CN1630030B - 等离子体处理装置及半导体制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用放射线槽天线的微波等离子体处理装置，使放射线槽天线辐射面与构成处理室外壁的一部分，贴紧在与浇淋板贴紧的盖板上，在放射线槽天线上还通过设置冷却器，以便吸收于厚度方向在处理室外壁中流过的热流，从而使浇淋板的冷却效率最佳化，同时使微波激励效率最佳化。

Description

等离子体处理装置及半导体制造装置
本案是申请日为2002年3月28日、申请号为02800922.3(PCT/JP02/03110)、发明名称为等离子体处理装置以及半导体制造装置的分案申请。
技术领域
本发明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，对于近年来被称为“超亚微元件(deep submicron)”或“超亚四分之一微元件(deep subquartermicron)”的具有接近0.1微米或小于0.1微米栅极长度的超细微化半导体器件的制造、或包括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来说，目前使用各种各样的等离子体激发方式，但通常使用的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，所以存在难以用高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，还具有处理室壁的溅射引起的金属污染大等几个本质问题。因此，通过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宽区域附近实现高的等离子体密度，并可在短时间内进行均匀的等离子体处理。而且，由这种方法形成的微波等离子体通过微波激发等离子体，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，所以也可容易地适应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、图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。其中，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、即相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，通过上述空间101A和排气端口116可使上述处理室101均匀地排气.
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外壁的一部分、由低损耗电介质构成、并形成多个开口部107的板形浇淋板103，而且在上述浇淋板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体气体的通路104，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106，从上述供给通路106通过上述通路104向上述开口部107供给已供给至上述等离子体气体供给端口105的Ar或Kr等的等离子体气体，以实质上同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，从上述盖板102离开4～5mm设置具有图1B所示的放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连接于外部的微波源(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的放射面之间的间隙。
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、以及形成于上述天线主体110B的开口部中、并形成图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。于是，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，并彼此相互垂直，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。
在图1的等离子体处理装置100中，还在上述处理容器101中的上述浇淋板103和被处理基板114之间，形成导体结构物111，该导体结构物111形成有从外部处理气体源(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。
于是，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，在上述空间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的元件结构、另外不污染基板地进行同样的等离子体处理.另一方面，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.
可是，在使用这种放射线槽天线110的等离子体处理装置100中，由于在前述空间101B上形成的等离子体密度达到1012/cm3的量级，所以浇淋板103暴露在构成前述高密度等离子体的大量离子以及电子下，由这些离子以及电子加热。源于这样的离子以及电子的热通量也达到1～2W/cm2。而且，为了在前述等离子体处理装置100中，抑制向处理室101附着堆积物，大都使处理室101的器壁保持150℃左右的温度运行，这样的处理室101的加热结果，由电介质材料构成的前述浇淋板103以及盖板102中积蓄热量，产生非常大的温度分布。
图2示出在前述处理室101的器壁温度为150℃，热在1W/cm2的通量下从在前述空间101B中形成的高密度等离子体流入前述浇淋板103时，在前述浇淋板103中形成的温度分布。浇淋板103的厚度为25mm。
参照图2，作为前述浇淋板103使用导热率1.4W/m·K的石英玻璃时，浇淋板中心温度远远超过600℃，如果考虑温度差所导致的热畸变，则认为这样的浇淋板不耐实用。此外，在由导热率1.5W/m·K的Al2O3形成的浇淋板或由导热率30W/m·K的热等静压法(HIP)形成的Al2O3浇淋板时，浇淋板中心部的温度也大于450℃或大于300℃，可以看到有非常大的热畸变加在前述浇淋板103上。在这样高的温度下，即使作为等离子体气体使用分解温度低的气体，也会由于分解而不能使用。
与此相反，作为前述浇淋板103使用AlN时，由于导热率160W/m·K非常大，所以热在前述浇淋板103中沿径向散逸，可以看出由热的积蓄引起浇淋板103中心的温度上升是微小的。
根据这样的理由，在按照现有方式使用图1的放射线槽天线的等离子体处理装置100中，作为前述浇淋板103以及盖板使用AlN。
可是AlN是介电损耗大的材料，由于用tanδ表示的介电损耗值为3×10-3左右，所以使用AlN形成浇淋板103以及盖板102时，从天线辐射的微波产生实质上的损失，不能有效地激励等离子体。即：在图1所示的现有的等离子体装置100中，伴随着AlN在浇淋板103及盖板102中的使用，出现所谓等离子体的激励效率不充分的问题。因此，在现有的等离子体装置100中，存在需要大输出的微波源，且等离子体的点火困难的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供解决上述问题的新颖有用的等离子体处理装置。
本发明的更具体的任务是在使用放射线槽天线，激励等离子体的等离子体处理装置中，提高冷却效率，同时提高等离子体的激励效率。
本发明的其它的任务是提供具有以下特征的等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的所述第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，按与所述盖板贴紧的方式设置的微波天线；以及
与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线由与所述等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成。
根据本发明，例如通过使放射线槽天线等的微波天线与由浇淋板和盖板形成也作为微波透过窗起作用的等离子体气体供给部贴紧，使通过向厚度方向的热传导，可冷却前述浇淋板以及盖板，大大提高微波等离子体处理装置的冷却效率。所述冷却效率提高的结果，实质上减轻向前述浇淋板以及盖板的热积蓄，其结果，作为浇淋板以及盖板即使使用介电损耗小的Al2O3等的材料，也不会使浇淋板的温度过多地上升。即：在本发明使用的放射线槽天线的微波等离子体处理装置中，通过使用适合于微波透过窗且介电损伤小的材料作为浇淋板以及盖板，可以兼顾高冷却效率和高等离子体激励效率的要求。
本发明的其它任务是提供一种微波处理装置，其由：用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的所述第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，夹持所述盖板地在相反侧设置的微波天线；以及
与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线和所述等离子体气体供给部的盖板之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
根据本发明，在前述微波天线和前述等离子体气体供给部的盖板之间，与前述槽板中的槽对应，并且，由于作为介电体的盖板表面上存在的微细凹凸等原因产生间隙，然而，在本发明中，通过在所述间隙中封入传热性气体，可以促进所述间隙中的热传输，可以避免局部过热等问题。即：即使在不与构成前述微波天线和微波透过窗的盖板贴紧的结构中，本发明也是有效的。其间，通过在比大气压低的压力下封入前述传热性气体，使用大气压能够可靠地将前述微波天线推压到前述微波等离子体气体供给部，其结果，可使前述微波天线可靠地贴紧在前述微波等离子体气体供给部。作为前述传热性气体，可以进一步有效地抑制前述槽板中槽部的放电，所以优选离子化能量大的He。作为前述传热性气体使用He时，优选封入约0.8atm的He。
本发明的其它任务是提供一种微波等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的所述第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，贴紧地设置在所述盖板上的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述浇淋板和所述保持台上的被处理基板之间、形成使在所述浇淋板正下方形成的等离子体通过所述保持台上的被处理基板方向的开口部的处理气体供给部；构成，
所述微波天线由与所述等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成。
本发明的微波等离子体处理装置优选在前述浇淋板和前述保持台上的被处理基板之间，设置形成使在所述浇淋板正下方形成的等离子体通过所述保持台上的被处理基板方向的开口部的处理气体供给部。通过由所述处理气体供给部供给与前述等离子体气体不同的处理气体，使前述被处理基板表面在高处理速度下有效地实行均匀的等离子体CVD处理。此外，通过在前述保持台上设置电连接的高频电源，驱动这样的高频电源，同时，通过由前述气体处理供给部提供蚀刻气体，可进行等离子体蚀刻。
本发明的其它任务是提供一种微波处理装置，其由：用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，夹持所述盖板地在相反侧设置的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述浇淋板和所述保持台上的被处理基板之间、形成使在所述浇淋板正下方形成的等离子体通过所述保持台上的被处理基板方向的开口部的处理气体供给部；构成，
所述微波天线和所述等离子体气体供给部的盖板之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
本发明的其它任务是提供一种等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；以及
与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线具有微波辐射面，按所述微波辐射面与所述微波透过窗相接触的方式进行设置.
根据本发明，为了在处理室中导入等离子体气体，不一定必须使用前述浇淋板，在处理室外壁的一部分上与处理室内的被处理基板相对地形成微波透过窗，也可以与微波天线紧贴、连接。即，即使在这样的结构中，通过微波天线有可能有效地除去从激励等离子体入射至前述微波透过窗的热。
本发明的其它任务是提供一种等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；以及与所述微波天线电连接的微波电源；构成，
所述微波天线的微波辐射面和微波透过窗之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
本发明的其它任务是提供一种等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述微波透过窗和所述保持台上的被处理基板之间、形成使在所述微波透过窗附近形成的等离子体通过所述保持台上的被处理基板方向的开口部的处理气体供给部；构成，
所述微波天线具有微波辐射面，按所述微波辐射面与所述微波透过窗相接触的方式进行设置。
根据本发明，为了向处理室中导入等离子体气体，不一定必须使用前述浇淋板，在处理室外壁的一部分上与处理室内的被处理基板相对地形成微波透过窗，也可与微波天线贴紧、连接。即：即使在这样的结构中，通过微波天线也有可能有效地去除从激励的等离子体入射至前述微波透过窗上的热。
本发明的其它任务是提供一种等离子体处理装置，其由：用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述微波透过窗和所述保持台上的被处理基板之间、形成使在所述微波透过窗附近形成的等离子体通过所述保持台上的被处理基板方向的开口部的处理气体供给部；构成，
所述微波天线的微波辐射面和微波透过窗之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入导热性气体。
本发明的其它特征及优点边参照以下附图，边通过发明的优选实施方式进行说明。
附图说明
图1A、1B是示出使用现有放射线槽天线的微波等离子体处理装置的结构图；
图2是说明在图1的微波等离子体处理装置中产生的问题点的图；
图3A、3B是示出本发明第1实施例的微波等离子体处理装置的结构图；
图4是示出图3A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5是详细示出图3A的微波等离子体处理装置的放射线槽天线和处理容器的接合部附近的图；
图6是示出与图3A的微波等离子体处理装置连接的微波电源的结构图；
图7是示出本发明一变形例的微波等离子体处理装置的结构图；
图8是示出本发明另一变形例的微波等离子体处理装置的结构图；
图9是示出本发明另一变形例的微波等离子体处理装置的结构图；
图10是示出本发明第2实施例的微波等离子体处理装置的结构图；
图11是示出对本发明第3实施例的微波等离子体处理装置构成的图；
图12是示出使用图3A、图3B的微波等离子体处理装置的本发明的第4实施例的半导体制造装置的结构图；
图13是示出图12的半导体制造装置的排气系统的结构图；
图14是示出在图13的排气系统中使用的螺旋槽型分子泵的结构图；
图15是示出在图13的排气系统中使用的不同间距、不等倾角的螺旋型泵的结构图；
图16是示出在图13的处理单元中使用的气体供给系统的结构图；
图17是示出在图16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
以下列举本发明的实施例，详细加以说明。
[第1实施例]
图3A，图3B示出本发明第1实施例的微波等离子体处理装置10的结构图。
参照图3A，前述微波等离子体处理装置10包含处理容器11和在前述处理容器11内设置、由静电卡盘保持被处理基板12、优选由热等静压法(HIP)形成的AlN或Al2O3构成的保持台13；在前述处理容器11内包围前述保持台13的空间11A内等间隔地，即相对于前述保持台13上的被处理基板12大体呈轴对称关系，在至少2处，优选在3处以上，形成排气孔11a.前述处理容器11经这样的排气孔11a通过随后说明的不等间距、不等倾斜角的螺旋型泵排气、减压.
前述处理容器11优选由含有Al的奥氏体不锈钢构成，通过在内壁面氧化处理，形成由氧化铝构成的保护膜。此外，在前述处理容器11的外壁中与前述被处理基板12对应的部分上，作为前述外部的一部分形成盘状浇淋板14，该浇林板利用由HIP法形成的致密Al2O3构成，形成多个喷嘴开口部14A。由所述HIP法形成的Al2O3浇淋板14使用Y2O3作为烧结助剂而形成，气孔率在0.03％以下，实质上不含孔或气泡，达到30W/m·K的、不及AlN的值，但作为陶瓷具有非常大的热传导率。
前述浇淋板14经密封环11s安装在前述处理容器11上，此外，在前述浇淋板14上经密封环11t设置由同样的HIP处理形成的致密Al2O3构成的盖板15。在前述浇淋板14与前述盖板15相接一侧，连通各个前述喷嘴开口部14A，形成等离子体气体流路的凹部14B，前述凹部14B在前述浇淋板14的内部形成，连通在形成于前述处理容器11外壁上的等离子体气体入口11p上的其它等离子体气体流路14C上。
前述浇淋板14由在前述处理容器11的内壁上形成的伸张部11b保持，在前述伸张部11b中在保持前述浇淋板14的部分形成用于抑制异常放电的圆形。
因此，供给前述等离子体气体入口11p的Ar或Kr等的等离子体气体顺序通过前述浇淋板14内部的流路14C及14B之后，经前述开口部14A一样提供给前述浇淋板14正下方的空间11B中。
在前述盖板15上，设置放射线槽天线20，它由：与前述盖板15贴紧、形成如图3B所示的多个槽16a、16b的圆盘状槽板16；保持前述槽板16的圆盘状天线主体17；夹持在前述槽板16和前述天线主体17之间的由Al2O3，SiO2或Si3N4的低损耗电介质材料构成的滞相板18构成。前述放射线槽天线20经密封环11u安装在前述处理容器11上，并向前述放射线槽天线20上经同轴波导管21从外部的微波源(未图示)供给2.45GHz或8.3GHz的微波。供给的微波从前述槽板16上的槽16a、16b经前述盖板15及浇淋板14向前述处理容器11中辐射，在前述浇淋板14正下方的空间11B中，从前述开口部14A供给的等离子体气体中激励等离子体。此时，前述盖板15及浇淋板14由Al2O3构成，作为高效率微波透射窗起作用。此时，在前述等离子体气体流路14A～14C中，为了避免激励等离子体，在前述流路14A～14C上保持前述等离子体气体的压力在约6666Pa～13332Pa(约50～100Torr)。
为了提高前述放射线槽天线20和前述盖板15的紧贴性，在本实施例的微波等离子体处理装置10中，在与前述槽板16结合的前述处理容器11上面的一部分上形成环状槽11g，借助所述槽11g连通的排气孔11G进行排气，从而使在前述槽板16和盖板15之间形成的间隙减压，通过大气压可将前述放射线槽天线20牢固地推压到前述盖板上。在这样的间隙中包含在前述槽板16上形成的槽16a、16b，然而，除此之外，由于各种原因而形成间隙，这样的间隙由前述放射线槽天线20和处理容器11之间的密封环11u密封。
此外，通过借助前述排气孔11G以及槽15g，在前述槽板16和前述盖板15之间的间隙中充填分子量小的惰性气体，可以促进从前述盖板15向前述槽板16的热传输。作为这样的惰性气体，优选使用热传导率高，且离子化能量高的He。在向前述间隙中充填He时，优选设定在0.8大气压左右的压力。在图3的构成中，为了对前述槽15g的排气以及对槽15g的充填惰性气体，阀11V连接在前述排气孔11G上。
在前述同轴波导管21A中，外侧波导管21A连接到前述圆盘状的天线主体17，中心导体21B经在前述滞波板18上形成的开口部与前述槽板16连接。因此，供给前述同轴波导管21A的微波，边沿径向在前述天线主体17和槽板16之间行进，边由前述槽16a、16b而进行辐射。
图3B示出在前述槽板16上形成的槽16a、16b。
参照图3B，前述槽16a同心圆状地配置，与各个槽16a对应，与其正交的槽16b以相同的同心圆状形成。前述槽16a、16b在前述槽板16的半径方向，与被前述滞相板18压缩的微波波长相对应的间隔形成，其结果，微波从前述槽板16呈大体平面波辐射。此时，由于按照前述槽16a及16b相互正交的关系形成，于是，辐射的微波形成包含两正交的偏振波成分的圆偏振波。
此外，在图3A的等离子体处理装置10中，在前述天线主体17上形成冷却块19，用于形成冷却水通路19A，通过由前述冷却水通路19A中的冷却水冷却前述冷却块19，使在前述浇淋板14上积蓄的热借助前述放射线槽天线20吸收。前述冷却水通路19A在前述冷却块19上呈螺旋状地形成，优选通过使H2气发泡而排除溶解的氧，而且，通入控制氧化还原电位的冷却水。此外，在图3A的微波等离子体处理装置10中，在前述容器11中，在前述浇淋板14和前述保持台13上的被处理基板12之间，设置处理气体供给结构31，该处理气体供给结构31用于从前述处理容器11的外壁上设置的处理气体注入口11r供给处理气体，且具有从多个处理气体喷嘴开口部31B(参照图4)放出处理气体的格子状的处理气体通路31A，在前述处理气体供给结构31和前述被处理基板12之间的空间11C中，进行所希望的均匀的基板处理。在这样的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。此外，从前述处理气体供给结构31向前述空间11C供给C4F8、C5F8或C4F6等容易离解的氟代烃气体或F类或C1类等蚀刻气体，通过在前述保持台13上施加来自高频电源13A的高频电压，对前述被处理基板12可进行反应性(活性)离子蚀刻。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，前述处理容器11的外壁通过加热到150℃左右的温度，避免向处理容器内壁的反应生成物的附着，通过一天进行一次的干清洗，可定常、稳定地运转。
图4是示出图3A的处理气体供给结构31结构的仰视图。
参照图4，前述处理气体供给结构31由例如含镁的Al合金或添加Al的不锈钢等的导电体构成，前述格子状处理气体通路31连接在前述处理气体注入口11r上的处理气体供给孔31R上，从在下面形成的多个处理气体喷嘴开口部31B把处理气体均匀地喷出到前述空间11C。在前述处理气体供给结构31A上，在邻接的处理气体通路31A之间形成开口部31C，使得等离子体或等离子体中包含的处理气体从中通过。在由含有Mg的Al合金形成前述处理气体供给结构31时，优选在表面形成氟化物膜。在通过添加Al的不锈钢形成前述处理气体供给结构31时，希望在表面形成氧化铝的钝化膜。在本发明的等离子体处理装置10中，由于激励的等离子体中的电子温度低，所以等离子体的入射能量小，这样的处理气体供给结构31避免了溅射，在被处理基板12上产生金属污染的问题。前述处理气体供给结构31也可由氧化铝等陶瓷形成。
设置前述格子状处理气体通路31A以及处理气体喷嘴开口部31B，使得覆盖比图4的虚线所示的被处理基板12还大的区域.通过把这样的处理气体供给结构31设置在前述浇淋板14和被处理基板12之间，使前述处理气体激励起等离子体，通过这样的等离子体激励的处理气体，可均匀地进行处理.
在由金属等导体形成前述处理主体供给构造31时，通过将前述格子状处理气体通路31A的相互间隔比前述微波波长还短，前述处理气体供给构成31形成微波的分流面。这时等离子体微波激励只在前述空间11B中产生，通过在含有前述被处理基板12表面的空间11C中从前述激励空间11B扩散的等离子体，使处理气体活性化。此外，因为在等离子体点火时，可以防止被处理基板12直接暴露在微波下，所以可以防止由微波引起的基板损伤。
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结构31而均匀地控制处理气体的供给，所以可以解决处理气体在被处理基板12表面过度解离的问题，即使在被处理基板12的表面形成纵横比大的结构时，实施所希望的基板处理直到这样高纵横比结构的深度是可能的。即微波等离子体装置10在设计法则不同的多个时代的半导体制造中是有效的。
图5是示出在图3A的等离子体处理装置10中包含浇林板14、盖板15以及放射线槽天线20部分结构的图。
参照图5，优选将前述浇淋板14的下面和前述处理气体供给结构31的间隔设定为微波波长的1/4的整数倍，为了在前述浇淋板14的正下方的区域上，实现有效的等离子体激励，以便作为微波的分流面起作用的前述处理气体供给结构31和前述浇淋板14的下面之间形成的驻波的波腹位于前述浇淋板14正下方的区域。
另一方面，为了避免在前述槽16a、16b上的放电，从前述放射线槽天线20辐射的微波的波节优选位于前述槽16a、16b中，此外，为了避免在前述浇淋板喷嘴开口部14A内的放电，优选在前述浇淋板14的下面也形成波节。根据这样的理由，优选将前述浇淋板14和盖板15合并的厚度设定为供给的微波波长的1/2。
尤其是，一旦将前述浇淋板14以及盖板15的厚度设定为微波波长的1/4，则可以使波节位于前述浇淋板14和盖板15的界面附近，可以有效地抑制沿着所述界面形成的等离子体通路14B的放电。
图6示出与图3A所示的同轴波导管21连接的微波源的概略构成。
参照图6，前述同轴波导管从具有在2.45GHz或8.3GHz下振荡的磁控管25A和从振荡部25伸延的波导管端部上，从前述振荡部25开始顺序地经隔离器(单向器)24、功率监控器23以及调谐器(高频头)22连接。由前述振荡器25形成的微波提供给放射线槽天线20的同时，通过对前述调谐器22上的阻抗调整，使从等离子体处理装置10中形成的高密度等离子体反射的波，返回到前述放射线槽天线20。此外，前述隔离器24具有方向性的因素，只有保护前述振荡部25中的磁控管25免受反射波的损害的作用。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，暴露在由等离子体引起的热流量下的浇淋板14和冷却部的距离与图1A、图1B所示现有的微波等离子体处理装置相比大幅度缩短，其结果，在浇林板和盖板中可使用Al2O3那样的、适宜作为微波透射窗的介电损耗小、热传导率也小的材料，以替代介电损耗大的AlN，可抑制浇淋板的升温，同时可以提高等离子体处理的效率，从而提高处理速度。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，由于前述浇淋板14和与其对置的被处理基板12之间的间隔窄，在前述空间11C上包含由基板处理反应的结果生成的反应生成物的气体形成流向前述外周部空间11A的稳定气流，其结果，前述反应生成物被快速从前述空间11C除去。其间，通过保持前述处理容器11外壁在150℃左右，可实质上完全除去前述反应生成物向处理容器11内壁的附着，前述处理装置10可加速进行如下处理。
在本实施例中，前述微波天线20不一定限于放射线槽天线，例如如图7的变形例所示，也可使用喇叭型微波天线20B。尤其是，在前述被处理基板12是大直径基板时，如图8的变形例所示，通过在前述处理容器11上配置多个喇叭型天线20B，可边确保等离子体形成的均匀性，边经前述喇叭型天线20B冷却前述盖板15以及浇淋板14。因此，可在前述喇叭型天线20B上如图7或图8所示设置冷却机构20b。
此外，如图9的变形例所示，也可使用空气冷却机构代替前述冷却器19、19A。
[第2实施例]
图10示出本发明第2实施例的等离子体处理装置10A的结构。其中，在图1中与已说明过的部分附加相同的参考符号，省略其说明。
参考图2，等离子体处理装置10A具有与图3A、图3B的等离子体处理装置10类似的结构，然而，要去掉前述浇淋板14，从前述气体导入孔11p延伸的气体导入口11P向前述处理容器11中的空间11B中延伸。
即使在这样的结构中，通过用从前述放射线槽天线20供给的微波激励从前述气体导入口11P导入的等离子体气体，可在前述空间11B中形成高密度等离子体。
这样形成的高密度等离子体气体比使用浇淋板14时得到的高密度等离子体的均匀性差，然而等离子体处理装置10A的结构也比先前的等离子体处理装置10有实质上的简化。即使在本实施例中，入射至前述盖板15的热流经前述放射线槽天线20，被冷却部17有效地吸收。
再有，在图7的等离子体处理装置10A中，为了形成尽可能均匀的等离子体，优选相对前述被处理基板对称地在多处设置前述气体导入口11P。
[第3实施例]
图11示出本发明第2实施例的微波等离子体处理装置10B的结构。在图11中，与已说明的部分相同的，附加同一参考符号，省略其说明。
参照图11，本实施例的微波等离子体处理装置10B具有与前述实施例的微波等离子体装置相类似的结构，然而，在本实施例的微波等离子体处理装置10B中除掉了前述处理气体供给结构31。此外，前述处理容器11的伸张部11b在下面也形成圆形，以避免放电。
在所述结构的等离子体处理装置10B中，在前述浇淋板14正下方形成的等离子体反射微波，其结果，微波一直达到被处理基板12的表面上，在这样的表面附近的区域不会产生激励等离子体那样的问题。此外，在等离子体点火时，处理容器内的压力暂时上升，例如在设定为133Pa(约1Torr)的状态下照射微波，通过可靠地进行等离子体的着火，能够防止在等离子体点火时因微波对被处理基板的照射引起的损伤。等离子体点火后，处理容器内的压力快速地调节为处理压力，例如13.3Pa(约0.1Torr)。
在前述等离子体处理装置10B中，由于除去了处理气体供给机构30，所以处理气体有必要与等离子体气体一起从前述等离子体气体供给孔11P供给，然而通过所述结构，可在被处理基板12的表面进行氧化处理、氮化处理或氧氮化等处理.
[第4实施例]
图12是示出包含图3A、图3B的微波等离子体处理装置10的本发明第4实施例的半导体制造装置40整体结构的截面图。
参照图12，半导体制造装置40包含设置具有输运臂415的机器人405的真空转移室401，前述微波等离子体处理装置11在这样的真空转移室401的上面形成。此时，前述保持台13通过被波纹管410包围的升降圆柱406升降自如地形成。前述保持台13在下降状态下，被处理基板12通过前述输运臂415装卸，在上升的状态，从前述真空转移室401通过密封圈410A隔断，进行所希望的基板处理。
在真空转移室401上，在其上面的其它位置上设置具有升降台418的载料锁定室402，用于保持被处理基板堆404，前述载料锁定室402在前述升降台418处于上升状态下，由密封圈417从真空转移室401遮断。另一方面，在前述升降台418处于下降状态下，前述被处理基板堆404下降到真空转移室401中，前述输运臂415从前述被处理基板堆404举起基板或送回已处理过的基板。
在所述结构的半导体制造装置40中，由于被处理基板向微波等离子体处理装置10的出入不借助侧壁面，在上下方向进行，所以在处理容器11内，等离子体以轴对称形成，此外，对处理容器的排气也从轴对称配置的多个排气孔，通过多台泵实施，所以保证了均匀的等离子体处理。
图13示出前述处理单元A的排气系统构成。
参照图13，在前述处理单元A中，处理容器11的各个排气孔11a与导管D1连接，通过前述导管D1上设置的，具有分别如图14A、14B所示构成的螺旋槽型分子泵P1、P2排气。前述螺旋槽分子泵P1，P2的排气侧与连通设置在前述半导体制造装置40中其它的处理单元B、C上的排气管D2连接，此外，前述排气导管D2经中间增压泵P3与其它同样的半导体制造装置连同的排气导管D3上连接。
图14示出前述螺旋槽型分子泵P1、P2的结构。
参照图14，螺旋槽型分子泵具有圆筒形状的主体51，在前述主体51的一端上形成泵的入口，此外，在前述主体51底面附近的侧壁面上形成泵的出口。在主体51中，设置图14B所示的转子52，在前述转子52上形成不等间距、不等倾角的螺旋52A。不等间距、不等倾角的螺旋52A在泵入口侧具有向间距大的出口侧减少间距的构成，此外，与此对应，螺旋倾角也从入口侧向出口侧逐渐减少。此外，泵室体积也从入口侧向出口侧逐渐减少。
图14A的螺旋槽分子泵还包含在前述转子52内配置的马达53和检测前述转子52的角位置的角位置检测器54以及与前述角位置检测器54协动的磁铁55。通过电磁铁机构56，前述转子52向出口侧靠压。
这样的螺旋槽分子泵具有简单的构成，在从大气压到数毫Torr的广泛压力范围下动作，耗电少，泵的抽速达到比现有的涡轮分子泵还大的320mL/min。
图15示出在图13的构成中，以前述螺旋槽分子泵P1，P2作为排气的中间增压泵P3使用的不等间距、不等倾角的螺旋泵(GLSP)60的构成。
参照图15，在前述不等间距、不等倾角的螺旋泵中，在一端上形成入口61A，在另一端上形成出口的63A、63B的泵主体61中，分别如图14B所示、使螺旋间距从入口侧向出口侧逐渐变化的一对螺旋转子62A、62B以各自的螺旋相互咬合的关系而设置，转子62A、62B通过马达64借助齿轮63A、63B驱动.
这样构成的不等间距，不等倾角的螺旋泵60可以从常压到10-4Torr的低压的广压力范围下工作，可以实现达到2500L/min的非常大的流量。
在图13的构成中，借助这样的中间增压泵P3通过共同的增压泵P4对从其它半导体制造装置进行排气，也可以使前述增压泵P4在最好效率的工作压力范围下工作，可以大为降低耗电。
图16是示出在图7A、图7B的半导体制造装置40中各自的处理单元A～C协动的气体供给系统的构成。
如先前说明所示，在前述半导体制造装置40中，通过使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，抑制了在基板处理伴生的反应生成物的附着。即，图8的处理单元具有的特征为，即使未作特别的清冼处理，也可以完全消除先前的处理工序的存储或经历。
因此，使用图13的处理单元，转换等离子体气体及/或处理气体，可以逐步执行不同的基板处理工序，因此有必要提供能迅速转换处理气体的气体供给系统。
参照图16，选自N2，Kr，Ar，H2，NF3，C4F8，CHF3，O2，CO，HBr，SiCl4等的一种或两种气体通过第1及/或第2流量控制装置FCS1及FSC2，提供给与前述处理容器11上设置的前述浇淋板14连通的等离子体气体供给口11p，另一方面，选自N2，Kr，Ar，H2，NF3，C4F8，CHF3，O2，CO，HBr，SiCl4等的一种或多种气体通过第3～第7流量控制装置FCS3～FCS7，提供给与前述处理气体供给结构30连通的前述处理气体供给口11r。
此时，如图17所示，使用在直线状配管70上顺序形成控制阀71、压力计72、止动阀73和孔74而构成的流量控制装置，通过由前述压力计72控制控制阀71，使得前述孔74下流侧的压力P2为前述止动阀73上流侧的压力P1的一半以下，(P1≥2P2)，而可以预定流量瞬时供给处理气体。这是由于在该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16的气体供给系统中，使用图17的流量控制装置，根据前述处理单元中的基板处理种类，可瞬时转换等离子体气体或处理气体。
再有，在前述半导体制造装置40中，不仅使用先前说明的等离子体处理装置10，而且也可使用其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。
本发明并不限于上述特定实施例，在权利要求的范围内记述的本发明的主旨内的各种变形、变更是可能的。
工业上利用的可能性
根据本发明，通过使微波天线紧贴在处理容器外壁一部分上形成的微波透过窗，或/及通过在微波天线和微波透过窗之间封入导热性的气体，可通过向厚度方向的热传导来冷却构成前述微波透过窗的浇淋板及盖板，大为提高微波等离子体处理装置的冷却效率。所述冷却效率提高的结果，实质上减轻了由等离子体产生的向微波透过窗的热积蓄，其结果，即使作为前述微波透过窗使用介电损耗小的Al2O3等材料也不会有温度过高的上升。即：在本发明使用微波天线的微波等离子体装置中，通过使用介电损耗小的材料作为微波透过窗，可以兼顾高冷却效率和高等离子体激励效率的要求。

Claims (15)

1.一种微波等离子体处理装置，其特征为，由以下部件构成：
用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的所述第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，夹持所述盖板地在相反侧设置的微波天线；以及
与所述微波天线电连接的微波电源，
所述微波天线和所述等离子体气体供给部的盖板之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置，其特征为，所述传热性气体由He构成。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置，其特征为，
所述微波天线由与所述等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成，
还具有在所述微波天线上设置的冷却部，所述冷却部设置在所述微波天线中的所述第2外表面上。
4.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置，其特征为，还包含与所述保持台连接的高频电源。
5.一种微波等离子体处理装置，其特征为，由以下部件构成：
用外壁围成，并具有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，按与所述保持台上的被处理基板相对置的方式，作为所述外壁的一部分而设置的、由浇淋板与盖板构成的等离子体气体供给部，所述浇淋板具有等离子体气体通路和与所述等离子体气体通路连通的多个开口部且在其第1侧与所述保持台上的被处理基板相对，所述盖板设在与所述浇淋板的第1侧相对置的第2侧；
在所述处理容器上，与所述等离子体气体供给部相对应，夹持所述盖板地在相反侧设置的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述浇淋板和所述保持台上的被处理基板之间、形成有使在所述浇淋板正下方形成的等离子体向着所述保持台上的被处理基板方向通过的开口部的处理气体供给部，
所述微波天线和所述等离子体气体供给部的盖板之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
6.根据权利要求5所述的微波等离子体处理装置，其特征为，所述传热性气体由He构成。
7.根据权利要求5所述的微波等离子体处理装置，其特征为，
所述微波天线由与所述等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成，
还具有在所述微波天线上设置的冷却部，所述冷却部设置在所述微波天线中的所述第2外表面上。
8.根据权利要求5所述的微波等离子体处理装置，其特征为，还包含与所述保持台连接的高频电源。
9.一种等离子体处理装置，其特征为，由以下部件构成：
用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；以及
与所述微波天线电连接的微波电源，
所述微波天线的微波辐射面和微波透过窗之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入传热性气体。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征为，所述传热性气体由He构成。
11.根据权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征为，
所述微波天线由与等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成，
还具有在所述微波天线上设置的冷却部，所述冷却部设置在所述微波天线中的所述第2外表面上。
12.一种等离子体处理装置，其特征为，由以下部件构成：
用外壁围成，并具有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；
按与所述保持台上的被处理基板相对的方式，在所述处理容器外壁的一部分上形成的微波透过窗；
将等离子体气体供给至所述处理容器中的等离子体气体导入部；
在所述处理容器的外侧，与所述微波透过窗连接的微波天线；
与所述微波天线电连接的微波电源；以及
配置在所述微波透过窗和所述保持台上的被处理基板之间、形成有使在所述微波透过窗附近形成的等离子体向着所述保持台上的被处理基板方向通过的开口部的处理气体供给部，
所述微波天线的微波辐射面和微波透过窗之间的间隙由密封构件密封，在所述间隙中封入导热性气体。
13.根据权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征为，所述传热性气体由He构成。
14.根据权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征为，
所述微波天线由与等离子体气体供给部的盖板接触、形成微波辐射面的第1外表面和与所述第1外表面对置的第2外表面围成，
还具有在所述微波天线上设置的冷却部，所述冷却部设置在所述微波天线中的所述第2外表面上.
15.根据权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征为，还包含与所述保持台电连接的高频电源。
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