TW201626429A - 電漿處理裝置及電漿處理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之於處理容器內產生電漿而對被處理體進行電漿處理之電漿處理裝置具備使微波產生之微波產生部、可導入微波之處理容器、及向處理容器內供給氣體之氣體供給機構，微波產生部具有：振盪電路，其使微波振盪；脈衝產生電路，其以固定之週期使特定之頻帶寬度之控制波振盪；及頻率調變電路，其利用控制波將微波之頻率調變為特定之頻帶寬度之調變波並輸出；該頻率調變電路以固定之週期交替地重複輸出調變波與未調變之微波。
Description
本案係基於2014年12月25日於日本提出申請之日本專利特願2014-263547號而主張優先權，將其內容援引於此。
本發明係關於一種使用微波而激發電漿之電漿處理裝置及電漿處理方法。
半導體元件或有機EL(Electroluminescence，電致發光)元件等係對成為處理對象之被處理基板實施蝕刻或CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)、濺鍍等處理而製造。先前，作為例如對半導體晶圓等被處理體實施特定之電漿處理之電漿處理裝置，已知有使用放射狀線槽孔天線(radial line slot antenna)之電漿處理裝置。放射狀線槽孔天線係以於具有複數個槽孔之槽孔板之上部配置有滯波板的狀態配置於配置在處理容器之頂面開口部之介電窗之上部，且於其中央部連接於同軸波導管。根據該構成，由微波產生部產生之微波經由同軸波導管於滯波板呈放射狀向徑向傳播，於槽孔板產生圓極化波之後，自槽孔板經由介電窗放射至處理容器內。並且，藉由該微波能夠於處理容器內在低壓下產生電子溫度較低之高密度之電漿，且藉由所產生之電漿進行例如成膜處理或蝕刻處理等電漿處理。如此，利用微波作為電漿源之方法於較低地保持電漿之電子溫度且使對被處理體之損害較小之方面有利。
作為導入微波之方法，先前有配置環狀之波導管，或自空腔共振部分經由狹縫而導入微波之方法等。又，自上述放射狀線槽孔天線導入微波之方法能夠藉由改變天線模式而控制電漿之分佈，且能夠藉由使槽孔天線之形狀最佳化而形成電漿密度之均勻性較佳之電漿。又，能夠藉由使微波透過介電體與天線之間隙密接，而進一步改善均勻性。進而，能夠藉由於導入微波之介電體設置凹部使槽孔模式最佳化，而形成更高密度且穩定之電漿。
於電漿處理裝置中，要求遍及被處理體整個面而進行均勻之處理。為了提高電漿處理之面內均勻性，而必須於進行電漿處理之處理容器內穩定地形成更均勻之電漿。
由於用以產生電漿之微波被要求1KW~5KW左右之極高之功率，故而先前一直使用磁控振盪管。然而，磁控振盪管每個固體之振盪頻率不同，例如於2.45GHz之情形時，存在±10MHz以上之頻率之差異。又，頻率亦會因電漿負載之狀態或功率等而不同。
於將微波作為電漿源之電漿裝置中，存在微波頻率之影響較大，若頻率發生變化則電漿之分佈及密度將發生變化，而無法進行均勻之電漿處理之問題。先前，為了提高磁控管之頻率之穩定性，亦研究有控制注入同步信號等方法而得以改善，但難以完全地固定頻率。
又，於電漿與微波之吸收之關係方面，已知於某一特定之頻率下存在微波被電漿吸收之吸收波峰之現象，但由於成為吸收波峰之頻率時刻發生變化，故而始終保持微波被吸收之狀態極為困難。而且，微波之頻率受到因電漿處理容器及天線波導管等之各種形狀而引起之頻率特性之影響。並且，先前難以直接監視電漿密度之狀態。
例如，於專利文獻1中，記載有於電漿處理裝置中，能夠藉由對載波信號進行頻率調變，而在寬頻帶中使微波之頻率均勻。
又，於專利文獻2中，揭示有使用固體振盪器而高效率地穩定地
使微波產生之方法。
[專利文獻1]日本專利特開2012-109080號公報
[專利文獻2]日本專利特開2006-128075號公報
然而，於上述專利文獻1中，存在因頻率寬頻帶化，而難以於全頻帶中取得整合，無法抑制反射波之問題。
又，專利文獻2係關於電漿加熱裝置，微波之負載狀態係由容器之形狀而決定，幾乎無變化。又，並未記載關於用以被電漿吸收之微波頻率之具體之控制。
本發明之目的在於在利用微波之電漿處理裝置及電漿處理方法中，維持均勻且電漿密度較高之狀態，提高電漿蝕刻及電漿成膜等之性能。
為解決上述問題，本發明之電漿處理裝置具備使微波產生之微波產生部、可導入微波之處理容器、及向上述處理容器內供給氣體之氣體供給機構，且於上述處理容器內產生電漿而對被處理體進行電漿處理；上述微波產生部具有：振盪電路，其使微波振盪；脈衝產生電路，其以固定之週期使特定之頻帶寬度之控制波振盪；及頻率調變電路，其利用上述控制波將上述微波之頻率調變為上述特定之頻帶寬度之調變波並輸出；上述頻率調變電路以上述固定之週期，交替地重複輸出上述調變波與未調變之微波。
另一態樣之本發明之電漿處理方法係向可導入微波之處理容器供給氣體，於上述處理容器內產生電漿，而對被處理體進行電漿處
理；於微波之振盪時，以固定之週期使特定之頻帶寬度之控制波振盪，藉由上述控制波將上述微波調變為上述特定之頻帶寬度之調變波，交替地重複輸出上述調變波與未調變之微波。
根據本發明，於利用微波之電漿處理裝置及漿電處理方法中，能夠維持易被電漿吸收之微波之頻率，而於處理容器內穩定地產生均勻且電漿密度較高之電漿，且能夠提高電漿處理之均勻性。
1‧‧‧電漿處理裝置
10‧‧‧處理容器
20‧‧‧載置台
21‧‧‧電極
22‧‧‧直流電源
23‧‧‧溫度調節機構
24‧‧‧液溫調節部
25‧‧‧支持構件
30‧‧‧升降機構
31‧‧‧升降銷
32‧‧‧板件
33‧‧‧支柱
34‧‧‧升降驅動部
40‧‧‧放射狀線槽孔天線
41‧‧‧介電窗
42‧‧‧槽孔板
43‧‧‧滯波板
44‧‧‧遮罩蓋體
45‧‧‧流路
50‧‧‧同軸波導管
51‧‧‧內部導體
52‧‧‧外部導體
53‧‧‧模式轉換器
54‧‧‧波導管
55‧‧‧微波產生部
60‧‧‧上簇射板
61‧‧‧下簇射板
62‧‧‧電漿產生氣體供給源
63‧‧‧配管
64‧‧‧處理氣體供給源
65‧‧‧配管
70‧‧‧減壓機構
71‧‧‧排氣部
72‧‧‧排氣管
101‧‧‧整合器
102a‧‧‧定向耦合器
102b‧‧‧定向耦合器
102c‧‧‧定向耦合器
103a‧‧‧功率檢測器
103b‧‧‧功率檢測器
104‧‧‧隔離器
110‧‧‧同軸波導管轉換器
111‧‧‧微波放大器
112‧‧‧微波振盪器
120‧‧‧控制部
121‧‧‧顯示裝置
200‧‧‧微波控制電路
201‧‧‧振盪電路
202‧‧‧脈衝產生電路
203‧‧‧頻率調變電路
204‧‧‧同步採樣電路
205‧‧‧運算電路
W‧‧‧晶圓
圖1係表示本發明之實施形態之電漿處理裝置之構成之概略之縱剖視圖。
圖2係表示圖1之電漿處理裝置中之微波產生部之詳細構成之圖。
圖3係微波控制電路之構成圖。
圖4係說明本發明之實施形態之頻率調變之波形圖，(a)係表示控制波之時序之圖，(b)係表示同步波之圖，(c)係表示經頻率調變後之調變波之圖，(d)係表示監視波之圖。
圖5係表示監視波之例之波形圖。
以下，參照隨附圖式，對本發明之實施形態進行說明。
圖1係表示本發明之實施形態之電漿處理裝置1的構成例之概略之縱剖視圖。電漿處理裝置1係具備對作為被處理體之晶圓W之表面(上表面)進行電漿CVD(Chemical Vapor Deposition)處理之電漿產生機構之成膜裝置。再者，該發明並非受以下所示之實施形態限定。
如圖1所示，電漿處理裝置1具有處理容器10。處理容器10具有頂面開口之大致圓筒形狀，且於該頂面開口部配置有放射狀線槽孔天線40。又，於處理容器10之側面形成晶圓W之搬入搬出口(未圖示)，
於該搬入搬出口設置有閘閥(未圖示)。並且，處理容器10構成為其內部可密閉。再者，處理容器10可使用鋁或不鏽鋼等金屬，處理容器10被電性接地。
於處理容器10內之底部設置有上表面載置晶圓W之圓筒形狀之載置台20。載置台20例如可使用AlN等。
於載置台20之內部設置有靜電吸盤用之電極21。電極21連接於設置在處理容器10之外部之直流電源22。藉由該直流電源22能夠於載置台20之上表面產生約翰遜-拉貝克(Johnson-Rahbek)力，而將晶圓W靜電吸附於載置台20上。
於載置台20之內部例如設置有使冷卻媒體流通之溫度調節機構23。溫度調節機構23設置於處理容器10之外部，且連接於調整冷卻媒體之溫度之液溫調節部24。並且，藉由液溫調節部24調節冷媒媒體之溫度，而可控制載置台20之溫度，其結果，能夠將載置於載置台20上之晶圓W維持於特定之溫度。
於載置台20亦可連接有RF(Radio Frequency，射頻)偏壓用之高頻電源(未圖示)。高頻電源以特定之功率輸出適合於控制吸引於晶圓W之離子之能量之固定頻率、例如13.56MHz之高頻。
於載置台20，例如在3個位置形成有厚度方向上貫通該載置台20之貫通孔(未圖示)。於貫通孔插通有後述之升降銷31而設置。
於載置台20之下表面設置有支持該載置台20之支持構件25。
於載置台20之下方設置有使置於載置台20上之晶圓W適當升降之升降機構30。升降機構30具有升降銷31、板件32、支柱33、及升降驅動部34。升降銷31構成為於板件32之上表面設置有例如3根，且自如地突出於載置台20之上表面。板件32被支持於貫通處理容器10之底面之支柱33之上端。於支柱33之下端設置有配置於處理容器10之外部之升降驅動部34。藉由該升降驅動部34之作動而貫通載置台20之3根升
降銷31升降，而切換於升降銷31之上端自載置台20之上表面向上方突出之狀態與升降銷31之上端縮入至載置台20之內部之狀態。
於處理容器10之頂面開口部設置有供給電漿產生用之微波之放射狀線槽孔天線40(radial line slot antenna)。放射狀線槽孔天線40具有介電窗41、槽孔板42、滯波板43、及遮罩蓋體44。
介電窗41以經由例如O形環等密封材料(未圖示)而密封處理容器10之頂面開口部之方式而設置。因此，處理容器10之內部被氣密地保持。介電窗41可使用介電體，例如石英、Al2O3、AlN等，介電窗41使微波透過。
槽孔板42為介電窗41之上表面，且以與載置台20對向之方式而設置。槽孔板42可使用具有導電性之材料，例如銅、鋁、鎳等。
滯波板43設置於槽孔板42之上表面。滯波板43可使用低損失介電材料，例如石英、Al2O3、AlN等，滯波板43縮短微波之波長。
遮罩蓋體44於滯波板43之上表面以覆蓋滯波板43與槽孔板42之方式而設置。於遮罩蓋體44之內部例如設置有複數個使冷卻媒體流通之圓環狀之流路45。藉由流動於流路45之冷卻媒體而將介電窗41、槽孔板42、滯波板43、遮罩蓋體44調節為特定之溫度。
於遮罩蓋體44之中央部連接有同軸波導管50。同軸波導管50具有內部導體51與外部導體52。內部導體51連接於槽孔板42。內部導體51之下端部形成為圓錐形，具有其直徑朝向槽孔板42側擴大之錐形狀。藉由該下端部而對槽孔板42高效率地傳導微波。
對同軸波導管50自同軸波導管50側依次連接有將微波變換為特定之振動模式之模式轉換器53、波導管54、使作為高頻之微波產生之微波產生部55。微波產生部55使特定頻率、例如2.45GHz之微波產生。
如圖2所示，微波產生部55沿波導管54自模式轉換器53側依序具
備整合器101、分別對來自處理容器10之微波之反射波及於波導管54內行進之行進波之一部分進行分支之定向耦合器102a、102b、對反射波進行分支之定向耦合器102c、及同軸波導管轉換器110。對定向耦合器102a、102b分別連接有檢測反射波及行進波之功率檢測器103a、103b，於定向耦合器102c設置有用以遮斷反射波之隔離器104。又，自同軸波導管轉換器110經由微波放大器111連接有例如具備磁控管之微波振盪器112。
具備以上構成之微波產生部55被控制部120控制。控制部120連接於整合器101、功率檢測器103a、103b、微波放大器111、微波振盪器112，進而連接於顯示控制內容之顯示裝置121。控制部120例如為電腦，具有程式儲存部(未圖示)。於程式儲存部儲存有控制電漿處理裝置1中之微波之振盪之程式。再者，上述程式係記錄於例如電腦可讀取之硬碟(HD)、軟碟(FD)、光碟(CD)、磁光碟(MO)、記憶卡等電腦可讀取之記憶媒體H者，亦可為自該記憶媒體H安裝至控制部120者。又，控制部120亦可對電漿處理裝置1之直流電源22或減壓機構70、及未圖示之各種感測器等進行控制。
根據該構成，由微波產生部55產生之微波依序傳導於波導管54、模式轉換器53、同軸波導管50，並供給至放射狀線槽孔天線40內，被滯波板43壓縮而短波長化，於槽孔板42產生圓極化波之後，自槽孔板42透過介電窗41而放射至處理容器10內。利用該微波於處理容器10內使處理氣體電漿化，藉由該電漿進行晶圓W之電漿處理。
於處理容器10內，上簇射板60與下簇射板61設置於載置台20之上部。該等上簇射板60與下簇射板61係由例如包含石英管等之中空之管材而構成。於上簇射板60與下簇射板61分佈地設置有對載置台20上之晶圓W供給氣體之複數個開口部(未圖示)。
於上簇射板60經由配管63連接有配置於處理容器10之外部之電
漿產生氣體供給源62。於電漿產生氣體供給源62中貯存有例如氬氣等作為電漿產生用之氣體。自該電漿產生氣體供給源62經由配管63將電漿產生氣體導入至上簇射板60內，並以均勻地分散於處理容器10內之狀態供給電漿產生氣體。
於下簇射板61經由配管65連接有配置於處理容器10之外部之處理氣體供給源64。於處理氣體供給源64中貯存有對應於被成膜之膜之處理氣體。例如，於在晶圓W之表面成膜SiN膜之情形時，貯存有TSA(三矽烷基胺)、氮氣、氫氣等作為處理氣體，於成膜SiO2膜之情形時，貯存有TEOS(Tetraethyl orthosilicate，正矽酸乙酯)等。自該處理氣體供給源64經由配管65將處理氣體導入至下簇射板61內，並以均勻地分散於處理容器10內之狀態供給處理氣體。
於處理容器10之底面設置有對處理容器10之內部之環境進行減壓之減壓機構70。減壓機構70具有例如具備真空泵之排氣部71經由排氣管72連接於處理容器10之底面之構成。排氣部71可對處理容器10內之環境進行排氣而減壓至特定之真空度。
接下來，對利用如上所述般構成之電漿處理裝置1進行之晶圓W之電漿處理進行說明。
首先，已搬入至處理容器10內之晶圓W藉由升降銷31而載置於載置台20上。此時，接通直流電源22而對載置台20之電極21施加直流電壓，藉由載置台20吸附保持晶圓W。
此後，密閉處理容器10內之後，藉由減壓機構70將處理容器10內之氣體減壓至特定之壓力，例如400mTorr(=53Pa)。進而，自上簇射板60對處理容器10內供給電漿產生氣體，並且自下簇射板61對處理容器10內供給電漿成膜用之處理氣體。
於如此般對處理容器10內供給電漿產生氣體與處理氣體時，使微波產生部55作動，於該微波產生部55中例如以2.45GHz之頻率產生
特定之功率之微波。若如此，則於介電窗41之下表面產生電場，使電漿產生氣體電漿化，進而使處理氣體電漿化，藉由此時產生之活性物質於晶圓W上進行成膜處理。如此，於晶圓W之表面形成特定之膜。
此後，若特定之膜成長而於晶圓W形成特定膜厚之膜，則停止電漿產生氣體及處理氣體之供給與微波之照射。之後，自處理容器10搬出晶圓W，一連串之電漿成膜處理結束。
接下來，利用圖對上述電漿處理中之本發明之一實施形態之微波之控制機構進行說明。
圖3係進行本發明之一實施形態之微波控制之電路構成圖。微波控制電路200具有：振盪電路201，其設置於微波產生部55之微波振盪器112內，使作為特定頻率之載波之微波振盪；脈衝產生電路202，其產生具有特定之頻帶寬度之控制波及其同步波；及頻率調變電路203，其利用控制波對載波進行頻率調變，藉此產生具有特定之頻帶寬度之調變波，並僅輸出該調變波或載波。進而具有：同步採樣電路204，其接收來自脈衝產生電路202之同步信號，並同步採樣來自功率檢測器103a之反射波信號及來自功率檢測器103b之行進波信號；及運算電路205，其運算所採樣之資料。
於本實施形態之微波控制電路200中，首先，藉由振盪電路201產生成為基進之載波。又，藉由脈衝產生電路202產生具有預先設定之特定之頻帶寬度之控制波。載波之頻率及控制波之頻帶寬度係根據在處理容器10內進行之電漿處理而適當設定。圖4係說明本實施形態之頻率調變之波形圖。如圖4(a)所示，載波係以固定頻率而振盪，具有特定之頻帶寬度之控制波係以固定之週期每特定時間重複地振盪。由於控制波於寬頻帶之頻率之情形時，若過長時間振盪，則難以整合而變得無法抑制反射波，故而較佳為於可獲取採樣資料之感度之範圍內儘可能為短時間，設為相對於微波振盪時間整體例如為10%以下、
較理想為1~2%左右之時間。又，為了取得同步，控制波較佳為以固定之週期重複。進行正確之實時控制之後，使控制波振盪之間隔較佳為於可運算之範圍內儘可能較短，例如設為200kHz左右。
又，與控制波同步地藉由脈衝產生電路202如圖4(b)所示般使同步波振盪。脈衝產生電路202同時進行向頻率調變電路203發送控制波及向同步採樣電路204發送同步信號，藉此，僅於載波之調變時進行反射波之監視。
圖4(c)表示於頻率調變電路203中利用控制波將載波進行頻率調變後之調變波。該調變波之行進波信號及反射波信號經由同步採樣電路204同步地被發送至運算電路205，藉由同步採樣電路204僅採樣圖4(b)所示之同步波振盪之時間，而如圖4(d)所示監視反射波。於運算電路205，自該監視波運算反射波變低之吸收波峰時之頻率。
圖5係表示被監視之反射波之例。Pf為行進波，Pr1、Pr2、Pr3分別表示第1次、第2次、第3次監視之反射波之例。於圖5中附有圓形記號之部分為反射較少之吸收波峰，即表示微波被電漿最高效率地吸收，而獲得穩定之電漿之最佳頻率。如此，當藉由運算電路205自被監視之反射波決定最佳頻率時，將頻率資訊傳送至振盪電路201。
藉此，於振盪電路201中產生自運算電路205所傳送之特定頻率之微波，該微波經由頻率調變電路203朝向波導管54而輸出。被發送至波導管54之微波經由模式轉換器53、同軸波導管50、槽孔板42、及介電窗41傳輸至處理容器10內。並且，於處理容器10內激發電漿。繼而，利用在處理容器10內被激發之電漿對載置台20上之晶圓W進行電漿蝕刻或電漿CVD(Chemical Vapor Deposition)、電漿濺鍍等電漿處理。
進而，於該電漿處理之過程中，自頻率調變電路203以固定之週期將調變波輸出，此時之行進波及來自處理容器10之反射波經由同步
採樣電路204傳送至運算電路205，進行與上述相同之監視，決定該時序下之最佳頻率。如圖5所示，若處理條件等不同，則反射波變低之吸收波峰時之頻率將不同。若該頻率偏離微波振盪器112之性能中之特定範圍，則會產生波模跳變，而無法進行穩定之電漿處理。於本發明中，藉由於電漿處理中實時地持續檢測微波之吸收波峰，而於吸收波峰接近特定之頻率之上限或下限時，重新進行各種設定，或例如於顯示裝置121顯示錯誤，藉此能夠防止波模跳變。
根據以上之實施形態，能夠藉由監視頻率調變後之調變波之反射波，而實時監視電漿密度之狀態。並且，能夠藉由利用被監視之反射波實時控制載波之頻率，而立即對應於由製程條件之變化等所導致之電漿之狀態變化，使載波與電漿之反射最低之頻率一致，而產生高密度且均勻之電漿。又，即便電漿處理裝置之波導管、整合電路、天線、介電體等之形狀不同，亦可對應於此而發揮最佳之製程性能。進而，由於抑制了裝置之電極材料等之消耗，故而運轉成本得到改善。
以上，雖對本發明之較佳之實施形態進行了說明，但本發明並非限定於該例。只要為業者，便應明確於申請專利範圍中記載之技術思想之範疇內，可想到各種變更例或修正例，且應瞭解該等變更例或修正例當然亦屬於本發明之技術範圍內。
1‧‧‧電漿處理裝置
10‧‧‧處理容器
20‧‧‧載置台
21‧‧‧電極
22‧‧‧直流電源
23‧‧‧溫度調節機構
24‧‧‧液溫調節部
25‧‧‧支持構件
30‧‧‧升降機構
31‧‧‧升降銷
32‧‧‧板件
33‧‧‧支柱
34‧‧‧升降驅動部
40‧‧‧放射狀線槽孔天線
41‧‧‧介電窗
42‧‧‧槽孔板
43‧‧‧滯波板
44‧‧‧遮罩蓋體
45‧‧‧流路
50‧‧‧同軸波導管
51‧‧‧內部導體
52‧‧‧外部導體
53‧‧‧模式轉換器
54‧‧‧波導管
55‧‧‧微波產生部
60‧‧‧上簇射板
61‧‧‧下簇射板
62‧‧‧電漿產生氣體供給源
63‧‧‧配管
64‧‧‧處理氣體供給源
65‧‧‧配管
70‧‧‧減壓機構
71‧‧‧排氣部
72‧‧‧排氣管
120‧‧‧控制部
121‧‧‧顯示裝置
W‧‧‧晶圓
Claims (8)
- 一種電漿處理裝置，其具備使微波產生之微波產生部、可導入微波之處理容器、及向上述處理容器內供給氣體之氣體供給機構，且於上述處理容器內產生電漿，對被處理體進行電漿處理；上述微波產生部具有：振盪電路，其使微波振盪；脈衝產生電路，其以固定之週期使特定之頻帶寬度之控制波振盪；及頻率調變電路，其利用上述控制波將上述微波之頻率調變為上述特定之頻帶寬度之調變波並輸出，上述頻率調變電路以上述固定之週期，交替地重複輸出上述調變波與未調變之微波。
- 如請求項1之電漿處理裝置，其中上述微波產生部具有運算電路，上述脈衝產生電路使與上述控制波相同時序之同步波振盪，上述運算電路配合上述同步波之時序而監視上述調變波之反射波，基於上述反射波而控制上述微波之頻率。
- 一種電漿處理方法，其向可導入微波之處理容器中供給氣體，於上述處理容器內產生電漿，對被處理體進行電漿處理；於微波之振盪時，以固定之週期使特定之頻帶寬度之控制波振盪，利用上述控制波將上述微波調變為上述特定之頻帶寬度之調變波，交替地重複輸出上述調變波與未調變之微波。
- 如請求項3之電漿處理方法，其中使與上述控制波相同時序之同步波振盪，配合上述同步波之時序而監視上述調變波之反射波，基於上述反射波而控制上述微波之頻率。
- 如請求項4之電漿處理方法，其中將上述微波之頻率控制為上述反射波之反射較少之微波之吸收波峰時之頻率。
- 如請求項3之電漿處理方法，其中上述控制波振盪之時間為上述微波之振盪時間整體之10%以下。
- 如請求項4之電漿處理方法，其中上述控制波振盪之時間為上述微波之振盪時間整體之10%以下。
- 如請求項5之電漿處理方法，其中上述控制波振盪之時間為上述微波之振盪時間整體之10%以下。
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