CN103168337B - 电容耦合反应器中用梯形波形激励的等离子体加工 - Google Patents

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Abstract

电容耦合反应器中用梯形波形激励的等离子体加工。本发明涉及用于激励电容包含衬底的耦合反应等离子反应器的至少一个电极的方法。通过施加具有梯形波形的射频电压来激励电极，其中梯形波形包括上升沿、高平台、下降沿和低平台。可通过调整梯形波形的上升沿的持续时间、下降沿的持续时间、振幅和重复频率来控制等离子体密度。通过调整梯形波形的振幅、高平台与低平台之间的相对持续时间来控制衬底处的离子能量分布函数。

Description

电容耦合反应器中用梯形波形激励的等离子体加工
背景技术
公开了用于激励包含衬底的电容耦合的反应等离子体反应器的至少一个电极的方法和系统。
本发明可有利地应用于：
-用于太阳能光伏电池制造的例如硅和/或锗和/或碳的非晶态合金、微晶合金和纳米晶合金的薄膜的等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）；以及用于平板显示器和集成电路制造的其他薄膜例如SiO2、Si3N4等的沉积；
-包括用于FPD制造、集成电路制造和光伏设备制造的包括Si、SiO2、Si3N4、金属等的薄膜的等离子体蚀刻；以及
-其它等离子体表面改性加工，诸如离子注入、表面改性、硬化等…
一般地，由例如0.1MHz到200MHz频率的电容耦合射频（RF）功率激励的平行板反应器被广泛用于包括微电子和太阳电池板制造的领域中的薄膜的沉积、蚀刻和改性。
在利用传统正弦激励对平行板电容等离子体反应器中的衬底进行大面积等离子加工（沉积或蚀刻）时，等离子体密度以及沉积或蚀刻速率可仅通过增加所施加的射频电压而增大。这同时增加了撞击衬底的离子的平均能量。在许多应用（诸如，硅薄膜的PECVD）中，过多的离子能量损坏了衬底或被沉积的膜，因此可仅使用低电压，它导致有限的加工速率。而且，传统正弦激励的反应器中的离子能量分布函数（IEDF）的形状是复杂的、典型地为马鞍型，并且不受控制。
历史上，已经使用正弦波（开始为单频、最近为两个或三个频率），但是不同发生器之间没有同步。衬底的优化加工要求对前往其表面的离子的能量进行完全控制，不依赖于离子通量。例如，对于蚀刻，需要高离子能量，而对于硅沉积，必须将离子能量保持为低于约几十电子伏特的阈值。
已经通过改变RF频率实现了一些不依赖于离子通量和离子能量的控制：在较高频率处，鞘阻抗较低，从而对于给定的RF输入功率，获得较高的等离子体密度、较高的离子通量和较低的离子能量。然而，在对称反应器中，其具有相等面积的平行电极，维持两个电极前面的鞘等同，从而两个电极具有相等的离子轰击。由于驻波效应而在大面积高频反应器中出现了其它问题，从而导致整个晶片上的不一致加工。
文献WO2009/115135建议通过利用具有相等电压振幅的两个频率f+2f破坏鞘的对称性，并且两个鞘之间的电压分布应该通过改变两个频率之间的相位延迟而连续可控，从而允许控制每个表面处的离子能量。
在PlasmaSourcesScience&Technology，2007,16(2):p.257-264中的Patterson,M.M.,Chu和A.E.Wendt的“Arbitrarysubstratevoltagewaveformsformanipulatingenergydistributionofbombardingionsduringplasmaprocessing（用于在等离子体加工期间操纵轰击离子的能量分布的任意衬底电压波形）”中，作者公开了利用可编程波形发生器和功率放大器对施加至衬底的射频偏置的波形进行剪裁，可实现对解耦的等离子体源（诸如，电感耦合等离子体（ICP）或螺旋波）中衬底处的离子能量分布的控制。
本发明建议通过在平行板反应器中同时生成等离子体来改进现有技术并控制离子能量分布函数（IEDF），或单一能量分布或更复杂的分布，以更好地优化等离子体蚀刻和沉积加工。
本发明的目的是在电容耦合的反应等离子体反应器中应用电气不对称性效应。
本发明的另一目的是完全控制在低温下沉积的薄膜的生长模式。
发明内容
在至少优选的实施方式中，本发明提出了一种用于激励电容包含衬底的耦合反应等离子反应器的至少一个电极的方法。根据本发明：
通过施加具有梯形波形的射频电压来激励电极；以及
通过调整梯形波形的上升沿的持续时间和/或下降沿的持续时间来控制等离子体密度以及前往衬底的离子粒子和中性粒子的通量。
根据本发明的等离子体可通过可控的周期性梯形波形进行建立和维持。
根据本发明，梯形波形表示具有可实现的大致梯形形式的信号。所述梯形波形优选地包括上升沿、高平台、下降沿和低平台。
本发明提出了一种等离子体激励方法，其利用非正弦波形解耦（即，独立控制）等离子体密度和离子粒子和中性粒子的通量与离子轰击能量。
换句话说，本发明所建议的技术允许将等离子体控制与离子能量控制解耦，允许前往衬底的可能的最大粒子通量（最高加工速率）和最低离子能量，并对衬底处的离子能量分布的控制给予很大的灵活性，即优化的加工质量。等离子体沉积和蚀刻加工中的许多应用都将从中获益。此外，这种对反应器特定表面的离子能量的控制允许反应器的优化的等离子体清洁。
可为例如a-Si:HPECVD加工产生前往衬底的高离子和中性通量而不具有高离子能量，因此在保留膜质量的同时允许更高的沉积速率。
通过根据本发明的方法，今后能够在nc-Si:H或μc-Si:HPECVD中使用不同的加工体制。这种体制由低压、浓缩的(SiH4/H2)气体混合物和较高的等离子体密度构成，已经证明，与标准方法相比，其可给出反应器中增加的沉积速率和较少的灰尘形成。
有利地，通过调整梯形波形的高平台与低平台之间的相对持续时间来控制衬底处的离子能量分布函数。
根据本发明，可通过调整梯形波形的重复频率控制等离子体密度。
有利地，还可通过调整梯形波形的电压振幅来进一步控制等离子体密度和/或衬底处的离子能量分布函数。
上升沿的持续时间和下降沿的持续时间可在1-10ns之间，优选地，在5-10ns之间。本发明公开了利用线性斜率而非现有技术的正弦增加，这将传送至电子的功率优化为给定振幅。
便利地，梯形波形的振幅在50-1000v之间。
RF电压的脉冲重复还对等离子体密度的确定有贡献。优选地，梯形波形的周期的持续时间在10-1000ns之间。
梯形波形的高平台和低平台的持续时间连续或离散地改变以实现在许多周期上平均的衬底处的任意有效离子能量分布函数。
根据本发明，通过调整梯形波形的高平台和低平台的相对持续时间，确定等离子体与电极之间的直流鞘电压在每个电极处的比例。
根据本发明的优选实施方式，可通过使用射频电压波形的修正反馈，获得电极表面处的梯形波形。因此应用于电极的信号波形被精确确定。
根据本发明的方法的优点为，衬底可位于带电电极或不带电电极上。
根据本发明，带电电极或不带电电极可被轰击，从而减少不需要的沉积并因此增强了将沉积前驱体向衬底的供应。
根据本发明的另一方面，通过应用梯形波形和梯形波形的互补，在非晶态生长与纳米晶体生长之间调整衬底上的薄膜的生长。有利地，观察到根据本发明的梯形波形通过从原始波形简单地变化至其互补，允许沉积的膜结构从非晶态变换至微晶体。
有利地，电容耦合反应等离子体反应器可以为大面积对称等离子体反应器。这种反应器尤其用于生产太阳能光伏电池。
根据本发明的又一方面，提出了一种包括波形发生器以激励包含衬底的电容耦合反应等离子反应器的至少一个电极的系统，其特征在于，波形发生器被配置为：
通过施加具有梯形波形的射频电压来激励等离子体反应器；以及
调整梯形波形的上升沿的持续时间和/或下降沿的持续时间以控制等离子体密度以及前往衬底的离子粒子和中性粒子的通量。
根据下面参考附图进行的本发明的优选实施方式的详细描述，本发明的前面和其它目的、特征的优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的由波形发生器激励的电容耦合等离子体反应器的示意图；
图2是根据本发明的梯形波形的图示；
图3是包括修正反馈系统的剪裁的激励波形控制系统的图示；
图4a和4b是根据本发明的在测试反应器中实现的实际电压波形及其互补的图示；以及
图5a和5b是根据本发明的电压波形及其互补的理想示例的图示。
具体实施方式
图1所示的电容耦合等离子体反应器的简化示意图包括加工室1、带电电极2和不带电电极3。来自发生器G的射频功率通过阻断电容器C1施加至带电电极2。待加工的衬底4可被放置在带电电极2上或放置在接地的或不带电电极3上。等离子体5在位于带电电极2与衬底4之间的加工室1的容积内生成。
在所有的等离子体反应器中，所谓的鞘6和7形成于大块等离子体与包围它的所有表面之间（电极、衬底和加工室壁）。鞘具有高阻抗，该高阻抗在原理上为电容性的。它为鞘阻抗，鞘阻抗限制流过等离子体5的电流，并因此确定电子所吸收的功率。施加到电极两端的大部分RF电压被分到对应电极前面的两个鞘6和7上。中间的等离子体具有高导电性，因此仅支持小电压差。因此，鞘包含大RF电场。鞘的非线性特性整流该RF场以产生大直流电场，该大直流电场使带正电的离子加速远离等离子体并且以高能量撞击反应器表面。
如果一个电极远小于另一个电极，那么该电极前面的鞘将具有较小的电容。由于流过系统的电流是守恒的，相同的RF电流必须流过两个鞘，因此较小电极前面的鞘两端的RF电压将会更大。流过鞘的传导电流为其两端电压的非线性函数，因此存在整流效应并且阻断电容器将充电。这就是所谓的直流偏置效应，并且导致在较小电极处具有较高能量离子轰击，在大电极处具有较低能量离子。
然而，在大面积反应器中，两个电极必然具有非常相似的尺寸，RF电压通常在两个鞘6和7之间几乎平分，从而向两侧（即，向衬底和相对的电极）提供等同的能量离子轰击。
本发明的技术用施加至电极的可变梯形波形（如图2所示）代替正弦信号。
梯形波形包括t1期间的上升沿、t2期间的高平台、t3期间的下降沿和t4期间的低平台。
等离子体两端的总电压以及两个鞘两端的电压和由振幅V（典型为50-1000V）表示。对离子化和等离子体密度和前往衬底的通量进行控制的电子加热发生在上升沿t1和下降沿t3期间（典型为1-10ns）。转换速率（V/t1或V/t3）越快，允许通过电容鞘6和7的电流越大，电极将被更有效地加热，并且等离子体更密。为了防止驻波效应和非一致性，优化时间可能在5-10ns的范围内。等离子体密度还由总的脉冲重复频率1/(t1+t2+t3+t4)确定。优选地，t1+t2+t3+t4在20-100ns的范围内。
V在两个鞘6和7上的分配由恒定电压周期t2和t4的相对持续时间确定。如果t1可忽略（例如<5ns）且t4长（例如100ns），则大部分电压出现在带电电极前面的鞘两端，因此此电极接收高能量离子，相对的电极具有最小能量离子轰击。因此，如果衬底位于不带电电极上，可实现优化的薄膜Si沉积条件：高离子通量和中性膜前驱体但是低能量。
相反地，如果衬底位于带电电极上，则它接收高能量离子。这种条件通常更适合蚀刻应用，但是也适用于需要较大离子轰击的一些类型的薄膜沉积（诸如，氢化的非晶锗）。的确，改变t2和t4允许完全控制衬底处的离子能量。如果t2和t4相等，则波形是对称的并且两个鞘是相同的。可想象到更复杂的变型，其中t2和t4在加工时间尺度上连续变化以实现在许多周期上平均的衬底处的任意有效的离子能量分布函数（IEDF），其可被认为针对所讨论的加工而优化。
图3涉及允许在薄膜沉积期间进行波形裁剪的等离子体反应器系统的实施方式。这种实施方式在实施的时候，例如，用于大面积设备（诸如，薄膜太阳能电池）中的nc-Si:H的PECVD，尤其在考虑实际光伏设备所需的膜厚度时是实用的。在通过标准射频（RF）PECVD技术沉积时，nc-Si:H的沉积速率受到如下事实的限制：对于较大的沉积速率，需要注入到等离子体中的较大功率，从而使生长表面的离子轰击（IB）增加并且使材料质量降低。
本发明允许减小衬底处的鞘电势，控制nc-Si:H的PECVD期间的衬底离子轰击能量，因而增强或抑制纳米晶体生长。
该原理的一个实施方式通过使用图3中所示的实验装置实现。衬底11位于不带电电极12上，不带电电极12还构成加工室13的壁，除了带电电极侧之外。
图3示出了带电电极10，该带电电极10的直径为100mm且电极间距离为19mm，从而产生约为2.25的A衬底+壁/A电极的面积电极不对称性。此不对称性通过带电电极10与壁+不带电电极之间的鞘的不均匀分布来抑制衬底处的离子轰击能量。根据本发明的电气不对称性效应在大面积并因而在对称的反应器上更有效。使用Ar=35sccm、SiF4=1.4sccm和H2=1.4sccm的气体流速混合。此气体化学物被选择是因为其众所周知地产生nc-Si:H材料，该nc-Si:H材料在大范围沉积条件下具有非常高的晶体体积分数且具有例如2.5A/s的沉积速率。
衬底和电极的温度分别为150℃和100℃，并且使用15MHz的脉冲重复频率。
为了在RF电极处产生期望的波形，使用修正反馈系统。通过TektronixAFG3101可编程波形生成器14生成理想的梯形波形，并且在放大器15（放大器研究模型150A220，150W）放大和通过耦合电容器C2传播之后，使用高压探针和示波器16测量出现在RF引线处的电压波形。对该信号执行傅里叶变换并且与期望信号比较，因此允许由计算机17计算在带电电极处产生“峰”和“谷”电压所必须的原始信号。修正之后的典型电压波形如图4a和4b所示，分别用于导致“峰”（图4a）和“谷”（图4b）的修正。在图4a（4b）中获得实验的梯形波形呈现趋于0的高（低）平台持续时间。
还指示RF电极上出现的直流偏置，该直流偏置指示鞘分布中可能存在的极大位移。
“峰”电压指高平台的持续时间小于低平台的持续时间的波形。“谷”电压波形是“峰”电压的互补。
当简单地将电压波形从“峰”反转成“谷”时，观察到带电电极处的直流偏置电势的显著位移，其指示鞘电压的不对称分布。通过增强或抑制衬底表面处的离子轰击能量，（分别利用“峰”或“谷”）通过等离子体增强化学汽相沉积的硅薄膜生长可在分别用于高离子轰击能量与低离子轰击能量的非晶态生长与纳米晶体生长之间变换。生长模式的变化可利用椭偏光谱在现场观察到。此效果可在足够低的压力下被观察到，其中该足够低的压力使得平均离子轰击能量的碰撞减少不足以允许纳米晶体生长（<100mTorr）。
图5a和5b涉及可能出现在RF电极处的电压波形的理想示例。两个波形的重复频率为10MHz。图5a的示例示出了峰-峰电压振幅为150V、上升时间t1为5ns、上电压电平平台时间t2=10ns、下降时间t3为5ns且下电压电平平台t4=80ns的波形。在对称反应器中，与相同的频率和电压振幅的正弦激励相比，这种波形将导致出现在RF带电电极（例如图1中的电极2）处的更大比例的鞘电压、以及衬底保持器（例如，图1中的不带电电极3）处的减少的离子轰击能量。图5b示出了峰-峰电压振幅为150V、上升时间t1为5ns、上电压电平平台时间t2=80ns、下降时间t3为5ns且下电压电平平台t4=10ns的波形。在对称反应器中，相对于相同的频率和电压振幅处的正弦激励，这种波形将导致出现在衬底保持器（例如图1的不带电电极3）处的更大比例的鞘电压，因此增加了离子轰击能量。
本发明涉及激励等离子体反应器以加工大面积衬底的新方式。传统的正弦（单频或多频）射频电压信号被梯形波形替代，其中梯形波形由快速上升沿和快速下降沿（持续时间为1-10ns，振幅为50-1000V）以及将它们隔开的的恒定电压周期（20-100ns）构成。这种波形通过改变波形形状，允许优化的等离子体加热（控制等离子体密度，因此控制到达被加工的衬底的反应中性和离子的通量）以及衬底处的离子能量分布函数（IEDF）的优化控制。具体地，它允许用高离子和中性通量以及最小的能量对衬底进行等离子体加工，允许高质量硅薄膜的高速PECVD用于太阳能光伏电池制造。IEDF的控制还有益于大面积等离子蚀刻应用，诸如集成微电子电路和平板显示器制造。
对本领域技术人员来说，一旦完全理解了上面的公开内容，许多变化和修改将变得显而易见。下面的权利要求被解释为包含这些变化和修改。

Claims (14)

1.用于激励电容包含衬底的耦合反应等离子反应器的至少一个电极的方法，其特征在于，
通过施加具有梯形波形的射频电压来激励所述电极，所述梯形波形包括上升沿持续时间、高平台持续时间、下降沿持续时间和低平台持续时间；以及
通过调整所述梯形波形的上升沿的持续时间和/或下降沿的持续时间来控制所述等离子体密度以及前往衬底的离子粒子和中性粒子的通量，
其中，所述梯形波形的周期的持续时间在10-1000ns之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调整所述梯形波形的高平台与低平台之间的相对持续时间来控制所述衬底处的离子能量分布函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调整所述梯形波形的重复频率来进一步控制所述等离子体密度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调整所述梯形波形的电压振幅来进一步控制所述等离子体密度和/或所述衬底处的离子能量分布函数。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过应用所述梯形波形和所述梯形波形的互补，在非晶态生长与纳米晶体生长之间调整所述衬底上的薄膜的生长。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述上升沿的持续时间和所述下降沿的持续时间在1-10ns之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述上升沿的持续时间和所述下降沿的持续时间在5-10ns之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述梯形波形的振幅在50-1000v之间。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述梯形波形的高平台和低平台的持续时间连续或离散地改变以实现在许多周期上平均的所述衬底处的任意有效的离子能量分布函数。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过调整所述梯形波形的高平台和低平台的相对持续时间，确定所述等离子体与电极之间的直流鞘电压在每个电极处的比例。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过使用所述射频电压波形的修正反馈，获得电极表面处的梯形波形。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述衬底位于带电电极或不带电电极上。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电容耦合反应等离子体反应器为大面积对称等离子体反应器。
14.包括波形发生器以激励包含衬底的电容耦合反应等离子反应器的至少一个电极的系统，其特征在于，所述波形发生器被配置为：
通过施加具有梯形波形的射频电压来激励所述等离子体反应器，所述梯形波形包括上升沿持续时间、高平台持续时间、下降沿持续时间和低平台持续时间；以及
调整所述梯形波形的上升沿的持续时间和/或下降沿的持续时间以控制所述等离子体密度以及前往衬底的离子粒子和中性粒子的通量，
其中，所述梯形波形的周期的持续时间在10-1000ns之间。
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