TWI587751B - Microwave radiation antenna, microwave plasma source and plasma processing device - Google Patents

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Description

微波放射天線、微波電漿源及電漿處理裝置
本發明係關於一種微波放射天線、微波電漿源及電漿處理裝置。
電漿處理係半導體元件之製造所不可或缺之技術，近年來，由於LSI之集積化、高速化之需求使得構成LSI之半導體元件的設計規則日益微細化，又，半導體晶圓則大型化，伴隨於此，電漿處理裝置中亦被要求要能對應於此般微細化及大型化。
然而，以往常用之平行平板型或感應耦合型電漿處理裝置中，由於所產生之電漿的電子溫度較高，故會對細微元件產生電漿傷害，又，因為僅限於電漿密度較高的區域，使得要將大型半導體晶圓均勻化且高速地進行電漿處理便有所困難。
於是，可均勻地以高密度產生低電子溫度之表面波電漿的RLSA(Radial Line Slot Antenna)微波電漿處理裝置便受到矚目(例如專利文獻1)。
RLSA微波電漿處理裝置係設有作為將用以產生表面波電漿之微波加以放射之微波放射天線，而為於腔室上部以既定圖案形成有複數槽孔之平面槽孔天線的輻射狀槽孔天線(Radial Line Slot Antenna)，來將從微波電漿源所引導之微波從天線之槽孔放射，並透過設於其下的介電體所構成之微波穿透板放射至被保持於真空的腔室內，以藉由此微波電場而於腔室內產生表面波電漿，並藉此處理半導體晶圓等之被處理體。
又，亦有一種電漿處理裝置被提出，係將微波分配成複數，並設置複數具有為上述般微波放射天線之平面槽孔天線的微波放射部，將從平面槽孔天線所放射之微波導入腔室內而於腔室內空間合成微波來產生電漿(專利文獻2)。
【先前技術文獻】
專利文獻1：日本特開2000-294550號公報
專利文獻2：國際公開第2008/013112號
然而，專利文獻1、2所記載之處理裝置中，相對於微波係從腔室的頂壁加以導入，處理氣體則是由腔室之側壁或腔室內所設置之噴淋板來加以供給。但是，該等情況會難以控制氣體的流動。又，噴淋板必須以具有電漿耐受性之石英所形成，由於微波會穿過石英，故會有在噴淋板的氣體孔處氣體電漿化而微波功率損失或產生異常放電的不良情況。
為防止此般不良情況，便考慮在金屬(導體)製之微波放射天線具有氣體孔之噴淋構造，將微波與氣體由相同部分加以導入。此情況，氣體由於是由金屬製之微波放射天線加以放射，故氣體會因噴淋板的存在而不會受到微波之影響來噴出，可在平面槽孔天線之表面形成金屬表面波電漿。
然而，如此般地將放射微波的面為金屬之情況，電漿會集中在槽孔周邊發光，而發現徑向的均勻性會打亂。
因此，本發明之目的在於提供一種從微波放射天線供給微波及處理氣體，可在其表面形成均勻性高的表面波電漿之微波放射天線、微波電漿源及電漿處理裝置。
亦即，依本發明第1觀點，乃提供一種微波放射天線，係在腔室內形成表面波電漿而進行電漿處理之電漿處理裝置中，將從微波輸出部輸出而傳送於微波傳送路徑之微波放射至腔室內的微波放射天線，其具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿；並以該天線本體之金屬表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成。
上述第1觀點中，該天線本體表面之至少一部分係藉由以可維持金屬表面波之厚度的介電體層來覆蓋而被加以絕緣。此情況，較佳地，該介電體層之厚度在真空中之微波波長為λ時，係λ/7以下。
該介電體層可為藉由膜形成技術所形成之膜，又，亦可為介電體薄板。使用介電體薄板的情況，較佳地，介電體薄板係具有在與該天線本體之對向面的一部分具有去除了該槽孔及該氣體噴出孔之圖案的金屬膜。此情 況，較佳地，該複數槽孔係於該天線本體之表面配置呈圓周狀，該金屬膜係設於從該介電體薄板之中心而對應於該槽孔之外徑的位置範圍。又，該天線本體可由該腔室被直流地絕緣。
依本發明第2觀點，係提供一種微波電漿源，係將微波放射至電漿處理裝置之腔室內而形成表面波電漿之微波電漿源，具備有：產生微波而輸出之微波輸出部；以及用以將從該微波輸出部所輸出之微波供給至該腔室內之微波供給部；該微波供給部係具備有：將從該微波輸出部所輸出之微波傳送之傳送路徑；以及將微波放射至腔室內之微波放射天線；該微波放射天線係具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿，並以該天線本體之金屬表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成。
依本發明第3觀點，係提供一種電漿處理裝置，係具備有：收納被處理基板之腔室；供給處理氣體之氣體供給機構；以及將微波放射至該腔室內而形成表面波電漿之微波電漿源；該微波電漿源係具備有：產生微波而輸出之微波輸出部；以及用以將從該微波輸出部所輸出之微波供給至該腔室內之微波供給部；該微波供給部係具備有：將從該微波輸出部所輸出之微波傳送之傳送路徑；以及將微波放射至腔室內之微波放射天線；該微波放射天線係具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿，並以該天線本體之金屬表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成；藉由以從該微波電漿源供給至該腔室內之微波而形成於該微波放射天線之表面的金屬表面波，來產生從該氣體供給機構所供給之氣體的表面波電漿，而藉由電漿來對該腔室內之被處理基板施以處理。
上述第2及第3觀點中，該微波供給部可具有複數該微波放射天線。
1‧‧‧腔室
2‧‧‧微波電漿源
11‧‧‧晶座
12‧‧‧支撐構件
15‧‧‧排氣管
16‧‧‧排氣裝置
17‧‧‧搬出入口
30‧‧‧微波輸出部
31‧‧‧微波電源
32‧‧‧微波振盪器
40‧‧‧微波供給部
41‧‧‧天線模組
42‧‧‧增幅部
43‧‧‧微波放射部
44‧‧‧導波路徑(微波傳送路徑)
45‧‧‧微波放射天線
52‧‧‧外側導體
53‧‧‧內側導體
54‧‧‧供電機構
55‧‧‧微波電功率導入埠
60‧‧‧調諧器
82‧‧‧慢波材
85‧‧‧頂板
100‧‧‧電漿處理裝置
110‧‧‧氣體供給源
111‧‧‧氣體配管
121‧‧‧天線本體
122‧‧‧槽孔
123‧‧‧氣體擴散空間
125‧‧‧氣體噴出孔
126‧‧‧介電體層(介電體薄板)
130‧‧‧間隙
131‧‧‧金屬膜
140‧‧‧控制部
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係顯示具備有本發明一實施形態相關之微波放射天線之微波電漿 源的電漿處理裝置之概略構成的剖視圖。
圖2係顯示圖1之電漿處理裝置所使用之微波電漿源之構成的構成圖。
圖3係概略顯示微波電漿源中之微波供給部的平面圖。
圖4係顯示圖1之電漿處理裝置所使用之包含微波放射天線的微波放射部之縱剖視圖。
圖5係顯示微波放射部之供電機構的圖4之AA’線橫剖視圖。
圖6係顯示調諧器中之渣料(slag)及滑材的圖4之BB’線橫剖視圖。
圖7係顯示微波放射天線內部的圖4之CC’線橫剖視圖。
圖8係顯示微波放射天線之槽孔形狀及配置一範例之平面圖。
圖9係顯示微波放射天線之表面為金屬(導體)的情況，槽孔部分及槽孔以外部分之鞘區厚度差異之圖式。
圖10係顯示將介電體層設於微波放射天線表面情況之槽孔部分及槽孔以外部分處之鞘區厚度的圖式。
圖11係顯示在微波放射天線之天線本體未形成有介電體層的情況及有形成的情況之表面波電漿狀態的圖式。
圖12係顯示在微波放射天線之天線本體未形成有介電體層的情況及有形成的情況之電子密度分布的圖式。
圖13係顯示以圖12之徑向距離為0之位置的電子密度來規格化之電子密度分布圖式。
圖14係顯示用以說明使用介電體薄板作為介電體層的情況，天線本體與介電體薄板之間隙所產生異常放電之機制的圖式。
圖15係顯示藉由電磁場模擬所獲得之天線本體與介電體薄板之間隙的電場部分布的圖式。
圖16係顯示將金屬膜披覆於介電體薄板之與天線本體對向面整面情況，藉由電磁場模擬所獲得之天線本體與介電體薄板之間隙的電場部分布的圖式。
圖17係概略顯示將形成於介電體薄板之金屬膜形成於介電體薄板之槽孔內側區域之情況的狀態之圖式。
圖18係顯示使用在圖17之狀態下形成有金屬膜之介電體薄板的情況，藉由電磁場模擬所獲得之天線本體與介電體薄板之間隙的電場部分布的圖 式。
圖19係概略顯示將形成於介電體薄板之金屬膜對合於介電體薄板之槽孔內側區域且將最外周對合於槽孔外徑狀態之圖式。
圖20係顯示使用在圖19之狀態下形成有金屬膜之介電體薄板的情況，藉由電磁場模擬所獲得之天線本體與介電體薄板之間隙的電場部分布的圖式。
圖21係顯示設有介電體薄板情況之較佳微波天線範例之剖視圖。
以下，便參照添附圖式就本發明實施形態加以詳細說明。
<電漿處理裝置之構成>
圖1係顯示具備有本發明一實施形態相關之微波放射天線之微波電漿源的電漿處理裝置之概略構成的剖視圖，圖2係顯示圖1之電漿處理裝置所使用之微波電漿源之構成的構成圖，圖3係概略顯示微波電漿源中之微波供給部的平面圖，圖4係顯示包含微波電漿源之微波放射天線的微波放射部之剖視圖，圖5係顯示微波放射部之供電機構的圖4之AA’線橫剖視圖，圖6係顯示微波放射部之調諧器中之渣料(slag)及滑材的圖4之BB’線橫剖視圖，圖7係顯示微波放射部之微波放射天線的圖4之CC’線橫剖視圖。
電漿處理裝置100係構成為對晶圓施以電漿處理，例如蝕刻處理之電漿蝕刻裝置，具有構成為氣密之鋁或不鏽鋼等金屬材料所構成之圓筒狀接地腔室1，以及用以將微波電漿形成於腔室1內之微波電漿源2。腔室1之上部形成有開口部1a，微波電漿源2係從此開口部1a面臨腔室1內部而加以設置。
腔室1內係以透過絕緣構件12a而立設於腔室1底部中央之筒狀支撐構件12來加以支撐之狀態設有用以將被處理體之半導體晶圓W(以下記載為晶圓W)水平地加以支撐之晶座11。構成晶座11及支撐構件12之材料例示有表面經耐酸鋁處理(陽極氧化處理)之鋁，或AlN等之陶瓷等。
又，雖未有圖示，但晶座11係設有用以將晶圓W靜電吸附之靜電夾具、溫度控制機構、將熱傳遞用氣體供給至晶圓W內面之氣體流道、以及用以搬送晶圓W而升降之升降銷等。再者，晶座11係透過匹配器13電連接有 高頻偏壓電源14。藉由從此高頻偏壓電源14將高頻電功率供給至晶座11，便會將電漿中之離子吸引至晶圓W側。另外，高頻偏壓電源14依電漿處理的特性亦可不加以設置。
腔室1底部連接有排氣管15，此排氣管15係連接有含真空泵之排氣裝置16。然後，藉由使排氣裝置16動作便會將腔室1內排氣，可將腔室1內高速地減壓至既定真空度。又，腔室1側壁係設有用以進行晶圓W之搬出入的搬出入口17，及將此搬出入口17加以開閉之閘閥18。
微波電漿源2係設於藉由腔室1上部所設置之支撐環29而加以支撐的頂板85上。支撐環29及頂板85之間係被氣密地密封。
微波電漿源2係具有分配於複數通道而輸出微波之微波輸出部30，及用以傳送從微波輸出部30所輸出之微波而放射至腔室1內之微波供給部40。又，微波電漿源2係具有供給用以產生電漿之電漿產生氣體，或用以進行成膜處理或蝕刻處理之處理氣體的氣體供給源110。
電漿產生氣體可適用Ar氣體等之稀有氣體。又，處理氣體可對應於成膜處理或蝕刻處理等處理內容而採用各種氣體。
如圖2所示，微波輸出部30係具有微波電漿源31、微波振盪器32、將振盪後之微波增幅之增幅器33、以及將增幅後之微波分配為複數之分配器34。
微波振盪器32係將既定頻率(例如915MHz)之微波加以例如PLL振盪。分配器34則是以盡可能不會產生微波損失之方式，取得輸入側及輸出側之阻抗匹配並將以增幅器3增幅後之微波加以分配。另外，微波的頻率除了915MHz以外，可使用700MHz至3GHz。
微波供給部40係具有將以分配器34所分配微波導入至腔室1內之複數天線模組41。各天線模組41係具有將分配後之微波主要地加以增幅之增幅部42、及微波放射部43。又，微波放射部43如後所述，係具有設置了用以匹配阻抗的調諧器60之微波傳送路徑44、及將增幅後微波放射至腔室1內之天線45。然後，從各天線模組41之微波放射部43之天線45將微波朝腔室1放射。如圖3所示，微波供給部40係具有7個天線模組41，各天線模組41之微波放射部43係以圓周狀地配置6個以及其中心配置1個之方式來配置於圓形之頂板85。
天線45如後所述，係噴出電漿產生氣體或處理氣體之噴淋構造，而從氣體供給源110所延伸之氣體配管111係連接至天線45。然後，從天線45被導入至腔室1內之電漿產生氣體會因天線45所放射之微波而電漿化，藉由此電漿便會激發同樣地從天線45被導入至腔室1內之處理氣體，而產生處理氣體之電漿。
增幅部42係具有相位器46、可變增益增幅器47、構成固態增幅器之主增幅器48、以及隔離器49。
相位器46係構成為可改變微波的相位，藉由調整此便可調整放射特性。例如，藉由依各天線模組調整相位，便可控制指向性來改變電漿分布。又，相鄰天線模組中，各錯位90°之相位便可獲得圓偏波。又，相位器46可作為調整增幅器之構件間的延遲特性，而以調諧器內的空間合成之目的來使用。但是，不需要此般放射特性之改變或增幅器內之構件間的延遲特行調整的情況，便不需要設置相位器46。
可變增益增幅器47會調整朝主增幅器48輸入之微波的電功率級數，為用以調整各天線模組之差異或電漿強度調整之增幅器。藉由將可變增益增幅器47依各天線模組而改變，亦能在所產生之電漿形成分布。
構成固態增幅器之主增幅器48可構成為例如具有輸入匹配電路、半導體增幅元件、輸出匹配電路、以及高Q共振電路。
隔離器49係將以天線45所反射而朝向主增幅器48之反射微波加以分離者，具有循環器及仿真負載(同軸終端器)。循環器會將以天線45所反射之微波朝仿真負載引導，仿真負載會將循環器所引導之反射微波轉換成熱。
接著，參照圖4~7，就微波放射部43加以詳細說明。
如圖4所示，微波放射部43係具有傳送微波之同軸構造的導波路徑(微波傳送路徑)44、以及將傳送於微波傳送路徑44之微波放射至腔室1內之天線45。然後，從天線45被放射至腔室1內之微波會在腔室1內之空間合成，而於腔室1內形成表面波電漿。
微波傳送路徑44係構成為同軸狀地配置有由筒狀之外側導體52及設於其中心之棒狀的內側導體53，微波傳送路徑44之前端係設有天線45。微波傳送路徑44中，會供電至內側導體53，而外側導體52則接地。外側導體52及內側導體53之上端係設有反射板58。
微波傳送路徑44之基端側係設有供電微波(電磁波)之供電機構54。供電機構54係具有微波傳送路徑44(外側導體52)側面所設置之用以導入微波電功率之微波電功率導入埠55。微波電功率導入埠55係連接有作為用以供給從增幅部42所增幅之微波的供電線，而由內側導體56a及外側導體56b所構成之同軸線路56。然後，同軸線路56之內側導體56a前端係連接有朝外側導體52內部水平地延伸之供電天線90。
供電天線90例如係在切削鋁等金屬板之加工後，嵌入至鐵氟龍(註冊商標)等之介電體構件之模具所形成。從反射板58至供電天線90之間，係設有用以縮短反射波實效波長之鐵氟龍(註冊商標)等之介電體所構成的漫波材59。另外，在使用2.45GHz等之頻率的高微波之情況，亦可不設置慢波材59。此時，藉由將從供電天線90至反射板58的距離最佳化，以反射板58來反射從供電天線90所反射之電磁波，便會將最大的電磁波傳送至同軸構造之微波傳送路徑44。
供電天線90如圖4之AA’剖視圖的圖5所示，係具有在微波電功率導入埠55中連接至同軸線路56之內側導體56a，並具有供給電磁波之第1極92及將所供給之電磁波加以放射之第2極93的天線本體91、以及從天線本體91兩側沿著內側導體53外側延伸而成為環狀之反射部94，而構成為以被入射至天線本體91的電磁波與以反射部94所反射之電磁波來形成駐波。天線本體91之第2極93係接觸至內側導體53。
藉由供電天線90反射微波(電磁波)，便會將微波電功率供電至外側導體52及內側導體53之間。然後，被供給至供電機構54之微波電功率會朝天線45傳遞。
又，微波傳送路徑44係設有調諧器60。調諧器60係會將腔室1內之負荷(電漿)阻抗匹配於微波輸出部30之微波電源之特性阻抗者，具有上下移動於外側導體52及內側導體53之間的微波傳送路徑44的2個渣料61a,61b、以及設於反射板58外側(上側)之渣料驅動部70。
該等渣料中，渣料61a係設於渣料驅動部70側，渣料61b係設於天線45側。又，內側導體53內部空間係沿著其長邊方向設有例如形成有梯形螺桿之螺棒所構成之渣料移動用的2根渣料移動軸64a,64b。
如圖4之BB’剖視圖的圖6所示，渣料61a係介電體所構成之圓環狀， 其內側係嵌入有具有滑移性之樹脂所構成的滑材63。滑材63係設有渣料移動軸64a所螺合之螺孔65a及渣料移動軸64b所貫穿之貫孔65b。另一方面，渣料61b與渣料61a同樣，係具有螺孔65a及貫孔65b，但與渣料61a相反地，螺孔65a係供渣料移動軸64b螺合，而貫孔65b係供渣料移動軸64a貫穿。藉此，藉由旋轉渣料移動軸64a則渣料61a便會升降移動，藉由旋轉渣料移動軸64b則渣料61b便會升降移動。亦即，藉由渣料移動軸64a,64b與滑材63所構成之螺桿機構，渣料61a,61b便會升降移動。
內側導體53係沿著長邊方向等間隔地形成有3個切槽53a。另一方面，滑材63係以對應於該等切槽53a之方式等間隔地設有3個突出部63a。然後，以該等突出部63a接觸渣料61a,61b內周之狀態讓滑材63嵌入至渣料61a,61b內部。滑材63外周面係與內側導體53內周面無空隙地加以接觸，藉由渣料移動軸64a,64b之旋轉，滑材63便會在內側導體53滑移而升降。亦即，內側導體53內周面具有渣料61a,61b之滑移引導功能。
構成滑材63之樹脂材料為具有良好滑移性，且加工較容易之樹脂，較佳者可舉出有例如聚苯硫醚(PPS)樹脂。
上述渣料移動軸64a,64b係貫穿反射板58而延伸至渣料驅動部70。渣料驅動軸64a,64b與反射板58之間係設有軸承(未圖示)。又，內側導體53下端係設有導體所構成之底板67。渣料移動軸64a,64b下端為了吸收驅動時之振動，通常為開放端，從該等渣料移動軸64a,64b之下端遠離2~5mm左右而設有底板67。另外，亦可將此底板67作為軸承來將移動軸64a,64b之下端藉由此軸承來加以支撐。
渣料驅動部70具有框體71，渣料移動軸64a及64b係延伸於框體71內，渣料移動軸64a及64b上端係分別組裝有齒輪72a及72b。又，渣料驅動部70係設有旋轉渣料移動軸64a之馬達73a，及旋轉渣料移動軸64b之馬達73b。馬達73a之軸組裝有齒輪74a，馬達73b之軸組裝有齒輪74b，齒輪74a嚙合於齒輪72a，而齒輪74b嚙合於齒輪72b。從而，藉由馬達73a透過齒輪74a及72a便會旋轉渣料移動軸64a，藉由馬達73b透過齒輪74b及72b便會旋轉渣料移動軸64b。另外，馬達73a,73b為例如步進馬達。
另外，渣料移動軸64b係較渣料移動軸64a要長，並到達更上方處，從而，齒輪72a及72b之位置乃上下錯開，而馬達73a及73b亦上下錯開，故 馬達及齒輪等的動力傳達機構之空間能較小，則框體71便會外側導體52為相同直徑。
馬達73a及73b上係以直接連接該等輸出軸之方式設有用以分別檢測渣料61a及61b之位置的遞增型編碼器75a及75b。
渣料61a及61b之位置係藉由渣料控制器68加以控制。具體而言，係基於藉由未圖示之阻抗檢測器所檢測之輸入端阻抗值、與藉由編碼器75a及75b所檢測之渣料61a及61b之位置資訊，渣料控制器68會將控制訊號傳送至馬達73a及73b，而藉由控制渣料61a及61b之位置，來調整阻抗。渣料控制器68係以終端會成為例如50Ω之方式來實行阻抗匹配。當僅有2個渣料中之任一邊移動時，便描繪出通過史密斯圖(Smith chart)原點之軌跡，當兩邊同時移動時便只有相位旋轉。
為微波放射天線之天線45係構成為平面狀且具槽孔之平面槽孔天線。天線45上面設有慢波材82。慢波材82之中心係貫穿有導體所構成之圓柱構件82a，此圓柱構件82a係連接底板67及天線45。從而，內側導體53會透過底板67及圓柱構件82a而連接至天線45。另外，外側導體52下端係延伸至天線45，慢波材82之周圍則以外側導體52加以覆蓋。
慢波材82係具有較真空要大的介電率，係例如由石英、陶瓷、聚四氟乙烯等之氟系樹脂或聚醯亞胺系樹脂所構成。此係由於真空中微波的波長會變長，故要縮短微波波長來讓天線變小之故。慢波材82可藉由其厚度來調整微波之相位，係以天線45之表面(微波放射面)會成為駐波之「波腹」的方式來調整其厚度。藉此，便可以最小反射來使得微波之放射能成為最大。
天線45如圖4所示，係具有：成為中空圓板狀之天線本體121；形成於天線本體121，用以將微波傳送路徑44傳送而來之微波放射至腔室1內之複數槽孔122；形成於天線本體121內部之氣體擴散空間123；將電漿產生氣體或處理氣體導入至氣體擴散空間123之氣體導入口124；從氣體擴散空間123朝著腔室1而延伸的複數氣體噴出孔125；以及形成於天線本體121之微波放射面的介電體層126。慢波材82及天線本體121之間係介設有O形環(未圖示)。
天線本體121係以導電體所形成。構成天線本體121之導電體較佳為例 如鋁或銅般之高電氣傳導率金屬。天線本體121係具有上部壁121a、側壁121b、及底壁121c。
上述氣體導入口124係設於上部壁121a之槽孔122外周側，連接有從氣體供給源110所延伸之氣體配管111，而將從氣體供給源110供給於氣體配管111而來之Ar等電漿產生氣體，或C4F8般之氟化碳氣體等之處理氣體透過氣體導入口124而導入至氣體擴散空間123。氣體噴出孔125係形成於底壁121c，會將被導入至氣體擴散空間123之氣體噴出至腔室1內。
槽孔122係具有從上部壁121a貫穿氣體擴散空間123所形成之上部122A、以及貫穿底壁121c所形成之下部122B。槽孔122之上部122A中對應於氣體擴散空間123之部分如圖4之CC’剖視圖的圖7所示，係形成有將氣體擴散空間123加以區隔之區隔部127。藉此，便會將通過槽孔122之微波與流通於氣體擴散空間123之氣體加以分離，以避免在天線45內部產生電漿。
上部122A與下部122B之間係如形成有後述之段差。槽孔122內亦可充填有介電體。藉由將介電體充填於槽孔122，便會使得微波的實效波長變短，可讓槽孔整體之厚度(天線本體121之厚度)變薄。
在決定槽孔122之放射特性的微波放射面之槽孔122形狀係例如圖8所示。具體而言，係以整體形狀為圓周狀之方式均等地形成4個槽孔122。該等槽孔122均為相同形狀，並沿著圓周而形成為細長形狀。該等槽孔122係相對於天線本體121之微波放射面中心O而對稱地加以配置。
槽孔122之圓周方向長度為(λg/2)-δ，係設計為微波電場強度之波峰會來到槽孔122之中心位置。其中，λg為微波之實效波長，δ係以圓周方向(角度方向)之電場強度均勻性會較高的方式來微調整之微調整成分(包含0)。λg可以下式來表示。
λg=λ/εs1/2
其中，εs為槽孔之介電率，λ為真空中之微波波長。另外，槽孔122之長度不限於約λg/2，只要是由λg/2的整數倍減去微調整成分(包含0)者即可。
槽孔122之中相鄰接彼此之連接部分，係構成為一邊之槽孔122的端部與另邊槽孔122之端部在徑向以既定間隔來內外加以重疊。藉此，在圓周 方向便不會有不存在槽孔的部分而設計為圓周方向之放射特性會加以均勻。槽孔122係沿著圓周方向而分為中央部122a、左側端部122b及右側端部122c之3個部分，左側端部122b及右側端部122c係成為略扇形(圓弧狀)，該等係分別配置於外周側及內周側，中央部122a係連接該等而為直線狀。然後，左側端部122b與所鄰接之槽孔的右側端部係配置為左側端部122b在上，右側端部122c與所鄰接之槽孔的左側端部係配置為右側端部122c在下。中央部122a與左側端部122b與右側端部122c係具有略均等之長度。亦即，中央部122a為(λg/6)-δ1之長度，其兩側之左側端部122b及右側端部122c分別為(λg/6)-δ2及(λg/6)-δ3之長度。其中，δ1、δ2、δ3係以圓周方向(角度方向)之電場強度均勻性會變高之方式而微調整之微調整成分(包含0)。由於鄰接之槽孔的重疊部分長度相等較佳，故較佳為δ2=δ3。
槽孔122其內周係以會成為天線本體121之微波放射面中心(λg/4)±δ’位置之方式來加以形成。其中，δ’係為了將徑向之電場強度分布均勻化而微調整之微調整成分(包含0)。另外，從中心至槽孔內周之長度不限於λg/4，只要是λg/4的整數倍加上微調整成分(包含0)者即可。
此般天線45藉由將電場強度較低之槽孔的端部重疊來加以配置，可提高其部分之電場強度，結果便可以讓圓周方向(角度方向)之電場強度分布均勻。
另外，槽孔數量不限於4個，例如縱使為5個以上亦可獲得相同效果。又，槽孔形狀不限於圖8所示者，亦可為例如複數圓弧狀槽孔均勻地形成在圓周上者之其他者。
槽孔122之上部122A中，左側端部122b與右側端部122c之重疊部分的間隔係較在下部122B的間隔要廣，因此，上部122A與下部122B之間便會形成段差。藉由如此般地在上部122A中讓左側端部122b與右側端部122c之重疊部分的間隔便廣，便可讓氣體擴散空間123中之氣體的電導變大而提高氣體流速之均勻性。
介電體層126係由石英等介電體所構成，係用以將天線45表面成為相對於電漿之飄浮電位而加以設置。亦即，藉由介電體層126，天線本體121之金屬(導體)表面與電漿會直流地絕緣。又，由防止異常放電的觀點來看，亦可將天線45之整體不接地而為飄浮電位。例如，藉由使得外側導體52 與天線45之間、以及頂板85與天線45之間為絕緣，便可以將天線45與接地之外側導體52及腔室1絕緣而使整體為飄浮電位。
介電體層126係以金屬表面波會形成於天線45之表面的方式，而為λ/7以下之厚度(λ為真空中之微波波長)。介電體層126可為藉由火焰噴塗等膜形成技術所形成之模，亦可為板狀。
天線45亦可施加直流電壓。藉此，在施加微波電功率的情況，便可控制傳遞天線45表面所形成之金屬表面波的鞘區厚度。藉此，便可將電漿之電子密度分布、離子密度分布、自由基密度分布加以最佳化。
本實施形態中，主增幅器48、調諧器60及天線45係接近配置。然後，調諧器60與天線45係構成存在於1/2波長內之集總電路(lumped circuit)，且天線45、慢波材82係設定為合成阻抗為50Ω，故調諧器60會對電漿負荷直接調諧，可效率良好地將能量傳遞至電漿。
電漿處理裝置100之各構成部係藉由具備微處理器之控制部140加以控制。控制部140係具備有記憶了為電漿處理裝置100之程序機制及控制參數的程序配方之記憶部，或輸入機構及顯示器等，會依所選擇之程序配方來控制電漿處理裝置。
<電漿處理裝置的動作>
接著，就以上構成之電漿處理裝置100之動作加以說明。
首先，將晶圓W搬入至腔室1內，而載置於晶座11上。然後，從氣體供給源110透過氣體配管111將電漿產生氣體，例如Ar氣體導入至天線45之氣體擴散空間123，而從氣體噴出孔125噴出，並從微波電漿源2之微波輸出部30傳送於微波供給部40之各天線模組41的增幅部42及微波放射部43而來的微波由天線45之槽孔122放射至腔次1內，而於天線45表面形成金屬表面波，以產生表面波電漿。又，同樣地使得從氣體供給源110透過氣體配管111導入至氣體擴散空間123之處理氣體從氣體噴出孔125噴出至腔室1內，藉由表面波電漿激發而電漿化，並藉由此處理氣體之電漿來對晶圓W施以電漿處理，例如蝕刻處理。
產生上述表面波電漿時，微波電漿源2中，從微波輸出部30之微波振盪器32所振盪之微波電功率會以增幅器33增幅後，藉由分配器34分配成複數，分配後之微波電功率會朝微波供給部40引導。微波供給部40中，此 般被分配成複數之微波電功率會以構成固態增幅器之主增幅器48而個別地增幅，並供電至微波放射部43之微波傳送路徑44而傳送於微波傳送路徑44，再穿透慢波材82而透過天線45之槽孔122放射。然後，天線45表面所形成之鞘區中會形成金屬表面波，藉由此表面波而在腔室1內之空間產生表面波電漿。
本實施形態中，微波、氣體均是由頂板85所設置之天線45而被導入至腔室1內，故可使得氣體之流動控制性為良好，又，微波之放射方向與氣體之流動方向重疊，可將氣體有效率地電漿化。
又，由於天線45為金屬(導體)製，故微波不會穿透，氣體在通過氣體擴散室123及氣體噴出孔125時，不會產生氣體電漿化所產生之功率損失或異常放電等不良情況。再者，以往，在欲以天線45前端側所設置之較厚的介電體構件(微波穿透窗)來形成噴淋構造時，除了異常放電等問題，尚有加工較難之問題點，但本實施形態則可在金屬製之天線45較容易地形成氣體噴出孔125。
但是，在如此般地於金屬製之微波放射天線表面形成表面波電漿的情況，得知電漿會集中於槽孔122周邊而發光(產生)，而徑向之均勻性會變亂。
檢討此原因之結果，得知槽孔部分與槽孔以外的部分之鞘區厚度有差異乃為原因。此如圖9所示，槽孔部分為介電體，而為飄浮電位，故如(a)所示，與電漿的電位差會變大，鞘區厚度會變成對應於電漿狀態之厚度(比例於自偏壓Vdc之1/2乘方)。相對於此，槽孔部分以外之部分為金屬，而為接地，故如(b)所示，與電漿之電位差會變小，而鞘區變薄。如此般地在鞘區變薄之區域中，會產生微波之反射及衰減，表面波便會被遮擋。因此，在其部分中便無法產生充分的表面波電漿而使得發光便弱。亦即，表面波電漿無法充分地擴散至槽孔部分以外之部分。
於是，本實施形態中，係於為微波放射天線之天線45的表面設置介電體層126，使得槽孔部分以外之部分亦成為相對於電漿之飄浮電位。亦即，藉由介電體層126，藉由將天線本體121之金屬(導體)表面與電漿直流地絕緣，則不僅槽孔部分，連槽孔部分以外議會成為飄浮電位。其結果如圖10所示，(b)的天線45表面之槽孔部分以外的部分之鞘區會變厚，而會和(a)之槽孔部分的鞘區厚度為相同程度，故不會遮擋金屬表面波，而能產生充 足的表面波電漿。因此，表面波電漿亦能充分擴散至槽孔部分以外的部分，便可在徑向產生均勻的表面波電漿。又，由於介電體槽126薄薄即可，故能容易加工氣體噴出孔或槽孔。
如此般，依本實施形態，由於天線本體之金屬表面的至少一部分係構成為從表面波電漿被直流地絕緣，故可使被絕緣部分的鞘區變厚，金屬表面波便不會被遮擋，表面波電漿會充分擴散，而可於表面產生均勻性高的表面波電漿。
另外，介電體層126不一定要形成於天線本體121之整面，只要形成於至少一部分即可。
實際上，已進行了未形成介電體層126的情況與有形成的情況之電漿產生實驗。此處，介電體層126係形成為膜，電漿產生氣體係使用Ar氣體，以壓力：0.5Torr，微波電功率：400W，以及壓力：1Torr，微波電功率：100W、125W的條件來產生電漿。
其結果顯示於圖11~圖13。圖11係顯示電漿的發光狀態者，在未形成介電體層126的情況，係如(a)所示，表面波電漿未能充分擴散，相對於此，在形成有介電體層126的情況，如(b)所示，可知表面波電漿會充分擴散。又，圖12係取徑向之距離為橫軸，取電子密度為縱軸，來顯示電子密度分布之圖式，圖13則是顯示以圖12之徑向距離為0之位置的電子密度來規格化之電子密度分布圖式。由該等圖可知，藉由設置介電體層126，表面波電漿會擴散，能獲得更均勻的電子密度分布。
然而，要將石英等介電體藉由火焰噴塗等來膜形成於金屬並不一定容易。相對於此，使用介電體薄板來作為介電體層126會比較容易。因此，在製造上，較佳係使用介電體薄板來作為介電體層126。
但是，在使用介電體薄板作為介電體層126的情況，無法避免地天線本體121與介電體薄板之間會產生微小間隙(0.3~0.5mm左右)，已知於此間隙會產生異常放電。產生異常放電時會使得對電漿之電功率傳遞效果顯著降低而不佳。
為了瞭解此般異常放電的原因，進行了介電體薄板設置時之電磁場模擬解析。其結果得知，在使用此般介電體薄板作為介電體層126時，在供應微波電功率的情況，如圖14所示，TE10波會傳遞於天線本體121與介電 體薄板126之間隙130，如圖15所示，尤其是在複數槽孔122之內側區域電場會變強，而容易產生異常放電。
為了使得此般TE10波衰減，則考慮在介電體薄板之與天線本體121的對向面披覆金屬膜。
但是，在除了介電體薄板之槽孔122及氣體噴出孔125外的整面披覆此般金屬膜的情況，依電磁場模擬解析，如圖16所示，天線本體121與介電體薄板126之間隙的電場倒是會變高。這應該是當金屬膜披覆於整面時，微波之反射影響會變大之故。
於是，在使用介電體薄板作為介電體層126的情況，係將金屬膜披覆於介電體薄板126之與天線本體121之對向面的一部分。
接著，就將金屬膜披覆時之圖案加以檢討。
如圖17所示，就將金屬膜披覆於介電體薄板126之中央部(槽孔122之內側區域)的情況，進行了電磁場模擬解析的結果，如圖18所示，確認了天線本體121與介電體薄板126之間隙的電場會變低。但是，在圖17的情況，由於在槽孔122之較微波放射部分的下部122B之外徑要大的上部122A之外徑附近位置會存在有金屬膜，故槽孔部的電場會變高，而有槽孔部處之異常放電的顧慮。
此處，接著如圖19所示，就金屬膜披覆圖案對應於槽孔122之微波放射部分的下部122B之外徑的最佳化情況，進行了電磁場模擬解析的結果，如圖20所示，槽孔部分的電場被緩和，而異常放電的可能性降低。
從而，如圖21所示，在介電體薄板126之與天線本體121的對向面，較佳地，係從中心至槽孔122外徑之範圍披覆金屬膜131。藉此，便可抑制天線本體121與介電體薄板126之間隙130的異常放電。
此時，金屬膜131的形成方法只要為膜形成技術則無特別限定，但較佳係使用火焰噴塗。又，金屬膜131的厚度較佳為5~150μm。
<其他適用>
另外，本發明不限定於上述實施形態，在本發明之思想範圍內可有各種變形。例如，微波輸出部30或微波供給部40之構成等不限定於上述實施形態，例如，在不需要進行從天線所放射之微波指向控制，或為圓偏波的情況，便不需要相位器。又，微波放射部43中，慢波材82非為必要。
又，上述實施形態中，雖係例示設有複數微波放射部，便隨著其設置複數微波放射天線之範例，但微波放射部及微波放射天線只要有一個即可。
再者，上述實施形態中，雖例示了蝕刻處理裝置作為電漿處理裝置，但不限於此，亦可使用於包含成膜處理、氧化處理及氮化處理之氮氧化膜處理、灰化處理等之其他電漿處理。再者，被處理基板不限定於半導體晶圓W，亦可為LCD(液晶顯示器)用基板所代表之FPD(平面顯示器)基板，或陶瓷基板等之其他基板。
111‧‧‧氣體配管
121‧‧‧天線本體
121a‧‧‧上部壁
121b‧‧‧側壁
121c‧‧‧底壁
122‧‧‧槽孔
122A‧‧‧上部
122B‧‧‧下部
123‧‧‧氣體擴散空間
124‧‧‧氣體導入口
125‧‧‧氣體噴出孔
126‧‧‧介電體層
127‧‧‧區隔區
43‧‧‧微波放射部
44‧‧‧微波傳送路徑
45‧‧‧天線
52‧‧‧外側導體
53‧‧‧內側導體
54‧‧‧供電機構
55‧‧‧微波電功率導入埠
56‧‧‧同軸線路
56a‧‧‧內側導體
56b‧‧‧外側導體
58‧‧‧反射板
59‧‧‧慢波材
60‧‧‧調諧器
61a,61b‧‧‧渣料
63‧‧‧滑材
64a,64b‧‧‧渣料移動軸
67‧‧‧底板
68‧‧‧渣料控制器
70‧‧‧渣料驅動部
71‧‧‧框體
72a,72b‧‧‧齒輪
73a,73b‧‧‧馬達
74a,74b‧‧‧齒輪
75a,75b‧‧‧編碼器
82‧‧‧慢波材
82a‧‧‧圓柱構件
90‧‧‧供電天線
91‧‧‧天線本體
92‧‧‧第1極
93‧‧‧第2極
94‧‧‧反射部

Claims (8)

  1. 一種微波放射天線，係在腔室內形成表面波電漿而進行電漿處理之電漿處理裝置中，將從微波輸出部輸出而傳送於微波傳送路徑之微波放射至腔室內的微波放射天線，其具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於該天線本體之導體表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿；並以該天線本體之導體表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成；該天線本體表面之至少一部分係藉由以可維持金屬表面波之厚度的介電體層來覆蓋而被加以絕緣；該介電體層係以介電體薄板所形成；該介電體薄板係具有在與該天線本體之對向面的一部分具有去除了該槽孔及該氣體噴出孔之圖案的金屬膜。
  2. 如申請專利範圍第1項之微波放射天線，其中該介電體層之厚度在真空中之微波波長為λ時，係λ/7以下。
  3. 如申請專利範圍第1項中任一項之微波放射天線，其中該複數槽孔係於該天線本體之表面配置呈圓周狀，該金屬膜係設於從該介電體薄板之中心而對應於該槽孔之外徑的位置範圍。
  4. 如申請專利範圍第1項中任一項之微波放射天線，其中該天線本體係由該腔室被直流地絕緣。
  5. 一種微波電漿源，係將微波放射至電漿處理裝置之腔室內而形成表 面波電漿之微波電漿源，具備有：產生微波而輸出之微波輸出部；以及用以將從該微波輸出部所輸出之微波供給至該腔室內之微波供給部；該微波供給部係具備有：將從該微波輸出部所輸出之微波傳送之傳送路徑；以及將微波放射至腔室內之微波放射天線；該微波放射天線係具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於該天線本體之導體表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿，並以該天線本體之導體表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成；該天線本體表面之至少一部分係藉由以可維持金屬表面波之厚度的介電體層來覆蓋而被加以絕緣；該介電體層係以介電體薄板所形成；該介電體薄板係具有在與該天線本體之對向面的一部分具有去除了該槽孔及該氣體噴出孔之圖案的金屬膜。
  6. 如申請專利範圍第5項之微波電漿源，其中該微波供給部係具有複數該微波放射天線。
  7. 一種電漿處理裝置，係具備有：收納被處理基板之腔室；供給處理氣體之氣體供給機構；以及 將微波放射至該腔室內而形成表面波電漿之微波電漿源；該微波電漿源係具備有：產生微波而輸出之微波輸出部；以及用以將從該微波輸出部所輸出之微波供給至該腔室內之微波供給部；該微波供給部係具備有：將從該微波輸出部所輸出之微波傳送之傳送路徑；以及將微波放射至腔室內之微波放射天線；該微波放射天線係具有：由導體所構成之天線本體；設於該天線本體而放射微波之複數槽孔；以及設於該天線本體而將處理氣體噴出至該腔室內之複數氣體噴出孔；且藉由該微波於該天線本體之導體表面形成金屬表面波，藉由此金屬表面波產生表面波電漿，並以該天線本體之導體表面的至少一部分會從該表面波電漿被直流地絕緣之方式加以構成；藉由以從該微波電漿源供給至該腔室內之微波而形成於該微波放射天線之表面的金屬表面波，來產生從該氣體供給機構所供給之氣體的表面波電漿，而藉由電漿來對該腔室內之被處理基板施以處理；該天線本體表面之至少一部分係藉由以可維持金屬表面波之厚度的介電體層來覆蓋而被加以絕緣；該介電體層係以介電體薄板所形成；該介電體薄板係具有在與該天線本體之對向面的一部分具有去除了該槽孔及該氣體噴出孔之圖案的金屬膜。
  8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理裝置，其中該微波供給部係具有複數該微波放射天線。
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