CN102693893B - 一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法，属于高频放电等离子体技术领域。在等离子体放电室中，一对平行电极，采用高频电源馈入到电极上，电磁场频率范围为13.56MHz～160MHz，充入放电气体，形成等离子体，馈入的高频电磁场的频率是经过自动调谐控制的，在等离子体放电过程中其频率始终持续不断地循环变化着，频率变化的范围是包含在13.56MHz～160MHz之内的一部分，或是13.56MHz～160MHz的整个范围，使等离子体放电空间中平行于电极的面上等离子体密度相对较高的位置发生循环变化。在一个以上的频率变化循环周期的时间段上，在平行电极间的平均等离子体密度是均匀的。

Description

一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法
技术领域
本发明属于高频放电等离子体技术领域，涉及一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法，应用于VHF(甚高频)放电等离子体气相沉积和表面处理领域。
背景技术
射频(RF)电容耦合等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术被广泛应用于工业大规模生产大面积的硅薄膜光伏太阳能电池。为了提高太阳能电池的转换效率，多采用在非晶硅中分布纳米尺度晶粒的纳晶硅薄膜。而RF-PECVD沉积纳晶硅的效率低、结晶度差，人们发展了甚高频电容耦合等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)方法。VHF-PECVD方法有利于提高纳晶硅薄膜的沉积速度和质量。采用VHF激发等离子体，能够提高等离子密度、减小基片表面的鞘层厚度和电压，进而降低到达基片的离子能量，增大输送到衬底的离子流量，达到提高沉积速度和薄膜晶化率的双重效果。因而，VHF-PECVD在工业上具有极大的技术开发潜质。
在VHF电磁场激发的等离子体中，存在一个固有问题：电磁场激发频率的提高会导致均匀性变差，特别是当激发频率所对应真空波长的1/4与电极的尺度接近时，在电容藕合电极反应室中的驻波效应产生的非均匀性将很严重。因此，电势驻波效应目前被认为是VHF技术在大面积PECVD中应用产生的最主要非均匀源。想要获得均匀的等离子体来实现均匀沉积，通常是对电极几何形状进行重新设计以改善电场分布。此外，采用多点馈入、相位控制、多功率源叠加、对功率源脉冲调制等方式也都可在一定程度上改善等离子体的均匀性问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有高频放电，特别是VHF放电等离子体均匀性差的问题，提供一种通过持续不断地改变高频电磁场频率(即调频)的方式提高等离子体均匀性的方法。本发明区别于其它方法，利用不断改变高频放电电磁场的频率的方式来提高等离子体的均匀性。
为实现上述目的，本发明采用的原理是，根据波的物理原理，驻波是由振幅、频率、传播速度都相同的两列相干波沿相反方向传播时叠加而形成的一种特殊现象，其发射与反射距离为半波长的整数倍时产生驻波，波腹间距为半波长，波腹与波节间距为四分之一波长。因此，如果将VHF频率持续不断地循环改变，当频率改变的速度适当时，可使得相反方向传播的两列波的波长始终不同，就可以抑制或消除驻波的形成；另一方面，不同的高频电磁场频率范围所产生的等离子体密度分布也有所变化，在13.56MHz的频率附近范围(RF频段)，靠电极边缘附近的等离子体密度相对较高；当频率在60MHz附近时(VHF频段)，其电极中心附近的等离子体密度相对较高；而当VHF频率在100MHz附近或更高时，又变成电极边缘附近的等离子体密度相对较高。所以，如果采用本发明方案，持续不断地循环改变电磁场频率，那么即使在频率改变的速度不足以消除VHF驻波的情况下，也会因为等离子体密度较高的位置的不断转换，使得等离子体密度在一段相对于频率变化循环周期更长的期间内的各处平均密度实现均匀化。
一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法，在等离子体放电室中，一对平行电极，平行电极间的空间为等离子体放电空间，采用高频电源馈入到电极上，在平行电极之间产生高频电磁场，电磁场频率范围为13.56MHz～160MHz，当平行电极之间充入放电气体时，在高频电磁场作用下发生电离，形成等离子体，其特征在于，所馈入的高频电磁场的频率是经过自动调谐控制的，并且在等离子体放电过程中其频率始终持续不断地循环变化着，所述的自动调谐控制方式包括且不限于通过高频电源内部设定的调谐信号以及电源外部接入的调谐信号进行自动控制。所述频率变化的范围可以是包含在13.56MHz～160MHz之内的一部分，也可以是13.56MHz～160MHz的整个范围，使等离子体放电空间中平行于电极的面上等离子体密度相对较高的位置发生循环变化。所述频率循环变化的模式可以是恒定周期的，也可以是非恒定周期的。所述频率循环变化周期的范围是包含于10纳秒～24小时的范围。
所述电极形状包括且不仅限于平面电极、曲面电极以及阶梯式电极。所述平行电极可以是其中之一接地，也可以是这对电极都不接地，即两者都可以对地处于悬浮状态。高频电源可以是单功率源的，也可以是多功率源叠加的。所述功率源可以是脉冲调制的，也可以是非脉冲的。所述高频电源可以是经由单点馈入，也可以是经由多点馈入到电极上。
按照本发明的方法，在相比电磁场频率循环周期更长的时间内，平行电极间某面上的平均等离子体密度可以获得均匀化，即在一个以上的频率变化循环周期的时间段上，在平行电极间的平均等离子体密度是均匀的。
附图说明
图1是本发明的原理示意图，其中电极之一接地；
图2是本发明的原理示意图，其中两个电极都不接地；
图中：1.等离子体放电室；2.平行电极；3.高频电源。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
在等离子体放电室1中，装有一对平行电极2，其中下电极接地(见附图1)。向等离子体放电室1内充入放电气体Ar气，然后由高频电源3在两平行电极2之间施加高频电磁场并产生等离子体放电。所施加的高频电磁场由高频电源内部设定的调谐信号对频率进行调谐，使输出频率在13.56MHz～60MHz之间循环变化，频率循环变化的周期为24小时。利用该参数放电产生的等离子体对硅表面进行刻蚀处理，将硅片放置于下电极上，处理时间为72小时。对处理后的样品表面进行测量，其不均匀度为0.5％，均匀性良好。
实施例2
在等离子体放电室1中，装有一对平行电极2，其中两电极都不接地(见附图2)。向等离子体放电室1内充入放电气体硅烷气体，然后由高频电源3在两平行电极2之间施加高频电磁场并产生等离子体放电。所施加的高频电磁场由高频电源内部设定的调谐信号对频率进行调谐，使输出频率在60MHz～160MHz之间循环变化，频率循环变化的周期为10纳秒。利用该参数使硅烷放电，形成等离子体并分解产生硅的沉积效应。将基片放置于两电极间，沉积时间为0.5小时。对沉积后的样品表面的硅薄膜进行膜厚测量，其不均匀度为0.2％，均匀性良好。
实施例3
在等离子体放电室1中，装有一对平行电极2，其中下电极接地(见附图1)。向等离子体放电室1内充入放电气体氧气，然后由高频电源3在两平行电极2之间施加高频电磁场并产生等离子体放电。所施加的高频电磁场由高频电源内部设定的调谐信号对频率进行调谐，使输出频率在13.56MHz～160MHz之间循环变化，频率循环变化的周期为0.5小时。利用该参数放电产生的等离子体对有机表面进行等离子体化学刻蚀处理。将涂有有机光刻胶层的基片放置于下电极上，处理时间为0.5小时。对刻蚀后的样品表面进行测量，其不均匀度为1％，均匀性良好。

Claims (2)

1.一种利用调频的方式改善高频放电等离子体均匀性的方法，在等离子体放电室中，一对平行电极，平行电极间的空间为等离子体放电空间，采用高频电源馈入到电极上，在平行电极之间产生高频电磁场，电磁场频率范围为13.56MHz～160MHz，当平行电极之间充入放电气体时，在高频电磁场作用下发生电离，形成等离子体，其特征在于，所馈入的高频电磁场的频率是经过自动调谐控制的，并且在等离子体放电过程中其频率始终持续不断地循环变化着，所述频率变化的范围是包含在13.56MHz～160MHz之内的一部分，或者是13.56MHz～160MHz的整个范围,使等离子体放电空间内等离子体密度相对较高的位置发生循环变化；
所述频率循环变化的模式为恒定周期的，频率循环变化周期范围是包含于10纳秒～24小时的范围。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的自动调谐控制方式为通过高频电源内部设定的调谐信号或电源外部接入的调谐信号进行自动控制。
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