专利名称：适于大面积衬底的电容性耦合rf等离子体反应器的阻抗匹配的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用来处理非常大面积的显示器的RF电容性耦合等离子体反应器。更具体地说，本发明涉及通常在13.56MHz或更低的频率下输送给等离子体的RF功率的耦合效率的改善。
背景技术：
本发明是基于在用于显示器和太阳能制造工业的非常大的玻璃面积上沉积半导电层中出现的问题和要求。然而，所得到的解决方案可以应用于其它的应用。因此，虽然本发明被描述为涉及用于非常大面积的显示器加工的等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)系统的等离子体反应器，但是本发明也可以应用到涉及等离子体反应器的其它应用。此外，在美国专利号No.6,281,469中公开了用于非常大面积的显示器加工的PECVD的开发，在此并入其内容作为参考。
图1示出了用于PECVD系统的常规电容性耦合RF等离子体反应器系统10。反应器系统10包括RF电源12、匹配网络14、反应器室16、和真空室18。反应器室16包括封闭在金属反应器外壳24中的两个平行设置的金属板20、22。第一金属板22通过馈送元件26和匹配网络14电连接到RF电源12，并且因此第一金属板22是有效(live)电极。第二金属板20连接到地，并且因此是接地电极。在沉积过程期间，衬底放置在第二金属板20上以便处理。馈送元件26被接地屏蔽28屏蔽并且可以是本领域中已知的电馈送元件中的任何一种类型，例如RF带状线、RF条带、或三平板式带状线(triplatestripline)。等离子体放电区30被限定在这两个金属板20、22之间。如图1中所示，RF电源12和匹配网络14位于真空室18的外部，并且反应器室16和馈送元件26位于真空室的内部。因此，在沉积过程期间，RF电源12和匹配网络14在大气条件下，并且反应器室16和RF馈送线28在真空条件下。用来在PECVD工艺中形成等离子体的典型气体是氮化硅SiN气体。然而，通常本领域中已知的其它气体可以在这种类型的应用中使用，例如有机金属化合物、氢化物和卤化物。
图2示出了沉积SiN期间常规的PECVD系统的简化等效电路并且将用来说明常规RF等离子体反应器系统10的缺点。虚线方框代表如参考数字所表示的常规RF等离子体反应器系统10的一部分。在沉积过程期间，在常规RF等离子体反应器中，为了实现必要的沉积速率并且保持合理的生产量，13.56MHz的射频的几千瓦的RF功率必须被传输给等离子体。这种在大面积平行板反应器中的工艺的缺点是在有效电极22和接地的反应器外壳24之间形成了非常大的寄生反应器电容CR，通常大于5000pF。因此，馈送元件26必须能够处理非常大的RF电流IF，通常大于300A。大的RF电流需要非常宽的带状线设计，其在馈送元件26的有效线和接地屏蔽28之间引起第二寄生馈送线电容CF。馈送线电容CF通常大于3000pF。反应器CR和馈送线CF电容将等离子体阻抗ZP变换为具有非常小的值的馈通阻抗Re(ZF)，通常小于0.05欧姆。馈通阻抗Re(ZF)是在真空室18的入口处所看见的阻抗，在此馈送元件26进入真空室18。馈通阻抗Re(ZF)又产生更大的RF电流IF，通常大于400A，其现在必须通过匹配网络14和馈送元件26来调节。结果，通过RF电源传输的功率的大部分分别消耗在匹配网络14和馈送元件26的损耗元件RM、RF中。因此，系统的效率低，通常ηs＜0.3。因此，为了实现必要的等离子体功率密度和沉积速率，需要非常大并且昂贵的RF电源。此外，由于玻璃的尺寸增加等离子体的效率，因此在13.56MHz的RF频率下功率耦合效率减小到小于20％的值。
存在几种处理上述问题的解决方案，但是每一个都具有另外的缺点。例如，可以通过增加有效部件即有效电极22和馈送元件26与接地部件即反应器外壳24和接地屏蔽28之间的间隙来减小寄生电容CR和CF。然而，该解决方案的缺点是可能会点燃这些间隙之间的等离子体。另一种解决方案是用水冷却该反应器。然而在真空系统中这是困难的，并且水冷却并没有明显增强等离子体耦合效率。
另一种解决方案是给RF等离子体反应器系统10增加阻抗变换电路。可以通过减小RF电流IF来降低分别通过匹配网络14和馈送元件26中的损耗元件RM、RF的功率损耗。减小RF电流IF同时保持等离子体功率可以利用阻抗变换电路来完成，该阻抗变换电路提高了馈通阻抗Re(ZF)。理论上，在有效电极和地之间连接电感器将足够作为阻抗变换电路。但是，由于几个原因，只由一个电感器构成的阻抗变换电路是不切实际的。例如，该电感器必需是低损耗电感器，因此没有什么阻止DC电压短接到地，并且没有调谐能力。
因此，所希望的是克服了上述缺点的、用于处理非常大的衬底的RF电容性耦合等离子体反应器的实用阻抗变换电路。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供等离子体反应器，其包括真空室、位于真空室内部的第一金属板和第二金属板、RF电源、匹配网络、被限定在第一和第二金属板之间的包含等离子体的等离子体放电区、电连接到第一金属板的馈送元件、以及电连接到第一金属板的阻抗变换电路。
根据本发明的另一方面，提供等离子体反应器，其包括真空室、RF电源、匹配网络、位于真空室内部的第一金属板和第二金属板、被限定在第一和第二金属板之间的用来包含等离子体的等离子体放电区、电连接到第一金属板的馈送元件、电连接到第一金属板的阻抗变换电路，包括隔离电容器，稍后被称作阻塞电容器。
根据本发明的另一方面，提供在真空中沉积半导电层的方法，其包括以下步骤提供等离子体反应器，该反应器进一步包括RF电源、真空室、位于真空室内部具有反应器阻抗的反应器室、位于真空室内部的第一和第二金属板；被限定在第一和第二金属板之间的用来包含等离子体的等离子体放电区、电连接到第一金属板的馈送元件、以及电连接到第一金属板的阻抗变换电路，将衬底放置在第二金属板上，将RF功率输送给等离子体，利用阻抗变换电路将反应器阻抗变换为中间阻抗，并且利用馈送元件将中间阻抗变换为馈通阻抗，由此提高了馈通阻抗。
当阅读和理解以下的详细说明时，本发明的另外的好处和优点将对本领域技术人员变得明显。
在特定部件和部件配置中本发明可以采取实物形式(physicalform)，其优选实施例将在该说明书中被详细描述并且在附图中被示出，所述附图构成了本说明书的一部分。
图1是常规电容器耦合RF等离子体反应器系统的示意图。
图2是图1的反应器系统的等效电路。
图3是根据本发明的具有阻抗变换电路的电容器耦合RF等离子体反应器系统的示意图。
图4是图3的反应器系统的等效电路。
图5是示出图2的常规电路与具有图4的阻抗变换电路的电路之间的阻抗变换的比较的曲线图。
具体实施例方式
现在参考图3和4，在图3中的示意图和图4中的电等效电路中示出更实用的阻抗变换电路。所有在以上的图1和2中描述的与图3和图4中相同的部件将不再重复。
图3示出根据本发明的用于具有图4中示出的阻抗变换电路42的PECVD系统的电容性耦合RF等离子体反应器系统40(下文中“变换的RF等离子体反应器系统”)。阻抗变换电路42包括具有接地屏蔽46的变换电路馈送元件44和可调阻塞电容器CBT。
参考图4，第二馈送元件44在该等效电路中被表示为具有寄生电容CT、损耗元件RT、和低损耗电感器LT。变换电路馈送元件44位于真空室18内部并且通过可调阻塞电容器CBT连接到地。因此，在添加阻抗变换电路42的情况下，变换的RF等离子体反应器系统40现在包括馈送元件26和变换电路馈送元件44，其两者都电连接到第一金属板22。可调阻塞电容器CBT位于真空室18的外部并且可以被并入匹配网路14，结果形成了修正的匹配网络14′(图3)。可调阻塞电容器CBT可以增加馈通阻抗Re(ZF′)，从而降低了沉积过程期间的总的RF电流IF′。此外，可调阻塞电容器CBT可以在不排空系统的情况下平衡该两个馈送元件26、44之间的电流。
以下等式说明了有关功率损耗的阻抗变换电路42的影响。首先，在常规RF等离子体反应器系统10中，对于具有比电极的直径大或比馈送线长的波长的RF信号，如图1和2中所示，流出匹配网络14并且通过不具有阻抗变换电路42的馈送元件26的电流IF近似为(1)---IF=[PF/Re(ZF)]]]>并且其中PF是匹配网络14的输出处的功率，其通过馈送元件26中的损耗元件RM和RP以及等离子体被消耗。由以下等式来定义通过匹配网络14和馈送元件26中的损耗元件RM和RF损耗的功率(2) PLoss1＝IF2(RM+RF)匹配网络14的效率被定义为(3) ηMB＝Re(ZF)/[Re(ZF)+RM]此外，L型或T型匹配网络的效率通过下述给出(4) η＝QU/(QU+QL)其中QU是集总元件的空载品质因数并且QL是集总元件的有载品质因数。
在添加阻抗变换电路42的情况下，如图3和4中所示，流出匹配网络14并且通过馈送元件26的电流IF′由流经变换电路元件44和可调阻塞电容器CBT的电流IT部分地补偿。IF′和IT之间的最优平衡可以通过可调阻塞电容器CBT来调节并且取决于馈送元件26和匹配网络14的损耗元件(RF′+RM)与变换电路馈送馈送元件44的损耗元件RT的功率损耗之间的平衡。对于具有比电极的直径大或比馈送线长的波长的RF信号，在匹配网络14和馈送元件26以及变换电路馈送元件44中的总损耗被定义为(5) PLoss2＝IF’2(RM+RF’)+IT2RT如果可调阻塞电容器CBT被调节使得电流IF′、IT相等，则IF′＝IT＝IF/2。此外，如果电流IF′、IT相等并且如果损耗元件RM、RF′、RT、以及RF也相等，那么因此，RM＝RF′＝RT＝RF。因此如果IF′、IT相等，则PLoss1变成(6)PLoss1＝IF2(RM+RF)＝2IF2RF并且PLoss2变成(7)PLoss2＝IF’2(RM+RF’)+IT2RT＝(3/4)IF2RF.
因此，常规RF等离子体反应器系统10(不具有阻抗变换电路42)和具有阻抗变换电路42的变换的RF等离子体反应器系统40之间的损耗比为(6)PLoss1/PLoss2＝(2IF2RF)/(3/4)IF2RF＝8/3.
如这些等式所示出的，通过常规RF等离子体反应器系统10(不具有阻抗变换电路42)中的损耗元件RM、RF损耗的功率是通过具有阻抗变换电路42的变换的RF等离子体反应器系统40中的损耗元件RM、RF′、RT损耗的功率的两倍以上。这样，因为在具有阻抗变换电路42的变换的RF等离子体反应器系统40中功率损耗减小，所以可以减小输送给等离子体以保持与常规RF等离子体反应器系统10(不具有阻抗变换电路42)相同的沉积速率的功率。这样，可以利用更小的RF电源来达到相同的沉积速率。另一方面，如果使用相同尺寸的RF电源，则沉积速率将增加，由此增加生产量。
图5示出曲线图，其说明了阻抗变换电路42怎样变换馈通阻抗Re(ZF′)以由此减小通过损耗元件损耗的功率。在常规RF等离子体反应器系统10中，等离子体阻抗ZP通过反应器电容CR和反应器电感LR被变换成位于馈送元件26的末端处的反应器阻抗ZR。然后，馈送元件26将反应器阻抗ZR变换成被表示为ZF的馈通阻抗。正如在常规RF等离子体反应器系统10中那样，在变换的RF等离子体反应器系统40中，等离子体阻抗ZP被变换为反应器阻抗ZR。然而，阻抗变换电路42将反应器阻抗ZR变换为中间阻抗ZR′。然后馈送元件26将中间阻抗ZR′变换成被表示为ZF′的馈通阻抗。如图5中所示，馈通阻抗ZF′具有比馈通阻抗ZF更高的电阻部分或实部以及更高的感抗部分或虚部。换句话说，Re(ZF′)＞Re(ZF)，并且Im(ZF′)＞Im(ZF)。更具体地说，馈通阻抗的实部Re(ZF′)大约为0.1到0.2欧姆，而馈通阻抗的实部Re(ZF)大约为0.0到0.1欧姆。馈通阻抗的虚部Im(ZF′)大约为1到5欧姆，而馈通阻抗的虚部Im(ZF)大约为-3到1欧姆。此外，阻抗变换电路42并没有被预期补偿电抗性阻抗或抵消相移。然而，电感性馈通阻抗ZF越大，在匹配网络中需要的电感就越小。结果，可以更加增强匹配网络的品质，因为RF功率损耗主要与例如由铜制成的电感器的集总元件有关。
虽然已经描述并且示出了本发明的具体实施例，但是应当注意，仅借助实例来提供这些实施例并且本发明不应被解释为局限于此而是仅由以下的权利要求的适当范围来限制。
权利要求
1.一种RF等离子体反应器，包括真空室(18)；RF电源(12)；匹配网络(14)；位于真空室内部的第一金属板(22)和第二金属板(20)；被限定在第一和第二金属板之间的等离子体放电区(30)；电连接到第一金属板(22)、匹配网络(14)和RF电源(12)的馈送元件(26)；以及电连接到第一金属板(22)的阻抗变换电路(42)。
2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中阻抗变换电路(42)包括电连接到第一金属板(22)的变换电路馈送元件(44)和电连接到地的阻塞可调电容器。
3.如权利要求1-2所述的等离子体反应器，进一步包括位于真空室(18)内部的反应器室(24)，其具有反应器阻抗，其中阻抗变换电路(42)包括低损耗电感器并且将反应器阻抗变换为中间阻抗，其中馈送元件(26)将中间阻抗变换为馈通阻抗，并且由此提高了馈通阻抗。
4.根据权利要求1-3的等离子体反应器，其中第一金属板(22)电连接到RF电源(12)，第二金属板(20)电连接到地，并且阻抗变换电路(42)电连接到地。
5.根据权利要求1-4的等离子体反应器，其中匹配网络(14)位于真空室(18)的外部并且电连接到馈送元件，其中阻塞可调电容器位于匹配网络(14′)的内部。
6.根据权利要求1-4的等离子体反应器，其中馈送元件(26)和变换电路馈送元件(44)位于真空室的内部。
7.根据权利要求1-6的等离子体反应器，其中该等离子体反应器是RF-PECVD等离子体反应器。
8.一种RF等离子体反应器，包括真空室(18)；RF电源(12)；匹配网络(14)；位于真空室内部的第一金属板(22)和第二金属板(20)；被限定在第一和第二金属板之间的用来包含等离子体的等离子体放电区(30)；电连接到第一金属板(22)、匹配网络(14)和RF电源(12)的馈送元件(26)；以及电连接到第一金属板(22)的阻抗变换电路(42)，其包括阻塞电容器。
9.如权利要求8所述的等离子体反应器，进一步包括位于真空室内部的反应器室(16)，其具有反应器阻抗；其中阻抗变换电路(42)是低损耗电感器并且将反应器阻抗变换为中间阻抗，其中馈送元件(26)将中间阻抗变换为馈通阻抗，并且由此提高了馈通阻抗。
10.如权利要求8-9所述的等离子体反应器，其中阻抗变换电路(42)包括电连接到第一金属板(22)的变换电路馈送元件(44)和电连接到地的阻塞电容器。
11.如权利要求8-10所述的等离子体反应器，其中所述电容器是阻塞可调电容器。
12.根据权利要求8-11的等离子体反应器，其中馈送元件(26)电连接到RF电源(12)，变换电路馈送元件(44)电连接到地，以及第二金属板(20)电连接到地。
13.根据权利要求8-12的等离子体反应器，其中匹配网络(14′)位于真空室外部并且电连接到馈送元件(26)，其中阻塞可调电容器位于匹配网络内部。
14.根据权利要求8-12的等离子体反应器，其中馈送元件(26)和变换电路馈送元件(44)位于真空室(18)内部。
15.一种在真空中沉积半导电层的方法，包括以下步骤提供等离子体反应器，该反应器具有RF电源(12)、真空室(18)、匹配网络(14)、位于真空室内部的具有反应器阻抗的反应器室(16)、位于真空室内部的第一(22)和第二(20)金属板；被限定在第一和第二金属板之间的用来包含等离子体的等离子体放电区(30)、电连接到第一金属板(22)的馈送元件(26)、以及电连接到第一金属板(22)的阻抗变换电路(42)；将衬底放置在第二金属板(20)上；将RF功率输送给等离子体；利用阻抗变换电路(42)将反应器阻抗变换为中间阻抗；以及利用馈送元件(26)将中间阻抗变换为馈通阻抗，由此提高了馈通阻抗。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括沉积薄膜到衬底上的步骤。
17.如权利要求15-16所述的方法，其中阻抗变换电路(42)包括电连接到第一金属板(22)的变换电路馈送元件(44)和电连接到地的阻塞可调电容器。
18.如权利要求15-17所述的方法，其中阻塞可调电容器位于匹配网络(14′)内部。
19.根据权利要求15-18的方法，其中馈送元件(26)和变换电路馈送元件(44)位于真空室(18)内部。
全文摘要
提供了一种用于将半导电层沉积到非常大的玻璃区域上的RF等离子体反应器(40)。该RF等离子体反应器包括真空室(18)、反应器室(24)、RF电源(12)、匹配网络(14)、位于真空室内部的第一(22)和第二金属板(20)以及被限定在第一和第二金属板之间的等离子体放电区(30)。该RF等离子体反应器进一步包括馈送线(26)和阻抗变换电路(42)，其两者都电连接到第一金属板。该阻抗变换电路进一步包括变换反应器的阻抗的阻塞可调电容器(Car)。
文档编号H01J37/32GK101057310SQ200580038684
公开日2007年10月17日 申请日期2005年11月11日 优先权日2004年11月12日
发明者A·贝林格 申请人:Oc欧瑞康巴尔斯公司