CN101091420A - 表面波激发等离子体产生装置以及表面波激发等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明可有效地产生表面波激发等离子体。表面波激发等离子体产生装置(10)包括环状导波管(2)以及电介质管(3)。环状导波管(2)包括导入口(2a)、终端板(2b)以及底板(2c)，其中，所述导入口(2a)用来导入微波(M)，所述终端板(2b)用来反射被导入的在管内传播的微波(M)，所述底板(2c)上以预定的间隔形成有槽孔天线(2d)。当微波(M)的管内波长为λg时，将从底板(2c)上的位置(b)开始经过位置(c、d、e)直到位置(f)为止的长度，即，环状导波管(2)的周长π×D1设为2λg，并且位置(b、c、d、e、f)之间隔开λg/2的间隔。由于槽孔天线(2d)配置在位置(c)及位置(e)两处，因此所述2个槽孔天线(2d)的间隔等于管内波长λg。

Description

表面波激发等离子体产生装置以及表面波激发等离子体处理装置

技术领域

本发明是一种从微波产生装置导入微波而产生表面波激发等离子体的表面波激发等离子体产生装置，以及一种利用表面波激发等离子体来进行CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)或蚀刻等的表面波激发等离子体处理装置。

背景技术

表面波激发等离子体(SWP：Surface Wave Plasma)通过如下方式而生成，即，将在微波导波管内传播的微波从槽孔天线导入到电介质部件内，再利用因微波电力而在电介质部件表面上产生的表面波来激发等离子体，从而生成表面波激发等离子体。作为此种微波导波管，已知有在底板上设置有多个槽孔天线的无终端环状导波管(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开平5-345982号公报(第2页，图6、图9)

专利文献1中所揭示的无终端环状导波管由于无终端部，因此有时会干扰在管内传播的微波，而导致无法形成稳定的驻波，驻波的相位与槽孔天线的相互位置变得不确定，使得微波电力集中在特定的槽孔天线。因此，存在着表面波激发等离子体的产生效率降低的问题。

发明内容

(1)本发明权利要求第1项的表面波激发等离子体产生装置的特征在于，包括微波产生装置、环状微波导波管、以及筒状电介质部件，并且当微波的管内波长为λg，常数k在0.95λg～λg的范围内时，将底板的内侧面的周长设为常数k的整数倍，其中，所述环状微波导波管包括从微波产生装置导入微波的导入部以及固定的终端部，并且将形成有1个槽孔天线或者以预定间隔而配置有多个槽孔天线的底板作为内侧面，所述筒状电介质部件呈筒状，所述筒的外侧面与环状微波导波管的底板相连接而配设着，并且通过槽孔天线而导入在环状微波导波管内传播的微波，并利用形成于表面的表面波来生成表面波激发等离子体。

(2)本发明权利要求第2项的特征在于，在权利要求第1项所述的表面波激发等离子体产生装置中，将多个槽孔天线的预定间隔设为常数k的整数倍。

(3)本发明权利要求第3项的特征在于，在权利要求第1项或者第2项所述的表面波激发等离子体产生装置中，将终端部与配置在其正前方的槽孔天线之间的距离设为常数k的1/2的整数倍。

(4)本发明权利要求第4项的表面波激发等离子体产生装置的特征在于：包括微波产生装置、环状微波导波管、以及筒状电介质部件，并且当在筒状电介质部件的内周面传播的表面波的波长为λs，常数k在0.95λs～λs的范围内时，筒状电介质部件的内侧面的周长设为常数s的整数倍，其中，所述环状微波导波管包括从微波产生装置导入微波的导入部以及固定的终端部，并且将形成有1个槽孔天线或者以预定间隔而配置有多个槽孔天线的底板作为内侧面，所述筒状电介质部件呈筒状，所述筒的外侧面与环状微波导波管的底板相连接而配设着，并且通过槽孔天线而导入在环状微波导波管内传播的微波，并利用形成于表面上的表面波而生成表面波激发等离子体。

(5)本发明权利要求第5项的特征在于，在权利要求第1项至第4项中任一项所述的表面波激发等离子体产生装置中，设有在筒状电介质部件的内部空间内供用以辅助开始放电的以碳、碳化硅等为材料的放电辅助部件插卸用的机构。

(6)本发明权利要求第6项的表面波激发等离子体处理装置的特征在于，包括权利要求第1项至第5项中任一项所述的表面波激发等离子体产生装置、以及处理室，其中，所述处理室用来保持筒状电介质部件，从而形成气密空间，并利用表面波激发等离子体产生装置所生成的等离子体，来对被处理物进行处理。

[发明的效果]

根据本发明，可使具有终端部的环状微波导波管的构造、尺寸相对于微波的管内波长达到最适化，因此可有效地产生表面波激发等离子体。

附图说明

图1是本发明第一实施形态的SWP处理装置以模式方式所示的整体结构图。

图2是图1所示的SWP处理装置的主要部位的I-I剖面图。

图3是第一实施形态的SWP处理装置的主要部位的水平剖面图。

图4是第一实施形态的SWP处理装置的微波的入射波M与反射波R的干扰状态以模式方式所示的图解。

图5是第一实施形态的SWP产生装置、SWP处理装置中所使用的环状导波管的变形例以模式方式所示的平面图。

图6是第一实施形态、第二实施形态的SWP产生装置的变形例以模式方式所示的纵剖面图。

1：微波产生装置       1a：微波电源

1b：微波振荡器        1c：隔离器

1d：方向性结合器      1e：整合器

If：连结管            2、20：环状导波管

2a：导入口            2b、20b：终端板

2c：底板              2d：槽孔天线

3：电介质管           4：等离子体处理室

4a、31a、31b：O形圈   5：上表面气体导入管

6：侧面气体导入管     7：排气口

8：基板托架           10、10A：SWP产生装置

20b：终端板           21：冷却套

22：冷媒用通道        23：O形圈封

31：凸缘部            33：移动机构

40：碳棒              40a：开口

41：平板              42：绝缘部件

43：棒材              100：SWP处理装置

a～f：位置            C：合成波

D1、D2：直径          E：终端

H：底板2c的内面       M：微波(入射波)

R：反射波             SW：表面波

O：圆筒的中心位置     P：表面波激发等离子体

S：基板

具体实施方式

以下，参照图1～图6，说明本发明实施形态的表面波激发等离子体产生装置(以下称作SWP产生装置)以及表面波激发等离子体处理装置(以下称作SWP处理装置)。

<第一实施形态>

图1是本发明第一实施形态的SWP处理装置以模式方式所示的整体结构图。图2是图1所示的SWP处理装置的主要部位的I-I剖面图。图3是图1所示的SWP处理装置的主要部位的水平剖面图。

参照图1、图2，SWP处理装100的结构包括SWP产生装置10以及等离子体处理室4。SWP产生装置10包括微波产生装置1、环状导波管2、以及电介质管3，其中，所述环状导波管2与微波产生装置1相连接，所述电介质管3配置在环状导波管2内侧。等离子体处理室4中，配设有上表面气体导入管5、侧面气体导入管6、排气口7、以及基板托架8，其中，所述上表面气体导入管5用来从上表面导入制程气体，所述侧面气体导入管6用来从侧面导入材料气体或制程气体，所述排气口7通过配管来与未图示的真空泵连接，所述基板托架8用来保持被处理基板S。这样的SWP产生装置10可在等离子体处理室4内产生表面波激发等离子体(SWP)。

微波产生装置1包括微波电源1a、微波振荡器1b、隔离器1c、方向性结合器1d、整合器1e、以及连结管1f，所述微波产生装置1例如可产生2.45 GHz的微波M，并通过该连结管1f，将微波M送到环状导波管2内。

环状导波管2例如由铝合金或非磁性不锈钢制成且包括导入微波M用的导入口2a、以及使被导入的、在管内传播的微波M反射用的终端板2b，并且形成由终端板2b来封闭管的一端的构造。如图2所示，环状导波管2的横剖面为中空的矩形状，以底板2c作为内周侧而呈环状。在底板2c上，形成有1个槽孔天线2d或者以预定间隔而形成有多个槽孔天线2d。槽孔天线2d为贯穿底板2c而形成的例如为长矩形状的开口。另外，底板2c的内面称为磁界面(H面)。

电介质管3由石英或者氧化铝等制成，并在其两端面通过O形圈4a而安装在等离子体处理室4内，并且，电介质管3的外侧面与环状导波管2的底板2c相连接而配设着。由此，在等离子体处理室4内形成气密空间。如图2所示，在本实施形态中，等离子体处理室4包括有底筒状的本体41、以及盖体42，其中，所述本体41在上表面载置着电介质管3，所述盖体42用来封闭电介质管3的上表面。

在等离子体处理室4内，可通过如下方式来产生表面波激发等离子体P。首先，排出室内空气而形成高真空，其次，从上表面气体导入管5以及侧面气体导入管6导入氮气、氢气、氧气、氩气等制程气体或者SiH4气体、Si2H6气体、TEOS气体等的材料气体。一面导入气体，一面通过排气口7排气，以此使等离子体处理室4内部保持为预定的气体压力。在这样的预定的气体种类、气体压力下，通过槽孔天线2d，将微波电力从环状导波管2导入到电介质管3内，利用在电介质管3的内周面传播的表面波SW的能量，在电介质管4的内部空间生成等离子体P。利用所述表面波激发等离子体，对等离子体处理室4内的气体进行电离、解离，并进行成膜、蚀刻、灰化等的等离子体处理。

参照图2、图3，来说明环状导波管2以及电介质管3各部分的尺寸。以下，为了简单，将环状导波管2以及电介质管3设成同心的圆筒形状，并将圆筒的中心位置设为0。D1为环状导波管2的底板2c的内侧面(H面)直径，底板2c的内侧面周长成为π×D1。环状导波管2的内尺寸为A×B。D2为电介质管3的内周面直径，内周面的周长为π×D2。

如图3所示，位置a表示微波产生装置1的连结管1f内的基准点，位置b、c、d、e、f位于环状导波管2的底板2c上，位置b对应于微波M的导入口2a，位置f对应于终端板2b。从位置b开始经过位置c、d、e直到位置f为止的长度是所述底板2c的内侧面的周长π×D1。位置b为环状导波管2的转角部，其与位置f等效，以将周长π×D1四等分的间隔来分布各个位置b、c、d、e、f。

微波M在环状导波管2内形成驻波，并在传播过程中，通过配设在底板2c的槽孔天线2d放射到电介质管3内，所述环状导波管2在终端板2b形成终端。

图4是微波的电场分布中的入射波M与反射波R的干扰状态以模式方式所示的图解。在图中，入射波M从左向右行进，并在终端E反射而形成反射波R，而反射波R则从右向左行进。合成波C是入射波M与反射波R合成而生成的。

图4的图上所示的位置b、c、d、e、f分别对应于图3所示的环状导波管2内的各位置b、c、d、e、f。当在环状导波管2内传播的微波M的波长(管内波长)设为λg时，将从位置b开始经过位置c、d、e直到位置f为止的长度设定为2λg，也就是说，将环状导波管2的周长π×D1设定为2λg时，位置b、c、d、e、f之间的间隔为λg/2。

事实上，当常数k在0.95λg～λg的范围内时，将环状导波管2的周长π×D1设定为常数k的整数倍。在此，常数k为实验所得的数值。一般来说，当n设为正整数时，通过设定成π×D1＝n×k，则环状导波管2内的驻波的状态得到确定，且可对槽孔天线2d进行定位。

参照图3、图4，来说明槽孔天线2d的位置。相应于所述驻波的波长及相位，将槽孔天线2d配置于位置c及位置e两处。这两个槽孔天线2d的间隔等于管内波长λg。一般而言，将槽孔天线2d彼此之间的间隔设定为常数k的整数倍。并且，终端E与位置e的槽孔天线2d之间的距离等于λg/2。一般而言，将终端板2b与邻接于所述终端板2b的槽孔天线2d之间的距离设定为常数k的1/2的整数倍。这是因为考虑到利用终端板2b来形成微波M的驻波。这样，便可相应于微波M的驻波的波长与相位来配置槽孔天线2d。

实际应用时，例如，当环状导波管2的横剖面的内尺寸(图2的A×B)为109.2×54.6mm时，管内波长λg为1 47.9mm，因此当n＝2时，环状导波管2的周长π×D1为295.8mm。因此，将D1设定为94.2mm，将槽孔天线2d的间隔设定为λg(＝147.9mm)即可。管内波长λg可通过公式1来算出。

λg＝λ/√{1-(λ/λc)²}    (1)

其中，λ为微波M的自由空间波长，λc为切断波长，λc＝2A。

并且，当环状导波管2的横剖面的内尺寸为96×27mm时，管内波长λg为158.8mm，因此同上所述，设定周长π×D1与槽孔天线2d的间隔即可。当然，若n为正整数，则并不仅限于n＝2。

所述第一实施形态的SWP产生装置10可发挥如下的作用效果。通过将具有终端板2b的环状导波管2的周长π×D1设定为常数k的整数倍，来形成驻波，并通过将槽孔天线2d彼此之间的间隔设定为常数k的整数倍，将终端板2b与邻接于该终端板2b的槽孔天线2d之间的距离设定为常数k的1/2的整数倍，来使槽孔天线2d有效地发挥作用，从而由电介质管3放出微波电力。结果，可有效地生成稳定的表面波激发等离子体P。

并且，SWP处理装置100中，可利用该稳定的表面波激发等离子体P而进行处理。

图5是第一实施形态的SWP产生装置10、SWP处理装置100中所使用的环状导波管的变形例以模式方式所示的平面图。图5所示的环状导波管20与图3所示的环状导波管2相比，不同之处只在于位于位置f上的终端板20b配设在环状部分的外侧，而从位置b开始经过位置c、d、e直到位置f为止的长度、或槽孔天线2d的配置、间隔等均相同。当终端板20b的位置设成可变的构造时，环状导波管20的形状会相应地变化。

<第二实施形态>

第一实施形态中，使环状导波管2的周长以及槽孔天线2d的位置相对于管内波长λg(或者常数k)达到最适化，而所述第二实施形态中是使电介质管3内侧面的周长相对于在电介质表面传播的表面波SW的波长达到最适化。因此，第二实施形态的SWP产生装置10、SWP处理装置100的基本结构与第一实施形态的完全相同，所以为了避免重复说明，仅说明与第一实施形态的不同点。

如上所述，当微波M从环状导波管2通过槽孔天线2d而导入到电介质管3内时，利用形成在电介质管3的内周面上的表面波SW的能量，在电介质管4的内部空间生成等离子体P。表面波SW在电介质管3的内周面传播并扩散到整个内周面。一般而言，可使用微波M的管内波长λg与电介质的介电常数ε，将在电介质表面传播的表面波SW的波长λs写成λs＝λg/ε^1/2。

关于电介质管3的各部分尺寸，如图2、图3所示，D2为电介质管3的内周面的直径，内周面的周长为π×D2。在本实施形态中，将周长π×D2设定为表面波SW的波长λs的整数倍。事实上，当常数s在0.95λs～λs的范围内时，电介质管3的内周面的周长π×D2设为常数s的整数倍。在此，常数s为实验所得的数值。一般来说，当n设为正整数时，通过设定为π×D2＝n×s，这样，即使围绕电介质管3的内周面而传播的表面波SW产生干扰，也不会衰减。结果，可有效地利用表面波能量来生成表面波激发等离子体P，从而也可提高等离子体P的空间均匀性。

实际应用时，例如，当环状导波管2的管内波长λg为147.9mm时，氧化铝制的电介质管3的介电常数ε为10，所以表面波SW的波长λs为46.6mm。因此，当将电介质管3的内径D2设定为59.3mm，周长π×D2设定为186.4mm时，n＝4(整数)，可防止表面波SW的衰减。并且，当电介质管3由石英制成时，可使用其介电常数3.5，且以同样的计算方法来算出电介质管3的内径D2及周长π×D2。

所述第二实施形态的SWP产生装置10可发挥如下的作用效果。即，通过将电介质管3的内周面的周长π×D2设定为常数s的整数倍，可抑制表面波SW的衰减，从而可提高表面波能量的利用效率。

图6是第一实施形态及第二实施形态的SWP产生装置10的变形例以模式方式所示的纵剖面图。在所述变形例的SWP产生装置10A中，除了具有图1～图3所示的SWP产生装置10的结构以外，还通过凸缘部31而设有移动机构33，用以在电介质管3的内部空间内在X方向中插卸碳棒40。碳棒40由于可较好地吸收微波，因此可用作放电辅助部件，用以辅助开始放电。

如图6所示，在环状导波管2的左右两端面，分别安装着冷却套21。在冷却套21上形成有冷媒用通道22，通过使冷媒在所述通道22中流动，而使环状导波管2冷却。安装在冷却套21上的O形圈封23将电介质管3的端面与冷却套21之间密封。

在碳棒40的一个端部(图中为右端)设有平板41，在碳棒40的另一端部设有绝缘部件42，而在绝缘部件42上固设着棒材43。碳棒40、绝缘部件42、以及棒材43的外形尺寸均制作成相同。移动机构33的结构为，可通过把持着棒材43在X方向上往返移动，而在电介质管3的内部空间内插卸该碳棒40。此外，沿着碳棒40的长度方向，穿设着狭缝状的开口40a。

固定设在左侧冷却套21上的凸缘部31上，设有O形圈31a、31b。如图6所示，当碳棒40配置在内部空间时的状态下，棒材43的外周与O形圈31a密接，因此可保持电介质管3的内部空间的气密性。并且，在碳棒40从内部空间向-X方向退避的状态下，碳棒40的外周与O形圈31a密接，因此可保持电介质管3的内部空间的气密性。此时，碳棒40的前端平板41与O形图31b密接而发挥盖的作用。图中，预定的气体从凸缘部31的下侧导入到内部空间内，并从内部空间的右端排出。

表面波激发等离子体在5Pa～100Pa的压力范围内可较容易地形成，但是要在高于所述压力范围的压力下开始放电，就需要投入较大的电力。因此，通过将碳棒40配置在内部空间，使得在常压下即使不增加投入的电力也可开始放电。当开始放电时，电流围绕在碳棒40的狭缝状开口40a的周围而流通着。通过周围流通着所述电流，在常压下变得更为容易开始放电。一旦形成了等离子体，即使利用移动机构33使碳棒40向-X方向退避，也可维持着放电。这样，通过使用放电辅助部件，使得能够在较广的压力范围内实施等离子体处理。作为放电辅助部件的材质，除碳以外，还可使用碳化硅。

只要在不破坏本发明特征的前提下，本发明丝毫不受以上所述的实施形态的限定。例如，在SWP产生装置、SWP处理装置中，可通过将第一实施形态及第二实施形态加以组合，来使环状导波管2的周长以及槽孔天线2d的位置相对于管内波长λg达到最适化、且同时使电介质管3的内侧面的周长相对于表面波SW的波长λs达到最适化。

Claims (6)

1.一种表面波激发等离子体产生装置，其特征在于，包括：

微波产生装置；

环状微波导波管，包括从所述微波产生装置导入微波的导入部、以及固定的终端部，并且将形成有1个槽孔天线或者以预定间隔而配置有多个槽孔天线的底板作为内侧面；以及

筒状电介质部件，呈筒状，所述筒的外侧面与所述环状微波导波管的底板相连接而配设着，并且通过所述槽孔天线以导入在所述环状微波导波管内传播的微波，并利用形成于表面的表面波来生成表面波激发等离子体；并且

当所述微波的管内波长为λg，且常数k在0.95λg～λg的范围内时，将所述底板的内侧面的周长设为常数k的整数倍。

2.如权利要求1所述的表面波激发等离子体产生装置，其特征在于，

所述多个槽孔天线的预定间隔设为所述常数k的整数倍。

3.如权利要求1或2所述的表面波激发等离子体产生装置，其特征在于，

所述终端部与配置在所述终端部正前方的槽孔天线之间的距离，设为所述常数k的1/2的整数倍。

4.一种表面波激发等离子体产生装置，其特征在于，包括：

微波产生装置；

环状微波导波管，包括从所述微波产生装置导入微波的导入部以及固定的终端部，并且将形成有1个槽孔天线或者以预定间隔而配置有多个槽孔天线的底板作为内侧面；以及

筒状电介质部件，呈筒状，所述筒的外侧面与所述环状的微波导波管的底板相连接而配设着，并且通过所述槽孔天线导入在所述环状微波导波管内传播的微波，并利用形成于表面的表面波来生成表面波激发等离子体；并且

当在所述筒状电介质部件的内周面传播的表面波的波长为λs，常数s在0.95λs～λs的范围内时，将所述筒状电介质部件的内侧面的周长设为常数s的整数倍。

5.如权利要求1至4中任一项所述的表面波激发等离子体产生装置，其特征在于，设有在所述筒状电介质部件的内部空间内供用以辅助开始放电的、以碳、碳化硅等为材料的放电辅助部件插卸用的机构。

6.一种表面波激发等离子体处理装置，其特征在于，包括：

权利要求1至5中任一项所述的表面波激发等离子体产生装置；以及

处理室，保持所述筒状电介质部件，以形成气密空间，并利用所述表面波激发等离子体产生装置所生成的等离子体，对被处理物进行处理。

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