在pecvd放電工藝中用於控制電磁輻射的系統和方法

2023-09-19 13:44:55

專利名稱：在pecvd放電工藝中用於控制電磁輻射的系統和方法
技術領域：
本發明涉及等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)工藝。特別地但不是 為了限制，本發明涉及在PECVD工藝期間用於控制電磁輻射的系統和方法。
背景技術：
使用PECVD沉積膜的工藝是眾所周知的並且已經應用了許多年。PECVD 在數種產業中使用以在各種襯底上沉積非導電膜和導電膜，所述襯底包括玻 璃、半導體晶圓和等離子體顯示板。
這些膜在品質和化學性質方面變化較大。關於品質，由相同材料製成的膜 會在密度和純度方面有較大的變化。即，取決於PECVD參數、PECVD系統 類型和系統輸入，膜的品質會增加或降低。
在一些情形下，在膜品質和化學性質方面的變化是無意的。但是在其它情 形下，可有意地改變膜化學性質以產生具有特定性能和屬性的膜。例如，可改 變諸如自由基密度(radical density)、脈衝頻率、佔空比、氣體壓力和溫度的 PECVD工藝參數以改變膜化學性質。
隨著對這些工藝參數控制的改善，對於現有的應用增加，新的應用可受益 於膜和膜品質。儘管存在現有的工藝控制，PECVD產業仍在繼續尋找新而更 好的方式以控制膜的化學性質。因此，需要更精細地控制膜的化學性質的系統 和方法。類似地，需要由更精細地控制膜的化學性質而產生的新的膜。

發明內容
以下概述了在附圖中示出的本發明的示例性實施方式。在具體實施方式
部 分更加完整的描述了這些和其它實施方式。然而，應該理解，不意欲限制本發 明於在本發明的發明內容或具體實施方式
中所描述的形式。本領域的普通技術 人員可以認識到，在權利要求書中描述的本發明的精神和範圍內存在多種變 型、等效物和可選的結構。
在此描述了一種使用膜塗覆襯底的系統和方法。一種實施方式包括如下工
藝提供其上要沉積膜的襯底；生成等離子體以由支持氣體產生自由基；由支 持氣體產生自由基；使用自由基分離前驅氣體；在襯底上沉積來自所述分離的 前驅氣體的材料；以及控制所述沉積的材料暴露於其中的電磁輻射的量。


本發明的各種目的和優點及更完整的理解是顯而易見的，並且當結合附圖 時，通過參照以下的詳細描述和附加的權利要求書將更易於理解，在附圖中 圖1是根據傳統方法的遠程等離子體源的方框圖； 圖2是根據傳統方法在操作中的遠程等離子體源的視圖； 圖3是示出根據傳統工藝產生的介電膜的視圖； 圖4是示出根據傳統工藝的直接式(direct)等離子體源的視圖； 圖5是示出根據本發明一實施方式的原理產生的介電膜的視圖； 圖6是示出具有電磁輻射輔助設備的遠程等離子體源的視圖； 圖7是示出包括輻射輔助設備的直接式等離子體源的視圖； 圖8是示出根據本發明一實施方式的直接式等離子體源的視圖； 圖9是示出根據本發明一實施方式產生的薄膜的視圖； 圖IO是示出根據本發明另一實施方式產生的薄膜的視圖； 圖IIA示出了用於產生額外的紫外線輻射的功率波形； 圖IIB示出了由圖IIA的功率波形產生的紫外線輻射； 圖12A示出了可用於產生額外的紫外線輻射的功率波形；以及
圖12B示出了由圖12A的波形產生的紫外線輻射。
具體實施例方式
現在參照附圖，其中在附圖中 一般以相同的附圖標記指示相同或相似的元
件，並特別參照圖l，其為根據傳統技術的遠程PECVD系統100。該系統包 括工藝腔室105、襯底支架110、其上將沉積有膜的襯底115、前驅氣體源120、 氣泵125、等離子體腔室130、天線135、保護性護鞘140、支持氣體源145 和連接等離子體腔室130與工藝腔室105的連接頸150。該類型的遠程等離子 體系統在本領域中是公知的並且在此沒有詳細描述。
現在參照圖2，其示出了在操作中的圖1的遠程PECVD系統100。該 PECVD系統100用於將Si02介電層沉積於襯底115上。為了沉積該介電層， 使用03和Oi離子分離前驅氣體HMDSO。通過將支持氣體02至暴露於天線 135發射出的電子及離子碰撞而產生這些03和0,離子。通常，通過RF源激 勵天線135，但是其也可以由其它功率源驅動。
從天線135發出的電子使02氣體離子化並形成等離子體155。等離子體 155引起級聯反應，從而形成更多離子或分成單獨部分(fractionalized)的02 氣體(自由基)。然後，這些自由基傳輸通過將遠程等離子體腔室130連接到 等離子體腔室105的頸150。 一旦在等離子體腔室105中，自由基與HMDSO 分子碰撞，將它們分解為SiOx、 H、 OH等。
對於該實施方式，優選的膜可僅包括Si02。然而，在分離和沉積工藝期 間，會形成諸如OH、 H20和SiOH等廢棄顆粒。並且這些顆粒也會沉積在該 襯底和生長膜上。當生長膜為SK)2時，這些雜質降低其介電性能，但是其可 使膜具有彈性。類似的變化導致其它類型的膜。
在PECVD工藝期間產生的多數雜質實際上是被抽送出工藝腔室而不是沉 積在襯底上。然而，在大多數工藝中，足夠的雜質沉積在襯底上以顯著改變膜 的化學性質。
本領域的普通技術人員將理解遠程等離子體源可用於除了介電Si02層之 外的其它薄膜。示出該工藝僅為了示意性目的。
現在參照圖3，其示出了由在圖2所述的遠程PECVD系統產生的SiOj莫 160。該圖示出了襯底層和沉積在其上的膜。多數薄膜由Si02形成。然而，該 膜還包括諸如OH、 H20和SiOH的一定的雜質。這些雜質趨於在該環境空間 (matrix)中緩慢地與來自前驅體的未分解材料、分成單獨部分的工藝材料以 及在該環境空間中增加膜密度的不飽和鍵結合，這導致增加的膜應力，該膜應 力隨著膜的老化會引起裂紋和層離。而且，該膜沒有均勻的密度。即，所沉積 的材料沉積不均勻並留下縫隙。另外，隨著膜冷卻， 一些H20分子最終脫離， 在原來H20分子所處的位置留下縫隙。
在幾乎所有的膜化學性質中都發現薄膜中這些類型的瑕疵而不限於Si02 介電質。並且儘管出於一些目的這些膜是功能性的，但是在許多情況下這些瑕 疵限制膜的能量和壽命。例如，這些雜質和縫隙使薄膜破裂並降低它們所需的 電性能。
在一些實施例中，膜可實際上受益於細心添加的雜質量。但是必須細心控 制添加雜質的該工藝，否則將膜品質會明顯被損壞。
現在參照圖4，其示出了根據傳統技術的直接式PECVD系統170。在該 類型的PECVD系統中，等離子體腔室和工藝腔室結合在一起。否則，直接式 PECVD系統類似於遠程PECVD系統工作。
傳統PECVD系統的該實施方式包括工藝腔室175、天線180、介電護鞘 185、支持氣體供應190、前驅氣體供應195和襯底200。儘管沒有示出，該系 統還可以包括襯底支架。另外，該類型的PECVD系統在本領域中是眾所周知 的並且在此沒有詳細描述。
儘管該PECVD系統可與圖1中示出的遠程PECVD系統相似地操作，但 是發現對於特定的膜化學性質，與遠程PECVD系統產生的膜相比，直接式 PECVD系統產生具有較高品質的膜。例如，圖5示出了由直接式PECVD系 統產生的介電膜205。雖然該膜仍然包括降低膜的總體品質的雜質和縫隙，但 是雜質和縫隙的數量減少。
近期發現膜品質增加的部分原因在於電磁輻射，並且特別是紫外線輻射， 從在天線周圍形成的等離子體向外輻射。在遠程PECVD系統中，電磁輻射被 阻擋而不能達到襯底和生長膜。但是在直接式PECVD系統中，來自等離子體 的輻射會直接轟擊襯底和生長膜。發現該轟擊顯著影響生長膜的化學性質。在 一些實施例中，電磁輻射轟擊增強了膜的品質。然而，在其它情形下，電磁輻 射轟擊可能實際上使膜的生長中斷。
如前所述，PECVD產業一直在尋找新而更好的方式以控制PECVD工藝 並更精細地調整所沉積膜的化學性質。並且通常，PECVD產業控制諸如自由 基密度、脈衝頻率、佔空比、氣體壓力和溫度的工藝參數。根據本發明的實施 方式，也可控制電磁輻射的其它工藝參數。
通過控制生長膜所暴露於其中的電磁輻射，包括UV輻射，的量，可更精 細地控制膜化學性質。而且，可在沉積膜之前通過控制襯底所暴露於其中的電 磁輻射的量而預處理該襯底。在兩個實施例中，在膜產生過程期間，可顯著而 快速地改變電磁輻射的量。或者，可以對於期望的膜化學性質設置電磁輻射的 量。在膜產生期間改變電磁輻射的能力允許隨著膜生長而精細控制和改變膜化
學性質。
現在參照圖6，其為包括電磁輻射控制的PECVD系統210的一實施方式。 該系統是類似於圖1所示的系統的遠程等離子體系統。該系統包括通過連接頸 150分離的等離子體腔室130和工藝腔室105。通常，該類型的系統阻擋由等 離子體產生的電磁輻射而使其不能達到襯底。但是該系統使用添加到工藝腔室 的輻射輔助設備215以將輻射引入到生長膜。
在一實施方式中，該輻射輔助設備215為紫外線源，其通過計算機或使用 者手動控制。UV源輸出可以聯合到通常用於控制膜品質的任意一個工藝參數。 例如，UV源可聯合到自由基密度，從而當自由基密度在其最低點時，UV源 處於高輸出級別，並且當自由基密度在其最高點時，UV源可以處於其最低點。 本領域的普通技術人員可以確定如何調整工藝參數和UV輸出以獲得其特定 的、期望的膜化學性質。
圖7示出了包括輻射輔助設備225的直接式等離子體源。該直接式等離子 體系統類似於在圖4中示出的系統。其包括工藝腔室230、天線235、保護天 線的介電護鞘240、襯底支架245、襯底250、支持氣體供應255、前驅氣體供 應260和排氣泵270。
在該實施方式中，假定由天線235周圍的等離子體所輻射的電磁輻射不足 以實現所需的膜化學性質。因此，根據需要添加輔助設備225以提供額外的電 磁輻射。該電磁輻射輔助設備225還可手動控制或計算機控制和定時以與其它 傳統工藝參數一起操作。
圖8示出了根據本發明的直接式PECVD系統275的一部分。該視圖示出 了工藝腔室280的截面圖。特別地，其示出了工藝腔室壁280、天線285、保 護天線的介電護鞘290、襯底支架295和襯底300。該實施方式還示出了具有 可變百葉窗(shutter) 310的輻射護板305以限制在護板中的孔。不包括輻射 護板的工藝腔室和PECVD系統的一般操作在本領域中是眾所周知的並且在此 沒有進一步描述。
該實施方式假定由圍繞天線285的等離子體所產生的電磁輻射足以充分 地改變膜化學性質。事實上，該實施方式假定有時由等離子體產生的電磁輻射 可能高於充分改變膜化學性質所需的電磁輻射。因此，可根據工藝參數的需要 而打開、限制或關閉在該實施方式中的百葉窗310。設計該百葉窗310以阻擋
電磁輻射的通道。與之前所描述的輻射源相同，百葉窗可以與其它工藝參數控 制聯合以最終控制膜化學性質。百葉窗可包括限制包括UV輻射的電磁輻射的 任意設備。
圖9和圖10示出了通過控制轟擊生長膜的電磁輻射量產生的兩種膜的化
學性質。在圖9中，電磁輻射隨著膜315的生長而增加。例如，在圖8中示出 的百葉窗可以隨著膜315的生長而緩慢地打開。產生的膜的化學性質隨著膜向 外生長而變得更加密集。對於由Si02形成的介電層，該逐漸增長的密度膜的 類型導致最接近襯底的有機矽層和在膜的較外部分上的密集Si02層。在一些 情形下需要該類型的膜化學性質，從而使膜充分地粘結到該膜下面的襯底。
圖10示出了可以通過控制轟擊膜的輻射量而產生的另一類型的膜320。 在該膜320中，膜密度逐漸密集，然後變化回較小的密集度。該類型的化學性 質在特定的實施例中產生所需的電性能。
在一些實施例中，僅控制電磁輻射可產生所需的膜化學性質。但是如前所 述，在其它實施例中，結合諸如自由基密度、功率調製、佔空比、脈衝頻率、 脈衝形狀、氣體壓力和自由基密度的其它工藝參數而控制電磁輻射。特別地， 如前所述，使用UV控制的一種新方法包括聯合在膜處的UV量與自由基密度。
例如，如果沉積Si02介電層，則UV可在特定點及時聯合到0,和03自 由基的密度。隨著自由基密度降低，可增加UV量以隨著沉積速度的降低並且 隨著自由基密度的增加而製備所述膜的表面，可降低UV以通過額外的能源允 許更多的材料無障礙地沉積。
現在參照圖IIA和圖IIB，它們示出了可以用於產生額外的紫外線輻射 的功率波形。 一般地，通過將微波或RF頻率功率信號施加到工藝腔室內的天 線而驅動PECVD工藝。根據本發明一實施方式，可調整功率信號以產生或多 或少的紫外線輻射。在該實施方式中，施加到PECVD工藝的功率起始形成尖 鋒信號(spike)。儘管尖鋒信號對傳輸到PECVD工藝的總功率貢獻較小，但 是該功率尖鋒信號產生較大量的額外紫外線輻射。在圖11中示出了額外的紫 外線輻射。
特別地，使用設計用於控制紫外線輻射量的功率波形的實施方式可不包括 任何類型的輻射護板。儘管本發明的一些實施方式也可包括輻射護板。
圖12A和圖12B示出了用於產生額外的紫外線輻射的另一波形。在該實
施方式中，在單一脈衝期間功率形成兩個尖鋒信號。這些尖鋒信號對於傳輸到
PECVD工藝的總功率貢獻較小，但是顯著增加了所產生的紫外線輻射的量。
另外，控制脈衝形狀的輪廓還能控制所產生的紫外線輻射的波長。並且在 一些實施方式中，獨立於所產生的紫外線輻射的量而控制波長。
總之，本發明提供了用於PECVD和控制PECVD工藝的系統和方法等。 本領域的普通技術人員可易於認識到，可以對本發明、其使用和其配置進行各 種變形和代替，以達到與在此描述的實施方式所達到的結果基本相同。因此， 本發明的實施方式不是意欲將本發明限制於在此公開的實施例形式。許多變 形、修改和可選結構都落入在由權利要求書所描述的本發明的範圍和精神內。
權利要求
1、一種使用膜塗覆襯底的方法，包括提供要在其上沉積膜的襯底；生成等離子體以由支持氣體產生自由基；由所述支持氣體產生所述自由基；使用所述自由基分離前驅氣體；在所述襯底上沉積來自所分離的前驅氣體的材料；以及控制所述沉積的材料要暴露於其中的電磁輻射的量。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制所述沉積的材料 要暴露於其中的電磁輻射的量包括阻擋由所述等離子體發出的紫外線輻射。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制所述沉積的材料 暴露於其中的電磁輻射的量包括減小在所述等離子體和所述沉積的材料之間打開的孔。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制所述沉積的材料 暴露於其中的電磁輻射的量包括增加所產生的紫外線輻射。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述生成等離子體以由支持氣體產生自由基的步驟包括提供功率信號以產生所述等離子體。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述提供功率信號以產生所述等離子體的步驟包括形成所述功率信號的尖鋒信號，從而增加所述紫外線輻射的量。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述形成所述功率信號的尖鋒信號從而增加所述紫外線輻射的量的步驟包括控制形成所述功率信號的尖鋒信號的時序，從而控制紫外線輻射的量的增加。
8、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述提供功率信號以產生所述等離子體的步驟包括 改變所述功率信號，從而增加紫外線輻射的量。
9、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，提供功率信號以產生所述 等離子體的步驟包括改變所述功率信號，從而改變所述紫外線輻射的所述波長。
10、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制所述沉積的材料 暴露於其中的電磁輻射的量包括根據所述自由基的密度，改變所述沉積的材料暴露於其中的紫外線輻射的
11、 根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述改變所述沉積的材 料暴露於其中的紫外線輻射的量的步驟包括當減小自由基的密度時，增加所述沉積的材料暴露於其中的紫外線輻射的
12、 根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述改變所述沉積的材 料暴露於其中的紫外線輻射的量的歩驟包括當增加所述自由基的密度時，降低所述沉積的材料暴露於其中的紫外線輻 射的量。
13、 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，控制所述沉積的材料暴露 於其中的電磁輻射的量的步驟包括根據用於產生等離子體的功率信號的變化，改變所述沉積的材料暴露於其 中的紫外線輻射的量。
14、 一種PECVD系統，包括 等離子體腔室；天線； 襯底支架；電磁輻射限制器，其設置在所述天線和所述襯底支架之間，所述限制器具 有可控制的孔；以及控制器，用於控制所述可控制的孔。
15、 根據權利要求14所述的PECVD系統，其特徵在於，所述控制器包括計算機，用於根據至少一個PECVD工藝參數而改變所述孔的尺寸。
16、 根據權利要求14所述的PECVD系統，其特徵在於，所述控制器包括計算機，用於根據在所述等離子體腔室中產生的自由基的密度而改變所述 孔的尺寸。
17、 根據權利要求14所述的PECVD系統，其特徵在於，所述控制器包括計算機，用於根據施加到所述天線的功率信號的變化而改變所述孔的尺寸。
18、 一種產生膜的方法，包括初始化PECVD工藝以在襯底上沉積膜；以及在生長期間改變所述膜暴露於其中的紫外線輻射的量。
19、 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述在生長期間改變所述膜暴露於其中的紫外線輻射的量的步驟包括機械地改變在生長期間所述膜暴露於其中的紫外線輻射的量。
20、 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述在生長期間改變所述膜暴露於其中的紫外線輻射的量的步驟包括如下步驟並且其中在所述PECVD工藝期間使用的等離子體產生第一紫外線輻射量阻擋所述第一紫外線輻射量的第一部分以使其不到達所述膜。
21、 根據權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述在生長期間改變所 述膜暴露於其中的紫外線輻射的量的步驟包括如下步驟並且其中在所述 PECVD工藝期間使用的等離子體產生第一紫外線輻射量阻擋低於所述被阻擋的第一紫外線輻射量的第一部分的紫外線輻射而使 其不到達所述膜。
22、 根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述在生長期間改變所 述膜暴露於其中的紫外線輻射的量的步驟包括通過設計用於驅動所述PECVD工藝的功率波形，改變在生長期間所述膜 暴露於其中的紫外線輻射的量。
23、 一種生產膜的方法，包括 初始化PECVD工藝以在襯底上沉積膜； 產生紫外線輻射，其中所述膜暴露於所述紫外線輻射； 改變所述紫外線輻射的波長。
24、根據權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述改變所述紫外線輻射的波長的步驟包括設計用於驅動所述PECVD工藝的功率波形。
全文摘要
本發明公開了一種在PECVD放電工藝中用於控制電磁輻射的系統和方法，其中使用膜塗覆襯底。本發明的一實施方式包括如下工藝提供其上要沉積膜的襯底；生成等離子體以由支持氣體產生自由基；產生來自支持氣體的自由基；使用自由基分離前驅氣體；在所述襯底上沉積來自所分離的前驅氣體的材料；以及控制所述沉積的材料暴露於其中的電磁輻射的量。
文檔編號C23C16/50GK101177781SQ20071014584
公開日2008年5月14日 申請日期2007年8月30日 優先權日2006年11月9日
發明者喬斯·曼紐爾·迭格斯-坎波, 麥可·W·斯託厄爾, 麥可·利爾 申請人:應用材料股份有限公司