[发明专利]在射频等离子体中控制离子能量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及通过暴露给低压等离子体及气体来改进表面及材料的领域。

交叉引用

本申请要求于2008年3月20日的美国临时申请61/038,263的权利和优先权。此处，将美国临时申请61/038,263整体合并作为参考。

背景技术

众所周知，现有技术中在确定等离子体处理如何影响工件方面，离子的通量(flux)和能量是非常重要的。在等离子体处理中，已经有几种不同的调节离子能量的方法，但没有一个是可以普遍适用的。

科本和凯在J.Appl.Phys 43(12)：4965-4971(1972)(以后简称科本)描述了一种基于几何形状的直流(DC)偏移效应(offset effect)，其取决于施加在浸没于等离子体中且具有不同表面积的电极上的射频(RF)电压。科本的方法在半导体产业中普遍用于集成电路的制造，其通过将晶圆放置到浸没于等离子体中的电极上而实现。一般而言，真空室壁起到第二个电极的作用，且比带有晶圆的电极具有明显更大的表面积。这导致撞击晶圆的离子的平均能量增加。当工件具有非常大的表面积时，这一技术就不能适用，因为真空室壁会大得惊人。一个例子是使用薄膜制造的光伏组件。这些组件一般具有大于一平方米的表面积。

目前，还开发了其它一些方法，其在一个或多个电极上施加多倍的RF电压。博伊尔、艾伦堡和特纳在J.Phy.D：Appl.Phys杂志37：697-701(2004)(简称博伊尔)描述了低频如何调制离子能量，及高频如何控制等离子体的产生。博伊尔的摘要指出“在这种放电状态下，低频分量主要结合至离子，而高频分量主要结合至电子。因此，低频分量控制了离子能量，而高频分量控制了等离子体密度。很明显，并不是对于放电的任意配置，都可以达到这种理想的行为，一般而言，总会有一些不需要的离子通量及能量的耦合。

博伊尔描述的方法一般用于半导体产业，但在允许对离子通量及能量的独立控制中，仅仅取得了部分成功。由于高频RF电压引起的驻波效应，博伊尔所描述的方法也难以适用于较大的工件。

发明内容

本发明实施方式提供了一种方法，其能在暴露于等离子体的电极鞘层的电场中电诱导出非对称性。这种诱导出的非对称允许独立控制撞击表面的离子的能量和其通量。本发明实施方式解决了现有技术的技术缺陷。本发明实施方式能够用于等离子处理任意大表面积的基片，并且具有明确的方法来调节离子能量。

通过在放电过程中施加一个或多个RF电压，能够独立地控制离子能量和离子通量。与现有技术间的不同是，在本发明实施方式中，所施加的RF电压中两个或更多的谐波分量(harmonic component)互为偶次谐波，且它们具有一个可控的相对相位(relative phase)。附录提供了更多背景信息及本发明其它优点的描述；附录还提供了如何通过控制所施加的RF电压的谐波分量的相对相位，来调节直流偏压和离子能量的例子。

本发明的实施方式涉及在等离子体鞘层(plasma sheath)区域的电场中形成非对称的方法。在鞘层区域中的平均电场影响离子撞击工件时具有的能量。结果，这种鞘层中的不对称使得在等离子处理过程中，工件所接收到的离子通量和离子能量可以被独立控制。本发明的实施方式是通过在放电过程中通过施加RF电压而工作。RF电压由至少两个互为偶次谐波且具有可控相对相位的谐波分量组成。

如独立权利要求1所述，本发明提供了一种在等离子体操作装置中的至少一个电极前、通过施加RF电压而建立DC偏压的方法。从属权利2至27中描述了具体的实施方式。注意，为了使RF电流通过等离子体进行传导，其传导路径很明显需要两个或更多的电极。然而，在本领域，典型的说法是为了放电增加一单独的电极。在这种情况下，可以理解为第二个电极是真空室壁的一部分或另一表面，如作为电极的真空泵的一部分。这种建立DC偏压的方法是具有的优点是，能够独立地控制暴露给等离子体的工件或基片(substrate)的离子通量和离子能量。而现有的方法不允许对这两个等离子体处理参数进行如此独立地控制。特别地，本发明的方法允许对于具有较大表面积的工件的离子通量及离子能量进行控制。