CN1879189A - 用于处理大面积矩形基板的高频等离子体反应器的电压非均匀性补偿方法 - Google Patents

用于处理大面积矩形基板的高频等离子体反应器的电压非均匀性补偿方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种真空处理设备和对于大面积和/或高频等离子体反应器中的电压和电场非均匀性的补偿方法。该方法一般适用于生产LCD、等离子体显示器和太阳能电池的矩形(或方形)大面积等离子体加工设备或任何其他使用电磁波(RF,VHF)进行加工的反应器。所述设备包括真空容器、至少两个限定内部加工空间的电极、至少一个能够与所述电极连接的电源、在所述内部加工空间内被处理基板的基板座以及进气口装置,其中,至少一个所述电极具有沿第一横截面凹陷的轮廓和沿第二横截面凸起的轮廓,且所述第一横截面平行于所述第二横截面。

Description

用于处理大面积矩形基板的高频等离子体反应器的 电压非均匀性补偿方法
技术领域
本发明涉及一种用于大面积和/或高频等离子体反应器的电压和电场非均匀性补偿方法。该方法一般适用于(但不限于)在LCD、等离子体显示器和太阳能电池的生产中使用的矩形(或正方形)大面积等离子体处理设备,或是任何其他使用电磁波(RF,VHF)进行加工的反应器。
背景技术
当今,工业中大多数情况下使用的射频发生器的标准频率为13.56MHz。国际电信规程规定,该频率可在工业中应用。然而,从等离子体电容器应用的早期阶段开始,便对更低或更高的频率进行了讨论,并希望将它们投入使用。当前,在PECVD(等离子体增强的化学气相淀积)应用中,有一种将RF频率值改变成高于13.56MHz的频率的趋势,其优选值为27.12MHz和40.68MHz(13.56MHz的谐波)。更高的频率允许在PECVD工艺中采用更高的淀积速度,从而提高了生产率,降低了产品成本。因此,本发明适用于1至100MHz范围内的RF频率,但是它与高于10MHz的频率最为相关。此外,也可以将本发明用于高达几个GHz的微波频率范围。
使用大面积等离子体加工设备时,当所述RF频率高于13.56MHz且使用了大尺寸(大的表面)的基板时,出现了一些严重的问题。如下所述,当平面型电容性反应器的最大尺寸(其对角线)等于或大于驱动等离子体的RF电功率的自由空间波长的3-5%时,本发明处理的问题便具有了实际的重要性。在这样的条件下,与RF电磁波的自由空间波长相比,所述反应器的尺寸不再是可忽略的因素。在这样的情况下,沿所述反应器的等离子体强度不再是均匀的。从物理上说,这种局限的根源在于所述RF波是根据所述反应器内的“驻波”空间振荡的开始进行分布的。在反应器中也可以出现其他的非均匀性,如由用于等离子体加工的反应气体引发的非均匀性。
相同申请人的美国专利US 6,228,438(以下称US `438)说明了解决驻波问题的不同方法,该驻波造成了反应器电极上的电压非均匀分布。美国专利6,631,692说明了一种等离子体CVD成膜装置,在其中,两个电极均具有凹的表面。根据美国专利6,631,692,这导致了更为均匀的等离子体,但是该文献没有研究以下说明的“驻波问题”。而US `438致力于研究圆柱对称的平行板反应器问题。尚没有现有技术研究致力于解决具有矩形或正方形基板和电极的方形盒状反应器的复杂补偿问题。
当在空腔内形成驻波时,由于等离子体维持于反应器间隙(处于阴极和阳极之间,在基板的上方)之中,电压的非均匀性分布可导致等离子体的非均匀性。取决于希望的应用(如淀积和蚀刻),这将导致对基板上的层的非均匀加工和或所述层的非均匀特性。也可以将本发明用于不一定使用等离子的反应器:如使用高频电磁波进行加热的反应器。
为理解和预测驻波问题,已进行了试验来确定这种非均匀性的形状和强度以及它对于反应器尺寸(大小)和激励频率的依赖性。US`438说明,驻波引发的非均匀性与反应器的大小和激励频率密切相关。在两种类型的反应器中进行了试验:
i)将较大的圆柱形反应器(直径为1m)用于定量研究,其中,在高频(67.8MHz和100MHz)处,由驻波引起的非均匀性非常明显。图1-a示出了用于两种极端的氩等离子体条件(压力和RF功率)的、横贯所述反应器直径测得的和规格化的等离子体光强度。在该试验中,选取等离子体条件,使得所有其他等离子体条件导致处于红色和绿色曲线之间的光强度分布。在没有等离子体时,可以将距离中心RF注入点为2400mm处的电场计为零。在67.8MHz处,通过在不同的功率和压力情况下点燃等离子体,可以在图1-a中看出,接近于零的等离子体密度出现在距反应器中心约450mm处。当存在等离子体时,这种均匀性的显著降低是由以下因素造成的:与真空计算相比,引发驻波的电磁波波长的减小,和等离子体的有效介电常数以及电极间间隙中的离子层分布(sheath distribution)。通过进一步将等离子体激励频率增加到100MHz,可以看出,所述等离子体光密度区已从图1-a中的400mm移到图1-b中的约300mm。
ii)用较小的矩形反应器(0.4m×0.4m)来衡量氩等离子体中的离子流均匀性。在图2-a、2-b和2-c中,示出了用等离子体中的离子流均匀性衡量的等离子体均匀性。这种离子流均匀性与电子和离子的密度均匀性直接相关。应当注意,等离子体的离子密度和电子密度均匀性是与等离子体加工均匀性最为相关的参数。从这些图中可看出,在13.6MHz处,等离子体是相当均匀的,而当激励频率增大到60MHz和81MHz时,变得不均匀了。这种非均匀性是由驻波效应造成的,当激励频率增大时,所述效应更为明显。该试验证据表明,由驻波造成的等离子体非均匀性取决于激励频率和反应器大小。换言之,它取决于激励波长和反应器典型尺寸之间的比例差(scalingdifference)。
已知的矩形案例中存在的问题:
US `438没有具体提及矩形反应器和非常大的反应器面积(>1m2,更典型的为3-4m2)的驻波问题,在所述面积中,产生了关于RF注入点的另一些实际问题。当反应器面积增加时,为将RF电流在几个点上分配,从而降低RF电流密度并降低由于过热和诸如熔化、机械变形、疲劳等等的热冲击造成的故障风险,需要增加受激励电极(阴极)上的注入点。
对于在PECVD生产中得到广泛使用的矩形反应器(用于诸如TFT显示器、等离子体显示器、太阳能电池等应用和设备),由于所述反应器角部或其电极的角部的各自强烈影响,因而由电磁波传播建立的驻波形式具有非圆柱对称的形状(该解决方案中,在沿所述电极的两个轴上仍然是对称的)。此外,等离子体区中的波形取决于RF注入的几何结构,同时,该注入发生在所述电极的背面。即使只使用一个正好处于反应器电极的背面中心位置的RF注入点,也必须考虑由于驻波而造成的角部影响。US `438中描述,补偿电介质层的形状基本为圆柱形几何结构,且该电介质层的厚度从中心向边缘递减。
严格地说,该方法优化了圆柱形几何结构的反应器,但是在使用矩形反应器时,它不能足够地补偿所述非均匀性。
发明内容
US `438的教导中,作为“最低程度”(阈值),给出了反应器尺寸(电极尺寸)和/或激励频率的某些参数量级,从这些量级起驻波开始对等离子体加工产生重要影响。为对该程度进行量化,可以用电极尺寸[m]与频率[MHz]的乘积给出的值“r×f”,其中,“尺寸”是指从(矩形或正方形)电极的中心起到其最远角部测得的距离。用几何术语来说,这代表了包围一个电极的各角部的虚拟圆的半径。
作为“最低程度”的实例,可以定义等离子体均匀性的2-4%的偏差范围。这种等离子体均匀性定义为反应器表面的电子密度或离子密度的均匀性。在某些情况下,不容易局部地测得所述电子和离子密度,因此代之以测量等离子体综合光强度(亮度),因为光强度与电子密度直接相关。从而,将等离子体亮度的均匀性作为一种衡量等离子体均匀性的方法(图2a和2b)。另一方面,一般假设等离子体密度(电子)与电极电压的平方成正比。因此,等离子体的2-4%的偏差范围意味着1-2%的电压偏差(为等离子体偏差值的一半)。应当强调,由于反应器内的化学平衡在很大程度上有助于薄膜加工的均匀性,因此等离子加工的均匀性不仅受到等离子体均匀性(电子和离子)单方面因素的影响。然而,在等离子体加工设备的设计中,要求至少在进行加工的整个表面上具有均匀的(均一的)等离子体。
用r×f来表示,该阈值处于5m·MHz(或5×106m·Hz)的量级内。此例与13.6MHz的频率和0.5m的反应器(电极)尺寸(半径或半对角线)相对应。
另一方面,“r×f”存在一个上限,其中,以下说明的技术发现了它的限定。该上限处于50m·MHz(或5×107m·Hz)的量级内。此外,对于激励频率也存在一个上限,目前这个上限处于2500MHz的量级内。
因此,根据本发明的真空处理设备包括真空容器、至少两个规定内部加工空间的电极和至少一个可连接到所述电极的电源。并且,在所述内部加工空间内提供了被处理基板的基板座和进气口装置(如根据喷头原理的装置)。至少一个所述电极沿第一横截面具有凹的轮廓,并且沿第二横截面具有凸的轮廓,且所述第一横截面平行于所述第二横截面。在以下部分,借助一些附图对此进行了详细说明。
在一个实施例中,容器中的两个所述电极中的每一个沿第一横截面具有凹的轮廓,并且沿第二横截面具有凸的轮廓,且所述第一横截面平行于所述第二横截面。有利之处是,可以将这些电极加工成相同的形状。所述电源可以是13.56MHz或更高频率的射频电源,在一个优选实施例中,该电源与这些电极中的至少一个电极可以在至少两个连接点处进行连接。根据本发明的另一个实施例,在所述基板和其中一个电极之间的空隙中至少部分地设置了矫正性的电介质层,该电介质层(另一个实施例)成为对电极的形状的补充,并适于支持基板。
为利用本发明,一种用于在这样的真空处理设备中处理至少一个平基板的方法包括以下步骤:将所述基板放置在内部加工空间中,通过进气口装置将气体引入内部加工空间,通过所述电极将电能加到内部加工空间,然后处理所述基板,包括对所述基板进行加热、镀覆或蚀刻。
附图说明
图1-a:67.8MHz激励频率时,对于两种极端氩等离子体条件在反应器直径上的等离子体光强度分布。
所有其他条件导致了处于这两条曲线之间的光强度分布。由驻波效应引发的等离子体密度变化很明显,在67.8MHz的频率处,如图所示,驻波效应导致了半径=400mm处的接近于零密度的等离子体。在所述试验条件下,在没有等离子体时,预测密度降低到零的位置在r=2400mm处。这表明等离子体的存在增强了驻波效应,导致所述场的强度在更小的半径上降低为零(r~450mm)。
图1-b:100MHz激励频率时,对于处于10和500mbar之间的压力级(在PECVD范围中)的各种等离子体放电条件和现有技术的扁平电极,在反应器直径上的等离子体光强度分布。注意67.8MHz的最小光强度位置(图2-a中约为450mm)与100MHz的的最小光强度位置(图2-b中约为300mm)之间的偏移。
图2-a、2-b和2-c:对于3种不同激励频率,通过电极(64=8×8个电极)测得的0.4m×0.4m的反应器的等离子体离子流(Ji)的均匀性分布。2a:13.6MHz处点燃的等离子体,2b:60MHz处点燃的等离子体,2c:81.4MHz处点燃的等离子体。
图3-a:矩形反应器的电极的3-D形状。将玻璃放置在CDL上。从而,CDL处于玻璃和电极之间。注意,最小的CDL厚度可大于零,这意味着玻璃基板不一定直接放置在电极上。
图3-b:本发明电极的3-D形状。CDL是所述电极的补充部分(即所述电极的“反面”)。
图3-c:当沿图3-b中的从F至C的直线移动时,电极的表面一般具有凸的形状(在AFD中),然后,该形状渐渐地变成了凹的(在ECH中)。对所有朝向中心C的、形成半长度点(E、F、G、H)的对应移动而言,情况相同。在图3-c中,也可以看出,电极在E和H处最厚,在F和G处变薄,在A、B、D处进一步变薄,在C处最薄。
图3-d:电极形状的另一示图。
图3-e:示出了现有技术(浅灰色)与本发明(深灰色)的电极形状之间的差异。与本发明的与凸曲线边缘相交不同,US `438的高斯曲线与凹曲线的边缘相交。从而,反应器角部中的等离子体非均匀性没有得到补偿。
图4:反应器及补偿配置的变体1。
图5:反应器及补偿配置的变体2。
图6:反应器及补偿配置的变体3。在这种情况下,重要的是基板与电极的金属部分接触,否则等离子体会填充这两者之间的空间并破坏补偿效应。该图放大了边缘处的距离。
图7:反应器及补偿配置的变体4。
图8a:CDL形状的轮廓线(俯视图)。这些轮廓线说明了怎样对电极进行加工。
图8b:CDL和电极组合的侧视图。选择台阶数,以使理想形状与近似的台阶形状之间的差异最小化。
本发明的解决方案
本发明引入了一种对于矩形或正方形反应器中的驻波问题的补偿方案。该补偿建立在补偿性电介质层(以下称CDL或“透镜”)基础上。所述CDL层可以由包括真空、气体、液体或固体的任何电介质材料制成。在朝向等离子体的一侧,所述CDL具有扁平表面,而在朝向电极一侧,具有经过复杂弯曲的表面。
如果将CDL的这种经过复杂弯曲的表面看成几何意义上的正,则电极的所述表面便形成了与之对应的几何意义上的负(图3-a)。为容纳本发明的CDL层,需要对电极形状进行相应的加工。以下,应当对电极的弯曲表面(它实质上与CDL上的反向表面相同)进行说明。
与用于圆柱对称的反应器的相当平滑的、凹的和形状规则的透镜(如US `438中所述)相反,我们发现,用于矩形几何形状中的补偿长度的最佳设计并不如此简单。我们在下面说明这种最佳的几何形状。
将具有最大电极厚度的平面作为基准,该平面放置在图3-b中的点E和H之间,并与XY平面平行。这并不意味着CDL在点H和E处厚度为零,而要取决于使用何种电介质材料。(图3-a、3-b和3-d)。在图3-b中,描述了四种电极厚度轮廓:截面AFD和ECH与YZ平面平行(短边方向),且截面AEB和FCG处于XZ平面内(长边方向)。C位于电极中心,而E、F、G和H分别位于各自所在边的半长度处。
在电极中心处CDL的厚度为最厚,电极上的最大厚度减少发生在该中心处,因此,电极在C处最薄。电极在E和H处最厚(长边的半长度)。从而,所述电极的厚度从E和H到F和G到A、B和D一直到C连续减少。
图3-c还描绘了容纳CDL的矩形电极的必要形状:当沿直线从F移动到C时,电极表面一般为凸的形状(在AFD中)逐渐变为凹的(在ECH中)。对所有朝向中心C的、形成半长度点(E、F、G、H)的对应移动而言,情况相同。在图3-c中也可以看出,电极在E和H处最厚,在F和G处变薄,在A、B、D处进一步变薄,在C处最薄。
对于正方形反应器,CF与CE等长,且AD与AB等长,可以很容易地推出,电极在E、F、G和H处厚度相等,并且电极在这些点处的厚度大于其在A、B和D处的厚度。
典型的CDL尺寸可以是:
-X、Y方向(长度、宽度)的尺寸为0至5m
-Z方向的尺寸通常为几个毫米(但是,对于大型装置和较高频率,也可以高达几个厘米)。
图3-c示出一个数字例:对于用真空形成的CDL和27MHz的激励频率,AB=2.2m,AD=2m,最大间隙(dmax)为3.2毫米量级。
图3-e示出现有技术(US `438)的简单调整与本发明之间的差异:CDL的形状不是让矩形电极改为高斯曲线(浅灰色)的形状,而是本发明精心设计的形状(黑色),该形状采取了特别的措施来补偿矩形反应器角部中的等离子体非均匀性。
具体实施方式
本发明致力于提供一种具有经过补偿的底部电极和使用真空(或气体)作为电介质的解决方案。也可采用电介质补偿的其他实施例和反应器配置的不同变体:
-可以使用两种反应器配置:I)可以将CDL用于通常用作基板座的底部电极,II)可以将CDL用于顶部电极,该电极通常作为用于等离子加工目的(PECVD、PVD、蚀刻和其他这样的工艺)的所谓的气体喷头。
增加在两个电极上均设置透镜的方案是有益的。在该方案中,每个透镜的厚度可以是单个电极中的一个透镜厚度的一半。该方案还提供了在反应器的对称性方面的(两个电极是相同的)一些优点。它还能够减小由电极形状导致的电场径向分量的幅值。当所述透镜变厚或当等离子体变成高导电性物质(低压下的高密度等离子体)时,该径向电场会成为均匀性方面的限制因素。
还有两种主要的CDL实施例可供使用:I)所述电介质可以为真空或气体(具有近似为1的相对介电常数εr,)II)或者,它可以填充合适的电介质材料(εr>1),如氧化铝、氧化锆、石英或任何其他能满足目标加工的热和化学兼容性规定的材料。
通过将上述变体进行组合,最后可汇总得到四个主要的实施例:
-变体1(图4):CDL放置在顶部电极之中,且真空作为主电介质。在这种情况下,为维持具有均匀间隙(Z轴方向上的等离子体厚度)的等离子体,可以在顶部电极上使用电介质板。加工气体从顶部电极开始,经过给定的分配装置(喷头),然后流过所述电介质板,在所述电介质板中,分布了合适的孔洞,以便让所述气体通过并到达等离子体区。
-变体2(图5):CDL放置在顶部电极之中,且使用了一种电介质材料(εr>1)。该电介质材料可以是多孔的,以便让所述气体通过而到达等离子体区,或者,可以在该材料上加工一些散布的小孔来实现同样目的。
-变体3(图6):CDL放置在底部电极区域中。将真空用作电介质,并将基板作为在整个反应器体积内维持恒定的等离子体间隙的手段。通常将基板设置在电介质上方,并放置在支柱上,这些支柱的分布方式使基板处于基本平直的位置。为了给基板提供足够的支持,规定了支柱的分布方式,使得支柱到支柱的距离在100mm的量级,以便在温度为约300℃时维持通常为0.7mm厚的玻璃基板的平直性。所述支柱设计得对等离子体的性能的影响尽可能小,因为这种影响将直接干扰在所述基板上加工的膜,从而影响膜的局部缺陷(厚度、电性能)。已经发现,使用细小的支柱(通常r<2mm)能将这种影响减少到<2%的程度。(也可参阅DE10134513 A1)
-变体4(图7):CDL在底部电极之中成形,并使用一种电介质材料(εr>1)。
-变体5:CDL在底部电极之中成形,并使用一种电介质材料组合(εr=1和εr>1)。
显然,对本领域技术人员而言,可以将几乎所有这些变体进行重新组合。
由于CDL的形状相当复杂,因而容纳CDL的电极的形状也同样复杂。在实践中,为节省加工成本,可以用给定高度的更为简单的台阶近似来加工包含CDL和/或CDL的电介质材料的电极。在这些台阶不影响等离子加工的前提下,可以给出正确确定所述电极形状所需的台阶数目。在PECVD中,实际的台阶高度不应超过0.1mm。因此对于3mm的CDL,应当加工至少30级0.1mm高的台阶。
实际上,我们可以更为一般地估算台阶数。我们可以根据所想要的均匀性来估计所需的台阶数。对于扁平电极,如果Uflat为电场均匀性,则对于n级台阶,可以通过Uflat/(nsteps+1)来给出所述均匀性的估计,即如果Uflat=10%,则9级台阶可提供1%的均匀性。
在图8-a中,示出了一例轮廓线。可以用这些轮廓线来规定要加工的台阶的位置。从而,可以简化生产过程。在图8-b中示出了与之对应的截面图。
本发明的另一些优点
也可以将本发明的CDL层和对应的电极用于其他工艺,这些工艺不一定指等离子体工艺。可以将其应用于电磁波加热(或烘干)室。在这样的应用中,所述工艺可以是加热工艺,且通过CDL进行的电场非均匀性补偿将有助于实现均匀的温度分布。
通过用本发明实现均匀的等离子体密度,对LCD、等离子体显示器或半导体应用中使用的各层而言,一个非常关键的参数是所谓的湿蚀刻速度均匀性,该均匀性与层的化学计量紧密相关:本发明导致了在整个基板区域内各层的更为均匀的湿蚀刻速度,因此可以减小层的总厚度并在PECVD淀积与干或湿蚀刻工艺中节省成本。
通过得到更为均匀的等离子体分布,本发明形成了一系列优势,这些优势是由于增强的层均匀性和层厚度均匀性造成的:可以实现在整个基板区域内实现更高的半导体层掺杂均匀性。例如,在LCD技术中,以更均匀的方式蚀刻了更为均匀的各层,而这对后沟道(backchannel)蚀刻优化而言是一个优势,从而导致了更薄的掺杂层、更薄的HDR层、更短的蚀刻时间、更好的迁移率和一般而言更低的生产成本。
此外,PECVD工艺中的一个关键问题是对将基板从底部电极升起的支柱(即相对于所述的支撑支柱的移动支柱)的配置问题。用这些移动支柱在工艺的不同阶段来升起基板(例如在衬垫的装入和卸下过程中),从而,需要可靠地设计这些支柱,以便使它们不发生断裂。在标准的反应器中,这些移动支柱的存在可能对膜的生长造成干扰(通过温度非均匀性、静电场扰动),而这将导致非均匀的蚀刻速度。如果所述支柱配置在装置的工作区内或与之接近(如配置在LCD TFT阵列的工作区内),则这种影响更令人困扰。而使用本发明,基板之下的电介质透镜在很大程度上减小了移动支柱干扰的影响。从而,本发明允许使用更大直径的支柱来实施更为可靠的支柱设计方案。应当强调,可以将静态的支柱(如图6所示)制造得足够小,以将其对工艺的干扰降低到可忽略的程度。

Claims (13)

1.一种真空处理设备,包括:一个真空容器;至少两个限定内部加工空间的电极;至少一个能与所述电极连接的电源;在所述内部加工空间内被处理基板的基板座;以及进气口装置,其中,所述电极中至少一个具有沿第一横截面凹陷的轮廓和沿第二横截面凸起的轮廓,且所述第一横截面平行于所述第二横截面。
2.如权利要求1所述的真空处理设备,其中,两个所述电极各有沿第一横截面凹陷的轮廓和沿第二横截面凸起的轮廓,且所述第一横截面平行于所述第二横截面。
3.如权利要求2所述的真空处理设备,其中,所述电极成为相同的形状。
4.如权利要求1所述的真空处理设备,其中,所述电源是用于13.56MHz或更高频率的射频电源。
5.如权利要求1所述的真空处理设备,其中,至少一个所述电极能与所述电源在至少两个连接点处进行连接。
6.如权利要求1所述的真空处理设备,其中,所述基板与其中一个电极之间的空间中至少部分地设有矫正电介质层。
7.如权利要求6所述的真空处理设备,其中,所述矫正电介质层的一个表面补充所述电极的形状。
8.如权利要求6所述的真空处理设备,其中,所述矫正电介质层的一个表面被进行修改,以支持所述基板。
9.如权利要求6所述的真空处理设备,其中,所述矫正电介质层包括真空、气体、氧化铝、氧化锆或石英。
10.如权利要求1和/或6所述的真空处理设备,其中,所述进气系统包含在电极和/或所述矫正电介质层中的一组孔,以向所述内部加工空间供给气体。
11.一种在如权利要求1所述的真空处理设备中处理至少一个扁平基板的方法,包括以下步骤:
-将所述基板放入限定于至少两个电极之间的内部加工空间,
-将气体通过进气口装置供给所述内部加工空间,
-经由所述电极将电能施加到所述内部加工空间,
-处理所述基板。
12.如权利要求11所述的方法,其中,所述处理包括加热、镀覆或蚀刻中的一种。
13.如权利要求11所述的方法,其中,所述基板包括玻璃基板、平板显示器、半导体基板中的一种。
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