CN104409309B - 大面积等离子体处理装置与均匀等离子体生成方法 - Google Patents

Abstract

一种防止异常放电的大面积等离子体处理装置，包括一超高频电源、一功率放大器、一匹配箱、一180°相位差功率分配器、一示波器、一真空容器、二平行平板电极及一可变电容器。该180°相位差功率分配器与该匹配箱电性连接，接收从该超高频电源传来的超高频电力，将超高频电力转换为180°相位差电位超高频电力。各该平行平板电极分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，以接收180°相位差的超高频电力。藉由上述结构可节省不必要的异常放电耗损电费，更能获得高均匀度膜厚的大面积高质量功能性薄膜。本发明亦揭露一种均匀等离子体生成方法。

Description

大面积等离子体处理装置与均匀等离子体生成方法

【技术领域】

本发明为利用放电用气体的辉光放电所产生的电浆(也称为：等离子体)，应用在基板表面拟实施的各种机能化处理的大面积等离子体处理装置与均匀等离子体生成方法。特别是一种以频率30MHz-300MHz的超高频电源作为产生放电用气体的辉光放电条件下，产生等离子体或反应性等离子体的大面积等离子体处理装置与均匀等离子体生成方法。

【现有技术】

对于真空容器内设置2片平行平板电极的装置而言，从同轴电缆供给超高频电力(通常的射频频率为13.56MHz)于电极中央的周边多点供给方法，以达到薄膜的均匀目的。

为了提升制膜速度(或蚀刻速度)，专家们提出了以超高频电力(30MHz～300MHz)作为等离子体源的方案，以致逐渐被广泛需求与应用。然而在使用超高频率即提高频率降低波长(变短)时，等离子体分布会因波长变短相对需要增加基板尺寸时，容易产生驻波效应。换言之，在超高频率领域下供给电力的同轴电缆线外部导体容易放出电磁波，产生天线效应，在电缆线周边发生异常放电，使得在大面积沉积的薄膜均匀性不易达成。

为了避免异常放电发生，传统手法多半在电缆在线覆盖一层以上绝缘体以防止异常放电。但上述手法虽然可以阻止部分缆在线的放电，但无法有效避免缆线和真空容器等的异常放电所造成的电力消耗。

举例，制作大面积高质量的硅薄膜太阳能电池设备所需功能性条件的要求，在于能制作1m×1m以上大面积均匀度良好的制程设备。例如使用60MHz超高频等离子体源的电磁波波长为5m，电极宽度设计应为5m x 1/8波长以下宽度，即电极宽度大于62cm时，放电电极上会形成驻波效应，放电电压会不稳定，等离子体分布也变得不均匀。

为了解决上述问题，可采用下列的一方法解决：

1.放电电极采用金属球面镜，使等离子体分布均匀化。

2.采用180°相位差功率分配器所产生的正负180°相位差的超高频电力，平行供给两枚平行平板电极，将正负两相平行供电的同轴电缆外皮导体所产生的电磁波相互抵消，以减少电磁波产生的方法，而得到较稳定且均匀的等离子体，使薄膜均匀化等对策。

因此，如何设计出一种能防止异常放电装置所获得大面积高密度稳定且均匀等离子体的方法，以解决目前光电半导体制程所遇到的大面积化薄膜制程优化相关问题，特别是相关设备厂商以及研发人员所共同期待的目标。

【发明内容】

本发明人有鉴于现有等离子体处理装置无法防止异常放电，使等离子体稳定度及分布均匀性不佳而影响制程质量和产品功能性。更减少因异常放电所导致巨大不必要的额外电力支出和装置成本负担。乃积极着手进行开发改善相关关键技术，以期可以解决上述既有的缺点，经过一年多来的努力，终于成功完成本发明。

本发明的第一目的，提供一种防止异常放电，且能提高制程与产品质量及降低制造成本的大面积等离子体处理装置。

为了达成上述的目的，本发明的大面积等离子体处理装置，包括一超高频电源(VHFPower Source)(30MHz～300MHz)、一功率放大器(Power Amplifer)、一匹配箱(Matching Box)、一180°相位差功率分配器(Power Divider with 180°Phase difference)、一示波器(Oscilloscope)、一真空容器(Vacuum Chamber)、二平行电极平板(Pair of Parallel Electrodes)以及一可变电容器(Variable Capacitance)。

该超高频电源提供超高频电力。该功率放大器与该超高频电源电性连接。该匹配箱与该功率放大器电性连接。该180°相位差功率分配器与该匹配箱电性连接，并接收从该超高频电源传来，经过该功率放大器以及该匹配箱的超高频电力，并将超高频电力转换为正负～180°相位差电位电力。该示波器与该180°相位差功率分配器连结。该示波器撷取一电力供应系统的反馈讯息。

各该平行平板电极，设置于该真空容器内，且各该平行平板电极非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，以接收正负180°相位差电位的超高频电力，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内。

该可变电容器以二同轴电缆线与各该平行平板电极尾端连接，并与各该平行平板电极形成串联，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内。

本发明的第二目的，提供一种防止异常放电，且能提高制程与产品质量及降低制造成本的均匀等离子体生成方法。

为了达成上述的目的，本发明的均匀等离子体生成方法包括步骤：

设置一超高频电源，以提供超高频电力；

设置一与该超高频电源电性连接的功率放大器，以放大该超高频电力的功率；

设置一与该功率放大器电性连接的匹配箱，调整阻抗匹配；

设置一与该匹配箱连接的180°相位差功率分配器，以将该超高频电力转换为正负180°相位差电位电力；

将二平行平板电极设置于一真空容器内，且各该平行平板电极非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，各该平行平板电极分别接收正负～180°相位差电位的超高频电力；以及

在该真空容器外设置一可变电容器，该可变电容器以二同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内与各该平行平板电极尾端连接，并与各该平行平板电极形成串联。其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内。

藉由上述的装置与方法，本发明可获得大面积高密度的稳定性的均匀性等离子体源，并有效防止异常放电，改善先前不能解决异常放电问题，提高使用等离子体的制程技术与产品质量，间接或直接的降低设备与产品制造成本。

【附图说明】

图1为本发明的大面积等离子体处理装置的示意图；

图2为本发明的防止异常放电的等离子体处理装置的氢气等离子体的分布均匀性与工作压力关系成果图；

图3为本发明的均匀等离子体生成方法的方法流程图。

【符号说明】

(1)大面积等离子体处理装置

(10)超高频电源

(11)功率放大器

(12)匹配箱

(13)180°相位差功率分配器

(14)示波器

(15)真空容器

(150)反应气体入口

(151)排气系统

(16)平行平板电极

(17)可变电容器

(3)均匀等离子体生成方法

步骤300

步骤301

步骤302

步骤303

步骤304

步骤305。

【具体实施方式】

为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的，兹配合附图将本发明的较佳实施例详细说明如下。

请参考图1所示，本发明的大面积等离子体处理装置(1)，包括一超高频电源(10)、一功率放大器(11)、一匹配箱(12)、一180°相位差功率分配器(13)、一示波器(14)、一真空容器(15)、二平行平板电极(16)以及一可变电容器(17)。

该超高频电源(10)提供超高频电力。该功率放大器(11)与该超高频电源(10)电性连接。该匹配箱(12)与该功率放大器(11)电性连接。该180°相位差功率分配器(13)与该匹配箱(12)电性连接，并接收从该超高频电源(10)传来，经过该功率放大器(11)以及该匹配箱(12)的超高频电力，并将超高频电力转换为正负180°相位差电位。该示波器(14)与该180°相位差功率分配器(13)连结。该示波器(14)撷取一电力供应系统(图未示)的反馈讯息。

各该平行平板电极(16)设置于该真空容器(15)内，且各该平行平板电极(16)非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极(16)分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器(13)电性连接，以接收正负180°相位差电位的超高频电力，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头(图未示)导入该真空容器(15)内。

该可变电容器(17)以二同轴电缆线分别与各该平行平板电极(16)尾端连接，并与各该平行平板电极形成串联，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头(2)导入该真空容器(15)内。各该同轴电缆线分别与各该平行平板电极(16)的中央供电点连接。由于电磁波的速度会跟该可变电容器(17)的电容值的介电系数成反比，所以藉由改变该可变电容器(17)的电容值改变其中一枚平行电极平板(16)的电磁波速度，以避免驻波效应的发生。

该真空容器(15)内的各该同轴电缆线到各该平行平板电极(16)的中央供电端点为的的长度小于各该平行平板电极(15)的电磁波波长的1/8。该真空容器(15)更包括一反应气体入口(150)以及一排气系统(151)，该反应气体入口(150)导入气体至该真空容器(15)内，该排气系统(151)排出该真空容器(15)内的气体。

各该平行平板电极(16)供电端点的相反端接上该可变电容器(17)作为负载，该可变电容器(17)的可变电容值范围约为30～50皮法拉(picofarad，pf)，藉由该可变电容器(17)控制在各该平行平板电极(16)间所形成的驻波分布，使等离子体分布达到均匀化(薄膜的大面积均匀化)。该可变电容器(17)的容量为将各该平行平板电极(16)面积设为S、各该平行平板电极(16)间距设为d，则可得该可变电容器(17)的容量C0＝ε0S/d(ε0为真空的介电常数)。C则设置在由各该平行平板电极(16)的构造决定的C0附近。

请参考图2所示，本发明在利用离子饱和电流分布测量获得60MHz等离子体在10mm电极短间隙及60～120Pa压力，功率为100W、150W以及200W的条件下，所获得大面积(300mmx400mm)超高频(Very High Frequency-VHF)高密度(1015m-3)氢等离子体的分布均匀性约为±4％，这个成果有利于微晶硅等薄膜的制造条件。

请参考图1以及图3所示，本发明的均匀等离子体生成方法(3)，包括步骤：

步骤300：设置一超高频电源(10)，以提供超高频电力；

步骤301：设置一与该超高频电源(10)电性连接的功率放大器(11)，以放大该超高频电力的功率；

步骤302：设置一与该功率放大器(11)电性连接的匹配箱(12)，调整阻抗匹配；

步骤303：设置一与该匹配箱(12)连接的180°相位差功率分配器(13)，以将该超高频电力转换为正负180°相位差电位；

步骤304：将二平行平板电极(16)设置于一真空容器(15)内，且各该平行平板电极(16)非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极(16)尾端分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器(13)电性连接，各该平行平板电极(16)分别接收正负180°相位差电位的超高频电力；以及

步骤305：在该真空容器(15)外设置一可变电容器(17)，该可变电容器(17)以二同轴电缆线分别与各该平行平板电极(16)连接，并与各该平行平板电极(16)形成串联。其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器(15)内。

在本发明的一较佳实施例中，各该同轴电缆线分别与各该平行电极平板(16)的中央供电端点连接，各该平行平板电极(16)的中央供电端点与该180°相位差功率分配器(13)电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器(15)内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极(16)的电磁波波长的1/8，各该平行平板电极(16)的中央供电端点与该可变电容器(17)电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器(15)内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极(16)的电磁波波长的1/8，该可变电容器(17)的可变电容值范围为30～50皮法拉(pf)。

透过上述的大面积等离子体处理装置与均匀等离子体生成方法，本发明不但有效防止异常放电，可提供大面积高均匀分布且稳定性良好的高密度离子和低离子能量的等离子体。可节省不必要的异常放电耗损电费，更能获得高膜厚均匀度的大面积高质量功能性薄膜。更可大大降低设备投资及产品制作成本，提高使用等离子体的制程效率与产品质量，且具降低设备与产品制造成本的效果。再者，其结构型态并非所属技术领域中的人士所能轻易思及而达成者，实具有新颖性以及进步性无疑。

透过上述的详细说明，即可充分显示本发明的目的及功效上均具有实施的进步性，极具产业的利用性价值，且为目前市面上前所未见的新发明，完全符合发明专利要件，爰依法提出申请。唯以上所述着仅为本发明的较佳实施例而已，当不能用以限定本发明所实施的范围。即凡依本发明专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (10)

1.一种大面积等离子体处理装置，其特征在于，包括：

一超高频电源，提供超高频电力；

一功率放大器，与该超高频电源电性连接；

一匹配箱，与该功率放大器电性连接，以调整阻抗匹配；

一180°相位差功率分配器，与该匹配箱电性连接，并接收从该超高频电源传来，经过该功率放大器以及该匹配箱的超高频电力，并将超高频电力转换为正负180°相位差电位；

一示波器，与该180°相位差功率分配器连结；

一真空容器；

二平行平板电极，设置于该真空容器内，且各该平行平板电极非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，以接收正负180°相位差电位的超高频电力，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内；以及

一可变电容器，以二同轴电缆线分别与各该平行平板电极尾端连接，并与各该平行平板电极形成串联，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内。

2.如权利要求1所述的大面积等离子体处理装置，其特征在于，各该平行平板电极的中央供电端点分别以该同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，且该可变电容器以各该同轴电缆线分别与各该平行平板电极的中央供电端点连接。

3.如权利要求2所述的大面积等离子体处理装置，其特征在于，各该平行平板电极的中央供电端点与该180°相位差功率分配器电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极的电磁波波长的1/8，各该平行平板电极的中央供电端点与该可变电容器电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极的电磁波波长的1/8。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的大面积等离子体处理装置，其特征在于，该真空容器更包括一反应气体入口以及一排气系统，该反应气体入口导入气体至该真空容器内，该排气系统排出该真空容器内的气体。

5.如权利要求1～3中任意一项所述的大面积等离子体处理装置，其特征在于，该可变电容器的可变电容值范围为30～50皮法拉(pf)。

6.如权利要求4所述的大面积等离子体处理装置，其特征在于，该可变电容器的可变电容值范围为30～50皮法拉(pf)。

7.一种均匀等离子体生成方法，其特征在于，包括步骤：

设置一超高频电源，以提供超高频电力；

设置一与该超高频电源电性连接的功率放大器，以放大该超高频电力的功率；

设置一与该功率放大器电性连接的匹配箱，调整阻抗匹配；

设置一与该匹配箱连接的180°相位差功率分配器，以将该超高频电力转换为正负180°相位差电位；

将二平行平板电极设置于一真空容器内，且各该平行平板电极非接地重叠，呈绝缘悬浮，且互相平行，各该平行平板电极分别以一同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，各该平行平板电极分别接收正负180°相位差电位之超高频电力；以及

在该真空容器外设置一可变电容器，该可变电容器以二同轴电缆线分别与各该平行平板电极尾端连接，并与各该平行平板电极形成串联，其中各该同轴电缆线分别透过一双极真空电源接头导入该真空容器内。

8.如权利要求7所述的均匀等离子体生成方法，其特征在于，各该平行平板电极的中央供电端点分别以该同轴电缆线与该180°相位差功率分配器电性连接，且该可变电容器以各该同轴电缆线分别与各该平行平板电极的中央供电端点连接。

9.如权利要求8所述的均匀等离子体生成方法，其特征在于，各该平行平板电极的中央供电端点与该180°相位差功率分配器电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极的电磁波波长的1/8，各该平行平板电极的中央供电端点与该可变电容器电性连接之各该同轴电缆线，在该真空容器内部之电缆线长度，系小于各该平行平板电极的电磁波波长的1/8。

10.如权利要求7～9中任意一项所述的均匀等离子体生成方法，其特征在于，该可变电容器的可变电容值范围为30～50皮法拉(pf)。