TWI389169B - Plasma processing device - Google Patents

Description

電漿處理裝置

本發明係有關於電漿處理裝置。

先前，為了例如成膜處理或蝕刻處理，係使用有用了微波的電漿處理裝置。更且使用微波之電漿處理裝置中，提案有將稱為淋浴板之氣體供給板水平配置於處理容器內，將處理容器內分為上部之電漿產生空間與下部之處理空間的技術(日本專利第3384795號)。

該技術之淋浴板中，形成有用以對處理空間供給處理氣體之多數氣體供給孔，和連通電漿產生空間與處理空間的多數開口。若依具有該淋浴板之電漿處理裝置，則可降低對基板之損傷，進行在高處理效率下的理想電漿處理。

使用此種裝置進行例如電漿CVD處理時，為了防止反應產生物附著在淋浴板上，係將淋浴板本身之溫度控制在一定值為佳。

然而，電漿處理中隨著電漿產生之熱量，尤其會使淋浴板之中心範圍變為高溫。亦即淋浴板之面內整體會成為不平均的溫度分布。

當然，淋浴板材料本身會是熱傳導性良好之金屬，例如鋁。然而淋浴板形成有連通電漿產生空間與處理空間的多數開口。該開口係用以使電漿所產生之活性種通過者，而設計為淋浴板剖面之面積盡量小者。從而，從淋浴板之中心範圍往週邊範圍的熱(移動)阻抗會變大，而難以使淋浴板之面內溫度平均，以及難以將淋浴板溫度維持在期望溫度。

當淋浴板之面內溫度不平均，而無法維持期望溫度時，熱作用力就會加大，而產生淋浴板之變形或歪曲。結果，發生頻繁更換淋浴板本身之必要，或根據情況不同，而危害電漿處理裝置的平均性。

本發明係著眼於以上問題點，為了有效解決此者而立案者。本發明之目的，係提供一種可將氣體供給板(淋浴板)維持在期望溫度，又可提高氣體供給板之面內溫度平均性，而藉此可抑制氣體供給板之變形及歪曲發生的電漿處理裝置。

本發明，係一種電漿處理裝置，其特徵係具備：具有將處理氣體電漿化之電漿產生空間，與放置基板而對該基板來進行電漿處理之處理空間的處理容器；和將處理容器內分為電漿產生空間與處理空間，並配置於處理容器內的氣體供給板(即所謂的淋浴板)；和設置於氣體供給板，向著處理空間供給處理氣體的處理氣體供給孔；和設置於氣體供給板，連通電漿產生空間與處理空間的複數開口；和從氣體供給板之中心範圍延伸設置(橫跨)到週邊範圍，熱傳導性比構成氣體供給板之材質更高的熱傳導構件。

若依本發明，則因為將熱傳導性比構成氣體供給板之材質更高的熱傳導構件，從氣體供給板之中心範圍延伸設置到週邊範圍(跨在上面)，故氣體供給板之中心範圍與週邊範圍之間的熱量移動，比起先前明顯提高。結果，可將氣體供給板溫度維持在期望溫度，又可改善氣體供給板之面內溫度分布平均性。藉此，可抑制處理中之氣體供給板的變形或歪曲產生。

理想上，熱傳導構件係設置於氣體供給板內部。

又，氣體供給板中與基板相對的範圍，具有縱條構件與橫條構件配置為格子狀的形狀；熱傳導構件(之至少一部分)，係設置於縱條構件與橫條構件的內部為理想。此時，氣體供給板中處理氣體流路(之一部分)，係設置於縱條構件或橫條構件內部為佳。

又，一般氣體供給板係更設置有向著電漿產生空間，供給電漿產生用氣體的氣體(用以激發電漿之氣體)供給孔。在此係如上所述般，氣體供給板中與基板相對的範圍，具有縱條構件與橫條構件配置為格子狀的形狀時，氣體供給板中電漿產生用流路(之一部分)，係設置於縱條構件與橫條構件的內部為佳。

又，處理氣體之流路與電漿產生用氣體之流路，從氣體供給板之上下方向看去係重疊配置為佳。此時即使形成兩條流路，也不會影響連通電漿產生空間與處理空間之複數開口的面積。更且，熱傳導構件之一部分，係配置於處理氣體之流路與電漿產生用氣體之流路之間為佳。

又，以在氣體供給板之週邊範圍，對熱傳導構件進行熱交換的熱媒流路為佳。此時依據流動於該熱媒流路之熱媒，可輕易將氣體供給板整體維持在期望溫度，又氣體供給板整體之平均溫度控制變的簡單。

作為熱傳導構件之例子，可以舉出熱管(Heat Pipe)。

以下，說明本發明之理想實施方式。第1圖，係表示本發明之一種實施方式之電漿處理裝置1之構造的概略縱剖面圖。該電漿處理裝置1，係具備上部開了口之有底圓筒狀狀處理容器2。處理容器2，係例如鋁所構成，而被接地。處理容器2之底部，係作為用以放置作為基板之例如半導體晶圓(以下稱為晶圓)W的放置台，而設置有承受器3。承受器3係例如由鋁所構成。承受器3之內部，設置有藉由來自外部電源4之電力供給而發熱的加熱器5。藉此，可以將承受器3上的晶圓W加熱到特定溫度。

處理容器2之底部，係設置有藉由真空泵等排氣裝置11，用以將處理容器2內之環境加以排氣的排氣管12。

處理容器2之上部開口，係經由確保氣密性之O環等密封材21，設置有例如介電質之石英構件所構成的透過窗22。本實施方式之透過窗22，係平面型態為圓形。取代石英構件，也可使用其他介電質材料，例如Al₂ O₃ 、AIN等陶瓷。

透過窗22之上方，設置有平面狀之天線構件，例如圓板狀徑向線開槽天線23。徑向線開槽天線23，係具有導電性之材質，例如Ag、Au等所鍍或塗佈之銅的薄圓板所構成。徑向線開槽天線23，係有多數細縫24排列為例如漩渦狀或同心圓狀來形成。

徑向線開槽天線23之上面，係配置有縮短後述之微波波長的慢波板25。慢波板25，係由導電性之蓋26所覆蓋。蓋26，係設置有圓環狀熱媒流路27。藉由流動於此熱媒流路27之熱媒，來將蓋26與透過窗22維持在特定溫度。透過窗22之外週邊附近之處理容器2的側壁內，也形成有圓環狀熱媒流路28。

蓋26，係連接有同軸波導管29。此同軸波導管29，係以內側導體29a與外管29b所構成。內側導體29a，係連接於徑向線開槽天線23。內側導體29a之徑向線開槽天線23側的端部，係具有圓錐形狀，而可對徑向線開槽天線23有效傳導微波。

以微波供給裝置31所產生之例如2.45GHz的微波，係經由矩形波導管32、模式轉換器33、同軸波導管29、慢波板25及徑向線開槽天線23，來放射到透過窗22。藉由此時之微波能量，在透過窗22下面形成電場，而將電漿產生空間P內的氣體電漿化。

處理氣體容器2內，係水平配置有淋浴板41作為氣體供給板。藉此，處理容器2內會分為上部的電漿產生空間P與下部的處理空間S。

如第2圖所示，淋浴板41係成為略圓盤狀，其與承受器3上之晶圓W相對的範圍，係有複數縱條構件42與複數橫條構件43配置為格子狀的形狀。於此些之外側，設置有圓環構件44。此等各構件之材質，任一個都是鋁。然後，藉由縱條構件42與橫條構件43，創造出複數四角形開口45。開口45，係連通電漿產生空間P與下部的處理空間S。

如第3圖所示，縱條構件42與橫條構件43內部之電漿產生空間P側，形成有電漿激發用氣體所流通的氣體流路51。此氣體流路51，係如第1圖所示，經由氣體供給管52、閥53、流量控制器54及閥55，而通到電漿激發用之氣體供給源56。然後如第3圖所示，在縱條構件42與橫條構件43之電漿產生空間P側，形成有將流動於氣體流路51之電漿激發用氣體，向著電漿產生空間P平均供給的複數氣體供給孔57。

另一方面，如第3圖所示，縱條構件42與橫條構件43內部的處理空間S側，形成有流通處理氣體的處理氣體流路61。此處理氣體流路61，係如第1圖所示，經由處理氣體供給管62、閥63、流量控制器64及閥65，而通到處理氣體供給源66。然後如第3圖所示，縱條構件42與橫條構件43的處理空間S側，係為了將流動於處理氣體流路61之處理氣體，向著處理空間S平均供給，而形成有複數處理氣體供給孔67。

縱條構件42與橫條構件43之內部，係設置有熱管71。此熱管係具有中空圓柱形狀，其內部封存有水作為熱媒體。當然，配合將淋浴板41做溫度控制的目標溫度帶，可以使用封存有各種熱管用液體的熱管。該構造之熱管71的熱傳導性，比起淋浴板41之構成材料亦即鋁來說，係極度的高。

熱管71，係從淋浴板41之中心範圍延伸到週邊範圍(跨上去)地，設置於縱條構件42與橫條構件43之內部。其配置狀況在以下做敘述。

如第2圖及第4圖所示，通過淋浴板41中心之縱條構件42c，係從該兩外側端部，成相對地在內部插入幾乎相當於淋浴板41之直徑之長度的熱管71、71。同樣地，通過淋浴板41中心之橫條構件43c，也從該兩外側端部，成相對地在內部插入幾乎相當於淋浴板41之直徑之長度的熱管71、71。

然後，被此等縱條構件42c與橫條構件43c做四分割之淋浴板41的4個範圍內，在所謂第1象限(第2圖、第4圖中淋浴板41右上方的四分之一圓部份)及第3象限(第2圖、第4圖中淋浴板41左下方的四分之一圓部份)的範圍中，縱條構件42內部係從該外側端部插入有熱管71；在所謂第2象限(第2圖、第4圖中淋浴板41左上方的四分之一圓部份)及第4象限(第2圖、第4圖中淋浴板41右下方的四分之一圓部份)的範圍中，橫條構件43內部係從該外側端部插入有熱管71。此等熱管71外側之端部，任一個都到達淋浴板41的外側端部。如此一來，淋浴板41之格子狀範圍部分中，熱管71會幾乎被均等配置。

然後縱條構件42及橫條構件43中，就與氣體流路51或處理氣體流路61重疊之部分來說，係如第3圖及第5圖所示，熱管71係與此等氣體流路51、處理氣體流路61在上下方向重疊地，來位於此等流路之間。

又如第1圖所示，淋浴板41之圓環部44，係被處理容器2之側壁支撐。然後在處理容器2之側壁內，淋浴板41之圓環部44上側的位置，設置圓環狀的熱媒流路81。流動於此熱媒流路81之熱媒與熱管71(之週邊部)之間，會進行熱交換。

在此，流動於該熱媒流路81之熱媒，與流動於以上所述之熱媒流路27、28的熱媒，在本實施方式中係由相同熱媒供給源82所供給。但是被溫度控制之對象範圍的溫度不同時，可使用各自獨立之熱媒供給源(例如冷卻器)。

又如第3圖所示，圓環部44之內側下面也可以設置圓環狀加熱器83。尤其，就從淋浴板中心範圍往週邊範圍之熱(移動)阻抗較大的先前淋浴板來說，如以上所述，淋浴板之面內溫度平均性較差，故為了使淋浴板週邊範圍之溫度接近中心範圍之溫度，設置加熱器83是非常理想的。但是本實施方式中的淋浴板41，因為溫度平均性明顯提高，故不設置加熱器83亦可。

本實施方式之電漿處理裝置1，係如以上所構成。藉由電漿處理裝置1，對放置於承受器3上之晶圓W施加電漿成膜處理時，係從淋浴板41之氣體供給孔57往電漿產生空間P，供給電漿激發用氣體，例如氬氣。在此狀態下，微波供給裝置31會動作。這麼一來，透過窗22之下面側會產生電場，使上述電漿激發用氣體被電漿化，該電漿會通過淋浴板41之開口45而流入處理空間S。然後，若從淋浴板41下面之處理氣體供給孔67，向著處理空間S供給成膜用處理氣體，則該處理氣體會因該電漿而解離，並藉由當時所產生之活性種，於晶圓W上實施成膜處理。

該電漿處理中，隨著電漿產生之熱，會使淋浴板41的中心範圍溫度上升。然而本實施方式中，因為設置有跨越淋浴板41之中心範圍與周邊範圍(本實施方式中包含圓環部44)的熱管71，故淋浴板41中心範圍之熱會迅速傳達到淋浴板41的周邊範圍(圓環部44)。從而，淋浴板41之溫度整體來說會平均化。

而且本實施方式中，配置為格子狀之縱條構件42與橫條構件43的內部，係幾乎均等地配置有熱管71。藉此，淋浴板41整體之溫度平均性會更加提高。

又，本實施方式中，圓環部44上方設置有熱媒流路81，而在熱管71之端部與該熱媒流路81之熱媒之間進行熱交換，故藉由將此熱媒當做一種恆溫源，可將淋浴板41維持在期望溫度。

如以上所述，本實施方式中，因為採用熱管71作為熱傳導構件，故使用簡單，且不需要電源等外部能源。

亦即若藉由熱媒所造成之溫度控制，則在電漿處理裝置之等待中(沒有產生電漿之狀態)，熱媒之熱會透過熱管71而賦予到淋浴板41；另一方面，在電漿處理中，淋浴板41之熱會透過熱管71而賦予到熱媒。亦即不管在哪個狀態，淋浴板41都可維持為一定溫度。另一方面，若依不使用熱媒，例如先前使用加熱器的溫度控制，則等待中雖然會藉由加熱器將淋浴板控制維持在一定溫度，但是在電漿處理中淋浴板的溫度就會更加上升。因此除了加熱器用電源及其控制器之外，還必須有冷卻淋浴板的機構，使裝置變的複雜，其控制也變的困難。

更且，就設置有熱管71之縱條構件42及橫條構件43來說，係如第5圖所示，氣體流路51、熱管71、處理氣體流路61係在上下方向重疊配置，故不會對開口45之大小造成影響。

其次，就本實施方式中電漿裝置1所採用之淋浴板41，和不具有熱傳導構件之先前淋浴板，比較其面內溫度平均性。將實際之溫度測定結果表示於第6圖。

第6圖之圖表中，橫軸表示從淋浴板中心往外端側之距離，縱軸表示測定溫度。電漿處理之處理條件，係處理容器2內壓力為666.5Pa(500mTorr)，微波功率為3kW，激發用氬氣流量為1700sccm，流動於熱媒流路81之熱媒溫度為80℃，加熱器83之溫度為80℃。

又，第7圖係針對不具有熱傳導構件之先前淋浴板的3個位置，表示電漿(產生)ON後隨著時間經過的溫度變化。另一方面，第8圖係針對本實施方式中電漿裝置1所採用之淋浴板41的3個位置，表示電漿(產生)ON後隨著時間經過的溫度變化。電漿(產生)係在經過15分鐘後被OFF。在此，上述3個位置，就第7圖及第8圖之任一個來說，都是以「淋浴1」代表邊緣(從中心離開150mm的位置)，以「淋浴2」代表中間(從中心離開100mm的位置)，以「淋浴3」代表中心(從中心離開0mm的位置)。

又，此等溫度測定時之電漿處理條件，係處理容器2內壓力為666.5Pa(500mTorr)，微波功率為3kW，激發用氬氣流量為1700sccm。

從此等結果可得知，本實施方式中電漿裝置1所採用之淋浴板41，其溫度係維持於期望溫度，同時面內溫度也幾乎是平均的。從而，得知施加於淋浴板41之熱作用力會比先前大幅度被抑制，而其變形或歪曲也會明顯變小。

而且得知本實施方式比起先前，不只面內溫度平均性，連溫度響應也為優良。亦即先前形式(第7圖)中，將電漿ON後經過15分鐘為止(到OFF為止)，溫度會持續上升；相對地，本實施方式(第8圖)中，將電漿ON後只要經過5分鐘就成為溫度安定者。這在將電漿OFF之後也一樣。

從而，若依本實施方式，則製程中之條件變動較少，安定性也比先前提高。亦即，例如連續處理複數片基板時，處理開始後一開始的第1片基板與(溫度安定後所處理之)後續基板之間，處理結果並無差別。又，即使對1片基板需要長時間處理的情況下，淋浴板之溫度變動也較少，又氣體對淋浴板之吸附或脫離狀態也不會變動，故可進行更安定的處理。又因為如上所述般，溫度響應也為良好，放進入到處理為止的時間可以比先前縮短。

另外上述實施方式，係說明了利用微波之電漿處理裝置；但本發明並不限於此，對利用其他電漿源的電漿處理裝置亦可適用。

1．．．電漿處理裝置

2．．．處理容器

3．．．承受器

4．．．外部電源

5．．．加熱器

11．．．排氣裝置

12．．．排氣管

21．．．密封材

22．．．透過窗

23．．．徑向線開槽天線

24．．．細縫

25．．．慢波板

26．．．蓋

27．．．熱媒流路

28．．．熱媒流路

29．．．同軸波導管

29a．．．內側導體

29b．．．外管

31．．．微波供給裝置

32．．．矩形波導管

33．．．模式轉換器

41．．．淋浴板

42．．．縱條構件

42c．．．縱條構件

43．．．橫條構件

43c．．．橫條構件

44．．．圓環構件

45．．．開口

51．．．氣體流路

52．．．氣體供給管

53．．．閥

54．．．流量控制器

55．．．閥

56．．．電漿激發用氣體供給源

57．．．氣體供給孔

61．．．處理氣體流路

62．．．處理氣體供給管

63．．．閥

64．．．流量控制器

65．．．閥

66．．．處理氣體供給源

67．．．氣體供給孔

71．．．熱管

81．．．熱媒流路

82．．．熱媒供給源

83．．．加熱器

P．．．電漿產生空間

S．．．處理空間

W．．．晶圓

[第1圖]第1圖，係表示本發明之一種實施方式之電漿處理裝置構造的概略縱剖面圖。

[第2圖]第2圖，係第1圖之電漿處理裝置之淋浴板的俯視圖。

[第3圖]第3圖，係第2圖之淋浴板之橫條構件的縱剖面圖。

[第4圖]第4圖，係用以說明第2圖之淋浴板中縱條構件與橫條構件之配置關係的俯視圖。

[第5圖]第5圖，係第3圖之A－A線剖面圖。

[第6圖]第6圖，係表示本實施方式之淋浴板與先前淋浴板之面內溫度分布的圖表。

[第7圖]第7圖，係表示先前淋浴板隨著時間經過之溫度變化的圖表。

[第8圖]第8圖，係表示本實施方式之淋浴板隨著時間經過之溫度變化的圖表。

41．．．淋浴板

42．．．縱條構件

43．．．橫條構件

44．．．圓環構件

45．．．開口

52．．．氣體供給管

57．．．氣體供給孔

62．．．處理氣體供給管

71．．．熱管

81．．．熱媒流路

Claims (8)

1. 一種電漿處理裝置，其特徵係具備：具有將處理氣體電漿化之電漿產生空間，與放置基板而對該基板來進行電漿處理之處理空間的處理容器；和將處理容器內分為電漿產生空間與處理空間，並配置於處理容器內，與基板相對的範圍係具有縱條構件與橫條構件被配置成格子狀的形狀的氣體供給板；和設置於氣體供給板，向著處理空間供給處理氣體的處理氣體供給孔；和設置於氣體供給板，連通電漿產生空間與處理空間的複數開口；和從氣體供給板之中心範圍延伸設置到週邊範圍，至少一部分係被設於縱條構件或橫條構件的內部之熱傳導性比構成氣體供給板之材質更高的熱傳導構件；和設在氣體供給板之配置成格子狀的形狀的周圍的圓環部；和支撐圓環部的處理容器的側壁；和設在側壁，流動熱媒且與熱傳達構件進行熱交換的熱媒流路。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理裝置，其中，氣體供給板中與基板相對的範圍，係被區劃成4個扇形的範圍， 在2個扇形的範圍內，係熱傳導構件的至少一部分被設於縱條構件的內部，在其他2個扇形的範圍內，係熱傳導構件的至少一部分被設於橫條構件的內部。
3. 如申請專利範圍第1或2項所記載之電漿處理裝置，其中，氣體供給板中處理氣體流路之一部分，係設置於縱條構件或橫條構件內部。
4. 如申請專利範圍第1或2項所記載之電漿處理裝置，其中，於氣體供給板係設置有向著電漿產生空間，供給電漿產生用氣體的氣體供給孔。
5. 如申請專利範圍第1或2項所記載之電漿處理裝置，其中，於氣體供給板係更設置有向著電漿產生空間，供給電漿產生用氣體的氣體供給孔；氣體供給板中電漿產生用氣體流路之一部分，係設置於縱條構件或橫條構件內部。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之電漿處理裝置，其中，處理氣體之流路與電漿產生用氣體之流路，從氣體供給板之上下方向看去係重疊配置。
7. 如申請專利範圍第5項所記載之電漿處理裝置，其中，熱傳導構件之一部分，係配置於處理氣體之流路與電漿產生用氣體之流路之間。
8. 如申請專利範圍第1或2一項所記載之電漿處理裝置，其中，熱傳導構件係熱管(Heat Pipe)。