专利名称：等离子体沉积源和用于沉积薄膜的方法
技术领域：
本发明的实施例涉及用于在基底上沉积薄膜的等离子体增强化学气相沉积系统。 具体而言，实施例涉及通过RF (射频)电极将沉积气转变成等离子体相的等离子体沉积源。 此外，本发明涉及用于在移动基底上沉积薄膜的方法。
背景技术：
PECVD (等离子体增强化学气相沉积)提供了用以在各种基底上沉积薄膜的强大工具。这种类型的薄膜沉积法在微电子产业中具有诸多应用，例如，用于在柔性基底上沉积光伏层，通常用于使基底表面改性，等等。硅基沉积气例如被用以在制造光伏电池的基体上制备较薄的硅膜。用于在基体上沉积硅基材料的沉积气通常包括硅烷或硅烷基前体气。当这些气体从气相转变成等离子体相时，其状态是与沉积速率、薄膜均勻度(厚度、成分)和不期望反应产物和废气的形成有关的问题。在使用硅烷生产光伏电池的情况下，硅烷废气的形成对于薄膜的沉积而言是有害的。在基体上沉积薄膜的更有效方法基于沉积速率的提高和废气(硅烷废气，等等)形成量的减少。线性PECVD源可在光伏沉积应用中用于动态地沉积硅基材料。可替换地，如果等离子体沉积系统因不期望废气的形成而具有减少的正常运行时间时，则基于薄膜沉积的光伏或微电子构件的制造成本增加。形成的废气越多，对于整个PECVD系统而言，两次维修之间的时间间隔越短。
发明内容
鉴于上述，提供了根据独立权利要求1所述的、用于在真空腔室内将沉积气转变成等离子体相，并且用于通过该等离子体相在沿基底输送方向移动的基底上沉积薄膜的等离子体沉积源。此外，提供了根据独立权利要求16所述的、用于在基底上沉积薄膜的方法。根据一个实施例，提供了适于在真空腔室内将沉积气转变成等离子体并且用于通过该等离子体相在沿基底输送方向移动的基底上沉积薄膜的等离子体沉积源。该等离子体相沉积源包括多区域电极设备，该多区域电极设备适于放置在真空腔室中并且包括至少一个RF电极，该RF电极具有与该基底输送方向平行的电极宽度和与该基底输送方向垂直的电极长度，并且该RF电极被配置为与移动基底相对，其中归一化等离子体容积由被界定在电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积除以电极长度来提供，其中归一化等离子体容积被调整到沉积气的耗尽长度；以及RF功率生成器，该RF功率生成器适于向至少一个 RF连接供应RF功率，其中该RF电极具有配置在该RF电极的一个边缘处的至少一个气体入口和配置在该RF电极的相对边缘处的至少一个气体出口。根据另一实施例，提供了用于在基底上沉积薄膜的方法。该方法包括提供包括至少一个RF电极的多区域电极设备；指引基底沿基底输送方向通过RF电极；使沉积气从气体入口流向气体出口 ；向RF电极供应RF功率；以及在指引基底上沉积薄膜，其中与该基底输送方向平行的RF电极的宽度被调整到该沉积气的消耗分布。
为了更详细地理解本发明上面所引用的特征，可以参考实施例更具体地描述发明内容。附图涉及本发明的实施例，下面将进行描述图1是根据本文所述实施例的等离子体沉积源的概要视图；图2是配置在待涂覆的移动基底上方、图1所示的等离子体沉积源的侧视图；图3是实施硅烷基沉积处理时所形成的硅烷消耗分布。图4是示出根据本文所述实施例的、相对于等离子体沉积源的RF电极的宽度维度、发生在等离子体容积中的硅烷消耗分布和SiH3浓度分布的视图；图5是根据本文所述另一实施例的、被连接到用于驱动RF电极的RF生成器的等离子体沉积源的剖视图；图6是根据本文所述实施例的并且具有三个RF电极和相应气体供应设备的等离子体沉积源的详细剖视图；图7是根据本文所述实施例的、从基底一侧观察到的等离子体沉积源的透视图； 以及图8是阐明根据本文所述实施例的、用于在基底上沉积薄膜的方法的流程图。
具体实施例方式现在参考附图中所阐明的一个或多个示例，对本发明的各种实施例进行详细的描述。在下面的
中，相同的标号表示相同的构件。一般而言，仅仅描述各个实施例的不同点。以解释本发明的方式提供各示例，并且各示例并不意为是对本发明的限制。例如， 一个实施例的一部分所阐明或描述的特征可以用在其它实施例中，或连同其它实施例一起产生另一实施例。这意为本发明包括上述修改和替换。本文所述的实施例尤其涉及用于通过等离子体相在移动基底上沉积薄膜的等离子体沉积系统。该基底可以在真空腔室中沿基底输送方向移动，其中用于将沉积气转变成等离子体相并且用于通过该等离子体相在该移动基底上沉积薄膜的等离子体沉积源位于该真空腔室中。如图1所示，并且根据本文所述的实施例，等离子体沉积源100被设置为具有多区域电极设备300的线性PECVD (等离子体增强化学气相沉积)源100，其中该多区域电极设备300包括被配置为与移动基底500相对的三个RF电极301。在图1中，多区域电极设备 300被示为放置在沿基底输送方向501移动的基底500上方。一般而言，根据可与本文所述的实施例组合的不同实施例，等离子体沉积源可适于在柔性基底例如网状物或钼、玻璃基底或者硅基底上沉积薄膜。通常来说，等离子体沉积源可适于或可用于在柔性基底上沉积薄膜，例如以形成PV模块。对于PV模块而言，有效的沉积可以为沉积薄膜厚度明显不同的不同层提供机会。各个RF电极301分别具有电极宽度304和电极长度305，其中电极宽度304在与基底输送方向501平行的方向上测量，并且其中电极长度305在与移动基底500的基底输送方向501垂直的方向上测量。在图1所示的典型实施例中，三个RF电极301可以具有相同的电极宽度304和电极长度305，使得所有电极的电极面积相等。
电极面积与等离子体区域相对应，使得至少两个电极301的等离子体区域形成了位于一个真空腔室中的组合等离子体区域。由此，形成了位于一个真空腔室中的多区域电极设备300。根据典型的实施例，一个真空腔室应被理解为未被用以在真空系统的区域中提供不同压力或不同环境的压力孔、阀或其它元件分离的区域。根据本文所述的典型实施例， 压力范围可在0. Olmba至4. Ombar之间。电极宽度304可基于诸如沉积气流、等离子体压力、在相应的RF电极处所提供的 RF功率和RF频率以及沉积气消耗分布之类的等离子体参数来确定。下面，本文将相对于图 3和图4来描述各个RF电极的电极宽度304的确定。各个RF电极301的电极长度305可以被调节为使得电极长度305超过与基底输送方向501垂直的移动基底500的横向维度。通常来说，电极长度305可以大于电极宽度 304。此外，电极宽度304可以取决于用于具体等离子体沉积处理的RF频率。虽然在本发明中主要描述了等离子体沉积处理，但是应理解，根据本文所述的实施例的等离子体沉积源也可以用于等离子体增强刻蚀处理、等离子体增强表面改性处理、 等离子体表面活化或失活处理以及本领域技术人员所公知的其它等离子体增强处理。如图1所示，基底输送方向501与气流方向203平行。在各RF电极301的两个边缘处，分别配置气体入口和气体出口。根据可与本文所述其它实施例结合的不同实施例，气体入口或气体出口可被设置为气枪、气体通道、烟道、气体管道、导气管、导管、等等。此外， 气体出口可以被构造为是从等离子体容积中排除气体的泵的一部分。至少一个气体入口 201被配置在多区域电极设备300的各个RF电极301的电极前缘302处，并且至少一个气体出口 202被配置在电极尾缘303处。电极前缘302和电极尾缘303相对于基底输送方向 501界定。但是，根据可与本文所述其它实施例结合的另一实施例，气体入口 201可以配置在尾缘处，并且气体出口 202可以配置在前缘处。因此，虽然图1所示的实施例显示了与基底输送方向501平行的气流方向，但是根据可与本文所述其它实施例结合的另一实施例， 通过变换相应RF电极301的气体入口 201和气体出口 202的相应位置，可使气流方向203 与基底输送方向501反向平行。此外，可为各个RF电极301提供不同的气流方向203。尽管图1未示出，但是可以设置从一个RF电极301到相邻RF电极301的可替换的气流方向 203。在此应注意，术语“气体入口”表示将气体供应到沉积区域(等离子体容积101) 中，而术语“气体出口”表示从沉积区域中排出或抽出沉积气。根据典型实施例的气体入口 201和气体出口 202被配置为与基底输送方向501大致垂直。图2是图1所示的等离子体沉积源100的概要侧视图。在操作过程中，例如，如果在各个RF电极处施加RF功率，并且在气体入口 201与气体出口 202之间提供气流，则在等离子体容积101中形成了等离子体，其中该等离子体容积101位于各个RF电极301的下表面与待涂覆的基底表面502之间，其中该待涂覆的基底表面502与用于生成等离子体的反电极406(见图6)邻接。沿基底输送方向501从左向右输送基底500。分别为各RF电极 301的电极前缘302(图2中的左边缘)和电极尾缘303(图2中的右边缘)配置各个气体入口 201和各个气体出口 202。因此，RF电极下方的气流被设置为从气体入口 201到气体出口 202，使得气流方向203(见图1)与基底输送方向501大致平行。此外，尽管图2中未示出，但是气流方向可与基底输送方向501反向平行。根据另一典型实施例，为了在各个RF 电极301处设置这种类型的反向平行气流，使各个RF电极301处的气体入口 201和气体出口 202彼此交换。因此，本文所述的实施例适于多区域电极设备，其中气流方向相对于基底输送方向为相同方向或相反方向，即气流方向与基底输送方向大致平行或大致反向平行。由此，可以在不明显改变整个组合等离子体区域中的等离子体处理参数的情况下，轻松地将多区域电极设备的规模增加至四个、五个、六个或者更多电极。为各个RF电极301提供分离的气体入口 201和气体出口 202诸如气体入口通道和气体出口通道的另一优点在于，可选择为不同RF电极301所提供的不同等离子体容积 101提供不同的沉积气。因此，可以通过具有至少一个RF电极301的等离子体沉积源100 来执行更多种薄膜沉积处理。在等离子体沉积处理(例如，等离子体增强化学气相沉积 (PECVD))期间，可以在基底500沿基底输送方向501移动的同时，为基底表面502设置薄膜。可以利用能够通过沉积源100转变成等离子体的任何材料来设置薄膜。因此，可以将薄膜或较薄的固体膜沉积到衬底表面502上。尽管图2的剖视图示出了与待涂覆的衬底表面502相对的平面电极，但是电极的剖视形状并不限于平面形状。根据可与本发明所述其它实施例结合的另一实施例，可以设置诸如曲面剖视形状的其它形状，但是并不限于该曲面剖视形状。优选地，至少一个RF电极301的剖视形状可以适于待涂覆的基底表面502的表面形状。各个RF电极301的下表面面向待涂覆的基底表面502，使得可以控制被设置在各个RF电极301与基底500之间的等离子体容积101。RF电极301的下表面与待涂覆的基底表面502之间的距离被视作图2中的电极-基底间隙距离308。等离子体容积101大致由电极长度305、电极宽度304 (见图1)和电极-基底间隙距离308的(几何)乘积界定。各个RF电极301具有垂直基底输送方向501取向的电极长度305，其中该电极长度305至少是与基底输送方向501垂直的移动基底的基底宽度。可以通过使被设置在下电极表面与相对基底表面502之间的等离子体容积101除以电极长度305，来界定归一化等离子体容积。接着基于沉积气流、沉积压力、在各个RF电极301处所施加的RF功率以及在RF 电极301处所提供的RF频率来给定该归一化等离子体容积。通过这种类型的归一化等离子体容积，各个RF电极301的电极宽度304可以被调节为使得与基底输送方向501平行的电极宽度304通过归一化等离子体容积除以图2所示的电极-基底间隙距离308来给定。 根据典型的实施例，归一化等离子体容积在5cm2至50cm2的范围内，用于硅基PECVD处理的等离子体密度在IO9Cm3至IO11Cm3的范围内，以及电子温度在IeV至3eV的范围内。用于硅基PECVD处理的硅烷(SiH4)的流速在IOOsccm至2200sccm的范围内。经由各个RF电极301的相应气体入口 201被引入到等离子体容积101中并且通过相应地气体出口 202从等离子体容积101输出的沉积气受到沉积处理，该沉积处理可在从气体入口 201到气体出口 202通过等离子体容积101的路径上分解和/或改变被引入到等离子体容积101中的沉积气。在硅基沉积处理的情况下，可以将硅引入等离子体容积101。 硅烷(SiH4)的消耗发生在硅烷沉积气被输送通过等离子体容积101时的问题。沉积气的消耗可能影响沉积速率、薄膜成分、薄膜的质量、等等。
图3是阐明硅烷消耗分布600作为距离601(任意单位(a.u.))的函数的视图。 图3所示的距离601是以任意单位(a. u.)给出的、相应气体入口 201与待涂覆的基底表面 502上的沉积位置沿基底输送方向501的间距。如图3所示，可以通过硅烷前体气(沉积气)的SiH4的摩尔分数来提供沉积气消耗的测量。假设硅烷沉积气的摩尔分数在距离为Oa. U.处具有约为1. 0的数值(利用气体入口 201于进入离子体容积101的入口位置处的原始值)，并且接着在距离增加到0. 4a. u.时仍然保持恒定的水平。然后，硅烷消耗分布600减至较小的数值，并且在离开气体入口 201 达如.1!.的距离处约为0。对于硅基沉积处理，SiH4的摩尔分数可以不小于临界摩尔分数， 如下面相对于图4所解释的。为了避免由各个RF电极301界定的等离子体容积101中的沉积气的SH4的摩尔分数602太小，可以将与基底输送方向501平行的电极宽度304限制为使SiH4的摩尔分数602大于临界摩尔分数的数值。硅烷摩尔分数随到气体入口的距离的增大而减小，其中该减小基于由等离子体密度、滞留时间、在电极处所施加的功率、等离子体压力、入口硅烷浓度、总流速和归一化源容积所构成的至少一个分组。当图3中所示的耗尽长度也取决于等离子体容积101内部的等离子体参数时，图2中所示的电极-基底间隙距离308可以被调节为使得沉积气的一般耗尽长度大于等于与基底输送方向501平行的电极宽度304。由此，根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，电极宽度与电极-基底间隙的比率在5至18的范围内，并且通常达到10。对于被沉积到基底500上的硅基材料，前体沉积气是SiH4。硅烷前体气被用作沉积气，并且一旦它到达等离子体容积101时，该沉积气就被分解。这种类型的分解会导致前体气的消耗，从而得到了图3所示的消耗分布600。如图3所示，前体气硅烷的消耗量取决于到气体入口 201的距离。因此，各个RF电极301的电极宽度304可以适于使得前体气的消耗不超过具体等离子体容积101内的预定极限。消耗分布可能取决于一个或多个参数，例如但并不限于沉积气流、等离子体压力以及在各个RF电极处所施加的RF功率和RF频率。 因此，可以将归一化等离子体容积调整为消耗分布，其中该归一化等离子体容积通过被设置在下电极表面与相对基底表面502之间的等离子体容积101除以电极长度305来界定。 这种类型的“调整”可以通过改变电极宽度和电极-基底间隙之比来提供。例如，对于固定的RF电极面积，即对于固定的电极宽度和固定的电极长度，可以调节电极-基底间隙，从而得到期望的归一化等离子体容积。图4是发生在等离子体容积101内的处理的更具体视图。图4阐明了在其左边缘处具有气体入口 201且在其右边缘处具有气体出口 202的单个RF电极301。RF电极301的剖视图下方的视图阐明了 SiH4的摩尔分数602与到气体入口 201的距离601之间的函数。 标号600表示沿RF电极301的电极宽度304的硅烷消耗分布。该硅烷分布被示为用于位于RF电极301的电极表面下方的等离子体容积101中的等离子体的预定等离子体参数。此外，图4示出了 SiH3浓度分布604。SiH3浓度分布604与硅烷消耗分布600的关联在于SiH4摩尔分数602的减小会导致SiH3摩尔分数605的增加。在此对图4应注意， SiH4摩尔分数602与曲线600相对应，其中SiH3摩尔分数605与曲线604相对应。图4涉及与RF电极301的几何维度即电极宽度304有关的硅烷消耗分布600和SiH3浓度分布604。 在此假设，硅烷分布不可能超过由图4中的水平线(虚线)表示的临界摩尔分数603。小于图4中所表示的消耗是可容忍的，即大于临界摩尔分数603的SiH4摩尔分数对位于等离子体容积101中的等离子体而言是可接受的，从而可以得到与其成分、质量等相关的期望薄膜。另一问题便是反应产物硅烷废气的形成，其中该反应产物随硅烷消耗的增加而增加。对于典型的等离子体而言，已经发现，范围在IOcm与18cm之间的电极宽度304可用于本文所述的一些实施例。电极宽度304更典型的范围可以在12cm与17cm之间，例如可以设置15cm的电极宽度304。使电极宽度304在IOcm与18cm之间的典型等离子体参数包括70sccm高达2200sccm，例如IOOsccm的沉积气流(硅烷气流)，从而实现范围在0. Ols 至Is之间的粒子滞留时间。根据另一典型实施例，RF电极301的电极宽度304被调节为使得提供约为0. 的粒子滞留时间(即，等离子体粒子(例如，原子、分子、离子)在等离子体停留的时间)。根据典型的实施例，用于硅基PECVD处理的等离子体密度可以在IO9Cm3 至IO11Cm3的范围内，并且电子温度可在IeV至!BeV的范围内。在此应注意，消耗分布与耗尽长度分别经由上述等离子体参数与粒子滞留时间相关。此外，尽管附图中未明显示出，但是可以提供硅烷和氢气的混合物(SiH4M2混合物)，作为能够被转变成等离子体容积101内的等离子体相的沉积气。硅烷-氢气之比可被调整为使得可以提供耗尽长度的变化(见图3)。因此，各个RF电极301的电极宽度304可被调整为用于期望的耗尽长度。由此，根据另一实施例，硅层可以被沉积为基于SiH4/H2混合物的结晶体或微结晶体/纳米结晶体。通常来说，SiH4/H2混合物明显包括用于沉积结晶硅的H2。可以基于硅烷消耗分布600来确定图4所示的临界摩尔分数，例如可以将临界摩尔分数确定为最大摩尔分数的1/10。因此，如果硅烷的最大摩尔分数为1个相对单位(见图3)，则临界摩尔分数603可约为0.1，使得电极长度(任意单位)约为3a. u.。各个RF电极301的电极宽度304可以被调整为横跨前体的耗尽长度。可以通过沿基底输送方向501线性排列至少两个RF电极301来调节整个电极面积。相对于前体气的耗尽长度来调整电极宽度304具有几个优点。首先，可以增加有效的沉积速率，其次，可以减小硅烷废气的形成量。硅烷废气形成量的减小能够导致源运行时间的增加。相对于耗尽长度对电极宽度304的调整可以包括对与基底输送方向501平行的RF电极301的电极宽度304的设计，使得电极宽度304小于沉积气的消耗分布的临界耗尽长度，在沉积气摩尔分数降至最大摩尔分数的约10%的点处界定该耗尽长度，如上所述。此外，可以通过界定归一化等离子体容积来设置各个RF电极301的电极宽度304。 归一化等离子容积由被界定在电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积来提供。接着，通过使等离子体容积101除以与基底输送方向501垂直的电极长度305来得到归一化等离子体容积。依据期望的等离子体参数，电极-基底间隙距离308(图2)具有由取决于沉积气流、等离子体压力、在各个RF电极301处所施加的RF功率和在RF电极301处所提供的RF频率的归一化等离子容积得出的具体值。接着，通过电极-基底间隙距离308和电极宽度304的(几何)乘积来界定归一化等离子体容积。当电极-基底间隙距离308具有取决于等离子体参数和消耗分布的具体值时，可以基于该归一化等离子体容积除以电极-基底间隙距离308来确定电极宽度304。如上所述，当消耗分布自身取决于等离子体参数时，可以基于硅烷消耗分布600 来确定各个RF电极301的电极宽度304。可以将等离子体容积定义为电极表面与相对基底表面之间的容积101。当电极长度305由与基底输送方向501垂直的基底宽度给定时，可以限定依次取决于电极-基底间隙距离308和电极宽度304的归一化等离子体容积。为具体的等离子体参数，并且因此为具体的耗尽长度，设置预定的电极-基底间隙距离308，使得归一化等离子体容积除以该预定的电极-基底间隙距离308来给出对电极宽度304的测量。通过用于至少一个RF电极301的电极宽度304，可以增加沉积速率，其中可以减小硅烷废气的形成。图5是根据另一实施例的、具有单个RF电极301的等离子体沉积源100的剖视侧视图。两个相邻的RF电极301通过连接器401，例如电力支架彼此连接，使得当其连接到 RF生成器400时，可以同相位地驱动相邻的RF电极301。RF生成器400提供了第一生成器极点403与第二生成器极点404之间的RF功率输出。通常来说，第二生成器极点404接地或被连接到接地电极。在可与本文所述的其它实施例结合的图5所示的实施例中，接地电极或反电极与基底500相对应。因此，基底500例如通过导电辊(图5中为示出)电连接到第二生成器极点404。根据另一实施例，接地电极或反电极可以被设置在图5中的基底500下方，例如使得基底接收面积位于电极301与地面或反电极之间。可以在连接器401与RF生成器400 之间设置匹配网络402。匹配网络402被设置为用于RF电极301和基底500的RF配置的阻抗与RF生成器400的阻抗之间的阻抗匹配。RF生成器400可以提供固定的频率或者可以提供用于激发等离子体容积101中的等离子体的频谱。在RF电极处或者在各个RF电极301处所施加的RF频率在10至IOOMHz 的范围内，通常约为40.68MHz。其它典型的驱动频率为13. 56MHz和94. 92MHz。等离子体容积101中所设置的等离子体参数，诸如等离子体密度、等离子体压力、等离子体成分、前体气的分解等等可以取决于RF频率、电极宽度304和电极-基底间隙距离308。可以在恒定的RF功率密度下操作RF生成器400，或者RF功率密度可基于沉积等离子体的需求及其参数发生变化。连接器401可以被设置为用于经由匹配网络402将RF功率密度从RF生成器400 转变成连接器401的电力支架。此外，RF生成器400可以提供取决于电极维度的频率。根据可与本文所述的其它实施例结合的一些实施例，可以利用从单个RF生成器 400处通过连接器(电力托架)401并联连接的RF电极301，对称地操作等离子体沉积源 100。此外，可替换地，可以推挽的方式操作等离子体沉积源100，使得相邻的RF电极301被驱动，从而在相邻的RF电极301之间设定通常为180°的相位差。RF电极301可以通过连接器401彼此连接，并且可以通过另外的连接设备直接连接到RF生成器400。此外，根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，连接器401可被用来将各RF电极301分别连接到RF生成器400。因此，设置至少一个连接器401用以电连接RF电极301。此外，根据可与本文所述其它实施例结合的另一实施例，设置至少两个连接器401用以使RF电极301彼此连接，其中这至少两个连接器401沿与基底输送方向501 垂直的电极长度305配置。沿RF电极301的电极长度305设置至少两个连接器401可以导致等离子体在等离子体容积101中沿与基底输送方向501垂直的RF电极301的长度305 更均勻地分布。如图5所示，气体供应设备200被设置为向气体入口 201供应沉积气如硅烷。此外，真空泵606被设置为适于经由气体出口 202接收气体输出。尽管仅示出了将一个RF电极301的气体入口气枪201和气体出口气枪202连接到气体供应设备200和真空泵606，但是可以将所有的气体入口 201连接到相同或不同的气体供应设备200。可替换地，可以将所有的气体出口 202连接到相同或不同的真空泵606。此外，根据可与本文所述其它实施例结合的另一实施例，可以为各RF电极301控制横跨RF电极301的、从气体入口 201到气体出口 202的沉积气流。气体供应设备200和真空泵606的操作可导致在真空腔室内出现典型的压力，该压力范围为0. Olmbar至lOmba，通常为0. Olmbar至4. Ombar，更通常来说，约为0. 05mbar。 在此应注意，真空腔室内的压力会影响其它等离子体参数，使得可以改变电极-基底间隙距离308 (见图2)，以维持期望的等离子体沉积操作。电极-基底间隙距离308的变化可依次影响例如等离子体容积101和归一化等离子体容积。此外，可以为RF电极301下方的各个等离子体容积101设置多种沉积气。因此， 可以为不同的RF电极301设置不同的沉积气，使得可以在基底表面502处提供复杂的沉积
层结构。图6是包括三个局部分离的RF电极301的等离子体沉积源100的具体剖视侧视图。各RF电极301具有用以输入来自RF生成器400(见图5)的RF功率的RF输入405。 此外，各RF电极301包括使RF电极301相对环境隔离的电极隔离306。例如，除了使RF电极301相对环境隔离之外，可以通过例如连接器如电力支架使两个更多的RF电极301彼此连接。除此之外，电极表面涂层307保护各RF电极301使等离子体不发生泄露。根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，电极的表面涂层可以被设置为例如由玻璃或石英制成的罩子。通常来说，例如通过将其夹在电极上，可移除这些罩。这使得在维修薄膜沉积系统期间，轻松且快速地替换这些罩。通常来说，这些罩适于可移除地固定到电极，使得以低成本的设计替换该罩。此外，除了保护RF电极之外，电极罩的高二次电子发射系数在高压下可以提供等离子体的稳定性。图6详细示出了单独对于各电极来说，沉积气通过气体入口 201的输入和沉积气通过气体出口 202的输出。气体入口 201适于直接将沉积气引到等离子体容积101中，而气体出口 202被设置在等离子体容积101的上边缘处。如上所述，等离子体容积由电极的几何维度和电极-基底间隙距离308界定，即等离子体容积101由电极-基底间隙距离308 的产物、电极宽度304和电极长度305(见图1)界定。根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，待涂覆的基底500位于相应的 RF电极301与反电极406之间。反电极406可以接地，其中各个RF电极301的RF输入405 被连接到RF生成器400的另一极点(见图5)。图6所示的电极配置具有这样的优点，即沿基底输送方向501移动的待涂覆基底500并未被电接触以生成等离子体。尤其在移动基底 500的情况下，图6所示的配置可以用于沉积处理。在此应注意，尽管附图中未示出，但是为了以降低的大气压力设置等离子体沉积处理，可以将等离子体沉积源100安装在真空腔室内。尽管相对于本发明描述了沉积处理，但是在此应注意，根据本文所述实施例的至少一者的等离子体沉积源100可用于其它等离子体处理，例如但不限于，等离子体刻蚀处理、表面改性处理、等离子体增强表面活化、等离子体表面失活、等等。
根据附图中未示出的另一实施例，电极可以具有曲面剖视形状或者可以被配置为使得在等离子体沉积处理期间旋转。可同相位地驱动或者不同相位地驱动RF电极301。可以单独操作在多区域电极设备300内具有相应气体入口 201和相应电极出口 202的各RF 电极301。因此，可以在由RF电极301界定的各个区域处提供不同的气体、不同的RF功率和不同的RF频率。因此，可以将至少一种不同的沉积气供应到由至少一个RF电极301相对于其余RF电极301提供的等离子体容积101中。图7是在从沿基底输送方向501经过RF电极301输送基体(未示出)的底侧的观测角度处观察到的等离子体沉积源100的透视图。RF电极301分别具有用以保护相应的RF电极301使等离子体不发生泄露的电极表面涂层307。RF电极301在其与基底输送方向501垂直的边缘处具有气枪，即相应的气体入口 201和相应的气体出口 202。气体入口 201可以具有沿气体入口 201的长度设置的气体入口开口 204。多区域电极设备300的各 RF电极301可以单独设有通过RF输入405的RF功率。根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，气体出口 202，和尤其是气体入口 201是可重构的或可替换的。由此，例如，具有开口 204的气体分布栅(gas distribution bar)可以被设置为使得等离子体区域中的气体分布能够被控制。根据经典的实施例，气体分布栅可以具有相对于与基底输送方向501平行的沉积源的中心线对称的设计。例如，气体分布栅相对于电极长度方向的边缘区域可以设有附加的或更大的开口 204，使得电极边缘处的前体气的损失得以补偿。此外，根据另外的实施例，为了增加前体气和/或为了更光滑的沉积分布，气体分布栅相对于电极长度方向的边缘据区域可以设置较少或更小的开口 204。除此之外，可以狭缝的形式设置气体入口开口 204和/或气体出口开口 205。相应的狭缝可以表示沿狭缝长度不断变化的狭缝宽度，例如，在气体分布栅的边缘区域处具有更大或更小的狭缝宽度。类似地，根据可与本文所述其它实施例结合的一些实施例，具有开口 204的气体泵入通道或裂缝可以被设置为使得从等离子体区域中的排除可以被控制或适于均勻的等离子体性能，即在基体上方沿与基底移动方向垂直的基底方向均勻地沉积。由此，根据典型的实施例，气体泵入栅或气体泵入通道可以具有相对于与基底移动方向平行的沉积源的中心线对称的设计。一般地，气体泵入通道可以是可重构的或可交换的，从而使泵入通道间的长度差得以补偿并且沿气体出口的长度提供均勻的流动阻力。多区域电极设备300可以在范围在10至IOOMHz之间的驱动RF频率下操作，其中典型的频率约为13. 56MHz至94. 92MHz。所选择的驱动RF频率尤其取决于电极维度。为了在较大的基底500上提供薄膜的等离子体增强沉积，可以增加多区域电极设备300的尺寸维度。在增加尺寸的情况下，为了避免驻波效应，可以改变驱动RF频率，其中驻波效应主要影响涂覆的均勻度。为了在等离子体容积中提供均勻的等离子体排出，可以沿电极长度 305设置图5已经示出的且本文上述所描述的连接器401 (电力支架)。可以沿与基底输送方向501垂直的电极长度305配置至少两个连接器401。与基底输送方向501垂直的电极长度305可在80cm至200cm的范围内，并且通常在120cm至180cm的范围内。根据另一典型的实施例，电极长度305约为150cm。沿各个RF电极301的电极长度305设置并且能被用以使RF电极301彼此连接的至少两个连接器401可以被用来调节电场均勻度，并且因此调节等离子体容积中的等离子体均勻度(图7中未示出)。此外，通过使各个RF电极301单独连接到至少一个RF生成器 400，可以在两个相邻RF电极之间设置推挽模式。如图7所示，气流方向，即从气体入口 201到气体出口 202横跨RF电极301的气流与基底输送方向501平行。此外，横跨两个相邻RF电极的气流方向可以被对准为使得彼此相对。此外，根据可与本文所述其它实施例结合的另一实施例，沉积气的气流可以被调节为使得横跨所有RF电极301的气流方向与基底输送方向501反向平行。根据上述实施例的一些实施例，RF电极301的电极宽度304可以被调节为与前体气的消耗分布相关，使得减少硅烷废气的形成。此外，如果相对于被设置在等离子体容积 101中的等离子体参数和前体气的消耗分布调节电极宽度304，则可以增加沉积速率。另一优势在于沉积气的更有效利用。因此，优选地，改进了沉积到移动基底500的基底表面502上的薄膜的质量。包括多区域电极设备300的等离子体沉积源100可用于本文上面所述的沉积处理。此外，根据另一实施例，多区域电极设备300可被设计为用于刻蚀处理或其它表面改性处理，例如但不限于表面活化处理、表面失活处理、等等。沉积速率可随移动基底500的基底表面502附近的气相前体的活化度而增加。这些气相前体由RF功率密度、电极-基底间隙距离308、处理气流203和处理气成分控制。硅烷废气的形成可基于相对于前体气硅烷的耗尽长度对电极宽度304的调节而减少。电极宽度304的调整因此可有效地被设置为与期望的前体耗尽长度分布匹配。图8是阐明在基底上沉积薄膜的方法的流程图。该方法包括步骤Sl至S7。程序开始于步骤Si，并且进行到步骤S2，其中在步骤S2处，提供包括至少两个局部分离的RF电极的多区域电极设备。在步骤S3处，指引基底沿基底输送方向通过RF电极。至少两个局部分离的RF电极的每一者具有配置在与基底输送方向垂直的RF电极的边缘处的分离的气体入口和分离的气体出口。在步骤S4中，使沉积气从各个RF电极的相应气体入口流向相应的气体出口。在步骤S5处，向至少两个RF电极供应RF功率。由此，在步骤S6中，在沿基底输送方向移动的指引基底上沉积薄膜。在步骤S7处结束其程序。鉴于上述，已经描述了多个实施例。例如，根据一个实施例，提供了适于在真空腔室内将沉积气转变成等离子体并且用于通过该等离子体相在沿基底输送方向移动的基底上沉积薄膜的等离子体沉积源。该等离子体相沉积源包括多区域电极设备和RF功率生成器，其中该多区域电极设备适于放置在真空腔室中并且包括至少一个RF电极，该至少一个 RF电极被配置为与移动基底相对，其中RF功率生成器适于向该RF电极提供RF功率。RF 电极具有配置在电极的一个边缘处的至少一个气体入口和配置在RF电极的相对边缘处的至少一个气体出口。根据可选择的修改例，与基底输送方向平行的RF电极的电极宽度小于沉积气的临界耗尽长度，其中该临界耗尽长度被界定在沉积气摩尔分数降至其原始值的约 10%的数值的点处。根据另一附加或可替换的修改例，RF电极在真空腔室内界定电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积。根据可与上述任何其它实施例和修改例结合的另一实施例，归一化等离子体容积由被界定在电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积除以电极长度来设置，其中归一化等离子体容积基于沉积气流、等离子体压力以及在RF电极处所提供的RF功率和RF频率来设置。根据另一附加的或可替换的修改例，气体供应设备被设置为适于向等离子体容积供应沉积气。根据可与上述任何其它实施例和修改例结合的另
13一实施例，该至少一个气体入口相对于基底输送方向配置在RF电极的前缘处，该至少一个气体出口配置在RF电极的尾缘处。根据另一实施例，气体入口和气体出口被配置为与基底输送方向大致垂直。根据可与上述任何其它实施例和修改例结合的另一实施例，等离子体沉积源还包括适于使RF电极彼此电连接的至少一个连接器。根据另一修改例，等离子体沉积源还包括适于使RF电极彼此连接的至少两个连接器，其中该至少两个连接器沿与基底输送方向垂直的电极长度配置。该至少两个电极可被连接到共同的生成器极点。根据可选择的修改例，匹配网络被配置为将RF功率生成器连接到多区域电极设备。此外，反电极可被配置在移动基底与该至少一个RF电极相对的一侧处。根据另一修改例。在RF电极处所施加的RF频率在10至IOOMHz的范围内，通常约为40. 68MHz。根据另一修改例，电极宽度在IOcm至18cm的范围内，通常在12cm至17cm的范围内，更通常地，约为15cm。根据可与上述任何其它实施例和修改例结合的另一实施例，与基底输送方向垂直的电极长度在80cm 至200cm的范围内，通常在120cm至180cm的范围内，并且更通常地，约为150cm。根据另一实施例，提供了用于在基底上沉积薄膜的方法。该方法包括提供包括至少一个RF电极的多区域电极设备；指引基底沿基底输送方向通过RF电极；使沉积气从气体入口流向气体出口 ；向RF电极供应RF功率；以及在指引基底上沉积薄膜。根据其可选择的修改例，该方法还可以包括为各RF电极控制从气体入口到气体出口横跨RF电极的沉积气流。根据可与上述修改例或上述实施例结合的另一实施例，同相地驱动该至少两个RF 电极。根据另一实施例，以其间预定的相位差驱动两个相邻的电极。根据另一实施例，通过沿与基底输送方向垂直的电极长度设置用以使RF电极彼此连接的至少两个连接器来调节电场均勻度。根据可与上述其它修改例结合的另一修改例，电极-基底间隙距离被调节为使得沉积气的耗尽长度大于等于与基底输送方向平行的电极宽度。根据另一修改例，将至少一种不同的沉积气供应到由至少一个RF电极相对于其余RF电极所提供的等离子体容积中。此外，根据另一实施例，以推挽的模式驱动该至少两个RF电极。根据另一实施例，RF 电极的电极宽度被调节为使得粒子滞留时间在0. Ols至Is的范围内，并且通常约为0. 4s。 根据可与本文上述实施例和修改例结合的另一实施例，沉积气的气流被调节为使得横跨两个相邻RF电极的气流方向彼此相对。此外，沉积气的气流可被调节为使得横跨所有RF电极的气流方向与基底输送方向平行或反向平行。尽管以上内容针对本发明的实施例，但是可以在不脱离其基本范围的情况下，修改本发明的其它实施例和另一实施例，并且其范围由权利要求书确定。
权利要求
1.一种适于在真空腔室中将沉积气转变成等离子体相并且适于通过所述等离子体相在沿基底输送方向移动的基底上沉积薄膜的等离子体沉积源，所述等 离子体沉积源包括多区域电极设备，所述多区域电极设备适于配置在所述真空腔室中，所述多区域电极设备包括至少一个RF电极，所述电极具有与所述基底输送方向平行的电极宽度和与所述基底输送方向垂直的电极长度，并且所述电极被配置为与所述移动基底相对，其中归一化等离子体容积由被界定在电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积除以所述电极长度来提供，并且其中所述归一化等离子体容积被调整到所述沉积气的耗尽长度；以及RF功率生成器，所述RF功率生成器适于向所述RF电极供应RF功率，其中所述RF电极具有至少一个气体入口和至少一个气体出口，所述至少一个气体入口被配置在所述RF电极的一个边缘处，所述至少一个气体出口被配置在所述RF电极的相对边缘处。
2.根据权利要求1所述的等离子体沉积源，其中与所述基底输送方向平行的所述RF电极的所述电极宽度小于所述沉积气的消耗分布的临界耗尽长度，所述临界耗尽长度被定义在所述沉积气的最大摩尔分数的约10%处。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体沉积源，其中所述RF电极在所述真空强室内界定了位于电极表面与相对电极位置之间的等离子体容积，所述等离子体容积在1200cm3至 7200cm3之间的范围内。
4.根据权利要求3所述的等离子体沉积源，其中所述归一化等离子体容积在5cm2与 50cm2之间的范围内，并且更通常地，在IOcm2与36cm2之间的范围内。
5.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中所述至少一个气体入口相对于所述基底输送方向配置在所述RF电极的前缘处，并且所述至少一个气体出口相对于所述基底输送方向配置在所述RF电极的尾缘处。
6.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中还包括至少一个连接器，所述至少一个连接器适于使至少两个RF电极彼此电连接。
7.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中还包括至少两个连接器，所述至少两个连接器适于使至少两个RF电极彼此连接，其中所述至少两个连接器沿与所述基底输送方向垂直的所述电极长度配置。
8.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中所述至少两个电极被连接到共同的生成器极点。
9.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中所述RF电极的所述电极宽度被设置为使得粒子滞留时间在0. Ols至Is的范围内，并且通常约为0.如。
10.根据先前权利要求任一项所述的等离子体沉积源，其中与所述基底输送方向平行的所述电极宽度在IOcm至18cm的范围内，通常在12cm 至17cm的范围内，更通常地，约为15cm。
11.一种用于在基底上沉积薄膜的方法，所述方法包括提供多区域电极设备，所述多区域电极设备包括至少一个RF电极；指引基底沿基底输送方向通过所述RF电极；使沉积气从气体入口流向气体出口；向所述RF电极供应RF功率；以及在所述指引基底上沉积薄膜，其中与所述基底输送方向平行的所述RF电极的宽度被调整到所述沉积气的消耗分布。
12.根据权利要求11所述的方法，其中与所述基底输送方向平行的所述RF电极的所述宽度小于所述沉积气的临界耗尽长度，所述临界耗尽长度被定义在沉积气摩尔分数降至其原始值的约10%的数值的点处。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中同相地驱动至少两个RF电极。
14.根据权利要求11至13任一项所述的方法，其中电场均勻度通过至少两个连接器来调节，所述至少两个连接器被配置使至少两个RF电极彼此连接，所述至少两个连接器沿与所述基底输送方向垂直的电极长度设置。
15.根据权利要求11至15任一项所述的方法，其中电极-基底间隙距离被调节为使得所述沉积气的所述耗尽长度大于等于与所述基底输送方向平行的所述RF电极的电极宽度。
全文摘要
本发明描述了用于在真空腔室内将沉积气转变成等离子体相并且用于通过该等离子体相在沿基底输送方向移动的基底上沉积薄膜的等离子体沉积源，该等离子体沉积源包括多区域电极设备和RF功率生成器，该多区域电极设备适于配置在该真空腔室中并且包括被配置为与移动基底相对的至少一个RF电极；该RF功率生成器适于向该RF电极供应RF功率。该RF电极具有被配置在该RF电极的一个边缘处的至少一个气体入口和被配置在该RF电极的相对边缘处的至少一个气体出口。归一化等离子体容积由被界定在电极表面与相对基底位置之间的等离子体容积除以电极长度来提供。该归一化等离子体容积被调整到沉积气的耗尽长度。
文档编号H01J37/32GK102449726SQ201080023248
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者安德烈·赫佐格, 尼尔·莫里森, 彼得·斯库克, 斯特凡·海因 申请人:应用材料公司