CN1666322A - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

等离子体处理装置具有收容基板(11)的腔室(1)、产生微波的高频电源(5)、和将微波放射至腔室(1)内的天线部(3)。在高频电源(5)中产生的微波，由导波管(6)送至天线部(3)。构成腔室(1)的隔壁的一部分的顶板部(4)配置在腔室(1)的上部。在该顶板部(4)的外周部分上，呈环状设置有使微波的传播延迟的由与顶板部(4)相同的材质构成的规定的路径延迟部(2)。这样，在等离子体处理装置中，可以抑制异常放电和异物的产生。

Description

等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理装置，特别是涉及利用由将微波导入腔室内形成的等离子体生成区域，对基板进行规定的处理的等离子体处理装置。

背景技术

近年来，随着半导体装置的高密度化和微细化，在半导体装置的制造工序中，为了进行成膜、腐蚀、灰化等处理，使用等离子体处理装置。特别是，在使用微波发生等离子体的微波等离子体处理装置中，即使从大约1～300Pa的低压(高真空)至比较高的压力的条件下，可以稳定地产生等离子体。由于这样，使用频率例如为2.45GHz的微波的微波等离子体处理装置引人注意。

现在来说明现有的等离子体处理装置的一个例子。如图22所示，等离子体处理装置具有收容基板111并对基板111进行规定处理的腔室101；用于产生微波的高频电源105；和用于向腔室101内放射微波的天线部103。

天线部103具有槽板103c，滞波板103b和天线盖103a。在该槽板103c上作出用于向着腔室101内放射微波的多个槽(开口)。在高频电源105中产生的微波，利用导波管106送至天线部103。

在腔室101的上部配置构成腔室101的隔壁的一部分的顶板部104。顶板部104由石英等电介质制成。在顶板部104和腔室101的隔壁之间放置O形圈等密封部件114。天线部103配置在该顶板部104的上方。

在腔室101内设置保持收容的基板111的基座107。另外，将对腔室101内排气用的真空泵109与腔室101连接。

在上述等离子体装置中，利用真空泵109使腔室101内部排气，将以在规定压力范围生成等离子体用的气体例如氩气导入腔室101内。

由高频电源105产生的微波，在导波管106中传播，到达天线部103。如图23所示，到达天线部103的微波，如箭头所示，在滞波板103b上传播，通过槽板103c，向腔室101内放射，产生电磁场。

在腔室101内产生的电磁场使氩气分解，在基板111和顶板部104之间形成等离子体生成区域122，对基板111进行规定的等离子体处理。

在腔室101内形成的等离子体生成区域122中，为了使等离子体生成区域122保持电气中性，在等离子体生成区域122中存在的电子或离子(带电粒子)以规定的等离子体频率振动。这种等离子体频率具有电荷密度越高或带电粒子的质量越小就越大的性质。

因此，在等离子体生成区域122中，质量比离子小很多的电子的等离子体频率，与离子的等离子体频率比较高很多，属于微波区域。这时在由高频电源105产生的微波的频率比其等离子体频率高的情况下，微波可在等离子体生成区域122内传播，可以将微波供给等离子体生成区域122。

然而，随着电子密度变高，电子的等离子体频率也变高，当电子的等离子体频率超过由高频电源105产生的微波的频率时，即：等离子体生成区域122的截止频率比微波的频率高时，在等离子体生成区域122的表面上产生遮断微波电场波的现象。即，微波被等离子体生成区域122反射。这种现象，在电子密度越高时越强烈地出现。

如图23所示，被等离子体生成区域122反射的微波的一部分，在顶板部104中传播。因此，在顶板部104的外周部分附近的腔室101和顶板部104接触的部分130上，产生强大的电场，会产生异常放电和产生异物的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的是要提供一种抑制异常放电和异物产生的等离子体处理装置。

本发明的等离子体处理装置为将基板暴露在等离子体生成区域中，对基板进行规定处理的等离子体装置；它具有腔室、顶板部、天线部和路径延迟部。基板收容在腔室中。顶板部是腔室的隔壁的一部分。天线部通过顶板部将高频电磁场供给腔室内，在顶板部和腔室内收容的基板之间的区域中形成等离子体生成区域。该路径延迟部可使在上述顶板部中传播的高频电磁场分支，同时使分支的高频电磁场与不分支地在上述顶板部中传播的高频电磁场再次合流时，当在上述顶板部中传播的高频电磁场的波长为λ时，使分支的高频电磁场的相位，相对于不分支地在上述顶板部中传播的高频电磁场的相位，成为偏移λ/2的奇数倍的偏移状态。

利用这种结构，由路径延迟部分支的高频电磁场的相位，相对于不分支地在顶板部中传播的高频电磁场的相位成为偏移λ/2的奇数倍的状态，分支的高频电磁场和不分支地在顶板部中传播的高频电磁场互相抵消，高频电磁场的大部分，向着与在顶板部中行进的方向相反的方向被反射，在顶板部中传播。这样，在顶板部中，超过路径延迟部的位置，向顶板部端部传播的高频电磁场的成分大大减少。结果，可以防止在顶板部端部附近产生强的电场，可以抑制异常放电和异物的产生，可以对基板进行稳定的等离子体处理。另外，理解为在λ/2中包含λ/10左右的误差。

优选，上述顶板部具有与收容的基板相对配置的平板部；和从上述平板部的周边部向着配置着基板的一侧形成的筒状的侧壁部；路径延迟部配置在上述侧壁部侧。

在这种情况下，可防止在侧壁部的端部产生强的电场。

具体地，优选路径延迟部沿着侧壁部的外周面配置成环状。

在这种情况下，可以可靠地使在侧壁部中传播的高频电磁场的一部分分支，与不分支的高频电磁场抵消。

另外，优选，上述路径延迟部包含相对于在上述顶板部中传播的高频电磁场的进行方向而位于上游的第一部分和位于下游的第二部分。

在这种情况下，超过第一部分传播的高频电磁场被第二部分反射，可以可靠地防止在顶板部端部产生强的电场。

作为这种路径延迟部的具体结构，优选，具有用于使分支的高频电磁场传播的与顶板部连通的传播区域。

作为上述传播区域，优选，分支的高频电磁场具有与不分支地在顶板部中传播的高频电磁场大致平行地传播的部分。

另外，优选，在上述传播区域中充填具有规定折射率的部件。

这种情况下，与将传播区域为空隙(大气)的情况比较，可以进一步减小传播区域的尺寸。

另外，在相对路径延迟部远离天线部的一侧，具有吸收高频电磁场的电波吸收体。

在这种情况下，从路径延迟部向下游传播的高频电磁场被电波吸收体吸收，因此可以更可靠地防止在顶板部端部产生强的电场。

附图说明

图1为本发明的实施方式1的等离子体处理装置的截面图。

图2为在同一实施方式中，图1所示的等离子体处理装置的部分放大截面图。

图3为本发明的实施方式2的等离子体处理装置的截面图。

图4为表示在同一实施方式中，容易产生高电场的部分的第一部分的放大的截面图。

图5为表示在同一实施方式中，容易产生高电场的部分的第二部分的放大的截面图。

图6为在同一实施方式中，将图5所示的部分再放大的局部放大截面图。

图7为在同一实施方式中，表示路径延迟部第一例子的局部放大截面图。

图8为在同一实施方式中，表示路径延迟部第二例子的局部放大截面图。

图9为在同一实施方式中，表示路径延迟部第三例子的局部放大截面图。

图10为在同一实施方式中，表示路径延迟部第四例子的局部放大截面图。

图11为在同一实施方式中，表示路径延迟部第五例子的局部放大截面图。

图12为在同一实施方式中，成为基于仿真评价的基准的第一局部放大截面图。

图13为在同一实施方式中，成为基于仿真评价的基准的第二局部放大截面图。

图14为在同一实施方式中，表示基于仿真的评价结果的图。

图15为在同一实施方式中，表示路径延迟部的第六例子的局部放大截面图。

图16为在同一实施方式中，表示路径延迟部的第七例子的局部放大截面图。

图17为在同一实施方式中，表示路径延迟部的第八例子的局部放大截面图。

图18为在同一实施方式中，表示路径延迟部的第九例子的部分入大的截面图。

图19为在同一实施方式中，表示路径延迟部支路的第十例的局部放大截面图。

图20为在同一实施方式中，表示路径延迟部的第十一例的局部放大截面图。

图21为在同一实施方式中，表示图15～图20所示的路径延迟部尺寸关系的图。

图22为现有的等离子体处理装置的截面图。

图23为图22所示的等离子体处理装置的局部放大截面图。

具体实施方式

(实施方式1)

现在来说明本发明的实施方式1的等离子体处理装置。如图1所示，等离子体处理装置具有收容基板11对基板11进行规定的处理的腔室1；用于产生微波的高频电源5；用于将微波放射至腔室1内的天线部3。

天线部3具有槽板3c、滞波板3b和天线盖3a。槽板3c由例如厚度从0.1mm至几个mm左右的铜板等制成。在该槽板3c上作出用于使微波向着腔室1内放射的多个槽(开口)。由高频电源5产生的微波，利用导波管6，送至天线部3。

在腔室1内设置用于保持进行规定的等离子体处理的基板11的基座7。将腔室1内部排气用的真空泵9安装在腔室1上。

在腔室1的上部配置构成腔室1的隔壁的一部分的顶板部4。顶板部4由石英等电介质制成。在顶板部4和腔室1的隔壁之间放置例如O形圈等密封件14。天线部3配置在顶板部4的上方。

顶板部4与配置成与收容的基板11相对的槽板3c连接。在该顶板部4的外周部分之上，呈环状设置延迟微波传播的规定的路径延迟部2。在这种情况下，路径延迟部2由与顶板部4相同的材质制成。

另外，当顶板部4与槽板3c连接时，除了顶板部4完全与槽板3c密接的情况以外，还包含在顶板部4和槽板3c之间有大气中的微波波长的1/10以下的间隙的情况。

这样，使间隙的大小在微波波长的1/10以下，理由为，在间隙比微波波长1/10大的情况下，因在该间隙中产生的电磁场而改变顶板部4内的电磁场的分布。

其次，说明上述等离子体装置进行的等离子体处理。首先，利用真空泵9使腔室1内部排气，在规定压力范围的基础上，将作为生成等离子体的气体的例如氩气导入腔室1内。

另一方面，利用高频电源5产生微波。产生的微波在导波管6中传播，到达天线部3。到达天线部3的微波，在滞波板3b内，向着周边边缘传播。在滞波板3b内传播的微波，从槽板3c，在顶板部4传播，向着腔室1内放射。放射至腔室1内的微波，在腔室1内产生电磁场。

在腔室1内产生的电磁场，使氩气变成离子，在基板11和顶板部4之间形成等离子体生成区域22。当将处理气体导入该等离子体生成区域22中时，该处理气体分解，对基板11进行规定的等离子体处理。

在上述等离子体处理装置中，设有用于使在顶板部4上传播的微波延迟的路径延迟部2。如上所述，该路径延迟部2由与顶板部4相同材质的石英制成。

如图2所示，在顶板部4中，向着外周部分传播的微波31的一部分分支，在路径延迟部2中传播。在路径延迟部2中传播的微波31a，在路径延迟部2的端部被反射，向着顶板部4传播，与不分支的微波31合流(干涉)。

这时，令在顶板部4和路径延迟部2中传播的微波31、31a的波长为λ，从顶板部4的厚度方向的大致中心位置至路径延迟部2的端部的矩离为距离L，设距离L相当于例如λ/4的长度。由于这样，微波31a通过在路径延迟部2中往复传播，微波31a在相当于λ/2的长度中传播。

当顶板部4和路径延迟部2的比介电常数为εr_A，微波在真空中的波长为λ₀时，可利用式子：λ＝λ₀·(εr_A)^-1/2求出微波31、31a的波长λ。

这样，在分支的微波31a和不分支的微波31合流的部分，微波31a的相位，与微波31的相位比较，偏移λ/2，因此，微波31a和微波31互相抵消。

由于微波31a和微波31互相抵消，在顶板部4中，向外周部分传播的微波33的强度大大削弱。

再详细地说明：通过在顶板部4中向着外周部分传播的微波31与在路径延迟部2中传播的微波31a干涉，微波31的成分的大部分，向着与在顶板部4中可行进的方向相反的方向被反射作为微波32，在顶板部4中传播。结果，在顶板部4中，向外周部分传播的微波33的成分大大减少。

这样，通过大大减少从延迟线图支路2向着外周部分在顶板部4中传播的微波33，可防止在顶板部4的外周部分附近的与腔室1和顶板部4接触的部分上产生强的电场。结果，可以以抑制异常放电和产生异物。可在基板11上进行稳定的等离子体处理。

另外，作为相位偏移λ/2，理解为包含λ/10左右的误差，超过这个值的相位偏移，抵消微波的效果小。

现在以在上述等离子体处理装置中由与顶板部4相同材质构成的延迟线圈回路2作为例子进行说明，但作为路径延迟部2不是仅限于此。

即：可由具有与顶板部4不同的介电常数的材质构成、也可由空隙构成也可以；路径延迟部3只要具有满足以下条件的规定材料和尺寸关系即可：在路径延迟部2中传播的微波31a与不在路径延迟部2中传播的微波31干涉时，微波31a的相位与微波31的相位相比偏移λ/2。

另外，作为路径延迟部，相对于图2所示的路径延迟部，将其他路径延迟部设在离天线部3远的一侧上也可以。在这种情况下，在顶板部4中向外周部分传播的微波33的大部分成分被反射，可以可靠地抑制异常放电和异物的产生。

(实施方式2)

现在说明实施方式2的等离子体处理装置。如图3所示，构成腔室1的隔壁的一部分的顶板部4具有平板部4a和侧壁部4b。

平板部4a与槽板3c连接，配置成与收容的基板11相对。侧壁部4b从平板部4a的周边向着基板11的配置侧形成筒状。侧壁部4b的外周表面与腔室1相接。

具有平板部4a和侧壁部4b的顶板部4，相对于只具有上述平板部的平板型顶板部，称为钟罩型顶板部4。通过具有钟罩型顶板部4，与平板型顶板部比较，面临等离子体生成区域的顶板部4的面积增大，微波可从侧壁部4b向腔室1内放射，可以进一步提高等离子体生成区域的等离子体密度。

这样，在钟罩型顶板部4中，由于也从侧壁部4b放射微波，路径延迟部2相比于顶板部4的平板部4a侧优选配置在侧壁部4b侧上。

此外的结构，由于与实施方式1中说明的图1所示的等离子体处理装置相同，相同的零件用相同的符号表示，省略其说明。

其次，说明用上述等离子体装置进行的等离子体处理。由高频电源5产生的微波在导波管6中传播，到达天线部3，从槽板3c起，在顶板部4传播放射至腔室1内。利用在腔室1内放射的微波，在腔室1内产生电磁场，使导入腔室1内的氩气变成离子，在基板11和顶板部4之间形成等离子体生成区域22。

这时，在顶板部4中传播的微波，在平板部4a中向外周部分传播后，在侧壁部4b中传播。如图4所示，在侧壁部4b中向下方传播的微波31，在侧壁部4b的下端被反射。

在该下端部，微波31的一部分作为微波31b，从侧壁部4b的下端部向下漏入腔室1内，这样，在下端部和腔室1的接触部分上产生强的电场。

又如图5和图6所示，在设置覆盖位于侧壁部4b的下端附近的腔室1的金属部分的衬套8的情况，从侧壁部4b的下端进一步向下方漏出的微波31b，在衬套8中传播。因此，在侧壁部4b的下端部和衬套8的接触部分，产生强的电场。

现在具体说明在具有钟罩型顶板部的等离子体处理装置中，抑制这种强电场的路径延迟部。

图7～图11分别表示路径延迟部2的更具体的结构例子。在这种情况下，各图中所示的路径延迟部2由与顶板部4相同的材质石英等构成。

首先，将图7所示的路径延迟部2设在侧壁部4b的下端。当令在顶板部4和路径延迟部2中传播的微波31、31a的波长为λ，从顶板部4的厚度方向的大致中心位置至路径延迟部2的端部的距离为L时，距离L设定相当于λ/4的长度。另外，设定侧壁部4b和腔室1的间隙S为λ/10。

图8所示的路径延迟部2设在离侧壁部4b的下端部规定高度的地方。首先，设定距离L相当于λ/4的长度。当使从侧壁部4b的下端部至路径延迟部2的高度方向的厚度方向的大致中心位置的距离为距离D时，设定距离D相当于λ/4的长度。

图9所示的路径延迟部2设在离侧壁部4b下端部规定高度的地方。设定距离L相当于λ/4的长度，设定距离D相当于(λ/4+5mm)的长度。

将图10所示的路径延迟部2设在离侧壁部4b的下端部规定高度的地方。设定距离L相当于λ/4的长度，距离D相当于λ/2的长度。

将图10所示的路径延迟部2分别设在离侧壁部4b下端不同的二个规定的地方的高度处。首先，设定二个路径延迟部2的距离L相当于λ/4的长度。另外，当从位于下方的路径延迟部2的高度方向的厚度方向的大致中心位置，至位于上方的路径延迟部2的高度方向的厚度方向的大致中心位置的距离为距离D时，设定距离D相当于λ/4的长度。

通过设置上述的路径延迟部2，与上述等离子体处理装置同样，在侧壁部4b中，向着下端传播的微波31的一部分分支，在路径延迟部2中传播。在路径延迟部2中传播的微波31a在路径延迟部2的端部被反射向着侧壁部4b传播，与不分支的微波31合流(干涉)。

在合流部分中，微波31a的相位，与微波31的相位比较，偏移λ/2，微波31a和微波31互相抵消。

这样，在侧壁部4b中传播的微波31，与在路径延迟部2中传播的微波31a干涉而被反射，微波31的大部分成分，向与在侧壁部4b中可行进的方向相反的方向被反射为微波32，在侧壁部4b中传播。

结果，在侧壁部4b中进一步向下方传播的微波33的成分大大减少，可防止在侧壁部4b的下端产生强的电场。另外，作为相位偏移λ/2，可理解含有λ/10左右的误差，在超过这个值的相位偏移中，微波抵消的效果减少。

为了定量地掌握微波33的强度减弱，对图7～11中所示的路径延迟部2，进行利用仿真的评价。

首先，使投入功率为1W，求出由路径延迟部2反射返回的微波的功率。令投入功率和返回的微波的功率之差为泄漏功率，用投入功率除泄漏功率，求出泄漏比率。

结果表示在图14中。为了用图14进行比较低，对如图12所示的没有路径延迟部的结构(Z1)，和如图13所示，作为路径延迟部设定距离L相当于λ/2的长度的结构(Z2)进行同样的仿真，将结果一起表示。

在情况A～E(图7～图11)中，通过设置规定的路径延迟部2，与不设置路径延迟部2的情况Z1(图12)比较，可看出泄漏比率大大降低。

另外，在隔着离开侧壁部2的下端的距离配置路径延迟部的情况B～D中，与将路径延迟部2配置在侧壁部2的下端的情况A比较，可看出，下端的电场缓和，泄漏比率也降低。在将路径延迟部2配置在二个地方的情况E中，泄漏比率降低最多。

另外，在情况Z2，通过将路径延迟部2的距离L设定为相当于λ/2的长度，则分支并在路径延迟部2中传播的微波31a的相位与不分支地在侧壁部4b中传播的微波31的相位相同。

结果，在侧壁部4b中传播的微波31没有被抵消地在侧壁部4b中传播，泄漏比几乎不减小。

其次，在上述路径延迟部以外的路径延迟部例子中，分别如图15～图20所示，并将对应的各个路径延迟部的尺寸关系表示在图21中。

首先，在图15所示的路径延迟部2中，将分支的微波31a传播的部分的距离(L1+L2)设定为相当于λ/4的长度。在图16所示的路径延迟部2中，设定二个路径延迟部2，分别将距离L设定为相当于λ/4的长度，距离D为相当于λ/4的长度。

在图17和图18所示的路径延迟部2中，分别将距离L设定为相当于λ/4的长度，将距离D设定为相当于λ/4或3λ/4的长度。

在图19所示的路径延迟部2中，将距离L设定为相当于λ/4的长度。在该路径延迟部2的下方的腔室1的内壁上配置吸收微波的例如铁氧体等的电波吸收体15。优选，将路径延迟部2与电波吸收体15的距离D，设定为相当于λ/4的长度。但这个值没有特别的限制。

图20所示的路径延迟部2，由具有与侧壁部4b不同的介电常数的材质构成。当令侧壁部4b的比介电常数为εr_A，路径延迟部2的比介电常数为εr_B，分支的微波31a在路径延迟部2中的传播距离为距离(L1+L2)，分支的微波31a在侧壁部4b中的传播距离为距离L3，和微波在真空中的波长为λ₀时，则满足 $(L1+L2)/({\mathrm{\λ}}_0\·{\left(\mathrm{\ϵ}{r}_B\right)}^{-\frac{1}{2}})+L3/({\mathrm{\λ}}_0\·{\left({\mathrm{\ϵr}}_A\right)}^{-\frac{1}{2}})=1/4$ 的关系。

在具有这种路径延迟部2的等离子体处理装置中，在分支的微波31a和不分支的微波31合流的部分中，微波31a的相位与微波31的相位比较因偏移λ/2而互相抵消，微波31的大部分成分，被反射向与可在侧壁部4b中行进的方向相反的方向，作为微波32，而在侧壁部4b中传播。

结果，在侧壁部4b中，进一步向下方传播的微波33的成分大幅度减少，可以抑制异常放电和异物的产生，可以对基板11进行稳定的等离子体处理。

另外，作为路径延迟部，与单纯由空隙形成的结构比较，通过由具有适当的介电常数的材料形成，可减少路径延迟部的尺寸，可将由于设置路径延迟部而使等离子体处理装置的尺寸增大抑制至最小限度。

对所述的实施方式的所有方面都是示例性的，没是限制。本发明不是由上述说明而是由权利要求范围决定，意味着包含与权利要求范围同等的意义和范围内的所有变更。

产业上利用的可能性

本发明在通过由将微波导入腔室内形成的等离子体生成区域，对基板进行蚀刻或成膜等规定的等离子体处理的等离子体处理装置中，可以在抑制异常放电和异物产生的结构中有效利用。

Claims (8)

1、一种等离子体处理装置，将基板(11)暴露在等离子体生成区域(22)中，对基板(11)进行规定的处理，其特征在于，该等离子体处理装置具有：

收容基板(11)用的腔室(1)；

构成所述腔室(1)的隔壁的一部分的顶板部(4)；

通过所述顶板部(4)将高频电磁场供给所述腔室(1)内，在所述顶板部(4)和收容在所述腔室(1)内的所述基板(11)之间的区域中形成等离子体生成区域(22)的天线部(3)；和

路径延迟部(2)，该路径延迟部可使在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场分支，并在使分支的高频电磁场与不分支地在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场再次合流时，如在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场的波长为λ时，使分支的高频电磁场的相位相对于不分支地在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场的相位成为偏移λ/2的奇数倍的偏移状态。

2、如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征为，所述顶板部(4)具有：

与收容的基板(11)对向配置的平板部(4a)；和

从所述平板部(4a)的周边向着配置有基板(11)的一侧形成的筒状的侧壁部(4b)，

所述路径延迟部(2)配置在所述侧壁部(4b)上。

3、如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征为，

所述路径延迟部(2)沿着所述侧壁部(4b)的外周面配置成环状。

4、如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征为，

所述路径延迟部(2)包含相对于在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场的进行方向而位于上游侧的第一部分和位于下游侧的第二部分。

5、如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征为，

所述路径延迟部(2)具有为了使分支的高频电磁场传播用的与所述顶板部(4)连通的传播区域。

6、如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征为，

作为所述传播区域，所述路径延迟部(2)包含分支的高频电磁场与不分支地在所述顶板部(4)中传播的高频电磁场大致平行地传播的部分。

7、如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征为，

在所述传播区域中充填有具有规定折射率的部件。

8、如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征为，

相对所述路径延迟部(2)而在远离所述天线部的一侧，具有吸收高频电磁场的电波吸收体(15)。

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