CN1164125A - 等离子体处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明等离子体处理方法和装置，利用微波来发生等离子体，对晶片等基板进行等离子体腐蚀、成膜等处理。从空腔谐振器底部上设置的缝隙天线上放射出来的微波生成等离子体，利用它来处理试样，按一定的角度设置缝隙天线，该角度既不平行于也不垂直于空腔谐振器底部上流过的表面电流方向，利用从缝隙天线上放射出来的TE_om方式和TM_om(m、n为正整数)相混合的微波，生成圆环状等离子体，均匀地对直径大的试样进行处理。

Description

等离子体处理方法和装置

本发明涉及等离子体处理方法和装置，尤其涉及适合下列情况的等离子体处理方法和装置；即利用微波来发生等离子体，对半导体晶片等被处理衬底进行腐蚀、成膜等处理。

已知的现有微波等离子体处理装置，如：EP-A-0674334号公报所述，其中采用空腔谐振器和缝隙天线，该天线的安装方向与流过空腔谐振器底部的表面电流相垂直。其结构是：利用该缝隙天线来放射与空腔谐振器内的微波方式相同的微波，生成等离子体。

并且，采用原有缝隙天线的装置有以下两种：一种如U.S.P4,776,918号专利说明书所示，把缝隙设置在空腔谐振器的一个部分上，使该缝隙位于等离子体发生室的对面；另一种如U.S.P.5,134,965号专利说明书所示，把缝隙设在同轴空腔谐振器基板的对面，通过第1缝隙板在等离子体室内设置第1空腔谐振室，通过第2缝隙板在第1空腔谐振室内设置第2空腔谐振室。

上述现有技术存在的问题是：没有考虑对多种方式的微波进行组合的等离子体控制方法，只能生成由单一方式微波所形成的等离子体，难于控制等离子体的均匀性。

但是，随着半导体集成电路集成度的提高，为提高生产效率，被称之谓晶片的被处理基板，其尺寸增大。下一代的集成电路必须在直径12英寸(约300mm)的巨大基板上形成许多半导体器件。因此，必须在这种巨大的基板上进行均匀成膜或腐蚀等处理。但是，上述现有技术没有充分考虑被处理基板直径的增大问题。

本发明的目的在于提供一种容易控制等离子体均匀性的等离子体处理方法和装置。并且还在于提供这样一种等离子体处理方法和装置，即在采用微波的等离子体处理时，即使晶片直径达到12英寸(约300mm)以上，也能在晶片半径方向上进行均匀的等离子体处理。

一种等离子体处理装置，其构成部分包括：

处理室，它与真空排气装置相连接，能使室内压力降低；

气体供应装置，用于向上述处理室内供应气体；以及

等离子体发生装置；利用从设置在空腔谐振器底部的缝隙天线上放射出来的微波使上述处理室内部产生等离子体。

为实现上述目的，本发明在上述结构的等离子体处理装置中，设置上述缝隙天线时，使该天线不平行于上述缝隙天线安装面上所流过的表面电流方向，并且与该表面电流方向也不形成直角，而是呈其他各种角度。并且，本发明是把TM₀₁方式的微波导入空腔谐振器内，在空腔谐振器内被激励成TM_omn方式(m、n为正整数)的微波，然后从下述缝隙天线上放射出微波，该缝隙天线被配置成圆环形状，既不是平行于，也不是垂直于空腔谐振器底部上流过的表面电流的方向。

也就是说，通过把TM₀₁方式的微波导入至空腔谐振器内，即可很容易地在空腔谐振器内激励出TM_omn方式(m、n为正整数)的微波。表面电流在该空腔谐振器的底面上呈放射状、即向径向流动。如果缝隙天线的配置状态呈圆环状，并且既不平行于也不垂直于表面电流方向，而是以一定角度与其相交，那么，就能从缝隙天线上放射出径向和圆周方向的微波电场。换言之，可以放射出TE_on方式和TM_om方式(m、n为正整数)相混合的微波。所以，通过选定缝隙天线和上述表面电流相交的角度，即可使TE_on方式和TM_om方式(m、n为正整数)的比达到最佳状态，因此，很容易控制生成的微波等离子体的均匀性。

图1是表示本发明的等离子体处理装置的一实施例，即有磁场微波干法腐蚀装置的纵断面(剖视)图。

图2是图1的II-II断面向视图。

图3是表示图1的缝隙天线形态的平面图。

图4是表示从图3所示的缝隙天线放射出来的微波电磁场的图。

图5是表示使图3的缝隙天线孔倾斜角度变化时的微波方式的透过率的图。

图6是表示在图1的装置中使由线圈所形成的磁场发生变化时的等离子体密度分布的图。

图7是表示图3缝隙天线形状的其他实施例的平面图。

图8是表示本发明的等离子体处理装置的第2实施例有磁场微波干法腐蚀装置的纵断面图。

图9是表示图8的装置中晶片对面的电极详细结构的纵断面图。

图10是表示图9的电极的其他实施例的纵断面图。

图11是表示本发明的等离子体处理装置的第3实施例的微波等离子体处理装置的纵断面图。

图12是表示在图11的装置中以TE方式谐振的圆环状空腔谐振器底部上使缝隙天线形成“八”字形时的平面图。

图13是表示在图11的装置中以TM方式进行谐振的圆环形空腔谐振器底部上设置的其他实施例的缝隙天线的基本平面图。

图14是表示图13的缝隙天线的其他实施例的平面图。

图15是表示本发明的等离子体处理装置第4实施例微波等离子体处理装置的纵断面图。

图16是表示本发明的等离子体处理装置第5实施例微波等离子体处理装置的纵断面图。

图17是表示图16的匹配(调整)室详细情况的图。

图18是表示本发明的等离子体处理装置的第6实施例的有磁场微波干法腐蚀装置的纵断面图。

图19是图18中的XIX-XIX断面向视图。

图20是表示具有三角形断面的波导管基本方式的微波电场强度分布图。

图21是图18的XXI-XXI断面向视图。

图22是表示本发明的等离子体处理装置第7实施例有磁场微波干法腐蚀装置的纵断面图。

图23是图22的XXIII-XXIII断面向视图。

实施例的说明

以下根据图1-图6来说明本发明的一实施例。

图1表示本发明的等离子体处理装置一实施例的有磁场微波干法腐蚀装置。1的构成部分包括：容器1a、在其上部设置的放电管1b以及装在放电管1b上部开槽内的石英窗2。1是可使内部保持密封的处理室。3是绕在放电管1b外侧的线圈。4是振荡微波的磁控管。5是传播磁控管4所射出的微波的波导管。这里的波导管5的构成部分包括：

矩形波导管5a，在其一端上设置磁控管4，其作用是传播矩形TE₁₀方式的微波；

圆形波导管5b，它与矩形波导管5a的另一端垂直连接，用于传播圆形TM₀₁方式的微波；以及

短路板5c，它是导电性长方体，用于变换微波的传播方式，把微波从设置在矩形波导管5a的另一端的矩形波导管5a传播到圆形波导管5b内。6是谐振器，它连接在圆形波导管5b的另一端上，使TM₀₁₁方式的微波进行谐振。7是缝隙天线板，它构成谐振器6的底面，并具有缝隙天线孔8。9是试样台，它穿通容器1a的底部并进行电气绝缘，在处理室1内部摆放晶片10。11是与试样台9相连接的高频电源。

在上述结构的装置中，利用真空排气装置(图中省略)来对容器1a、放电管1b以及由石英窗2进行隔离分割的处理室1的内部进行抽气减压，然后利用气体供应装置(图中省略)把腐蚀气体导入处理室1内，调整到所需的压力。并且，处理室1处于由线圈3形成的磁场区域内。从磁控管4中振荡产生的2.45GHz微波在波导管5内，即矩形波导管5a和圆形波导管5b内传播，被导入谐振器6内。缝隙天线板7设置在谐振器6的底面上。从缝隙天线板7放射出的微波在石英窗7内传播时形成特定的方式，透过石英窗2射入到处理室1内。

在此情况下，石英窗2的板厚加大，具体来说，使板厚达到25mm左右。缝隙天线和等离子体界面之间的距离被设定为处于媒质中的微波的管内波长的四分之一以上。由于设定此距离从缝隙天线板7放射出来的微波在石英窗2内传播期间形成一定的方式，射入等离子体中，即处理室1内。

利用由该微波所生成的等离子体来对放置在试样台9上的晶片10进行腐蚀处理。并且，为了控制晶片10的腐蚀形状，通过耦合器(图中省略)把高频电源11连接到试样台9上，以供应高频电压，这样即可把偏置电压加在试样台9上。

在本实施例的情况下，如图2所示，在矩形波导管5a和圆形波导管5b的接合部位上设置了作为方式变换器的短路板5c，该短路板5c由导电性长方体构成，其尺寸与矩形波导管的断面相同。使在短形波导管5a内传播的矩形TE₁₀方式的微波变换成圆形TM₀₁方式的微波，然后把TM₀₁方式的微波，然后把TM₀₁方式的微波传送到圆形波导管5b内。通过把TM₀₁方式的微波送入谐振器6内，可以产生在谐振器内容易激励产生TM₀₁₁方式的微波的效果。并且，对微波方式进行变换和传输的波导管5以及谐振器6全部用空腔波导管构成，在波导路内不会发生异常放电，可以射入高输出功率的微波。

在TM₀₁₁方式的谐振器6的底部上，如图3所示，放射状的表面电流81从中心向径向方向流动，即形成向径向放射的电场。在配置了横向长的缝隙天线孔，即在垂直于表面电流的方向上配置有长孔的缝隙天线孔的情况下，缝隙天线孔的最短孔距的方向与径向电场的方向相一致，在缝隙天线孔内微波电场的方向与表面电流的方向相同。所以，向石英窗2内放射的微波，其表面电流的方向与在谐振器6内谐振的TM₀₁方式的微波方向相同，在石英窗2内传播时形成TM₀₁方式的微波。并且在配置了纵向长的缝隙天线孔，即在与表面电流相平行的方向上配置有较长的缝隙天线孔的情况下，在与表面电流相同方向的缝隙天线孔内所产生的电场强度，因孔间隔较大而减弱，微波几乎不能向石英窗2放射。

与此相反，本实施例如图3所示，缝隙天线孔8的配置位置，与表面电流81既不垂直，也不平行。这样配置时在缝隙天线孔8内，按照与缝隙天线孔7a和表面电流的角度θ相对应的比例产生径向电场Er和圆周方向电场Eθ。所以，如图4所示，向石英窗2内放射的表面电流的微波，是以下两种方式的混合微波，一种是具有径向电场的TM₀₁方式，另一种是具有与径向大体垂直的电场的TE₀₁方式。TE₀₁方式的微波，由于在波导管直径的约二分之一的部位上电场强度最高，所以，如图3所示，把缝隙天线孔8配置成圆环状时，圆环中心直径ΦC若设定为谐振器6的内径的约二分之一，则TE₀₁方式的微波放射效率很高。若把缝隙天线孔8和表面电流81的角度θ定为45度，把圆环中心直径ΦC定为谐振器6的内径的约二分之一，则向石英窗2放射的TM₀₁方式和TE₀₁方式的微波，二者的比例基本上是1∶1。TM₀₁方式和TE₀₁方式均具有轴对称的电场强度分布。把这两种方式相混合的微波射入处理室1内，即可很容易地生成轴对称分布的等离子体。另外，图5表示使缝隙天线孔8和表面电流81的角度θ发生变化时的微波方式的透过率的变化。

生成的等离子体，在外圆部即处理室1的壁面上产生很大损耗，但在中央部即中心轴上损耗很小。所以，把等离子体生成区域设定成圆环状，这样很容易生成在很宽范围内均匀一致的等离子体。如本实施例所示，把TM₀₁方式和TE₀₁方式互相混合的微波射入处理室1内，即可如图6(a)所示把等离子体生成区域设定成圆环状，并且，通过改变TM₀₁方式和TE₀₁方式的比例，即可更改圆环状等离子体生成区域的圆环直径，可以控制等离子体的均匀性。TM₀₁方式和TE₀₁方式的比例的更改方法如上所述，可以更改缝隙天线孔8和表面电流81相交的角度θ，或者更改缝隙天线孔8的形状或位置。另外，通过对供给绕在放电管1b外圆上的线圈3(这时配置成上下两层)上的电流或电压进行调整，对磁场进行控制，也可以形成如图6(b)所示在很宽范围内基本均匀一致的等离子体。

以上本实施例说明了在谐振器6内激励产生TM₀₁₁方式的情况。一般，在谐振器6内激励高次的TM_0mn(m、n为正整数)方式的情况下，根据缝隙天线孔的位置、形状来放射高次的TM_0m方式(m为正整数)和高次的TE_0m(m为正整数)相混合的微波。为更改这些各种微波方式的比例，如在纵向上改变缝隙天线孔的宽度L。这也是有效的办法。

再者，图7表示缝隙天线板的其他实施形态。缝隙天线孔8a排列成“八”字形。通过调整角度θ，即可调整空腔谐振器6和处理室1的电磁耦合程度。也就是说，当角度θ的绝对值接近0度时，电磁耦合程度减弱；当接近90度时电磁耦合增强。若电磁耦合过强，则空腔谐振器内的电磁场偏离所希望的电磁场的程度增强。另外，若电磁耦合过弱，则电磁波难于放射到处理室内。因此，必须设定最佳的耦合强度。通过调整角度θ，即可很容易地得到最佳耦合强度。但是，在圆形TM₀₁₁方式的空腔谐振器6中，当把缝隙天线孔8a排列成“八”字形时，从相邻缝隙中放射出的微波电磁场的角度方向(q方向)的成分被消去(互相抵消)，变成只有半径方向的成分，形成中心部突起的微波功率分布。总之这种缝隙天线的构成方法并非本实施例特有的方法，在使用后述的空腔谐振器时也同样可以适用。

另外，为设置作为结合孔的缝隙天线孔8、8a而采用的导体板(缝隙天线板7、7a)，通常采用1-5mm厚的薄板。但也可采用超过5mm的厚板。在采用厚的导体板时，由于耦合孔的部分在厚度方向上具有波导管的作用，所以对耦合孔形状的自由度比薄的导体板低。在矩形波导管时，若长的边的长度小于自由空间中的微波(电磁波)的波长的二分之一，则在波导管的轴向上电磁波不能传播，按指数函数进行衰减。因此，在使用厚的导体板时，必须使作为耦合孔的缝隙天线孔的长轴方向的长度大于半波长度。在微波的频率为2.45千兆赫时，自由空间内的波长为122.4mm，所以缝隙天线孔长轴的长度必须大于61.2mm。但是，在使用厚的缝隙天线板时，可以使冷冻剂在缝隙天线板内部进行循环，以便进行冷却。

现根据图8和图9来说明本发明的第2实施例。在本图中，与图1相同的符号表示同样的构件，其说明从略。本图与上述第1实施例的不同之处有以下两点：一点是把石英窗2a做成环形，使缝隙天线板的中央部面向处理室内；另一点是使缝隙天线板作为接地的电极12安装在晶片10的对面，由于在晶片10的对面安装电极12，所以，能提高加在晶片10上的高频电压在晶片10面内的均匀性。因此，其效果是：射入晶片10内的离子能量在晶片10面内达到均匀一致，可以均匀地进行腐蚀处理。电极12的结构能够通过气体、冷冻剂和电力的供应线13来进行温度控制和气体供应。图9表示电极12的结构。在图9中从气体供给口14导入腐蚀气体，通过分散板15导入处理室1内。因为容易从晶片10的上部供应气体，由等离子体生成的原子团可以被高效率地输送到晶片10上，所以能提高腐蚀速率和腐蚀均匀性。另外，由图中未示出的冷却装置进行温度控制的冷冻剂，通过冷冻剂给排出口16在电极12内流动，可以对电极12的温度进行控制。这样以来，堆积在电极12上的等离子体重合膜，其堆积速度可以得到控制，因此能够控制等离子体中的原子团组成，最终的效果是能防止腐蚀特性随时间增加而变化。

另外，在此情况下，电极12的中央部分呈突出形状，以便与微波导入窗2a的形状相配合。调整该突出量d，调整微波导入窗2a的底面和侧面的面积比，可以控制微波功率放射的方向和数量。另外，也可以不使电极12接地而供给高频功率。

再者，图10表示图9所示的电极12的其他实施例。这是在电极12内安装加热器17的例子。在此情况下，可以把电极12加热到26℃以上，以便于减少或防止在电极上堆积等离子体重合膜。这样可以减少随着堆积在电极上的等离子体重合膜的剥离而产生的灰尘。最终的效果是可以提高半导体器件的合格率。

若采用该第1和第2实施例，则通过改变导入微波的空腔谐振器底面上所流过的表面电流、和在底面、即缝隙天线板上设置的缝隙天线孔，这二者相交的角度，即可更改从缝隙天线板上放射的各种微波方式的比例，所以，其效果是便于控制生成的微波等离子体的均匀性。

下面，利用图11和图12来说明本发明的第3实施例。在封闭的空间内存在等离子体时，由于等离子体在处理室壁面上产生损耗，所以，等离子体密度分布容易出现空间的中心部位高而周围低的倾向。在等离子体处理装置内所用的等离子体也有这种倾向，这种倾向是造成等离子体处理不均匀的原因之一。为防止这种现象，可以采取措施在产生等离子体损耗的处理室壁面附近，增加等离子体的发生量。

再者，在对圆盘形的被处理基板进行处理时，使用圆筒形等离子体处理室是理所当然的。这时，在圆筒侧壁上的等离子体损耗会影响等离子体处理室内被处理基板的处理均匀性。为了缓解由于等离子体发生量的分布所造成的被处理基板附近等离子体分布不均匀的问题，必须调整圆环状等离子体发生量分布状态，使侧壁附近密度高，中心部分密度低。使用四方形处理室时也是如此，必须调整圆环状发生量分布状态，使处理室壁面附近密度高，使中心部密度低。

等离子体的发生量与等离子发生用能量的消耗量成正比关系。等离子体发生用能量的消耗量由能量的供给量和损耗的比例来决定。若损耗的比例从空间方面来看几乎是一定的，则等离子体发生量几乎完全由能量的供给量来决定。所以，为了调整圆环状等离子体发生量分布状态，使侧壁附近密度高，中心部分密度低，最重要的是把供给等离子体的能量分布设定成圆环状。

图11表示涉及本发明的使用圆环状空腔谐振器的腐蚀装置的断面图。利用微波作为等离子体发生用能源。为了获得圆环状的功率分布，可以采用圆环形的空腔谐振器27。在自由空间内的波长λ约为10cm的微波，空腔谐振器27内的电磁场的强度分发布按数量级也容易达到按10cm左右的周期进行强弱变化。当被处理基板32的直径D按照10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)的顺序依次增大时，圆环形空腔谐振器27也必须具有相同数量级的大小。所以，使用的圆环形空腔谐振器27，其内部的电磁场的分布应具有数个至十多个的峰值。

由图中未表示出的微波发生源所供给的微波功率，通过图中未示出的隔离器和匹配器由方形波导管26传送到圆环形空腔谐振器27内。在圆环形空腔谐振器27上，设置微波放射孔28，并使微波通过微波导入窗23放射到等离子体放电室21内。圆环形空腔谐振器27，为了减小微波功率损耗，利用电导率高的铝、铜等材料制成。微波导入窗23利用石英、氧化铝陶瓷等介质材料制成，因为对材质的要求是，造成的微波损耗小，而且对等离子体处理没有多大不良影响。并且微波导入窗23制成圆环形，其大小与圆环形空腔谐振器27的大小相适应。利用从微波导入窗23放射到等离子体放电室21内的微波，在等离子体放电室21内发生等离子体。

微波导入窗23也制成圆环形。从空腔谐振器27通过放射孔28放射出的微波，从平行于和垂直于微波导入窗23的中心轴的这两个面上放射到等离子体放电室21内。若利用电导率高的材料来制作圆盘形零件24，则微波可在圆盘形零件24的表面上进行反射。通过调整圆盘形零件24的厚度t，即可调整暴露在处理室内的微波导入窗23与中心轴相平行的面的面积，可以调整从微波导入窗23的两个面上放射出的微波功率的比例。也就是说，若把圆盘形零件24的厚度t设定为与微波导入窗23的厚度基本相同，则可完全遮盖住微波导入窗23与中心轴相平行的面，可以消除从该面上放射出的微波功率。另外，若减小圆盘形零件24的厚度t，使微波导入窗23与中心轴相平行的面更多地暴露在等离子放电室21内，则增大从该面上放射的微波的比例。通过控制从微波导入窗23的上述2个面上所放射的微波功率的比例，即可调整等离子体放电室21内的微波功率分布，可以调整等离子体发生量的分布。

也就是说，通过调整微波导入窗23的厚度t，可以使从微波导入窗23向等离子体供应的微波功率达到最佳程度。等离子体的阻抗是从微波导入窗23来看时的一种负载，根据该阻抗来调整微波导入窗23的厚度t，使其相对于微波半波长的整数倍的厚度适当增大或减少，从而达到阻抗匹配的目的，使透过功率达到最佳状态。这样，微波导入窗23的厚度t也必须在设计阶段将其调整到最佳值。

圆盘形零件24处于被微波导入窗23所包围的状态下。处理室由容器20、等离子体放电室21、微波导入窗23和圆盘形零件24构成，其内部可以保持密封。因此，可以通过圆环形空腔谐振器27的轴心部向圆盘形零件24供应电力、处理用气体和冷冻剂等。所以可以利用图中未示出的温度控制机构对圆盘形零件24进行加热或冷却，使其达到处理时所需的温度。在对圆盘形零件24进行加热时，可以把加热器安装到圆盘形零件24的内部，以便对其进行加热。另外，在对圆盘形零件24进行冷却时，可以把水等冷却媒体的管道安装到圆盘形零件24内，以便对其进行冷却。

再者，把气体供应机构25连接到圆盘形零件24上，可以按规定的流量向等离子体放电室21供应符合处理要求的一种或多种外围气体。图中未示出的排气系统连接在容器20上，以便控制处理室内的压力使其适合处理的要求。另外，对圆盘形零件24进行电气接地，它被用作例如频率为13.56MHz的高频功率的接地电极，通过匹配器(图示省略)进行连接的高频电源31把该高频功率送到被处理基板32上。下面利用图11来说明圆盘形零件24作为接地电极时的作用。等离子体中的高频电流，主要是质量小、易跟踪高频电场的电子电流。但是，如图11所示，若加上由多个静磁场发生装置29、30所产生的静磁场Hs，则可利用该静磁场来阻止与静磁场相垂直的方向上的电子移动，使高频电流难于在这一方向流动。所以，高频电流主要沿静磁场Hs流动。圆盘形零件24被设置在被处理基板32的对面。静磁场Hs加在与被处理基板32基本垂直的方向上，所以，借助于加在被处理基板32上的高频而流动的电流，在被处理基板32和圆盘形零件24之间均匀地流动。所以，即使对于直径D为10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)或更大的被处理基板32，也能使在周围和中央附近所流过的高频电流的大小基本相同，可以使加在被处理基板32上的高频的影响均匀一致。

此外，可以由圆盘零件24供应气体，可以使等离子体放电室21内的气流均匀一致。

被处理基板32是直径为10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)或更大的圆盘形基板。多个静磁场发生装置29、30，设置在等离子体放电室21的周围，可以发生静磁场Hs，其强度可以在处理室内引起电子回旋加速器共振现象。静磁场Hs发生在与被处理基板32基本垂直的方向上。在微波频率f为2.45千兆赫时，能引起电子回旋加速器共振现象的静磁场Hs的强度为0.0875泰斯拉。当多台静磁场发生装置29、30为电磁铁时，通过调整流入电磁铁的电流的大小，即可控制等离子体放电室21内的静磁场分布，可以控制能引起电子回旋加速器共振的静磁场的位置。当利用其他静磁场发生装置时，也可以通过调整静磁场发生装置和处理室的位置关系来控制处理室内的静磁场。但是，在利用电子回旋加速器共振现象的等离子处理装置中，在引起电子回旋加速器共振的地方微波功率被大量吸收，等离子体主要在这里产生。通过控制静磁场，即可控制等离子体发生区域。并且，能够抑制等离子体中的电子在静磁场中沿垂直方向移动。因此，可通过调整静磁场来控制等离子体中的电子的扩散。

再者，电子回旋加速器共振现象是微波的电场E和静磁场Hs互相垂直的情况下发生的，所以，当利用电子回旋加速器共振现象时，利用TE方式(因为电场E发生在空腔谐振器27的半径方向，即r方向上)，比利用TM方式(因为电场E发生在空腔谐振器27的轴向，即Z方向上)更有利。

另一方面，利用TM方式时，在轴向(Z方向)上磁场无变化，可以减小谐振器高度h，由于TM方式的存在，所以有助于减小设备的体积。

下列的表1表示微波频率为2.45千兆赫时的TE_m1方式的圆环形空腔谐振器尺寸的选定示例。

表1

方式	内半径a	外半径l	谐振器高度h
				TE41	65mm	120mm	109mm
TE51	89mm	144mm	109mm
				TE61	113mm	167mm	109mm
TE71	136mm	191mm	109mm
				TE81	160mm	215mm	109mm

同样，下表2表示微波频率为2.45千光赫时的TM_m1方式的轴向无磁场变化时的圆环形谐振器尺寸的选定例子。

表2

方式	内半径a	外半径l
			TM51	63mm	172mm
TM61	86mm	195mm
			TM71	33mm	219mm
TM81	133mm	242mm
			TM91	157mm	266mm
TM31	85mm	155mm
			TM41	125mm	195mm
TM51	165mm	235mm
			TM61	206mm	276mm
TM71	246mm	316mm
			TM81	286mm	356mm

当在空腔谐振器27上设置为放射微波所需的放射孔28时，若把放射孔28设计成缝隙状，并使其与微波磁场相平行，则可高效率地放射电磁波。如图12(这时表示TE₄₁方式)所示，调整磁场H和缝隙天线孔即放射孔28的角度θ，即可调整空腔谐振器27内的电磁场、以及微波导入窗23和等离子体放电室21的电磁耦合强度。这样，既可以使空腔谐振器27内的电磁场保持所需的方式，又可以提高向等离子体放电室21内放射微波的效率。

调整空腔谐振器27内的电磁场和微波导入窗23及等离子体放电室21的电磁耦合强度的另一种方法是控制缝隙天线孔的长度。若缩短缝隙天线孔的长度，则可减弱电磁耦合强度；若增加缝隙天线孔的长度，则可增强电磁耦合强度。

圆环形空腔谐振器27中的TE_m1方式，如图12(这时表示TE₄₁方式)所示，在垂直于中心轴的面上微波磁场H_TE没有半径方向(r方向)成分。因此，当作为放射孔28的缝隙的长轴方向和半径方向(r方向)所构成的角度θ小时，空腔谐振器27内电磁场、和微波导入窗23及等离子体放电室21的电磁耦合强度增大。并且，由于把作为放射孔28的缝隙排放成“八”字形，所以，从相邻缝隙中放射出的微波电磁场内，半径方向的成分互相抵消，角度(q方向)的成分留下来，即变成TE_on(n＝1，2，3…)方式，以这种方式为主体的电磁场通过微波导入窗23向等离子体放电室21内放射。其结果，发生中心部凹下的圆环形等离子体，即使被处理基板32的直径D为10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)或更大，在处理室壁面上等离子体消失，也能在被处理基板32的半径方向上均匀地进行等离子体处理，例如进行腐蚀处理。

圆环形空腔谐振器27中的TM_m1方式时的微波电场和流过空腔谐振器底面的表面电流，用模式图示于图13(这时表示TM₆₁方式)。微波电场E_TM只具有轴向(Z方向)成分，驻波的波膜在角度方向(q方向)上形成。并且，流过空腔谐振器27的底面的表面电流，以电场驻波的波腹位置为中心按放射状方向进行流动。在这里，图13(这时表示TM₆₁方式)表示把作为缝隙天线孔的放射孔28a设置在电场驻波的波腹与波腹之间，使其与表面电流相垂直并相对于空腔谐振器27的中心形成放射状。主要是TE₆₁方式的电磁场从放射孔28a通过微波导入窗23放射到等离子体放电室21内，其结果，与放射孔28a的前面形成的点相连接，可以发生中心部凹下的圆环形等离子体。

图14(这时表示TM₀₁方式)表示图13的放射孔28a每隔一个位置设置一个。在此情况下，主要是以TE_on(n＝1，2，3…)方式为主体的电磁场从放射孔28b通过微波导入窗23放射到等离子体放电室21内，其结果，发生中心部凹下的圆环状等离子体，即使被处理基板32的直径D为10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)以及更大，并且在处理室壁面1403处等离子体消失，也能在被处理基板32的半径方向上均匀地进行等离子体处理，例如进行腐蚀处理。

另外，在本实施例中，即使被处理基板32的直径按10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)依次增大时，也能在半径方向上均匀地进行等离子体处理，为此，只要能发生中心部凹下的圆环状等离子体即可，如下所述，不一定要使用圆环形空腔谐振器。

另外，也可以调整通过向圆盘形零件24供应高频功率而发生的等离子体。

下面根据图15来说明本发明的第4实施例。在该图中与图11相同的符号表示同样的构件，其说明从略。该图与上述第3实施例的不同点是：使用了高度低的空腔谐振器，没有静磁场的发生装置，没有与试样台相连接的高频电源。从图中未示出的磁控管等微波源中放射出的、频率为2.45千兆赫的微波，通过图中未示出的隔离器和匹配器由方形波导管26a投射到圆环形空腔谐振器27a内。在空腔谐振器27a内使TM_m1方式，例如TM₆₁方式进行谐振。这样可形成高度低的空腔谐振器。在空腔谐振器27a的底面上设置图12、图13或图14所示的放射孔28a，通过圆环形微波导入窗23a向等离子体放电室21供应微波。在圆环形空腔谐振器27a和微波导入窗23a的中央部，设置了与供气管33相连接的供气器24a。在供气器24a面向等离子体放电室21的面上有多个供气孔，可以按规定流量向等离子体放电室21内供应一种或多种处理用气体。

这样，若采用使TM_m1方式谐振的空腔谐振器，则可以降低其高度，因此能减小等离子体处理装置的体积。并且，若采用图13或图14所示的放射孔，则可使TE_on方式的微波进行放射，在此情况下，也可适用于采用磁场的装置。

下面根据图16和图17来说明本发明的第5实施例。在本图中，与图11相同的符号表示同样的构件，其说明从略。本图与上述第3实施例的不同点是：微波的传输采用了微波立体电路；采用了如图1所示的缝隙天线板和石英窗那样的微波导入部分。从微波源39放射出的微波通过图中未示出的隔离器、匹配器从方形波导管传送到同轴线路内。同轴波导管变换器38能以较少的功耗把微波功率从方形波导管传送到同轴线路内。在同轴线路部37的前端设置了匹配室40，使在空腔谐振器36和同轴线路部37的边界上所生成的微波功率的反射得以防止，微波功率向空腔谐振器36内传输时效率提高。

如图17所示，把匹配室40的高度L设定为微波波长λ的四分之一，反射波在合成时由于产生半波长的相位偏差而互相抵消，能够抑制微波功率的反射。另外，匹配室40只要能插入阻抗不同的线路使其具有阻抗匹配作用即可，不一定采用图16所示的结构。

但是，微波(电磁波)若出现介质常数和边界非连续变化的部分，则这些部分会造成部分功率反射。为了激励空腔谐振器36，若连接波导路时，则连接面上产生反射，这对微波功率向等离子体放电室21内传送时的效率的产生不良影响。因此，在连接部设置匹配室40并使匹配室的直径和高度达到最佳尺寸，消除反射波，这样以来，从整体上能使微波功率高效率地传送到等离子体放电室21内。

因此，能使微波功率以较小的功率损耗从方形波导管通过同轴波导管变换器38传送到同轴线路部37，利用匹配室40来防止在空腔谐振器36和同轴线路部37的边界上所产生的微波功率反射，高效率地传输到空腔谐振器36内，并能以所谓圆形TM₀₁₁方式进行谐振，该方式的特点是相对于空腔谐振器36在角度方向(q方向)上没有电磁场变化。

空腔谐振器36在此情况下其结构尺寸应保证能按照所谓圆形TM₀₁₁方式进行谐振。空腔谐振器36由铝、铜等电导率高的金属制成，以防止微波功率损耗。在空腔谐振器36的微波导入窗34一侧设置缝隙天线板35，在缝隙天线板35上设置如图3所示的缝隙天线孔8，使微波通过微波导入窗34放射到等离子体放电室21内。微波导入窗34的材料采用微波损耗小、对等离子体处理无不良影响的石英、氧化铝陶瓷等。等离子体放电室21内用石英罩覆盖，以防止产生异物等(图示省略)。所以，圆环形微波电磁场从设置在空腔谐振器36底部的缝隙天线孔8通过微波导入窗34放射到等离子体放电室21内，利用由静磁场发生装置29、30所发生的静磁场Hs来发生电子回旋加速器共振现象，发生中心部凹下的圆环状等离子体，把由高频电源31提供的高频功率供应到基板电极上，对被处理基板32进行等离子体腐蚀处理。

圆形TM₀₁₁方式由于在角度方向(q方向)上无电磁场变化，所以有利于在角度方向上均匀一致地放射微波。为了激励圆形TM₀₁₁方式，必须在连接面上使用这样的波导路，即其连接方法能保证形成与圆形TM₀₁₁方式的电磁场相类似的电磁场。在本实施例中，在空腔谐振器36的中央连接了同轴线路37，这样能够以类似于圆形TM₀₁₁方式的电磁场进行连接，其结果能够按照这样的圆形TM₀₁₁方式进行激励，即相对于空腔谐振器36在角度方向(q方向)上电磁场无变化。

在空腔谐振器36的底面上设置了如图3所示的缝隙板7。在圆形TM₀₁₁方式的空腔谐振器36的底面上，表面电流81(假定为向量J)从中心轴向周围流动，形成放射状。若调整图3所示的缝隙天线孔8的长轴方向的向外单位向量82(假定为向量n_s)和半径方向形成的角度θ，则可控制被缝隙天线孔8遮挡的表面电流的大小和放射的微波电场的方向，可以控制被放射到等离子体放电室21内的微波电磁场。在图3的缝隙天线的情况下，当角度θ接近90°时，半径方向电场成分的比例增大；当角度θ接近0°时，角度方向电场成分的比例增大。并且，可以认为，放射的电磁场强度与被缝隙天线孔8所遮挡的电流的大小成正比。所以，可以认为，放射的电磁场强度与向量n_s和J的向量积n_s×J的大小成正比。并且，在缝隙天线孔8的作用下，缝隙天线板35的处理室一侧所感应的表面电流J_P，与缝隙天线孔8的长轴方向相垂直。若按图3所示对缝隙天线孔(耦合孔)8进行排列，则表面电流J_P具有在缝隙天线板35的角度方向(q方向)上流动的成分(TE₀₁方式)，这样可以获得按圆环状分布的微波电场强度分布。也就是说，如图4所示，TE₀₁方式的微波电磁场和TM₀₁方式的微波电磁场，在给出角度θ的情况下以合成的形式从缝隙天线孔8通过微波导入窗34放射到等离子体放电室21内。另外，TE₀₁方式的微波电磁场(圆环状微波电磁场)，形成中心部凹下的圆环状微波功率分布，发生圆环状等离子体。另一方面，TM₀₁方式的微波电磁场形成中心部凸起的微波功率分布。

如上所述，由于给出了角度θ，所以圆环状的微波电磁场(TE₀₁方式的微波电磁场)从缝隙天线孔8通过微波导入窗34放射到等离子体放电室21内。因此，形成了中心部凹下的圆环状微波功率分布，发生了圆环状等离子体，即使被处理基板32的直径D增大到10英寸(约254mm)、12英寸(约305mm)或更大，在处理壁面上等离子体消失，也能在整个被处理基板32的半径方向上进行均匀的等离子体处理。

这样，通过调整上述缝隙天线孔8的角度θ，即可调整上述环状电场强度分布的程度，可以控制等离子体的均匀性。这种缝隙天线的构成方法并不是本实施例特有的，而是同样也可以适用于第3和第4实施例等使用其他空腔谐振器时。

若采用本实施例，则其效果是，可以对超过10英寸的巨大的被处理基板进行均匀的等离子体腐蚀等处理。

另外，若采用本实施例，则在使用同波的等离子体处理装置中可以抑制微波立体电路部分的功率损耗，所以其效果是，可以有效地利用微波功率。另外，由于可以抑制功率损耗，所以，也可以防止微波立体电路部分产生不必要的热量。

下面根据图18-图21来说明本发明的第6实施例。

图18表示本发明的等离子体也处理装置的一实施例，即有磁场微波干法腐蚀。由容器1a、放电管1b和石英窗2围制成的处理室1的内部，利用真空排气装置(图示省略)进行抽气减压，然后，利用供气装置(图示省略)把腐蚀气体导入处理室1内，调整到所需的压力。并且，处理室1位于由线圈3生成的磁场的区域内。由磁控管4振荡产生的2.45千兆赫的微波在矩形波导管44内传播，通过同轴波导管变换器38a在同轴波导管37a内进行传播。在同轴波导管37a内传播的微波通过匹配室40a导入到空腔谐振器36a内。在空腔谐振器36a的底部设置了缝隙天线板7。从缝隙天线板7的缝隙天线孔8中放射出的微波，在方式过滤器41内传播后，透过石英窗2射入处理室1内。利用由该微波生成的等离子体来对放置在试样台9上的晶片10进行腐蚀处理。为了控制晶片10的腐蚀形状，可以通过匹配器来连接高频电源11，把高频电压加到试样台9上。

图19是图18的XIX-XIX断面的向视图，缝隙天线孔8相对于径向按一定角度进行倾斜，配置成圆环状。空腔谐振器36a被设计成能按TM₀₁₁方式进行谐振。所以，TM₀₁方式和TE₀₁方式混合后从上述的所谓的倾斜缝隙天线射入方式过滤器41内。方式过滤器41由大体上呈三角形断面的多个波导管42构成。如图20所示，具有单个三角形断面的波导管42，其尺寸只能传播单一方式的微波。图20表示传播的微波电场17的强度分布。所以，如图21所示，具有三角形断面的多个波导管42，其整体的电场强度分布与具有圆环状电场强度分布的TE₀₁方式大体一致。这样，若在缝隙天线板7和微波导入窗2之间设置TE₀₁方式用的方式过滤器41，则只能向处理室1内导入具有圆环状电场强度分布的TE_on(n为任意的正整数)方式的微波。因此，作为主要等离子体生成区域的ECR(电化学反应)面上，出现大体呈圆环状的等离子体分布，其结果在晶片10上获得均匀的等离子体分布，其效果是，可以进行均匀的等离子体处理。

方式过滤器41的另一种例子是：在方式过滤器41的中心部内设置内导体，把整体做成圆环形的断面。电场强度最大的位置，大体上是在内导体的外径ΦC和方式过滤器41的内径ΦD的中间。所以，通过适当选择ΦC和ΦD，即可更改导入处理室1内的微波的最大电场强度的位置。因此，可以控制在上述ECR面上形成的圆环状等离子体生成区域的圆环直径。所以，其效果是，可以控制晶片10上的等离子体分布，可以控制晶片10的等离子体处理的均匀性。

下面根据图22和图23来说明本发明的第7实施例。在本图中与图18相同的符号表示相同的构件，其说明从略。本图与上述第6实施例的不同点是，设置了TE₀₁₁空腔谐振器45来取代图18的方式过滤器41。并且，在TE₀₁₁空腔谐振器45的下部设置了缝隙天线板46，该天线板的缝隙天线孔47排列成如图23所示的放射状。从倾斜缝隙天线板7中放射出的TM₀₁方式和TE₀₁方式的微波，由于通过TE₀₁₁空腔谐振器45，所以仅仅使TE_on方式(n为任意正整数)的微波经过缝隙天线孔47进入处理室1内。

所以，在本实施例中，也可以和第6实施例一样在晶片10上获得均匀的等离子体分布。因此，其效果是可以均匀地对晶片10进行等离子体处理。另外，如图23所示，也可以利用放射状的导体板48来把空腔谐振器45的内部分隔开，使其结构与图21所示的方式过滤器41相同。这样以来，只有更纯粹的TE_on方式(n为任意的正整数)的微波才能通过缝隙天线47而进入处理室1内，其效果是可以更均匀地对晶片10进行等离子体处理。

若采用第6和第7实施例，则在缝隙天线板和微波导入窗之间设置TE₀₁方式用的方式过滤器，于是具有圆环状电场强度分布的TE_on(n为任意正整数)方式的微波被送入处理室内，所以，在作为主要等离子体生成区域的ECR面上，出现大体呈圆环状的等离子体分布，其结果是，在晶片上可以获得均匀的等离子体分布，可以均匀地进行等离子体处理。

上述这些实施例并不仅限于腐蚀装置，而是可以通过更改送入的处理气体，也可以用于化学气相淀积装置、灰化装置等其他等离子体处理装置。

Claims (17)

1.一种等离子体处理方法，其特征在于，把以空腔谐振器的中心轴附近为中心具有角度成分的微波电磁场，从上述空腔谐振器通过微波导入窗辐射到处理室内，在被处理基板对面的区域内产生圆环状等离子体，利用用该圆环状等离子体来对上述被处理基板进行等离子体处理。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于，上述微波电磁场是TE_on方式和TM_om方式(m、n是正整数)相混合的微波电磁场。

3.如权利要求1所述的等离子体处理方法，其特征在于上述微波电磁场是TE_omn方式(m、n为正整数)的微波电磁场.

4.一种等离子体处理方法，其特征在于，把TM₀₁方式的微波送入空腔谐振器内，使TM_omn方式(m、n为正整数)的微波在空腔谐振器内谐振，把TE_on方式TM_om(m、n为正整数)相混合的微波从缝隙天线上放射到处理室内，该缝隙天线按一定的角度布置成圆环状，该角度既不平行于也不垂直于空腔谐振器底部所流过的表面电流的方向，利用这样放射出的微波来生成等离子体，用于对试样处理。

5.一种等离子体处理方法，其特征在于，在空腔谐振器底部的缝隙天线和微波导入窗之间，把微波电磁场限定为TE_omn方式(m、n为正整数)，该限定方式的微波通过上述微波导入窗放射到处理室内，在被处理基板对面的区域内产生圆环状等离子体，利用该圆环状等离子体对上述被处理基板进行等离子体处理。

6.一种等离子体处理装置，包括：

处理室，它连接真空排气装置，可以使处理室内部减小压力；

供气装置，用于向上述处理室内供气；以及

等离子体发生装置，它利用从空腔谐振器底部上所安装的缝隙天线上放射出的微波，在上述处理室内部发生等离子体，

其特征在于，上述缝隙天线按照一定的角度来设置，该角度既不平行于也不垂直于上述缝隙天线配置面上所流过的表面电流。

7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，在上述缝隙天线的微波放射侧设置了石英窗，该石英窗的板厚为微波的管内波长的四分之一以上。

8.一种等离子体处理装置，包括：

处理室，它连接真空排气装置，可以使处理室内部降低压力；

供气装置，用于向上述处理室内供应气体；以及

等离子体发生装置，它利用微波在处理室内部发生等离子体，

其特征在于，上述等离子体发生装置能发生TE_om方式和TM_on方式(m、n为正整数)相混合的微波。

9.一种等离子体处理装置，其特征在于包括：

微波源；

微波波导管，用于传输从该微波源中放射出的微波；

空腔谐振器，它使该微波波导管所传输的微波进行谐振；

处理室，其内部设置试样台用于放置被处理基板；以及

微波电磁场放射装置，用于把微波电磁场从上述空腔谐振器通过微波导入窗放射到上述处理室内，该微波电磁场以上述空腔谐振器的中心轴附近为中心形成一定角度成分，在上述被处理基板对面的区域内发生圆环状等离子体。

10.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

微波源；

微波波导管，用于传输从该微波源放射出的微波；

同轴线路部，用于传输由该微波波导管传送来的微波；

空腔谐振器，它以同轴状态连接在上述同轴线路部上，用于使来自同轴线路部的微波进行谐振；

处理室，其内部设置了试样台用于放置被处理基板；以及

微波电磁场放射装置，用于使下述微波电磁场从上述空腔谐振器通过微波导入窗放射到上述处理室内，该微波电磁场以上述空腔谐振器的中心轴附近为中心形成一定的角度成分，在上述处理室内的上述被处理基板对面的区域内发生圆环状等离子体。

11.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，上述空腔谐振器按TM方式进行谐振。

12.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，上述微波电磁场放射装置是由缝隙天线构成的。

13.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，上述微波电磁场放射装置，由下述缝隙天线构成，该天线把TE_on方式和TM_on方式相合成的微波电磁场放射到上述处理室内。

14.一种等离子体处理装置，其特征在于包括：

微波源；

微波波导管，用于传输从上述微波源放射出的微波；

圆环形空腔谐振器，用于使由上述微波波导管传输的微波进行谐振；

处理室，其内部设置试样台用于放置被处理基板；以及

微波电磁场放射装置，用于把微波电磁场从上述圆环形空腔谐振器通过微波导入窗放射到上述处理室内，在上述被处理基板对面的区域内产生圆环状等离子体。

15.一种等离子体处理装置，包括：

处理室，它与真空排气装置相连接，能使其内部降低压力；

供气装置，用于向上述处理室内供应气体；以及

等离子体发生装置，它利用从空腔谐振器底部上所设置的缝隙天线上放射出的微波来在上述处理室内部发生等离子体。

其特征在于，在上述缝隙天线和形成上述处理室的一部分的微波导入窗之间，设置了TE_omn方式(m、n为正整数)的方式过滤器。

16.如权利要求15所述的等离子体处理装置，其特征在于，上述方式过滤器是TE_omn方式(m、n为正整数)的空腔谐振器。

17.如权利要求15所述的等离子体处理装置，其特征在于，上述方式过滤器由断面为三角形的多个波导管构成。

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