TWI432100B - 電漿產生裝置 - Google Patents

Description

電漿產生裝置

本發明是有關於一種電漿產生裝置，且特別是有關於一種以射頻電磁波產生電漿之電漿產生裝置。

電漿產生裝置在薄膜太陽能電池、液晶顯示器及半導體晶圓等產品的製造過程中可以進行薄膜沈積、蝕刻等製程。因此電漿產生裝置在上述產品中是極為重要之關鍵設備。然而，當電漿產生裝置之上電極板的尺寸與射頻電磁波之波長接近時，射頻電磁波將會產生駐波現象。駐波現象將會導致電漿分佈極為不均勻，最終造成鍍膜不均勻或蝕刻不均勻等問題。尤其在射頻電磁波的頻率增加時，駐波效應更是顯著。為了避免駐波現象的發生，企業界便提出以下數篇專利。

百瑟系統公司(Unaxis)提出美國第US 7,487,740號專利，此篇專利主要利用修改上/下電極板之形狀的方式(shaped electrode)來消除駐波效應。該設計是利用駐波產生時，靠近上電極板中央位置的射頻電壓會較大而往兩旁遞減的現象，透過理論計算將上電極板設計成兩旁微凹向下的特殊形狀，同時在上電極板與電漿間用一介電窗來區隔，而下電極板則維持平坦形狀，以獲得在上電極板與下電極板之間中有均勻之電場分佈，以產生均勻的電漿。亦或者反過來，修改下電極板具微凹向上的曲率，並再置入一層絕緣材料以使得整體表面具有良好的平坦 性。然而，無論是修改上電極板或下電極板的形狀，這些上電極板或下電極板的形狀均必須針對特定射頻電磁波的頻率所設計，一旦改變射頻電磁波的頻率或者在不同製程壓力或不同電漿密度底下便無法適用。

另外，日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries，MHI)則提出美國第US 7,141,516號專利。此篇專利主要是以柵狀上電極(Ladder-Shape)來取代平板狀上電極板。此技術最大特點在於利用相位調變(Phase Modulation)方法將射頻功率分別由柵狀上電極的兩側引入，並以兩個相變化器將兩個輸入電源之間的相位差隨時間做週期性的變化(0°~360°)。如此可使得所產生的駐波節點隨時間位移。當相位差改變的頻率夠快時，對時間平均的電場/電漿密度即可達到均勻分佈的目的。然而，此種作法必須提供兩組電源及兩組相變化器，徒增許多設備成本。

此外，日本三菱重工更提出美國第US 6,417,079號專利。此篇專利主要是利用在柵狀上電極的另一端加裝假負載，以使得射頻電磁波傳遞到假負載時被吸收掉而不會產生反射波，如此便可避免駐波的產生。然而，假負載將會損耗相當多上電極的功率，造成能源的浪費。

本發明係有關於一種電漿產生裝置，其利用兩個以上成對的阻抗調變器來調節電漿，使得射頻電磁波所產生之駐波節點會隨著時間作週期性移動，對時間平均而言，便 能產生均勻的電漿分佈。

根據本發明之一方面，提出一種電漿產生裝置。電漿產生裝置包括一電漿處理腔體、一上電極板、一下電極板以承載基板及至少兩個阻抗調變器。上電極板係用以連接一射頻電源。此些阻抗調變器兩兩成對。各個阻抗調變器具有一阻抗調變值曲線。此些阻抗調變器係並聯於上電極板之對稱處。其中，各個阻抗調變值曲線隨時間變化，且此些阻抗調變值曲線之一並聯等效阻抗值曲線隨時間固定。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉諸項實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略不必要之元件，以清楚顯示本發明之技術特點。

第一實施例

請參照第1圖，其繪示本發明第一實施例之電漿產生裝置100之示意圖。電漿產生裝置100包括一電漿處理腔體110、一上電極板120、一下電極板130、一第一阻抗調變器141、一第二阻抗調變器142、一射頻電源150、一排氣孔及一抽氣幫浦(排氣孔及抽氣幫浦未繪示)。上電極板120及下電極板130平行設置於電漿處理腔體110內之 上下兩側。上電極板120連接射頻電源150。通常，射頻電源150施加於上電極板，而下電極可直接接地或電性浮接。製程氣體由氣體注入口(未圖示)輸入至電漿處理腔體110中。當射頻電源150輸出足夠射頻功率時，將於上電極板120以及下電極板130之間產生並維持電漿。製程基板900(例如是待加工之半導體晶圓或待加工成為顯示面板、太陽能電池板之玻璃基板等)係放置於下電極130上，以透過電漿進行各種製程。抽氣幫浦透過排氣孔將反應後氣體抽出。成對之第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142係設置於上電極板120或下電極板130兩側之對稱處(第1圖所繪示係為設放置於上電極板120之實施例)。第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142皆為可變電容。

請參照第2圖，其繪示第1圖之上電極板120及第一~第二阻抗調變器141~142之俯視圖。上電極板120係為一矩形結構或一圓形結構。在本實施例中，上電極板120係為矩形結構。上電極板120具有一第一側邊L1、一第二側邊L2、一第三側邊L3及一第四側邊L4。第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142並聯於上電極板120的對稱位置。如第2圖所示，第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142之連線L12穿越上電極板120之中心C。在本實施例中，第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142分別電性連接於相對應之第一側邊L1的中點L10及第二側邊L2的中點L20。

請參照第3A圖，其繪示第一實施例之第一、第二阻抗調變值曲線V1、V2之變化圖。第一阻抗調變器141具 有隨時間週期變化之一第一阻抗調變值曲線V1，第二阻抗調變器142具有隨時間變化之一第二阻抗調變值曲線V2。

以第3A圖為例，在時間點t0~t3的時間區間內，第一阻抗調變值曲線V1由最大值Zmax直線遞減至最小值Zmin，再由最小值Zmin直線遞增至最大值Zmax，然後再由最大值Zmax直線遞減至最小值Zmin，依此類推。相反的，第二阻抗調變值曲線V2則是由最小值Zmin直線遞增至最大值Zmax，再由最大值Zmax直線遞減至最小值Zmin，然後再由最小值Zmin直線遞增至最大值Zmax，依此類推。所以，在同一時間區間內，第一阻抗調變值曲線V1遞減時，第二阻抗調變值曲線V2遞增；第一阻抗調變值曲線V1遞增時，第二阻抗調變值曲線V2遞減。

如此反覆的週期變化，使得射頻電磁波所產生之駐波節點會隨著時間作週期性移動，對時間平均而言，便能產生均勻的電漿分佈，這也是此阻抗調變所欲達到的功能。而阻抗調變的變化頻率範圍是可視情況做調整的，以達到製程的最佳化，例如在第一、第二阻抗調變器141、142的變化頻率設定為0.1赫茲(Hz)~1000赫茲的情況下，可以讓第一、第二阻抗調變值曲線V1、V2的變化週期小。如此便能產生均勻的電漿分佈。

此外，如第3A圖所示，第一阻抗調變值曲線V1之最大值Zmax實質上等於第二阻抗調變值曲線V2之最大值Zmax，且第一阻抗調變值曲線V1之最小值Zmin實質上等於第二阻抗調變值曲線V2之最小值Zmin。如第3B圖所示，其繪示第一實施例之第一、第二阻抗調變器141、142 的並聯等效阻抗值曲線V0之變化圖。在第一阻抗調變值曲線V1與第二阻抗調變值曲線V2的變化恰好相反且互補的情況下，任一時間點的並聯等效阻抗值曲線V0皆為相等(Zmin+Zmax)。如此，整體的電漿源組抗隨時間是維持一固定值，可使得射頻功率的傳輸不會受到第一、第二阻抗調變器141、142隨時間調整的影響，進而維持電漿強度的穩定。

第二實施例

請參照第4圖及第5圖，第4圖繪示本發明第二實施例之一種電漿產生裝置200之上電極板120及第一~第四阻抗調變器141~144的俯視圖，第5圖繪示本發明第二實施例之另一種電漿產生裝置300之上電極板120及第一~第四阻抗調變器141~144的俯視圖。本實施例之電漿產生裝置200、300與第一實施例之電漿產生裝置100不同之處在於阻抗調變器的數量，其餘相同之處，不再重述。如第4~5圖所示，除成對之第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142之外，本實施例之電漿產生裝置200更包括成對之一第三阻抗調變器143及一第四阻抗調變器144。

同樣地，如同第上述第一實施例，第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142之連線L12穿越上電極板120之中心C。第三阻抗調變器143及第四阻抗調變器144之連線L34也穿越上電極板120之中心C。使得第一~第四阻抗調變器141~144設置於對稱之位置。

舉例來說，以第4圖之電漿產生裝置200為例，當第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142分別電性連接於第一側邊L1之中點L10及第二側邊L2之中點L20時，第三阻抗調變器143及第四阻抗調變器144則分別電性連接於第三側邊L3之中點L30及第四側邊L4之中點L40。

以第5圖之電漿產生裝置300為例，當第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142分別電性連接於第一角點A1及第二角點時A2，第三阻抗調變器143及第四阻抗調變器144可以分別電性連接於第三角點A3及第四角點A4。使得第一~第四阻抗調變器141~144設置於對稱之位置。

接著，請參照第6A圖，其繪示第二實施例之第一~第四阻抗調變值曲線V1~V4之變化圖。第一阻抗調變器141、第二阻抗調變器142、第三阻抗調變器143及第四阻抗調變器144分別具有隨時間週期變化之第一阻抗調變值曲線V1、第二阻抗調變值曲線V2、第三阻抗調變值曲線V3及第四阻抗調變值曲線V4。

以第6A圖為例，在同一時間區間內，第一阻抗調變值曲線V1遞減時，第二阻抗調變值曲線V2遞增；第一阻抗調變值曲線V1遞增時，第二阻抗調變值曲線V2遞減。第三阻抗調變值曲線V3遞減時，第四阻抗調變值曲線V4遞增；第三阻抗調變值曲線V3遞增時，第四阻抗調變值曲線V4遞減。並且第三阻抗調變值曲線V3與第一阻抗調變值曲線V1相差1/4週期相位差。

如此反覆的週期變化，使得射頻電磁波所產生之駐波節點會隨著時間作週期性移動，對時間平均而言，便能產 生均勻的電漿分佈，這也是此阻抗調變所欲達到的功能。而阻抗調變的變化頻率範圍是可視情況做調整的，以達到製程的最佳化。例如在第一~第四阻抗調變器141~144的變化頻率設定為0.1赫茲(Hz)~1000赫茲的情況下，可以讓第一~第四阻抗調變值曲線V1~V4的變化週期小。如此便能產生均勻分佈的電漿。

此外，如第6A圖所示，第一阻抗調變值曲線V1、第二阻抗調變值曲線V2、第三阻抗調變值曲線V3及第四阻抗調變值曲線V4之最大值Zmax皆相等。第一阻抗調變值曲線V1、第二阻抗調變值曲線V2、第三阻抗調變值曲線V3及第四阻抗調變值曲線V4之最小值Zmin皆相等。如第6B圖所示，其繪示第二實施例之第一~第四阻抗調變器141~144的並聯等效阻抗值曲線V0’之變化圖。在第一阻抗調變值曲線V1與第二阻抗調變值曲線V2的變化恰好相反且互補，且第三阻抗調變值曲線V3與第四阻抗調變調變值曲線V4的變化恰好相反且互補的情況下，任一時間點的並聯等效阻抗值曲線V0’皆為相等(2×[Zmin+Zmax])。如此，整體的電漿源組抗隨時間是維持一固定值，可使得射頻功率的傳輸不會受到第一、第二、第三、第四阻抗調變器141、142、143、144隨時間調整的影響，進而維持電漿強度的穩定。

第三實施例

請參照第7圖，其繪示本發明第三實施例之電漿產生裝置400之上電極板120及第一~第八阻抗調變器141~ 148的俯視圖。本實施例之電漿產生裝置400與第一實施例之電漿產生裝置100不同之處在於阻抗調變器的數量，其餘相同之處，不再重述。如第7圖所示，除成對之第一阻抗調變器141及第二阻抗調變器142之外，本實施例之電漿產生裝置400更包括成對之第三阻抗調變器143與第四阻抗調變器144、成對之第五阻抗調變器145與第六阻抗調變器146以及成對之第七阻抗調變器147與第八阻抗調變器148。第一~第八阻抗調變器141~148分別並聯於上電極板120之第一側邊L1之中點L10、第二側邊L2之中點L20、第一角點A1、第二角點A2、第三側邊L3之中點L30、第四側邊L4之中點L40、第三角點A3及第四角點A4。

接著，請參照第8A圖，其繪示第三實施例之阻抗調變組140的第一~第八阻抗調變調變值曲線V1~V8之變化圖。第一~第八阻抗調變器141~148分別具有隨時間週期變化之第一~第八阻抗調變值曲線V1~V8。

以第8A圖為例，在同一時間區間內，在第一阻抗調變值曲線V1與第二阻抗調變值曲線V2的變化恰好相反且互補，在第三阻抗調變值曲線V3與第四阻抗調變值曲線V4的變化恰好相反且互補，在第五阻抗調變值曲線V5與第六阻抗調變值曲線V6的變化恰好相反且互補，且在第七阻抗調變值曲線V7與第八阻抗調變值曲線V8的變化恰好相反且互補。

並且第三阻抗調變值曲線V3與第一阻抗調變值曲線V1相差1/8週期相位差，第五阻抗調變值曲線V5與第三 阻抗調變值曲線V3相差1/8週期相位差，第七阻抗調變值曲線V7與第五阻抗調變值曲線V5相差1/8週期相位差。

如此反覆的週期變化，使得射頻電磁波所產生之駐波節點會隨著時間作週期性移動，對時間平均而言，便能產生均勻的電漿分佈，這也是此阻抗調變所欲達到的功能。而阻抗調變的變化頻率範圍是可視情況做調整的，以達到製程的最佳化。例如在第一~第八阻抗調變器141~148的變化頻率設定為0.1赫茲(Hz)~1000赫茲的情況下，可以讓第一~第八阻抗調變值曲線V1~V8的變化週期小。如此便能產生均勻分佈的電漿。

請參照第8B圖，其繪示第三實施例之第一~第八阻抗調變器141~148的並聯等效阻抗值曲線V0之變化圖。任一時間點的並聯等效阻抗值曲線V0”皆為相等(4×[Zmin+Zmax])。如此，整體的電漿源組抗隨時間是維持一固定值，可使得射頻功率的傳輸不會受到第一、第二、第三、第四阻抗調變器141、142、143、144隨時間調整的影響，進而維持電漿強度的穩定。

本發明上述實施例所揭露之電漿產生裝置係利用一對或一對以上的阻抗調變組來調節電漿，使得射頻電磁波所產生之駐波節點會隨著時間作週期性移動，對時間平均而言，便能產生均勻的電漿分佈，以達到電漿製程均勻度的需求。

綜上所述，雖然本發明已以諸項實施例揭露如上，然 其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400‧‧‧電漿產生裝置

110‧‧‧電漿處理腔體

120‧‧‧上電極板

130‧‧‧下電極板

141‧‧‧第一阻抗調變器

142‧‧‧第二阻抗調變器

143‧‧‧第三阻抗調變器

144‧‧‧第四阻抗調變器

145‧‧‧第五阻抗調變器

146‧‧‧第六阻抗調變器

147‧‧‧第七阻抗調變器

148‧‧‧第八阻抗調變器

150‧‧‧射頻電源

900‧‧‧製程基板

A1‧‧‧上電極板之第一角點

A2‧‧‧上電極板之第二角點

A3‧‧‧上電極板之第三角點

A4‧‧‧上電極板之第四角點

C‧‧‧上電極板之中心

L1‧‧‧上電極板之第一側邊

L10‧‧‧第一側邊之中點

L12‧‧‧第一阻抗調變器及第二阻抗調變器之連線

L2‧‧‧上電極板之第二側邊

L20‧‧‧第二側邊之中點

L3‧‧‧上電極板之第三側邊

L30‧‧‧第三側邊之中點

L34‧‧‧第三阻抗調變器及第四阻抗調變器之連線

L4‧‧‧上電極板之第四側邊

L40‧‧‧第四側邊之中點

V0、V0’、V0”‧‧‧並聯等效阻抗值曲線

V1‧‧‧第一阻抗調變值曲線

V2‧‧‧第一阻抗調變值曲線

Zmax‧‧‧阻抗調變值之最大值

Zmin‧‧‧阻抗調變值之最小值

V3‧‧‧第三阻抗調變值曲線

V4‧‧‧第四阻抗調變值曲線

V5‧‧‧第五阻抗調變值曲線

V6‧‧‧第六阻抗調變值曲線

V7‧‧‧第七阻抗調變值曲線

V8‧‧‧第八阻抗調變值曲線

第1圖繪示本發明第一實施例之電漿產生裝置之示意圖；第2圖繪示第1圖之上電極板及第一~第二阻抗調變器之俯視圖；第3A圖繪示第一實施例之第一~第二阻抗調變值曲線之變化圖；第3B圖繪示第一實施例之第一~第二阻抗調變器的並聯等效阻抗值曲線之變化圖；第4圖繪示本發明第二實施例之一種電漿產生裝置之上電極板及第一~第四阻抗調變器的俯視圖；第5圖繪示本發明第二實施例之另一種電漿產生裝置之上電極板及第一~第四阻抗調變器的俯視圖；第6A圖繪示第二實施例之第一~第四阻抗調變值曲線之變化圖；第6B圖繪示第二實施例之第一~第四阻抗調變器的並聯等效阻抗值曲線之變化圖；第7圖繪示本發明第三實施例之電漿產生裝置之上電極板及第一~第八阻抗調變器的俯視圖；第8A圖繪示第三實施例之第一~第八阻抗調變值曲 線之變化圖；以及第8B圖繪示第三實施例之第一~第八阻抗調變器的並聯等效阻抗值曲線之變化圖。

100‧‧‧電漿產生裝置

110‧‧‧電漿處理腔體

120‧‧‧上電極板

130‧‧‧下電極板

141‧‧‧第一阻抗調變器

142‧‧‧第二阻抗調變器

150‧‧‧射頻電源

900‧‧‧製程基板

Claims (10)

1. 一種電漿產生裝置，包括：一電漿處理腔體；一上電極板，係用以連接一射頻電源；一下電極板，直接接地或浮接；以及至少兩個阻抗調變器，該些阻抗調變器兩兩成對，各該阻抗調變器具有一阻抗調變值曲線，各阻抗調變器之一端接地，各該些阻抗調變器之另一端係並聯於該上電極板之對稱處；其中，各該阻抗調變值曲線隨時間變化，且該些阻抗調變值曲線之一並聯等效阻抗值曲線隨時間固定。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中在一時間週期內，成對之該些阻抗調變值曲線的變化相反且互補。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中各該阻抗調變值曲線係直線遞增或直線遞減。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中各該阻抗調變值曲線之最大值實質上相等。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中各該阻抗調變值曲線之最小值實質上相等。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中該上電極板係為一矩形結構或一圓形結構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中成對之該些阻抗調變器之連線穿越該上電極板之中心。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其 中成對之該些阻抗調變器分別電性連接於該上電極板相對應之二側邊之中點。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中成對之該些阻抗調變器分別電性連接於該上電極板相對應之二角點。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電漿產生裝置，其中該些阻抗調變器的變化頻率是可調整的。