专利名称：微波等离子化学汽相淀积装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进型微波等离子化学汽相淀积装置，特别涉及适于用来在基片上形成一层淀积薄膜的改进型微波等离子化学汽相淀积装置。
等离子化学汽相淀积过程，是指产生含有高活性基的特殊材料的等离子体，并使活性基在基片的表面上淀积一层薄膜的过程。等离子化学汽相淀积装置是指一种用来实现等离子化学汽相淀积过程的装置。
传统的等离子化学汽相淀积装置有一个等离子化学汽相淀积室，该室包括一个带有原料气体进口和出口的真空容器，以及一个电磁波发生装置用来供给产生导入到等离子化学汽相淀积室中的原料气体的等离子体的能量。
附带说一下，等离子化学汽相淀积过程是以基的高活性为基础，等离子化学汽相淀积过程的条件，诸如基的密度和工件的温度，要正确地选定，以便能形成所希望的淀积薄膜。在这一方面，等离子化学汽相淀积过程中，有效地产生基是很重要的。
在过去，在等离子化学汽相淀积过程中，使用13.56MHZ的高频电磁波。近来，发现在等离子化学汽相淀积过程中，使用频率为2.45GHZ数量级的微波，就能有效地产生高密度的等离子体，并且使工件加热。这样，使用微波的等离子化学汽相淀积过程变成大家注意的对象，提出了几种微波等离子化学汽相淀积装置。例如，建议各种使用微波的等离子化学汽相淀积方法(在下文中简称“MW-PCVD方法”)和装置，来形成非晶体硅(在下文中简称“A-Si)、多晶体硅(以下简称“P-Si”)、SiO2或SiN淀积薄膜，用在制备例如半导体器件，电子照相术的光电导元件，图象输入传感器，摄象装置，光伏打装置，以及其他电子和光学装置中。
这些建议的传统的MW-PCVD装置粗略地分为两种类型。
两种类型中的一种的MW-PCVD装置，已在日本专利公开58-49295和59-43991中，以及日本实用新型62-36240中公开。在这种类型的MW-PCVD装置(以下简称“Ⅰ型MW-PCVD装置”)中，插入一根气体管道，或者放在与长方形或同轴波导管相接触以产生等离子体。
另一种类型MW-PCVD装置已在日本专利公开57-133636中揭示。在这种类型MW-PCVD装置(以下简称“Ⅱ型MW-PCVD装置”)中，电子回旋共振(ECR)是在一个共振腔中形成，等离子体是被发散的磁场诱导出来的。
图5是表示在日本实用实型62-36240中所揭示的Ⅰ型MW-PCVD装置。这种Ⅰ型MW-PCVD装置有一个真空系统，一个排气系统和一个微波发生系统。
参看图5，真空系统有一个反应器107，和一个微波传输管如石英管，或一个内径为40mm数量级的窗口，并用一气体导入管107a连接到反应器107上。石英管(或窗口)连接到第一根气体导入管上，安装得与微波导管成直角。第二根气体导入管连接到反应器107上。供给反应器107的气体(例如硅烷气体)是通过排气系统(107b和108)排出的。经第一根气体导入管导入到反应器107的气体(如氧气或氮气)由于微波放电被转变成等离子体。当由微波能量引起微波放电时，微波输入阻抗能够与一个滑动短路板(也就是说短路器105)相匹配。这样产生的等离子体的基与经第二根气体导入管供给的硅烷气体产生反应，从而在基片111的表面上形成SiO2或SiN的薄膜。
图6表示日本专利公开57-133636中所揭示的一个典型的Ⅱ型MW-PCVD装置。除了Ⅱ型MW-PCVD装置中装有一个电磁铁13外，Ⅱ型MW-PCVD装置的一些系统和外形，与上面的Ⅰ型MW-PCVD装置相同。在Ⅱ型MW-PCVD装置中，真空系统包括一产生等离子的圆柱形容器1，和连接到产生等离子容器1上的淀积容器2。一个微波导入窗口3气密地附装在等离子产生容器1上。第一根气体导入管6和微波波导管4连接到等离子产生容器1上。等离子产生容器1是用水冷却管5进行水冷。图6中的装置使用了一个电磁铁13，与等离子产生容器1同轴安装。电磁铁13的磁力线方向与微波前进的方向一致。在电磁铁所形成的磁场和微波所形成的电场合力作用下，电子进行磁控运动。因此，等离子产生容器1在共振腔中形成TE11t模(t是一个自然数)。第二根气体导入管和排气系统连接到淀积容器2上，停留在淀积容器2中的气体，通过排气系统排出。
在图6中所示的是典型的Ⅱ型MW-PCVD装置，由微波能量引起的放电使得经第一根气体导管6导入等离子产生容器1中的气体(氢气)转变成为等离子体。当磁场的磁通密度为875高斯时，微波能量的反射波几乎为零。在这个装置中，共振腔的端板16是一个节流结构;它根据气体的类型，气体的压力和加到共振腔上的微波功率而在真空下移动，以便使共振腔符合所要求的条件。氢等离子体的电子，在磁力线的方向作电子回旋运动，等离子体的基与经第二根气体导入管导入淀积容器2中的气体(硅烷)起反应作用，使得在基片11的全部表面上形成一层A-Si薄膜。
但是Ⅰ型MW-PCVD装置和Ⅱ型MW-PCVD装置两者都有下列问题需要解决。
Ⅰ型MW-PCVD装置有一些缺点(1)反应器的内部必须维持真空压强1乇或高一些，以保持稳定的放电;(2)当通过气体导入管时，基的去激活作用，使得形成薄膜的淀积率降低;(3)在石英管和波导管连接处的一部分石英管上，由于积聚的电场强度而引起溅射，当输入的微波功率增加以便提高成膜率时，这些溅射的颗粒掺混在淀积薄膜中，使淀积薄膜的电气特点恶化。
虽然在Ⅱ型MW-PCVD装置中，没有由于基的去激活作用和石英管上的溅射引起的问题，但是Ⅱ型MW-PCVD装置有以下一些问题。
即(4)由于薄膜的形成是在压强为10-4乇的数量级下进行，在基的平均自由程约为1米的地方，在使用氢气和硅烷气形成A-Si薄膜时，A-Si薄膜很可能淀积在微波导入窗口上，而不淀积在基片上，从而A-Si薄膜逐渐淀积在整个共振腔的内壁上，使保持放电和开始放电困难。(5)不久在微波导入窗口淀积的A-Si薄膜，使微波的导入窗口缩小，减少在基片上成膜，恶化淀积薄膜的质量。(6)淀积容器的内部需要经常清扫，以避免由于微波导入窗口的缩小，而使淀积薄膜恶化。因此，(7)装置的运行率是低的。
Ⅱ型MW-PCVD装置还有一个问题，对运行效率有不利的影响，它的共振腔的端板16必须在真空下移动，以改变共振腔的长度，因为微波导入窗口3是牢固地安装在波导管4上。
因此，本发明的主要目的是提供一种改进型MW-PCVD装置，以消除以上所述在传统的MW-PCVD装置上所存在的各种问题。
本发明的另一个目的是提供一种改进型MW-PCVD装置，不使用在电子回旋共振系统装置中所需要的大电磁铁，而使用合适选定的微波传播模式，就能够在具有较大平面的基片上，淀积一层均匀一致的薄膜。
本发明还有一个目的是提供一种改进型MW-PCVD装置，能够连续地使微波输入阻抗与由于微波能量所引起的放电相匹配，并与气体的电离作用区域面积无关，有效地利用微波能量，能够大量生产所希望的淀积薄膜。
本发明者已做了广泛的研究，以便能消除传统的MW-PCVD装置中所存在的上述问题，并取得本发明的上述一些目的。结果，发现传统的MW-PCVD装置中存在的问题能够消除，而本发明的上述一些目的可以达到，即通过提供的一种MW-PCVD装置中有(a)使用压力梯度来代替电子回旋共振系统中MW-PCVD装置上所使用的磁场梯度，来抑制气体的反向扩散装置，(b)有一成膜室，它的结构可以起到共振腔的作用，而不依赖于等离子体的密度能与微波匹配，和(c)在共振腔中设有一钟罩，以使微波进入TM模。
本发明在以上探索的基础上，已达到目的，它提供了一种MW-PCVD装置，主要有一个气密真空容器;抽气装置以抽真空容器;等离子体发生装置，通过微波传输系统导入微波至真空容器中，在真空容器中产生等离子体，它的特点在于微波传输系统是具有一个与两个相匹配回路形成一个整体的共振腔。
根据本发明这样结构的MW-PCVD装置，解决了传统式MW-PCVD装置中所存在的所有问题，能在高的运行率和运行效率得到改进下运行，以降低非晶体硅元件之类的制造成本，取消了电子回旋共振系统中的MW-PCVD装置上所使用的大电磁铁，而用正确选定的微波传播模式，使得能在大面积的基片表面上形成所希望的均匀的淀积薄膜。此外，共振腔与联结孔之间的距离是可改变的，不管气体的电离作用区域面积多大，微波输入阻抗能连续地调配，从而能有效的利用微波功率和高效率的使用气体。
图1是体现本发明的典型的MW-PCVD装置的示意透视图;
图2，3和4分别是根据本发明另外的几个实施方案的示意断面图;
图5和6是有助于解释传统式MW-PCVD装置的示意断面图。
与上述(a)项有关的一个机构，按以下方式能够并入根据本发明的MW-PCVD装置中。以共振腔的结构形成一个真空容器，真空容器的内部有一区段是共振腔，另一区段是成膜室，它是用相当于上述共振腔端板的有孔眼的板分隔开来。一种气体，如氢气或氩气，而不是作为原料的气体如硅烷，供给到真空容器中的共振腔中，保持共振腔中的压力高于成膜室的压力，以使在真空容器中的压力，从共振腔向成膜室在一压力梯度下降低。因此，在压强为10-3至1乇的范围内，产生放电。因为在这样的压力下，等离子体的基的平均自由程是短的，气体的流动由压力梯度来调节，作为原料的气体的反向扩散能有效的得到抑制。
与上述(b)项有关的一个结构，如装有两个能够根据微波的相位和振幅进行调整的匹配回路后，就能够
入到根据本发明的MW-PCVD装置中。因为驻波的能量是积聚在匹配回路和共振腔之间，较好是匹配回路和共振腔之间的距离减少到尽可能小的程度。最好匹配回路和共振腔是一个整体;一个匹配系统用来作为短路器来改变空腔的长度。
附带说一下，反射回来的微波，它的相位和振幅主要与等离子密度和微波供给回路的形态有关。这就是说，等离子密度和复折射率n-ik(0＜n＜1)，k是吸收系数)是依赖于气体的类型，气体的压力或输入的微波功率。因此，为保持共振腔的功能，n和k的影响必须为零。
因为用改变空腔的内径使n的影响为零是困难的，共振腔的空腔长度L可以增长一个相当于减少空腔内径至原有长度的n倍(0＜n＜1)。
当共振频率f为2.45GHZ时，共振模TMrst和空腔的内径nD为已知时，新的空腔长度的等价值L′能按下式来决定。
(2L′)2＝t2/｛(f/c)2-(yrs/πnD)2｝…(1)式中yrs是贝塞尔函数的根Jr(y)＝0，C是光的速度。
从公式(1)中可以清楚地看到，n的影响可根据n的变化改变共振腔的长度L而为零。
k的影响，就是反射波振幅和相位差δ的影响，用调节两个匹配回路能够使其为零。
事实上，因为n和k是相互依赖的，共振器的长度和滑动匹配膜片的位置可以对一组n和k来调节。
另一方面，反射波的相位和振幅是根据微波供给回路的形态而定，调节两个匹配回路能够有效的匹配。
与上述(c)项有关的结构，如直接连接一个长方形波导管和一个圆柱形共振腔，使两者的轴相互成直角相交如图1所示，就能够 入本发明的MW-PCVD装置中。当长方形波导管和圆柱形共振腔以这样方式连接后，改变共振腔长度的操作，不会受到长方形波导管的妨碍。在圆柱形共振腔中，微波处在TM01n模(n是一个自然数)，共振腔的长度甚至在大气压力下也可以改变，从而促进运行效率。
本发明将在下文参考在附图中所示的几个最佳实施方案加以描述，但是，现有的实施方案是解说性的，不是限制性的，因此本发明是不限于此的。
第一个实施方案根据本发明的第一个实施方案中的MW-PCVD装置，将参考图1作为装上一个圆柱形共振腔来加以描述。
图1中所示是一个长方形波导管21，一个圆柱形共振腔22，一个短路器23来改变共振腔22的长度，一对圆柱形滑动匹配膜片24，一个微波透射钟罩25，一个微波反射器26，一个成膜容器27，一个基片28，一个基片夹架29和气体导入管30和31。
实质上，图1中所示的MW-PCVD装置是一个共振腔型的MW-PCVD装置，有一个微波振荡器(未在图中示出)，一个微波传输回路(未在图中示出)，一个共振腔和一个成膜室，设有一个作为等离子发生室的微波透射钟罩，气体导入管(30和31)和一个气体出口(32)。
最好，共振腔22是由一种低电阻率和高耐磨性的材料制成，以便减小由于微波表面电流的欧姆损耗和短路器23沿着圆筒形共振腔的内侧表面滑动时，圆柱形共振腔22的磨耗。因此，铜、黄铜和一种镀银、镀铜或镀金的不锈钢，是制造共振腔22合乎需要的材料;尤其是镀银的不锈钢是一种最佳的材料。
圆柱形共振腔22和长方形波导管21的轴是相互成直角相交连接在一起，以改变长方形波导管21的H10(TE10)波型为圆形波导管的E01(TM01)波型。共振腔22与两个匹配系统形成为一整体，就是指用来改变共振腔22长度的短路器23和圆柱形滑动匹配膜片24。
短路器23是沿着共振腔22的轴向移动。短路器也可以例如用一马达35来驱动，沿着共振腔的轴向移动。为了防止共振腔22和短路器23之间的反常放电，短路器23是由制弹簧用的磷铜来制造，以便短路器23能与共振腔22稳定地接触。
一对圆柱形滑动匹配膜片24是分别安装在长方形波导管21与容积共振器22连结处相对立的两端。如图1双向箭头所指示的那样，这一对圆柱形滑动匹配膜片24，是可以单独沿着共振腔22圆柱形的表面滑动。与短路器23相同，滑动匹配膜片24是由磷铜制成的，以便滑动匹配膜片24与共振腔22能稳定地接触。
微波透射钟罩25是安装在共振腔22内，例如内径为120毫米。钟罩25与成膜容器27相连接。有一个O形圈或一金属密封元件以保证气密，微波反射器26设在钟罩25的凸缘和成膜容器27之间。微波由微波反射器26反射回来，以致气体能够在钟罩25内部和成膜容器27之间流动。
钟罩25是由石英(SiO2)，铝土(Al2O3)，氮化硼(BN)或氮化硅(SiN)制成。
微波反射器26是一块多孔的镀有银，铜，或金的金属板(镀银的金属板特别合适)，设有许多穿孔，例如一块多孔的铝板，有许多直径为6毫米的圆孔，孔的面积占60%，这就是通常所说的穿孔板。微波反射器26是用丝扣拧到成膜容器27上，以抑制反常放电。微波反射器26也可由多孔金属网来制造。
安装在成膜容器27中的是基片28，基片夹架29和两根气体导入管30和31。气体导入管30的末端，穿透微波反射器26，在钟罩25的内部开口。气体导入管31有一个环形的端部，设有许多穿孔以喷射一种气体。气体导入管31是装在钟罩25和基片夹架29之间。
成膜容器27是连接到真空泵(未在图中示出)上，以便抽成膜容器27中的空气。
在开始运转MW-PCVD装置之前，根据本发明这样的结构，共振腔22的长度调整到稍短于mλ/2值(m是一个自然数)，具体说，用网络分析器(HeuletPackardCo产品)先测量网络随后决定共振腔22的长度，以便共振腔22和其中的钟罩25一起作用。当钟罩25壁厚为3毫米，直径为70毫米，高为100毫米时，共振腔22长度的缩短是3毫米，共振腔的长度为291毫米。当钟罩25壁厚为3毫米，直径为110毫米，高为100毫米时，共振腔22长度的缩短是4毫米，共振腔22的长度是290毫米。
在共振腔22的长度这样调整以后，MW-PCVD装置的操作可开始。在操作时，微波振荡器(未在图中示出)的输出微波功率，经过波导管21传输出去，被共振腔22增强放大。氢气或氢和氩的混合气体经过气体导入管30，导入到钟罩25中，开始产生等离子体。但是，在开始放电之后，由于微波反射急剧增加，通过装在微波传输回路中的功率监视器进行监视，调整短路器23和滑动匹配膜片24，以便降低反射功率。
表1表示举例配置两个匹配回路，当MW-PCVD装置使用3毫米壁厚，70毫米直径，100毫米高的石英钟罩产生氢等离子体时，以降低微波反射比率至一小于10%的值。表1中的数值表示两个匹配系统的配置，在开始放电以后，使共振腔22的长度调准到290毫米，滑动匹配膜片24之间的开口在开始放电之前完全打开(开口96×27毫米)。
微波振荡器连续产生微波。在MW-PCVD装置中使用的微波振荡器，能够在输出功率200至500瓦的范围内，产生一种脉冲百分率不大于10%的微波。一旦等离子产生后，脉动百分率不大于10%的微波功率连续加到等离子体上，以建立一个稳定态。共振腔的长度和滑动匹配膜片之间的开口，在放电之前调整一次，在放电之后稳定态中调整一次，以便微波的输入阻抗是匹配的。
用本发明的MW-PCVD装置来淀积A-Si之类的薄膜，发生在传统式MW-PCVD装置中的系统中原料气体的反向扩散，就能够简单地用控制原料气体流率之间的比率来排除，所以所希望的薄膜能有效地淀积起来。
成膜操作根据上述本发明的MW-PCVD装置，一种A-Si∶H∶F薄膜在石英基片上淀积起来。成膜条件列于表2中。
在表2中，SiF4气体是作为原料气体用来成膜，氢和氩气是作为原料气体来产生等离子体。
在传统的MW-PCVD装置中发生的气体的反向扩散，用调节SiF4气体和氢氩混合气体流率的比值在1/10或以上来消除。
用传统的鉴定方法来鉴定所形成的A-Si∶H∶F薄膜。鉴定的结果表明A-Si∶H∶F薄膜具有下列特性，在实际应用上是非常有用的。
光电导性δp3.5×10-6(Ω-1cm-1)暗电导率δd1.2×10-10(Ω-1cm-1)光带能隙Egopt1.86(ev)激活能0.73(ev)第二个实施方案根据本发明的第二个MW-PCVD装置的实施方案，将在下面进行描述。在第二个MW-PCVD装置的实施方案中，使用了圆柱形滑动匹配膜片24，它按图4中用双方箭头所示的方向滑动，即平行于共振腔的轴体，以取代第一个实施方案中所使用的圆柱形滑动匹配膜片24绕共振腔22的轴转动。滑动匹配膜片24用同样在第一个实施方案中所使用的方法，来保持与共振腔22稳定的滑动接触。除了下述的几个方面外，第二个实施方案在结构上与第一个实施方案是相同的。
其实，圆柱形开口在第一个实施方案中是一个电感性开口(L开口)，而在第二个实施方案中圆柱形开口是一个电容性的(C开口)。所以第二个实施方案微波输入阻抗的校正量是大于第一个实施方案。因此，第二个实施方案中的MW-PCVD装置是适用于连续成膜的过程，其使用的气体在电离作用区域面积上是相互完全不同的，例如一个连续成膜过程，使用的气体的电离截面相互差别很大，例如在成膜过程的初始阶段用一种小电离截面的气体，如氢气来放电，在氢气排出后，为进一步作膜淀积，用有大的电离截面的气体，如氩气或SiF4气来放电。
当使用一个长方形共振腔时，使用扁平的滑动匹配膜片24，以取代圆柱形滑动匹配膜片。
第三个和第四个实施方案图2和3分别是根据本发明的第三个和第四个实施方案。在第三个实施方案中的MW-PCVD装置中，使用了一个三抽头调谐器33，以取代滑动匹配膜片，而在第四个实施方案中的MW-PCVD装置中，使用了一个E-H调谐器，以取代滑动匹配膜片。
在第三和第四个实施方案中的任何一个方案，微波能量是趋向于集积在圆柱形共振腔和调谐器之间，以热的形式损失。所以，最好减小圆柱形容积共振腔和调谐器凸缘之间距离至尽可能小的范围，以便防止微波能量的损失。
第四个实施方案中的MW-PCVD装置有一个气体导入管30，插入穿过附装在共振腔22的侧壁上的直径为6毫米，长为70毫米的气密导向元件进入钟罩25，以便将气体导入钟罩内。当输入的微波功率太高，气体导入管30的内部表面被导入钟罩25内的气体的等离子体溅射。最好是调整输入的微波功率为250瓦或以下，以防止气体导入管30的被溅射。
第五个实施方案在第一个实施方案中，在开始放电后，为了在短时间内匹配输入的微波阻抗，首先，用短路器23改变共振腔22的长度来粗调输入微波阻抗;然后用滑动匹配膜片24对输入微波阻抗进行精调。根据由插入在微波振荡器和反应室之间的微波传输回路中的功率监视器所提供的信号计算反射功率与输入功率的比值，然后短路器23由驱动马达36(图1)驱动，作轴向移动以降低此比值至最小。
在降低此比值至最小以后，短路器23停止，然后操作圆柱形滑动匹配膜片24(第一实施方案)或调谐器33(第二个实施方案)，以精细地选配微波输入阻抗完成匹配操作。
权利要求
1.一种微波等离子化学汽相淀积装置(下文中简称“MW-PCVD装置”)包括一个气密的真空容器；作为原料的气体导入装置，以导入作为原料的气体至真空容器中；抽气装置，以抽出真空器内的空气；以及微波导入装置，经过一个微波传输回路，以引导微波进入至真空容器中，使真空容器中产生等离子体；其特征在于微波传输回路包括一个与两个匹配回路形成一个整体的共振腔。
2.根据权利要求1的MW-PCVD装置，其中与所述共振腔形成一个整体的所述匹配回路是一个改变共振腔长度的短路器和一对滑动匹配膜片。
3.根据权利要求2的MW-PCVD装置，其中所述共振腔是一个圆柱形共振腔，所述滑动匹配膜片是圆柱形滑动匹配膜片。
4.根据权利要求3的MW-PCVD装置，其中所述共振腔是一个长方形共振腔，所述滑动匹配膜片是扁平的滑动匹配膜片。
5.根据权利要求1的MW-PCVD装置，其中所述微波导入装置包括一个连续振荡的微波振荡器，在所述的共振腔中有一个微波传输钟罩，限定一个放电的空间。
6.根据权利要求1的MW-PCVD装置，其中所述匹配系统中的一个系统，是一个E-H调谐器，或一个三抽头调谐器。
7.根据权利要求1的MW-PCVD装置，其中所述微波传输回路包括一个功率监视装置，和一个反馈控制机构，在功率监视装置所提供的信号基础上，来计算反射功率和输入功率的比值，驱动匹配回路中的一个，以实现微波输入阻抗的粗调，然后驱动另一个匹配回路，以精细选配微波输入阻抗，以便使计算的比值降低至最小值。
8.根据权利要求1的MW-PCVD装置中的一个反馈控制方法，其中所述微波传输回路包括一个功率监视装置，反射功率和输入功率的比值是在功率监视装置所提供的信号基础上进行计算，操作匹配回路中的一个粗调微波的输入阻抗，然后操作另一个回路细调选配微波输入阻抗，以便使比值降低至最小值。
全文摘要
一种微波等离子化学汽相淀积装置(MW-PCVD装置)，包括真空容器，抽气装置，微波导入装置。微波传输回路包括共振腔。与两个匹配回路形成整体。MW-PCVD装置能在高运行率下运行，改进工作效率，降低A-Si元件的制造成本，降低用MW-PCVD装置淀积薄膜时，各元件间的性能偏差。
文档编号C23C16/511GK1036233SQ89100619
公开日1989年10月11日 申请日期1989年2月1日 优先权日1988年2月1日
发明者越前裕 申请人:佳能株式会社