TWI388245B - Plasma processing device - Google Patents

Description

電漿處理裝置

本發明係關於一種電漿處理裝置。更詳細地係關於一種以微波產生電漿的微波電漿處理裝置。

電漿處理係廣泛地應用於積體電路、液晶電路基板、太陽能電池等多樣之半導體元件。於半導體製造過程中，電漿處理係用以沉積Si等薄膜或蝕刻製程等。但是，為了製造、開發出更高性能且高機能性的產品，則必須能對應例如超微細加工技術等。因此，一種於低壓之高真空狀態下可穩定地產生高密度電漿(低壓高密度電漿)的微波電漿處理裝置便受到注目。

微波電漿處理裝置係一種藉由微波能量來使得氣體電離化進而產生電漿的電漿處理裝置。其係通過導波管而從天線之槽孔板來供給微波。接著，穿透設置於電漿處理容器(處理室)上部開口的頂板(介電窗)並放射至電漿處理容器內。該頂板係由可使微波穿透的介電材料所形成的。

日本發明特開平09-190900號公報揭露了此種微波電漿處理裝置，其係從微波產生器透過導波管將微波導入至收納有被處理對象之電漿處理容器內，並於該電漿處理容器內產生電漿以針對該被處理對象進行特定之處理。

該微波電漿處理裝置中，該導波管係設置有匹配機構，能於導入微波時積極地消除從該電漿處理容器所產生的反射電功率，以更有效率地產生電漿。

於微波電漿處理裝置中，為了穩定地進行超微細加工技術等高度電漿處理，能均勻且再現性良好地產生該電漿係至為重要。

但是，該微波傳播之狀態會隨著微波電漿處理裝置於裝置製造階段時各構成組件之公差，抑或隨著因電漿產生之熱量使天線等構成組件熱膨脹等的裝置條件而產生變化。又，電漿之特性係會隨著溫度、壓力、氣體種類等電漿產生條件而產生變化。因此，於多樣化之製程條件(裝置條件、電漿產生條件)下要產生均勻且再現性良好的電漿係有困難的。

針對此問題，如前述習知技術中，為了有效率地產生電漿係藉由消除反射電功率以提高產生電漿用的實際有效之電功率(輸出電功率與反射電功率之差距)。但是，要能產生均勻且再現性良好的電漿，僅以如前述般使電漿有效率地產生仍是不足的。

有鑑於前述問題，本發明之目的係提供一種於多樣化之處理條件下，皆可獲得均勻且再現性良好之電漿的電漿處理裝置。

為達成前述目的，本發明之電漿處理裝置係利用微波而於電漿處理容器內產生電漿，藉以對被處理對象物進行一電漿處理，其特徵在於具備有：產生該微波的微波源；傳送該微波的導波管；將自該導波管傳來之該微波放射而出的天線；傳播自該天線放射出的該微波，並使其穿透至該電漿處理容器內部的頂板；以及移動該導波管的位置調整機構，以使得該導波管相對該天線而改變其位置。

較佳地，該位置調整機構係使得接觸該天線之該導波管的一部份相對該天線而改變其位置。

更佳地，該位置調整機構與天線之相對位置係不變的。

更佳地，該導波管係一具有內側導體與設置於該內側導體外緣之外側導體的同軸導波管，且該導波管之一部份係該內側導體。

更佳地，該導波管係一具有內側導體與設置於該內側導體外緣之外側導體的同軸導波管，且該導波管之一部份係該外側導體。

更佳地，該天線係具備有一槽孔板以及一鄰接設置於該槽孔板的慢波板，其中該槽孔板中形成有複數對各自於複數同心圓之各同心圓上以約略相等之角度間隔設置的槽孔，且每一對槽孔皆為互相垂直而形成的。

更佳地，設置有一重合且接觸該天線上方一面以冷卻該天線的冷卻機構。

更佳地，該天線處設置有溫度感測器，並根據該溫度感測器所測得之結果來控制流通於該冷卻機構之傳熱介質的溫度。

更佳地，於該電漿處理容器設置有探針，並根據該探針所測出之電漿產生狀態，藉由該位置調整機構讓該導波管相對該天線而改變其位置。

更佳地，該槽孔板係由金屬所構成的。

依本發明之電漿處理裝置，能提供一種於多樣化之處理條件下，皆可產生均勻且再現性良好之電漿的電漿處理裝置。

以下，參考圖式詳細說明本發明之各實施形態。另外，於圖式中，對相同或相對應之部份則賦予相同的符號。

(第1實施形態)

圖1係本發明實施形態之微波電漿處理裝置(以下簡稱為「電漿裝置」)1的整體剖面圖。如圖1所示，電漿處理裝置1係具備：有底四方形之筒狀處理室(電漿處理容器)2、頂板(介電窗)3、圓盤狀天線4、導波管5、微波源6、冷卻套7、基板持定台8、真空泵9、高頻電源10、氣體通道11以及溫度感測器12。天線4具備有：由金屬(屏蔽組件)所組成的槽孔板4a；以及鄰接於該槽孔板4a上方且由介電體所組成的慢波板4b。導波管5係所謂之同軸導波管並具備有：內側導體5b；以及設置於該內側導體5b外緣側以形成讓微波通過之圓筒狀間隙的圓筒形外側導體5a。

圖2係本發明實施形態之槽孔板4a的平面圖。如圖2所示，槽孔板4a係鄰接設置於慢波板4b下方，並形成有複數個貫穿之槽孔41、42。如此，該槽孔板4a係位於慢波板4b下方位置。因此，微波係以自導波管5導入之位置為中心朝慢波板4b之面方向傳播且擴散。

詳細說明，如圖2所示，各槽孔41、42係於複數個同心圓之各同心圓上各自以約略相等之角度間隔設置所形成的。其中各槽孔41、42係相互垂直的。接著，微波係以自導波管5導入之位置為中心朝槽孔板4a的徑向傳播，並穿過各槽孔41、42朝下方放射而出。接著，微波在頂板3內部不斷地反射、相互干涉增強而形成駐波。接著，於頂板3正下方區域內形成有朝向各槽孔41、42長邊方向之垂直方向的電漿。

回到圖1，藉由頂板3來封閉該電漿處理裝置1之處理室2的上部開口。天線4係重疊設置於頂板3上方。

導波管5係連接至天線4的中央部。詳細說明，內側導體5b之下端部係抵接於天線4之槽孔板4a。慢波板4b位於冷卻套7與槽孔板4a之間，用以壓縮微波之波長並朝短波長方向位移。該慢波板4b可由例如SiO₂ 或Al₂ O₃ 等介電材料所構成。

如圖1所示，本實施形態之電漿處理裝置1的冷卻套7係接觸且重疊設置於天線4的上方面(一側面)。藉由使傳熱介質流通於該冷卻套7之冷卻流道7a，即便是處理室2內部因產生電漿所發出的熱量累積於介電窗3或天線4而形成高溫時，亦可吸收該熱量以冷卻介電窗3或天線4。

圖5係習知電漿處理裝置中天線與導波管之間關係的概略結構圖，係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K。此處，導波管5係相對天線4而被固定的。接著，透過該導波管5而將該微波導入至頂板3時的位置亦為固定的。

前述之電漿處理裝置中，即便因為天線4等構成組件熱膨脹而使得天線4之微波傳播狀態產生變化，由於導波管相對天線4係固定的，故無法改變微波的傳播狀態。

圖3係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K的概略結構圖。圖3係表示本實施形態之位置調整機構的導螺桿機構20以及電漿處理裝置中天線4與頂板3以及導波管5之間位置的關係。

相對於圖5所示之習知技術，本實施形態之電漿處理裝置11則如圖3所示，係具備有支撐且能移動該導波管5內側導體5b的導螺桿機構20。詳細說明，如圖3所示，於導波管5之矩形導波部5c上方係以90度之等角度間隔圍繞內側導體5b而設置有4個導螺桿機構20。接著，4個導螺桿機構20則可固定該內側導體5b，並朝平面上任意方向移動該內側導體5b。

如圖3所示，各導螺桿機構20係各自具備：擋板21、固定螺絲22、調整螺絲23以及止擋器24。各導螺桿機構20與天線4之相對位置係為固定的。藉此，可輕易且確實地達成調整內側導體5b相對於天線4之位置。該擋板21係設置於矩形導波部5c之上部開口處且可接觸於該內側導體5b之外緣壁。又，矩形導波部5c之上部開口處的擋板21外緣側係設置有止擋器24。

螺合於該止擋器24之調整螺絲23的前端部係螺入該擋板21。接著，藉由旋轉該調整螺絲23便能使擋板21朝內側導體5b之徑向內側移動。該止擋器24係設置於即便將調整螺絲23旋轉至最大亦不會使該內側導體5b接觸至外側導體5a的位置，來防止內側導體5b接觸到外側導體5a。接著，當擋板21接觸至內側導體5b外緣壁的狀態下旋轉該調整螺絲23，便可透過該擋板21在不致接觸外側導體5a下來調整該內側導體5b的位置。

又，自擋板21上方面處螺入一可抵接至調整螺絲23側邊以阻止該調整螺絲23旋轉的固定螺絲22。本實施形態之電漿處理裝置1中，係旋轉4個導螺桿機構20之調整螺絲28以透過擋板21將內側導體5b移動至徑向之任意位置處，來進行該內側導體5b的定位。接著，在定位點處，使擋板21接觸至內側導體5b之外緣壁的狀態下將該固定螺絲22鎖緊便可固定該內側導體5b。

依本實施形態之電漿處理裝置1，可藉由該導螺桿機構20來改變該導波管5內側導體5b相對於天線4及頂板3的位置，亦即，可改變天線4及頂板3之微波導入位置。接著，因微波導入位置可使得頂板3內所傳播的微波產生不同之疏密位置結構，加以活用便可改變該微波所形成的電漿密度分佈。另一方面，即便電漿密度分佈產生變化時，亦可藉由該導螺桿機構20來改變天線4及頂板3的微波導入位置以維持一特定之電漿密度分佈。

本實施形態之電漿處理裝置1中，關於導波管5內側導體5b的位置係可實際針對被處理基板W進行電漿處理，再根據其處理之結果來進行最佳化。例如，於電漿處理裝置1啟動後抑或於電漿處理開始後每經過一定期間，便將被處理基板W取出以就其處理狀態來確認電漿密度之分佈。接著，對照該被處理基板W與該內側導體5b的位置以決定能獲得最適當之電漿密度分佈的位置。

又，亦可藉由設置於處理室2內的探針等來對電漿產生狀態進行即時檢測，再將所獲得之資訊反饋給電漿處理裝置1之控制裝置。接著，藉由該控制裝置透過伺服馬達等來驅動旋轉該導螺桿機構20的調整螺絲23，便可對內側導體5b的位置進行最佳化。如此地根據電漿產生狀態來調整導波管5的位置，便可自動地進行電漿密度之分佈控制。依本方法能迅速且再現性良好地穩定電漿密度之分佈。此處，與前述方法不同，不會浪費被處理基板W，故可提高生產性。

以下，說明使用了本實施形態電漿處理裝置1的半導體基板(被處理基板W)之電漿處理。如圖1所示狀態中，使用真空泵9來對處理室2內部進行排氣、減壓以形成真空狀態。其次，從微波源6通過導波管5而將微波供給至天線4。如此一來，微波便於槽孔板4a與慢波板4b之間朝向天線4之徑向傳播，同時藉由槽孔板4a之各槽孔41、42而朝下方放射。然後，微波會穿透該頂板3。接著，藉由該微波而於處理室2內形成朝向各槽孔41、42長邊方向之垂直方向的電漿。接著，該電漿便在頂板3正下方區域中朝面方向均勻地擴散。

又，於頂板3內，微波係以從導波管5導入之位置作為中心朝向槽孔板4a的徑向傳播，且於維持一特定長度之波長的狀態下不斷地反射。然後，於頂板3內部不斷地反射、相互干涉增強而形成駐波。接著，微波便於頂板3內形成疏密位置結構。因此，可於處理室2內形成穩定之電漿密度分佈。又，微波會於頂板3內部旋轉其偏波面而形成圓偏波並持續前進。

接著，將氬氣(Ar)或氙氣(Xe)等激發電漿用氣體供給至處理室2內，便可藉由前述微波能量而於處理室2內使氣體電離化以產生電漿。此處可實施例如所謂之電漿CVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)等的電漿處理。亦即，藉由圖中未顯示之下段氣體供給機構等，將形成薄膜用的氣體供給至處理室2內。接著，使該氣體活性化，以在基板持定台8所設置之半導體基板的被處理基板W上堆積Si等之薄膜。如前述般，將被處理基板W搬入至處理室2內並於薄膜堆積等電漿處理後再搬出，反覆該一連串之流程便可針對特定數量之被處理基板W連續地進行電漿處理。

此時，產生電漿時亦產生熱量，且頂板3或天線4會因囤積熱量而形成高溫。如此一來，會引發頂板3之熱變形，進而對頂板3內所傳播之電磁波強度分佈以及電漿密度分佈造成影響。

因此，本實施形態之電漿處理裝置1中，則使傳熱介質流通於冷卻套7之冷卻流道7a來冷卻頂板3或天線4，藉以消除該不良影響。

而且，如圖1所示，本實施形態之電漿處理裝置1在由金屬所形成的最容易導致高溫之天線4處係設置有溫度感測器12。然後，將該溫度感測器12之檢測結果反饋給用以控制電漿處理裝置1的控制裝置(圖中未顯示)。接著，藉由控制裝置來調整流通於冷卻流路7a之傳熱介質的量，並控制該傳熱介質的溫度。藉此，可更確實地使頂板3的溫度維持一定。

但是，有時即便如前述般地對天線4進行冷卻，仍無法充分地冷卻該天線4。因此，會造成頂板3內電磁場分佈及電漿密度分佈不均勻的原因。又，因為電漿產生條件(溫度、壓力、氣體種類等)，有時亦無法獲得均勻且再現性良好的電漿。

針對此問題，依本實施形態之電漿處理裝置1，可使用導螺桿機構20來將導波管5之內側導體5b移動至能獲得最適當電漿密度分佈的位置。亦即，依本實施形態，藉由導螺桿機構20來移動導波管5之內側導體5b而可以改變導波管5與天線4之相對位置。藉此，即便是天線4等構成組件因熱膨脹使得電漿產生條件產生變化而改變了頂板3中微波之傳播狀態，亦能改變相對於天線4之微波導入位置。然後，藉由改變頂板3中微波之傳播狀態，即使於多樣化之處理條件下，皆可產生均勻且再現性良好之電漿。

又，依本實施形態之電漿處理裝置，藉由使用導螺桿機構20，可如前述般地對特定數量之被處理基板W進行連續之電漿處理。藉此，依實施形態之電漿處理裝置1，在堆積Si等薄膜或改變蝕刻處理條件等製程條件多樣化改變之情況下，即便電漿密度分佈改變，仍可調整該電漿密度的分佈以達成電漿密度分佈的穩定化。亦即，可產生均勻且再現性良好的電漿。結果為可於電漿處理時維持較高的處理效率。

又，依本實施形態之電漿處理裝置1，導螺桿機構20係安裝於電漿處理裝置1之處理室2a外側。故該導螺桿機構20不會改變處理室2內的壓力或導入之氣體流量，可輕易地進行該內側導體5b位置的改變。又，即便處理室2內之電漿密度分佈有改變，藉由該導螺桿機構20來改變天線4及頂板3之微波導入位置，便可重整該頂板3內電磁場分佈之對稱性而於處理室2內形成均勻的電漿密度分佈。又，藉由使用導螺桿機構20來改變內側導體5b的位置，即便於相異之電漿產生條件下連續進行電漿處理，亦能經常地再現出最適當的電磁場分佈，並使電漿密度分佈穩定化。

(第2實施形態)

本實施形態之電漿處理裝置1與圖1所示第1實施形態之電漿處理裝置1為相同之構造，其對應之構成組件則賦予和圖1相同的符號並省略其說明。又，本實施形態中係使用了如圖2所示第1實施形態的槽孔板4a。

圖4係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K的概略結構圖。圖4係表示第2實施形態之位置調整機構的導螺桿機構30以及電漿處理裝置中天線4與頂板3以及導波管5之間的位置關係。

相對於圖5所示之習知技術，本實施形態之電漿處理裝置1如圖4所示，係具備有支撐且能移動該導波管5外側導體5a的導螺桿機構30。詳細說明，如圖4所示，於冷卻套7上方係以90度之等角度間隔圍繞外側導體5a而設置有4個導螺桿機構30。接著，4個導螺桿機構30可固定該外側導體5a，並朝平面上任意方向移動該外側導體5a。

各導螺桿機構30係各自具備：擋板31、固定螺絲32及調整螺絲33。各導螺桿機構30相對於天線4之相對位置係不變的。藉此可輕易且確實地達成調整外側導體5a相對於天線4之位置。擋板31係設置於冷卻套7上且可接觸至該外側導體5a之外緣壁。

螺合於導螺桿機構本體30a之調整螺絲33的先端部係螺入該擋板31。然後，藉由旋轉該調整螺絲33便能使擋板31朝外側導體5a之徑向內側移動。接著，在擋板31接觸至外側導體5a外緣壁的狀態下旋轉該調整螺絲33，便可透過該擋板31來調整該外側導體5a的位置。

又，自導螺桿機構本體30a上方面處螺入一可抵接至調整螺絲33側邊以阻止該調整螺絲33旋轉的固定螺絲32。本實施形態中，係旋轉4個導螺桿機構30之調整螺絲33以透過擋板31將外側導體5a移動至徑向之任意位置處，來進行該外側導體5a的定位。接著，在定位點處，使擋板31接觸至外側導體5a之外緣壁的狀態下將該固定螺絲32鎖緊便可固定該外側導體5a。

依本實施形態之電漿處理裝置，可藉由使用導螺桿機構30來改變該導波管5之外側導體5a相對於天線4及頂板3的位置，亦即，可改變天線4及頂板3之微波導入位置。然後，因微波導入位置使得頂板3內所傳播的微波產生不同之疏密位置結構，加以活用便可改變該微波所形成之電漿密度分佈。另一方面，即便電漿密度分佈產生變化時，亦可藉由該導螺桿機構30來改變天線4及頂板3的微波導入位置以維持特定之電漿密度分佈。

本實施形態之電漿處理裝置1中，有關導波管5外側導體5a的位置係可實際針對被處理基板W進行電漿處理，再根據其處理之結果來進行最佳化。例如，於電漿處理裝置1啟動後抑或於電漿處理開始後每經過一定期間，便將被處理基板W取出以就其處理狀態來確認電漿密度之分佈。接著，對照該被處理基板W與外側導體5a的位置以決定能獲得最適當之電漿密度分佈的位置。

又，亦可藉由設置於處理室2內的探針等來對電漿產生狀態進行即時檢測，再將所獲得之資訊反饋給電漿處理裝置1之控制裝置。然後，藉由該控制裝置透過伺服馬達等來驅動旋轉該導螺桿機構30的調整螺絲33，便可對外側導體5a的位置進行最佳化。如此地根據電漿產生狀態來調整導波管5的位置，而可自動地進行電漿密度之分佈控制。依本方法能迅速且再現性良好地穩定電漿密度之分佈。此處，與前述方法不同，因不會浪費被處理基板W，故可提高其生產性。

然後，依該第2實施形態便可獲得與前述第1實施形態相同之功用效果。

另外，本發明技術思想相關之電漿處理除了薄膜堆積與蝕刻技術之外，亦可適用於其他之灰化處理等所有的電漿處理。

又，被處理基板W並未限制於半導體基板，亦可為玻璃基板或陶瓷基板等，並可適用於針對其他多樣化種類之基板所進行的電漿處理。

另外，前述實施形態所說明之電漿處理裝置僅為一範例，但並未限定於此。特別是，相對該天線4而移動導波管5之位置的位置調整機構並未限定於前述之導螺桿機構20、30，亦可使用其他之位置調整機構。例如，亦可採用一種於可動部的導波管5與固定部的冷卻套7等之間所形成的框架中間，插入一如同厚薄規的間隙調整機構以使導波管5能相對固定部而位於特定位置的位置調整方法。抑或為使用槓桿機構以使導波管5能相對固定部而增加位移以進行位置調整的結構。再者，導波管5之位置調整能以手動來進行，亦可由自動來進行。

本發明係以2008年8月8日於日本提出申請之日本發明申請第2008-205889號作為基礎，並包含其發明詳細說明(說明書)、申請專利範圍、圖式及發明摘要。本發明係參考並引用日本國發明申請第2008-205889號所揭露之全部內容。

1．．．電漿處理裝置

2．．．處理室

3．．．頂板

4．．．天線

4a．．．槽孔板

4b．．．慢波板

5．．．導波管

5a．．．外側導體

5b．．．內側導體

5c．．．矩形導波部

6．．．微波源

7．．．冷卻套

7a．．．冷卻流道

8．．．基板持定台

9．．．真空泵

10．．．高頻電源

11．．．氣體通道

12．．．溫度感測器

20、30．．．導螺桿機構

21、31．．．擋板

22、32‧‧‧固定螺絲

23、33‧‧‧調整螺絲

24‧‧‧止擋器

30a‧‧‧導螺桿機構本體

41、42‧‧‧槽孔

W‧‧‧被處理基板

圖1係本發明實施形態之電漿處理裝置的整體剖面圖。

圖2係本發明實施形態之槽孔板的平面圖。

圖3係本發明第1實施形態之導螺桿機構以及電漿處理裝置的天線與導波管之間的關係之概略結構圖，其係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K。

圖4係本發明第2實施形態之導螺桿機構以及電漿處理裝置的天線與導波管之間的關係之概略結構圖，其係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K。

圖5係習知技術之電漿處理裝置的天線與導波管之間的關係之概略結構圖，其係對應於圖1中鏈線所包圍之部份K。

1．．．電漿處理裝置

2．．．處理室

3．．．頂板

4．．．天線

4a．．．槽孔板

4b．．．慢波板

5．．．導波管

5a．．．外側導體

5b．．．內側導體

5c．．．矩形導波部

6．．．微波源

7．．．冷卻套

7a．．．冷卻流道

8．．．基板持定台

9．．．真空泵

10．．．高頻電源

11．．．氣體通道

12．．．溫度感測器

W．．．被處理基板

Claims (2)

1. 一種電漿處理裝置，係利用微波而於電漿處理容器內產生電漿，藉以對被處理對象物進行一電漿處理，其特徵在於具備有：產生該微波的微波源；傳送該微波的導波管；天線，係將該微波從該微波源經由該導波管而放射到該處理容器內；介電窗，係相接於該天線而使得該微波穿透至該處理容器內；以及位置調整機構，係使得該導波管之位置和該天線之位置做相對改變；該導波管係一具有內側導體與外側導體的同軸導波管；該位置調整機構係具備有該導波管；該位置調整機構係在相對於該天線面之水平方向上使得相接於該天線之該內側導體對該外側導體進行相對位移。
2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該位置調整機構係導螺桿機構。