等離子體反應(yīng)器容器和組件、和執(zhí)行等離子體處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及能夠用于對(duì)基板執(zhí)行等離子體沉積的等離子體反應(yīng)器容器，等離子體 反應(yīng)器容器包括三個(gè)電極以及基板載體，基板載體配置為保持基板，以使得基板上和下表 面的大部分保持未被基板載體或者等離子體反應(yīng)器容器的任何其他部分觸摸。還提供了等 離子體反應(yīng)器組件和執(zhí)行等離子體處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖1圖示常規(guī)的等離子體電容器處理反應(yīng)器100。第一平面電極包括面對(duì)基板11的 金屬板2。第一電極2經(jīng)由入口 3被饋送有RF電壓，并且被接地襯里4包圍?，F(xiàn)代的PECVD反應(yīng) 器將其工藝氣體遞送通過(guò)第一電極，如由分布的箭頭99表示的。平行板電容器的第二電極 為金屬背板8,在其上，基板11放置為通過(guò)它的面1與第二電極8接觸。如圖1所示，基板11可 以插入在背板8中提供的凹陷10中，使得基板11的所暴露的表面11'保持與暴露于等離子體 5的背板8的表面明顯平面連續(xù)性。凹陷10允許保持等離子體邊界沒(méi)有幾何臺(tái)階，雖然在許 多PECVD處理工具中，基板僅僅平放在有時(shí)稱為感受器(在其被提供有熱量時(shí))或夾盤(pán)(在其 迫使晶片變平時(shí)）的平坦的背板上。背板8經(jīng)由連接器9電連接至地。RF入口 3和連接器9可以 顛倒。實(shí)際上，在確保電極2、8之間的電勢(shì)差的條件下，存在關(guān)于在電極2、8兩者上饋送RF功 率的地方的自由度。對(duì)于大多數(shù)常規(guī)的等離子體處理，所遞送的RF功率處于13.56MHz的標(biāo) 準(zhǔn)頻率，但存在對(duì)于基于硅的PECVD使用更高頻率(比如說(shuō)高達(dá)100MHz)的趨勢(shì)。等離子體5 由低壓背景氣的電離小部分制成。對(duì)于PECVD沉積來(lái)說(shuō)，該等離子體由反應(yīng)氣體制成。等離 子體5位于等離子體電容器間隙的中心區(qū)。大致上，在稱為等離子體電勢(shì)(其本身為DC分量 和RF分量的疊加）的單個(gè)給定電壓下，等離子體厚板(slab)5可以認(rèn)為是導(dǎo)電塊。在等離子 體邊界6、7或鞘內(nèi)，等離子體自由電子密度急劇下降并且，在第一次序處（at first order)，等離子體邊界6、7可以認(rèn)為是由RF電流以電容方式跨過(guò)的空的非導(dǎo)電層。在經(jīng)典設(shè) 計(jì)中，基板11正放置為與背板8接觸并且基板1的背面與背板電極8之間的間隔實(shí)質(zhì)上為零。 辛虧該接觸，基板11的RF電壓基本上與背板8的相鄰表面上的電壓相同。其在此暗示，與跨 基板的RF電流相關(guān)聯(lián)的額外阻抗實(shí)際上可忽略。在間隔界面1處的該機(jī)械接觸提供了設(shè)定 在鞘6的邊界處的電壓的良好連續(xù)性。然而，由于該接觸，基板背面實(shí)際上在若干區(qū)域與背 板8摩擦接觸。
[0003] 因?yàn)槠骷阅軐?duì)于界面污染的敏感性，標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)在于在基板進(jìn)入低壓工藝系 統(tǒng)的加載鎖定之前，仔細(xì)地清洗該基板(濕法工藝）。在大氣傳輸期間，基板可以通過(guò)如在 US496976中描述的無(wú)接觸拾取裝置利用伯努力(Bernoul I i )效應(yīng)來(lái)處理，或者通過(guò)僅在位 于基板的恰好的邊緣上的有限區(qū)域中（接觸區(qū)域?qū)τ谟性雌骷墙沟?抓取基板來(lái)處理。 在基板處于低壓處理設(shè)備內(nèi)部時(shí)并且在其暴露于RF等離子體時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐是將基板放置在 金屬對(duì)面板上以便仔細(xì)地設(shè)定基板背面的電壓。實(shí)際上，在等離子體電容器中，RF電流橫向 流至平行的電極平面并且必須提供接地電極和用于RF電流橫穿基板的返回路徑。困難之處 在于，基板背面表面與對(duì)面板之間的物理接觸足以污染基板，從而傳輸化學(xué)污染物或顆粒。 該污染物可以危害基板背面的任何進(jìn)一步的處理。在這一點(diǎn)上，存在兩個(gè)選項(xiàng)，第一個(gè)是在 涂覆一面之后將基板拿回到大氣、翻轉(zhuǎn)基板、徹底清洗背面并且再次加載在低壓系統(tǒng)中以 進(jìn)一步處理基板的另一面。由于真空處理具有與在加載鎖定操作加上加熱/冷卻和除氣中 所消耗的時(shí)間有關(guān)的顯著進(jìn)入成本，這樣具有兩次在真空系統(tǒng)中通過(guò)的工藝順序意味著高 生產(chǎn)成本。第二個(gè)解決方案在于接受背面污染的風(fēng)險(xiǎn)以及可能降級(jí)的器件性能。在晶片頂 面上的沉積同時(shí)將其放置在背板上之后，生產(chǎn)工具的內(nèi)部處理系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)晶片并且繼續(xù)對(duì)于 晶片的另一面的工藝。這是如EP2333814中描述的工藝順序。應(yīng)注意，翻轉(zhuǎn)諸如薄硅晶片的 易碎材料切片在破損的概率方面是相當(dāng)危險(xiǎn)的。該破損風(fēng)險(xiǎn)的主要原因之一是由于缺少大 氣振動(dòng)阻尼。
[0004] US5066340和US6207890中公開(kāi)了異質(zhì)結(jié)單元的制造。基本上，異質(zhì)結(jié)單元的制造 工藝開(kāi)始于薄的良好質(zhì)量的晶體或多晶體硅晶片。晶片可以適度摻雜。為了將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣?電二極管，沉積非晶硅層，其中在一面上P摻雜（硼摻雜）而在相對(duì)面上η摻雜(磷摻雜）。結(jié) 果，從硅晶片生長(zhǎng)出光伏異質(zhì)結(jié)單元。在PECVD生長(zhǎng)之后，晶片的初始粗糙表面（open surface)深深地嵌入器件結(jié)構(gòu)的核心中。由此，容易理解，該器件對(duì)于最初附著于晶片表面 的任何缺陷或雜質(zhì)非常敏感。在基于晶體硅的晶片的涂覆之前，非常重要的是，晶片表面被 極其好地清洗。該清洗在濕法清洗順序的結(jié)束處并入基于氫氟酸暴露的所謂的蝕刻/鈍化 工藝。已知基于HF的蝕刻去除了晶片的氧化表面并且留下清潔的和完美組織的硅晶體的氫 飽和表面。已知該基于氫的鈍化在清潔空氣中繼續(xù)存在數(shù)分鐘。之后很快地，硅再次氧化， 和/或化學(xué)吸附在半導(dǎo)體表面上并入氣體雜質(zhì)。這是因?yàn)榍『迷谧詈蟮奈g刻濕法清洗之后， 硅基板應(yīng)該被快速地引入在加載鎖定中并且保持在清潔的真空機(jī)器內(nèi)部。
[0005] 如果硅晶片被引入真空系統(tǒng)中并且保持平放在基板支架或靜電夾盤(pán)上，其將與其 支撐物物理和化學(xué)接觸。因?yàn)榕c其支撐物的該物理和化學(xué)接觸，存在硅晶片的表面污染的 重大風(fēng)險(xiǎn)。此外，如果晶片兩面上的所有工藝在一個(gè)真空序列中完成，則它是有利的；否則， 如果晶片的一面被涂覆，在基板被拿回到空氣時(shí)，另一面的蝕刻清洗鈍化將受損并且將不 得不再次執(zhí)行(其具有通過(guò)濕法蝕刻已經(jīng)涂覆的晶片面而損壞的風(fēng)險(xiǎn)）。
[0006] 我們?cè)诖藢⒄撌鱿喈?dāng)直接的解決方案，其在于保持基板的背面與作為背板的第二 電極之間的隙距。圖2a圖示等離子體反應(yīng)器的一部分，其包括在基板11與背電極8之間的第 一隙距12并且其中基板11保持在基板載體13中與電極8電接觸。在該配置中，基板背面僅經(jīng) 由與基板載體13的邊緣接觸13 '來(lái)與電極8機(jī)械接觸。然而，基板11的主體與面對(duì)其背面的 電極8處于電容關(guān)系中?；迳媳砻姹┞队诎ǖ入x子體鞘6的等離子體5。在該配置中，橫 向流動(dòng)的RF電流首先跨過(guò)作為真空電容器的等離子體鞘6,隨后跨過(guò)基板11。這是，對(duì)于跨 過(guò)基板11的RF電流的電阻(或電容阻抗)被忽略。RF電流還必須跨過(guò)由第一隙距12構(gòu)成的額 外的電容器，或者可能地，在基板中水平地流動(dòng)。
[0007] 圖2b表示圖2a中示出的等離子體反應(yīng)器的等效RF電路。在該等效電路中，等離子 體鞘6'和第一隙距12分別由電容器CjPC g描述。沿著基板11的表面的電流運(yùn)輸由歐姆平方 表達(dá)的方塊電阻R□描述。等離子體RF電勢(shì)由傳導(dǎo)線15表示。接觸電阻R c表示在邊緣13 '處基 板11與基板載體13之間的電接觸。由于基板保持方案布置為最小化恰好在晶片邊緣處的接 觸表面，合理的是假設(shè)R c非常大并且僅RF電流的可忽略的小部分流經(jīng)接觸點(diǎn)，因此大致上， 我們可以考慮基板為浮置的。在這樣的情況下，跨基板前方的等離子體鞘6 '的驅(qū)動(dòng)電壓Ve3ff 與等離子體5和15與地8和13之間可用的全RF電壓差Vrf之比可以經(jīng)由等式（1)計(jì)算為在經(jīng)典 電容分壓器中： Veff / VrF - Gs / (θβ 6g) (1)， 其中，es為等離子體鞘6'的等效厚度并且％為第一隙距12的寬度。
[0008] 在典型的RF處理中，等離子體es通常被包括在I mm與4 mm之間。如果eg為I mm，則 比率Veff/VRF從80%改變到50%。在沿著表面從電極8前方的鞘6(經(jīng)由導(dǎo)電基板載體13)移動(dòng)至 基板前方的鞘6'時(shí)沿著等離子體鞘的電壓在驅(qū)動(dòng)RF電壓幅度中經(jīng)歷顯著下降，因此等離子 體顯著不均勻。
[0009] 如果基板11與框架13之間的接觸點(diǎn)足以收集顯著部分的RF電流，則基板的水平導(dǎo) 電性可以由于方塊電阻導(dǎo)致的某一阻尼沿著基板傳輸RF電壓。這樣的傳輸可以由電報(bào)員的 等式(telegrapher's equation)描述，其中電壓的橫向擾動(dòng)由等式(2)給出的比例L指數(shù)地 阻尼： L - 2 Gs Og / [ε0 o Rq (gs + Gg)] (2)。
[0010] 篩選長(zhǎng)度L是關(guān)于其RF電壓將從管腳側(cè)接觸改變至等式（I)的浮置情況的距離的 估計(jì)。其可以針對(duì)典型的等離子體處理?xiàng)l件估計(jì)，13，56MHz的頻率、2mm的鞘厚度以及Imm的 第一隙距12。該按比例縮放長(zhǎng)度對(duì)于10 Ω的基板方塊電阻為大約40 cm，對(duì)于100 Ω為13 cm以及對(duì)于1000 Ω為4 cm。在從10至1000 Ω方塊電阻的基板導(dǎo)電性的大范圍中，篩選長(zhǎng)度 絕不顯著大于所感興趣的基板的大??；因此，在任何情況下，基板的水平導(dǎo)電性不能平衡跨 基板的中心與邊緣之間的等離子體鞘的RF電壓。
[0011] 結(jié)果是在第一隙距12存在于基板與背電極之間時(shí)，在基板前方的等離子體鞘6'中 的RF電壓由于與鞘組合以創(chuàng)建電容分壓器的第一隙距而顯著減小。相鄰的等離子體區(qū)具有 跨其鞘6的全RF電壓。在此回想的是，在標(biāo)準(zhǔn)的等離子體電容器中，RF鞘電壓提供用于等離 子體的驅(qū)動(dòng)能量，并且所得到的等離子體密度按照該RF電壓的平方縮放。如我們已經(jīng)估計(jì) 的，在存在第一隙距的情況下，RF電壓比率V eff/VRF減少至80%或更小，這意味著，在基板的接 地邊緣與中心區(qū)之間，等離子體產(chǎn)生密度從100%變化至64%或更小。隨著等離子體中的電子 擴(kuò)散，該等離子體功率不均勻性將橫向涂抹并且工藝不均勻性將從基板邊緣朝向晶片中心 區(qū)伸展。
[0012] 總而言之，基板后面存在隙距的最明顯的結(jié)果之一是差的工藝均勻性。在一些情 況下，該RF鞘電壓變化具有甚至更猛烈的缺陷。特別是對(duì)于基于硅烷的PECVD工藝，較強(qiáng)的 邊緣等離子體將誘發(fā)局部過(guò)度等離子體塵埃形成的早期觸發(fā)?；\罩在局部鞘中的塵埃的捕 獲將甚至進(jìn)一步惡化等離子體均勻性。
[0013] US2013112546公開(kāi)了具有處理腔室的濺射系統(tǒng)，該處理腔室具有入口端口和出口 端口，并且濺射靶位于處理腔室的壁上。其還公開(kāi)了經(jīng)由真空通道連接的多個(gè)處理腔室。
[0014] US2008061041公開(kāi)了等離子體處理設(shè)備，其包括第一電極、第二電極，被提供以便 經(jīng)由工件面對(duì)第一電極以使得第二電極與工件之間形成空間、將氣體供應(yīng)至空間中的氣體 供應(yīng)單元、具有電源的電路，其跨第一和第二電極施加高頻電壓以使得供應(yīng)至空間中的氣 體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體、以及支撐單元，其支撐工件的第二區(qū)域的至少一部分以使得工件與第 一電極間隔分開(kāi)一距離，在所述距離處在跨第一