專利名稱：適于大面積襯底的電容性耦合rf等離子體反應(yīng)器的阻抗匹配的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及用來處理非常大面積的顯示器的RF電容性耦合等離子體反應(yīng)器。更具體地說，本發(fā)明涉及通常在13.56MHz或更低的頻率下輸送給等離子體的RF功率的耦合效率的改善。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是基于在用于顯示器和太陽能制造工業(yè)的非常大的玻璃面積上沉積半導(dǎo)電層中出現(xiàn)的問題和要求。然而，所得到的解決方案可以應(yīng)用于其它的應(yīng)用。因此，雖然本發(fā)明被描述為涉及用于非常大面積的顯示器加工的等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)系統(tǒng)的等離子體反應(yīng)器，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用到涉及等離子體反應(yīng)器的其它應(yīng)用。此外，在美國專利號No.6,281,469中公開了用于非常大面積的顯示器加工的PECVD的開發(fā)，在此并入其內(nèi)容作為參考。
圖1示出了用于PECVD系統(tǒng)的常規(guī)電容性耦合RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10。反應(yīng)器系統(tǒng)10包括RF電源12、匹配網(wǎng)絡(luò)14、反應(yīng)器室16、和真空室18。反應(yīng)器室16包括封閉在金屬反應(yīng)器外殼24中的兩個(gè)平行設(shè)置的金屬板20、22。第一金屬板22通過饋送元件26和匹配網(wǎng)絡(luò)14電連接到RF電源12，并且因此第一金屬板22是有效(live)電極。第二金屬板20連接到地，并且因此是接地電極。在沉積過程期間，襯底放置在第二金屬板20上以便處理。饋送元件26被接地屏蔽28屏蔽并且可以是本領(lǐng)域中已知的電饋送元件中的任何一種類型，例如RF帶狀線、RF條帶、或三平板式帶狀線(triplatestripline)。等離子體放電區(qū)30被限定在這兩個(gè)金屬板20、22之間。如圖1中所示，RF電源12和匹配網(wǎng)絡(luò)14位于真空室18的外部，并且反應(yīng)器室16和饋送元件26位于真空室的內(nèi)部。因此，在沉積過程期間，RF電源12和匹配網(wǎng)絡(luò)14在大氣條件下，并且反應(yīng)器室16和RF饋送線28在真空條件下。用來在PECVD工藝中形成等離子體的典型氣體是氮化硅SiN氣體。然而，通常本領(lǐng)域中已知的其它氣體可以在這種類型的應(yīng)用中使用，例如有機(jī)金屬化合物、氫化物和鹵化物。
圖2示出了沉積SiN期間常規(guī)的PECVD系統(tǒng)的簡化等效電路并且將用來說明常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10的缺點(diǎn)。虛線方框代表如參考數(shù)字所表示的常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10的一部分。在沉積過程期間，在常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器中，為了實(shí)現(xiàn)必要的沉積速率并且保持合理的生產(chǎn)量，13.56MHz的射頻的幾千瓦的RF功率必須被傳輸給等離子體。這種在大面積平行板反應(yīng)器中的工藝的缺點(diǎn)是在有效電極22和接地的反應(yīng)器外殼24之間形成了非常大的寄生反應(yīng)器電容CR，通常大于5000pF。因此，饋送元件26必須能夠處理非常大的RF電流IF，通常大于300A。大的RF電流需要非常寬的帶狀線設(shè)計(jì)，其在饋送元件26的有效線和接地屏蔽28之間引起第二寄生饋送線電容CF。饋送線電容CF通常大于3000pF。反應(yīng)器CR和饋送線CF電容將等離子體阻抗ZP變換為具有非常小的值的饋通阻抗Re(ZF)，通常小于0.05歐姆。饋通阻抗Re(ZF)是在真空室18的入口處所看見的阻抗，在此饋送元件26進(jìn)入真空室18。饋通阻抗Re(ZF)又產(chǎn)生更大的RF電流IF，通常大于400A，其現(xiàn)在必須通過匹配網(wǎng)絡(luò)14和饋送元件26來調(diào)節(jié)。結(jié)果，通過RF電源傳輸?shù)墓β实拇蟛糠址謩e消耗在匹配網(wǎng)絡(luò)14和饋送元件26的損耗元件RM、RF中。因此，系統(tǒng)的效率低，通常ηs＜0.3。因此，為了實(shí)現(xiàn)必要的等離子體功率密度和沉積速率，需要非常大并且昂貴的RF電源。此外，由于玻璃的尺寸增加等離子體的效率，因此在13.56MHz的RF頻率下功率耦合效率減小到小于20％的值。
存在幾種處理上述問題的解決方案，但是每一個(gè)都具有另外的缺點(diǎn)。例如，可以通過增加有效部件即有效電極22和饋送元件26與接地部件即反應(yīng)器外殼24和接地屏蔽28之間的間隙來減小寄生電容CR和CF。然而，該解決方案的缺點(diǎn)是可能會(huì)點(diǎn)燃這些間隙之間的等離子體。另一種解決方案是用水冷卻該反應(yīng)器。然而在真空系統(tǒng)中這是困難的，并且水冷卻并沒有明顯增強(qiáng)等離子體耦合效率。
另一種解決方案是給RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10增加阻抗變換電路?？梢酝ㄟ^減小RF電流IF來降低分別通過匹配網(wǎng)絡(luò)14和饋送元件26中的損耗元件RM、RF的功率損耗。減小RF電流IF同時(shí)保持等離子體功率可以利用阻抗變換電路來完成，該阻抗變換電路提高了饋通阻抗Re(ZF)。理論上，在有效電極和地之間連接電感器將足夠作為阻抗變換電路。但是，由于幾個(gè)原因，只由一個(gè)電感器構(gòu)成的阻抗變換電路是不切實(shí)際的。例如，該電感器必需是低損耗電感器，因此沒有什么阻止DC電壓短接到地，并且沒有調(diào)諧能力。
因此，所希望的是克服了上述缺點(diǎn)的、用于處理非常大的襯底的RF電容性耦合等離子體反應(yīng)器的實(shí)用阻抗變換電路。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供等離子體反應(yīng)器，其包括真空室、位于真空室內(nèi)部的第一金屬板和第二金屬板、RF電源、匹配網(wǎng)絡(luò)、被限定在第一和第二金屬板之間的包含等離子體的等離子體放電區(qū)、電連接到第一金屬板的饋送元件、以及電連接到第一金屬板的阻抗變換電路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供等離子體反應(yīng)器，其包括真空室、RF電源、匹配網(wǎng)絡(luò)、位于真空室內(nèi)部的第一金屬板和第二金屬板、被限定在第一和第二金屬板之間的用來包含等離子體的等離子體放電區(qū)、電連接到第一金屬板的饋送元件、電連接到第一金屬板的阻抗變換電路，包括隔離電容器，稍后被稱作阻塞電容器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供在真空中沉積半導(dǎo)電層的方法，其包括以下步驟提供等離子體反應(yīng)器，該反應(yīng)器進(jìn)一步包括RF電源、真空室、位于真空室內(nèi)部具有反應(yīng)器阻抗的反應(yīng)器室、位于真空室內(nèi)部的第一和第二金屬板；被限定在第一和第二金屬板之間的用來包含等離子體的等離子體放電區(qū)、電連接到第一金屬板的饋送元件、以及電連接到第一金屬板的阻抗變換電路，將襯底放置在第二金屬板上，將RF功率輸送給等離子體，利用阻抗變換電路將反應(yīng)器阻抗變換為中間阻抗，并且利用饋送元件將中間阻抗變換為饋通阻抗，由此提高了饋通阻抗。
當(dāng)閱讀和理解以下的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的另外的好處和優(yōu)點(diǎn)將對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。


在特定部件和部件配置中本發(fā)明可以采取實(shí)物形式(physicalform)，其優(yōu)選實(shí)施例將在該說明書中被詳細(xì)描述并且在附圖中被示出，所述附圖構(gòu)成了本說明書的一部分。
圖1是常規(guī)電容器耦合RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。
圖2是圖1的反應(yīng)器系統(tǒng)的等效電路。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有阻抗變換電路的電容器耦合RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。
圖4是圖3的反應(yīng)器系統(tǒng)的等效電路。
圖5是示出圖2的常規(guī)電路與具有圖4的阻抗變換電路的電路之間的阻抗變換的比較的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖3和4，在圖3中的示意圖和圖4中的電等效電路中示出更實(shí)用的阻抗變換電路。所有在以上的圖1和2中描述的與圖3和圖4中相同的部件將不再重復(fù)。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的用于具有圖4中示出的阻抗變換電路42的PECVD系統(tǒng)的電容性耦合RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40(下文中“變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)”)。阻抗變換電路42包括具有接地屏蔽46的變換電路饋送元件44和可調(diào)阻塞電容器CBT。
參考圖4，第二饋送元件44在該等效電路中被表示為具有寄生電容CT、損耗元件RT、和低損耗電感器LT。變換電路饋送元件44位于真空室18內(nèi)部并且通過可調(diào)阻塞電容器CBT連接到地。因此，在添加阻抗變換電路42的情況下，變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40現(xiàn)在包括饋送元件26和變換電路饋送元件44，其兩者都電連接到第一金屬板22。可調(diào)阻塞電容器CBT位于真空室18的外部并且可以被并入匹配網(wǎng)路14，結(jié)果形成了修正的匹配網(wǎng)絡(luò)14′(圖3)。可調(diào)阻塞電容器CBT可以增加饋通阻抗Re(ZF′)，從而降低了沉積過程期間的總的RF電流IF′。此外，可調(diào)阻塞電容器CBT可以在不排空系統(tǒng)的情況下平衡該兩個(gè)饋送元件26、44之間的電流。
以下等式說明了有關(guān)功率損耗的阻抗變換電路42的影響。首先，在常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10中，對于具有比電極的直徑大或比饋送線長的波長的RF信號，如圖1和2中所示，流出匹配網(wǎng)絡(luò)14并且通過不具有阻抗變換電路42的饋送元件26的電流IF近似為(1)---IF=[PF/Re(ZF)]]]>并且其中PF是匹配網(wǎng)絡(luò)14的輸出處的功率，其通過饋送元件26中的損耗元件RM和RP以及等離子體被消耗。由以下等式來定義通過匹配網(wǎng)絡(luò)14和饋送元件26中的損耗元件RM和RF損耗的功率(2) PLoss1＝IF2(RM+RF)匹配網(wǎng)絡(luò)14的效率被定義為(3) ηMB＝Re(ZF)/[Re(ZF)+RM]此外，L型或T型匹配網(wǎng)絡(luò)的效率通過下述給出(4) η＝QU/(QU+QL)其中QU是集總元件的空載品質(zhì)因數(shù)并且QL是集總元件的有載品質(zhì)因數(shù)。
在添加阻抗變換電路42的情況下，如圖3和4中所示，流出匹配網(wǎng)絡(luò)14并且通過饋送元件26的電流IF′由流經(jīng)變換電路元件44和可調(diào)阻塞電容器CBT的電流IT部分地補(bǔ)償。IF′和IT之間的最優(yōu)平衡可以通過可調(diào)阻塞電容器CBT來調(diào)節(jié)并且取決于饋送元件26和匹配網(wǎng)絡(luò)14的損耗元件(RF′+RM)與變換電路饋送饋送元件44的損耗元件RT的功率損耗之間的平衡。對于具有比電極的直徑大或比饋送線長的波長的RF信號，在匹配網(wǎng)絡(luò)14和饋送元件26以及變換電路饋送元件44中的總損耗被定義為(5) PLoss2＝IF’2(RM+RF’)+IT2RT如果可調(diào)阻塞電容器CBT被調(diào)節(jié)使得電流IF′、IT相等，則IF′＝IT＝IF/2。此外，如果電流IF′、IT相等并且如果損耗元件RM、RF′、RT、以及RF也相等，那么因此，RM＝RF′＝RT＝RF。因此如果IF′、IT相等，則PLoss1變成(6)PLoss1＝IF2(RM+RF)＝2IF2RF并且PLoss2變成(7)PLoss2＝IF’2(RM+RF’)+IT2RT＝(3/4)IF2RF.
因此，常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10(不具有阻抗變換電路42)和具有阻抗變換電路42的變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40之間的損耗比為(6)PLoss1/PLoss2＝(2IF2RF)/(3/4)IF2RF＝8/3.
如這些等式所示出的，通過常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10(不具有阻抗變換電路42)中的損耗元件RM、RF損耗的功率是通過具有阻抗變換電路42的變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40中的損耗元件RM、RF′、RT損耗的功率的兩倍以上。這樣，因?yàn)樵诰哂凶杩棺儞Q電路42的變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40中功率損耗減小，所以可以減小輸送給等離子體以保持與常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10(不具有阻抗變換電路42)相同的沉積速率的功率。這樣，可以利用更小的RF電源來達(dá)到相同的沉積速率。另一方面，如果使用相同尺寸的RF電源，則沉積速率將增加，由此增加生產(chǎn)量。
圖5示出曲線圖，其說明了阻抗變換電路42怎樣變換饋通阻抗Re(ZF′)以由此減小通過損耗元件損耗的功率。在常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10中，等離子體阻抗ZP通過反應(yīng)器電容CR和反應(yīng)器電感LR被變換成位于饋送元件26的末端處的反應(yīng)器阻抗ZR。然后，饋送元件26將反應(yīng)器阻抗ZR變換成被表示為ZF的饋通阻抗。正如在常規(guī)RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)10中那樣，在變換的RF等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)40中，等離子體阻抗ZP被變換為反應(yīng)器阻抗ZR。然而，阻抗變換電路42將反應(yīng)器阻抗ZR變換為中間阻抗ZR′。然后饋送元件26將中間阻抗ZR′變換成被表示為ZF′的饋通阻抗。如圖5中所示，饋通阻抗ZF′具有比饋通阻抗ZF更高的電阻部分或?qū)嵅恳约案叩母锌共糠只蛱摬俊Q句話說，Re(ZF′)＞Re(ZF)，并且Im(ZF′)＞Im(ZF)。更具體地說，饋通阻抗的實(shí)部Re(ZF′)大約為0.1到0.2歐姆，而饋通阻抗的實(shí)部Re(ZF)大約為0.0到0.1歐姆。饋通阻抗的虛部Im(ZF′)大約為1到5歐姆，而饋通阻抗的虛部Im(ZF)大約為-3到1歐姆。此外，阻抗變換電路42并沒有被預(yù)期補(bǔ)償電抗性阻抗或抵消相移。然而，電感性饋通阻抗ZF越大，在匹配網(wǎng)絡(luò)中需要的電感就越小。結(jié)果，可以更加增強(qiáng)匹配網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)，因?yàn)镽F功率損耗主要與例如由銅制成的電感器的集總元件有關(guān)。
雖然已經(jīng)描述并且示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)注意，僅借助實(shí)例來提供這些實(shí)施例并且本發(fā)明不應(yīng)被解釋為局限于此而是僅由以下的權(quán)利要求的適當(dāng)范圍來限制。
權(quán)利要求
1.一種RF等離子體反應(yīng)器，包括真空室(18)；RF電源(12)；匹配網(wǎng)絡(luò)(14)；位于真空室內(nèi)部的第一金屬板(22)和第二金屬板(20)；被限定在第一和第二金屬板之間的等離子體放電區(qū)(30)；電連接到第一金屬板(22)、匹配網(wǎng)絡(luò)(14)和RF電源(12)的饋送元件(26)；以及電連接到第一金屬板(22)的阻抗變換電路(42)。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體反應(yīng)器，其中阻抗變換電路(42)包括電連接到第一金屬板(22)的變換電路饋送元件(44)和電連接到地的阻塞可調(diào)電容器。
3.如權(quán)利要求1-2所述的等離子體反應(yīng)器，進(jìn)一步包括位于真空室(18)內(nèi)部的反應(yīng)器室(24)，其具有反應(yīng)器阻抗，其中阻抗變換電路(42)包括低損耗電感器并且將反應(yīng)器阻抗變換為中間阻抗，其中饋送元件(26)將中間阻抗變換為饋通阻抗，并且由此提高了饋通阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的等離子體反應(yīng)器，其中第一金屬板(22)電連接到RF電源(12)，第二金屬板(20)電連接到地，并且阻抗變換電路(42)電連接到地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的等離子體反應(yīng)器，其中匹配網(wǎng)絡(luò)(14)位于真空室(18)的外部并且電連接到饋送元件，其中阻塞可調(diào)電容器位于匹配網(wǎng)絡(luò)(14′)的內(nèi)部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4的等離子體反應(yīng)器，其中饋送元件(26)和變換電路饋送元件(44)位于真空室的內(nèi)部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的等離子體反應(yīng)器，其中該等離子體反應(yīng)器是RF-PECVD等離子體反應(yīng)器。
8.一種RF等離子體反應(yīng)器，包括真空室(18)；RF電源(12)；匹配網(wǎng)絡(luò)(14)；位于真空室內(nèi)部的第一金屬板(22)和第二金屬板(20)；被限定在第一和第二金屬板之間的用來包含等離子體的等離子體放電區(qū)(30)；電連接到第一金屬板(22)、匹配網(wǎng)絡(luò)(14)和RF電源(12)的饋送元件(26)；以及電連接到第一金屬板(22)的阻抗變換電路(42)，其包括阻塞電容器。
9.如權(quán)利要求8所述的等離子體反應(yīng)器，進(jìn)一步包括位于真空室內(nèi)部的反應(yīng)器室(16)，其具有反應(yīng)器阻抗；其中阻抗變換電路(42)是低損耗電感器并且將反應(yīng)器阻抗變換為中間阻抗，其中饋送元件(26)將中間阻抗變換為饋通阻抗，并且由此提高了饋通阻抗。
10.如權(quán)利要求8-9所述的等離子體反應(yīng)器，其中阻抗變換電路(42)包括電連接到第一金屬板(22)的變換電路饋送元件(44)和電連接到地的阻塞電容器。
11.如權(quán)利要求8-10所述的等離子體反應(yīng)器，其中所述電容器是阻塞可調(diào)電容器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11的等離子體反應(yīng)器，其中饋送元件(26)電連接到RF電源(12)，變換電路饋送元件(44)電連接到地，以及第二金屬板(20)電連接到地。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12的等離子體反應(yīng)器，其中匹配網(wǎng)絡(luò)(14′)位于真空室外部并且電連接到饋送元件(26)，其中阻塞可調(diào)電容器位于匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-12的等離子體反應(yīng)器，其中饋送元件(26)和變換電路饋送元件(44)位于真空室(18)內(nèi)部。
15.一種在真空中沉積半導(dǎo)電層的方法，包括以下步驟提供等離子體反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有RF電源(12)、真空室(18)、匹配網(wǎng)絡(luò)(14)、位于真空室內(nèi)部的具有反應(yīng)器阻抗的反應(yīng)器室(16)、位于真空室內(nèi)部的第一(22)和第二(20)金屬板；被限定在第一和第二金屬板之間的用來包含等離子體的等離子體放電區(qū)(30)、電連接到第一金屬板(22)的饋送元件(26)、以及電連接到第一金屬板(22)的阻抗變換電路(42)；將襯底放置在第二金屬板(20)上；將RF功率輸送給等離子體；利用阻抗變換電路(42)將反應(yīng)器阻抗變換為中間阻抗；以及利用饋送元件(26)將中間阻抗變換為饋通阻抗，由此提高了饋通阻抗。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括沉積薄膜到襯底上的步驟。
17.如權(quán)利要求15-16所述的方法，其中阻抗變換電路(42)包括電連接到第一金屬板(22)的變換電路饋送元件(44)和電連接到地的阻塞可調(diào)電容器。
18.如權(quán)利要求15-17所述的方法，其中阻塞可調(diào)電容器位于匹配網(wǎng)絡(luò)(14′)內(nèi)部。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18的方法，其中饋送元件(26)和變換電路饋送元件(44)位于真空室(18)內(nèi)部。
全文摘要
提供了一種用于將半導(dǎo)電層沉積到非常大的玻璃區(qū)域上的RF等離子體反應(yīng)器(40)。該RF等離子體反應(yīng)器包括真空室(18)、反應(yīng)器室(24)、RF電源(12)、匹配網(wǎng)絡(luò)(14)、位于真空室內(nèi)部的第一(22)和第二金屬板(20)以及被限定在第一和第二金屬板之間的等離子體放電區(qū)(30)。該RF等離子體反應(yīng)器進(jìn)一步包括饋送線(26)和阻抗變換電路(42)，其兩者都電連接到第一金屬板。該阻抗變換電路進(jìn)一步包括變換反應(yīng)器的阻抗的阻塞可調(diào)電容器(Car)。
文檔編號H01J37/32GK101057310SQ200580038684
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者A·貝林格 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司