CN1460285A - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种微波等离子体处理装置，为了使阻抗变化缓和，通过在微波供给波导管和微波天线之间设置锥面或具有中间介电常数的部件，可抑制微波供给波导管与微波天线的连接部中的反射波的形成，提高供电效率，抑制放电，在等离子体处理装置中稳定形成等离子体。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明一般涉及一种等离子体处理装置，尤其涉及一种微波等离子体处理装置。
等离子体处理工序和等离子体处理装置对于近年来具有所谓称为超亚微元件(deep submicron)或超亚四分之一微元件(deep subquartermicron)的接近0.1微米或小于0.1微米栅极长度的的超细微化半导体器件的制造或包含液晶显示装置的高清晰度平面显示装置的制造而言，是不可或缺的技术。
作为用于制造半导体器件或液晶显示装置的等离子体处理装置，目前使用各种各样的等离子体激发方式，但通常是平行平板型高频激发等离子体处理装置或电感耦合型等离子体处理装置。但是，这些现有的等离子体处理装置的等离子体形成不均匀，限定电子密度高的区域，所以存在难以大的处理速度、即生产量在被处理基板整体表面附近进行均匀加工的问题。该问题特别是在处理大直径基板的情况下变得严重。另外，在这些现有等离子体处理装置中，因为电子温度高，所以对被处理基板中形成的半导体元件产生损害，另外，还存在因处理室壁的溅射引起的金属污染大等几个本质问题。因此，用现有的等离子体处理装置，难以满足对提高半导体器件或液晶显示装置更细微化和更高生产率的严格要求。
另一方面，目前提议不使用直流磁场而使用由微波电场激发的高密度等离子体的微波等离子体处理装置。例如，提议如下结构的等离子体处理装置：从具有排列成产生均匀微波的多个槽的平面形天线(放射线槽天线)向处理容器内放射微波，由该微波电场电离真空容器内的气体来激发等离子体。例如参照特开平9-63793公报。由这种方法激发的微波等离子体可在天线正下方的整个宽区域内实现高的等离子体密度，可在短时间内进行均匀的等离子体处理。另外，由这种方法形成的微波等离子体是通过微波激发等离子体，所以电子温度低，可避免被处理基板的损害或金属污染。并且在大面积基板上容易激发均匀的等离子体，所以也可容易地适合于使用大口径半导体基板的半导体器件的制造工序或大型液晶显示装置的制造。
背景技术
图1A、1B表示使用这种放射线槽天线的现有微波等离子体处理装置100的结构。图1A是表示微波等离子体处理装置100的剖面图，图1B是表示放射线槽天线结构的图。
参照图1A，微波等离子体处理装置100具有从多个排气端口116排气的处理室101，在上述处理室101中形成保持被处理基板114的保持台115。为了实现上述处理室101的均匀排气，在上述保持台115周围形成环形的空间101A，通过等间隔地、即对于被处理基板轴对称地形成上述多个排气端口116，与上述空间101A连通，上述处理室101可通过上述空间101A和排气端口116均匀排气。
在上述处理室101上，在对应于上述保持台115上的被处理基板114的位置上，通过密封圈109形成作为上述处理室101部分外壁、由低损耗电介质构成、形成多个开口部107的板形浇淋板103，并在上述浇淋板103的外侧也同样通过其它密封圈108来设置由低损耗电介质构成的盖板102。
在上述浇淋板103中，在其上面形成等离子气体的通路104，形成上述多个开口部107的每一个都与上述等离子体气体通路104连通。并且，在上述浇淋板103的内部形成与设置在上述处理容器101外壁上的等离子体气体供给端口105连通的等离子体气体供给通路108，从上述供给通路108通过上述通路104向上述开口部107供给向上述等离子体气体供给端口105供给的Ar或Kr等的等离子体气体，以实质上一样的浓度从上述开口部107向上述处理容器101内部的上述浇淋板103正下方的空间101B排出。
在上述处理容器101上，还在上述盖板102的外侧，距上述盖板102 4～5mm设置具有图1B所示的辐射面的放射线槽天线110。上述放射线槽天线110通过同轴波导管110A连接于外部微波源(未图示)，通过来自上述微波源的微波，激发向上述空间101B排放的等离子体气体。由大气来填充上述盖板102和放射线槽天线110的辐射面之间的间隙。
上述放射线槽天线110由连接于上述同轴波导管110A的外侧波导管上的平坦盘形天线主体110B、和形成于上述天线主体110B的开口部中、形成图1B所示的多个槽110a和与其垂直的多个槽110b的放射板110C构成，在上述天线主体110B和上述放射板110C之间插入由一定厚度的电介质膜构成的滞相板110D。
在这种结构的放射线槽天线110中，从上述同轴波导管110供电的微波在上述盘形天线主体110B和放射板110C之间一边沿半径方向变宽一边前进，此时，由于上述滞相板110D的作用而压缩波长。因此，对应于在半径方向上前进的微波波长，上述槽110a和110b形成为同心圆形，并彼此垂直，从而可沿实质垂直于上述放射板110C的方向放射具有圆偏振波的平面波。
通过使用这种放射线槽天线110，在上述浇淋板103正下方的空间101B中形成均匀的高密度等离子体。如此形成的高密度等离子体的电子温度低，因此，不会对被处理基板114产生损害，另外，也不会产生源于处理容器101器壁溅射的金属污染。
图1的等离子体处理装置100还在上述处理容器101中形成导体结构物111，该导体结构物111在上述浇淋板103和被处理基板114之间形成从外部处理气体源(未图示)通过形成于上述处理容器101中的处理气体通路112供给处理气体的多个喷嘴113，上述各喷嘴113将供给的处理气体排放到上述导体结构物111和被处理基板114之间的空间101C中。在上述导体结构物111中，在上述相邻的喷嘴113和113之间形成通过从上述空间101B扩散到上述空间101C来使上述空间101B中形成的等离子体有效通过的大的开口部。
因此，在从上述导体结构物111通过上述喷嘴113向上述空间101C排放处理气体的情况下，由上述空间101B中形成的高密度等离子体激发排放出的处理气体，在上述被处理基板114上有效、高速、且不损害基板和基板上元件结构、另外不污染基板地进行一样的等离子体处理。另一方面，由这种导体结构物111阻止了从上述放射线槽天线110放射出的微波，不会损害被处理基板114。
然而，在图1的等离子体处理装置100中，需要高效地向上述放射线槽天线110供给由未图示的微波源形成的大功率微波。
通常，在微波天线和与其协作的波导管之间，例如为了无损耗地向波导管中注入由微波天线接收的微弱微波信号，设置阻抗匹配结构。另一方面，在图1的等离子体处理装置100中使用的放射线槽天线110中，不仅从波导管向天线供给大功率的微波，而且供给的微波还以与处理容器101中形成的等离子体反射形成的反射波在上述天线110和波导管中重叠的状态存在，所以一旦上述天线主体110与波导管之间的阻抗匹配不适合，则在上述等离子体处理装置110的运行中，存在上述放射线槽天线110或同轴波导管中产生异常放电的问题。因此，使波导管和天线主体110连接的供电部中的阻抗匹配比通常天线的情况下更重要。
发明内容
因此，本发明的总的目的在于提供一种解决上述课题的新颖有用的等离子体处理装置。
本发明的更具体的目的在于提供一种等离子体处理装置，具有微波天线，通过从上述微波天线经微波透过窗供给至处理容器中的微波，在上述处理容器中形成等离子体，在上述等离子体中进行被处理基板的处理，其中，提高从微波波导管向上述微波天线的微波供电效率，并消除伴随上述微波波导管与上述微波天线的连接部中的阻抗不匹配的异常放电的问题。
本发明的其它目的在于供给一种等离子体处理装置，其特征在于：
由：通过外壁围成、并具备保持被处理基板的保持台的处理容器；
与上述处理容器连接的排气系统；
在上述处理容器上面对上述保持台上的被处理基板设置的作为上述外壁一部分的微波透过窗；
向上述处理容器中供给等离子体气体的等离子体气体供给部；
在上述处理容器上对应于上述微波设置的微波天线；和
与上述微波天线电连接的微波电源；构成，
上述微波天线由：连接于上述微波电源、由内侧导体芯和包围该内侧导体芯的外侧导体管构成的同轴波导管；以及设置在上述同轴波导管前端的天线主体；构成，
上述天线主体由：与上述微波透过窗连接并形成微波辐射面的第1导体面；以及隔着电介质板与上述第1导体面相对向、在上述电介质板的外周部与上述第1导体面连接的第2导体面；构成，
上述内侧导体芯通过第1连接部与上述第1导体面连接，
上述外侧导体管通过第2连接部与上述第2导体面连接，
上述第1连接部形成上述内侧导体芯的外径向上述第1导体面增大的第1锥部，
上述第2连接部形成上述外侧导体管的内径向上述第1导体面增大的第2锥部。
本发明的其它目的在于供给一种等离子体处理装置，其特征在于：
由：通过外壁围成、并具备保持被处理基板的保持台的处理容器；
与上述处理容器连接的排气系统；
在上述处理容器上面对上述保持台上的被处理基板设置的作为上述外壁一部分的微波透过窗；
向上述处理容器中供给等离子体气体的等离子体气体供给部；
在上述处理容器上对应于上述微波设置的微波天线；和
与上述微波天线电连接的微波电源；构成，
上述微波天线由：连接于上述微波电源、由内侧导体芯和包围该内侧导体芯的外侧导体管构成的同轴波导管；以及设置在上述同轴波导管前端的天线主体；构成，
上述天线主体由：与上述微波透过窗连接并形成微波辐射面的第1导体面；以及隔着由第1电介质材料构成的电介质板与上述第1导体面相对向、在上述电介质板的外周部与上述第1导体面连接的第2导体面：构成，
上述内侧导体芯通过第1连接部与上述第1导体面连接，
上述外侧导体管通过第2连接部与上述第2导体面连接，
在上述内侧导体芯和上述外侧导体管之间的空间中，在上述第1端面上与上述电介质板相邻地设置由第1端面和与上述第1端面相对向的第2端面围成的电介质部件，上述电介质部件具有比上述电介质板的比介电常数小、比空气大的比介电常数。
根据本发明，避免了连接于大输出微波源的微波波导管与微波天线之间的连接部中的阻抗的突变，结果，有效抑制了该连接部中的反射波的形成。在抑制上述连接部中的反射波的同时，避免了该连接部中的异常放电和因异常放电引起的天线损害。另外，通过这种反射波的抑制，可稳定地通过上述微波透过窗向上述处理容器中供给微波，并在上述处理容器中稳定形成期望的等离子体。
从下面参照附图进行的实施发明的优选方式，可了解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1A、1B是表示现有的使用放射线槽天线的微波等离子体处理装置结构的图；
图2A、2B是表示本发明实施例1的微波等离子体处理装置结构的图；
图3A、3B是表示图2装置中同轴波导管与放射线槽天线的连接部的结构例的图；
图4是表示图3结构的反射降低效果的图；
图5是表示使用图3的供电机构在图2A、2B的等离子体处理装置中形成微波情况下的反射系数实测结果图；
图6是表示图2A的微波等离子体处理装置的处理气体供给机构的结构图；
图7是表示与图2A的微波等离子体处理装置连接的微波电源的结构图；
图8是表示本实施例一变形例的微波供电结构的构成图；
图9是表示本发明实施例2的微波供电结构的构成图；
图10是表示图9的微波供电机构一变形例的图；
图11是表示图9的微波供电机构另一变形例的图；
图12是表示图9的微波供电机构另一变形例的图；
图13是表示图9的微波供电机构又一变形例的图；
图14是表示图9的微波供电机构又一变形例的图；
图15是表示本发明实施例3的微波等离子体处理装置结构的图；
图16是表示本发明实施例4的微波等离子体处理装置结构的图；
图17是表示本发明实施例5的微波等离子体处理装置结构的图；
图18是使用图2A、2B的微波等离子体处理装置的本发明实施例6的半导体制造装置的结构图；
图19是表示图18A、18B的半导体制造装置的排气系统的结构图；
图20是表示图19的排气系统中使用的螺旋槽分子泵的结构图；
图21是表示图19的排气系统中使用的不等间距不等倾角螺旋泵的结构图；
图22是表示图19的处理单元中使用的气体供给系统的结构图；
图23是表示图22的气体供给系统中使用的流量控制装置的结构图。
具体实施方式
下面例举实施例来详细说明本发明。
(实施例1)
图2A、2B表示本发明实施例1的微波等离子体处理装置10的结构。
参照图2A，上述微波等离子体处理装置10包括：处理容器11；设置在上述处理容器11内、通过静电吸盘保持被处理基板12、优选由热等向加压法(HIP)形成的由AlN或Al2O3构成的保持台13。在上述处理容器11内，在包围上述保持台13的空间11A中等间隔地、即相对于上述保持台13上的被处理基板12以近乎轴对称的关系在至少两个部位、优选三个以上部位上形成排气端口11a。上述处理容器11借助于这种排气端口11a通过后面说明的不等间距不等倾角螺旋泵等进行排气、减压。
上述处理容器11优选由含有Al的奥氏体不锈钢构成，在内壁面经氧化处理形成由氧化铝构成的保持膜。另外，在上述处理容器11的外壁中，在对应于上述被处理基板12的部分中形成盘形的浇淋板14，作为上述外壁的一部分，该浇淋板14由通过HIP法形成的致密Al2O3构成，并形成多个喷嘴开口部14A。使用Y2O3作为烧结助剂来形成由这种HIP法形成的Al2O3浇淋板14，气孔率在0.03％以下，实质上不包含气孔或针孔，达到30W/m·K，作为陶瓷来说，具有非常大的热传导率。
上述浇淋板14通过密封圈11s安装在上述处理容器11上，并且在上述浇淋板14上，通过密封圈11t来设置由经同样的HIP处理形成的致密Al2O3构成的盖板15。在上述浇淋板14的与上述盖板15相连接一侧形成与各上述喷嘴开口部14A连通、并构成等离子体气体流路的凹部14B，上述凹部14B形成于上述浇淋板14的内部，连通于其它等离子体气体流路14C，该等离子体气体流路14C连通于在上述处理容器11外壁上形成的等离子体气体入口11p。
由形成于上述处理容器11内壁的伸出部11b保持上述浇淋板14，在上述伸出部11b中，在保持上述浇淋板14的部分中形成圆形，以抑制异常放电。
于是，供给至上述等离子体气体入口11p的Ar或Kr等的等离子体气体依次通过上述浇淋板14内部的流路14C和14B后，一样地通过上述开口部14A供给至上述浇淋板14正下方的空间11B中。
在上述盖板15上设置放射线槽天线20，该天线由紧贴于上述盖板15并形成图3B所示的多个槽16a、16b的盘形槽板16；保持上述槽板16的盘形天线主体17；和夹持在上述槽板16和上述天线主体17之间、由Al2O3、SiO2或Si3N4等低损耗电介质材料构成的滞相板18构成。上述放射线槽天线20通过密封圈11u安装在上述处理容器11上，通过具有矩形或圆形截面的同轴波导管21由外部微波源(未图示)向上述放射线槽天线20供给频率为2.45GHz或8.3GHz的微波。供给的微波从上述槽板16上的槽16a、16b通过上述盖板15和浇淋板14放射到上述处理容器11中，在上述浇淋板14正下方的空间11B中，在从上述开口部14A供给的等离子体气体中激发等离子体。此时，上述盖板15和浇淋板14由Al2O3形成，用作有效的微波透过窗。此时，因为避免在上述等离子体气体流路14A～14C中激发等离子体，所以上述等离子体气体在上述流路14A～14C中可保持在约6666Pa～13332Pa(约50～100Torr)的压力。
为了提高上述放射线槽天线20和上述盖板15的密封性，在本实施例的微波等离子体处理装置10中，在嵌合在上述槽板16的上述处理容器11上面的一部分上形成环形的槽11g，通过与其连通的排气端口11G对槽11g进行排气，使形成于上述槽板16和盖板15之间的间隙减压，可通过大气压将上述放射线槽天线20牢固地压接在上述盖板15上。在这种间隙中包含形成于上述槽板16中的槽16a、16b，但此外也可以由盖板15表面的细微凹凸等各种理由形成间隙。通过上述放射线槽天线20和处理容器11之间的密封圈11u来密封这种间隙。
另外，通过上述排气端口11G和槽15g，在上述槽板16和上述盖板15之间的间隙中填充分子量小的惰性气体，可促进热从上述盖板15向上述槽板16传输。作为这种惰性气体，优选使用热传导率大且离子化能量高的He。在向上述间隙中填充He的情况下，最佳设定在0.8气压左右的气压。在图3的结构中，为了排气上述螺旋槽15g和向螺旋槽15g填充惰性气体，将真空管11V连接至上述排气端口11G。
上述同轴波导管21A中，外侧波导管21A连接于上述盘形天线主体17，中心导体21B通过形成于上述滞相板18中的开口部与上述槽板16连接。另外，供给至上述同轴波导管21A的微波一边在上述天线主体17和槽板16之间沿径向前进，一边经上述槽16a、16b放射。
图2B表示上述槽板16上形成的槽16a、16b。
参照图2B，上述槽16a排列成同心圆形，对应于各个槽16a，与其平行的槽16b也同样形成为同心圆形。上述槽16a、16b在上述槽板16的半径方向上以对应于由上述滞相板18压缩后的微波波长的间隔形成，结果，微波基本变成平面波后从上述槽板16放射。此时，因为上述槽16a和16b以彼此垂直的关系形成，所以放射出的微波形成包含两个垂直偏波分量的圆偏振波。
另外，在图2A的等离子体处理装置10中，在上述天线主体17上形成冷却块19，冷却块19中形成有冷却水通路19A，通过由上述冷却水通路19A中的冷却水来冷却上述冷却块19，通过上述放射线槽天线20来吸收积蓄在上述浇淋板14中的热量。上述冷却水通路19A在上述冷却块19上形成为螺旋形，优选通入利用沸腾H2气体来排除溶解的氧、并控制氧化还原电位的冷却水。
另外，在图2A的微波等离子体处理装置10中，上述处理容器11中在上述浇淋板14与上述保持台13上的被处理基板12之间设置处理气体供给机构31，该机构具有从设置在上述处理容器11外壁上的处理气体注入口11r供给处理气体、从多个处理气体喷嘴开口部31B(参照图4)排放处理气体的格子形处理气体通路31A，在上述处理气体供给机构31和上述被处理基板12之间的空间11C中进行期望的均匀基板处理。在这种基板处理中包含等离子体氧化处理、等离子体氮化处理、等离子体氧氮化处理、等离子体CVD处理等。另外，从上述处理气体供给机构31向上述空间11C供给C4F8、C5F8或C4F6等易离解的氟代烃气体和F系或Cl系等蚀刻气体，通过从高频电源13A向上述保持台13供给高频电压，可对上述被处理基板12进行反应性离子蚀刻。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，通过将上述处理容器11的外壁加热到150℃左右的温度，可避免反应副生成物等粘附到处理容器内壁上，通过一天进行一次左右的干洗，可正常稳定地运行。
然而，对于图2A的等离子体处理装置10，在将上述同轴波导管21连接到放射线槽天线20上的连接·供电部中，在上述中心导体21B中形成锥部21Bt，使上述中心导体21B的直径或截面积朝向上述槽板16增大，另外，在上述外侧波导管21A中也形成对应的锥部21At，使上述波导管21A的内径朝向上述天线主体17增大。通过在上述天线连接·供电部中形成锥形结构，可缓和上述连接·供电部中的阻抗的突变，结果，可大大降低这种阻抗突变引起的反射波的形成。
图3A是详细表示图2A的等离子体处理装置10中上述同轴波导管21与上述放射线槽天线20的连接·微波供电部的结构的放大图。为了简单，省略上述槽板16中形成的槽16a、16b的图示。
参照图3A，上述内侧导体21B具有直径为16.9mm的圆形截面，在上述槽板16和天线主体17之间形成厚度为4mm、比介电常数ε为10.1的氧化铝板。另一方面，上述外侧波导管21A形成具有直径为38.8mm的圆形截面的空间，上述内侧导体21B配置在该圆形空间中。
此时，从图3A可知，上述内侧导体21B在距上述槽板16的接合面7mm范围的接合部中，截面积朝向上述接合面增大，结果，上述内侧导体21B在上述接合面中具有直径为23mm的圆形。另外，对应于如此形成的锥面21Bt，在上述天线主体17中也形成从距上述内侧导体21B与槽板16的接合面10mm(滞相板18的厚度4mm+天线主体17的厚度6mm＝10mm)位置开始的锥面21At。
图4中，对于图3A结构的放射线槽天线20与波导管21的组合，在将图3A中的参数a设定为6.4mm时，求出在从上述波导管21向天线20供给微波的情况下，返回上述波导管21的反射波功率的比例。图4中用◆表示上述反射波的比例。另外，在图4中，用*表示图3B所示的对图3A结构中省略上述锥部21At和21Bt的结构求出的反射波功率比例。
参照图4，图中的反射波不仅包含来自上述波导管21与放射线槽天线20的连接部·供电部的反射波，还包含来自等离子体的反射波，但可知在图3B的结构中，反射波的比例不管频率如何都为-2dB左右，近80％的微波被反射，并返回到波导管21和与其连接的微波源。
与之相反，可知在图3A的设置有锥面21At和21Bt的结构中，反射波的比例取决于微波的频率，尤其是等离子体激发中使用的2.4GHz附近的频率下，反射功率为-23dB(约14％)，为最小。
图5表示，使用图3A的天线结构，在图2A的等离子体处理装置10中，在将处理容器11中的内压设定为133Pa(约1Torr)，从上述浇淋板14分别以690SCCM和23SCCM的流量供给Ar和O2，并以1.6kW的功率从上述波导管21向上述放射线槽天线20供给频率为2.45GHz的微波时，通过上述波导管21与微波源之间设置的功率监视器观测到的微波反射系数。因此，图5的反射系数不仅包含上述波导管21与天线20的连接部中的微波反射、还包含处理容器11中上述浇淋板14正下方形成的等离子体的反射效果。
参照图5，可知在使用图3B的连接部结构的情况下，反射波的比例为80％前后(反射系数0.8)时变动大，相反，在使用图3A的结构的情况下，反射波的比例减少到约30％，并且基本一定。在前面的图4中，当认为同轴波导管21与放射线槽天线20的连接部中的反射约为14％左右时，可知图5中的约30％的反射系数包含来自等离子体的反射效果。
图6是表示图2A结构中处理气体供给机构31的结构的仰视图。
参照图6，上述处理气体供给机构31由例如含有Mg的Al合金或添加Al的不锈钢等导电体构成，上述格子形处理气体通路31A在处理气体供给端口31R处连接于上述处理气体注入口11r，从下面形成的多个处理气体喷嘴开口部31B向上述空间11C均匀排放处理气体。另外，在上述处理气体供给机构31中形成使等离子体或等离子体中包含的处理气体通过相邻的处理气体通路31A之间的开口部31C。在由含有Mg的Al合金形成上述处理气体供给机构31的情况下，优选在表面上形成氟化物膜。另外，在由添加Al的不锈钢来形成上述处理气体供给机构31的情况下，优选在表面上形成氧化铝的钝化膜。在本发明的等离子体处理装置10中，因为激发的等离子体中的电子温度低，所以等离子体的入射能量小，从而避免因溅射这种处理气体供给机构31而对被处理基板12产生金属污染的问题。也可由氧化铝等陶瓷来形成上述处理气体供给机构31。
上述格子形处理气体通路31A和处理气体喷嘴开口部31B设置成覆盖比图4中虚线所示的被处理基板12稍大的区域。通过在上述浇淋板14和被处理基板12之间设置这种处理气体供给机构31，对上述处理气体进行等离子体激发，由这种等离子体激发的处理气体可进行均匀的处理。
在由金属等导体形成上述处理气体供给机构31的情况下，通过将上述格子形处理气体通路31A的相互间隔设定得比上述微波的波长还短，上述处理气体供给机构31形成微波的分流面(shunting plane)。此时，仅在上述空间11B中产生等离子体的微波激发，通过从上述激发空间11B扩散到包含上述被处理基板12表面的空间11C中的等离子体，激活处理气体。另外，因为在等离子体点火时防止上述被处理基板12直接曝露出微波，所以还可防止微波对基板的损害。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，通过使用处理气体供给机构31来一样地控制处理气体的供给，所以可消除处理气体对被处理基板12表面的过剩离解问题，即使在被处理基板12的表面上形成纵横比较大的结构的情况下，也可将期望的基板处理执行到这种高纵横比结构的里面。即，微波等离子体处理装置10在设计规则不同的多代半导体器件制造中有效。
图7表示图2A结构中的与同轴波导管21连接的微波源的示意结构。
参照图7，上述同轴波导管从上述振荡部25顺序通过隔离体24、功率监视器23和调谐器22连接于从具有在2.45GHz或8.3GHz下振荡的磁控管25A的振荡部25延伸的波导管端部，在将上述振荡器25形成的微波供给至上述放射线槽天线20的同时，通过上述调谐器22进行阻抗调整，将从等离子体处理装置10中形成的高密度等离子体反射的微波返回给上述放射线槽天线20。另外，上述隔离体24是具有方向性的要素，其作用在于保护上述振荡器25中的磁控管25A不受反射波影响。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，通过在上述同轴波导管21与放射线槽天线20的连接部或供电部形成锥部21At和21Bt，缓和这种连接部中阻抗的突变，结果，抑制了阻抗突变带来的微波反射，另外，可稳定地从上述同轴波导管21向天线20供给微波。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，如图8的变形例所示，可将上述锥面21At和21Bt分别替换成曲面21Ar和21Br。通过形成曲面，可进一步缓和了连接部的阻抗变化，从而进一步有效抑制反射波的形成。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，曝露在源于等离子体的热摩擦中的浇淋板14与冷却部的距离，与图1A、B所示的现有的微波等离子体处理装置相比，大幅度缩短，结果，可在浇淋板和盖板中使用Al2O3等适合作为微波透过窗的、介电损耗小且热传导率也小的材料来代替介电损耗大的AlN，在抑制浇淋板升温的同时，可提高等离子体处理效率，从而提高处理速度。
另外，在本实施例的微波等离子体处理装置10中，因为上述浇淋板14和与其相对的被处理基板12之间的间隔窄，所以含有上述空间11C中基板处理反应结果产生的反应生成物的气体，形成流向上述外周部空间11A的稳定气流，结果，从上述空间11C中迅速去除上述反应生成物。此时，通过将上述处理容器11的外壁保持在150℃左右的温度，可实质上完全去除粘附在处理容器11内壁上的上述反应生成物，上述处理装置10可迅速进行后面的处理。
在本实施例中，虽然举了特定尺寸的数值进行说明，但本发明不限于这些特定的数值。
(实施例2)
图9表示本发明实施例2的同轴波导管21与放射线槽天线20的连接部·供电部的结构。图9中，对先前说明的部分标注相同的参照符号，省略说明。
参照图9，构成上述同轴波导管21的外侧波导管21A与上述放射线槽天线20的主体17直角连接，形成弯曲成直角的连接·供电部。另外，上述内侧导体21B也与槽板16直角连接。
另一方面，在图9的结构中，使用比介电常数大的Al2O3来作为上述滞相板18，并且，在上述外侧波导管21A与内侧导体21B之间，形成比介电常数较小的例如由SiO2构成的环形部件18A，使上述部件18A的一端与上述滞相板18接触。
根据这种结构，在上述同轴波导管21与放射线槽天线20的连接部出现台阶形的阻抗变化，抑制反射波的发生。此时，可最佳确定上述部件18A的长度，使之与上述同轴波导管21和天线20构成天线结构的特性一致。
在图9的实施例中，在上述环形部件18A中，与接触上述滞相板18的第1侧端面相对的第2侧端面接触空气，但如图10的变形例所示，与上述环形部件18A的上述第2端面接触地设置由比介电常数较小的、例如特氟纶构成的其它环形部件18B，也可使连接部中的台阶形阻抗变化时的台阶数增大。
另外，如图11的变形例所示，通过烧结介电常数不同的SiO2粒和Si3N4粒的混合物来构成上述环形部件18A，此时，也可控制上述环形部件18A中的SiO2和Si3N4的组成比中的混合比，其介电常数从上述第1端面向第2端面连续增大。
图12表示本实施例其它变形例的同轴波导管21与放射线槽天线20的连接部的结构。图12中，对先前说明的部分标注相同的参照符号，省略说明。
参照图12，在本变形例中，构成为将上述环形部件18A的第2端面形成锥面，上述环形部件18A的壁厚朝向上述滞相板18直线增大。
在这种结构中，作为上述环形部件18A，在使用Al2O3等与上述滞相板18相同的材料时，上述连接·供电部的阻抗朝向放射线槽天线连续增大，抑制了阻抗突变引起的反射，实现了有效、稳定的微波供给。
在图12的结构中，如图13的变形例所示，上述环形部件18A的锥面也可为弯曲面，对应于上述连接·供电部的特性，上述环形部件18A的壁厚非直线变化。例如，可使上述环形部件18A的壁厚指数函数地增大。
另外，如图14所示，也可将图9的环形部件18A组合成具有先前图3A中说明的锥面21At和21Bt的结构。此时，上述环形部件18A不限于图9所示的，也可组合图9～13中的任一的结构。
(实施例3)
图15表示本发明实施例3的等离子体处理装置10A的结构。图15中，对先前说明的部分标注相同的参照符号，省略说明。
参照图15，在等离子体处理装置10A中，撤去了上述浇淋板14，代之以在上述处理容器11中优选对称地形成多个等离子体气体供给管11p，与上述气体通路11p连通。在本实施例的等离子体处理装置10A中，简化了结构，可大幅度地降低制造费用。
在这种结构的等离子体处理装置10A中，通过在上述放射线槽天线20与同轴波导管21的连接·供电部中形成锥面21At、21Bt，抑制反射波，提高供电效率，抑制反射波引起的异常放电，稳定形成等离子体。另外，在本实施例中，上述连接部的结构不限于图3A所示的，也可使用图8～14中的任一的结构。
(实施例4)
图16表示本发明实施例4的等离子体处理装置10B的结构。图16中，对先前说明的部分标注相同的参照符号，省略说明。
参照图16，在本实施例的等离子体处理装置10B中，撤去上述下段浇淋板31。另外，在保持上述浇淋板14的上述伸出部11b的整个面上形成为圆形。
在这种结构的等离子体处理装置10B中，因为省略了上述下段浇淋板31，所以除等离子体气体外，不能供给处理气体来进行成膜或蚀刻，但通过从上述浇淋板14同时供给等离子体气体和氧化气体或氮化气体，可在被处理基板表面上形成氧化膜、氮化膜或氧氮化膜。
在本实施例中，通过在上述同轴波导管21与放射线槽天线20的连接·供电部中形成锥面21At、21Bt，可抑制反射波，提高供电效率，抑制反射波引起的异常放电，稳定形成等离子体。另外，在本实施例中，上述连接部的结构不限于图3A所示的，也可使用图8～14中的任一的结构。
(实施例5)
另外，本发明的连接·供电结构不限于图2A的等离子体处理装置10或其变形例，也可适用于使用先前图1A、1B说明的现有放射线槽天线的等离子体处理装置100。
图17表示使用本发明的连接·供电结构的本发明实施例5的等离子体处理装置100A的结构。图17中，对先前说明的部分标注相同的参照符号，省略说明。
参照图17，等离子体处理装置10A实质上具有与上述现有等离子体处理装置100相同的结构，但可知在上述同轴波导管110A与放射线槽天线主体110B或槽板11D的连接部中形成与先前的锥面21At或21Bt相同的锥面。
在本实施例中，通过在上述同轴波导管110A与放射线槽天线的连接部中形成锥面，可抑制反射波，提高供电效率，抑制反射波引起的异常放电，稳定形成等离子体。另外，在本实施例中，上述连接部的结构不限于图3A所示的，也可使用图8～14中的任一的结构。
(实施例6)
图18表示含有图2A、B的微波等离子体处理装置10的本发明实施例6的半导体制造装置40的整体结构的剖面图。
参照图18，半导体制造装置40包含设置了具有搬运臂415的自动装置405的真空传送室401，上述微波等离子体处理装置10形成于该真空传送室401的上面。此时，通过由波纹管410包围的升降圆筒406升降自由地形成上述保持台13。在上述保持台13下降的状态下，由上述搬运壁415装卸被处理基板12，在上升的状态下，通过密封件410A，与上述真空传送室401隔断，进行期望的基板处理。
另外，在上述真空传送室410上，在其上面的不同部位形成具备保持被处理基板堆栈404的升降台418的负载固定室402，上述负载固定室402在上述升降台418上升的状态下，通过密封件417，与真空传送室401隔断。另一方面，在上述升降台418下降的状态下，上述被处理基板堆栈404下降到真空传送室401中，上述搬运臂415从上述被处理基板堆栈404拾取基板，或将处理完成的基板返回给被处理基板堆栈404。
在这种结构的半导体制造装置40中，因为被处理基板出入微波等离子体处理装置10不经过侧壁面而在上下方向上完成，所以在处理容器11内轴对称地形成等离子体，另外，因为从轴对称地配置的多个排气端口由多个泵执行处理容器的排气，所以保证均匀的等离子体处理。
图19表示上述处理单元A的排气系统的结构。
参照图19，在上述处理单元A中，处理容器11的各个排气端口11a连接于导管D1，由设置在上述导管D1中的、分别具有图14A、14B所示结构的螺旋槽分子泵P1、P2进行排气。上述螺旋槽分子泵P1、P2的排气侧连接在与上述半导体制造装置40中其它处理单元B、C共同设置的排气管D2上，并且上述排气管D2通过中间增压泵P3与其它同样的半导体制造装置连接到共同连接的排气管D3上。
图20A表示上述螺旋槽分子泵P1、P2的结构。
参照图20A，螺旋槽分子泵具有圆筒形的主体51，在上述主体51的一端形成泵入口，在上述主体51底面附近的侧壁面上形成泵出口。在主体51中，设置如图20B所示的装卸机52，在上述装卸机52上形成不等间距不等倾角螺旋泵52A。不等间距不等倾角螺旋泵52A具有在泵入口侧间距大、朝向出口侧间距减小的结构，另外，与之对应，螺旋泵的倾角也从入口侧朝向出口侧缓慢减少。另外，泵室的体积也从入口侧朝向出口侧缓慢减少。
图20A的螺旋槽分子泵还包含配置在上述装卸机52内的马达53、检测上述装卸机52角位置的角位置检测器54、和与上述角位置检测器54协作的磁铁55，通过电磁机构56将上述装卸机52赋势至出口侧。
这种螺旋槽分子泵具有简单的结构，在从大气压到数mTorr的宽的压力范围内动作，消耗功率小，与现有的螺旋槽分子泵相比，可得到达到320mL/min的泵速。
图21表示图19结构中、用作使上述螺旋槽分子泵P1、P2排气的中间增压泵P3的不等间距不等倾角螺旋泵(GLSP)60的结构。
参照图21，在上述不等间距不等倾角螺旋泵中，在一端形成入口61A、另一端形成出口63A、63B的泵主体61中，按各自的螺旋彼此嵌合的关系来设置分别如图20B所示的螺旋泵间距从入口侧向出口侧缓慢变化的一对螺旋泵装卸机62A、62B，由马达64通过齿轮63A、63B来驱动装卸机62A、62B。
这种结构的不等间距不等倾角螺旋泵60可在从常压到10-4Torr的低压的宽压力范围内工作，可实现达到2500L/min的非常大的流量。
另外，在图19的结构中，经中间增压泵P3由共同的增压泵P4排除来自其它半导体制造装置的排气，可在最有效的工作压力范围内使上述增压泵P4动作，可大幅度地降低消耗功率。
图22表示图18的半导体制造装置40中与各个处理单元A～C协作的气体供给系统的结构。
如前面所述，上述半导体制造装置40通过将微波等离子体处理装置10的处理容器11保持在150℃左右的温度，抑制随着基板处理产生的反应生成物的附着。即，图19的处理单元具有不需要特别的清洗处理就能完成消除前一处理工序的记忆或履历的特征。
因此，使用图19的处理单元，可一边切换等离子体气体和/或处理气体，一边依次执行不同的基板处理工序，因此，需要可迅速切换处理气体的结构的气体供给系统。
参照图22，选自N2、Kr、Ar、H2、NF3、C4F8、CHF3、O2、CO、HBr、SiCl4等中的一或两种气体，通过第1和/或第2流量控制装置FCS1和FSC2后，供给至与设置在上述处理容器11上的上述浇淋板14连通的等离子体气体供给端口11p，另一方面，上述选自N2、Kr、Ar、H2、NF3、C4F8、CHF3、O2、CO、HBr、SiCl4等中的一或多种气体，通过第3～第7流量控制装置FCS3～FCS7后，供给至与上述处理气体供给机构30连通的上述处理气体供给端口11r。
此时，使用在直线形配管70上依次形成控制阀71、压力计72、断流阀73和节流装置74结构的流量控制装置，通过用上述压力计72控制控制阀71，使上述节流装置74下游侧的压力P2小于上述断流阀73上游侧压力P1的一半(P1≥2P2)，可以以规定的流量瞬时供给处理气体。这是因为在流量控制装置内不存在不能控制流量的死角。
因此，通过在图22的气体供给系统中使用图23的流量控制装置，可对应于上述处理单元中的基板处理种类来瞬时切换等离子体气体或处理气体。
再有，在上述半导体制造装置40中，除先前说明的等离子体处理装置10外，还可使用变形例的等离子体处理装置或其它实施例的等离子体处理装置10A、10B。
本发明不限于上述特定实施例，在权利要求范围中记载的本发明的主旨内可进行各种变形、变更。
产业上的可利用性
根据本发明，对于微波等离子体处理装置，可缓和供电微波的同轴波导管与将微波放射到等离子体处理装置的处理容器中的微波天线之间的连接部中的阻抗变化，结果，抑制这种连接部中的反射波的形成，提高供电效率，另外，抑制反射波引起的异常放电，可在处理容器中形成稳定的等离子体。

Claims (35)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于：
由：通过外壁围成、并具备保持被处理基板的保持台的处理容器；
与所述处理容器连接的排气系统；
在所述处理容器上面对所述保持台上的被处理基板设置的作为所述外壁一部分的微波透过窗；
向所述处理容器中供给等离子体气体的等离子体气体供给部；
在所述处理容器上对应于所述微波设置的微波天线；和
与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线由：连接于所述微波电源、由内侧导体芯和包围该内侧导体芯的外侧导体管构成的同轴波导管；以及设置在所述同轴波导管前端的天线主体；构成，
所述天线主体由：与所述微波透过窗结合并形成微波辐射面的第1导体面；以及隔着电介质板并与所述第1导体面相对向、在所述电介质板的外周部且与所述第1导体面连接的第2导体面；构成，
所述内侧导体芯通过第1连接部与所述第1导体面连接，
所述外侧导体管通过第2连接部与所述第2导体面连接，
所述第1连接部形成所述内侧导体芯的外径朝向所述第1导体面增大的第1锥部，
所述第2连接部形成所述外侧导体管的内径朝向所述第1导体面增大的第2锥部。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述内侧导体芯的外面和所述外侧导体管的里面之间的间隔，朝向所述第1导体面增大。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述第1锥部由第1弯曲面围成，所述第2锥部由第2弯曲面围成。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述内侧导体芯和所述外侧导体管之间的空间中，在所述第1端面上与所述电介质板相邻接地设置由第1端面和与所述第1端面相对向的第2端面围成的电介质部件，所述电介质部件具有比所述电介质板的比介电常数小、比空气大的比介电常数。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：使所述电介质部件的组成从所述第1端面变化至所述第2端面。
6.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质板由氧化铝、氧化硅、氧氮化硅和氮化硅之一构成，所述电介质部件由氧化硅构成。
7.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述内侧导体芯和所述外侧波导管之间的空间，与所述电介质部件的所述第2端面相邻接地设置具有比所述电介质部件的比介电常数小、比空气大的比介电常数的其它电介质部件。
8.根据权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件由氧化硅构成，所述其它电介质部件由特氟纶构成。
9.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的所述第2端面形成锥面，所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而减少。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而直线地减少。
11.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而指数函数地减少。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部由紧贴于所述微波透过窗的内侧设置的、由透过微波的材料构成并具有可连接于等离子体气体源的等离子体气体通路和与其连通的多个开口部的浇淋板构成。
13.根据权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述微波透过窗和所述浇淋板由氧化铝构成。
14.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部设置在所述处理容器的外壁上。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部由设置在所述处理容器外壁上的管构成。
16.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：将所述微波天线设置成所述第1导体面与所述微波透过窗接触。
17.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：将所述微波天线设置成所述第1导体面离开所述微波透过窗。
18.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述处理容器中，在所述被处理基板和所述等离子体气体供给部之间面对所述被处理基板设置处理气体供给部，在所述处理气体供给部形成使在所述处理容器中形成的等离子体通过的第1开口部和供给处理气体的第2开口部，所述第2开口部与形成于所述处理气体供给部并连接于处理气体源的处理气体通路连通。
19.一种等离子体处理装置，其特征在于：
由：通过外壁围成、并具备保持被处理基板的保持台的处理容器；
与所述处理容器连接的排气系统；
在所述处理容器上面对所述保持台上的被处理基板设置的作为所述外壁一部分的微波透过窗；
向所述处理容器中供给等离子体气体的等离子体气体供给部；
在所述处理容器上对应于所述微波设置的微波天线；和
与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线由：连接于所述微波电源、由内侧导体芯和包围该内侧导体芯的外侧导体管构成的同轴波导管；以及设置在所述同轴波导管前端的天线主体；构成，
所述天线主体由：与所述微波透过窗连接并形成微波辐射面的第1导体面；以及隔着由第1电介质材料构成的电介质板并与所述第1导体面相对向、在所述电介质板的外周部且与所述第1导体面连接的第2导体面；构成，
所述内侧导体芯通过第1连接部与所述第1导体面连接，
所述外侧导体管通过第2连接部与所述第2导体面连接，
在所述内侧导体芯和所述外侧导体管之间的空间，在所述第1端面上与所述电介质板相邻接地设置由第1端面和与所述第1端面相对向的第2端面围成的电介质部件，所述电介质部件具有比所述电介质板的比介电常数小、比空气大的比介电常数。
20.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述第1连接部中，所述内侧导体芯实质上直角连接在所述第1导体面上。
21.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述第2连接部中，所述外侧导体芯实质上直角连接在所述第2导体面上。
22.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：使所述电介质部件的组成从所述第1端面变化至所述第2端面。
23.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质板由氧化铝、氧化硅、氧氮化硅和氮化硅之一构成，所述电介质部件由氧化硅构成。
24.根据权利要求21所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述内侧导体芯和所述外侧波导管之间的空间中，与所述电介质部件的所述第2端面相邻接地设置具有比所述电介质部件的比介电常数小、比空气大的比介电常数的其它电介质部件。
25.根据权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件由氧化硅构成，所述其它电介质部件由特氟纶构成。
26.根据权利要求21所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的所述第2端面形成锥面，所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而减少。
27.根据权利要求26所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而直线地减少。
28.根据权利要求26所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述电介质部件的外径随着远离所述第1端面而指数函数地减少。
29.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部由紧贴于所述微波透过窗的内侧设置的、由透过微波的材料构成并具有可连接于等离子体气体源的等离子体气体通路和与其连通的多个开口部的浇淋板构成。
30.根据权利要求29所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述微波透过窗和所述浇淋板由氧化铝构成。
31.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部设置在所述处理容器的外壁上。
32.根据权利要求31所述的等离子体处理装置，其特征在于：所述等离子体气体供给部由设置在所述处理容器外壁上的管构成。
33.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：将所述微波天线设置成所述第1导体面与所述微波透过窗接触。
34.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：将所述微波天线设置成所述第1导体面离开所述微波透过窗。
35.根据权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：在所述处理容器中，在所述被处理基板和所述等离子体气体供给部之间面对所述被处理基板设置处理气体供给部，在所述处理气体供给部形成使在所述处理容器中形成的等离子体通过的第1开口部和供给处理气体的第2开口部，所述第2开口部与形成于所述处理气体供给部并连接于处理气体源的处理气体通路连通。
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