等離子體加工裝置和等離子體加工方法

2023-07-07 20:10:06 1

專利名稱：等離子體加工裝置和等離子體加工方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造半導體薄膜的等離子體加工裝置以及使用該 等離子體加工裝置來進行等離子體加工的方法，更特別地，涉及一種^f吏用向其中引入反應氣體的反應室的等離子體加工裝置以及使用該等離子體加工 裝置來進行等離子體加工的方法。
背景技術：
常規地，作為前述類型的等離子體加工裝置，已知一種能夠改善等離子 體化學技術中的蝕刻或氣相沉積工藝的均勻性的裝置(例如，參看專利文獻 1)。專利文獻l:美國專利NO. 4264393的說明書。用於製造半導體薄膜的等離子體CVD裝置通常設置有成對設置和支撐 的陰極和陽極、用於向每個都具有平板形狀的陰極和陽極中的 一個施加高頻 電源的裝置、以及用於供應形成薄膜的反應氣體的裝置。在等離子體CVD 裝置中，等離子體以這樣的方式產生，當在陰極和陽極之間供應反應氣體時 施加高頻電源。結果，在設置於陰極和陽極之間的基板的表面上產生薄膜。陰極和陽極之間的距離稱作電極間距離。電極間距離包括能有效地產生 等離子體的特定範圍。在該範圍內，控制電極間距離，並且希望儘可能精確 地控制該距離。通常電極間距離以相對於電極間距離的1/100的量級的精度 被控制，換言之，該精度為電極間距離的大約1%。在控制電極間距離的方 法中，作為電極的陰極和陽極相對於它們的尺寸保i正足夠水平的剛度，從而 在所設置的陰極和陽極中不產生任何撓曲(deflection)。發明內容本發明要解決的問題然而，常規技術的問題是，在電極較大而基板的尺寸也相應增大的情況 中，沒有獲得電極的足夠的剛度，這就不能保證電極間距離的期望的精度。結果，在等離子體加工中膜不能以良好的方式形成。為了4呆i正電極間3巨離的 期望的精度，可以進一步增大電極的剛度，但是在這種情況下，隨著電才及厚度的增加以及電極支撐部分的尺寸的相應增加，等離子體CVD裝置的尺寸不可避免地會增大。因此，本發明的主要目的是提供一種等離子體加工裝置，該等離子體加 工裝置在電極面積增大的情況下，不論在具有平板形狀的陽極和陰極中產生 任何撓曲都能夠以良好的方式形成膜。解決該問題的方法根據本發明的一個方面，提供一種等離子體加工裝置，包括反應室、用於將反應氣體引入反應室的氣體引入部、用於將反應氣體從反應室排出的排氣單元、支撐於反應室中並具有平板形狀的第一電極和第二電極、以及用於 支撐第一電極和第二電極以使電極彼此面對的第一支撐構件和第二支撐構件，其中在第一電極和第二電極由第一支撐構件和第二支撐構件支撐的狀態 下，第一電極和第二電極的最大撓曲量，即在第一電極和第二電極自身重量下它們的最大下沉距離，被調整至^:此相等。本發明的效果用根據本發明的等離子體加工裝置，在電極面積增大的情況下，不論在 具有平板形狀的第 一 電極和第二電極中產生任何撓曲，都可以以簡單的結構 獲得均勻地形成於具有大面積的基板表面上的半導體薄膜。


圖1是才艮據本發明第一實施例的等離子體加工裝置(薄膜製造裝置)全 部結構的圖示。圖2是根據本發明第二實施例的等離子體加工裝置(薄膜製造裝置)全部結構的圖示。 附圖標記i兌明1,.基板2..簇射板3..背板4..陽才及電擬一5...第二支撐構件6...第一支撐構件7...託盤8...門部9,..主體部10...等離子體激發電源Il-..阻抗匹配裝置ls...陰才及電氺及20...排氣管21...真空泵22...壓力控制器23...反應氣體管24...加熱器25...熱電J禺26...接地線27...電源引入端子28...氣體引入部29...排氣單元30...高頻電源單元具體實施方式
在根據本發明的等離子體加工裝置中，例如，第一電極和第二電極的形 狀、尺寸和材料調整為相同，從而使第一電極的最大撓曲量和第二電極的最 大撓曲量彼此相等，第一電極的最大撓曲量是第一電極在其自身重量下的最 大下沉距離，第二電極的最大撓曲量是第二電極在其自身重量下的最大下沉 距離。在本說明書(包括權利要求)中，"第一電極和第二電極的形狀、尺 寸和材料調整為相同的"的敘述的意思為，就在基板表面上形成具有期望特 性的半導體薄膜的觀點來看，主要在兩個電極的平面形狀、平面尺寸、厚度 和基本材料之間沒有任何實質差別。"第 一 電極和第二電極的最大撓曲量彼 此相等"的意思是，就在基板表面上形成具有期望特性的半導體薄膜的觀點 來看，當以預定狀態放置的兩個電極依照其剛度而在其自身重量下撓曲並由 此下沉一定距離時，最大撓曲量即最大下沉距離之間沒有任何實質差別。第一電極和第二電極可以具有中空的結構。在此情況下，可以在各自的中空部分設置反應氣體的流動路徑(flow path)或者用於加熱電極的加熱器。第一電極和第二電極例如可以在其外圍部分被支撐以由此可以在有限 的範圍內是可移動的。因此,第一電極和第二電極可以在其自身重量下自由 撓曲，結果基於前述的構造特徵，兩個電極的最大撓曲量彼此相等。對於第一電極和第二電極可以使用金屬板比如不鏽鋼或鋁合金。當這些 金屬板在預定的退火溫度退火時，由於機械加工等引起金屬中殘留的扭曲被 消除，從而可以在兩個電極中獲得相同的最大撓曲量。這時最大撓曲量即最大下沉距離優選為電極間距離(第一電極和第二電 極之間的距離)的至少1%，這是因為當最大撓曲量未能達到電極間距離的 1%時，將難於放置兩個電極以使得兩個電極的最大撓曲量在互相比較之後 能夠彼此相等。在其上通過等離子體加工形成膜的基;f反沿著第一電極和第二 電極的撓曲而被撓曲，隨後在其上形成薄膜。使用玻璃基板等作為基板。為了便於基板的操縱，膜可以通過等離子體加工以這樣的方式形成由 比如玻璃的材料形成的基板被放置於具有薄板形狀並由鋁合金等形成的託 盤上，基板和託盤沿第 一 電極和第二電極的撓曲而被撓曲。例如，當通過等離子體CVD方法製造矽基薄膜時，使用根據本發明的 等離子體加工裝置。矽基薄膜的實例包括含有矽作為主要成分的晶態和非晶態薄膜。反應氣 體的實例是含有矽元素的氣體。更具體地，可以使用矽烷(SiHj、乙矽烷 (Si2H6)等作為反應氣體，而且矽烷或乙矽烷可以用氫氣(H2)或氦氣(He) 稀釋。由根據本發明的等離子體加工裝置製造的矽基薄膜的其他實例包括碳 化矽(SiC)膜、氮化矽(SiN)膜、氧化矽(SiO)膜、SiGe膜等。為了製造碳化矽膜，在引入含有矽元素的氣體的同時，引入含有碳元素的氣體比如CH4或C2H6作為反應氣體。為了製造氮化矽膜，在引入含有矽元素的氣體的同時，引入含有氮元素的氣體比如NH3或NO作為反應氣體。 為了製造氧化矽膜，在引入含有矽元素的氣體的同時，引入含有氧元素的氣 體比如NO或C02作為反應氣體。為了製造SiGe膜，在引入含有矽元素的 氣體的同時，引入含有鍺元素的氣體比如GeH4作為反應氣體。進一步地，為了控制電導率，可以在矽基薄膜中摻雜雜質。在此情況中，對n型同時引入含有雜質比如PH3的氣體，而對p型同時引入含有雜質比如B2H6的氣體。根據本發明的等離子體加工裝置中反應室的實例是能夠至少將其內部 排氣為真空的室。這樣的反應室可以由例如不鏽鋼、鋁合金等形成。在至少 兩種不同構件構成反應室的情況中，反應室優選在它們的連接部分設置有O 形環等以被完全密封。根據本發明的等離子體加工裝置中的氣體引入部例如可以使用等離子 體CVD裝置中通常使用的氣體引入部；然而，氣體引入部並不一定局限於 此。例如，真空泵、將反應室連接到真空泵的排氣管、以及設置在排氣管中 的中間位置的壓力控制器可以構成根據本發明的等離子體加工裝置中的排 氣單元。在根據本發明的等離子體加工裝置中，設置用於在第一電極和第二電極 之間施加高頻電源的高頻電源單元。例如，等離子體激發電源、阻抗匹配裝 置等可以構成該高頻電源單元。在根據本發明的等離子體加工裝置中，第 一 電極和第二電極可以由具有 平板形狀的耐熱導電材料比如不鏽鋼、鋁合金、碳等形成。優選第一電極和 第二電極的形狀、尺寸和材料相同。進一步地，在存在由機械加工等導致的 殘留加工扭曲(distortion)的情況中，優選在退火工藝中將其消除。第一電極可以是具有中空結構並且其中設置有加熱器的陽極電極，而第 二電極可以是具有中空結構並且在其面對第一電極的表面上設置有大量的 孔的陰極電極。在根據本發明的等離子體加工裝置中，第一支撐構件和第二支撐構件可 以支撐第一電極和第二電極從而使第一電極和第二電極垂直於重力方向，換 言之，從而使它們被水平支撐。在第一電極和第二電極基本上是正方形的情 況中，例如在前述構造中，支撐第一電極和第二電極四個角的四個分開的支 撐片可以構成第一支撐構件和第二支撐構件。在四個分開的支撐片構成第一支撐構件和第二支撐構件的情況中，構成 第二支撐構件的四個分開的支撐片可以固定到四個支撐柱的上端，這四個支 撐柱從反應室的底部表面垂直向上延伸。第一支撐構件和第二支撐構件的形狀和構造不一定限於上面所描述的。第一支撐構件和第二支撐構件例如可以是分別僅支撐第一電極和第二電極 的邊緣的具有框架形狀的兩個底座。進一步地，具有框架形狀的兩個底座可 以相互垂直連"l妄以 一體地形成。因此，只要第一支撐構件和第二支撐構件能夠將第一電極和第二電極相 互平行地支撐並能夠以可移動的方式支撐第一電極和第二電極中的至少一 個，則第一支撐構件和第二支撐構件的形狀和構造不受任何特殊限制。在根據本發明的等離子體加工裝置中，第一支撐構件和第二支撐構件都包括嚙合突起(engagement protrusion),該嚙合突起鬆弛地嚙合到第 一 電極 和第二電極的邊緣。可以設置嚙合突起以使在第一電極和第二電極的邊緣與 各嚙合突起之間產生間隙。在上述的四個分開的支撐片構成第一支撐構件和第二支撐構件的情況 中，這四個分開的支撐片中的每一個都可以設置有嚙合突起。在上述的具有 框架形狀的兩個底座構成第一支撐構件和第二支撐構件的情況中，各嚙合突 起可以沿底座的外周突起。第一支撐構件和第二支撐構件可以由絕緣材料形成。構成第一支撐構件 和第二支撐構件的絕緣材料的實例可以是絕緣和絕熱性質較好的耐熱材料 比如玻璃、氧化鋁或氧化鋯。在設置第一電極和第二電極中的一個的情況中， 在設置電極的 一側的支撐構件中可以使用導體。可以在一個反應室中設置多對第一電極和第二電極以及多對第一支撐 構件和第二支撐構件。根據上述支撐方法，第一電極和第二電極在重力方向自由撓曲。如上所 述，自由撓曲的量，即下沉距離，優選為第一電極和第二電極之間的距離(電 極間距離)的至少1%。在第一電極和第二電極之間設置在其上形成薄膜的基板，該基板適於非 常薄並沿第一電極和第二電極的撓曲而被撓曲。該基板可以選擇在其表面上 塗覆有透明導電膜的玻璃基板。基板可以設置在由與第一電極和第二電極的 材料相同的材料形成的託盤7上，並且然後被操縱以使基板可以易於傳送。 託盤7具有等於或略大於基板的平面尺寸的平面尺寸。根據本發明的另一個方面，通過根據上述的一個方面的等離子體加工裝 置，提供等離子體加工方法。在該等離子體加工方法中，將在其上要形成薄 膜的基板沿第一電極和第二電極的撓曲而被撓曲並設置在兩個電極之間，反應氣體供應到反應室中，高頻電源施加到第一電極和第二電極之間，從而在 基板表面上形成半導體薄膜。以下參考附圖來詳細描述根據本發明的等離子體加工裝置的優選實施 例。在以下描述的優選實施例中，共同使用的部件由相同的附圖標記來表示。第一實施例參考圖1來描述根據本發明第一實施例的用於製造薄膜的等離子體加工 裝置，圖1示出其全部結構。如圖1所示，才艮據第一實施例的用於製造薄膜的等離子體加工裝置100包括室15、用於將反應氣體引入室15的氣體引入部28、用於排出室15中 的反應氣體的排氣單元29、以及用於向室15中施加高頻電源的高頻電源單 元30。在室15中，設置具有平板形狀的矩形陽極電極(第一電極)4、具有平 板形狀的矩形陰極電極(第二電極)12、以及用於可滑動地將兩個電極4和 12相互平行地支撐的第一支撐構件6和第二支撐構件5。陰極電極12包括 簇射板(showerplate) 2和背板3，並且設置為面對陽極電極4。室15的平面形狀是矩形，而且室15包括主體部9和門部8。主體部分 9和門部8都可以由不鏽鋼、鋁合金等形成。主體部9和門部8的連接部分 用O形環(未示出)等密封。室15與排氣單元29連接，排氣單元29包括排氣管20、真空泵21和壓 力控制器22,從而可以任意控制室15內部的真空度。在室15的主體部9的矩形底部表面上，第一支撐構件6的每一個設置 在底部表面的每個角的附近，而陽極電極4置於這些第一支撐構件6上。基 於稍後描述的原因，每個都具有小的塊狀的四個分離的支撐片構成第一支撐 構件6,而陽極電極4的四個角由這四個分離的支撐片支撐。陽極電極4的尺寸根據在其上要形成膜的基板1的尺寸而被設定為合適 的尺寸。在第一實施例中，基板l的平面尺寸設定在900 x 550 mm到1200 x 750mm的範圍內，而陽極電極4的平面尺寸相應地設定在1000x 600 mm 到1200 x 800 mm的範圍內，且其厚度設定在10到50 mm的範圍內。陽極電極4可以由不鏽鋼、鋁合金、碳等形成。在第一實施例中使用了 鋁合金。陽極電極4具有中空的結構，並在中空部分中含有加熱器(夾套加熱器，sheathed heater ) 24。在陽極電極4中殘留由形成中空結構所採用的機械加工 導致的加工扭曲。因此，陽極電極4在使用前經受退火工藝以消除加工扭曲。 在退火工藝中，使用密閉的溫度傳感器，比如熱電偶25。在退火工藝中，處 理溫度根據用於陽極電極4的金屬類型而不同。在使用鋁合金的情況中，通 常採用溫度循環，其中陽極電極4保持在345。C並隨後緩慢冷卻。陽極電極4不用螺釘等固定，而只是放置在第一支撐構件6上。因此， 即使被加熱並膨脹時，陽極電極4也可以在第一支撐構件6上滑動所膨脹的 量，這將所膨脹的量釋放。結果，陽極電極4可以在其自身重量下向下自由 撓曲。陽極電極4和室15通過四個接地板而相互電連接。使用具有10到35 mm 寬度以及0.5到3 mm厚度的鋁板作為接地板，該鋁板連接到陽極電極4的 四個角。陰極電極12是包括簇射板2和背板3的中空電極。簇射板2和背板3 都可以由不鏽鋼、鋁合金等形成，並優選由與陽極電極4的材料相同的材料 形成。在第一實施例中使用鋁合金。陰極電極12的尺寸根據在其上要形成膜的基板1的尺寸而設定為合適 的尺寸。在第一實施例中，陰極電極12的平面尺寸設定在1000x 600 mm到 1200x 800 mm的範圍內，而其厚度設定在10到50 mm的範圍內，從而具 有與陽極電極4相同的尺寸。陰極電極12的內部是中空的，而且陰極電極12通過反應氣體管23連 接到氣體引入部28。通過反應氣體管23從氣體引入部28引入到陰極電極 12中的反應氣體以簇射的形式從形成於陰極電極12的簇射板2中的多個孔 排出。簇射板2中的多個孔中的每一個都優選具有0.1到2.0 mm的直徑，而且希望形成孔以使得相鄰孔之間的間隔為幾個毫米到幾個釐米的節距。由於陰極電極12的簇射板2的機械加工而殘留加工扭曲。因此，簇射 板2在使用前經受退火工藝以消除加工扭曲。在退火工藝中，處理溫度根據 用於陰極電極12和簇射板2的金屬類型而不同。在對於這些部件使用鋁合 金的情況中，通常採用溫度循環，其中這些部件保持在345。C並隨後緩慢冷 卻。陰極電極12中的簇射板2放置在全部的四個第二支撐構件5上，四個第二支撐構件5的每個設置在室15的主體部9的向上遠離底部表面的四個 角的每一個。第二支撐構件5可以由玻璃、氧化鋁、氧化鋯等形成。在第一 實施例中使用氧化鋁或氧化鋯。陰極電極12不用螺釘等固定，而只是將其簇射板2放置在第二支撐構 件5上。因此，即使被加熱並且膨脹，陰極電極12也可以在第二支撐構件5 上滑動所膨脹的量，從而將所膨脹的量釋放。結果，陰極電極12可以在其 自身重量下向下自由撓曲。當陽極電極4和陰極電極12在其自身重量下自由撓曲時，它們的撓曲 量，即其下沉距離，彼此相等，而該兩個電極4和12的最大撓曲量，即其 最大下沉距離，也彼此相等。在使用該陰極電極12的第一實施例中，長邊 的長度為大約1000mm,短邊的長度為大約600mm,而厚度為15 mm，陰 極電極12的最大撓曲量為大約1.2mm。該值為第一實施例中使用的陽極電 極4和陰極電極12之間的設定距離(電極間距離)10 mm的12 % 。彼此面對的陽極電極4和陰極電極12之間距離的公差(距離精度)希 望在該設定值的百分之幾之內。這樣設定公差是因為，雖然根據膜形成的條 件而會有變化，但是當彼此面對的陽極電極4和陰極電極12之間距離的公 差是設定值的4%或更大時，會產生至少±10%的膜厚不規則或者不能形成膜 的區域。在第一實施例中，其間距離的公差設定在1%內。在第一實施例中，4吏用具有大約1000 mm x大約1000 mm長度和大約2 mm厚度的矩形玻璃基板1,並且玻璃基板1放置在矩形託盤7上，該矩形 託盤7具有相同的尺寸而厚度為1.0 mm且由鋁合金形成，並隨後設置在陽 極電極4上以由此易於移動。與陽極電極4相比，玻璃基板1和託盤7足夠 薄、輕和剛度較小。因此，當玻璃基板1和託盤7沿陽極電極4的撓曲設置 時，陽極電極4的撓曲幾乎不會增加。包括等離子體激發電源10和阻抗匹配裝置11的高頻電源單元30通過 電源引入端子27連接到陰極電極12，從而從高頻電源單元30向陰極電極 12施加高頻電源。等離子體激發電源10使用DC到108.48 MHz的頻率的 10 W到100 kW的電源。在第一實施例中，使用13.56 MHz到54.24 MHz 的頻率的10 W到100kW的電源。在如上構造的根據第一實施例的薄膜製造裝置100中，通過陰極電極12 基於預定的流速和壓力引入用H2稀釋的SiH4反應氣體，在陰極電極12和陽極電極4之間施加高頻電源從而產生輝光放電。結果，在10分鐘的沉積時間中，在基板1的表面上沉積具有300 nm膜厚的矽薄膜，膜厚的分布為士100/。 或更小。第二實施例參考圖2描述根據第二實施例的用於製造薄膜的等離子體加工裝置。根 據第二實施例的等離子體加工裝置200在一個室9具有包括兩對陽極電極4 和陰極電極12以及兩對第一支撐構件6和第二支撐構件5的兩級結構。更具體的，第一級陰極電極12 (由第一級第二支撐構件5所支撐)設置 在由第一級第一支撐構件6支撐的第一級陽極電極4的上方。用於支撐第二 級陽極電極4的第二級第一支撐構件6設置在第一級陰極電極12的上方。 對於這樣的兩級結構，垂直地設置兩對陽極電極4和陰極電極12。在第二實施例中，等離子體加工裝置200具有兩級結構，然而，也可以 具有其中重複設置類似構造的具有至少三級的結構。比如室15、氣體引入部28、排氣單元29、高頻電源單元30、陽極電極 4和陰極電極12,以及第一支撐構件6和第二支撐構件5的部件，以與第一 實施例中描述的基本相同的方式來構造。
權利要求
1、一種等離子體加工裝置，包括反應室；氣體引入部，將反應氣體引入所述反應室；排氣單元，將所述反應氣體從所述反應室排出；第一電極和第二電極，支撐於所述反應室中並具有平板形狀；以及第一支撐構件和第二支撐構件，支撐所述第一電極和第二電極以使所述第一電極和第二電極彼此面對，其中在所述第一電極和第二電極由所述第一支撐構件和第二支撐構件支撐的狀態下，所述第一電極和第二電極的最大撓曲量，即在它們的自身重量下的最大下沉距離調整為彼此相等。
2、 如權利要求1所述的等離子體加工裝置，其中所述第一電極和第二 電極的形狀、尺寸和材料調整為相同。
3、 如權利要求1或2所述的等離子體加工裝置，其中所述第一電極和 第二電極具有中空結構。
4、 如權利要求1到3中任一項所述的等離子體加工裝置，其中所述第 一電極和第二電極;故支撐以在有限範圍內是可移動的。
5、 如權利要求2所述的等離子體加工裝置，其中用於所述第一電極和 第二電極的材料是鋁合金。
6、 如權利要求1到4中任一項所述的等離子體加工裝置，其中所述第 一電極和第二電極經受退火工藝。
7、 如權利要求1到4中任一項所述的等離子體加工裝置，其中 所述第 一電極和第二電極相互間隔預定的電極間距離， 所述第一電極和第二電極的尺寸、形狀和材料以這樣的方式調整以使所述第一電極和第二電極的最大撓曲量為所述電極間距離的至少1%，以及 所述第一電極和第二電極由所述第一支撐構件和第二支撐構件支撐。
8、 一種等離子體加工方法，其中使用如權利要求1到7中任一項所述的等離子體加工裝置，以及要加工的基板沿所述第一電極和第二電極的撓曲而被撓曲並設置在所述兩個電極之間，從而在所述基板的表面上形成半導體薄膜。
9、 如權利要求8所述的等離子體加工方法，其中 玻璃基板設置在所述第一電極和第二電極之一上。
10、 如權利要求1所述的等離子體加工裝置，其中置在所述第 一 電極和第二電極之間。
11、 如權利要求10所述的等離子體加工裝置，還包括具有薄板形狀且 其上放置所述基板的託盤。
12、 如權利要求11所述的等離子體加工裝置，其中所述基板設置在所 述託盤上。
全文摘要
一種等離子體加工裝置，其中當陽極電極和陰極電極的面積增大時，儘管發生電極撓曲仍可以獲得良好的膜沉積性質。等離子體加工裝置(100)包括室(15)、氣體引入部(28)、排氣部分(29)和高頻電源單元(30)。在室(15)中配置平面陽極電極(第一電極)(4)、平面陰極電極(第二電極)(12)，以及用於可滑動地將電極(4、12)彼此平行地支撐的第一支撐(6)和第二支撐(5)。陰極電極(12)相對於陽極電極(4)配置。陽極電極(4)和陰極電極(12)分別簡單地安裝在第一支撐(6)和第二支撐(5)上，而沒有通過螺釘等固定。當陽極電極(4)和陰極電極(12)在其自身重量下自由撓曲時，它們的撓曲量彼此相等，而且電極(4、12)的最大撓曲量也彼此相等。
文檔編號C23C16/509GK101336467SQ20068005180
公開日2008年12月31日 申請日期2006年11月16日 優先權日2005年11月25日
發明者岸本克史, 福岡裕介 申請人:夏普株式會社