CN103458599B - 一种低温等离子体处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种低温等离子体处理装置及方法，其中，一种等离子体处理装置包括：进行等离子体反应的反应室，所述反应室内侧设置有第一电极板和第二电极板，所述第一电极板与所述反应室外壳绝缘，所述第二电极板与所述反应室外壳一起接地；所述反应室设置有进气口，反应室与第一电极板之间设有气体分配器，工作气体通过所述进气口经过所述气体分配器进入所述反应室，所述反应室的两侧设置有反应后气体的出气口；至少两个射频源通过相应的射频源匹配网络，利用馈入元件与第一电极板上的射频馈入点连接，所述第一电极板上的射频馈入点至少为两个。采用本发明，减少驻波和趋肤效应，实现解耦，独立控制等离子体的密度和鞘层电压，简化了传统的射频馈入结构。

Description

一种低温等离子体处理装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术，尤其涉及一种低温等离子体处理装置及方法。

背景技术

目前，等离子体技术广泛应用于表面物质的刻蚀和薄膜的沉积。在表面物质的刻蚀方面，等离子体刻蚀具有良好的刻蚀速率和各向异性、刻蚀选择性及工艺的可重复性等诸多优点；在薄膜沉积方面，等离子体增强化学气相沉积法（Plasma Enhanced chemicalVapor Deposition,PECVD）以其沉积温度低、对基体影响小、沉积速度快、膜的厚度及成分均匀性好等优点，被工业广泛应用。

现有技术中，可将高频的射频（Radio Frequency,RF）源连接在阴性电极板上用以等离子体形成及密度控制，低频的射频源被连接在阳性电极板上用以调制等离子体鞘层，通过鞘层偏压来控制离子到达基材表面的能量。

然而，上述技术仍然存在甚高频引发的驻波效应和趋肤效应明显；甚高频与其他频率的耦合效应明显，很难实现等离子体密度和鞘层偏压的独立控制；在大面积基材上电场均匀性不够等问题；同时，现有技术中等离子体装置的馈入结构复杂，成本高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种低温等离子体处理装置及方法，可低成本地获得大面积电场的均匀性，有效解耦，并有效减少甚高频引发的驻波效应和趋肤效应。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种低温等离子体处理装置，包括：

进行等离子体反应的反应室，所述反应室内侧设置有第一电极板和第二电极板，所述第一电极板与所述反应室外壳绝缘，所述第二电极板与所述反应室外壳一起接地；

所述反应室设置有输入工作气体的进气口，所述反应室与所述第一电极板之间设有气体分配器，工作气体通过所述进气口经过所述气体分配器进入所述反应室，所述反应室的两侧设置有反应后气体的出气口；

至少两个射频源分别通过相应的射频源匹配网络，利用馈入元件与所述第一电极板上的射频馈入点连接，其中所述第一电极板上的射频馈入点至少为两个。

其中，所述射频源匹配网络包括“L”型电路或“π”型电路。

其中，所述馈入元件包括同轴电缆、三明治结构的扁平带和同心结构的柱状馈入元件中的任一种或者其组合。

其中，所述第一电极板与所述第二电极板之间的间距为固定或可调。

其中，所述三明治结构的扁平带馈入元件包括由三层铜带或铝合金带构成，所述铜带或所述铝合金带的外表面镀银，所述铜带或所述铝合金带上下两层之间采用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘。

其中，还包括冷却管道，所述冷却管道安装于所述馈入元件上，所述冷却管道中包含冷却介质。

其中，所述第一电极板和所述第二电极板的材料为铝材；

所述第一电极板与所述反应室外壳之间绝缘材料为陶瓷或聚四氟乙烯。

其中，所述第一电极板的长为1500-2600mm，宽为800-2200mm，厚为15mm。

相应地，本发明实施例还提供了一种低温等离子体处理方法，包括：

将待处理基材放置在反应室内的第二电极板上，并通过所述反应室两侧设置的出气口抽气；

当反应室内的温度达到预定的温度，且所述反应室压力达到1-2×10^-4mbar时，将工作气体通过所述反应室设置的进气口在气体分配器中混合后输入到所述反应室；

调节所述反应室压力，并打开所需频率的射频源，其中所述射频源通过相应的射频匹配网络利用馈入元件与第一电极板上的射频馈入点连接并持续预定时间的放电；

关闭所述射频源。

其中，当制备非晶硅或微晶硅薄膜时，所述预定的温度范围为160℃-200℃，调节所述反应室压力范围为1mbar-8mbar，预定时间范围为15min-30min；

当刻蚀硅基材时，所述预定的温度范围为40℃-80℃，调节所述反应室压力范围为0.2mbar-5mbar，预定时间范围为4min-6min。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例通过低温等离子体处理装置的结构可实现多频率的有效组合和多点馈入方式的组合，有效地减少驻波和趋肤效应，更好的实现解耦，从而可独立控制等离子体的密度和鞘层偏压，并且在第一电极板上实现至少双频的馈入，简化了传统的射频馈入结构，降低了等离子体处理装置的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种低温等离子体处理装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种双频四点正方形结构馈入的结构示意图；

图3是本发明实施例的另一种双频四点正方形结构馈入的结构示意图；

图4是本发明实施例的一种双频四点长方形结构馈入的结构示意图；

图5是本发明实施例的另一种双频四点长方形结构馈入的结构示意图；

图6是本发明实施例的一种低温等离子体处理方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参见图1和图2，图1为本发明实施例的一种低温等离子体处理装置的结构示意图，图2为本发明实施例的一种双频四点正方形结构馈入的结构示意图，即所述第一电极板上馈入结构图，本实施例的等离子体处理装置包括：

进行等离子体反应的反应室10，所述反应室10内侧设置有第一电极板21和第二电极板22，所述第一电极板21与所述反应室10外壳绝缘，所述第二电极板22与所述反应室10外壳一起接地；所述第一电极板21与所述第二电极板22平行。

所述反应室10设置有输入工作气体的进气口11，所述反应室10与所述第一电极板21之间设有气体分配器12，工作气体通过所述进气口11经过所述气体分配器12进入所述反应室10，所述反应室10的两侧设置有反应后气体的出气口13和出气口14；其中，利用真空泵从出气口13和出气口14将反应后的气体抽出。

至少两个射频源分别通过相应的射频源匹配网络，利用馈入元件与所述第一电极板上的射频馈入点连接，其中所述第一电极板上的射频馈入点至少为两个，所述第二电极板上放置基材40。

参见图2，第一射频源32经由第一射频匹配网络34利用馈入元件30电连接至第一组射频馈入点36；第二射频源33经由第二射频匹配网络35利用馈入元件31电连接至第二组射频馈入点37，其中第一射频源32为高频，第二射频源33为低频。

实施本发明实施例的有益效果为：

本发明实施例通过多频率的有效组合和多点馈入方式的组合，可以有效减少驻波和趋肤效应，更好的实现解耦，从而可以独立控制等离子体的密度和鞘层偏压，并且在第一电极板上实现至少双频的馈入，简化了传统的射频馈入结构，降低了等离子体处理装置的成本。

实施例二：

该实施例包括上述实施例所述的反应室10、第一电极板21、第二电极板22、进气口11、气体分配器12、两个出气口13和14、两个馈入元件30和31、第一射频源32和第二射频源33、第一射频匹配网络34和第二射频匹配网络35、第一组馈入点36和第二组馈入点37，进一步具体的，在本发明实施例中：

所述射频源匹配网络34和35包括“L”型电路或“π”型电路。

所述馈入元件30和31包括同轴电缆、三明治结构的扁平带、同心结构的柱状馈入元件及其组合。所述三明治结构的扁平带馈入元件包括由三层铜带或铝合金带构成，所述铜带或所述铝合金带的外表面镀银，所述铜带或所述铝合金带上下两层之间采用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘。

本实施例中，所述馈入元件30和31采用三明治结构的扁平带，上下两层采用宽200mm，厚0.5mm的铜带，中间一层采用宽180mm，厚0.5mm的铜带，铜带外表面均镀银，层层之间采用陶瓷绝缘。

其中，所述第一电极板与所述第二电极板之间的间距为固定或可调。

所述第一电极板与所述第二电极板之间的间距可调时，可以调节电场强度。

本发明实施例中所述等离子体处理装置还包括冷却管道，所述冷却管道安装在所述馈入元件上，所述冷却管道中包含冷却介质。

当所述馈入元件30和31的传输功率达到几十千瓦时，所述馈入元件可以加装所述冷却管道，所述冷却管道中的冷却介质可以是水或空气等。

所述第一电极板21和所述第二电极板22的材料为航空铝材，所述第一电极板与所述反应室外壳之间的绝缘材料为陶瓷或聚四氟乙烯，其中，所述第一电极板21采用长为1500mm-2600mm，宽为800mm-2200mm，厚为15mm的航空铝材制成。

参见图2，在所述第一电极板上以中心为基准点，选取边长为300mm的正方形，正方形的中心点与基准点重合，在正方形的四个顶点处分别加工M6的内螺纹第一组射频馈入点36和第二组射频馈入点37，第一对角线上的位置上的第一组射频馈入点36用馈入元件30经由第一射频匹配网络34连接于第一射频源32上；第二对角线位置上的第二组射频馈入点37用馈入元件31经由第二射频匹配网络35连接于第二射频源33上，其中第一射频源为高频，第二射频源为低频。其中，在同一电极板上不仅局限于双频，可以扩展为三频，甚至更多频率。

本发明实施例中正方形排列的馈入点解决了所述第一电极板21为正方形或近似正方形时的射频馈入问题，再根据不同射频源的频率来调整具体的馈入点连接方式。

实施本发明实施例的有益效果：

高频驱动技术，其激发产生的等离子体密度高，沉积速率比传统高出一个数量级，成膜质量高，速度更快。双频技术能有效控制等离子体对衬底的轰击力度，从而更为精确控制镀膜精度，如厚度、晶相和成分比等；而本发明实施例采用的多点馈入技术有效减少驻波和趋肤效应，均匀性放电面积增大；高低频率的有效组合和多点馈入方式的多样组合，更好的实现离子通量和能量的解耦，稳定独立控制等离子体密度和鞘层偏压；同一电极上实现双频馈入，还可以简化传统的射频馈入结构，降低装置的成本。

实施例三：

请参见图3，为本发明实施例的另一种双频四点正方形结构馈入的结构示意图，该实施例与上述实施例的不同点在于，第一组馈入点与第二组馈入点的布局不同，在该实施例中，正方形的第一条边位置上的第一组射频馈入点36用馈入元件30经由第一射频匹配网络34连接于第一射频源32上；正方形的第二条边位置上的第二组射频馈入点37用馈入元件31经由第二射频匹配网络35连接于第二射频源33上，其中，第一射频源32为高频，第二射频源33为低频。

实施本发明实施例的有益效果：

高频驱动技术，其激发产生的等离子体密度高，沉积速率比传统高出一个数量级，成膜质量高，速度更快。双频技术能有效控制等离子体对衬底的轰击力度，从而更为精确控制镀膜精度，如厚度、晶相和成分比等；而本发明实施例采用的多点馈入技术有效减少驻波和趋肤效应，均匀性放电面积增大；高低频率的有效组合和多点馈入方式的多样组合，更好的实现离子通量和能量的解耦，稳定独立控制等离子体密度和鞘层偏压；同一电极上实现双频馈入，还可以简化传统的射频馈入结构，降低装置的成本。

实施例四：

请参见图4，为本发明实施例的一种双频四点长方形结构馈入的结构示意图，与上述实施例的不同之处在于，本发明实施例中所述长方形排列的馈入点解决所述第一电极板21是长方形时的射频馈入问题，然后根据不同的射频源的频率来调整具体的馈入点连接方式，具体为：

本发明实施例的第一电极板21采用长1800mm，宽800mm，厚15mm的特种航空铝材制成，以中心为基准点，选取边长为400mm×150mm的长方形，长方形的中心点与基准点重合，在长方形的四个顶点处分别加工M5的内螺纹第一组射频馈入点36和第二组射频馈入点37。馈入元件30和馈入元件31采用同心结构，内部导体采用外径Ф25mm，壁厚1mm铜管，外部导体采用外径Ф32mm，壁厚0.5mm铜管，铜管外表面均镀银，两铜管之间填充SiO2绝缘。第一组长边位置的第一组射频馈入点36采用馈入元件30经由第一射频匹配网络34连接于第一射频源32上，频率为高频,第二组长边位置的第二组射频馈入点37用馈入元件31经由第二射频匹配网络35连接于第二射频源33上，频率为低频。

实施本发明实施例的有益效果：

高频驱动技术，其激发产生的等离子体密度高，沉积速率比传统高出一个数量级，成膜质量高，速度更快。双频技术能有效控制等离子体对衬底的轰击力度，从而更为精确控制镀膜精度，如厚度、晶相和成分比等；而本发明实施例采用的多点馈入技术有效减少驻波和趋肤效应，均匀性放电面积增大；高低频率的有效组合和多点馈入方式的多样组合，更好的实现离子通量和能量的解耦，稳定独立控制等离子体密度和鞘层偏压；同一电极上实现双频馈入，还可以简化传统的射频馈入结构，降低装置的成本。

实施例五：

请参见图5，为本发明实施例的另一种双频四点长方形结构馈入的结构示意图，本发明实施例与上述实施例的不同之处在于，本发明实施例的第一电极板21采用长1800mm，宽800mm，厚15mm的特种航空铝材制成，以中心为基准点，选取边长为400mm×150mm的长方形，长方形的中心点与基准点重合，在长方形的四个顶点处分别加工M5的内螺纹第一组射频馈入点36和第二组射频馈入点37。馈入元件30和馈入元件31采用同心结构，内部导体采用外径Ф25mm，壁厚1mm铜管，外部导体采用外径Ф32mm，壁厚0.5mm铜管，铜管外表面均镀银，两铜管之间填充SiO2绝缘。第一组短边位置的第一组射频馈入点36采用馈入元件30经由第一射频匹配网络34连接于第一射频源32上，频率为高频,第二组短边位置的第二组射频馈入点37用馈入元件31经由第二射频匹配网络35连接于第二射频源33上，频率为低频。

通过射频馈入点不同的组合方式分别电连接到高低频的射频源实现相位的调制。

实施本发明实施例的有益效果：

高频驱动技术，其激发产生的等离子体密度高，沉积速率比传统高出一个数量级，成膜质量高，速度更快。双频技术能有效控制等离子体对衬底的轰击力度，从而更为精确控制镀膜精度，如厚度、晶相和成分比等；而本发明实施例采用的多点馈入技术有效减少驻波和趋肤效应，均匀性放电面积增大；高低频率的有效组合和多点馈入方式的多样组合，可以通过相位调制实现高低频的解离，更好的实现离子通量和能量的解耦，稳定独立控制等离子体密度和鞘层偏压；同一电极上实现双频馈入，还可以简化传统的射频馈入结构，降低装置的成本。

实施例六：

下面对本发明实施例的低温等离子体处理方法进行详细说明。

请参见图6，为本发明实施例提供的一种低温等离子体处理方法，本发明实施例的所述方法可应用在等离子体薄膜制备和刻蚀设备中，具体的所述方法包括：

S601：将待处理基材放置在反应室内的第二电极板上，通过所述反应室两侧设置的出气口抽气；

S602：当反应室内的温度达到预定的温度，且所述反应室压力达到1-2×10^-4mbar时，将工作气体通过所述反应室设置的进气口在气体分配器中混合后输入到所述反应室；

S603：调节所述反应室压力，并打开所需频率的射频源，其中所述射频源通过相应的射频匹配网络利用馈入元件与第一电极板上的射频馈入点连接并持续放电预定时间；

S604：关闭所述射频源。

其中，当制备非晶硅或微晶硅薄膜时，所述预定的温度范围为160℃-200℃，调节所述反应室压力范围为1mbar-8mbar，预定时间范围为15min-30min；

当刻蚀硅基材时，所述预定的温度范围为40℃-80℃，调节所述反应室压力范围为0.2mbar-5mbar，预定时间范围为4min-6min。

采用本发明实施例提供的低温等离子体处理装置进行等离子体处理，以制备非晶硅/微晶硅薄膜的具体步骤为：

a)取1片1400×1100×3mmTCO导电玻璃基板放置在反应室10的第二电极板22上，膜面朝外，玻璃面朝电极；

b)设定反应室10温度160-200℃；

c)当反应室10真空抽到1-2×10^-4mbar之后，从进气口11通入15-100slm H2,同时调节反应室10压力0-2mbar，预热3-5min；

d)调节反应室10压力2-6mbar，加热2-3min,关闭H2;

e)重新通入50-100slm的H2、5-10slm的SiH4进入反应室10，调节反应室10压力2-8mbar，预通气10-20s；

f)打开第一射频源32（设定40.68MHZ），功率2000-3000W；第二射频源33（设定2MHZ），功率300-800W，放电15-30min，沉积非晶硅/微晶硅本征层；

g)关闭电源，延时5-10s，关闭H2、SiH4，抽真空。

经mapping测试和量子效率（Quantum Efficiency,QE）测试，膜层的均匀性为7.2%，微晶硅薄膜晶化率85.6%。

采用本发明实施例提供的低温等离子体处理装置进行等离子体处理，以刻蚀硅基材的具体步骤为：

a)取若干片Si外延片，其上沉积一层SiO2作为掩膜层，将其放置在反应室10的第二电极板22上，掩膜层朝外；

b)设定刻蚀温度40-80℃；

c)当反应室10真空抽到1-2×10^-4mbar之后，从进气口40通入10-20slm的O2、40-100slm的SF6，同时调节反应室10压力为0.2-5mbar；

d)打开第一射频源32（设定60MHZ）电源，功率1000-1500W；第二射频源33（设定2MHZ），功率100-500W，刻蚀4-6min；

e)关闭两个射频源，延时5-10s，关闭O2、SF6，抽真空。

经台阶仪测试，刻蚀速率5.3um/min，刻蚀均匀性为±2.7%。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例通过多频率的有效组合和多点馈入方式的组合，可以有效减少驻波和趋肤效应，更好的实现解耦，从而可以独立控制等离子体的密度和鞘层偏压，并且在第一电极板上实现至少双频的馈入，双频技术能有效控制等离子体对衬底的轰击力度，从而更为精确控制镀膜精度，如厚度、晶相和成分比等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种低温等离子体处理装置，其特征在于，包括：

进行等离子体反应的反应室，所述反应室内侧设置有第一电极板和第二电极板，所述第一电极板与所述反应室外壳绝缘，所述第二电极板与所述反应室外壳一起接地；

所述反应室设置有进气口，所述反应室与所述第一电极板之间设有气体分配器，工作气体通过所述进气口经过所述气体分配器进入所述反应室，所述反应室的两侧设置有反应后气体的出气口；

所述第二电极板用于放置待处理基材，并通过所述出气口抽气；当所述反应室内的温度达到预定温度，且所述反应室压力达到1-2×10^-4mbar时，将工作气体通过所述反应室设置的进气口在气体分配器中混合后输入到所述反应室；

至少两个射频源分别通过相应的射频源匹配网络，利用馈入元件与所述第一电极板上的射频馈入点连接，其中所述第一电极板上的射频馈入点至少为两个。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频源匹配网络包括“L”型电路或“π”型电路。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述馈入元件包括同轴电缆、三明治结构的扁平带和同心结构的柱状馈入元件中的任一种或者其组合。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括所述第一电极板与所述第二电极板之间的间距为固定或可调。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述三明治结构的扁平带馈入元件包括由三层铜带或铝合金带构成，所述铜带或所述铝合金带的外表面镀银，所述铜带或所述铝合金带上下两层之间采用陶瓷或聚四氟乙烯绝缘。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括冷却管道，所述冷却管道安装于所述馈入元件上，其中，所述冷却管道中包含冷却介质。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

所述第一电极板和所述第二电极板的材料为铝材；

所述第一电极板与所述反应室外壳之间的绝缘材料为陶瓷或聚四氟乙烯。

8.如权利要求1或7所述的装置，其特征在于，所述第一电极板的长为1500-2600mm，宽为800-2200mm，厚为15mm。

9.一种低温等离子体处理方法，其特征在于，包括：

将待处理基材放置在反应室内的第二电极板上，并通过所述反应室两侧设置的出气口抽气；

当反应室内的温度达到预定的温度，且所述反应室压力达到1-2×10^-4mbar时，将工作气体通过所述反应室设置的进气口在气体分配器中混合后输入到所述反应室；

调节所述反应室压力，并打开所需频率的射频源，其中所述射频源通过相应的射频匹配网络利用馈入元件与第一电极板上的射频馈入点连接并持续预定时间的放电；

关闭所述射频源。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括：

当制备非晶硅或微晶硅薄膜时，所述预定的温度范围为160℃-200℃，调节所述反应室压力范围为1mbar-8mbar，预定时间范围为15min-30min；

当刻蚀硅基材时，所述预定的温度范围为40℃-80℃，调节所述反应室压力范围为0.2mbar-5mbar，预定时间范围为4min-6min。