专利名称：对平面基片进行等离子处理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及分别根据各独立权利要求的前序部分所述的一种用于对基片进行等离子处理方法和装置。
背景技术：
对平面基片进行等离子处理的装置为大家所熟知。例如EP 312 447 Bl描述了一种应用于电子或光电应用的对平面基片上的薄层进行等离子体沉积(PECVD)的装置。未公开的DE 10 2007 022 252. 3描述了一种用于对大面积平面基片进行等离子镀膜的系统，其中基片面积的数量级可以在Im2及以上。所述等离子在电极和对电极之间产生，并在两电极之间引入该待处理的基片。所述系统包含用于改变所述电极间的相对间距的装置，其中在带有基片的处理室进行充电或放电时设定第一相对较大的间距，而在对所述基片进行处理时设定第二相对较小的间距。通过集成在所述电极中的气体喷头来提供成层的反应气体或者反应气体混合物。所述气体喷头包含具有多个出口孔的气体喷头出口板，借助于所述气体喷头出口板将反应气体均勻分布地导入所述处理室。所述反应气体作为被激活的气体存在于在待处理的基片与所述气体喷头之间的等离子放电时的具有相对较高的电子密度的准中性等离子体当中，采用所述被激活的气体对该待处理的基片进行加载。基片镀膜的速度和质量取决于许多工艺参数，尤其是取决于反应气体的压力、流量和成分，还取决于等离子激励的功率密度和频率以及该基片的温度。在改变工艺参数以同时获取较高的镀膜速度和较高的涂层质量时，尤其是在大面积基片的情况下会出现一些问题，下面简要介绍其中的几个。首先，除了对基片所希望的镀膜以外，还会出现对所述系统的其它部件所不希望的镀膜，尤其是对来自所述准中性等离子体中的被激活的气体进行加载时所述气体喷头被部分镀膜，这将导致昂贵的反应气体的损失以及过高的清洁气体消耗。为提高镀膜速度普遍要求提高等离子的功率密度，然而这却可能导致较高的基片离子轰击并从而可能对已沉积层的质量造成负面影响。在使用13. 56MHz的高频电压进行等离子激励的情况下，也可以以简单的方式非常均勻地向大面积电极平面提供高电压，然而其中随着功率密度的提高对基片的所不希望的离子轰击也增加了。在使用VHF高频电压(27MHZ-约150MHz)进行等离子激励的情况下， 即使功率密度很高，但是对基片的离子轰也很小，例如，如文章Amanatides，Mataras und Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11, Dezember 2001 所描述的。然而在大平面上均勻施加VHF高频电压却唯有通过很高的费用才能实现。EP 0688469B1已经公开了一种支持等离子的加工方法或者制造方法，其中采用非谐波交流电压激励气体放电，所述非谐波交流电的频谱由一基频及其整数倍组成。在此，各个频率成分的幅度符合所述支持等离子的方法的要求。非谐波的概念在此应理解为既不是谐波的含义，也不是正弦波的含义。该已知方法的目的另外还在于产生一种处理专用的离子分布以改善用于薄层的支持等离子的加工及制造方法，然而该方法却没有说明如何影响对电极的相对离子轰击。在安装有平行板的等离子反应器中，等离子激励功率密度恒定时的对电极的相对离子轰击由电极和对电极的面积比例决定，并且所述相对比例反映出在电极或者对电极前的在等离子表层上下降的平均电压。如在Heil，Cranetzki，Brinkmann und Mus senbrock, J. Phys D =Appl. Phys. 41 (2008) 165002文章中所描述地，采用电极平面与对电极平面的面积比例的近二次幂来标定所述电压的绝对值。由于在制造均勻的待镀膜基片的过程中，电极和对电极的面积必须大致相等，所以通过几何不对称性来影响对电极和对电极进行加载的离子能的能量的可能性受到限制。Heil, Cranetzki, Brinkmann 和 Mussenbrock 在上述文章中还描述了一种与几何不对称性无关的可替代方法，其可以在给定激励频率和激励电压的条件下影响加载有离子的电极或者对电极的能量。依此，借助于RF电压产生DC自偏压，所述电压具有至少两种相互具有预定的相对相位关系的谐波频率成分，其中较高频率成分中的至少一个是较低频率成分的偶数高次谐波。依赖于这两个谐波成分之间的相对相位关系，可以对电极和对电极上的离子能量的相对比例进行调整。
发明内容
本发明的任务是实现对一种基片的等离子处理，在处理过程中采用被激活的气体达到对电极和基片加载的相对改变，其中所述基片设置在电极和对电极之间并且所述被激活的基本气种处于电极与对电极之间的准中性等离子体中。所述任务可以采用独立权利要求的特征来完成。有利的实施方式可以从从属权利要求中得出。根据本发明的在等离子装置中对基片进行等离子处理的方法，首先提出，-所述基片设置在电极和对电极之间且所述基片的待处理的表面区域与所述电极之间的间距为d，-在电极与对应电极之间以形成DC自偏压来激励电容耦合的等离子放电，-在待处理的表面区域与所述电极之间以准中性等离子体进行等离子放电的区域中存在一定量的至少一种可激活的气体，采用该气体可以加载所述基片的待处理的表面区域。所述方法的特征在于，激励等离子放电，-其中间距d为一个s至2.5s范围中的值，且s = se+sg，其中se表示电极前的等离子边缘层厚度，而s g表示对电极前的等离子边缘层厚度，或者_其中所述待处理的表面区域与所述电极之间的准中性等离子体具有线性膨胀 dp，且 dp < l/3d、dp < max (se+sg)或者 dp < 0. 5s。本发明能够通过所述给定的、限定等离子放电的确定的几何结构的值d、se、Sg和 dp，依据所述DC自偏压值设置一个速度，以所述速度采用所述激活的气体来加载所述基片的待处理表面区域。在此所述DC自偏压取决于所述两个电极的面积比例。所述等离子放电借助于由 HF发生器提供的高频电压、在被输入进所述电极之间区域中的诸如氩或氢气的处理气体中、以1至40MHz范围中的优选13. 56MHz的激励频率而被激励。所述基片直接处于所述对电极前面，应当理解，所述表述“电极”和“对电极”纯粹是习惯上的，并且可以对调。在本发明的方法中，前提是用于激励等离子所加的电压主要在电极和对电极前面的等离子边缘层区域中下降，而仅有很少一部分在所述准中性等离子体的范围中下降。在基片设置在所述对电极前面的情况下，所述等离子边缘层从所述基片表面起延伸至所述准中性等离子体。在采用DC自偏压进行等离子放电的情况下，电极和对电极前的等离子边缘层厚度不同，其中在具有较小厚度的所述边缘层上下降较小的平均电压。如果d值与s = se+sg 可比，也就是说d的取值约等于s，其中se表示电极前的等离子边缘层厚度，而Sg表示对电极前的等离子边缘层厚度，那么所述准中性等离子体的膨胀必然相对地小。在此，对电极前的所述等离子边缘层延伸至待处理的基片表面的上表面。优选的是，d值在1. Is至2. 5s 的范围内，尤其优选的是，d值在1. Is至1.2s、l. Is至1.4s、l. Is至1.6s、l. Is至1. 8s或者1. Is至2s的范围内。在根据本发明所述的方法中，处于中性等离子体中的被激活的气体加载所述电极或者所述基片的速度取决于所述被激活的气体的最高浓度的区域的位置，并且在相当狭窄的准中性等离子体的情况下主要取决于所述准中性等离子体与所述电极或基片之间的间距，并且总是随着所述准中性等离子体与所述电极或基片之间的间距减少而增加。所述间距由所述等离子边缘层的厚度se或者Sg决定，所述厚度在DC自偏压的情况下取不同的值。所述准中性等离子体位于所述电极或者对电极附近，并且所述具有较小厚度的边缘层在所述电极或者对电极的前面。因此在根据本发明所述的间距d的情况下，采用被激活的气体对电极或者基片进行的相对加载可以通过改变所述等离子边缘层的厚度se和Sg加以影响。根据本发明的另一个方面，所述准中性等离子体有线性膨胀dp < l/3d，dp < max(se, sg)或者dp < 0. 5s。平行于在相对的电极面与基片面之间的横截面直径的所述准中性等离子体的厚度称为所述准中性等离子体的线性膨胀dp。在这种情况下也可以依据DC自偏压的值来控制采用准中性等离子体中的激活的气体加载所述基片的速度。参数d、se、sg和dp的值可以依据诸如放电电压、激励频率或者功率密度的等离子放电参数来改变或者设置，以使得d取值在1. Is至2. 5s的范围内，尤其优选的是，d取值在1. Is至1. 2s、l. Is至1. 4s、l. Is至1. 6s、l. Is至1. 8s或者1. Is至2s的范围内，或者使得 dp < 2/3d, dp < max(se, sg)或者 dp < 0. 5s 成立。优选的是在se、sg和dp为常量时d为变量，以及在d为常量时se、Sg和dp为变
So所述电极和对电极更确切的说是基片表面前的等离子边缘层的厚度的每一值以及准中性等离子体的厚度都可以以一种公知的方式计算得出。优选的是，所述这些值可以采用诸如激光诊断法的光学等离子诊断方法计算得出。应当理解，所述这些值还可以在理论上确定和/或通过计算机模拟来确定。在本发明的一个布置中提出，依据间距d的值或者DC自偏压的值设置或者改变在电极与对电极之间的所述准中性等离子体的几何重心的相对位置，以此可以影响采用被激活的气体加载基片和电极，以优化所述等离子处理。在本发明的另一个布置中，沿着待处理的表面相对于无DC自偏压等离子放电时的所述重心的位置推移所述几何重心的位置，从而有利地提高了采用被激活的气体加载待处理的表面的效果。在本发明的另一个实施方式中，所述等离子处理包含等离子镀膜，尤其是如同其应用于制造太阳能电池和平面显示器中那样。此外，所述等离子处理可以包含一种通过等离子的表面变态，其中利用离子轰击以及被激活的气体对基片的表面结构和组成的效果。此外所述等离子处理还包含对基片的蚀刻，其中利用离子轰击以及被激活的气体对表面蚀刻的影响。总体上，前导气体的激励可以热力地(CVD)、通过等离子激励(PVCVD)或者通过光线激励(Foto-CVD)实现。在本发明的一个布置中，所述气体的激活通过在准中性等离子体本身中形成自由基的方式实现，因为在等离子体中提高电子密度便于自由基的形成。在此情况下所述准中性等离子体是源区域和被激活的专门气体的最高浓度的区域。在本发明的另一个实施方式中，采用可以在等离子中可以形成产生层的自由基的前导气体作基本气种。优选的是所述前导气体涉及硅烷(SiH4)，其通过电子碰撞在等离子中形成层前导SiH3。所述前导气体还可以涉及可气态地流入所述处理室中的CH4、 TEOS(Si(OC2H5)4)或者其它气体。这些化合物是稳定的，并且在转化成一种具有形成层的能力的形态时需要一种激励。在另一个实施方式中提出，采用诸如NF3的清洁气体作为可激活的气体，所述清洁气体可以在等离子中形成反应的自由基。尤其是在采用硅烷或者类似成层气体进行镀膜时，鉴于避免寄生镀膜，于其中进行等离子体中的可激活的气体的激活的空间区域对于优化设计所述等离子装置很是重要。如由 Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Gesler 禾口 R. Beckmann 在出版物"Gas Flow and Plasmea Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors，，，51st SVC Technical Conference, April 23,2008 Chicago中所阐述的，在平行板反应器中硅烷/氢等离子放电的情况下，通过在准中性等离子体的区域中等离子激活的硅烷裂解来形成被激活的气体。 因此可以通过根据本发明的表述等离子放电特征的几何参数de、se、sg和dp的值的选择， 相对于电极的镀膜有利地提高待处理基片表面的镀膜效果。在本发明的另一个实施方式中，借助于包含气体分配装置的电极把处理气体和/ 或可激活的气体输送到电极与对电极之间的区域中，所述气体分配装置具有许多气体流出孔，因为以此方式可以实现待处理表面的加载的较高均勻性。根据另一个对平面基片优选的实施方式中，可以非常简单地通过电极和对电极的几何非对称性实现所述DC自偏压。在本发明的一个优选的实施方式中，采用RF电压产生所述DC自偏压，其具有至少两种相互具有预设的相对相位关系的谐波频率成分(混合频率)，其中较高频率成分中的至少一个是一较低频率成分的偶次谐波。以此方式实现的DC自偏压的形成在下文中称为电不对称效应。通过该电不对称效应能够在所述准中性等离子体中产生电子密度的不对称分布。 用于在所述准中性等离子体中产生自由基的源强度于是可以在其他均勻分布的电子温度或者能量分布函数的条件下在所述准中性等离子体中采取为与所述电子密度成正比。于是，采用被激活的气体来加载电极，也就是说流向所述电极的自由基流量通过扩散平衡由电子的密度特性曲线给定。这在下面对完全吸收的电极的情况加以说明。对于不完全吸收的电极可以改变边界条件类似地处理。电极用标准化的长度标尺χ =口 1定位。N表示所述自由基的密度，而f(x)表示与电子密度成比例的源函数。从而有
权利要求
1.一种用于在等离子装置中对基片进行等离子处理的方法，其中_所述基片设置在电极和对电极之间，且所述基片的待处理的表面区域与所述电极之间的间距为d，_在电极与对电极之间以形成DC自偏压来激励电容耦合的等离子放电，-在待处理的表面区域与所述电极之间以准中性等离子体进行等离子放电的区域中存在一定量的至少一种可激活的气体，采用所述气体加载所述基片的待处理的表面区域，-其特征在于，激励等离子放电，-其中间距d为一个s至2. 5s范围内的值，且s = se+sg，其中se表示电极前的等离子边缘层厚度，而Sg表示待处理的基片表面前的等离子边缘层厚度，或者-其中所述待处理的表面区域与所述电极之间的准中性的等离子体具有线性膨胀dp， 且 dp < l/3d、dp < max (se+sg)或者 dp < 0. 5s。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，依据间距d的值和/或DC自偏压的值设置或改变在电极与对电极之间的所述准中性等离子体的几何重心的相对位置。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，沿着待处理的表面的方向相对于无DC 自偏压等离子放电时的所述重心的位置改变所述几何重心的位置。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述等离子处理包含等离子镀膜、表面变性或者基片蚀刻。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体的激活通过优选地在准中性等离子体区域中的自由基的形成来实现。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用能够在等离子中形成成层的自由基的前导气体作为可激活气体。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用能够在等离子中形成反应的自由基的清洁气体作为可激活的气体。
8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于包含气体分配装置的电极将处理气体和/或可激活的气体输送到电极与对电极之间的区域中，所述气体分配装置具有多个气体出口孔。
9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，几何非对称地设置电极和对电极以产生所述DC自偏压。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为产生所述DC自偏压，优选的是在电极和对电极几何对称的情况下，采用RF电压，所述RF电压具有至少两种相互具有预设的相对相位关系的谐波频率成分，其中较高频率成分中的至少一个是较低频率成分的偶次谐波。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，依据所述RF电压的至少两种谐波频率成分之间的相对相位关系和/或所述至少两种谐波频率成分的幅度改变所述DC自偏压。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，依据所述至少两种谐波频率成分之间的相对相位关系来设置电极和对电极上的离子能量的相对比例。
13.一种用于对基片进行等离子处理的装置，其包含-用于在电极与对电极之间的区域中激励电容耦合的、具有DC自偏压的等离子放电的装置以及_用于向具有准中性等离子体的等离子放电区域中输送一定量的至少一种可激活的气体的装置，其中_所述基片设置在或者可设置在所述电极和对电极之间，且所述基片的待处理表面区域与所述电极之间有间距d，其特征在于，设有用于操纵所述装置的控制装置，从而设置等离子放电-其中，间距d为s至2. 5s范围内的值，其中se表示所述电极前的等离子边缘层厚度， 而sg表示所述待处理的基片表面前的等离子边缘层厚度，或者-所述待处理的表面区域与所述电极之间的准中性的等离子体具有线性膨胀dp，且dp < l/3d、dp < max (se+sg)或者 dp < 0. 5s。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，设有用于调节所述间距d的装置。
15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述电极包含具有多个气体流出孔的气体分配装置，采用所述气体分配装置能够将至少一种可激活的气体输送到电极与对电极之间的区域中。
16.如权利要求13至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制装置包含用于借助于RF电压产生具有所述DC自偏压的等离子放电的器件，所述RF电压具有至少两种相互具有预设的相对相位关系的谐波频率成分，其中较高频率成分中的至少一个是较低频率成分的偶次谐波。
17.如权利要求13至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制装置包含-用于输入所希望的离子能量和/或所希望的离子流量以加载待处理的基片表面的器件；_用于设置所述等离子功率密度的控制器件；_用于设置所述RF电压的谐波频率成分的幅度和/或所述谐波频率成分的相对相位关系以设置所述等离子的离子能量和/或所述等离子的离子流量的器件；和-用于控制RF电压的谐波频率成分的幅度和/或相对相位关系的器件。
18.如权利要求13至17中任一项所述的装置，其特征在于，为确定电极前的等离子边缘层厚度se和基片表面前的等离子边缘层厚度sg和/或所述准中性等离子体的线性膨胀 dp的中的每一个的当前值，设有用于等离子诊断的器件，这些测量值可以作为输入值供给所述控制装置。
全文摘要
一种用于在等离子装置中对基片进行等离子处理的方法和装置，其中所述基片(110)设置在电极(112)和对电极(108)之间并且所述基片待处理的表面区域与电极之间的间距为d，在电极(112)与对电极(108)之间通过形成DC自偏压来激励电容耦合的等离子放电，在待处理的表面区域与所述电极之间的以准中性等离子体(114)进行等离子放电的区域中存在一定量的至少一种可激活的气体，采用所述气体加载所述基片的待处理的表面区域，对等离子放电进行激励，其中间距d具有一个与s＝se+sg可比的值，其中se表示电极前的等离子边缘层(119)厚度，而sg表示待处理的基片表面前的等离子边缘层(118)厚度，或者其中所述待处理的表面区域与所述电极之间的准中性的等离子体(114)具有线性膨胀dp，且dp＜1/3d、dp＜max(se+sg)或者dp＜0.5s。
文档编号H01J37/32GK102318033SQ200980153624
公开日2012年1月11日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者A·弗鲁格, A·策语纳, G·格拉伯斯, M·格斯勒, M·西摩斯, M·费德勒, R·贝克曼, R-P·伯林科曼, U·察纳特克 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司, 波鸿鲁尔大学, 莱博德光学有限责任公司