CN102318034A - 用于大面积等离子体加工的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明，一种用于大面积等离子体加工的装置包括至少一根平面天线(A)，具有多个互连的基本共振网孔(M1、M2、M3)，每一个网孔(M1、M2、M3)都包括至少两个导电引脚(1、2)和至少两个电容(5、6)。射频发生器将所述天线(A)激发为其共振频率中的至少一种。加工室靠近所述天线(A)。所述天线(A)生成的电磁场场型具有非常良好地限定的空间结构，这就允许很好地控制等离子体的激发。

Description

用于大面积等离子体加工的装置

技术领域

本申请涉及一种用于大面积等离子体加工的装置，改善了均匀性和等离子体密度。

背景技术

等离子体加工被非常频繁地用于各种应用例如表面涂敷、制造平板显示屏或太阳能电池。等离子体加工包括蚀刻过程、沉积过程、表面改性、表面功能化。例如，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)通常被用于在基板例如用于平板显示器或半导体晶片的透明基板上沉积薄膜。

PECVD通常通过将前体气体或气体混合物引入包含基板的真空室内而实现。前体气体或气体混合物通常被引导向下穿过位于腔室顶部附近的分配板。腔室内的前体气体或气体混合物被激励成为由等离子体源生成的等离子体，取决于工艺参数，等离子体可以具有不同类型。主要的工艺参数很可能是压力范围。被激发的气体或气体混合物起反应以在基板的位于基板支架(经常具有受控温度)上的表面上形成材料层。反应期间生成的挥发性副产物通过排气***从腔室中抽出。

文献EP0949352B1和US6363881B2公开了一种用于等离子体增强化学气相沉积的平面阶梯形天线。阶梯形天线具有上侧导杆、下侧导杆以及连接上导杆和下导杆的若干平行导杆。具有多根电线的功率分配器被用于将高频功率均匀地分配至阶梯形天线，使其可以获得更好的膜厚度分布。

但是，即使是用了功率分配器，要获得具有高加工速度和均匀加工分布的大面积等离子体加工也仍然是非常困难的。

对于增大通过PECVD加工的平板显示屏的表面有持久的需求。目前，加工的是大约为1m²的片材，并且可以预见在不久的将来就会有接近并超过5m²的大基板。加工期间用于在平板显示屏上提供均匀加工气流的气体分配板或扩散板的尺寸也相对较大，特别是与用于200mm和300mm半导体晶片加工的气体分配板相比。

随着基板的尺寸不断增加，由常规PECVD设备产生的膜厚度控制和膜性质控制就变得问题越来越多。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供大型的受控加工，同时还具有更高的产量。

本发明的另一个目标是优选地提供大型的均匀加工。

为了实现上述以及其他的目标，本发明提出了一种用于大面积等离子体加工的装置，包括：

a.至少一根平面天线，

b.激发所述天线的至少一个射频发生器，

c.气体喷射***和扩散器，

d.靠近所述天线的加工室，

e.其中所述平面天线包括多个互连的基本共振网孔，每一个网孔都包括至少两个导电引脚和至少两个电容，以使所述天线具有多个共振频率，

f.并且其中所述射频发生器将所述天线激发至其共振频率中的至少一个。

因为平面天线具有多个互连的基本共振网孔，并且因为天线被激发至其共振频率中的至少一个，所以天线的基本部件网孔内电流的幅值分布稳定，并且能够在天线的整个表面上被非常良好地限定。

并且电流幅值的分布能够通过选择要由射频发生器激发的是哪一个天线共振频率而加以控制。

由于天线整个表面上非常良好地限定的电流幅值分布，因此通过本发明的天线就能够建立起非常良好地限定的等离子体分布。

考虑到等离子体会从具有高电流强度的区域快速扩散至具有较低电流强度的区域，通过本发明的天线就能够建立起更加均匀的等离子体分布。

优选地，导电引脚可以彼此平行，以使得每一个网孔都生成一个沿网孔纵轴具有更加均匀分布的电磁场。

天线可以有利地包括具有两个平行的较长导电引脚的基本共振网孔，其端部通过横向的较短连接元件互连。这样的基本共振网孔的设计允许有效地互连用于构成大平面天线的多个网孔。

根据第一实施例，横向的较短连接元件包括相对的电容。

根据第二实施例，平行的较长导电引脚包括相对的电容，每一个电容都被串联连接在相应一段导电引脚之间。

两个实施例可以组合，其中第一组相对的电容被连接在横向的较短连接元件内，而第二组相对的电容被连接在导电引脚内。

具有平行导电引脚的基本共振网孔的那些实施例可以有利地通过公共引脚互连，用于形成阶梯形共振天线。这样的设计允许构成非常大的天线，在天线的整个表面上具有良好地限定的电流幅值分布。

根据本发明的装置可以有利地进一步包括平行于天线的导电板或屏蔽，以及用于调节板的相对位置的装置，从而使得能够调节天线的共振频率。

通过调节导电板与天线的相对位置，就能够调整天线的共振频率，以便与发生器的激发频率相对应。

而且，通过调节导电板的相对位置，就能够调节等离子体的边界条件。

根据优选实施例，本发明的装置可以进一步包括用于在天线附近生成磁场的装置。

利用这样的磁场，能够在等离子体内激发平面偏振螺旋状波，以使装置的加工速率得以提高。

根据用于生成磁场的装置的第一实施例，该装置可以包括永磁体阵列。

根据用于生成磁场的装置的第二实施例，该装置可以进一步包括用于在所述天线内注入叠加至射频电流的DC电流(直流)的装置，以使所述DC电流在天线附近生成磁场。

为了加工更大的面积，根据本发明的装置可以进一步包括至少一根辅助天线。

优选地，天线被安置在加工室内。

为了避免发生器输出处的RF(射频)反射，可以使用至少一个匹配网络。

根据优选实施例，射频发生器在两个不同的注入点处用至少两个相移RF功率信号给天线馈电，导致天线引脚内的电流分布随时间的平移。换句话说，这会导致移动的电流分布。

因此，等离子体分布在天线的整个表面上随时间而平移。

这会导致更加均匀的加工分布。

而且，迁移的电流分布显著增强了螺旋状波的激发。

附图说明

本发明其他的目标、特征和优点可以参照附图根据以下对特定实施例的说明得出，在附图中：

-图1示出了用于平面天线的基本网孔及其等效电路的第一实施例；

-图2示出了用于平面天线的基本网孔及其等效电路的第二实施例；

-图3示出了用于平面天线的基本网孔及其等效电路的第一实施例；

-图4示出了具有根据第一实施例的一系列基本网孔的高通天线；

-图5示出了具有根据第二实施例的一系列基本网孔的低通天线；

-图6示出了具有根据第三实施例的基本网孔的混合天线；

-图7示出了在天线的一种共振频率激发下图4中天线内的电流强度分布；

-图8示出了连有导电板用于调节共振频率和等离子体边界条件的天线；

-图9示出了本发明中馈送有两种相移信号的天线；

-图10示出了可以被用于给天线馈电的匹配网络的等效电路；

-图11是示出了用于建立平行平均磁场的两块磁体的侧视图；

-图12是示出了用于建立平面磁场的磁体阵列的平面图；

-图13示出了用于向天线内注入电流的第一实施例；

-图14示出了用于向天线内注入电流的第二实施例；

-图15示出了天线的一种共振频率和电容值之间的关系示例；

-图16示出了根据本发明的实施例的用于大表面等离子体加工反应器的典型的简单结构；

-图17示出了用于向天线内注入两种相移电流的简单电路；以及

-图18示出了用于向天线内注入直流的简单电路。

具体实施方式

根据本发明，一种具有多个基本共振网孔的平面天线被提供作为用于生成大面积等离子体的源。

图1、2和3示出了用于这样的基本网孔M1以及对应的等效电路E1的三个实施例。

每一个基本网孔M1都具有两个平行的较长导电引脚1和2，其端部通过横向的较短连接元件3和4互连。

较长的连接引脚1和2主要用作导电部件。每一个基本网孔都具有至少两个相对的电容5和6。

在图1的高通网孔中，相对的电容5和6构成所述较短的连接元件3和4。

在图2的低通网孔中，相对的电容5和6中的每一个都被串联连接在相应的导电引脚1或2的两段长度1a、1b或2a、2b之间。

在图3的通带网孔中，两个第一相对电容5和6构成所述较短的连接元件3和4，而两个第二电容5a和6a中的每一个都被串联连接在相应导电引脚1或2的两段长度1a、1b或2a、2b之间。

每一个基本网孔都如图所示在对应的等效电路E1上构成了共振的L-C回路。

几个基本网孔被互连，目的是为了形成所需尺寸的平面天线。

例如，图4示出了将根据图1的一系列基本高通网孔M1、M2，M3互连形成阶梯形共振天线而制成的高通天线A。

图5示出了将根据图2的一系列低通网孔M1、M2、M3互连形成阶梯形共振天线而制成的低通天线A。

图6示出了将根据图3的一系列基本网孔M1、M2、M3互连形成阶梯形共振天线而制成的混合天线A。

在所有三个实施例中，相邻的网孔例如网孔M1和M2具有公共的导电引脚2。

如果N是天线A的引脚数量，那么所述天线A就会表现出N-1种共振频率。这些共振频率的值取决于引脚1、2的几何形状(长度、直径、两个相邻引脚之间的距离等)以及电容5、6的值。

如果所有的电容5、6都具有相同的电容量，并且如果所有的引脚1、2都相同(电感相同)，那么正如图7中所示，每一种共振频率就对应于天线引脚例如引脚1、2内的正弦电流分布I(n)。

$I\left(n\right)=I_0\sin \left(m\frac{\mathrm{\π}}{N}n\right)$

其中I₀是幅值，n是给定的引脚数量(n＝[1∶N])并且m是共振模式数量(m＝[1∶N-1])。要注意这是电流的幅值分布；从时间点的角度看，引脚电流同相振荡。图7示出了在对应于共振模式m＝4的共振频率下的电流幅值分布。

然后，在共振频率下被激发时，该天线A生成的电磁场(EM)场型具有非常精确限定的正弦空间结构。这就允许很好地控制等离子体中EM正常模式的激发(正常模式＝本征函数)。本发明的特征在于天线A总是在它的一种或几种共振频率下被激励(或馈电)。

可以在等离子体中激发多种不同的电磁波。某些种类的波只能在等离子体被磁化时存在，例如圆柱体几何形状内的螺旋波。我们对这种波特别感兴趣，原因在于它们在衰减时会导致强烈地加热等离子体，并因此导致高电子密度。

平面偏振的“螺旋状”波能够在等离子体板材内被激发，通常处于射频(RF)范围内(通常为1-100MHz)。因此在优选实施例中，在天线A和加工室附近施加静磁场。必须要注意，对于由本发明中的天线A生成的等离子体来说这并不是一个严格的要求，原因在于该天线A无需任何静磁场也可以主要通过与等离子体的电感耦合而工作。

静磁场可以由不同的装置生成，例如图11和12中所示的永磁体，或者是DC(直流)线圈。

在图11中，两块对齐(in line)的磁体10a和10b生成平行于磁体的侧向平均磁场10c。

如果关于天线A(或基板)平面沿平行方向施加磁场，那么就可以成功地使用永磁体(例如磁体10a和10b)的阵列10(图12的顶视图)。

在本发明的天线A中，除了RF激发以外，我们还可以向引脚1、2内注DC电流，目的是为了在天线A附近生成所需的静磁场。

图18示出了用于注入DC电流的简单电路：天线A类似于图4或图9中的高通天线。RF发生器20在两个注入点21和23用RF电流给天线A馈电。DC发生器60在每一个导电引脚的两端通过相应的扼流线圈用DC电流给天线A馈电：例如，通过扼流线圈61和62给导电引脚1馈电，并且通过扼流线圈63和64给导电引脚2馈电。

等离子体的存在会轻微地影响共振频率值，主要原因在于电感耦合。为了补偿频率偏移，可以靠近天线A放置导电的屏蔽S(或板)(图8)。通过调节屏蔽S与天线A的相对位置P即可调整共振频率，以便与发生器的激发频率相对应。除了等离子体内波的能量沉积场型能够被这种屏蔽S的位置影响以外，屏蔽S的位置还能够被用作用于调节等离子体EM正常模式的边界条件的一种手段。

只要RF发生器的频率与天线A所期望的共振频率相对应，那么RF能量就可以在天线结构上的任意位置被注入。实际上，如果天线A以共振频率被激发，那么电流分布就不会被RF注入点的定位影响。但是被RF发生器“看到”的天线阻抗将取决于这些注入点。从这个角度看，尽管并非必要，但是完全跨越其结构，也就是说图13或14中所示在端部的注入点处给天线馈电通常都更好。在图13中，发生器20在两个相对的端点21和22给天线A馈电。在图14中，发生器20在两个下端的注入点21和23处给天线A馈电。要注意的是，图13中的结构可以允许激发偶数值m，而图14中的结构可以允许激发奇数值m。

对于大的等离子体加工来说极为重要的一点是基板上加工(沉积、蚀刻等)的均匀性。要做到这一点，等离子体就必须尽量均匀。在某些情况下，例如如果反应器内的工作压力高(通常为1mb)，那么由空间固定的正弦电流分布生成的等离子体可能就会表现出不合期望的非均匀性。为了使等离子体更加均匀，我们可以进行天线A的二次(或双相)馈电。图9中示出了这种结构的一个实例。

在该图中能够看到天线A的第一引脚1和最后一个引脚100已经在两端通过回接线31和32连接在一起，每一根回接线都包含补偿电容33或34。调节补偿电容33或34的值以补偿用于覆盖两个极端引脚1和100之间距离所必须的长导线31、32的电感。

双相馈电的原理包括用在两个远离的注入点(例如图9中的注入点38和39)注入的两个相移信号来激发天线A。这些相移信号可以通过组合几个RF发生器而获得，或者可以通过用长导线35内的功率分配器36和移相器37分配由单个发生器20发出的信号而获得。

图17示出了一种非常简单的结构，允许分配单个发生器20的RF功率，并且与此同时还在发自功率分配的两个信号Vout1和Vout2之间生成时间相移。

必须关注以下事实：只有在天线的输入阻抗Z1＝R1+ix1和Z2＝R2+iX2是分配器/移相器部件自身的函数(iψ和iη)时，该***的简单性才是显而易见的。两输入电流I1和I2幅值的比R_1，2由以下公式给出：

$R_{\mathrm{1,2}}=\frac{\left|\right|I2\left|\right|}{\left|\right|I1\left|\right|}=\sqrt{\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ψ}+X1)}^2}{{R2}^2+{(\mathrm{\η}+X2)}^2}}$

而I1和I2之间的时间相移φ_1，2由下式给出：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,2}}=\arctan \left(\frac{R2(\mathrm{\ψ}+X1)-R1(\mathrm{\η}+X2)}{R1R2+(\mathrm{\ψ}+X1)(\mathrm{\η}+X2)}\right)$

ψ和η值被确定用于获得所期望的R_1，2和φ_1，2。

两信号之间的相移φ_1，2可以任意选择，但是通常都是±90°。幅值比R_1，2通常被固定为1。根据这些条件，ψ和η可以采用非常简单的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}=-R2-X1\\ \mathrm{\η}=R1-X2\end{array}\right.$ (对于+90度相移)

以及 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}=R2-X1\\ \mathrm{\η}=-R1-X2\end{array}\right.$ (对于-90度相移)

用于两个信号的RF功率注入点38和39取决于必须被激发的共振模式m。在正确连接时，如图9中所示，这种馈电结构造成引脚1-100内正弦电流分布随时间的平移30。这种移动的电流分布可以得到非常均匀的等离子体加热。

天线A共振时，其阻抗表示为较大的可以为数百欧姆的实部R，以及非常小的接近于零的虚部iX。为了在发生器输出处避免RF反射，必须要使用阻抗匹配网络。可以使用常规的匹配网络，但是由于天线的阻抗性质(大的实部和小的虚部)，因此图10中示出的专用串联匹配***40即可达到目的。该匹配***40包括可调节的虚数阻抗ib和ia以及具有长度d的传输线路。在该***中，被RF发生器20“看到”的实数阻抗Rg由下式给出：

$\mathrm{Rg}=\frac{2R{Z}_0^2}{R^2+{(a+X)}^2+Z_0^2-(R^2+{(a+X)}^2-Z_0^2)\cos \left(2\mathrm{\βd}\right)-2(a+X)Z_0\sin \left(2\mathrm{\βd}\right)}$

其中Z₀是传输线路41的特征阻抗，而β是传输线路41中频率为ω的信号的波数(β＝2π/λ，其中λ是波长)。然后利用合适的传输线路长度d，通过单独调整a的值，Rg即可达到发生器输出的实数阻抗。通过调整b的值，被RF发生器20“看到”的阻抗中的虚部可以随后达到零，然后匹配即告完成。

在以下的段落中，我们将要给出在运行时关于平面天线的主要相关参数的典型数量级。我们采用具有单一功率注入的22引脚高通天线作为实例。我们还认为所有的引脚都相同(0.5m长，6mm直径)，电容也都相同。考虑其尺寸，单个引脚表现出的电感约为0.5μH。我们假定我们希望激发天线的m＝6的共振模式。在该m＝6的共振将会发生时的频率自然地取决于天线电容的电容量C，如图15中所示。例如，如果我们采用13.56MHz的RF发生器20，那么我们大约需要800pF的电容以在该频率下观测到m＝6的共振。

图16示出了用于大面积等离子体加工反应器50的一种典型的简单结构。具有***壁部52和反应器顶板53的加工室51被连接至泵***54以及排气和加工前体(气体)喷射***55。天线A被安置在反应器顶板53附近，并且由具有合理的匹配网络的RF发生器20馈电。待加工的基板56被安置在反应室51内的基板支架57上，基本上平行于天线A。等离子体58在基板56和反应器顶板53之间生成。静磁场发生器10(图12)在该图16中并未示出。如果要使用永磁体阵列10，那么它们可以例如被安置在基板56的正下方，装入基板支架57内。允许微调共振频率的导电屏蔽57也没有示出。

本发明并不局限于已经明确介绍过的实施例，而应在以下权利要求的保护范围内涵盖其变形和推广形式。

Claims (14)

1.一种用于等离子体加工的装置(50)，包括：

a.至少一根平面天线(A)，

b.激发所述天线(A)的至少一个射频发生器(20)，

c.气体喷射***(55)和扩散器，

d.靠近所述天线(A)的加工室(51)，

e.其中所述平面天线(A)包括多个互连的基本共振网孔(M1、M2、M3)，每一个网孔(M1、M2、M3)都包括至少两个导电引脚(1、2)和至少两个电容(5、6)，以使所述天线(A)具有多个共振频率，以及

f.其中所述射频发生器(20)将所述天线(A)激发至其共振频率中的至少一个。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述导电引脚(1、2)彼此平行。

3.如权利要求2所述的装置，其中基本共振网孔(M1、M2、M3具有两个平行的较长导电引脚(1、2)，其端部通过横向的较短连接元件(3、4)互连。

4.如权利要求3所述的装置，其中横向的较短连接元件(3、4)包括相对的电容(5、6)。

5.如权利要求3或4所述的装置，其中平行的较长导电引脚(1、2)包括相对的电容(5、6)，每一个电容(5、6)都被串联连接在相应的一段(1a、1b；2a、2b)导电引脚(1、2)之间。

6.如权利要求2至5中的任意一项所述的装置，其中基本共振网孔(M1、M2、M3)通过公共引脚(2)互连，用于形成阶梯形共振天线(A)。

7.如权利要求1至6中的任意一项所述的装置(50)，进一步包括平行于天线(A)的导电板(S)，以及用于调节板(S)的相对位置(P)的装置，从而使得能够调节天线(A)的共振频率。

8.如以上权利要求中的任意一项所述的装置(50)，进一步包括用于在天线附近生成磁场的装置(10)。

9.如权利要求8所述的装置，其中用于生成磁场的装置(10)包括永磁体(10a、10b)的阵列。

10.如权利要求8所述的装置(50)，进一步包括用于在所述天线(A)内注入叠加至射频电流的DC电流的装置(60、61、62、63、64)，以使所述DC电流在天线(A)附近生成磁场。

11.如以上权利要求中的任意一项所述的装置(50)，进一步包括至少一根辅助天线。

12.如以上权利要求中的任意一项所述的装置(50)，其中所述天线(A)被安置在加工室(51)内。

13.如以上权利要求中的任意一项所述的装置(50)，进一步包括至少一个匹配网络(40)。

14.如以上权利要求中的任意一项所述的装置(50)，其中射频发生器(20)在两个不同的注入点(38、39)处用至少两个相移RF功率信号给天线(A)馈电，导致天线(A)的引脚(1、100)内的电流分布随时间平移(30)。

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