专利名称：等离子体处理装置及等离子体处理方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体处理装置及等离子体处理方法，其中从辐射天线向处理容器内供给电磁场，并使用在处理容器内生成的等离子体对被处理体进行处理。
背景技术：
在半导体装置和平板显示器的制造中，为进行氧化膜的形成和半导体层的结晶生长、蚀刻和抛光等的处理，多使用等离子体处理装置。在这种等离子体处理装置中，有一种高频等离子体处理装置，该装置从天线向处理容器内部供给高频电磁场、通过该电磁场的作用电离处理容器内的气体而生成等离子体。这种高频等离子体处理装置因为可以在低压力下生成高密度的等离子体，所以可以进行高效率的等离子体处理。
在高频等离子体处理装置中，为提高等离子体的生成效率，必须要向等离子体内高效率地射入电磁场。作为这种方案，提出有建议在辐射天线上施加圆偏振波的方式。下面说明这种方式。
图6是在辐射天线上施加圆偏振波方式的现有高频等离子体处理装置的结构断面图。
这种等离子体处理装置具有上部开口的有底圆筒形处理容器111。在该处理容器111的底部固定基片台122，该基片台122的上表面上配置作为被处理体的基片121。在处理容器111的侧壁上，设有供给等离子体气体的喷嘴117，在处理容器111的底部，设有用于抽真空排气的排气口116。处理容器111的上部开口被电介质板113塞住，以不使等离子体从那里向外泄漏。
在电介质板113上配有辐射天线130。该辐射天线130由形成辐射波导路径133的两个互相平行的圆形导体板131、132和与这些圆形导体板131、132的外圆周连接的导体环134构成。这里，使辐射天线130的直径为位于辐射天线130的内部亦即辐射波导路径133内的电磁场的管内波长λg的4倍。
在作为辐射波导路径133的辐射面的导体板131上，形成有多个缝隙136。如图7所示这些缝隙136，沿着与导体板131的半径垂直的圆周的方向上成同心圆配置。
在作为辐射波导路径133的背面的导体板132的中心部分形成有电磁场F的导入口135，在该导入口135上通过圆筒波导管141连接有高频发生器144。另外，为向辐射天线130上供给TE11圆偏振波，在圆筒波导管141上设有圆偏振波变换器142。
另外，电介质板113以及辐射天线130的外圆周被环状密封材料112所覆盖，从而形成不使电磁场F向外泄漏的结构。
图8A是辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场状态图，是某时刻电场的波面示意图。图8B是辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场状态图，是辐射波导路径133的半径方向的电场波形图。图8C是辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场状态图，是辐射波导路径133的圆周方向的电场波形图。
在施加TE11圆偏振波的辐射天线130的内部，从辐射波导路径133的中心部分向周边部分传播的电磁场F的进行波和在导体环134上反射并向中心部分返回的反射波重合，从而在辐射波导路径133的半径方向上出现电场E的振幅分布一定的驻波。该驻波在半径方向的电场波形如图8B所示是波数为4的正弦波形。另外，上述驻波的圆周方向的电场波形如图8C所示是波数为1的正弦波形。图8C的A点～D点对应图8A的A点～D点。
这种半径方向的振幅分布一定的电场在辐射波导路径133的圆周方向上成为进行波，并以和供给辐射波导路径133的电磁场F的频率相同的频率旋转。
在辐射波导路径133的半径R的区域的圆周方向旋转的行波的波长为2πR。因此，在实际的管内波长为λg＜2πR的区域，在辐射波导路径133的圆周方向上，管内波长好像变长了。在供电频率为2.45GHz的这样高的场合，除辐射波导路径133的中心部分，几乎在所有区域都有λg＜27πR成立。
若取辐射天线130内的介电常数为ε1、取真空中的电磁场的波长为λ0时，则λg＝λ0/ε11/2，因此，辐射天线130内的介电常数ε1在表观上变小。
图9是放大辐射天线130的辐射面和处理容器111内的等离子体P的边界部分表示的示意图。
若将包含图6所示电介质板113的天线130的辐射面和等离子体P的表面之间的区域150的介电常数设为ε2、将等离子体P内的介电常数设为ε3，则已知相对于等离子体P表面的法线方向的电磁场F的入射角θ与区域150的介电常数ε2无关，可以表示为θ＝sin-1(ε1/ε3)1/2...(1)为使式(1)有解，电磁场F进入等离子体P内，必须使ε1＜ε3...(2)如上所述，在图6所示的等离子体处理装置中，通过向辐射天线130施加TE11圆偏振波，可以使辐射天线130内的介电常数为ε1在表观上变小。因此，通过满足式(2)，可以减少电磁场F的反射量，从而使电磁场F高效率地射入等离子体P内。
图10是在图6所示的等离子体处理装置中电磁场F的入射角度θ在半径方向上的变化图。其中供电频率为2.45GHz，等离子体P内的介电常数ε3的平均值取0.5。横轴是距离处理容器111的中心轴的半径方向的距离r[cm]，纵轴是电磁场F向等离子体P内的入射角度θ[°]。电磁场F的入射角度θ在r＝5cm的位置约为34°，并随r变大成反比例变小，在r为16cm以上的区域中为10°以下。
众所周知，一般的，在高频等离子体处理装置中，电磁场F向等离子体P的入射角度θ越大，电磁场的吸收率也越大，从而可以高效地生成等离子体。因此，在图6所示的现有的等离子体处理装置中，存在如下问题即，在距离电磁场F的入射角度θ小的处理容器111的中心轴较远的区域中不能高效生成等离子体。
另外，为了对应于对被处理体的衬底121的大口径化的要求，若将处理容器以及辐射天线130的口径变大，则会使从处理容器111的中心轴到侧壁的距离变大，因此，在靠近侧壁的区域电磁场F的入射角度θ会变得更小，从而使等离子体生成效率的降低更加明显。
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而提出的，其目的是提高等离子体的生成效率。
为实现上述目的，本发明的等离子体处理装置具有放置在处理容器内的用于放置被处理体的装载台，和辐射面上配有多个缝隙的向处理容器内供给电磁场的辐射天线。辐射天线的缝隙被配置在间隔等于辐射天线内的电磁场波长的大约N倍(N是自然数)的螺旋线上。
在螺旋线上配置缝隙，与在同心圆上配置的情况比较，电磁场的每周期的各缝隙的相位变化将变大。与该相位变化成比例，辐射天线内的介电常数在表观上也变大。因此，能够使相对于等离子体表面的法线方向的电磁场的入射角度增大。另外，因为通过将配有缝隙的螺旋线的间隔设为辐射天线内的电磁场波长的大约N倍，使得电磁场的入射角度在辐射天线的半径方向上一致，从而能够更有效地从辐射天线向处理容器内供给电磁场。此外，辐射天线的辐射面和等离子体表面间的间隔在上述辐射面和等离子体表面间的区域中的电磁场波长的1/2以下时，也可以取螺旋线的间隔不等于辐射天线内的电磁场的波长的大约N倍。
在不以旋转方式施加电磁场的时候，最好使N≥3。由此，即使在处理容器以及辐射天线为大口径的时候，也能够使靠近处理容器侧壁的区域中的电磁场的入射角度充分大。
另外，在上述等离子体处理装置中，也可以具有与辐射天线的中心部分连接并以旋转方式施加电磁场的供电设备。由此，与电磁场的一周期对应的各缝隙的相位变化只变大2π(弧度)。由此，辐射天线内的介电常数在表观上也更加变大，从而可以使电磁场的入射角度变得更大。
以旋转方式施加电磁场的时候，最好使N≥2。由此，使其成为与不以旋转方式施加电磁场N≥3的情况相同的条件。
本发明的等离子体处理方法，其中包括准备一种在辐射面上配有多个缝隙的辐射天线，即在其间隔等于在所述辐射天线内的电磁场波长的大约N倍(N是自然数)的螺旋线上配有所述缝隙的所述辐射天线的工序，和在处理容器内配置被处理体，从在所述辐射天线的所述辐射面上配置的多个缝隙向所述处理容器内供给电磁场，并使用在所述处理容器内生成的等离子体对所述被处理体进行处理的工序。
在螺旋线上配置缝隙，与在同心圆上配置的情况比较，与电磁场的每周期对应的各缝隙上的相位变化将变大。与该相位变化成比例，辐射天线内的介电常数在表观上也变大。因此，可以使相对于等离子体表面的法线方向的电磁场的入射角度增大。另外，因为通过将配置缝隙的螺旋线的间隔设为辐射天线内的电磁场的波长的大约N倍，来使电磁场的入射角度在辐射天线的半径方向上一致，因此能够更有效地从辐射天线向处理容器内供给电磁场。此外，辐射天线的辐射面和等离子体表面的间隔在上述辐射面和等离子体表面间的区域中的电磁场的波长的1/2以下时，也可以取螺旋线的间隔不等于辐射天线内的电磁场波长的大约N倍。
这里，在不以旋转方式施加电磁场的时候，最好使N≥3。
另外，也可以从辐射天线的中心部分以旋转方式施加电磁场。这里，在以旋转方式施加电磁场的时候，最好使N≥2。
附图简要说明图1是表示本发明的一个实施例的蚀刻装置结构的断面图。
图2是从图1所示的II-II线方向看过去的辐射天线辐射面的平面图。
图3A是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是表示某时刻的电场波面的示意图。
图3B是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是辐射波导路径33的半径方向的电场波形示意图。
图3C是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是辐射波导路径33的圆周方向的电场波形示意图。
图4是电磁场的入射角度在半径方向上的变化示意图。
图5是辐射天线辐射面的另一个构成例的平面示意图。
图6是表示向辐射天线施加圆偏振波方式的现有高频等离子体处理装置的结构的断面图。
图7是表示辐射天线辐射面结构的平面图。
图8A是表示辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场的状态图，是某时刻的电场波面的示意图。
图8B是表示辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场的状态图，是辐射波导路径133的半径方向的电场波形示意图。
图8C是表示辐射天线130的内部、亦即辐射波导路径133内部的电场的状态图，是辐射波导路径133的圆周方向的电场波形示意图。
图9是辐射天线的辐射面和处理容器内的等离子体的边界部分的放大示意图。
图10是表示电磁场的入射角度在半径方向上的变化的图。
最佳实施方式下面参考附图详细说明本发明的一个实施例。这里，举例说明将本发明用于蚀刻装置的情况。图1是表示本发明的一个实施例的蚀刻装置结构的断面图。
该等离子体处理装置具有上部开口的有底圆筒形处理容器11。在该处理容器11的底部固定基片台22，在基片台22的上表面上放置作为被处理体的基片21。在处理容器11的侧壁上，设有用于向处理容器11内导入Ar等等离子体气体和CF4等蚀刻气体的喷嘴17。在处理容器11的底部设有用于抽真空排气的排气口16。在处理容器11的上部开口用电介质板13塞住，以不使等离子体从那里向外泄漏。
在该电介质板13上配有辐射天线30。该辐射天线30通过电介质板13与处理容器11隔离，从而使其不接触在处理容器11内生成的等离子体P。电介质板13以及辐射天线30的外圆周被成环状地配置在处理容器11的侧壁上的密封材料所覆盖，构成不使电磁场F向外泄漏的结构。
辐射天线30的中央部分通过圆筒波导管41与高频发生器44连接。该高频发生器44产生1GHz～十几GHz范围内的规定频率的高频电磁场F。在圆筒波导管41的中间设有用于阻抗匹配的匹配电路43、和圆偏振波变换器42，使通过圆筒波导管41传送的电场的主方向以管轴为中心旋转。匹配电路43也可以位于高频发生器44和圆偏振波变换器42之间，也可以位于圆偏振波变换器42和辐射天线30之间。由以上的圆筒波导管41、圆偏振波变换器42、匹配电路43和高频发生器44构成向辐射天线30施加TE11圆偏振波的供电设备。
下面进一步说明辐射天线30的结构。
辐射天线30由形成辐射波导路径33的两个相互平行的圆形导体板31、32和与这些导体板31、32的外圆周部分连接的密封导体环34构成。导体板31、32以及导体环34由铜或铝等导体形成。
在作为辐射波导路径33的上表面的导体板32的中心部分形成有用于向辐射波导路径33内导入电磁场F的导入口35，并在该导入口35上连接上述圆形波导管41。
在辐射波导路径33的内部，在导体板31的中心部分设有朝向导入口35突出的圆锥部件37。该圆锥部件37也由和导体板31、32相同的导体形成。通过该圆锥构件37可以将通过圆形波导管41传送来的电磁场F顺利地导入波导路径33内。
在作为辐射波导路径33的下表面的导体板31上形成有多个用于将通过辐射波导路径33内传送的电磁场向处理容器11内供给的缝隙36。该导体板31构成辐射天线30的辐射面。
这里，将辐射天线30的直径设为辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电磁场的管内波长λg的8倍。
图2是从图1所示的II-II线方向看过去的辐射天线30的平面图。
在辐射天线30的辐射面上形成的缝隙36被配置在从辐射面中心部分向边缘部分行进的螺旋线(也可称螺旋)上。在以旋转方式供给电磁场的时候，使螺旋线的旋转方向和辐射天线30内的电磁场的旋转方向相同。此外，缝隙36的形状既可以是曲线，也可以是直线。
图2表示的螺旋线是阿基米德螺旋线，用极坐标(r，θ)表示时，为r＝aθ 。a是常数，这里a＝λg/π。λg是辐射天线30内的电磁场的管内波长。若取从螺旋线上的一点Q1开始在螺旋线上旋转1周(2π)时的点为Q2、并定义点Q1到点Q2的间隔为螺旋线之间的间隔d，则该螺旋线的间隔为2λg。
图3A是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是表示某时刻的电场波面的示意图。图3B是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是辐射波导路径33的半径方向的电场波形示意图。图3C是表示辐射天线30的内部、亦即辐射波导路径33内部的电场的状态图，是辐射波导路径33的圆周方向的电场波形示意图。
若向辐射天线30施加TE11圆偏振波，则辐射天线30内的电场和图8A到8C表示的一样，在半径方向上成为波长为λg的驻波，而在圆周方向则成为进行波并以和供电频率相同的频率旋转。
因此，在间隔d＝2λg的螺旋线上从点Q1到点Q2旋转一周时的电磁场的相位变化，成为圆周方向的相位变化2π(弧度)和半径方向的相位变化2×2π(弧度)的和6π(弧度)。因此，通过在间隔d＝2λg的螺旋线上配置缝隙36，使得相当于进行波旋转一周的一个周期中的各缝隙36上的相位变化为6π(弧度)。
如现有技术，在同心圆上配置缝隙136时，由于在每周期的各缝隙136上的电磁场的相位变化仅为2π(弧度)，因此，通过在间隔d＝2λg的螺旋线上配置缝隙36，使得上述相位变化成3倍。从而，与每周期的电磁场的相位变化成比例的波数k也成为3倍。因为波数k与介电常数ε1的平方根成比例，所以根据波数k成为3倍，天线30内的介电常数ε1在表观上也成为9倍。
若在处理容器11内生成的等离子体P内的介电常数为ε3，则相对于等离子体P表面的法线方向的电磁场F的入射角度θ成为上述(1)式。因此，如上述那样在螺旋线上配置缝隙36，来使得天线30内的介电常数ε1在表观上变大，从而可以使电磁场F向等离子体P的入射角度θ变大。由此，等离子体P吸收电磁场F的效率变大，从而能够比现有技术更有效地生成等离子体。
图4表示电磁场F的入射角度θ的半径方向的变化。供电频率为2.45GHz，取等离子体P内的介电常数ε3的平均值为0.5。横轴是距离处理容器的中心轴的半径方向的距离r[cm]，纵轴是电磁场F向等离子体P内的入射角度θ[°]。虚线是向图6、图7所示的辐射天线130施加圆偏振波时的入射角度θ，实线是向图1、图2中所示的辐射天线30施加圆偏振波时的入射角度θ。
从图4可知，通过在间隔d＝2λg的螺旋线上配置缝隙36，即使在r＝3.0cm的区域中，入射角度θ也是15.7°，相当大。因此，为了与作为被处理体的衬底21的大口径化的要求相应，即使使处理容器11以及辐射天线30的口径增大，也能够防止处理容器11的侧壁附近区域中的等离子体的生成效率的下降。
以上，通过如图2所示的辐射天线30那样在一条螺旋线上配置缝隙36的例子进行了说明，但是也可以如图5所示辐射天线30A那样，将缝隙36配置在等间隔设置于辐射面的中心O的周围的多根螺旋线上。此外，各螺旋线的间隔d均相等，为d＝2λg。由于通过这样在多个螺旋线上配置缝隙36，来使得辐射面上的缝隙36的密度变大，因此可以提高辐射效率。
在多个螺旋线上配置缝隙36时，存在辐射面的内侧区域(靠近中心O的区域)的缝隙密度比外侧区域(靠近边缘的区域)大的倾向。因此，内侧区域的缝隙密度过高的时候，也可以交替设置在内侧区域中配置缝隙36的螺旋线和在内侧区域中不配置缝隙36的螺旋线。或者，也可以使辐射面的内侧区域的缝隙长度相对短，外侧区域的缝隙长度相对长。
另外，配置缝隙36的螺旋线的间隔d只要为管内波长λg的大约N倍(N是自然数)即可。由此，使电磁场F向等离子体P的入射角度θ在辐射天线30、30A的半径方向上一致，从而可以从辐射天线30、30A向处理容器11内高效率地供给电磁场F。其中，螺旋线的间隔d不必严格等于N×λg，可以在大约(N±0.1)×λg的范围内。此外，向在间隔d＝Nλg的螺旋线上配置缝隙36的辐射天线上施加圆偏振波的时候，在每周期的各缝隙36上的相位变化为(N+1)2π(弧度)。
若N变大，则辐射天线30、30A的表观介电常数ε1也变大。因此，向辐射天线30、30A上施加圆偏振波时，如果N≥2，则即使使处理容器11和辐射天线30、30A的口径增大，也能够防止处理容器11的侧壁的附近区域中的等离子体生成效率的下降。
另外，在图1所示的蚀刻装置中，使用由圆筒波导管41、圆偏振波变换器42、匹配电路43和高频发生器44组成的供电设备，向辐射天线30上施加TE11圆偏振波，但是通过旋转方式向辐射天线30、30A上施加电磁场时，也能得到同样的效果。在通过旋转方式施加电磁场的其他方法中，例如有在空腔内向TM11方式的电磁场施加扰动而使之旋转，从而将该旋转的电磁场向辐射天线30、30A供给的方法。
但是，不必一定以旋转方式向辐射天线30、30A供电。例如向在间隔d＝N×λg的螺旋线上配置缝隙36的辐射天线30、30A上进行同轴供电的时候，在每周期的各缝隙36上的相位变化中，没有在圆周方向的相位变化2π(弧度)，而只有半径方向的相位变化N×2π(弧度)。因此，即使不用旋转方式供电，只要使配置缝隙36的螺旋线的间隔d比以旋转方式供电时大λg，也可以得到同样的效果。因此，在不以旋转方式向辐射天线30、30A供电时，可以通过使N≥3，来使得即使使处理容器11和辐射天线30、30A的口径增大，也可以防止处理容器11侧壁的附近区域中的等离子体生成效率的下降。
另外，在图2、图5所示的辐射天线30、30A中，所有的缝隙36的长度方向都顺着螺旋线配置，但是也可以在间隔d＝Nλg的螺旋线上配置接近“八”字的延长线上互相正交的两个缝隙作为一对的多对缝隙。
另外，本发明的等离子体处理装置也可以适用于ECR(electroncyclotron resonance(电子回旋共振))等离子体处理装置。另外，除蚀刻装置外，也可以利用于等离子体CVD装置等。
如上所述，在本发明中，在其间隔等于辐射天线内的电磁场波长的大约N倍(N为自然数)的螺旋线上配置向处理容器内供给电磁场的辐射天线的缝隙。在螺旋线上配置缝隙，与在同心圆上配置的时候比较，电磁场的每周期的各缝隙上的相位变化将变大。与该相位变化成比例，辐射天线内的介电常数也在表观上变大。从而可以使相对于等离子体表面的法线方向的电磁场的入射角度变大，来提高等离子体的生成效率。另外，通过使配置缝隙的螺旋线的间隔等于辐射天线内的电磁场的波长的大约N倍(N为自然数)，来使得电磁场的入射角度在辐射天线的半径方向上一致，从而可以从辐射天线高效率地向处理容器内供给电磁场，进而能够提高等离子体生成效率。
另外，通过从辐射天线中心部分以旋转方式供给电磁场，在电磁场每周期的各缝隙处的相位变化只增大2π(弧度)。由此，因为辐射天线内的介电常数也在表观上变得更大，所以可以进一步提高等离子体的生成效率。
另外，通过在不以旋转方式施加电磁场的时候取N≥3，在以旋转方式施加电磁场的时候取N≥2，使得即使在处理容器和辐射天线为大口径的情况下，也能够在靠近处理容器的侧壁的区域得到足够的等离子体生成效率。
此外，本次公开的实施例全部作为举例，而不应该认为是对本发明的限制。本发明的范围不是上述说明，而是通过权利要求的范围揭示，还包含和权利要求的范围有同等的意义以及其该范围内的变更。
本发明可以适用于ECR等离子体处理装置。另外，除蚀刻装置外，也可以利用于等离子体CVD装置等中。
权利要求
1.一种等离子体处理装置，它具有在处理容器(11)内放置的用于放置被处理体(21)的装载台(22)，和在辐射面(31)上配有多个缝隙的向所述处理容器(11)内供给电磁场的辐射天线(30，30A)，其中，所述辐射天线(30，30A)的缝隙(36)被配置在间隔等于所述辐射天线(30，30A)内的电磁场的波长的大约N倍(N是自然数)的螺旋线上。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，N大于等于3。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中还具有供电设备，该供电设备与所述辐射天线(30，30A)的中心部分连接，以旋转方式施加电磁场。
4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其中，N大于等于2。
5.一种等离子体处理方法，其中包括准备一种在辐射面(31)上配有多个缝隙(36)的辐射天线(30，30A)，即在其间隔等于在所述辐射天线(30，30A)内的电磁场波长的大约N倍(N是自然数)的螺旋线上配有所述缝隙(36)的所述辐射天线(30，30A)的工序，和在处理容器(11)内配置被处理体(21)，从在所述辐射天线(30，30A)的所述辐射面(31)上配置的多个缝隙(36)向所述处理容器(11)内供给电磁场，并使用在所述处理容器(11)内生成的等离子体对所述被处理体(21)进行处理的工序。
6.如权利要求5所述的等离子体处理方法，其中，N大于等于3。
7.如权利要求5所述的等离子体处理方法，其中，对所述被处理体(21)进行处理的工序包括从所述辐射天线(30，30A)的中心部分以旋转方式供给电磁场的工序。
8.如权利要求7所述的等离子体处理方法，其中，N大于等于2。
全文摘要
向处理容器内供给电磁场的辐射天线(30)的缝隙(36)被配置在间隔d等于在辐射天线(30)内的电磁场的波长λg的大约N倍(N是自然数)的螺旋线上。从该辐射天线的中心部分以旋转方式供给电磁场。
文档编号H01L21/31GK1494737SQ02805878
公开日2004年5月5日 申请日期2002年3月19日 优先权日2001年3月22日
发明者安藤真, 高桥応明, 八坂保能, 石井信雄, 明, 能, 雄 申请人:东京毅力科创株式会社, 安藤真, 高桥応明, 八坂保能