CN101587825B - 等离子体处理装置以及等离子体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供等离子体处理装置及等离子体处理方法。即使簇射极板破裂，也能防止毒性气体被放出到装置外部。以将由腔室(1)、隔离件(1b)和上板(1a)构成的处理容器的上部开口封闭的方式配置簇射极板(7)，自簇射极板的开口部(9)向腔室内放射等离子体激发用气体。向配置在簇射极板外侧的隙缝天线(12)供给微波而产生等离子体，用气体吸引装置(28)从气体排出口(18、22)吸引隔离件的内壁与簇射极板的外周面间的第1间隙(16)、隙缝天线的放射面与电介质盖板(6)间的第2间隙(19)中的大气；用气体除害装置(29)除去毒性气体，即使簇射极板破裂，有毒的毒性气体也不会被放出到等离子体处理装置(50)的周边。

Description

等离子体处理装置以及等离子体处理方法

技术领域

本发明涉及使用微波对半导体基板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

如日本特开2002-299331号公报(专利文献1)所述，用于对半导体基板进行等离子体处理的微波等离子体处理装置具有腔室，在腔室内配置有用于保持被处理基板的基座(susceptor)。在腔室内的与基座上的被处理基板相对的位置上配置有簇射极板(Shower Plate)。簇射极板包括：板状的电介质窗主体，其由氧化铝等低损耗电介质构成，形成有用于喷出等离子体气体的多个开口部；电介质盖板，其同样由低损耗电介质构成，配置在电介质窗主体的上侧。

簇射极板以实际上一样的浓度将从外部供给来的Ar、Kr等等离子体激发用气体从开口部放出到腔室内部的空间内。在腔室内的电介质盖板的上侧还设有径向线缝隙天线。来自外部的微波源的微波通过径向线缝隙天线放射到腔室内，激发被放出到腔室内空间中的等离子体激发用气体。电介质盖板与径向线缝隙天线的放射面之间的间隙被保持为大气压。

通过使用该径向线缝隙天线，在电介质窗主体正下方的空间内形成均匀的高密度等离子体。这样形成的高密度等离子体的电子温度较低，因此不会对被处理基板产生损伤，而且腔室的内壁也不会产生由飞溅引起的金属污染。另外，由于为高密度，因此也能高效率且高速地进行成膜等基板处理。

专利文献1：日本特开2002-299331号公报

随着被处理基板的大型化，等离子体处理装置也变得大型化，包括电介质窗主体和电介质盖板的簇射极板等也变得大面积化。簇射极板由Al₂O₃、AlN、SiO₂等电介质形成。由于处理装置内被保持为减压，因此在大面积化的簇射极板上产生更大的垂直向下的力。当受到来自外部的碰撞、热冲击等作用时，发生破裂的危险性进一步变高。

在这样的簇射极板破裂时，虽然电介质窗主体被电介质盖板覆盖，但由于在电介质盖板与腔室的内壁部之间存在有间隙，因此，处理容器内的等离子体激发用气体以及被供给到腔室内的处理气体(成膜用气体)会通过该间隙泄露到电介质盖板与径向线缝隙天线的放射面之间的间隙中。电介质盖板与径向线缝隙天线的放射面之间的间隙是与大气相连通的，因此，处理容器内的气体可能会被放出到等离子体处理容器外。

特别是由于被供给到簇射极板上的等离子体激发用气体的压力高达数百Torr，因此，簇射极板破裂时的气体泄露量变得非常多。另外，由于成膜用的气体、清洗气体的毒性非常高，因此若簇射极板破裂而使毒性气体泄露到装置外是极其危险的。

发明内容

本发明的目的在于提供即使簇射极板万一破裂也能够防止毒性气体放出到装置外部的等离子体处理装置以及等离子体处理方法。

本发明的等离子体处理装置包括：处理容器，其具有上部开口；顶板，其配置为密封处理容器的上部开口，在该顶板的外周面与处理容器的内壁之间存在第1间隙；盖构件，其与顶板之间存在第2间隙，用于覆盖顶板；电磁能供给部件，其配置在顶板与盖构件之间的第2间隙中，向顶板供给电磁能而在顶板下方产生等离子体；气体分配部件，其向处理容器内的顶板的下方分配气体；气流生成部件，其在第1间隙以及第2间隙中的至少任一个间隙中生成流向处理容器外的气流。

在本发明中，在处理容器的内壁与顶板的外周面之间的第1间隙和顶板与盖构件之间的第2间隙中的任一个间隙中生成流向处理容器外的气流，因此，即使气体因顶板的破损等泄露到第1或第2间隙中，也能够防止气体被放出到装置外部。

优选为，处理容器包括与第1间隙相连通的第1排气口，盖构件包括与第2间隙相连通的第2排气口，气流生成部件包括流量调整部件，该流量调整部件用于将流向第1排气口的气流与流向第2排气口的气流调整为相同流量。

通过将流向第1以及第2排气口的气流调整为相同流量，从而在第1以及第2间隙之间不会产生压力差。

优选为，气流生成部件包括：吸引部件，其使第1间隙内以及第2间隙内为弱负压，对包括泄露到任一个间隙中的气体的气流进行吸引；气体除害部件，其用于除去泄露的气体中的毒性气体。

通过除去泄露了的毒性气体，不会使周边环境恶化。

优选为，气体分配部件包括：多个开口，该多个开口形成在顶板内，用于将气体分配到处理容器内；供给槽，其用于向多个开口供给气体。

能够将气体从供给槽通过多个开口分配到处理容器内。

优选为，顶板也可以包括：电介质主体，其形成有气体分配槽和多个开口；电介质盖构件，其覆盖电介质主体。

能够使顶板具有气体分配功能。

优选为，第1排气口形成在处理容器的侧壁上，与第1间隙相连通。

即使气体泄露到第1间隙中也能够从第1排气口排出该气体。

优选为，电磁能供给部件包括平板状天线，该平板状天线配置在顶板上方，使电磁能透过顶板而供给到处理容器内，在顶板的下方产生等离子体，第2排气口与在平板状天线和顶板之间产生的第2间隙相连通，被吸引部件吸引。

通过将电磁能供给到平板状天线中，能够在顶板的下方产生等离子体。

优选为，在平板状天线上形成有多个狭缝，该等离子体处理装置具有同轴波导管，该同轴波导管具有内侧导体和外侧导体，该内侧导体与平板状天线相连接，该外侧导体形成有与第2排气口相连通的开口。

利用同轴波导管向平板状天线供给微波，从而能够在顶板下方产生等离子体。

优选为，电磁能供给部件包括卷绕成螺旋状的平板状线圈，该平板状线圈配置在顶板上方，利用由高频信号产生的变动磁场在等离子体内部产生涡流而产生焦耳热，从而在顶板下方产生高温的等离子体，第2排气口与形成在顶板与盖构件之间的第2间隙相连通，被吸引部件吸引。

在该例中，能够在顶板下方产生电感耦合等离子体。

优选为，处理容器具有第1吸引口，该第1吸引口通过与在电磁能供给部件与顶板之间产生的第1间隙相连通来吸引空气。

能够生成从第1吸引口通过第1间隙流向第1排气口的气流。

优选为，盖构件具有第2吸引口，该第2吸引口通过与形成在顶板与盖构件之间的第2间隙相连通来吸引空气。

能够生成从第2吸引口通过第2间隙流向第2排气口的气流。

本发明的另一技术方案提供一种等离子体处理方法，该方法包括如下工序：向载置有被处理基板的处理容器内供给电磁能；使气体流入到处理容器内，利用被电磁能激发了的气体对被处理基板进行处理；至少在进行处理的工序期间，使处理容器和与处理容器相对的顶板之间的间隙中生成流向处理容器外的气流。

由于至少在处理过程中，使处理容器和与处理容器相对的顶板之间的间隙中生成气流，因此，即使处理容器内的气体因顶板等的破损而泄露，也能防止气体被放出到装置外。

采用本发明，使处理容器的内壁和顶板的与处理容器的内壁相对的面之间的第1间隙以及顶板与盖构件之间的第2间隙中的至少任一个间隙中生成流向处理容器外的气流，因此，即使顶板发生破损而使气体泄露到间隙内，也能够将该气体回收到处理容器外的规定场所，不会被放出到装置外。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式中的等离子体处理装置50的剖视图。

图2是图1所示的隙缝天线的俯视图。

图3是表示本发明的另一实施方式中的等离子体处理装置60的剖视图。

具体实施方式

图1是本发明的一实施方式中的等离子体处理装置50的剖视图，图2是图1所示的隙缝天线的俯视图。

在图1中，等离子体处理装置50包括用于构成上部被开口了的处理容器的腔室1、隔离件1b和上板1a，在腔室1的内壁上形成有处理气体供给孔30。处理容器由不会使作为电磁能的微波泄露那样的金属(例如氧化铝合金)形成。腔室1的上表面和隔离件1b的下表面利用密封圈5分别紧密地接触，使处理气体不会从各个接触面泄露。

在腔室1内配置有用于保持被处理基板2的基座3。为了实现腔室1内的均匀的气体排出，在基座3周围呈环状地形成有空间1A，气体被排到下方。在腔室1上部的与基座3上的被处理基板2相对应的位置上配置有由低损耗电介质构成的电介质窗主体4，该电介质窗主体4作为腔室1的外壁的一部分，借助密封圈5被保持在隔离件1b上。

在电介质窗主体4的外侧配置有同样由低损耗电介质构成的电介质盖板6。由电介质窗主体4和电介质盖板6构成起顶板作用的簇射极板7。利用簇射极板7借助密封圈5密闭隔离件1b的开口部，从而使空间1B内的气体不会漏出到上方。

在电介质窗主体4的上表面上形成有气体扩散槽8，在电介质窗主体4的下表面侧形成有多个开口部9。多个开口部9分别与气体扩散槽8相连通。从配置在外部的气体供给装置10向气体扩散槽8中供给Ar、Kr等等离子体激发用气体。为了使供给到气体扩散槽8中的等离子体激发用气体与电介质窗主体4正下方的空间1B之间的压力形成压力差，也可以在多个开口部9中分别充填形成有细孔、多孔体等的差压形成机构11。

等离子体激发用气体从气体供给装置10通过气体扩散槽8被供给到开口部9中，利用差压形成机构11形成差压，以实际上一样的浓度从开口部9放出到腔室1内部的电介质窗主体4正下方的空间1B中。另外，为了防止气体扩散槽8内的等离子体激发用气体泄露，利用密封圈5密封电介质窗主体4与电介质盖板6的接触面。为了将簇射极板7固定在隔离件1b上，以覆盖隔离件1b的上表面和电介质盖板6的上外缘的方式配置有上板1a。上板1a与电介质盖板6的接触面也利用密封圈5进行密封。

另外，在电介质盖板6的外侧隔着第2间隙19设有作为电磁能供给部件进行工作的具有放射面的隙缝天线12。隙缝天线12借助同轴波导管13与外部的微波源(未图示)相连接，利用从微波源供给的例如2.45GHz的微波激发被放出到空间1B中的等离子体激发用气体，使处理气体自由基化。

隙缝天线12是径向线隙缝天线，如图2所示，该隙缝天线12包括与同轴波导管13的内侧波导管132相连接的平坦的圆盘状的天线主体12a，在天线主体12a上形成有多个狭缝12b以及与该狭缝12b正交的多个狭缝12c。在天线主体12a的上侧插入有由厚度恒定的电介质膜构成的滞波板14。隙缝天线12和滞波板14被固定在起盖构件作用的平板盖15上，固定为封闭上板1a的上部开口。封闭上板1a与电介质盖板6之间构成规定高度的间隙。平板盖15覆盖滞波板14和隙缝天线12而冷却隙缝天线12，内部被供给了制冷剂。

在隔离件1b的内壁和与该内壁相对的电介质窗主体4的外周面以及电介质盖板6的外周面之间存在第1间隙16，该第1间隙16与形成在隔离件1b上的作为第1吸引口的大气吸引口17和作为第1排气口的气体排出口18相连通。在隙缝天线12的放射面和与该放射面相对的电介质盖板6的上表面之间、在上板1a的内壁和与该内壁相对的隙缝天线12的外周面以及滞波板14的外周面之间存在微小的第2间隙19。第2间隙19与形成在平板盖15上部的作为第2吸引口的大气吸引口20相连通。

另外，在平板盖15的下表面和与该下表面相对的滞波板14的上表面之间存在间隙21，该间隙21经由同轴波导管13的外侧波导管131与内侧波导管132之间的间隙与形成在外侧波导管131上的气体排出口22相连通。在平板盖15上形成有供同轴波导管13的内侧波导管132贯穿的孔，该孔作为第2排气口发挥作用。另外，第2间隙19经由隙缝天线12的狭缝12b、12c、隙缝天线12与滞波板14的接触面间的微小的间隙借助滞波板14与同轴波导管13的内侧波导管132间的微小的间隙14a与间隙21相连通。

形成在隔离件1b上的气体排出口18借助排气管23与气体流量调整装置24相连结，形成在波导管13的外侧波导管131上的气体排出口22借助排气管25与气体流量调整装置26相连结。气体流量调整装置24、26作为流量调整部件而进行工作。另外，气体排出口22也可以不形成在波导管13的外侧波导管131上，而是作为第2排气口直接形成在平板盖15上。

设置气体流量调整装置24、26是为了调整对间隙16、19、21内进行吸引的吸引量，以使气体排出口18、22能以相同流量生成气流。在利用气体流量调整装置24、26调整了大气或气体等气流的流量之后，利用气体吸引装置28吸引大气或气体，利用作为气体除害部件进行工作的气体除害装置29除去有毒的气体成分。作为吸引部件进行工作的气体吸引装置28以使各第1间隙16内和第2间隙19、21内成为弱负压那样的吸引力吸引大气或气体。由气体吸引装置28和气体流量调整装置24、26构成气流生成部件。

另外，也可以不设置气体流量调整装置24、26，而是通过对大气吸引口17、20的开口尺寸进行调整等来使流量相同。

在这样的结构的等离子体处理装置50中，通过同轴波导管13供电的微波在滞波板14内沿着隙缝天线12的半径方向行进，此时微波的波长在滞波板14的作用下被压缩。通过与沿半径方向行进的微波的波长相对应地预先将狭缝12b以及12c形成为同心圆状且相互正交，能够沿着实际上与天线主体12a垂直的方向放射具有圆偏振波的平面波。利用自隙缝天线12放射到处理室内的微波激发从气体供给装置10通过气体扩散槽8再经多个开口部9供给到空间1B中的等离子体激发用气体。这样形成的高密度等离子体的电子温度较低，因此不会对处理基板2产生损伤，而且腔室1、隔离件1b的内壁也不会产生由飞溅引起的金属污染。

将自未图示的处理气体供给源供给到处理气体供给孔30中的处理气体供给到腔室1、隔离件1b内的簇射极板7与被处理基板2之间的空间1B中。这样地将处理气体放出到空间1B中，从而被放出的处理气体在空间1B中被形成的高密度等离子体自由基化，能够在被处理基板2上高效率且高速地进行均匀的等离子体处理，而且能够不损伤被处理基板2以及被处理基板2上的元件地进行蚀刻处理、成膜处理等。

另一方面，气体吸引装置28通过气体流量调整装置24、26和排气管23、25从气体排出口18、22对第1间隙16内和第2间隙19、21内进行吸引，因此从大气吸引口17、20吸引入大气，第1间隙16和第2间隙19、21内与大气相通。

若电介质窗主体4发生破裂，放出到空间1B中的等离子体激发用气体、处理气体会流入到隔离件1b的内壁与电介质窗主体4的外周面以及电介质盖板6的外周面之间的第1间隙16中。另外，不只是电介质窗主体4，若电介质盖板6发生破裂，等离子体激发用气体、处理气体也会流入到电介质盖板6与隙缝天线12之间的第2间隙19中，并且自隙缝天线12的狭缝12b、12c、隙缝天线12与滞波板14之间的微小的间隙经由滞波板14与同轴波导管13的内侧波导管132之间的间隙14a流入间隙21中。

但是，由于利用气体吸引装置28通过气体流量调整装置24、26从气体排出口18、22吸引各第1间隙16内、第2间隙19、21内的大气，因此，即使等离子体激发用气体、处理气体流入到各第1间隙16内、第2间隙19、21内，该等离子体激发用气体、处理气体也会被气体吸引装置28吸引，利用气体除害装置29除去毒性气体。因而，即使电介质窗主体4、电介质盖板6发生破裂，毒性强的气体也不会被放出到装置外，而是能够回收到处理容器外的规定场所，因此不仅能够消除危险性而且也不会污染周围环境。

另外，更优选在由气体供给装置10供给等离子体激发用气体的期间，利用气体吸引装置28吸引第2间隙19、21内的大气以及泄露了的气体而产生气流。

图3是表示本发明的另一实施方式中的等离子体处理装置的剖视图。图1所示的等离子体处理装置50是使微波通过隙缝天线12而产生等离子体，与此相对，图3所示的等离子体处理装置60是产生电感耦合等离子体(Inductively CoupledPlasma，以下称为ICP。)。ICP通过这样产生等离子体：对气体施加高电压而使该气体等离子体化，利用例如基于13.56MHz的高频信号产生的变动磁场在该等离子体内部产生涡流而产生焦耳热，从而产生高温的等离子体。

代替图1所示的隙缝天线12、同轴波导管13、滞波板14和平板盖15，而在图3中配置有作为电磁能供给部件进行工作的电磁能放射天线41、平板盖42。除此之外的结构与图1相同。

在电介质盖板6与平板盖42之间形成有间隙43，在该间隙43内的电介质盖板6上配置有电磁能放射天线41。电磁能放射天线41是将平板状线圈卷绕成螺旋状而成。通过在平板状线圈中以大电流通入高频信号，能够同时获得高电压和高频率的变动磁场，从而能够在簇射极板7下方的空间1B中产生电感耦合等离子体。

在平板盖42上形成有大气吸引口44和气体排出口45，气体排出口45通过排气管25与气体流量调整装置26相结合。大气吸引口17构成第1吸引口，大气吸引口44构成第2吸引口。另外，在本例中，在隔离件1b的内壁和与该内壁相对的电介质窗主体4的外周面之间、在隔离件1b的内壁和与该内壁相对的电介质盖板6的外周面之间形成有第1间隙16，该第1间隙16与大气吸引口17和气体排出口18相连通。

若电介质窗主体4发生破裂，放出到空间1B中的等离子体激发用气体会流入到隔离件1b的内壁与电介质窗主体4的外周面以及电介质盖板6的外周面之间的第1间隙16中。另外，不只是电介质窗主体4发生破裂，在电介质盖板6发生破裂时，等离子体激发用气体也会流入到电介质盖板6与平板盖42之间的间隙43中。

但是，由于利用气体吸引装置28通过气体流量调整装置24从气体排出口18对第1间隙16内进行吸引，因此，即使等离子体激发用气体流入到第1间隙16内，也会被气体吸引装置28吸引，被气体除害装置29除去毒性气体，只有大气被放出。另外，流入到间隙43内的等离子体激发用气体从气体排出口45通过气体流量调整装置26被气体吸引装置28吸引，并被气体除害装置29除去毒性气体。因而，即使电介质窗主体4、电介质盖板6发生破裂，也能够将毒性强的气体回收到处理容器外的规定场所，因此不会泄露到等离子体处理装置60的周边，能消除危险性。

另外，在图1以及图3所示的实施例中，说明了分开设置电介质窗主体4和电介质盖板6的例子，但电介质窗主体4和电介质盖板6也可以为一体。

另外，在代替电介质窗主体4和电介质盖板6而采用以往的圆板状的由电介质构成的顶板、并独立设有用于向顶板下方喷出等离子体激发用气体的气体分配部件的等离子体处理装置中，也可以防止在顶板发生破裂时等离子体激发用气体泄露到周边。

并且，在图1以及图3所示的实施例中，在腔室1上形成有第1大气吸引口17，但即使不特别形成大气吸引口17，由于上板1a与隔离件1b外周侧的接触面未被密封圈5密封，因此也能从该接触面吸引大气。同样地，即使不形成图1所示的平板盖15的大气吸引口20，也能从平板盖15与上板1a的接触面吸引大气。另外，也能从图3所示的平板盖42与上板1a的接触面吸引大气，因此可以省略设置大气吸引口44。

另外，用于将处理容器内保持为减压的未图示的排气装置也可以兼用作气体吸引装置28。

以上参照附图说明了本发明的实施方式，但是本发明并不限定于图示的实施方式。可以在与本发明相同或相似的范围内对图示的实施方式附加各种修正、变形。

产业上的可利用性

本发明的等离子体处理装置以及等离子体处理方法被应用于采用所产生的等离子体对被处理基板进行蚀刻处理或被膜处理。

Claims (11)

1.一种等离子体处理装置，其包括：

处理容器，其具有上部开口；

顶板，其配置为密封上述处理容器的上部开口，在该顶板的外周面与上述处理容器的内壁之间具有第1间隙；

盖构件，其与上述顶板之间具有第2间隙，用于覆盖上述顶板；

电磁能供给部件，其配置在上述顶板与上述盖构件之间的第2间隙中，向上述顶板供给电磁能而在上述顶板下方产生等离子体；

气体分配部件，其向上述处理容器内的上述顶板的下方分配气体；

气流生成部件，其包括吸引部件，所述吸引部件使上述第1间隙内以及上述第2间隙内形成为弱负压并对包括泄露到任一个间隙中的气体的气流进行吸引，以在上述第1间隙以及上述第2间隙中的至少任一个间隙中生成流向上述处理容器外的气流；

气体除害部件，其用于从流向上述处理容器外的气流中除去毒性气体。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，

上述处理容器包括与上述第1间隙相连通的第1排气口；

上述盖构件包括与上述第2间隙相连通的第2排气口；

上述气流生成部件包括流量调整部件，该流量调整部件将流向上述第1排气口的气流与流向上述第2排气口的气流调整为相同流量。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，

上述气体分配部件包括：

多个开口，该多个开口形成在上述顶板内，用于向上述处理容器内分配气体；

供给槽，其形成在上述顶板内，用于向上述多个开口供给上述气体。

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，

上述顶板包括：

电介质主体，其形成有气体分配槽和上述多个开口；

电介质盖构件，其用于覆盖上述电介质主体。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的等离子体处理装置，

上述第1排气口形成在上述处理容器的侧壁上，与上述第1间隙相连通。

6.根据权利要求2～4中任一项所述的等离子体处理装置，

上述电磁能供给部件包括平板状天线，该平板状天线配置在上述顶板上方，使电磁能透过上述顶板而供给到上述处理容器内，在上述顶板的下方产生等离子体；

上述第2排气口与在上述平板状天线和上述顶板之间产生的第2间隙相连通，被上述吸引部件吸引。

7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，

在上述平板状天线上形成有多个狭缝；

该等离子体处理装置包括同轴波导管，该同轴波导管具有内侧导体和外侧导体，该内侧导体与上述平板状天线相连接，该外侧导体形成有与上述第2排气口相连通的开口。

8.根据权利要求2～4中任一项所述的等离子体处理装置，

上述电磁能供给部件包括卷绕成螺旋状的平板状线圈，该平板状线圈配置在上述顶板上，利用由高频信号产生的变动磁场在等离子体内部产生涡流而产生焦耳热，从而在上述顶板的下方产生高温的等离子体；

上述第2排气口与形成在上述顶板和上述盖构件之间的第2间隙相连通，被上述吸引部件吸引。

9.根据权利要求1～4中任一项所述的等离子体处理装置，

上述处理容器具有第1吸引口，该第1吸引口通过与在上述电磁能供给部件和上述顶板之间产生的第1间隙相连通来吸引空气。

10.根据权利要求1～4中任一项所述的等离子体处理装置，

上述盖构件具有第2吸引口，该第2吸引口通过与形成在上述顶板与上述盖构件之间的第2间隙相连通来吸引空气。

11.一种等离子体处理方法，其中，

该方法利用权利要求1所述的等离子体处理装置并包括如下工序：

向载置有被处理基板的处理容器内供给电磁能；

向上述处理容器内供给气体，利用被上述电磁能激发了的上述气体对上述被处理基板进行处理；

至少在进行上述处理的工序期间，在上述处理容器和上述顶板之间的间隙中产生流向上述处理容器外的气流；

从流向上述处理容器外的上述气流中除去毒性气体。

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