CN1296975C - 等离子体加工设备 - Google Patents

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Abstract

一隙缝天线板(7)放置在一用来将微波辐射入一加工腔(13)内的第二电介质(5)上，所述隙缝天线板(7)设置在第二电介质(5)的那一面朝着所述腔室内部(13)的侧面上。隙缝天线板(7)由导体制成，并且包括用来使微波从其中通过以进入腔室内部(13)的各隙缝(7a)。以此方式，可以提供一种藉助微波来产生等离子体的等离子体加工设备，所述等离子体加工设备能对用于待加工材料的离子辐射能很方便地进行调节，以在所述材料的平面内对所述材料进行均匀的等离子体加工。

Description

等离子体加工设备
技术领域
本发明涉及一种等离子体加工设备。具体地说，本发明涉及一种诸如刻蚀、薄膜淀积和抛光(ashing)设备之类的等离子体加工设备，用于制造例如半导体装置、液晶显示器或太阳能电池的加工作业。
背景技术
随着用来制造半导体装置、LCD(液晶显示器)或其它类似物的基片的尺寸的增大，最近已研制出一些用来对这样一种具有较大面积的基片进行加工的等离子体加工设备。研制出一些特别用于LCD的设备以便对1米×1米或更大尺寸的基片进行加工。这些设备提出使等离子体均匀的挑战。为薄膜淀积、刻蚀和抛光而研制出的设备所要解决的问题是提高等离子体加工速率以提高设备的生产量。干刻蚀设备旨在解决的问题是控制藉助刻蚀所形成的横截面形状以满足日益减小的图案尺寸以及日益增多的层数。
在例如已公开的日本实用新型专利申请No.4-117437中揭示了一种可保证等离子体均匀的微波等离子体加工设备，根据该专利申请，一具有若干狭缝的金属板设置在一位于电介质微波线下方的空气层和一第二电介质之间，以对微波的强度分布进行调节，由此使等离子体发生腔内的等离子体密度均匀。
考虑到变形，用于这种设备的所述板较厚。但是，厚板会导致在微波导向腔的中心部分的边缘上发生异常放电。当采用较薄的板时，由于金属和电介质的热膨胀系数较大，因此，金属和电介质不能彼此相互接触由此会发生异常放电。在已公开的日本专利No.2000-91097中已指出了这些问题，该专利的发明内容旨在解决这些问题。
图9示出了一种由已公开的日本专利No.2000-91097所揭示的发明所采用的结构，它包括一由Al(铝)制成且厚度在0.2毫米至2毫米范围内的微波散射板65。具体地说，请参阅图9，微波自一微波发生器61发射出来以通过一波导62、一介质线63、一空气层、一第一电介质64、微波散射板65、一第二电介质66和一第三电介质67而传送能量至一加工腔68。这种结构可使抛光均匀。
将一直流偏压、交流偏压或脉冲偏压施加于待加工材料上是一种已知的技术以对等离子体离子辐射量进行控制，并由此对一刻蚀薄膜的加工速率或横截面形状进行控制。将一偏压施加于一待加工材料上的方法在例如已公开的日本专利No.2000-68227中有所揭示，根据该专利，提供了一被固定在一接地电位或正电位的多孔电极，以面对着待加工材料的平面，并且在该两者之间具有一空间，这样，就可以将一脉冲偏压或一直流偏压施加于所述材料上。
虽然已公开的日本实用新型专利No.4-117437和已公开的日本专利No.2000-91097示出了采用一散射板来使微波均匀的技术，但是，它们都没有揭示出对这种散射板进行设计的方法。此外，虽然揭示出将一高频偏压施加于一取样台，但是，图9中示出的、与一基片71对置的第三电介质67是由陶瓷制成，所以，不能对所述第三电介质67的电位进行调节。因此，不能将偏压有效地施加于基片71上，因而会出现这样一个问题，即，不能扩展至待加工材料上的离子辐射能的可调范围。
根据已公开的日本专利No.2000-68227的一实施例的技术，一ICP(电感耦合等离子体)设备是与一等离子体源一起使用的，所述等离子体源是一个频率达兆赫级的RF(射频)电源，因此，对于藉助微波电源来产生等离子体是没有任何描述的。所以，没有描述到任何因微波波长小于其一侧为大约几百毫米至1000毫米(对于f＝2.45千兆赫，真空状态下的自由空间波长是122毫米)的真空装置的长度而出现的问题。换言之，它没有揭示出任何对于解决当等离子体被激发时与微波驻波分布有关的问题的设计。
对于微波激发的等离子体加工设备，应该将微波电路当作一共振器，并且在微波进入一真空腔的部分处构成所述共振器的一部分。因此，所作的设计应该考虑到与微波进入部有关的微波传播特性、以低功率来开始和保持等离子体放电以及等离子体的均匀性。但是，上文提到的那些公开专利对于作出这样一种设计是没有任何指导措施的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用微波来激发等离子体的等离子体加工设备，它可以对导引至待加工材料的离子辐射能进行方便的调节，并且可以在所述材料的平面内对材料进行均匀的等离子体加工。
根据本发明，所述等离子体加工设备包括一藉助等离子体来进行加工的加工腔；用来将微波传输至所述加工腔的微波传输装置；一用来将由所述微波传输装置传输的微波辐射入所述加工腔的电介质；以及一由导体制成的隙缝天线板，它放置在所述电介质的那一面朝着所述加工腔的一侧面上，并且包括一用来使发自所述电介质的所述微波从其中通过的开口，并且所述隙缝天线板的所述开口定位在一由所述微波传输装置和所述电介质构成的共振器内的一微波驻波的波腹的正下方。
本发明的等离子体加工设备包括由导体制成的隙缝天线，所述隙缝天线放置在电介质的那一面朝着加工腔的侧面上，所以，可以很方便地调节隙缝天线板的电位。因此，可以对所述隙缝天线板的电位进行控制以例如相对于正在加工的基片对等离子体的方向进行控制(偏压效果)。例如，藉助以一接地电位对隙缝天线板的电位进行调节并将一偏压施加于所述基片上可使等离子体离子与其基本垂直地入射在所述基片的整个表面上。这样，就可以在材料平面内对材料进行均匀的等离子体加工。
而且，所述隙缝天线板可以被制造成与所述电介质相接触，以便当与隙缝天线板和电介质之间存在一空气层的情况相比时，可缩短微波的空间波长。因此，可以缩短所述隙缝天线板的各开口之间的间距，从而可以形成更多数量的开口。这样，就可以使通过所述各开口辐射进入所述加工腔的微波均匀地分布在所述加工腔内。
此外，其位置和尺寸被适当确定以用于微波驻波的多个开口还可以使微波有效且均匀地入射入所述加工腔内。
位于所述驻波波腹正下方的磁场较大。由此，将所述开口定位在所述驻波的波腹的正下方，以便使电流感生在所述开口周围，该电流可感生出一来自于所述开口的磁场。换言之，藉助将所述开口设置在所述驻波的波腹的正下方，可以使微波有效地辐射进入所述加工腔。
较佳的是，对于上述等离子体加工设备来说，所述隙缝天线板其电位被调节在一接地电位或一正电位。
所述隙缝天线板的电位调节作业可以例如相对于一待加工基片对等离子体离子的方向进行控制。
较佳的是，对于上述等离子体加工设备来说，所述隙缝天线板包括一用于加工气体的沟槽。
以此方式，方便了对加工气流的控制，从而可以利用等离子体对待加工材料进行均匀加工。
本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将从以下结合附图对本发明所作的具体描述中变得更为清楚。
附图说明
图1是本发明第一实施例的等离子体加工设备的剖视图。
图2是沿图1中线II-II截取的剖视图。
图3示出了沿图1中箭头III方向观察的一第二电介质、隙缝天线板和一支承件的设置情况。
图4是一用来将一正电位施加于所述隙缝天线板的结构的剖视图。
图5示出了产生在一电介质内的驻波。
图6是本发明第二实施例的等离子体加工设备的结构的剖视图。
图7是本发明第三实施例的等离子体加工设备的结构的剖视图。
图8示出了沿图7中箭头VIII方向观察时的一隙缝天线板和一第一电介质的设置情况。
图9是一种传统的等离子体加工设备的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行描述。
第一实施例
现请参阅图1-图3，第一实施例的等离子体加工设备包括：一作为主要构件的腔盖1、一加工腔本体2、一波导3、一入口波导3a、一第一电介质4、一第二电介质5、一支承件6、一隙缝天线板7和一基片保持件8。
应予注意的是，图1和图2中示出的各横截面分别与图3中的线I-I、II-II相对应。
腔盖1放置在加工腔本体2的对面，并且它们用一垫圈10加以密封。腔盖1具有一隙缝状开口1a，所述第一电介质4插设在所述隙缝状开口内，并由诸如SiO2、Al2O3和AIN之类的电介质制成，且具有用黑体纵向线示出的“T”状横截面。腔盖1和第一电介质4也由一垫圈11加以密封，该垫圈与垫圈10一起将所述腔室的内部13密封起来。腔室内部13内的空气由一诸如涡轮分子泵(未示)之类的真空泵来抽掉以使所述腔室内部13保持处于近似10-4帕至10-3帕的真空状态下。
所述第一电介质4其侧面暴露在大气中(下文中称之为“大气侧”)，入口波导3a放置在所述大气侧上并且借助螺栓紧固于腔盖1上。波导3紧固于入口波导3a的上平面的中心部分。产自磁控管的、频率为2.45千兆赫的微波例如通过一绝缘体和一自动匹配装置然后例如借助一直波导、一角形波导、一锥形波导和一分支波导(未示)通过一微波固体电路而被导引至波导3。所述微波随后从一开口3b朝着所述第一电介质4辐射。
入口波导3a具有一绝热沟槽3c，绝热媒质在所述绝热沟槽处流动，可保持入口波导3a和其周缘部分具有预定温度。腔盖1和加工腔本体2也具有一些加热器和绝热沟槽(未示)，可提供温度调节作用，以藉助所述加热器的加热和加热媒质流过所述加热沟槽的流动来使所述腔室的温度保持均匀。
腔盖1其侧面暴露在真空中(下文中称之为真空侧)。在所述真空侧上，由诸如Al2O3、SiO2和AIN之类的电介质制成的多个(例如4个)第二电介质设置得与所述第一电介质4相接触。在第二电介质5的下方，固定有由导体制成的隙缝天线板7，以与第二电介质5相接触。
由导体制成的支承件6借助例如图3所示的螺钉而紧固在第二电介质5和隙缝天线板7的周围，用来将第二电介质5和隙缝天线板7支承在腔盖1上。隙缝天线板7具有如图3所示的矩形隙缝7a并具有例如1至20毫米的厚度。矩形隙缝7a可根据一种用来起隙缝天线作用的设计(将在下文中予以描述)来定位。
隙缝天线板7例如由Al或SUS制成。可以将一种弹性材料插设在隙缝天线板7和支承件6之间，用来保证隙缝天线板7和第二电介质5紧密接触。
支承住一基片9的基片保持件8放置在腔室内部13内，以面对着隙缝天线板7。
一供气管12与所述腔盖相连，用来将一种反应气体从外侧供送至腔室内部13。从供气管12供送来的反应气体被导引通过支承件6的气体沟槽6a和6b。
腔盖1和加工腔本体2由导体制成并接地。支承件6和隙缝天线板7也由导体制成并接地或者施加有一正电位(图4)。为了使基片偏置，可将一高频(频率：6兆赫，输出：近似1千瓦)的偏压施加于基片保持件8上。基片保持件8具有这样一些机构，诸如用来吸持基片9的静电吸盘机构以及用来例如藉助氦气来冷却基片9的冷却机构。除了上文描述的之外，所述偏压也可以是具有另一频率的任一偏压或是一直流电压或脉冲电压。可以选择任一适当偏压以满足加工目的。
如果将一正电位施加于支承件6和隙缝天线板7，腔盖1和支承件6就必须藉助如图4那样在其间设置一绝缘体15而彼此绝缘，图4示出了与图1相对应的横截面。
隙缝天线板7的各隙缝7a的位置如下文所描述的那样来设计。
隙缝7a的位置是藉助计算机模拟技术来设计的。形成一模型形状，所述模型自一微波入口至第二电介质5其间形成有入口波导3和第一电介质4。然后，假定所述模型的边界的边界条件与一理想导体相对应来进行电磁分析。这里，藉助空气和电介质形成在一微波发生器和隙缝天线之间的空间起着一共振器的作用，因此，会产生一微波驻波。因此将隙缝7a定位在第一、第二电介质4、5内的微波驻波的波腹正下方。
微波驻波的波腹指的是所述驻波的最大场幅的位置。现请参阅图5，所述第一和第二电介质4、5内的驻波的场强实际上可由虚线21所示的轮廓线来表示。轮廓线21几乎呈圆形(或椭圆形)形状，一靠近中心的圆(椭圆)表示一较大的场强。于是，可将隙缝7a定位在几乎呈圆形(椭圆形)的轮廓线21的中心的正下方。
磁场在所述驻波波腹的正下方的位置处较强。因此将隙缝7a定位在该位置以便在隙缝7a周围感生电流。该电流可使磁场自隙缝7a发出。即，隙缝7a被定位在所述驻波的波腹的正下方，以使微波有效地辐射入腔室内部13。
隙缝7a可例如呈矩形。于是，可将隙缝7a设计成使其较长侧的长度是所述电介质内的空间波长的一半(假设所述电介质的相对介电常数是10且频率为2.45千兆赫时，例如为近似20毫米)，且其较短侧是其较长侧的长度的一半或不到一半。通常，当隙缝天线板的矩形隙缝的较长侧是2/λ时，微波的辐射效率将增强。隙缝7a可以以此方式来成形以增强微波的辐射效率。
较佳的是，隙缝7a的形状根据驻波分布的尺寸来改变。具体地说，隙缝7a的较长侧在场幅大的地方被制造得较短。根据隙缝7a的位置，微波辐射量可以改变。因此，具有较大辐射量的隙缝7a其较长侧被缩短以减少辐射量，以便辐射出与来自其它隙缝等量的微波。因此，可以使发自隙缝7a的微波辐射变得均匀。
按此设计的隙缝7a可以使隙缝天线板7起到一隙缝天线的作用，可以使微波有效且均匀地从隙缝7a中辐射出来。
应予注意的是，隙缝7a的个数和形状是根据一共振器的结构来设计的。换言之，如果微波自隙缝7a均匀地辐射出来，可采用任一种设计。例如，矩形隙缝7a的长度和宽度可以与上文所描述的不同，或者隙缝7a的中心轴线可以相对于所述隙缝天线板的纵向侧倾斜。
下面将对所述第一实施例的等离子体加工设备的工作情况进行描述，所述等离子体加工设备被用作一例如用于SiO2薄膜的干刻蚀设备。
现请参阅图1，藉助真空抽吸装置，先在腔室内部13内形成一真空状态并将其保持在所述腔室内部。然后，以一由质量流量控制器(未示)加以控制的预定流率对来自于供气管12的诸如CF4和O2之类的加工气体进行供送。加工气体随后分流入多个气体沟槽内以便通过多个气孔6a供送至腔室内部13。腔室内部13的压力藉助一可对一排气系统的气导进行调节的压力调整机构而被调节至一预定压力(例如30帕)。
具有预定功率(例如2千瓦)的微波通过波导3、入口波导3a和第一、第二电介质4、5从隙缝天线板7的各开口7a供送和辐射至腔室内部13。根据例如对一刻蚀薄膜的侧壁的锥度控制所需的要求，将一偏压施加于基片9上。以此方式，可均匀地产生等离子，并且可对基片8上的薄膜(例如，SiO2薄膜)进行均匀地刻蚀。
藉助改变加工气体的类型和混合比，将气体压力设定在一预定压力并提供具有预定功率的微波，还可以对其它类型的绝缘薄膜以及例如Al和Ti金属薄膜进行刻蚀。
根据所述第一实施例，在将一偏压施加于基片9的同时将一接地电位施加于腔盖1、加工腔本体2、支承件6和隙缝天线板7上。可以对所述偏压进行调节，以相对于基片9对产生在腔室内部13内的各等离子体离子的方向加以控制。
关于称为传统设备(已公开的日本专利No.2000-91097)的上述微波等离子设备，大部分的电介质部分都面朝着等离子体放电平面。在这种情况中，由于第二电介质是绝缘体，因此，在大部分所述平面上、与所述基片反向的电位是一浮动电位。
根据本发明的第一实施例，支承件6和隙缝天线板7由导体制成，因此，可以藉助将所述导体的电位设定在一例如接地电位来进行电位控制。以此方式，就可以充分实现通过施加所述偏压来对离子和自由基进行抽拉的效果。有利的是，可以增强刻蚀率并扩大藉助刻蚀所形成的形状的控制范围。
而且，根据所述第一实施例，隙缝天线板7被放置成与第二电介质5相接触。因此，空间波长小于隙缝天线板7和第二电介质5之间存在一空气层时的空间波长。(所述波长是由Al2O3、AIN制成的第二电介质的约三分之一。)因此，就可以使隙缝7a之间的间距更短，这意味着可以形成更多数量的隙缝7a。因此，微波的分布，即，等离子体的分布可以呈现出均匀性。
应予注意的是，入口波导3a和第一、第二电介质4、5的形状并不限于以上所示的那些形状，而是可以根据所述腔室的尺寸和形状为任意一种最佳形状。在这种情况中，可对隙缝天线板7的各隙缝7a的设置加以相应地设计。
第二实施例
根据所述第一实施例，微波是通过由所述第一和第二电介质构成的双电介质结构来传输的。根据第二实施例，一种如图6所示的等离子体加工设备被构造得没有所述第二电介质，而是使一第一电介质4沿着较短侧的方向(所述波导延伸的方向)延伸。于是，一隙缝天线板7就与所述第一电介质4相接触。一支承件6仅仅支承住隙缝天线板7。
除了上文所描述的那些构件之外的各构件其结构与所述第一实施例的几乎是相同的。彼此相互对应的各构件由相同的编号示出，故不再赘述。
隙缝天线板7的各隙缝7a是根据如下文所述的第二实施例来设计的。
形成一包括一微波入口、波导3、一入口波导3a和一第一电介质4的模型。然后，假设所述模型的边界的边界条件与一理想模型相对应，进行电磁分析。因此，该模型起一共振器的作用，因而可产生一微波驻波。这样，就可将隙缝天线板7的隙缝7a设计成位于所述第二电介质5内的微波驻波的波腹的正下方。
隙缝7a可例如呈矩形。于是，可将隙缝7a设计成使其较长侧的长度是所述电介质内的空间波长的一半(假设所述电介质的相对介电常数是10且频率为2.45千兆赫时，例如为近似20毫米)，且其较短侧是其较长侧的长度的一半或不到一半。较佳的是，隙缝7a的每一尺寸根据驻波分布的尺寸来改变。具体地说，隙缝7a的较长侧在场幅大的地方被制造得较短。以此方式，可将各隙缝7a设计成可使隙缝天线板7起到一微波用隙缝天线的作用，由此可有效地辐射微波。
所述第二实施例与所述第一实施例的不同之处在于前者没有第二电介质。根据所述第一实施例，采用了由所述第一和第二电介质构成的两部件式电介质结构，它应该被设计成在所述第一和第二电介质之间没有任何间隙。在一些情况中，根据所述第一和第二电介质、腔盖1、支承件6等的加工、装配和温度变化，可能会产生一近似几百微米的间隙。藉助根据所述第二实施例除去所述第二电介质可以避免这样一种间隙。
第三实施例
现请参阅图7和图8，根据第三实施例的等离子体加工设备被构造得具有一些设置在一隙缝天线板7内的气体沟槽7b和7c。隙缝天线板7不是由所述第一和第二实施例中所采用的支承件来加以支承的，而是例如藉助螺钉直接固定于一腔盖1。
应予注意的是，图7是一与图8中线VII-VII相对应的剖视示意图。
除了上文所描述的那些构件之外的各构件其结构与所述第二实施例的几乎是相同的。彼此相互对应的各构件采用了相同的编号，故不再赘述。
根据所述第三实施例，隙缝天线板7具有一些气体沟槽。于是，它不要求在所述支承件设置一些如所述第一和第二实施例中的气体沟槽。如果所述支承件具有所述气体沟槽，在所述第一电介质4下方可以不设置任何气体沟槽。在这种情况中，使气流在腔室内部13内最优化是较困难的。
根据所述第三实施例设置在隙缝天线板7内的各气体沟槽7b和7c可以设置在所述第一电介质4的正下方，以优化腔室内部13内的气流。而且，由于气体沟槽7b和7c设置在隙缝天线板7内，因此，第二实施例的支承件6不是必需的。
第三实施例的这种结构可提高在那些例如气流对于刻蚀作业有显著影响的场合中、在对Al、Ti和TiN薄膜进行加工时的刻蚀均匀性。
隙缝天线板7和支承件6可作成一体用于第一实施例的结构。
当采用根据第一至第三实施例所述的等离子体加工设备来对诸如Al之类的金属进行刻蚀时，如果隙缝天线板7由Al形成，则可能对所述隙缝天线板本身进行刻蚀。在这种情况中，隙缝天线板7的至少一部分平面，即，那一暴露于等离子体的部分最好涂敷有Al2O3。此外，所述腔室的内壁最好也涂敷有Al2O3。
如上文所述的涂敷用材料并不限于Al2O3，而是如果所述材料不受等离子体的影响，可以采用任何一种材料。
正如至此所描述的那样，本发明的等离子体加工设备采用了由导体制成的隙缝天线板，所述隙缝天线板被放置在面对着所述加工腔的电介质侧面上，以便于对所述隙缝天线板的电位进行调节。因此，可以对所述隙缝天线板的电位进行调节以例如相对于一正在加工的基片对等离子体离子的方向进行控制(偏压效果)。例如，藉助以一接地电位对所述隙缝天线板的电位进行调节并将一偏压施加于所述基片上，可以使等离子体离子基本垂直地入射在所述基片的整个表面上。因此可在其平面内均匀地对一材料进行等离子体加工。
而且，所述隙缝天线板可以被制造得与所述电介质相接触，这样，当与隙缝天线板和电介质之间存在一空气层的情况相比时，可缩短微波的空间波长。因此，可以缩短所述隙缝天线板的各开口之间的间距，从而可以形成更多数量的开口。这样，就可以使通过所述各开口辐射进入所述加工腔的微波均匀地分布在所述加工腔内。
此外，其位置和尺寸被适当确定以用于微波驻波的多个开口还可以使微波有效且均匀地入射入所述加工腔内。
虽然以上已对本发明进行了具体描述和举例说明，但是，应予清楚理解的是，本发明仅仅是举例说明性的，而不是限制性的，本发明的精神和保护范围仅受到所附权利要求书的各权项的限制。

Claims (3)

1.一种等离子体加工设备，它包括：
一藉助等离子体来进行加工的加工腔；
用来将微波传输至所述加工腔的微波传输装置；
一用来将由所述微波传输装置传输的微波辐射入所述加工腔的电介质；以及
一由导体制成的隙缝天线板，它放置在所述电介质的那一面朝着所述加工腔的一侧面上，并且包括一用来使发自所述电介质的所述微波从其中通过的开口，
所述隙缝天线板的所述开口定位在一由所述微波传输装置和所述电介质构成的共振器内的一微波驻波的波腹的正下方。
2.如权利要求1所述的等离子体加工设备，其特征在于，
所述隙缝天线板其电位被调节在一接地电位或一正电位。
3.如权利要求1所述的等离子体加工设备，其特征在于，
所述隙缝天线板包括一用于加工气体的气体沟槽。
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