CN115226410A - 等离子处理装置 - Google Patents

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Abstract

等离子处理装置具备：在上方具备微波所透过的电介质板且对样品进行等离子处理的处理室；供给所述微波的高频电力的高频电源；使从所述高频电源经由波导管传输的微波谐振且配置于所述电介质板的上方的空腔谐振器；和在所述处理室内形成磁场的磁场形成机构，在该等离子处理装置中，还具备：配置于所述空腔谐振器的内部的环状导体；和配置于所述空腔谐振器的内部且配置于所述环状导体的中央的开口的圆形导体。

Description

等离子处理装置
技术领域
本发明涉及等离子处理装置。
背景技术
在半导体器件制造中，宽范围使用等离子蚀刻、等离子CVD(Chemical VaporDeposition，化学气相沉积)、等离子灰化等等离子处理。在作为等离子处理装置之一的蚀刻装置中，出于器件量产性的观点，存在希望在一台装置中进行各向异性加工和各向同性加工的要求。
各向异性的加工能通过以垂直入射到晶片的离子为主体的离子辅助反应实现，各向同性的加工能通过各向同性地扩散而入射到晶片的自由基成为主体的化学反应实现。一般，在低压下，离子密度变高，促进了离子主体的蚀刻，在高压下，自由基密度变高，促进了自由基主体的蚀刻。因此，在这样的蚀刻装置中，期望能在0.1Pa程度的低压到数十Pa的高压的宽范围的压力区域中进行处理。进而，为了确保器件量产性，需要在这样的宽范围的压力区域中，在晶片面内均匀地进行蚀刻。
作为等离子的生成方式，已知ECR(Electron Cyclotron Resonance，电子回旋共振)方式、感应耦合方式、电容耦合方式等。所谓ECR，是在从电磁波产生源导入的电磁波频率和由电磁线圈形成的磁场所引起的电子的回旋频率一致时产生的共振现象。通过ECR加速的高能的电子与气体分子碰撞而电离，从而生成等离子。ECR方式的一个优点在于，即使在感应耦合方式、电容耦合方式等等离子生成方式中难以实现的1Pa以下的低压区域，也能有效率且均匀地生成等离子。
若放电室内压力是比较低的压力，电子的平均自由行程就长，因此，电子在被ECR充分加速后与气体分子碰撞电离，在满足ECR的条件的等磁场面的近旁有效率地生成等离子。通常，由于满足ECR的条件的等磁场面在放电室内面状地扩展，生成等离子的区域在放电室内面状或环状地具有扩展。因此，能实现比较均匀的等离子处理。
但若放电室内压力变高，电子的平均自由行程就短，因此，从电磁波接受到能量的电子立即与气体分子碰撞并进行电离、解离。因此，等离子的生成区域不是在满足ECR的条件的等磁场面近旁，而是在电磁波所入射的微波导入窗的正下方且波导管的正下方的放电室中心轴近旁局部存在化。因此，在高压条件下，蚀刻速率成为中心高的分布，存在易于变得不均匀这样的课题。
作为抑制向放电室中心部的等离子生成的局部存在化的现有技术，例如能举出专利文献1所示的技术。利用了专利文献1的ECR方式的等离子处理装置具有：配置于放电室与电磁波传输部之间的微波导入窗；和配置于微波导入窗的下部的电磁波反射板以及辅助反射板。使电磁波从形成于电磁波反射板与辅助反射板之间的环状电磁波放射口入射到放电室内，使得在ECR面生成环状等离子，由此形成均匀的等离子，实现均匀性高的等离子处理。
此外，专利文献2涉及无磁场地生成微波等离子的方式的等离子处理装置。具备：微波所传播的波导管；向处理容器内导入的微波导入窗；配置于波导管与微波导入窗之间的圆环状的环槽；和配置于微波导入窗的处理容器侧且遮蔽透过微波导入窗的微波的电场的遮蔽板。通过设置遮蔽板，来减少处理容器内中央部的等离子密度，减少样品面内的等离子处理的不均匀。
此外，在专利文献3中示出除了处理室内的第一等离子以外，还在微波导入窗内的空间的中央部形成第二等离子的方法。通过将第二等离子密度设为截止密度以上，第二等离子具有电磁波反射板那样的作用，能通过不生成第二等离子来使电磁波透过。因此，通过调节第二等离子密度，能在多样的条件下减少等离子处理的不均匀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平9-148097号公报
专利文献2：JP特开2013-211270号公报
专利文献3：JP特开2019-110028号公报
发明内容
发明要解决的课题
在利用了微波的ECR等离子蚀刻装置中，在宽范围的压力区域，关于蚀刻速率等等离子处理的特性，难以在晶片面内谋求分布均匀化。特别在数Pa以上的高压区域，其实现困难。
作为难以在高压时实现等离子处理的均匀化的理由，能举出等离子生成的局部存在化和各向同性的扩散变得处于优势地位。若放电室内压力变高，电子的平均自由行程就变短，因此，从电磁波接受到能量的电子立即与气体分子碰撞而进行电离、解离。因此，等离子的生成区域在电磁波所入射的微波导入窗的正下方且波导管的正下方的放电室中心轴近旁局部存在化。
此外，若放电室内压力变高，带电粒子与气体分子的碰撞就增加，各向同性的扩散变得处于支配地位。由于带电粒子若与处理室内的壁面碰撞便会消失，因此，若各向同性的扩散变得处于优势地位，等离子密度就在比壁面远的部位、即放电室中心部变高。
即，晶片面内的离子通量成为与外周部相比中心部更高的凸分布，其均匀化变得困难。作为改善这样的不均匀的方法，有上述的现有文献，但关于各个现有文献，存在课题。
根据专利文献1记载的技术，在微波导入窗的等离子处理室侧设置电磁波遮蔽板。但在相关的现有技术中，由于电磁波遮蔽板位于高密度等离子的近旁，为了避免溅射导致的金属污染等，需要陶瓷热喷涂等对策，招致成本高。此外，如专利文献1所示那样，在微波导入窗的下部设置电磁波遮蔽板实际上是非常困难的，但关于其实现方法，专利文献1中并没有具体的记载。
例如，作为将电磁波遮蔽板固定于微波导入窗之下的方法，还考虑了使用粘接剂、螺丝进行固定的方法。但在利用了粘接剂的固定方法的情况下，该粘接剂由于处理室内的自由基、离子而进行反应并产生反应生成物，入射到被处理基板，产生预料外的不良状况的风险高。此外，由于电介质与电磁波遮蔽板的热膨胀差，存在粘接剂剥落等风险。另一方面，在使用了螺丝的固定方法中，在进行安装、拆下时，在物理上螺丝和螺丝孔进行螺旋滑动时，有产生微小异物的风险。
接下来，根据专利文献2记载的技术，在不利用磁场的等离子处理装置中，从圆环状的环槽导入微波。相关的现有技术运用于不使用磁场的方式中，没有提及有磁场的方式。假设在有磁场方式的等离子处理装置中单纯采用环槽方式的情况下，可知，微波在狭槽部进行衍射，从而微波回绕到导入窗的中心部，进而，在等离子处理室的中心部选择性地吸收微波，从而等离子分布在中心部局部存在化。关于微波变得难以回绕到中心部的条件，之后叙述。
进而，根据专利文献3记载的技术，能将成为截止密度以上的第二等离子如电磁波遮蔽板那样使用。但由于在第二等离子的生成中会吸收微波，从而第一等离子的有效率的生成变得困难，认为需要过大的电力的供给。此外，由于第二等离子的生成，例如石英窗会被削除，第二等离子的生成区域随时间扩大，第二等离子密度分布随时间变化，作为结果，担心等离子处理的特性随时间变化这样的问题。
本发明的目的在于，提供能在宽范围的压力区域实现高度均匀化的等离子处理的等离子处理装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，代表性的本发明所涉及的等离子处理装置之一通过如下方式达成，所述等离子处理装置具备：在上方具备微波所透过的电介质板且对样品进行等离子处理的处理室；供给所述微波的高频电力的高频电源；使从所述高频电源经由波导管传输的微波谐振且配置于所述电介质板的上方的空腔谐振器；和在所述处理室内形成磁场的磁场形成机构，所述等离子处理装置还具备：配置于所述空腔谐振器的内部的环状导体；和配置于所述空腔谐振器的内部且配置于所述环状导体的中央的开口的圆形导体。
发明的效果
根据本发明，能提供能在宽范围的压力区域实现高度均匀化的等离子处理的等离子处理装置。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明得以明确。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的蚀刻装置的截面图。
图2是微波导入窗周边的放大截面图。
图3是外侧导体板外周部周边的放大截面图。
图4是空腔部周边的放大截面图。
图5是空腔部周边的放大截面图。
图6是本发明的空腔部周边的放大截面图。
图7是表征微波回绕到中心方向的指标与Wθ1/λ的关系的散布图。
图8是表征内侧波导管半径R2与这时所需的最小的W的关系的计算结果的图。
图9是表征在本发明的第一实施例所涉及的蚀刻装置中使微波变化时的等离子密度分布的计算结果的图。
图10是表征狭槽的宽度窄的情况的等离子密度分布的计算结果的图。
图11是表征本发明的第二实施例所涉及的内侧导体板的截面形状的放大截面图。
图12是本发明的第三实施例所涉及的空腔部周边的放大截面图。
图13是本发明的第三实施例所涉及的内侧导体板的顶视图。
图14是在本发明的第四实施例所涉及的蚀刻装置中表征导体板的构造的顶视图。
图15是本发明的第五实施例所涉及的簇射板周边的放大截面图。
具体实施方式
以下参考附图说明本发明的实施方式。另外，在本说明书中，将供给微波一侧作为上方，将被供给微波的基板载台兼高频电极(样品台)侧作为下方。
[第一实施方式]
在图1中示出作为本发明的第一实施方式所涉及的等离子处理装置的蚀刻装置的截面图。在等离子处理装置中，微波从微波源1振荡，经由方形波导管2、隔离器3、自动匹配器4和圆矩形变换器5，向圆形波导管6传输。在本实施方式中，使用工业上常用的2.45GHz的微波。
隔离器3为了从微波的反射波保护微波源(也称作高频电源)1而用，自动匹配器4为了调整负载阻抗、抑制反射波从而有效率地供给微波而用。通过圆形波导管6导入的微波向空腔部(也称作空腔谐振器)7传播，从在空腔部7内同轴设置的内侧导体板(也称作圆形导体)8与外侧导体板(也称作环状导体)9间的等宽的环状狭槽(也仅称作狭槽)28经过微波导入窗10和簇射板11而供给到等离子处理室12。由微波导入窗10构成电介质板，由簇射板11构成气体供给板。
空腔部7使用导体作为反射微波的材料来形成。作为空腔部7的材质，例如可适当地使用铝。内侧导体板8配置于外侧导体板9的中央的开口，为了实现轴对称的微波传播而分别具有轴对称形状。由内侧导体板8和外侧导体板9构成配置于处理室的上方的电介质板。
在本实施方式中，内侧导体板8是圆板，外侧导体板9是环状的圆板。内侧导体板8和外侧导体板9的材质只要是有导电性的材质即可，但为了不受对装置内施加的线圈磁场的影响而期望是非磁性体。在本实施方式中，作为内侧导体板8和外侧导体板9的材质而使用铝。
在等离子处理室12的周围配设电磁线圈(也称作磁场形成机构)13，在其外周配设磁轭14。通过对电磁线圈13供给给定的电流，来在等离子处理室12内形成被调整成满足ECR所需的磁通密度的静磁场分布。磁轭14具有防止磁场向装置外部的泄漏的磁屏蔽的作用。
通过电磁线圈13和磁轭14形成的磁力线成为从等离子处理室12的上方朝向下方而向外周方向扩展的扩散磁场。在2.45GHz的微波的情况下，ECR所需的磁通密度是875G。通过调整静磁场分布，来将875G的等磁场面(ECR面)形成为使其进入等离子处理室12室内，来有效率地生成等离子15。
为了从等离子保护等离子处理室12的侧壁，在等离子处理室12的侧壁内侧设置有内筒16。位于等离子15的近旁的内筒16通过作为等离子耐性高的材料的石英来形成。或者，作为等离子耐性高的其他材料，也可以使用氧化钇、氧化铝、氟化钇、氟化铝、氮化铝等来形成内筒16。
微波导入窗10以及簇射板11使用石英作为透过微波的材料来形成。或者，只要是透过微波的材料，则也可以使用其他电介质材料来形成微波导入窗10以及簇射板11，此外，作为等离子耐性高的材料，也可以使用氧化钇、氧化铝、氟化钇、氟化铝、氮化铝等来形成微波导入窗10以及簇射板11。
对微波导入窗10与簇射板11之间从气体供给装置17供给气体。在气体供给装置17中包含通过质量流量控制器供给所期望的流量的功能。此外，等离子处理中使用的气体种类对应于被处理膜等来适当选择，使多个气体种类以给定的流量被组合供给。
在簇射板11的中央部设有多个气体供给孔，从气体供给装置17供给的气体经由该气体供给孔供给到等离子处理室12。供给到等离子处理室12的气体经由流导调节阀21被涡轮分子泵22真空排气。
在等离子处理室12的下部具备载置被处理基板(也称作样品)18的基板载台兼高频电极19，进而在基板载台兼高频电极19的下部具备绝缘板20。在基板载台兼高频电极19，为了供给偏压电力而经由自动匹配器23连接偏压电源24。在本实施方式中，将偏压电源24的频率设为400kHz。
在基板载台兼高频电极19具备未图示的被处理基板18的吸附机构和调温装置，为了对被处理基板18进行所期望的蚀刻，根据需要来调节被处理基板18的温度。为了从等离子保护基板载台兼高频电极19的外周部，设置有基座35和载台罩36。在基座35以及载台罩36，使用石英作为等离子耐性高的材料。
通过由电磁线圈13形成的磁场和从微波源1供给的微波将导入等离子处理室12的气体等离子化，将在其中生成的离子、自由基照射到被处理基板18，由此进行蚀刻。
若内侧导体板8的中心位置从装置的中心轴偏离，微波的轴对称的供给就变得困难，给等离子处理的均匀性带来影响。因此，根据需要而采用抑制内侧导体板8的中心位置从中心轴的偏离的应对策略是重要的。
使用图2来说明内侧导体板8的具体的设置例。图2是微波导入窗10周边的放大截面图。在图2的(A)所示的示例中，在微波导入窗10的上部的中央部设置内侧导体板8，在外周部设置外侧导体板9。在图2的(A)的示例中，由于内侧导体板8并未固定于微波导入窗10，因此在内侧导体板8的设置时，内侧导体板8的中心位置有可能会从等离子处理室12的中心轴偏离。
此外，存在以下的情况：在等离子处理时，通过来自等离子的热输入加热等离子处理室12，热传递到其周边，微波导入窗10、内侧导体板8、外侧导体板9成为高温。因此，作为在等离子处理的过程中重复升温和冷却的结果，内侧导体板8重复热膨胀和热收缩，设置位置会稍微偏离，该偏离有可能会蓄积。
针对此，在图2的(B)示出用于抑制内侧导体板8的中心位置的偏离的结构。在图2的(B)所示的结构中，在内侧导体板8与外侧导体板9间设置间隔物25。在该结构中，通过间隔物25的存在来抑制内侧导体板8的位置偏离。间隔物25例如使用石英作为传播微波的物质来形成。
用作内侧导体板8、外侧导体板9的铝的线膨胀系数为23.6×10-6[1/℃]，用作微波导入窗10、间隔物25的石英的线膨胀系数为0.52×10-6[1/℃]，在这些构件间，热膨胀差比较大。因此，在内侧导体板8的侧面与间隔物25的侧面之间没有游隙(间隙)的情况下，会由于内侧导体板8与间隔物25间的热膨胀差而使间隔物25被内侧导体板8压迫，从而产生应力。由于石英是脆性材料，因此若力施加到间隔物25，就会破裂而有破损的风险。
但若考虑热膨胀差而在两者间设置游隙，在内侧导体板8的设置时，设置位置就会偏离游隙的相应量，有不能进行高精度的定位的可能性。因此，例如也能为了调整内侧导体板8的位置而使用间隔物25，在进行等离子处理时拆下间隔物25，从而回到图2的(A)所示的结构。
或者，还能通过任意的调温装置进行内侧导体板8、间隔物25、外侧导体板9、微波导入窗10的温度调整，取代上述游隙而抑制热膨胀。作为调温装置，例如使用将进行过温度调节的空气吹喷到内侧导体板8、外侧导体板9和微波导入窗10的吹喷装置。
作为内侧导体板8的位置偏离抑制的其他应对策略，考虑将内侧导体板8固定。例如可以将内侧导体板8和微波导入窗10使用粘接剂进行粘接。在相关的情况下，为了内侧导体板8b不从波导入窗10剥落，期望使粘接剂具有作为吸收内侧导体板8与微波导入窗10的热膨胀差的缓冲层的性质。
此外，可以通过用溅射、化学蒸镀、镀覆等在微波导入窗10的表面涂覆导体膜，来形成内侧导体板8。在相关的情况下，与粘接的情况同样，由于存在因内侧导体板8与微波导入窗10的热膨胀差而产生膜剥落的风险，因此期望在内侧导体板8与微波导入窗10间根据需要来成膜缓冲层。
或者，若通过调温装置等将内侧导体板8、间隔物25、外侧导体板9、微波导入窗10调温来抑制热膨胀，就不需要上述的缓冲层。此外，在成膜薄膜作为内侧导体板8的情况下，为了不透过微波而期望设为趋肤深度以上的厚度。例如在使用铜作为导体膜的情况下，由于针对2.45GHz的微波的趋肤深度为4.2μm，因此期望成膜至少4.2μm以上的厚度的导体。
在图2的(C)示出抑制内侧导体板8的位置偏离的其他结构。在图2的(C)所示的结构中，在微波导入窗10的中心部形成阶差部，使内侧导体板8嵌合在该阶差部。为了减少阶差部的破损风险，微波导入窗10的阶差部的直径和内侧导体板8的直径考虑到两者的热膨胀差而稍微设置游隙。但如先前所述的那样，若设置游隙，则对应于此，存在在内侧导体板8设置时位置偏离的风险。与此相对，若能用调温装置等抑制热膨胀，就不需要设置上述游隙。
接下来，在图2的(D)示出用于减少微波导入窗10与内侧导体板8的热膨胀差导致的阶差部的破损风险且抑制位置偏离的适当的结构。在图2的(D)所示的结构中，在微波导入窗10的中央有阶差部，该阶差部的外周面成为随着前往微波导入窗10而缩径的凹锥形状。此外，内侧导体板8的外周部具有与所述阶差部的凹锥形状对应的凸锥形状的面。
由于该阶差部具有凹锥形状的面，因此在内侧导体板8由于热膨胀而向径向外侧扩展时，内侧导体板8沿着锥形状向上方逃避(移位)，能抑制在构件产生过度的应力，因此能减少其破损风险。此外，由于微波导入窗10的阶差部的凹锥形状的面和内侧导体板8外周部的凸锥形状的面始终接触，因此抑制了从内侧导体板8的中心轴的位置偏离。此外，由于将内侧导体板8仅向上方抬高就能拆下，因此还有维护时的拆装容易的优点。
接下来，说明外侧导体板9的具体的设置例。由于即使是外侧导体板9的中心相对于装置的中心轴偏离的情况，也会给等离子处理的均匀性带来影响，因此采用抑制外侧导体板9从中心轴的偏离的应对策略是重要的。但与内侧导体板8的情况不同，外侧导体板9的位置偏离风险和热膨胀差导致的破损风险比较低。
例如，在空腔部7的外周部和外侧导体板9为相同材料的情况下，由于不需要考虑热膨胀差，因此不需要在空腔部7的外周部和外侧导体板9设置游隙。此外，即使是空腔部7和外侧导体板9为线膨胀系数不同的异质的金属材料的情况，也由于两构件都与石英不同，不是脆性材料，因此即使因热膨胀差而在构件间产生应力，破损的风险也小。因此，若使空腔部7的外周部和外侧导体板9外周紧贴，位置偏离风险就变小。
以下使用图3来说明外侧导体板9的具体的设置例。图3是外侧导体板9的外周部周边的放大截面图，左侧表征外周方向，右侧表征中心方向。在图3的(A)的示例中，外侧导体板9设置于微波导入窗10的上部，处于未固定于空腔部7的微波导入窗10的任一者的状态。在相关的情况下，外侧导体板9相对于高度方向和旋转方向的移动具有自由度。
接下来，在图3的(B)的示例中，在空腔部7的内周埋入销26而使其在径向上突出，通过使销26卡合在外侧导体板9的销槽的方式，来设置外侧导体板9。销26在周向上例如等间隔地设置多个(优选3个以上)。这时，通过将销26束缚在销槽的周向的壁，来限制外侧导体板9的旋转方向的移动。
根据图3的(A)以及(B)的结构，由于能将外侧导体板9向上方抬高来拆下，因此有维护时的拆装容易这样的优点。
在图3的(C)的示例中，构成为在空腔部7的周壁贯通形成用于插入螺丝27的孔，在外侧导体板9的侧面形成螺丝孔，通过使在空腔部7的孔插通的螺丝27螺合在螺丝孔，来将外侧导体板9固定。螺丝27在周向例如等间隔设置多个(优选3个以上)。根据图3的(C)的结构，外侧导体板9不管在高度方向上还是在周向上都被固定。
在图3(D)的示例中，空腔部7和外侧导体板9成为一体构造。相关的结构由于需要通过焊接、铸造、刮研等制作空腔部7和外侧导体板9，因此制造成本变高，但消除了外侧导体板9相对于空腔部7的偏离。
另外，若使销26、螺丝27的材质为导体，则在图3的(B)、(C)、(D)所示的结构中，空腔部7和外侧导体板9由于电导通而成为同电位。因此，例如若将空腔部7进行接地，就能防止外侧导体板9的带电。
此外，在图3的(A)、(B)所示的结构中，能使外侧导体板9的下表面和微波导入窗10的上表面紧贴。与此相对，在图3的(C)、(D)所示的结构中，优选考虑尺寸公差而在微波导入窗10上表面与外侧导体板9下表面之间稍微做出间隙。在相关的情况下，若不严格管理尺寸公差，则在外侧导体板9将微波导入窗10向下方推压的情况下，有可能会导致微波导入窗10的破损。
考虑外侧导体板9的带电防止的必要性、维护的容易度，也可以采用图3所述的外侧导体板9的具体的设置例的任一者。此外，作为外侧导体板9的设置的代表例，使用图3进行了说明，但只要能考虑位置偏离、破损风险等、上述的想法，就可以采用其他设置例。
如上述那样，在等离子处理室12内的压力高的情况下，若微波入射到等离子处理室12的中心轴近旁，就会成为等离子生成在中心局部存在化的要因。为了抑制中心轴近旁处的等离子生成的局部存在化，期望抑制向等离子处理室12中心轴近旁的微波的传播。换言之，期望使经由圆形波导管6传播的微波向径向外侧入射到等离子处理室12。
图4是放大示出本实施方式的空腔部7周边的示意截面图。内侧导体板8具有抑制微波从圆形波导管6直接传播到等离子处理室12中心轴上的功能。为了抑制从圆形波导管6向等离子处理室12的中心的直接的入射，期望内侧导体板8的半径R2比圆形波导管6的半径R1大。
例如，若将圆形波导管6的半径R1设为45mm来作为适当地传播2.45GHz的TE11模的微波的半径，则优选设为R2＞45mm。此外，外侧导体板9具有作为用于使微波向径向外侧入射到等离子处理室12的引导器的功能。
本发明的发明者们对为了具有作为引导器的功能而优选的外侧导体板9的半径R3的条件进行了研讨。为了进行详细的研讨，需要还考虑来自空腔部7的内壁、等离子15的反射波等，但在本次的研讨中，为了简单，关于从圆形波导管6直接入射到微波导入窗10的微波向等离子处理室12入射时是否具有径向向外分量地进行传播，进行了研讨。
本发明的发明者们发现，有效率地将微波径向向外地传播到等离子处理室12的条件在于，通过狭槽28的外周侧的微波不在微波导入窗10、簇射板11的侧壁反射而入射到等离子处理室12。从圆形波导管6以角度α前往狭槽28的外周部的微波在微波导入窗10向角度β的方向折射。然后，微波透过簇射板11，被导入等离子处理室12。这时，通过狭槽28外周的微波具有径向向外分量地导入等离子处理室12的条件用以下的数式(1)表征。
【数式1】
H2≤(R4-R3)tanβ (1)
在此，R4是等离子处理室12的半径(内筒16的半径)，H2是微波导入窗10与簇射板11的厚度之和。在微波导入窗10与簇射板11间有成为气体流路的薄的层，但与微波导入窗10、簇射板11相比充分薄，因此无视。此外，根据图4的几何学的关系，得到以下的数式(2)。
【数式2】
Figure BDA0003530407160000121
此外，使用斯涅耳定律，通过以下的式(3)得到α、β、和微波导入窗10和簇射板11的相对介电常数εr的关系式。
【数式3】
Figure BDA0003530407160000122
在此，微波导入窗10和簇射板11设为相同材料的石英。若整理数式(1)～(3)，则作为R3应满足的条件，得到以下的数式(4)。
【数式4】
Figure BDA0003530407160000123
例如，在R2为100mm、H2为50mm、R4为250mm、εr为3.8时，根据数式(4)，R3需要为230.5mm以下。
在外侧导体板9的内侧的半径R3与内侧导体板8的半径R2的差(狭槽宽度W)窄时，通过狭槽28的微波会向等离子处理室12中心轴方向衍射。即，为了使微波不衍射而具有径向向外分量地导入等离子处理室12，在狭槽宽度W中存在适当的条件。关于用于抑制该衍射的狭槽宽度W，以下进行说明。
图5是将本实施方式的空腔部7周边放大的示意截面图。此外，若将从圆形波导管6下端且中心轴前往狭槽28的中心的线所成的角设为θ1，则θ1用以下的数式(5)表征。
【数式5】
Figure BDA0003530407160000131
为了概算难以引起衍射的条件，考虑平面波在单狭缝从θ1方向入射的情况。图6是微波导入窗10周边的放大截面图。从R＝0且Z＝H1的高度位置以振幅A(θ1)且以角度θ1前往狭槽28的方向的微波Φ(θ1)用以下的数式(6)表征。
【数式6】
Φ(θ1)＝A(θ1)sin 2πft (6)
在此，f是微波的频率，t是时间。若考虑Φ(θ1)是每狭槽单位宽度的波的合成波的振幅，则每狭槽单位宽度的微波的振幅成为A(θ1)/W。在穿过狭槽28中的从图上右端起距离x处的微小宽度Δx的微波在狭槽28向θ2的方向衍射的情况下，与通过狭槽28的图上右端而衍射的微波的光路差用以下的数式(7)表征。
【数式7】
Figure BDA0003530407160000132
在此，λ是微波的波长。因此，穿过微小宽度Δx的微波ΔΦ(θ2)考虑数式(7)的光路差而用以下的数式(8)表征。
【数式8】
Figure BDA0003530407160000133
若将ΔΦ(θ2)以狭缝宽度整体进行积分，则从狭槽28向θ2方向衍射的微波Φ(θ2)用以下的数式(9)求取。
【数式9】
Figure BDA0003530407160000141
在此，C用以下的数式(10)表征。
【数式10】
Figure BDA0003530407160000142
关于电磁波的强度，若使用与波的振幅的平方成正比这点，则根据数式(6)和数式(9)，向θ2方向衍射的电磁波的强度I(θ2)使用从θ1方向入射的电磁波的强度I(θ1)来用以下的数式(11)表征。
【数式11】
Figure BDA0003530407160000143
在此，将微波通过狭槽28处的衍射而回绕到等离子处理室12的中心轴侧的指标INDEX用以下的数式(12)定义。
【数式12】
Figure BDA0003530407160000144
该指标表征向等离子处理室12中心侧衍射的电磁波的强度相对于从狭槽28入射到等离子处理室12的电磁波的强度的比率。即，为了抑制向等离子处理室12中心轴侧的微波的衍射，INDEX的值越小越好。
在此，在将空腔谐振部的高度设为HA、将微波导入窗10和簇射板11的厚度设为HB、将微波导入窗10和簇射板11的相对介电常数设为εr、将等离子处理室12的半径设为RB时，外侧导体板9的半径RC满足：
RC≤RB-HB/(εr(1+(HA/RB)2)-1)(1/2)。
在图7示出计算INDEX的结果。所谓INDEX，是指微波全分量当中前往内侧的微波分量的比率。在将R2设为20～200mm、将H1设为50～200mm、将W设为10～190mm、将λ设为60～180mm的范围内实施INDEX的计算。INDEX大致表征为Wθ1/λ的函数，在Wθ1/λ大时变小。这意味着，在狭槽宽度W大时、在微波的导入角度θ1大时、在微波的波长小时，微波难以回绕到等离子处理室12中心侧。
例如，将INDEX的基准设为0.1。该基准与INDEX的最大值0.5相比低了80％，能充分期待衍射抑制的效果。根据图7，若读取INDEX成为0.1以下的Wθ1/λ，则大约成为以下的数式(13)的范围，决定各种尺寸以使得满足数式(13)即可。
【数式13】
Figure BDA0003530407160000151
接下来，本发明的发明者们通过数式(5)和数式(13)计算了将横轴设为R2时的W的最小值的关系。在图8中表征改变空腔部7的高度H1而分别计算出的结果。
若R2变大，则W的最小值向固定值渐近。这是因为，在根据数式(5)而R2大时，θ1向π/2渐近。若考虑θ1＜π/2，则期望数式(13)的W至少满足W≥λ/π。即，从外侧导体板9的内周的半径减去内侧导体板8的半径而得到的值W优选为用微波的波长λ除以圆周率π而得到的值以上。例如在λ为120mm时，W至少成为38mm以上。根据图8，在R2小的情况下，W的最小值变大。
例如，若从图8读取将R2设为100mm、将H1设为100mm时的最小的W，则W的最小值为65mm。此外，根据数式(4)，成为R3≤230.5mm，成为W≤130.5mm。若将以上进行整理，则可知，在65mm≤W≤130.5mm的范围内选出W即可。即，本实施方式的狭槽的宽度具有根据微波的波长规定的尺寸，此外优选是能抑制微波的衍射的尺寸以上的宽度。
在此，作为实施方式的一例，将R2固定在100mm来求取W的范围，但决定尺寸的顺序并不限于此，适当决定尺寸即可。此外，在本实施方式中，将抑制衍射的INDEX的基准设为0.1，但也可以根据需要而以更小的值为基准来决定各尺寸。
在图9示出改变微波时的等离子处理室12内部的等离子密度分布的计算结果。在各尺寸下，R1设为45mm，R2设为60mm，W设为100mm，H1设为85mm。这时的Wθ1/λ为0.76，若从图7读取与其对应的INDEX，则成为0.1以下，期待能抑制微波的衍射。
等离子密度通过微波的电磁场模型和漂移扩散模型的结合计算来估算。在实际的等离子处理中使用多种气体，但为了简单，仅考虑Ar气体的情况。压力使用4Pa的高压条件。
如图9所示那样，在低微波下，在等离子处理室12中央部有等离子密度高的区域。而且可知，随着前往图9所示的等高线图下方的晶片的方向而不断扩散，在径向上变得均匀。而且，若提高微波电力，等离子密度就向径向外侧扩展，成为环状的等离子分布。根据该结果能看出，在本结构中，穿过狭槽28的微波不回绕到等离子处理室12的中心部，有效率地向径向外侧传播来进行等离子生成。可以考察，这是因为：能通过内侧导体板8抑制从圆形波导管6直接前往中心部侧的微波，能通过外侧导体板9抑制在处理室内壁反射的微波前往中心部侧。此外，由于等离子的径向分布根据微波电力而变化，因此，微波电力具有作为调整等离子的径向分布进而调整蚀刻速率的径向分布的旋钮的功能。
接下来，示出狭槽的宽度W窄的情况下的等离子密度分布的计算结果。在相关的计算中，设为R1是45mm、R2是140mm、W是20mm、H1是85mm来实施。这时，Wθ1/λ是0.18，若从图7读取与其对应的INDEX，则约为0.33。由于大幅超过了本实施方式中设为基准的INDEX的基准值0.1，因此可以预想微波在狭槽28进行衍射，微波也被导入等离子处理室12中心轴。
在图10表征根据以上的条件的等离子处理室12内部的等离子密度。计算中所用的气体种类、压力、微波设为与图9的示例相同的条件。根据图10可知，明显在微波导入窗10的正下方以及中心轴近旁生成了局部的等离子。
根据图10可知，在狭槽宽度W窄时，穿过狭槽28的微波回绕到等离子处理室12中心部，在中心部局部地生成等离子。并且可知，在图10的等高线图下方的晶片也成为中心高的等离子分布。显而易见的是，即使进一步使微波变化，等离子也在中心部保持局部存在化，未如图9那样作为调整等离子的径向分布的旋钮发挥功能。根据以上，为了将微波向径向外侧供给，优先适当地设定狭槽28等的尺寸。另外，也存在以下情况：即使是图10所示的狭槽宽度W，根据处理室内压力，等离子密度向径向外侧扩展，成为环状的等离子分布。
[第二实施方式]
作为第二实施方式，在第一实施方式的蚀刻装置中，对适合用于抑制微波的衍射的内侧导体板8的形状进行叙述。图11是微波导入窗10和内侧导体板8的放大截面图。
如参考图2的(D)说明的那样，在微波导入窗10存在具有凹锥形状的外周面的阶差部，内侧导体板8的外周下部成为与该阶差部适配(嵌合)的凸锥形状。在本实施方式中，内侧导体板8的外周上缘的截面成为具有曲率的形状。即，内侧导体板8的上表面和侧面经由曲面8a而连接。一般地，在电磁波的传播路径中有锐利的端部的情况下，就如作为刀口衍射而已知的那样，电磁波易于衍射。为了抑制这样的刀口衍射，如图11所示那样使得带有曲率来消除锐利的角部是有效的。
[第三实施方式]
作为第三实施方式，在第一实施方式的蚀刻装置中，叙述适于监视来自等离子处理室12、被处理基板18的发光的结构。图12是空腔部7、微波导入窗10周边构造的放大截面图。
在内侧导体板8和外侧导体板9形成无数的开口部。将开口部的开口径D相对于微波的波长设定得充分小，以使得内侧导体板8和外侧导体板9不让微波透过。因此，开口径D若设为例如微波的波长的1/10以下，则足够。由此，虽然微波不会穿过内侧导体板8和外侧导体板9的开口部而透过，但来自等离子15、被处理基板18的紫外光、可见光区域的光能穿过。
或者，只要满足将微波反射且将光透过的目的，则也可以将内侧导体板8和外侧导体板9设为ITO电极等透明导电膜。这时，透明电极的厚度优选为趋肤深度以上的厚度，以使得不透过微波。
为了监视等离子15的发光，在圆矩形变换器5以及空腔部7上方隔着受光部29和光纤30设置发光分光器31。基于所得的等离子15的发光强度的径向分布来调整等离子处理中所用的微波、电磁线圈13所引起的外部磁场，并进行调整以使得能得到所期望的等离子15的径向密度分布。或者，也可以监视被处理基板18的被处理膜的表面的反射光和背面的反射光所引起的干涉光，来监视被处理膜的膜厚分布。
也可以基于所测量的膜厚分布来调整微波、外部磁场，进行等离子处理，以使得被处理膜成为所期望的膜厚分布。在本实施方式中，测量发光的部位仅有2处，但也可以根据需要增加测量部位。
在图13示出具有开口部的内侧导体板8的构造例。图13是内侧导体板8的顶视图。在图13的(A)中，内侧导体板8成为使金属的细线交叉而形成的网孔状(网孔构造)。在图13的(B)，内侧导体板8成为在金属板上开了无数开口部(贯通开口)的冲孔金属。
图13的(A)中的网孔状的内侧导体板8在热膨胀所引起的微波导入窗10、间隔物25的破损风险减少上是有效的。例如，设想内侧导体板8的外周部如图2的(B)、(C)那样被微波导入窗10的阶差部、间隔物25包围的情况。这时，即使内侧导体板8热膨胀，也会由于网孔的细线的弹性而内侧导体板8不会缩小，抑制了热膨胀导致的阶差部的破损风险。
在图13的(B)中的冲孔金属的内侧导体板8中，由于热膨胀差导致的破损风险减少，因此期望如图2的(D)记载那样，阶差部具有倾斜的凹锥形状的外周面，冲孔金属的外周部是与阶差部适配的凸锥形状的形状。
[第四实施方式]
在第四实施方式中，叙述与第一实施方式中的内侧导体板8和外侧导体板9不同的形态。图14变成第一实施方式中的内侧导体板8和外侧导体板9成为一体这样的构造，成为由内侧的圆形区域33、支承部34和外侧的圆形区域37构成的导体板32。换言之，导体板32可以说是通过经由支承部34连结而由内侧导体板和外侧导体板一体化的结构。
在该结构中，由于内侧的圆形区域33被支承部34固定，因此不需要考虑第一实施方式所述那样的从内侧导体板8的中心轴的偏离。即，不需要用于在微波导入窗10嵌入内侧导体板8的阶差部、间隔物。
此外，在第一实施方式中，内侧导体板8会电浮动，在本实施方式中，导体板32成为同电位，若使导体板32的外周部和空腔部7接触，使空腔部7接地，就能防止导体板32的带电。
在本实施方式中，支承部34是4处，但只要是支承内侧的圆形区域33的目的，则也可以不是4处。此外，支承部34是直线的形状，但只要满足支承的目的，不妨碍微波的透过，则也可以是任意的形状。
[第五实施方式]
在第五实施方式中，说明内侧导体板8的半径与簇射板11的气体导入区域的适当的关系。图15是簇射板11周边的放大截面图。将内侧导体板8的半径设为R2，将存在簇射板11的气体供给孔的气体导入区域(与气体供给孔中位于最外周的气体供给孔相切的圆)的半径设为R5。
存在以下的情况：在微波的传播路径上存在簇射板11的气体供给孔的情况下，根据微波、处理压力，在气体孔内部进行放电。这时，在晶片上，蚀刻速率局部变高，存在等离子处理的均匀性变差的情况。
如第一实施方式中叙述的那样，微波经由狭槽28向径向外侧传播到等离子处理室12，微波难以传播到内侧导体板8正下方且比内侧导体板8的直径更靠内侧的位置。因此，若设为R5＜R2，则由于在微波传播路径中不存在簇射板的气体孔，因此减少了气体孔放电导致的等离子处理均匀性的变差风险。
产业上的可利用性
本发明能运用在对半导体晶片等的基板上的样品通过蚀刻等进行处理的等离子处理装置中。
附图标记的说明
1…微波源、2…方形波导管、3…隔离器、4…自动匹配器、5…圆矩形变换器、6…圆形波导管、7…空腔部、8…内侧导体板(圆形导体)、9…外侧导体板(环状导体)、10…微波导入窗、11…簇射板、12…等离子处理室、13…电磁线圈(磁场形成机构)、14…磁轭、15···等离子、16…内筒、17…气体供给装置、18…被处理基板(样品)、19…基板载台兼高频电极、20…绝缘板、21…流导调节阀、22…涡轮分子泵、23…自动匹配器、24…偏压电源、25…间隔物、26…销、27…螺丝、28…狭槽、29…受光部、30…光纤、31…发光分光器、32…导体板、33…内侧的圆形区域、34…支承部、35…基座、36…载台罩。

Claims (12)

1.一种等离子处理装置，具备：
在上方具备微波所透过的电介质板且对样品进行等离子处理的处理室；
供给所述微波的高频电力的高频电源；
使从所述高频电源经由波导管传输的微波谐振且配置于所述电介质板的上方的空腔谐振器；和
在所述处理室内形成磁场的磁场形成机构，
所述等离子处理装置的特征在于还具备：
配置于所述空腔谐振器的内部的环状导体；和
配置于所述空腔谐振器的内部且配置于所述环状导体的中央的开口的圆形导体。
2.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
形成于所述圆形导体与所述环状导体之间的狭槽的宽度是能抑制微波的衍射的尺寸以上的宽度。
3.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体具有与形成于所述电介质板的凹锥形状嵌合的凸锥形状。
4.根据权利要求3所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体的上表面和侧面通过曲面连接。
5.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体是具有多个贯通开口的金属板或具有网孔构造的导体。
6.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体和所述环状导体连结。
7.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
形成于所述圆形导体与所述环状导体之间的狭槽的宽度是根据所述微波的波长规定的尺寸的宽度。
8.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体的半径比与所述空腔谐振器的上部连接的圆形波导管的半径大。
9.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述圆形导体的半径比与所述空腔谐振器的上部连接的圆形波导管的半径大。
10.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
从所述环状导体的内周的半径减去所述圆形导体的半径而得到的值是用所述微波的波长除以圆周率而得到的值以上。
11.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述等离子处理装置还具备：
在中心部具有向所述处理室供给气体的多个气体供给孔且配置于所述电介质板的下方的气体供给板，
在将所述空腔谐振器的高度设为HA，将所述电介质板和所述气体供给板的厚度设为HB，将所述电介质板和所述气体供给板的相对介电常数设为εr，将所述处理室的半径设为RB时，所述环状导体的半径RC满足以下关系式：
RC≤RB-HB/(εr(1+(HA/RB)2)-1)(1/2)。
12.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述等离子处理装置还具备：
在中心部具有向所述处理室供给气体的多个气体供给孔且配置于所述电介质板的下方的气体供给板，
在所述圆形导体的轴线方向上观察所述圆形导体以及所述气体供给板时，所述圆形导体的半径比与所述气体供给孔中位于最外周的气体供给孔相切的圆的半径大。
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