CN1630026A - 微波激励的等离子体处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波激励的等离子体处理设备,它具有宽的电压范围和宽的可应用的电功率范围,用于正常放电,其使用通过矩形波导切割的并具有这样的轮廓的缝隙,所述轮廓使得在微波天线的下方的微波引入窗口的正下方能够均匀地形成微波的电场和磁场。所述微波激励的等离子体处理设备的特征在于,具有通过被保持和所述微波引入窗口接触的所述波导的壁切割的4个缝隙,所述4个缝隙分别沿着基本上是正方形的4个边设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造半导体器件的等离子体处理设备。
背景技术
常规的由微波天线辐射微波并利用所述微波照射处理气体以便产生所述气体的等离子体并使产生的等离子体在一个预定的处理操作期间作用到用于制造半导体器件的硅衬底上的技术包括:利用具有一个或一个以上的缝隙的微波波导的技术,以及适用于向具有同轴设置的缝隙的盘馈入微波的技术(见专利文件1:日本专利申请公开9-129613,和专利文件2:日本专利申请公开11-111620)。
图1表示在专利文件1中所述的常规的微波天线。这种微波天线包括具有底部B和反射表面C的波导A。通过波导A的底部B切割出一对缝隙D,使得呈现具有朝向波导A的反射平面C逐步变窄的宽度的轮廓,以便使得由反射表面C反射的反射波和入射波能够产生被均匀地同步的波。
图2表示在专利文件2中所述的另一种常规的微波天线。其是一种放射线槽天线。这种放射线槽天线具有许多同轴设置的槽E,由所述槽E产生的圆形极化的微波被引入真空室中,使得借助于微波的电场产生并激励等离子体。
本发明的发明人实际制备了按照专利文件1和2所述的天线,并操作这些天线,以便通过实验观察它们如何运行。实验结果发现,对于正常的放电,两种天线可被驱动只在一个窄的电压范围和窄的可应用的电功率范围内操作,如下面表1和表2所示。表1和表2综合示出了通过使用按照专利文件1的微波天线和按照专利文件2的微波天线分别获得的实验结果。
表1
施加的电功率/电压 | 20Pa | 50Pa | 90Pa |
1.0kW | × | × | ○ |
1.5kW | ○ | ○ | × |
1.8kW | ○ | × | × |
2.0kW | × | × | × |
N.B:○指示允许正常放电。
×表示因为大的反射波而不允许正常放电。
表2
施加的电功率/电压 | 20Pa | 50Pa | 90Pa |
1.0kW | × | × | ○ |
1.5kW | × | × | ○ |
1.8kW | × | × | ○ |
2.0kW | × | × | × |
N.B:○指示允许正常放电。
×表示因为大的反射波而不允许正常放电。
导致窄的电压范围和窄的可应用的电功率范围的原因可能是,由于微波的不平衡的电磁场而引起反射波/行进波的大的电压驻波比(VSWR),这在微波引入窗口的正下方可以发现。因此,通过模拟确定了在专利文件1、2中所述的微波天线下面的微波引入窗口正下方发现的电磁场。结果发现,电磁场的局部浓度和不对称性如图3A,3B,3C,3D以及图4A,4B,4C,4D所示。
发明内容
因此,由上述的情况看来,本发明的目的在于提供一种微波激励的等离子体处理设备,借助于使用通过矩形波导切割的并具有一定轮廓的缝隙,所述微波激励的等离子体处理设备具有用于正常放电的宽的电压范围和宽的可应用的电功率范围,所述轮廓使得能够在微波天线下方的微波引入窗口的正下方均匀地形成微波的电场和磁场。
按照本发明,上述目的通过提供一种微波激励的等离子体处理设备实现了,所述设备包括:真空室,其具有通过其顶壁形成的孔,被设置在所述孔的下方的处理台,用于保持要在其上处理的衬底,以及被设置在所述顶壁的所述孔的上方的微波引入窗口,使得保持所述真空室的内部为真空;
气体供应管路,用于向真空室供应处理气体;
抽气系统,用于抽空所述真空室的内部,从而维持所述真空室为真空;以及
被设置在所述微波引入窗口上并和微波引入窗口接触的矩形波导,所述矩形波导具有垂直于其中的微波的行进方向设置的端面,其特征在于,在被保持和所述微波引入窗口接触的所述波导的壁上提供有4个缝隙,所述4个缝隙分别沿着四边形的4个边沿被设置,每个缝隙或者平行于或者垂直于微波行进方向延伸。
在按照本发明的微波激励的等离子体处理设备中,每个所述缝隙可以是椭圆形的。
在按照本发明的微波激励的等离子体处理设备中,最接近矩形波导的端面的缝隙的中心可以被设置在这样一个位置,所述位置被限定离开矩形波导中的端面的距离等于微波的波长(λg)的n/2(n是整数),并且和最接近波导中的端面的缝隙相对的缝隙的中心可以被设置在这样一个位置,所述位置被限定离开最接近矩形波导中的端面的缝隙的距离等于微波的波长(λg)的m/2(m是整数)。
在按照本发明的微波激励的等离子体处理设备中,每个缝隙的主轴线可以被规定为等于真空中的微波的波长(λ0)的k/2(k是整数)。
在按照本发明的微波激励的等离子体处理设备中,所述矩形波导配备有垂直于微波的传播方向在矩形波导内设置的一个端面,以便反射微波,并借助于形成通过和微波引入窗口保持接触的波导的壁的4个缝隙来形成微波天线,所述4个缝隙分别沿着四边形的4个侧壁被设置,每个缝隙或者平行于或者垂直于微波传播方向延伸。利用这种结构,可以减少VSWR,并获得大的处理裕度。
附图说明
图1是表示常规的微波天线的主要部分的示意的横截面图;
图2是表示另一种常规的微波天线的示意的平面图;
图3A是表示作为微波天线的电磁场模拟的结果而获得的图1的已知的微波天线的电磁场的示意的截面图;
图3B是表示作为图1的常规微波天线的电磁场模拟的结果而获得的微波引入窗口正下方的磁场的示意图;
图3C是表示作为微波天线的电磁场模拟结果而获得的图1的已知微波天线的电场的截面图;
图3D是表示作为图1的常规微波天线的电磁场模拟结果而获得的在微波引入窗口正下方的电磁场的示意图;
图4A是表示作为微波天线的电磁场模拟的结果而获得的图1的常规的微波天线的电磁场的示意的截面图;
图4B是表示作为图2的常规微波天线的电磁场模拟的结果而获得的微波引入窗口正下方的磁场的示意图;
图4C是表示作为微波天线的电磁场模拟结果而获得的图2的常规微波天线的电场的截面图;
图4D是表示作为图2的常规微波天线的电磁场模拟结果而获得的在微波引入窗口正下方的电磁场的示意图;
图5是表示本发明的实施例的示意的截面图;
图6是表示作为图5的等离子体处理设备的实施例的主要部分的微波天线的示意的平面图;
图7A是表示作为微波天线的电磁场模拟结果而获得的图6的微波天线的磁场的示意的截面图;
图7B是表示作为图6的微波天线的电磁场模拟结果而获得的微波引入窗口正下方的磁场的示意图;
图7C是表示作为微波天线的电磁场模拟结果而获得的图6的微波天线的电场的示意的截面图;以及
图7D是表示作为图6的微波天线的电磁场模拟结果而获得的在微波引入窗口正下方的电场的示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明,所述附图表示本发明的优选实施例。
图5表示按照本发明的实施例的微波激励的等离子体处理设备。
参见图5,标号1表示真空室,所述真空室1具有通过其顶壁形成的孔2。处理台4被设置在孔2的下方的真空室1内和孔2相对的位置,以便在其上承载要被处理的对象3。要被处理的对象3在这个实施例中是用于制造半导体器件的硅晶片。处理台4的内部具有一个加热机构和静电吸收机构(二者均未被示出),使得被处理的对象3可以被加热到一个预定的温度。
在图5中,标号5表示抽真空的系统,用于抽空真空室1的内部,从而形成真空,并保持其内部压力为一个适用于对要处理的对象3进行处理的压力值,标号6表示气源管路,用于向真空室1内供应处理气体。抽真空系统5借助于组合涡轮分子泵和干燥泵而成,并配备有可变的传导阀,使得能够在可变的排气量下对真空室1抽气。在处理操作期间,借助于控制排气流量和从气源管路6流入的处理气体的流量,可以把所需气体的压力值保持在20和90Pa之间。
微波引入窗口7被设置在真空室1的顶壁的孔2的上方,在其间设置有环形密封件8,使得真空室1的内部保持真空。微波引入窗口7在所示的实施例中由石英制成。在图5中,标号9表示矩形的波导,其具有作为反射端10操作的封闭的端部。在和矩形波导9的反射端10相对的端部,设置有法兰11,用于连接所述波导和一些其它的波导,使得其可以和一个波导相连,以便从微波功率源(未示出)传递微波。矩形波导9具有环形法兰12,所述环形法兰12借助于绝缘装配件13装配到真空室1上。
保持和微波引入窗口7接触的矩形波导9的底部的一部分具有4个椭圆形缝隙14。换句话说,缝隙14暴露于被设置在真空室1的上方的微波引入窗口7。如图6所示,4个缝隙14沿着矩形的各个边被设置,以便由在真空室1内的微波引入窗口7的表面上的微波产生均匀的电磁场。因而,这样便构成了微波天线。
每个缝隙14的主轴线被限定等于真空中的微波的波长(λ0)的1/2。利用这种结构,从微波天线发出的微波无损失地朝向矩形波导的外部行进。按照规定每个缝隙14的次轴线小于其较长的轴线,并使其等于15毫米,使得微波天线的辐射效率最大。
每个缝隙14具有椭圆的轮廓,并且没有任何拐角,以便消除任何的传播损失并在制造微波天线的过程中实现高的机加工效率。在4个缝隙14当中,位于距离端面或微波天线9的反射平面10最近的一个被设置在这样一个位置,在此位置,其中心轴线和反射平面10由等于矩形波导9中的微波的波长(λg)的n/2(n是一个整数)的距离分开。利用这种结构,缝隙的位置和矩形波导9中的TE 10模式的微波磁场的驻波的峰值相适合,使得微波以高的效率被辐射。
其主轴线垂直于微波的行进方向的一对槽14相互分开一个等于矩形波导9中的微波的波长(λg)的m/2的距离(m是一个整数)。其主轴线平行于微波的行进方向延伸的一对缝隙根据矩形波导9的尺寸被设置。
在图6所示的实施例的情况下,微波天线的矩形波导9被制成具有96毫米的宽度。因而,缝隙14的主轴线被制成61毫米长,或等于真空中的微波的波长(λ0)的1/2。从反射端10到距离反射端10最近的缝隙14的距离被制成等于79毫米,或等于在矩形波导中的微波波长(158毫米)的1/2。这个缝隙也由79毫米和相对设置的缝隙分开。垂直于这些缝隙14的一对缝隙,或者其主轴线平行于微波行进方向的一对缝隙14彼此用这种方式分开,使得缝隙的中心之间的距离接近波长的1/2,并且缝隙的外边沿分别和矩形波导9的相应的内壁表面呈直线。
图7A,7B,7C,7D表示由模拟获得的由本实施例的微波天线产生的磁场,所述微波天线的主要部分如图6所示。由图可见,电场和磁场具有最小的不对称,并呈现均匀的分布。下面表3表示借助于使用本实施例的微波天线实际测量的VSWR的值和通过使用专利文件1、2所述的现有技术的微波天线观测的相应的值的比较。
表3
微波天线的类型 | 实际测量的VSWR |
专利文件1的现有技术的微波天线 | 3.9 |
专利文件2的现有技术的微波天线 | 8.9 |
本发明的微波天线 | 1.5 |
由表3可以清楚地看出,本发明的微波天线的VSWR最小,因而本发明的微波天线能够更有效地辐射微波能量。
在实验中,用于制造半导体器件的硅晶片,或者处理的对象3,被加热到250℃,并借助于气体流量控制系统(未示出)利用气体供应管路6以300sccm的流量流入H2O气体。
在本实验的实际的处理操作中,硅晶片或处理对象3,其上已经涂覆有预定厚度的抗蚀剂,被置于真空室1中,并被置于处理台4上。然后,把处理气体从气体供应管路6引入真空室1内,与此同时,借助于调节抽气系统的抽气速率,真空室1的内部压力被保持为20Pa。
此后,从微波能源对微波天线施加1.5kW的功率大约20秒钟。
取出所述晶片,并测量抗蚀剂膜的厚度的减少,以便计算灰化速率和所述灰化速率在硅晶片上的分布。在相同条件下使用专利文件1和2中所述的现有技术的微波天线进行类似的实验,对获得的结果进行比较。表4综合地示出了所述结果。
表4
微波天线的类型 | 灰化速率 | 灰化分布(±%) |
专利文件1的现有技术微波天线 | 936 | 13 |
专利文件2的现有技术微波天线 | 1782 | 17 |
本发明的微波天线 | 2628 | 9 |
由表4可以清楚地看出,本发明的微波天线提供了高的灰化速率和灰化速率的均匀的分布。
借助于使用上述的微波天线并使用Ar气体作为处理气体,改变压力和施加的微波功率,观测了处理裕度。表5综合地示出了获得的结果。
表5
施加的电功率/电压 | 20Pa | 50Pa | 90Pa |
1.0kW | ○ | ○ | ○ |
1.5kW | ○ | ○ | ○ |
1.8kW | ○ | ○ | × |
2.0kW | × | ○ | × |
N.B.:○表示允许正常放电。
×表示因为大的反射波而不允许正常放电。
由表5可以清楚地看出,使用按照本发明的微波天线,允许正常放电的参数值的范围被加宽了,因而加宽了处理裕度。
虽然所述的实施例的微波引入窗口由石英制成,但是按照本发明的微波激励的微波激励的等离子体处理设备的微波引入窗口可以由任何材料制成,只要其能够传递微波并保持真空室内的真空度。
虽然在上述的实验中使用H2O气体和Ar气体,但是可以用作按照本发明的微波激励的等离子体处理设备的处理气体的气体类型不限于此。
虽然缝隙通过所示的实施例的矩形波导被直接地切割,但是也可以通过环形法兰切割所述缝隙,并对其提供U形的盖,以便使其具有和矩形波导的尺寸相同的尺寸。
当使用形成膜的原始材料气体时,本发明可用于等离子体CVD系统的领域。本发明也可用于使用反应气体的刻蚀器或表面重整机构。总之,作为通过根据矩形波导切割的缝隙的轮廓和位置而进行的改进的结果,按照本发明的微波激励的等离子体处理设备具有宽的应用范围,并提供宽的处理裕度。
Claims (4)
1.一种微波激励的等离子体处理设备,用于从微波天线辐射微波并利用微波照射处理气体,以便产生所述气体的等离子体,并使产生的等离子体作用到衬底(3)上,所述设备包括:
真空室(1),其具有穿过其顶壁形成的孔(2),被设置在所述孔(2)的下方的用于保持衬底(3)的处理台(4),以及被设置在所述顶壁的所述孔(2)的上方的微波引入窗口(7),使得保持所述真空室的内部为真空,
气体供应管路(6),用于向所述真空室(1)供应处理气体,
抽气系统(5),用于抽空所述真空室(1)的内部,从而维持所述真空室为真空;以及
被设置在所述微波引入窗口(7)上并和微波引入窗口(7)接触的矩形波导(9),所述矩形波导具有垂直于其中的微波的行进方向设置的端面(10),
其特征在于,
在被保持和所述微波引入窗口(7)接触的所述波导(9)的壁上提供有4个缝隙(14),用于形成微波天线,
所述4个缝隙(14)分别沿着四边形的4个边沿被设置,以及
每个缝隙(14)或者平行于或者垂直于微波行进方向延伸。
2.如权利要求1所述的微波激励的等离子体处理设备,其特征在于,
每个所述缝隙(14)是椭圆形的。
3.如权利要求1所述的微波激励的等离子体处理设备,其特征在于,
最接近所述矩形波导(9)的端面(10)的缝隙(14)的中心被设置在这样一个位置,所述位置被限定离开矩形波导(9)中的端面(10)的距离等于微波的波长(λg)的n/2(n是整数),并且位于和最接近波导中的端面的缝隙(14)相对的位置上的缝隙的中心被设置在这样一个位置,所述位置被限定离开最接近矩形波导(9)中的端面的缝隙(14)的距离等于微波的波长(λg)的m/2(m是整数)。
4.如权利要求1或2所述的微波激励的等离子体处理设备,其特征在于,
每个缝隙的主轴线被规定为等于真空中的微波的波长(λ0)的k/2(k是整数)。
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