等离子体处理方法和设备.pdf

具体实施方式

下面将参考本发明的实施例描述一种具有上述结构的等离子体CVD设备。

在该设备中，通过使得电极间耦合电容与阴极和屏蔽壁底面之间的耦合电
容的比率大于通常的设备的比率，并且使导体板按上述方式构成，辐射到放电空
间的功率可得到提高，以进一步增大沉积膜的沉积率。

进一步，由于电极间耦合电容大，可将在调制脉冲上升时的放电开始电压
控制得较低，这样在保持高薄膜形成速度的同时，能够防止在每一调制脉冲周期
中在放电开始时产生的活性原子团混入到薄膜中或者防止离子对薄膜的损坏。进
一步，可以抑制膜形成过程中作为副产品的粉末物质的产生。

进一步，通过采用这种膜形成方法，在大面积反应空间内保持10/秒或更
高的高膜形成速率的同时，能够形成比以前优异的非晶和微晶硅膜，这些硅膜带
有较少的悬空键。进一步，能够形成具有很少光降解作用的半导体薄膜。

应当理解，本发明不仅能够应用到等离子体CVD设备，而且也能够应用到
溅射设备和蚀刻设备，并且还能实现大面积的高速等离子体处理设备。

上述的这些效果是基于下面描述的发现得到的，这些发现是本发明人在各
种不同条件下进行研究的结果。

即，本发明人已经发现：在电容性耦合平行板电极结构中，当导体板以这
样的状态设置在阴极的后侧：相对于阴极和作为相对电极的接地电极的直流电压
绝缘，并且使得由所述导体板后侧的屏蔽壁底面和阴极提供的耦合电容大约为
360pF，电极间耦合电容大于120pF，且选择合适的脉冲调制频率和占空因数
(duty)，并且VHF频带的高频电源由此被调制并被供给放电空间时，能够高速
形成薄膜，同时极大地减少了薄膜的SiH₂含量。进一步，已经发现：可以大大
抑制称之为聚硅烷的作为副产品的粉末物质的产生。

所以，显然每一脉冲上升时的放电开始电压能够被降低，由此能够抑制在
高的放电开始电压时产生活性原子团，并且能够抑制产生群集，进一步，由于放
电开始电压造成的离子对薄膜的损坏也能够抑制，同时改进了高频电源的供给效
率并且以高速度形成薄膜。

在本发明的一个实施例中，通过采用上述结构，并且通过给阴极和接地电
极之间的放电空间供给高频电源，同时以50Hz到100KHz范围内的调制频率进
行脉冲调制，在薄膜中混入的如SiH₂等的活性原子团能够被控制到2％或更低。
作为副产品的粉末物质的产生可被更有效地抑制。

在本发明的一个实施例中，通过采用上述结构，并且通过给阴极和接地电
极之间的放电空间供给高频电源，同时以15％到60％范围内的占空因数进行脉
冲调制，在薄膜中混入的如SiH₂等的活性原子团能够被控制到2％或更低。作为
副产品的粉末物质的产生可被有效抑制。

本发明的该实施例可以有效地用在使用脉冲调制的高频等离子体的沉积膜
形成方法中。尤其是在30Hz到150MHz范围内的脉冲调制效果显著。

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。

图1和图2各自显示出按照本发明的实施例的沉积膜处理设备的一个实例。

在图1和图2中，参考数字1表示形成等离子体CVD室的真空容器。参考
数字2表示气体供给装置，它用于从等离子体CVD室的一个部分提供源气体，
并且在等离子体CVD室的反应空间12内通过高频辉光放电进行沉积膜形成工
艺。参考数字3表示等离子体CVD室加热器，参考数字4表示衬底加热器，参
考数字5表示气体流动方向。参考数字6表示高频电源。

参考数字7表示对着阴极8的接地电极(衬底支架)，参考数字9表示绝缘
体(石英)，参考数字10表示导体板，它设置在阴极8的后侧，并且通过绝缘
体9与阴极8和接地电极7的直流电压绝缘。在图1中设有三个导体板，在图2
中设一个导体板。

参考数字11表示屏蔽壁(屏蔽壳)，参考数字12表示反应空间(放电空间)，
参考数字13表示排气装置，参考数字14表示电极间距离，参考数字15表示脉
冲调制电路，参考数字16表示屏蔽壁底面。

放电空间是这样构成的：阴极8和导体板10大致被屏蔽壁11封闭，由阴
极8和接地电极7提供的电极间耦合电容与由阴极8和导体板10后侧的屏蔽壁
底面提供的耦合电容的比率约为1/3或更大。

然后，通过给阴极8供给高频电源，同时进行脉冲调制，并且通过适当地
调节频率、反应空间压力、电极间耦合电容和源气体种类，能够形成高质量沉积
膜，同时能够在大面积内高速形成薄膜。

这样，能够有效地被抑制当形成沉积膜时作为副产品的聚硅烷粉末的产生，
并可以提供具有很高生产率的沉积膜形成方法和设备。

下面将描述本发明的一些实例，但本发明并不局限于此。

(实例1)

在实例1中，采用本发明的具有图1所示结构的利用等离子体CVD的沉积
膜形成方法和设备进行试验，观察在非晶硅薄膜中SiH₂含量的变化。

反应空间为510mm×510mm，阴极尺寸为504mm×504mm，电极间耦合电容
(40pF)与阴极和屏蔽壁底面的耦合电容(210pF)之间的比率(下称“电极耦
合电容比率”)约为1/5。

膜形成工艺通过下列步骤完成。首先，用排气装置将真空容器1抽真空到1Pa
或更低。然后，以100sccm的流速引入氩气，将反应室内的压力保持在13Pa。

然后，将电源供给到衬底加热器，保持这种状态2小时。当等离子体CVD
室内的衬底温度变得稳定时，停止引入氩气，并且从气体供给装置2以500sccm
的流速供给源气体SiH₂和以1000sccm的流速供给用于稀释的氢气。

然后，将等离子体反应空间内的压力控制到133Pa，用10KHz的调制频率
和50％的占空因数调制VHF 30MHz和800W的高频电源，并供给到阴极，膜的形
成过程进行8分钟。这样，供给VHF频带的高频电源来在硅片衬底上沉积非晶
硅膜。

接下来，停止高频电源的供给，并且源气体和稀释气体的供给和加热电源
的供给均停止。然后，排空真空容器和排气装置，用N₂使这些装置的压力达到
大气压。

之后，用FT-IR(商标名：1720X，Parkin Elmer公司制造)按照透射法通
过红外吸收光谱的2007cm^-1(SiH)和2085cm^-1(SiH₂)的吸收量测量并计算沉积在
硅片衬底上的非晶硅膜中的氢原子含量。

结果，在非晶硅膜中的SiH₂含量高达27％。另外，聚硅烷粘敷到放电空间，
不能够获得质量良好的薄膜。

下一步，改变电极间距离以将电极耦合电容比率改变为1/3，并且按照上述
过程进行膜形成工艺。

当电极耦合电容比率为1/3时，没有产生聚硅烷，放电变得平稳

之后，按照上面提到的方法测量在样品衬底上这样形成的薄膜中的SiH₂含
量，结果良好，该含量为1.9％。

进一步，当电极间的距离减小，将电极耦合电容比率增加到1/1时，按照
上述过程进行膜形成工艺，并且按照上述方法测量样品衬底上形成的薄膜中的
SiH₂含量，结果优异，该含量为0.2％。

(实例2)

在实例2中，采用本发明的具有图1所示的结构的利用等离子体CVD的沉
积膜形成方法和设备进行试验，根据调制频率的变化，观察在非晶硅薄膜中SiH₂
含量的变化和光/暗电导率的变化。

反应空间为860mm×510mm，阴极尺寸为854mm×504mm，电极耦合电容比率
为1/1。

膜形成工艺通过下列步骤进行。首先，用排气装置将真空容器1抽真空到1Pa
或更低然后，以100sccm的流速引入氩气，将反应室内的压力保持在13Pa。

然后，将电源供给到衬底加热器，保持这种状态2小时。当等离子体CVD
室内的衬底温度变得稳定时，停止引入氩气，并且从气体供给装置2以500sccm
的流速供给源气体SiH₂和以1000sccm的流速供给用于稀释的氢气。

然后，将等离子体反应空间内的压力控制到133Pa，用50KHz的调制频率
和50％的占空因数调制VHF 60MHz和800W的高频电源，并供给到阴极，膜形成
工艺进行8分钟。这样，供给高频电源以在一个玻璃衬底上和一个硅片衬底上沉
积非晶硅膜，每一衬底的尺寸分别为854mm×504mm。

接下来，停止高频电源的供给，并且源气体和稀释气体的供给和加热电源
的供给均停止。然后排空真空容器和排气装置，用N₂气体使这些装置的压力达
到大气压。

随后，调制频率变化到200KHz，按上面提到的过程重复膜形成工艺，以产
生非晶硅膜样品。

接着，采用实例1中描述的测量方法测量并计算沉积在硅片衬底上的每一
非晶硅膜中的氢原子含量。

另外，间隙为250μm、总长度为5cm的梳状电极被蒸发在沉积到玻璃衬底
上的每一非晶硅膜上，并且采用由以4E15光子/cm²·秒强度发射633nm的光线的
激光器、电源和微安计构成的光敏度测量装置(商品名：4140B，HP公司制造)，
测量光电导率σp(S/cm)和暗电导率(dark conductivity)σd(S/cm)，然
后计算光电导率和暗电导率的比率(σp/σd；称之为“光/暗电导率比率”)。

结果，如图5所示，在调制频率从50Hz到10KHz时在非晶硅膜中的SiH2含
量小于1原子％，获得很好的结果，并进一步获得良好的结果，即，光/暗电导
率比率σp/σd为5或更大的数值。此外，在100KHz的调制频率下获得1.8原
子％的良好结果。

图3是一曲线图，表示当在上面描述的10KHz的脉冲调制频率下测量时，
根据衬底表面上的位置，膜形成速率(沉积速率)的分布；图4是一个曲线图，
表示在上面描述的10KHz的脉冲调制频率下获得的光电导率、暗电导率和光/暗
电导率比率的变化。在图3和图4中，横坐标上的位置表示沿图1中气流方向5
中衬底上游端的距离。

(实例3)

在实例3中，采用本发明的具有图1所示结构的等离子体CVD方法的沉积
膜形成设备，并按照实例2中描述的过程在调制频率为10KHz、占空因数从10％
变化到80％的情况下，确定每一非晶硅膜中的SiH₂含量。

等离子体反应空间为860mm×510mm，阴极尺寸为854mm×504mm，电极耦合
电容比率设置为1/1。1000sccm流速的用于稀释的氢气和500sccm流速的源气
体SiH₄流入等离子体反应空间。反应空间压力被保持在133Pa。VHF 60MHz的高
频电源在上面提到的条件下被脉冲调制，并施加到阴极，膜形成工艺进行10分
钟，分别在一个硅片衬底和一个玻璃衬底上沉积非晶硅膜。

然后，采用实例1和2中描述的测量方法测量和计算所沉积的非晶硅膜的
红外吸收光谱和光/暗电导率。

结果，对于从15％到60％的每一占空因数，薄膜中的SiH₂含量为1原子％或
更低，如图6所示，光/暗电导率比率σp/σd为5或更大的数值，这是一个很
好的结果。可是，当占空因数为10％时，放电变得不稳定。

(实例4)

在实例4中，反应空间为510mm×510mm，阴极尺寸为504mm×504mm，电极
耦合电容比率设置为2/1。

按照实例2描述的过程进行膜形成工艺。为了形成膜，使500sccm流速的
源气体SiH₂和1000sccm流速的用于稀释的氢气流入等离子体反应空间。

然后，等离子体反应空间内的压力被控制在133Pa，并且用10KHz的调制
频率和50％的占空因数脉冲调制VHF 150MHz和800W的高频电源，并供给到阴极，
膜形成工艺进行10分钟。这样，供给VHF频带的高频电源，分别在一个玻璃衬
底上和一个硅片衬底上沉积非晶硅膜。

接下来，停止VHF频带的高频电源的供给，随后源气体和稀释气体的供给
和加热电源的供给均停止。然后，排空真空容器和排气装置内部，用H₂气体使
这些装置的压力达到大气压。

然后，采用实例1和实例2中描述的测量方法测量并计算在玻璃衬底和硅
片衬底上的非晶硅膜的红外吸收光谱和光/暗电导率。

结果，非晶硅膜的SiH₂含量为0.2原子％，这一结果被评价为良好的非晶硅
膜。

(比较例)

在一个比较例中，反应空间为860mm×510mm，阴极尺寸为854mm×504mm，
电极耦合电容比率设置为1/1。在500sccm的源气体SiH₄流速、1000sccm的氢
气流速、133Pa的膜形成压力、60MHz和400W的高频电源的条件下，在不加脉
冲调制的情况下，将高频电源供给到放电空间。按照实例2所述的过程进行膜形
成工艺。

然后，采用实例1所述的测量方法测量红外吸收光谱。

结果，在薄膜中的SiH₂含量为2.2原子％，这一结果显示出薄膜质量劣于加
脉冲调制时形成的薄膜质量。

(实例5)

在实例5中，采用本发明的具有图1所示结构的利用等离子体CVD的沉积
膜形成设备，并采用10KHz的调制频率和50％的占空因数在玻璃衬底上沉积微晶
硅膜。

等离子体反应空间为510mm×510mm，阴极尺寸为504mm×504mm，电极耦合
电容比率设置为1/2。2000sccm流速的用于稀释的氢气和50sccm流速的气体SiH₄
流入等离子体反应空间，并且将玻璃衬底加热并保持到300℃。反应空间内压力
被保持在266Pa。

VHF 60MHz和1200W的高频电源在上面提到的条件下被脉冲调制，并施加
到阴极，膜形成工艺进行60分钟，在一个玻璃衬底上沉积微晶硅膜。然后，当
沉积的微晶硅膜使用Raman分光镜(商品名：NRS200C，Nihon Bunko公司制造)
测量时，在520cm^-1附近观察到急剧的信号上升，从而证实了结晶性。

已经证实，当电极耦合电容比率被设置为1/2，远大于常规比率1/5，并且
在脉冲调制下供给高频电源时，与常规方式获得的薄膜相比结晶性得到改进

如上所述，按照上面提到的本发明的实施例，采用特别是硅基非晶或微晶
薄膜等的半导体可以改进产品的生产率，并且可以以高速度大面积地形成比常规
产品质量好的硅基非晶或微晶薄膜等的半导体。此外，在所制成的产品中不存在
缺陷，能够形成没有光降解作用的较高质量的实用薄膜和高质量的薄膜，

另外，在使用等离子体CVD方法、溅射方法等的沉积膜形成过程中，也可
以实现大面积等离子体，并且在没有缺陷的情况下能够实现沉积膜的处理，而这
在常规技术中是不能实现的。此外，本发明可被应用到等离子体蚀刻技术中，并
获得良好的结果。