CN101919022B - 活性膜的沉积 - Google Patents
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Abstract
用于处理衬底(40)的等离子体反应器(1)，其包括被布置在所述反应器(1)内的至少两个电极(20，30)，在所述两个电极(20，30)之间定义内部工艺空间(13)，同时所述两个电极(20，30)彼此相对地并且相对于所述电极(20，30)的第一表面(20a)平行地被设置。另外，其包括用于将气体传送入以及传送出所述等离子体反应器(1)的气体入口(11)以及气体出口(12)、被连接到所述电极(20，30)中的至少一个的射频发生器(21)。所述电极(20，30)中的至少一个具有矫正层，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间(13)的表面(20a)具有非平面的形状，所述非平面的形状在沿所述电极(20)的半径的第一截面中具有包括三个连续的并且邻近的分段的轮廓，即第一、第二和第三分段，其中所述第三分段邻近于所述电极(20)的边缘并且其中所述第一分段中的中间梯度小于所述第二分段中的中间梯度并且所述第二分段中的中间梯度大于所述第三分段中的中间梯度。以上述方式成形的电极(20)沿所述衬底(40)的表面提供均匀的等离子体强度并且因此提供同质的并且以均匀的厚度为特征的处理。本发明还允许真空处理设备(1)的紧凑的构造。
Description
技术领域
本发明涉及用于处理衬底的等离子体反应器，其包括被布置在所述反应器内的至少两个电极，在所述两个电极之间定义内部工艺空间，其中所述两个电极彼此相对地并且相对于所述电极的第一表面平行地被设置。所述反应器还包括用于将气体传送入以及传送出所述等离子体反应器的气体入口和气体出口以及被连接到所述电极中的至少一个的射频发生器，其中所述电极中的至少一个具有矫正层，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间的表面具有非平面的形状。
背景技术
这种反应器被称为“电容性的”RF辉光放电反应器，或者平面等离子体电容器或者平行板RF等离子体反应器，或者被命名为上述术语的组合。电容性的RF等离子体反应器典型地被用于将衬底暴露于辉光放电的处理操作。各种工艺被用于改变所述衬底表面的特性。取决于工艺并且特别地取决于被注入所述辉光放电的气体的特性，衬底性质可以被改变(粘着、润湿)，薄膜可以被添加(化学汽相沉积CVD、等离子体增强CVD PECVD、二极管溅射)或者另外的薄膜可以选择性地被去除(干蚀刻)。
现有技术US 6,228,438(Jacques Schmitt等人)通过引用的方式被合并入此处。在真空等离子体沉积技术中，重要的问题被注意到，尤其是如果在真空处理设备中所使用的RF频率高于13.56MHz并且大尺寸(表面)的衬底以反应器尺寸相对于RF电磁波的自由空间波长不再可忽略的方式被使用。因而，沿所述反应器的等离子体强度再也不能是均匀的。实质上，这种限制的源头应当在于RF波根据所述反应器内的“驻波”特殊振荡的开始而被分配这一事实。其他非均匀性也可能在反应器中出现，例如由被提供用于等离子体工艺的活性气体所引起的非均匀性。US 6,228,438提出所谓的电介质透镜作为矫正措施以便在真空衬底处理设备中产生等离子体放电中被选择的RF电压分配。对应于上文所述的实质上地“电介质层”(或者透镜)的这种“特制的额外电容器”起电容分压器的部件的作用。有利地，所述电容的变化将通过所述层的非均匀的厚度来得到。因此，所述额外电容器将具有沿表面有非平面的形状的轮廓。
图1示出根据US 6,228,438的设备1，其具有电极3和5、RF电源9以及衬底15。矫正电介质透镜11被并入下方的电极5中以便产生等离子体放电空间13中被选择的RF电压分配。
US 6,228,438描述了所述原理的若干实施例，相关的一个被展示并且在下面进一步被阐释：
本发明中用于专门制作所述“矫正层(corrective layer)”的一个解决方案是以如下方式使所述层的至少一个表面成形：所述层具有非平面形状的外部表面，优选地为面向等离子体在其中被产生的内部工艺空间的弯曲的凹形表面。随后可以用各种方式来获得所述层上的这种“非平面形状的”表面。根据由US 6,228,438所建议的一个优选实施例，以如下方式设计所述电极中的至少一个的形状：使得所述电极具有面向所述衬底并且尤其是显现出大体上弯曲的凹形表面的非平面形状的表面。根据优选的解决方案，所述层包括固体电介质层和气体电介质层中的至少一种。如果所述层包括这种气体电介质层，则优选地其将通过气体与等离子体在其中被产生的所述内部工艺空间联系。这种解决方案在图2中被示出。
此处，所述矫正电介质透镜通过结合进上方电极23中的空间31而被实现，由同质层21限定。31a标示沿表面具有非平面形状的所述轮廓。所述轮廓(形状)在此可以被看作在上方电极的截面中。在所述实施例中，空间31被填满工艺气体(“气体电介质层”)并且层21是陶瓷材料(“固体电介质层”)。衬底35被放置在相对的电极25上。
在专利US 6,228,438中所提出的解决方案对于沉积无定形结构的同质薄膜是很有优势的，其中除了均匀的沉积速率以外没有另外的结构约束必须被满足。
然而，在其中结构和/或构成对于光电装置特有的功能起关键作用的层中，除电场强度(场分布)以外另外的等离子体参数需要在工件(衬底)的整个表面上被控制。结果是：被优化用于以在整个表面上均匀地分布的沉积来沉积层的沉积室不太适合用于以均匀的速率和均匀的结构参数来沉积层。作为例子，可以考虑微晶硅层(缩写为μc-Si)的沉积。此处，沉积速率在很大程度上取决于特定类型的硅烷基的密度。然而，对于得到合适的晶体结构，原子氢、基态、电离态和/或激发态的密集度分别也是相关的。使用生长的pc-Si膜的上方单原子层的氢轰击和/或其化学过程显著地影响所述层的结构布置。该功能不能由分子氢来实现。由于这个原因，例如重新结合为分子氢的原子氢的任何损耗机理导致不足的层质量。一种损耗机理举例来说是氢在表面(像反应器壁)上的重新结合。举例来说，对于μc-Si层，在衬底上被沉积的硅层的边缘不是充分结晶的，但是趋向于具有大于所期望的无定形馏分(fraction)。这不能通过为整个沉积室改变工艺窗口而被克服：虽然等离子体条件对于边缘将改进，但是反应器的中心区域将被偏移到工艺窗口中，这导致与最优的相比低质量的μc-Si层。简单地增加所使用的RF电源的总功率的显而易见的解决方案是不可能的，因为所述中心区域也将经历功率的增加，这将同样破坏衬底上所述层的中心区域中的结果。
增大所述等离子体反应器，以便将衬底放置在中心扩大的、优化的区域中是不可选择的，因为反应器的尺寸(尤其是对于大尺寸的衬底)以及能量的消耗和消耗品将过度地增加而没有附加的产出。
发明内容
本发明的目标是为属于起初所述的技术领域的等离子体反应器的电极产生矫正电介质层，其沿衬底的表面提供均匀的等离子体强度，尤其对于大尺寸(表面)的衬底，并且此外允许真空处理设备的紧凑的结构。
本发明的解决方案由如下特征来确定：一种用于处理衬底(40)的等离子体反应器(1)，所述等离子体反应器(1)包括：a)至少两个电极(20，30)，所述至少两个电极(20，30)被布置在所述反应器(1)内，在其之间定义内部工艺空间(13)，同时所述两个电极(20，30)彼此相对地并且相对于所述电极(20，30)的第一表面平行地被设置；b)气体入口(11)以及气体出口(12)，所述气体入口(11)以及气体出口(12)用于将气体传送入以及传送出所述等离子体反应器(1)；c)射频发生器(21)，所述射频发生器(21)被连接到所述电极(20，30)中的至少一个；d)同时所述电极(20，30)中的至少一个具有矫正层，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间(13)的表面(20a)具有非平面的形状；e)至少一个电极(20)具有矫正层，所述矫正层在沿所述电极(20)的半径的第一截面中具有包括三个连续的并且邻近的分段的轮廓，即第一、第二和第三分段，其中f)所述第三分段邻近于所述电极(20)的边缘并且其中g)所述第一分段中的中间梯度小于所述第二分段中的中间梯度并且所述第二分段中的中间梯度大于所述第三分段中的中间梯度；其特征在于，h)所述电极(20)的所述第一分段的中间梯度在0.003和0.013之间，优选地为0.006，所述电极(20)的所述第二分段的中间梯度在0.018和0.044之间，优选地为0.032，并且所述电极(20)的所述第三分段的中间梯度在0.002和0.006之间，优选地为0.004。根据本发明，用于处理如上文所确定的衬底的等离子体反应器包括至少一个具有矫正层的电极，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间的表面具有非平面的形状，其中所述非平面的形状在沿所述电极的半径的第一截面中具有包括三个连续的并且邻接的分段的轮廓，即第一(I)、第二(II)以及第三分段(III)，其中所述第三分段(III)邻近于所述电极的边缘。所述第一分段中的中间梯度mI小于所述第二分段中的中间梯度mII并且所述第二分段中的中间梯度mII大于所述第三分段中的中间梯度mIII或者由下面的公式来表示：
mI＜mII并且mII＞mIII
所述第一截面优选地是被定向为朝向基本平面的表面并且通过所述电极的中心的矩形。在两个点P(x1，y1)和Q(x2，y2)之间的梯度m通过用y值的差除以x值的对应的差常规地被计算为
其中x和y表示笛卡尔坐标系的常规坐标并且在优选的实施例中，y轴是被定向为朝向所述电极的第一表面的矩形。分段的两个边界点之间的中间梯度如之前所描述的那样同样地被计算。在本发明的另一个实施例中，所述形状在沿所述电极的半径的截面中刚好具有一个拐点。
根据本发明，影响所述衬底的沉积(处理)的所述电极的边缘区域允许局部电场强度的增加。以此，电场的非均匀性可以被补偿。
以上述方式成形的电极沿所述衬底的表面提供均匀的等离子体强度并且因此提供了同质的并且确保均匀的厚度的处理。本发明解决了上文所述的技术问题并且此外虑及了真空处理设备的更便宜并且更紧凑的构造。
如果需要，本发明的解决方案允许以使得非均匀的处理也有可能的方式来成形所述电极。
在优选的实施例中，所述第一分段包括在其中所述矫正层大体上是平坦的部分。
有利地，所述平坦的部分包括在1/6和1/3之间的所述矫正层的半径，优选地为大约1/4。
在优选的实施例中，所述第二分段的中间梯度是所述第一分段和所述第三分段的中间梯度的至少三倍，优选地为至少五倍。
所述电极的第一分段的中间梯度有利地在0.003和0.013之间，优选地为0.006，所述电极的第二分段的中间梯度在0.018和0.044之间，优选地为0.032，并且所述电极的第三分段的中间梯度在0.002和0.006之间，优选地为0.004。
根据优选的解决方案，所述层包括固体电介质层和气体电介质层中的至少一种。
为了确保独立于所述活性气体的构成的恒定的场强，可以将所述气体电介质层与所述电极之间的内部空间去耦合，例如通过板。在所述电极和所述板之间的空间可以被气体填满或者可以被抽空。在另外的实施例中，所述层可以由诸如像铝、锆、石英或者进一步满足所述处理的热和化学相容性规范的任何其他材料的适当的电介质材料来构建。然而，所述电极的非平面的形状必须根据所使用的电介质材料来调整。包括具有面向所述衬底的非平面的表面的板的电极也是用于提供所述处理的均匀厚度的解决方案，其中所述电极的非平面的形状必须相应地被调整或者被修平。
如果所述层包括气体电介质层，则优选地其将通过气体与所述等离子体在其中被产生的所述内部工艺空间联系。
如果所述气体电介质层通过气体与所述内部工艺空间联系，则可以得到所述电极的简单的构造。
本发明可以被应用于电极的其他轮廓。所述电极本身可以是圆形、正方形或者矩形。
同样地，其他轮廓也是可能的，其中所述电极的轮廓可以被调整为所述衬底的轮廓，这并不意味着所述电极的轮廓等于所述衬底的轮廓。优选地，所述电极的轮廓与所述衬底的轮廓相似(从几何学的意义上来说)但是被按比例放大。在本发明的另外的实施例中，所述电极至少盖在所述衬底上。然而，不能被排除的是：所述电极的轮廓与所述衬底的轮廓不同。
在另外的实施例中，所述两个电极可以同样地被成形。在这种情况下，所述中间梯度相应地被缩放。
为了利用本发明，用于处理至少一个衬底的方法将包括以下步骤：
1.将所述衬底引入所述内部工艺空间中(在所述电极之间)。
2.将所述内部工艺空间抽空。
3.经气体入口将气体提供给所述内部工艺空间。
4.经所述电极将功率施加于所述内部工艺空间。
5.可选地加热、涂敷或者蚀刻所述衬底。
其他有利的实施例以及特征的组合从下面的详细描述以及权利要求的总和中产生。
附图说明
被用于阐释所述实施例的附图示出：
图1是根据US 6,228,438的现有技术的设备的垂直截面，包括固体矫正电介质透镜11；
图2是根据US 6,228,438的现有技术的设备的垂直截面，其中矫正电介质透镜被实现为空间31；
图3是根据本发明的反应器的截面的示意性图示；
图4是电极的轮廓的二分之一的垂直截面，其中x轴显示到中心的距离(半径)；
图5是根据本发明的反应器的俯视图的示意性图示；以及
图6是所述截面轮廓可以适用的可能的半径。
在附图中，将相同的参考符号给予相同的部件。
具体实施方式
在图3示出包括两个导电电极20、30的反应器1，其中所述两个电极20、30相对彼此并且相对于所述电极20、30的第一表面平行地被设置。所述电极20具有矫正层，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间13的表面20a具有非平面的形状。为了示意的目的，图3中沿所述表面20a的形状严重夸张地被示出。所述电极20、30的有效宽度是图3所示的大约100倍。射频发生器21在中心处连接到所述电极20的表面20b，所述电极20的表面20b与所述电极20的表面20a相对并且通过连接到与所述表面30a相对的表面30b的接地31将所述电极30接地用于在所述电极20、30之间产生射频放电。
反应器1还包括包裹外壳10，其包括指向所述电极20、30之间的空间13的气体入口11和气体出口12，用于向所述反应器1提供活性气体，其中所述等离子体13通过所述射频发生器21在所述电极20、30之间的内部空间中被产生。衬底40被设置在两个电极20、30之间，所述两个电极20、30如所述衬底40相似地被形成，所述衬底40在所述内部空间中并且相对于所述电极20共轴(centred)，接触所述电极30以便所述衬底40被暴露于所述等离子体放电的处理操作。
另外，图3示出坐标平面，其中所述y轴垂直于所述电极20的第一表面20b通过所述电极20的中心并且x轴垂直于y轴。所述电极20相对于y轴旋转对称。所述电极20的表面20a的形状沿正x轴被细分为四个分段，用拉丁数字对这四个分段进行编号。中心的分段IV大体上平坦。邻近的分段I示出比分段II的中间梯度小的中间梯度并且分段II示出比最外部的分段III的中间梯度大的中间梯度。
在所示出的实施例的背景下，所述射频发生器21和所述接地31也可以相互交换或者所述接地31可以与另外的射频发生器(未示出)相互交换。也有可能利用多个射频发生器或者将一个射频发生器连接到所述电极20上的多个地点，其中在这种情况下优选地它们被均匀地设置在所述电极20的表面20b上。
图4中的曲线图示出电极20的轮廓的二分之一的截面或者一致的电介质层。所述电极20的中心在左边，x轴以毫米为单位示出距中心的距离。在所示出的实施例中，所述电极20/电介质层的半径为大约600毫米。
标有圆圈的图4中的平滑曲线描述了根据US 6,228,438(现有技术)的弯曲(curvature)/形状。在标“0”的左边部分中，表面20a的形状(“弯曲”)大体上平坦并且因此被省略。标有方块的另一条曲线对应于所述电极20的表面20a的有创造性的弯曲。中心部分大体上也是平坦的并且已经被省略。中心区域包括1/6和1/3之间的所述半径，优选地为大约1/4，如图4所显示的那样。
图4还示出以毫米为单位表示水平深度的y轴，其是所述弯曲与图3所示的面向所述电极20侧的衬底的完全平坦的设计的偏差。在所示出的实施例中，这可以被看作所述电极20中的凹进的深度，如在图3中基本地示出的那样。在另一个实施例中，这可以被看作电介质层的厚度，其填满所述电极20的对应的凹进。远离中心的部分I-III需要矫正措施(增加场强、e密度(e-density))，其改变等离子体生长条件以便所述远离中心的部分允许所期望的mc-Si材料质量的增长，而不管在所述壁和随后的扩散上的H重新结合的干扰影响。这些矫正方法特别地可以增加电场强度，例如增加至大约104V/m而没有等离子体。这通过给予所述电介质补偿层图4所示的外形来改变电介质补偿层的形状来实现。曲线大体上符合反S的形状。该“S”形可以被细分为三个部分I-III，如图4所指示的那样。基本的规则或者示教将三个分段中的有创造性的轮廓的梯度考虑在内。用绝对值表示的每个所述分段中的中间梯度如下：
mI＜mII并且mI＜mII
实验显示在特定的应用中梯度的实际的、绝对的值如下：
| 值×10-3 | 部分I | 部分II | 部分III |
| 中间梯度 | 6 | 32 | 4 |
| 范围从 | 3 | 18 | 2 |
| 到 | 13 | 44 | 6 |
换句话说：所述形状假设一轮廓，由此在与所述轮廓的边缘邻近的远离中心的区域中的三个部分可以被标识，其中有效的是：部分II的中间梯度是部分I和部分III两者的至少五倍。
远离中心的区域与所述中心区域邻近，如在上文中所定义的那样。部分II和III可以占据所述远离中心的区域的大体上二分之一，按照如图4所显示的半径来测量。
在该实施例中，所述电极的基本形状是圆形并且因此所述电极20相对于垂直于所述电极20的第一表面的轴轴对称。图5示出根据上文的这种电极20，相对于所述电极20的第一表面垂直或者在y轴的方向上表示为等高线图。在等高线之间的区域I、II、III对应于如上所述的第一(I)、第二(II)以及第三(III)分段。区域IV大体上是平坦的。沿所述区域I的半径R的中间梯度小于区域II的中间梯度并且沿所述区域II的半径R的中间梯度大于区域III的中间梯度。
图6示出根据上文的电极20，相对于所述电极20的第一表面垂直。在该实施例中，所述电极20的基本形状是矩形。如图6所示的取决于沿x轴到所述中心的距离的轮廓可以被应用于例如纵向半径R1、横向半径Rt以及对角线半径Rd，如图6所示，或者被应用于所有其他的可能的半径。
也可以以如下方式使所述层的形状适应所述衬底的形状：使得非平面成形的衬底也可以均匀地被处理。另外，电极20的形状可以被调整以便如果期望的话则明确的非均匀处理被得到。所述形状可以被形成为凸起的，其在凸起处理中也有效。此外，可以以任意的方式使其成形。同样地，所述反应器1的设计可以是不同的；事实上所述反应器可以是任何已知的技术。
总而言之，应当注意的是：本发明产生了沿衬底的表面提供均匀的等离子体强度的等离子体反应器的电极，尤其对于大尺寸(表面)的衬底，并且此外还允许真空处理设备的紧凑的构造。
Claims (7)
1.一种用于处理衬底(40)的等离子体反应器(1)，所述等离子体反应器(1)包括：
a)至少两个电极(20，30)，所述至少两个电极(20，30)被布置在所述反应器(1)内，在其之间定义内部工艺空间(13)，同时所述两个电极(20，30)彼此相对地并且相对于所述电极(20，30)的面向所述内部工艺空间的第一表面平行地被设置；
b)气体入口(11)以及气体出口(12)，所述气体入口(11)以及气体出口(12)用于将气体传送入以及传送出所述等离子体反应器(1)；
c)射频发生器(21)，所述射频发生器(21)被连接到所述电极(20，30)中的至少一个；
d)同时所述电极(20，30)中的至少一个具有矫正层，所述矫正层沿面向所述内部工艺空间(13)的表面(20a)具有非平面的形状；
e)至少一个电极(20)具有矫正层，所述矫正层在沿所述电极(20)的半径的第一截面中具有包括三个连续的并且邻近的分段的轮廓，即第一、第二和第三分段，其中
f)所述第三分段邻近于所述电极(20)的边缘并且其中
g)所述第一分段中的中间梯度小于所述第二分段中的中间梯度并且所述第二分段中的中间梯度大于所述第三分段中的中间梯度；
其特征在于，
h)所述电极(20)的所述第一分段的中间梯度在0.003和0.013之间，所述电极(20)的所述第二分段的中间梯度在0.018和0.044之间，并且所述电极(20)的所述第三分段的中间梯度在0.002和0.006之间。
2.根据权利要求1所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述第一分段包括在其中所述矫正层是平坦的部分。
3.根据权利要求2所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述部分包括在1/6与1/3之间的所述矫正层的半径。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述层包括固体电介质层和气体电介质层中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述气体电介质层通过气体与所述内部工艺空间联系。
6.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述电极(20)是圆形、正方形或者矩形。
7.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的等离子体反应器(1)，其特征在于，其中所述两个电极(20)、(30)同样地被成形。
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