專利名稱：用于襯底的等離子體處理的等離子體處理設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及一種具有改善的(低能量)離子轟擊特性的等離子體處理設(shè)備或系 統(tǒng)、以及一種用于在這種設(shè)備中處理襯底的方法。等離子體工藝涉及沉積-和/或刻蝕 工藝、加熱、表面調(diào)整、以及襯底的其它工藝。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已知的很多等離子體處理系統(tǒng)是根據(jù)所謂的平行平板反應(yīng)器原理而構(gòu)建 的。圖1示出這種等離子體處理設(shè)備。其包括具有限定外圍的壁的工藝室7、第一平面 電極1、第二平面電極2，第一平面電極1和第二平面電極2皆設(shè)置在所述工藝室7內(nèi)、 可與至少一個RF電源電連接。電極1和2限定了等離子體發(fā)生區(qū)域6。待處理的襯底5 置于襯底支持物上，或者如所示那樣直接在所述電極之一上。因而，襯底在處理期間受 到等離子體的作用。圖1示意性示出工藝氣體入口裝置3以及用于除去殘余氣體的排氣 裝置4。已經(jīng)省略了工藝氣體分布裝置。通常，薄膜硅層(非晶、納米/微晶材料等)及其與C、N、O等的合金是使用 這種平行平板設(shè)置以及電容RF功率耦合通過PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)而得 以沉積的。通常，襯底放置在接地電極上，而另一電極充當(dāng)RF供電電極和氣體分布噴頭 (工藝氣體分布裝置)。通過使用這樣的設(shè)置，已經(jīng)成功地獲得了平方米范圍中大面積上 非晶和納米/微晶層的同質(zhì)沉積。相關(guān)領(lǐng)域在經(jīng)典平行平板配置中，最大可能離子能量通過已知的方式(K0hler等， J.Appl.Phys.57 (1985)，p.59 和 J.Appl.Phys.58 (1985)，p.3350)與所施加的 RF 峰峰值電壓
相關(guān)，所施加的RF峰峰值電壓與所施加的RF功率密切相關(guān)。在工藝室中超過特定閾值 電壓值以朝向襯底加速的離子進(jìn)行離子轟擊，在所沉積的塊材料中產(chǎn)生缺陷和損傷敏感 界面，因此，使得材料質(zhì)量和界面性能惡化。使用VHF和/或高壓沉積方式(regime)、 三極管配置等的若干嘗試被執(zhí)行來減少這種轟擊，尤其是對于微晶層的沉積。三極管配 置帶來了優(yōu)異的材料，但減小了沉積速率，因?yàn)榘l(fā)生了柵極與襯底之間的區(qū)域中的原子 團(tuán)的重組。增加進(jìn)入VHF/UHF區(qū)域的等離子體激勵頻率對于等離子體的給定功率減少 了必要的峰峰值電壓，但是，離子轟擊又隨RF功率而增加，因此，無法獨(dú)立受控并且單 獨(dú)調(diào)整。不依賴于RF功率而對離子轟擊進(jìn)行控制的高效方式可以通過將襯底放置在浮動 電極上而得以實(shí)現(xiàn)。在此情況下，僅浮動電勢(其遠(yuǎn)小于依賴于等離子體功率的等離子 體電勢)將使得離子朝向襯底加速，導(dǎo)致最大可能的離子能量的大量減少。然而，簡單 地允許接地電極在平行平板設(shè)置中變?yōu)殡姼訉⑾蟛糠蛛娊拥?，尤其在大面積應(yīng)用 時，這是因?yàn)槿鄙匐姌O接地電勢。僅僅是與等離子體的電接觸的接地室壁將仍然是對于 等離子體的接地。存在解決該問題的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用。圖2(引證自US 7,090,705)示出等離子體處理設(shè)備，其包括面對襯底21的電極配置，具有由絕緣體23分隔開的第一電極24和第二電 極22。第二電極22以帶狀圖案設(shè)置在平行于第一電極24的平面中，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是并行 槽26，其中，第一電極24的一部分充當(dāng)槽底27，電極22充當(dāng)槽肩。電功率(優(yōu)選地， RF功率25)施加在電極22與24之間，從而等離子體生成在槽26中，并且鄰近(多個) 電極22。技術(shù)上，該槽26可以描述為細(xì)長的腔，并且可以甚至使用空陰極效應(yīng)。工藝氣體經(jīng)由槽底27中的孔而傳送到槽26。工藝氣體的平滑均勻分布對于有效 操作是基本的，并且目的是實(shí)現(xiàn)處理(例如層沉積或刻蝕步驟)的同質(zhì)結(jié)果。電極條的帶狀圖案允許控制等離子體發(fā)生區(qū)域，然而，制造工作是繁重的，因 為第二電極22和絕緣體23的元件必須是獨(dú)立組裝的；此外，需要很多鉆孔，以實(shí)現(xiàn)平滑 均勻的工藝氣體分布。對于基于平行平板反應(yīng)器原理的大面積等離子體沉積系統(tǒng)，將出現(xiàn)駐波現(xiàn)象。 這是由于這樣的事實(shí)，即，隨著RF/VHF頻率(> 13.56MHz并且電極直徑> Im)的增 力口，自由空間波長減小，并且因而反應(yīng)器中的駐波顯現(xiàn)，始于傳送的點(diǎn)，RF功率到電極 的連接點(diǎn)。圖2所示的設(shè)計試圖通過對RF功率的多點(diǎn)傳送(每電極22 —個)來避免該 情況。然而，這意味著，為了實(shí)現(xiàn)至少部分不依賴于所述現(xiàn)象，昂貴且精細(xì)的布線是必 須的。這種布線的成本將隨著根據(jù)圖2的電極的尺寸的增加而增加。然而，根據(jù)圖2的 設(shè)計沒有完全解決駐波的問題。駐波可以仍然沿著平行槽26而產(chǎn)生，尤其對于大面積電 極。平行平板反應(yīng)器設(shè)計的另一普遍問題(尤其是對于大的表面)在于如下事實(shí)電 流流動特性對于電極的所有區(qū)域并不相同。接近于電極邊緣的區(qū)比電極中心區(qū)域感知到
“更”有效的陽極區(qū)域，這是因?yàn)槿缦率聦?shí)工藝室的壁通常具有接地連接，故此也將 充當(dāng)陽極。圖2所描述的設(shè)計至少部分地解決該問題，因?yàn)殡姌O表面按接近關(guān)系分布和 設(shè)置，所以這種非同質(zhì)性(尤其對于大面積電極的中心區(qū)域)將得以減少。故此，本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的缺陷，以展現(xiàn)電極的重量輕、成 本有效并且可縮放設(shè)計，從而用在等離子體處理設(shè)備中。本發(fā)明的另一目的是提供一種 方法，用于襯底的等離子體處理，在沉積速率、對所沉積的層的結(jié)晶度的影響以及層同 質(zhì)性方面具有增加的靈活性。


圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的平行平板反應(yīng)器設(shè)計(簡化后的)。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)US 7,090,705中描述的反應(yīng)器。圖3以側(cè)視圖示出本發(fā)明第一實(shí)施例。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的有孔電極的頂視圖。圖5示出從遵循本發(fā)明原理的小規(guī)模反應(yīng)器制成的照片。圖6以側(cè)視圖示出本發(fā)明第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式等離子體處理裝 置30包括具有工藝室壁35的工藝室、所述工藝室中的工藝氣 體進(jìn)入裝置和工藝氣體分布裝置、用于除去殘余氣體的排氣裝置、設(shè)置在所述工藝室內(nèi)且可與至少一個RF電源39電連接的至少第一電極31和第二電極32。此外，為待處理 的襯底33提供襯底底座34。第二電極32展現(xiàn)開口圖案，并且設(shè)置為距第一電極31—段 距離，使得傳送到電極31、32之間的間隙38的工藝氣體在操作期間在間隙38中不點(diǎn)燃 等離子體。在替選實(shí)施例中，等離子體處理設(shè)備50包括具有工藝室壁35的工藝室、所述 工藝室中的工藝氣體進(jìn)入裝置和工藝氣體分布裝置、用于除去殘余氣體的排氣裝置、所 述工藝室內(nèi)設(shè)置的至少有孔的(導(dǎo)電)RF平板51，該RF平板51可與至少一個RF電源 39電連接。此外，為待處理的襯底33提供襯底底座34。RF平板51展現(xiàn)開口圖案，并 且設(shè)置為距后壁53 —段距離，使得傳送到RF平板51與后壁53之間的間隙55的工藝氣 體在操作期間在間隙55中不點(diǎn)燃等離子體。用于襯底的等離子體處理的方法包括將襯底33引入等離子體處理設(shè)備30，將 襯底33面對其中具有開口 36的電極32放置在襯底保持裝置34上，設(shè)置適當(dāng)?shù)墓に嚄l件 (壓力、工藝氣體、溫度)，以及在所述電極32的開口 36中點(diǎn)燃局部化的等離子體37， 并且處理所述襯底。本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明解決方案基于圖3中的第一實(shí)施例側(cè)視圖所示的等離子體處理系統(tǒng)(或等 離子體反應(yīng)器)30的修改的電極配置。具有孔或開口 36的接地平板32 (有孔的接地平板)設(shè)置為鄰近電極31，電極31 在操作中連接到RF電源39。優(yōu)選地提供氣體入口裝置(未示出)，用于將工藝氣體傳送 進(jìn)入接地平板32與供電電極31之間的間隙38。通常使用的氣體噴頭也可以通過例如在 供電電極31中提供與接地電極的孔相對定位的孔而得以在這種設(shè)置中實(shí)現(xiàn)。選取所述電 極31與接地平板32之間的距離，使得在電極31與平板32之間的間隙38中，等離子體 將不點(diǎn)燃(有效暗空間屏蔽)。所述距離可以根據(jù)所施加的電壓和RF頻率以及間隙38 中設(shè)置的氣體的特性和氣體壓力而變化。技術(shù)上，所述距離可以是通過使用絕緣間隔物 (例如陶瓷螺釘)而設(shè)置的，這樣限定了電極32與31之間的分離距離。在一個實(shí)施例 中，RF電極31與接地平板32之間的距離設(shè)置為在1至3_左右。通過將接地平板32布置在電極31附近，等離子體被強(qiáng)制在電接地平板32的孔 36中燃燒。這樣可以生成局部化等離子體37。燃燒的局部化等離子體37中所產(chǎn)生的 原子團(tuán)的空間分布以及接地/供電電極面積的比率可以通過適當(dāng)設(shè)計孔的分布、孔的直 徑、孔的形狀以及它們的面積密度而得到調(diào)整。這樣，另外有可能在襯底33上實(shí)現(xiàn)分別 具有優(yōu)異厚度均勻性和出色刻蝕率均勻性的均勻的層。甚而，可以將空陰極原理擴(kuò)展到這些孔，以甚至進(jìn)一步增強(qiáng)等離子體離解。在 此情況下，優(yōu)選實(shí)施例將包括具有直徑l_30mm(優(yōu)選地8-15mm，更優(yōu)選地10mm)的 孔。有孔接地平板/電極32的厚度可以是在l_15mm(優(yōu)選地5_15mm，而IOmm是更 優(yōu)選的)之間選擇的。這種“厚的”電極于是也可以用于充當(dāng)氣體分布裝置，以允許將 工藝氣體輸送到電極31與32之間的間隙。襯底33可以位于襯底支持物34上，襯底支持物34又可以被設(shè)計為電浮動的， 即與有孔接地電極平板、供電RF電極32以及工藝室壁35分離適當(dāng)?shù)木嚯x(近似5mm至 100mm,取決于壓力、孔幾何尺寸等)。
在另一實(shí)施例中，附加的分離的第二 RF電源40可以連接在襯底支持物34與地 之間，這將允許獨(dú)立偏置，并且因此允許控制適中的但有時仍有益的離子轟擊。由此， 沉積層的結(jié)晶度和/或密度可以更大程度地變化，因?yàn)榫植炕入x子體所生成的離子可 以指向襯底。圖4示出具有孔36的有孔接地平板/電極32的頂視圖。在此，示出孔的規(guī)則 圖案；然而，孔的密度可以變化，以便補(bǔ)償例如邊緣效應(yīng)、駐波效應(yīng)等。電極32可以是 由具有幾個毫米厚度的單片金屬制造的。于是，孔可以得以容易地進(jìn)行激光切割，這也 將使得孔的直徑變化容易，并且避免包括鉆孔損壞問題的鉆孔的努力。待以本發(fā)明的等離子體處理系統(tǒng)處理的產(chǎn)品包括大面積(> Im2)，基本上平坦 的襯底，例如玻璃以及玻璃陶瓷還有其它材料(塑料、不銹鋼)上的太陽能電池板，另 夕卜，用于TFT的顯示平板或其它應(yīng)用。應(yīng)用的范圍包括沉積和/或刻蝕處理、加熱、 表面修整、以及前述襯底的其它處理?？涛g處理中有用的工藝氣體是CF4、SF6, Cl2、 HCL BC13、O2或其它。對于層的沉積，尤其是半導(dǎo)體層的沉積，優(yōu)選地使用比如硅烷 SiH4,乙硅烷、二氯甲硅烷、SiF4、GeH4等的氣體加上最后的摻雜劑，所述摻雜劑有氨 NH3、氮N2、胼等(用于硅氮化物層)、N2CK C02、和O2等(用于硅氧化物層)、氫 H2 (對于很多沉積工藝用作稀釋劑)。根據(jù)本發(fā)明的等離子體處理設(shè)備可以用于幾百kHz至幾百M(fèi)Hz的RF/VHF頻 率。至此，優(yōu)選地是工業(yè)上使用的13.56MHz加上其諧頻，比如40MHz及以上。圖5a) 和b)示出操作中的小規(guī)模反應(yīng)器，局部化等離子體作為亮點(diǎn)而可見。在第三實(shí)施例中，本發(fā)明的原理可以進(jìn)一步簡化，如圖6所示。并非使用供電 電 極31結(jié)合接地有孔平板32 (圖3)，而是使用有孔(導(dǎo)電)RF平板51。平板51連接到 RF電源39。恰在后的工藝室壁53將通過孔充當(dāng)陽極。選取RF平板51與后壁53(= 工藝室壁35的一部分)之間的距離，使得在間隙55中，將不點(diǎn)燃等離子體(有效暗空間 屏蔽)。然而，結(jié)合氣體分布系統(tǒng)(未示出)，該空間將向每一局部化等離子體提供工藝 氣體。局部化等離子體37將在RF平板51的開口中點(diǎn)燃。通過調(diào)整局部化等離子體的 尺寸、密度和配置，有孔RF平板51允許通過與圖3中的實(shí)施例的接地平板32相同方式 補(bǔ)償駐波效應(yīng)的影響。上述選項(xiàng)和限制也可以無縫地應(yīng)用于該實(shí)施例，除非進(jìn)行相反的 說明。在該第三實(shí)施例中，可以產(chǎn)生鄰近有孔RF平板51面對處理區(qū)域54的等離子體 52。這是因?yàn)檫@樣的事實(shí)不僅在平板51與后壁53之間，而且在供電平板51與工藝室 壁35的其它區(qū)域之間，電場得以建立。第二 RF電源40可以有利地連接在襯底支持物34與地之間，這將允許獨(dú)立的偏 置，因此，允許控制適中但有時仍有益的離子轟擊，如以上針對圖3描述的那樣。為了避免襯底34被離子轟擊以不期望的方式影響，應(yīng)注意，沒有或者至少僅有 最少量電容耦合出現(xiàn)在襯底支持物34與剩余工藝室壁35之間。本發(fā)明的其它有利之處通過使用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例至第三實(shí)施例的反應(yīng)器設(shè)置，一個RF發(fā)生器用 于局部生成反應(yīng)原子團(tuán)。該RF電壓生成高轟擊，但這種轟擊將指向RF電極31或51以及其對應(yīng)接地連接(有孔接地平板32和后壁53)，而不是放置了襯底33的襯底支持物34或浮動電極，并且將出現(xiàn)軟沉積條件。技術(shù)上，這意味著，原子團(tuán)的等離子體生成和創(chuàng) 建與沉積分離，尤其是如果使用分離的(RF)襯底偏置電壓40。因而，可以通過使用較 高頻率和/或較高電壓來增加沉積速率，而不冒損壞襯底的風(fēng)險。由于主要的強(qiáng)轟擊將不在襯底上出現(xiàn)，因此襯底將較少地被轟擊加熱，因此， 仍將在沉積期間較少地受加熱影響。在圖2的設(shè)計中通過復(fù)雜電布線以及分段電極22的設(shè)置來部分地避免駐波效 應(yīng)，與此相對照，本發(fā)明的設(shè)計考慮到該現(xiàn)象，并且允許通過如上所述的孔圖案設(shè)計 (直徑、設(shè)置、密度等)來補(bǔ)償它。這樣允許保持布線簡單，僅使用一個或2-4個連接點(diǎn) 到一個電極，同時，電極的構(gòu)造和組裝工作得以最小化。有可能將本發(fā)明的設(shè)計擴(kuò)展到任意尺寸(非常大面積反應(yīng)器，>3m2)，而無需 巨大的技術(shù)構(gòu)建努力。
權(quán)利要求
1.一種等離子體處理設(shè)備(30)，包括具有工藝室壁(35)的工藝室、工藝氣體進(jìn)入裝置和工藝氣體分布裝置、用于除去殘 余氣體的排氣裝置、彼此鄰近設(shè)置因而在其間形成間隙(38)的至少第一電極和第二電極 (31、32)、與所述電極(31、32)可電連接的至少一個RF電源(39)；以及面對第二電極 (32)的用于襯底(33)的襯底支架(34)，其特征在于，所述第二電極(32)展示開口(36) 圖案，并且被設(shè)置在距所述第一電極(31)—段距離處，使得傳送到所述電極(31、32)之 間的間隙(38)的工藝氣體在操作期間在間隙(38)中不點(diǎn)燃等離子體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，第一電極(31)與第二電極(32)之間的距離被 設(shè)置為基本上為1到3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的設(shè)備，其中，所述第二電極被設(shè)計為接地平板，具有 l-15mm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的設(shè)備，其中，所述襯底支持物(34)可連接到第二RF電源 (40)。
5.—種等離子體處理設(shè)備(50)，包括具有工藝室壁(35)的工藝室、所述工藝室 中的工藝氣體進(jìn)入裝置和工藝氣體分布裝置、用于除去殘余氣體的排氣裝置、設(shè)置在所 述工藝室內(nèi)可與至少一個RF電源(39)電連接的導(dǎo)電平板(51)、以及面對所述導(dǎo)電平 板(51)的用于襯底(33)的襯底支架(34)，其特征在于，所述導(dǎo)電平板(51)展現(xiàn)開口圖 案，并且被設(shè)置在距所述工藝室的后壁(53) —段距離處，使得傳送到所述導(dǎo)電平板(51) 與所述后壁(53)之間的間隙(55)的工藝氣體在操作期間在該間隙(55)中不點(diǎn)燃等離子 體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述襯底支架(34)可連接到第二RF電源 (40)。
全文摘要
一種等離子體處理設(shè)備(30、50)，包括具有室壁(35)的工藝室、氣體進(jìn)入裝置和氣體分布裝置、排氣裝置、以及用于襯底(33)的襯底支架(34)。導(dǎo)電平板(51)被設(shè)置在所述室內(nèi)，可與面對所述導(dǎo)電平板(51)的RF電源(39)電連接，所述導(dǎo)電平板(51)展現(xiàn)開口圖案，并且被設(shè)置在距所述室的后壁(53)一段距離處，使得傳送到導(dǎo)電平板(51)與所述后壁(53)之間的間隙(55)的工藝氣體在操作期間在間隙(55)中不點(diǎn)燃等離子體。在第二實(shí)施例中，第一電極和第二電極(31，32)被設(shè)置在所述工藝室內(nèi)，彼此鄰近，其間有間隙(38)。第一電極(31)可連接到RF電源(39)，第二電極(32)連接到地。第二電極展現(xiàn)開口(36)圖案，并且被設(shè)置在一段距離處，使得傳送到所述間隙的工藝氣體不點(diǎn)燃等離子體。
文檔編號H01J37/32GK102017056SQ200980115680
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月2日
發(fā)明者B·萊格拉迪克, U·克羅爾 申請人:歐瑞康貿(mào)易股份公司(特呂巴赫)