TWI515760B - Plasma processing device - Google Patents

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Description

電漿處理裝置
本發明係有關於一種用於對被處理基板進行沈積(製膜)或蝕刻等既定處理之電漿處理裝置。
先前以來，在基板上形成薄膜之製膜工序，或對於基板之蝕刻工序等，皆使用電漿處理裝置。電漿處理裝置雖然有容量結合型或感應結合型等種種型式，但是其中，感應結合型電漿處理裝置因為能產生高密度電漿，所以具有處理速度很快之優點(例如參照專利文獻1)。
由電漿處理裝置所做之矽薄膜形成，通常如下進行。首先，導入氫氣(H2)及矽烷(SiH4)氣體到真空容器內，投入放電電力，藉此，在真空容器內產生電漿。此時，電子衝撞氫氣分子與矽烷氣體分子，藉此，這些分子被分解，藉此產生之原子狀氫自由基及矽烷系自由基(SiH3,SiH2,SiH,Si)在真空容器內擴散以到達基板表面，矽薄膜形成在基板表面。
【先行技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開2006-286536號公報([0003])
當藉上述手法形成矽薄膜時，高密度產生矽烷系自由基與原子狀氫自由基很重要，尤其，當形成微結晶矽薄膜時，在與非晶質矽薄膜之情形相比較下，高密度地產生原子狀氫自由基係不可缺少。
為藉電子衝撞以解離分子所必要之電子能量，氫氣分子比矽烷分子還要高。因此，當增加用於解離氫氣分子之高能量電子，或者，提高電漿密度時，在產生高密度原子狀氫自由基之同時，矽烷系自由基也產生顯著之解離，產生很多稱做SiH2,SiH,Si之附著係數很高，亦即，很容易附著在形成中之微結晶矽薄膜上之自由基。當產生這種附著係數很高之自由基時，會產生在薄膜中形成缺陷，或者，薄膜密度降低之問題，同時在氣相中產生高階矽烷自由基(SixHy(x＞2))，藉此，會產生更加在薄膜中形成缺陷之問題。
因此，在形成薄膜密度很高，且薄膜中缺陷(懸掛鍵)很少之良質微結晶矽薄膜時，藉抑制矽烷系分子之過度分解，提高附著係數比SiH2,SiH,Si低(1/10左右)之SiH3自由基之密度係很重要。
但是，在先前之電漿處理裝置中，持續抑制矽烷系分子之過度分解，產生高密度的原子狀氫自由基很困難。
本發明所欲解決之課題，係提供一種對應氣體分子種類或其解離能量，能很容易控制電漿中電子能量分佈之電漿處理裝置。
為解決上述課題而研發出之本發明電漿處理裝置包括：電漿產生室；高週波天線，設於前述電漿產生室內部；電漿產生氣體導入機構，導入用於產生電漿之氣體到前述電漿產生室內；電漿處理室，與前述電漿產生室連通；以及處理氣體導入機構，導入處理氣體到前述電漿處理室內，其特徵在於包括：電漿控制板，設於前述電漿產生室內，可改變與前述高週波天線之距離；以及移動機構，用於移動前述電漿控制板。
而且，最好使用在前述電漿產生室與前述電漿處理室間產生壓差之壓差產生機構。使用壓差產生機構以使電漿產生室之壓力高於電漿處理室，藉此，能防止電漿處理室內之處理氣體侵入電漿產生室內，造成處理氣體過度解離。壓差產生機構係可使用設置具有多數穿孔之板材在前述電漿產生室與前述電漿處理室邊界之物件，或者，使作為前述處理氣體導入機構之在前述電漿處理室側具有孔洞之處理氣體導入管，多數個取間隙並列於前述電漿產生室與前述電漿處理室邊界之物件。
又，在本發明之電漿處理裝置中，能對應被處理基板大面積化，具有複數電漿產生室。此時，電漿產生室取一定間隔配置於電漿處理室之一個壁面，在這些電漿產生室間，最好使用設有用於進行電漿處理室內之排氣之排氣機構、及用於進行前述排氣機構排氣量調整之排氣量調整機構之構成。這些排氣機構及排氣量調整機構係用於使被導入電漿處理室內之處理氣體，在存在於電漿處理室內時保持一定之物件，藉此，能防止藉電漿產生室產生之電漿，而電漿處理室內之處理氣體過度解離。
本發明之電漿處理裝置，係藉調整設於電漿產生室內之電漿控制板與前述電漿產生室內之高週波天線間之距離，控制電漿中之電子能量分佈之物件。當電漿控制板接近高週波天線時，產生在電漿產生室內之電漿中的電子藉與前述電漿控制板衝撞而消滅，電子密度會降低。藉此電子密度降低，電漿內電子們之衝撞會減少，所以，在電漿內殘存很多高能量的電子。藉此，在電子之能量分佈中，高能量領域電子之比例會增加。如此一來，僅藉調整電漿控制板與高週波天線間之距離，就能控制電子之能量分佈。使用此裝置時，能對應氣體分子之種類以控制其解離度。
本申請案之發明者針對對於高週波天線與電漿控制板間距離之電漿特性改變，使用第1圖示意圖所示之實驗裝置以進行實驗。
此實驗裝置包括：十字管腔體51，具有在鉛直(以下稱做「縱」或「上下」)方向及水平(以下稱做「橫」)方向延伸之直徑150mm兩個圓筒管相互交叉之構造，為不銹鋼製造；高週波天線52，由在十字管腔體51橫向延伸之圓筒管一邊端部中介插入十字管腔體51內，由U字形導體所構成；朗繆爾探針53，自另一邊端部中介插入十字管腔體51內，且用於測量電漿之各種狀態；以及電漿控制板54，由配置在高週波天線52兩側等間隔位置之縱280mm，橫97mm，厚度6mm之兩張鋁製平板所構成。
高週波天線52係使U字形兩端上下並列以中介插入腔體51內。在此，於高週波天線52一邊端部，透過阻抗整合器521連接有頻率13.56MHz且最大輸出1250W之高週波電源522，另一邊端部係接地。又，為防止天線導體被電漿濺鍍，在腔體51內部，高週波天線52以誘電體製成之管體覆蓋。而且，腔體51內部高週波天線52之尺寸係縱55mm且橫110mm。
電漿控制板54安裝有垂直其表面延伸之操作棒及移動機構(未圖示)。此操作棒藉移動機構可在縱向移動，所以，能自由調節電漿控制板54與高週波天線52之距離。
又，在未圖示之於上下方向延伸之圓筒管上部，設有導入用於電漿產生之氣體到腔體51內之導入口，在下部設有進行腔體51內真空排氣之排氣口。
使用以上構造之實驗裝置，調查過相對於高週波天線52與電漿控制板54間的距離D之電漿特性改變。其實驗結果表示於第2圖及第3圖。實驗條件係使作為電漿產生氣體之氫氣以流量5sccm導入，使高週波電源之輸出為800W，且使腔體51內之壓力為10Pa。又，使朗繆爾探針53尖端與高週波天線52之距離為120mm，以進行電漿之量測。而且，圖中所示D=75mm之數據係自實驗裝置去除電漿控制板54後之實驗結果。
如第2圖之(a)及(b)所示，距離D愈短則電子溫度會增加，電子密度會降低。而且，由第3圖實驗數據可知：距離D愈短則高能量領域之電子比例會增加。由第2圖各數據可知：電漿中之電子藉與電漿控制板54衝撞而消滅，藉電子密度降低，電漿中之電子們的衝撞會減少，結果，推測會殘留很多高能量電子。
由以上實驗結果，本申請案之發明者知道：使用電漿控制板以調整高週波天線之距離，在電漿中電子能量分佈之控制上很有效。以下，表示本發明電漿處理裝置之實施例。
【實施例1】
本發明電漿處理裝置第1實施例表示在第4圖之縱剖面示意圖。本實施例之電漿處理裝置10包括：電漿處理室11，由成立方體狀真空容器所構成；以及電漿產生室12，由相同成立方體狀真空容器所構成，且安裝在電漿處理室11頂板(上壁)111上。又，在電漿處理室11與電漿產生室12之邊界配置有分隔板13，分隔板13係用於在電漿處理室11與電漿產生室12產生壓差，且設有多數穿孔131。
在電漿處理室11內，設有與分隔板13相向且用於載置基板S之基板座14。在基板座14內建有加熱器，可對應需要以在薄膜產生中加熱基板S。而且，在電漿處理室11內之分隔板13與基板座14間之位置，設有用於導入處理氣體到電漿處理室11內之處理氣體導入口15。在電漿處理室11下部，設有進行電漿處理室11內排氣之排氣口19。
在電漿產生室12內，設有彎曲棒狀導體成U字形所構成之高週波天線16。高週波天線16兩端安裝在電漿產生室12上壁，與第1圖實驗裝置同樣地，一端透過阻抗整合器161連接在高週波電源162，另一端則接地。
又，電漿控制板17係有2片，包夾高週波天線16地被配置成離開高週波天線16相等距離。在電漿控制板17安裝有操作棒171，能藉移動機構172使操作棒171在縱向移動電漿控制板17。藉作為控制板17移動機構之這些操作棒171及移動機構172之運作，能調節電漿控制板17與高週波天線16之距離。又，在電漿產生室12壁體，設有用於導入電漿產生氣體到室內之電漿產生氣體導入口18。
使第1實施例電漿處理裝置10之動作，以產生矽薄膜之情形為例做說明。
首先，自電漿產生氣體導入口18導入作為電漿產生氣體之氫氣(H2)到電漿產生室12內，同時，自處理氣體導入口15導入含有作為處理氣體之矽烷氣體之氣體到電漿處理室11內。在此，電漿處理室11內之壓力係1Pa以下，使電漿產生室12內之壓力為比電漿處理室11內還要高之2Pa。如此一來，藉在電漿處理室11與電漿產生室12設置壓差，能防止被導入電漿處理室11內之處理氣體(矽烷氣體)，通過分隔板13之穿孔以進入電漿產生室12內。
接著，投入頻率13.56MHz且電力1000W之高週波電力到高週波天線16。藉此，在電漿產生室12內，產生包含原子狀氫自由基與電子之電漿。在電漿產生室12產生之電漿通過分隔板13之穿孔，以擴散到電漿處理室11內，同樣地藉由電漿產生室12擴散來之電子，自處理氣體導入口15導入之矽烷氣體會分解，以產生包含SiH3之矽烷系自由基。而且，藉在電漿產生室12產生且通過分隔板13穿孔之氫自由基、及在電漿處理室11產生之矽烷系自由基，於基板S上形成矽薄膜。而且，在矽薄膜之製膜中，基板S之溫度藉加熱器被維持在200℃。
以上係與先前電漿處理裝置之動作概略相同，但是，本實施例電漿處理裝置10特有之功能，有藉調整電漿控制板17與高週波天線16間之距離，能控制電漿產生室12內的電漿中電子之能量分佈。如上述實驗所示，藉使電漿控制板17接近高週波天線16，高能量領域電子之比例會增加。因此，能促進原子狀氫自由基之產生。又，也能微調電漿之電子溫度，使得自由基解離反應不過度進行。如此一來，藉控制‧調整電漿中電子之能量分佈或電子溫度，能製造品質很高之薄膜。
而且，在先前電漿處理裝置很難實現，在本實施例電漿處理裝置10特有之功能，係於電漿產生室12與電漿處理室11間透過分隔板13，使電漿產生室12之壓力比電漿處理室11壓力還要高，藉此，能抑制導入電漿處理室11之矽烷氣體，逆流到高能量電子比例較高之電漿產生室12，以通過該電漿產生室12內之天線16附近領域，能抑制矽烷分子之過度解離。而且，如本實施例所示，使在電漿產生室12產生之電漿透過分隔板13，以導入到電漿處理室11之擴散電漿中電子之能量分佈，在與產生在電漿產生室12之電漿中電子之能量分佈比較下，高能量電子之比例較低。因此，能有效抑制電漿處理室11內由該擴散電漿所做之矽烷氣體過度分解。在先前之電漿處理裝置中，當欲產生高密度原子狀氫自由基時，矽烷分子通過相同電漿產生領域，所以，過去欲抑制矽烷氣體過度解離很困難，但是，在本實施例之電漿處理裝置10中，能使作為藉氫氣解離以產生原子狀氫自由基之反應領域之電漿產生室12，與作為解離矽烷氣體之反應領域之電漿處理室11，做空間性分離。因此，雖然先前產生高密度原子狀氫自由基與抑制矽烷氣體過度解離為難以兼顧之困難情事，但是，在本實施例之電漿處理裝置中，可兼顧產生高密度原子狀氫自由基與抑制矽烷氣體過度解離，而且在基板上可形成良質的矽薄膜。
而且，分隔板13在僅設有穿孔131之物件(第5(a)圖)之外，也可以使用設有處理氣體導入孔132者(第5(b)圖)。此處理氣體導入孔132僅設於分隔板13電漿處理室11側之表面，能使被導入埋設於板材中之處理氣體導入管1321之處理氣體，送到電漿處理室11內。藉採用這種構造，能自穿孔131附近導入處理氣體，所以，藉通過穿孔131以導入電漿處理室11之擴散電漿，能效率良好地分解處理氣體，同時能抑制處理氣體之過度解離。
又，雖然在本實施例有舉形成矽薄膜為例，但是，即使在形成氧化膜或氮化膜時，也能有效使用本實施例之電漿處理裝置10。當形成氧化膜時，導入氧氣到電漿產生室12以產生高密度原子狀氧自由基，同時導入有機金屬氣體(例如TMAI(tri-methyl-aluminum)：鋁原料)，藉此，在基板上能形成良質的氧化膜。又，在形成氮化膜時，導入氨氣(NH3)到電漿產生室12，產生高密度原子狀氮自由基，與導入電漿處理室11之有機金屬氣體反應以形成氮化膜。
而且，電漿控制板17與高週波天線16間之距離，係對應製膜條件被適當設定。例如一邊改變上述距離，一邊依據進行預備實驗之結果，以事先設定該距離，在薄膜製作中，也可以固定該距離。或者，也可以一邊使用朗繆爾探針測量電漿產生室12內或/及電漿處理室11內之電子能量，一邊隨時改變該距離。
【實施例2】
第6圖係表示本發明電漿處理裝置第2實施例之縱剖面示意圖。本實施例之電漿處理裝置20除了在一個電漿處理室11頂板111上，設有複數電漿產生室22之外，具有與第1實施例電漿處理裝置10相同之構造。
在本實施例之電漿處理裝置20中，藉在各電漿產生室22中，獨立調節電漿控制板17之位置，能個別且很容易地控制各電漿產生室22內之電漿中電子的能量。藉此，能控制使得基板S各部之沈積速度均勻，所以，即使對於大面積之基板，也能製造均勻性很高之薄膜。又，能在各電漿產生室導入不同氣體等，能個別改變電漿狀態，且能進行自由度很高之製膜。
【實施例3】
第7圖係表示本發明電漿處理裝置第3實施例之縱剖面示意圖。本實施例之電漿處理裝置30係在第2實施例所示之電漿處理裝置20中，於複數個電漿產生室22間之頂板111，設有進行電漿處理室11內排氣之上部排氣口31之物件。在此上部排氣口31具有未圖示之真空幫浦(排氣機構)及進行真空幫浦排氣量調整之排氣量調整部。
通常，電漿處理室11內之真空排氣，係通過被配置在比基板S還要下部之排氣口(下部排氣口)19以進行。其原因在於：不讓被使用於製膜之處理氣體超過必要地排氣。另外，在本實施例之電漿處理裝置30中，係使與此不同之排氣口(具體說來係上部排氣口31)均等地配置在電漿處理室11內，以排氣量調整部調整各個的排氣量，藉此，調整使得被導入電漿處理室11內之處理氣體，於存在電漿處理室內之期間概略保持一定。藉此，能防止因為在電漿產生室產生之電漿，而電漿處理室內之處理氣體過度進行解離，所以，能使較高品質之大面積矽薄膜、氧化膜及氮化膜等半導體薄膜形成於基板上。
而且，設置此上部排氣口31之情事，也非常適用於不具備第8圖所示電漿控制板17構造之電漿處理裝置。
又，第3實施例之另一變形例，也可使用第9圖所示構造之電漿處理裝置。此電漿處理裝置係使複數電漿產生室22，透過分隔板33連接在電漿處理室11之物件。如第9(a)圖之縱剖面圖及第9(b)圖之仰視圖所示，在分隔板33於各電漿產生室22正下方設有穿孔331及處理氣體導入孔332，在各電漿產生室22間之領域設有排氣孔333。此排氣孔333相當於第3實施例之上部排氣口31。排氣孔333連接在被埋入分隔板33板材之排氣管3331上，藉設於排氣管3331之未圖示真空幫浦及排氣量調整部，使得被導入電漿處理室11內之處理氣體，於存在電漿處理室內之期間概略保持一定。
以上，說明過本發明電漿處理裝置第1～第3實施例，但是，本發明並不侷限於此。例如在上述各實施例中，雖然表示使用U字形高週波天線之實例，但是，也可以使用板狀高週波天線或捲繞線圈等，在先前感應結合型電漿處理裝置使用之高週波天線。又，高週波天線在上述實施例中，於電漿產生室內各設一個，但是，也可以在各電漿產生室內設置複數個。又，也可以設於電漿產生室外部。
又，在上述各實施例中，雖然說明過製膜製程，但是，本發明並不侷限於製膜製程。例如也可以使用於蝕刻製程或灰化製程或潔淨製程等必須控制自由基密度之電漿製程。
10,20,30．．．電漿處理裝置
11．．．電漿處理室
12,22．．．電漿產生室
13,33．．．分隔板
14．．．基板座
15．．．處理氣體導入口
16．．．高週波天線
17,54．．．電漿控制板
18．．．電漿產生氣體導入口
19．．．排氣口(下部排氣口)
31．．．上部排氣口
51．．．十字管腔體
52．．．高週波天線
53．．．朗繆爾探針
111．．．頂板
131,331．．．穿孔
132,332．．．處理氣體導入孔
133,333．．．排氣孔
161,521．．．阻抗整合器
162,522．．．高週波電源
171．．．操作棒
172．．．移動機構
1321,3321．．．處理氣體導入管
1331,3331‧‧‧排氣管
第1圖係表示用於調查相對於高週波天線與電漿控制板間距離之電漿特性改變之實驗裝置之縱剖面示意圖(a)及橫剖面示意圖(b)。
第2圖係表示相對於高週波天線與電漿控制板間距離之電子溫度改變之曲線圖(a)及表示電子密度改變之曲線圖(b)。
第3圖係表示相對於高週波天線與電漿控制板間距離之電子能量分佈改變之曲線圖(a)及表示其相對比改變之曲線圖(b)。
第4圖係表示本發明電漿處理裝置第1實施例之縱剖面示意圖。
第5圖係表示設於電漿產生室與電漿處理室邊界之分隔板之仰視圖。
第6圖係表示本發明電漿處理裝置第2實施例之縱剖面示意圖。
第7圖係表示本發明電漿處理裝置第3實施例之縱剖面示意圖。
第8圖係表示第3實施例電漿處理裝置第1變形例之縱剖面示意圖。
第9圖係表示第3實施例電漿處理裝置第2變形例之縱剖面示意圖(a)及表示在該變形例使用之分隔板仰視圖(b)。
10．．．電漿處理裝置
11．．．電漿處理室
12．．．電漿產生室
13．．．分隔板
14．．．基板座
15．．．處理氣體導入口
16．．．高週波天線
17．．．電漿控制板
18．．．電漿產生氣體導入口
19．．．排氣口(下部排氣口)
111．．．頂板
131．．．穿孔
161．．．阻抗整合器
162．．．高週波電源
171．．．操作棒
172．．．移動機構
D．．．距離
S．．．基板

Claims (13)

  1. 一種電漿處理裝置，包括：電漿產生室；高週波天線，設於前述電漿產生室內部；電漿產生氣體導入機構，導入用於產生電漿之氣體到前述電漿產生室內；電漿處理室，與前述電漿產生室連通；以及處理氣體導入機構，導入處理氣體到前述電漿處理室內，其特徵在於包括：電漿控制板，設於前述電漿產生室內，可改變與前述高週波天線之距離；移動機構，用於移動前述電漿控制板；以及電漿產生室內排氣裝置，對前述電漿產生室內排氣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿處理裝置，其中，前述電漿產生室具備複數個。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電漿處理裝置，其中，具有在前述電漿產生室與前述電漿處理室間產生壓差之壓差產生機構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電漿處理裝置，其中，前述壓差產生機構係設置具有多數穿孔之板材在前述電漿產生室與前述電漿處理室邊界之物件。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電漿處理裝置，其中，在前述板材前述電漿處理室側之表面，設有用於前述 處理氣體之處理氣體導入孔。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電漿處理裝置，其中，前述板材係覆蓋以一定間隔設於前述電漿處理室同一壁面之複數電漿處理室之物件，在前述板材之各電漿產生室間之領域中，設有用於進行電漿處理室內之排氣之排氣機構、及用於進行前述排氣機構排氣量調整之排氣量調整機構。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之電漿處理裝置，其中，前述複數電漿產生室以一定間隔設於前述電漿處理室壁面，在這些電漿產生室之間，設有用於進行電漿處理室內排氣之排氣機構、及用於進行前述排氣機構排氣量調整之排氣量調整機構。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之電漿處理裝置，其中，前述複數電漿產生室以一定間隔設於前述電漿處理室壁面，在這些電漿產生室之間，設有用於進行電漿處理室內排氣之排氣機構、及用於進行前述排氣機構排氣量調整之排氣量調整機構。
  9. 一種電漿處理裝置，包括：電漿產生室；高週波天線，設於前述電漿產生室內部；電漿產生氣體導入機構，導入用於產生電漿之氣體到前述電漿產生室內；電漿處理室，與前述電漿產生室連通；以及處理氣體導入機構，導入處理氣體到前述電漿處理室 內，其特徵在於：前述電漿產生室以一定間隔設置複數個在前述電漿處理室壁面，在前述複數電漿產生室間，設有用於進行電漿處理室內排氣之排氣機構、及用於進行前述排氣機構排氣量調整之排氣量調整機構。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電漿處理裝置，其中，具有在前述電漿產生室與前述電漿處理室間產生壓差之壓差產生機構。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電漿處理裝置，其中，前述壓差產生機構係設置具有多數穿孔之板材在前述電漿產生室與前述電漿處理室邊界之物件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電漿處理裝置，其中，在前述板材前述電漿處理室側之表面，設有用於前述處理氣體之處理氣體導入孔。
  13. 如申請專利範圍第11項或第12項所述之電漿處理裝置，其中，前述板材係覆蓋設於前述電漿處理室同一壁面之複數電漿處理室之物件。
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