CN102082063A - 一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板和反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板和反应腔室，涉及等离子体加工技术领域，为抑制中、低频等离子体边缘效应及适用于高温工艺环境而发明。本发明的电极板由导电材料制成，电极板的边缘区域表面的材料和中部区域表面的材料不同，边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于中部区域表面的材料的二次电子发射能力。本发明的反应腔室包括腔体和位于腔体内部的彼此相对的上电极和下电极，其中上电极用于与腔体外部的射频源连接，上电极的边缘区域表面的材料与中部区域表面的材料不同，上电极的边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于中部区域表面的材料的二次电子发射能力。本发明可用于等离子体加工设备中。

Description

一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板和反应腔室

技术领域

本发明涉及等离子体加工技术领域，尤其涉及一种用于等离子体加工设备的电极板和反应腔室。

背景技术

在半导体制造工艺中，等离子体加工技术得到了极为广泛的应用。该技术是在一定条件下激发工艺气体生成等离子体，利用等离子体与衬底(例如硅基片)发生复杂的物理、化学反应而在衬底上完成各种加工，如等离子体刻蚀、等离子体薄膜沉积等，获得需要的半导体结构。

图1示出了一种常用的等离子体加工设备的反应腔室结构示意图。如图1所示，等离子体加工设备的反应腔室通常包括：腔体1，一般由铝、铝合金或者不锈钢材料制成，腔体1外壳接地，在放电过程中将等离子体约束在腔室内部；进气系统2，使工艺气体通入所述反应腔室；排气系统3，用于抽真空及将反应后的所述工艺气体排出所述反应腔室；彼此相对的两个平行板电极上电极4和下电极5，其中，上电极4与射频源6连接，提供等离子体激发功率，一般由铝、铝合金或者不锈钢材料制成。在有些等离子体加工设备如等离子薄膜沉积设备中，上电极4表面设有通孔，往往呈现喷淋头构造，同进气系统2相配合，使工艺气体通过其上密布的小孔均匀地进入反应腔室而被激发成为等离子体；下电极5为接地电极，在放电过程中与上电极4以及等离子体构成射频通路。衬底7通常放置在下电极上，在等离子体环境下进行加工。射频源6可为低频(30KHz-300KHz)，中频(300KHz-2MHz)和高频(≥2MHz)，可根据不同的工艺要求，选择适合的射频范围。在晶硅太阳能电池的生产中，通常采用中、低频射频源，在硅衬底上沉积减反射氮化硅薄膜。相对于高频而言，中、低频等离子体可使氮化硅薄膜获得更为出色的钝化效果，从而提高太阳能电池的转化效率。

在对衬底的加工过程中，位于上下两个平行板电极边缘的区域在放电过程中往往会出现所谓的边缘效应，具体表现为该区域等离子体密度要高于中部区域，从而导致衬底基片加工的不均匀现象，严重影响工艺结果。引发边缘效应的原因主要有两个：一是反应腔室金属侧壁的存在导致电极边缘区域电场分布发生畸变，二是电极自身存在有限的几何边界导致其边缘区域发生电场畸变。这两种电场畸变的效果都表现为电极边缘区域的电场比中部区域强，因而电子将获得更多的能量来电离工艺气体，使该区域的等离子体密度上升，从而导致衬底加工不均匀。

现有技术中一般采用反应腔室的优化设计来抑制边缘效应，通常在腔室四周紧靠侧壁处增加一层绝缘PTFE(聚四氟乙烯)板，如图2所示，用来消除腔室金属侧壁的存在导致平行板电极边缘区域电场分布发生的畸变，使上下两个平行板电极边缘区域的电场均匀性得以提高，在一定程度上抑制了边缘效应。

在对抑制边缘效应的研究中，发明人发现采用现有技术抑制边缘效应至少存在如下问题：只能消除腔室金属侧壁的存在导致平行板电极边缘区域电场分布发生的畸变，而对电极自身存在有限的几何边界所导致的边缘区域电场畸变则无能为力，即只能部分抑制了平行板电极边缘区域出现的边缘效应，电极边缘区域的电场仍然比中部区域强。此外，只能在低温腔室环境下应用，而在高温腔室环境，如晶硅太阳能电池制备过程中的氮化硅薄膜沉积工艺，该工艺需要在400℃左右的温度下进行，这样高的温度足以使PTFE材料软化变形。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板，能够有效抑制中、低频等离子体的边缘效应，并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板，所述电极板的边缘区域表面的材料和中部区域表面的材料不同，所述边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于所述中部区域表面的材料的二次电子发射能力。

采用上述技术方案后，本发明提供的电极板用于中低频等离子体加工设备时，在加工工艺过程中，电极板边缘区域发射的二次电子的数量将少于中部区域，边缘区域较少的二次电子在边缘效应引起的相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现了等离子体密度的均匀分布，即有效抑制了由于反应腔室金属侧壁存在以及电极自身存在有限的几何边界所引起的边缘效应，进而改善了衬底加工的均匀性，并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

相应的，本发明的另一主要目的在于，提供一种用于中、低频等离子体加工设备的反应腔室，能够有效抑制中、低频等离子体的边缘效应，并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于中、低频等离子体加工设备的反应腔室，包括：

包括：腔体和位于腔体内部的彼此相对的上电极和下电极，其中上电极用于与腔体外部的射频源连接，所述上电极的边缘区域表面的材料与所述上电极的中部区域表面的材料不同，所述上电极的边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于所述中部区域表面的材料的二次电子发射能力。

采用上述技术方案后，本发明提供的反应腔室用于中低频等离子体加工设备时，在加工工艺过程中，上电极边缘区域发射的二次电子的数量将少于中部区域，边缘区域较少的二次电子在边缘效应引起的相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现了等离子体密度的均匀分布，即有效抑制了由于反应腔室金属侧壁存在以及电极自身存在有限的几何边界所引起的边缘效应，进而改善了衬底加工的均匀性。并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

附图说明

图1为现有技术中等离子体加工设备反应腔室的结构示意图；

图2为现有技术中抑制了边缘效应的反应腔室的结构示意图；

图3为本发明电极板的实施例一示意图；

图4为本发明电极板的实施例二示意图；

图5为本发明反应腔室的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

为了抑制中、低频等离子体边缘效应和适合高温工艺环境，本发明实施例提供了一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板和反应腔室。

在等离子体加工的工艺过程中，二次电子是离子在高能状态下轰击电极板表面使表面发射的电子，产生的二次电子被电场加速，作为新的激发电子，电离工艺气体。在中、低频激发的情况下，二次电子维持放电，电离工艺气体，在放电中起主导地位，影响放电的稳定性。在电场相同的条件下，不同区域二次电子的数量不同，工艺气体离化率也就不同，二次电子较多的区域，气体离化率较高。基于此，本发明提供的一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板和反应腔室的技术方案的基本思想在于，通过减少边缘区域二次电子的数量，以此抵消边缘效应所引起的电极板边缘区域相对中部区域强的局域电场使其气体离化率增加而导致的等离子体密度上升，实现了等离子体密度的均匀分布。

本发明提供的一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板的技术核心在于：所述电极板的边缘区域表面的材料和中部区域表面的材料不同，所述边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于所述中部区域表面的材料的二次电子发射能力。

采用上述技术方案后，本发明的电极板用于中低频等离子体加工设备时，在加工工艺过程中，电极板边缘区域发射的二次电子的数量将少于中部区域，边缘区域较少的二次电子在边缘效应引起的相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现了等离子体密度的均匀分布，即有效抑制了由于反应腔室金属侧壁存在以及电极自身存在有限的几何边界所引起的边缘效应，并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

其中，电极板的边缘区域表面的材料和中部区域表面的材料不同可为：

电极板的边缘区域表面具有相对于电极板材料二次电子发射能力弱的材料的涂层；

或者电极板的中部区域表面具有相对于所述电极板材料二次电子发射能力强的材料的涂层；

或者制成所述电极板的边缘区域的材料和中部区域不同，如使电极板包括中心板及与中心板四周边缘连接的边框，中心板的材料的二次电子发射能力高于边框的材料。

优选地，电极板为平板状。在通常的等离子体加工设备中，一般均采用上下两个平行板电极，一个电极同射频源连接，一个电极接地，用来激发等离子体。平板电极可使等离子体加工设备的气体利用率高，自动化程度高，生产效率高等。

进一步地，所述电极板的板面上沿垂直于板面方向设有通孔，可呈喷淋头状，使工艺气体均匀的进入，使等离子体的分布更加均匀。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例并结合附图对本发明电极板的实施例进行详细描述。这里要注意的是，以下的具体实施例只是为了描述本发明，但不限于本发明。

实施例一

本实施例的电极板的边缘区域喷涂了相对于电极板材料二次电子发射能力弱的涂层。如图3所示的电极板示意图，其中，本实施例的电极板由铝或铝合金制成，电极板的边缘区域11的表面喷涂了一层镍或钛涂层13，即本实施例的电极板的边缘区域11表面的材料为镍或钛，中部区域12表面的材料为铝或铝合金，相对于铝或者铝合金材料，镍或钛材料的二次电子发射能力较弱。

这样，在工艺过程中当离子轰击电极板表面时，边缘区域11表面发射的二次电子的数量将少于中部区域12。边缘区域11较少的二次电子在边缘效应引起的电极边缘区域11相对中部区域12强的局域电场作用下，将实现与中部区域12相似的气体离化率，从而实现等离子体密度的均匀分布，改善了加工效果。

另外，本实施例的电极板为矩形平板状，板面上开有供工艺气体进入的通孔。本实施例中，通孔为圆孔状，电极板呈现喷淋头状。可根据实际需要，设置电极板的形状及通孔的形状、密度及分布等。

实施例二

本实施例同实施例一相似，采用涂层的方式，不同的是，本实施例的电极板的中心区域喷涂了相对于电极板材料二次电子发射能力强的涂层。其中，如图4所示的电极板示意图，本实施例的电极板由不锈钢制成，电极板的中部区域12的表面喷涂了一层铝或铝合金涂层14，即本实施例的电极板的边缘区域11表面的材料为不锈钢，中部区域12表面的材料为铝或铝合金，相对于不锈钢材料，铝或铝合金材料的二次电子发射能力较强。

这样，在工艺过程中，当离子轰击电极板表面时，边缘区域11表面发射的二次电子的数量将少于中部区域12。边缘区域较少的二次电子在边缘效应引起的电极边缘区域11相对中部区域12强的局域电场作用下，将实现与中部区域12相似的气体离化率，从而实现等离子体密度的均匀分布，改善了加工效果。

另外，本实施例的电极板为矩形平板状，板面上开有供工艺气体进入的通孔。本实施例中，通孔为圆孔状，电极板呈现喷淋头状。可根据实际需要，设置电极板的形状及通孔的形状、密度及分布等。

实施例三

同实施例一和实施例二不同，本实施例中未采用涂层的方式，电极板的边缘区域和中部区域直接采用不同的材料制成。本实施例的电极板，包括由铝或铝合金制成的中心极板及与中心极板边缘四周连接的由镍或钛制成的边框。

这样，本实施例的电极板的边缘区域的材料为镍或钛，中心区域的材料为铝或铝合金，镍或钛的二次电子发射能力弱于铝或铝合金，在工艺过程中，当离子轰击电极板表面时，边缘区域表面发射的二次电子的数量将少于中部区域。这些较少的二次电子在边缘效应引起的电极边缘区域相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现等离子体密度的均匀分布，改善了加工效果。

同样，本实施例电极板的板面上可开有通孔，使工艺气体分布更加均匀。

实施例四

本实施例同实施例三相似，电极板的边缘区域和中部区域直接采用不同的材料制成。本实施例的电极板，包括由铝或铝合金制成的中心极板及与中心极板边缘四周连接的由不锈钢制成的边框。

这样，本实施例的电极板的边缘区域的材料为不锈钢，中心区域的材料为铝或铝合金，不锈钢的二次电子发射能力要弱于铝或铝合金，在工艺过程中，当离子轰击电极板表面时，边缘区域表面发射的二次电子的数量将少于中部区域。这些较少的二次电子在边缘效应引起的电极边缘区域相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现等离子体密度的均匀分布，改善了加工效果。

同样，本实施例电极板的板面上可开有通孔，使工艺气体分布更加均匀。

相应的，本发明的实施例还提供了一种用于中、低频等离子体加工设备的反应腔室，如图5所示，本发明反应腔室的实施例包括：

腔体2、位于腔体内部的彼此相对的上电极4和下电极5，其中上电极4用于与腔体1外部的射频源6连接，上电极4的边缘区域表面的材料与中部区域表面的材料不同，上电极4的边缘区域表面的材料的二次电子发射能力低于所述中部区域表面。

当本发明实施例提供的反应腔室用于中、低频等离子体加工设备时，在加工工艺过程中，有效抑制了由于反应腔室金属侧壁存在以及电极自身存在有限的几何边界所引起的边缘效应，进而改善了衬底加工的均匀性，并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

其中，上电极4的边缘区域表面的材料与所述上电极的中部区域表面的材料不同可为：

上电极4的边缘区域表面具有相对于上电极材料二次电子发射能力弱的材料的涂层；

或者上电极4的中部区域表面具有相对于所述上电极材料二次电子发射能力强的材料的涂层；

或者上电极4的边缘区域的材料和中部区域的材料不同，可使上电极4包括中心极板及与中心极板四周边缘连接的边框，所述中心极板的材料的二次电子发射能力强于所述边框的材料。

这里要注意的是，若采用涂层结构，上电极4含有涂层的表面与下电极5相对。

优选地，所述上电极4和下电极5为平板形状。平板电极可使等离子体加工设备的气体利用率高，自动化程度高，生产效率高等。

进一步地，所述上电极4的板面上沿垂直于板面方向设有通孔，呈喷淋头状，使工艺气体均匀的进入，使等离子体的分布更加均匀。

下面对本发明反应腔室的实施例进行具体描述。

本发明实施例提供的反应腔室用于中、低频等离子体加工设备时，在加工工艺过程中，工艺气体由进气通道2进入腔体1中，排气系统3用于抽真空及将工艺气体排出腔体1；射频源6提供等离子体激发功率，上电极4与射频源6连接，下电极5接地；工艺气体在上电极4和下电极5两个电极板之间被激发成等离子体，对下电极5处的衬底7进行加工。工艺过程中，离子轰击上电极产生的二次电子在放电中起主导作用。由于上电极4边缘区域发射的二次电子的数量将少于中部区域，边缘区域较少的二次电子在边缘效应引起的相对中部区域强的局域电场作用下，将实现与中部区域相似的气体离化率，从而实现了等离子体密度的均匀分布，即有效抑制了由于反应腔室金属侧壁存在以及电极自身存在有限的几何边界所引起的边缘效应，进而改善了衬底加工的均匀性。并且不受工艺温度限制，适用于高温工艺环境。

上电极4可采用本发明实施例一、实施例二、实施例三或实施例四提供的电极板结构，前面已经进行了详细的说明，这里不再赘述。要注意的是，上电极4若采用实施例一和实施例二的涂层结构，在本发明的反应腔室中，上电极4含有涂层的表面与下电极5相对。

可以理解的是，本发明所述的中、低频等离子体加工设备是指通过射频激发产生的等离子体对基片进行加工的设备，如中、低频等离子薄膜沉积设备，中、低频等离子刻蚀设备等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种用于中、低频等离子体加工设备的电极板，由导电材料制成，其特征在于，

所述电极板的边缘区域表面的材料和中部区域表面的材料不同，所述边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于所述中部区域表面的材料的二次电子发射能力。

2.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的边缘区域表面具有涂层，所述涂层的二次电子发射能力弱于所述电极板的材料的二次电子发射能力。

3.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的中部区域表面具有涂层，所述涂层的二次电子发射能力强于所述电极板的材料的二次电子发射能力。

4.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的边缘区域的材料和中部区域的材料不同。

5.根据权利要求4所述的电极板，其特征在于，

所述电极板包括中心极板及与所述中心极板四周边缘连接的边框，所述边框的材料的二次电子发射能力弱于所述中心极板的材料的二次电子发射能力。

6.根据权利要求1至5任一项所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的板面上沿垂直于板面方向设有通孔。

7.根据权利要求2所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的材料为铝或铝合金，所述涂层为镍或钛涂层。

8.根据权利要求3所述的电极板，其特征在于，

所述电极板的材料为不锈钢，所述涂层为铝或铝合金涂层。

9.根据权利要求4所述的电极板，其特征在于，

所述边缘区域的材料为镍或钛，所述中部区域的材料为铝或铝合金。

10.根据权利要求4所述的电极板，其特征在于，

所述边缘区域的材料为不锈钢，所述中部区域的材料为铝或铝合金。

11.根据权利要求1所述的电极板，其特征在于，

所述等离子体加工设备为等离子体薄膜沉积设备或等离子体刻蚀设备。

12.一种用于中、低频等离子体加工设备的反应腔室，包括：腔体和位于腔体内部的彼此相对的上电极和下电极，其中上电极用于与腔体外部的射频源连接，其特征在于，

所述上电极的边缘区域表面的材料与所述上电极的中部区域表面的材料不同，所述上电极的边缘区域表面的材料的二次电子发射能力弱于所述中部区域表面的材料的二次电子发射能力。

13.根据权利要求12所述的反应腔室，其特征在于，

所述上电极的边缘区域表面具有涂层，所述涂层的二次电子发射能力弱于所述电极板的材料的二次电子发射能力。

14.根据权利要求12所述的反应腔室，其特征在于，

所述上电极的中部区域表面具有涂层，所述涂层的二次电子发射能力强于所述电极板的材料的二次电子发射能力。

15.根据权利要求12所述的反应腔室，其特征在于，

所述上电极的边缘区域的材料和中部区域的材料不同。

16.根据权利要求15任一项所述的反应腔室，其特征在于，

所述上电极包括中心极板及与所述中心极板四周边缘连接的边框，所述边框的材料的二次电子发射能力弱于所述中心极板的材料的二次电子发射能力。

17.根据权利要求12至16任一项所述的反应腔室，其特征在于，

所述上电极的板面上沿垂直于板面方向设有通孔。

18.根据权利要求12所述的反应腔室，其特征在于，

所述等离子体加工设备为等离子体薄膜沉积设备或等离子体刻蚀设备。

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