专利名称：调制pecvd放电源的功率及其有关函数的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于化学汽相淀积的电源、系统和方法。
背景技术：
化学汽相淀积(CVD)是通过在气相或汽相中使多种化学物质一起反应以形成膜，从而在衬底上淀积膜的工艺。CVD使用的气体或蒸汽是包含要被淀积的元素且可诱发与衬底或其它气体反应以淀积膜的气体或化合物。CVD反应可被热激活、等离子体诱发、等离子体增强或被光子诱发系统中的光激活。
CVD广泛用于半导体工业中以制造晶片。CVD还可用于涂敷诸如玻璃和聚碳酸酯板的较大的衬底。等离子体增强的CVD(PECVD)例如是最有希望的用于制造大的光电板、LCD屏和车辆用聚碳酸酯窗的技术之一。
图1表示用于大尺度淀积工艺-目前达2.5米宽-的典型PECVD系统100的切开图。该系统包括仅示出两个壁的真空室105。真空室105容纳线性放电管110。线性放电管110由被配置为将微波信号或其它信号送入真空室105中的内导体115形成。该微波功率从线性放电天线115向外辐射，并使通过支持气体管120被引入的包围的支持气体120燃烧。该燃烧的气体是等离子体且一般邻近线性放电管110。通过等离子体和电磁辐射产生的原子团(radical)使通过原料气体管125引入的原料气体130分解，由此使原料气体分裂以形成新的分子。在分解过程中形成的某些分子被淀积到衬底135上。通过分解过程形成的其它分子为废物，并通过排出口(未示出)被去除-尽管这些分子倾向于偶尔将它们自身淀积在衬底上。该分解过程对于用于产生等离子体的功率的量极其敏感。
虽然在一些实施例中可以静止地涂敷衬底135，但是，为了迅速涂敷大的衬底表面区域，衬底载体(未示出)以稳定的速率移动衬底135以使其通过真空室105。由于衬底135移动通过真空室105，因此分解会以稳定的速率继续，并且来自分解的原料气的目标(target)分子按照理论淀积到衬底上，由此在衬底上形成均匀的膜。但是，由于各种现实因素，通过该过程形成的膜并不总是均匀的。
已用许多类型的功率源和系统结构实现利用等离子体增强的化学汽相源淀积的非导电性和导电性膜。这些源中的大多数利用微波、射频(RF)、高频(HF)或甚高频(VHF)能量，以产生激发的等离子体物质。
本领域技术人员知道，对于给定的PECVD的处理条件和系统结构，正是引入等离子体放电的平均功率是产生的原子团化(radicalized)等离子体物质的密度的主要影响因素。这些原子团化的等离子体物质是使原料气分解的原因。对于典型的PECVD工艺，从等离子体产生的原子团化物质的必需的密度必须大于完全转化所有的有机材料所需的密度。诸如膜淀积过程中的消耗、前体材料的等离子体分解过程、再化合损失和泵送损失的因素应被考虑。
根据使用的功率类型、结构和材料，产生必需的密度的原子团化等离子体物质所需要的功率级可过度加热衬底以超过其物理极限，并可能导致膜和衬底不可用。由于聚合物材料的熔点较低，因此这主要出现在聚合物材料衬底中。
为了降低衬底的热载荷的量，可以使用高功率脉动进入等离子体的方法，其中空闲时间处于脉动之间。该方法允许短高能脉冲期间的等离子体达到膜淀积过程所需要的原子团化物质的饱和以及出现损失，同时通过减少其它形式的电磁辐射减少衬底的瞬时和连续加热。
通过设置用于淀积的工艺条件，包括功率级、脉动频率和源的占空因数，满足膜性能要求。为了实现所需要的膜性能，必须控制淀积的膜的结构和结构含量。可以通过改变原子团物质含量，(在其它重要工艺参数中)，并且如上所述，主要通过进入等离子体放电的平均和峰值功率级，从而来控制原子团密度。
为了实现几种重要的膜性能，并促进与某些类型衬底的粘附性，必须细致地控制膜有机物含量，或者，含量可能必须沿整个膜厚采取梯度的形式。只能控制某些工艺参数的当前的技术不能实现这种细致的控制。例如，当前的技术包括通常手动或通过具有不同的工艺条件的多个源和室改变淀积条件；在膜堆叠(stack)中产生梯级，直到实现梯度型堆叠。主要使用前体蒸汽含量、系统压力和/或在一个或更多个时间的功率级以发展层的堆叠。这些方法充其量也是粗糙的，并且不能进行细致控制。因此，需要新的系统和方法以致力于解决现有技术存在的这种和其它问题。
发明内容
以下概述在附图中示出的本发明的示例性实施例。在具体实施方式
部分中更全面地说明这些和其它实施例。但应理解，不存在将本发明限于在发明内容或具体实施方式
中说明的形式的意图。本领域技术人员可认识到，存在落入权利要求书表述的本发明的精神和范围内的大量的修改、等同物和替代性结构。
一个实施例包括产生具有第一脉冲振幅的第一电脉冲；使用第一电脉冲产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上；产生具有第二脉冲振幅的第二电脉冲，其中，第二脉冲振幅与第一脉冲宽度不同；使用第二电脉冲产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体，由此产生第二淀积材料；以及，将第二多种淀积材料淀积到第一淀积材料上。
通过结合附图参照以下详细说明和所附的权利要求书，本发明的各种目的和优点和更完整的理解将变得显而易见和更易于理解，其中，图1表示一种类型的PECVD系统；图2a表示根据本发明一个实施例的用于PECVD系统的电源；图2b是根据本发明一个实施例的用于PECVD系统的电源的替代性示图；图3表示脉冲宽度调制功率信号的一个例子；图4表示脉冲振幅调制功率信号的一个例子；图5表示频率调制功率信号的一个例子；图6a表示使用脉冲宽度调制形成的梯度膜的一个例子；图6b表示使用脉冲宽度调制形成的多层梯度膜的一个例子；图7a表示使用幅宽调制形成的梯度膜的一个例子；图7b表示使用幅宽调制形成的多层梯度膜的一个例子；图8a～8d表示在使用脉冲宽度调制功率信号的情况下多层梯度膜随时间的发展。
具体实施例方式
在一些PECVD工艺中，典型的原子团寿命(原子团物质的损失和消耗的时间)足够长，使得可存在等离子体的空闲时间，在该空闲时间内，剩余的原子团密度逐渐被膜的淀积和损失机制消耗。因此，通过控制在等离子体的这些工作和空闲时间内的总的原子团密度，膜的化学成分以及膜的所有的层性能可被改变。
通过调制进入等离子体的功率级、等离子体的工作时间和功率脉冲之间的定时，用户可制造以前在PECVD中不能实现的膜。这些层可以是单个梯度层或在各个层之间具有不同的性能的几百到几千个微层的多层堆叠。两种工艺均可制造唯一的膜。
图2a表示根据本发明一个实施例构建的系统。该系统包括可由脉冲控制器145控制的DC源140。术语“DC源”和“DC电源”是指任意类型的电源，包括使用线性放大器、非线性放大器或没有放大器的电源。DC源145对磁控管150供电，该磁控管150产生驱动线性放电管(未示出)内的内导体的微波或其它能量波。脉冲控制器145可勾画DC脉冲形状的轮廓并调整用于诸如占空因数、频率和振幅的脉冲性能的设置点。在名称为“SYSTEM AND METHOD FOR POWERFUNCTION RAMPING OF MICROWAVE LNEAR DISCHARGESOURCES”的共同拥有和受让的、代理机构案件号为APPL-008/00US的文件中，说明了勾画DC脉冲形状的轮廓的方法，在此将其引入作为参考。
脉冲控制器145还被配置为调制在PECVD装置的操作中驱动磁控管150的DC脉冲或其它能量信号。在一些实施例中，脉冲控制器145可被配置为仅调制驱动磁控管150的信号。但在任一个实施例中，通过调制DC脉冲，进入等离子体的功率级也可被调制，由此使得用户能够控制原子团密度并制造以前在PECVD中不能实现的膜。该系统可被用于形成可变、单一的梯度层或相互之间具有不同的性能的几百到几千个微层的多层堆叠。
图2b表示电源的替代性实施例。该实施例包括任意波形发生器141、放大器142、脉冲控制器145、磁控管150和等离子体源天线152。在操作中，任意波形发生器141产生实际上为任意形式的波形和对应的电压。然后，放大器142将来自任意波形发生器的电压放大到可用的量。在微波发生器(例如，磁控管150)的情况下，可将信号从+/5VDC放大到5000VDC。然后，将高压信号施加到作为高频发生器的磁控器150上。磁控管150产生振幅和/或频率基于初始产生的电压信号变化的功率输出载波(在这种情况下处于2.45GHZ)。最后，磁控管的输出被施加到源152上，以产生功率调制的等离子体。
信号调制可通过脉冲控制器145被施加到任意波形发生器141上。信号调制在许多领域中是公知的过程-最有名的是FM(频率调制)和AM(振幅调制)无线电。但是，调制以前还没有被用于在PECVD中控制膜性能和产生各个层。存在许多形式的可被应用于波形功率级、占空因数或频率的调制，但下面仅说明几种。本领域技术人员知道其它方法。注意，调制与简单地增大或减小进入源的功率信号的功率或占空因数不同。
图3表示随时间改变脉冲宽度的宽度的脉冲宽度调制。使用脉冲宽度调制时，数据采样的值由脉冲长度表示。
图4表示脉冲振幅调制，该脉冲振幅调制是消息信息被编码为一系列信号脉冲的振幅的信号调制形式。在等离子体源的情况下，可以按照希望的任意百分比对电压、电流或功率级进行振幅调制。
图5表示频率调制(FM)，该频率调制是根据输入信号，将模拟或数字形式的信息通过瞬时频率变化编码成载波。
现在参照图6和图7，这些图表示可以用脉冲宽度和脉冲振幅调制这两种不同形式的调制制造的多层膜的两个例子。这两个图均示出在衬底上淀积的膜层和对应的用于产生等离子体的调制的功率信号。注意，功率信号在淀积过程中被调制，这与在淀积过程中建立和留下静态的初始设定点是不同的。
首先参照图6a，该图示出通过脉冲宽度调制产生的可变膜157。在本实施例中，短脉冲宽度和长脉冲宽度之间的周期相对较长。这种长周期在衬底上产生可变梯度的涂层，该涂层沿其厚度从位置紧邻衬底的柔性的有机硅膜变化为刚性的、致密的SiO2或SiOxNy膜。通过该过程产生的膜随其从衬底向外延伸变得更硬和刚性更大。
由于膜的柔性的更软的部分比致密的刚性的部分与衬底结合得好，因此这种单个可变梯度层是有益处的。因此，脉冲宽度调制使得能够产生很好地与衬底键合而又具有抵抗刮擦并具有良好的阻透性的硬化外部的膜。没有调制的功率信号不能有效地产生这种类型的膜。
通过改变功率信号的调制，可以在衬底上淀积多层梯度涂层。图6b表示这种类型的衬底和膜160。在本实施例中，短脉冲宽度和长脉冲宽度之间的周期相对较短，由此产生多个层。这些各个层也可在单个层内从不致密变化为更致密-正如图6a中所示的单梯度层那样变化。
在本实施例中，首先在衬底上淀积不致密的有机硅层。这种类型的层与衬底键合得最好。下一层稍微更致密，第三层是极致密、极硬的几乎纯的SiO2或SiOxNy层。当脉冲宽度调制为较短的脉冲宽度时，下一层重新为容易与正下方的致密层键合的不致密的有机硅层。该循环可重复几百甚至几千次以产生极硬、有弹性并具有良好的阻透性的多层梯度膜。并且，在制造该膜时可使得到达衬底的热量以及对衬底的损伤最少。
图7a和图7b表示与图6a和图6b所示的类似的另一系列膜。但是，这些膜是通过使用脉冲振幅调制产生的。同样，可以使用调制技术产生单个梯度膜165或多层梯度膜170。注意，该方法适用于几乎任何前体而不限于硅基化合物。
可以用其它调制技术产生可变膜。事实上，存在许多可以实施以便有效地控制原子团物质(species)密度和关于时间的电磁辐射的调制技术，这些调制技术包含PWM-脉冲宽度调制；PAM-脉冲振幅调制；PPM-脉冲位置调制；AM-振幅调制；FM-频率调制，等。同样，这些技术包含在膜淀积过程中调制功率信号而不是设定初始的功率点或占空因数。
现在参照图8a～8d，这些图表示脉冲宽度调制的例子及其对SiO2和/或SiOxNy的膜性能的可能影响。标志波(sign wave)信号用于驱动固定峰值功率级上的脉动频率，以增加或减少进入等离子体的短期平均功率。所示出的标志波是驱动信号，并且它还指示功率。
在图8a的开始部分(左侧)，调制通过增加等离子体的工作时间并减少其空闲时间来增加每给定时间间隔的功率级，由此增加等离子体的瞬时原子团密度和电磁分量。该过程将原子团密度增加到所有的材料均被转变和被淀积并且新材料是对生长SiO2或SiOxNy膜堆叠的主要贡献体的点。图8b表示在该阶段紧邻衬底形成的致密层。
在驱动信号的中心，工作时间在其最低值，空闲时间在其最高值。这种效果将瞬时原子团密度降低到所有的材料均被消耗并且前体材料重新变为生长膜堆叠的主要贡献体的点。图8c表示在第二阶段形成的不致密、更有机的层。该层被淀积到第一层上。
最后，在波形的最后部分中，该过程如在波形的第一部分中那样返回原子团密度的饱和。该阶段淀积硬化、致密的层。图8d表示淀积到第二层上的致密的第三层。因此，这三个阶段共同在两个硬的致密层之间留下有机材料的内层-由此将柔性引入整个膜中堆叠。
可以在一列式(inline)或动态的淀积过程中使用这些调制技术。通过利用这些具有动态淀积过程的调制技术，能够为诸如LCD显示器的应用制造配准层(alignment layer)，由此取代目前正在使用的聚酰亚胺(polymide)层。
总之，这一发现使得用户能够实现过去不可能的PECVD膜，可具有到目前为止不可能的扩展的膜性能和质量。通过按照时间间隔勾画平均和/或峰值功率级，从按照单位时间以连续方式积极地控制等离子体原子团/电磁辐射密度的能力实现更高质量的薄膜。驱动波形可以为任意波形，或者甚至为任意函数。当源和系统被配置为控制局部化蚀刻速率时，该技术还可以进行这种控制。
最后，本发明尤其是提供用于控制在衬底上淀积的系统和方法。本领域技术人员可容易认识到，可以对本发明、其用途及其配置进行各种变更和替换，以实现与这里所述的实施例实现的结果基本上相同的结果。因此，不存在将本发明限定为公开的示例性形式的意图。许多变更、修改和替代性结构落在如权利要求书中表述的所公开的发明的范围和精神内。
权利要求
1.一种在化学汽相淀积过程中生成膜的方法，该方法包括产生具有第一脉冲宽度的第一电脉冲；使用第一电脉冲，产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生淀积材料；将淀积材料淀积到衬底上作为第一层；产生具有第二脉冲宽度的第二电脉冲，其中，第二脉冲宽度与第一脉冲宽度不同；使用第二电脉冲，产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二多种淀积材料；和将淀积材料淀积到第一层上。
2.一种用于控制化学汽相淀积过程的方法，该方法包括产生具有某一密度的原子团化物质的等离子体，其中，等离子体是通过使用功率信号产生的；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上，由此形成第一层；通过调制用于产生等离子体的功率信号，改变原子团化物质的密度；使用改变密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二淀积材料；和将第二淀积材料淀积到第一层上，由此形成第二层。
3.根据权利要求2的方法，还包括通过调制用于产生等离子体的功率信号，改变原子团化物质的密度，由此产生第三密度的原子团化物质；使用第三密度的原子团化物质分解原料气体的第三部分，由此产生第三淀积材料；和将第三淀积材料淀积到第二层上，由此形成第三层。
4.根据权利要求2的方法，其中，在衬底上淀积的膜内，第一层和第二层包括分开的淀积材料层。
5.根据权利要求2的方法，其中，第一层和形成的第二层包括淀积到衬底上的单个梯度叠层。
6.根据权利要求2的方法，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的振幅。
7.根据权利要求2的方法，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的频率。
8.根据权利要求2的方法，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的脉冲宽度。
9.根据权利要求2的方法，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的脉冲位置。
10.根据权利要求2的方法，其中，功率信号包括用于产生等离子体的高频信号。
11.根据权利要求2的方法，其中，功率信号可被高频发生器使用，使得高频发生器可产生用于产生等离子体的高频信号。
12.根据权利要求11的方法，其中，高频信号包括微波。
13.一种在化学汽相淀积过程中生成膜的方法，该方法包括产生具有第一脉冲振幅的第一电脉冲；使用第一电脉冲产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上；产生具有第二脉冲振幅的第二电脉冲，其中，第二脉冲振幅与第一脉冲宽度不同；使用第二电脉冲产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二淀积材料；和将第二多种淀积材料淀积到第一淀积材料上。
14.一种在化学汽相淀积过程中生成膜的方法，该方法包括使用第一电脉冲产生具有第一密度的原子团化物质的等离子体；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上；使用第二电脉冲在等离子体内产生第二密度的原子团化物质，其中，第二密度比第一密度小；使用第二密度的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二淀积材料；和将第二淀积材料淀积到第一淀积材料上。
15.根据权利要求14的方法，其中，第一电脉冲与第一脉冲宽度有关，该方法还包括产生具有第二脉冲宽度的第二电脉冲，该第二脉冲宽度比第一脉冲宽度大。
16.根据权利要求14的方法，其中，第一电脉冲与第一脉冲宽度有关，该方法还包括产生具有第二脉冲宽度的第二电脉冲，该第二脉冲宽度比第一脉冲宽度小。
17.根据权利要求14的方法，其中，第一电脉冲与第一脉冲振幅有关，该方法还包括产生具有第二脉冲振幅的第二电脉冲，该第二脉冲振幅比第一脉冲振幅小。
18.根据权利要求14的方法，其中，第一电脉冲与第一脉冲位置有关，该方法还包括产生具有第二脉冲位置的第二电脉冲，该第二脉冲位置比第一脉冲位置小。
19.根据权利要求14的方法，其中，使用第一电脉冲产生具有第一密度的原子团化物质的等离子体包括使用第一电脉冲产生高频信号。
20.根据权利要求19的方法，其中，使用第一电脉冲产生具有第一密度的原子团化物质的等离子体包括将高频信号引入淀积室内；和使用高频信号在淀积室内产生等离子体。
21.一种涂敷有薄膜的衬底，该衬底是通过以下步骤形成的产生具有第一脉冲宽度的第一电脉冲；使用第一电脉冲，产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一多种淀积材料；将第一多种淀积材料淀积到衬底上作为第一层；产生具有第二脉冲宽度的第二电脉冲，其中，第二脉冲宽度与第一脉冲宽度不同；使用第二电脉冲，产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二多种淀积材料；和将第二多种淀积材料淀积到第一层上。
22.一种涂敷有薄膜的衬底，该衬底是通过以下步骤形成的产生具有某一密度的原子团化物质的等离子体，其中，等离子体是通过使用功率信号产生的；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上，由此形成第一层；通过调制用于产生等离子体的功率信号，改变原子团化物质的密度；使用改变密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二淀积材料；和将第二淀积材料淀积到第一层上，由此形成第二层。
23.根据权利要求22的衬底，还通过以下步骤形成通过调制用于产生等离子体的功率信号，改变原子团化物质的密度，由此产生第三密度的原子团化物质；使用第三密度的原子团化物质分解原料气体的第三部分，由此产生第三淀积材料；和将第三淀积材料淀积到第二层上，由此形成第三层。
24.根据权利要求22的衬底，其中，在衬底上淀积的膜内，第一层和第二层包括分开的淀积材料层。
25.根据权利要求22的衬底，其中，第一层和形成的第二层包括淀积到衬底上的单个梯度叠层。
26.根据权利要求22的衬底，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的振幅。
27.根据权利要求22的衬底，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的频率。
28.根据权利要求22的衬底，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的脉冲宽度。
29.根据权利要求22的衬底，其中，通过调制用于产生等离子体的功率信号改变原子团化物质的密度包括调制表征用于产生等离子体的功率信号的脉冲位置。
30.根据权利要求22的衬底，其中，功率信号包括用于产生等离子体的高频信号。
31.根据权利要求22的衬底，其中，功率信号可被高频发生器使用，使得高频发生器可产生用于产生等离子体的高频信号。
32.根据权利要求31的衬底，其中，高频信号包括微波。
33.一种涂敷有膜的衬底，该衬底是通过以下步骤形成的产生具有第一脉冲振幅的第一电脉冲；使用第一电脉冲产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第一部分，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上；产生具有第二脉冲振幅的第二电脉冲，其中，第二脉冲振幅与第一脉冲振幅不同；使用第二电脉冲产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体的第二部分，由此产生第二淀积材料；和将第二多种淀积材料淀积到第一淀积材料上。
全文摘要
公开了一种在化学汽相淀积过程中生成膜的方法。一个实施例包括产生具有第一脉冲振幅的第一电脉冲；使用第一电脉冲产生第一密度的原子团化物质；使用第一密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体，由此产生第一淀积材料；将第一淀积材料淀积到衬底上；产生具有第二脉冲振幅的第二电脉冲，其中，第二脉冲振幅与第一脉冲宽度不同；使用第二电脉冲产生第二密度的原子团化物质；使用第二密度的原子团化物质中的原子团化物质分解原料气体，由此产生第二淀积材料；和，将第二多种淀积材料淀积到第一淀积材料上。
文档编号C23C16/52GK1958840SQ200610143249
公开日2007年5月9日 申请日期2006年11月1日 优先权日2005年11月1日
发明者迈克尔·W.·斯托厄尔 申请人:应用膜公司