CN101945689A - 用于预离子化表面波发射的等离子体放电源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于处理衬底表面的系统和方法。一个实施方式包括一种用于在衬底上沉积膜的方法，该方法包括产生多个第一功率脉冲，该多个第一功率脉冲中的每一个都具有第一脉冲振幅，提供该多个第一功率脉冲到第一放电管，使用该多个第一功率脉冲在第一放电管附近产生等离子体，在该多个第一功率脉冲中的每一个功率脉冲之间维持等离子体，使得在该多个第一功率脉冲中的每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体，使用等离子体来分解原料气体，和将至少一部分所分解的原料气体沉积到衬底上。

Description

用于预离子化表面波发射的等离子体放电源的系统和方法
发明领域
本发明涉及一种用于产生电子、离子和游离基化的原子和分子的系统以及方法，用于表面处理和膜化学特性(chemistry)以及膜结构、形成和改变(alteration)。
发明背景
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是一种用于在各种衬底上沉积薄膜的非常公知的工艺。从玻璃制造到半导体制造、再到等离子体显示面板制造的多个行业都依赖PECVD系统以在衬底上沉积薄膜。PECVD系统在其应用上变化很大，正如它们所沉积的膜在它们的化学特性和质量上变化很大一样。
典型的PECVD工艺可通过改变工艺参数来控制，所述工艺参数诸如气压、功率、功率脉冲频率、功率占空比、脉冲形状以及多个其它参数。尽管PECVD工艺中具有高度可用的定制化，但是该行业仍在继续寻找用于改进PECVD工艺并且获得对该工艺更多控制的新方法。特别是，PECVD行业寻求在更宽范围的工艺参数内利用PECVD。
目前，PECVD仅能在有限组的条件下使用。对于其它条件，必须使用替代的沉积工艺。这些替代的沉积工艺，诸如电子回旋共振(ECR)和溅射，对于很多应用来说并非总是最优的。因此，该行业在寻求将PECVD的应用扩展到传统使用这些替代沉积方法的领域。
此外，对于离子或其它等离子体物种来说，PECVD微波等离子体源通常已是一受限源或者不适当源。离子源具有很多与PECVD工艺相关的有利使用。例如，在准备薄膜的沉积时，通常利用离子源来预处理诸如聚合物衬底这样的表面。还利用离子源在等离子体沉积工艺期间来改变薄膜的化学特性和结构。此外，可利用离子源从膜去除电荷堆积或者用于清洁表面。尽管在PECVD中替代的离子源能与微波等离子体源组合在一起，但是PECVD工艺本身在其自身的离子源的情况下已经不足够。
离子源可从很多销售商购得且是本领域公知的。但是这些离子源通常具有几大缺陷。一个缺陷是线性离子源过于昂贵且对于很多使用都很复杂。事实上，由于高成本，可受益于离子源的很多应用都先行放弃了其使用。另一个缺陷是目前的离子源倾向于产生具有过多能量的离子。很多离子源都产生具有超过120eV能量的离子。很多应用中，具有如此多能量的离子可能损伤正进行处理的表面或损伤正进行沉积的膜。
虽然目前的装置和方法是可行的，但是它们并非足够精确或令人满意。因此，需要一种系统和方法以克服目前技术缺陷并提供其它新的和创造性的特征。
发明内容
以下概述附图中所示的本发明的示例性实施方式。这些或其它实施方式在详细描述部分更加全面地描述。然而，应该理解，在此并未有将本发明限定在发明内容或详细描述中所述的形式的意图。本领域的技术人员可认识到存在落入如由权利要求书表述的的本发明的构思和范围内的多种修改、等同物和替代结构。
本发明能提供一种用于处理衬底表面的系统和方法。在一个示例性实施方式中，本发明包括一种用于在衬底上沉积膜的方法，该方法包括产生多个第一功率脉冲，该多个第一功率脉冲中的每一个都具有第一脉冲振幅，提供该多个第一功率脉冲到第一放电管，使用该多个第一功率脉冲在该第一放电管附近产生等离子体，在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间维持等离子体，使得在多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体，使用等离子体来分解原料气体，和将至少一部分分解的原料气体沉积到衬底上。
如上所述，前述实施方式和实施仅用于说明目的。本领域技术人员根据以下描述和权利要求容易认识到本发明很多其它的实施方式、实施和细节。
附图简要说明
通过结合附图参照以下具体描述部分以及所附权利要求书，对于本发明的各种目的和优点以及更全面的理解将更加显而易见并且更加容易认识。其中：
图1是现有PECVD系统的图示；
图2是与现有技术一致的进入到微波天线中的功率脉冲波形和产生的总等离子体光发射的示意图；
图3是与本发明一致的进入到微波天线中的功率脉冲波形和产生的总等离子体光发射的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施方式构造的用于产生等离子体游离基的系统，用于表面处理、薄膜沉积、和/或膜化学特性或结构改变；
图5是根据本发明一个实施方式构造的包覆护罩的图示；
图6示出了根据本发明一个实施方式构造的用于产生等离子体游离基的系统，用于表面处理、薄膜沉积、和/或膜化学特性或结构改变；
图7示出了根据本发明一个实施方式构造的包覆护罩剖面(profile)的截面图；
图8示出了根据本发明一个实施方式构造的PECVD阵列的截面图；
图9示出了根据本发明一个实施方式构造的PECVD阵列的截面图；
图10是具有级联天线(cascaded antenna)的微波波导的图示；
图11示出了根据本发明一个实施方式构造的具有阻抗转换部(impedancetransition)的微波波导；
图12示出了根据本发明一个实施方式构造的天线。
详细描述
现在参考附图，其中相同或相似元件在多个附图中使用相同附图标记来表示，且具体参考图1，其示出了用于大规模沉积和蚀刻工艺的典型PECVD系统100的剖视图。该系统包括仅示出两个壁的真空室105。该真空室容纳放电管110。该放电管110由天线115构成，该天线115被构造用于传送微波信号或其它信号到该真空室105中。该微波功率从天线115向外辐射且点燃通过辅助气体管120引入的环境辅助气体并使其分裂。该被点燃气体是等离子体且通常与放电管110相邻。由等离子体所产生的游离基物种和电磁辐射分解(disassociate)通过原料气体管125引入的原料气体(130)，由此使该原料气体裂解(breaking up)而形成新的分子。在分解工艺期间形成的某些分子被沉积在衬底135上。通过分裂(fractionalization)和分解(disassociation)工艺所形成的其它分子是废物且通过排气端(未示出)去除一尽管这些分子倾向于自身偶尔沉积在衬底上。
已经利用多种类型的功率源和系统构造实现了利用等离子体增强化学气相源沉积非导电膜和导电膜。这些源大多数都利用微波、HF、VHF能量来产生等离子体和受激等离子体物种。已经发现，施加到天线和从天线放电的平均功率是对所产生的游离基化(radicalized)等离子体物种密度的主要影响因素。
通过改变沉积期间的工艺条件来实现膜特性要求，工艺条件包括源的功率等级、脉冲频率和占空比。为了实现所需的膜特性，必须控制被沉积膜的结构和结构含量。可通过改变游离基物种含量(除了其他重要的工艺参数外)来控制膜特性，且如上所述，主要通过进入到等离子体放电的平均功率等级和峰值功率等级来控制游离基密度。
为了实现几个重要的膜特性，并提升对一些类型衬底的粘附性(adhesion)，必须精确地控制膜有机含量，或者有可能的话该含量必须跨整个膜厚度呈梯度形式。
在典型的PECVD工艺中，实际上仅分裂小部分辅助气体。例如，通常仅分裂2％的少量辅助气体。被分裂的气体量由辅助气体压力以及施加到放电管内天线上的功率量来确定。对于任一特定辅助气体，压力、功率和构造之间的关系由Paschen曲线限定。
辅助气体的大多数分裂是由通过施加到放电管内天线上的功率所产生的电子引起的。离子和其它等离子体游离基也会引起一些分裂。分裂辅助气体时电子的有效性与电子密度直接相关。对于相同辅助气体压力而言，在较高电子密度的区域内，分裂速率较高。
对于典型的PECVD工艺，由等离子体所产生的游离基物种的所需密度必须大于完全转化所需原料气体量而需要的密度。这是因为来自等离子体的一些游离基物种不仅在膜沉积工艺和原料气体的等离子体分解工艺中被消耗，也在沉积工艺的不相关部分诸如重组机构和抽气(pumping)中被消耗。
根据功率类型、等级和/或构造和所使用的材料，所需功率等级能过度加热衬底超出其物理限制，并且可能导致膜和衬底不可用。由于聚合物材料的低熔点，这主要发生在聚合物材料基衬底中。
为了降低衬底热负荷量，已使用一种在脉冲之间具有空闲时间(off time)的高功率脉冲发送给等离子体的方法。该方法允许在短的高能量脉冲期间等离子体达到膜沉积工艺所需的游离基物种饱和并允许发生损耗，同时通过减少其它形式电磁辐射来减少瞬时和连续地加热衬底。
但是，虽然已经证明脉冲式微波通过降低衬底热负载而对工艺有益，但是一般的沉积速率通常低于连续波(CW)功率源的沉积速率。这部分是由于对放电自身的击穿过程(breakdown process)的能量损耗。
于图2中示出的是进入到微波天线的功率脉冲200的典型波形和产生的总等离子体光发射210的示意图。如本领域技术人员认识到的，功率脉冲200和等离子体光发射210的垂直标度(vertical scale)是不同的，并在此仅为说明目的进行描述。在典型PECVD工艺中，能量损耗约为总功率的20％。该能量损耗的大部分是由于点燃等离子体放电所需的能量。图2示出了点燃和稳定放电用掉的大部分功率损耗。
通过维持等离子体离子化的最小背景等级并防止等离子体熄火(extinguishing)，明显降低了最初点燃和稳定等离子体放电所需的进入到等离子体中的功率损耗。例如，可通过调制微波功率源、定相脉冲源，或者通过增加诸如AC或RF辉光放电之类的外部源，来维持等离子体离子化的最小背景等级。这些方法仅是示例性的且不意味着限制本发明。微波功率源的调制例如可包括脉冲发送自最初功率振幅上至全脉冲振幅，和之后返回至最初功率振幅的功率源。在一个实施方式中，最初功率振幅可以是足以维持等离子体离子化的最小背景等级的低功率等级。本领域技术人员将意识到与本发明一致的替代方法和系统。
图3描述了与本发明一致的功率脉冲200和等离子体光发射310。如本领域技术人员认识到的，功率脉冲200和等离子体光发射310的垂直标度是不同的，且在此仅为说明目的描述。但是，还应认识到，已经测试出使用背景能量的等离子体光发射310的峰值大约是当不使用背景能量时等离子体光发射210峰值的四倍。使用小量背景能量保持等离子体是持续的，使得当施加功率脉冲200时，进入到等离子体放电中的能量较大。由于使用较少能量来激发等离子体，因此允许更多能量来激发游离基物种。
通过保持等离子体离子化的最小背景等级，由于不需要能量点燃放电而获得了离子化效率增加，因此进入到等离子体中的功率通常从75％增加到95％的等级。回到图1，可通过将功率施加到辅助气体管120或原料气体管125来维持等离子体离子化的该最小背景等级。在本发明的一个实施方式中，施加到任一个管的功率可以是RF或AC辉光放电。在本发明的另一个实施方式中，可将偏置施加到衬底135本身用于预离子化的目的。在此公开了其它实施方式，但仅是示例性的，如本领域技术人员知道的与本发明一致的修改。
通过利用放电管附近的包覆护罩也能极大提高分裂效率。在名称为“SYSTEM AND METHOD FOR CONTAINMENT SHIELDING DURINGPECVD DEPOSITION PROCESSES”，共同拥有和指定的代理案号(APPL-012/00US)中讨论了利用包覆护罩的益处，在此通过参考将其并入。图4中示出可用在PECVD工艺中的包覆护罩400的示例性设计的截面图。包覆护罩400一般由诸如石英之类的介电材料形成，并提供放电管110周围的容积(volume)，可将辅助气体泵入该容积中。该包覆护罩400的精确容积以及放电管110和包覆护罩400内表面之间的距离可基于所需的膜化学特性、PECVD系统整体结构以及所需的气体压力来改变。
包覆护罩400用于容纳否则可能逃逸的电子和其它游离基化等离子体物种。通过容纳电子，放电管110周围的电子密度可在离该放电管110更远的距离处而增加。且通过增加电子密度，在相同工艺参数情况下等离子体可进一步扩展(extended)-这意味着在不改变其它工艺参数的情况下增加了分裂速率。
包覆护罩400也有助于防止游离基和离子逃逸。这能利于分裂效率并防止所产生的游离基和离子被浪费。并且，通过保持这些粒子，PECVD系统能在较大操作参数范围内操作并能更有效地操作。
应当注意，这些实施方式不限于PECVD系统。本领域技术人员可扩展本发明的构思以涵盖任一类型等离子体系统。
包覆护罩也有利地提供了对放电管110周围辅助气体压力的更好控制。首先，包覆护罩有助于提供较没有包覆护罩时可能的辅助气体压力更均匀的辅助气体压力。这更均匀的压力使得分裂速率受到更好地控制且由此增加了分裂速率。
第二，包覆护罩能够在包覆护罩内提供有与处理室的其它部分不同的压力。由于能够在包覆护罩内保持较高压力并且在处理室的其它部分中保持较低压力，因此这是有利的。该可变压力的结果允许在整体较低的处理室压力下产生更多游离基。这种类型的控制允许PECVD工艺在较之前可能情况明显低的处理室压力下运行。
图4中进一步示出的是处理室105、衬底135、衬底支架410、放电管110、天线115、包覆护罩400、微波反射器430和辅助气体管120。该描述中，辅助气体管120位于包覆护罩400内部。
包覆护罩400包括最接近衬底135的孔420。游离基是通过该孔420逃逸且与原料气体相碰撞。孔420的尺寸可手动或电子地改变以控制逃逸出包覆护罩400的游离基的数量。该孔也可为固定尺寸的孔。
在一些实施方式中，包覆护罩400内的压力可高于包覆护罩400外部的压力。由此，一般PECVD工艺可在较低压力下操作，而等离子体增强工艺和游离基产生工艺可在较高的压力下操作。如前所述，压力是辅助气体分裂效率的关键因素。上至特定的点，更高的压力能实现更高的分裂效率。因而，包覆护罩内部所容许的更高压力提高分裂效率。
包覆护罩的效率至少部分依赖于护罩适当引导(channeling)并防止电子、离子和游离基的逃逸的有效性。为此，包覆护罩通常由如石英之类的介电材料形成。但是诸如石英之类的介电材料的昂贵价格、脆性以及可加工性限制对包覆护罩提出一定约束。
图5示出了根据本发明一个实施方式的包覆护罩500。图5描述了已经预涂覆有介电涂层520并设置在放电管110附近的管510，以使在该管510内的气体体积容量可更完全地被离子化以实现更多的分裂。在该实施方式中，放电管110是具有单个天线115的线性放电管。在另一实施方式中，包覆护罩500由包覆有导体(未示出)的石英管构成。代替预涂覆有介电涂层的导体，现在使用包覆或涂覆有导电层的介电基体材料。此处对基体材料510上的介电涂层520的所有参考都仅用于说明，且在本申请中也理解使用涂覆有导电层的介电材料的包覆护罩的结构。本领域技术人员将知道与本发明是一致的很多修改，这些修改包括非线性放电管和隙缝天线。
在本发明的一个实施方式中，管(tube)510可涂覆有氧化铝以形成介电涂层520。根据系统要求可使用其它介电材料来形成介电涂层520。本领域技术人员将知道与本发明一致的变型。
图5中的实施方式也示出了具有可变槽孔540的狭槽(slot)530。该狭槽530的改变能用于控制诸如UV辐射的密度、内部和外部压力差以及进入管或从管出来的流量这样的工艺参数。狭槽530也可以是固定尺寸。护罩的构造可以多种方式变化，包括尺寸、形状、材料、护罩数目、狭槽数目、增加外部金属护罩以将损耗的电磁辐射反射回等离子体输送管(pipe)空间内，等等。例如，管510可由金属以外的材料构成。虽然金属本身不会产生所需的包覆效果，但是通过用介电材料来预涂覆金属能产生有效的包覆护罩500。而且，金属也能将电磁辐射反射回放电管110用于增加离子化效率。在另一实施方式中，诸如石英管这样的介电体包覆有诸如金属这样的导电层，以获得所需的包覆效果和对电磁辐射的反射。
通过利用包覆护罩，且通过在将包覆护罩用在PECVD工艺中之前用介电涂层预涂覆基体材料，将明显减少系统将必须脱机以清洗的时间。这是因为介电材料能在PECVD工艺期间维持高温。对于大多数工艺，在200-300℃左右的温度下，介电涂层将排斥(resist)包围放电管的表面上的沉积物并最终剥落。此外，利用包覆护罩且用介电涂层预涂覆任一基体材料将极大减少PECVD系统的任一预启动时间。通常，PECVD系统必须被预启动以允许在包围放电管的表面上形成沉积层。这允许在开始沉积工艺之前使等离子体密度稳定。本发明允许立即稳定等离子体密度，因此减少了预启动时间。
图5的示例性包覆护罩500也可用作维持离子化最小背景等级的功率源。通过用介电涂层520预涂覆管510，该管510由电导体构成，保留了包覆护罩的所有益处，并且增加的益处是包覆护罩500能充当预离子化等离子体的功率源。在一个实施方式中，可将功率源施加到包覆护罩500的导电部分上以维持等离子体离子化的最小背景等级并增加离子化效率。在另一实施方式中，可将导电材料(未示出)增加到管510上，然后该管510和该导电材料(未示出)都用介电涂层520预涂覆。本领域技术人员将知道与本发明一致的替代系统和方法。
图6示出了与本发明一致的包覆护罩600的另一实施方式。图6中，示出了可用在PECVD工艺中的包覆护罩600的截面视图。该实施方式中，示出放电管110和辅助气体管120由包覆护罩600部分包围。使用介电涂层520在诸如金属这样的基体材料610上形成该包覆护罩600。在此，示出包覆护罩600具有圆形剖面，这里，该包覆护罩中的孔420最接近衬底135。本领域技术人员应当认识到，可使用任一剖面，并且此处示出的圆形剖面仅是示例性的。可使用替代剖面来控制某些工艺参数。例如，可使用增加辅助气体共振时间的剖面以进一步增加离子化效率。
如前所讨论的，预涂覆在基体材料610上的介电涂层520在微波脉冲期间将加热。之前已经讨论了允许介电涂层520加热的益处。但是加热可能导致保持固定到基体材料610上的介电涂层520的问题。在本发明的一个实施方式中，可使用温度控制系统(未示出)来帮助控制基体材料610的温度。可在介电涂层520附近加热和进一步冷却基体材料610。可利用冷却来保持基体材料610不影响系统的外部并防止变形(warping)。通过控制跨介电涂层520和通过基体材料610的热梯度，能够在不损失介电涂层520自身粘附性的情况下保持高温介电涂层520的益处。
图6中进一步示出了设置在包覆护罩600中的孔420之上的等离子体物种引出栅620(plasma species extraction grid)。该等离子体物种引出栅620可用于激励和从在放电管110附近产生的等离子体引出离子、电子或其它等离子体物种。在本发明的一个实施方式中，DC、RF或AC电势可施加到等离子体物种引出栅620，以加速并控制包覆护罩600外部的离子或其它等离子体物种的方向。在另一实施方式中，施加到该等离子体物种引出栅620的电势也可用于维持功率脉冲之间等离子体离子化的最小背景等级。
在与本发明一致的实施方式中，通过图6中的辅助气体管120引入辅助气体。辅助气体的激发通过对该气体施加来自天线115的微波功率而实现。自由电子从施加的微波场获得能量并与中性气体原子相碰撞，由此离子化这些原子，包括分裂辅助气体来形成等离子体。该等离子体含有部分离子化的气体，其由大浓度受激原子、分子、离子和自由游离基物种组成。这些粒子撞击衬底135，并根据所采用的工艺清洗衬底135，改善表面或者去除多余的电荷。这些受激物种和设置在等离子体当中或附近的固体表面之间的相互作用导致材料表面的化学和物理改性(modification)。
但是在大部分微波基工艺中，离子不能获得能到达衬底135的足够能量。通过将等离子体物种引出栅620设置在孔420之上并施加电势，能加速并导向离子或其它等离子体物种使得它们撞击衬底135。在一个实施方式中，微波功率等离子体源可被用作离子源。根据施加到等离子体物种引出栅620的电势，在不同的电子电压下这种离子源可能产生高离子密度。
尽管等离子体物种引出栅620可由与本发明一致的很多材料构成，但是使用诸如钨之类的蚀刻阻挡材料有助于防止来自等离子体物种引出栅620自身的任何溅射效应。而且，通过允许等离子体物种引出栅620加热，也能防止于等离子体物种引出栅620上的沉积以及任何随后的剥落。
根据本发明，可将等离子体物种引出栅620添加到很多微波功率源系统中。通过当前实施方式对等离子体物种引出栅620的描述是实例，且并非意图限制本发明。例如，在另一实施方式中，等离子体物种引出栅620可添加到图5的孔540之上。本领域技术人员知道与本发明一致的很多系统和方法。
现在往回参考图4，示出将等离子体物种引出栅620设置在包覆护罩400的孔420之上。在示例性系统的操作期间，等离子体630形成在放电管110周围。在该实施方式中，包覆护罩400的形状和孔420的尺寸能帮助将任何逃逸的离子或其它等离子体物种向下导向衬底。与本发明的实施方式一致，等离子体物种引出栅620也能用于进一步控制、加速和激励离子或其它等离子体物种。示出将这些引出的等离子体物种640正被导向衬底135。
图7示出了与本发明一致的具有替代剖面的包覆护罩700。可改变包覆护罩700的形状以控制表面处理特性。例如，对于特定能量物种和游离基/亚稳定条件可在各种应用中优化包覆护罩的形状，以实现特定的沉积或蚀刻材料特性。该实施方式中，构造具有更多三角形剖面的包覆护罩700。示例性剖面为从辅助气体管120供应的辅助气体形成增加的挡板(baffle)。该增加的挡板延长辅助气体的共振时间。由于至少一些气体以从辅助气体管120流出来通过包覆护罩700中的孔420并向下流向衬底135花费的时间增加，因此共振时间较长。增加的共振时间允许增加的离子化效率和辅助气体的较强分裂。本领域技术人员知道与本发明一致的其它剖面。
可根据特定应用来构造各种剖面。本发明在构造这种剖面中允许更大灵活性。可使用与介电材料相比具有更好加工性和更低成本的基体材料来用于形成任何形状的剖面。与本发明的一个实施方式一致，然后用介电涂层预涂覆这些剖面来形成包覆护罩。本领域技术人员能够构造与本发明一个实施方式一致的很多剖面。
图8中，是用于放电管110静态阵列的包覆护罩800的示例性实施方式的图示。图8示出了与本发明一致的可在PECVD工艺中使用的包覆护罩800的截面视图。在该示例性实施方式中，示出了被包覆护罩800部分包围的放电管110和辅助气体管120的静态阵列。使用诸如金属之类的基体材料610上的介电涂层520形成的包覆护罩800被设置成使得孔420将从辅助气体管120出来的气体通过孔420向下导向衬底135。该示例性实施方式中，包覆护罩800具有稍椭圆的剖面。如前所讨论的，可使用与本发明一致的其它剖面。本实施方式也使用沿着放电管110的静态阵列的一致剖面。这只是示例性的。本领域技术人员将认识到与本发明一致的很多变化和修改。而且，本领域技术人员将认识到，等离子体物种引出栅620能设置在孔420之上，以获得在此描述的等离子体物种定向(directionalization)和加速的益处。
根据图8中的基体材料，包覆护罩800也能用于阻挡在天线115之间能量传输或者允许在天线115之间能量传输。能量阻挡基体材料610的益处参考图5进行了讨论，而允许在天线之间能量传输的益处将参考图9进行讨论。从本发明中不能理解出限制可用作基体材料610的材料类型。
现在参考图9，是与本发明一致的另一实施方式的图示。在该实施方式中，示出由包覆护罩900部分包围的放电管110和辅助气体管120的静态阵列。使用介电分压器910(dielectric divider)放置在放电管110之间而构成包覆护罩900。通过使用定位在放电管110之间的介电分压器910，允许在天线115之间能量传输。该能量传输能够用于产生维持每个放电管110周围等离子体所需的预离子化效应，同时天线115处于其功率周期的空闲相位。例如，在本发明的一个实施方式中，相邻天线110可通过定相(phasing)脉冲源的时序控制来控制。可实施该定相使得由于从相邻天线115传输的能量而因此维持等离子体离子化的最小背景等级。
然后，将介电分压器910连接至诸如金属之类的基体材料610。用介电涂层520在至少任何暴露至放电管110并帮助部分围绕放电管110的表面上预涂覆基体材料610。图9还示出了使用预涂覆在诸如金属之类的挡板材料920上的介电涂层520形成的挡板。已经增加挡板来帮助增加来自辅助气体管120的气体的共振时间。可使用其它形状和设计来控制其它工艺参数。
在本发明的一个实施方式中，可用微波反射材料如金属构造挡板材料920，使得通过天线115发射出的一些能量将被反射回放电管110周围的等离子体。本领域技术人员将认识到能对尺寸、形状、物质组成等进行与本发明一致的很多修改。例如，可去除该实施方式中的挡板。或者，可改变介电分压器910的形状和/和取向以形成挡板。
往回参考图8和9，每一个都含有放电管110的静态阵列。在每一个放电管内是天线115。该天线115可是线性天线、隙缝天线、非线性天线等。使用介电涂层520以形成包覆护罩能帮助减小包覆护罩的尺寸并由此减小静态阵列内天线115所需的间隔(spacing)。在减小的天线115之间的间隔的情况下，能实现更均匀的膜特性。在小的系统中，天线115可如图10中所示的多次级联且可以是每一个级联天线1060之间的功率开缝(power split)。但是，如果当前使用的发生器存在功率限制，则对于较大系统该构造将不会产生有效的功率密度。
而且，在同轴微波的典型应用中，微波发生器1010尽可能接近天线接头(antenna stub)1040和天线1050设置以最小化功率损耗。图10示出了与现有技术一致的微波波导1020、阻抗转换部1030、弯管(elbow)1070、和可移动活塞(plunger)1080。如图10中可见，波导1020和阻抗转换部1030的长度保持微波发生器1010远离天线接头1040和天线1050。除由于微波发生器1010和天线接头1040之间的较大距离导致的增加的功率损耗之外，波导1020和阻抗转换部1030的尺寸已使得构造和容纳PECVD系统不易操作且很困难。利用现有技术，PECVD系统的制造已受单个波导部件可用性的限制。集成波导1020和阻抗转换部1030能够减小波导尺寸，以利于可利用性和功率效率。
图11和12示出了与本发明一致的具有阻抗转换部1100的集成微波波导。如图11中可见的，通过将波导和阻抗转换部1110集成到波导区块(waveguideblock)1120中，微波发生器1010能被设置成较接近天线接头1040和1050，以增加功率密度。虽然图11和12中描述了波导区块1120作为单片材料，但是其内部是具有阻抗转换部1110的集成波导，该描述决没有限制本发明的意图。在另一实施方式中，波导区块1120可包括两片材料，这里，具有阻抗转换部1110的集成波导在天线接头1040处连接。本领域技术人员将认识到可作出很多与本发明一致的修改。
在本发明的一个实施方式中，具有阻抗转换部1110的集成波导可被加工成由铝、铜、黄铜或银构成的波导区块1120。这可通过以下方式实现，将两个减缩导管(tapered conduit)适当加工成波导区块1120使得减缩导管始于波导区块表面并终于天线接头1040。在该实施方式中，微波信号能在整个波导部分传输(transition)，完全集成了波导1020和阻抗转换部1030。在这种实施方式中，具有阻抗转换部1110的集成波导实质上消除了任何分离的波导部分。这允许建立较必须使用分离的波导部分1020、弯管1070和阻抗转换部分1030的波导小很多的具有集成微波波导的波导区。
在另一实施方式中，两个导管可被加工成波导区1020以形成波导部分。这些导管可形成自波导区块(waveguide block)1120表面到波导区1120中的通路(channel)。然后这些通路可与阻抗转换部分连接以形成具有阻抗转换部1110的集成波导。在该实施方式中，波导部分和转换部分被部分地集成从而形成具有阻抗转换部1110的集成波导。本领域技术人员将知道与本发明一致的各种修改和变型。
图11和12中还示出了与本发明一致的设置在与微波发生器1010相对的集成波导1100一侧上的可移动活塞1080。该可移动活塞1080可移动以便调谐波导。图11和12中，该可移动活塞1080能向上和向下移动从而将微波节点移向天线接头1040。
除了使部件的空间减至最小程度之外，还发现，如图12中所示，与天线1050相比，通过使集成微波波导1100改变90度，进一步增加了功率密度。在一个实施方式中，单个级联功率隙缝天线(single cascade power split antenna)1210可与本发明一起使用。如图11和12中所示，本发明中的天线接头1040可设置成比图10中的天线接头1040更接近。由于天线接头1040更接近地设置在一起，因此天线1050不必是多次功率开缝以便达到所需间隙。对于较大系统，本发明可以实现之前不可能实现的有效功率密度。本领域技术人员将认识到能作出与本发明一致的很多修改。
总之，除了其他外，本发明提供一种用于制造电子、离子和游离基原子和分子的系统和方法，用于表面处理和膜化学特性以及膜结构、形成和改变。本领域技术人员能容易认识到，在本发明中可作出很多变型和替换、其使用以及其构造，以实现与在此描述的实施方式所实现的结果基本相同的结果。因此，并不意图将本发明限于所公开的示例性形式。很多变型、修改和替换结构都落入到在权利要求中所表达的已公开发明的范围和构思内。

Claims (33)

1.一种用于在衬底上沉积膜的方法，该方法包括：
产生多个第一功率脉冲，该多个第一功率脉冲中每一个都具有第一脉冲振幅；
提供该多个第一功率脉冲到第一放电管；
使用该多个第一功率脉冲在第一放电管附近产生等离子体；
维持该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间的等离子体使得在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体；
使用等离子体来分解原料气体；和
将至少一部分所分解的原料气体沉积到衬底上。
2.如权利要求1的方法，其中产生多个第一功率脉冲包括产生多个第一微波功率脉冲。
3.如权利要求1的方法，还包括：
调制该多个第一功率脉冲以便维持该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间的等离子体，使得在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体。
4.如权利要求3的方法，其中调制该多个第一功率脉冲包括：
自最初功率振幅上至第一脉冲振幅和之后返回到该最初功率振幅来脉冲发出该多个功率脉冲的每一个，该最初功率振幅足以维持该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间的等离子体，使得在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体。
5.如权利要求1的方法，还包括：
产生多个第二功率脉冲，该多个第二功率脉冲中每一个都具有第二脉冲振幅；
将该多个第二功率脉冲提供到第二放电管；
使用该多个第二功率脉冲在该第二放电管附近产生第二等离子体；
定相该多个第一功率脉冲和该多个第二功率脉冲，以便维持该多个第二功率脉冲中每一个之间的该第二等离子体，使得在该多个第二功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃该第二等离子体。
6.如权利要求5的方法，其中该第二脉冲振幅等于该第一脉冲振幅。
7.如权利要求5的方法，还包括布置该第一放电管和该第二放电管使得使得从该第一放电管发出的能量能传输到该第二等离子体。
8.如权利要求1的方法，还包括：
提供附加能量给等离子体以便维持该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间的等离子体，使得在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体。
9.如权利要求8的方法，其中提供附加能量给等离子体包括增加AC或RF辉光放电源。
10.如权利要求1的方法，还包括施加能量给PECVD系统的部件以便维持该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲之间的等离子体，使得在该多个第一功率脉冲中每一个功率脉冲期间不再点燃等离子体。
11.如权利要求10的方法，其中施加能量给PECVD系统的部件包括将能量施加给辅助气体管、原料气体管、衬底、包覆护罩和等离子体物种引出栅中至少一个的至少一部分。
12.一种用于产生等离子体的方法，该方法包括：
产生功率信号，该功率信号包括脉冲振幅和最初功率振幅，该最初功率振幅低于该脉冲振幅；
提供该功率信号给第一天线；
使用该功率信号在第一天线附近产生等离子体；
当该功率信号在该最初功率振幅时维持等离子体，使得当该功率信号为该脉冲振幅时不再点燃等离子体。
13.如权利要求12的方法，其中产生该功率信号包括产生微波功率信号。
14.如权利要求12的方法，其中产生该功率信号包括产生脉冲的DC功率信号。
15.如权利要求12的方法，还包括：
调制该功率信号，以便当该功率信号在最初功率振幅时维持等离子体，使得当该功率信号在脉冲振幅时不再点燃等离子体。
16.如权利要求15的方法，其中调制该功率信号包括调制该最初功率振幅，使得该最初功率振幅足以维持等离子体，从而当该功率信号在脉冲振幅时不再点燃等离子体。
17.如权利要求12的方法，还包括：
产生第二功率信号，该第二功率信号包括第二脉冲振幅和第二最初功率振幅，该第二最初功率振幅小于该第二脉冲振幅；
提供该第二功率信号给第二天线；
使用该第二功率信号在该第二天线附近产生第二等离子体；和
定相该功率信号和该第二功率信号，以便当该第二功率信号在该第二最初功率振幅时维持该第二等离子体，使得当该功率信号在该第二功率振幅时不再点燃第二等离子体。
18.如权利要求17的方法，其中该第二脉冲振幅等于该脉冲振幅。
19.如权利要求12的方法，还包括：
提供附加能量给等离子体，以便当该功率信号在该最初功率振幅时维持等离子体，使得当该功率信号在该脉冲振幅时不再点燃等离子体。
20.如权利要求19的方法，其中提供附加能量给等离子体包括增加AC或RF辉光放电源。
21.如权利要求12的方法，还包括施加能量给PECVD系统的部件，以便当该功率信号在该最初功率振幅时维持等离子体，使得当该功率信号在脉冲振幅时不再点燃等离子体。
22.如权利要求21的方法，其中施加功率给PECVD系统的部件包括施加能量给辅助气体管、原料气体管、包覆护罩和等离子体物种引出栅中至少一个的至少一部分。
23.如权利要求12的方法，还包括：
使用等离子体来产生至少一个等离子体物种；和
使用该至少一个等离子体物种来处理衬底表面，包括表面改变、膜形成、膜化学特性改变和膜结构改变中的至少一种。
24.一种用于产生等离子体的系统，该系统包括：
真空室；
容纳在该真空室内部的放电管；
构造成产生微波功率信号的磁电管，该微波功率信号能被施加到该放电管，该微波功率信号在该放电管附近产生等离子体；
构造成提供功率信号给该磁电管的电源，该功率信号包括多个脉冲，该多个脉冲中的每一个都具有第一脉冲振幅；和
功率源，该功率源能够维持该多个脉冲中每一个脉冲之间的等离子体使得在多个脉冲中每一个脉冲期间不再点燃等离子体。
25.如权利要求24的系统，其中该功率源是第一放电管。
26.如权利要求25的系统，其中该电源被配置以调制提供给该磁电管的功率信号，以便在多个脉冲中每一个脉冲之间维持等离子体，使得在多个脉冲中每一个脉冲期间不再点燃等离子体。
27.如权利要求25的系统，其中该电源被配置以调制功率信号，以自最初脉冲振幅上至第一脉冲振幅并然后返回到最初脉冲振幅来脉冲发出多个脉冲中的每一个，该最初脉冲振幅足以维持该多个脉冲中每一个脉冲之间的等离子体，从而在该多个脉冲中每一个脉冲期间不再点燃等离子体。
28.如权利要求24的系统，其中该功率源包括容纳在该真空室内的第二放电管。
29.如权利要求28的系统，其中该电源是第一电源，该系统还包括：
第二磁电管，该第二磁电管被构造以产生第二微波功率信号，该第二微波功率信号能被施加给第二放电管，该第二微波功率信号在该第二放电管附近产生第二等离子体；
第二电源，该第二电源被构造为将第二功率信号提供给该第二磁电管，该第二功率信号包括多个第二脉冲，该多个第二脉冲中的每一个都具有第二脉冲振幅；和
第二控制系统，该第二控制系统连接到第一电源和第二电源以定相多个脉冲和多个第二脉冲，以便在多个第二脉冲中的每一个脉冲之间维持第二等离子体，使得在多个第二脉冲中每一个脉冲期间不再点燃第二等离子体。
30.如权利要求29的系统，其中该第一电源和该第二电源是集成的。
31.如权利要求24的系统，其中该功率源是辅助气体管、原料气体管、衬底、包覆护罩和等离子体物种引出栅种中的至少一个。
32.如权利要求24的系统，其中该功率源是AC和RF辉光放电源。
33.如权利要求24的系统，还包括：
衬底；和
通过等离子体所产生的至少一个等离子体物种，以处理衬底表面，包括表面改变、膜形成、膜化学特性改变和膜结构改变中的至少一种。
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CN104131259A (zh) * 2014-06-17 2014-11-05 北京大学深圳研究生院 一种金属离子源和真空镀膜系统
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