PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA GENERAR PLASMA Y PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA FABRICAR UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR.

Un procedimiento de generación de un plasma de descarga que comprende las etapas de:

(a)oponer un electrodo (303, 313, 323, 323a) de descarga que tiene una porción de descarga sustancialmente plana a un sustrato para ser tratado en un recipiente (2, 2C, 2J, 2K) de reacción al vacío de tal modo que dicho electrodo de descarga y dicho sustrato estén sustancialmente paralelos entre sí;

(b)evacuar dicho recipiente de reacción al vacío y suministrar un gas de tratamiento a un espacio entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato; y caracterizado por

(c)aplicar energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga de tal modo que una envolvente que representa la distribución espacial de una tensión f de alta frecuencia en dicho electrodo de descarga cambie y se desplace según una función que incluye el tiempo como parámetro, generando con ello un plasma de descarga del gas de tratamiento entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato, con una distribución promediada de la amplitud de tensión de la tensión f de alta frecuencia generada sobre dicho electrodo de descarga en un tiempo completo de tratamiento mediante el movimiento de la envolvente

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E01100093.

Solicitante: MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD..

Nacionalidad solicitante: Japón.

Dirección: 5-1, MARUNOUCHI 2-CHOME, CHIYODA-KU,TOKYO.

Inventor/es: MURATA, MASAYOSHI, YAMAKOSHI,HIDEO,MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD, SATAKE,KOJI,MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD, TAKEUCHI,YOSHIAKI,MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIESLTD, MASHIMA,HIROSHI,MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD, AOI,TATSUFUMI,MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD.

Fecha de Publicación: 28 de Septiembre de 2010.

Fecha Solicitud PCT: 11 de Enero de 2001.

Fecha Concesión Europea: 23 de Junio de 2010.

Clasificación PCT:

H01J37/32 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01J TUBOS DE DESCARGA ELECTRICA O LAMPARAS DE DESCARGA ELECTRICA (espinterómetros H01T; lámparas de arco, con electrodos consumibles H05B; aceleradores de partículas H05H). › H01J 37/00 Tubos de descarga provistos de medios o de un material para ser expuestos a la descarga, p. ej. con el propósito de sufrir un examen o tratamiento (H01J 33/00, H01J 40/00, H01J 41/00, H01J 47/00, H01J 49/00 tienen prioridad). › Tubos de descarga en atmósfera gaseosa (calefacción por descarga H05B).

Clasificación antigua:

H01J37/32 H01J 37/00 […] › Tubos de descarga en atmósfera gaseosa (calefacción por descarga H05B).

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento y aparato para generar plasma y procedimiento y aparato para fabricar un dispositivo semiconductor.

La presente invención versa acerca de un procedimiento de generación de un plasma de descarga, un aparato de generación de plasma de descarga, un procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor y un aparato de fabricación de un dispositivo semiconductor usados en la deposición de películas delgadas de semiconductores, como silicio amorfo, silicio nanocristalino, silicio policristalino y nitruro de silicio para su uso en diversos dispositivos electrónicos, como una célula solar basada en Si amorfo, una célula solar basada en una película delgada de Si policristalino, un LCD (pantalla de cristal líquido), un transistor de película fina de un panel de pantalla plana, un cuerpo fotosensible de una máquina fotocopiadora y un dispositivo grabador de información, o usados en el decapado de películas finas de elementos semiconductores.

Hay una demanda creciente cada año de tecnologías de tratamiento de superficies que usan un plasma de descarga de un gas reactivo para aumentar la superficie y la velocidad de tratamiento en la fabricación de diversos dispositivos electrónicos. Para satisfacer estas necesidades, se vienen realizando recientemente mucha investigación y muchos desarrollos, no solo en el mundo industrial, sino también en las sociedades doctas, particularmente para el uso de la deposición química de vapor por plasma (a la que se aludirá como PCVD en lo sucesivo) y un suministro de energía de frecuencia muy elevada (VHF) que tiene una frecuencia de 30 a 800 MHz.

Se dan a conocer aparatos y procedimientos para la generación de un plasma de descarga de un gas reactivo en la Publicación KOKAI de solicitud de patente japonesa nº 8-325759 (a la que se aludirá en lo sucesivo como referencia 1) y en L. Sansonnens et al., "A voltage uniformity study in large-area reactors for RF plasma deposition", Plasma Source Sci. Technol. 6(1997), pp. 170-178 (a la que se aludirá en lo sucesivo como referencia 2).

Desgraciadamente, el decapado de PCVD convencional y de plasma tiene los siguientes problemas.

(1)El primer problema es el aumento de tamaño de un sustrato que deba tratarse. Aumenta la necesidad de células solares de gran tamaño y de paneles LCD de pantalla plana. Cuando se forma una película de silicio amorfo (a la que se aludirá en lo sucesivo como película Si-a) sobre un sustrato de 50 cm × 50 cm mediante el procedimiento PCVD convencional, la distribución del espesor de la película es, por ejemplo, según se muestra en la Fig. 6A. Además, cuando se forma una película SI-a sobre un sustrato de 100 cm × 100 cm mediante el procedimiento convencional, la distribución del espesor de la película es, por ejemplo, según se muestra en la Fig. 6B. Tal como se muestra en las Figuras 6A y 6B, a medida que aumenta el suministro de energía de alta frecuencia, aumenta la distribución del espesor de una película de Si-a, de modo que la uniformidad del espesor de la película disminuye significativamente. En el terreno de los LCD, se permite una distribución del espesor de la película del pm5%. En el terreno de las células solares, se permite una distribución del espesor de la película de un máximo del pm20%, preferentemente del pm10%. En consecuencia, cuando se usan sustratos de un tamaño tan grande en el procedimiento de PCVD convencional, la única frecuencia práctica del suministro de energía es 13,56 MHz, y no es práctica ninguna VHF en una banda de frecuencias que supere esta frecuencia. (2)El segundo problema es un procedimiento de aumento de la velocidad de tratamiento de superficies (mejorando la productividad) y de mejora de la calidad de la película. Para aumentar la velocidad del tratamiento de superficies, debe aumentarse la densidad del plasma de descarga. Como procedimiento de la densidad del plasma de descarga, se recomienda el uso de una VHF en una banda de frecuencias que supere una frecuencia versátil de suministro de energía de 13,56 MHz. Además, para mejorar la calidad de la película, debe reducirse el daño iónico a una película. Con este fin, es efectivo reducir el potencial del plasma relacionado con la energía iónica. Con este fin también se recomienda el uso de una VHF que reduzca el potencial del plasma.

Como ejemplos de las necesidades de una velocidad elevada de tratamiento de superficies, se demandan un bajo costo (una velocidad elevada de formación de la película y una gran superficie) y una elevada calidad (una baja densidad de defectos y una cristalinidad elevada) en la formación de películas delgadas para células solares y de transistores de película delgada para paneles de pantallas planas. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 424, p. 9, 1997 (al que se aludirá en lo sucesivo como referencia 3) dio a conocer un procedimiento para aumentar la velocidad de formación de la película y para la mejora de la calidad de las películas usando un suministro de energía de VHF. Se ha descubierto recientemente que una VHF es adecuada para la formación a velocidad elevada y con alta calidad, particularmente, de una película delgada de Si nanocristalino que atrae la atención como nueva película delgada que sustituye a una película de Si-a.

Sin embargo, cuando se usa una VHF, tal como se muestra en la Fig. 2A, interfieren entre sí una onda progresiva A1 de VHF que se propaga en la dirección directa en un electrodo y una onda A2 reflejada de VHF que se propaga en la dirección opuesta, generando una onda A3 estacionaria, tal como se muestra en la Fig. 2B. Esta onda A3 estacionaria promueve la falta de uniformidad espacial de de la densidad del plasma de descarga, aumentando con ello la distribución del espesor de película de una película delgada formada sobre un sustrato 804. Esto es contrario a la necesidad descrita en el punto (1) anterior.

Otras causas que promueven la falta de uniformidad del espesor de la película resultante de esta onda estacionaria son como sigue.

(a)La primera causa es un aumento y una falta de uniformidad de la impedancia de una trayectoria de propagación resultante del efecto pelicular. Cuando se suministra una VHF procedente de una fuente 807 de alimentación a un electrodo 802 por medio de un punto de suministro (centro de distribución de alimentación) 809, 809a y 809b, tal como se muestra en las Figuras 1A y 1B, el efecto pelicular hace que esta VHF se propague a lo largo de la porción superficial del electrodo 802 como onda progresiva A1 en una dirección y como la onda progresiva A2 en la otra dirección en la superficie del electrodo, tal como se muestra en la Fig. 2A. Esta interferencia genera la onda estacionaria, tal como se presenta en la Fig. 2B. Este efecto pelicular aparece de forma más notable para una VHF que para una frecuencia versátil de 13,56 MHz como alta frecuencia. Una profundidad superficial d en la que fluye la corriente por este efecto pelicular está dada por

quadfórmula en la que f es la frecuencia, µ es la permeabilidad y s es la conductividad. quadPor ejemplo, cuando el electrodo 802 es cobre, su profundidad superficial es de aproximadamente 19 µm para una frecuencia de 13,56 MHz como alta frecuencia, aproximadamente 10 µm para una VHF de 50 a 60 MHz, y aproximadamente 5,8 µm para una VHF de 150 MHz. Por lo tanto, en un decapado de PCVD o de plasma que use una VHF, aumenta la impedancia de una trayectoria de propagación del suministro de energía procedente de una fuente de alimentación a una porción de descarga de un electrodo de descarga. Esto aumenta la impedancia y hace que la distribución de la tensión sea no uniforme. En consecuencia, ya no puede mantenerse la uniformidad espacial de la densidad del plasma de descarga. (b)La segunda causa es la interferencia mutua entre una plasma y una VHF. Cuando, como se ha descrito en lo que antecede, una VHF se vuelve no uniforme, la distribución de plasma de hace, en consecuencia, no uniforme, produciendo con ello una distribución de carga (la impedancia disminuye conforme aumenta la densidad del plasma) a un electrodo. Esto influye en la distribución de la VHF.

Tal como se ha descrito más arriba, la densidad...

Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de generación de un plasma de descarga que comprende las etapas de:

(a)oponer un electrodo (303, 313, 323, 323a) de descarga que tiene una porción de descarga sustancialmente plana a un sustrato para ser tratado en un recipiente (2, 2C, 2J, 2K) de reacción al vacío de tal modo que dicho electrodo de descarga y dicho sustrato estén sustancialmente paralelos entre sí; (b)evacuar dicho recipiente de reacción al vacío y suministrar un gas de tratamiento a un espacio entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato; y caracterizado por (c)aplicar energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga de tal modo que una envolvente que representa la distribución espacial de una tensión f de alta frecuencia en dicho electrodo de descarga cambie y se desplace según una función que incluye el tiempo como parámetro, generando con ello un plasma de descarga del gas de tratamiento entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato, con una distribución promediada de la amplitud de tensión de la tensión f de alta frecuencia generada sobre dicho electrodo de descarga en un tiempo completo de tratamiento mediante el movimiento de la envolvente.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa (c) comprende el uso de una pluralidad de fuentes (5a a 5f, 20G₁, 20G₂, 41a, 41b) de alimentación de alta frecuencia para hacer que la envolvente cambie según la función que incluye el tiempo como parámetro.

3. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la etapa (c) comprende:

conectar una pluralidad de fuentes (5a a 5f, 20G₁, 20G₂) de alimentación para altas frecuencias que oscilan de manera independiente a dicho electrodo de descarga; y

suministrar energía de alta frecuencia procedente de cada una de dichas fuentes de alimentación a dicho electrodo de descarga.

4. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la etapa (c) comprende:

conectar una pluralidad de fuentes (5a a 5f, 20G₁, 20G₂) de alimentación a dicho electrodo de descarga; y

suministrar componentes de energía de alta frecuencia que tienen frecuencias diferentes procedentes de dicha pluralidad de fuentes de alimentación a dicho electrodo de descarga.

5. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la diferencia entre las diferentes frecuencias de oscilación no es más del 20% de la frecuencia de oscilación de cada fuente de alimentación.

6. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la etapa (c) comprende conectar una pluralidad de fuentes de alimentación a dicho electrodo de descarga y cambiar la diferencia entre la fase de una alta frecuencia suministrada desde una (5a, 20G₁, 41a) de dicha pluralidad de fuentes de alimentación y la fase de una alta frecuencia suministrada desde al menos una (5b a 5f, 20G₂, 41b) de las otras fuentes de alimentación.

7. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque se usa una pluralidad de puntos (9, 9a, 9b, 9b₁, 9b₂) de suministro para suministrar energía a dicho electrodo de descarga, estando unida dicha pluralidad de puntos de suministro a dicho electrodo de descarga para que sean simétricos con respecto a una línea central o a un punto central de dicho electrodo de descarga.

8. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la etapa (c) comprende el uso de un circuito (7a, 7b) de igualación de la impedancia para igualar la impedancia de dicho electrodo de descarga con la impedancia de cada fuente de alimentación, y la inserción de un aislador (24a, 24b) entre dicho circuito de igualación de la impedancia y dicha fuente de alimentación para reducir la energía de entrada de alta frecuencia a dicha fuente de alimentación desde otra fuente de alimentación, protegiendo con ello a dicha fuente de alimentación.

9. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la etapa (c) comprende el uso de una primera y una segunda fuente de alimentación, el suministro de energía de alta frecuencia que tiene una primera frecuencia procedente de dicha primera fuente de alimentación a dicho electrodo de descarga, y el suministro de energía de alta frecuencia que tiene una segunda frecuencia procedente de dicha segunda fuente de alimentación a dicho electrodo de descarga, de tal modo que la diferencia entre las frecuencias primera y segunda no sea más del 4% del valor medio de las frecuencias primera y segunda.

10. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa (c) comprende el cambio cada hora de una envolvente generada en dicho electrodo de descarga realizando modulación AM, modulación FM o un chirrido de frecuencias para la energía de alta frecuencia oscilada por dicha fuente de alimentación.

11. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa (c) comprende medir previamente una pluralidad de valores de al menos una de una distribución de tensión, una distribución de la densidad de generación de plasma, una distribución de la densidad de generación de radicales, una distribución de la deposición de película, una distribución del decapado y una distribución de las características de la película semiconductora con respecto a la diferencia entre frecuencias, el valor de cada frecuencia, la diferencia entre fases, o el intervalo de la modulación AM, la modulación FM o el chirrido de frecuencias, y obtener una distribución uniforme mediante una media de los tiempos o una integral de los tiempos sobre la base de los resultados de las mediciones ajustando al menos uno del tiempo, el periodo y la frecuencia de la fuente de alimentación a dicho electrodo de descarga con respecto a la diferencia entre frecuencias específicas, el valor de cada frecuencia, la diferencia entre fases, o el intervalo de la modulación AM, la modulación FM o el chirrido de frecuencias.

12. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa (c) comprende fijar una frecuencia de ACTIVADO/DESACTIVADO de plasma resultante de un cambio en la distribución de la envolvente para que esté en un intervalo de 0,5 Hz (inclusive) a 100 kHz (inclusive), es decir, un tiempo de plasma ACTIVADO resultante de la misma para que esté en un intervalo de 0,01 mseg (inclusive) a 1 seg (inclusive).

13. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque dicho electrodo de descarga es un electrodo (303) de escalera o un electrodo (303) de malla.

14. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque dicho electrodo de descarga es un electrodo laminar (313, 323, 323a), y porque un contraelectrodo laminar (3, 323b) para soportar dicho sustrato y dicho electrodo de descarga están dispuestos de forma sustancialmente paralela entre sí.

15. Un procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado por comprender una primera fuente (5a, 323a) de alimentación para suministrar energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga y una segunda fuente de alimentación para suministrar energía de alta frecuencia a dicho contraelectrodo (5b, 323b).

16. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la frecuencia de la energía de alta frecuencia está entre 10 y 800 MHz.

17. Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque una longitud L (cm) de dicho electrodo de descarga desde un punto incidente a un punto de reflexión de una alta frecuencia satisface

en la que f representa una VHF (MHz).

18. Un procedimiento según la reivindicación 1 para la fabricación de un dispositivo semiconductor en el que el sustrato se coloca sobre un electrodo calentador (3, 323b) de tal modo que el electrodo (303, 313, 323, 323a) de descarga y dicho sustrato estén sustancialmente paralelos entre sí; y que incluye la etapa de calentar dicho sustrato por medio de dicho electrodo calentador tras el suministro del gas de tratamiento.

19. Un aparato de generación de un plasma de descarga que comprende:

una cámara (2, 2C, 2J, 2K);

una mesa (3, 323b) de montaje de sustrato para mantener un sustrato en dicha cámara;

un electrodo (303, 313, 323, 323a) de descarga opuesto a dicho sustrato en dicha mesa de sustrato en dicha cámara;

un medio de escape (72) para evacuar dicha cámara;

un medio (71) de suministro de gas para suministrar un gas de tratamiento al interior de dicha cámara;

un circuito de suministro de energía de alta frecuencia para suministrar energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga; y

un medio de control (73) para controlar el suministro de energía procedente de dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga, caracterizado porque

el circuito de suministro de energía de alta frecuencia está dispuesto para cambiar y desplazar una envolvente que representa la distribución espacial de una tensión f de alta frecuencia sobre dicho electrodo de descarga cuando se usa según una función que incluye el tiempo como parámetro, generando con ello un plasma de descarga del gas de tratamiento entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato, con una distribución promediada de la amplitud de tensión de la tensión f de alta frecuencia generada sobre dicho electrodo de descarga en un tiempo completo de tratamiento mediante el movimiento de la envolvente.

20. Un aparato según la reivindicación 19 caracterizado porque dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia comprende:

un único oscilador (5, 20, 20H) de alta frecuencia que se conecta con dicho electrodo de descarga por medio de una pluralidad de puntos (9, 9a, 9b, 9b₁, 9b₂) de suministro;

un distribuidor (26) insertado entre dicho oscilador de alta frecuencia y dicho electrodo de descarga para distribuir la energía de alta frecuencia oscilada por dicho oscilador de alta frecuencia a dicha pluralidad de puntos de suministro; y

una pluralidad de amplificadores (5a, 5b, 41a, 41b) insertados entre dicho distribuidor y dicho electrodo de descarga para amplificar los componentes de energía de alta frecuencia distribuidos por dicho distribuidor.

21. Un aparato según la reivindicación 19 caracterizado porque dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia comprende:

una pluralidad de osciladores (5a, 5b, 20G₁, 20G₂) de alta frecuencia conectados a dicho electrodo de descarga por medio de una pluralidad de puntos (9, 9a, 9b, 9b₁, 9b₂) de suministro para oscilar altas frecuencias de manera independiente; y

un amplificador (41, 41a, 41b) insertado entre cada uno de dicha pluralidad de osciladores de alta frecuencia y dicho electrodo de descarga para amplificar la frecuencia oscilada.

22. Un aparato según la reivindicación 19 caracterizado porque dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia comprende un generador (20H) de formas de onda arbitrarias para oscilar una alta frecuencia múltiple que tiene una pluralidad de componentes de frecuencia, de tal modo que la distribución de la envolvente en dicho electrodo cambie cada hora.

23. Un aparato según la reivindicación 19 caracterizado porque

dicho electrodo de descarga tiene la forma de una escalera, una malla, una barra o una placa rectangular, y

dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia comprende una pluralidad de puntos (9a, 9b, 9b₁, 9b₂) de suministro dispuestos para que sean simétricos con respecto a una línea central de dicho electrodo de descarga.

24. Un aparato según la reivindicación 19 caracterizado porque

dicho electrodo (313) de descarga tiene la forma de una placa circular, y

dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia comprende una pluralidad de puntos (9a) de suministro dispuestos para que sean simétricos con respecto a un punto central de dicho electrodo de descarga.

25. Un aparato según la reivindicación 19 en el que dicho medio de suministro de gas suministra un gas que deposita una película en el interior de dicha cámara, y en el que dicho medio de control controla el suministro de energía de alta frecuencia procedente de dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga, generando con ello un plasma de descarga del gas de deposición de la película entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato.

26. Un aparato según la reivindicación 19 en el que dicho medio de suministro de gas suministra un gas de decapado al interior de dicha cámara, y en el que dicho medio de control controla el suministro de energía de alta frecuencia procedente de dicho circuito de suministro de energía de alta frecuencia a dicho electrodo de descarga, generando con ello un plasma de descarga del gas de decapado entre dicho electrodo de descarga y dicho sustrato.

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