专利名称：等离子体处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过电磁波使气体激励而对被处理体进行等离子体处理的等离子体处理装置，特别地涉及控制电磁波的传播的机构。
背景技术：
在向等离子体处理装置供给低频率微波时，不仅产生在第一电介质和等离子体之间传播的表面波(以下也称为电介质表面波(DSW:Dielectric Surface Wave))，而且产生在处理容器内壁的金属面和等离子体之间传播的表面波(以下也称为金属表面波(MSW Metal Surface ffave))。金属表面波在等离子体中的电子密度低于截止密度η。的2倍时无法传播。由于截止密度η。与微波的频率的平方成比例，因此如果频率低、电子密度不高，则金属表面波无法传播。而且，金属表面波的频率越低越难以衰减。在一般被用于等离子体的生成的Μ50ΜΗΖ的频率中，如果截止密度η。的值为 7. 5Χ101(ι(:πΓ3、电子密度不是1. 5 X IO1W3以上，则金属表面波不进行传播。例如，在表面附近的电子密度是IXlO11Cnr3左右的低密度等离子体中，金属表面波完全不进行传播。即使在电子密度更高的情况下，由于衰减较大，因此金属表面波的传播几乎没有问题的情况居多。另一方面，例如在915MHz的频率中，即使在表面附近的电子密度为IX IO11CnT3左右的低密度等离子体中，金属表面波也沿处理室的内表面较长地传播。因而，在利用低频的微波进行等离子体处理时，不仅需要控制电介质表面波的传播的手段，而且需要采取控制金属表面波的传播的手段。因此，发明者提出了以下机构在等离子体处理装置的腔体内的金属面上设置槽或凸部，并使金属表面波在槽或凸部进行反射，由此阻碍金属表面波从槽或凸部向前传播的机构的方案。(例如，参照专利文献1)。在先技术文献专利文献专利文献1 国际公开2008/153054号手册。
发明内容
发明所要解决的问题但是，在通过槽抑制金属表面波的传播时，在槽中传播的等离子体中的电子和离子在槽的侧面或底面再结合，由此，产生在槽中电子及离子减少的现象。因此，在槽中等离子体的密度容易下降，成为形成稳定的等离子体难以立起的状态。另一方面，一旦，若在槽中等离子体立起就有形成较强等离子体的倾向。结果，在槽中产生等离子体立起的部分和等离子体没有立起的部分。也就是说，在槽中局部立起了等离子体。另外，由于在槽中立起了等离子体的部分等离子体的密度非常高，并且，因其密度高的部分在槽中移动，使槽中的等离子体在时间上和空间上均处于不稳定的状态。金属表面波的传播方式随着槽中的等离子体的密度而变化。在等离子体的密度低时，金属表面波穿过槽而传播。另一方面，在等离子体密度高时，金属表面波被反射，不能穿过槽。如上所述，由于槽中的等离子体不稳定，因此金属表面波或者穿过槽、或者被反射，其传播状态时间上和空间上不确定地变化。这种不稳定的变化，对槽外的等离子体全体也产生影响，存在等离子体全体容易成为不稳定状态的问题。另外，在通过凸部来抑制金属表面波传播时，虽然等离子体不会变的不稳定，但是存在难以使金属表面波充分反射的问题。因此，本发明的目的在于提供了能够在考虑等离子体稳定性的同时控制处理容器内的电磁波的传播的等离子体处理装置。用于解决问题的手段为了解决所述问题，根据本发明的形态，提供一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置通过电磁波使气体激励来对被处理体进行等离子处理，包括处理容器，所述处理容器由金属形成；电磁波源，所述电磁波源用于输出电磁波；第一电介质，所述第一电介质面向所述处理容器的内壁，将从所述电磁波源输出的电磁波向所述处理容器内透射；以及，第二电介质，所述第二电介质被设置在所述处理容器的内表面，抑制沿所述处理容器的内表面传播的电磁波。根据该构成，第二电介质被设置于处理容器的内表面，抑制沿处理容器的内表面传播的电磁波(金属表面波)。金属表面波沿护罩传播。若金属表面波传播到第二电介质的端部则传播的方式发生很大的变化。这是因为，当金属表面波在处理容器的金属面进行传播而到达第二电介质时，金属表面波在电场进入处理容器的金属面的同时成为沿第二电介质传播的电介质表面波。这样，表面波由金属表面波成为电介质表面波而传播，沿第二电介质之后，再次成为金属表面波而传播。在表面波从金属表面波变化为电介质表面波时、或从电介质表面波变成金属表面波时，特性阻抗发生了很大变化。其结果，第二电介质能够使沿处理容器的内表面传播的电磁波反射。由此，金属表面波沿处理容器的内表面传播到被处理体周围，能够避免损害处理的均勻性。另外，通过避免在不被用于被处理体处理的位置等离子体立起，能够防止电磁波能量被无意义地浪费。并且，能够抑制金属表面波向由于金属表面波的能量而可能损伤机器的区域传播。所述第二电介质可以使沿所述处理容器的内表面传播的电磁波的90%以上反射。另外，作为处理容器的内表面，例如，可以例举出与等离子体相接的处理容器的内壁的金属面、处理容器的内壁中划定对被处理体进行等离子体处理的空间的内壁的金属面、位于比载置被处理体的位置靠上部(第一电介质侧)的处理容器的内壁的金属面。所述第二电介质的与金属表面波的传播方向垂直的方向的最厚部分的厚度Dt可以为4mm以上。所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw可以为除去跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长Xd的大体η/2倍(η是整数)的长度。所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw可以为小于跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长λ d的大体1/2倍的长度。
在将该第二电介质的相对电容率设为ε d、将金属表面波的频率设为f时，所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw可以比下式的值短。 107 ,所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw可以为跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长Xd的大体Qn+l)/4倍(η是整数)的长度。所述第二电介质可以嵌入到设置于所述处理容器的内壁的通口或凹部。所述第二电介质可以与所述处理容器的金属面抵接。在所述第二电介质的至少等离子体侧的面的角可以被倒角。所述第二电介质可以延伸到所述处理容器的侧壁。所述第二电介质可以被设置在为所述处理容器的内表面且包围等离子体激励区域的区域。所述第一电介质可以面向所述处理容器的内壁有规律地配置多个，所述第二电介质可以沿着多个单元整体的最外周侧设置或者与所述外周侧接近设置，所述多个单元是包含多个第一电介质的各个的假想区域。所述第一电介质可以面向所述处理容器的内壁被有规律地配置多个，所述第二电介质可以沿着所述多个第一电介质及与所述多个第一电介质邻接设置的罩的最外周侧配置、或接近于该最外周侧配置。能够由所述第二电介质划定所述等离子体激励区域。金属面可以从所述第二电介质与所述多个第一电介质之间露出。所述第二电介质可以通过固定部件固定于所述处理容器，或者通过设置于所述处理容器的通口或凹部固定于所述处理容器。发明的效果如以上说明那样，根据本发明，能够提供以下等离子体处理装置在使等离子体稳定的同时，能够抑制沿处理容器的内表面传播的电磁波的传播。
图1是本发明第一实施方式涉及的等离子体处理装置的纵剖面图(2_0、0’ -2剖面)；图2是该实施方式中涉及的等离子体处理装置的顶面示意图(1-1剖面)；图3是用于说明通过第二电介质的表面波的反射的图；图4是表示第二电介质的厚度和透过量关系的曲线图；图5是表示第二电介质的宽度和透过量关系的曲线图；图6是本发明第二实施方式涉及的等离子体处理装置的纵剖面图(4-0’、0_4剖面)；图7是该实施方式中涉及的等离子体处理装置的顶面的示意图(3-3剖面)；图8是示出变形例1涉及的第二电介质的纵剖面图；图9是示出变形例2涉及的第二电介质的纵剖面图10是示出变形例3涉及的第二电介质的纵剖面图；图11是示出变形例4涉及的第二电介质的纵剖面图；图12是示出变形例5涉及的第二电介质的纵剖面图；图13是示出变形例6涉及的第二电介质的纵剖面图。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的优选实施方式。另外，在本说明及附图中，对于实质上具有相同功能构成的构成要件，通过标注相同的符号来省略重复说明。另外，以下说明的本发明的第一实施方法及其变形例中所涉及的等离子体处理装置按以下的顺序进行说明。<第一实施方式>[等离子体处理装置的构成][基于第二电介质的反射][第二电介质的形状的最优化](第二电介质的厚度Dt)(第二电介质的宽度Dw)<第二实施方式>[等离子体装置的构成][第二电介质]<第二电介质的变形例>(变形例1) (变形例6)<第一实施方式>[等离子体处理装置的构成]首先，参照图1及图2对本发明的第一实施方式涉及的微波等离子体处理装置的构成进行说明。图1是示出了本实施方式涉及的微波等离子处理装置10的纵剖面图(图2 中表示的2_0、0’ -2剖面)。图2是图1的1-1剖面，示出了微波等离子体处理装置10的顶面。微波等离子体处理装置10是通过电磁波使气体激励而对被处理体进行等离子体处理的等离子体处理装置的一例。如图1所示，微波等离子体处理装置10包括用于对玻璃基板(以下称为“基板G”) 进行等离子体处理的处理容器100。处理容器100包括容器主体200和盖体300。容器主体 200具有其上部被开口的有底立方体形状，该开口被盖体300封闭。盖体300包括上部盖体 300a和下部盖体300b。在容器主体200和下部盖体300b的接触面设置有0形环205。由此容器主体200和下部盖体300b被密闭，划定处理室。在上部盖体300a和下部盖体300b 的接触面也设置有0形环210及0形环215，由此，上部盖体300a和下部盖体300b被密闭。 容器主体200及盖体300例如由铝合金等金属构成，并被电接地。在处理器100的内部，设置有用于载置基板G的基座105(载台)。基座105例如由氮化铝形成。基座105被支撑体110支撑，并在其周围设置有用于将处理室的气体的流动控制为优选的状态的挡板115。在处理容器100的底部设置有气体排出管120，利用设置于处理容器100外部的真空泵(未图示)排出处理容器100内的气体。
参照图2，在处理容器100的顶面规则地配置有第一电介质305、金属电极310及金属罩320。第一电介质305及金属电极310相对于基板G或处理容器100在大概倾斜 45°的位置等间距配置8片。第一电介质305的被稍微切削了的角部之间被邻接配置。在第一电介质305和金属电极310之间配置有3片金属罩320。在顶面还设置有12片侧罩350，所属侧罩350将所有的金属电极310及金属罩320 包围起来。金属电极310及金属罩320在本实施方式中大致是正方形的板，但可以不是正方形。金属电极310是为使第一电介质305从金属电极310的外缘部大体均等地露出而与第一电介质305邻接设置的平板。根据该构成，第一电介质305被盖体300的内表面和金属电极310夹在中间，被贴紧于处理容器100的内面。金属电极310和处理容器100的内部电连接。另外，在本实施方式中，8片第一电介质305和金属电极310被配置成4片X 2列， 但不限于此，第一电介质305及金属电极310的个数可增可减。再看图1，金属电极310与金属罩320相比，金属罩320比金属电极310厚第一电介质305的厚度。根据该形状，顶面的高度大致相等。第一电介质305由氧化铝形成，金属电极310，金属罩320和侧罩350由铝合金形成。第一电介质305及金属电极310被螺栓325在4处均等地支承。在上部盖体300a 和下部盖体300b之间，在与纸面垂直的方向上设置有形成格子状的主气体流路330。主气体流路330在设置于多个螺栓325中的气体流路32 分流气体。在气体流路32 的入口处，嵌入有缩小流路的细管335。细管335由陶瓷或金属形成。在金属电极310和第一电介质305之间设置有气体流路310a。金属罩320与下部盖体300b之间以及侧罩350与下部盖体300b之间也设置有气体流路320a。为了不扰乱等离子体的分布，螺栓325的前端面与金属电极310、金属罩320以及侧罩350的下表面成为同一平面。在金属电极310上开口的气体放出口 34 以及在金属罩320以及侧罩350上开口的气体放出口 34 以均等的间距配置。从气体供给源905输出的气体，从主气体流路330经由气体流路32 通过第一气体流路310a和第二气体流路320a，并从气体孔345a、34 供给到处理室内。这样，通过在顶部的金属面形成气体喷淋板，能够抑制已有产生的由等离子体中的离子对电介质板表面的蚀刻及反应生成物堆积到处理容器的内壁，实现降低污染物和颗粒。另外，与电介质不同，金属容易加工，因此可以大幅降低成本。第一同轴管的外部导体6IOb是挖入盖体300而形成的，在该挖入部被插入内部导体610a。同样挖入形成的第二 第五同轴管的外部导体620b 650b中插入第二 第五同轴管的内部导体620a 650a，其上部被盖体罩660覆盖。各同轴管的内部导体由热传导好的铜形成。在第一电介质305的表面，除了从第一同轴管的内部导体610a和外部导体610b 之间向第一电介质305入射微波的部分和从第一电介质305向处理容器100内部发射微波部分以外被金属膜30 覆盖。这样，在第一电介质305和与其邻接的部件之间即使由于产生的间隙也不会扰乱微波的传播，能够稳定地将微波导入处理容器内部。第一电介质305从与第一电介质305 —对一邻接的金属电极310和没有配置第一电介质305的金属罩320之间向等离子体侧露出。如图2所示，将以各第一电介质305为中心邻接的金属罩320的中心点作为顶点的假想区域作为单元Cel，将顶面划定为均等的假想区域。在顶面，以单元Cel为一个单位相同图案的构成有规律地被配置成8个。由此，从微波源900输出的、例如915MHz的微波经由第一 第五同轴管均等地向第一电介质305传播。从第一电介质305发射的微波成为表面波，在相等分配电力的同时在金属电极310和金属罩320的表面传播。由此，金属表面波在顶面全体进行传播，在本实施方式涉及的微波等离子体处理装置10的顶面下方生成均勻的等离子体。第二电介质340沿多个单元Cel全体的最外周侧的附近被设置成包围所有的第一电介质305、金属电极310、金属罩320和侧罩350。第二电介质340的纵剖面为矩形形状， 由石英、氧化铝、钇、氧化铝和石英的混合物等形成。第二电介质340的上表面和下部盖体 330b的下表面紧贴，从下部盖体300b向等离子体侧突出。这样，第二电介质340接近多个单元Cel的最外周侧而被设置，所述多个单元Cel 是分别包含多个第一电介质的每个的假想区域。多个第一电介质305和第二电介质340之间接近但不接触，金属面从第二电介质340与多个第一电介质305之间露出。第二电介质 340被设置于在处理容器100的内表面中包围等离子体激励区域的区域。第二电介质340 可以如本实施方式中的那样是一层，也可以是二层或三层。第二电介质340被设置于处理容器100的内表面，起到抑制沿处理容器100的内表面传播的电磁波(金属表面波)的作用，详细后述。图1中示出的冷媒供给源910与盖体300内部的冷媒配管910a，第二同轴管的内部导体620a中的冷媒配管910b连接，从冷媒供给源910供给的冷媒在冷媒配管910a、9IOb 内循环并再次返回到冷媒供给源910，由此，抑制盖体300和第二同轴管的内部导体620a的加热。[由第二电介质进行的反射]为了将金属表面波的透射抑制到足够小，需要第二电介质340的宽度和厚度为期望的值。为了将第二电介质340的宽度和厚度调整到最优值，进行使用图3示出的模型的电磁场模拟。如图3所示，在金属下表面配置有厚度为Dt且宽度为Dw的、垂直于纸面方向上无限延伸的电介质Md。在金属及电介质Md的下表面设置有厚度为s的护罩以及相对电容率为^的等离子体。护罩的相对电容率设为1。在金属表面上从纸面的右端向左端传播的金属表面波MSW的入射波若到达电介质Md的A端面，其一部成为电介质表面波DSW，并跨越电介质Md和等离子体而传播，其余成为反射波返回。不仅在A端面，在B端面微波也被反射。在电介质Md中，由在A端面及B端面发生多重反射而产生的、在左右方向传播的微波产生驻波。电介质表面波DSW的一部在 B端面成为金属表面波MSW的透射波，沿左侧的金属面传播出去。当将入射波的功率设为P”透射波的功率设为Pt时，透射量被表示为101og(Pt/ Pi)O实际应用中，透射波的功率应该抑制制在入射波的功率的10%以下。因此，透射量必须抑制在-IOdB以下。[电介质的形状的最优化](电介质的厚度Dt)接着，图4、图5示出了利用图3中的模型进行电磁场模拟的结果。图4是求出电介质的厚度Dt和透射量的关系的图。将电介质的宽度Dw固定为10mm。将微波的频率设为915MHz、等离子体的相对电容率ε d设为-70。这些值符合标准的等离子体激励条件。根据图4可知，透射量随着电介质的宽度Dw的增加而减少。对此如下进行说明。 在A端面，金属表面波MSW和电介质表面波DSW的特性阻抗之比越大反射越大，透射就越小。电介质表面波DSW不仅可以跨越护罩和等离子体，而且可以跨越厚的电介质进行传播， 因此一般与金属表面波MSW相比特性阻抗大。电介质的厚度Dw越厚电介质表面波DSW的特性阻抗越大。因此，电介 质的厚度Dw越厚，金属表面波MSW和电介质表面波DSW的特性阻抗之比就越大，透射量就越小。另一方面，根据、由图4可知，透射量不太依赖于电介质的相对电容率ε d。另外可知，为了将透射量抑制在-IOdB以下，使电介质的厚度Dt不根据电介质的相对电容率ε d而必须设为4mm以上。(电介质的宽度Dw)图5示出了电介质的宽度Dw和透射量的关系。设微波的频率为915MHz、等离子体的相对电容率为-70、电介质的厚度Dt为8mm、电介质的相对电容率ε d为10。透射量相对于电介质的宽度Dw周期性地变化。对此如下进行说明。如前所述，在电介质中由向左右传播的微波产生了驻波。由于从B端面左侧观察的阻抗与电介质表面波的特性阻抗比足够小，因此B端面接近于在电上被短路的状态，成为电场的驻波的波节。A端面成为驻波波腹的条件，即电介质的宽度Dw大体是(2η+1)Χ λ/4(η是整数， λ <!是电介质表面波DSW的波长)时，从A端面左侧观察的阻抗最大，由于与金属表面波MSW 的较小的特性阻抗之比变大，因此透射量变为最小。另一方面，当A端面成为驻波波节的条件，即电介质的宽度Dw是ηΧ λ d/2时，从 A端面左侧观察的阻抗最小，由于与金属表面波MSW的特性阻抗之比变小，因此透射量变为最大。为了将透射量抑制得较小，优选的是A端面成为驻波波腹的条件、即电介质的宽度Dw大体是(2η+1)Χ λ/4长度。另外，优选的是A端面不成为驻波波节的条件、即电介质的宽度Dw是除去ηΧ λ/2的长度。并且，为了即使由于种种条件电介质表面波DSW的波长 λ d发生了变化也将透射量抑制得较小，优选的是电介质的宽度Dw至少比λ d/2更小。当电介质的厚度Dt与护罩的厚度比足够厚时，电介质表面波DSW的波长λ d近似地如下求出。首先，通过下面的特性方程式求出固定值比。[数2]~^ + {εd -sp)kl + SpHi tanh^.D,) = 0
(1)这里，ε p是等离子体的相对电容率(实部^ktl是真空中的波数。接着，通过下式求得电介质表面波的波长xd。[数3]
,_ 1π-^εΧ+hf (2)
当在求得图5的结果的条件下根据的式(1)、式( 计算电介质表面波的波长λ d 时，为74mm。从图5来看，可知电介质的宽度Dw大致在ηΧ λ d/2 (η = 1、2)时透射量最大。
电介质表面波的波长Xd与微波的频率f大致成比例，与电介质的相对电容率ε d 的1/2次方大致成反比例。因此，电介质表面波的波长λ d容易表示为下式。[数4]
权利要求
1.一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置通过电磁波使气体激励来对被处理体进行等离子处理，包括处理容器，所述处理容器由金属形成； 电磁波源，所述电磁波源用于输出电磁波；第一电介质，所述第一电介质面向所述处理容器的内壁，将从所述电磁波源输出的电磁波向所述处理容器内透射；以及，第二电介质，所述第二电介质被设置在所述处理容器的内表面，抑制沿所述处理容器的内表面传播的电磁波。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质使沿所述处理容器的内表面传播的电磁波的90%以上反射。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质的与金属表面波的传播方向垂直的方向的最厚部分的厚度Dt为4mm 以上。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw为除去跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长Xd的大体η/2倍(η是整数)的长度。
6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw为小于跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长λ d的大体1/2倍的长度。
7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其中，在将该第二电介质的相对电容率设为ε d、将金属表面波的频率设为f时，所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw比下式的值短。 [式6]
8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质的在金属表面波的传播方向的最长部分的长度Dw为跨越该第二电介质与等离子体传播的电磁波的波长Xd的大体Qn+l)/4倍(η是整数)的长度。
9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质嵌入到设置于所述处理容器的内壁的通口或凹部。
10.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中， 所述第二电介质与所述处理容器的金属面抵接。
11.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中， 在所述第二电介质的至少等离子体侧的面的角被倒角。
12.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中， 所述第二电介质延伸到所述处理容器的侧壁。
13.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质被设置在为所述处理容器的内表面且包围等离子体激励区域的区域。
14.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第一电介质面向所述处理容器的内壁有规律地配置多个， 所述第二电介质与多个单元整体的最外周侧接近设置，所述多个单元是包含多个第一电介质的各个的假想区域。
15.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第一电介质面向所述处理容器的内壁被有规律地配置多个， 所述第二电介质沿着所述多个第一电介质及与所述多个第一电介质邻接设置的罩的最外周侧配置、或接近于该最外周侧配置。
16.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其中， 所述第二电介质划定所述等离子体激励区域。
17.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，金属面从所述第二电介质与所述多个第一电介质之间露出。
18.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，所述第二电介质通过固定部件固定于所述处理容器，或者通过设置于所述处理容器的通口或凹部固定于所述处理容器。
全文摘要
一种通过微波使气体激励而对基板(G)进行等离子体处理的微波等离子体处理装置(10)，包括处理容器(100)，所述处理容器(100)由金属形成；微波源(900)，所述微波源900)输出微波；第一电介质(305)，第一电介质(305)面向处理容器(100)的内壁，将从微波源(900)输出的微波向处理容器内透射；第二电介质(340)，所述第二电介质(340)被设置在处理容器(100)的内表面，抑制沿处理容器(100)的内表面传播的微波。
文档编号H05H1/46GK102326458SQ20108000711
公开日2012年1月18日 申请日期2010年1月14日 优先权日2009年2月6日
发明者大见忠弘, 平山昌树 申请人:东京毅力科创株式会社, 国立大学法人东北大学