CN100530532C - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微波等离子体处理装置(100)，使通过多个缝隙(37)的微波透过由梁(26)所支撑的多枚电介质零件(31)，利用透过的微波使气体等离子体化，对基板G进行等离子体处理。支撑电介质零件(31)的梁(26)向着基板侧突出设置并使其端部周围的等离子体电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上。通过该梁(26)的突出，能够抑制因透过相邻电介质零件(31)的微波电场能所生成的表面波所引起的干涉和当相邻电介质零件(31)下方的等离子体干涉扩散时在等离子体中传播并到达相邻等离子体的电子和离子的干涉。

Description

等离子体处理装置和等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及生成等离子体以对被处理体进行等离子体处理的等离子体处理装置以及等离子体处理方法。
背景技术
如图10所示，在因微波放电而生成等离子体时，若入射微波的功率发生变化，则根据其功率变化程度和工艺条件，有时会不连续地激发特殊模式的表面波，这是现有技术中所公知的(例如参考非专利文献1)。若像这样表面波的模式被不连续地激发，则在电介质下方生成的等离子体的电子密度(或等离子体电子密度)也会不连续地变化，即发生所谓的等离子体的电子密度跳变(模式跳变(mode jump))。
非专利文献1：電気学会·マイクロ波プラズマ調查専門委員编マイクロ波プラズマの技術」オ一ム社出版、平成1 5年9月25日発行、p71-p80(电气学会·微波等离子体调查专门委员会编《微波等离子体技术》，Ohm社出版，2003年9月25日发行，P71～P80)。
但是，在等离子的生成过程中，若频繁地发生这种模式跳变，则无法良好地进行等离子体处理。例如，在CVD(Chemical VaporDeposition：化学气相沉积法)处理过程中，若频繁地发生模式跳变，那么，在每次产生模式跳变时，气体的解离程度随等离体状态的不连续变化而发生变化，导致此次形成的膜的质量也发生变化。结果，分层地沉积形成不均匀的膜。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够抑制等离子体模式跳变的新型改良过的等离子体处理装置以及等离子体处理方法。
如上所述，将入射微波的电场能变动作为等离子体产生过程中等离子体发生模式跳变的主要原因进行考虑。产生该电场能变动的原因如下所述：在波导管内传播的行波的振幅状态以及因行波被波导管端面反射而生成的反射波的振幅状态随时间经常发生变化，由此引起作为行波和反射波的合成波的波导管内的驻波的振幅状态也经常发生变化。
另外，若等离子体内的阻抗随这样的微波电场能的变动而发生变化，那么，当表面波在电介质和等离子体之间传播时，表面波的电场能被等离子体吸收的比例和反射等离子体的比例发生变化，这也被认为是等离子体密度变化而发生模式跳变的一个主要原因。
特别是，当设置在等离子体处理装置中的电介质是由被梁所隔开的多枚电介质零件形成时，等离子体在每个电介质零件的下面附近产生。在这种情况下，利用透过各电介质零件的微波的电场能在各电介质零件上产生表面波，通过该表面波，相邻电介质零件的等离子体互相干涉，这被认为是发生模式跳变的另一个主要原因。另外，在各电介质零件的等离子体扩散时，因包含在该扩散等离子体中的电子和离子而使相邻电介质零件的等离子体互相干涉，这也被认为是发生模式跳变的主要原因之一。于是，实际上由于这些主要原因错综复杂，使得在各电介质零件下方生成的等离子体密度不连续变动而等离子体产生模式跳变。
为了抑制这种模式跳变的发生，根据本发明的第一方面，提供一种等离子体处理装置，其包括：开设有多个缝隙的多个波导管、使在所述多个波导管内传播并通过所述多个缝隙的微波透过的电介质、以及利用透过所述电介质的微波使气体等离子体化而对被处理体进行等离子体处理的处理室，其中，所述电介质由多个电介质零件构成，各电介质零件被配置成在由梁所支撑的状态下，使在所述多个波导管中的一个或两个以上波导管中传播并通过各波导管的一个或两个以上缝隙的微波透过，所述梁向着所述被处理体侧突出设置，使所述被处理体侧的端部周围的等离子体中的电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上。因此，本发明的等离子体处理装置，使在波导管内传播并通过缝隙的微波透过各电介质零件，并通过入射到处理室内的微波使气体等离子体化，从而对被处理进行等离子体处理体。
这时，上述各电介质零件也可以在各电介质零件的周缘由上述梁所支撑。
利用电介质零件下面的电场能所生成的表面波，一边在电介质零件、梁的表面与等离子体之间反射，一边传播。这时，表面波的电场能的一部分作为所谓的倏逝波而被消耗在等离子体的生成中。于是，一般说来，在没有来自外部能量供给的情况下，表面波的传播距离越长，消耗在等离子体生成中的表面波的电场能越是增加。
当梁是由非磁性的导电材料所形成时，梁将不允许微波透过。因此，表面波在梁的表面传播中，无法接受新的电场能的供给。当在各电介质零件与梁之间设置有台阶差时(参考图4)，与在电介质零件和梁为同一平面(梁不突出)的情况(参照图7)相比，表面波传播到相邻电介质零件的等离子体的距离，只有梁的侧壁部分那么长，而且，在梁上传播的表面波无法得到电场能的供给。因此，表面波在向着相邻电介质零件传播的期间消耗了大量的电场能，在到达相邻电介质零件下方之前已经衰减。由此，表面波能够抑制对相邻电介质零件下方的等离子体的干涉。
另外，由于梁突出，而使梁的壁表面的面积增大，碰撞在该壁表面上的电子和离子呈指数函数(电子和离子的扩散系数以指数函数表示)增加，结果，传播到位于相邻电介质零件下方的等离子体的电子和离子的数减少。由此，扩散等离子体能够抑制对相邻电介质零件下方的等离子体的干涉。
如上所述，本发明的等离子体处理装置，通过突出设置梁，而能够抑制表面波产生的干涉和扩散等离子体产生的干涉，抑制等离子体的模式跳变，由此能够稳定地生成均匀的等离子体。
另外，根据本发明的等离子体处理装置，使梁突出，使得到梁的被处理体侧的端部周围的等离子体电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上。所以，梁的突出位置的上限值hc是当梁的被处理体侧的端部周围的等离子体电子密度Ne与临界等离子体电子密度Nc相等时的值。具体地说，令上述电介质零件附近的等离子体密度为N0、相邻梁之间的间隔最小值为a，则梁突出位置的上限值hc可以由下述公式求出：hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π，实际上为0.038m的程度。另外，所谓梁的被处理体侧的端部周边是指在被处理体侧上距离梁的端部大约几毫米～大约1cm以上的距离。
如上所述，由电介质零件下面的电场能所产生的表面波，一边在电介质零件、梁的表面与等离子体之间反射，一边传播。这时，表面波的电场能的一部分作为所谓的倏逝波而被消耗在等离子体的产生中。于是，当微波在导体的梁的周围传播时，由于无法从外部被供给能量，所以表面波的电场能被不断地消耗在等离子体的产生中，由此，表面波衰减。
在此，令电介质附近的等离子体电子密度为N0(参照图3)、梁的端部周围的等离子体电子密度为Ne、临界等离子体密度为Nc(参照图3)。若由于上述表面波的衰减，使得在梁的端部附近的等离子体电子密度Ne小于临界等离子体密度Nc，则梁的端部周边的电子密度变小，在梁中传播的表面波无法保持作为倏逝波而渗入等离子体内的状态，而是一举进入等离子体内。其结果，处理容器内部的等离子体变得不稳定。
但是，根据本发明的等离子体处理装置，使梁突出，使得梁的端部附近的等离子体电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上。即，梁的上限值hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π，也就是说，为模拟实验结果所算出的0.038m的程度。由此，梁的端部附近的等离子体电子密度保持在某种程度的密度，不会变得极端地小。所以，通过在梁中传播的表面波(微波)通过等离子体内而进入到处理容器内部，而能够回避处理容器内部的等离子体变得不稳定的现象。因此，能够使用均匀生成的等离子体高精度地对基板进行等离子体处理。
这时，在上述各电介质零件上，也可以在其相对被处理体的面上形成凹部或凸部中的至少一种。因此，通过各电介质零件的凹部或凸部，而能够增加表面波在各电介质下面传播时的电场能的损失。由此，能够抑制表面波的传播、抑制驻波的发生，并生成均匀的等离子体。
另外，上述等离子体装置可以还包括：从第一气体喷射孔供给第一气体的第一气体供给部、以及从比上述第一气体喷射孔更靠近被处理体侧所设置的第二气体喷射孔供给第二气体的第二气体供给部。这时，上述梁也可以被设置在比上述第二气体喷射孔更靠近电介质侧。因此，由于梁比第二气体喷射孔更靠近电介质侧，所以，梁不妨碍向着非处理体上扩散的等离子体的扩大。
这时，上述第一气体，优选为结合能的最小值比上述第二气体大的气体。
因此，结合能较大的第一气体，进入处理室后直接被强微波电场能所等离子体化。另外，结合能较小的第二气体，被在第一气体的等离子体化中已消耗某种程度的能量而变弱的电场能适当地分解为例如用于形成优质膜的前体(前躯体)。这里，所谓的“适当分解”指的是例如硅烷气体(SiH4)被分解为SiH3自由基，而不会被过度地分解为SiH2自由基的程度的分解。因此，通过适度分解且放射状地均匀地扩散的扩散等离子体，而能够高精度地对被处理体进行等离子体处理。
但是，上述第一气体和上述第二气体中的至少任一种是混合有多种气体的混合气体，在该混和气体过度反应时等特殊情况下，无论第一气体和第二气体的结合能的大小关系如何，以不引起过度反应的方式决定各气体的喷射位置。另外，上述第一气体和上述第二气体，不仅可以是为了激发等离子体的气体，也可以是为了进行氧化处理、氮化处理、蚀刻处理、CVD处理等处理的气体。
上述梁可以由导电性材料形成。因此，通过抑制在相邻的电介质之间传播的微波，而能够更加稳定地激发均匀的等离子体。上述梁还可以由非磁性材料形成。因此，通过梁的磁化，从梁产生的磁场影响等离子体，因此，能够回避不均匀的等离子体的生成。
另外，为了解决上述课题，根据本发明的其他方面，提供一种使用等离子体处理装置的等离子体处理方法，其特征在于：使在多个波导管中的一个或两个以上的波导管内传播并通过各波导管的一个或两个以上缝隙的微波透过由向着被处理体侧突出设置的所述梁所支撑的多个电介质零件的各电介质零件，使梁的被处理体侧的端部周边的等离子体中的电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上，由所述透过的微波将气体等离子体化，对被处理体进行等离子体处理。
因此，通过梁和电介质零件的台阶差，表面波传播到相邻电介质零件的等离子体的距离仅为梁的侧壁部分长。在没有来自外部的能量供给的情况下，表面波的传播距离越长，在等离子体生成中所消耗的表面波的电场能则越增加，但是，由于梁是由非磁性体的导电材料构成，在梁中传播的表面波无法接受电场能的供给。所以，表面波在梁的传播中消耗大量的电场能，在到达相邻的电介质零件下方之前便已经衰减。因此，表面波能够抑制对相邻电介质下方的等离子体的干涉。而且，根据本发明的等离子体处理装置，由于上述梁在不成为妨碍等离子体向非处理体扩散的障碍壁的位置上突出，所以扩散等离子体，在梁不成为障碍壁时，在被处理体上呈放射状均匀地扩散。
而且，根据本发明，使梁突出，使得梁的端部周边的等离子体电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上。即，梁的上限值hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π(模拟实验结果为大致0.038m的程度)。因此，在梁端部周边的等离子体电子密度被保持在某个程度，不会极端地小。所以，由于在梁中传播的表面波(微波)无法保持作为倏逝波而向等离子体内渗透的状态，而是一举进入等离子体内，因而能够回避处理容器内部的等离子体不稳定现象。结果，通过均匀地生成的等离子体而能够高精度地对基板进行等离子体处理。
另外，若在各电介质零件和梁上设置有台阶差，则碰撞在该梁的壁表面上的电子和离子呈指数函数增加，因此，传播到位于相邻电介质零件下方的等离子体的电子和离子的数减少。由此，扩散等离子体能够抑制对相邻电介质零件下方的等离子体的干涉。根据以上的结果，通过抑制表面波引起的干涉以及扩散等离子体引起的干涉而能够抑制等离子体的模式跳变，能够稳定地生成均匀的等离子体。
上述等离子体处理方法，从第一气体喷射孔供给第一气体，在上述供给的第一气体等离子体点火之后，也可以从比上述第一气体喷射孔的位置以及上述梁突出的位置更靠近被处理体侧设置的第二气体喷射孔供给第二气体。而且，此时，上述第一气体和上述第二气体中的至少任一种为混有多种气体的混合气体，上述第一气体优选结合能的最小值比上述第二气体大的气体。
因此，首先，结合能较大的第一气体，入射后直接被强微波电场能所等离子体化。接着，第一气体被等离子体点火后，从比上述第一气体喷射孔位置以及上述梁26的突出位置更靠近被处理体侧的第二气体喷射孔喷射结合能小于第一气体的第二气体。因此，第二气体通过因等离子体化第一气体而消耗功率并变弱的微波电场能，分解为例如用于形成优质膜的前体(前躯体)。另外，第二气体喷射孔，由于设置在比上述第一气体喷射孔的位置以及上述梁26的突出位置更靠近被处理体侧，因此，其不妨碍向着非处理体扩散的等离子体。所以，通过在被处理体上均匀地生成的等离子体，而能够高精度地对被处理体进行等离子体处理。
但是，上述第一气体和上述第二气体中的至少任一种是混合有多种气体的混合气体，在该混和气体过度反应时等的特殊情况下，无论第一气体和第二气体的结合能的大小关系如何，以不引起过度反应的方式决定各气体的喷射位置。
如上述所述，根据本发明可以抑制等离子体的模式跳变，能够提供新型且改良过的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
附图说明
图1是本发明一实施方式的微波等离子体处理装置的截面图。
图2是同一实施方式的处理容器的顶棚面的示意图。
图3是同一实施方式的电介质附近的放大截面图。
图4是梁突出时对等离子体的干涉的说明图。
图5是表示同一实施方式的固定电荷密度随梁高度变化的曲线图。
图6是同一实施方式的梁高度、固定电荷密度、目视(发光程度)关系的示意图。
图7是电介质和梁为同一平面时对等离子体的干涉的示意图。
图8是用于求出同一实施方式的梁高度上限值的模拟模型示意图。
图9是同一实施方式的梁高度和等离子体电子密度关系的示意图。
图10是微波入射功率与电子密度和表面波的模式关系的示意图。
符号说明
10处理容器；11基台(susceptor)；20盖体；21盖本体；26梁；27支撑体；28气体管道；29气体导入管；30缝隙天线；31电介质零件；33方形波导管；37缝隙；40微波发生器；43气体供给源；43a4氧气供给源；43b4硅烷气体供给源；43b8氩气供给源；100微波等离子体处理装置；U处理室。
具体实施方式
下面，一边参照附图，一边详细说明本发明的优选实施方式。其中，在以下说明和附图中，对具有相同构成和功能的构成要素标注相同符号以省略其重复说明。
另外，本说明书中，
1mTorr＝(10-3×101325/760)Pa，1sccm＝(10-6/60)m3/sec。
首先，对于本发明一实施方式的微波等离子体处理装置的构成，一边参照作为纵向(沿y轴垂直的方向)切开本装置的截面图的图1以及表示处理室的顶棚面的图2，一边进行说明。另外，在以下说明中，以使用本实施方式的微波等离子体处理装置(相当于等离子体处理装置)形成栅氧化膜的工艺为例进行说明。
(微波等离子体处理装置的构成)
微波等离子体处理装置100具有处理容器10和盖体20。处理容器10呈其上部开口的有底立方体形状。处理容器10和盖体20利用配设在盖主体21的下面外周部与处理容器10的上面外周部之间的O形环32而被密封，由此，形成实施等离子体处理的处理室U。处理容器10以及盖体20例如由铝等金属构成，并且电接地。
在处理容器10中，在其内部设置有用于载置玻璃基板(以下简称“基板”)G的基座11(载置台)。基座11例如由氮化铝构成，在其内部设置有供电部11a和加热器11b。
高频电源12b通过匹配器12a(例如电容器)而连接于供电部11a。另外，高压直流电源13b通过线圈13a而连接于供电部11a。匹配器12a、高频电源12b、线圈13a以及高压直流电源13b设置在处理容器10的外部。另外，高频电源12b以及高压直流电源13b接地。
供电部11a利用从高频电源12b输出的高频电力向处理容器10的内部施加规定偏压。另外，供电部11a利用从高压直流电源13b输出的直流电压来静电吸附基板G。
设置在处理容器10外部的交流电源14连接于加热器11b，利用从交流电源14输出的交流电压将基板G保持在规定温度。
处理容器10的底面以筒状开口，在其外部周缘安装着波纹管15的一端。此外，波纹管15的另外一端固定在升降板16上。这样，处理容器10底面的开口部分通过波纹管15和升降板16而被密封。
基台11由配设在升降板16上的筒体17所支撑，升降板16以及筒体17一体升降，由此，能够将基台11调整至与处理工艺对应的高度。另外，在基台11的周围，设置有用于将处理室U的气体流动控制为优选状态的挡板18。
在处理容器10的底部，具有设置在处理容器10的外部的真空泵(图未示出)。真空泵通过气体排出管19排出处理容器10内的气体，由此，将处理室U减压至所希望的真空度。
在盖体20上设置有盖主体21、六根方形波导管33、缝隙天线30、以及电介质(由多枚电介质零件31构成)。
六根方形波导管33(相当于波导管)，其截面形状为矩形，在盖主体21内部平行地并列设置。各方形波导管33的内部由氟树脂(例如特氟隆(注册商标))、氧化铝(Al2O3)、石英等电介质部件34所填充，通过该电介质部件34，按照公式λg1＝λc/(ε1)1/2控制各方形波导管33内的管内波长λg1。这里，λc为自由空间的波长，ε1为电介质部件34的介电常数。
各方形波导管33在上部开口，可动部35升降自如地插入其开口中。可动部35由铝等非磁性材料的导电材料形成。
在盖主体21的外部，在各可动部35的上面，分别设置有升降机构36，以使可动部35升降移动。根据该构成，方形波导管33能够以电介质部件34的上面为界限并通过升降移动可动部35来任意变化其高度。
缝隙天线30在盖主体21的下方与盖主体21一体形成。缝隙天线30由铝等非磁性体金属形成。在缝隙天线30上，在各方形波导管33的下面，分别并列设置有图2所示的13个缝隙37(开口)。各缝隙37内部由氟树脂、氧化铝(Al2O3)、石英等电介质部件所填充，通过该电介质零件，按照公式λg2＝λc/(ε2)1/2控制各缝隙37内的管内波长λg2。这里，λc为自由空间的波长，ε2为缝隙37内部的电介零件的介电常数。
电介质由39枚电介质零件31构成，各电介质零件31形成为砖块(tile)状。13枚电介质零件31以横跨通过Y支管41连接在一个微波发生器40上的两个方形波导管33的方式而被设置成3列。
分别安装各电介质零件31，使其横跨在互相邻接的两个方形波导管33(即、通过Y支管41连接在相同微波发生器40上的两个方形波导管33)的下面所设置的26个(＝13个×2列)缝隙37中的与y坐标相同的两个缝隙。通过以上构成，在缝隙天线30的下面安装有总计39枚(＝13×3列)电介质零件31。
各电介质零件31使用石英玻璃、AlN、Al2O3、蓝宝石(sapphire)、SiN、陶瓷等介电材料构成。如图1以及图3所示那样，在各电介质零件31的与基板G相对的面上形成有凹凸。这样，通过在各电介质零件31上设置凹部或凸部中的至少一种，而使表面波在各电介质零件31的表面传播时的电场能损失增加，由此能够抑制表面波的传播。其结果，能够抑制驻波的产生而生成均匀的等离子体。
另外，在各方形波导管33的下面形成的缝隙37的个数为任意值，例如，也可以在各波导管33的下面分别设置12个缝隙37，在缝隙天线30的下面配设总计36枚(＝12×3列)电介质零件31。另外，在各电介质零件31的上面设置的缝隙37的个数不限于2个，也可以为1个或者3个以上。
(梁的突出)
如图2所示，在缝隙天线30的下面，为了以13枚×3列的排列状态支撑39枚电介质零件31，而设置有形成为格子状的梁26。各电介质零件31在其周缘分别由梁26所支撑，并且该电介质零件31与梁26(在图1中以梁26a～梁26d表示)之间具有台阶差。即，这样对梁26进行设置，以使该梁26在各电介质31的周缘向基板G侧突出。梁26由铝等作为非磁性体的导电性材料形成。
在梁26下面的一部分上设置有多个支撑体27(在图1中以支撑体27a～27d表示)。各气体管道28(例如成为构成下段气体喷头的一个单位的零件)的两端通过支撑体27而被支撑。气体管道28由氧化铝等电介质形成。
图1的冷却水配管44与配置在微波等离子体处理装置100外部的冷却水供给源45相连接，从冷却水供给源45供给的冷却水在冷却水配管44内循环并返回到冷却水供给源45，由此，使盖主体21保持在所希望的温度。
根据以上说明的构成，从图2所示的3个微波发生器40输出的、例如2.45GHz×3的微波，经过各Y支管41而在各方形波导管33内传播，并通过各缝隙37而透过各电介质零件31，入射到处理室U内。
(第一气体供给部以及第二气体供给部)
接下来，一边参照图1和图3，一边说明本实施方式的微波等离子体处理装置100的气体供给部。如图1所示，气体供给源43包括：多个阀门(阀门43a1、43a3、43b1、43b3、43b5、43b7)、多个质量流量控制器(质量流量控制器43a2、43b2、43b6)、氧气供给源43a4、硅烷气体供给源43b4、以及氩气供给源43b8。
气体供给源43通过分别控制各阀门(阀门43a1、43a3、43b1、43b3、43b5、43b7)的开关以及各质量流量控制器(质量流量控制器43a2、43b2、43b6)的开度，分别向处理容器10内供给所希望浓度的氧气、硅烷气体和氩气。
气体导入管29(在图1中以气体导入管29a～29d表示)贯通梁26(在图1中以梁26a～26d表示)的内部。氧气供给源43a4通过第一流路42a连接在气体导入管29a、29c上。并且，硅烷气体供给源43b4和氩气供给源43b8通过第二流路42b连接在气体导入管29b、29d上。
如图1乃至图3的局部放大图所示，氧气例如通过气体导入管29a、29c，从图3所示的气体喷射孔A向着各电介质零件31与各气体管道28之间的空间喷射。例如，在图3中，利用在方形波导管33a1以及方形波导管33a2内传播、从缝隙37a1以及缝隙37a2漏出、并透过电介质零件31a的微波的电场能，将从氧气供给源43a4供给的氧气电离以及解离，由此，使氧气等离子体化。
另一方面，硅烷气体和氩气的混合气体，在氧气进行等离子体点火之后，例如通过气体导入管29b、29d，并且进一步如图3所示，通过贯通支撑体27b内部的气管，从与气管相连的各气体管道28的气体喷射孔B向基座11的基板G侧喷射。由此，硅烷气体和氩气的混合气体，利用已消耗使氧气等离子体化程度的能量而变弱的电场能，被解离成作为用于形成优良膜的前体(precursor前驱体)的SiH3自由基(即不解离为SiH2自由基)。通过这样生成的等离子体，在基板G上形成非常优质的栅氧化膜。
一般优选从上层气体喷射孔A喷射的气体(第一气体)是结合能比从下层(位于气体喷射孔A下面)气体喷射孔B喷射的气体大的气体(第二气体)。
因此如上所述，首先，结合能较大的第一气体利用较强微波的电场能而被等离子体化。接着，在供给的气体进行等离子体点火后，从设置在气体喷射孔A的位置以及梁26突出位置的下方的喷射孔B喷射结合能比第一气体小的第二气体。由此，第二气体利用为了等离子体化第一气体而消耗部分能量并因此变弱的电场能，被解离成用于形成优良膜的前体(前驱体)。其结果，能够形成优良的栅氧化膜。
按照该原则，O和O的分子结合能为5.2(eV)、Si和H的分子结合能为3.2(eV)、Ar的离子化能为15.759(eV)，本来应该是结合能较大的氩气从上层喷射、结合能较小的硅烷气以及氧气的混合气体从下层喷射。
但是，若硅烷气体和氧气混合，则由于混合气体过度反应，而无法混合并供给这些气体。因为该特殊理由，在本实施方式的微波等离子体处理装置100中，从上层喷射氧气，从下层喷射硅烷气体。而且，在本实施方式的微波等离子体处理装置100中，由于从下层喷射的硅烷气体的量较少(具体地说，相对于氧气的833sccm，硅烷气体为100sccm)，因此，使100sccm的硅烷气体与1500sccm的氩气混合以使气体的流量变多，之后，从下层喷射该混合气体。这样，通过从下层喷射以氩气为主体的混合气体，使得以氩气作为主体而发生解离，从而生成更加均匀的等离子体。
另外，在本实施方式的微波等离子体处理装置100中，梁26以不位于气体喷射孔B下方的方式突出。根据所述构成，解离至希望程度的等离子体朝着基板G的上面向下呈放射状扩散，此时，梁26并不妨碍其扩散。因此，能够利用没有过度解离、并且只解离至作为前体(前驱体)的SiH3自由基为止的等离子体，在基板G上形成优质栅氧化膜。
其中，供给氧气(相当于第一气体)并将所供给的氧气从气体喷射孔A(相当于第一气体喷射孔)喷射的气体供给部被称为第一气体供给部。另外，供给硅烷气体和氩气(相当于第二气体)的混合气体并将所供给的混合气体从气喷射孔B(相当于第二气体喷射孔)喷射的气体供给部被称为第二气体供给部。
(等离子体的模式跳变)
接着，对在上述说明的微波等离子体处理装置100的各电介质零件31的下面附近发生的各等离子体模式跳变的主要原因进行说明，然后，一边参照图4和图7，一边按顺序对如何使用本实施方式的微波等离子体处理装置100对模式跳变进行抑制，并成功地稳定生成均匀等离子体的情况进行说明。
图4以及图7是用于说明电介质附近的状态的模式图，图4表示的是支撑电介质零件31的梁26突出的情况。图7表示的是支撑电介质零件31的梁26不突出的情况。另外，在图4以及图7中，没有安装下层气体管道28，从贯通梁26的气体导入管29喷射气体。
首先，一边参照图7，一边对在各电介质零件31的下面附近生成的各等离子体发生模式跳变的3主要原因进行说明。
(第一主要原因：微波)
如图2所示，从微波发生器40射出的微波在方形波导管33内传播而通过各缝隙37。这时，在方形波导管33内传播的行波的振幅状态以及因行波被方形波导管33端面反射而生成的反射波的振幅状态，总是随时间而变化。与此相伴，作为行波和反射波的合成波的、方形波导管33内的驻波的振幅状态也总是发生变化。受该变化的影响，从各缝隙37漏出的微波电场能的强度总是发生变动。
而且，若像这样微波电场能发生变动，则等离子体内的阻抗也会发生变化。若等离子体内的阻抗发生变化，则利用透过电介质零件31的电场能而生成的表面波在电介质31与等离子体之间一边反射一边传播，此时，表面波的电场能被等离子体吸收的比例与反射等离子体的比例发生变化。
这样，若入射的微波的电场能发生变化、并且等离子体内的阻抗发生变化，则根据工艺条件会产生模式跳变。更具体地说，如图10所示，在利用微波放电生成等离子体时，若入射微波的功率发生变化，则根据该工艺的变化程度和工艺条件，在电介质的下面附近不连续地激发特殊模式(TM0n0模式)的表面波。若这种表面波的模式不连续地被激发，则电介质下部的电磁场强度的分布与以前的分布完全不同，在电介质下面生成的等离子体的电子密度不连续地发生变化，发生等离子体的电子密度跃变(模式跳变)。另外，图10所示的Pf为入射功率，Pc为与工艺条件相关的常数。
这种表面波的模式跳变是在电感耦合型等离子体处理装置和电容耦合型等离子体处理装置中所没有的特殊现象。所以，与电感耦合型等离子体处理装置和电容耦合型等离子体处理装置相比，在微波等离子体处理装置中更容易产生等离子体的模式跳变。而且，如图7所示，在各电介质零件31和梁26处于同一平面的情况下，各等离子体还会由于以下两个主要原因而相互干涉。
(第二主要原因：表面波引起的干涉)
其中一个原因是由表面波引起的干涉。例如，如图7所示，入射的微波的电磁场从开口C(缝隙口)在电介质内部呈放射状均匀地扩散，并透过各电介质零件而到达其下面，在各电介质零件的下面生成表面波。
生成的表面波一边在电介质零件31与等离子体之间反射一边传播，此时，其电场能的一部分作为倏逝波(evanescent wave)而消耗在等离子体的生成中。但是，若在各电介质零件31与梁26之间没有台阶差等障壁，那么，虽然表面波其电场能的一部分消耗在等离子体的生成中，但是由于其消耗量较小，所以表面波还会传播到相邻的电介质零件。
这样，若表面波传播至相邻电介质零件31，则由于该表面波的干涉，使相邻等离子体的密度变化加大，相邻电介质零件31下方的等离子体的状态变得不稳定。这是各电介质零件31下方的等离子体发生模式跳变的第二个主要原因。
(第三主要原因：电子以及离子引起的干涉)
另外一个原因是由扩散等离子体中的电子或离子在等离子体中传播而引起的干涉。例如，在等离子体扩散时，扩散等离子体中的电子或离子的一部分在等离子体中传播并到达相邻的等离子体。这样，若电子或离子到达相邻的等离子体，则相邻等离子体的电子密度或离子密度大幅度变动。这是各电介质零件31下方的等离子体发生模式跳变的第三个主要原因。
如上所述，因为入射微波的电场能的变动与伴随着其的等离子体内的阻抗的变化(第一主要原因)、表面波所引起的干涉(第二主要原因)、以及扩散等离子体所引起的干涉(第三主要原因)复杂地互相纠缠在一起，各电介质零件31下方的电子密度不连续地变动，所以引起等离子体的模式跳变。
但是，在等离子体生成过程中，若频繁地发生模式跳变，那么，在每次产生模式跳变时，气体的解离程度随等离体状态的不连续变化而发生变化，导致此次形成的膜的质量也发生变化。其结果，分层地沉积形成不均匀的膜。
为了解决上述问题，本发明人使梁26在处理容器10的顶棚突出，由此能够成功地抑制等离子体发生模式跳变。下面，一边参照图4，一边对如何成功地抑制等离子体模式跳变的情况进行说明。
(第二主要原因(表面波的干涉)的抑制)
若各电介质零件31被突出的梁26所隔开，则梁26形成为保护电介质零件31下方的等离子体的壁以抵抗来自外部的干涉。如上所述，利用透过电介质零件31的微波电场能所生成的表面波，一边在电介质零件31与梁26的表面以及其与等离子体之间反射，一边向着相邻的电介质零件31传播，此时，表面波电场能的一部分作为所谓的倏逝波而消耗在等离子体的生成中。于是，一般来说，在没有来自外部的能量供给时，表面波的传播距离越长，在等离子体内吸收而消耗的表面波的电场能则越增加。
当梁26是由作为非磁性体的导电材料形成时，梁26不允许微波透过。所以，表面波在梁26的表面传播的过程中，无法接受新的电场能的供给。其结果，与各电介质零件31和梁26为同一平面的情况相比，在各电介质零件31与梁26之间设置有台阶差的情况下，表面波传播到相邻电介质零件的等离子体的距离仅为梁26侧壁部分的长度，而且，在梁26中传播的表面波，由于无法接受电场能的供给，所以表面波在向着相邻电介质零件31传播期间消耗大量的电场能，在到达相邻电介质零件下方之前就已经衰减。因此，能够抑制在相邻电介质零件下方生成的等离子体电子密度的变化的加剧。
(第三主要原因(扩散等离子体的干抑)的制涉)
另外，使梁26突出，由此，梁26的壁面面积变大，所以，与梁26的壁面碰撞的电子和离子以指数函数的关系(电子和离子的扩散系数作为指数函数来表示)增加，结果，传播到相邻电介质零件31下方的等离子体的电子和离子数目减少。因此，能够抑制在相邻电介质零件31下方生成的等离子体电子密度的变化的加剧。
如上所述，根据本实施方式的微波等离子体处理装置100，通过抑制表面波向相邻等离子体的干涉和扩散等离子体向相邻等离子体的干涉，抑制等离子体的模式跳变，能够稳定地生成均匀的等离子体。
(实验结果)
为了实现以上构想和理论，本发明人实际设计出具有突出梁26的本实施方式的微波等离子体处理装置100，并使用其实行栅氧化膜形成工艺。此时工艺条件为：处理室U的压力为60mTorr(7.98Pa)，微波功率为2.55kW×3(使用3个微波发生器40)。其中，玻璃基板的尺寸优选为730mm×920mm以上，例如G4.5基板尺寸为730mm×920mm(腔室内的尺寸：1000mm×1190mm)，G5基板尺寸为1100mm×1300mm(腔室内的尺寸：1470mm×1590mm)。
而且，作为气体的种类，使用氧气、硅烷气体和氩气，作为其气体量，氧气为833sccm、硅烷气体为100sccm、氩气为1500sccm。另外，使基台11(台)的温度为300℃以使处理室U的温度为120℃。此外，如上所述，从位于上层的气体喷射孔A喷射氧气，从位于下层的气体喷淋管(气体管道28)的气体喷射孔B喷射硅烷气体和氩气。
其结果，在各电介质零件31和梁26为同一平面的微波等离子体处理装置中，通过目视确认在梁26下面多处发生被认为是模式跳变的高亮度的发光，与其相对，在梁26突出的本实施方式的微波等离子体处理装置100中，可以确认在梁26的表面完全看不到发光。
由于该发光是电子状态从激发状态返回到基底状态时产生的，所以要考虑发光部分和不发光部分的电子密度的分布不平衡。在梁26突出的等离子体微波处理装置100中，由于在工艺处理中几乎看不到产生发光，所以，认为在电介质31附近的电子密度的分布没有不平衡，不发生模式跳变，能够稳定地生成均匀的等离子体。
为了将其作为客观的数值算出，本发明人在使用梁26的高度(从电介质突出的长度)为0mm、10mm、20mm的微波等离子体处理装置进行栅氧化膜形成处理时，使用膜评测装置(SSM(Solid StateMeasurement Inc.)：水银探针)，测定生成的栅氧化膜的C-V。其结果如图5和图6所示。
测定结果如图5所示，可知梁高越高，则固定电荷密度的值越小。而且，如图6所示，在梁高为0mm时，固定电荷密度为2.7cm-2，目视能看到的发光为“○(有发光)”；在梁高为10mm时，固定电荷密度为1.8cm-2，目视能看到的发光为“×(无发光)”；在梁高为20mm时，固定电荷密度为1.3cm-2，目视能看到的发光为“×(无发光)”。
固定电荷密度是形成的膜质是否优良的指标，具体地说，固定电荷密度越小，则表示形成的栅氧化膜质越优良。因此，根据上述测定结果可以证明：梁高越高，则越能形成优质的栅氧化膜。
(梁突出的上限值)
对于梁26的高度h而言，其以梁26端部周边的电子密度Ne在等离子体临界(cut off)电子密度Nc(参照图3)以上为限制条件。因此，梁26高度的上限值hc是当梁26端部附近的电子密度Ne等于等离子体临界电子密度Nc时的值。具体地说，令电介质正下方的梁26端部周边的等离子体密度为N0(参照图3)、相邻梁之间的间隔最小值为a，则梁26的高度上限值hc可以利用下述公式求出：
hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π。
由电介质31下面的电场能所生成的表面波，一边在电介质零件31和梁26的表面以及其与等离子体之间反射一边传播。这时，表面波的电场能的一部分，作为所谓的倏逝波而消耗在等离子体的生成中。于是，当表面波在金属的梁26传播时，由于并没有从外部供给能量，所以表面波的电场能持续消耗在等离子体生成中，因此，表面波衰减。
由于上述表面波的衰减，若在梁26端部附近的等离子体电子密度Ne在临界等离子体密度Nc以下，则在梁26中传播的表面波无法保持作为倏逝波而渗入等离子体内的状态而是一举进入到等离子体内。其结果，处理容器内部的等离子体不稳定。
所以，梁26的高度h必须是满足梁26端部周边的等离子体电子密度Ne大于临界等离子体密度Nc条件的高度。由此，梁26端部附近的等离子体电子密度被保持为某种程度的密度。其结果，在梁26中传播的表面波(微波)能够保持作为倏逝波而渗入到等离子体的状态。因此，能够利用均匀生成的等离子体高精度地对基板进行等离子体处理。
(模拟实验结果)
导出上述结论的本发明人为了求出梁26的高度上限值hc而进行以下模拟实验。如图8所示，在该模拟模型中，相邻的梁之间的间隔最小值为a，梁26的高度为h。
若在梁26的高度为h的位置处的梁周围的电子密度为Nh，则其可以近似地由公式化表达的下式(1)来表示：
Nh＝N0×exp{-2πh/(21/2×a)}......(1)。
将上述式(1)变形，得到下面的对数函数：
h＝21/2×a×(lnN0-lnNh)/2π......(2)。
式(2)的函数如图9所示。图9是横轴为梁26的高度h、纵轴为等离子体电子密度Ne的对数图。
在此，根据上述理论，梁26的高度h满足Nh＞Nc是稳定地保持等离子体状态的条件。因此，对于梁26的高度h，当Nh＝Nc时，达到其上限值hc。将其代入式(2)中，得到以下结果：
Hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π......(3)。
在此，临界等离子体电子密度Nc，一般地由下式(4)表示：
Nc＝me×ε0×ω2/e2......(4)，
其中，Me为电子质量，ε0为真空介电常数，ω为入射波的角频率，e为电子的电荷。
由上式(4)可以计算出临界等离子体电子密度Nc＝7.5×e10(cm-3)。本发明人将该计算结果Nc和电介质正下方的梁的端部周围的等离子体电子密度N0＝5.0×e12(cm-3)代入式(3)，彻底查明“0.038m”为梁26的高度上限值hc。该模拟实验结果如图9所示。
因此，只要梁26的高度hc在“0.038m”以下，梁26的端部周围的等离子体电子密度Nh就能够保持为某种程度的密度。其结果，在梁26中传播的表面波(微波)能够保持作为倏逝波而向等离子体渗透的状态。所以，证明出只要梁26的高度h在“0.038m”以下，便能够避免出现在梁26中传播的表面波(微波)无法保持作为倏逝波向等离子体内渗入的状态而是一举进入等离子体内、由此导致处理容器内部的等离子体出现不稳定的现象。
以上，根据本实施方式的微波等离子体处理装置100，通过使梁26比各电介质31突出，而能够抑制由表面波引起的干涉以及由扩散等离子体引起的干涉，进而能够抑制等离子体的模式跳变。其结果，能够稳定地生成均匀的等离子体，高精度地对基板G进行等离子体处理。
其中，在本实施方式的微波等离子体处理装置100中，从上层的气体喷射孔A喷射氧气，从下层的气体喷射孔B喷射硅烷气体和氩气。但是，气体的喷射孔的位置并不限于此，例如，也可以从设置在同样高度的多个喷射孔中的任一个喷射孔分别喷射各种气体。
另外，也可以取代图3所示的多个气体管道28，从在梁26上突出的呈冰柱状的多个喷嘴喷射第二气体。
另外，在处理室U的内部，例如，利用0.7eV～2.0eV的低电子温度、1011～1013cm-3的高密度等离子体，可以进行对基板G的损伤少的均匀的成膜。例如，以成膜非晶硅时的条件为例，处理室U内的压力为5～100Pa，优选为10～60Pa，基板G的温度为200～450℃，优选为250～380℃。而且，对于处理室U的尺寸，较合适为G3以上，例如，可以是G4.5(基板G的尺寸：730mm×920mm，处理室U的内部尺寸：1000mm×1190mm)、G5(基板G的尺寸：1100mm×1300mm，处理室U的内部尺寸：1470mm×1590mm)。而且，微波发生器的输出功率为1～8W/cm2的范围，优选为2.2w/cm2～3w/cm2。对于微波发生器的功率输出，如果在1w/cm2以上，则能够在等离子体点火后比较稳定地产生等离子体。如果微波发生器的功率输出不满1W/cm2，则等离子体无法点火，从而导致等离子体的产生非常不稳定，工艺不稳定，不均匀且不实用。
在上述实施方式中，各部的动作互相关联。虽然考虑到其互相关联性，但也能够作为一系列的动作进行置换。所以，利用这种置换，而能够将等离子体处理装置的发明实施方式，作为等离子体处理方法的实施方式。
以上，一边参照附图一边对本发明的优选实施方式进行了说明，但是，本发明并不限定于上述实施例，这是不言而喻的。本领域的技术人员很容易根据权利要求书所记载的范围而得出各种变更例和实施例，这些当然也属于本发明的技术范围。
例如，利用本发明等离子体处理装置实行的等离子体处理，并不限于CVD处理，也可以是灰化处理、蚀刻处理等所谓的等离子体处理。
本发明能够抑制等离子体的模式跳变，能够适用于新型改良的等离子体处理装置。

Claims (12)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
下表面开设有多个缝隙的多个波导管、使在所述多个波导管内传播并通过所述多个缝隙的微波透过的电介质、以及利用透过所述电介质的微波使气体等离子体化而对被处理体进行等离子体处理的处理室，其中，
所述电介质由多个电介质零件构成，
各电介质零件被配置成在由梁所支撑的状态下，使在所述多个波导管中的一个或两个以上波导管中传播并通过各波导管的一个或两个以上缝隙的微波透过，
所述梁向着所述被处理体侧突出设置，使所述梁的朝向被处理体侧的端部周边的等离子体中的电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上，
所述梁的朝向被处理体侧的端部周边是指在其被处理体侧上距离梁的端部几毫米以上的距离，
令所述电介质零件附近的等离子体密度为N0、相邻梁之间的间隔最小值为a，则所述梁的突出位置的上限值hc可以由下述公式求出：
hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述梁的突出位置的上限值hc为0.038m。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述各电介质零件在其周缘被所述梁所支撑。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
在所述各电介质零件的与被处理体相对的面上形成有凹部或凸部中的至少任何一种。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述梁由导电性材料形成。
6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述梁为非磁性体。
7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包括：
从第一气体喷射孔供给第一气体的第一气体供给部、以及从比所述第一气体喷射孔更靠近被处理体侧所设置的第二气体喷射孔供给第二气体的第二气体供给部，其中，
所述梁被设置在比所述第二气体喷射孔更靠近电介质侧的位置。
8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一气体和所述第二气体中的至少任何一种为混合有多种气体的混合气体，除所述混合气体过度反应的情况之外，所述第一气体其结合能的最小值大于所述第二气体的最小值。
9.一种使用等离子体处理装置的等离子体处理方法，其特征在于：
使在多个波导管中的一个或两个以上的波导管内传播并通过各波导管的一个或两个以上缝隙的微波透过由向着被处理体侧突出设置的梁所支撑的多个电介质零件的各电介质零件，使所述梁的朝向被处理体侧的端部周边的等离子体中的电子密度Ne在临界等离子体电子密度Nc以上，
由所述透过的微波将气体等离子体化，对被处理体进行等离子体处理，
所述梁的朝向被处理体侧的端部周边是指在其被处理体侧上距离梁的端部几毫米以上的距离，
令所述电介质零件附近的等离子体密度为N0、相邻梁之间的间隔最小值为a，则所述梁的突出位置的上限值hc可以由下述公式求出：
hc＝21/2×a×(lnN0-lnNc)/2π。
10.如权利要求9所述的等离子体处理方法，其特征在于：
所述梁的突出位置的上限值hc为0.038m。
11.如权利要求9所述的等离子体处理方法，其特征在于：
从第一气体喷射孔供给第一气体，
在所述供给的第一气体进行等离子体点火之后，从设置在比所述第一气体喷射孔的位置以及所述梁突出的位置更靠近下方的第二气体喷射孔供给第二气体。
12.如权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于：
所述第一气体和所述第二气体中的至少任一种为混合有多种气体的混合气体，除所述混合气体过度反应的情况之外，所述第一气体其结合能的最小值大于所述第二气体的最小值。
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