CN1196383C - 微波等离子体处理装置及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的微波等离子体处理装置包括用介质构件将其周边与外界空气隔离开的等离子体发生室、利用设置在等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置等，其特征在于无端环形波导管的圆周长度Lg，无端环形波导管中微波的波长λg，介质构件的圆周长度Ls和在介质材料中传导的表面波波长λs大体满足关系式：Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg，其中n为0或自然数。

Description

微波等离子体处理装置及其处理方法
本申请是申请人于1997年2月28日提交、申请号为97110001.2、发明名称为“微波等离子体处理装置及其处理方法”的申请的分案申请。
本发明涉及微波等离子体处理装置及其处理方法，特别涉及能够在大面积上产生高密度的均匀等离子体，以低温度和高速度进行大面积基片的高质量处理的微波等离子体处理装置及其处理方法。
在利用微波作产生等离子体的激励源的等离子体处理装置当中，有已知的CVD装置，腐蚀装置，抛光装置等。
用这类微波等离子体CVD装置的膜形成按下列方式进行。将气体引入微波等离子体CVD装置的等离子体发生室和膜形成室(处理室)，并提供微波能量使等离子体发生室中产生等离子体，从而激励和分解气体并在放置在膜成形室(处理室)中的基片上淀积膜。
用这类微波等离子体腐蚀装置对基片腐蚀也按下列方式进行。腐蚀气体被引入装置的处理室，提供微波能量以激励和分解腐蚀气体并在处理室中产生等离子体，从而腐蚀放在处理室中的基片表面。
利用微波作气体激励源的这类微波等离子体处理装置能够利用高频电场加速电子，从而有效地电离和激励气体分子。相应地，这类装置在气体的电离、激励和分解中具有高效率，因此具备形成高密度等离子体相对地容易和实现低温度高速度下的高质量处理的优点。由于微波也能穿过介质物质，等离子体处理装置就能够以无电极放电类型构成，而且等离子体处理能够在高度清洁的环境中完成。
为了在这类微波等离子体处理装置中实现更高的处理速度，已把使用电子回旋共谐振(ECR)的这类装置商品化了。ECR是电子围绕磁通量密度为87.5mT的磁通量旋转的电子回旋频率与公用2.45GHz微波频率相一致的现象，因而电子被微波的共振吸收加速，从而产生高密度的等离子体。在这类ECR等离子体处理装置中，已知有用于微波引入装置和磁场发生装置的四种有代表性的构造。
更具体地，这类构造是：(i)该构造中，经波导管传输的微波经传输窗口从要被处理的基片(下文中简称为待处理基片)的相反方向被引入圆柱形等离子体发生室，同时，与等离子体发生室中心轴同心的发散磁场经设置在等离子体发生室周围的电磁线圈被引入；(ii)该构造中，经波导管传输的微波经传输窗口从与待处理基片的相反方向被引入钟形等离子体发生室，同时，与等离子体发生室的中心轴同心的磁场经设置在等离子体发生室周围的电磁线圈被引入，(iii)该构造中，微波经圆柱形隙缝天线的Rigitano线圈从其周边放引入等离子体发生室，同时，与等离子体发生室中心轴同心的磁场经设置在等离子体发生室周围的电磁线圈被引入；(iv)该构造中，经波导管传输的微波经平板状的隙缝天线从与待处理基片的相反方向被引入圆柱形等离子体发生室，同时，平行于该天线平面的环状磁场由设置在该平板天线后面的永磁铁引入。
在这类微波等离子体处理装置的范围内，近来提出了使用在其内侧面上带有多个槽的环形波导管装置，用于微波的均匀和有效的引入，如披露于美国专利的No.5,487,875中。这类微波等离子体处理装置的例子如图1所示，这类装置的等离子体产生机理用图2所示的横截面图说明。这些图中，表示出了等离子体发生室501；把等离子体发生室501与外界空气隔离开的介质构件502；把微波引入等离子体发生室501的开槽无端环形波导管503；等离子体发生气体引入装置504；与等离子体发生室501连接的处理室511；待处理基片512；支承待处理基片512的支承构件513；加热待处理基片512的加热器514；处理气体引入装置515；气体出口516；向左向右分流微波的挡板521；槽522；被引入环形波导管503中的微波523；环形波导管503中传导的微波524；经槽522和介质构件502引入到等离子体发生室501的微波的漏泄波525；通过槽522传输并在介质构件502中传导的微波的表面波526；由漏泄波产生的等离子体527；及由表面波产生的等离子体528。
等离子体的产生及其处理按下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室501和处理室511的内部抽真空。然后，通过气体引入装置504把等离子体发生气体按预定流速引入等离子体发生室501。这样调整设置在真空系统中(未示出)的传导值，使等离子体发生室501的内部保持在预定压力内。由微波源(未示出)提供的电能量，经环形波导管503进入等离子体发生室501。被引入环形波导管503中的微波523被分流挡板521向左向右分流，并以比在自由空间中更长的波长在波导管中传导。引入等离子体发生室501的漏泄波525穿过按传导微波524的传导波长的1/2或1/4间距设置的槽522还穿过介质构件502，在槽522附近产生等离子体527。与介质构件502表面的法线成等于或大于布鲁斯特角(Brewster′s angle)进入的微波也被介质构件502的第1表面全部反射，并作为表面波526在介质构件502内部传导。表面波526的漏泄电场也产生等离子体528。经处理气体引入管515引入处理室511的处理气体被已产生的致密等离子体激励，并且这样激励过的气体处理放在支承构件513上的待处理基片512的表面。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入装置504引入。
图3和4是说明环形波导管503和等离子体发生室501之间的关系的示意图。图3和4中，与图1和2中相同的组件用相同的数字表示。图3和4分别是示意透视图和横截面示意图，仅表示其原理部分。
在微波功率为1KW或更高的情况下，这类微波等离子体处理装置能够产生电子温度为3ev或更低的低温度高密度等离子体，并在直径大于300mm的空间中均匀的电子密度为1012/cm3  或更高，从而引起气体充分反应并对基片提供活性状态的气体，因此能在高速度甚至低温度下完成高质量的处理。
可是，考虑到利用微波等离子体处理装置的低温度处理能够产生如图1和2所示的低温度高密度等离子体，就期望有在更大的直径空间以较低的能量能够产生更高密度的等离子体的装置及其方法，以便用更低的温度更快的速度更高的质量完成比如膜形成、腐蚀或抛光处理。
考虑到前文所述的情况，本发明的目的在于提供微波等离子体处理装置及其处理方法，能够在大面积上以低能量产生均匀高密度的等离子体，从而以高速度、甚至在低温度下完成高质量的处理。
本发明的另一目的在于提供微波等离子体处理装置，包括其周边用介质构件与外界空气隔离开的等离子体发生室、利用设置在等离子体发生室周围并设置有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置、与等离子体发生室连接的处理室、设置在处理室中的待处理基片的支承装置，用于等离子体发生室和处理室的气体引入装置和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置。其特征在于无端环形波导管的圆周长度为Lg、无端环形波导管中微波的波长为λg、介质构件的圆周长度为Ls和在介质构件中传导的表面波波长为λs，就大体满足关系式：
Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg
其中n为0或自然数。
本发明的再一个目的在于提供微波等离子体处理装置，包括其周边用介质构件与外界空气隔离开的等离子体发生室、利用设置在等离子体发生室周围并设置有多个槽的圆柱形无端环形波导管的微波引入装置、与等离子体发生室连接的处理室、在处理室中设置的待处理基片的支承装置、用于等离子体发生室和处理室的气体引入装置和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置。其特征在于无端环形波导管的中心半径为Rg、无端环形波导管中微波的波长为λg、介质构件的中心半径为Rs和在介质构件中传导的表面波波长为λs，应基本满足关系式：
        Rs/λs＝(2n+1)Rg/λg
其中n为0或自然数。
本发明还有另一个目的在于提供微波等离子体处理装置，包括用第一介质材料把外界空气隔离开的等离子体发生室、与等离子体发生室连接的处理室、用于支承放在处理室中的待处理基片的装置、利用设置在等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置、用于等离子体发生室和处理室的气体引入装置和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置。其特征在于环形波导管的内部填充有同于或不同于第一介质材料的第二介质材料。
本发明还有另一个目的在于提供利用微波等离子体处理装置的微波等离子体处理方法，所述装置包括其周边用介质构件把外界空气隔离开的等离子体发生室、利用设置在等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置、与等离子体发生室连接的处理室、处理室中设置的待处理基片的支承装置、用于等离子体发生室和处理室的气体引入装置和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置，并选择无端环形波导管的圆周长度为Lg、无端环形波导管中微波波长为λg、介质构件的圆周长度为Ls和在介质构件中传导的表面波波长为λs，以大体满足关系式：
       Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg
其中n为0或自然数，从而在基片上实现等离子体处理。
本发明还有另一个目的在于提供利用微波等离子体处理装置的微波等离子体处理方法，包括其周边用介质构件把外界空气隔离开的等离子体发生室、利用设置在等离子体发生室周围并设有多个槽的圆柱形无端环形波导管的微波引入装置、与等离子体发生室连接的处理室、处理室中设置的待处理基片的支承装置、用于等离子体发生室和处理室的气体引入装置、和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置，并选择无端环形波导管的中心半径为Rg、无端环形波导管中微波波长为λg、介质构件的中心半径为Rs和在介质构件中传导的表面波波长为λs，以基本满足关系式
Rs/λs＝(2n+1)Rg/λg
其中n为0或自然数，从而实现等离子体处理。
本发明还有另一个目的在于提供把基片放在微波等离子体处理装置中的微波等离子体处理方法，所述装置包括用第一介质材料把外界空气隔离开的等离子体发生室、与等离子体发生室连接的处理室、将放置在处理室中的用于支承待处理基片的装置、利用设置在等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置、用于等离子体发生室和处理室的引入气体装置、和用于等离子体发生室和处理室的抽真空装置，其特征在于环形波导管的内部填充有同于或不同于第一种介质材料的第二介质材料，从而实现等离子体处理。
图1是等离子体处理装置的横截面示意图；
图2是说明等离子体产生机理的横截面示意图；
图3是波导管的透视示意图；
图4是其平面示意图；
图5是等离子体处理装置的横截面示意图；
图6是解释等离子体产生机理的横截面示意图；
图7是说明等离子体处理装置的横截面示意图；
图8是解释等离子体产生机理的横截面示意图；
图9，10，11，12和13是说明等离子体处理装置的横截面示意图；
现在，通过优选实施例并参照附图，详细阐述本发明。
本发明的微波等离子体处理装置及其等离子体产生机理分别如图5和图6所示，其中有：等离子体发生室101；将等离子体发生室101与外界空气隔离的介质构件102；将微波引入等离子体发生室101的开槽无端环形波导管103；等离子体发生气体导入装置104；与等离子体发生室连接的处理室111；待处理基片112；待处理基片112的支承构件113；加热待处理基片112的加热器114；处理气体导入装置115；抽真空口116；用于向左和向右分流微波的挡板121；槽122；被引入环形波导管103中的微波123；环形波导管103中传导的微波124；穿过槽122和介质构件102进入等离子体发生室101的微波漏泄波125；经槽122传输并在介质构件102中传导的微波的表面波126；由漏泄波产生的等离子体127，由表面波产生的等离子体128。
等离子体的产生及其处理以下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室101的内部和处理室111的内部抽真空。然后将等离子体发生气体通过气体导入装置104按预定流速引入等离子体发生室101。接着调整真空系统(未示出)提供的传导阀使等离子体发生室101保持预定的压力。由微波源(未示出)提供预定的电能量，穿过环形波导管103，进入等离子体发生室101，从而在其内部产生等离子体，传入环形波导管103的微波123被分流挡板121向左向右分流，并在环形波导管103中传导。进入等离子体发生室101的漏泄波125穿过按传导微波124的传导波长的1/2或1/4的间距设置的槽122，同时也穿过介质构件102，在槽122附近产生等离子体127。与介质构件102表面的法线成等于或大于布鲁斯特角进入的微波也被介质构件102的表面全部反射，并作为表面波126在介质构件102内部传导。表面波126的漏泄电场也产生等离子体128。
图1和2所示的装置中，由于表面波526在传导过程中不被激励，所产生的等离子体528比由漏泄波525产生的等离子体527稀疏。可是，对如图5和6所示的本发明装置而言，管内波长和环形波导管103的圆周长度是这样最佳配合的，即槽122以表面波126的1/2间距配置，因此表面波126因来自其它槽的漏泄波125的干扰在传导过程中被加强，以产生比上述情况更密和更均匀的等离子体128。经处理气体导入管115进入处理室111的处理气体被所产生的高密度等离子体激励，然后用激励过的气体处理放在支承构件113上的待处理基片的表面。根据需要，处理气体还可从等离子体发生气体引入装置104中引入。
本发明上述微波等离子体处理装置中，环形波导管103的圆周长度Lg，波导管中微波124的波长λg，介质构件102的圆周长度Ls和波导管中传导的表面波的波长λs的选择应基本满足关系式：
        Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg
其中n为0或自然数，在介质构件中传导的微波的表面波被周期性地激励，以实现更强和更有效的传导，从而以低电耗在大面积上产生高密度等离子体。上面提到的关系式最好在±10％的范围内得到满足。
在环形波导管103为圆柱形状的情况下，环形波导管的中心半径Rg，无端环形波导管中的微波波长λg，介质材料的中心半径Rs和在介质材料中传导的表面波的波长λs的选取应基本满足关系式：
          Rs/λs＝(2n+1)Rg/λg
其中n为0或自然数，在介质材料中传导的微波的表面波被周期性地激励，以实现更强和更有效的传导，从而以低电耗在大面积上产生高密度等离子体。上面提到的关系式最好在±10％的范围内得到满足。
本发明的微波等离子体处理装置的另一优选实施例及其等离子体产生机理分别用图7和8描述，图中与图5和6所示的相同部件用同样序号表示，并不再进一步描述。
图7和8所示的装置与上述装置的不同之处在于：环形波导管103用第二种介质材料填充，该材料是除第一介质材料(第一种介质材料)之外的又一种将等离子体发生室101与外界空气隔离的介质材料。
图1所示的装置中，由于表面波126在传导过程中不被激励，所产生的等离子体128就比由漏泄波125产生的等离子体127要稀疏。可是，图7所示的装置中，第二种介质材料704的介质常数最佳化成使槽122以表面波126的1/2间距配置，因此表面波126因来自其它槽的漏泄波125的干扰在传导过程中被加强，以产生比图1所示结构更密和更均匀的等离子体128。经处理气体导入管115进入处理室111的处理气体被所产生的高密度等离子体激励，然后用激励过的气体处理放在支承构件113上的待处理基片的表面。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入口105中引入。
依据微波源(未示出)提供所需的电源，其微波穿过填充有第二介质材料704的环形波等管103，并穿过第一介质材料102，进入等离子体发生室101，从而在其内部产生等离子体。传入环形波导管103的微波123用分流挡板121向左向右分流，在第二介质材料704中用短于自由空间中的波长传导。进入等离子体发生室101的漏泄波125穿过按传导微波124的传导波长的1/2或1/4的间距设置槽122，同时也穿过第一介质材料102，在槽122附近产生等离子体127。与第一介质材料102表面的法线成等于或大于布鲁斯特角进入的微波还被第一介质材料102的表面全部反射，并作为表面波126在第一介质材料120的内部传导，表面波126的漏泄电场也产生等离子体128。
如上所述，环形波导管的内部充填了第二介质材料，它同于或不同于将等离子体发生室与外界空气隔离开的第一介质材料，并且第一和第二介质材料的介质常数的比约等于第一和第二介质材料圆周长度比的平方倒数。因此，在第一介质材料中传导的微波的表面波被周期性地激励，以实现更强和更有效的传导，从而以低电耗在大面积上产生均匀高密度等离子体。
本发明的微波等离子体处理装置及其方法所用的微波频率，可在0.8至20GHz的范围内适当选择。
本发明的微波等离子体处理装置所用的波导管的形状根据等离子体发生室的形状可以是圆柱形或其它形状，比如盘形或多边形。
本发明的微波等离子体处理装置及其处理方法所用的介质材料，可以是比如石英膜或SiO2基玻璃薄片，无机材料比如Si3N4，NaCl，LiF，CaF2，BaF2，Al2O3，AlN或MgO，有机材料比如聚乙烯，聚酯、聚碳酸脂、醋酸纤维、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺或聚酰亚胺。
本发明的微波等离子体处理装置及其方法中，使用磁场发生装置，以实现低压下的处理。例如，这种磁场可以是密勒磁场，但最好使用尖点磁场，它在包括开槽环形波导管的多个槽的中心的平面中有节点平面，磁通量基本垂直于基片支承构件，并且槽附近的磁通量密度大于基片附近的磁通量密度。该磁场发生装置可由线圈或永久磁铁组成。在线圈情况下，为消除过热，还可使用冷却装置，比如水冷却或空气冷却装置。通过使用这种磁场发生装置，槽附近的磁场最好控制在磁通量密度约为3.57×10-11(T/Hz)倍的微波频率。上面提到的控制最好在上述提到的数值的±10的范围内实现。
为了实现较高质量的处理，待处理基片的表面可用比如紫外线之类的光能照射。为此目的，可使用其发射光可被待处理基片吸收或淀积于其上的气体吸收的光源，比如激励激光器、激励灯、惰性气体谐振线灯或低压汞灯。
本发明的微波等离子体处理方法中，等离子发生室的压力和处理室的压力最好在以下范围内选择，即一般为0.1乇至20乇，膜成形情况下特别为0.1毫乇至100毫乇，抛光情况下为100毫乇至10乇。
通过适当选择所用气体，本发明的微波等离子体处理装置允许各种淀积膜的有效成形，例如Si3N4、SiO2、Ta2O5、TiO2、TiN、Al2O3、AlN或MgF2这样的绝缘膜，a-Si(非晶硅)、多晶硅、SiC或GaAs这样的半导体膜，或Al、W、Mo、Ti及Ta这样的金属膜。
用本发明的等离子处理方法的待处理基片可以是半导体、导体或绝缘体。该方法还适合耐热低的塑料材料。
导体基片包括Fe、Ni、Cr、Al、Mo、Au、Nb、Ta、V、Ti、Pt或Pb这样的金属，以及其合金比如黄铜或不锈钢。
绝缘基片包括石英或以SiO2为基玻璃膜片或薄片，Si3N4、NaCl、KCl、LiF、CaF2、BaF2、Al2O3、AlN或MgO这样的无机材料，以及聚乙烯、聚酯、聚碳酸酯、醋酸纤维、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺或聚酰亚胺这样的有机材料。
膜形成气体(处理气体)可以为已知气体。容易被等离子体分解并可单独淀积的气体最好穿过处理气体引入装置引入膜形成室(处理室)，以便在等离子体发生室中完成化学当量组成并避免膜淀积的目的。另一方面，不能被等离子体轻易分解并单独淀积的气体最好经等离子体气体引入装置引入等离子体发生室。
在形成硅半导体膜，比如非晶硅膜、多晶硅膜或SiC膜的情况下，经处理气体引入装置要引入的硅原料可以是常温常压下的气态物质或容易气化的物质，例如无机硅烷，比如SiH4或Si2H6，有机硅烷，比如甲乙基硅烷(TES)、四甲基硅烷(TMS)或二甲基硅烷(DMS)；以及卤素硅烷，比如SiF4、Si2F6、SiHF3、SiH2F2、SiCl4、Si2Cl6、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiCl2F2。这种情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的等离子体发生气体可以是比如H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。
形成比如Si3N4或SiO2这样的硅化合物膜的情况中，经处理气体引入装置要引入的硅原料可以是常温常压下的气态物质或容易气化的物质，例如无机硅烷，比如SiH4或Si2H6；有机硅烷，比如四乙氧基硅烷(TEOS)、四甲氧基硅烷(TMOS)或八甲基环四硅烷(OMCTS)；以及卤素硅烷，比如SiF4、Si2F6、SiHF3、SiH2F2、SiCl4、Si2Cl6、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl或SiCl2F2。这种情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的原材料可以是比如N2、NH3、N2H4、六甲基二硅氮烷(HMDS)、O2、O3、H2O、NO、N2O或NO2。
形成比如Al、W、Mo、Ti或Ta这样的金属镀膜的情况中，经处理气体引入装置要引入的金属原料可以是金属有机化合物，比如三甲基铝(TMAL)、三乙基铝(TEAL)、三异丁基铝(TIBAL)、二甲基铝氢化物(DMALH)、羰基钨(W(CO)6)、羰基钼(Mo(CO)6)、三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)，以及金属卤化物，比如AlCl3、WF6、TiCl3或TaCl5。这种情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的等离子体发生气体可以是比如H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe或Rn。
形成比如Al2O3、AlN、Ta2O5、TiO2、TiN或WO3这样的金属化合物镀膜的情况中，经处理气体引入装置要引入的含金属原料可以是金属有机化合物，比如三甲基铝(TMAl)、三乙基铝(TEAL)、三异丁基铝(TIBAl)、二甲基铝氢化物(DMAlH)、羰基钨(W(CO)6)、羰基钼(Mo(CO)6)、三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)，以及金属卤化物，比如AlCl3、WF6、TiCl3或TaCl5。这种情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的原料气体可以是比如O2、O3、H2O、NO、N2O、NO2、N2、NH3、N2H4或六甲基二硅氮烷(HMDS)。
此外，本发明的微波等离子体处理装置及其方法通过适当选择所用气体还能用于表面修整，例如氧化、氮化或用B、As、P搀杂，或对基片或对Si、Al、Ti、Zn或Ta表面层的表面修整。
此外，本发明的镀膜形成技术还用于清洗方法，包括氧化物、有机物或重金属的清洗。
在待处理基片的表面氧化的情况中，经等离子体发生气体引入装置要吸入的氧化气体可以是比如O2、O3、H2O、NO、N2O或NO2。在基片表面氮化的情况中，经等离子体发生气体引入装置要吸入的氮化气可以是比如N2、NH3、N2H4或六甲基二硅氮烷(HMDS)。这种情况中，因为不进行膜成形，任何一种处理气体不经处理气体引入装置引入，或经等离子体发生气体引入装置引入的相同气体也经处理气体引入装置引入。
在清洗已处理的基片表面上有机物质的情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的清洗气体可以是比如O2、O3、H2O、NO、N2O或NO2。在基片表面上清洗无机物质的情况中，经等离子体发生气体引入装置要引入的清洗气体强以是比如F2、CF4、CH2F2、C2F6、CF2Cl2、SF6或NF3。再有这种情况中，由于不进行镀膜形成，所以任何一种处理气体不经处理气体引入装置引入，或经等离子体发生气体引入装置相入的相同气体也可径处理气体引入装置引入。
下面，将通过优选实施例进一步阐明本发明，但本发明并不限于此实施例，而适合本发明范围内的各钟改进和组合。
[实施例1]
本实施例将参见图5和6中所示微波等离子体处理装置说明按本发明的实施例结构。
介质材料102由介电常数为3.8的石英组成，其中心直径为299mm。图5中，环形波导管103的横截面大小是S＝27mm，t＝75mm，其中心直径为335mm。为保证机械强度，环形波导管103由不锈钢构成，为降低微波的传导损失其内壁面配有先镀铜再镀银的两层镀膜层。环形波导管103设置有将微波引入等离子发生室101的槽122。该槽为长53mm宽3mm的矩形，并按环形波导管103中微波124的波长长度的1/4间距设置。在环形波导管中，根据所用微波频率和波导管横截面直径的该波长λg，在微波频率为2.45GHz和上面提到的波导管直径的情况下约为210mm。此情况下，在介质材料中传导的表面波的波长λs为63mm。本实施例的环形波导管103配有间距约为52.5mm的20个槽。对环形波导管103而言，按4E调谐器、定向耦合器、隔离器和2.45GHz微波源(未示出)的顺序连接。
本实施例装置的等离子体产生及处理以下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空。然后，通过气体引入装置104，将等离子体发生气体按预定流速引入等离子体发生室101。之后，由真空系统(未示出)提供的传导阀进行调整，以保证等离子体发生室101和处理室111的内部在预定压力内。由微波源(未示出)提供的指定电能，经环形波导管103和介质材料102，进入等离子体发生室101，从而在等离子体发生室101中产生等离子体。经处理气体引入装置115引入处理室111中的处理气体被已产生的高密度等离子体激励，然后已激励的气体对放在支承构件113上的待处理基片112的表面进行处理。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入装置104中引入。
图5和6所示的本实施例的微波等离子体处理装置中，等离子体在氩气流速为500sccm、压力为10乇和微波能量为3.0KW的条件下产生，并且所获得的等离子体用单探头方法按以下方式测量。加在探头上的电压在-50V到+50V的范围内变化，探头中获得的电流用I-V计测量，并且根据Langmuir等人的方法，从获得的I-V曲线中可计算出电子密度、电子温度和等离子体势能。获得的电子密度为3.3×1012/cm3±4.1％(φ200的平面内)，表明形成了均匀高密度等离子体。
[实施例2]
与实施例1的装置相比较，除了等离子体发生室和基片的中心直径增大100mm之外，实施例2的等离子体处理装置与实施例1的装置相同。本实施例的装置中间隔式等离子体处理装置)，基片支承装置配置成使待处理基片放在距等离子体发生区域一定距离的位置上。“距等离子体发生区域一定距离的位置”是指等离子体密度最好为其最高密度的1/10以下的地方。本实施例的装置中，等离子体的发生及其处理可按实施例1的同样方式进行。
[实施例3]
图9表示本发明的光电组合微波等离子体处理装置的实施例，其中有：等离子体发生室301，将等离子体发生室301与外界空气隔离开的石英管302(介质材料)；将微波引入等离子体发生室301的开槽无端环形波导管303；等离子体发生气体引入装置304，多孔透明漫射板310；与等离子体发生室连接的处理室311；待处理基片312；加热待处理基片312的加热器314；处理气体引入装置315；抽真空口316；至少用紫外线辐射待处理基片312表面的照射装置317；将可见/紫外光从照射装置317经等离子体发生室301进入处理室311的光引导窗口318。
等离子体的产生及其处理按下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室301和处理室311的内部抽真空。然后，发自照射装置317的可见/紫外光穿过光引导窗口318对准待处理基片312的表面，并且已处理过的基片312保持在设定的温度。用气体引入装置304，将等离子体发生气体以预定流速引入等离子体发生室301。之后，由真空系统(未示出)提供的传导阀调整，以保持等离子体发生室301的内部在预定压力内。由微波源(未示出)提供的预定电能，穿过环形波导管303进入等离子体发生室301，从而在其内产生等离子体。经处理气体引入装置315引入处理室311的处理气体被已产生的高密度等离子体激励，然后已激励的气体处理放在支承构件313上的待处理基片312。由于基片表面被紫外线照射过，所以高质量的处理就变为可能。根据需要，处理气体还可以从等离子体发生气体引入装置304引入。
照射装置317可使用其发射光的波长被基片表面吸收的任意光源，或用在基片表面上淀积的气体或初级粒子，比如低压汞灯、氙汞灯、氘灯、氩谐振线灯、氦谐振线灯、氙谐振线灯、激励灯、激励激光器、高谐波Ar+激光器、氮激光器或高谐波YAG激光器。
[实施例4]
图10是本发明的附加激励的等离子体处理装置的实施例，其中有等离子体发生室401；将等离子体发生室401与外界空气隔离开的介质材料402；将微波引入等离子体发生室401的开槽无端环形波导管403；等离子体发生气体引入装置404；与等离子体发生室401连接的处理室411；待处理基片412；支承待处理基片412的支承构件413；加热待处理基片的热丝414；处理气体引入装置415；抽真空口416；对支承构件413提供偏压的高频供给装置419。
等离子体的产生及其处理按下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室401和处理室411的内部抽真空。然后，加热待处理的基片412并用加热器414保持在预定的温度。之后，用气体引入装置404把等离子体发生气体按预定流速引入等离子体发生室401。由真空系统(未示出)提供的传导阀调整，使等离子体发生室401和处理室411的内部保持在预定压力内。由微波源(未示出)供给的预定电能量，经环形波导管403进入等离子体发生室401，从而在其内部产生等离子体。高频供给装置419还对支承构件113提供高频，因此在待处理基片的表面上产生自偏压。经处理气体引入装置415引入处理室411的处理气体被已产生的高密度等离子体激励，并且这样产生的离子被自偏压加速并处理放在支承构件413上的待处理基片412的表面。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入装置404中引入。
考虑到放电的稳定性和自偏压的产生，高频供给装置419的频率应优先在100KHz至20MHz的范围内选择，并最好在1到5MHz的范围内选择。
[实施例5]
构成按本发明实施例的微波等离子体处理装置如图7所示。其中，如上文所述，图中有等离子体发生室101；把等离子体发生室101与外界空气隔离开的第一介质材料102；将微波引入等离子体发生室101的开槽无端环形波导管103；填充在环形波导管103内部的第二介质材料104；等离子体发生气体引入装置104；连接等离子体发生室101的处理室111；待处理基片112；待处理基片112的支承构件113；加热待处理基片112的热丝114；处理气体引入装置115；气体出口116。
环形波导管103的横截面内部尺寸为27×97mm，与WRT-2标准波导管相同，并且其中心直径为354mm。为保证机械强度，环形波导管103用不锈钢制成，而且为消除微波传导损失，其内面壁配有先镀铜后镀银的两层镀膜。环形波导管103设置有把微波引入等离子体发生室101的槽。该槽为长21mm、宽2mm的矩形，并按波长1/4的间距设置。波导波长取决于所用微波频率、第二介质材料的介电常数和波导管的尺寸，在微波频率为2.45GHz、用石英做第二介质材料和上述尺寸的波导管情况下，波导波长约为80mm。本实施例使用的环形波导管103有按约20mm间距排列的56个槽。对于环形波导管103来说，按4E调谐器、定向耦合器、隔离器和2.45GHz微波源(未示出)顺序连接。
等离子体的产生及其处理按下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111的内部抽真空。然后，经气体入口105，将等离子体发生气体按预定流速引入等离子体发生室101。用设置在真空系统(未示出)中的传导阀(未示出)调整使等离子体发生室101和处理室111保持在预定压力内。由微波源(未示出)提供的预定电能量，穿过填充有第二介质材料104的环形波导管103和第一介质材料102，进入等离子体发生室101，从而在其内部产生等离子体。经处理气体引入管115引入处理室111的处理气体被已产生的等离子体激励，而且这样激励过的气体处理放在支承构件113上的待处理基片112的表面。根据需要，处理气体还可从等离子体气体引入口105中引入。
图7所示的本实施例的微波等离子体处理装置中，等离子体在氩流速为500sccm、压力为10毫乇和微波能量为3.0KW的条件下产生，并且所获得的等离子体用单探头方法按以下方式测量。加在探头上的电压在-50至+50V的范围内变化，探头上获得的电流用I-V计测量，并且根据Langmuir等方法，从I-V曲线中计算出电子密度、电子温度和等离子体势能。获得的电子密度为3.2×1012/cm3±4.3％(在φ200的平面内)，表明形成了均匀高密度等离子体。
[实施例6]
构成按本发明实施例的微波等离子体处理装置如图11所示。图中有等离子体发生室201；将等离子体发生室201与外界空气隔离开的第一介质材料202；将微波引入等离子体发生室201的开槽环形波导管203；填充在环形波导管203内部的第二介质材料204；等离子体发生气体引入装置205；与等离子体发生室201连接的处理室211；待处理基片212；待处理基片212的支承构件213；加热待处理基片212的加热器214；处理气体引入装置215；和气体出口216。等离子体——基片间距比实施例1的装置大100mm。
等离子体的产生及其处理按以下方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室201和处理室211的内部抽真空。然后，经气体入口205，将等离子体发生气体按预定流率引入等离子体发生室201。设置在真空系统(未示出)中的传导阀(未示出)调整，使等离子体发生室201的内部保持在预定压力内。由微波源(未示出)供给的预定电能量，经填充有第二介质材料204的环形波导管203，进入等离子体发生室201，从而在其内部产生较高密度的等离子体。经处理气体引入管215引入处理室211的处理气体与放已产生的高密度等离子体激励的等离子体发生气体起反应，从而处理放在支承构件213上的待处理基片212的表面。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入口205中引入。
[实施例7]
图12表示构成本发明实施例的光电组合微波等离子体处理装置，图中有等离子体发生室301；把等离子发生室301与外界空气隔离开的石英管302；将微波引入等离子体发生室301的环形波导管303；填充在环形波导管内部的第二介质材料1201；等离子体发生气体引入装置304；多孔透明分流板310；与等离子发生室连接的处理室311；待处理基片312；待处理基片312的支承构件313；加热待处理基片312的加热器314；处理气体引入装置315；抽真空出口316；用紫外线光照射待处理基片312表面的照射系统317；将从照射系统317产生的可见/紫外光经等离子体发生室301引入处理室311的光引入窗口318。
等离子体的产生及其处理按下列方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室301和处理室311的内部抽真空。然后，发自照射系统317的可见/紫外线光经光引入窗口318定向照射待处理基片312的表面，同时待处理基片312保持预定的温度。通过气体引入口304，等离子体发生气体也以预定的流率被引入等离子体发生室301。这样调整设置在真空系统(未示出)中的传导阀(未示出)，使等离子体发生室301的内部保持在预定压力内。由微波源(未示出)供给的预定电能量，经填充有第二介质材料1201的环形波导管303进入等离子体发生室301，从而在其内部产生等离子体。经处理气体引入管315引入处理室311的处理气体被已产生的高密度等离子体激励，这样激励过的气体处理放在支承构件313上的待处理基片312的表面。由于基片的表面被紫外线光照射过，所以高质量的处理成为可能。根据需要，处理气体也可从等离子体发生气体引入装置304引入。
光照射系统317可使用其发射光的波长能被基片表面吸收的任意光源，或在基片表面上淀积的气体或初级粒子，比如低压汞灯、氙汞灯、氘灯、氩谐振线灯、氮谐振线灯、氙谐振线灯、激励灯、激励激光器、高谐波A+激光器、氮激光器或高谐波YAG激光器。
[实施例8]
图13表示构成按本发明实施例的偏压等离子体处理装置，图中所示有等离子体发生室401；构成等离子体发生室401的第一介质材料402；将微波引入等离子体发生室401的环形波导管403；填充在环形波导管403内部的第二介质材料1301；等离子体发生气体引入装置404；与等离子体发生室401连接的处理室411；待处理基片412；支承待处理基片412的支承构件413；加热待处理基片412的加热器414；处理气体引入装置415；抽真空出口416；对支承构件413提供偏压的高频供给装置419。
等离子体的产生及其处理按以下方式实现。用真空系统(未示出)将等离子体发生室401和处理室411的内部抽真空。然后，用加热器414加热待处理基片412并保持预定的温度。通过气体引入装置404，等离子体发生气体也按预定流速引入等离子体发生室401。这样调整设置在真空系统(未示出)中的传导阀(未示出)，使等离子体发生室401的内部保持预定的压力。由微波源(未示出)供给的预定电能量经填充有第二介质材料1301的环形波导管403进入等离子体发生室401，从而在其内部产生等离子体。高频供给装置419还对支承构件413提供高频，以便在待处理基片的表面上产生偏压。经处理气体引入装置415引入处理室411的处理气体被已产生的高密度等离子体激励，这样产生的离子被自偏压加速并处理放在支承构件413上的待处理基片412的表面。根据需要，处理气体还可从等离子体发生气体引入装置404中引入。
高频供给装置419的频率在考虑放电的稳定性和自偏压产生的情况下，应在100KHz至20MHz范围内优先选择，最好在1至5MHz的范围内选择。
下面列举了利用本发明的微波等离子体CVD装置的镀膜形成的一些例子，但并不表示本发明仅限于这些例子。
[例1]
图5所示的微波等子体处理装置(实施例1)用于光盘的氮化硅膜的形成。
例如待处理基片112，使用了有宽为1.2μm切口的聚碳酸脂(PC)基片(3.5”φ)。把PC基片112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)把等子体发生室101和处理室111抽真空到10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入装置104，氮气和氩气分别按流速100sccm和600sccm引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体以流速200sccm引入处理室111。接着，调整设置在真空系统(未示出)上的传导阀(未示出)，以保持处理室111的内部压力为20毫乇。之后，由2.45GHz的微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量，经环形波导管103进入等离子体发生室，以在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，以产生活性物质，它朝基片112方向迁移并与由处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在12秒内在基片112上形成厚度为100nm的氮化硅膜。
该膜形成之后，可测定膜的质量。已获得的氮化硅膜的膜形成速率与500nm/min一样大，就证明该膜在质量上是优良的，其折射率为2.2并具有令人满意的粘着力和耐久性。再有，该膜的密度为2.9g/cm3，它比在参数比如波导波长不是最佳的情况下的密度更微密。
[例2]
图5所示的微波等离子体处理装置(实施例1)用于形成抗反射塑料透镜的氧化硅膜和氮化硅膜。
作为待处理基片112，使用了直径为50mm的塑料凸透镜。将透镜112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入装置104，氮气以150sccm的流率被引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按流率100sccm引入处理室111。接着，调整在真空系统上(未示出)设置的传导阀(未示出)，以保持处理室111的内部压力为5毫乇。然后，由2.54GHz的微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量经环形波导管103进入等离子体发生室101，以在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，以产生活性物质，比如氮原子，它向透镜112迁移并与由处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在透镜112上形成厚度为21nm的氮化硅膜。
然后，经等离子体发生气体引入装置104，氧气按200sccm的流率引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按100sccm的流速引入处理室111。接着，调整在真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，以保持处理室111的内部压力为1毫乇。然后，由2.54GHz微波源(未示出)提供的2.0KW的电能量经填充石英的环形波导管103进入等离子体发生室101，以在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氧气在等离子体发生室101中被激励和分解，形成活性物质比如氧原子，它向透镜112迁移并与由处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在透镜112上形成厚度为86nm的氧化硅膜。
形成该膜以后，可测定膜形成速度和反射特性。所获得的氮化硅膜和氧化硅膜的膜形成速度分别为300和360nm/min，表明该膜有良好的光学特性，在500nm圆周内反射率为0.3％。
[例3]
图5所示的微波等离子体处理装置(实施例1)用于形成保护半导体元件的氮化硅膜。
作为待处理基片112，使用具有铝金属布线图形(线-空间为0.5μm)的SiO2膜夹层的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。在硅基片112放在支承构件113之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，热丝114开始加热并保持硅基片112达到300℃，而后经等离子体发生气体引入装置104，氮气以500sccm的流速引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体以100sccm的流速引入处理室111。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，以保持处理室111的内部为20毫乇。由2.45GHz微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量，经填充有石英的环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，产生活性物质，向硅基片112迁移并与处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在硅基片112上形成厚度为1.0μm的氮化硅膜。
该膜形成以后，可测定膜形成速率和膜质量，比如其应力。所获得的氮化硅膜的膜形成速率为460nm/min，应力为1.1×109dyn/cm2(压应力)、漏电流为1.2×10-10A/cm2和介质强度为9MV/cm，就证明该膜在质量上是优质的。使用激光干涉仪Zygo(商业名称)，通过测量基片在膜形成前后的弯曲量的变化来确定其应力。
[例4]
图5所示的微波等离子体处理装置(实施例1)，带有磁场发生装置(线圈)，用于腐蚀半导体元件的BPSG膜。
作为待处理基片112，使用多晶硅晶格(线-间隔0.5μm)上具有厚度为1μm的BPSG膜的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6Torr。然后，经等离子体发生气体引入装置104，CF4气体按流率30Osccm引入等离子体发生室101。接着，调整在真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室101的内部压力为0.5毫乇。然后，从DC电源(未示出)将电能量提供给线圈(未示出)，以便在等离子体发生室101中产生最大磁通量密度为90mT的磁场，并且由2.45GHz微波提供的1.5KW的电能量，经环形波导管103，进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的CF4气体在等离子体发生室101中被激励和分解，产生活性物质，向硅基片112迁移，腐蚀BPSG膜。
腐蚀以后，可测定腐蚀率、选择率和腐蚀的断面。使用扫描电子显微镜(SEM)观察被腐蚀的氧化硅膜的横断面，可测定腐蚀的断面。对多晶硅来说，腐蚀率和选择率分别为300nm/min和30是令人满意的。再有，腐蚀的断面几乎是垂直的，表示有小的微负载效果。
[例5]
图5所示的微波等离子体处理装置(实施例2)用于形成半导体元件栅极绝缘的氧化硅膜。
作为待处理基片112，使用P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片112放在支承构件113上，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，加热器114开始加热并保持硅基片112在300℃，之后经等离子体发生气体引入装置104，氧气按流速200sccm被引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按流率50sccm引入处理室111。接着，调整在真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室101和处理室111的内部压力为20毫乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的1.5KW的电能量经环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氧气在等离子体发生室中被激励和分解，产生活性物质比如氧原子，向硅基片112迁移并与经处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在硅基片112上形成厚度为0.1μm的氧化硅膜。
该膜形成以后，可测定膜形成速率、均匀性、漏电流、介质强度和界面状态密度。所获得的氧化硅膜是令人满意的，表现为膜形成速率为120nm/min，均匀性为±2.2％。再有，该膜在质量上是优异的，表现为漏电流为5×10-11A/cm2、介质强度为10MV/cm和界面状态密度为5×1010cm-2。界面状态密度在1MHz的高频使用的情况下，可由电容计测定的C-V曲线来确定。
[例6]
图9所示的光电组合微波等离子体处理装置(实施例3)用于形成半导体元件中间层绝缘的氧化硅膜。
作为待处理基片312，使用在最上部分支承铝金属布线图形(线-空间0.5μm)的P型单晶硅基片(晶片取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片312放在支承构件313上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室301和处理室311抽真空至10-6乇。然后，开启照射装置317的KrCl*激励灯按20mW/cm2的表面照射密度照射硅基片312的表面。之后，加热器314开始加热并保持硅基片312在300℃，同时经等离子体发生气体引入装置304，氧气按流率500sccm被引入等离子体发生室301。同时，经处理气体引入装置315，四乙氧基硅烷(TEOS)气体按流率200sccm引入等离子体发生室311。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持处理室301的内部为0.1乇、处理室311的内部为0.05乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的1.5KW的电能量经环形波导管303进入等离子体发生室301，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置304引入的氧气在等离子体发生室301中被激励和分解，产生向硅基片312迁移的活性物质，并与经处理气体引入装置315引入的四乙氧基硅烷气体发生反应，从而在硅基片312上形成厚度为0.8μm的氧化硅膜。
该膜形成之后，可测定膜形成速率、均匀性、介质强度和分级覆盖厚度。所获得的氧化硅膜显示出膜形成速率为190nm/min、均匀性为±2.5％，两项指标在令人满意的范围内。再有，该膜在质量上也被证明是令人满意的，表现为介质强度为9.5MV/cm和覆盖系数为0.9。在扫描电子显微镜观测下(SEM)，覆盖系数由在铝金属布线图形上形成的氧化硅膜的分级膜厚度与分级边壁位置的膜厚度的比例来确定。
[例7]
图10所示的偏压微波等离子体处理装置(实施例4)，用于腐蚀半导体元件的栅电极之间多晶硅膜。
作为待处理基片412，使用在最上部分多晶硅膜支承的P型单晶硅硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片412放在支承构件413之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室401和处理室411抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入装置，将CF4气体和氧气分别按流速300和20sccm引入等离子体发生室401。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室401的内部为0.5毫乇。然后，由高频供给装置419提供的400KHz的高频能量加在支承构件413上，并且由2.45GHz微波源提供的1.5KW的电能量经环形波导管403进入等离子体发生室401，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置404引入的CF4气体和氧气在等离子体发生室401中被激励和分解，产生向硅基片412迁移的活性物质，并用被自偏压加速的离子腐蚀多晶硅膜。
腐蚀以后，可测定腐蚀速率、选择率和腐蚀断面。所获得的令人满意的效能是腐蚀速率为600nm/min和SiO2的选择率为30。与没有使用高频的情况相比，腐蚀断面更垂直，并有小的微负载效应。通过在扫描电子显微镜(SEM)下观测已腐蚀的多晶硅膜的横断面，测定腐蚀断面。
[例8]
图7所示的微波等离子体处理装置，用于形成光磁盘的氮化硅膜。
作为待处理基片112，使用切口宽度为1.2μm的聚碳酸脂(PC)基片(3.5”φ)。把PC基片112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入装置104，氮气和氩气分别按流速100和600sccm引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按流率200sccm引入处理室111。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持处理室111的内部为20毫乇。之后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量经填充有石英704的环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入口104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，产生向硅基片112迁移的活动物质，并与经处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在12秒之内在硅基片112上形成厚度为100nm的氮化硅膜。膜形成之后，可测定膜质量，比如折射率。
所获得的氮化硅膜的膜形成率为500nm/min，并且膜在质量上被证明是优异的，表现为折射率为2.2并具有令人满意的粘着性和耐久性。再有，其密度为2.9/cm3，比未填充第二介质材料704的情况下的密度更密。
[例9]
图7所示的微波等离子体处理装置，用于形成塑料透镜抗反射的氧化硅膜和氮化硅膜。
作为待处理基片112，使用直径为50mm的塑料凸透镜。把透镜112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入入口104，氮气按150sccm的流率引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按100sccm的流率引入处理室111。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持处理室111的内部压力为5毫乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量经填充有石英704的环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，产生比如氮原子这样的活性物质，向透镜112迁移并与经处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在透镜112上形成厚度为21nm的氮化硅膜。
然后，经等离子体发生气体引入入口104，氧气按流速200sccm引入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按100sccm的流率引入处理室111。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持处理室111的内部为1毫乇。之后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的2.0KW的电能量经填充有石英704的环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入装置104引入的氧气在等离子体发生室101中被激励和分解，产生比如氧原子那样向透镜112迁移的活性物质，并与由处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在透镜112上形成厚度为86nm的氧化硅膜。膜形成之后，可测定膜形成速率和反射特性。
所获得的氮化硅膜和氧化硅膜的膜形成速率分别为300和360nm/min，膜的光学特性是优良的，在500nm圆周内具有0.3％的反射率。
[例10]
图7所示的微波等离子体处理装置，用于形成半导体元件保护的氮化硅膜。
作为待处理基片112，使用带有铝金属布线图形(线-空间0.5μm)SiO2内夹层膜的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，热丝(未示出)开始加热并保持硅基片在300℃，同时经等离子体发生气体引入入口104，氮气按500sccm的流率进入等离子体发生室101。同时，经处理气体引入装置115，单硅烷气体按100sccm的流率进入处理室111。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持处理室111的内部压力为20毫乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的3.0KW的电能量经填充有石英704的环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口104引入的氮气在等离子体发生室101中被激励和分解，产生向硅基片112迁移的活性物质并与由处理气体引入装置115引入的单硅烷气体发生反应，从而在硅基片122上形成厚度为0.1μm的氮化硅膜。膜形成之后，可测定膜形成速率和比如应力这样的膜质量。通过使用激光干涉仪Zygo(商业名称)测量膜形成前后基片弯曲量的变化来确定应力。
所获得的氮化硅膜的膜形成速率为460nm/min，膜在质量上被证明是优异的，表现为应力为1.1×109dyn/cm2(压应力)、漏电流为1.2×10-10A/cm2和介质强度为9MV/cm。
[例11]
图7所示的微波等离子体处理装置，用于腐蚀半导体元件BPSG膜。
作为待处理基片112，使用在多晶硅图形(线-空间0.5μm)上具有厚度为1μm的BPSG膜的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片112放在支承构件113上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室101和处理室111抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入入口104，CF4气体按300sccm的流率引入等离子体发生室101。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室101的内部压力为0.5毫乇。然后，由DC电源(未示出)提供的电能量供给线圈(未示出)，在等离子体发生室101中产生最大磁通量密度为90mT的磁场，而且由2.45GHz微波源提供的1.5KW的电能量经环形波导管103进入等离子体发生室101，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口104引入的CF4气体在等离子体发生室101中被激励和分解，产生向硅基片112迁移的活性物质，腐蚀BPSG膜。腐蚀以后，可测定腐蚀率、选择性和腐蚀断面。通过使用扫描电子显微镜(SEM)观测腐蚀过的氧化硅膜的横断面，测定腐蚀断面。
对多晶硅来说腐蚀率和选择率分别为300nm/min和30是令人满意的。腐蚀断面也几乎垂直，表现为小的微负载效应。
[例12]
图11所示的远距离型微波等离子体处理装置，用于形成半导体元件栅极绝缘的氧化硅膜。
作为待处理基片212，使用P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片212放在支承构件213上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室201和处理室211抽真空至10-6乇。然后，热丝(未示出)开始加热并保持硅基片212在300℃，同时经等离子体发生气体引入入口205，氧气按200sccm的流速引入等离子体发生室201。同时，经处理气体引入装置215，单硅烷气体按50sccm的流率引入处理室211。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室201和处理室211的内部为20毫乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的1.5KW的电能量经填充有石英204的环形波导管203进入等离子体发生室201，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口205引入的氧气在等离子体发生室201中被激励和分解，产生比如氧原子的活性物质，向硅基片212迁移并与由处理气体装置215引入的单硅烷气体发生反应，从而在硅基片212上形成厚度为0.1μm的氧化硅膜。膜形成以后，可测定膜形成速率、均匀性、漏电流、介质强度和界面状态密度。从使用1MHz高频用电容计测量的C-V曲线中，可确定界面状态密度。
所获得的氧化膜是令人满意的，表现为膜形成速度为110nm/min、均匀性为±2.3％。膜在质量上也被证明是优异的，表现为漏电流为4×10-11A/cm2、介质强度为11MV/cm和界面状态密度为6×1010cm-2。
[例13]
图12所示的光电组合微波等离子体处理装置，用于形成半导体元件的夹层绝缘氧化硅膜。
作为待处理基片312，使用在最上部分带有铝金属布线图形(线-间隔0.5μm)的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片312放在支承构件313上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室301和处理室311抽真空至10-6乇。然后，开启照射装置317的KrCl*激励灯，按20mW/cm2的表面照射密度照射硅基片312的表面。之后，热丝(未示出)开始加热并保持硅基片312在300℃，同时经等离子体发生气体引入入口304，氧气按流速500sccm进入等离子体发生室301。同时，经处理气体引入装置315，四乙氧基硅烷(TEOS)气体按流率200sccm进入处理室311。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室301的内部压力为0.1乇和处理室311的内部为0.05乇。然后，由2.45GHz微波源(未示出)提供的1.5KW的电能量经填充有石英1201的环形波导管303进入等离子体发生室301，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口304引入的氧气在等离子体发生室301中被激励和分解，产生向硅基片312迁移的活性物质，并与由处理气体引入装置315引入的四乙氧基硅烷气体发生反应，从而在硅基片312上形成厚度为0.8μm的氧化硅膜。膜形成以后，可测定膜形成速率、均匀性、介质强度和分级覆盖厚度。分级覆盖厚度由分级边壁位置上的膜厚度与在扫描电子显微镜(SEM)下观测的在铝金属布线图形上形成的分级氧化硅膜的厚度的比率(覆盖系数)确定。
所获得的氧化硅膜表现为膜形成速率为180nm/min、均匀性为±2.7％，两项指标在令人满意的范围内。膜在质量上也被证明是令人满意的，表现为介质强度为9.3MV/cm和覆盖系数为0.9。
[例14]
图13所示的偏压微波等离子体处理装置，用于腐蚀半导体元件的栅电极间的多晶硅膜。
作为待处理基片412，使用在最上部带有多晶硅膜的P型单晶硅基片(晶面取向<100>，电阻率10Ωcm)。把硅基片412放在支承构件413上之后，用真空系统(未示出)将等离子体发生室401和处理室411抽真空至10-6乇。然后，经等离子体发生气体引入入口404，CF4气体和氧气分别按流率300和20sccm引入等离子体发生室401。接着，调整真空系统(未示出)上设置的传导阀(未示出)，保持等离子体发生室401的内部压力为0.5毫乇。然后，由高频供给装置419提供的400KHz的高频能量供给支承构件413，并且由2.45GHz微波源提供的1.5KW的电能量经环形波导管403进入等离子体发生室401，在其内部产生等离子体。经等离子体发生气体引入入口404引入的CF4气体和氧气在等离子体发生室401中被激励和分解，产生向硅基片412迁移的活性物质，并用被偏压加速的离子腐蚀多晶硅膜。膜形成以后，可测定腐蚀率、选择率和腐蚀断面。通过在扫描电子显微镜(SEM)下观测腐蚀过的多晶硅膜的横断面来测定腐蚀断面。
由于腐蚀率为600nm/min和SiO2的选择率为30，所以可获得令人满意的性能。腐蚀断面也比没有使用高频的情况更垂直，带有小的微负载效应。
正如在上文描述的那样明显，本发明能够周期性地激励介质材料中传导的微波的表面波，以实现更强和更有效的传导，从而提供等离子体处理装置和方法，因此可以在大面积上以低能量产生均匀高密度的等离子体，以便在高速甚至低温条件下实现高质量的处理。
再有，通过用相同或不同于把等离子体发生室与外界空气隔离开的第一种介质材料的第二种介质材料填充环形波导管的内部，并特别选择第一和第二介质材料的介电常数的比率大体等于第一和第二介质材料圆周长的平方比的倒数，就能够提供等离子体处理装置和方法，因此在大面积上以低能量能够产生更均匀和更密的等离子体，从而实现更高速率更低温度下的高质量处理。

Claims (42)

1.一种微波等离子体处理装置，包括：
用介质构件把其周边与外界空气隔离开的等离子体发生室；
使用设置在所述等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置；
用于待处理基片的支承构件；
用于所述等离子体发生室的气体引入装置；和
用于所述等离子体发生室的抽真空装置；
其特征在于：所述无端环形波导管的圆周长度Lg、所述无端环形波导管中微波的波长λg、所述介质构件的圆周长度Ls和所述介质构件中传导的表面波的波长λs满足关系式：
            Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg
其中n为0或自然数。
2.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，还包括：磁场发生装置。
3.根据权利要求2的微波处理装置，其特征在于，所述的磁场发生装置适用于控制所述槽周围的磁场，使其磁通量密度等于微波频率与3.57×10-11T/Hz的乘积。
4.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，所述基片支承装置设置在远离所述等离子体发生区域的位置。
5.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，还包括：用光能照射待处理基片的装置。
6.根据权利要求5的微波处理装置，其特征在于，所述光能包括紫外线光。
7.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，还包括：与所述支承构件连接的高频供给装置。
8.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，所述波导管的内部配有介质材料。
9.根据权利要求1的微波处理装置，其特征在于，所述波导管的内部配有与上述介质材料不同的介质材料。
10.根据权利要求1的微波等离子体处理装置，其特征在于，所述无端环形波导管的中心半径Rg、所述无端环形波导管中微波的波长λg、介质构件的中心半径Rs和所述介质构件中传导的表面波的波长λs满足关系式：
           Rs/λs＝(2n+1)Rg/λg
其中n为0或自然数。
11.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，还包括：磁场发生装置。
12.根据权利要求11的微波处理装置，其特征在于，所述磁场发生装置适于控制槽周围的磁场，使其磁通量密度等于微波频率与3.57×10-11T/Hz的乘积。
13.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，所述基片支承装置设置在把待处理基片放在远离所述等离子体发生区域的位置。
14.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，还包括：用光能照射待处理基片的装置。
15.根据权利要求14的微波处理装置，其特征在于，所述光能包括：紫外线光。
16.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，还包括：与所述支承装置连接的高频供给装置。
17.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，所述波导管在内部设置有介质材料。
18.根据权利要求10的微波处理装置，其特征在于，所述波导管在内部设置有与上述介质材料不同的介质材料。
19.一种利用微波等离子体处理装置的微波等离子体处理方法，所述装置包括：用介质材料把其周边与外界空气隔离开的等离子体发生室，使用设置在所述等离子体发生室周围并设有多个槽的无端环形波导管的微波引入装置，用于待处理基片的支承装置，用于所述等离子体发生室的气体引入装置和用于所述等离子体发生室的抽真空装置；通过选择所述无端环形波导管的圆周长度Lg、所述无端环形波导管中微波的波长λg、所述介质构件的圆周长度Ls和所述介质构件中传导的表面波的波长λs满足下列关系式，以在所述基片上实现等离子体处理：
           Ls/λs＝(2n+1)Lg/λg
其中n为0或自然数。
20.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在使用磁场的条件下实现。
21.根据权利要求20的微波处理方法，其特征在于，所述的磁场被控制，以使槽周围的磁场的磁通量密度等于微波频率与3.57×10-11T/Hz的乘积。
22.根据权利要求19的微波处理装置，其特征在于，还包括：在远离所述等离子体发生区域的所述基片支承装置上放置所述基片的步骤。
23.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在用光能照射待处理基片的条件下实现。
24.根据权利要求23的微波处理方法，其特征在于，光能包括：紫外线光。
25.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在对所述支承装置供给高频的条件下实现。
26.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，所述波导管的内部填充有介质材料。
27.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，所述波导管的内部填充有与所述介质材料不同的介质材料。
28.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，通过选择所述无端环形波导管的中心半径Rg、所述无端环形波导管中微波波长λg、所述介质构件的中心半径Rs和所述介质构件中传导的表面波的波长λs满足下列关系式，以实现等离子体处理：
          Rs/λs＝(2n+1)Rg/λg
其中n为0或自然数。
29.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在使用磁场的条件下实现。
30.根据权利要求29的微波处理方法，其特征在于，所述的磁场被控制，以使槽周围的磁场的磁通量密度等于微波频率与3.57×10-11T/Hz的乘积。
31.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，还包括：在远离所述等离子体发生区域的所述基片支承装置上放置所述基片的步骤。
32.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在用光能照射待处理基片的条件下实现。
33.根据权利要求32的微波处理方法，其特征在于，所述光能包括紫外线光。
34.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，等离子体处理在对所述支承装置供给高频的条件下实现。
35.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，所述波导管的内部填充有介质材料。
36.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，所述波导管的内部填充有与所述介质材料不同的介质材料。
37.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为膜形成。
38.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为腐蚀。
39.根据权利要求19的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为灰化。
40.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为膜形成。
41.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为腐蚀。
42.根据权利要求28的微波处理方法，其特征在于，所述等离子体处理为灰化。
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