CN103037989A - 使用分子氟的原位激活的沉积腔室清洁 - Google Patents

使用分子氟的原位激活的沉积腔室清洁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用分子氟作为清洁物质清洁反应腔室的方法和设备。使用腔室射频电源使得所述分子氟在反应腔室中原位解离。一种示例性的清洁化学气相沉积腔室的方法可包括：将分子氟引入所述腔室中；在所述腔室中至少部分原位解离所述分子氟，以形成氟自由基；使所述氟自由基和分子氟与所述腔室中不希望有的沉积物反应；以及抽出所述腔室中的气体。

Description

使用分子氟的原位激活的沉积腔室清洁
技术领域
本发明涉及清洁沉积腔室的新方法及其设备。
背景技术
无定形薄膜和微晶薄膜用于制造光伏器件，并通常使用化学气相沉积技术来沉积，包括等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法。这些方法从气态物质出发，通过以下步骤在基材的表面上沉积固态薄膜：将前体反应气体注入反应器腔室，然后利用由射频（RF）电源形成的等离子体激活该气体。使用化学沉积法制造器件包括沉积硅、氧化硅、氮化硅、金属氧化物和其它材料的薄膜。这些沉积过程在腔室中留下沉积物，必须定期清洁该沉积物。
已知清洁反应器腔室的方法包括含氟清洁气体的原位激活，所述含氟清洁气体包括例如NF3、SF6、C2F6或其它氟碳分子。将清洁气体引入腔室中，激发等离子体以形成氟离子和自由基，氟离子和自由基与位于腔室的侧壁和部件上的硅沉积物发生反应。然而，解离这些含氟分子所需的能量很高，因此腔室中需要能源，例如RF电源。这增加了等离子体引发的对腔室和设备造成损坏而导致部件寿命缩短的风险。另外，所述含氟气体极有可能导致全球变暖，当该气体不完全解离时，将对环境造成不利影响。
另一种腔室清洁方法使用远程等离子体源以激活含氟清洁气体。在该方法中，清洁气体首先通过位于腔室外部的等离子体源，在该等离子体源中清洁气体发生解离，自由基进入腔室以进行清洁。远程等离子体激活比原位激活可实现更高的气体解离，因此可改进清洁效率。然而，使用远程等离子体源需要额外的设备，这会增加相当大的操作成本。另外，气流通常受到远程等离子体源参数的限制，从而增加了清洁时间和成本。另外，远程等离子体激活通常需要使用氩气以启动等离子体，因为氩气不解离，并且其容易被激发。这种氩气的使用减少了清洁气体的气流，因此增加了清洁时间成本。如上所述，所述含氟清洁气体极有可能导致全球变暖，当该气体不完全解离时，将对环境造成不利影响。
其它腔室清洁方法包括高温清洁或高压清洁。这些方法需要的温度或压力远高于清洁过程中所用的温度。因此，在清洁之前必须调节腔室的温度或压力，这导致了清洁循环时间的增加和操作成本的增长。另外，增压清洁可能需要额外的泵系统，从而增加了设备和操作成本。另外，高压清洁可导致腔室中的对流现象，这增加了部件变形的风险。
本领域仍然需要改进清洁反应腔室的设备和方法。
发明内容
本发明提供用于清洁反应腔室的改进的方法和设备，其克服了现有技术方法和设备的缺点。具体而言，本发明使用分子氟清洁所述腔室。
附图简要说明
图1是显示在没有压力调节的情况下使用分子氟的原位激活清洁过程中的压力曲线的图。
图2是显示对于反应腔室的原位激活清洁，射频功率的影响的图。
图3是显示氟流速对反应腔室的清洁时间的影响的图。
图4是显示本发明的清洁效率的图。
图5是显示本发明的清洁效率的质谱结果。
图6是比较远程等离子体激活和原位激活的腔室中的压力稳定化的图。
发明详述
本发明使用分子氟进行反应腔室清洁。所述反应腔室用于沉积各种薄层，包括硅（无定形和微晶）。对于大部分沉积，为了解离前体材料，并在基材的表面上沉积需要的分子，需要进行等离子体激活（原位或远程）。在沉积过程中，材料也累积在反应腔室的壁和内部设备表面上。这些沉积物必须通过使用清洁气体进行清洁而定期除去。
根据本发明，已显示由分子氟的解离而形成的氟自由基作为清洁气体非常有效。分子氟所需的解离能较低，因此可使用反应腔室内已存在的射频电源（即用于解离沉积前体的射频电源）进行实施。不需要远程等离子体激活，因此除了反应腔室内已有的设备外，不需要额外的设备。另外，本发明可在较低的压力和射频能量下实施。另外，当使用分子氟时，不需要为了等离子体激发的目的而添加氧气或氩气。
图1是显示在没有压力调节的情况下使用分子氟的原位激活清洁过程中的压力曲线的图。如图所示，当分子氟已被引入腔室中时，压力稳定在某一压力范围，其常被称作较低的平台。在该阶段中（称作主要清洁），整个腔室的硅沉积物被自由基和分子形式的氟蚀刻。当硅已从腔室的较大部件（例如莲蓬头）上除去后，较大量的氟残留在腔室中，但没有剩余物质与之反应。这导致压力急剧增加至第二平台，在这一过程中氟继续与腔室的较远端区域中残留的硅反应。当最后的残余硅已被除去，不再有与氟的反应发生，此时压力稳定。这表示清洁过程的结束，然后用惰性气体（例如氩气）吹扫气体管线。
根据本发明，通过在腔室中使用分子氟并原位激活来进行腔室清洁可实现许多益处。例如，F2的解离能低于NF3或SF6，这使得在使用较高流速的情况下仍能实现良好的解离速率和快速的清洁时间。当使用NF3或SF6时，需要远程等离子体源，因此氟流入腔室的流速受到远程等离子体源最大功率的限制。使用分子氟并进行原位激活不需要远程等离子体源，因此可用所需的较高流速。由于不需要大型、强功率、高成本的远程等离子体源，这使得本发明方法更经济。
图2是显示对于反应腔室的原位激活清洁，射频功率的影响的图。具体而言，图2比较了使用利用本发明腔室的射频电源解离的分子氟的腔室清洁结果与使用远程等离子体辅助分子氟清洁的腔室清洁结果，所有清洁均在相同的氟气流下进行。
如图2所示，在为腔室提供相同量的氟的情况下，本发明的原位激活提供了更快的总清洁时间。所有清洁图的压力急剧增加表示硅已从腔室的大部分（例如，莲蓬头）除去。尽管远程等离子体激活的该阶段进行得稍快，但原位法的总清洁时间较快。另外如图2所示，当在3000W下使用反应器腔室射频电源时，不能实现分子氟的完全解离，这是由于对于相同的气体流速，相比于使用远程等离子体源的情况，前者只能达到较低的压力。在5000W下使用反应器腔室射频电源实现较好的分子氟的解离，但不能提供较快的清洁时间。然而，如上所述，在任一种情况中，使用分子氟并进行本发明的原位激活实现了较快的总清洁时间。
使用反应器腔室射频源实现较快的总清洁时间至少部分归因于不需要如远程等离子体源那样需要氩气激发。另外，由于清洁压力较低，等离子体在反应腔室内扩展至更高的程度，这使得氟离子在整个腔室内更好地分布，因此总清洁更快。
通过增加分子氟流速可实现甚至更快的清洁时间。图3显示了氟流速对清洁时间的影响。具体而言，在保持较低的射频功率（5000W或更低）的同时，通过增加氟流速实现了良好的结果。通过提高氟进入腔室的流速，腔室中存在更大量的氟用于清洁目的，因此清洁速率可提高，清洁时间缩短。流速为9标准升/分钟、18标准升/分钟和24.5标准升/分钟的结果如图3中所述，其中，可清楚看出较高的流速产生较快的清洁时间。另外，如图3所示，提高射频激活电源可产生更快的清洁时间，至少对于流速为18标准升/分钟的情况而言是如此。能够在较高流速下运行同时保持低功率是与使用含氟化合物相比使用分子氟的一个明确优点。具体而言，由于其较高的解离能，通常不可能增加含氟化合物（例如NF3或SF6）的流速。由于分子氟的解离能较低，使得较高的流速成为可能，并因此改进清洁循环时间。
根据本发明使用分子氟原位激活的清洁效率如图4和图5所示。具体而言，图4显示当根据本发明进行原位激活，随后进行标准远程等离子体源激活清洁时的腔室压力的曲线图。如图4所示，原位清洁循环显示具有较低平台和第二平台的典型压力图。一旦该清洁完成，标准远程等离子体源清洁循环开始，并且如图4所示，压力立即升高至所述第二平台并稳定。这表明在原位激活清洁过程中硅已从腔室上被有效除去。
图5再次使用质谱结果显示本发明的效率。进行相同的清洁顺序，即原位清洁后进行远程等离子体源清洁。如图5所示，在远程等离子体源清洁过程中，没有检测出氟化硅化合物的痕迹，表明原位激活清洁将硅从腔室中有效地除去。
根据本发明使用分子氟至少部分是有益的，因为其是极高反应活性的材料。因此，分子氟甚至在没有解离的情况下将与硅反应。换言之，使用分子氟具有解离的氟和分子氟都参与清洁过程的益处。另外，由于分子氟易于扩展至腔室的远程部件，使得腔室的大的中心部分（例如莲蓬头）以及腔室的远程部件（例如，侧壁）同时被清洁。
图6是比较远程等离子体激活和原位激活的腔室中的压力稳定化的图。该图显示在清洁的上平台阶段（即腔室的主要部件的硅已被清洁后）中，与远程等离子体源过程相比，原位过程的压力变化明显较小。这表示在所述原位过程的主要清洁阶段中，大部分的硅已被除去，即腔室的远程部件与主要部件同时被清洁。这使得本发明实现较快的总清洁时间。
根据本发明，与含氟清洁气体（例如NF3和SF6）的使用相比，分子氟的使用提供了几个优点。具体而言，这些含氟气体的解离需要大很多的射频功率，因此如果仅使用反应器腔室射频电源，存在等离子体引发的（例如通过电弧）对反应器的损坏的显著风险。另外，根据本发明，当使用分子氟时，不需要使用远程等离子体源。含氟化合物通常需要此类远程等离子体源以避免等离子体引发的腔室损坏的风险，因此需要额外的设备，这增加了操作复杂性和成本。另外，含氟化合物的使用通常需要添加氧气或氩气作为等离子体激发的辅助物质。根据本发明当使用分子氟时，不需要使用此类附加气体，例如氧气或氩气。
使用分子氟的本发明克服了现有技术腔室清洁方法的缺点。具体而言，对气流和腔室压力的限制较少。可使用较低射频功率，使得等离子体引发的损坏的风险较小。分子氟不会导致全球变暖。因此，不完全解离不会对环境造成危害，也不需要复杂的去除系统。如上所述，本发明不需要额外的设备例如远程等离子体源，并实现了更快的总腔室清洁时间。另外，通过使用分子氟，原位解离可在与沉积过程中使用的温度和压力类似的温度和压力下进行。因此，没有调节和重建温度和压力条件的时间损失，而这些对于现有技术的高温法和高压法将是需要的。
重要的是，本发明提供了腔室的完全清洁，其清洁时间与使用远程等离子体源时所需的时间相比明显较短。
本发明的上述讨论集中在使用分子氟进行反应器腔室清洁。然而，本发明还可用于清洁硅涂覆的材料，或用于清洁含硅材料，例如氧化硅、氮化硅、氧-氮化硅，碳化硅、碳氮化硅等。
预期本领域技术人员通过阅读以上内容，可以显而易见地想到本发明的其它实施方式以及变化,这些实施方式和变化也都包括在所附权利要求限定的本发明保护范围以内。

Claims (9)

1.一种清洁化学气相沉积腔室的方法，该方法包括：
将分子氟引入所述腔室中；
在所述腔室中至少部分地原位解离所述分子氟，以形成氟自由基；
使所述氟自由基和分子氟与所述腔室中不希望有的沉积物反应；以及
排除所述腔室中的气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腔室是等离子体增强化学气相沉积腔室。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，解离所述分子氟包括使所述分子氟接触3000-5000W的射频电源。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，解离所述分子氟包括使所述分子氟接触约3000W的射频电源。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，引入氟包括在9-24.5标准升/分钟的流速下引入氟。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流速约为18标准升/分钟。
7.一种清洁化学气相沉积腔室的设备，该设备包括：
沉积腔室，所述沉积腔室包括位于其中的电源；以及
与所述沉积腔室连接的分子氟源。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述腔室是等离子体增强化学气相沉积腔室。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电源是射频电源。
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