CN102017056A - 用于衬底的等离子体处理的等离子体处理设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理设备(30、50)，包括具有室壁(35)的工艺室、气体进入装置和气体分布装置、排气装置、以及用于衬底(33)的衬底支架(34)。导电平板(51)被设置在所述室内，可与面对所述导电平板(51)的RF电源(39)电连接，所述导电平板(51)展现开口图案，并且被设置在距所述室的后壁(53)一段距离处，使得传送到导电平板(51)与所述后壁(53)之间的间隙(55)的工艺气体在操作期间在间隙(55)中不点燃等离子体。在第二实施例中，第一电极和第二电极(31，32)被设置在所述工艺室内，彼此邻近，其间有间隙(38)。第一电极(31)可连接到RF电源(39)，第二电极(32)连接到地。第二电极展现开口(36)图案，并且被设置在一段距离处，使得传送到所述间隙的工艺气体不点燃等离子体。

Description

用于衬底的等离子体处理的等离子体处理设备和方法
技术领域
本发明涉及一种具有改善的(低能量)离子轰击特性的等离子体处理设备或系统、以及一种用于在这种设备中处理衬底的方法。等离子体工艺涉及沉积-和/或刻蚀工艺、加热、表面调整、以及衬底的其它工艺。
背景技术
本领域已知的很多等离子体处理系统是根据所谓的平行平板反应器原理而构建的。图1示出这种等离子体处理设备。其包括具有限定外围的壁的工艺室7、第一平面电极1、第二平面电极2，第一平面电极1和第二平面电极2皆设置在所述工艺室7内、可与至少一个RF电源电连接。电极1和2限定了等离子体发生区域6。待处理的衬底5置于衬底支持物上，或者如所示那样直接在所述电极之一上。因而，衬底在处理期间受到等离子体的作用。图1示意性示出工艺气体入口装置3以及用于除去残余气体的排气装置4。已经省略了工艺气体分布装置。
通常，薄膜硅层(非晶、纳米/微晶材料等)及其与C、N、O等的合金是使用这种平行平板设置以及电容RF功率耦合通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)而得以沉积的。通常，衬底放置在接地电极上，而另一电极充当RF供电电极和气体分布喷头(工艺气体分布装置)。通过使用这样的设置，已经成功地获得了平方米范围中大面积上非晶和纳米/微晶层的同质沉积。
相关领域
在经典平行平板配置中，最大可能离子能量通过已知的方式(
Figure BPA00001251902000011
等，J.Appl.Phys.57(1985)，p.59和J.Appl.Phys.58(1985)，p.3350)与所施加的RF峰峰值电压相关，所施加的RF峰峰值电压与所施加的RF功率密切相关。在工艺室中超过特定阈值电压值以朝向衬底加速的离子进行离子轰击，在所沉积的块材料中产生缺陷和损伤敏感界面，因此，使得材料质量和界面性能恶化。使用VHF和/或高压沉积方式(regime)、三极管配置等的若干尝试被执行来减少这种轰击，尤其是对于微晶层的沉积。三极管配置带来了优异的材料，但减小了沉积速率，因为发生了栅极与衬底之间的区域中的原子团的重组。增加进入VHF/UHF区域的等离子体激励频率对于等离子体的给定功率减少了必要的峰峰值电压，但是，离子轰击又随RF功率而增加，因此，无法独立受控并且单独调整。
不依赖于RF功率而对离子轰击进行控制的高效方式可以通过将衬底放置在浮动电极上而得以实现。在此情况下，仅浮动电势(其远小于依赖于等离子体功率的等离子体电势)将使得离子朝向衬底加速，导致最大可能的离子能量的大量减少。然而，简单地允许接地电极在平行平板设置中变为电浮动将消除大部分电接地，尤其在大面积应用时，这是因为缺少电极接地电势。仅仅是与等离子体的电接触的接地室壁将仍然是对于等离子体的接地。
存在解决该问题的现有技术应用。图2(引证自US 7,090,705)示出等离子体处理设备，其包括面对衬底21的电极配置，具有由绝缘体23分隔开的第一电极24和第二电极22。第二电极22以带状图案设置在平行于第一电极24的平面中，产生的结构是并行槽26，其中，第一电极24的一部分充当槽底27，电极22充当槽肩。电功率(优选地，RF功率25)施加在电极22与24之间，从而等离子体生成在槽26中，并且邻近(多个)电极22。技术上，该槽26可以描述为细长的腔，并且可以甚至使用空阴极效应。
工艺气体经由槽底27中的孔而传送到槽26。工艺气体的平滑均匀分布对于有效操作是基本的，并且目的是实现处理(例如层沉积或刻蚀步骤)的同质结果。
电极条的带状图案允许控制等离子体发生区域，然而，制造工作是繁重的，因为第二电极22和绝缘体23的元件必须是独立组装的；此外，需要很多钻孔，以实现平滑均匀的工艺气体分布。
对于基于平行平板反应器原理的大面积等离子体沉积系统，将出现驻波现象。这是由于这样的事实，即，随着RF/VHF频率(＞13.56MHz并且电极直径＞1m)的增加，自由空间波长减小，并且因而反应器中的驻波显现，始于传送的点，RF功率到电极的连接点。图2所示的设计试图通过对RF功率的多点传送(每电极22一个)来避免该情况。然而，这意味着，为了实现至少部分不依赖于所述现象，昂贵且精细的布线是必须的。这种布线的成本将随着根据图2的电极的尺寸的增加而增加。然而，根据图2的设计没有完全解决驻波的问题。驻波可以仍然沿着平行槽26而产生，尤其对于大面积电极。
平行平板反应器设计的另一普遍问题(尤其是对于大的表面)在于如下事实：电流流动特性对于电极的所有区域并不相同。接近于电极边缘的区比电极中心区域感知到“更”有效的阳极区域，这是因为如下事实：工艺室的壁通常具有接地连接，故此也将充当阳极。图2所描述的设计至少部分地解决该问题，因为电极表面按接近关系分布和设置，所以这种非同质性(尤其对于大面积电极的中心区域)将得以减少。
故此，本发明的目的在于避免现有技术设计的缺陷，以展现电极的重量轻、成本有效并且可缩放设计，从而用在等离子体处理设备中。本发明的另一目的是提供一种方法，用于衬底的等离子体处理，在沉积速率、对所沉积的层的结晶度的影响以及层同质性方面具有增加的灵活性。
附图说明
图1示出根据现有技术的平行平板反应器设计(简化后的)。
图2示出现有技术文献US 7,090,705中描述的反应器。
图3以侧视图示出本发明第一实施例。
图4示出根据本发明的有孔电极的顶视图。
图5示出从遵循本发明原理的小规模反应器制成的照片。
图6以侧视图示出本发明第二实施例。
具体实施方式
等离子体处理装置30包括：具有工艺室壁35的工艺室、所述工艺室中的工艺气体进入装置和工艺气体分布装置、用于除去残余气体的排气装置、设置在所述工艺室内且可与至少一个RF电源39电连接的至少第一电极31和第二电极32。此外，为待处理的衬底33提供衬底底座34。第二电极32展现开口图案，并且设置为距第一电极31一段距离，使得传送到电极31、32之间的间隙38的工艺气体在操作期间在间隙38中不点燃等离子体。
在替选实施例中，等离子体处理设备50包括：具有工艺室壁35的工艺室、所述工艺室中的工艺气体进入装置和工艺气体分布装置、用于除去残余气体的排气装置、所述工艺室内设置的至少有孔的(导电)RF平板51，该RF平板51可与至少一个RF电源39电连接。此外，为待处理的衬底33提供衬底底座34。RF平板51展现开口图案，并且设置为距后壁53一段距离，使得传送到RF平板51与后壁53之间的间隙55的工艺气体在操作期间在间隙55中不点燃等离子体。
用于衬底的等离子体处理的方法包括：将衬底33引入等离子体处理设备30，将衬底33面对其中具有开口36的电极32放置在衬底保持装置34上，设置适当的工艺条件(压力、工艺气体、温度)，以及在所述电极32的开口36中点燃局部化的等离子体37，并且处理所述衬底。
本发明的详细描述
本发明解决方案基于图3中的第一实施例侧视图所示的等离子体处理系统(或等离子体反应器)30的修改的电极配置。
具有孔或开口36的接地平板32(有孔的接地平板)设置为邻近电极31，电极31在操作中连接到RF电源39。优选地提供气体入口装置(未示出)，用于将工艺气体传送进入接地平板32与供电电极31之间的间隙38。通常使用的气体喷头也可以通过例如在供电电极31中提供与接地电极的孔相对定位的孔而得以在这种设置中实现。选取所述电极31与接地平板32之间的距离，使得在电极31与平板32之间的间隙38中，等离子体将不点燃(有效暗空间屏蔽)。所述距离可以根据所施加的电压和RF频率以及间隙38中设置的气体的特性和气体压力而变化。技术上，所述距离可以是通过使用绝缘间隔物(例如陶瓷螺钉)而设置的，这样限定了电极32与31之间的分离距离。在一个实施例中，RF电极31与接地平板32之间的距离设置为在1至3mm左右。
通过将接地平板32布置在电极31附近，等离子体被强制在电接地平板32的孔36中燃烧。这样可以生成局部化等离子体37。燃烧的局部化等离子体37中所产生的原子团的空间分布以及接地/供电电极面积的比率可以通过适当设计孔的分布、孔的直径、孔的形状以及它们的面积密度而得到调整。这样，另外有可能在衬底33上实现分别具有优异厚度均匀性和出色刻蚀率均匀性的均匀的层。
甚而，可以将空阴极原理扩展到这些孔，以甚至进一步增强等离子体离解。在此情况下，优选实施例将包括具有直径1-30mm(优选地8-15mm，更优选地10mm)的孔。有孔接地平板/电极32的厚度可以是在1-15mm(优选地5-15mm，而10mm是更优选的)之间选择的。这种“厚的”电极于是也可以用于充当气体分布装置，以允许将工艺气体输送到电极31与32之间的间隙。
衬底33可以位于衬底支持物34上，衬底支持物34又可以被设计为电浮动的，即与有孔接地电极平板、供电RF电极32以及工艺室壁35分离适当的距离(近似5mm至100mm，取决于压力、孔几何尺寸等)。
在另一实施例中，附加的分离的第二RF电源40可以连接在衬底支持物34与地之间，这将允许独立偏置，并且因此允许控制适中的但有时仍有益的离子轰击。由此，沉积层的结晶度和/或密度可以更大程度地变化，因为局部化等离子体所生成的离子可以指向衬底。
图4示出具有孔36的有孔接地平板/电极32的顶视图。在此，示出孔的规则图案；然而，孔的密度可以变化，以便补偿例如边缘效应、驻波效应等。电极32可以是由具有几个毫米厚度的单片金属制造的。于是，孔可以得以容易地进行激光切割，这也将使得孔的直径变化容易，并且避免包括钻孔损坏问题的钻孔的努力。
待以本发明的等离子体处理系统处理的产品包括大面积(＞1m2)，基本上平坦的衬底，例如玻璃以及玻璃陶瓷还有其它材料(塑料、不锈钢)上的太阳能电池板，另外，用于TFT的显示平板或其它应用。应用的范围包括沉积和/或刻蚀处理、加热、表面修整、以及前述衬底的其它处理。刻蚀处理中有用的工艺气体是CF4、SF6、Cl2、HCl、BCl3、O2或其它。对于层的沉积，尤其是半导体层的沉积，优选地使用比如硅烷SiH4、乙硅烷、二氯甲硅烷、SiF4、GeH4等的气体加上最后的掺杂剂，所述掺杂剂有氨NH3、氮N2、肼等(用于硅氮化物层)、N2O、CO2、和O2等(用于硅氧化物层)、氢H2(对于很多沉积工艺用作稀释剂)。
根据本发明的等离子体处理设备可以用于几百kHz至几百MHz的RF/VHF频率。至此，优选地是工业上使用的13.56MHz加上其谐频，比如40MHz及以上。图5a)和b)示出操作中的小规模反应器，局部化等离子体作为亮点而可见。
在第三实施例中，本发明的原理可以进一步简化，如图6所示。并非使用供电电极31结合接地有孔平板32(图3)，而是使用有孔(导电)RF平板51。平板51连接到RF电源39。恰在后的工艺室壁53将通过孔充当阳极。选取RF平板51与后壁53(＝工艺室壁35的一部分)之间的距离，使得在间隙55中，将不点燃等离子体(有效暗空间屏蔽)。然而，结合气体分布系统(未示出)，该空间将向每一局部化等离子体提供工艺气体。
局部化等离子体37将在RF平板51的开口中点燃。通过调整局部化等离子体的尺寸、密度和配置，有孔RF平板51允许通过与图3中的实施例的接地平板32相同方式补偿驻波效应的影响。上述选项和限制也可以无缝地应用于该实施例，除非进行相反的说明。
在该第三实施例中，可以产生邻近有孔RF平板51面对处理区域54的等离子体52。这是因为这样的事实：不仅在平板51与后壁53之间，而且在供电平板51与工艺室壁35的其它区域之间，电场得以建立。
第二RF电源40可以有利地连接在衬底支持物34与地之间，这将允许独立的偏置，因此，允许控制适中但有时仍有益的离子轰击，如以上针对图3描述的那样。
为了避免衬底34被离子轰击以不期望的方式影响，应注意，没有或者至少仅有最少量电容耦合出现在衬底支持物34与剩余工艺室壁35之间。
本发明的其它有利之处
通过使用根据本发明第一实施例至第三实施例的反应器设置，一个RF发生器用于局部生成反应原子团。该RF电压生成高轰击，但这种轰击将指向RF电极31或51以及其对应接地连接(有孔接地平板32和后壁53)，而不是放置了衬底33的衬底支持物34或浮动电极，并且将出现软沉积条件。技术上，这意味着，原子团的等离子体生成和创建与沉积分离，尤其是如果使用分离的(RF)衬底偏置电压40。因而，可以通过使用较高频率和/或较高电压来增加沉积速率，而不冒损坏衬底的风险。
由于主要的强轰击将不在衬底上出现，因此衬底将较少地被轰击加热，因此，仍将在沉积期间较少地受加热影响。
在图2的设计中通过复杂电布线以及分段电极22的设置来部分地避免驻波效应，与此相对照，本发明的设计考虑到该现象，并且允许通过如上所述的孔图案设计(直径、设置、密度等)来补偿它。这样允许保持布线简单，仅使用一个或2-4个连接点到一个电极，同时，电极的构造和组装工作得以最小化。
有可能将本发明的设计扩展到任意尺寸(非常大面积反应器，＞3m2)，而无需巨大的技术构建努力。

Claims (6)

1.一种等离子体处理设备(30)，包括：
具有工艺室壁(35)的工艺室、工艺气体进入装置和工艺气体分布装置、用于除去残余气体的排气装置、彼此邻近设置因而在其间形成间隙(38)的至少第一电极和第二电极(31、32)、与所述电极(31、32)可电连接的至少一个RF电源(39)；以及面对第二电极(32)的用于衬底(33)的衬底支架(34)，其特征在于，所述第二电极(32)展示开口(36)图案，并且被设置在距所述第一电极(31)一段距离处，使得传送到所述电极(31、32)之间的间隙(38)的工艺气体在操作期间在间隙(38)中不点燃等离子体。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，第一电极(31)与第二电极(32)之间的距离被设置为基本上为1到3mm。
3.根据权利要求1-2所述的设备，其中，所述第二电极被设计为接地平板，具有1-15mm的厚度。
4.根据权利要求1-3所述的设备，其中，所述衬底支持物(34)可连接到第二RF电源(40)。
5.一种等离子体处理设备(50)，包括：具有工艺室壁(35)的工艺室、所述工艺室中的工艺气体进入装置和工艺气体分布装置、用于除去残余气体的排气装置、设置在所述工艺室内可与至少一个RF电源(39)电连接的导电平板(51)、以及面对所述导电平板(51)的用于衬底(33)的衬底支架(34)，其特征在于，所述导电平板(51)展现开口图案，并且被设置在距所述工艺室的后壁(53)一段距离处，使得传送到所述导电平板(51)与所述后壁(53)之间的间隙(55)的工艺气体在操作期间在该间隙(55)中不点燃等离子体。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述衬底支架(34)可连接到第二RF电源(40)。
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