TWI393488B - 電漿處理裝置及電漿密度分布之調整方法 - Google Patents

Description

電漿處理裝置及電漿密度分布之調整方法

本發明係有關在處理容器內產生電漿以處理基板的電漿處理裝置以及電漿密度分布之調整方法。

自以往，例如成膜處理或蝕刻處理中，使用將微波從形成於輻射狀排列之槽型天線(RLSA，Radial Line Slot Antenna)的槽孔傳播到處理容器內以產生電漿的電漿處理裝置(如參照專利文獻1)。該RLSA型之電漿處理裝置能以高密度均勻地形成低電子溫度的電漿，並可將大型半導體晶圓均勻且高速地加以電漿處理，為其優點。

於RLSA，呈同心圓狀形成有配置複數之槽孔的複數槽孔列。另外，RLSA中，藉由調整各該槽孔列間之間隔、各槽孔之大小，達到產生於處理室內之電漿密度的均勻化。

【專利文獻1】日本特開2006-107994號公報

再說，習知的RLSA型電漿處理裝置中，雖然針對RLSA之半徑方向進行電漿密度的均勻化，但幾乎並未考慮圓周方向之電漿密度的均勻化。其原因為：RLSA係圓板狀；且由於RLSA中，微波從中心沿半徑方向呈放射狀傳播，因此認為在圓周方向上微波之傳播條件為均勻等。

然而，實際上產生於RLSA型電漿處理裝置之處理室內的電漿密度，不僅RLSA之半徑方向，有時在圓周方向上也會不均勻。就其原因而言，可認為係因裝置本身之形狀誤差、RLSA與配置於其上下之慢波板及透射窗間所形成的微妙之間隙等的影響。

本發明係有鑑於此點所設計，其目的為：使得產生於電漿處理裝置之處理室內的電漿密度尤其在圓周方向上能進行調整。

為達成上述目的，依本發明，提供一種電漿處理裝置，將從同軸導波管所供應之微波經由慢波板導入處理容器內，將於該處理容器內處理氣體電漿化而進行基板之處理；其特徵為：於該同軸導波管及該慢波板二者的連結處配置介電構件；該介電構件於該同軸導波管之外部導體的內部，配置在以內部導體為中心之圓周方向的一部分，且該介電構件配置在以該內部導體為中心之圓周方向的任意位置。

該電漿處理裝置中，該介電構件能以該內部導體為中心而轉動自如。又，也能以轉動自如的環構件構成部分該外部導體，並於該環構件之內面安裝有該介電構件。

又，依本發明，提供一種電漿密度分布之調整方法，在從同軸導波管所供應之微波經由慢波板導入處理容器內，在該處理容器內將處理氣體電漿化而進行基板之處理的電漿處理裝置中所實施；其特徵為：藉由於該同軸導波管及該慢波板二者的連結處，在該同軸導波管之外部導體的內部，且以內部導體為中心之圓周方向的一部分，配置介電構件，以調整以內部導體為中心之圓周方向的電漿密度分布。

該調整方法中，該介電構件亦能以該內部導體為中心而轉動。

依本發明，藉由在同軸導波管及慢波板二者的連結處配置介電構件，能於電漿處理裝置之處理室內，使對應於介電構件之處所產生的電漿密度降低。所謂對應於介電構件之處，係微波從同軸導波管傳播到慢波板時，透射介電構件後，再傳播到處理室內之處。電漿處理裝置之處理室內，在此種對應於介電構件之處，藉由照射已透射介電構件後之微波，比起未透射介電構件之微波所照射的其他處，可使電漿密度相對性降低。本發明中，藉由於同軸導波管之外部導體的內部，在以內部導體為中心之圓周方向的任意位置配置介電構件，可針對以內部導體為中心之圓周方向，形成電漿密度之較高處與較低處，因此能將電漿處理裝置之處理室內所產生的電漿密度在圓周方向上進行調整。

實施發明之最佳形態

以下，說明本發明之較佳實施形態。圖1係顯示依本實施形態之電漿處理裝置1之概略結構的縱剖面圖。圖2係圖1中之X-X的剖面圖，顯示透射窗16之底面的狀態。圖3係同軸導波管30與慢波板25二者之連接處的放大圖。圖4係圖3中之Y-Y的剖面圖。又，本說明書與圖式中，對於實質上具有相同功能結構之結構要素，藉由附註同一符號以省略重複之說明。

如圖1所示，該電漿處理裝置1包含由例如鋁所構成，上部形成開口之有底圓筒狀的處理容器2。於處理容器2之內壁面，被覆有例如氧化鋁等之保護膜。處理容器2電性接地。

於處理容器2之底部，設有作為載置台的基座3，用以載置作為基板之例如半導體晶圓(以下稱晶圓)W。該基座3由例如鋁所構成，於其內部設有以來自外部電源4之電力供應而發熱的加熱器5。藉此，能將基座3上之晶圓W加熱到既定溫度。

於處理容器2之底部連接有排氣管11，用以藉由真空泵等之排氣裝置10排出處理容器2內之環境氣體。

於處理容器2之上部開口，透過用以確保氣密性之O型環等密封材15，設置由例如石英等之介電材料所構成的透射窗16。如圖2所示，透射窗16呈大致圓盤狀。作為透射窗16之材料，亦可不用石英而使用其他的介電材料，例如Al₂ O₃ 、AlN等之陶瓷。

於透射窗16之上方，設有平面狀的天線構件，例如圓板狀的輻射狀排列之槽型天線(RLSA，Radial Line Slot Antenna)20。RLSA20由以帶有導電性之材質，例如Ag、Au等所電鍍或塗布之銅的較薄之圓板所構成。於RLSA20，呈同心圓狀複數形成有在圓周上配置複數之槽孔21的槽孔列22。

於RLSA20之頂面，配置下述用以縮短微波之波長的圓板狀慢波板25。慢波板25由例如Al₂ O₃ 等之介電材料構成。作為慢波板25之材料，亦可不用Al₂ O₃ 而使用其他的介電材料，例如石英、AlN等之陶瓷。慢波板25由導電性之外蓋26所覆蓋。於外蓋26設有圓環狀之熱媒流道27，藉由流經此熱媒流道27之熱媒，將外蓋26與透射窗16保持在既定溫度。

於外蓋26之中央連接有同軸導波管30。同軸導波管30由內部導體31及外部導體32所構成。內部導體31貫通慢波板25之中央而連接於上述之RLSA20的上部中央。形成於RLSA20的複數之槽孔列22係均以內部導體31為中心而呈同心圓狀配置。

微波供應裝置35經由矩形導波管36與模式轉換器37連接於同軸導波管30。於微波供應裝置35所產生之例如2.45GHz的微波經由矩形導波管36、模式轉換器37、同軸導波管30、慢波板25、RLSA20，放射到透射窗16。然後，藉由此時之微波能量於透射窗16之底面形成電場，在處理容器2內產生電漿。

如圖3所示，連接於RLSA20之內部導體31的下端40形成圓錐梯形。又，於慢波板25之頂面中央，以從外部導體32的下端進入上方之方式而形成圓錐梯形之突起部41。於此狀態下，藉由使內部導體31的下端40形成圓錐梯形，且在慢波板25之頂面中央形成有圓錐梯形之突起部41，因此將微波從同軸導波管30對慢波板25與RLSA20有效率地傳播。

於同軸導波管30及慢波板25的連結處，在慢波板25上配置有介電構件45。介電構件45放置於形成在慢波板25之頂面中央之圓錐梯形的突起部41上。介電構件45於同軸導波管30之外部導體32的內部，並非環繞內部導體31的全周，而以配置於以內部導體31為中心之圓周方向一部分之方式形成扇形。又，介電構件45對於慢波板25之頂面(突起部41之頂面)與內部導體31之外周面並未形成連結。因此，於外部導體32的內部，能以內部導體31為中心而使介電構件45配置於圓周方向之任意位置。又，作為介電構件45之材料，較佳為Al₂ O₃ 、石英、AlN等之陶瓷或鐵氟龍。在此，慢波板25之材質與介電構件45之材料同為介電材料，可使用相同材料，但並非必要以相同材料構成，也可使用不同之介電材料。

如上所述，藉由在同軸導波管30及慢波板25之連結處配置介電構件45，而能在電漿處理裝置1之處理室內，使對應於介電構件45之處所產生的電漿密度降低。亦即，微波從同軸導波管30傳播到慢波板25、RLSA20與透射窗16，但如圖3所示，由於在以內部導體31為中心之部分圓周方向上配置有介電構件45，因此微波將透射通過介電構件45之通道A、與不通過介電構件45之通道B的其中之一。並且，透射通道A之微波相應於通過介電構件45之分量，微波之能量減弱，因此在透射通道A後之微波所照射的位置a(對應於介電構件45之處)，形成於透射窗16之底面的電場相對性變弱。如此一來，在對應於介電構件45之處的位置a，產生於處理室內之電漿密度相對性變低。另一方面，透射通道B之微波由於並未透射介電構件45，故微波之能量不會因介電構件45而減弱。藉此，在透射通道B後之微波所照射的位置b(未透射介電構件45之微波所照射的其他處)，形成於透射窗16之底面的電場相對性變強。如此一來，在未透射介電構件45之微波所照射的其他處之位置b，產生於處理室內之電漿密度相對性變高。又，於微波透射介電構件45時，介電構件45係以螺絲或接著等方法固定在慢波板25。

如上所述，介電構件45於同軸導波管30之外部導體32的內部，以配置於以內部導體31為中心之部分圓周方向之方式而形成扇形。因此，如圖2所示，對應於介電構件45之處的位置a，於透射窗16之底面呈扇形。

處理氣體從氣體供應源50經由流道51被供應至處理容器2內。處理氣體使用例如氮、Ar、氧等之產生電漿用的氣體，以及例如四乙氧基矽烷(TEOS，tetra ethoxy silane)等之氣體源等。

其次，說明如以上所構成之電漿處理裝置1的作用。又，作為電漿處理之一例，說明使用包含Ar、氧等之產生電漿用氣體以及TEOS等之氣體源的處理氣體，以在晶圓W將絕緣膜(SiO₂ 膜)成膜之例。

該電漿處理裝置1中，例如進行電漿成膜處理時，如圖1所示地，首先將晶圓W送入處理容器2內，載置於基座3上。其後，從排氣管11進行排氣而將處理容器2內減壓。進而，從氣體供應源50供應包含Ar、氧等之產生電漿用氣體以及TEOS等之氣體源的處理氣體到處理容器2內。然後，藉由微波供應裝置35之作動，於透射窗16之底面產生電場，將該處理氣體電漿化，而以此時所產生的活性種，在晶圓W上進行成膜處理。

然後，進行既定時間之成膜處理後，停止微波供應裝置35之作動，並停止往處理容器2內供應處理氣體，將晶圓W從處理容器2內送出，而結束一連串之電漿成膜處理。

另一方面，如以上之電漿處理裝置1中，特別為了將大型之晶圓W均勻且高速地電漿處理，不僅RLSA20之半徑方向，於RLSA20之圓周方向也要求電漿密度的均勻化。此時，就擾亂RLSA20於圓周方向的電漿密度之均勻化的原因而言，吾人認為有慢波板25、RLSA20、透射窗16等之形狀誤差等。又，慢波板25、RLSA20、透射窗16係相互密合而設置；但有時由於在慢波板25底面與RLSA20頂面之間、RLSA20底面與透射窗16頂面之間局部性產生微細的間隙，而擾亂RLSA20於圓周方向的電漿密度之均勻化。尤其，於電漿處理中係將電漿處理裝置1整體加熱，故起因於慢波板25、RLSA20、透射窗16之熱膨脹係數的差異等，而在慢波板25底面與RLSA20頂面之間、RLSA20底面與透射窗16頂面之間產生微細的間隙，亦為顧慮之點。

然而，如上所述，該電漿處理裝置1中，於同軸導波管30及慢波板25的連結處，在慢波板25上配置有介電構件45。藉由於外部導體32的內部，以內部導體31為中心使該介電構件45配置於圓周方向之任意位置，而能在電漿處理裝置1之處理室內，將對應於介電構件45之處所產生的電漿密度在圓周方向上進行調整。

亦即，電漿處理中，於例如RLSA20之圓周方向上電漿密度在部分區域相對性變低時，藉由使內部導體31移動，對其他區域之電漿密度相對性較高的區域，照射已透射介電構件45後之微波；對電漿密度相對性較低的區域，照射未透射介電構件45之微波。如此一來，在電漿密度相對性較高的區域，藉由將形成於透射窗16之底面的電場相對性減弱，在圓周方向上調整電漿密度。

因此，依該電漿處理裝置1，使電漿處理裝置1之處理室內所產生的電漿密度於RLSA20之圓周方向上也能均勻。其結果，產生於處理室內之電漿密度成為整體性均勻，即使為大型之半導體晶圓，也能均勻且高速地電漿處理。

以上，業已說明本發明的最佳實施形態之一例；但本發明並不限於在此所提示之形態。很明顯地，只要是熟悉本技藝之士，在記載於申請專利範圍的思想範圍內可思及各種之變形例或修正例，該等變形例或修正例，當然也屬於本發明之技術性範圍。

如圖5、圖6所示，亦能以轉動自如的環構件55構成部分之外部導體32，並於該環構件55之內面安裝介電構件45。若如上述於轉動自如的環構件55之內面安裝有介電構件45，則藉由使環構件55從同軸導波管30之外側轉動，能於外部導體32之內部，使介電構件45在以內部導體31為中心之圓周方向上任意移動。藉此，RLSA20之圓周方向的電漿密度之調整將變得較容易。

又，若並非環繞內部導體31之全周，介電構件45之大小可任意定之。如圖7所示，也可使用一部分形成有間隙56的介電構件45。依此圖7所示之介電構件45，藉由操作環構件55而於外部導體32之內部使介電構件45轉動，可使間隙56之位置在以內部導體31為中心之圓周方向上任意移動。由於在對應於間隙56之處，相應於並未透射介電構件45，形成在透射窗16之底面的電場相對性變強，因此藉由如上述改變間隙56之位置，同樣可調整RLSA20於圓周方向的電漿密度。

又，如圖8所示，於同軸導波管30及慢波板25的連結處，也可在慢波板25(突起部41)上配置複數之介電構件45。藉由於同軸導波管30之外部導體32的內部，使該等複數之介電構件45以內部導體31為中心而配置在圓周方向的任意位置，可於RLSA20之圓周方向的複數處形成電漿密度較低的區域。另外，也可在同軸導波管30之外部導體32的任意位置設置用以插入介電構件45的開口部，俾於能在外部導體32的內部，使介電構件45配置於以內部導體31為中心之圓周方向的任意位置。

又，圖3所示之形態中，記載著慢波板25與介電構件45為各自獨立之構件，也可使用不同材料；但慢波板25與介電構件45並非必要為各自獨立之構件，如圖9所示，慢波板25與介電構件45亦可採用一體成型之結構。藉由採用此種結構，對於如圖3所示之形態中，使微波透射介電構件45時以螺絲或黏著等使介電構件45固定在慢波板25的工夫將得以省略，可達到裝置運轉效率之提高。又，此時慢波板25與介電構件45為相同材料，較佳係使用Al₂ O₃ 、石英、AlN等之陶瓷等。

又，以上之實施形態中，將本發明適用於進行成膜處理的電漿處理裝置1；但本發明亦可適用於成膜處理以外之基板處理，例如進行蝕刻處理的電漿處理裝置。又，於本發明之電漿處理裝置所處理的基板可為半導體晶圓、有機電致發光基板、平面顯示器(FPD，Flat Panel Display)用的基板等任一者。又，設於RLSA之狹縫列亦可為例如漩渦狀。

實施例

如圖3、圖4所說明，於同軸導波管30及慢波板25的連結處配置介電構件45時，觀察在透射窗16之底面所產生的電漿之密度。其結果，透射窗16之底面成為圖10所示之狀態，對應於介電構件45之處(透射介電構件45後之微波所照射的位置a)比起不對應於介電構件45之處(未透射介電構件45之微波所照射的位置b)變得較暗，電漿密度變低係獲得確認。

【產業上利用性】

本發明可適用於在處理容器內產生電漿以進行基板處理的電漿處理。

A．．．通過介電構件之通道

a．．．透射通道A後之微波所照射的位置(透射介電構件後之微波所照射的位置)

B．．．不通過介電構件之通道

b．．．透射通道B後之微波所照射的位置(未透射介電構件之微波所照射的位置)

W．．．半導體晶圓

1．．．電漿處理裝置

2．．．處理容器

3．．．基座(載置台)

4．．．外部電源

5．．．加熱器

10．．．排氣裝置

11．．．排氣管

15．．．密封材

16．．．透射窗

20．．．輻射狀排列之槽型天線(RLSA)

21．．．槽孔

22．．．槽孔列

25．．．慢波板

26．．．外蓋

27．．．熱媒流道

30．．．同軸導波管

31．．．內部導體

32．．．外部導體

35．．．微波供應裝置

36．．．矩形導波管

37．．．模式轉換器

40．．．內部導體之下端

41．．．慢波板之突起部

45．．．介電構件

50．．．氣體供應源

51．．．流道

55．．．環構件

56．．．間隙

圖1係顯示依本實施形態之電漿處理裝置之概略結構的縱剖面圖。

圖2係圖1中之X-X的剖面圖。

圖3係同軸導波管與慢波板二者之連接處的放大圖。

圖4係圖3中之Y-Y的剖面圖。

圖5係以轉動自如的環構件構成部分外部導體之實施形態中，同軸導波管與慢波板二者之連接處的放大圖。

圖6係圖5中之Z-Z的剖面圖。

圖7係一部分形成有間隙之介電構件的說明圖。

圖8係於同軸導波管及慢波板的連結處，在慢波板上配置有複數之介電構件之實施形態的說明圖。

圖9係慢波板與介電構件採用一體成型結構之實施形態的說明圖。

圖10係於同軸導波管及慢波板的連結處配置介電構件時，透射窗之底面所產生的電漿之密度的說明圖。

A．．．通過介電構件之通道

a．．．透射通道A後之微波所照射的位置(透射介電構件後之微波所照射的位置)

B．．．不通過介電構件之通道

b．．．透射通道B後之微波所照射的位置(未透射介電構件之微波所照射的位置)

16．．．透射窗

20．．．輻射狀排列之槽型天線(RLSA)

25．．．慢波板

26．．．外蓋

30．．．同軸導波管

31．．．內部導體

32．．．外部導體

40．．．內部導體之下端

41．．．慢波板之突起部

45．．．介電構件

Claims (5)

1. 一種電漿處理裝置，自同軸導波管所供應之微波經由慢波板被導入至處理容器內，在該處理容器內將處理氣體電漿化而進行基板之處理；其特徵為：於該同軸導波管及該慢波板二者的連結處配置介電構件；該介電構件於該同軸導波管之外部導體的內部，配置在以內部導體為中心之圓周方向的一部分，且該介電構件配置在以該內部導體為中心之圓周方向的任意位置。
2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該介電構件能以該內部導體為中心自由轉動。
3. 如申請專利範圍第2項之電漿處理裝置，其中，該外部導體的一部分係以自由轉動的環構件所構成，而該介電構件係安裝於該環構件之內面。
4. 一種電漿密度分布之調整方法，於從同軸導波管所供應之微波經由慢波板被導入處理容器內，在該處理容器內將處理氣體電漿化而進行基板之處理的電漿處理裝置中所實施；其特徵為：藉由於該同軸導波管及該慢波板二者的連結處，在該同軸導波管之外部導體的內部，而以內部導體為中心之圓周方向的一部分配置介電構件，來調整以內部導體為中心之圓周方向的電漿密度分布。
5. 如申請專利範圍第4項之電漿密度分布之調整方法，其中，該介電構件以該內部導體為中心而轉動。