CN1742522A - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置，包括上面放置有目标物体的工作台、容纳工作台并通过高频电磁场在其中产生等离子体的容器、产生高频电磁场的高频振荡器(30)，以及输出功率低于高频振荡器(30)且振荡频率稳定的参考振荡器(34)。所述参考振荡器(34)产生的参考信号被注入高频振荡器(30)中，将高频振荡器(30)的振荡频率固定在参考信号的频率。从而，当在高频振荡器(30)与容器之间设置自动匹配装置，并根据参考信号的频率设计容器时，能够实现精确的负载匹配，提高能量效率。

Description

等离子体处理装置和等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置和等离子体处理方法，具体地说，涉及一种用高频电磁场产生等离子体、处理诸如半导体、LCD(液晶显示器)、有机EL(电致发光板)等目标物体的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术
制造半导体装置或平板显示器的过程中，常使用等离子体处理装置执行诸如氧化膜形成，半导体层的晶体生长，蚀刻和灰化之类的处理。在等离子体处理装置中，可利用高频等离子体处理装置，向处理容器中输送高频电磁场，将处理容器中的气体电离或分离，从而产生等离子体。高频等离子体处理装置能有效地进行等离子体处理，这是因为其能产生低压、高密度等离子体。
图13表示传统的高频等离子体处理装置的整体结构。这种等离子体处理装置具有处理容器1001，该处理容器1001具有上部开口。上面安装有基片1004的工作台1003被固定在处理容器1001底面的中央部分。在处理容器1001的底面的外围部分中形成用于真空的排气口1005。进气喷嘴1006设置在处理容器1001的侧壁中，气体通过进气喷嘴1006进入处理容器1001中。由电介质板1007封闭处理容器1001的上部开口。在电介质板1007上设置平面天线1015。所述平面天线1015通过波导1014与高频振荡器1011相连。
高频振荡器1011产生的高频电磁场通过波导1014和平面天线1015输送到处理容器1001中。在处理容器1001中，所输送的高频电磁场使自喷嘴1006引入的气体电离或分离，产生等离子体，从而处理基片1004。
在波导1014中，当气体被电离或分离以产生等离子体时，从电源一侧看负载侧阻抗发生改变。即使在等离子体产生之前电源与负载之间阻抗匹配，如果由于等离子体产生导致负载的阻抗发生改变，就不能实现阻抗匹配，并且高频电磁场不能被有效地输送到处理容器1001中。由此，提出了一种用于在电源侧与负载侧之间自动地匹配阻抗的自动匹配装置。
图14的方框图表示自动匹配装置的结构。这种自动匹配装置包括：为波导1014设置的负载匹配部件1016、用于负载匹配部件1016的驱动器1017、同样是给波导1014提供的检测器1018，以及控制器1019，在检测器1018输出信号的基础上，所述控制器1019控制用于负载匹配部件1016的驱动器1017。
负载匹配部件1016包括从波导1014的内壁面沿径向突出的多个短线。譬如，所述负载匹配部件1016包括沿波导1014径向以大约λg/4的间隔设置的三个短线，以及与该三个短线相对的三个短线。应予说明的是，λg是沿波导1014传播的高频电磁场的管内波长(tube wavelength)。短线是金属圆柱体。短线的电抗随短线自波导1014内壁面沿径向伸出的突出长度改变，从而使波导1014中的电抗改变。可通过用于负载匹配部件1016的驱动器1017，自由地改变短线的突出长度。
检测器1018包括从波导1014的内壁面沿径向突起的多个探针。例如，检测器1018包括沿波导1014的轴向以约为λg/8的间隔设置的三个探针。检测器1018检测从各探针取出的波导1014中高频电磁场的功率，并将检测结果输出给控制器1019。
控制器1019由检测器1018的输出信号计算负载侧阻抗，得出满足电源侧与负载侧之间阻抗匹配条件的短线的突出长度。在所得结果的基础上，控制器1019控制用于负载匹配部件1016的驱动器1017，调节短线的突出长度，从而使电源侧与负载侧之间阻抗匹配(比如，参见国际公开No.01/76329刊物)。
这种传统的等离子体处理装置常使用廉价的磁控管作为高频振荡器。但磁控管具有以下缺点。
第一个缺点是，磁控管的振荡频率分布有一定的宽度。即使令磁控管工作于相同的条件下，中心频率fc也会随时间的流逝而改变。比如图15A所示那样，当中心频率fc为2.45GHz时，有时振荡频率分布的宽度约为±数十MHz。
第二个缺点是，中心频率fc随输出功率而变。如图15B中所示那样，即使磁控管的输出功率为1.5kW时中心频率fc为2.45GHz，在输出功率变为3kW时，有时中心频率fc会变到2.46GHz-2.47GHz。
如果高频振荡器1011的振荡频率分布具有一定的宽度，则高频电磁场包括与中心频率fc不同的频率成分，从而包括与同中心频率fc相应的波导1014的管波长λg不同的频率成分λ1。此外，当磁控管长时间工作或者输出功率改变以改变中心频率fc时，波导1014的管波长成分的分布也随之改变。相应地，与λg不同的频率成分λ1会增大。
参照与高频振荡器1011的中心频率fc相应的波导1014的管波长λg设计图14中所示的自动匹配装置。在上面的例子中，当分别按照大约λg/8和λg/4的间距设置自动匹配装置的检测器1018的探针与负载匹配部件1016的短线时，在精确检测结果基础上进行适当的控制操作，能实现阻抗匹配。
对于与λg不同的频率成分λ1，检测器1018的探针间距和阻抗匹配部件1016的短线间距并非分别为λ1/8和λ1/4。为此，检测器1018输出包含有误差的检测结果。控制器1019根据包含有误差的检测结果，通过将阻抗匹配部件1016的短线间距设置成λ1/4而获得阻抗匹配条件。根据计算结果调节各短线的突出长度。从而，不能实现精确的阻抗匹配。
如果使用振荡频率分布具有一定宽度并且以频率稳定性较差的磁控管作为高频振荡器1011，则有时与管波长λg不同的波长成分λ1会成为高频电磁场中的主要成分。从而，即使具有自动匹配装置，也不能实现精确的阻抗匹配，并且，不能有效地将高频电磁场输送到处理容器1001中。
为了解决这一问题，可使用与磁控管相比具有更窄频带和良好的频率稳定性的振荡器作为高频振荡器1011。这种振荡器比如包括高输出晶体管振荡器、速调管等。不过，这些振荡器比磁控管昂贵。如果使用这种振荡器作为高频振荡器1011，则不能提供廉价的等离子体处理装置。
发明内容
为了解决上述问题提出本发明，而且，本发明的目的在于压低具有高能量效率的等离子体处理装置的制造成本。
为了实现上述目的，本发明的等离子体处理装置的特点在于，它包括：用以放置目标物体的工作台，容纳工作台并在其中通过高频电磁场产生等离子体的容器，产生高频电磁场的高频振荡器，以及输出功率低于高频振荡器并且振荡频率稳定的参考振荡器，其中，参考振荡器产生的参考信号注入高频振荡器中，以使高频振荡器的振荡频率固定在参考信号的频率。
本发明的特征还在于包括以下步骤：由输出功率低于产生高频电磁场的高频振荡器且振荡频率稳定的参考振荡器产生参考信号，将参考信号注入高频振荡器中以便将高频振荡器的振荡频率固定为参考信号的频率，将高频振荡器产生的高频电磁场注入容器中以产生等离子体，以及使用等离子体处理设置在容器中的目标物体。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例等离子体处理装置的整体结构示意图；
图2是表示负载匹配部件和检测器结构的示意图；
图3表示高频发生源构造原理的示意图；
图4是表示磁控管输出特性曲线和频率固定宽度的曲线；
图5是表示本发明第二实施例等离子体处理装置主要部分结构的示意图；
图6A和6B是表示衰减器的结构的示意图；
图7是表示衰减器另一种结构的示意图；
图8是表示本发明第三实施例等离子体处理装置主要部分结构的示意图；
图9是表示本发明第四实施例等离子体处理装置主要部分结构的示意图；
图10是表示本发明第五实施例等离子体处理装置主要部分结构的示意图；
图11是表示负载匹配部件另一种结构的示意图；
图12A是表示分支波导(branched waveguide)的短路板结构的透视图，图12B是表示分支波导的短路板另一种结构的透视图；
图13是表示传统高频等离子体处理装置的整体结构示意图；
图14是表示自动匹配装置结构的方框图；
图15A和15B是表示磁控管输出特性的曲线。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的实施例。
(第一实施例)
图1示出本发明第一实施例等离子体处理装置的整体结构。图1利用功能块表示某些结构。
图1所示的等离子体处理装置具有位于底部并具有上部开口的圆柱形处理容器1。经绝缘板2将工作台3固定到处理容器1的底面的中央部分。把比如半导体、LCD等基片4作为目标物体放在工作台3的上表面上。在处理容器1的底面的外围部分中形成于用于抽真空的排气口5。在处理容器1的侧壁中设置进气喷嘴6，气体通过进气喷嘴6引入处理容器1中。当用该等离子体处理装置作为比如蚀刻设备时，通过喷嘴6引入比如Ar的等离子气体和比如CF4的蚀刻气体。
由电介质板7封闭所述处理容器1的上部开口，以致在通过上部开口引入高频电磁场时，处理容器1中产生的等离子体P不会泄漏到外部。在处理容器1的侧壁的上表面与电介质板7之间设有比如O形环之类的密封元件8，以保证处理容器1中的密封性。
在电介质板7上设置电磁场供送装置的天线(第二天线)，与工作台3相对；所述电磁场供送装置将高频电磁场送至到处理容器1中。本实施例中的第二天线以径向线隙缝天线(RLSA)15为例。RLSA 15通过电介质板7与处理容器1隔离，因而保护它不受等离子体P的影响。由在处理容器1的侧壁上环状设置的屏蔽材料9覆盖电介质板7和PLSA 15的外表面。从而，从RLSA 15输送到处理容器1中的高频电磁场不会泄漏到外部。
所述电磁场供送装置具有高频发生源11、与高频发生源11连接的矩形波导12、与矩形波导12相连的矩形柱状转换器13、与矩形柱状转换器13相连的圆柱形波导14，以及与圆柱形波导14相连的RLSA 15。波导12和14分别具有传输模TE10和TE11。矩形柱状转换器13将传输模从TE10转换成TE11。所述矩形波导12，矩形柱状转换器13和圆柱形波导14组成第一波导。自动匹配装置(下面有述)的检测器18和负载匹配部件16按这一顺序从上侧开始被设置在圆柱形波导14上。在矩形柱状转换器13与检测器18之间还开以设置圆偏振转换器20，以将电磁场设定为旋转模式。
下面将要描述RLSA 15。所述RLSA 15具有两个平行的圆形导电板22和23，构成径向波导21，并且还具有连接两个导电板22和23的边缘部分，用以遮蔽它们的导电环24。在作为径向波导21的上表面的导电板22的中央部分处形成与圆柱形波导14连通的开口25。高频电磁场通过开口25引入径向波导21中。在作为径向波导21的下表面的导电板23中形成多个狭缝26，在径向波导21中传播的高频电磁场通过狭缝26，经由电介质板7输送到处理容器1中。
在导电板23的中央部分上设置突起27。所述突起27大致成圆锥形状，向着导电板22的开口25突起，并且它的远端是圆球状的。突起27可由导体或者电介质制成。通过突起27来缓和从圆柱形波导14到径向波导21的阻抗改变，因而可抑制高频电磁场在圆柱形波导14与径向波导21的连接部分处发生反射。
下面描述自动匹配装置。所述自动匹配装置包括：被布置在圆柱形波导14上的负载匹配部件16、为负载匹配部件16用的驱动器17、同样被布置在圆柱形波导14上的检测器18，以及控制器19，该控制器19根据检测器18的输出信号控制负载匹配部件16用的驱动器17。
图2表示负载匹配部件16和检测器18的结构，并示出包括设有负载匹配部件16和检测器18的圆柱形波导14的轴(Z)在内的横截面。
负载匹配部件16包括沿径向从圆柱形波导14的内壁面突起的多个短线。例如，负载匹配部件16包括在波导14的轴向(Z)并以约为λg/4的间距所设置的三个短线71A，71B和71C，以及与三个短线71A，71B和71C相对设置的三个短线72A，72B和72C。可以按照约为λg/8的间距设置各短线。应予说明的是，λg是在圆柱形波导14中传播的高频电磁场的管波长，并与参考信号(下面所述)的频率相应(这一点对于下面的描述也适用)。
所述各短线是金属或电介质圆柱体。短线的电抗随从圆柱形波导14的内壁面沿径向突出的短线的突起长度而变，因而在圆柱形波导14中电抗是改变的。可通过用于负载匹配部件16的驱动器17自由改变短线的突起长度。
检测器18包括从圆柱形波导14的内壁面沿径向突出的多个探针。例如，检测器18包括在圆柱形波导14的轴(Z)向以约为λg/8的间距设置的三个探针81A，81B和81C。只要是以除λg×N/2(N为自然数)之外的间距设置三个或更多探针，就足以满足需要。具有这种结构的检测器18通过平方律检测，检测由各探针抽取出的圆柱形波导14中高频电磁场的功率，并将检测结果输出给控制器19。
控制器19由检测器18的输出信号计算负载侧阻抗，以获得满足电源侧与负载侧之间阻抗匹配条件的短线的突起长度。根据所得的结果，控制器19控制用于负载匹配部件16的驱动器17，以调节短线的突起长度，从而使电源侧与负载侧之间的阻抗匹配。
下面描述高频发生源11。图3表示高频发生源11的结构原理。图3所示的高频发生源11具有高频振荡器30，用于振荡器30的发射器31，三端循环器32，矩形波导33，参考振荡器34，三端循环器35以及假负载36。
高频振荡器30是一种产生具有处于比如0.9GHz至十几GHz范围内预定频率之高频电磁场的振荡器，并由磁控管等构成。作为选择，可使用产生0.9GHz或更小的高频电磁场的振荡器。
高频振荡器30设置在发射器31上。发射器31由具有一个短路端的矩形波导(第二波导)形成。高频振荡器30的探针(第一天线)30A伸入发射器31中，并辐射出高频电磁场。
发射器31的另一端与三端循环器32的第一端相连。循环器32的第二和第三端分别与矩形波导33的一端和参考振荡器34相连。
矩形波导33的另一端与三端循环器35的第一端相连。循环器35的第二和第三端分别与图1中所示的矩形波导12和假负载36相连。
循环器32和35是无源元件，其中来自第一、第二和第三端的输入功率无损耗地分别输送给第二、第三和第一端。
使用输出功率比高频振荡器30低并且振荡频率稳定的振荡器作为参考振荡器34。当高频振荡器30的输出功率为1kW时，可使用输出功率比如约为10W的介质振荡器(DRO)。振荡器的输出功率越高，则振荡器的成本越高。从而，参考振荡器34的输出功率越低，则越好。将参考振荡器34产生的参考信号的频率设定为所需的频率，是高频振荡器30的振荡频率将要固定的频率。例如，当高频振荡器30的振荡频率固定在2.45GHz时，使用2.45GHz参考信号。
在假负载36的端部处设置电磁场吸收材料37。可使用一个比如含水的圆锥体作为电磁场吸收材料37。
在具有上述结构的高频发生源11中，由高频振荡器30的探针30A辐射到发射器31中的高频电磁场，通过循环器32发送到矩形波导33，然后通过循环器35发送到图1所示的矩形波导12，并通过矩形柱状转换器13和圆柱形波导14引入RLSA 15中。从径向波导21的中心部分向外围部分径向传播的高频电磁场，通过在径向波导21的下表面中形成的多个狭缝26逐渐供送该处理容器1，所供送的高频电磁场将通过喷嘴6引入的气体电离或分离，以产生等离子体P，从而处理基片4。
通过循环器32将参考振荡器34产生的参考信号发送给发射器31，并通过探针30A注入高频振荡器30中。在把参考信号注入高频振荡器30时，如果高频振荡器30的中心频率fc接近参考信号的频率，则高频振荡器30的振荡频率变为参考信号的频率，并固定在该频率。因而，如图15A所示，即使高频振荡器30的振荡频率分布具有一定宽度，振荡频率也会被会聚到参考信号的频率，从而振荡频率的频带变窄。由于参考信号具有良好的频率稳定性，当高频振荡器30的振荡频率固定在参考信号时，也能使高频振荡器30的振荡频率稳定。结果，在高频振荡器30的振荡频率中，减少了与参考信号的频率不同的频率成分。
由公式(1)表示可通过上述方法固定于参考信号频率f的高频振荡器30的振荡频率的频率宽度(称作频率固定宽度)Δf：
      Δf/f＝2/QE·(Pi/Po)1/2              (1)
其中f为参考信号的频率，Pi为注入到高频振荡器30之参考信号的功率，P0为高频振荡器30的输出功率，QE为高频振荡器30的外部Q值。
因此，必须选择这样的高频振荡器30，使高频振荡器30的原始中心频率fc与参考信号频率之间的差别不超过频率固定宽度Δf。
把由RLSA 15反射的高频电磁场通过循环器35发送给假负载36，并被电磁场吸收材料37吸收。因而，可防止被RLSA 15反射的高频电磁场通过循环器32发送给参考振荡器34，可避免引起参考振荡器34的误操作。可以为圆柱形波导14提供由循环器35和假负载36构成的结构。
根据这一实施例，在参考信号频率的基础上设计自动匹配装置。更具体而言，对于与参考信号频率相应的圆柱形波导14的管波长λg，沿着圆柱形波导14的轴(Z)的方向，分别按照约为λg/8和λg/4的间距设置检测器18的探针和负载匹配部件16的短线。从而，当高频振荡器30的振荡频率固定于参考信号的频率，并且在高频振荡器30的振荡频率中，与参考信号频率不同的频率成分减小时，即使在等离子体P产生期间负载侧阻抗改变，在负载侧与电源侧之间也能精确地实现阻抗匹配。结果，通过产生等离子体P，高频电磁场可有效地输送到处理容器1中，并且可提高等离子体处理装置的能量效率。
当使用参考振荡器34把由高输出磁控管等构成的高频振荡器30的振荡频率固定于预定的频率时，不必由昂贵的振荡器，比如高输出晶体管振荡器构成高频振荡器30。所述振荡器，比如具有良好频率稳定性的DRO，如果它的输出功率约为10W这样低的话，则较为廉价。当使用这种廉价的振荡器作为参考振荡器34时，可获得上面所述的效果，即提高能量效率，同时能压低等离子体处理装置的制造成本。
第一实施例表示将高频电磁场从高频发生源11引导到处理容器1的第一波导由矩形波导12、矩形柱状转换器13和圆柱形波导14构成的情形。作为选择，可仅通过一个波导线，如同轴电缆，将高频电磁场从高频发生源11引导到处理容器1。可中途通过比如同轴波导之类的波导线从高频发生源11引导高频电磁场，并且这之后通过比如同轴波导的波导将高频电磁场引导到处理容器1。即第一波导由波导、波导线、或者彼此串联连接的波导和波导线构成。
在第一实施例中，第二波导包括由矩形波导形成的发射器31，它将参考信号从参考振荡器34引导到高频振荡器30。作为选择，除波导(如矩形波导、圆柱形波导或同轴波导)之外，第二波导可以包括波导线(如同轴电缆)，或者彼此串联连接的波导和波导线。
(第二实施例)
本发明第二实施例的等离子体处理装置具有振荡频率稳定并且输出功率可变的高频发生源。
为了改变图3中所示高频发生源11的输出功率，可以改变高频振荡器30的输出功率P0。不过，若高频振荡器30包括磁控管等，如果输出功率P0改变，则如图4中所示，中心频率fc也会随之而变。从公式(1)可以明显地看出，当注入高频振荡器30之参考信号的频率f和功率Pi不变时，如果高频振荡器30的输出功率P0增大，则可固定于参考信号频率f的高频振荡器振荡频率的频率宽度(频率固定宽度)Δf减小。为此，如图4中所示，即使在高频振荡器30的输出功率P0为Po1时频率能够被固定，如果输出功率Po改变到大于Po1的Po2，那么高频振荡器30的原始中心频率fc与参考信号频率f之间的差值也会增大到超过频率固定宽度Δf。从而，不能固定振荡频率，并且，有些时候，振荡频率变得不稳定。有鉴于此，将要描述振荡频率稳定且输出功率可变的高频发生源。
图5表示这种高频发生源的结构。在图5中，将用与图1中相同的附图标记表示与图1中相应的构成元件。
图5所示的高频发生源11A中，使用具有足够高输出功率的高频振荡器30，并且循环器35的第二端与衰减量可改变的衰减器50的输入端相连。衰减器50的输出端与图1所示的矩形波导12相连。
当衰减器50的衰减量改变时，输出到矩形波导12的高频电磁场的功率也随之改变。由于不必改变高频振荡器30的输出功率，频率固定宽度Δf不会改变，并且振荡频率保持固定。从而，利用高频发生源11A，可在振荡频率稳定的同时改变输出功率。
图6A，6B和7表示衰减器50的结构。通过将板状电阻53插入矩形波导52中得到图6A和6B所示的电阻插入型衰减器51。把平行于矩形波导52的E表面(平行于电场的窄管壁)设置的电阻53固定到通过E表面延伸的支撑棒54上。矩形波导52中的场强高于在垂直方向距离E表面更远的部分的场强。当支撑棒54沿该方向移动以便改变电阻53与E表面之间的距离时，可改变通过矩形波导52传播的高频电磁场的衰减量。
图7中所示的T分支分布型衰减器61中，矩形波导62的一端与矩形波导63的侧壁相连。分支波导64的一端和分支波导65的一端也与矩形波导63的侧壁相连，关于矩形波导62的中轴对称。矩形波导63A的一端与假负载66相连。矩形波导62的中轴与分支波导64和65的中轴之间的距离分别为λg/4。分支波导64的另一端和分支波导65的另一端分别通过短路板64A和65A被电功能地短路。当两个短路板64A和65A沿分支波导64和65滑动，同时分支波导64和65的轴向保持λg/4的距离时，改变从矩形波导62另一端输入的高频电磁场被分支到矩形波导63的一端和另一端的比例。从而，可改变从矩形波导63的另一端输出的高频电磁场的衰减量。
(第三实施例)
本发明第三实施例的等离子体处理装置具有能够以较低成本实现的高输出、频率稳定的高频发生源。
从公式(1)显然可以看出，相对于注入高频振荡器中参考信号的功率Pi，高频振荡器的输出功率P0越高，则能够被固定于参考信号频率f的高频振荡器振荡频率的频率宽度(频率固定宽度)Δf越窄。从而，当通过使用低输出参考振荡器固定高输出高频振荡器的振荡频率时，不能保持高输出高频振荡器的中心频率fc仅有稍许波动的频率固定，并且不可能实现稳定的频率固定。当通过使用高输出参考振荡器固定高输出高频振荡器的振荡频率时，可实现稳定的频率固定。高输出参考振荡器例如DRO非常昂贵。有鉴于此，将要描述不使用高输出参考振荡器的高输出频率稳定的高频发生源。
图8表示这种高频发生源的结构。在图8中，用与图1和5相同的附图标记表示与图1和5中所示相应的构成元件。
图8中所示的高频发生源11B具有多个由磁控管等形成的高频振荡器。在注入由参考振荡器34产生的参考信号时，高频振荡器30A，30B，…和30C的振荡频率都固定在参考信号的频率。通过合成器38将高频振荡器30A至30C产生的高频电磁场合成。合成的高频电磁场输出至图1中所示的矩形波导12。
按照这种方式，当提供多个高频振荡器30A至30C并合成其输出功率时，通过使用多个低输出振荡器可获得与使用一个高输出振荡器获得的功率相同的输出功率。由于使用高频振荡器30A至30C作为低输出振荡器，即便在使用低输出振荡器作为参考振荡器34时，也能获得宽频率固定宽度Δf。即使高频振荡器30A至30C的中心频率或多或少地波动，也能保持频率固定，并且可获得稳定的频率固定。不需要使用昂贵的高输出参考振荡器来实现高输出、功率稳定的高频发生源。结果，可压低高频发生源及使用其的等离子体处理装置的制造成本。
即使提供多个高频振荡器30A至30C，它们也不必总是同时操作。例如，当高频振荡器30A至30C的输出功率为1kW，并且要供送1.9-kW功率时，仅使两个高频振荡器30A和30B工作，其余的高频振荡器停止工作。调节衰减器50，将输出功率从2.0kW衰减到1.9kW。这样就可以减少停止工作之高频振荡器的能耗。因而，运行成本低于使用一个高输出高频振荡器时所需的成本。
可以为多个高频振荡器共同提供参考振荡器34，或者可以为每个高频振荡器30A至30C分别提供参考振荡器34。高频振荡器30A至30C的输出功率可以相同或不同。可为多个高频振荡器共同提供由循环器35和假负载36构成的结构，或者可为每个高频振荡器30A至30C分别提供由循环器35和假负载36构成的结构。
(第四实施例)
本发明第四实施例的等离子体处理装置具有能够以较低成本实现的高输出、频率稳定的高频发生源。
图9表示这种高频发生源的结构。在图9中，用与图1和5相同的附图标记表示与图1和5中所示相应的构成元件。
图9中所示的高频发生源11C具有多个由磁控管等构成的高频振荡器。这些高频振荡器30D，30E，…和30F具有不同的输出功率，并且按照输出功率增加的顺序级联。更具体而言，建立：
POD＜POE＜…＜POF
其中POD是第一级高频振荡器30D的输出功率，POE是第二级高频振荡器30E的输出功率，POF是最后一级高频振荡器30F的输出功率。第一级高频振荡器30D与参考振荡器34相连，并由参考振荡器34产生的参考信号注入高频振荡器30D。前一级高频振荡器产生的高频电磁场被注入每一个其余的高频振荡器中。最后一级高频振荡器30F通过矩形波导33、循环器35以及衰减器50与图1中所示的矩形波导12相连。
当所有高频振荡器30D至30F的中心频率都接近参考信号的频率时，在注入参考信号时，第一级高频振荡器30D的振荡频率固定于参考信号的频率。在注入由高频振荡器30D产生的高频电磁场时，作为高频振荡器30D的下一级的高频振荡器30E的振荡频率被固定在该高频电磁场的频率，即参考信号的频率。由此，所有高频振荡器30D至30F的振荡频率都按照所述的方式固定在参考信号的频率。
如上所述，当多个高频振荡器30D至30F按照输出功率增大的顺序级联，并且在多级上振荡频率固定时，各级可获得宽频率固定宽度Δf。即使各级高频振荡器的中心频率或多或少地波动，也能保持频率固定。因而，当使用低输出参考振荡器34来固定高输出高频振荡器30F的振荡频率时，可实现稳定的频率固定。不需要使用昂贵的高输出参考振荡器来实现高输出频率稳定的高频发生源。结果，可压低高频发生源及使用其的等离子体处理装置的制造成本。
(第五实施例)
本发明不仅可应用于上面所述的高频等离子体处理装置，而且可应用于电子回旋共振(ECR)等离子体处理装置。图10表示采用本发明的ECR等离子体处理装置的结构。在图10中，用与图1中相同的附图标记表示与图1中相应的构成元件。
图10中所示的ECR等离子体处理装置具有容器101。所述容器101包括产生等离子体的等离子体室101A，以及实行比如等离子体CVD之类过程的反应室101B。
等离子体室101A的周围设置主电磁线圈191，用以在等离子体室101A中形成磁通量密度为87.5mT的磁场。等离子体室101A的上端通过电介质板107与圆柱形波导14的一端相连。圆柱形波导14输送频率等于电子回旋频率2.45GHz(等离子体中电子旋转大约一条磁力线的频率)的高频电磁场F。
与等离子体室101A相通的反应室101B容纳有工作台103，工作台的上表面放置有Si基片4作为目标物体。在反应室101B的底面的下面设置辅助电磁线圈192。包括主电磁线圈191和辅助电磁线圈192的磁场产生器，在反应室101B中形成镜像场MM。
等离子体室101A的上部中设有喷嘴106A，用于供送比如N2之类的等离子体气体。反应室101B的上部中设有喷嘴106B，用于供送比如SiH4之类的反应气体。此外，在反应室101B的下部中设有与真空泵相通的排气口105。
按照这种结构，当在等离子体室101A中形成磁通量密度B为87.5mT的磁场，并将频率为2.45GHz的高频电磁场F引入等离子体室101A中时，发生电子回旋共振，并且高频电磁场F的能量有效地移动到电子，将电子加热。按照这种方式被高频电磁场F加热的电子将等离子体时，等离子体室101A中的N2电离或分离，产生等离子体。
圆柱形波导14的一端与等离子体室101A相连，其另一端通过矩形柱状转换器13和矩形波导12与高频发生源11相连。高频发生源11与图3中所示的高频发生源相同。还为高频发生源11设置与图14中所示相同并且包括负载匹配部件16、用于负载匹配部件16的驱动器17、检测器18以及控制器19的自动匹配装置。还设有圆偏振转换器20。
当按照装置方式使用振荡频率固定的高频发生源11时，通过自动匹配部件能实现精确的阻抗匹配。从而，高频电磁场被有效地输送到等离子体室101A中，因此可提高等离子体处理装置的能量效率。
如上所述，由于高频发生源11不需要昂贵的高输出振荡器，可压低具有高能量效率的等离子体处理装置的制造成本。
可以使用图5、8或9中所示的高频发生源11A、11B或11C，取代高频发生源11。
(第六实施例)
本发明的等离子体处理装置可以使用的负载匹配部件，不限于图2所示的包含多个短线71A至71C以及72A至72C的负载匹配部件。图11示出负载匹配部件16的另一种结构。
图11中所示的负载匹配部件16包括多个垂直于圆柱形波导14的轴(Z)向连接的分支波导。更具体而言，负载匹配部件16包含沿圆柱形波导14的轴(Z)的方向等距离设置的三个分支波导271A至271C，以及分别与三个分支波导271A至271C相对设置的三个分支波导272A至272C。
对于所述分支波导271A至271C及272A至272C中的每一个而言，可以使用垂直于波导轴的横截面是矩形的矩形波导、具有圆形截面的圆柱状波导、具有椭圆形截面的波导、具有圆角矩形截面的波导，或者其中央部分处具有脊的脊状波导(ridge waveguide)。
所述分支波导271A至271C及272A至272C中的每一个，其一端在圆柱形波导14中开放，另一端通过相应的短路板275被电功能地短路。如图12B中所示，每一个短路板275具有其上端和下端成直角弯曲的U-形侧面。被弯曲的部分275A(下称弯曲部分)被插入分支波导271A至271C的相应一个中，被引导至圆柱形波导14的开口端的相对一侧。当每个短路板275的弯曲部分275A具有约为λg/4的长度，并且将绝缘片粘结到其上以形成所谓的扼流结构时，弯曲部分275A可具有可动性，保证在短路板275的位置反射高频电磁场。作为选择，如图12B所示，可将短路板275的上、下、左和右端部弯曲成直角。
短路板275固定到沿所述分支波导271A至271C及272A至272C的轴向延伸的棒276的顶端。当棒276通过用于负载匹配部件16的驱动器沿分支波导271A至271C及272A至272C的轴向平移时，短路板275可以在分支波导271A至271C及272A至272C中自动滑动。
分支波导271A至271C及272A至272C中每一个的电抗，随由分支波导的一端到另一端之长度除以管波长λg得到的电学长度而变。因而，当通过滑动分别构成所述分支波导271A至271C及272A至272C中相应一个的另一端的短路板275而改变所述电学长度时，分支波导271A至271C及272A至272C的电抗可在从足够小的-(负)值经过0(零)直到足够大的+(正)值的宽范围内变化。
将圆柱形波导14的轴(Z)向分支波导271A至271C及272A至272C的间距设定为λg/4。当分支波导271A至271C及272A至272C的电抗在0(零)到充分大/小的+/-值宽范围内改变时，负载匹配部件16具有覆盖整个史密斯图的匹配范围。即使将分支波导271A至271C等的间距设定为λg/8，同样也能获得覆盖整个史密斯图的宽匹配范围。即使作为负载的等离子体的反射较大，也能实现全相阻抗匹配。
所述分支波导271A至271C及272A至272C不具有如同短线71A至71C及72A至72C那样伸入圆柱形波导14中的结构。即使作为负载的等离子体的反射较大，彼此相对的分支波导271A至271C与分支波导272A至272C之间也不会发生放电。
即使仅使用分支波导271A至271C，也能获得覆盖整个史密斯图的匹配范围，并且能实现全相阻抗匹配。
当沿圆柱形波导14的轴(Z)向设置三个或更多分支波导时，如果其间距设定为λg/4或λg/8，则也能实现全相阻抗匹配。
即使沿轴(Z)向设置的分支波导之间的距离不相等，也能实现全相阻抗匹配。例如，可将分支波导271A与271B之间的距离设定为λg/4，将分支波导271B与271C之间的距离设定为λg/8。
如果沿轴(Z)向设置两个分支波导，或者，如果沿圆柱形波导14的轴(Z)向设置的分支波导的间距为除去λg×N/2、λg/4和λg/8之外的数值，则匹配范围变窄，不过根据条件，可使用所产生的圆柱形波导14。
在上面的描述中，尽管给圆柱形波导14提供所述自动匹配装置的负载匹配部件16和检测器1，不过也可以将它们提供给矩形波导12。
本发明的等离子体处理装置可用在蚀刻设备、CVD设备、灰化设备等中。
在上述实施例中，准备的参考振荡器，其输出功率低于产生用于等离子体产生的高频电磁场的高频振荡器，并且振荡频率稳定。参考振荡器产生的参考信号注入高频振荡器中，以便将高频振荡器的振荡频率固定在参考信号的频率。高频振荡器的频带较窄，且其振荡频率稳定。从而，与参考信号频率不同的频率成分减小。当根据参考信号的频率设计提供给波导的自动匹配装置时(波导将高频振荡器产生的高频电磁场引导到产生等离子体的容器)，可实现精确的阻抗匹配，以提高能量效率。
如果输出功率较低，则具有良好频率稳定性的振荡器较为廉价。当使用这种廉价的振荡器作为参考振荡器时，可压低具有高能量效率的等离子体处理装置的制造成本。
在上述实施例中，高频振荡器产生的高频电磁场受到衰减器的衰减，并输送到产生等离子体的容器中。从而，可改变输送到容器中的功率。由于无需改变高频振荡器的输出功率，所以中心频率不随输出功率的改变而改变，从而可保持振荡频率固定。
在上述实施例中，将注入了参考信号的多个高频振荡器产生的高频电磁场合成，并将所合成的电磁场输送给产生等离子体的容器。作为选择，使多个高频振荡器按照输出功率增大的顺序级联。参考信号被注入第一级高频振荡器中。前一级高频振荡器产生的高频电磁场被注入每个其余的高频振荡器中。最后一级高频振荡器产生的高频电磁场被供送给产生等离子体的容器中。采用这种结构，无需昂贵的高输出振荡器实现高输出、频率稳定的高频发生源。结果，可压低等离子体处理装置的制造成本。

Claims (17)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，它包括：
工作台，它上面设置目标物体；
容纳所述工作台的容器，并在该容器中通过供送给其中的高频电磁场产生等离子体；
产生高频电磁场的高频振荡器；
输出功率低于所述高频振荡器且振荡频率稳定的参考振荡器；
其中，所述参考振荡器产生的参考信号被注入所述高频振荡器中，将所述高频振荡器的振荡频率固定在该参考信号的频率。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括将所述高频振荡器产生的高频电磁场引导至所述容器的波导。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述高频振荡器具有将高频电磁场输出至所述波导的第一天线。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述参考振荡器将参考信号输出给所述波导，并且该参考信号通过所述第一天线注入所述高频振荡器中。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括设置在所述参考振荡器与波导的连接部分处的一个元件，该元件将来自所述高频振荡器一侧的高频电磁场发送给所述容器一侧，并将来自所述参考振荡器一侧的参考信号发送给所述高频振荡器一侧。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述高频振荡器包括磁控管。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述参考振荡器包括电介质振荡器。
8.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括与所述波导相连并使高频电磁场衰减的衰减器。
9.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述高频振荡器包括被注入参考信号的多个高频振荡器，并且
所述等离子体处理装置还包括一合成器，将所述高频振荡器产生的高频电磁场合成，并将合成的电磁场输出给所述波导。
10.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于
所述多个高频振荡器包括多个高频振荡器，其中所述多个高频振荡器按照输出功率增大的顺序被级联，参考信号注入第一级高频振荡器中，前一级高频振荡器产生的高频电磁场被注入每个其余的高频振荡器中，并且最后一级高频振荡器产生的高频电磁场被输出给所述波导。
11.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括一个为所述波导设置的元件，该元件将来自所述高频振荡器一侧的高频电磁场发送给所述容器一侧，并将来自所述容器一侧的高频电磁场发送给一假负载。
12.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括为所述波导设置的负载匹配部件，该负载匹配部件在所述高频振荡器一侧与所述容器一侧之间实现阻抗匹配。
13.根据权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于
所述负载匹配部件包括多个分支波导，每个分支波导与所述波导的轴向垂直连接，每个分支波导的一端在所述波导中开放，另一端被电功能短路；
其中，根据参考信号的频率按照预定的间距沿所述波导的轴向设置所述分支波导。
14.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括与所述工作台相对设置的第二天线，所述第二天线与所述波导连接，并将所述波导产生的高频电磁场引导到所述容器中。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
包括在所述容器中产生磁场的磁场产生器，其中，使用通过电子回旋共振加热的电子产生等离子体。
16.一种等离子体处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过参考振荡器产生参考信号，其中，参考振荡器的输出功率低于产生高频电磁场的高频振荡器并且振荡频率稳定；
将参考信号注入高频振荡器中，以便将高频振荡器的振荡频率固定在参考信号的频率；
将高频振荡器产生的高频电磁场输送到容器中，产生等离子体；
使用等离子体对设置于容器中的目标物体进行处理。
17.根据权利要求16所述的等离子体处理方法，其特征在于，
使所述高频电磁场在被输送到容器中之前受到衰减器的衰减。
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