CN109473332B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用通过微波生成的气体等离子体在处理容器的内部对被处理体进行处理的等离子体处理装置，其包括：从微波导入部导入微波的所述处理容器的微波导入面；和多个气体排出孔，其以包围所述微波导入部的方式以规定间隔配置在从所述微波导入面和与该微波导入面邻接的上述处理容器的面的边界线起表皮深度的范围内。本发明的目的在于防止由微波的表面波导致的异常放电。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置。
背景技术
在微波等离子体处理装置中，从微波导入部导入的微波成为表面波沿着处理容器的微波导入面传播。例如，当微波从处理容器的顶壁导入时，微波的表面波以将处理容器的顶壁的表面作为微波导入面的方式传播。
微波的表面波将供给到处理容器的处理气体等离子体化，利用该等离子体对搬入处理容器内部的晶片实施规定的处理。处理气体例如从设置在处理容器的顶壁或者侧壁的多个气体孔被供给到处理容器内部(例如，参照专利文献1～3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-196994号公报
专利文献2：日本特开2008-251674号公报
专利文献3：日本特开2016-15496号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
微波导入面的端部与处理容器的侧壁的表面成90°，形成角部。另外，在顶壁、侧壁的表面形成台阶和配置在处理容器内的零件的接缝。在角部、接缝和台阶处，有时微波的表面波的电场集中而产生异常放电。
对于上述技术问题，在一个方面，本发明的目的在于防止由微波的表面波导致的异常放电。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，根据一个方式，提供一种利用通过微波生成的气体等离子体在处理容器的内部对被处理体进行处理的等离子体处理装置，其包括：用于从微波导入部导入微波的所述处理容器的微波导入面；和多个气体排出孔，其以包围所述微波导入部的方式以规定间隔配置在从所述微波导入面和与该微波导入面邻接的所述处理容器的面的边界线起表皮深度的范围内。
发明效果
根据一个方面，能够防止由微波的表面波导致的异常放电。
附图说明
图1是表示一个实施方式的微波等离子体处理装置的一例的图。
图2是表示一个实施方式的顶壁的表面的气体排出孔的配置的一例的图。
图3是说明一个实施方式的气体排出孔中的微波的表面波的反射的图。
图4表示一个实施方式的遮挡气体排出孔时电场的测定结果的一例的图。
图5是表示一个实施方式的气体排出孔的变形例的一例的图。
附图标记说明
1 处理容器
1a 电介质体窗部
2 微波等离子体源
3 控制装置
10 盖体
11 载置台
22 气体供给源
30 微波输出部
40 微波传送部
43a 周缘微波导入机构
43b 中央微波导入机构
44 微波传送路径
50 微波放射部件
52 外侧导体
53 内侧导体
54 块体
60 气体供给孔
62 气体导入部
65 气体排出孔
100 微波等离子体处理装置
U 等离子体处理空间。
具体实施方式
下面，参照附图，说明用于实施本发明的方式。此外，在本说明书和附图中，对实质上相同的结构标注相同的附图标记，而省略重复的说明。
[微波等离子体处理装置]
图1表示本发明的一个实施方式的微波等离子体处理装置100的截面图的一例。微波等离子体处理装置100具有用于收纳晶片W的处理容器1。微波等离子体处理装置100是利用由微波在处理容器1侧的表面形成的表面波等离子体，对半导体晶片W(以下称为“晶片W”)进行规定的等离子体处理的等离子体处理装置的一例。作为规定的等离子体处理，例如可以举出蚀刻处理或者成膜处理。
处理容器1是气密地构成的、由铝或者不锈钢等的金属材料形成的大致圆筒状的容器，并接地。盖体10是构成处理容器1的顶壁的顶板。在处理容器1与盖体10的接触面设置有支承环129，由此，处理容器1内被气密地密封。盖体10由金属构成。
微波等离子体源2包括微波输出部30、微波传送部40和微波放射部件50。微波输出部30将微波分配至多个路径输出。
微波传送部40传送从微波输出部30输出的微波。设置在微波传送部40的周缘微波导入机构43a和中央微波导入机构43b具有将从放大部42输出的微波导入微波放射部件50的功能和使阻抗匹配的功能。
在微波放射部件50中，与6个周缘微波导入机构43a对应的6个电介质体层123在盖体10上等间隔地配置在圆周方向上。电介质体层123的下表面在处理容器1的内部呈圆形地露出。另外，与中央微波导入机构43b对应的1个电介质体层133配置在盖体10的中央。电介质体层133的下表面在处理容器1的内部呈圆形地露出。
周缘微波导入机构43a和中央微波导入机构43b以与筒状的外侧导体52和设置在外侧导体52中心的棒状的内侧导体53同轴的方式配置。向外侧导体52和内侧导体53之间供给微波电力，形成向微波放射部件50传播微波的微波传送路径44。
在周缘微波导入机构43a和中央微波导入机构43b中设置有块体(slug)54和位于块体54前端部的阻抗调节部件140。通过使块体54移动，具有使处理容器1内的负载(等离子体)的阻抗与微波输出部30中的微波电源的特性阻抗匹配的功能。阻抗调节部件140由电介质体形成，利用它的相对介电常数调节微波传送路径44的阻抗。
微波放射部件50构成在盖体10的内部。从微波输出部30输出并由微波传送部40传送的微波被微波放射部件50放射到处理容器1内。
微波放射部件50包括电介质体顶板121、131，缝隙122、132和电介质体层123、133。电介质体顶板121与周缘微波导入机构43a对应地配置在盖体10的上部，电介质体顶板131与中央微波导入机构43b对应地配置在盖体10的上部。电介质体顶板121、131由使微波透过的圆盘状的电介质体形成。电介质体顶板121、131具有比真空大的相对介电常数，例如可以由石英、氧化铝(Al2O3)等的陶瓷、聚四氟乙烯等的氟系树脂、聚酰亚胺系树脂形成。电介质体顶板121、131由相对介电常数比真空大的材料形成。由此，本发明具有如下功能：使透过电介质体顶板121、131内的微波的波长短于在真空中传播的微波的波长，以缩小包含缝隙122、132的天线。
在电介质体顶板121、131之下，隔着形成在盖体10的缝隙122、132，电介质体层123、133嵌入盖体10的开口。电介质体层123、133具有作为用于在顶壁的表面均匀地形成微波的表面波等离子体的电介质体窗的功能。即，包含电介质体层123、133的微波放射部件50是导入微波的微波导入部的一例。电介质体层123、133与电介质体顶板121、131同样，例如可以由石英、氧化铝(Al2O3)等的陶瓷、聚四氟乙烯等的氟系树脂、聚酰亚胺系树脂形成。
周缘微波导入机构43a和中央微波导入机构43b的个数不限于本实施方式所示的个数。例如，可以仅设有1个中央微波导入机构43b，周缘微波导入机构43a的个数为0。也可以周缘微波导入机构43a的个数为1个以上。
盖体10由铝等的金属形成，形成喷淋结构的气体导入部62。气体导入部62经由气体供给配管111与气体供给源22连接。从气体供给源22供给的气体经由气体供给配管111从气体导入部62的多个气体供给孔60供给到处理容器1的内部。气体导入部62是从形成在处理容器1的顶壁的多个气体供给孔60供给气体的气体喷淋头的一例。作为气体的一例，例如可以举出Ar气体等的等离子体生成用的气体或例如O2气体、N2气体等需要以高能量分解的气体。
在本实施方式中，形成有多个气体排出孔65，其以与处理容器1的顶壁的表面(顶面)和处理容器1的侧面的边界线相接的方式贯通盖体10。多个气体排出孔65排出Ar气体、He气体等不活泼气体。排出的不活泼气体沿侧面在处理容器1内流动。
此外，处理容器1的顶壁的表面，即盖体10的下表面是微波导入面的一例。与顶壁的表面接触的侧壁的表面是与微波导入面邻接的处理容器1的面的一例。
在处理容器1内设置有用于载置晶片W的载置台11。载置台11由隔着绝缘部件12a立设在处理容器1的底部中央的筒状的支承部件12支承。作为形成载置台11和支承部件12的材料，例示有表面经阳极氧化处理的铝等金属或者在内部设有高频用电极的绝缘部件(陶瓷等)。还可以在载置台11设置用于对晶片W进行静电吸附的静电卡盘、温度控制机构、向晶片W的背面供给热传递用气体的气体流路等。
载置台11经由匹配器13与高频偏置电源14电连接。从高频偏置电源14向载置台11供给高频电力，从而向晶片W侧引入等离子体中的离子。此外，也可以根据等离子体处理的特性，不设置高频偏置电源14。
处理容器1的底部与排气管15连接，该排气管15与包含真空泵的排气装置16连接。当使排气装置16动作时，处理容器1内被排气，由此，处理容器1内被高速减压至规定的真空度。处理容器1的侧壁设置有用于搬入搬出晶片W的搬入搬出口17和开闭搬入搬出口17的闸阀18。
微波等离子体处理装置100的各部由控制装置3控制。控制装置3包括微处理器4、ROM(Read Only Memory，只读存储器)5、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)6。在ROM5、RAM6中存储有微波等离子体处理装置100的处理流程(process sequence)和控制参数即处理方案。微处理器4基于处理流程和处理方案，控制微波等离子体处理装置100的各部。另外，控制装置3具有触摸面板7和显示器8，能够按照处理流程和处理方案显示进行规定的控制时的输入和结果等。
在上述结构的微波等离子体处理装置100中进行等离子体处理时，首先，将晶片W以保持于搬运臂上的状态从开口的闸阀18通过搬入出口17搬入处理容器1内。闸阀18在搬入晶片W后关闭。当晶片W被搬运至载置台11的上方时，将其从搬运臂转移到推升销(pusherpin)，推升销下降以将晶片W载置在载置台11上。处理容器1的内部的压力由排气装置16保持为规定的真空度。气体从气体导入部62以喷淋状被导入处理容器1内。经由周缘微波导入机构43a和中央微波导入机构43b从微波放射部件50放射的微波在顶壁的表面传播。利用微波的表面波的电场将气体分解，利用在处理容器1侧的顶面附近生成的表面波等离子体对晶片W实施等离子体处理。下面，将处理容器1的顶壁与载置台11之间的空间称为等离子体处理空间U。
[气体排出孔的结构和配置]
接着，参照图2，说明本发明的一个实施方式的气体排出孔65的结构和配置的一例。图2是图1的A-A截面图。如图2所示，从微波导入部的电介质体层123、133放射微波。
多个气体排出孔65以包围微波导入部的电介质体层123、133的方式，与边界线B(该边界线B为顶面和与顶面邻接的处理容器1的面(侧面)的边界线)(参照图1)相接地以规定间隔配置在圆周方向上。据此，从多个气体排出孔65排出的不活泼气体沿着处理容器1的侧面呈圆状流动，因此，在处理装置1的边界线B附近不发生气体滞留，不易引起气体导致的剥离，能够防止颗粒(particle)的产生。
多个气体排出孔65的圆周方向的间隔P为等离子体中的微波的表面波波长λ的1/4以下。等离子体中的微波的表面波波长λ为真空中的微波的波长λ0的大约1/3左右。微波等离子体处理中使用的波长λ0大概为120～480mm，因此等离子体中的微波的表面波波长λ大概为40～160mm。由此，多个气体排出孔65的间隔P为等离子体中的微波的表面波波长λ的1/4，即10～40mm。
根据上述结构，在本实施方式中，通过将气体排出孔65配置在比微波导入部更靠外侧的位置，利用从多个气体排出孔65排出的不活泼气体，能够在多个气体排出孔65正下方切断微波的表面波的传播。
若说明其理由，则是因为：通过将气体排出孔65以充分小于微波的表面波的波长λ的、例如所述波长λ的1/4以下的间隔设置，从多个气体排出孔65沿着侧面流动有不活泼气体时，从微波的表面波观察时，在多个气体排出孔65正下方能够看见壁，该表面波在多个气体排出孔65反射。由此，能够使微波的表面波不从配置于圆周方向的多个气体排出孔65向外侧传播。
参照图3详细进行说明。图3是用于说明本实施方式的气体排出孔65中的微波的表面波的反射状态的概念图。从气体排出孔65排出不活泼气体时，气体排出孔65正下方的等离子体密度变低，气体排出孔65正下方的鞘变得比顶面的鞘厚。其结果，在气体排出孔65正下方，阻抗发生变化。由此，从微波的表面波观察时，在多个气体排出孔65正下方能够看见壁，微波的表面波在气体排出孔65正下方的反射端R反射。
图4是表示本实施方式的遮挡气体排出孔65时电场的测定结果的一例的图。对照件(reference)和气体遮挡件(Gas-masking)的例子如图4的下侧所示，图2的微波导入部之中不存在与周缘微波导入机构43a相连的缝隙122、电介质体层123，而经由与中央微波导入机构43b相连的缝隙132从电介质体层133导入微波。另外，从配置在电介质体层133周围的气体排出孔65供给不活泼气体。其中，在对照件(reference)中，从在电介质体层133周围在圆周上设置的所有气体排出孔65导入不活泼气体，与之相对，在气体遮挡件(Gas-masking)中，配置在电介质体层133周围的气体排出孔65之中、位于测定方向的左侧的3个气体排出孔65被胶带覆盖。由此，在气体遮蔽例中，从左侧的3个气体排出孔65以外的气体排出孔65供给不活泼气体。
图4上侧的图表的右端部是电介质体层133的中心轴的位置，图4的图表是在从电介质体层133的中心轴起至x轴的－方向(x方向)Rmm的位置测定的、由微波的表面波引起电场强度的结果的一例。
在图4的对照件(Reference)中，电场强度在气体排出孔65正下方的反射端R最高。由此，可知当从气体排出孔65排出不活泼气体时，气体排出孔65正下方的鞘变得比顶面其他地方的鞘厚，因此在气体排出孔65正下方阻抗发生变化，因此微波的表面波在反射端R反射。换言之，电场强度最高的位置被认为是鞘的厚度发生变化，微波的表面波反射的位置。
但是，微波的表面波并不在反射端R全反射，它的一部分通过气体排出孔65正下方前进。图3表示微波的表面波在反射端R反射，并且表面波的一部分通过气体排出孔65正下方前进的情形。
返回图4，在进行了气体遮蔽(Gas-masking)的情况下，并未发现对照件那样的反射端R。这被认为是由于：不从左侧的3个气体排出孔65导入不活泼气体，因此气体排出孔65正下方的鞘与顶面的鞘的厚度相同，阻抗不发生变化，微波的表面波在气体排出孔65正下方不反射。
根据上述内容，在本实施方式中，将多个气体排出孔65以与边界线B(该边界线B是顶面和与顶面邻接的处理容器1的侧面的边界线)相接的方式，以等离子体中的微波的表面波波长λ的1/4的间隔配置在圆周方向上。由此，利用多个气体排出孔65使从顶面向侧面传播的微波的表面波衰减，能够妨碍该表面波的传播。由此，能够防止在处理容器1的边界线B的角部、台阶部、处理容器1内的零件的接缝等发生异常放电。
多个气体排出孔65的直径设定在0.1mm～1mm的范围内。从多个气体排出孔65排出的不活泼气体的流速优选为10(m/s)以上。这是因为：气体的流速比10(m/s)慢时，气体排出孔65正下方的鞘难以变厚，难以发生由阻抗变化导致的微波的表面波的反射。此外，从多个气体排出孔65导入的不活泼气体的流速可以为100(m/s)以下。
此外，微波透过电介质体的内部传播。因此，优选在处理容器1的顶面和侧面，在铝的表面涂敷有绝缘膜。例如，在处理容器1的顶面和侧面，在铝等金属的表面喷镀氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)这样的绝缘材料，能够使微波的表面波容易通过处理容器1的顶面和侧面。由此，微波的表面波容易传播到多个气体排出孔65的位置，能够利用微波的表面波的电场促进等离子体生成，并且在气体排出孔65正下方切断微波的表面波的传播。由此，能够控制微波的表面波的传播，抑制产生异常放电。
[气体排出孔的变形例]
接着，参照图5，说明气体排出孔65的变形例。图5是表示本实施方式的气体排出孔65的变形例的一例的图。在图5的(a)的例子中，多个气体排出孔65以与顶面和侧面的边界线B相接的方式贯通处理容器1的侧壁。在该情况下，多个气体排出孔65也以与该边界线B相接的方式以间隔P配置在处理容器1的侧壁的圆周方向上。从多个气体排出孔65排出不活泼气体时，气体排出孔65正下方的鞘比顶面其他地方的鞘厚，阻抗发生较大的变化。由此，能够切断沿着顶面传播的微波的表面波的传播。由此，能够控制微波的表面波的传播，抑制产生异常放电。
另外，由此，从多个气体排出孔65排出的不活泼气体沿着处理容器1的顶面流动，因此在边界线B及其附近不产生气体滞留。因此，不易发生气体导致的剥离，能够防止颗粒的产生。
在图5(b)和图5(c)的例子中，气体排出孔65配置在顶面或者侧面的、从顶面与侧面的边界线B起2mm以内处。在图5(b)的例子中，气体排出孔65在从边界线B起2mm以内处贯通顶壁。在图5(c)的例子中，气体排出孔65在从边界线B起2mm以内处贯通侧壁。
当气体排出孔65的位置离开处理容器1的顶面或者侧面过远时，在顶面与侧面的边界线B附近产生气体滞留，容易引起气体导致的剥离，可能产生颗粒。
与之相反，在图5(b)和图5(c)的例子中，在顶面或者侧面的、从顶面和侧面的边界线B起2mm以内处形成气体排出孔65。如此将多个气体排出孔65以规定间隔设置在边界线B附近，从而不易产生气体滞留，能够防止颗粒的产生。
另外，将多个气体排出孔65配置在从边界线B起2mm以内处，这与与表皮深度有关。将高频电力的频率越高，电流越集中在导电层表面的现象称为表皮效应，将电流流过的深度成为表皮深度(skin depth，趋肤深度)。
利用(1)式计算表皮深度δ。
δ(m)≒c/ωpe…(1)
c(m/sec)表示光的速度。ωpe(1/sec)表示电子等离子体频率。ω表示角频率(rad/sec)。ωp表示等离子体频率(1/sec)。等离子体频率ωp大致等于电子等离子体频率ωpe。
将光的速度c和电子等离子体频率ωpe代入(1)式时，本实施方式的微波处理装置100的表皮深度约为2mm。因此，当使多个气体排出孔65的位置在从边界线B起2mm以内处时，利用多个气体排出孔65切断微波的表面波的传播，并且提高表面波的电场的衰减效果，能够防止在边界线B的角部等处发生异常放电。
此外，在如图5(b)所示，气体排出孔65不与边界线B相接的情况下，可以如图5(d)所示，使气体排出孔65外侧的顶面或者侧面以锥状倾斜。另外，例如，也可以使多个气体排出孔65外侧的顶面或者侧面以碗状倾斜。在如图5(c)所示，气体排出孔65形成在侧壁侧且不与边界线B相接的情况下，同样可以使气体排出孔65外侧的顶面或者侧面呈直线或者曲线状地倾斜。通过使多个气体排出孔65外侧的顶面或者侧面呈直线或者曲线状地倾斜，能够防止气体滞留。
以上，通过上述实施方式对等离子体处理装置进行了说明，不过本发明的等离子体处理装置不限于上述实施方式，在本发明的范围内能够进行各种变形和改良。上述多个实施方式所记载的内容可以在不矛盾的范围内进行组合。
本发明的等离子体处理装置也能够适用于径向线隙天线(Radial Line SlotAntenna)。
在本说明书中，作为基板的一个例子列举半导体晶片W进行了说明。但是，基板不限于此，也可以为用于LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、FPD(Flat PanelDisplay，平板显示器)的各种基板、CD基板、印刷基板等。

Claims (12)

1.一种使用微波将气体等离子体化，在处理容器的内部对被处理体进行处理的等离子体处理装置，其特征在于，包括：
所述处理容器的微波导入面，其从微波导入部导入微波，使微波的表面波在表面传播；和
多个气体排出孔，其以规定间隔配置在从所述微波导入面和与该微波导入面邻接的所述处理容器的面的边界线起规定范围内，
从所述边界线起规定范围内为从所述边界线起2mm以内。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述多个气体排出孔以包围所述微波导入部的方式设置。
3.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述微波导入面是所述处理容器具有的顶壁的表面，
与所述微波导入面邻接的所述处理容器的面是所述处理容器具有的侧壁的表面，
所述多个气体排出孔在从所述边界线起2mm以内处贯通所述顶壁或者所述侧壁。
4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述多个气体排出孔以与所述边界线相接的方式贯通所述顶壁或者所述侧壁。
5.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述规定间隔为等离子体中的微波的表面波波长λ的1/4以下。
6.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述多个气体排出孔的直径为0.1mm～1mm。
7.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
从所述多个气体排出孔导入的气体的流速为10(m/s)以上。
8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
从所述多个气体排出孔导入的气体的流速为100(m/s)以下。
9.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
从所述多个气体排出孔导入的气体是不活泼气体。
10.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
在所述微波导入面涂敷有绝缘膜。
11.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
利用从所述多个气体排出孔导入的气体，使在所述微波导入面传播的微波的表面波反射。
12.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
在所述多个气体排出孔不与所述边界线相接的情况下，所述多个气体排出孔的外侧的所述微波导入面或者与该微波导入面邻接的处理容器的面呈直线或者曲线状地倾斜。
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