等离子体化学气相沉积系统及涂覆衬底两侧的方法 【技术领域】
本发明涉及等离子体化学气相沉积(CVD)系统及涂覆衬底两侧的方法，尤其是涉及可用材料均匀涂覆衬底两侧的等离子体CVD系统和方法。
背景技术
通常，塑料衬底比玻璃衬底轻，且更不易破碎。从而，近年来，作为用于薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)的玻璃衬底以及用作有机电致发光(EL)衬底的材料的替代品，塑料衬底已经得到积极地发展。由于与硅或者玻璃衬底相比，塑料衬底具有更小的硬度，从而其易于受外力弯曲。
尤其是，对于TFT LCD或者有机EL显示器，诸如非晶硅层、金属层、氧化硅层和氮化硅层的各个层向该衬底施加高应力。由于硅或者玻璃衬底具有足够的硬度以抵制该高应力，从而该高应力对于这些衬底来说可能并非致命问题。然而，高应力对于塑料衬底来说可能是致命的，其可能恶化对准并破裂所沉积的各层。
在TFT LCD制造工艺中，在沉积用作层间介电(ILD)层和金属间介电(IMD)层的3000-6000厚的氧化硅层的过程中，向衬底施加最高应力。从而，当氧化硅层涂覆于衬底的第一侧时，该衬底将受到剧烈弯曲。结果，即使在翻转该衬底并在其第二侧上涂覆氧化硅层时，将在弯曲部分产生破裂。
图1A至1C示出根据现有技术在衬底两侧涂覆氧化硅层的情况。
图1A示出一塑料衬底，该塑料衬底由于利用感应耦合(inductive coupling)式等离子体CVD在第一侧上涂覆3000厚的氧化硅层102而严重弯曲。
图1B示出具有依次涂覆有氧化硅层地两侧的塑料衬底101。虽然该塑料衬底101是平坦的，但是可能的裂纹103产生于塑料衬底101的周边部分，所述周边部分以相对较高的曲率受到弯曲。
图1C示出破裂部分的金属断面显微图。也就是，塑料衬底101由在塑料衬底101的第一侧沉积3000厚的氧化硅层102而受到剧烈地弯曲。为了平整该受到弯曲的塑料衬底101，将其翻过来并在其第二侧上沉积3000厚的氧化硅层。在此情况下，虽然平整了塑料衬底101，但是在塑料衬底101的周边部分产生了裂纹103。因此，为了防止产生裂纹，应该在塑料衬底的两侧上同时沉积氧化硅层。
于是，提出了两侧涂覆方法以防止上述问题。在制造硬盘和太阳能电池中也需要两侧涂覆方法。因此，已经提出了多种用于执行该两侧涂覆方法的CVD设备。日本专利公开No.H14-093722公开了一种用于涂覆太阳能电池的硅衬底两侧而不用翻转该硅衬底的CVD系统。此外，日本专利公开No.H14-105651公开了用于用类金刚石碳(DLC)涂覆硬盘两侧的配置有细丝线圈的两侧涂覆设备。在这些专利中公开的设备是采用阴极和阳极的电容性等离子体CVD系统。
然而，这种电容性等离子体CVD系统的问题在于，用作阳极的后板应该设置在高阻值衬底或者介电衬底的后表面上以形成衬底上的薄膜。如果不用后板，由于高频电流难以沿该衬底流动，衬底的表面上的等离子体密度显著降低。从而，位于中心部分的薄膜和位于周边部分的薄膜之间可能存在厚度差异，导致薄膜特性的不一致性。衬底的尺寸越大，上述问题越严重。从而，在涂覆衬底中难以实际应用电容性等离子体CVD系统。
为了解决电容性等离子体CVD系统的这些问题，PCT公告No.WO2002/581,121公开了一种感应耦合式等离子体生成设备。
图1D和1E示出了此类感应耦合式等离子体CVD系统。
如图所示，两个感应耦合电极11和11′设置于腔室12中。衬底13安装在电极11和11′之间的衬底支座14上。腔室12配置有反应气体注入孔15和15′以及形成于反应气体注入孔15和15′相对侧的气体排出孔16。
在气体注入孔15和15′处生成的等离子体扩散以抵达衬底13。从而，即使当衬底为高阻衬底或者介电衬底时，高频电流的密度也不会发生变化，而不用考虑衬底的位置。然而，由于感应耦合式电极11和11′形成于腔室12中，所以通过腔室12中电极11和11′之间产生的等离子体溅射或者起弧现象(arching phenomenon)使杂质可能与将沉积于衬底12上的材料混合。
此外，由于感应耦合式电极11和11′固定于腔室12中，因此不可能调节电极11和11′的位置。从而，难以改变等离子体的密度。在单侧涂覆设备的情况下，由于不可能垂直移动衬底，从而可以在衬底和电极之间等离子体密度最均匀的地方实现涂覆。然而，如图1D和1E所示，由于其间设置衬底13的电极11和11′是对称设置的，所以当移动移动衬底13以在衬底的一侧上均匀沉积一层时，另一侧上的均匀性就会恶化。
【发明内容】
本发明提供了一种用于沉积衬底两侧的等离子体CVD系统，其设计为均匀地分布等离子体密度以在衬底的两侧上提供均匀涂覆层。
根据本发明的一方面，提供了一种等离子体化学气相沉积系统，其包括：配置有气体注入孔的腔室；安装在该腔室上的气体排放单元；设置在该腔室的中心区域以在暴露该衬底两侧的状态下支撑衬底的衬底支座；以及生成感应磁场的第一和第二线圈，该第一和第二线圈分别绕该腔室的上、下外周边设置。
该衬底支座可设置为封闭该衬底支座的外周边。
该气体排放单元可在内周边配置有内侧气体排放孔，并且在外周边配置有外侧排放孔，该腔室中的气体通过该内侧气体排放孔排出，而该外侧排放孔连接于泵。
该内侧气体排放孔可形成于气体排放单元内周边的至少两部分上，内侧排放孔的各尺寸随着其远离外侧排放孔而增大。
该第一和第二线圈由螺旋型线圈或者扁平天线型线圈中的一种形成，并设置为可沿该腔室的外周边移动，从而可调节第一和第二线圈之间的距离。
该第一和第二线圈可相对于该衬底支座对称设置。
该第一和第二线圈的第一端共用高频发生器并且该第一和第二线圈的第二端分别连接于第一和第二调谐电容器。
该气体注入孔对称地形成于该腔室的相对端部上。
根据本发明的另一方面，提供了一种等离子体化学气相沉积方法，该方法包括：在配置有气体注入孔和气体排出孔的腔室的中心区域中的衬底支座上设置衬底；以及通过向其间设置有该衬底的第一和第二线圈施加高频而在该衬底的两侧上生成均匀感应磁场，从而在该衬底两侧上形成均匀薄膜。
【附图说明】
通过参照附图对本发明的示例性实施例进行详细说明，本发明的上述和其他特征和优点将变得更明显，其中：
图1A是塑料衬底的视图，其通过根据现有技术在该塑料衬底的第一侧上涂覆氧化硅层而严重弯曲；
图1B是示出根据现有技术将图1中所示的塑料衬底翻转并在该塑料衬底的第二侧上涂覆氧化硅层的状态的视图；
图1C是使用传统等离子体CVD系统涂覆于塑料衬底上的氧化硅层的破裂部分的金属断面显微图；
图1D和1E是传统感应耦合式等离子体CVD系统的视图；
图2A是根据本发明实施例的等离子体CVD系统的剖视图；
图2B是用于根据本发明实施例的等离子体CVD系统的气体排放单元的视图；
图3A是示出当线圈设置在等离子体CVD系统的腔室一侧时磁场分布的示图；
图3B和3C是示出当两线圈设置在根据本发明的等离子体CVD系统的腔室两侧时磁场分布的示图；
图4A至4C是示出根据线圈结构和本发明的等离子体CVD系统的线圈之间的距离的磁场分布的示图；以及
图4D是示出根据本发明的等离子体CVD系统的腔室的内圆周的等离子体密度分布在衬底上等离子体密度分布的示图。
【具体实施方式】
下面参照附图将更全面说明本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施并且不应理解为限于在此描述的实施例；提供这些实施例以使该公开是详尽和完全的，并且将向本领域技术人员充分表述本发明的概念。
首先参照图2A，将沉积以所需材料的衬底22被安装在腔室21中的衬底支座22′上。生成感应磁场的第一和第二线圈23和23′相对于衬底22绕腔室21的上、下周边设置。第一和第二线圈23和23′可以是彼此相对的螺旋型线圈或者扁平天线型线圈(flat antenna type coil)。线圈23和23′的第一端电连接至匹配器25，该匹配器25连接至高频发生器24，而线圈23和23′的第二端分别连接至调谐电容器C1和C2。如上所述，本发明的特征在于生成感应磁场的线圈23和23′绕腔室21的上、下周边设置。
腔室21配置有多个气体注入孔，用于生成等离子体的气体和将沉积于衬底22的反应气体可通过这些注入孔注入腔室21中。为了涂覆衬底22的两侧，注入孔可对称地形成于腔室21的两侧上。然而，本发明并不局限于此结构。
气体排放单元26绕腔室21的中部周边设置。可适当调节气体排放单元26的排放孔的尺寸，以均匀地将反应气体排出腔室21。
图2B示出气体排放单元26的实施例。
气体排放单元26在内周边上配置有内侧气体排放孔26a并且在外周边上配置有外侧排放孔26b，其中腔室21中的气体通过内侧气体排放孔26a排出，而外侧排放孔26b连接泵(参见图2A)。内侧排放孔26a的尺寸随着它远离外排放孔26b而增大，以均匀地将气体排出腔室21。
在上述等离子体CVD系统中，通过绕腔室上、下周边设置的线圈23和23′可在腔室21中产生均匀的等离子体。均匀产生的等离子体扩散至设置在线圈23和23′之间的腔室内中心部位的衬底22上，从而在衬底22的两侧上均匀地形成所需层。腔室21由石英管形成。线圈23和23′设计为沿腔室21的外周边自由移动，从而使得可以调节在衬底22和腔室21中等离子体生成部分之间的等离子体密度分布。即使在线圈23和23′设计为不能自由移动时，由于线圈23和23′分别连接与电容器C1和C2，所以可以调节向线圈23和23′施加的电流量。从而，等离子体密度分布可通过调节向线圈23和23′施加的电流量而得以调节，而无需移动线圈。线圈23和23′共用匹配器25，该匹配器25连接于产生感应电流的高频发生器24。
线圈23和23′可设置在腔室21中。然而，在此情况下，可能由等离子体产生溅射现象而生成可沉积于衬底22上的杂质。从而，优选的是，线圈23和23′绕腔室21的外周边设置。此外，更为优选的是，线圈23和23′设置为可沿腔室21的外周边移动，从而可调节线圈23和23′之间的距离。由于线圈23和23′彼此面对地设置，共用高频发生器24，所以它们可同时在腔室21中施加磁场。当线圈23和23′设置在腔室21的两侧时，可在腔室内分布更均匀的磁场。
下面将简述用于利用上述等离子体CVD系统在衬底的两侧沉积材料的工艺。
将诸如Ar的惰性气体通过气体注入孔注入腔室21中，以在衬底22的两侧生成等离子体。惰性气体等离子体扩散至衬底22的两侧，以溶解注入衬底22周围的沉积材料气体(即气体3)，从而在衬底22上沉积预定层。
所沉积的层的均匀性取决于衬底22上的等离子体密度和均匀气流。现有的单侧CVD系统配置有形成于衬底支座的下部的排放孔，从而可绕衬底居中地形成排放气体气流。然而，在衬底悬置于腔室的中心区域的两侧CVD系统中，难以形成绕衬底的均匀气流。从而，在本发明中，气体排放单元26设置在衬底22周围，该气体排放单元26具有外侧排放孔26b和内侧排放孔26a，内侧排放孔26a的尺寸随着远离外侧排放孔26a而增加，从而生成均匀气流。
下面将说明利用本发明的上述等离子体CVD系统在塑料衬底上沉积薄膜的工艺。
在塑料显示器的TFT制造工艺中，通过等离子体CVD系统沉积诸如保护层、层间介电层和金属间介电层的氧化硅层。塑料显示器必须具有高透明度，以使其可具有多种用途。从而，在有机衬底和无机沉积层之间涂覆透明氧化层作为保护层，以提供其间的粘附强度。由于氧化硅层是透明的，即使在涂覆衬底的两侧时，塑料衬底的透明度也不会恶化。
首先将塑料衬底安装在图2A所示的等离子体CVD的衬底支座22′上。为了使腔室21处于高真空状态，将腔室21中的气体抽出并且向腔室21中注入生成等离子体的诸如Ar的惰性气体。从高频发生器24向线圈23和23′施加高频以在腔室21中生成等离子体。然后，将反应气体SiH4和N2O通过反应气体注入孔26、26′、27和27′注入腔室21中以在衬底的两侧涂覆氧化硅层，该氧化硅层是保护层。在此，在腔室21中生成的等离子体均匀分布于衬底22的两侧，从而在衬底22的两侧均匀沉积氧化硅层。
层间介电层和金属间介电层也通过采用等离子体系统的相同工艺形成于衬底的两侧。在完成沉积工艺或者在沉积工艺进行过程中，腔室21中的气体由气体排放单元26通过内侧和外侧排放孔26a和26b排出腔室21。如上所述，气体排放单元26设计为具有双排气孔26a和26b并且内侧排放孔26a的尺寸随着其远离外侧排放孔26b而增大。
参照图3A至3C，将比较当仅在腔室的一侧上形成线圈时产生的磁场和当在腔室的两侧上都形成线圈时产生的磁场。
图3A示出当在腔室的一侧上设置线圈时磁场分布的曲线。
图中，水平轴R表示在腔室左部沿线圈缠绕方向的距离，而垂直轴Z表示形成于线圈中沿磁场方向的距离。
如该曲线所示，当线圈仅形成于腔室的一侧上时，磁场是不均匀分布的，而是其宽度与离线圈的距离成比例的增加。也就是，在等离子体中生成的电子沿磁场的运动变得无规则并且等离子体密度根据衬底上的位置而变化。
然而，如图3B和3C所示，当两个线圈以接近对称的结构设置在腔室两侧时，通过由线圈形成的磁场之间的相互干扰在设置于线圈之间的衬底周围分布均匀磁场。此外，即使当线圈之间的距离发生变化，也可保持均匀磁场。从而，当相对的两个线圈用于涂覆衬底的两侧时，可在衬底上形成更加均匀的等离子体密度。
虽然如图3B和3C所示可通过调节线圈之间的距离来调节等离子体密度分布，其也可以通过如图2A所示的将线圈连接于相应的电容器上并改变感应电流来加以调节，而不用改变线圈之间的距离。
虽然图3B和3C示出同相电流沿线圈流动的情况，但是可应用反相电流沿线圈流动的情况。在此，图4B和图4C中示出根据线圈之间的距离的磁场分布，其中反相电流沿线圈流动。
图4A示出当如图2A所示设置在腔室21周围的线圈23和23′的电流方向彼此不同时磁场分布的曲线，图4B和4C示出当线圈之间的距离(D＝12cm，20cm)变化时根据衬底的R值的磁场分布曲线。
参照图4B和4C，即使当沿线圈流动反相电流时，形成于垂直方向上的磁场Bz是均匀的，没有受到线圈之间的距离D的影响。然而，同心圆方向上的磁场Br根据线圈之间的距离D的变化而显著变化。也就是，当距离从20cm降低至12cm时，磁场强度随着衬底的R值从0增大而提高。也就是，等离子体密度随着其从腔室21的室壁向腔室21的中心而降低。在实际应用中，这种等离子体分布有助于在衬底22周围提供均匀径向等离子体密度。
图4D示出根据在腔室21的内周边上的等离子体密度分布在衬底上的等离子体密度分布的示图。电子易于在腔室21的室壁上扩散而恶化等离子体的效率。从而，当等离子体密度在接近腔室21的室壁部分很高时，安装在腔室21的中心部分的衬底22上的等离子体密度如图4D所示均匀分布，从而在衬底22上均匀形成薄膜。
根据上述本发明，可能形成于一侧涂覆的柔性衬底(例如塑料衬底)上的裂纹不会形成于涂覆在柔性衬底的薄膜中，可获得采用该塑料衬底的高质量塑料显示器或者高质量装置。
此外，由于生成等离子体的线圈布置在腔室的外周边上，可防止由于等离子体和电极之间的溅射现象而产生杂质。
此外，由于线圈的位置可易于沿腔室的外圆周位移，所以可在所需工艺条件下在衬底周围分布均匀等离子体密度。当同相或者反相电流沿线圈流动时，可在同心圆方向上改变等离子体密度。从而，可在衬底上简便地获得均匀等离子体密度。
此外，由于用于将气体排出腔室的气体排放单元设计为具有连接于泵的主排放孔和子排放孔，子排放孔的尺寸随着其远离主排放孔而增大。
虽然已经参照本发明的示例性实施例详细示出并说明了本发明，但是本领域技术人员应该理解的是，在不脱离由所附权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下可在形式和细节上进行各种变化。