉积时，优选使用RF发生器。当在导电衬底或在预先沉积于导电衬底(可以导电或不导电)上的导电层上沉积时，可以通过与衬底表面具有合适电连接的RF或DC发生器施加偏压。在一种具体实施方案中，用经由自动调谐盒与衬底支架相连的13.56MHz Dressler发生器施加RF偏压。即使当使用RF发生器时，由于等离子体中的环境，衬底表面上所得的偏压也包含DC偏压分量。关于这如何发生的解释可以参见以下文献中完全不同的等离子体工艺的说明内容：Suzuki等人，“Radio-frequency biased microwave plasma etchingtechnique：A method to increase SiO2 etch rate”，J.Vac.Sci.Technol.B3(4)，1025-1033，七月/八月1985。
等离子体产生设备I具有一系列彼此隔开并位于衬底附近的独立等离子体激发装置E，从而一起运行以产生对于衬底均匀的等离子体。各个独立的等离子体激发装置E包含细长的微波能量施加器4。每个施加器4一端与各自的微波能量源相连，所述微波能量源位于罩壳1外部。然而，作为替代，单个微波能量源可以向所有的施加器4供给微波，或者可以存在数量上少于施加器数目的多个能量源。例如，一排十六个施加器可以方便地由两台2.45GHz微波发生器供给，该发生器各自具有2kW最大功率并且各自经由功率分配器和各自的铁芯调谐器供给八个施加器。每个施加器4有利地是被同轴管4’环绕的管形式，从而使得微波能量能够传播到其自由端同时避免辐射微波，和减少施加器之间的微波耦合。为了确保微波能量适当传递到等离子体中，每个施加器优选配备使反射功率减到最少或至少减小该反射功率的匹配装置。
每个微波施加器4的自由端与至少一个永磁体5相连。每个磁体的磁轴优选与磁体本身的长轴平行。在这种设置的一种特定形式中，所有等离子体激发装置的磁体在相同方向上定向(单极构造)，也就是它们所有的北极在顶部且它们所有的南极在底部，反之亦然。在另一形式中，各极中的一些在顶部以及各极中的一些在底部(多极构造)。后者的一个实例为如下阵列，如图2从一端观看并且沿着装置的任何给定的行或列，相继遇到交替极性的极。另一实例为给定行(或列)中的所有磁体具有相同极性，但是列(或行)具有交替极性。然而，还可以使用其中磁体的磁轴并不平行于磁体本身的长轴的设置，只要存在磁场的磁力线平行于微波传播矢量的显著区域即可。为了确保存在其中可以发生ECR衰减的显著区域，这是必要的。
本文中提到“热电子约束包络体”。“热电子约束包络体”的定义首先要求定义“热电子约束区”。热电子约束区是其中捕集热(快)一次电子的那些区域。这些是其中电子在相反极性的两个相邻磁极之间振荡的区域，这两个磁极可以是单一磁体的两极(以下称为“内磁极”)或两个相邻磁体的磁极(以下称为“间磁极”)，其中满足绝热近似条件(相对于磁场梯度Larmor半径小)，以及其中电子通过穿过满足ECR耦合条件的区域而获得能量。
磁体和热电子约束区限定出热电子约束包络体。这是磁体阵列包络体的容积，该包络体平行于磁体磁轴在两个方向上扩展并且扩展距离使得磁体间区域(如果有的话)延伸超过磁体末端，以及垂直于磁体磁轴在所有方向上扩展并且扩展距离使得磁体内区域延伸超过磁体的朝外表面。
如上所述，图3a和3b显示了两种特定磁体构造的热电子约束包络体。在每张图中由粗线绘制的平行六面体表示该约束包络体。图3a示出整个多极构造的情况，其中每个磁体与它的居间近邻中的每一个都相反放置。图3b示出同极构造的情况，其中所有磁体相同取向。对于其它磁体构造，例如其中在给定行中的所有磁体具有相同取向、但是邻接行具有彼此相反取向的构造，可以构建合适的包络体。
在图4中概略显示的等离子体激发装置的实施方案包含中空圆柱形管100，经由连接件102向它供给微波。将多个这样的装置设置成阵列，例如在图1和2中所示那样，由此产生包围所有装置的末端部分的等离子体区域。冷却液经由端口104供至该装置的上端。石英窗106在管100的上游端内，该窗具有两条环形槽，一对O形密封件108位于所述环形槽中。石英可透过在这些装置中通常使用的波长的微波辐射。
将永磁体110安装在管100的下游开口端111之外。通常磁体在其末端具有其磁极，其中如同所示的那样N极处于邻近管100的开口端111的末端而S极处于远离它的末端，或者N极和S极相反配置。由杆112支撑磁体。尽管没有原样显示，但是杆112事实上是一对同轴管，进入端口104的冷却液沿着该管流下进入磁体内的空腔，并从管之间的环形空间流回，从而冷却该磁体。
进气管线114从其中要产生等离子体以及该单元位于其中的腔室外部延伸穿过管100的圆柱形壁，从而将气体引入管内部。气体通过该管的开口端111离开该管，从而在磁体110附近进入腔室内部。另外，要注意的是，假设要涂覆的衬底位于该单元下方，如同在图4的视图中看到的那样，初始行进方向朝着衬底。管100内部的等离子体气体压力应当足够低以防止其中等离子体点火。
在不使用单独的等离子体气体的情况下，通过管线114供入管100中的气体是膜前体气体，例如硅烷。当该气体离开管100的开口端111时，它进入等离子体区中心的反应器腔室，而且不得不在它朝着其上要形成膜的衬底的路线上行进显著的距离穿过该区域。发现在该位置引入膜前体气体产生以高沉积速率沉积的高品质的膜。这进一步论述于我们在与本申请相同日期提交并且题为“Method andapparatus for forming a film by deposition from a plasma”的共同待决的申请中(我们的卷号G28331EP(欧洲专利申请No.06301115.9))。
在有待使用单独的等离子体气体的情况下，通过管线114供给该等离子体气体，膜前体气体则可以在不同的位置上引入反应器腔室中，优选朝向要涂覆的衬底。发现这产生以高沉积速率沉积的高品质膜。然而，至少在要产生微晶材料时，等离子体气体和前体气体可以都经由管线114一起引入。
图5所示的实施方案与图4所示的不同之处在于它具有进气管线214，该进气管线214具有邻近管100的下端111、从管100的外壁朝向外的出口216。该装置进一步包含管状气体罩218，该气体罩218具有封闭上壁220、周壁222和开口端224。该气体罩可以由任何适合的耐热、非磁性材料制成，例如石英、陶瓷或氧化铝，或非磁性金属(它将会具有限制该罩中的微波的益处)。
尽管图5的实施方案由于气体罩而具有某些优点，但是它也可具有阻碍电子运动并由此减小等离子体密度的缺点。然而，就该缺点存在时而言，可以通过如下方式至少基本上克服该缺点：使用包围住该反应器配备的所有等离子体激发装置的下游端周围区域的单一气体罩。
图6的实施方案类似于图4之处在于它没有气体罩，但是像图5一样具有在此标为314的进气管线，该进气管线的下游部分处于管100的周壁内。然而，使管线314的出口316指向平行于该管的纵轴并离开它，从而朝向其上要形成膜的衬底。
在图7的实施方案中，管100由相对于彼此同轴设置并在其间限定出环形通道100c的内管100a和外管100b构成。这里标为414的进气管线与通道100c连通，且膜前体气体在通道100a的下端在朝着衬底的方向上离开该通道。

Claims (8)

1.一种等离子体激发装置，其用于从分布式电子回旋共振所形成的等离子体在衬底上沉积膜，包含具有发射微波的末端的管形式的微波天线，设置在所述天线末端的区域中而且与其一起限定出电子回旋共振区域的磁体，在该电子回旋共振区域中能够生成等离子体，以及具有膜前体气体或等离子体气体出口的进气单元，设置该出口以引导气体在气体离开出口后，越过磁体朝向从微波天线来看位于磁体之外的膜沉积区域，其中由所述管连同进气管线提供进气单元，设置该进气管线以将气体从其来源引入该管。
2.权利要求1的装置，其中所述出口位于热电子约束包络体中。
3.权利要求1的装置，其中所述出口位于发射微波的微波天线末端处或与其邻近。
4.权利要求1的装置，其中设置该进气管线以将气体引入该管的壁内限定出的区域，所述出口与该管的壁内限定出的区域连通。
5.权利要求1的装置，其中所述管是同轴管，该同轴管包含微波在其中传播的内管部件以及外管部件，所述外管部件与该内管部件一起限定出环形区域，通过进气管线将气体引入该环形区域，气体从在发射微波的管的末端处的环形区域末端引向磁体。
6.权利要求1的装置，其中定位磁体以使得其磁轴基本上与微波从天线传播的方向对齐。
7.一种从等离子体在衬底上沉积膜的设备，其包含罩壳，设置在该罩壳内的如权利要求1所述的多个等离子体激发装置，以及同样在该罩壳内的用于支撑衬底的装置。
8.权利要求7的设备，其中单一气体罩包围着所述多个等离子体激发装置的所有天线的末端和所有相关的磁体。
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