[发明专利]用于衬底的等离子体处理的等离子体处理设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有改善的(低能量)离子轰击特性的等离子体处理设备或系统、以及一种用于在这种设备中处理衬底的方法。等离子体工艺涉及沉积-和/或刻蚀工艺、加热、表面调整、以及衬底的其它工艺。

背景技术

本领域已知的很多等离子体处理系统是根据所谓的平行平板反应器原理而构建的。图1示出这种等离子体处理设备。其包括具有限定外围的壁的工艺室7、第一平面电极1、第二平面电极2，第一平面电极1和第二平面电极2皆设置在所述工艺室7内、可与至少一个RF电源电连接。电极1和2限定了等离子体发生区域6。待处理的衬底5置于衬底支持物上，或者如所示那样直接在所述电极之一上。因而，衬底在处理期间受到等离子体的作用。图1示意性示出工艺气体入口装置3以及用于除去残余气体的排气装置4。已经省略了工艺气体分布装置。

通常，薄膜硅层(非晶、纳米/微晶材料等)及其与C、N、O等的合金是使用这种平行平板设置以及电容RF功率耦合通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)而得以沉积的。通常，衬底放置在接地电极上，而另一电极充当RF供电电极和气体分布喷头(工艺气体分布装置)。通过使用这样的设置，已经成功地获得了平方米范围中大面积上非晶和纳米/微晶层的同质沉积。

相关领域

在经典平行平板配置中，最大可能离子能量通过已知的方式(等，J.Appl.Phys.57(1985)，p.59和J.Appl.Phys.58(1985)，p.3350)与所施加的RF峰峰值电压相关，所施加的RF峰峰值电压与所施加的RF功率密切相关。在工艺室中超过特定阈值电压值以朝向衬底加速的离子进行离子轰击，在所沉积的块材料中产生缺陷和损伤敏感界面，因此，使得材料质量和界面性能恶化。使用VHF和/或高压沉积方式(regime)、三极管配置等的若干尝试被执行来减少这种轰击，尤其是对于微晶层的沉积。三极管配置带来了优异的材料，但减小了沉积速率，因为发生了栅极与衬底之间的区域中的原子团的重组。增加进入VHF/UHF区域的等离子体激励频率对于等离子体的给定功率减少了必要的峰峰值电压，但是，离子轰击又随RF功率而增加，因此，无法独立受控并且单独调整。

不依赖于RF功率而对离子轰击进行控制的高效方式可以通过将衬底放置在浮动电极上而得以实现。在此情况下，仅浮动电势(其远小于依赖于等离子体功率的等离子体电势)将使得离子朝向衬底加速，导致最大可能的离子能量的大量减少。然而，简单地允许接地电极在平行平板设置中变为电浮动将消除大部分电接地，尤其在大面积应用时，这是因为缺少电极接地电势。仅仅是与等离子体的电接触的接地室壁将仍然是对于等离子体的接地。

存在解决该问题的现有技术应用。图2(引证自US 7,090,705)示出等离子体处理设备，其包括面对衬底21的电极配置，具有由绝缘体23分隔开的第一电极24和第二电极22。第二电极22以带状图案设置在平行于第一电极24的平面中，产生的结构是并行槽26，其中，第一电极24的一部分充当槽底27，电极22充当槽肩。电功率(优选地，RF功率25)施加在电极22与24之间，从而等离子体生成在槽26中，并且邻近(多个)电极22。技术上，该槽26可以描述为细长的腔，并且可以甚至使用空阴极效应。

工艺气体经由槽底27中的孔而传送到槽26。工艺气体的平滑均匀分布对于有效操作是基本的，并且目的是实现处理(例如层沉积或刻蚀步骤)的同质结果。

电极条的带状图案允许控制等离子体发生区域，然而，制造工作是繁重的，因为第二电极22和绝缘体23的元件必须是独立组装的；此外，需要很多钻孔，以实现平滑均匀的工艺气体分布。

对于基于平行平板反应器原理的大面积等离子体沉积系统，将出现驻波现象。这是由于这样的事实，即，随着RF/VHF频率(＞13.56MHz并且电极直径＞1m)的增加，自由空间波长减小，并且因而反应器中的驻波显现，始于传送的点，RF功率到电极的连接点。图2所示的设计试图通过对RF功率的多点传送(每电极22一个)来避免该情况。然而，这意味着，为了实现至少部分不依赖于所述现象，昂贵且精细的布线是必须的。这种布线的成本将随着根据图2的电极的尺寸的增加而增加。然而，根据图2的设计没有完全解决驻波的问题。驻波可以仍然沿着平行槽26而产生，尤其对于大面积电极。