CN101002509A

CN101002509A - 等离子处理单元

Info

Publication number: CN101002509A
Application number: CNA2005800249598A
Authority: CN
Inventors: 田才忠; 石桥清隆; 北川淳一; 野泽俊久
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP2006040638A; WO2006009213A1; KR100863842B1; US20080035058A1; US8387560B2; CN101002509B; KR20070044465A; JP4093212B2

Abstract

本发明提供了一种等离子处理单元，包括：处理容器，其顶部开口，并且其中能产生真空；平台，其设置在所述处理容器中，用于在其上设置将被处理的物体；上板，其由电介质制成，所述上板密封地装配在所述开口中，并允许微波从其中穿过；平面天线元件，其设置在所述上板上或上方，所述平面天线元件具有多个微波辐射孔，以向所述处理容器内部辐射用于等离子发生的微波；慢波元件，其设置在所述平面天线元件上或上方，用于缩短微波的波长；和微波干扰抑制部，其设置在所述上板的下表面上，所述微波干扰抑制部将所述下表面分成多个同心区域，并在所述区域间抑制微波干扰。

Description

等离子处理单元

技术领域

本发明涉及采用微波产生的等离子对半导体晶片等进行处理的等离子处理单元。

背景技术

近年来，为了解决半导体产品的增大的密度和进一步小型化，将等离子处理单元用于制造这样的半导体产品，以进行诸如薄膜沉积工艺，蚀刻工艺，灰化工艺等等。特别地，使用微波的方法产生高密度等离子体的微波等离子处理单元成为一种趋势，因为微波等离子处理单元可以稳定地产生等离子体，即使是压力范围低到只有大约0.1mTorr(13.3mPa)到几十mTorr(几Pa)之间在高真空状态下。

例如，这样的等离子处理单元在JP3-191073A，JP5-343334A，和JP9-181052A中已经公开。下文中参考图9对普通的微波等离子处理单元进行了示意性地描述。图9是常规、普通微波等离子处理单元的示意结构图。

如图9所示，等离子处理单元102包括处理容器104和平台106，其中处理容器104内部能够产生真空，并且平台106设置在处理容器104中，在上面设置半导体晶片W。圆盘状上板108密封地安装在顶部，且与平台106相对。上板108是由诸如氮化铝或石英之类允许微波从其中穿过的材料制成。

厚度为几毫米圆盘状平面天线元件110设置在上板108的上表面上或上方。使用例如电介质之类的材料制成的慢波元件112安装在平面天线元件110的上表面上或上方，以便在平面天线元件110的径向上缩短微波的波长。顶部冷却套管114安装在慢波元件112的上方。由于在顶部冷却套管114内部冷却水流过冷却水流通道，所以慢波元件112等等可以被冷却。

平面天线元件110有多个微波辐射孔116，其中每一个都是例如伸长的槽形通孔。通常，微波辐射孔116是同心或螺旋状地分布。同轴波导管118的内部电缆120与平面天线元件110的中心部分相连。通过内部电缆120，微波发生器(未示出)产生的例如2.45GHz的微波被导入平面天线元件110。微波在平面天线元件110的径向辐射传播，并且通过平面天线元件110上的微波辐射孔116释放。在通过上板108之后，微波被导入到处理容器104中，由于微波的导入，处理容器104中的处理空间S中产生等离子体，平台106的半导体晶片W可以执行的预定等离子处理，例如蚀刻处理和薄膜沉积处理。

当半导体晶片利用上述的等离子处理单元执行预定的等离子处理，例如蚀刻处理和薄膜沉积处理时，半导体晶片表面对处理的均匀性要特别严格地保持。通常，为保持处理容器104中等离子密度均匀性起见，对平面天线元件110上微波辐射孔116的分布和形状进行了改变(调节)。但是，控制处理容器104中等离子体是非常困难的。甚至处理条件的细微变化都会引起等离子体行为很大的改变。结果，在很多情况下，半导体晶片表面的等离子处理的均匀性无法充分保持。

近年来，半导体晶片的尺寸越来越大，即12英寸的半导体晶片已经代替了8英寸的半导体晶片，而需要促进半导体晶片的进一步的小型化和薄膜厚度进一步的减小。在这些环境下，解决上述问题的要求非常迫切。

发明内容

从上述问题的角度出发，本发明可以用来有效地解决该问题。本发明的目的是提供一种等离子处理单元，该单元能够在处理容器中产生更加均匀的等离子密度，以便提高将被处理的物体表面的等离子处理的均匀性。

作为对处理容器中等离子行为广泛研究的结果，本发明发现可接触等离子的处理容器中上板的形状对等离子行为有很大的影响。本发明基于该知识。

即，本发明是一种等离子处理单元，其包括：处理容器，其在顶部具有开口，并且其中能产生真空；平台，其设置在处理容器中，用于在其上设置将被处理的物体；上板，由电介质材料制成，该上板密封地装配在上述开口中，并允许微波从其中穿过；平面天线元件，其设置在上板上或上方，该平面天线元件具有多个微波辐射孔，将用于等离子发生的微波向处理容器内部辐射；慢波元件，其设置在平面天线元件上或上方，用来缩短微波的波长；和微波干扰抑制部，其设置在上板的下表面上，该微波干扰抑制部将下表面分隔成多个同心区域(中心区域和中心区域外的一个或多于一个环形区域)，并抑制区域间的微波干扰。

根据本发明，由于提供了将上板下表面分成多个同心区域，并抑制区域间的微波干扰的微波干扰抑制部，处理容器中的等离子密度的均匀性得到了提高，从而提高了将被处理的物体表面的等离子处理的均匀性。

例如，微波干扰抑制部是圆环形，用来将上板的下表面分成多个同心圆环区域。

在这种情况下，优选地，微波干扰抑制部的内径在慢波元件中微波的波长λ的长度的1.5到2.5倍的范围内。

另外，优选地，微波干扰抑制部具有在上板的下表面上以预定间隔形成的多个的同心环状脊。在这种情况下，优选地，环状脊的间隔在慢波元件中微波的波长λ的长度的1/10到1/3的范围内。在这种情况下，优选地，环状脊的高度在3到10mm的范围内。

另外，优选地，微波干扰抑制部的宽度等于或小于慢波元件中微波波长λ的长度。

另外，优选地，以预定的间隔将多个微波干扰抑制部安装在上板的下表面上。在这种情况下，优选地，微波干扰抑制部之间的间隔等于或大于慢波元件中微波的波长λ的长度。

可选地，例如微波干扰抑制部是矩形。

在这种情况下，优选地，微波干扰抑制部具有在上板的下表面上以预定间隔形成的多个同心矩形脊。在这种情况下，优选地，脊的距离在慢波元件中微波的波长λ的长度的1/10到1/3倍的范围之间。在这种情况下，优选地，脊的高度在3到10mm的范围之间。

另外，优选地，微波干扰抑制部的宽度等于或小于慢波元件中微波的波长λ的长度。

另外，优选地，微波辐射孔在平面天线元件的中心部分稀疏地分布，并且在平面天线元件的周围部分密集地分布。可选地，微波辐射孔可均匀地分布在平面天线元件的整个表面。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的等离子处理单元的结构视图；

图2A和2B是平面天线元件的结构的实施例的俯视图；

图3是图1所示的等离子处理单元的上板的下表面的俯视图；

图4A和4B是上板的结构的实例的局部放大剖视图；

图5A是常规单元的处理容器中的电子密度分配图，并且图5B是根据本发明的实施例的处理容器中的电子密度分配图；

图6是微波干扰抑制部件的修改的俯视图；

图7是上板的修改的剖视图；

图8是上板的可选修改的仰视图；

图9是常规等离子处理单元的示意结构视图。

具体实施方式

在下文中将参考附图对根据本发明的等离子处理系统的实施例进行说明。

图1是根据本发明的一个实施例中的等离子处理单元的结构视图。图2A和2B是平面天线元件的结构的实施例的俯视图。图3是图1所示的等离子处理单元的上板的下表面的俯视图。图4A和4B是上板的结构的实施例的局部放大剖视图。

如图1所示，该实施例中的等离子处理单元22包括大体圆柱形的处理容器24。处理容器24具有侧壁和底部，其由诸如铝的导电材料形成，并且接地。处理容器24的内部提供了封闭的密封处理空间S，其中产生等离子。

处理容器24容纳平台26，平台26上可设置将被处理的如半导体晶片W的物体。平台26由阳极氧化铝等制成，并具有平面盘状。平台26通过支撑柱28而支撑，该支撑柱28由如绝缘材料等制成并从处理容器24的底部立起。

将一种用于固定晶片的静电卡盘或一种夹紧机构(未示出)设置在平台26的上表面。如果需要，平台26可与例如提供13.56MHz射频功率的射频功率电源连接，用于进行偏压。根据需要，该平台26可设置有内置加热器。

石英管制成的用作气体供应装置的等离子气体供应喷嘴30与处理容器24的侧壁连接。等离子气体供应喷嘴30向处理容器24中提供诸如氩气的用于生成等离子的气体。类似地，用作气体供应装置的由如石英管等制成的处理气体供应喷嘴32与处理容器24的侧壁连接。处理气体供应喷嘴32将诸如沉积气体的处理气体引入处理容器24。可通过相应喷嘴30和32将相应气体供给处理容器24，同时控制相应气体的流速。

将能够开和关的闸阀34设置在处理容器24的侧壁上。通过该闸阀34，将晶片载入处理容器24中或者从其中卸载。在处理容器24的底部中形成排气口36。将设置有真空泵(未示出)的气体排出通道38与排气口36连接。因此，当需要时，可将处理容器24的内部抽成预定压力的真空。

处理容器24的顶部是开口的(在顶部形成有开口)。通过诸如O形环的密封部件42将允许微波通过的上板气密地装配在开口中。该上板40例如由石英或陶瓷制成。为了上板40具有耐压性，将上板的厚度设为例如约20mm。在上板40的下表面，形成了微波干扰抑制部44，该微波干扰抑制部44是本发明的特有特征。在下文中将对微波干扰抑制部44的结构进行说明。

将盘状平面天线元件46和具有高介电常数的慢波元件48在上板40的上表面以自下的顺序设置。对作为中空圆柱形容器的电导波导盒50进行设置，以覆盖慢波元件48的几乎全部的上和侧表面。平面天线元件46用作波导盒50的底板。

波导盒50的周围部分和平面天线元件46接地。共轴波导管52的外管52A与波导盒50的上表面的中央连接。共轴波导管52中的内部电缆52B延伸通过通孔54，该通孔54形成在慢波元件48的中央以与平面天线元件46的中央部分连接。

共轴波导管52经由模转换器56和波导管58与具有匹配器60微波发生器62连接，用于生成例如2.45GHz的微波。从而，微波可向平面天线元件46传播。微波的频率不限于2.45GHz。也可是其它频率，如8.35GHz。这里的波导管可以是具有圆形横截面或矩形横截面的波导管或共轴波导管。顶部冷却套(未示出)可设置在波导盒50上或者上方。设置在波导盒50中平面天线元件46的上表面上的具有高介电常数的慢波元件48的功能是通过波长缩短(减短)效应而缩短(减短)微波的引导波长。例如，可使用氮化铝以形成慢波元件48。

如适合8英寸晶片的平面天线元件46由如直径在300mm和400mm之间且厚度在1mm和几mm之间的导电材料制成。更具体地，平面天线元件46可由如表面涂覆有银的铜板或铝板制成。如图2A和2B所示，平面天线元件46具有大量的微波辐射孔64，每个微波辐射孔64是例如伸长槽形的通孔。该微波辐射孔64的设置方式没有特别地限制。例如，微波辐射孔64可共轴地、螺旋形地或径向地设置。可选地，微波辐射孔64可均匀地分布在平面天线元件46的整个表面中。图2A示出了微波辐射孔的设置的一个实例，其中十二对微波辐射孔64设置在中央侧，且二十四对微波辐射孔64设置在周围侧，每对微波辐射孔64由两个设置为“T”形的通孔64而形成。即，微波辐射孔64设置成形成两个同心圆。图2B示出了另一个实例，其中六对孔64设置在中央侧，且二十四对孔64设置在周围侧。即，将微波辐射孔64稀疏地设置在中央侧，密集地设置在周围侧。实际上，可优化调节微波辐射孔64的设置，以适应微波干扰抑制部44的形状。

如上所述，微波干扰抑制部44形成在上板40的下表面上，即，形成在可直接接触处理空间S中的等离子的表面上。如图3所示，在该实施例中，微波干扰抑制部44形成为圆环形状。通过微波干扰抑制部44，限定了两个同心环区域，即，在微波干扰抑制部44内侧的中央区域70A和在其外侧的周围区域70B。

微波干扰抑制部44具有对中央区域70A和周围区域70B之间的微波干扰进行抑制的功能。应该注意，微波干扰抑制部44不完全阻挡区域70A和70B之间的微波干扰。相反地，在一定程度允许区域70A和70B之间的微波干扰的同时，微波干扰抑制部44对常规天线元件中会发生的过多微波干扰进行了限制。完全阻挡区域70A和70B之间的微波干扰不是优选的，因为这将使得供应至相应区域70A和70B的电源非常不平衡。

例如，如图4A所示，在该实施例中的微波干扰抑制部44具有同心设置的多个脊72A和多个凹槽72B。在图4A中示出的实施例中，设置具有五个正方形横截面的脊72A，以形成从上板40的下表面向下突出的同心设置的圆环。优选地，在与大致靠近平台26上的晶片W的中央和外周围之间的中间部分的位置对应的位置处形成微波干扰抑制部44。在这种情况下，发现微波干扰抑制部44的内径D1优选地在慢波元件48的微波2.45GHz的波长λ的长度的1.5到2.5倍的范围内。当内径D1从该范围偏离时，有可能供应给中央区域70A和周围区域70B的微波的电能不平衡。

脊72A和凹槽72B具有大致彼此相同的宽度。例如，每条脊72A和每条凹槽72B大约5mm宽。因此，脊和凹槽的间距L1约为10mm。发现脊和凹槽的距离L1优选地在波长λ的长度的1/10至1/3倍的范围内。当距离L1从该范围偏离时，中央区域70A与周围区域70B之间的微波干扰抑制效果几乎失效，从而在区域70A和70B之间引入多余的微波干扰。结果，影响了等离子密度的均匀性。

脊72A的高度H1(凹槽72B的深度)优选地在3mm至10mm的范围内。在该实施例中，高度H1是例如5mm。当高度H1从该范围偏离时，中央区域70A与周围区域70B之间的微波干扰抑制效果几乎失效，从而在区域70A和70B之间引入多余的微波干扰。结果，影响了等离子密度的均匀性。

此外，发现当仅有一条脊72A时，区域70A和70B之间的微波干扰抑制效果是不足的。从而，脊72A的数量应该为两条或多于两条。此外，发现形成脊和凹槽的整个部分的宽度，即微波干扰抑制部44的宽度W1优选地等于或短于波长λ的长度。当微波干扰抑制部44的宽度W1宽于一个波长λ的长度时，区域70A和70B之间的微波干扰抑制作用过多，因此，可能分别供应至中央区域70A和周围区域70B的电能非常不平衡。

在图4A所示的实例中，尽管向下突起的脊72A的远端设置为比上板40的下表面水平更低，但其不限于此。即，如图4B所示，可通过将凹槽72B刻在上板40的下表面中，而将脊72A的远端设置在与上板40的下表面水平相同的水平处。在这种情况下，需要凹槽72B的数目为两条或更多。

接着，在下文中将对如上结构的等离子处理单元22所执行的处理方法进行说明。

首先，通过输送臂(未示出)经由闸阀34将半导体晶片W载入处理容器24中。通过在上下方向移动升降销(未示出)，将晶片W设置在平台26的上表面上。

在将处理容器24的内部保持在如0.01Pa至几Pa范围的预定处理压力时，将氩气等从等离子气体供应喷嘴30供应，且对其流速进行控制，同时从处理气体供应喷嘴32供应用于该种处理的处理气体，即用于薄膜沉积处理的薄膜沉积气体或用于蚀刻处理的蚀刻气体，并对其流速进行控制。同时，将微波发生器62生成的微波经由波导管58和共轴波导管52供应至平面天线元件46。这种方式下，将具有通过慢波元件48的作用而减短(缩短)的波长的微波引入即将产生等离子的处理空间S。因此，可进行预定等离子处理。

如上所述，微波发生器62生成的例如2.45GHz的微波在共轴波导管52中传播以到达波导盒50中的平面天线元件46。由于微波从盘状平面天线元件46的中央部分传播至其周围部分，所以从形成在平面天线元件46中的微波辐射孔64经过(穿过)上板40将微波引入直接位于平面天线元件46的下方的处理空间S。通过微波而激发氩气以生成等离子，等离子接着向下扩散，且激活处理气体以形成活性种。由于活性种的作用，晶片W的表面经过预定等离子处理。

当上板具有完全平坦形的表面时，如在常规单元中(见图9)，在上板108的平面方向产生强烈的微波干扰，因此可通过在处理容器104中的处理条件的稍稍改变等的方式而大大改变处理容器104中的等离子密度。在这种情况下，在晶片的表面中的等离子处理的均匀性会受影响。同时，在根据本发明的单元中，由于在上板40的下表面上设置的微波干扰抑制部44，其中脊72A和凹槽72B形成的距离L1充分地短于波长λ，可限制在上板40的平面方向的微波干扰(不完全阻止微波干扰而是在一定程度上进行限制)。由于上板40中的区域70A和70B之间的微波干扰被适当的限制，可稳定处理空间S中的等离子密度的均匀性。结果，可显著地稳定晶片的表面中的等离子处理的均匀性。更具体地，当使用常规结构的平面天线元件时，在处理空间S的中央部分的等离子密度趋于高于在其周围部分的等离子密度。另一方面，当使用利用本发明的结构的平面天线部件时，即，当在形成多条脊72A和凹槽72B，其中脊72A和凹槽72B的距离L1设置为充分地短于慢波元件48中的微波的波长λ，从而抑制区域70A和70B之间的微波干扰时，可使得等离子密度在处理空间S的平面方向均匀分布。

改进等离子密度的均匀性的原因如下所述。即，在处理空间S中的等离子大致具有导电性。因此，等离子密度越高，微波的反射量将更多。尽管部分反射的微波回到微波发生器62并由匹配器60进行调节，然而大部分反射的微波在电介质制成的上板40中反复地径向地反射，并停滞在其中形成驻波等。在这种情况下，等离子密度的分布与上板40中的电场的分布密度对应。在上板40中的电场的密度分布极大地取决于上板40本身的形状或图样。因此，通过在上板40的下表面上设置脊72A和凹槽72B，以改变(调节)上板40的形状，将上板40的平面方向的电场的密度分布均匀化。结果，使得等离子分布在平面方向均匀。

制造了根据本发明的单元的实例和常规单元的实例，并对等离子密度(电子密度)进行测量和评估。在下文中说明了评估结果。图5A是常规单元的实例的处理容器中的电子密度分布的图表。图5B是根据本发明的单元的实例的处理容器中的电子密度分布的图表。

如图5A所示，在常规单元的实例中，在晶片的中央部分的电子密度相当高，而电子密度向晶片的周围部分逐渐地降低。另一方面，如图5B所示，在根据本发明的单元的实例中，电子密度从晶片的中央部分到周围部分大致一致。换言之，可实现在等离子密度在平面方向优良的均匀性。

在实际的等离子处理单元中，如图2A和2B所示，通过如根据等离子处理的类型等而适当地调节微波辐射孔64的分布，可进一步细微地调节等离子密度分布。

在上述实施例中，将石英用作慢波元件48和上板40的电介质材料。然而，不限于石英，还可使用诸如氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si₃N₄)等陶瓷材料。

微波的频率不限于2.45GHz，而可使用如在几百MHz至10GHz之间的范围中的频率。

在上述实施例中，如图3所示，脊72A和凹槽72B具有完整的圆环形状。然而，它们的形状不限于完整的圆环形状。例如，如图6所示，可将脊72A和凹槽72B分别均匀地分为多个部分，如四个弧形部分。

在上述实施例中，通过一个圆环形状的微波干扰抑制部44，上板40被分为两个区域，即，中央区域70A和周围区域70B。然而，本发明不限于此。可通过多个以预定间隔彼此隔开的微波干扰抑制部将上板40分为三个或多于三个区域。

图7示出了这样的上板的修改。在该修改中，两个微波干扰抑制部44A和44B在其间形成有预定间隔L3，以将上板40分为三个区域，即，中央区域70A、中间区域70C和周围区域70B。在这种情况下，发现两个微波干扰抑制部44A和44B之间的间隙，即，中间区域70C的宽度L3优选地等于或长于慢波元件48中的微波的波长λ的长度。该结构使得中间区域70C的等离子密度与中央区域70A和周围区域70B的等离子密度大致相同。

在上述实施例中，上板40是盘状。然而，本发明不限于此。例如，本法明可应用于用于LCD基片等的单元的矩形上板。图8是这样的上板的改变的仰视图。根据LCD基片、玻璃基片等，上板40’形成矩形形状。微波干扰抑制部44’(脊72A’和凹槽72B’)也形成为矩形环状以将中央区域70A’与周围区域70B’彼此分隔开。

显而易见，上述结构的等离子处理单元22仅仅作为示例，而本法明不限于此。

Claims

1.一种等离子处理单元，包括：

处理容器，其顶部开口，并且其中能产生真空；

平台，其设置在所述处理容器中，用于在其上设置将被处理的物体；

上板，其由电介质制成，所述上板气密地装配在所述开口中，并允许微波从其中穿过；

平面天线元件，其设置在所述上板上或上方，所述平面天线元件具有多个微波辐射孔，以向所述处理容器内部辐射用于发生等离子的微波；

慢波元件，其设置在所述平面天线元件上或上方，用于缩短微波的波长；和

微波干扰抑制部，其设置在所述上板的下表面上，所述微波干扰抑制部将所述下表面分成多个同心区域，并在所述区域间抑制微波干扰。

2.如权利要求1所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部是圆环形的，以将所述上板的所述下表面分成多个同心圆环区域。

3.如权利要求2所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部的内径在所述慢波元件中的微波的波长λ的长度的1.5到2.5倍的范围之间。

4.如权利要求2或3所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部具有在所述上板的所述下表面上以预定间隔形成的同心环状脊。

5.如权利要求4所述的等离子处理单元，其中

所述环状脊的间隔在所述慢波元件中微波的波长λ的长度的1/10到1/3的范围内。

6.如权利要求4或5所述的等离子处理单元，其中

脊的高度在3到10mm的范围内。

7.如权利要求2到6中任一权利要求所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部的宽度等于或小于所述慢波元件中微波的一个波长λ的长度。

8.如权利要求2到7中任一权利要求所述的等离子处理单元，其中

所述多个微波干扰抑制部以预定间隔设置在所述上板的所述下表面上。

9.如权利要求8所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部之间的间隔等于或大于所述慢波元件中微波的一个波长λ的长度。

10.如权利要求1所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部是矩形的。

11.如权利要求10所述的等离子处理单元，其中

所述微波干扰抑制部具有在所述上板的所述下表面上以预定间隔形成的多个同心矩形脊。

12.如权利要求11所述的等离子处理单元，其中

所述脊的间隔在所述慢波元件中微波的波长λ的长度的1/10到1/3的范围内。

13.如权利要求11或12所述的等离子处理单元，其中

所述脊的高度在3到10mm的范围内。

14.如权利要求10至13中任一权利要求所述的等离子处理单元，其中

15.如权利要求1至14中任一权利要求所述的等离子处理单元，其中

所述微波辐射孔在所述平面天线元件的中央部分稀疏地分布，且在所述平面天线元件的周围部分密集地分布。

16.如权利要求1至14中任一权利要求所述的等离子处理单元，其中

所述微波辐射孔均匀地分布在所述平面天线元件的整个表面中。