TWI585232B - 線性電漿輔助化學氣相沈積設備 - Google Patents

線性電漿輔助化學氣相沈積設備 Download PDF

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Description

線性電漿輔助化學氣相沈積設備
本發明之實施例大體上是有關於一種線性電漿輔助化學氣相沈積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)設備。
化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)係為一製程，藉此以讓化學前驅物導入製程腔內來化學反應而形成一預定之化合物或材料，且沈積前述之化合物或材料於位在製程腔內的基板上。電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)係為一種CVD製程，藉此以讓一電漿在腔室內點燃來增加前驅物之間的反應。PECVD可利用感應耦合電漿源(inductively coupled plasma source)或電容耦合電漿源(capacitively coupled plasma source)來完成。
PECVD製程可用以處理大面積基板，例如是平面顯示器或太陽能板。PECVD亦可用沈積數個塗層，例如是用於電晶體及二極體之矽基膜。對於大面積基板來說，與用於點燃腔室內之電漿的RF硬體一同傳送製程氣體，以每一基板為基礎的支出可能相當的昂貴。因此，此技藝係需要一PECVD設備，其減少以每一基板為基礎的製造裝置的成本。
本發明大體上係提供一種線性PECVD設備。此設備係設計來同時處理兩個基板，使得基板共用電漿源及氣體源。 此設備具有數個微波源，中央地設置於設備之腔體內。此些基板設置於微波源之相對側，且氣體源設置於微波源與基板之間。共用之微波源及氣體源允許數個基板同時進行處理且減少每個基板的處理成本。可理解的是，雖然此處說明係有關於一種設計來以微波電漿源處理數個基板的垂直系統，然而此處的實施例係同樣也可應用於設計來處理單一基板的系統、或水平配置系統、或除了微波源以外之電漿源的系統。電漿源例如是感應電漿源(inductive plasma source)或電容電漿源(capacitive plasma source)。
於一實施例中，一種設備，包括一或多個基板支承件，設置於一腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且相對於該一或多個基板支承件；以及數個氣體導引管設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間。該複數個電漿源與該一或多個基板支承件相隔約1.3至約3倍之該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離。
於另一實施例中，一種設備，包括一或多個基板支承件，設置於一腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且相對於該一或多個基板支承件；以及複數個氣體導引管，設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間。該複數個氣體導引管與該一或多個基板支承件相隔一約0.2至約0.5倍之該複數個電漿源之相鄰者間的距離之距離。
於另一實施例中，一種設備，包括一或多個基板支承件，設置於一腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且相對於該一或多個基板支承件；以及複數個氣體導引管，設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間。該複數個電漿源之相鄰者間的距離係該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離之約2至約4倍。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧系統
102A、102B‧‧‧基板堆疊模組
104A、104B‧‧‧大氣機械手臂
106A、106B‧‧‧雙基板裝載站
108A、108B‧‧‧雙基板裝載鎖固腔
110A、110B‧‧‧製程腔
112‧‧‧系統控制平台
114A、114B‧‧‧製程線
202‧‧‧電漿源
204‧‧‧氣體導引管
206‧‧‧基板支承件
208‧‧‧電源頭
210‧‧‧開口
212‧‧‧端牆
A、B、C、D、E、F‧‧‧箭頭
G、H‧‧‧直徑
第1圖繪示根據一實施例之包括線性電漿CVD設備之製程系統的示意圖。
第2A及2B圖分別繪示根據一實施例之雙製程腔110A、110B之端部視圖及上視圖。
本發明大體上係有關於一種線性PECVD設備。此設備係設計成同時處理兩個基板，使得此些基板共用電漿源與氣體源。此設備具有數個微波源，中央地設置於設備之腔體內。此些基板設置於微波源之相對兩側，且氣體源設置於微波源與基板之間。共用之微波源與氣體源容許數個基板同時進行處理且減少處理每個基板的處理成本。
此處之數個實施例係討論有關於可自美商業凱科技股份有限公司(AKT America,Inc.)取得之垂直直線型(vertical in-line)PECVD腔室，美商業凱科技股份有限公司為加州聖塔克拉拉(Santa Clara)應用材料股份有限公司(Applied Materials,Inc.)之子公司。可理解的是，此處討論的此些實施例亦可應用於其他腔室，包括由其他製造者所販賣的腔室。
目前應用於顯示器與薄膜太陽能PECVD器具中的電漿源係為平行板反應器(parallel-plate reactor)，其利用電容耦合射頻(RF)或超高頻(VHF)場來離子化且分離板電極之間的製程氣體。下一代平面PECVD腔室的可能候選者之一係為電漿反應器，其藉由具有兩個基板在「垂直」腔室且利用「共同」電漿與氣體源來用於兩個基板，以具有同時處理兩個基板的能力。此方式將不僅增加系統的產能，且在氣體與RF動力係由兩個一起進行處理的基板共用的情況下，此方式也將減少(每個產能)RF硬體與處理氣體的成本。
第1圖繪示根據一實施例之垂直、線性PECVD系統100的示意圖。系統100可調整尺寸以處理具有表面面積大於約90,000mm2的基板，且能夠在沈積一2000埃(Angstrom)厚度之氮化矽膜時，每小時處理多於90個之基板。系統100較佳地包括兩個分離的製程線114A、114B，其藉由共用系統控制平台112耦接在一起，以形成一雙製程線配置(configuration)/佈局(layout)。共用電源供應器(例如是AC電源供應器)、共用及/或分享抽吸(pumping)與排出(exhausted)元件和共用氣體面板可用於雙製程線114A、114B。各製程線114A、114B可每個小時處理多於45個之基板，而讓一系統每小時的總量大於90個基板。可預期的是，系統可以利用單一製程線或多於兩個製程線之方式配置。
雙製程線114A、114B有數個針對垂直基板處理之優點。因為腔室係垂直地配置，系統100所佔用之空間係大約與單一、一般之水平製程線相同。因此，兩個製程線114A、114B係配置在大約相同之佔用空間中，而利於製造者在晶圓廠中節省地面面積。為了有助於了解此用語「垂直(vertical)」的意思，以一個平面顯示器來作思考。平面顯示器，例如是電腦螢幕，具有長度、寬度及厚度。當平面顯示器係為垂直時，長度或寬度係從地平面垂直地延伸，而厚度係平行於地平面。相反地，當平面顯示器係為水平時，長度與寬度係平行於地平面，而厚度係垂直於地平面。對於大面積基板來說，長度與寬度係為基板之厚度的好幾倍。
各製程線114A、114B包括基板堆疊模組102A、102B，未處理基板(也就是未在系統100內進行處理的基板)係自基板堆疊模組102A、102B取出，且已處理基板係儲存於基板堆疊模組102A、102B。大氣機械手臂(atmospheric robots)104A、104B自基板堆疊模組102A、102B取出基板，且放置基板到雙基板裝載站106A、106B。可理解的是，雖然所示之基板堆疊模組102A、 102B具有堆疊於水平方向之基板，然而設置於基板堆疊模組102A、102B中的基板可保持在垂直方向，類似於基板如何在雙基板裝載站106A、106B中被夾持的方式。未處理基板係接著移動至雙基板裝載鎖固腔108A、108B內，且接著至雙基板製程腔110A、110B。隨著處理的進行，基板係接著返回且通過雙基板裝載鎖固腔108A、108B之一而到雙基板裝載站106A、106B之一，位於雙基板裝載站106A、106B之一的此些基板可由大氣機械手臂104A、104B之一取出且回到基板堆疊模組102A、102B之一。
在垂直反應器內之電漿係由放置於兩個基板之間的線性源陣列所產生。線性電漿源陣列(也就是電漿線)與給氣線必需分佈於基板的區域上，以達到準均勻(quasi-uniform)電漿及反應氣體環境，使得膜可以均勻地形成在大的「靜態(static)」基板上。對於動態沈積系統(dynamic deposition system)來說，基板係於沈積期間移動或掃略(scan)過腔體而經過一或多個線性電漿或氣體源。
對新的「線性電漿」化學氣相沈積(CVD)工具來說，不同之線性電漿源技術係可考慮的，例如是微波、感應式、或電容式電漿源或其組合。前述之各個技術產生了具有不同性質的電漿，因此一種電漿技術對於一種特定之製程/應用可能更(或更不)適合。一般來說，電漿線可由一產生器(generator)(串列或並列之線)、或由數個產生器(位於線之一或兩側)來供給電力。最佳的選擇係決定於電漿技術、可行之(一個或數個)產生器的尺寸、及腔室的尺寸(例如是感應耦合電漿(ICP)可簡單地針對數個電漿線使用一個低頻產生器，特高頻(UHF)或超高頻(VHF)可使用一個或多個產生器，而2.45GHz微波將最可能每條線使用一個或二個產生器)。
在此處揭露之數個實施例中，在選出電漿技術與電力傳送之後，線之間的空間、基板位置、及噴射之氣體壓力可全部被決定。電漿與氣體線的空間、基板位置、氣體壓力、化學性 質與氣體之流動皆影響了大面積基板上的均勻處理。此處討論之數個實施例係有關於電漿與氣體線的佈局、操作之電漿處理方式及電漿與氣體線之隔開的方法。此處討論之數個實施例係用於2.45GHz微波動力電漿反應器(microwave powered plasma reactor)，然而，此些實施例係可被縮放(scaled)而適用在：(i)用於任何使用線性電漿源技術之電漿反應器，無論電漿源係為微波、感應式或電容式；(ii)任何形式之CVD系統中，包括垂直雙或單基板腔室或水平單基板腔室及(iii)具有任何基板沈積模式(也就是說，靜態或動態模式)。
此處討論之數個實施例係說明了採用線性電漿源技術之在大面積PECVD腔室內非均勻沈積的問題。一般來說，線性源在垂直於源軸的方向中本來就有「非均勻」的情況。在大基板上之均勻處理可藉由下述方式達到：(1)電漿及製程氣體線在空間上的「密佈(fine)」，以在基板上形成準均勻之電漿及反應氣體分佈，或者(2)藉由遠離線性電漿/氣體源之方式擺置基板及/或於足夠低氣體壓力中進行操作。第一個方式是昂貴的，而第二個方式在沈積率(也就是反應器產量)與膜品質具有負面的衝擊。
此處討論之數個實施例係以在製程腔內具有「準均勻」氣體分佈來進行操作。「準均勻」氣體分佈係在具有以盡可能少的電漿線/源來製造的非均勻電漿的情況下，藉由盡可能使用夠多的氣體線來達成(相對於電漿線，氣體線係便宜的)，且在「供應/氣體限制方式」(換言之，在基板上之每個位置中的電漿電力/密度，甚至在電漿線之間之密度最小值，係足以「突破(break)」所有可利用的反應氣體)下進行沈積製程。因此，穿過電漿線之「空間上非均勻電漿」仍可提供均勻沈積製程。電漿源與氣體線之間的距離需要針對特定之製程、氣體化學性質、壓力與到基板的距離來進行最佳化。
此處討論之數個實施例可應用於任何大面積PECVD製程中，例如是針對用於顯示器或太陽能(薄膜及/或晶矽 太陽能)面板之介電膜沈積，例如為薄膜電晶體(TFT)閘極絕緣與保護層、或用於太陽能電池的保護層與防眩光(anti-reflective)塗層。此處討論之數個實施例可用於使用在顯示器中的TFTs之本質矽沈積(intrinsic silicon deposition)，及/或用於光伏應用(photovoltaics application)的二極體。電漿源亦可用於針對大的平面基板之乾蝕刻或其他電漿表面處理中，例如是聚合物灰化、表面活化等。
第2A及2B圖分別繪示根據一實施例之雙製程腔110A、110B之端部視圖及上視圖。雙製程腔110A、110B包括數個電漿源202，例如是微波天線，以線性排列方式配置在各製程腔110A、110B之中央。電漿源202自製程腔110A、110B之頂部垂直地延伸至製程腔110A、110B的底部。各電漿源202於製程腔110A、110B之頂部與底部具有對應之微波電源頭208，電源頭208耦接於電漿源202。電力可獨立地經由各電源頭208提供至電漿源202之各端。電漿源202可在300MHz與300GHz之範圍內的頻率進行操作。
各製程腔110A、110B係配置成能夠處理兩個基板，電漿源202之各側各有一個基板。基板係藉由基板支承件206與遮蔽框(shadow frame)(未繪示)在製程腔內適當地被支承。氣體導引管204係配置於電漿源202及基板支承件206之間。氣體導引管204垂直地自底部延伸至製程腔110A、110B之頂部，氣體導引管204平行於電漿源202。氣體導引管204允許處理氣體之導入，例如是矽前驅物及氮前驅物。雖然未繪示於第2A-2B圖中，製程腔110A、110B可經由位在基板支承件206後方之泵浦排氣口(pumping port)排氣。基板支承件206經由貫穿腔體形成之可密封開口210來進入與退出製程腔110A、110B。
第2B圖繪示製程腔110A、110B之上視圖，以顯示出電漿源202、氣體導引管204及基板支承件206的配置。製程腔110A、110B內之相鄰電漿源202之間、相鄰氣體導引管204 之間、氣體導引管204與氣體支撐件206之間、電漿源202與基板支承件206之間的距離、以及氣體導引管204的位置全都影響電漿分佈。為了達到均勻沈積，根據常見的知識來說均勻電漿係必需的。然而，發明人發現，並不是均勻電漿，而是均勻氣體流，將讓沈積達到均勻。
在沈積製程期間，材料沈積在基板上的總量直接地與可用於沈積的材料的總量直接相關。對於PECVD製程來說，經由氣體導引管204導入之處理氣體係為將用於沈積的材料的唯一來源。只要可用於反應與沈積在基板上之氣體係均勻地分佈在製程腔110A、110B內且在沈積製程期間完全地被使用，沈積在基板上的膜將可在厚度與性質上均勻。當然，需要存在足夠的電漿源202以點燃電漿。申請人已經發現腔室110A、110B內之電漿源202與總氣體導引管204的比例應為約1：5到約1：6之間。
申請人亦發現製程腔110A、110B之氣體導引管204、電漿源202及基板支承件206之配置將影響沈積均勻度。於第2B圖之實施例中，繪示了七個電漿源202，但可理解的是，可基於所需之腔室尺寸來配置更多或更少的電漿源202。舉例來說，對於處理至少一尺寸(也就是長度或寬度)大於約2公尺的基板的腔室來說，可使用總數八個至十四個的電漿源202。此外，雖然二十四個氣體導引管204係繪示於第2B圖中，然而可基於所需之腔室尺寸被配置更多或更少之氣體導引管204。舉例來說，對於處理至少一尺寸(也就是長度或寬度)大於約3公尺的基板的腔室來說，可使用總數四十個至八十個的氣體導引管204。
如第2B圖中所示，電漿源202係配置在製程腔110A、110B的中央，且基板支承件206係可經由貫穿腔體而形成之開口210進入與退出製程腔110A、110B。基板支承件206係設置於電漿源202之相對兩側。氣體導引管204係設置於電漿源202與基板支承件206之間。為了確保氣體均勻地分佈在製程腔內，相鄰氣體導引管204係相隔相同距離，並以箭頭「B」表 示，且各氣體導引管204與基板支承件206係相隔相同距離，並以箭頭「A」表示。同樣地，電漿源202全部係與基板支承件206相隔相同距離，並以箭頭「C」表示，而相鄰電漿源202係相隔以箭頭「D」表示之距離。
在製程腔110A、110B中，位於中央的電漿源202之各側的氣體導引管204的數量係相同。此外，最靠近腔體之端牆212之氣體導引管204相隔於端牆212的距離(以箭頭「E」表示)，係大於最靠近端牆212之電漿源202相隔於端牆212的距離(以箭頭「F」表示)。如果氣體導引管204之配置係較電漿源202更靠近端牆212的話，則不會所有經由最靠近端牆212之氣體導引管204導入的反應氣體都將被消耗，且在矽基沈積製程時，白色粉末將沈積在製程腔110A、110B中不想要的位置上。各氣體導引管204具有直徑「H」，其為約四分之一吋至約八分之五吋。各電漿源202具有直徑“G”，其為約20mm至約50mm。
彼此相關的電漿源202、氣體導引管204及基板支承件206的位置係影響氣體分佈、及是否有足夠的能量來進行消耗(亦即，刺激及反應)經由氣體導引管204所導入之全部的氣體。申請人已發現，電漿源202應與各基板支承件206相隔一距離，其約1.3至約3倍之相鄰氣體導引管204間的距離。此外，氣體導引管204應與基板支承件206相隔一距離，其為0.4至2倍之相鄰氣體導引管204間的距離。電漿源202應與基板支承件206相隔一距離，其約0.3至約1.5倍之相鄰電漿源202間之距離。電漿源202應與基板支承件206相隔一距離，其約2.3至約2.67倍之氣體導引管204與基板支承件206之間的距離。氣體導引管204應與基板支承件206相隔一距離，其約0.2至約0.5倍之相鄰電漿源202間的距離。相鄰電漿源202間的距離應為相鄰氣體導引管204間的距離的約2至約4倍。因此，氣體導引管204與基板支承件206相隔之距離應為相鄰電漿源202間的距離的約0.2至約0.5倍。此外，電漿源202與基板支承件206之距離應為相 鄰氣體導引管204間的距離的約1.3至3倍。
藉由同時處理兩個基板，電漿源(也就是微波天線)及氣體導引源可被共用且基板產能可增加。在確保氣體均勻分布在製程腔內的情況下，藉由減少電漿源的數目，均勻膜可以較低的成本沈積在基板上。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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。
110A、110B‧‧‧製程腔
202‧‧‧電漿源
204‧‧‧氣體導引管
206‧‧‧基板支承件
210‧‧‧開口
212‧‧‧端牆
A、B、C、D、E、F‧‧‧箭頭
G、H‧‧‧直徑

Claims (20)

  1. 一種設備，包括：一腔體；一或多個基板支承件，設置於該腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且相對於該一或多個基板支承件；以及複數個氣體導引管，設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間，該複數個電漿源與該一或多個基板支承件相隔1.3至3倍之該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該複數個氣體導引管與該一或多個基板支承件相隔0.4至2倍之該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該複數個電漿源與該一或多個基板支承件相隔0.3至1.5倍之該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該複數個電漿源與該一或多個基板支承件相隔2.67倍之該複數個氣.體導引管與該一或多個基板支承件間的距離。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之設備，其中該複數個氣體導引管與該一或多個基板支承件相隔0.2至0.5倍之該複數個電漿源之相鄰者間的距離。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之設備，其中相鄰之電漿源間的距離係該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離之2至4倍。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之設備，其中該腔體之尺寸係設為可以處理複數個具有至少一尺寸大於2公尺的基板。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之設備，其中該複數個電漿源包括8至16個的電漿源。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該複數個氣體導引管包括20至40個的氣體導引管，設置於該複數個電漿源與該 一或多個基板支承件之各者間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該複數個氣體導引管之各者具有四分之一英吋至八分之五英吋的直徑。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之設備，其中該複數個電漿源之各者具有20mm至50mm的直徑。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之設備，其中該複數個電漿源包括複數個微波源。
  13. 一種設備，包括：一腔體；一或多個基板支承件，設置於該腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且相對於該一或多個基板支承件；以及複數個氣體導引管，設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間，該複數個氣體導引管與該一或多個基板支承件相隔0.2至0.5倍之該複數個電漿源之相鄰者間的距離。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之設備，其中該複數個電漿源與該一或多個基板支承件相隔1.3至3倍之該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之設備，其中該複數個電漿源包括8至16個的電漿源。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中該複數個氣體導引管包括20至40個的氣體導引管，設置於該複數個電漿源與該一或多個基板支承件之各者間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之設備，其中該複數個氣體管件之各者具有四分之一英吋至八分之五英吋的直徑。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之設備，其中該複數個電漿源之各者具有20mm至50mm的直徑。
  19. 一種設備，包括：一腔體； 一或多個基板支承件，設置於該腔體內；複數個電漿源，位於該腔體內且介於該一或多個基板支承件之間；以及複數個氣體導引管，設置於該腔體內且介於該複數個電漿源及該一或多個基板支承件之間，該複數個電漿源之相鄰者間的距離係該複數個氣體導引管之相鄰者間的距離之2至4倍。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之設備，其中該複數個電漿源包括8至16個的電漿源，其中該複數個氣體導引管包括20至40個的氣體導引管，設置於該些電漿源與該一或多個基板支承件之各者間，其中該複數個氣體管件之各者具有一四分之一英吋至八分之五英吋的直徑，以及其中各電漿源具有20mm及至50mm的直徑。
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