CN1024814C - 等离子体薄膜淀积过程的控制 - Google Patents

Abstract

在用等离子体将薄膜淀积到衬底表面上的一种工艺中，对等离子体的光发射进行了监测、分析，用其结果自动控制等离子体的性质，以便控制所淀积的薄膜的特性。发射受检测的一个方面是来自同一等离子体物质不同波长带各两个发射线的强度，求出这些强度的比值，将其与已知的预定值进行比较，以便得出特性一致具重复性的薄膜。此外还将此比值与等离子体的平均电子温度联系起来，可以从该比值计算出等离子体的平均电子温度。另外，希望进一步控制时可以测定从另一个等离子体物质的另一发射线强度，并求出它与其中前一个线的强度的比值。

Description

本发明一般涉及在衬底上淀积薄膜时等离子体诊断和工艺过程的控制，特别是那些利用溅射、等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）方法和等离子体聚合工艺过程的控制。

众所周知，淀积薄膜用的等离子体是在一个真空室中将至少一种气体引入某一受控电场区形成的。这类等离子体工艺过程有很多是在磁场环境中在低压下进行的。在多数等离子体过程中起码需要控制室内压力的大小、电场特性、和各气体的组成和流入等离子区的流速比例。这些变量的选择反过来又影响所制得的薄膜性能。这些性能可包括薄膜的硬度、薄膜对衬底的附着力、某些液体或气体对薄膜的渗透能力、透光性和折射率等光学特性和薄膜的一般组成。所制得的薄膜，其性能或一些性能的重要性取决于成品的目的和应用场合。举例说，若耐磨涂层涂敷在玻璃上，则薄膜的硬度、对玻璃的附着力和光学透明度就成了最重要的性能。而在另一个例子中，要求涂层能防止氧的渗透，则薄膜的性能最为重要。

当然，应要求控制等离子体变量，以便使成品具有所需的薄膜性能。迄今，大多数过程控制都是手动的，这种手动的过程控制是根据对所得出的等离子体特性的一些但不全面的测量进行的。这类技术有一种是测量等离子体的电子温度（Te），即测量等离子体中的平均电子能量，具体作法是应用现有的朗缪尔（静电）探针安置在等离子体中，然后手动调节等离子体变量，直到平均电子温度与曾经确定为获取所需的薄膜性能或薄膜在衬底上的淀积速率所需要的平均电子温度相一致为止。但由于朗缪尔探针必须安置在等离子体中，它们很快就 为淀积着的薄膜所覆盖，从而使其读数误差相当大。此外这种平均电子温度测定值只体现出等离子体特性的部分情况，这在某些薄膜工艺中是不够的。

另外，在大规模工业化生产薄膜的淀积工艺中，还有这样的作法，即将等离子体变量调节到操作人员认为对某特定用途是最佳的组合值，然后对样品进行控制和测试。只有当诸等离子体变量根据多次这类测试操作过程反复调整之后用在工业生产时等离子体工艺过程才算调整好。

因此本发明的首要目的是提供一种为提高薄膜性能均匀、重复性好的涂层成品的产量而对等离子体工艺进行的经改进的监测和控制方法。

本发明的另一个目的是提供一种适合工业上连续涂敷诸如汽车和建筑上用的玻璃之类的大型衬底用的等离子体薄膜淀积工艺。

上述和其它一些目的是通过本发明的各种不同方面付诸实施的，概括地说，是采用诸如光谱仪之类的仪器监测等离子体可见光区和接近可见光区中电磁辐射的发射特性，并根据此监测结果控制等离子体工艺过程的诸输入变量。这个监测和控制的目的是使等离子体发射受监测的一些方面保持在经确定认为是与淀积着的薄膜所需的某些性能有关的水平上。这些性能可以是，举例说，薄膜的耐磨性能或透光性能。某些已发现的与薄膜高淀积率有关等体子体发射的方面也可以加以控制。通过自动调整的任何等离子输入变量，这些变量对于将等离子发射特性维持在限定范围内是必要的，以此方式即时控制等离子特性。这样做可以使薄膜涂层均匀，而且工艺过程可以重复，将单独测试淀积情况和其后对薄膜性能进行分析的必要性减少到最小限度。应用这种诊断和控制技术就可以在工业上实现高效涂敷大型衬底的工艺。

根据本发明稍后即将详细谈到的一个特殊方面，多条等离子体发射线中各个强度都经过测定后彼此加以比较。已经发现，等离子体中的平均电子温度（Te）与等离子体单个物质发射出的两条发射谱线强度的比值成正比。鉴于这样一种物质吸收电子碰撞所产生的能量而受激发射，因而发射谱线线条的强度与这个平均能量成正比。通过发射谱线条强度的比较可以估计出那些能量的分布情况并计算出Te。等离子体的平均电子温度影响薄膜的淀积速率和所制得薄膜的性能，因而这是等离体即时控制系统中应具备的一个重要信息数据。不然也可以不计算平均电子温度而代之以直接控制单个物质中发射的强度比值，方法是调节等离子体输入变量直到获得预定的比值为止，该预定值是为使制成的薄膜具有所希望的性能而预先确定的。

通过求出两条发射谱线的另一个比值-一条发射谱线是电子与物质碰撞所必须吸收的高能，另一条发射谱线是电子与物质碰撞能够有的最低吸收能，从此得知所测发射状况-，就可以监测和控制等反映离子区内电子能量（温度）分布的线条倾斜“拖尾”。已经发现，等离子体中的高能电子可能在优化其它变量的过程中无意中受到抑制。因此分开测定高能电子可能的密度可以知道有否发生此情况，而且可以即时校正，使等离子体中的高能电子保持足够的比例。充分供应高能电子对薄膜成品的硬度极为重要。

从下面结合附图对本发明的一些实施例所作的说明即可以了解本发明各个方面的其它一些目的、优点和特点。

图1是应用本发明的各不同方面的等离子体系统的总的示意图。

图2是等离子体淀积室及其有关设备的示意侧视图。

图3是等离子体发射的光谱的一个例子。

图4A、4B和4C是等离子体增强化学汽相淀积工艺过程的一个实例中所采用的气体分子组成键合的示意图。

图5是表示等离子体实体中电子能量分布的一组曲线。

图6是等离子体中单个物质的能级图的一个例子。

图7是根据测出的等离子体光谱控制等离子体工艺过程的输入变量的电子计算机程序流程图。

图8是加到图1和图2的等离子体系统的另外一些元件的示意图。

图9是图8沿9-9剖面线截取的部分剖视图。

图10是图8和9所示各元件工作时某一个情况的示意图。

首先参看图1，这是一个系统的示意图，该系统有一个封闭的反应室11，反应室11中形成有等离子体且安置有一个衬底（例如衬底13）供在其上淀积材料薄膜之用，衬底13可以是任何与真空兼容的材料，例如金属、玻璃、某些塑料和有涂层的衬底。反应室由气体供应系统15供以一种或一种以上气体。电源17产生电场，压力控制系统19则起保持低压的作用。光发射光谱仪21以适当的方式经光导纤维光传输媒质23连接到反应室，将等离子体的可见发射或接近可见发射部分（特别是紫外线波长）耦合到光谱仪上。反应室侧壁上的一个石英窗口24可用以将等离子体发射光耦合到外纤维媒质23上。总的系统控制装置25，包括电子计算机控制部分，以这样的方式连接到系统的各其它元件上，使其可从这些元件上接收状态信息并向它们发送控制指令。

反应室11在图1的系统中可以是任何适当类型的能进行溅射、等离子体增强化学汽淀积（PECVD）、等离子聚合或其它真空淀积中任何一种工艺的反应室。现在根据图2进一步详细说明图1系统的某些元件。图2是PECVD或等离子体聚合工艺的一个实例。反应室11由隔离滑阀31划分为载荷隔藏室27和工艺过程室29。压力控制系统19有一个机械泵33，由阀35连接到载荷隔藏室27。压力控制系统还有扩散泵37 和39和辅助的机械泵41。扩散泵37通过隔离闸阀43和可调挡板45连接到载荷锁定室27。同样，扩散泵39通过隔离闸阀47和可调挡板49连接到工艺过程室29。挡板49在进行涂层工艺过程中由系统控制装置25控制，以便将内压维持在规定值上。

要涂层的薄膜的衬底首先是在阀31关闭的情况下装入载荷隔藏室27中。接着机械泵33以其最大程度将压力降至高真空。然后扩散泵37运转，进一步将压力降低到5×10托左右。PECVD过程或等离子体聚合工艺过程的工作压力一般在46微米汞柱左右，这是通过往反应室中通入工艺气体和采用挡板49调节扩散泵39达到的。在装入和取出衬底的操作过程中，扩散泵39使淀积室29维持在工作压力下。载荷隔藏室27一经降压到本底压强，阀31打开，衬底13移入淀积室29中。

这里采取了使衬底13在形成有等离子体的区域51中来回移动的措施。在所述的系统实例中，衬底13的来回移动是借助于多个辊子53实现的。辊子53最好由铝制成，其外表面附有支撑着衬底对电绝缘的O形环衬垫。诸辊子由发动机源（图中未示出）驱动，按可调节的转速绕其轴线转动，从而使衬底13移动。一般淀积工艺过程是令衬底13穿过等离子区51来回移动多次，使淀积在衬底13顶面的薄膜达到规定的厚度。

室29中安置有由磁结构55和阴极57构成的磁控管。电源17的输出端连接在阴极57与反应室29的金属壳体之间。磁控管在区域51中产生适当电磁组合场，以便当反应室29中通入适当的气体时产生等离子体。衬底13保持电绝缘状态，并直接穿过等离子区51。

在区域51中形成等离子体所需用的气体成分是由导管59引入淀积室29中的。在导管59引入室内的进口处，横贯室29的宽度（进入图2纸面的方向）安置有沿其长度方向上具有多个供气喷咀的管子（图中未示出）。气体在淀积室29中通常是从供应管流到扩散泵39中，如图 2中的虚线所示。已经发现，气体最好是在最靠近泵39的等离子区51处引入。磁控管两侧的一对挡板61和63也有助于将气流限制在等离子区51。

连接到导管59的特定供气系统15当然取决于所混合气体的种类和它们的性质。在图2的实例中采用了两个分开的高压气体源65和67，对其它工艺则需要减少或增加这类气源。在此特殊实例中还配备了待蒸发的液体材料源69。蒸发设备71根据来自系统控制装置25的控制信号给输入导管59提供规定的受控蒸汽流，系统控制装置25则控制着属于设备71一部分的流量计。同样，高压气体65和67分别通过各受控流量计73和75传送。对等离子体因而也是对淀积在衬底13上的所得薄膜的重要控制是通过调节通过进口管59流入淀积室29的各气体成分的比例实施的。各流量计73和75以及设备71中的流量计给系统控制装置25提供与通过其中的气体流量成正比的电信号，而且还响应来自系统控制装置25的信号，以调节和控制流量。

在某些用途中，特别是在大规模工业生产的等离子体涂层系统中，最好采取保证供气系统15供应足量气体的措施。在工业生产用的涂层装置中，总希望淀积尽可能达到最高速率而不致损害所淀积薄膜的质量。为确保淀积速率不受反应室29中存在的气体量的限制，供气系统15和压力控制系统19的容量要足够大。

压力控制系统19的机械泵41和扩散泵39其容量应大得足以使反应器11中有足量的气流通过，从而使反应器11中始终有足量的未反应气体存在。不然也可以增设这类泵来提供这种气流。为提高图2中所示泵的作用，可全部清除扩散泵39进口处的挡板49，从而使扩散泵39毫无阻挡地运行。扩散泵39甚至可以完全不用，而改设更大的机械泵41，作为能降低反应室29中压力的另一个可供选择的方案。

当然，为充分利用压力控制系统19中巨大的抽气能力，供气系统 15的容量应足够大。为使室29中的工作压力达到规定值并确保薄膜淀积工艺过程不致因缺乏反应气体成分的供应而受限制，应使抽气能力与源气体供应之间保持平衡。在反应室11设多个气体入口也可以提高气体流量，而且使新鲜气体在整个室中有良好的分布。

下面即将谈到的系统和步骤，其主要目的是使其适用于根据图1和图2所介绍的系统，供能重复生产出均匀薄膜的可以工业化的连续生产过程之用。下面就根据图3至图7介绍这类系统的一个具体实例。在此实例中，液体69为有机硅，加压气体65和67分别为氧和氦。这里选用六甲基二硅氧烷（HMDSO）作为特定有机硅的一个例子，其结构如图4A所示。此PECVD过程实例的产品是个硬度极大、耐磨、透明和能很好粘附到衬底上的薄膜。这种特殊薄膜的有效应用包括汽车或建筑玻璃衬底的涂层，这种涂层可以直接涂敷到玻璃上，也可以涂敷到一个或一个以上薄膜表面上，例如溅射淀积低发射率涂层。大家都知道，这类衬底体积相当大，因此所使用的工艺应能在各衬底的整个表面形成性能一致的薄膜。但这里就这类实例所要介绍的诊断和控制方法在许多其它特殊等离子体工艺和起始原料为气态的薄膜淀积工艺中得到广泛应用。

图3是用图1的光谱仪21从工艺过程室29中由如此的混合气体形成的等离子体获得的发射光谱的一个实例。测定三条强发射谱线的强度，用它诊断等离子体的性能，然后对使等离子体维持在规定的状态所需要的气体组分的有关部分进行任意调节。这些谱线是波长大约为657.1毫微米的氢α线81、波长大约为486.1毫微米的氢β线83和波长大约为501.8亳微米的氦发射线85，由于这三个发射峰相对于光谱周围部分的强度是极强的，而且带宽极窄，因而光谱仪21只需要具有0.5毫微米的分辨能力即可，这正好是在市售光谱仪的分辨率范围之内。

为消除未知变量和不希望有的光信号噪声的影响，用这些强度的比值来诊断等离子体和控制工艺过程。在此实例中，氢α线81的强度对氦线85强度的比值用以控制硅源材料蒸汽通过流量计71的流速。此材料是其发射系在监测中的氢源。当该比值超过某一参考值时，电子计算机控制系统25促使设备71中的流量计降低硅材料蒸汽的流速，同时并不影响其它气体的流量。此外，若该比值降到参考值以下，则流量计71打开，使硅源材料蒸汽的流量增加。

所采用的第二个比值是等离子体中单原子或分子物质的两条发射谱线强度的比值。在上特殊实例中，采用了氢α线81和氢β线83的强度。如下面即将谈到的那样，此比值与等离子体的平均电子能量（平均电子温度Te）成正比。若此比值或根据它计算出来的Te超过某一参考值，则电子计算机控制装置25促使流量计73增加氧的流量，并且不影响硅源蒸汽或氦的流速。若强度比或根据它计算出来的Te降到某一参考值以下，则促使氧的流速下降。一般认为，提高氧的比例会促使平均电子能量因氧与该气体混合物中主要电子源的氢原子结合而降低。

现在研究一下本实例的等离子体的性质并说明发射谱线强度的比值与等离子体性质的关系。图4A是硅源蒸汽分子的示意图。我们希望将Si-O-Si部分淀积到衬底上。从图4A中可以看到，硅与氧原子之间的结合能大大高于分子中其它键的结合能。该结合强度为8.31电子伏（ev）。硅原子与甲基基团CH₃之间的结合能为4.53电子伏。图4B显示甲基CH₃所具有的碳/氢结合能为3.51电子伏的甲基基团。因此在具有高能电子与硅源分子碰撞分布的等离子体中，电子与分子碰撞引起甲基基团或氢从剩余原料分子断开而不影响Si-O-Si部分，这种可能性很大。一般认为，引入等离子体中的氧与氢及碳结合形成各种气体和蒸汽混合物，通过扩散泵39排出淀积室29外。这是等离子气体氧组 分的另一个好处。在此实例中，希望能将任何碳减少到最低程度或完全从淀积薄膜上清除掉。我们的目标是制造一种无机薄膜。

等离子体中电子群的麦克斯韦理论分布曲线如图5所示。实线曲线87即为该分布曲线的一条。曲线87所表示的电子群其平均能量为Te。当电子群的能量增高时，能量分布曲线移位，如虚线89所示，但保持其本形状。同样，若电子群的总能量减少，曲线移到下方位置，如另一曲线91所示。

从图5可以看出，电子能量分布曲线的恰当位置是在其能量足以使Si-C键断开的电子的密度要比其能量大得足以使Si-O键产生不希望有的断裂的电子的密度大得多时发生的。从图5曲线的形状可以看出确是发生有这种情况，应该记住的是，纵坐标表示的电子密度是以对数分度的。已经确实发现，实线87所表示分布曲线在所介绍的实例中确实接近最佳状态，希望Te比1.0稍微大一点。

从图5还可以看到，图中也表示出了根据图3论述的三条发射谱线。氢α线93所产生的激发能位于大约12电子伏的位置，氢β线95所产生的激发能位于大约12.7电子伏的位置，氦线97所产生的激发能则位于大约23电子伏的位置。这些能量相当于氢原子或氦原子与自由电子的碰撞所必须吸收的能量，则在原子从激发态下降释放该能量则发出所监测的波长。

图6是例示这种情况氢原子的能级图。氢原子与大于12.07电子伏的电子碰撞时会使自身处于激发态，其电子从n＝1的基态量子能级跃迁到n＝3的较高态量子能级。该受激电子掉到另一个n＝2的较低态量子能级时发射出氢的α波长光子。同样，受激的氢原子与能量大于12.73电子伏的电子碰撞之后从其受激的n＝4量子能级降回到n＝2的量子能级时发射出氢的β波长光子。因此这些氢发射谱线的强度与等离子体中具有那些能级的电子的密度有关。于是由这些氢发射线的强 度比值可以求出这些密度的比值。这样实际上就可以把麦克斯韦电子密度曲线与该两点有效地相吻合，由此可求出平均的电子温度Te。

但图5电子能量曲线的高能“拖尾”最好是分开测定。氢线强度比值适宜确定其余的曲线，因为它所代表的电子密度系处在能量分布曲线主要部分的能级上。但在高能级的密度分布同时会降到极低的能级。一般认为这是由于能量耦合不起作用引起的。因此在高能级时优选分开进行测量。在本实例中，选用了氦发射线，且在以氢线（最好是氢α线）作为基准的情况下求出比值。此规定比值是在进行淀积之前确定的，同时将测出的比值与标准比值比较，且需要进行的任何调节都是即时进行的。

通常最好是用图5曲线的“拖尾”所表示的一定量高能电子直接撞击衬底，因为众所周知这样做可以通过提高薄膜的交联度来提高所得淀积和薄膜的硬度。还可减少薄膜中的应力，从而提高薄膜对衬底的附着能力。如果氢α线与氦线在等离子发射的强度比值低，则预料可以取得有利效果。

鉴于氦是惰性气体，因此用氦发射谱线形成此第二比值也有好处。这种气体不会与等离子体中的其它气体组分结合。任何惰性气体都具有这个优点，而且可以在曲线的“拖尾”部分提供发射谱线。在本实例中采用惰性气体主要是为了以建立电场来引发等离子体时便于电子源的引发。而且它还可作为诊断之用。

根据所测出的强度和比值一经确定需要对正在进行中的工艺过程改变图5的电子能量分布曲线，就可按一系列方式中的任何方式进行。提高电源17的激发频率必然会使电子的平均能量至少提高到电子再也跟不上电场急速变化的地步。电源17的功率可能影响电子能量的分布，取决于淀积室确切的几何形状，功率增加，电子能量就增加。另一个可调整的变量是气体总流量，其作用是改变分子在等离子体中 的停留时间并且提高碰撞机会。室29中的压力在一定范围内也影响着分子能量。但本特殊实例中所使用的方法保持这些变量不变而改变流入反应室29中各气体的流量比值。

根据α和β氢发射谱线强度的比值确定平均电子温度Te极为重要。其他一些人认为根据等离子体的发射波谱确定等离子体的电子温度非常困难，要不就是不可能。电子温度与某一特定发射线的强度之间具有数学关系，这是很久以前大家都知道的。但这些数学关系还包含着另外一些未知数，例如等离子体中的分子和电子密度。未知数如此之多，因而不可能直接应用这些方程从某一发射谱线的强度精确求出电子温度。但如果将这个来自单个物质的两条发射谱线的强度用比值表示，就象氢α和β线比值的情况那样，则这些变量在数学运算中就可以消掉，再也不会影响结果。这种计算方法假设等离子体是“冷的”，即与平均电子能量相比时平均离子能量非常低的等离子体。

参看图7，这是一个起控制作用的电子计算机程序的流程图，该程序监测着三条发射谱线的强度，并调节各气体组分的流量，以便将电子温度分布保持在可容许的范围内。图7的过程最好作为若干功能模块加以介绍。第一模块101要求有所需等离子体参数和实际存在的等离子体参数两者的有关信息。最好是输入某一所需平均电子温度Te，然后计算等离子体中存在的内容，如图7中所示，因为这样使程序操作员可以处理已知量。但由于Te与氢α和氢β发射谱线的比值成正比，因而该比值本身可在图7的流程图中出现Te时加以取代。这就是工艺将调整到（相应）的谱线强度比值。

一旦实际量与规定量都在系统中，处理算法的下一个模块105就检查氢α和氦发射线之间的强度比值。第一步骤107将实际比值与所需比值进行比较。若它们是规定的范围内，则通过转移到下一个模块117的步骤109而完全取消处理元件105。但若所需比值与实际比值 不相等，则步骤111促使流量计71接受调整，以便把硅源蒸汽的流向改变到使受比较的比值紧移在一起的方向。

模块105的步骤113核实计算出来的电压是否在流量计71量程的范围之内。若然，则处理过程进入步骤109。若不然，则重复模块105的过程循环。若第二次计算的结果也是电压不在流量计71的量程范围之内，则停止进行处理，并给操作人员显示误差信息，如在115所示那样。

一经调节硅源蒸汽的流量，处理的下一个模块117就根据所需与实际Te的比较来调节流到等离子区的氧气量。若这些量在容许范围内相等，则处理循环返回到开始的模块101，并再次履行数据采集和比较功能，然后进行其余的程序。这个对等离子体特性经常进行的持续的监测可以达到对等离子进行实时控制的目的，从而得出均匀的薄膜，而且各衬底的薄膜性能具有良好重复性。

程序模块117的工作与105极为相似。当由步骤119确定的为供氧流量计新计算出来的电压值不在该流量计量程的范围之内时，如果出现一些误差，则再次进行计算。若电压第二次不在量程范围之内，则停止进行处理并显示出误差信息。可是假设新的氧流量计阀控制电压处在其量程范围内，则处理过程返回到开始的模块101，并重复这样做，直至处理模块101、105和117总共进行四次为止。第四次之后，若最后一个计算循环导致再次进行氧流量计的调节，则进行下一个处理模块121。经过对硅源和氧流量的四次调整之后，可以得出结论，必须进行其它一些调整。当然，在进入下一个计算模块121之前，允许进行处理循环的精确次数是会变化的。

模块121也对Te进行检查，但在此情况下是调节流到等离子室的氦气流量。惰性气体的供应量增加，电子就增加，减少则电子就减少。和在模块105和117一样，在模块121的步骤123中也对计算出 来的氦流量计电压进行检查。氦流量一经调节好，处理过程就再次返回到开始的模块101，再次开始循环过程。

当然这里所介绍的过程在细节上是有很多方案的，这些方案可加以改变不致损害如此实施基本发射谱线监测方法所具有的优点。同样的方法可以用于其它气体，甚至用于薄膜溅射系统的部分等离子体。在靶极为钛的溅射系统中，举例说，测出的钛发射线强度为399.9毫微米，氮化钛发射线的强度为301.3毫微米。这些线的强度比值的使用方式也和上述氢α对氦的比值一样。可以采用氩的两条谱线强度来计算此溅射实例中的平均电子温度，这相当于上述PECVD实例的氢α线对氢β线强度的比值。

电源17的等离子体输入变量以及室29中的压力并不作为自动调节量包括在图7的算法中。已经发现，在至少一大批处理过程中保持那些量不变是可以令人满意的。这最好是通过将控制系统25调到所需的功率和压力加以实现。控制系统25是赋有监测那些量和必要时调节它们以使给定的水平保持不变的标准能力。

等离子体51的光谱（图3举了该光谱的一个例子）视其在所观察的等离子体中的位置而定。也就是说，三个发射峰81、83和85的强度，无论绝对来说或是相对来说，都是不同的，取决于光导纤维23的端部相对于反应室11的石英窗口（图1）的位置。只要该位置保持不变，横贯等离子体51的强度分布不变，上述的工艺过程控制方法使它达到最佳化。但若，举例说，想在不同的设备上使用该同样的工艺过程控制，则可能得在一个具有不同发射光谱的位置观测等离子体。因此经对某一等离子体发射光谱最佳化了的控制系统，要与有关相对峰值强度与控制系统原来对其进行最佳化等离子体中的不同的光谱一起工作时，可能需要重新校准。此外，即使在同一个设备中，横贯等离子体的光谱也会因正在涂敷中的衬底中所发生的变化而变化，衬底中 发生的变化主要是指厚度的变化、气体和气体流量的任何变化、抽气率的变化、电能在传输到系统的过程中某些有关的变化以及类似情况等。

因此，为了进一步使等离子体淀积工艺过程的控制达到最佳化，根据图8-10所例示方法是保持使光导纤维媒体23的一端，无论发生任何这类变化，始终收集着来自等离子体中同一位置的光。作为优选的位置（因为对任何等离子体来说，这种位置较容易定位），光导纤维23系安置得使等离子体的观测位置是发射入有关窄带宽的发射强度比值为最大的位置。在所述的实例中，该比值最好为氢α线的强度除以氦发射谱线的强度。

参看图8和图9，下面将谈谈使光导纤维光缆23相对于反应室的透明窗口24移动以便使该比值保持最大值的作用原理。光导纤维光缆23最好是终止在一条长的小直径筒形管301中。光缆最好含有几十根独立的光导纤维。管301的作用是限制接收来自光导纤维端的光的天然锥角，使其接收从等离子体51大体上与管301靠近石英窗口24一端的孔口同大小的部位射出的大体上平行的光线。管301的内侧系制成高度反光。

导光管301附在支撑件303上，支撑件303相对于反应室11安装，使其可以在X方向和Y方向上移动。这个运动由适当控制的电动机提供。举例说，可以分别采用专用的X方向和Y方向传动电动机305和307，通过各自的机械连接309和311驱动支撑件303，使其沿该两方向运动。电动机305和307由位置控制电路313控制，位置控制电路313则由适当的电路315连接到系统电子计算机控制装置25（图1）上。

于是就不难控制支撑件303使光导纤维端管301移到一个观测等离子体51的位置上，该位置的氢α线强度对氦线强度的比值为最大。 这个调节可以频繁进行，例如在每次将衬底放入反应室时进行，或更实际的作法是定期进行，或当待涂敷的衬底性质变化较大时进行。

有许多确定所需位置的方法可按图8和图9的机理交替实施。其中一个方法是横贯窗口24按一些光栅形式扫描光纤光缆管301，同时由电子计算机控制装置25根据在各光栅扫描线的一些位置获得的信息计算所希望的比值。然后确定支撑件303比值最大的位置，接着支撑件返回到该位置以便监测等离子体。

确定最大强度比值位置的另一种方法如图10所示。第一步是将管301安置在四个分开相隔一段距离的位置317、319、321和323上。计算各该位置的强度比值并确定最大值。假设在本实例中最大值是在位置321获得的，于是管301就可以安置在围绕位置321间隔一段距离的其它四个位上，例如位置325、327、329和331。记下这四个位置的各最大强度比值，再记下围绕该位置测试的另外四个位置，如此类推。

当然作为代替根据图8-10所叙述的机理的另一种可供选择的方法，可以用手按一些方式调节纤维光缆管301，同时操作员观看系统的电子计算机在计算的所希望的强度比值。

虽然上面是就本发明的一些最佳实施例说明本发明的各个方面，但不言而喻，本发明是受本说明书所附权利要求全部范围的保护的。

Claims (19)

1、在一个小室中的一个衬底上淀积薄膜材料的工艺过程中，用多个可控制的工艺过程参数来形成等离子体，所述等离子体包含多个原子和/或分子物质，各该物质具有波长在可见或接近可见波长范围的可见电磁辐射，其性质随所述可控工艺过程参数的变化而变化，控制该工艺过程的一种方法，其特征包括下列步骤：

用分光计检测等离子体中单种物质的光谱辐射线发射的两个特性；

用电子的方法比较所述两个特性；和

促使一个或一个以上所述工艺过程参数自动变化，以便调节所检测的单种物质的两个辐射线发射特性，使其具有预定的所需关系。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述检测步骤包括检测在两个不同带宽区域中的单种物质的发射强度作为所述两个特性。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述比较步骤包括用电子的方法求出两宽发射强度的比值，且所述自动调节步骤包括将该比值与所需量进行比较。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于，该方法包括另外一个检测等离子体中另一种物质的确定发射带宽的步骤。

5、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述辐射线发射检测步骤包括相对于等离子体在实际位置上检测所述发射，其中所述发射的两特定窄带宽内的强度比值实质上达到最大值。

6、根据权利要求3的方法，其特征在于它还包括使一或多个所述参数值自动改变，以便调整所计算的比值，减少计算比值与所需比值之间的差值。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于，该方法还包括：

检测从另一物质的可见或接近可见的电磁辐射线发射的窄带宽线的强度，该电磁辐射线发射是由比所述单个物质的检测线的能级高得多的能级产生的;

用电子方法计算发射线强度的第二个比值，所述第二个比值在来自所述单个物质两发射线的一个发射线的强度与所述另一物质的发射线的强度之间;

用电子方法将第二个计算出来的比值与淀积过程中准备保持的第二个所需比值进行比较;和

促使一个或一个以上所述过程参数自动变化，以便调节所述第二个计算出来的比值，从而减小它与第二所需比值之间的任何差别。

8、根据权利要求7的方法，其特征在于，所述另一物质由惰性气体组成。

9、根据权利要求6的方法，其特征在于，所述调节步骤包括自动改变流入小室中的至少其中一种所述气体的流速的步骤。

10、根据权利要求7的方法，其特征在于，所述第二比值调节步骤包括自动改变流入所述小室中的至少其中一种气体的流速的步骤。

11、根据权利要求6的方法，其特征在于，所述比较步骤包括从强度比值计算等离子体的平均电子温度的步骤。

12、根据权利要求1的方法，其特征在于，它包括下列步骤：

检测来自等离子体的单种物质的可见或接近可见电磁辐射线发射的各该两个窄带宽线的第一和第二强度等级;

检测来自另一种物质的可见或接近可见电磁辐射线发射的窄带宽线的第三强度等级，该电磁辐射线发射是由比所述单种物质的所检测出的线的能级高得多的能级产生的;

用电子方法求出所述第一和第二强度等级的第一比值;

用电子方法求出所述第一和第三强度等级的第二比值;

以这样的方式调节流入所述小室中的第一气体的流速，使得所述第一比值保持在第一预定等级上;和

以这样的方式调节流入所述小室中的第二气体的流速，使得所述第二比值保持在第二预定等级上。

13、根据权利要求12的方法，其中所述第二气体的特征在于具有所述单种物质以这样的方式包含在其中的一些分子，使得它在等离子体中从分子中分成几部分，所述另一种物质的特征在于其惰性，而所述第一气体的特征在于改变等离子体中电子的平均能量。

14、根据权利要求13的方法，其特征在于，所述第一气体包括氧气，而所述第二气体包括有机硅蒸汽。

15、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述第一和第二强度等级为氢的α发射和氢的β发射，而所述第三强度等级为氦发射。

16、根据权利要求15的方法，其特征在于，所述第二气体包括六甲基二硅氧烷。

17、根据权利要求12的方法，其特征在于，所述第二气体包括有机硅蒸气。

18、根据权利要求12的方法，其特征在于，所述强度等级检测步骤是从所述第二强度比值实质上达最大值的等离子区检测等离子体发射强度。

19、为实施权利要求1的方法的专用设备，其特征在于它包括：

与等离子体光联系的分光计装置，用以测定等离子体的光谱发射的至少两个波长带的强度的比值;

所述比值的接收装置，用以将所述比值与某预定的所需值进行比较;和

响应所述比较装置的装置，用以调节至少其中一个所述可控工艺过程参数，以便保持所述比值基本上等于所述预定的所需值。

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