用于提高在基底上所加工材料均匀性的沉积装置和使用该装置的方法

专利名称：用于提高在基底上所加工材料均匀性的沉积装置和使用该装置的方法
技术领域：
政府利益
本发明至少一部分是在美国政府能源部编号为DE-FC36-07G017053的合同下进行的。 所以美国政府在这个发明中可以有一定的权益。本发明整体涉及在基底上加工材料。特别是，本发明涉及在基底上生成材料的装 置，该装置被配置成用于在基底上形成基本均勻的电场，其中均勻电场内被激活的材料用 基本均勻的方式在基底上被加工处理。
背景技术：
沉积装置已经广泛地应用于制造半导体装置，如光响应装置、薄膜晶体管、集成电 路、装置阵列、显示器、和类似装置。在许多应用中，沉积装置包括其中有电极和基底或网模材料的一个室，在基底的 预定部分上有所加工的材料。为了在基底上加工材料，加工气体因为各种目的被引入到该 室内。在加工的应用中，如将材料沉积在基底上，加工气体可以包括如掺杂前体的沉积前 体，和如惰性气体或稀释气体的载体气体，它们可能会或可能不会与沉积在基底上的材料 结合。能量源给电极供应能量以便在电极和基底的区域内形成电场和磁场。例如，使用的 能量源是交流或直流电、或在无线电频率(RF)、VHF、或微波范围内的能量。在如辉光-放电法的等离子-辅助沉积法中，电场激励加工气体以便在电极和基 底区域内生成等离子体，称为等离子区或活性区。在电场的影响下，加工气体经历在自由电 子和气体分子之间的多次碰撞从而产生许多反应种类如离子和中性自由基。产生反应种类 的等离子动力学包括加工气体混合物的分裂、电离、激发和重新组合。当暴露在电场和磁场的能量中时，电子的温度、电子密度和多个电子碰撞的持续 时间也影响各种反应种类的分布。为了使等离子体能自我维持，电子必须有足够的能量来 产生碰撞。由于沉积材料或薄膜的均勻性和质量与等离子体内反应种类的分布有关，所以 等离子-辅助沉积法的一个目的是产生基本均勻的能量场或电场，以便用均勻的方式激活 或激励加工气体。从能量源到电极的能量分布影响围绕电极的电场的均勻性。在一种方法中，比如 平行的平板电极结构，例如可通过连接在电极的同轴电缆在电极一侧的单个位置将能量供 给电极，。在那种方法中，能量可能不以均勻的方式围绕电极分布，这是由于许多原因引起 的，例如存在驻波或寄生电容，因而围绕电极形成不均勻的电场。因此，不均勻的电场不会 用均勻的方式激励加工气体且等离子体不可能使其中的材料有均勻的分布。因此，将不太 可能在基底上用均勻的方式加工等离子体的所需材料。在另一种方法中，在多个位置将能量供给电极。由于各种原因围绕电极生成的电 场可能有扰动，例如由于从电极的边界条件造成能量波的反射。有时候使用附加的控制以 便使电场中的扰动最小化，例如使用所加电能的电压和/或相位调制来使围绕电极的电场分布平滑，一种更加复杂的方法。因此，寻求提高在基底上所加工材料均勻性的沉积装置的本发明者，已经认识到 需要这样一种装置，它有助于将能量以某种方式从能量源引入到电极，该方式促进生成围 绕电极的基本均勻的电场。

发明内容
按照示范的实施例提供在基底上能均勻生成材料的沉积装置。该沉积装置包括能 量源、相对基底有面对、间隔关系的电极、连接在电极的界面结构。界面结构被配置成从能 量源电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，用于当从能量源向界面结构供给能量时在 电极和基底的预定区域之间形成基本均勻的电场。按照另一个示范性实施例提供用于在基底上均勻生成材料的沉积装置。该沉积装 置包括能量源、多个基底、电极、界面结构、反应室，和设备配置成分布气体材料进入反应室 的入口和气体材料离开反应器的出口。多个基底包括相对彼此有面对、间隔关系的第1基底和第2基底。将电极定位在 第1和第2基底之间。相对第1和第2基底两者，电极有面对、间隔的关系。将界面结构连 接到电极且界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，用于当 从电源向界面结构供给能量时在电极和第1基底的预定区域之间和在电极和第2基底的预 定区域之间形成基本均勻的电场。反应室被配置成将第1和第2基底、电极和界面结构容 纳其中。按照另一个示范性实施例提供在基底上加工材料的一种方法。该方法包括装设反 应室、面向基底并有间隔的电极、连接在电极的界面结构；和能量源，反应室被配置成将基 底、电极和界面结构容纳其中，且界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界 面结构到电极，用于当从能量源向界面结构供给能量时在电极和基底的预定区域之间形成 基本均勻的电场。该方法进一步包括供给气体到反应室中。该方法还包括设定反应室内的压力为真 空压力。该方法还包括从能量源供给能量到界面结构。该方法还包括在基本均勻的电场内 生成等离子体，其中等离子体的材料被沉积在基底上。


图1是沉积装置的等矩图，说明用于电气连接能量到电极的一种结构。图2是跨过图1电极的仿真电场的曲线图。图3是按照本发明示范的实施例具有电极且界面结构连接于电极的沉积装置的 等矩图。图4是跨过图3电极的仿真电场的曲线图。图5是比较使用图1和3的沉积装置在基底上归一化和集成化的沉积薄膜厚度的 硅沉积的曲线图。图6是比较使用图1和3的沉积装置在基底上归一化和集成化的沉积薄膜厚度的 硅-锗沉积的曲线图。图7是按照一个替代示范实施例有连接在电极的界面结构的沉积装置的一种构造。图8是跨过图7电极的仿真电场的曲线图。图9是使用图7的沉积装置在基底上硅沉积的曲面图。图10是按照另一个示范实施例界面结构的替代构造。图11是按照另一个替代的示范实施例沉积装置构造的分解等矩图。图12是图11沉积装置的平面图。图13是图11沉积装置沿线13-13取的横剖面图。图14和15是按照这个公开说明书附加的替代示范实施例的其他构造的沉积装置。
具体实施例方式这里公开的是沉积装置的示范实施例，配置用于提高在电极和与电极间隔的基底 之间的区域内围绕电极形成的电场的均勻性，以便帮助加工材料均勻地在基底之上。该装 置的实施例包括与电极连接和与能量源电气相连的结构的各种构造。这里公开的结构示范 实施例被配置成用某种方式从能量源电气连接能量通过并围绕该结构到电极，用于围绕在 一个或多基底附近的电极形成基本均勻的电场。这里公开的沉积装置的示范实施例不局限于水平或垂直的取向，或平行板式构 造。沉积装置的构造将适合于特殊半导体装置的制造工艺，涉及的方法、有关的加工气体、 和/或其他加工的参数。另外，打算用于沉积装置示范实施例的基底是导电材料，它包括复 合成分，包括含有那些金属和聚合物。根据不同的应用，将相对基底排列布置沉积装置，从 而在均勻的电场内使基底的预定区域与电极的间隔约为0. 10英寸到约3. 00英寸。另外，下面公开的沉积装置示范实施例可能包括一种电极，它有与电极结构成整 体的气体分配机构。例如，电极结构其中可能包括气体分配导管，引导导管内的加工气 体通过电极结构一个或多个外表面的许多孔流向等离子体区域。在美国专利申请序列 号No. 10/043，010，题目为“用于大面积等离子体沉积的源阴极”；和美国专利申请序列号 No. 11/447，363，题目为“用于有增加转换效率的光电装置大量生产的孔阴极”中描述了选 定加工气体通过电极或阴极路径的这种例子，将它们的公开说明包含在这里作为参考。得到的基本均勻的电场会激励在基底附近的加工气体以便形成等离子体，在制造 过程中，例如在生成半导体装置的一层或薄膜的等离子-辅助沉积过程中，其中等离子体 的所需材料在基底上被加工。提高电场的均勻性有助于形成均勻的等离子体，并因而增加 在基底上所加工材料的均勻度。如这里所用的“电气连接”指的是结构之间的一种关系，这种关系允许能量在结构 之间至少部分地流动。这个定义旨在应用于物理接触中的结构部分和没有物理接触的结 构部分。通常，电气连接的两个结构或材料可以有在两个结构之间的电压或电流，从而使能 量，包括电场和磁场，可以通过和/或围绕一个结构流到另一个结构。例如，当在结构的界 面附近沿着一个结构的基本尺寸阻抗性和容抗性地在结构之间转移能量时可以认为两个 结构是电气连接。在另一个例子中，在结构的界面附近沿着一个结构的基本尺寸阻抗性地、 容抗性地、包括感抗性地分布连接转移能量。在这里描述的示范实施例中，界面结构被如此 配置以使电气连接有助于围绕与一个或多个基底间隔的电极的预定区域形成基本均勻的电场。例如，能量是在电极和界面结构连接于电极的一个实施例之间沿着电极的某个尺 寸的电气连接，该尺寸大于界面结构附近电极长度的30%。在另一个例子中，能量是在电极 和界面结构连接于电极的一个实施例之间沿着电极的某个尺寸的电气连接，该尺寸是界面 结构附近电极长度的约50%。在另一个例子中，能量是在电极和界面结构连接于电极的一 个实施例之间沿着电极的某个尺寸的电气连接，该尺寸是界面结构附近电极长度的约75%。 在另一个例子中，能量是在电极和界面结构连接于电极的一个实施例之间沿着电极的某个 尺寸的电气连接，该尺寸大于界面结构附近电极长度的90%。在另一个例子中，当各结构被 绝缘材料(例如空气)分离但用交流电源(能量源)供电使电流通过电容装置在各结构间流 动时，两个不是物理连接在一起的结构仍然可认为是电气连接。打算将这里描述的沉积装置的各实施例，还有对本发明所属技术领域的技术人员 来说显而易见的各种修改，应用到半导体装置的加工/成形，例如光响应装置(如光电装 置)、薄膜晶体管、集成电路、装置陈列、显示器，以及用于半导体装置蚀刻部分的各种应用。这里公开的沉积装置的示范实施例包括与电极连接的界面结构和到能量源的电 气连接，其中界面结构包括许多不同的区域且至少两个区域是至少部分互相重叠。界面结 构被配置成用某种方式从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，以便有助于围 绕在电极表面和与电极间隔的基底之间预定的区域形成基本均勻的电场。参考图1，提供沉积装置10的构造的一个例子用于仿真不均勻的电场。提供沉积 装置10的目的在于与下文讨论的用于产生基本均勻电场的沉积装置的示范实施例进行比 较。沉积装置10包括矩形的电极12和与电极电气连接的能量入口 14。在这个例子 中，能量入口 14是约为13. 56MHz (兆赫兹)的无线电频率(RF)功率，电气连接在电极其中 一个较长侧的约中间位置。图2说明在能量输入激励下电场在电极12表面上的仿真。很 明显电场强度在电极的表面上是不均勻的且沿着电极D=25.0英寸附近的中间区围绕电极 表面的电场强度迅速降低。电场强度降低的这个区域对应图2中所示能量输入的位置，沿 着电极的较长一侧对应Υ=_14英寸和D=25. 0英寸。参考图3，按照本发明的示范实施例说明用于仿真均勻电场的沉积装置20的构 造。沉积装置20包括电极22、界面结构M、和与界面结构电气连接的能量输入26。在这个实施例中，界面结构M包括杆28和连接在电极22的两个垫片30。垫片 30被配置成使杆观与电极22间隔预定的距离。在这个实施例中，界面结构的两个不同的 区域是杆和当将界面结构连接到电极时电极和杆之间的空间或缝。这里，沿着界面结构连 接的电极侧的大体长度，两个不同的区域互相重叠。在代替的实施例中，上述的界面结构可 以是带有缝/凹入部分的实心杆形成的其中构成通道型的部件。界面结构M被如此安排 和配置以便用某种方式从能量输入26电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，以便围 绕在电极表面和与电极间隔的基底之间预定的区域形成基本均勻的电场。特别是，界面结构被配置成引导部分的输入能量流向位于界面结构能量输入位置 远处的电极部分。在这个实施例中，界面结构引导能量流向电极的各个角落。在加工期间， 相对电极定位基底，从而使基底表面的预定区域对应围绕电极的均勻电场的预定区域。能量输入沈是约为13. 56MHz的RF功率，电气连接在其中一个电极较长侧的中间位置。图4示出在图4的Y=-14英寸和D=25. 0英寸处能量输入沈激励时电场在电极22 表面上的仿真。很明显，电场在电极表面上更加均勻且与用于图1沉积装置10的在图2中 表示的电场分布比较，在接近能量输入的位置没有表现出电场强度急剧降低。使用与图1没有界面结构的仿真装置对应的实际沉积装置进行沉积试验，以便测 定围绕电极仿真的不均勻电场(图2)的位置是否在与电极间隔的基底上产生同样不均勻的 材料沉积。使用与图3包括界面结构的仿真装置也进行了沉积试验，以便测定围绕电极仿 真的均勻电场(图4)的位置是否在与电极间隔的基底上产生相同均勻的材料沉积。构造的 沉积装置的电极和界面结构以及基底包括导电材料如钢、铝和类似材料。图5说明对不包括界面结构的沉积装置，硅(Si)沉积薄膜厚度在基底上的变化， 如曲线A所示，与包括界面结构的沉积装置比较，如曲线B所示。约13.56MHz的能量输入 在不使用界面结构的情况下与电极电气连接，和在使用界面结构的情况下与界面结构电气 连接，如上面讨论的那样。沉积的Si薄膜厚度是跨过基底结合成整体并归一化的并沿着基 底的长度方向作图。曲线A表示在能量输入接近21英寸的位置附近，沉积的Si薄膜厚度 均勻性显著降低。这样在能量输入到电极位置的附近Si薄膜厚度均勻性的降低对应沉积 装置在图2的能量输入位置处仿真的电场强度的降低，其中能量输入电气连接在没有使用 界面结构的电极。曲线B表示在基底上改进了 Si薄膜厚度的均勻性并对应沉积装置在图4 示出的改进的仿真电场均勻性，其中能量输入电气连接在使用图3的界面结构M的电极。图6同样说明对不包括界面结构的沉积装置其硅-锗(Si-Ge)沉积薄膜厚度在基 底上的变化，如曲线A所示，与包括界面结构的沉积装置比较，如曲线B所示。与图5中说 明的沉积相同，约13. 56MHz的能量输入在不使用界面结构的情况下与电极电气连接，和在 使用界面结构的情况下与界面结构电气连接，如上面讨论的那样。曲线A对应图5的Si薄 膜厚度的不均勻性，其中能量输入在没有使用界面结构的情况下电气连接电极。曲线B表 示在基底上改进的Si-Ge薄膜厚度均勻性并对应用于沉积装置在图5示出的改进的Si薄 膜厚度均勻性，其中能量输入在使用界面结构M的情况下电气连接电极。沉积试验证实装有界面结构的构造提高了在电极和基底之间某个区域内的电场 均勻性，而且改进的电场均勻性依次促进在等离子体区中基本均勻的等离子体的形成，该 等离子体区用于在基底预定的区域上沉积等离子体的所需材料。在沉积试验中，改进的电 场均勻性有助于提高基底上沉积薄膜厚度的均勻性。在界面结构的某些独特的实施例中， 沉积材料的均勻性是大大地提高了，特别是在对应能量输入电气连接界面结构的单个位置 的基底区域，如在图5和6中为界面结构M说明的那样。这表示界面结构用某种方式改进了能量输入与电极的电气连接，该方式提高了在 能量输入区内围绕电极的电场均勻性。界面结构的各实施例还预期考虑提高所形成电场的 均勻性和在基底的预定区域上沉积材料的均勻性，而不是仅在能量输入位置附近。尽管沉积试验说明提高了沉积薄膜厚度的均勻性，还计划用更均勻的等离子体帮 助改善在基底上等离子体加工材料的其他方面，如涉及薄膜均质性和各种特性的薄膜质 量，特性包括光学的、电的、化学的、缺陷密度等。还打算在其他的方法中如在基底上等离子 体辅助蚀刻材料，可以使用产生基本均勻的电场以便帮助形成基本均勻的等离子体的这种 能力。图3的界面结构被配置成在能量源的激励下促进在电极和基底之间的预定区域内围绕电极生成基本均勻的电场和磁场。包括间隔/缝/凹进的宽度、长度和剖面的界面 结构的构造，还取决于要构成的半导体装置的特定的构造，包括它的形状和材料、电极的构 造、围绕电极定位的用于加工的基底数、静止的对运动的基底、涉及的方法、有关的加工气 体、加工压力和温度、和/或其他的加工参数。在沉积装置的示范实施例中并根据其应用，在杆和电极之间间隔/缝的尺寸范围 可高达约IOx杆的横剖面厚度，以便在界面结构和电极之间提供实际的电气连接。在非限 制性的例子中，间隔/缝的尺寸约为1. 5x,2x,3. 6x,4x,5x等杆的横剖面厚度，用于在电极 和基底之间预定的区域内形成提高均勻度的电场分布。界面结构的替代实施例包括实心或 部分实心的部件，和多个不同区域由不同材料组成的复合结构，以便促进围绕电极形成均 勻的电场。另外，界面结构的构造相对于图3中所示的基本平坦的电极表面可以有正交方 向上的变化。界面结构的构造可以在正交方向上变化以便适应特殊的电极构造和/或促进 围绕电极形成均勻的电场。在替代的实施例中，沉积装置的电极被如此配置从而使界面结构是电极整体的一 部分。例如，可以机械加工电极以便在电极边缘附近生成细长的孔或缝。这样由电极形成 的缝的宽度和长度创造出界面结构，即缝和邻接缝的杆。在另一个替代实施例中，缝的剖面 沿着缝的长度不是恒定的。例如，该缝可以沿着它的长度变窄。在一个实施例中，界面结构 的材料与电极材料相同。在另一个实施例中，界面结构包括各种材料的组合，它们可以是或 者可以不是与电极材料构造相同的材料。在另一个实施例中，与电极和杆材料比较，缝可以 有一种不同的材料。在沉积装置的另一个替代实施例中，电极可以包括成形部分以便进一 步提高围绕电极表面电场的均勻性。例如，在电极与界面结构相反的终端可以包括跨过电 极厚度的锥形段以便提高电场的均勻性。在某些替代的实施例中，界面结构包括许多互相间隔的部件且用重叠的方式沿着 电极的表面彼此相对布置。在界面结构的示范实施例中并根据其应用，各部件之间和沿着 电极侧边间隔的各部件之间的间隔/缝的尺寸范围将高达IOx沿缝侧边的部件或与另一个 部件间隔的部件的横剖面厚度，以便在界面结构和电极之间提供实际的电气连接。间隔/ 缝尺寸的非限制性例子包括1. 5x,2x,3. 6x,4x,5x等界面结构邻近部件的横剖面厚度。取 决于界面结构的构造、电极和形成均勻电场的所需区域等，间隔可以是或可以不是均勻的。 例如，在一个示范实施例中，界面结构包括第1组连接在电极侧边的间隔部件，其中每个部 件的一部分与电极也有间隔。该界面结构进一步包括至少第2组间隔部件，其中每个部件 的一部分连接在与电极连接的一组部件且每个第2组部件还至少部分重叠在与电极连接 的至少一个部件上。在其他实施例中，界面结构的构造可能包括两组以上的间隔部件，当它 们在离开电极侧边的方向上伸展时布置成互相重叠的排列。电极的构造包括它的材料、尺寸和形状，能量源的类型和能级，基底的构造如材 料、尺寸和形状，其他加工参数，和它们的组合都可能影响界面结构。打算可以使用图3的 沉积装置，或对本发明所属技术领域的技术人员来说明显可代替的实施例来加工处理材 料，例如通过对界面结构应用RF或VHF能量，在预定的基底上50英寸乘30英寸或以下的 区域内，用等离子辅助沉积法沉积材料。在其他实施例中，预定的基底区域往大了说例如高 至10，000平方英寸且不局限于如方形或矩形等的几何形状。参考图7，示出了按照另一个示范实施例的沉积装置40。沉积装置40包括电极42、连接在电极的界面结构44和给定线路的能量输入46，如通过电缆将能量供给到界面结 构的两个位置48、50。界面结构44包括许多杆52、54、56和58，每根杆包括连接在电极的一部分和与电 极间隔的一部分。每根杆52、54、56、和58进一步沿着电极互相间隔。界面结构44还包括 另一组杆60和62。杆60连接到杆5254上，并包括在离开电极的方向上延伸时与杆52、 54间隔的一部分。杆62连接到杆56、58上，并包括在离开电极的方向上延伸时与杆56、58 间隔的一部分。在这个例子中，杆60至少部分重叠杆5254而杆62至少部分重叠杆56、 58。图8示出在能量输入46的激励下电场在电极42表面上的仿真。在这个实施例中， 能量输入46是60MHz的VHF功率，它提供功率给没有在仿真模型中示出的杆56和58。在 电极平坦表面大体区域上电场很明显是均勻的，与使用图1的沉积装置10在图2中表示的 电场分布比较在接近能量输入的位置没有出现电场强度明显的降低。图9是使用图7的沉 积装置在约60MHz下在基底上硅沉积图。图中X轴线在电极长度的方向，y轴线在电极宽 度的方向，Z轴线在沉积薄膜厚度的方向。在基底上沉积的硅材料很明显基本上是均勻的 而没有显示图5中曲线A所表示的不均勻沉积的样式。打算可以使用图7的沉积装置，或对本发明所属技术领域的技术人员来说明显可 以使用的代替实施例，通过对界面结构应用VHF或RF能量，在基底的50英寸乘50英寸或 以下的区域上沉积材料。在界面结构的各部件之间或在部件和电极之间构成间隔的缝/间 隙的长度用于在电极和基底之间的预定区域内形成电场提高均勻度的分布。包括电极和界 面结构构造的沉积装置40的代替实施例可以包括结构的、形状、材料等各种选择，如上面 相对图3的沉积装置20的实施例所讨论的那样。还打算在各实施例中，电极和/或界面结 构包括导电材料，该材料包括上面讨论的各种选择和它们的组合。当然，除了上面相对沉积装置20和40所讨论的那些还有其他界面结构的替代构 造。例如，在一个替代实施例中，图7的电极被如此配置以使界面结构是电极整体的一部 分。例如，可以机械加工电极体以便生成杆、空腔和缝/凹进部分，以便构成与电极体连接 的界面结构。在图10示出的另一个替代实施例中，使用界面结构64将能量电气连接到电极42， 以便在电极表面和间隔的基底之间预定的区域内形成基本均勻的电场。另外，在图10中示 出的界面结构的代替实施例可以如上面相对图7描述的那样制成各个电极体整体的一部 分。在沉积装置的另一个代替实施例中，电极可以有第2界面结构，它有上面描述的 界面结构或其代替方案的构造，与电极的另一个不同部分连接用于进一步促进围绕与一个 或多个基底间隔的电极表面形成基本均勻的电场。在那个实施例中，每个界面结构与一个 或多个能量源电气连接。在另一个代替实施例中，界面结构的一部分是可调的(相对电极的 侧边或相对界面结构的另一部分)以便用某种方式重新定位结构的杆、缝或凹进部分，使之 更容易地重新构造界面结构以便适应电极的构造或者另一种方式帮助形成基本均勻的电 场。在沉积装置其他的代替示范实施例中，将界面结构固定在电极的内部区域。将来 自能量源的能量与界面结构电气连接且界面结构被配置成用某种方式电气连接能量通过并围绕电极，用于在能量源的激励下在电极表面和与电极间隔的基底之间预定的区域内形 成基本均勻的电场。提供给界面结构的非限制性的能量源实例包括AC (交流电)、DC (直流 电)、RF (无线电频率)、VHF (甚高频率)和微波。界面结构的示范实施例包括许多能量出口，将每个出口电气连接到电极的外表面 用于促进围绕电极形成基本均勻的电场。电极的外表面与基底有空间间隔用于在基底上材 料的加工处理。界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过能量出口到电极和基底之间 的预定区域。用促进在电极表面和基底之间预定区域内形成基本均勻电场的方式构造和布 置能量出口。由于加工气体与基本均勻电场在那个区域内的互相作用，所以预定区域是形 成基本均勻等离子体的理想区域。参考图11-13，按照示范实施例示出沉积装置70。沉积装置70包括电极72、界面 结构74、和与界面结构电气连接的能量输入76。电极72包括下盖78和上盖80，当将它们 连接在一起时其中构成空腔82。空腔82被配置成将界面结构74容纳在其中。沉积装置被 配置成相对其中的界面结构提供在下盖和上盖之间结构和电气的整体性。例如，设置和构 造许多支承物83以便在这种情况下支承上盖80同时在支承物83之间不构成导电路径。在这个实施例中，界面结构74包括中心部分84，和4个分支86、88、90和92，每个 分支从中心部分84向外伸展。界面结构的中心部分与能量输入76电气连接。4个分支中 的每一个分别包括中心部分远端的能量出口 94、96、98和100。如在图11和12中所示，界 面结构被配置成使输入能量从中心部分沿着每个分支电气连接到4个能量出口的每1个。通过绝缘材料，如陶瓷材料制成的绝缘体102和104使界面结构与电极的上、下盖 绝缘。能量从每个分支的能量出口通过导电部件电气连接到电极的外部区域。在这个实施 例中，引导能量通过不锈钢螺栓106流向电极上盖80的外表面108。在沉积装置70的这种构造中，从能量入口到每个能量出口的距离基本上是相等 的。另外，沉积装置的构造可以包括构造的电极用于接纳气体进入到空腔中和从电极的空 腔引导出气体。例如，在这个实施例中，电极的上盖80包括孔110，从而引导从空腔喷出的 气相材料流向围绕电极外表面108的预定区域形成的均勻的电场。参考图14，按照另一个代替的示范实施例示出沉积装置112。沉积装置112包括电 极114、界面结构116、和能量输入118。在这个实施例中，能量输入118通过电极114的侧 边部分与界面结构电气连接，因而允许一个或多个基底与电极的两个平坦的外表面的每一 个有空间间隔。在有一个或多个基底与电极的两个侧边的每一个有空间间隔的实施例中， 电极能被配置成从空腔内引导气体流向在各个电极外表面和基底之间的外部区域。另外， 在这个实施例中，界面结构116与图11中沉积装置70的界面结构74比较包括更多数目的 分支。参考图15，按照另一个代替的示范实施例示出沉积装置120。沉积装置120包括电 极122、界面结构124、和能量输入126，其中从界面结构的中心部分沿着每个分支到每个能 量出口的距离是不等的。在另一个代替实施例中，沉积装置120可以包括构造的电极，以便 从电极的空腔喷出的气体通过在两个盖中的孔流向在电极和间隔的基底之间均勻电场的 区域。附加的代替实施例包括那些分支，它们与图11、14和15中示出的界面结构的分支比 较不是相对薄的细长的部件。在另一个代替实施例中，可以在界面结构周围的任意地点设 置许多能量出口，与电极的外表面电气连通，包括围绕中心部分，沿着分支或它们的组合。
这种有界面结构相对电极定位的沉积装置的实施例，还为从能量源电气连接能量 通过并围绕界面结构提供另外附加的替代方案，用于围绕电极形成基本均勻的电场，因而 帮助在电极和间隔的基底之间的预定区域内生成基本均勻的等离子体。3个沉积装置70、112和120的实施例不打算将构造的尺寸、形状、材料等或它们的 组合限制在实例中。打算是，对本发明所属技术领域的技术人员来说各种替代的衍生装置 是可能的。沉积装置的构造将取决于要制造的半导体装置的构造、围绕电极定位用于加工 的基底的数目，涉及的方法、有关的加工气体、基底水平、垂直或其他的取向、基底材料、静 止对运动的基底、和/或其他的加工参数等。形成基本均勻电场的能力有助于形成基本均勻的等离子体，它依次帮助在基底的 预定区域上加工生成基本均勻的材料层，例如等离子辅助沉积法和等离子辅助蚀刻这样的 加工。取决于特殊的电子装置和加工的材料，均勻度可以涉及厚度、电的、光学的、化学的特 性分布、和/或组份的均质度。例如，对许多薄膜电子装置来说，它非常希望沉积的材料层 在基底的预定区域上有基本均勻的厚度和均质度。打算在制造半导体装置的方法中可以与辅助装置一起使用上述的用于促进基本 均勻电场的沉积装置的示范实施例，或者对本发明所属技术领域的技术人员来说熟悉的代 替实施例。例如，辅助装置可以包括有电极和基底在其中的加工或反应室的各种构造，用于 控制加工气体流入到该室内，在其中和流出该室，用于控制该室操作温度和压力，在制造的 各个阶段加热/冷却半导体装置(如基底)的各部分或沉积装置的其他组件的装置，和/或 进一步帮助促进在基底上加工材料均勻性的装置。装置的另外例子包括阀门、泵、仪表、报 警器、用于控制上述参数的自动化组件和系统等。室的操作压力的范围可从大气压到真空， 其中真空指的是小于10_2托(torr)(真空单位)的条件。此外，打算将用于围绕电极形成基本均勻电场的沉积装置的示范实施例应用到在 单个或多个静止或运动的基底上加工处理材料。在另一个应用中，有上述沉积装置实施例 的沉积室是加工设备相连生产线的一部分，其中一个或多个连续的基底通过加工设备的生 产线伸展。在加工设备的生产线中可以同时进行一个或多个加工过程。例如，在制造光电装置的辊-对-辊的加工生产线中，一个或多个释放单元分配压 延的基底到其他的设备中，某些设备可能是使用上述沉积装置的沉积室用于在连续的基底 上同时沉积材料。在辊-对-辊加工生产线的终端，一个或多个接收单元接纳加工的连续 基底。在序列号为No. 11/376,997的美国专利申请中，题目为“有磁支持的高生产量沉积 装置”描述了加工设备相连生产线的一个例子，将它的公开说明包含在本文作为参考。在使用上述一个或多个沉积装置实施例的一个应用中，将电极设置在有一个或多 个基底与电极相间隔的沉积或反应室内。例如，第1基底与电极的一侧间隔而第2基底与电 极的相反一侧间隔，其中在电极和每个基底的预定区域之间形成基本均勻的电场。在另一 个例子中，第1组基底与电极的一侧间隔而第2组基底与电极的相反一侧间隔，其中在电极 和每个基底的预定区域之间形成基本均勻的电场。基底与电极的间隔随加工应用而变化。 例如，在光电装置的基底上等离子辅助的材料沉积中，基底与电极的间隔可从约0. 10英寸 变化到约3. 00英寸。均勻的电场有助于在电极和每个基底的预定区域内形成基本均勻的等离子体区。 等离子体区其中有等离子体材料的均勻分布，以便促进在与电极间隔的对应基底上等离子体材料基本均勻的加工。在某些应用中，基底基本上与电极平行且与在电极同侧上其他基底共面，以便促 进在基底上所加工材料的均勻性，尽管在其他应用中基底可以不与电极平行或相对其他基 底共面。在某些应用中，在电极一侧上基底的间隔将与电极相反一侧上基底的间隔基本相 同，尽管在其他应用中基底的间隔在电极的两侧上可能是不相同的。决定间隔的因素可能 是涉及的方法、半导体装置的构造、有关的加工气体、与加工有关的温度、压力和时间、和/ 或其他加工参数。在某些加工中，一个或多个上述沉积装置的实施例还可能包括设置在电极和基底 之间的屏蔽。设置和构造该屏蔽以便将等离子体的材料锁定在基底的接触区而不是基底的 预定区域。在另一个应用中，沉积装置可以包括加热装置用于提供热能给加工过程。可能需 要热能用于保持等离子体的能量或者用其他方式促进某些所需沉积材料结构的扩展。在另 一个应用中，沉积装置可能包括冷却装置用于促进某些所需沉积材料结构的扩展。在一个加工应用中，能量或功率源供给电能或电磁能以便在电极和连续的基底或 离散的基底之间的等离子区内建立和维持等离子体。能量源可以是交流电源，它引入在无 线电频率或微波范围内的交流电能量，但也可以是直流电源。供给的能量可以是在5-30MHZ 的无线电频率范围内。例如，在约13. 56MHz的交流电源操作。在另一个应用中，供给的能量 操作在30-300MHZ的甚高频率范围内。例如，供给的能量是在约60MHz。在另一个应用中，通 常可以使用无线电频率(包括甚高频率VHF(约5-lOOMHz))和微波频率(约100MHz_300GHz， 如 2. 54GHz)。打算与上述沉积装置的示范实施例一起使用的非限制性沉积法的例子包括等离 子增强的化学蒸汽沉积法(PECVD)、物理蒸汽沉积法(PVD)、喷涂、真空沉积、和等离子辅助 蚀刻。进一步打算可以使用上面公开的用于产生和维持基本均勻电场的沉积装置示范 实施例来制造具有无机和有机材料的半导体装置。在应用中，上述沉积装置的示范实施例被配置成在基底的小区域和大区域上加工 基本均勻的等离子体的材料。例如，在制造半导体装置中，将基本均勻的等离子体材料沉积 在预定的基底约50英寸乘10英寸的矩形区域上。在另一个制造半导体装置的例子中，将 基本均勻的等离子体材料沉积在预定的基底约50英寸乘30英寸的矩形区域上。在另一个应用中，沉积装置可以被配置成在小于400平方英寸的基底预定区域上 沉积基本均勻的等离子体材料。在另一个应用中，沉积装置可以被配置成在从400平方英 寸到2000平方英寸的基底预定区域上沉积基本均勻的等离子体材料。且在另一个应用中， 沉积装置可以被配置成在从2000平方英寸到10，000平方英寸的基底预定区域上沉积基本 均勻的等离子体材料。下面考虑制造光电装置的例子，其中使用上面讨论的沉积装置的实施例可以提高 在光电装置基底上沉积的材料层的均勻性。打算可以扩展下面的例子，从而在如果需要制 造其他半导体装置的情况下可以修改该沉积装置，其中在制造该装置的方法中形成所需的 基本均勻的电场。能够使用上述沉积装置的实施例用于形成基本电场的光电装置包括但不局限于串联的和三元组的n-p、n-i-p和p-i-n结点构造，它有光电材料如晶体硅、非晶硅、微晶硅、 纳米(nano)晶体硅、多晶硅，组IV半导体材料包括硅和/或锗的加氢合金。其他光电材料 包括GaAs (砷化镓)、CdS (硫化镉)、CdTe (碲化镉)、Cdr^e2、(二硒化铟铜或“CIS”)、和二 硒化镓铟铜(“ CIGS ”)。与沉积装置一起使用的加工气体将取决于要制造的特殊光电装置的构造且由于 气体在形成等离子体中与所加的能量互相作用，该部分沉积形成光电装置的一层。在形成 基本均勻等离子体中使用的加工气体可以包括化学惰性气体、反应气体、或它们的组合。加 工气体可以包括沉积前体气体或原料气，它参加反应或用其他方式转换成反应种类用于形 成沉积材料，搀杂前体、和如惰性气或稀释气体的载体气体，它们可能会或可能不会结合到 沉积材料中。例如，如具有沉积的非晶硅、微晶硅、纳米晶体硅和多晶硅的光电装置，可以使用 沉积前体如 GeHe3、SiH3、SiH2, SiH4、SiF4, SiH4, Si2H6、禾口 (CH3) 2SiCl2。也可以使用锗作为沉 积前体以便形成锗膜或与硅沉积前体结合形成硅-锗合金。沉积前体也可以包括014和CO2 和例如与硅结合生成SiC或其他含碳的薄膜。沉积前体还可以包括搀杂前体，如磷化氢、 diobrane或BF3用于η或ρ型的搀杂。加工气体可以包括载体气体如含氢的惰性或稀释气体，它可能会或可能不会与沉 积材料结合。例如，在Si :Η和/或SiGe:H薄膜上生长前体种类中如GeH3和/或SiH3被沉 积在基底上。在某些应用中，加工气体可以包括某种材料，用于促进沉积材料的优化使带隙 缺陷状态的密度降低，例如，优化四面体坐标光电质量的无定形合金材料在基底上的沉积。 在另一个应用中，加工气体可以包括某种材料，用于促进高缺陷率材料的沉积，例如，沉积 材料有大量的缺陷、悬空结点、变形的结点和/或其中的空穴。在制造光电装置的一个应用中并使用上述沉积装置的实施例，在光电装置的基底 上非晶硅或微晶硅或SiGe材料的沉积用等离子辅助沉积技术，如等离子体增强化学蒸汽 沉积法(PECVD)来完成。沉积装置促进在电极和基底之间形成均勻的电场，而均勻的电场 有助于形成基本均勻的等离子区。在PECVD沉积方法中，在接地的网膜或基底和设置在接 近基底附近的电极或阴极之间的等离子区中的沉积室内产生等离子体。尽管前面的描述是针对沉积装置的某些实施例，它们使用与电极电气连接的结构 来形成围绕电极的基本均勻的电场，但这个发明的原理可以应用到没有在这里公开的其他 实施例。按照这里的讲授，本发明所属技术领域的技术人员将清楚了解本发明其他的修改 和变化。上面是特殊实施例的说明，但并不意味着对它实践的限制。下面的权利要求书，包 括所有的等价条款，定义本发明的范围。
1权利要求
1.用于在基底上均勻加工处理材料的沉积装置，该沉积装置包括能量源；相对基底有面向、间隔关系的电极；和连接到电极的界面结构，界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结 构到电极，用于当从能量源给界面结构供给能量时在电极和基底的预定区域之间形成基本 均勻的电场。
2.如权利要求1所述的沉积装置，其中电气连接能量包括沿着与电极相连的界面结 构的大体尺寸分布式连接能量。
3.如权利要求1所述的沉积装置，其中界面结构包括许多不同的区域且至少两个区 域至少部分互相重叠。
4.如权利要求3所述的沉积装置，其中界面结构包括连接在电极的杆，从而在电极和 杆之间构成缝。
5.如权利要求3所述的沉积装置，其中界面结构是与电极成整体的一部分。
6.如权利要求3所述的沉积装置，还包括构造为容纳基底、电极和界面结构于其中的反应室。
7.如权利要求6所述的沉积装置，其中基底在反应室内是电气接地的。
8.如权利要求6所述的沉积装置，其中加热至少一部分基底。
9.如权利要求6所述的沉积装置，其中基底运动穿过基本均勻的电场。
10.如权利要求6所述的沉积装置，其中电极在预定的沉积区内与基底间隔约从0.10 英寸到约3. 00英寸。
11.如权利要求6所述的沉积装置，其中基底是电气接地的，加热至少一部分基底，基 底运动穿过基本均勻的电场，电极与基底的间隔约为从0. 10英寸到约3. 00英寸，且能量源 提供值约13. 56兆赫(MHz)的无线电频率(RF)能量。
12.如权利要求11所述的沉积装置，还包括设置在部分电极和基底之间的屏蔽。
13.如权利要求6所述的沉积装置，其中设置在基本均勻电场内的基底的预定区域小 于或等于400平方厘米(cm2)。
14.如权利要求6所述的沉积装置，其中设置在基本均勻电场内的基底的预定区域大 于400平方英寸(in2)且小于或等于1000平方英寸(in2)。
15.如权利要求6所述的沉积装置，其中设置在基本均勻电场内的基底的预定区域大 于1000平方英寸(in2)且小于或等于10，000平方英寸(in2)。
16.如权利要求1所述的沉积装置，其中界面结构包括第1界面结构和第2界面结构， 第1界面结构连接到电极的第1侧，第2界面结构连接到电极的第2侧，第1和第2界面结 构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕第1和第2界面结构的每一个到电极用于促 进在电极和基底的预定区域之间形成基本均勻的电场。
17.如权利要求16所述的沉积装置，其中能量源包括第1能量源和第2能量源，第1 能量源提供第1能量给第1界面结构，第2能量源提供第2能量给第2界面结构。
18.如权利要求1所述的沉积装置，其中能量源包括两个能量源，两个能量源的每一 个电气连接在界面结构的不同部分。
19.如权利要求1所述的沉积装置，其中能量源提供无线电频率(RF)能量。
20.如权利要求1所述的沉积装置，其中能量源提供VHF能量。
21.如权利要求1所述的沉积装置，其中界面结构包括许多不同的区域，它们沿着电 极的一侧设置并在离开电极侧边的向外方向上互相间隔，且至少两个区域至少部分互相重叠。
22.如权利要求21所述的沉积装置，其中在界面结构的部件和电极之间的间隔或在 界面结构两个部件之间的间隔高达IOx其中一个部件横剖面的厚度。
23.如权利要求21所述的沉积装置，其中至少其中一个区域有可调的位置。
24.如权利要求21所述的沉积装置，其中能量源是值约IOMHz到约30MHz范围内的RF能量°
25.如权利要求21所述的沉积装置，其中能量源是值约30MHz到约IOOMHz范围内的 VHF能量。
26.利用权利要求1的装置的等离子辅助沉积系统。
27.利用权利要求1的装置的等离子辅助蚀刻系统。
28.部分利用权利要求1的装置制成的光电装置。
29.如权利要求观所述的光电装置，其中该装置的一层在等离子辅助沉积过程中沉 积在装置的基底上。
30.用于在基底上均勻加工处理材料的沉积装置，该沉积装置包括 能量源；许多基底，包括相对彼此有面对、间隔关系的第1和第2基底； 设置在第1和第2基底之间的电极，电极相对第1和第2基底两者有面对、间隔的关系；连接到电极的界面结构，界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结 构到电极，用于当从能量源向界面结构供给能量时在电极与第1基底的预定区域之间和在 电极与第2基底的预定区域之间形成基本均勻的电场；反应室，被配置成将第1和第2基底、电极和界面结构容纳在其中；和 装置被配置成分布气态材料进入到反应室内的入口和从反应室输出气态材料的出口。
31.如权利要求30所述的沉积装置，其中界面结构包括许多不同的区域且至少两个 区域至少部分互相重叠。
32.如权利要求31所述的沉积装置，其中界面结构包括各材料的组合。
33.如权利要求30所述的沉积装置，其中能量源包括两个能量源，两个电源的每一个 电气连接到界面结构的不同部分。
34.如权利要求30所述的沉积装置，其中第1和第2基底的每一个电气接地，加热第 1和第2基底的每一个至少一部分，第1和第2基底的每一个运动穿过在电极和第1基底之 间以及在电极和第2基底之间基本均勻的电场，且电极与第1和第2基底的每一个间隔从 约0. 10英寸到约3. 00英寸。
35.如权利要求34所述的沉积装置，还包括设置在第1或第2基底的至少其中之一和 电极之间的屏蔽。
36.如权利要求30所述的沉积装置，其中许多基底包括第1组基底和第2组基底，第 1和第2组基底的每一个相对电极有面对、间隔的关系，将第1组基底用相对彼此间隔、共面的方式设置在电极的一侧，将第2组基底用相对彼此间隔、共面的方式设置在电极的另一 侧，且界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，用于当从能 量源供给界面结构能量时在电极和第1组基底的预定区域之间以及在电极和第2组基底的 预定区域之间形成基本均勻的电场。
37.如权利要求36所述的沉积装置，其中能量源提供值约13.56MHz的RF能量。
38.如权利要求36所述的沉积装置，其中能量源提供值约30MHz到约100MHz范围内 的VHF能量。
39.如权利要求1所述的沉积装置，其中电极包括空腔，其构造用于容纳界面结构固 定在其中，且界面结构包括许多能量出口电气连接在与基底间隔的电极的外表面，其中界 面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到能量出口，用于当从能量源 向界面结构供给能量时在电极的外表面和基底的预定区域之间形成基本均勻的电场。
40.如权利要求38所述的沉积装置，其中界面结构还包括与能量源电气连接的中心 部分和许多能量出口的每一个。
41.如权利要求40所述的沉积装置，其中界面结构还包括许多间隔的分支，每个分支 有该组能量出口中的一个或多个。
42.如权利要求39所述的沉积装置，其中能量源通过电极的一部分电气连接到界面 结构，该部分不在电极的外表面和基底之间。
43.如权利要求42所述的沉积装置，其中能量源通过电极的侧边部分电气连接到界 面结构。
44.如权利要求39所述的沉积装置，其中电极被进一步配置成在空腔内接纳气体和 从空腔弓I导气体流向在电极的外表面和基底之间的均勻的场。
45.如权利要求39所述的沉积装置，其中配置电极和界面结构从而使界面结构包括 与电极的第1外表面电气连接的第1组能量出口，和与电极的第2外表面电气连接的第2 组能量出口，界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到每组能量出 口，用于当从能量源向界面结构供给能量时在电极的第1外表面和与第1外表面间隔的第1 基底之间形成基本均勻的电场，以及在电极的第2外表面和与第2外表面间隔的第2基底 之间形成基本均勻的电场。
46.如权利要求45所述的沉积装置，其中电极被进一步配置成在空腔内接纳气体和 从空腔引导气体流向在第1外表面和第1基底之间以及在第2外表面和第2基底之间的均 勻场。
47.如权利要求39所述的沉积装置，其中能量源提供值约10MHz到约30MHz范围内的 RF能量。
48.如权利要求39所述的沉积装置，其中能量源提供值约30MHz到约100MHz范围内 的VHF能量。
49.在基底上加工处理材料的一种方法，该方法包括提供反应室、面对基底并与其间隔的电极、连接到电极的界面结构；和能量源，反应室 被配置成将基底、电极和界面结构容纳在其中，且界面结构被配置成从能量源电气连接能 量通过并围绕界面结构到电极，用于当能量从能量源向界面结构供给时在电极和基底的预 定区域之间形成基本均勻的电场；供给气体到反应室中；将反应室内的压力设定为真空压力；从能量源向界面结构供给能量；和在基本均勻的电场内形成等离子体，其中等离子体的材料被沉积在基底上。
50.如权利要求49所述的方法，其中界面结构包括许多不同的区域且至少两个区域 至少部分互相重叠。
51.如权利要求50所述的方法，其中在基底的预定区域内沉积的材料有基本均勻的厚度。
全文摘要
按照示范实施例提供在基底上均匀生成材料的沉积装置。沉积装置包括能量源、面向基底、相对基底有间隔关系的电极、和连接在电极的界面结构。界面结构被配置成从能量源电气连接能量通过并围绕界面结构到电极，用于当从能量源向界面结构供给能量时在电极和基底的预定区域之间形成基本均匀的电场。
文档编号H01L21/205GK102150237SQ200980135787
公开日2011年8月10日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月14日
发明者A·库马, J·德勒, K·尤南, S·琼斯, V·肯尼拉, Y·李 申请人:联合太阳能奥沃尼克有限责任公司