TW201621968A - 大面積電漿處理裝置與均勻電漿生成方法 - Google Patents

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Abstract

一種防止異常放電之大面積電漿處理裝置，包括一超高頻電源、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、二平行平板電極及一可變電容器。該180°相位差功率分配器與該匹配箱電性連接，接收從該超高頻電源傳來之超高頻電力，將超高頻電力轉換為180°相位差電位超高頻電力。該等平行平板電極分別以一同軸電纜線與該180°相位差功率分配器電性連接，以接收180°相位差之超高頻電力。藉由上述結構可節省不必要的異常放電耗損電費，更能獲得高均勻度膜厚之大面積高品質功能性薄膜。本發明亦揭露一種均勻電漿生成方法。

Description

大面積電漿處理裝置與均勻電漿生成方法
本發明係為利用放電用氣體的輝光放電所產生的電漿，應用在基板表面擬實施之各種機能化處理的大面積電漿處理裝置與均勻電漿生成方法。特別是一種以頻率30MHz - 300MHz的超高頻電源作為產生放電用氣體之輝光放電條件下，產生電漿或反應性電漿的大面積電漿處理裝置與均勻電漿生成方法。
對於真空容器內設置2片平行平板電極的裝置而言，從同軸電纜供給超高頻電力(通常的射頻頻率為13.56MHz)於電極中央的周邊多點供給方法，以達到薄膜的均勻目的。
為了提升製膜速度(或蝕刻速度)，專家們提出了以超高頻電力(30MHz~300MHz)作為電漿源的方案，以致逐漸被廣泛需求與應用。然而在使用超高頻率即提高頻率降低波長(變短)時，電漿分佈會因波長變短相對需要增加基板尺寸時，容易產生駐波效應。換言之，在超高頻率領域下供給電力之同軸電纜線外部導體容易放出電磁波，產生天線效應，在電纜線周邊發生異常放電，使得在大面積沉積的薄膜均勻性不易達成。
為了避免異常放電發生，傳統手法多半在電纜線上覆蓋一層以上絕緣體以防止異常放電。但上述手法雖然可以阻止部分纜線上的放電，但無法有效避免纜線和真空容器等的異常放電所造成的電力消耗。
舉例，製作大面積高品質之矽薄膜太陽能電池設備所需功能性條件的要求，在於能製作1m×1m以上大面積均勻度良好的製程設備。例如使用60MHz超高頻電漿源之電磁波波長為5m，電極寬度設計應為5mx1/8波長以下寬度，即電極寬度大於62cm時，放電電極上會形成駐波效應，放電電壓會不穩定，電漿分佈也變得不均勻。
為了解決上述問題，可採用下列之一方法解決：
1.放電電極採用金屬球鏡面，使電漿分佈均勻化。
2.採用180。 相位差功率分配器所產生的正負180度相位差之超高頻電力，平行供給兩枚平行平板電極，將正負兩相平行供電之同軸電纜外皮導體所產生之電磁波相互抵消，以減少電磁波產生的方法，而得到較穩定且均勻之電漿，使薄膜均勻化等對策。
因此，如何設計出一種能防止異常放電裝置所獲得大面積高密度穩定且均勻電漿的方法，以解決目前光電半導體製程所遇到的大面積化薄膜製程優化相關問題，特別是相關設備廠商以及研發人員所共同期待的目標。
本發明人有鑑於習知電漿處理裝置無法防止異常放電，使電漿穩定度及分布均勻性不佳而影響製程品質和產品功能性。更減少因異常放電所導致巨大不必要的額外電力支出和裝置成本負擔。乃積極著手進行開發改善相關關鍵技術，以期可以解決上述既有之缺點，經過一年多來的努力，終於成功完成本發明。
本發明之第一目的，係提供一種防止異常放電，且能提高製程與產品品質及降低製造成本之大面積電漿處理裝置。
為了達成上述之目的，本發明之大面積電漿處理裝置，係包括一超高頻電源(VHF Power 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)、二平行電極平板(Pair of Parallel Electrodes)以及一可變電容器(Variable Capacitance)。
該超高頻電源係提供超高頻電力。該功率放大器係與該超高頻電源電性連接。該匹配箱係與該功率放大器電性連接。該180。 相位差功率分配器係與該匹配箱電性連接，並接收從該超高頻電源傳來，經過該功率放大器以及該匹配箱之超高頻電力，並將超高頻電力轉換為正負~180度相位差電位電力。該示波器係與該180。 相位差功率分配器連結。該示波器擷取一電力供應系統之回饋訊息。
該等平行平板電極，係設置於該真空容器內，且該等平行平板電極係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器電性連接，以接收正負~180度相位差電位之超高頻電力，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭導入該真空容器內。
該可變電容器係以二同軸電纜線與該等平行平板電極尾端連接，並與該等平行平板電極形成並聯，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭導入該真空容器內。
本發明之第二目的，係提供一種防止異常放電，且能提高製程與產品品質及降低製造成本之均勻電漿生成方法。
為了達成上述之目的，本發明之均勻電漿生成方法係包括步驟：      設置一超高頻電源，以提供超高頻電力； 設置一與該超高頻電源電性連接之功率放大器，以放大該超高頻電力之功率； 設置一與該功率放大器電性連接之匹配箱，調整阻抗匹配； 設置一與該匹配箱連接之180。 相位差功率分配器，以將該超高頻電力轉換為正負~180度相位差電位電力； 將二平行平板電極設置於一真空容器內，且該等平行平板電極係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器電性連接，該等平行平板電極分別接收正負~180度相位差電位之超高頻電力；以及 在該真空容器外設置一可變電容器，該可變電容器係以二同軸電纜線分別與該等平行平板電極連接，並與該等平行平板電極形成並聯。
藉由上述之裝置與方法，本發明可獲得大面積高密度之穩定性之均勻性電漿源，並有效防止異常放電，改善先前不能解決異常放電問題，提高使用電漿之製程技術與產品品質，間接或直接的降低設備與產品製造成本。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的，兹配合圖式將本發明之較佳實施例詳細說明如下。
請參考圖1所示，本發明之大面積電漿處理裝置(1) ，係包括一超高頻電源(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)、二平行平板電極 (16)以及一可變電容器(17)。
該超高頻電源(10)係提供超高頻電力。該功率放大器(11)係與該超高頻電源(10)電性連接。該匹配箱(12)係與該功率放大器(11)電性連接。該180。 相位差功率分配器(13)係與該匹配箱(12)電性連接，並接收從該超高頻電源(10)傳來，經過該功率放大器(11)以及該匹配箱(12)之超高頻電力，並將超高頻電力轉換為正負~180度相位差電位。該示波器(14)係與該180。 相位差功率分配器(13)連結。該示波器(14)擷取一電力供應系統(圖未示)之回饋訊息。
該等平行平板電極 (16)係設置於該真空容器(15)內，且該等平行平板電極 (16)係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極 (16)分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器(13)電性連接，以接收正負180度相位差電位之超高頻電力，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭(2)導入該真空容器(15)內。
該可變電容器(17)係以二同軸電纜線分別與該等平行平板電極 (16)連接，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭(2)導入該真空容器(15)內。該等同軸電纜線係分別與該等平行平板電極 (16)之中央供電點連接。由於電磁波的速度會跟該可變電容器(17)之電容值的介電係數成反比，所以藉由改變該可變電容器(17)之電容值改變其中一枚平行電極平板(16)的電磁波速度，以避免駐波效應的發生。
該真空容器(15)內之該等同軸電纜線到該等平行平板電極 (16)之中央供電端點為之的長度係小於該等平行平板電極 (15)的電磁波波長的1/8。該真空容器(15)更包括一反應氣體入口(150)以及一排氣系統(151)，該反應氣體入口(150)係導入氣體至該真空容器(15)內，該排氣系統(151)係排出該真空容器(15)內之氣體。
該等平行平板電極 (16)供電端點的相反端接上該可變電容器(17)作為負載，該可變電容器(17)之可變電容值範圍約為30~50皮法拉(picofarad，pF)，藉由該可變電容器(17)控制在該等平行平板電極 (16)間所形成的駐波分佈，使電漿分布達到均勻化(薄膜的大面積均勻化)。該可變電容器(17)的容量為將該等平行平板電極 (16)面積設為S、該等平行平板電極 (16)間距設為d，則可得該可變電容器(17)的容量C0 =ε0 S/d(ε0 為真空的介電常數)。C 則設置在由該等平行平板電極 (16)的構造決定之C0 附近。
請參考圖2所示，本發明在利用離子飽和電流分佈測量獲得60MHz電漿在10mm電極短間隙及60~120Pa壓力，功率為100W、150W以及 200W的條件下，所獲得大面積(300mmx400mm) 超高頻(Very High Frequency-VHF)高密度(1015 m-3 )氫電漿的分布均勻性約為±4％，這個成果有利於微晶矽等薄膜的製造條件。
請參考圖1以及圖3所示，本發明之均勻電漿生成方法(3) ，係包括步驟： 步驟300：設置一超高頻電源(10)，以提供超高頻電力； 步驟301：設置一與該超高頻電源(10)電性連接之功率放大器(11)，以放大該超高頻電力之功率； 步驟302：設置一與該功率放大器(11)電性連接之匹配箱(12)，調整阻抗匹配； 步驟303：設置一與該匹配箱(12)連接之180。 相位差功率分配器(13)，以將該超高頻電力轉換為正負 180度相位差電位； 步驟304：將二平行平板電極(16)設置於一真空容器(15)內，且該等平行平板電極(16)係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極(16)分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器(13)電性連接，該等平行平板電極(16)分別接收正負180度相位差電位之超高頻電力；以及 步驟305：在該真空容器(15)外設置一可變電容器(17)，該可變電容器(17)係以二同軸電纜線分別與該等平行平板電極(16)連接，並與該等平行平板電極(16)形成並聯。
在本發明之一較佳實施例中，該等同軸電纜線係分別與該等平行電極平板(16)之中央供電端點連接，該真空容器(15)內之該等同軸電纜線到該等平行平板電極(16)之中央供電端點為之的長度係小於該等平行平板電極(16)的電磁波波長的1/8，該可變電容器(17)之可變電容值範圍為30~50皮法拉。
透過上述之大面積電漿處理裝置與均勻電漿生成方法，本發明不但有效防止異常放電，可提供大面積高均勻分佈且穩定性良好的高密度離子和低離子能量之電漿。可節省不必要的異常放電耗損電費，更能獲得高膜厚均勻度之大面積高品質功能性薄膜。更可大大降低設備投資及產品製作成本，提高使用電漿之製程效率與產品品質，且具降低設備與產品製造成本之效果。再者，其結構型態並非所屬技術領域中之人士所能輕易思及而達成者，實具有新穎性以及進步性無疑。
透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
(1)‧‧‧大面積電漿處理裝置
(10)‧‧‧超高頻電源
(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)‧‧‧反應氣體入口
(151)‧‧‧排氣系統
(16)‧‧‧平行平板電極
(17)‧‧‧可變電容器
(2)‧‧‧雙極真空電源接頭
(3)‧‧‧均勻電漿生成方法
300‧‧‧步驟
301‧‧‧步驟
302‧‧‧步驟
303‧‧‧步驟
304‧‧‧步驟
305‧‧‧步驟
圖1係本發明之大面積電漿處理裝置之示意圖。 圖2係本發明之防止異常放電之電漿處理裝置之氫氣電漿的分佈均勻性與工作壓力關係成果圖。 圖3係本發明之均勻電漿生成方法之方法流程圖。
(1)‧‧‧大面積電漿處理裝置
(10)‧‧‧超高頻電源
(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)‧‧‧反應氣體入口
(151)‧‧‧排氣系統
(16)‧‧‧平行平板電極
(17)‧‧‧可變電容器
(2)‧‧‧雙極真空電源接頭

Claims (10)

  1. 一種大面積電漿處理裝置，係包括： 一超高頻電源，係提供超高頻電力； 一功率放大器，係與該超高頻電源電性連接； 一匹配箱，係與該功率放大器電性連接，以調整阻抗匹配； 一180。 相位差功率分配器，係與該匹配箱電性連接，並接收從該超高頻電源傳來，經過該功率放大器以及該匹配箱之超高頻電力，並將超高頻電力轉換為正負180度相位差電位； 一示波器，係與該180。 相位差功率分配器連結； 一真空容器； 二平行平板電極，係設置於該真空容器內，且該等平行平板電極係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器電性連接，以接收正負180度相位差電位之超高頻電力，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭導入該真空容器內；以及 一可變電容器，係以二同軸電纜線分別與該等平行平板電極連接，並與該等平行平板電極形成並聯，其中該等同軸電纜線係分別透過一雙極真空電源接頭導入該真空容器內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之大面積電漿處理裝置，其中該等同軸電纜線係分別與該等平行電極平板之中央供電端點連接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之大面積電漿處理裝置，其中該真空容器內之該等同軸電纜線到該等平行平板電極之中央供電端點為之的長度係小於該等平行平板電極的電磁波波長的1/8。
  4. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之大面積電漿處理裝置，其中該真空容器更包括一反應氣體入口以及一排氣系統，該反應氣體入口係導入氣體至該真空容器內，該排氣系統係排出該真空容器內之氣體。
  5. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之大面積電漿處理裝置，其中該可變電容器之可變電容值範圍為30~50皮法拉。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之大面積電漿處理裝置，其中該可變電容器之可變電容值範圍為30~50皮法拉。
  7. 一種均勻電漿生成方法，係包括步驟： 設置一超高頻電源，以提供超高頻電力； 設置一與該超高頻電源電性連接之功率放大器，以放大該超高頻電力之功率； 設置一與該功率放大器電性連接之匹配箱，調整阻抗匹配； 設置一與該匹配箱連接之180。 相位差功率分配器，以將該超高頻電力轉換為正負0度~180度相位差電位； 將二平行平板電極設置於一真空容器內，且該等平行平板電極係非接地重疊，呈絕緣懸浮，且互相平行，該等平行平板電極分別以一同軸電纜線與該180。 相位差功率分配器電性連接，該等平行平板電極分別接收正負0度~180度相位差電位之超高頻電力；以及 在該真空容器外設置一可變電容器，該可變電容器係以二同軸電纜線分別與該等平行平板電極連接，並與該等平行平板電極形成並聯。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之均勻電漿生成方法，其中該等同軸電纜線係分別與該等平行電極平板之中央供電端點連接。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之均勻電漿生成方法，其中該真空容器內之該等同軸電纜線到該等平行平板電極之中央供電端點為之的長度係小於該等平行平板電極的電磁波波長的1/8。
  10. 如申請專利範圍第7至9項任一項所述之均勻電漿生成方法，其中該可變電容器之可變電容值範圍為30~50皮法拉。
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