CN111020533B - 相位调制改变pecvd放电腔内电磁场分布的方法 - Google Patents

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Abstract

在具有射频电源的PECVD放电腔内，通过相位调制器将电极板上的不同电源馈入点间设置不同的相位，并在等离子体响应时间内，改变相位差以及此相位差的持续时间从而改善等离子体所响应的电磁场的均匀性。

Description

相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法
技术领域
本发明涉及光伏、半导体以及平板显示领域，尤其涉及一种相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法。
背景技术
平板式放电所产生的容性耦合等离子体源在半导体、太阳能和平板显示行业都有着广泛的应用。近年来，应用于这些行业的等离子体反应腔的尺寸越来越大，用于放电产生等离子体的射频的电源的频率也在不断的升高。腔体尺寸的增大，提高了单批次处理基片的数量，而放电的频率的增加，不仅减少了处理单位批次基处所需的时间，还大大降低了等离子体中的高能离子的轰击对基片所造成的损伤。然而，伴随尺寸增大和频率增加而来的还有边缘效应、趋肤效应以及驻波效应等问题，它们对腔体内电磁场分布均匀性带来极为不利的影响，成为产业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，对于较大尺 寸的PECVD放电腔，在等离子体响应时间内，通过相位调制器动态调制多个馈入点改变相位 差
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以及在此相位差作用下的工作时间来改善等离子体所响应的电磁场的均匀性
为了达到以上目的，本发明提供了一种相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法该方法，包括如下步骤：
相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，包括如下步骤：
第一步，提供具有射频电源的PECVD放电腔，所述PECVD放电腔的尺寸与所述射频电源波长的比值≥0.1，所述PECVD放电腔的顶壁设置有电极板，所述电极板上分布有包含若干馈入点的第一电源馈入组和第二电源馈入组，所述馈入点沿所述PECVD放电腔的对称轴对称分布；
第二步，通过相位调制器设置第一电源馈入组与第二电源馈入组的相位差
Figure 63860DEST_PATH_IMAGE002
；
第三步，通过设置不同的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE003
以及设置不同的持续时间
Figure 1729DEST_PATH_IMAGE004
，获得对应的电 磁场
Figure DEST_PATH_IMAGE005
, 在
Figure 624340DEST_PATH_IMAGE006
得出
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的时间范围内对应平 均电磁场
Figure 520621DEST_PATH_IMAGE008
。
可选地，所述射频为甚高频。
可选地，所述腔体的尺寸大于0.75米。
可选地，所述相位差
Figure 129982DEST_PATH_IMAGE002
的范围是：-π≤
Figure 215749DEST_PATH_IMAGE002
≤π。
可选地，所述相位差
Figure 37075DEST_PATH_IMAGE002
分别为π/6、π/4、π/3、π/2、2π/3、3π/4、5π/6。
可选地，1ms≤所述等离子体响应时间≤100ms。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
在射频驱动的真空放电腔室内，驱动电机上射频馈入点的相位对放电腔室内的电磁场分布至关重要，多数设计都尽可能的做到从射频电源传输到各馈入点的高频信号的相位一致。本发明通过相位调制器来改变各馈入点之间的相位差，以及在此相位差时的放电持续时间，从单个相位差的情况来看，确实破坏了馈入点信号的一致性，导致电磁场的均匀性遭到破坏。由于持续的时间很短，小于等离子体的响应时间，放电腔室内的等离子体来不及响应这种均匀性遭到破坏的电磁场，而是响应经过多次相位调制后的平均电磁场。理论计算表明，多次调制馈入点之间的相位及此相位的持续时间，可以显著的改善放电腔室内电磁场的均匀性。
附图说明
图1是射频电源馈入点分布图。
图2是PECVD放电腔结构示意图。
图3是PECVD放电腔内相位调制前后的电场分布图。
图4是PECVD放电腔内相位调制后不同加权平均后电场分布。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方法来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供了一种相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤S1、S2、S3，
步骤S1，提供具有射频电源的PECVD放电腔，所述PECVD放电腔的尺寸与所述射频电源波长的比值≥0.1，所述PECVD放电腔的顶壁设置有电极板，所述电极板上分布有包含若干馈入点的第一电源馈入组和第二电源馈入组，所述馈入点沿所述PECVD放电腔的对称轴对称分布；
步骤S2，通过相位调制器设置第一电源馈入组与第二电源馈入组的相位差
Figure 166574DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤S3，通过设置不同的相位差
Figure 525880DEST_PATH_IMAGE003
以及设置不同的持续时间
Figure 149759DEST_PATH_IMAGE004
，获得对应的电 磁场
Figure 543700DEST_PATH_IMAGE005
, 在
Figure 860412DEST_PATH_IMAGE006
得出
Figure 988905DEST_PATH_IMAGE007
的时间范围内对应平 均电磁场
Figure 227312DEST_PATH_IMAGE008
。
结合附图1和附图2详述如下：
对于步骤S1，提供一PECVD放电腔100，该放电腔的横截面可以为正方形、长方形、圆形等具有对称特性的形状, 如图1所示的PECVD放电腔100为矩形。PECVD放电腔的尺寸与射频电源的波长的比值≥0.1，该尺寸指的是腔体对角线的距离，例如，当射频电源的频率为40MHz时，PECVD放电腔的尺寸应＞0.75米。PECVD放电腔100腔体顶壁设置有激发气体放电产生等离子体的电极板120，所述电极板120上表面有两个电源馈入组，第一电源馈入组111直接与电源140相连，第二电源馈入组112经相位调制器130与电源140相连。电源140为射频电源，优选为甚高频电源。第一电源馈入组111与第二电源馈入组112均可包含多个馈入点，可以为大于2的任意个数，例如3、4、5等，所述馈入点沿PECVD放电腔的对称轴对称分布，如图1所示第一电源馈入组111包含馈入点111和131，第一电源馈入组112包含馈入点122和132。馈入点121、131、122、132分别延AA’和BB’对称分布。
对于步骤S2，对第一电源馈入组的馈入点121、131加电源
Figure DEST_PATH_IMAGE009
， 对第二电源馈入组的馈入点122、132加电源
Figure 679022DEST_PATH_IMAGE010
，其中，
Figure 166635DEST_PATH_IMAGE012
为射频电源 的角频率，Ez0为射频电源的输出电场沿z方向的幅值，此处因PECVD放电腔的腔体对称，故x 方向和y方向的电场可以忽略不计。通过相位调制器130调制使得所述第一电源馈入组111 与第二电源组112所加的信号相差一个特定的相位差
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，需要指出的是该
Figure 969375DEST_PATH_IMAGE002
的值可以被多次改变，即可以进行多次动态相位调制。该相位差
Figure 935057DEST_PATH_IMAGE002
的取值范围为-π≤
Figure 569169DEST_PATH_IMAGE002
≤π，优选地，
Figure 696525DEST_PATH_IMAGE002
可以为π/6、π/4、π/3、π/2、2π/3、3π/4、5π/6中的任何数值。
对于步骤S3，以图1所示的一具体实施例说明：射频电源的驱动频率为甚高频
Figure 51808DEST_PATH_IMAGE014
，等离子体有效介电常数
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，PECVD放电腔100的腔体内壁长度分别为 1400mm X 1400mm X 44mm,电极板120长度分别为1300mm X 1300mm X 8mm，电极板120与腔 体底壁101的距离D为28mm, 射频电源馈入点121、131、122、132均为半径为15mm高度为4mm 的圆柱，相邻馈入点的距离均为300mm，具体指121与131的距离、121与122的距离、122与132 的距离、131与132的距离。对前述情况采用时域有限差分（FDTD）的方法进行仿真，即把麦克 斯韦方程组在时间和空间领域上进行差分，利用蛙跳式算法对空间领域内电场和磁场进行 交替计算，通过时域上更新来模拟电磁场随时间的变化，该方法能够综合考虑计算区域内 的材料参数以及与之对应的材料分布区域，从而计算出三维空间内高精度的电磁场时空分 布。本发明中，通过该方法分别计算了
Figure 742552DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 434434DEST_PATH_IMAGE018
时，反应腔内电场竖直 分量（Z方向）的分布情况，如图3所示。在
Figure DEST_PATH_IMAGE019
时，电磁场的均匀性最好，而
Figure 935953DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
时电磁场的不均匀性由于相位差的存在遭到了不同程度的破坏，，其中
Figure 447706DEST_PATH_IMAGE020
时两种情况表现出的不均匀性关于基片中心对称，同样的情况在
Figure 7388DEST_PATH_IMAGE021
时也出现了。
射频电磁场在放电腔室以电磁波的形式存在，因此电磁场与其幅度、位置与初始相位相关，这里由于相位差的存在，从不同馈入点传播到放电腔室内的电磁波相位不同，电磁波在腔室内经过多次反射、折射后形成稳定的电磁场也不同，与无相位差相比，某些位置的电磁场有所增强，某此位位置的电磁场有所减弱，如图3所示。
然而对这几中情况进行加权平均后发现，电磁场分布的不均匀性有了明显的改善。于不同相位差对电磁场局部增强或削弱的作用不同，因此调整不同相位差的作用时间可以改变一定时间内平均电磁场。对于放电腔室内对工艺至关重要的离子等离子体，由质量重、惯性大，对电磁场的响应不敏感，时间较长。因此在等离子体响应时间内等离子体所响应的是平均电磁场，因此通过本发明的方法可以有效的改善等离子体响应的平均电磁场的均匀性。
由于射频电源对应的周期
Figure 101246DEST_PATH_IMAGE022
远远小于薄膜制备工艺中的等离子体响应时间（
Figure DEST_PATH_IMAGE023
），如
Figure 288514DEST_PATH_IMAGE024
的射频电源的周期仅
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，所以进一步地，针对具有不同的相位差 的情况可以设置不同的持续时间，在
Figure 287562DEST_PATH_IMAGE026
，再对各种相位 差所持续的时间下的电场强度进行加权平均，计算得出
Figure 648005DEST_PATH_IMAGE007
的时间范围内对应平均电 磁场
Figure 596370DEST_PATH_IMAGE008
。
图4列出了几种不同权重时加权平均后的电磁场分布结果，可以看出，对各相位差的持续时间进行合适的控制，可以进一步改善反应腔内电磁场的分布。
相位调制前，电磁场呈中间强两边弱的态势，但是通过简单的相位调制，即可显著 改善电磁场分布的均匀性。在上述几个调制相位差作用时间相同（即
Figure DEST_PATH_IMAGE027
）的所获取的电磁场，其均匀性与调制前相比即有明显的改善， 进而图4又给出了两组不同调制时间的电磁场，相较于调制时间相同的情况，电磁场的均匀 性有进一步的改善。
需要指出的是，本发明中所披露的动态调制相位的方法，可以在大面积的PECVD射频放电的反应腔内获得更为均匀分布的电磁场，对于甚高频的电源该技术效果将更加明显，对于甚高频电磁场，由于其驻波效应的影响，其均匀性遭到了严重的破坏，已有相当文献报道此现象。不经相位调制，要做到如图4未经相位调制的状态都有很大的挑战，通过动态相位调制，增加两边电磁场的相位差的作用时间，可以补偿两边较弱的电磁场。因此合适的调整相位差及与之对应的作用时间，可以获得更加均匀的电磁场。
毫无疑问，这对于获取更为均匀分布的等离子体进而制备更为均匀优质的薄膜起到重要作用，有着广泛的应用价值。
虽然本发明已以较佳的实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本法明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
第一步，提供具有射频电源的PECVD放电腔，所述PECVD放电腔的尺寸与所述射频电源波长的比值≥0.1，该尺寸指的是腔体对角线的距离，所述PECVD放电腔的顶壁设置有电极板，所述电极板上分布有包含若干馈入点的第一电源馈入组和第二电源馈入组，所述馈入点沿所述PECVD放电腔的对称轴对称分布；
第二步，通过相位调制器设置第一电源馈入组与第二电源馈入组的相位差Δφ；
第三步，通过设置不同的相位差Δφi以及设置不同的持续时间Δti，获得对应的电磁场E(Δφi)，在
Figure FDA0003422706170000011
得出
Figure FDA0003422706170000012
的时间范围内对应平均电磁场
Figure FDA0003422706170000013
TPR为等离子体响应时间(Plasma Response)。
2.根据权利要求1所述的相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，所述射频为甚高频。
3.根据权利要求1所述的相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，所述腔体的尺寸大于0.75米。
4.根据权利要求1所述的相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，所述相位差Δφ的范围是：-π≤Δφ≤π。
5.根据权利要求4所述的相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，所述相位差Δφ分别为π/6、π/4、π/3、π/2、2π/3、3π/4、5π/6。
6.根据权利要求1所述的相位调制改变PECVD放电腔内电磁场分布的方法，其特征在于，1ms≤所述等离子体响应时间≤100ms。
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