专利名称：Top board of microwave plasma processing device, plasma processing device ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波等离子体处理装置的顶板、等离子体处理装置以及等离子体处理 方法。
背景技术：
在集成电路及液晶、太阳能电池等大量的半导体设备中广泛地使用着等离子技 术。虽然在半导体制造过程的薄膜的堆积及刻蚀工序等得到使用，但是为了得到更高性能 且更高功能的产品(例如超微细加工技术)等，要求高超的等离子体处理。特别是，能够获 得低气压高密度等离子体的微波等离子体装置受到关注。使用RLSA(Radial Line Slot Antenna，径向线缝隙天线)等离子微波源的等离子 体处理装置通过微波放电使气体电离来产生等离子体。微波经由导波管从天线的缝隙部分 供电，并在顶板中传播，向等离子体产生室内辐射。在顶板单纯为平面形式的情况下，不能在顶板的中心部和周边部相同地进行微波 的传播，无法产生均勻的等离子体。与此相对，在顶板具有不同的厚度的情况下或者设置凸 部的情况下，由于形成与等离子条件相应的微波的共振区域，因而能够控制径向的传播。顶板中的微波传播同时存在径向和周向(旋转方向)这两种。如专利文献1所示， 至今为止的微波传播控制着眼于径向的传播。其结果是，存在由于周向传播的不均勻性而 产生等离子体的偏离的问题。特别是当低微波功率时该现象变得明显。此外，为了同时进 行径向和周向的控制，顶板的形状变得复杂，制造成本增加。专利文献1 日本专利文献特开2005-100931号公报。
发明内容
如上所述，在以往技术中，存在由于微波的周向传播不均勻而产生等离子体的偏 离的问题。另外，如果根据等离子体处理的内容而改变气体或温度等腔室内的条件，则等离 子模式由于微波的频率和气压而变化，因而需要改变顶板和在所述顶板内传播的微波的波长。本发明是鉴于上述状况而完成的，其目的在于，提供一种能够产生等离子模式稳 定且再现性良好的等离子体的微波等离子体处理装置的顶板、等离子体处理装置以及等离 子体处理方法。为了达成上述目的，本发明的第一方面提供一种微波等离子体处理装置的顶板， 该顶板被设置在微波等离子体处理装置上，为传播微波的电介质，其特征在于，在顶板的等 离子体产生侧的面上具有凹部，在凹部的侧面共振吸收微波，并且微波在凹部的内部以单 一的模式传播。优选的是顶板具有微波以多个模式传播的厚度。优选的是顶板具有多个凹部。
并且，凹部被配置在以微波的导入位置为中心的一个或两个以上的圆上。另外，也可以是配置凹部的圆的半径的大小为在电介质内传播的微波的波长的 大致整数倍。优选的是凹部被配置在以微波的导入位置为中心呈点对称的位置。优选的是在凹部中微波传播的方向上的径的大小处于从在电介质内传播的微波 的波长的1/3至1/2的范围内。优选的是凹部的深度的大小处于从在电介质内传播的微波的波长的1/4至3/8 的范围内。优选的是凹部的、与等离子体产生侧的面平行的截面为圆形。本发明的第二发明涉及的等离子体处理装置的特征在于，包括等离子体产生室， 进行等离子体处理；缝隙天线，向等离子体产生室内导入用于产生等离子体的微波；以及 顶板，在该顶板的等离子体产生侧的面上具有凹部，在凹部的侧面共振吸收微波，并且微波 在凹部的内部以单一的模式传播。本发明的第三发明涉及的等离子体处理方法的特征在于，具有使用顶板来产生等 离子体的工序，顶板在该顶板的等离子体产生侧的面上具有凹部，在凹部的侧面共振吸收 微波，并且微波在凹部的内部以单一的模式传播。此外，产生等离子体的工序包括在不改变顶板和在顶板内传播的微波的波长的情 况下，在等离子体产生室内的不同的两种以上的气氛条件下产生等离子体。发明的效果根据本发明的微波等离子体处理装置的顶板、等离子体处理装置以及等离子体处 理方法，由于在顶板上具有凹部，能够在凹部的侧面处共振吸收微波，在内部以单一的模式 来传播微波，从而均勻地产生稳定的等离子体。另外，即使改变等离子体产生室内的气氛，也能够在不改变顶板和在顶板内传播 的微波的波长的情况下产生等离子体，并且能够使等离子模式稳定。
图1是实施方式涉及的等离子体处理装置的截面图；图2是从等离子体产生室侧观察实施方式涉及的微波等离子体处理装置中的顶 板而得的平面图；图3A是图2的M-M线截面图；图3B是图3A的局部放大图；图4是径向线缝隙天线的平面图；图5A是作为另一实施方式示出凹部的变形的平面图；图5B是作为另一实施方式示出凹部的变形的平面图；图6A是作为其他实施方式示出凹部的变形的横截面图；图6B是作为其他实施方式示出凹部的变形的横截面图；图7A是平面顶板的情况下的等离子体的示例(照片)；图7B是本实施方式的顶板的情况下的等离子体的示例(照片)；图8A是使用本实施方式的顶板，在压力1. 33Pa的条件下产生的等离子体的示例(照片)；图8B是使用本实施方式的顶板，在压力66. 65Pa的条件下产生的等离子体的示例 (照片)。标号说明1-等离子体处理装置2-等离子体产生室(腔室)3-顶板(电介质)3A-凹部3B-中心部的凹部4-天线4A-导波部(屏蔽部件)4B-径向线缝隙天线(RLSA)4C-滞波板(电介质)5-导波管6-基板保持台7-气体通道、气体导入口8-等离子体10-基板
具体实施例方式(实施方式)下面，参考附图对本发明的第一方面涉及的微波等离子体处理装置的顶板进行详 细的说明。对图中相同或相当部分标注相同标号而不再重复其说明。图1是本发明的实施 方式涉及的等离子体处理装置的截面图。等离子体处理装置1包括等离子体产生室(腔 室)2、顶板(电介质)3、天线4、导波管5、基板保持台6以及气体通道7。天线4包括导波 部(屏蔽部件)4A、径向线缝隙天线(RLSA)4B以及滞波板(电介质)4C。导波管5是具有 外侧导波管5A和内侧导波管5B的同轴导波管。等离子体处理装置1的等离子体产生室2通过顶板3封堵。此时，等离子体产生 室2内通过真空泵而成为真空状态。在顶板3上耦合天线4。在天线4上连接导波管5。导 波部4A与外侧导波管5A连接，径向线缝隙天线4B与内侧导波管5B耦合。滞波板4C位于 导波部4A与径向线缝隙天线4B之间，并压缩微波的波长。滞波板4C例如由5102或々1203 等电介质材料构成。从微波源通过导波管5来供应微波。微波在导波部4A与径向线缝隙天线4B之间 向径向传播，并通过径向线缝隙天线4B的缝隙来辐射。微波在顶板3中传播而具有极化面， 整体形成圆极化波。对本发明的实施方式涉及的顶板3进行说明。顶板3单纯为平面形式或者为通过 具有与等离子体的共振条件相应的不同厚度等以能够控制径向的传播的形式。图2是从等离子体产生室侧观察本发明的实施方式涉及的微波等离子体处理装 置中的顶板3而得的平面图。图2所示的顶板3通过石英或氧化铝等传播微波的电介质材料形成。顶板3的厚度具有微波以多个模式传播的厚度，例如在石英的情况下可以设为 30mm。顶板3在朝向腔室2侧的面上设置凹部3A，在相反侧的面上具有中心部的凹部3B。 中心部的凹部3B的中心轴位于与用于向腔室2内电供应微波的天线4和导波管5相同的 位置。通过使中心部的凹部3B的位置与微波的导入位置一致，从而向腔室2内产生以中心 部的凹部3B为中心的轴对称性良好的等离子体。图2中的箭头R是从中心部的凹部3B的 中心表示径向的一个示例，等同于在顶板3内移动的微波的传播方向。将位于相同径向的 凹部3A从距离中心更近者起设为3al、3a2、3a3。图3A是图2的M-M线截面图。图3B是图3A的局部放大图。将凹部3A的径向的 长度设为W并将深度设为H。在中心部的凹部3B以及凹部3A上垂直描绘的单点划线示出 各个凹部的中心位置。将从中心部的凹部3B的中心至凹部3al的中心的距离设为XI，将从 中心部的凹部3B的中心至凹部3a2的中心的距离设为X2，将从中心部的凹部3B的中心至 凹部3a3的中心的距离设为X3。图4是示出径向线缝隙天线4B的一个示例的平面图。径向线缝隙天线4B具有覆 盖导波部4A的天线4的开口部的形状，形成有多个缝隙4bl、4b2。通过将径向线缝隙天线 4B配置在导波部4A的端部，能够扩展等离子体。如图4所示，缝隙4bl、4b2被形成为同心 圆状且相互垂直。等离子体与缝隙4bl、4b2的长度方向垂直地扩展，因此在顶板3正下方 产生等离子体。微波从缝隙4bl、4b2向下方辐射并在径向上传播，在顶板3内反复反射并干涉增 强，形成驻波。此时，在顶板3具有的凹部3A的侧面产生作为微波的高效的能量吸收的共 振吸收，在凹部3A的内部以单一的模式来传播。在具有多个的凹部3A各自的内部以单一 的模式来传播微波，从而可以在顶板3正下方产生分布稳定的等离子体。除顶板3的凹部 3A以外，通过微波的表面吸收而产生表面波等离子体。由于表面波等离子体的等离子体密 度较低，对顶板3整体施加的影响较小，因此顶板3的等离子体的疏密位置模式固定，等离 子模式稳定。当在腔室2内电供应微波并放射等离子体时，由气体通道7导入氩(Ar)或氙(Xe) 以及氮气(N2)等惰性气体，并根据需要共同导入氢等处理气体，由此形成氩(Ar)或氙(Xe) 等离子体8。此时，即便在使腔室2内成为IOmPa 数IOPa左右的压力较低的高真空状态 的情况下，也能够稳定地产生等离子体。为了在凹部3A内以单一的模式来传播微波，希望凹部3A的传播方向的径W的大 小处于从在电介质内传播的微波的波长的1/3至1/2的范围内。这是由于，在凹部3A的传 播方向的径W比波长的1/2大的情况下，在凹部3A的内部形成固有模式，以根据等离子体 产生室内的条件而不同的模式来产生等离子体。另外，会产生逆相位而微波功率变弱，不能 获得强的等离子体。在径W比波长的1/2小的情况下，等离子模式一直是稳定的，但等离子 体产生的面积变小。由于获得的等离子体的面积与径W的尺寸成比例，因此为了获得相同 的等离子体量需要大量设置凹部3A。如果考虑到在顶板3上加工凹部3A，则希望径W比波 长的大小的1/3大并尽量接近波长的1/2的大小以使得凹部3A的数量较少即可。此外，为了在凹部3A内以单一的模式来传播微波，希望凹部3A的深度H的大小处 于从在电介质内传播的微波的波长的1/4至3/8的范围内。在凹部3A的深度H比波长的 1/4小的情况下，在凹部3A的开口部附近会产生等离子体并形成固有模式，或不规则地产生表面波等离子体，等离子体的疏密位置模式不固定，等离子模式变得不稳定。另外，在凹 部3A的深度H比波长的3/8大的情况下，在凹部3A的里侧会产生等离子体，等离子体处理 的效率下降。在将满足上述径W和深度H的凹部3A在顶板3的等离子体产生侧的面上配置多 个的情况下，优选将上述凹部3A配置在以微波的导入位置为中心的圆上。此时，圆的数量 形成为一个或两个以上。此外，配置凹部的圆的直径优选将凹部3A配置在驻波增强的部分 上。另外，通过将凹部3A配置在点对称的位置上，能够与顶板3的周向无关地配置顶板3。例如，图3B的Xl设为在电介质内传播的微波的波长的1波长的大小，X2设为2波 长的大小，X3设为3波长的大小。从中心部的凹部3B的中心起为波长的整数倍的位置是 所形成的驻波增强的位置，微波功率为最大。当在凹部3A的侧面进行共振吸收的情况下， 能够高效地获得能量。通过在上述位置配置凹部3al、3a2、3a3，能够在各个凹部侧面产生微 波的共振吸收，微波以单一的模式进行传播，从而高效地获得稳定的等离子体分布。如果考虑凹部3A的径W的尺寸，被配置的圆的半径是在电介质内传播的微波的波 长的大致整数倍即可，优选其处于从波长的整数倍的大小起士 1/4波长的范围内。图3B示出了在相同径向的波长的整数倍的所有位置上形成有凹部3A的情况，但 是当在相同径向上观察时，可以仅在XI、X2、X3的任一位置上设置凹部3A，并且也存在Xl 与X3的组合或X2与X3的组合的情况。优选将凹部3A在以中心部的凹部3B为中心的包 含Xl的圆上、包含X2的圆上以及包含X3的圆上的位置处配置在点对称的位置上。根据顶 板3的直径尺寸与在电介质内传播的微波的波长的大小之间的关系，存在可配置凹部3A的 圆的数量不同的情况，其不限定于3波长的大小为止。中心部的凹部3B是为了固定导入微波的位置或顶板3的位置而形成的，其不限于 必须具有。另外，也存在与微波的导入位置不一致的情况或与顶板3的中心位置不一致的 情况。在这些情况下，以微波的导入位置为基准来确定凹部3A的位置。图5A、图5B是作为本发明的另一实施方式而示出凹部的变形的平面图，并且表示 与顶板的等离子体产生侧的面平行的面。图6A、图6B是作为本发明的其他实施方式而示出 凹部的变形的横向截面图，并且表示与顶板的等离子体产生侧的面垂直的面。在图2中，将本发明的实施方式涉及的顶板3的凹部3A的、与顶板3的等离子体 产生侧的面平行的面作为圆形进行了说明，但是其也可以为图5A、图5B中的椭圆形或圆角 四边形等。这些是变形例的一个示例，还可以是未图示的其他形状。从顶板的加工难度来 说，希望其为圆形，但是具有相对于径向呈线对称的形状，且凹部3A的径W满足在电介质内 传播的微波的波长的1/3至1/2的大小的范围内即可。另外，在图2和图3中本发明的实施方式涉及的顶板3的凹部3A的凹陷的形状作 为圆柱形而进行说明，但是其可以为在等离子体产生侧的面具有底面的半球形、圆锥形等 (参考图6A、图6B)。在凹部3A的内侧的不与等离子体产生侧的面平行的面上产生微波的 共振吸收，并产生等离子体。凹部3A的形状由于截面和深度方向的组合而具有多种，其不限于图示的例子。(第一实施例)图7A和图7B是在本发明的实施方式涉及的顶板3进行等离子实验并确认了顶板 3的凹部3A的效果的示例。图7A是平面顶板的情况下(以下称为以往的顶板)的等离子体的示例(照片)，图7B是本发明的具有凹部3A的顶板的情况下(以下称为本发明的顶 板)的等离子体的示例(照片)。实验中使用的顶板3通过石英形成，本发明的顶板是在以往的顶板上具有多个凹 部3A的顶板。等离子体形成涉及的条件是通用的，使用氩气体并在微波功率2000W、压力 1. 33Pa下进行了实验。在以往的平面顶板的情况下，等离子体产生是不均勻的，特别是周边部的疏密明 显。在本发明的情况下，确认了未观察到顶板3的中心部与周边部的差异，在具有多个的凹 部3A的内部均勻地产生等离子体，且等离子模式稳定。(第二实施例)图8A和图8B是使用本发明的实施方式涉及的顶板3以不同的压力形成等离子体 的示例(照片)。图8A示出压力1. 33Pa的情况(条件A)，图8B示出压力66. 65Pa的情况 (条件B)。除压力以外的条件与第一实施例相同。将条件A的压力设为1.33Pa并将条件 B的压力设为66. 65Pa而进行了实验。比较有无形成等离子体以及在形成的情况下的等离 子体的分布。如图8B所示，即使当在条件B的压力设置为较高的状态下时也能够以相同模式产 生等离子体。另外，在比较图8A与图8B的情况下可知其均以具有多个的凹部为基准来形 成等离子体。如果比较条件A和条件B的等离子体可知，等离子体的大小基本相等，并且形 成了均勻分布的等离子体。在以往的顶板中，如果压力不同，则等离子体的产生模式(密度分布)会发生变 化，因此为了将产生模式保持为固定而需要压力的控制。如第二实施例所示，通过使用本发 明的顶板，能够获得难以受到压力条件左右并且再现性良好的均勻的等离子体。除压力条件以外，还可以通过调整温度或气体的种类等来产生等离子体。在以往 的顶板中，压力的范围减小到IOmPa 数10Pa，其他条件的设定也受到限制。通过使用本发 明的顶板，即使在设为比以往低的压力或高的压力的情况下也能够产生等离子体，因此能 够在不限定于压力条件的状态下选择最优条件。下面，对本发明的第二方面涉及的等离子体处理装置进行说明。等离子体处理装 置与图1所示的等离子体处理装置是相同的。顶板使用本发明的第一方面涉及的等离子体 处理装置的顶板3。在使用以往的顶板的情况下，由于控制了微波的径向的传播但是没有控制周向的 传播，因此模式的稳定不充分。此外，由于等离子体产生室2内的压力的变化等的影响而等 离子体产生的密度分布不同，容易产生模式变化，根据导入的气体的压力或温度等的条件、 气体的种类及其成分比等而产生模式变化。通过使用本发明的实施方式涉及的顶板3，在凹部3A的内部微波被吸收并产生等 离子体。能够与微波在顶板3内的传播模式无关地在凹部3A的位置产生等离子体8，并稳 定地获得产生强度分布基本相同的等离子体。由于等离子体8的产生位置限于凹部3A的 位置，因此再现性也好。由于等离子体产生的密度分布固定在凹部的位置而不会变化，因此 即使在改变导入的气体的种类及成分比、以及气体的压力及温度等的条件的情况下，也能 够产生相同模式的等离子体。在等离子体处理装置1中，即使在连续实施条件不同的等离子体处理的情况下，也能够获得稳定的等离子模式。仅通过调整与等离子体处理对应的气体的种类及成分比、 以及温度及压力，可获得产生强度分布基本相同的等离子体8。无需更换为其他的顶板、以 及改变在顶板内传播的微波的波长。此外，也不需要在温度或压力的必要的设定变更之后， 为了获得必要的模式而进行的微调整、或者为了获得稳定的模式的微调整。能够通过比以 往更短的时间来稳定且再现性良好地进行作业。凹部3A优选其微波传播的方向的径的大小处于从在电介质内传播的微波的波长 的1/3至1/2的范围内，其深度处于从在电介质内传播的微波的波长的1/4至3/8的范围 内。另外，希望将凹部3A的位置配置在以微波的导入位置为中心的圆上，特别是配置使得 圆的半径为在电介质内传播的微波的波长的大致整数倍。能够有效地吸收电供应而得的微 波，并不浪费地产生等离子体。此时，如果将凹部3A配置在以微波的导入位置为中心的点 对称的位置，则能够在不必关注周向的情况下在等离子体处理装置1上设置顶板3。接下来，对本发明的第三方面涉及的等离子体处理方法进行说明。当在等离子体处理装置1内产生等离子体8时，使用在等离子体产生侧的面设置 凹部3A的顶板3。通过微波在凹部3A的侧面来共振吸收，能够在内部以单一的模式产生强 的等离子体。由于等离子体的产生为顶板3的凹部3A的位置，因此等离子模式稳定。凹部3A的传播方向的径的大小处于从在电介质内传播的微波的波长的1/3至1/2 的范围内，深度处于从在电介质内传播的微波的波长的1/4至3/8的范围内，由此在凹部3A 的内部以单一的模式来传播并产生强的等离子体。此外，以微波的导入位置为中心配置的 圆的半径为在电介质内传播的微波的波长的大小的大致整数倍，因而在处于驻波增强的位 置的凹部3A的侧面产生微波的共振吸收并高效地获得强的等离子体。通过在以微波的导入位置为中心的点对称的位置具有凹部3A，从而周向的等离子 模式稳定并能够与朝向无关地设置顶板。由于在凹部内部以单一模式产生等离子体8，因此即使在改变等离子体处理装置 1的等离子体产生室2内的气氛、基板处理方法以及等离子体处理条件的情况下、即改变导 入的气体的种类及成分比、以及气体的压力及温度等的条件的情况下，也能够在不改变顶 板3和在顶板3内传播的微波的波长的状态下进行等离子体处理。根据本发明，由于能够稳定地产生相同模式的等离子体，因此能够不改变顶板和 在顶板内传播的微波的波长而在不同的条件下连续地进行等离子体处理。本发明在要改变 成膜处理或刻蚀处理的条件的情况下特别有效。本发明的等离子体处理方法除此以外还能 够应用于灰化处理等全部的等离子体处理。另外，作为被处理体的基板不限定于半导体基板，也能够选择玻璃基板或陶瓷基 板等，能够应用于各种种类的基板的等离子体处理。在实施方式中说明的顶板以及等离子体装置、等离子体处理方法为一个示例而并 不限于此。本申请基于2008年2月13日提出的日本专利申请2008-31310号。通过参考将日 本专利申请2008-31310号的说明书、权利要求书以及附图的全部内容记入到本说明书中。本发明对微波等离子体处理装置的顶板、等离子体处理装置以及等离子体处理方 法有效。
权利要求
一种微波等离子体处理装置的顶板，被设置在微波等离子体处理装置上，该顶板为传播微波的电介质，其特征在于，在所述顶板的等离子体产生侧的面上具有凹部，在所述凹部的侧面共振吸收所述微波，并且所述微波在所述凹部的内部以单一的模式传播。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于， 所述顶板具有所述微波以多个模式传播的厚度。
3.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于， 所述顶板具有多个所述凹部。
4.根据权利要求3所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于， 所述凹部被配置在以所述微波的导入位置为中心的一个或两个以上的圆上。
5.根据权利要求3所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于，配置所述凹部的圆的半径的大小为在所述电介质内传播的微波的波长的大致整数倍。
6.根据权利要求3所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于， 所述凹部被配置在以所述微波的导入位置为中心呈点对称的位置。
7.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于，在所述凹部中所述微波传播的方向上的径的大小处于从在所述电介质内传播的微波 的波长的1/3至1/2的范围内。
8.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于，所述凹部的深度的大小处于从在所述电介质内传播的微波的波长的1/4至3/8的范围内。
9.根据权利要求1所述的微波等离子体处理装置的顶板，其特征在于， 所述凹部的、与所述等离子体产生侧的面平行的截面为圆形。
10.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括 等离子体产生室，进行等离子体处理；缝隙天线，向所述等离子体产生室内导入用于产生等离子体的微波；以及 顶板，在该顶板的等离子体产生侧的面上具有凹部，在所述凹部的侧面共振吸收所述 微波，并且所述微波在所述凹部的内部以单一的模式传播。
11.一种等离子体处理方法，其特征在于， 包括使用顶板来产生等离子体的工序，所述顶板在该顶板的等离子体产生侧的面上具有凹部，在所述凹部的侧面共振吸收微波，并且所述微波在所述凹部的内部以单一的模式传播。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述产生等离子体的工序包括在不改变所述顶板和在所述顶板内传播的微波的波长 的情况下，在等离子体产生室内的不同的两种以上的气氛条件下产生等离子体。
全文摘要
文档编号H05H1/46GK101953236SQ20098010525
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年2月13日
发明者Tian Caizhong, Ishibashi Kiyotaka, Nozawa Toshihisa 申请人:Tokyo Electron Ltd