CN1945800A - 微波等离子体处理装置、等离子体点火方法、等离子体形成方法及等离子体处理方法 - Google Patents
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Abstract
在微波等离子体处理装置(10)中设置促进利用微波进行等离子体点火的等离子体点火促进部件。等离子体点火促进部件具有产生真空紫外线的重氢灯(30)，以及，使真空紫外线透过并将之导入等离子体激发用空间(26)内的透过窗(32)。透过窗(32)构成为凸透镜结构，通过聚焦真空紫外线来促进等离子体激发气体的电离。通过所述结构，可以容易且快速地进行等离子体点火。
Description
本申请是申请号为02807489.0的专利申请的分案申请，所述原申请的申请日为2002年3月28日，发明名称为“微波等离子体处理装置、等离子体点火方法、等离子体形成方法及等离子体处理方法”。
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置，特别涉及通过由微波激发的等离子体进行等离子体处理的微波等离子体处理装置。
背景技术
近年来，在等离子体处理装置中，公知有微波等离子体处理装置。微波等离子体处理装置与平行平板等离子体处理装置或ECR等离子体处理装置等其他等离子体处理装置相比，由于等离子体电压低，因此，能够产生具有低电子温度及低离子照射能量的等离子体。
由此，根据微波等离子体处理装置，可以防止进行等离子体处理的基片因金属污染或离子照射而损坏。此外，由于能够将等离子体激发用空间从处理空间分离，因此，能够进行不依赖基片材料和基片上所形成的图案的等离子体处理。
在微波等离子体处理装置中，向处理室内导入等离子体激发气体后，再向等离子体激发气体导入微波，从而用微波进行等离子体点火。但是，由于微波的频率高，因此，在使等离子体激发气体的电子充分加速之前电场就会颠倒，因而具有难于进行等离子体点火的特性。另外，近来的等离子体处理，例如有时要求在67Pa(约0.5Torr)以下的非常低的低压下进行处理，但在这种低压下，由于等离子体激发气体的密度很低，因此，会使等离子体点火变得困难。
此外，与平行平板等离子体处理装置不同，从微波天线放射微波的微波等离子体处理装置，由于不向被处理基片施加电场，因此，不会导致引发等离子体点火的自由电子的放出，从而，使上述问题更加严重。
在现有的微波等离子体处理装置中，普遍采用这样的点火方法，即，在等离子体点火时，通过将处理室内的压力设的高一些，例如设为133Pa(约1Torr)，使得通过微波容易进行点火，并在点火后再将压力降低，例如降到7Pa(约50mTorr)上。但是，在这种方法中，由于仅仅为了点火，需要先将处理室内的压力升高，并在点火后再将压力降下，即，需要进行在传统的等离子体处理中并不需要的控制，因此，使进行实际的等离子体处理之前的准备时间变长，进而，恶化整体效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种微波等离子体处理装置、等离子体点火方法、等离子体形成方法及等离子体处理方法，使得在进行加工处理的期望压力下，能够容易且快速地进行等离子体点火。
为解决上述问题，本发明的特征在于，采用了下述各种方案。
本发明的一个方案是一种微波等离子体处理装置，由微波产生等离子体来进行等离子体处理，其特征在于，所述装置具有等离子体点火促进部件，用于促进利用微波的等离子体点火。
本发明的另一个方案是一种利用微波的等离子体点火方法，其特征在于，对处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，向所述处理室导入等离子体激发气体，向所述处理室内的等离子体激发气体照射真空紫外线、X射线、激光束、电子束、激元灯光(excimer lamp light)中的至少一种，向所述处理室内的等离子体激发气体导入微波来进行等离子体点火。
本发明的再一个方案是一种等离子体形成方法，从微波天线放射微波来形成等离子体，其特征在于，对处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，向所述处理室导入等离子体激发气体，并通过设置于所述处理室上的真空紫外线透过窗，向所述处理室内的等离子体激发气体照射真空紫外线，通过所述透过窗将所述真空紫外线聚焦在规定的位置上，从而，至少使部分所述等离子体激发气体电离，进而，通过向所述处理室内放射所述微波来进行等离子体点火。
本发明的又一个方案是一种等离子体处理方法，使用从微波天线放射微波而形成的等离子体对被处理基片进行处理，其特征在于，对所述处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，然后，向所述处理室导入等离子体激发气体，通过设置于所述处理室上的真空紫外线透过窗，向所述处理室内的等离子体激发气体照射真空紫外线，通过所述透过窗将所述真空紫外线聚焦在规定的位置上，从而，至少使部分所述稀有气体电离，进而，通过向所述处理室内放射所述微波来进行等离子体点火，并在等离子体点火后，向所述处理室内导入用于处理所述被处理基片的处理气体。
根据本发明，由于设置了促进微波等离子体点火的等离子体点火促进部件，因此，即使在仅用微波难于进行等离子体点火的条件下，也能够容易且快速地进行等离子体点火。等离子体点火促进部件，可以具有通过向等离子体激发用空间照射真空紫外线、X射线、激光束、电子束、激元灯光等，来促进等离子体点火的结构，但是，最好是通过透过窗向处理室内的等离子体激发用空间，照射由重氢灯产生的、例如波长为135nm的真空紫外线，而等离子体激发用空间内的等离子体激发气体，被真空紫外线电离，形成等离子体生成源。这里，可以通过导入微波来容易地生成等离子体。
附图说明
图1 是本发明一个实施例的微波等离子体处理装置的简略结构图；
图2 是相对于半导体晶片的透过窗的焦点位置平面图；
图3 使用图1所示的微波等离子体处理装置进行的等离子体处理流程图；
图4 是图1的微波等离子体处理装置的变形例的简略结构示意图；
图5 是图1的微波等离子体处理装置的其他变形例的简略结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的实施例进行说明。图1是本发明一个实施例的微波等离子体处理装置的简略结构图。
图1所示的微波等离子体处理装置10由处理室12、设置在处理室12上部的缝隙天线(微波天线)14、设置在缝隙天线14下方的电介质隔板16、设置在电介质隔板16下方的等离子体激发气体喷盘18、设置在等离子体激发气体喷盘18下方的处理气体喷盘20、设置在处理气体喷盘20下方的装载台22及产生微波的磁控管24等构成。
由磁控管24产生的、例如为2.45GHz的微波被波导管(图中未示出)导入缝隙天线14内。导入缝隙天线14内的微波，通过电介质隔板16和等离子体激发气体喷盘18，被导入等离子体激发用空间26中。
从等离子体激发气体喷盘18向等离子体激发用空间26中供给例如由氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等稀有气体组成的等离子体激发气体，而等离子体激发气体被微波激发，生成等离子体。在等离子体激发用空间26中生成的等离子体，例如，通过呈格子状的处理气体喷盘20的开口部分被供给到处理空间28中。
从处理气体喷盘20向处理空间28供给规定的处理气体。在设置于处理空间28中的装载台22上，载有作为被处理物的硅晶片等半导体晶片W，利用处理气体和等离子体进行规定的等离子体处理。进行等离子体处理的结果而生成的排放气体经过设置于处理室12底部的排气12a被真空泵(图中未示出)排出。
下面，对微波等离子体处理装置10中的等离子体点火进行说明。
微波等离子体处理装置10，在等离子处理空间26内，使用导入的微波进行等离子体点火。但是，如果处理室12内的压力低，则仅通过微波引发等离子体点火是很困难的。因此，在本实施例的微波等离子体处理装置10中设置等离子体点火促进部件，用于辅助或促进微波等离子体点火。
本实施例的等离子体点火促进部件由重氢灯30和透过窗32组成，它们被设置于构成等离子体激发用空间26的处理室12的侧壁上。重氢灯30产生波长为135nm的真空紫外线。所产生的真空紫外线透过透过窗32射入等离子体激发用空间26内。射入等离子体激发用空间26内的真空紫外线引发等离子体激发气体的电离，从而促进利用微波的等离子体点火，另外，透过窗32最好由CaF2、MgF2、LiF等材料构成，以便使其不吸收波长短的真空紫外线。此外，真空紫外线由于在压力为1.34Pa(0.01Torr)～13.4Pa(0.1Torr)附近的电离效率非常好，因此，非常适合用于本发明的等离子体点火促进部件中。
如上所述，由重氢灯30产生的真空紫外线，由于波长短，并具有很大的能量，因此，可以有效电离由稀有气体组成的等离子激发用气体。例如，我们假设一下作为等离子体激发用气体使用氪(Kr)的情况。从氪原子放出电子所需的能量为13.8eV。这里，波长为135nm的真空紫外线的能量为9eV，因此，如果通过双光子吸收使氪原子获得18eV能量，则会从氪原子放出电子。
即，通过向氪原子照射波长为135nm的真空紫外线，使得氪原子放出电子，从而引发氪气的电离。通过向处于这种状态的氪气中导入微波，可以容易地进行等离子体点火。
这里，为达到双光子吸收，需要连续向氪原子提供能量，因此，向作为电离发生对象的氪原子照射的真空紫外线的强度越大越好。由此，透过窗32最好构成凸透镜结构，从而，将真空紫外线聚焦在等离子体激发用空间26的规定位置上。聚焦真空紫外线的位置P最好是在通过微波形成的电场中场强最强的位置。这样的位置例如可以是等离子体激发用空间26中的微波驻波的波节与波节的中间部分、即驻波的波腹部分。
在本实施例的微波等离子体处理装置10中，设有由导电体构成的处理气体喷盘20，通过利用等离子体激发气体喷盘18反射微波，在等离子体激发气体喷盘18与处理气体喷盘20之间产生驻波。因此，在本实施例中，透过窗32构成凸透镜结构，并使透过窗32的焦点落在离等离子体激发气体喷盘18距离为L的、与驻波的腹部对应的位置P上。即，距离L等于微波波长λ的1/4(λ/4)。
由此，由于通过透过窗32聚焦的高强度的真空紫外线照射等离子体激发用空间26内最容易发生电离的部分，因此，能够容易达到双光子吸收，从而，能够进一步促进等离子体点火。另外，上述距离L不仅限于微波波长的1/4的距离，也可以是例如3/4、5/4((2n+1)/4：n为整数)等的与驻波腹部相当的距离。
这里，图2是从正上方看半导体晶片W时的等离子体激发用空间26的平面图。如图2所示，聚焦真空紫外线的位置P(即，构成凸透镜结构的透过窗的焦点位置)，最好在从作为被处理基片的半导体晶片向正上方延伸的区域以外的区域中。即，若在半导体晶片的上方附近进行等离子体点火，则由于等离子体点火在等离子体激发用气体内传播的路径中会有半导体晶片存在，因而会给半导体晶片带来坏影响。为了避免这种情况，最好使进行等离子体点火的位置在从半导体晶片向正上方延伸的区域以外。另外，在图2中没有表示出处理气体喷盘20。
如上所述，在本实施例的微波等离子体处理装置10中，如图3所示，首先，对处理室12进行排气，使其内部达到真空气氛(步骤1)。然后，向等离子体激发用空间26内供给等离子体激发气体(步骤2)。然后，用重氢灯30产生真空紫外线，通过透过窗32向等离子体激发用空间26照射真空紫外线(步骤3)。在通过真空紫外线使等离子体激发气体的电子放出的状态下，从缝隙天线14向等离子体激发用空间26内导入微波，从而进行等离子体点火(步骤4)。等离子体被点火后，就会连续生成等离子体。生成的等离子体通过处理气体喷盘20的开口部分被供给到处理空间28中，从而，利用从处理气体喷盘20供给的处理气体与等离子体，在半导体晶片W上进行规定的等离子体处理(步骤5)。
例如，在硅晶片上形成硅的氧化膜、氮化膜、或氮氧化膜时，从处理气体喷盘20向处理空间28中供给作为处理气体的O2、NH3、N2、H2等。此外，对硅晶片进行蚀刻处理时，从处理气体喷盘20向处理空间28供给作为处理气体的氟碳化合物或卤素系气体。
这里，由于处理气体被供给到通过处理气体喷盘20与等离子体激发用空间26分离的处理空间28中，并从晶片W流向设置于处理室12底部的排气口12a，因此，不会进入等离子体激发用空间26内。由此，在等离子体点火时，等离子体激发用空间26中不存在处理气体，可以防止由等离子体点火时的处理气体的分解而引起的问题。
另外，在上述实施例中，在处理室12的侧壁上设置了重氢灯30与透过窗32，但是，在图4所示的微波等离子体处理装置10A中，却将他们设在处理室12的底部。此时，由于可使隔断等离子体激发用空间的壁面保持光滑状态，因此，可以防止由于隔断等离子体激发用空间的壁面的不连续性而导致的微波的异常放电。
此外，如图5所示，也可以将重氢灯30安装在处理室12的外围，并使重氢灯30与透过窗32之间形成的空间维持真空状态。这里，由于从重氢灯30放射的、波长为135nm的真空紫外线会被空气吸收掉，因此，使真空紫外线通过的空间维持在真空状态。也可以向重氢灯30与透过窗32之间的空间内填充氦(He)来代替其真空状态。
此外，若重氢灯30具有反射镜并构成通过反射镜聚焦真空紫外线的结构的话，则透过窗32并不需要成凸透镜结构，也可以是平板形状的透过窗。
此外，在上述实施例中，作为等离子体点火促进部件说明了照射真空紫外线的结构，但是并不仅限于此，只要可以使等离子体激发气体电离，也可以使用其他结构。例如，代替真空紫外线，也可以通过照射X射线、激光束、电子束、激元灯光来使等离子体激发气体电离。
工业实用性：
根据本发明，由于设置了促进微波等离子体点火的等离子体点火促进部件，因此，即使在仅使用微波难于进行等离子体点火的条件下，也可以容易且快速地进行等离子体点火。作为等离子体点火促进部件，若采用通过透过窗向处理室内的等离子体激发用空间照射由重氢灯产生的真空紫外线的结构，则能够用简单的结构促进等离子体点火。
Claims (25)
1.一种微波等离子体处理装置，该装置利用微波产生等离子体来进行等离子体处理，其特征在于，
具有用于促进利用微波的等离子体点火的等离子体点火促进部件，
所述产生等离子体的微波通过构成处理室的一部分的微波透过窗，被微波天线放射到所述处理室内，
所述等离子体点火促进部件通过向所述处理室内的等离子体激发用空间照射真空紫外线、X射线、激光束、电子束、激元灯光中的至少一种来促进等离子体点火，
来自所述等离子体点火促进部件的光的照射朝着所述等离子体激发用空间内的被处理基片的上方区域以外的部分进行。
2.如权利要求1所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
所述等离子体点火促进部件具有：
重氢灯，用于产生真空紫外线；以及
透过窗，使该真空紫外线透过并将之导入所述等离子体激发用空间内。
3.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
使所述重氢灯和所述透过窗之间的空间成用氦填充的气氛。
4.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
使所述重氢灯和所述透过窗之间的空间维持真空气氛。
5.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
在构成所述等离子体激发用空间的处理室的侧壁上设置所述重氢灯与所述透过窗。
6.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
在处理室的底部设置所述重氢灯与所述透过窗。
7.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
使所述透过窗构成凸透镜，其焦点落在所述等离子体激发用空间的规定位置上。
8.如权利要求7所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
所述规定位置是向被处理基片的正上方延伸的区域以外的位置。
9.如权利要求7所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
所述规定位置是放射到所述处理室内的微波的电场最强的位置。
10.如权利要求7所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
所述规定位置是离喷盘表面只有与(2n+1)/4微波波长相等距离的位置，其中，所述喷盘用于向所述等离子体激发用空间导入等离子体激发气体，所述n为整数。
11.如权利要求2所述的微波等离子体处理装置，其特征在于，
所述透过窗的材质从CaF2、MgF2、LiF中选择。
12.一种微波等离子体处理装置，在处理室内利用微波产生等离子体来进行等离子体处理，
该装置具有用于促进利用微波的等离子体点火的等离子体点火促进部件，
所述等离子体点火促进部件具有用于射出使等离子体激发气体电离的光的光源，和使所述光透过并将之导入所述处理室的等离子体激发用空间内的透过窗，该等离子体点火促进部件位于所述处理室的上方以外任一壁上，通过向所述等离子体激发用空间内照射所述光来促进等离子体点火，
该透过窗构成凸透镜，其焦点落在所述等离子体激发用空间内的规定位置上，所述规定位置是离用于向处理室内导入等离子体激发气体的喷盘表面只有与(2n+1)/4微波波长相等距离的位置，其中所述n为整数。
13.一种微波等离子体点火方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，
向所述处理室导入等离子体激发气体，
向所述处理室内的被处理基片的上方区域以外的部分中的等离子体激发气体进行真空紫外线、X射线、激光束、电子束、激元灯光中的至少一种光的照射，
向所述处理室内的等离子体激发气体导入微波来进行等离子体点火。
14.一种等离子体形成方法，用于从微波天线放射微波来形成等离子体，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，
向所述处理室导入等离子体激发气体，
透过设置于所述处理室上的真空紫外线透过窗，向所述处理室内的被处理基片的上方区域以外的部分中的等离子体激发气体，进行真空紫外线的照射，
通过所述透过窗将所述真空紫外线聚焦在所述处理室内所述部分中的规定位置上，
至少使所述等离子体激发气体的一部分电离，
通过向所述处理室内放射所述微波来进行等离子体点火。
15.如权利要求14所述的等离子体形成方法，其特征在于，
所述规定位置是放射到所述处理室内的微波的电场最强的位置。
16.如权利要求14所述的等离子体形成方法，其特征在于，
所述规定位置是离喷盘表面只有与(2n+1)/4微波波长相等距离的位置，其中，所述喷盘用于向所述等离子体激发用空间导入等离子体激发气体，所述n为整数。
17.一种等离子体处理方法，通过从微波天线放射微波而形成的等离子体对被处理基片进行处理，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对处理室进行排气，使其内部达到规定的真空气氛，
向所述处理室导入等离子体激发气体，
透过设置于所述处理室上的真空紫外线透过窗，向所述处理室内的被处理基片的上方区域以外的部分中的等离子体激发气体，进行真空紫外线的照射，
通过所述透过窗将所述真空紫外线聚焦在所述处理室内所述部分中的规定位置上，
至少使稀有气体的一部分电离，
通过向所述处理室内放射所述微波来进行等离子体点火，
在等离子体点火后，向所述处理室内导入用于处理被处理基片的处理气体。
18.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述规定位置是放射到所述处理室内的微波的电场最强的位置。
19.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述规定位置是离喷盘表面只有与(2n+1)/4微波波长相等距离的位置，其中，所述喷盘用于向所述等离子体激发用空间导入等离子体激发气体，所述n为整数。
20.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述等离子体激发气体由含有氩、氪、氙的稀有气体组成。
21.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述处理气体至少含有O2、NH3、N2及H2中的一种。
22.如权利要求21所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述被处理基片为硅晶片，并且，通过向所述处理室内的放置所述被处理基片的处理空间导入所述处理气体来在所述硅晶片上至少形成硅氧化膜、氮化膜及氮氧化膜中的一种。
23.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述处理气体是碳氟化合物或卤素系气体。
24.如权利要求23所述的等离子处理方法，其特征在于，
向所述处理室内的放置所述被处理基片的处理空间导入所述处理气体，从而在所述被处理基片上进行蚀刻处理。
25.如权利要求17所述的等离子体处理方法，其特征在于，
通过向与放置所述被处理基片的处理空间分离的等离子体激发用空间供给等离子体激发气体，向所述处理空间供给处理气体，来防止等离子体点火时处理气体进入等离子体激发用空间。
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