УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ БОЛЬШИХ ПЛОЩАДЕЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству плазменной обработки больших площадей, улучшающему однородность и плотность плазмы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Плазменная обработка очень часто используется для различных сфер применения, таких как нанесение защитного слоя, изготовление плоских панелей или элементов солнечных батарей. Плазменная обработка содержит процесс травления, процесс напыления, модификацию поверхности, функционализацию поверхности. Например, усиленное плазмой химическое осаждение из паров (PECVD), в целом, используется для напыления тонких пленок на подложку, такую, как прозрачная подложка для дисплеев с плоским экраном или полупроводниковая пластина.

В целом, PECVD выполняется посредством введения газа-предшественника или газовой смеси в вакуумную камеру, которая содержит подложку. Газ-предшественник или газовая смесь, как правило, направляются сверху вниз через распределительную пластину, расположенную рядом с верхней частью камеры. Газ-предшественник или газовая смесь в камере заряжается до состояния плазмы, генерируемой посредством источника плазмы, который может иметь различные типы, в зависимости от параметров процесса. Главным параметром процесса, возможно, может являться диапазон давления. Возбужденный газ или газовая смесь реагирует для формирования слоя материала на поверхности подложки, которая установлена в держателе подложки, которая, зачастую, имеет управляемую температуру. Летучие побочные продукты, произведенные во время реакций, откачиваются из камеры через вытяжную систему.

В документах EP 0949352 B1 и US 6363881 B2 раскрывается плоская антенна лестничного типа для усиленного плазмой химического осаждения из паров. В плоской антенне лестничного типа имеется электропроводная пластина верхней стороны, электропроводная пластина нижней стороны и несколько параллельных электропроводных пластин, соединяющихся с верхней и нижней электропроводными пластинами. Распределитель мощности с множеством электрических проводов используется для однородного распределения мощности высокочастотного сигнала по антенне лестничного типа, позволяя получать наилучшее распределение толщины пленки.

Но даже при использовании распределителя мощности все еще очень трудно получить плазменную обработку на больших площадях с высокой скоростью обработки и однородным распределением обработки.

Существует постоянная потребность в увеличении поверхности плоских панелей, обрабатываемых посредством PECVD. В настоящее время обрабатываются детали, равные приблизительно 1 м², и в ближайшем будущем предусматриваются большие подложки, до 5 м² и превышающие их. Газораспределительные пластины, или диффузионные пластины, используемые для обеспечения однородного потока технологического газа по всей поверхности плоских пластин во время обработки, также являются относительно большими по размерам, в частности по сравнению с газораспределительными пластинами, используемыми для обработки 200-милиметровых и 300-миллиметровых полупроводниковых пластин.

Поскольку размеры подложек продолжают расти, управление толщиной пленки и управление свойствами пленки, производимой посредством обычных устройств PECVD, становится все более проблематичным.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение большого управляемого процесса и одновременно улучшенного объема выпуска.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение, предпочтительно, большого однородного процесса.

Для решения вышеупомянутых и других задач, изобретение предлагает устройство для плазменной обработки больших площадей, содержащее:

a. по меньшей мере, одну плоскую антенну,

b. по меньшей мере, один высокочастотный генератор, возбуждающий антенну,

c. систему нагнетания газа и диффузор,

d. рабочую камеру вблизи с антенной,

e. при этом плоская антенна содержит множество взаимосвязанных элементарных резонансных замкнутых контуров, причем каждый из замкнутых контуров содержит, по меньшей мере, два электропроводных участка цепи и, по меньшей мере, два конденсатора, так, что антенна имеет множество резонансных частот,

f. и высокочастотный генератор возбуждает антенну, по меньшей мере, на одной из ее резонансных частот.

Поскольку плоская антенна имеет множество взаимосвязанных элементарных резонансных замкнутых контуров и поскольку антенна возбуждается, по меньшей мере, на одной из ее резонансных частот, амплитудное распределение токов в элементарных замкнутых контурах антенны является устойчивым и может быть хорошо определено по всей поверхности антенны.

Также распределение амплитуд тока может управляться посредством выбора того, какая резонансная частота антенны должна быть возбуждена посредством высокочастотного генератора.

В результате хорошо определенного распределения амплитуд тока по всей поверхности антенны может быть создано хорошо определенное распределение плазмы посредством антенны по изобретению.

Принимая во внимание, что плазма быстро диффундирует из областей с высокими интенсивностями тока в области с более низкими интенсивностями тока, может быть создано более однородное распределение плазмы посредством антенны по изобретению.

Предпочтительно, электропроводные участки цепи могут быть параллельны друг другу, так, что каждый замкнутый контур генерирует электромагнитное поле с более однородным распределением вдоль продольной оси замкнутого контура.

Предпочтительно, антенна может содержать элементарные резонансные замкнутые контуры, имеющие два параллельных более длинных электропроводных участка цепи, концы которых взаимосвязаны посредством поперечных более коротких соединительных элементов. Такая конструкция элементарного резонансного замкнутого контура дает возможность эффективных взаимосвязей множества замкнутых контуров для составления большой плоской антенны.

В соответствии с первым вариантом осуществления поперечные более короткие соединительные элементы содержат противостоящие конденсаторы.

В соответствии со вторым вариантом осуществления параллельные более длинные электропроводные участки цепи содержат противостоящие конденсаторы, каждый из которых последовательно подключен между отрезками соответствующего электропроводного участка цепи.

Оба варианта осуществления могут быть объединены, причем первые противостоящие конденсаторы соединяются в пределах поперечных более коротких соединительных элементов, а вторые противостоящие конденсаторы соединяются в пределах электропроводных участков цепи.

Эти варианты осуществления элементарных резонансных замкнутых контуров с параллельными электропроводными участками цепи, предпочтительно, могут быть взаимосвязаны посредством общих участков цепи для формирования резонансной антенны лестничного типа. Такая конструкция позволяет составлять очень большую антенну с хорошо определенным амплитудным распределением токов по всей поверхности антенны.

Устройство в соответствии с изобретением, предпочтительно, может дополнительно содержать электропроводную пластину или защиту, параллельную антенне, и средство для настройки относительного положения пластины для того, чтобы могли быть настроены резонансные частоты антенны.

Посредством настройки относительного положения электропроводной пластины и антенны, резонансные частоты антенны могут быть отрегулированы для того, чтобы соответствовать частотам возбуждения генератора.

Кроме того, посредством настройки относительного положения электропроводной пластины, могут быть настроены граничные условия плазмы.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройство в соответствии с изобретением может дополнительно содержать средство для генерирования магнитного поля вблизи с антенной.

При таком магнитном поле, в плазме могут быть возбуждены плоскополяризованные спиральные волны для того, чтобы улучшить скорость обработки устройства.

В соответствии с первым вариантом осуществления средства для генерирования магнитного поля устройство может содержать набор постоянных магнитов.

В соответствии со вторым вариантом осуществления средства для генерирования магнитного поля устройство может дополнительно содержать средство для ввода постоянного тока в антенну, наложенного на высокочастотный ток таким образом, что постоянный ток генерирует магнитное поле вблизи с антенной.

Для обработки больших площадей устройство в соответствии с изобретением дополнительно может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную антенну.

Предпочтительно, антенна расположена в рабочей камере.

Чтобы избежать отражений RF (радиочастотных) сигналов на выходе генератора, может быть использована, по меньшей мере, одна согласующая схема.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления высокочастотный генератор питает антенну, по меньшей мере, двумя сдвинутыми по фазе мощными радиочастотными (RF) сигналами в двух различных точках ввода, что дает в результате смещение по времени распределения тока в замкнутых контурах антенны. Другими словами, это приводит к подвижному распределению токов.

Соответственно, распределение плазмы сдвигается по времени по всей поверхности антенны.

Это дает в результате более однородное распределение обработки.

Кроме того, подвижное распределение токов значительно увеличивает возбуждение спиральных волн.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает первый вариант осуществления элементарного замкнутого контура для плоской антенны и эквивалентную ему электрическую схему;

Фиг.2 изображает второй вариант осуществления элементарного замкнутого контура для плоской антенны и эквивалентную ему электрическую схему;

Фиг.3 изображает третий вариант осуществления элементарного замкнутого контура для плоской антенны и эквивалентную ему электрическую схему;

Фиг.4 иллюстрирует антенну с фильтром нижних частот с последовательным соединением элементарных замкнутых контуров в соответствии с первым вариантом осуществления;

Фиг.5 изображает антенну с фильтром верхних частот с последовательным соединением элементарных замкнутых контуров в соответствии со вторым вариантом осуществления;

Фиг.6 изображает гибридную антенну с элементарными замкнутыми контурами в соответствии с третьим вариантом осуществления;

Фиг.7 изображает распределение интенсивности электрического тока в антенне из Фиг.4, возбужденной на одной из ее резонансных частот;

Фиг.8 изображает антенну, связанную с электропроводной пластиной для настройки резонансных частот и граничных условий плазмы;

Фиг.9 изображает антенну в соответствии с изобретением, которая питается двумя сдвинутыми по фазе сигналами;

Фиг.10 изображает эквивалентную электрическую схему согласующей схемы, которая может быть использована для питания антенны;

Фиг.11 является видом сбоку, изображающим два магнита для создания параллельного среднего магнитного поля;

Фиг.12 является видом сверху, изображающим набор магнитов для создания плоского магнитного поля;

Фиг.13 изображает первый вариант осуществления ввода тока в антенну;

Фиг.14 изображает второй вариант осуществления для ввода тока в антенну;

Фиг.15 изображает пример взаимосвязи между одной из резонансных частот антенны и значениями конденсаторов;

Фиг.16 изображает типичную простую конфигурацию реактора для плазменной обработки больших площадей в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг.17 изображает простую электрическую схему для ввода в антенну двух сдвинутых по фазе токов; и

Фиг.18 изображает простую электрическую схему для ввода в антенну постоянного тока.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с изобретением плоская антенна с множеством элементарных резонансных замкнутых контуров предоставляется в качестве источника для генерирования плазмы на большой площади.

Фиг.1, 2 и 3 изображают три варианта осуществления для такого элементарного замкнутого контура M1 и соответствующей эквивалентной электрической схемы E1.

Каждый элементарный замкнутый контур М1 имеет два параллельных более длинных электропроводных участка 1 и 2 цепи, концы которых взаимосвязаны посредством поперечных более коротких соединительных элементов 3 и 4.

Более длинные соединительные участки 1 и 2 цепи действуют, по существу, в качестве индуктивных составляющих. Каждый элементарный замкнутый контур имеет, по меньшей мере, два противостоящих конденсатора 5 и 6.

В замкнутом контуре фильтра нижних частот из Фиг.1 противостоящие конденсаторы 5 и 6 составляют более короткие соединительные элементы 3 и 4.

В замкнутом контуре фильтра верхних частот из Фиг.2 каждый из противостоящих конденсаторов 5 и 6 последовательно подключен между двумя отрезками 1a, 1b или 2a, 2b соответствующего электропроводного участка 1 или 2 цепи.

В замкнутом контуре с полосовым фильтром из Фиг.3 два первых противостоящих конденсатора 5 и 6 составляют более короткие соединительные элементы 3 и 4, а каждый из двух вторых конденсаторов 5a и 6a последовательно подключены между двумя отрезками 1a, 1b или 2a, 2b соответствующего электропроводного участка 1 или 2 цепи.

Каждый элементарный замкнутый контур формирует резонансный LC-контур, как изображено на соответствующих эквивалентных электрических схемах E1.

Несколько элементарных замкнутых контуров взаимосвязаны для формирования плоской антенны желаемых размеров.

Например, Фиг.4 изображает антенну А с фильтром нижних частот, выполненную из последовательно соединенных элементарных замкнутых контуров M1, M2, M3 фильтра нижних частот в соответствии с Фиг.1, взаимосвязанных для формирования резонансной антенны лестничного типа.

Фиг.5 изображает антенну А с фильтром верхних частот, выполненную из последовательно соединенных замкнутых контуров M1, M2, M3 фильтра верхних частот в соответствии с Фиг.2, взаимосвязанных для формирования резонансной антенны лестничного типа.

Фиг.6 изображает гибридную антенну А, выполненную из последовательно соединенных элементарных замкнутых контуров M1, M2, M3 в соответствии с Фиг.3, взаимосвязанных для формирования резонансной антенны лестничного типа.

Во всех трех вариантах осуществления смежные замкнутые контуры, такие как замкнутые контуры M1 и M2, имеют общий электропроводный участок 2 цепи.

Если N является количеством участков цепи антенны A, то вышеупомянутая антенна A представляет N-1 резонансных частот. Значения этих резонансных частот зависят от геометрии участков 1, 2 цепи (длина, диаметр, расстояние между двумя смежными участками цепи…) и от значений конденсаторов 5, 6.

Если все конденсаторы 5, 6 имеют одинаковую емкость и если все участки 1, 2 цепи идентичны (одинаковая индуктивность), то каждая резонансная частота соответствует синусоидальному распределению I(n) тока в участках цепи антенны, таких как участки 1, 2 цепи, как показано, например, на Фиг.7:

где I₀ является амплитудой, n является заданным количеством участков цепи (n=[1:N]); m является номером резонансного режима (m=[1:N-1]). Отметим, что это является амплитудным распределением токов; с временной точки зрения, токи в участках цепи колеблются в фазе. Фиг.7 изображает распределение амплитуд тока на резонансной частоте, соответствующей резонансному режиму m=4.

Тогда, при возбуждении на резонансной частоте, антенна A производит диаграмму направленности электромагнитного поля с однозначно определенной синусоидальной пространственной структурой. Это позволяет прекрасно управлять возбуждением нормальных электромагнитных режимов в плазме (нормальный режим = собственная функция). Спецификой настоящего изобретения является то, что антенна A всегда будет возбуждаться (или питаться) на одной или нескольких ее резонансных частотах.

В плазме может быть возбужден широкий спектр электромагнитных волн. Определенные категории волн могут существовать, только если плазма намагничена, как, например, спиральные волны в цилиндрической геометрии. В особенности нас интересует этот вид волн, в связи с тем, что они приводят, при их затухании, к сильному нагреву плазмы, а затем, к высоким плотностям электронов.

Плоскополяризованные "спиральноподобные" волны могут быть возбуждены в плазменном слое, как правило, в радиочастотном (RF) диапазоне (обычно, 1-100 МГц). Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления, рядом с антенной A и рабочей камерой прикладывается статическое магнитное поле. Заметим, что это не является жестким требованием генерирования плазмы посредством антенны по настоящему изобретению, поскольку эта антенна A также может работать без какого-либо статического магнитного поля, по существу, при помощи индуктивной связи с плазмой.

Статическое магнитное поле может быть сгенерировано посредством различных средств, таких как постоянные магниты, как изображено на Фиг.11 и 12, или катушек постоянного тока.

На Фиг.11 два линейных магнита 10a и 10b генерируют среднее магнитное поле 10c стороны, параллельное магнитам.

Если магнитное поле должно быть приложено в параллельном направлении относительно плоскости антенны (или подложки), то может успешно использоваться набор 10 (вид сверху на Фиг.12) постоянных магнитов, таких как магниты 10a и 10b.

В антенне А по настоящему изобретению мы также можем вводить постоянные токи в участки цепи 1, 2, в дополнение к радиочастотному (RF) возбуждению сигналов для генерирования желаемого статического магнитного поля вблизи с антенной A.

Фиг.18 изображает простую электрическую схему для ввода постоянного тока: антенна A подобна антенне с фильтром нижних частот из Фиг.4 или Фиг.9. Высокочастотный (RF) генератор 20 питает антенну высокочастотными (RF) токами в двух точках 21 и 23 ввода. Генератор 60 постоянного тока питает антенну постоянным током в обоих концах каждого электропроводного участка цепи через соответствующие катушки индуктивности: например, электропроводный участок 1 цепи питается через катушки 61 и 62 индуктивности, а электропроводный участок 2 цепи питается через катушки 63 и 64 индуктивности.

Присутствие плазмы немного влияет на значения резонансных частот, по существу, благодаря индуктивным связям. Для компенсации сдвигов частот, рядом с антенной может быть помещен электропроводный экран S (или пластина) (Фиг.8). Посредством настройки относительного положения P экрана S и антенны A, резонансные частоты могут быть настроены таким образом, чтобы соответствовать частотам возбуждения генераторов. Кроме того, на структуру энергетического воздействия волн в плазме может влиять положение такого экрана S, и последнее может быть использовано в качестве средства для настройки граничных условий нормальных электромагнитных режимов плазмы.

До тех пор пока частота высокочастотного (RF) генератора соответствует желаемой резонансной частоте антенны A, высокочастотная (RF) энергия может вводиться в любой точке структуры антенны. Фактически, если антенна A возбуждается на резонансной частоте, то распределение токов не затрагивается посредством локализации точек ввода радиочастотных (RF) сигналов. Но входное сопротивление антенны, "обнаруженное" посредством высокочастотного (RF) генератора, будет зависеть от этих точек ввода. С этой точки зрения, в целом, будет лучше, хотя и не является необходимым, выполнять питание антенны через всю ее структуру, то есть в конечных точках ввода, как показано на Фиг.13 или 14. На Фиг.13 генератор 20 выполняет питание антенны в двух противостоящих конечных точках 21 и 22. На Фиг.14 генератор 20 выполняет питание антенны в двух нижних конечных точках 21 и 23 ввода. Отметим, что конфигурация из Фиг.13 позволит возбуждать парные значения m, в то время как конфигурация из Фиг.14 позволит возбуждать нечетные значениям m.

Чрезвычайно важной проблемой для плазменной обработки больших площадей является однородность процесса (напыления, травления и т.д.) на подложке. Для ее получения, плазма должна быть настолько однородной, насколько это возможно. В некоторых случаях, например, если рабочее давление в реакторе является высоким (обычно, 1 мегабар), то плазма, сгенерированная посредством фиксированного в пространственном отношении распределения синусоидального тока, могла бы представить нежелательную неоднородность. Чтобы сделать плазму более однородной, мы можем перейти к квадратическому (или двухфазному) питанию антенны A. Пример такой конфигурации изображен на Фиг.9.

На этом чертеже можно заметить, что первый участок 1 цепи и последний участок 100 цепи антенны A были соединены на обоих концах посредством обратных линий 31 и 32, каждая из которых содержит компенсационный конденсатор 33 или 34.

Значение компенсационных конденсаторов 33 и 34 настраивается таким образом, чтобы компенсировать индуктивность длинного проводника 31, 32, необходимого для покрытия расстояния между двумя крайними участками 1 и 100 цепи.

Принцип двухфазного питания состоит в возбуждении антенны A двумя сдвинутыми по фазе сигналами, введенными в двух отдаленных точках ввода, таких как точки 38 и 39 ввода на Фиг.9. Эти сдвинутые по фазе сигналы могут быть получены посредством комбинирования нескольких высокочастотных (RF) генераторов или посредством разбиения сигнала, происходящего из одиночного генератора 20, делителем 36 мощности и фазосдвигающей схемой 37 в длинном проводнике 35.

Фиг.17 изображает очень простую конфигурацию, которая позволяет разбивать мощность высокочастотного (RF) сигнала одиночного генератора 20 и которая в то же самое время производит смещение временной фазы между двумя сигналами Vout 1 и Vout 2, происходящими из разбиения мощности.

Следует обратить внимание на тот факт, что простота этой системы кажется очевидной, поскольку входные сопротивления антенны Z1=R1+iX1 и Z2=R2+iX2 являются отдельными функциями компонентов разбиения/сдвига (iψ и iη). Коэффициент R_1,2 двух амплитуд входных токов I1 и I2 задается посредством следующего отношения:

в то время как сдвиг φ _1,2 временной фазы между I1 и I2 задается посредством:

значения ψ и η определяются для получения желаемых R_1,2 и φ _1,2.

Сдвиг φ _1,2 по фазе между двумя сигналами может быть выбран произвольно, но, в целом, он составляет ±90°. Амплитудный коэффициент R_1,2 будет, в целом, установлен равным 1. При этих условиях, ψ и η принимают вид очень простых выражений:

и

Точки 38 и 39 ввода мощности высокочастотного (RF) сигнала для обоих сигналов зависят от резонансного режима m, который должен быть возбужден. При правильном соединении эти конфигурации питания дают в результате смещение 30 во времени распределения синусоидального тока в участках 1-100 цепи, как изображено на Фиг.9. Это смещающееся распределение тока даст в результате очень однородный нагрев плазмы.

Если антенна входит в резонанс, то ее сопротивление представляет собой значительную действительную часть R, которая может составлять несколько сотен Ом, и очень малую мнимую часть iX, близкую к нулю. Чтобы избежать отражений радиочастотных (RF) сигналов на выходе(ах) генератора(ов), могут быть использованы импедансные согласующие схемы. Могут быть использованы и обычные согласующие схемы, но благодаря свойствам сопротивления антенны (большая действительная часть и малая мнимая часть) может быть достигнута последовательная согласующая схема 40, изображенная на Фиг.10. Такая согласующая схема 40 содержит настраиваемые мнимые сопротивления ib и ia и линию передачи, имеющую длину d. В этой системе действительный импеданс Rg, "обнаруживаемый" посредством высокочастотного генератора 20, задается посредством:

где Z₀ является волновым сопротивлением линии 41 передачи; β является номером волны (β=2π/λ, где λ - длина волны) сигнала на частоте ω линии 41 передачи. Тогда с подходящей длиной линии передачи, Rg может быть приведен к выходному действительному импедансу генератора посредством регулирования только одного значения a. Тогда мнимая часть импеданса, "обнаруженного" посредством высокочастотного (RF) генератора 20, может быть приведена к нулю посредством регулирования значения b, и на этом согласование заканчивается.

В следующем параграфе приводятся обычные порядки величины для главных соответствующих параметров относительно плоских антенн при их работе. В качестве примера принимается антенна с фильтром нижних частот с двадцатью двумя участками цепи с одним вводом мощности. Также принимается, что все участки цепи являются идентичными (0,5 м длиной, 6 мм в диаметре), так же как и конденсаторы. Рассматривая ее размеры, отдельные пары участков цепи представляют индуктивность, составляющую приблизительно 0,5 мкH. Предполагается, что следует возбудить резонансный режим m=6 антенны. Частота, на которой произойдет этот резонанс m=6, зависит, разумеется, от емкости C конденсаторов антенны, как изображено на Фиг.15. Например, если использовать высокочастотный (RF) генератор 20 с частотой 13,56 МГц, то потребуются конденсаторы с емкостью, приблизительно, 800 пФ для наблюдения резонанса m=6 на этой частоте.

Фиг.16 изображает типичную простую конфигурацию реактора 50 для плазменной обработки больших поверхностей. Рабочая камера 51 с периферийной стенкой 52 и верхняя плита 53 реактора соединены с нагнетательной системой 54 и с системой 55 ввода отработанного газа и технологического газа-предшественника. Антенна A помещается рядом с верхней плитой 53 реактора и питается посредством высокочастотного генератора 20 с возможной согласующей схемой. Обрабатываемая подложка 56 помещается в держатель 57 подложки в пределах камеры 51 реактора, по существу, параллельно антенне A. Плазма 58 генерируется между подложкой 56 и верхней плитой 53 реактора. Генератор 10 статического магнитного поля (Фиг.12) на этой Фиг.16 не показан. Если должны быть использованы наборы 10 постоянных магнитов, то они могут быть размещены, например, непосредственно под подложкой 56 путем включения их в состав держателя 57 подложки. Электропроводный экран S, обеспечивающий точную настройку резонансных частот, также не показан.

Настоящее изобретение не ограничивается явно описанными вариантами осуществления и охватывает его варианты и обобщения в рамках нижеследующей формулы изобретения.