專利名稱：電漿輔助化學(xué)氣相沉積裝置及方法
背景技術(shù)：
電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)可用于例如半導(dǎo)體制程中，以沉積硅薄膜于基板之上?，F(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)包含一沉積室，其具有兩個或三個電極，當(dāng)該電極受電壓激發(fā)時，便會使電極間之反應(yīng)氣體游離，以產(chǎn)生電漿。在很多情況下，該反應(yīng)氣體經(jīng)由其中之一電極直接供應(yīng)進入高強度電漿中，該電極一般稱為「噴灑頭」(showerhead)電極。
雖然電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)已證實為有用的制程，然而本發(fā)明發(fā)明人確認現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程是可以加已改良的。更特別的是，本發(fā)明發(fā)明人確認現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程的沉積速率必須保持相對低，以便制造可接受的薄膜品質(zhì)，而且如果現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的成本要比較高沉積速率的沉積系統(tǒng)(例如濺鍍系統(tǒng))的成本有競爭優(yōu)勢的話，則現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程所制造出的薄膜每單位面積的成本相對較高。本發(fā)明發(fā)明人也確認現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程中無效率地耗用了反應(yīng)物質(zhì)(例如硅烷)，因為反應(yīng)氣體(例如硅烷及氫)中的硅烷的濃度僅以最低的限度稍高于廢氣中的反應(yīng)氣體的濃度。因此，絕大多數(shù)的硅烷流經(jīng)系統(tǒng)，且未被沉積制程所使用，因此造成了浪費。本發(fā)明發(fā)明人也確認，除非現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程運作于低氣體壓力、低反應(yīng)物質(zhì)濃度及低激發(fā)電源下(所有這些條件造成低沉積速率)，否則在電漿中會形成硅粒子。硅粒子的形成是個問題，因此需要低沉積速率，因為硅粒子會破壞真空幫浦，真空幫浦從沉積室吸取廢氣，硅粒子也會破壞所形成的組件。真空幫浦也必須相對大，以使得在硅烷濃度變得太低或硅烷分布變得不均勻之前，沉積室內(nèi)少量使用的氣體可快速地被吸出。然而本發(fā)明發(fā)明人確認現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程需要在反應(yīng)氣體用完之前便流經(jīng)整個沉積室的長度(或?qū)挾?。這造成硅烷分子長時間停留在沉積室內(nèi)，其使得硅粒子形成的情況更加嚴重，并增加了高級硅烷(例如Si2H6)的形成。高濃度高級硅烷會造成非常不良的組件品質(zhì)。因此，會保持高流動速率以快速排出高級硅烷并避免高級硅烷的累積。因此，大部份的硅烷流經(jīng)該系統(tǒng)并被排出，而不是于反應(yīng)中被有效地使用于沉積硅。


本發(fā)明實施例的詳細說明請參照附圖。
圖1是本發(fā)明實施例的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)裝置的方塊圖。
圖2是本發(fā)明實施例的沉積室的立體切除圖。
圖3是沿圖2中線3-3而采取的剖面圖。
圖4是本發(fā)明實施例的桿狀電極的側(cè)視圖。
具體實施例方式
以下內(nèi)容是實施本發(fā)明的目前已知最佳模式的詳細說明。此說明內(nèi)容并不在于限制，而主要在于闡釋本發(fā)明一般原則。必須注意的是，為簡化起見，非關(guān)于本發(fā)明的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的各種方面的詳細討論已經(jīng)被省略。此外，雖然是以由硅烷(SiH4)形成硅(Si)薄膜來說明本發(fā)明，然而其并非限于任何形式的薄膜或輸入反應(yīng)物質(zhì)。借著范例(并非限制)，本發(fā)明也在沉積中具有碳化硅(SiC)、非結(jié)晶硅Si(H)、微結(jié)晶狀硅Si(H)、鍺化硅(SiGe)及其它半導(dǎo)體材料，所有皆結(jié)合有氫。也可制造摻雜的半導(dǎo)體材料。該摻雜物大部份容易被輸入至該系統(tǒng)中，做為氣體，但也可藉由在電漿區(qū)域中并入一固體片摻雜硅而被引入。用于摻雜物質(zhì)的氣體源包括例如3甲基硼烷(B(CH3)3)及三氫化磷(PH3)。
如圖1的范例所示，根據(jù)本發(fā)明一實施例的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100包括沉積室102，其具有電極組件104設(shè)于一對基板載體106a及106b之間?；遢d體106a及106b將基板定位于電極組件104的相對側(cè)。在該實施例中的電極組件104執(zhí)行數(shù)種功能。當(dāng)電極組件104受到電壓(例如由電源108所提供的射頻或直流電壓)激發(fā)時，電極組件104產(chǎn)生一或更多高強度電漿區(qū)于基板載體106a及106b之間。電極組件104也用于傳送反應(yīng)氣體至沉積室102，并且藉由集管112a連接至反應(yīng)氣體源110。在沉積制程期間，電漿產(chǎn)生于基板之間的區(qū)域中，來自反應(yīng)氣體的物質(zhì)(例如由硅烷產(chǎn)生的硅)由電漿同時沉積至兩個基板之上，以形成薄膜(例如硅膜)于兩個基板之上。此外，該電極組件104用于由沉積室102排出廢氣，并因此藉由集管112b連接至排出裝置114(例如真空幫浦)。根據(jù)至少部份來自傳感器118的資料，電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100的運作藉由控制器116來加以監(jiān)視及控制。
現(xiàn)在參考圖2至圖4，基板120a及120b藉由入口122a及122b進入沉積室102，并如箭頭A所示的方向行進。類似的出口(未表示出)設(shè)于沉積室102的相對端處?；?20a及120b的形式為個別薄片的板材料，其各自備饋送進入沉積室102內(nèi)。該基板也可為一連續(xù)卷的基板材料，其由供應(yīng)卷被拉至接收卷。適用的基板材料包含(但不限于)堿石灰玻璃、聚醯亞胺、及不銹鋼。不論是個別薄片或是卷的形式，基板載體106a及106b將基板120a及120b定位于沉積室102的相對側(cè)與電極組件104的相對側(cè)而彼此平行?；遢d體106a及106b也包括復(fù)數(shù)個滾筒單元124，而且基板120a及120b的邊緣通過關(guān)連滾筒單元中的滾筒之間。滾筒單元124中的滾筒可為自由旋轉(zhuǎn)的滾筒，其僅僅引導(dǎo)基板120a及120b經(jīng)過沉積室102，并確保其正確地定位于沉積室中。或者，滾筒單元124可包含驅(qū)動滾輪，除了確保其適當(dāng)定位之外，其驅(qū)動基板120a及120b經(jīng)過沉積室102。其它適用的基板載體包括傳動系統(tǒng)及鏈條驅(qū)動。或者，基板可藉由機械人手臂被加載至沉積室內(nèi)、藉由滑動或滾筒導(dǎo)件保持于適當(dāng)位置、以及在完成沉積之后藉由機械人從沉積室移除?；蛘?，使用滾筒來結(jié)合基板120a及120b的頂部及底部邊緣，并繞著垂直于箭頭A所示方向的軸而旋轉(zhuǎn)。
于實施例中，沉積室102的內(nèi)部相對地窄。更特別的是，基板120a及120b之間的距離實質(zhì)上小于沉積室的長度(以箭頭A的方向測量)以及沉積室的高度(以垂直于箭頭A的方向測量)。例如，基板120a及120b之間的距離可能為長度及高度尺寸的十分之一或更小。基板120a及120b也最好在沉積室102的長度方面是由端點延伸至端點，在高度方面則由頂部延伸至底部。結(jié)果，基板120a及120b位于電極組件104(因此以及所產(chǎn)生的電漿)及沉積室大的內(nèi)部表面之間，并覆蓋沉積室102絕大部份內(nèi)部表面。
沉積室102并不限于任何尺寸。然而，在沉積室102的一個實施例中，該沉積室102適用于商業(yè)應(yīng)用并以圖2所示的方位配置，該沉積室102的內(nèi)部長度約100cm(以箭頭A的方向測量)，高度約60cm(以垂直于箭頭A的方向測量)?；?20a及120b間隔約7cm，沉積室內(nèi)部(圖3)的中央平面CP與各個基板120a及120b之間隔約3.5cm。此外，基板載體106a及106b的定位與配置使得基板120a及120b在垂直延伸的平面中。這種配置方向減少了微粒子落于基板上的可能性。
以這種方式配置的沉積室具有數(shù)種優(yōu)點。例如，與現(xiàn)有沉積室相較之下，基板120a及120b的相對小間隔(與基板行進方向中相對大尺寸以及垂直于基板行進方向的尺寸相較之下)增加了沉積于基板上的電漿所產(chǎn)生的硅的百分比，并減低了沉積于沉積室壁上的數(shù)量。因此，更有效率地耗用了反應(yīng)物質(zhì)。沉積室清潔及維護的相關(guān)的停機時間與費用也降低了。電極組件104與基板120a及120b之間靠近的間隔也有助于以最小尺寸快速擴散，如此便可具有良好制程，以用于將在沉積室102中央處所產(chǎn)生的原子氫傳送至基板，其中原子氫可與硅烷反應(yīng)，以產(chǎn)生初級粒子，進而使良好品質(zhì)的半導(dǎo)體材料沉積至基板之上。沉積室102的架構(gòu)也允許快速擴散，以使整個電漿中的所有物種的濃度相等(包括輸入反應(yīng)氣體的快速擴散)，以達到均勻的濃度。
圖2至圖4所示的范例電極組件104包含復(fù)數(shù)個相隔的桿狀電極126，其配置成各長軸共平面，垂直于基板行進方向(箭頭A所示)，并距離基板載體106a及106b的距離為等距離(基板120a及120b亦然)。當(dāng)桿狀電極126由諸如來自電源108的射頻或直流電源所激發(fā)時，便會產(chǎn)生高強度電漿。該能量以交替狀態(tài)由一個桿狀電極126供應(yīng)至下一個相鄰桿狀電極，如圖3與圖4中交替串行的「+」與「-」符號所表示的。以這種方式施加電源在相鄰桿狀電極126之間產(chǎn)生了高強度電場區(qū)域，且進一步在相鄰桿狀電極之間產(chǎn)生了強電漿區(qū)域128。低強度電場與低強度電漿區(qū)域130在靠近基板120a及120b處產(chǎn)生。更特別的是，有一實施例，其中相鄰桿狀電極126相隔一圓桿直徑的距離(亦即從長軸至長軸是兩個直徑)，而且基板與中央平面CP相隔三又二分之一桿狀電極直徑，桿狀電極之間的電場強度明顯大于靠近基板120a及120b處的電場強度之10倍。
必須注意的是，桿狀電極126相互之間或者可以同相的方式來驅(qū)動。此處，基板120a及120b保持在接地電位或具有小直流偏壓的接地。這種方式在中央平面CP及基板120a及120b之間的兩個區(qū)域中分別產(chǎn)生了相對均勻的電場及電漿。
由于桿狀電極160呈現(xiàn)出具有電容性電抗的負載(由于桿狀電極的長度小于激發(fā)頻率的四分之一波長)，射頻能量耦合于與電容性電抗并聯(lián)的桿狀電極，以產(chǎn)生良好的共振電路。在圖3與圖4的實施例中，每一桿狀電極126最好在兩個縱長端處以電氣方式予以驅(qū)動，以便降低沿著電極長度的激發(fā)訊號的振幅改變。如此將高射頻的駐波效應(yīng)減少到最小程度。此外，可提供電接點(未圖標(biāo))來連接基板120a及120b至系統(tǒng)接地，或?qū)⒒迤珘撼蓪ο到y(tǒng)接地為正或負，用以控制電漿特性以及在基板表面處的電子/離子轟擊數(shù)量。磁場也可用于控制電漿特性，亦即限制電漿及引導(dǎo)電漿內(nèi)的離子及電子的移動。
關(guān)于所用的材料，圖2至圖4所示的桿狀電極126可由各種高熱導(dǎo)性及電導(dǎo)性的材料來形成，以沿著桿狀電極長度具有均勻電場及均勻溫度。可使用在氫電漿中不反應(yīng)的物質(zhì)，諸如鈦或不銹鋼?；蛘?，形成桿狀電極126的材料可以是被氫電漿所非常非常慢蝕刻并以微少量與硅一起沉積，這些材料例如鈦或被摻雜的硅。本技術(shù)可被使用于引入諸如鈦(Ti)的觸媒劑材料，其改善了硅的成長速率及品質(zhì)，及/或引入諸如硼(B)或磷(P)的摻雜物，而不需用到諸如三氫化磷(PH3)的有毒輸入氣體。
現(xiàn)在討論尺寸及形狀，在一實施例中的桿狀電極126適用于商業(yè)應(yīng)用，其形狀為圓柱體，直徑約為1.2cm，長度約為60cm。在基板行進方向及在沉積室內(nèi)部的中央平面CP中，桿狀電極126約每2cm相互平行配置(亦即相鄰桿狀電極的長軸之間距離2cm)。因此，在該實施例中，中央平面CP也為電極平面。這種架構(gòu)及配置使得100cm長的沉積室中具有46個桿狀電極126，而靠近沉積室入口及出口處則有小區(qū)域的無電極區(qū)。在另一個實施例中，在基板行進方向及在沉積室內(nèi)部的中央平面CP中，直徑約0.6cm、長度約60cm的較小桿狀電極每1cm相互平行配置(亦即相鄰桿狀電極的長軸之間距離1cm)。這種架構(gòu)及配置使得100cm長的沉積室中具有92個這種較小桿狀電極126，而靠近沉積室入口及出口處則有小區(qū)域的無電極區(qū)。必須注意的是，對于這兩種桿狀電極126尺寸而言，相鄰桿狀電極之間距離為小于沉積室102內(nèi)部的長度及高度的二十五分之一，且相較于硅烷粒子及高級硅烷形成的距離而言相對較短。
然而，桿狀電極126并不限于這些架構(gòu)及配置。例如，桿狀電極的剖面形狀可為圓形的其它形狀，桿狀電極126為范例圓柱體桿狀電極。有些情況下，桿狀電極126之間距離會改變，其中一些或所有的桿狀電極稍微偏離中央平面CP及/或一些桿狀電極不是相互平行。桿狀電極的剖面尺寸(例如圓柱體桿狀電極直徑)也可因不同電極而不同，以適用于特定應(yīng)用。
本發(fā)明電極組件104具有數(shù)種優(yōu)點。例如，相較于可用于現(xiàn)有電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中的頻率，當(dāng)系統(tǒng)是商業(yè)生產(chǎn)尺寸時(亦即基板相對長且至少0.5m寬)，復(fù)數(shù)個間隔近的桿狀電極126的配置允許較高射頻頻率被使用以激發(fā)本發(fā)明電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100。所施加的射頻電源為交替相位的串行平行桿狀電極126形成串接的電子傳輸線，其特性在于可在27-81MHz的范圍內(nèi)支持高頻射頻激發(fā)。經(jīng)實驗指示出，相較于現(xiàn)有的13.5MHz的激發(fā)頻率，27-81MHz的激發(fā)頻率范圍內(nèi)的射頻電源能提供較高的沉積速率(亦即約0.5nm/sec)以及較佳的材料品質(zhì)。對于商業(yè)生產(chǎn)尺寸系統(tǒng)中的該等較高頻率而言，現(xiàn)有電極設(shè)計并無傳導(dǎo)性，因為其產(chǎn)生了控制不良的駐波，會造成不均勻的電漿強度及不均勻的沉積速率。相反地，當(dāng)在至少0.5m寬的相對較長基板上，電極組件104被激發(fā)至80MHz的頻率時，本發(fā)明電極組件104產(chǎn)生了控制良好的駐波且僅造成電漿強度的微小改變。
沿著沉積室102的中央平面CP(圖3)產(chǎn)生高強度電漿區(qū)域128以及于接近基板120a及120b處產(chǎn)生低強度電漿區(qū)域130，如此另有其它優(yōu)點。例如，高強度電漿區(qū)域128產(chǎn)生很多原子氫，其可促進良好半導(dǎo)通特性的硅的形成，而且與原子氫擴散長度相較之下，由沉積室102的中央平面CP至基板120a及120b的距離相對較短。產(chǎn)生于中央平面CP中的原子氫能輕易地擴散至基板，不像電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)相關(guān)文獻中所論述的實驗系統(tǒng)，不需流經(jīng)會使很多原子氫產(chǎn)生反應(yīng)并遺失的管子或其它裝置。在桿狀電極126之間的中央平面CP中的高強度電漿區(qū)域128也會產(chǎn)生強紫外線光子，其可輕易地流動至基板120a及120b。不像電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)相關(guān)文獻中所論述的其它實驗系統(tǒng)，強紫外線光子可流動至基板，而不需從沉積室外側(cè)經(jīng)過會降低光子強度及產(chǎn)生明顯維修問題的窗口或其它裝置。在接近基板120a及120b處產(chǎn)生低強度電漿區(qū)域130會降低電子/離子對基板的轟擊以及電子及/或離子對沉積硅的潛在破壞。
同樣應(yīng)注意的是，以上述方式配置的串行桿狀電極并未在箭頭A所示的基板行進方向產(chǎn)生均勻電場及電漿，反而是產(chǎn)生的電場及電漿在從最靠近一桿狀電極的區(qū)域至兩個桿狀電極間的中點處的方向上呈周期變化。因此，所沉積的物質(zhì)的沉積速率及半導(dǎo)通特性可周期地變化于行進方向。所示的實施例以各種方式省略了這種電場及電漿強度的周期性變化。藉由確保相鄰桿狀電極126間的距離及桿狀電極與基板120a及120b間的距離皆在一個擴散長度之內(nèi)，周期性變化降低了相當(dāng)大的程度。例如，在一實施例中，相鄰桿狀電極126間的間隔小于從中央平面CP至基板的距離的一半。事實上，相鄰桿狀電極126間的間隔及從桿狀電極至基板120a及120b的距離應(yīng)減到最小程度，以使快速擴散可進一步降低沉積速率的變化。最后，如有需要的話，基板120a及120b可以較快速度被移動于非固定方向(亦即在箭頭A所示的方向)，以平均任何沉積速率的微小殘余變化。
在本發(fā)明一些實施方式中，電極組件104也可于沉積制程期間使用，以傳送反應(yīng)物質(zhì)至沉積室102以及由沉積室將廢氣排出。參考圖3及圖4，桿狀電極126包括內(nèi)腔132，其連接至集管112a(或112b)及孔134，孔134將內(nèi)腔132連接至沉積室102的內(nèi)部。每一個桿狀電極126包括兩組孔，一組面對基板120a，另一組面對基板120b。所示的實施例中的內(nèi)腔132連接至集管112a及112b，以使得在基板行進方向(亦即箭頭A所示的方向)，桿狀電極126以由一桿狀電極至下一桿狀電極并于傳送反應(yīng)物質(zhì)與排出廢氣之間的方式交替運作。在圖3及圖4中，反應(yīng)物質(zhì)以箭頭R表示，廢氣則以箭頭E表示。尤其特別的是，集管112a連接將反應(yīng)物質(zhì)傳送至反應(yīng)氣體源110的桿狀電極126的內(nèi)腔132，而集管112b連接將廢氣排出至排出裝置114的桿狀電極的內(nèi)腔。集管112a及112b也連接至每個相關(guān)桿狀電極126的兩個縱長末端。因此，反應(yīng)物質(zhì)進入傳送反應(yīng)物質(zhì)的每個桿狀電極126的兩個縱長末端，而廢氣離開排出廢氣的每個桿狀電極的兩個縱長末端。
所示實施例中的范例內(nèi)腔132稍微小于桿狀電極126。例如，在圓柱體桿狀電極126內(nèi)，內(nèi)腔132的直徑約為1.0cm，而桿狀電極126本身的直徑則約為0.6cm。在較大的桿狀電極126內(nèi)，孔134的直徑約為350μm，在較小的桿狀電極內(nèi)，孔134的直徑約為200μm，該孔134沿著桿狀電極126的長度約每0.5cm配置。然而，對于傳送反應(yīng)物質(zhì)的桿狀電極126及排出廢氣的桿狀電極而言，由桿狀電極126的縱長末端到中央的孔間隔最好是有輕微變化，以補償產(chǎn)生于縱長末端與中央之間的壓力降，該縱長末端連接至集管112a。尤其是，對于具有直徑200μm的孔134的0.6cm直徑的桿狀電極126而言，在中央處約有5％的較小間隔(亦即約0.475cm間隔)以及在縱長末端處約有5％的較大間隔(亦即約0.525cm間隔)，且為線性變化。這造成由桿狀電極126的一縱長末端至另一縱長末端在桿狀電極126中經(jīng)過孔134有均勻的流動速率。因應(yīng)用的需求，從一桿狀電極126孔至下一桿狀電極126，孔134也可相互彼此對準(zhǔn)，或交錯配置。
如以上參照圖3及圖4所討論，以從一桿狀電極126至下一相鄰桿狀電極的交替方式(如「+」及「-」符號所示)供應(yīng)電能會產(chǎn)生高強度電漿區(qū)域128及低強度電漿區(qū)域130。孔134定位成使其不會面對高強度電漿區(qū)域128，反而是面對低強度電漿區(qū)域130。在范例實施例中，孔134面朝向垂直于中央平面CP的方向，且定位于最靠近基板120a及120b的桿狀電極126的部份之上。然而，因應(yīng)用的需求，相對于中央平面CP的孔134的角度可加以調(diào)整。例如，該角度為與垂直面成45度。因為反應(yīng)物質(zhì)(亦即在范例實施例中的硅烷)可被引入至低強度電漿區(qū)域130之內(nèi)，在碰到高強度電漿區(qū)域128之前，該硅烷快速地擴散至沉積室內(nèi)的氫環(huán)境中并自行稀釋。如此便降低了高級硅烷及/或硅粒子形成于電漿中的情形。
在所需壓力下(例如300mTorr)，在桿狀電極126受激發(fā)及引入硅烷或其它反應(yīng)物質(zhì)之前，反應(yīng)氣體源110可用于以氫氣或氫氣與氬氣(Ar)的混合物填充沉積室102。然后，將桿狀電極126激發(fā)，以觸發(fā)電漿。在實際的沉積制程期間，反應(yīng)氣體源110供應(yīng)純的或濃度較高的硅烷(而非現(xiàn)有裝置的氫氣中稀釋的5-10％硅烷)給桿狀電極126，該桿狀電極126藉由集管112a提供反應(yīng)物質(zhì)?？?34將純硅烷導(dǎo)入至低強度電漿區(qū)域130中，且硅烷快速擴散(在幾微秒之內(nèi))至已經(jīng)在沉積室102內(nèi)的氫中，以便到達氫中濃度約7％的硅烷。這種擴散是在硅烷到達高強度電漿區(qū)域128之前發(fā)生的，在高強度電漿區(qū)域128處，硅烷因分解成硅與氫(SiH4→Si+2 H2)而被消耗。在碰到高強度電漿區(qū)域128之前，硅烷快速地擴散入沉積室102內(nèi)的氫環(huán)境中及稀釋，以及硅烷由桿狀電極行進至相鄰桿狀電極的距離較短，導(dǎo)致硅烷停留于沉積室的時間較短，這些情況也會降低高級硅烷(Si2H6、Si2H6等等)及/或硅粒子形成于電漿中的情形。硅沉積于基板120a及120b之上，同時藉由其它桿狀電極126中的孔134及排出裝置114而移除氫及非常少量的未使用硅烷。
純的硅烷的輸入流動速率必須僅僅稍大于硅烷消耗速率，因為僅僅少量硅烷被浪費。尤其是，當(dāng)沉積室中氣體抵達桿狀電極126(其用于由沉積室102排出廢氣)中的孔134時，該氣體約6％為硅烷及94％為氫。此外，因為沉積反應(yīng)為SiH4→Si+2H2，因此廢氣流動速率約為輸入氣體流動速率的兩倍，以維持沉積室102內(nèi)的固定壓力。由計算可知，對于一給定的反應(yīng)速率(n)而言，輸入氣體流動速率為1.128n(SiH4)、廢氣流動速率為2.128n(94％H2+6％SiH4)。所有在沉積反應(yīng)中所產(chǎn)生的氫藉由排出裝置而移除，大約為13％的輸入硅烷。因此，由計算可知，87％的硅烷用于沉積室中。另一方面，現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)將僅約15-20％的硅烷轉(zhuǎn)換成硅及氫，剩余的硅烷則浪費了。當(dāng)然，在現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)及本發(fā)明的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100中，一些硅沉積于沉積室壁上。如此造成現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)降到約10-15％的使用效率，亦即約10-15％的硅烷氣體的硅輸入實際沉積在基板之上。如上述，本發(fā)明沉積室102降低了沉積于沉積室壁上的硅的百分比，因此本發(fā)明的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100的整體使用效率約為70％。
經(jīng)由一些桿狀電極126來供應(yīng)純的硅烷及經(jīng)由其它桿狀電極126來排出廢氣，如此做的其它優(yōu)點在于，可助于達成比現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)低得多的氣體流動速率。對于一給定的反應(yīng)速率(n)而言，現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)(氫中7％硅烷)的輸入氣體流動速率為100n、廢氣流動速率(氫中6％硅烷)為100n，因此，硅烷的凈消耗為(7％-6％)×100n。在本發(fā)明中，另一方面，輸入氣體流動速率為1.128n(100％硅烷)，廢氣流動速率為2.128n(氫中6％硅烷)，因此，硅烷的凈消耗為(1.128n×100％)-(2.128n×6％)。換句話說，本發(fā)明的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)的輸入氣體流動速率幾乎比現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)小100倍，輸出氣體流動速率幾乎比現(xiàn)有的電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)小50倍。較低的流動速率允許容量低得多的排出裝置114(例如真空幫浦)被用于由沉積室102排出反應(yīng)產(chǎn)物，并維持固定的沉積室壓力。從供應(yīng)反應(yīng)氣體的桿狀電極126至排出廢氣的桿狀電極的非常短的行進距離(例如實質(zhì)小于所示實施例中的沉積室102的長度及/或高度的1/20)確保硅烷停留于沉積室102中的時間是短的，即使流動速率是慢的。短停留時間將形成高級硅烷及/或硅粒子的情況降低至最小程度。
如上所述，在替代實施方式中，桿狀電極126彼此間以同相位方式驅(qū)動，而且，基板120a及120b保持在接地電位或具有小直流偏壓的接地，以于中央平面CP及基板120a及120b之間的兩個區(qū)域中分別產(chǎn)生了相對均勻的電場及電漿。此處，桿狀電極126可由圖3所示的方位被旋轉(zhuǎn)90度，以致孔134面對相鄰桿狀電極以及反應(yīng)物質(zhì)供應(yīng)至電場最小的區(qū)域、廢氣由電場最小的區(qū)域排出。本發(fā)明的這種實施方式具有的優(yōu)點為，由供應(yīng)反應(yīng)氣體的桿狀電極126至排出廢氣的桿狀電極的行進距離非常短，因此硅烷停留于沉積室102中的時間是短的，即使流動速率是慢的，而且短停留時間將形成高級硅烷及/或硅粒子的情況降低至最小程度。
在沉積制程啟動前，反應(yīng)氣體源110可用于以氫(或氫及氬)供應(yīng)給沉積室102，在沉積制程期間，反應(yīng)氣體源110可用于以純硅烷供應(yīng)給沉積室102，反應(yīng)氣體源110包括復(fù)數(shù)個儲存容器G1至GN?？杀粌Υ娴钠渌鼩怏w包括氬、氫、硅烷、甲烷、鍺烷以及具有摻雜氣體(諸如3甲基硼烷及三氫化磷)的硅烷。該氣體可于壓力下被儲存，并因此反應(yīng)氣體源110包括復(fù)數(shù)個閥136，其控制來自儲存容器G1至GN的氣體的流動速率。必須注意的是，本發(fā)明不限于氣態(tài)反應(yīng)物質(zhì)。如特定制程有需要的話，也可提供液態(tài)及/或固態(tài)反應(yīng)物質(zhì)來源。
控制器116可用于控制各種沉積制程。例如，純硅烷供應(yīng)至沉積室102的速率以及廢氣由沉積室102排出的速率可根據(jù)由傳感器118而來的資料來加以控制。如上所述，硅烷輸入速率應(yīng)稍大于硅烷消耗速率(亦即沉積速率)，因為僅有少量硅烷被浪費。因此，對于特定沉積速率及藉由電源108(或電漿電源)而施加至桿狀電極126的電源準(zhǔn)位而言，輸入流動速率可被來自傳感器118的反饋訊號所調(diào)整，以達到廢氣中所需的硅烷濃度。對于被電漿電源所限制的沉積速率的操作點而言，硅烷的廢氣濃度可約為5％到6％。或者，對于被硅烷耗用所限制的沉積速率的操作點而言，硅烷的輸入流動速率被調(diào)整為沉積中的耗用速率，而且在廢氣中的硅烷濃度接近0。排出速率也受反饋訊號所控制，以維持沉積室102中的壓力為所需壓力(例如約300mTorr)。基板120a及120b的溫度以及電漿激發(fā)的頻率與電源準(zhǔn)位一般也被控制，以在所需沉積速率下達到所需硅品質(zhì)。因此，傳感器118可包括與排出裝置114相關(guān)的氣體濃度傳感器、在沉積室102中的壓力傳感器、以及與基板120a及120b相關(guān)的溫度傳感器。偵測電漿是否存在以確認正確操作的傳感器也可設(shè)置。
以上述方式控制電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)制程允許本發(fā)明電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)以穩(wěn)定的溫度、氣體流動、氣體濃度、沉積速率等等的穩(wěn)定狀態(tài)來進行連續(xù)沉積制程?？刂破?16可使用來自傳感器118的反饋訊號，用以調(diào)整穩(wěn)定狀態(tài)的參數(shù)，以達到所需物質(zhì)性質(zhì)。當(dāng)沉積制程進行時，根據(jù)系統(tǒng)中的傳感器，穩(wěn)定操作及參數(shù)調(diào)整組合起來連同快速擴散以降低任何非均勻的情況，如此可允許本發(fā)明系統(tǒng)的制造大大地降低機械容差精密度及氣體流動的均勻度。因此，與以相當(dāng)?shù)木鶆蚨燃鞍雽?dǎo)通性質(zhì)來沉積物質(zhì)的現(xiàn)有「批次模式」系統(tǒng)相較之下，本發(fā)明系統(tǒng)的制造成本可大幅降低。
本發(fā)明電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100可用于產(chǎn)生各種材質(zhì)層。藉由實例說明可知(不在于限制)，電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)100可用于在非常大基板上(例如1m×0.5m)形成高品質(zhì)非結(jié)晶或納米結(jié)晶硅半導(dǎo)體層，該非常大基板可用于硅光生伏特電池及其它大面積低成本組件中。
雖然本發(fā)明以上述實施例來說明，然而熟知本技術(shù)人士皆可充分了解到，可對上述實施例進行數(shù)種修改及/或加入。本發(fā)明的范圍包括所有修改及/或加入。
權(quán)利要求
1.一種基板處理系統(tǒng)，包括一沉積室；以及位于該沉積室之內(nèi)的復(fù)數(shù)個管狀電極，界定鄰近于其的電漿區(qū)域，并且具有內(nèi)腔及孔，該孔將該內(nèi)腔連接至該沉積室。
2.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包括一反應(yīng)物源，可操作地連接至至少一個該管狀電極。
3.如權(quán)利要求2所述的基板處理系統(tǒng)，其中該反應(yīng)物源包括一氣體源。
4.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包括一排出裝置，可操作地連接至至少一個該管狀電極。
5.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包括一反應(yīng)物源，可操作地連接至該復(fù)數(shù)個管狀電極；以及一排出裝置，可操作地連接至該復(fù)數(shù)個管狀電極；其中可操作地被連接至該反應(yīng)物源的該管狀電極中至少一個位于可操作地被連接至該排出裝置的該管狀電極中至少兩個之間，并且可操作地被連接至該排出裝置的該管狀電極中至少一個位于可操作地被連接至該反應(yīng)物源的該管狀電極中至少兩個之間。
6.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，其中該孔不面對相鄰的管狀電極。
7.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，其中該管狀電極界定出具有相對側(cè)的一共同電極平面，每一個該管狀電極在該共同電極平面的兩側(cè)具有孔，并且該孔面朝垂直于該共同電極平面的方向。
8.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，其中該管狀電極界定出一共同電極平面，該基板處理系統(tǒng)進一步包含第一及第二基板載體，位于該共同電極平面的相對側(cè)之上。
9.如權(quán)利要求8所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于定位第一及第二基板，使該第一及第二基板小于從該管狀電極而擴散的原子氫擴散長度。
10.如權(quán)利要求8所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于定位第一及第二基板，使該第一及第二基板距離該管狀電極為一第一距離，以及其中相鄰管狀電極相互間隔一第二距離，該第二距離小于該第一距離。
11.如權(quán)利要求1所述的基板處理系統(tǒng)，其中該管狀電極在垂直于管狀電極的第一方向相互隔開，該沉積室界定出一內(nèi)部，其于該第一方向具有第一尺寸，于平行該管狀電極方向具有第二尺寸，而且相鄰管狀電極在其間界定出一距離，該距離至少小于該第一尺寸的二十分之一，且至少小于該第二尺寸的二十分之一。
12.一種基板處理系統(tǒng)，包括一沉積室；第一及第二基板載體，位于該沉積室內(nèi)；復(fù)數(shù)個間隔的伸長電極，位于該第一及第二基板載體之間；以及一電源，可操作地連接至每一個該電極，并用于以相互異相位的方式驅(qū)動相鄰電極。
13.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該基板載體包含滾筒。
14.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該伸長電極實質(zhì)上為圓柱體。
15.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該電源用于供應(yīng)頻率至少約為27MHz的電力。
16.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于引導(dǎo)該第一及第二基板于基板行進方向，而且該伸長電極界定出各別長軸，該各別長軸實質(zhì)上垂直于該基板行進方向。
17.如權(quán)利要求16所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體位于實質(zhì)上平行于該第一及第二基板之一平面上。
18.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于定位該第一及第二基板，使該第一及第二基板距離該伸長電極為一第一距離，以及其中相鄰伸長電極相互間隔一第二距離，該第二距離小于該第一距離。
19.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該伸長電極界定出各別直徑及長軸，而且相鄰的伸長電極的相互間隔兩倍于由長軸至長軸所測量出的直徑。
20.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于定位第一及第二基板，使該第一及第二基板小于從該伸長電極而擴散的原子氫擴散長度。
21.如權(quán)利要求12所述的基板處理系統(tǒng)，其中該沉積室界定出一內(nèi)部，其于垂直于該伸長電極方向具有第一尺寸，于平行該伸長電極方向具有第二尺寸，而且該第一及第二基板載體用于定位第一及第二基板，使該第一及第二基板相隔一距離，由垂直于第一尺寸及第二尺寸的方向來測量，該距離不大于第二尺寸的十分之一，且不大于第一尺寸的十五分之一。
22.一種形成薄膜的方法，包含以下步驟產(chǎn)生具有相對高強度的電漿區(qū)域及具有相對低強度的電漿區(qū)域；引進包括薄膜層材料的反應(yīng)物于該相對低強度的電漿區(qū)域內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，進一步包含以下步驟定位一基板，致使具有相對低強度的電漿區(qū)域位于基板與具有相對高強度的電漿區(qū)域之間。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，進一步包含以下步驟將第一基板與第二基板定位于具有相對高強度的電漿區(qū)域的相對側(cè)之上。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中引進反應(yīng)物的步驟包括引進包含薄膜層材料的實質(zhì)上純的反應(yīng)物于相對低強度的電漿區(qū)域內(nèi)。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其中引進反應(yīng)物的步驟包括引進實質(zhì)上純的硅烷于相對低強度的電漿區(qū)域內(nèi)。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該產(chǎn)生步驟包括供應(yīng)異相位電力給相鄰縱長延伸桿狀電極，致使具有相對高強度的電漿區(qū)域產(chǎn)生于該桿狀電極之間，而且具有相對低強度的第一及第二電漿區(qū)域產(chǎn)生于具有相對高強度的電漿區(qū)域的相對側(cè)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中該引進反應(yīng)物的步驟包含經(jīng)由該縱長延伸桿狀電極其中之一而引進包括薄膜層材料的反應(yīng)物于該具有相對低強度的第一及第二電漿區(qū)域內(nèi)。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中該縱長延伸桿狀電極界定一電極平面，而且該引進反應(yīng)物的步驟包含經(jīng)由該縱長延伸桿狀電極其中之一而引進包括薄膜層材料的反應(yīng)物于該具有相對低強度的第一及第二電漿區(qū)域內(nèi)，且其方向為實質(zhì)上垂直于該電極平面。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，進一步包含以下步驟經(jīng)由該縱長延伸桿狀電極其中之一而排出廢氣物質(zhì)。
31.一種基板處理系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生具有相對高強度的電漿區(qū)域及具有相對低強度的電漿區(qū)域的機構(gòu)；以及用于引進包括薄膜層材料的反應(yīng)物于該相對低強度的電漿區(qū)域內(nèi)的機構(gòu)。
32.如權(quán)利要求31所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包含用于定位一基板的機構(gòu)，致使具有相對低強度的電漿區(qū)域位于該基板與具有相對高強度的電漿區(qū)域之間。
33.如權(quán)利要求31所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包含用于將第一基板與第二基板定位于具有相對高強度的電漿區(qū)域的相對側(cè)之上的機構(gòu)。
34.一種基板處理系統(tǒng)，包括一沉積室；至少一基板載體，位于該沉積室內(nèi)且用于引導(dǎo)基板于基板行進方向以及復(fù)數(shù)個伸長桿狀電極，于該基板行進方向相互間隔并界定各別長軸，該長軸延伸的方向至少橫過該基板行進方向。
35.如權(quán)利要求34所述的基板處理系統(tǒng)，其中該伸長桿狀電極的長軸延伸方向?qū)嵸|(zhì)垂直于該基板行進方向。
36.如權(quán)利要求34所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包含一電源，可操作地連接至每一個該伸長桿狀電極，并用于以相互異相位的方式驅(qū)動相鄰伸長桿狀電極。
37.如權(quán)利要求34所述的基板處理系統(tǒng)，其中該伸長桿狀電極界定各別內(nèi)腔及孔，該孔將該內(nèi)腔連接至該沉積室。
38.如權(quán)利要求37所述的基板處理系統(tǒng)，進一步包含一反應(yīng)物源，可操作地連接至至少一個該桿狀電極的內(nèi)腔；以及一排出裝置，可操作地連接至至少一個該桿狀電極的內(nèi)腔。
39.如權(quán)利要求37所述的基板處理系統(tǒng)，其中該沉積室界定出一內(nèi)部，其于該基板行進方向具有第一尺寸，于平行該伸長桿狀電極方向具有第二尺寸，該伸長桿狀電極于基板行進方向相隔一距離，該距離至少小于第一尺寸的二十分之一，且至少小于第二尺寸的二十分之一。
40.一種基板處理系統(tǒng)，包括一沉積室，界定一具有長度及高度的內(nèi)部；第一及第二基板載體，位于該沉積室內(nèi)，用于定位第一及第二基板，使該第一及第二基板相隔一距離，由垂直于該長度及高度的方向來測量，該距離不大于該高度的十分之一，且不大于長度的十五分之一；以及一電極組件，位于該第一及第二基板載體之間且用于該第一及第二基板載體之間產(chǎn)生電漿。
41.如權(quán)利要求40所述的基板處理系統(tǒng)，其中該第一及第二基板載體用于引導(dǎo)該第一及第二基板載體沿著該沉積室內(nèi)部的長度。
42.如權(quán)利要求41所述的基板處理系統(tǒng)，其中該高度至少約0.5m。
43.一種形成薄膜于基板上的方法，包含以下步驟產(chǎn)生電漿于沉積室之內(nèi)；以一反應(yīng)物輸入速率，引進包括薄膜層材料的反應(yīng)物于該電漿內(nèi)；沉積該薄膜層材料于該基板上；由該沉積室排出廢氣；測量該廢氣中的薄膜層材料的數(shù)量；以及響應(yīng)于所測量而得的該廢氣中薄膜層材料的數(shù)量，調(diào)整該反應(yīng)物輸入速率。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中該調(diào)整該反應(yīng)物輸入速率的步驟包含響應(yīng)于所測量而得的該廢氣中薄膜層材料的數(shù)量，調(diào)整該反應(yīng)物輸入速率，同時持續(xù)引進該反應(yīng)物。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，進一步包含以下步驟測量該沉積室內(nèi)的壓力；以及響應(yīng)于所測量而得的該沉積室內(nèi)的壓力，調(diào)整廢氣排出速率，同時持續(xù)引進該反應(yīng)物。
全文摘要
一種基板處理系統(tǒng)，包括一沉積室(102)以及位于該沉積室(102)之內(nèi)的復(fù)數(shù)個管狀電極(126)，界定其間的電漿區(qū)域(128)。
文檔編號C23C16/54GK101018887SQ200480043215
公開日2007年8月15日 申請日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者馬文·S·凱屈納, 保羅·H·麥克爾倫 申請人:光學(xué)日光公司