TWI402000B - A top plate of a plasma processing apparatus, a plasma processing apparatus, and a plasma processing method - Google Patents

Description

電漿處理裝置之頂板、電漿處理裝置及電漿處理方法

本發明係有關於電漿處理裝置之頂板、電漿處理裝置及電漿處理方法。

電漿技術被廣泛利用於積體電路或液晶、太陽能電池等多種半導體元件。雖然已被利用於半導體製造過程之薄膜堆積或蝕刻步驟等，但為了得到更高性能且高功能之製品(例如超微細加工技術)，必須有高度的電漿處理技術。特別是可得到低氣壓高密度電漿之微波電漿處理裝置係受到矚目的。

使用輻射線槽孔天線(Radial Line Slot Antenna，RLSA)電漿微波源之電漿處理裝置係經由微波放電而使氣體電解分離以產生電漿。微波係經由導波管而由天線之槽孔部分供給電力，並經由頂板傳播而被放射至電漿產生室内。

當頂板為一簡單且平面狀之形態時，於頂板的中心部分與周邊部分之微波傳播不會均等進行，且無法均一地生成電漿。相對於此，當頂板使用不同厚度時或設有凸部時，因形成一適合電漿條件之微波的共振領域，可控制徑向之傳播。

頂板中之微波傳播係同時存在徑向與圓周方向(回轉方向)2種種類。至今之微波傳播控制，如專利文獻1，係著眼於徑向之傳播。其結果，因圓周方向傳播之不均一性，有發生電漿偏離之問題。特別是低微波功率時，此現象更顯著。再者，為了同時進行徑向與圓周方向之控制，頂板的形狀更為複雑，並有製造費用增加之問題。

專利文獻1：日本特開2005-100931號公報

如上所述，習知技術有因微波之圓周方向傳播之不均一性，而發生電漿偏離之問題。又，依電漿處理之内容而改變氣體或温度等反應腔内的條件時，由於電漿模式係依微波之頻率與氣壓而變化，因此必須改變頂板與上述頂板内所傳播之微波的波長。

本發明係鑑於上述情況所發明者，其目的在於提供可產生電漿模式安定且再現性佳之電漿之電漿處理裝置的頂板、電漿處理裝置及電漿處理方法。

為達成上述目的，本發明之第1面向之電漿處理裝置之頂板係設置於微波電漿處理裝置且為傳遞微波之介電體之頂板，其特徵為，於電漿產生側的面係具有凹部，微波係於該凹部之側面被共鳴吸收，且微波係於該凹部之内部以單一的模式傳播。

頂板較佳係具有使微波以多重模式傳播之厚度。

頂板較佳係具備複數個凹部。

又，凹部係配置於以該微波的導入位置為中心之1個或2個以上的圓上。

再者，配置有凹部之圓的半徑可為在介電體内所傳播之微波的波長的大約整數倍之大小。

凹部較佳係可配置於以微波的導入位置為中心之點對稱的位置。

凹部之微波所傳播方向的口徑較佳係為該介電體内所傳播之微波的波長的1/3至1/2的範圍之大小。

又凹部之深度較佳係為該介電體内所傳播之微波的波長的1/4至3/8的範圍之大小。

此外，凹部之與該電漿產生側的面平行之斷面較佳係為圓形。

本發明之第2面向之電漿處理裝置，其特徵係包含實施電漿處理之電漿產生室、導入用以在該電漿產生室内產生電漿之微波之槽孔天線、以及於電漿產生側的面具備有凹部之頂板，微波係於該凹部之側面被共鳴吸收，並且微波係於該凹部之内部以單一的模式傳播。

本發明之第3面向之電漿處理方法，其特徵係包含利用在電漿產生側的面具備凹部之頂板來產生電漿之步驟，其中微波係於該凹部之側面被共鳴吸收，並且微波係於該凹部之内部以單一的模式傳播。

再者，產生電漿之步驟係不改變頂板與頂板内所傳播之微波的波長，並且在電漿產生室内之2個以上不同的氣氛條件下產生電漿。

依本發明之電漿處理裝置之頂板、電漿處理裝置及電漿處理方法，藉由頂板所具備之凹部，可使微波於凹部之側面被共鳴吸收且於內部以單一之模式傳播，並可均勻地產生安定之電漿。

又，即使電漿產生室內之氣氛改變，亦可不改變頂板與頂板內所傳播之微波的波長而產生電漿，並可使電漿模式安定化。

以下，針對本發明之第1面向之微波電漿處理裝置的頂板，一邊參照圖面詳細説明。此外，圖中相同或相對應的部分附予相同元件符號，且不加以重複説明。圖1係為本發明之實施形態之電漿處理裝置的斷面圖。電漿處理裝置1包含電漿產生室(反應腔)2、頂板(介電體)3、天線4、導波管5、基板支承台6及氣體通路7。天線4係由導波部(遮蔽組件)4A、輻射線槽孔天線(RLSA)4B及慢波板(介電體)4C所組成。導波管5係為由外側導波管5A與内側導波管5B所組成之同軸導波管。

電漿處理裝置1之電漿產生室2係利用頂板3將其封閉。此時，電漿產生室2内預先用真空幫浦形成一真空狀態。天線4係被接合至頂板3上。天線4連接著導波管5。導波部4A係連接至外側導波管5A，且輻射線槽孔天線4B係接合至内側導波管5B。慢波板4C位於導波部4A與輻射線槽孔天線4B之間，並且將微波的波長壓縮。慢波板4C係由例如SiO₂ 或Al₂ O₃ 等之介電體材料所構成。

由微波源經由導波管5供給微波。微波在導波部4A與輻射線槽孔天線4B之間沿著徑向傳播，從輻射線槽孔天線4B的槽孔被放射出去。頂板3所傳播之微波具有偏振面，且整體形成圓偏振波。

以下説明本發明之實施形態之頂板3。頂板3係為簡單且平面狀之形態，或依電漿的共振條件而異具有不同的厚度等且可控制徑向之傳播之形態。

圖2係為本發明之實施形態之微波電漿處理裝置中由電漿產生室側所見之頂板3之平面圖。圖2所示之頂板3係由石英或氧化鋁等之傳播微波的介電體材料所形成。頂板3的厚度，係具有微波以多重模式傳播之厚度，例如石英的情況下可為30mm。頂板3在面向反應腔2側的面設置有凹部3A，並且於相反側的面的中心部具備有凹部3B。中心部之凹部3B與用以向反應腔2内供給電力給微波之天線4及導波管5之中心軸係位於同一位置。藉由將中心部之凹部3B的位置與微波的導入位置相對準，而產生以中心部之凹部3B為中心之軸對稱性佳之電漿至反應腔2内。圖2中之箭號R係為表示來自中心部之凹部3B的中心之徑向之一例，其與在頂板3内移動之微波的傳播方向相同。位於同一徑向之凹部3A從靠近中心起依序為3a1、3a2、3a3。

圖3A係為圖2之M-M線斷面圖。圖3B係為圖3A之一部份擴大圖。凹部3A之徑向之長度為W，深度為H。垂直於中心部之凹部3B與凹部3A所畫之點虛線係表示各個凹部之中心位置。從中心部之凹部3B的中心到凹部3a1的中心之距離為X1，到凹部3a2的中心之距離為X2，到凹部3a3的中心之距離為X3。

圖4係為表示輻射線槽孔天線4B之一例之平面圖。輻射線槽孔天線4B係為覆蓋導波部4A之天線4的開口部之形狀，並形成有多數之槽孔4b1、4b2。藉由於導波部4A的端部具備有輻射線槽孔天線4B可將電漿擴大。如圖4所示，槽孔4b1、4b2係以同心圓狀且相互直交之方式形成。電漿在槽孔4b1、4b2之長度方向垂直擴散，因此電漿係產生於頂板3之正下方。

微波從槽孔4b1、4b2向下方被放射出去並沿著徑向傳播，在頂板3内來回反射、互相干涉增強，並形成駐波。此時，於頂板3所具備之凹部3A的側面發生微波之高效率能量吸收之共鳴吸收，並在凹部3A的内部以單一之模式傳播。可形成在複數之凹部3A各自的内部以單一之模式傳播，且安定分佈於頂板3之正下方之電漿。在頂板3之凹部3A以外的地方，藉由微波之表面吸收而產生表面波電漿。由於表面波電漿的電漿密度低且對頂板3整體的影響小，因此頂板3的電漿的疏密位置圖樣變得固定，且形成安定之電漿模式。

於反應腔2内供給電力給微波且將電漿放射時，藉由由氣體通路7將氬氣(Ar)或氙氣(Xe)、及氮氣(N₂ )等之惰性氣體依需要一同導入氫氣等之處理氣體，而形成氬氣(Ar)或氙氣(Xe)電漿8。此時，即使是將反應腔2内形成10mPa~數10Pa程度之相對壓力較低之高真空狀態的情況下，亦可安定地產生電漿。

為了在凹部3A内以單一之模式傳播微波，凹部3A之傳播方向之口徑W較佳係為於介電體内所傳播之微波的波長的1/3至1/2的範圍之大小。其原因為當凹部3A之傳播方向之口徑W比波長的1/2大的情況時，在凹部3A之内部係形成固有模式，且依電漿產生室内的條件而異係以不同模式產生電漿。此外，發生相位相反且微波功率變弱，而無法得到強電漿。口徑W比波長的1/2小的情況時，雖然電漿模式維持安定，但電漿產生之面積變小。由於可得到之電漿的面積和口徑W的尺寸成比例，因此為了得到相同的電漿量，有必要多設置凹部3A。若考慮凹部3A於頂板3之加工，較佳係使凹部3A之數目以少量即可之方式，使口徑W比波長的大小的1/3大且儘可能接近波長的1/2的大小。

此外，為了在凹部3A内以單一之模式傳播微波，凹部3A之深度H較佳係為於介電體内所傳播之微波的波長的1/4至3/8的範圍之大小。凹部3A之深度H比波長的1/4小的情況時，於凹部3A之開口部附近產生電漿且形成固有模式，或產生不規則之表面波電漿，且電漿之疏密位置圖樣無法固定，而使電漿模式變得不安定。又，凹部3A之深度H比波長的3/8大的情況時，於凹部3A之深處產生電漿，電漿處理效率低落。

將複數個滿足上述之口徑W與深度H之凹部3A配置於頂板3之電漿產生側的面時，可配置在以微波之導入位置為中心之圓上。此時形成1個或2個以上之圓。再者，配置有凹部之圓的口徑較佳係為將凹部3A設置在駐波之增強的部分。又，藉由將凹部3A配置在點對稱的位置，可和頂板3的圓周方向無關地設置頂板3。

例如，圖3B之X1係為於介電體内所傳播之微波的波長的1個波長份之大小，X2係為2個波長份之大小，X3係為3個波長份之大小。從中心部之凹部3B的中心之波長的整數倍的位置，係為所形成之駐波增強的位置，且微波功率變得最大。在凹部3A的側面共鳴吸收的情況時，可有效率地得到能量。藉由在該處配置有凹部3a1、3a2、3a3，於各個凹部側面發生微波之共鳴吸收，且以單一之模式傳播，可有效率地得到安定之電漿分佈。

若考慮凹部3A之口徑W的尺寸時，所配置之圓的半徑可為於介電體内所傳播之微波的波長的大約整數倍，或較佳係為波長的整數倍的大小±1/4波長份之範圍内。

圖3B係表示凹部3A形成於所有相同徑向之波長的整數倍的位置之情況，但從相同徑向所見時，可只設置凹部3A於X1、X2、X3之任一者的位置，X1與X3之組合或X2與X3之組合的情況也有。較佳係為配置在以中心部之凹部3B為中心之包含X1的圓上、包含X2的圓上、包含X3的圓上的位置之點對稱的位置。從頂板3之口徑尺寸與於介電體内所傳播之微波的波長的大小之關係來看，可配置凹部3A之圓的數量有不同之情況，未限定只可至3個波長份的大小。

中心部之凹部3B係為了固定導入微波之位置或頂板3之位置所形成者，並不一定必須存在。又，亦有與微波之導入位置不一致的情況，或與頂板3之中心位置不一致的情況。這些情況係以微波之導入位置為基準而決定凹部3A之位置。

圖5係為本發明之其他實施形態之表示凹部之變形之平面圖，用以表示與頂板之電漿產生側的面平行之面。圖6係為又另一實施形態之表示凹部之變形之橫斷面圖，用以表示與頂板之電漿產生側的面垂直之面。

本發明之實施形態中之頂板3之凹部3A之與頂板3之電漿產生側的面平行之面，在圖2中雖係以圓形加以説明，但如圖5A、圖5B中之橢圓形或圓角四方形等亦可。這些係為變形例之一例，且未圖示之其他形狀亦可。從頂板之加工容易程度來看較佳雖係為圓形，但相對於徑向為線對稱之形狀，且凹部3A之口徑W滿足於介電體内所傳播之微波的波長的1/3至1/2的大小的範圍即可。

又，本發明之實施形態之頂板3之凹部3A的凹陷形狀，在圖2及圖3中雖係以圓柱形加以説明，但於電漿產生側的面具有底面之半球形、圓錐形等亦可(參照圖6A、圖6B)。在凹部3A的内側，於與電漿產生側的面非平行之面發生微波之共鳴吸收而產生電漿。

凹部3A的形狀係因斷面或深度方向之組合而有各式各樣之形狀，不限於圖示之例。

(實施例1)

圖7A及7B係以本發明之實施形態之頂板3進行電漿實驗，且確認頂板3之凹部3A的效果的例子。圖7A係為平面頂板的情況下(以下，稱為習知之頂板)之電漿的例子(照片)，圖7B係為具備本發明之凹部3A之頂板的情況下(以下，稱為本發明之頂板)之電漿的例子(照片)。

實驗中所用之頂板3係由石英所形成，本發明之頂板係於習知之頂板具備複數個凹部者。和電漿形成有關之條件為共通，且使用氬氣體，微波電力2000W，壓力1.33Pa進行實驗。

習知之平面頂板的情況下，電漿產生不均一，特別是周邊部分的疏密明顯。本發明的情況下，未發現頂板的中心部份與周邊部份有差異，可確認於複數之凹部3A的内部均一地產生電漿，且電漿模式安定。

(實施例2)

圖8A及8B係利用本發明之實施形態之頂板3，在不同壓力下形成電漿之例(照片)。圖8A係表示壓力1.33Pa的情況下(條件A)，圖8B係表示壓力66.65Pa的情況下(條件B)。壓力以外的條件係與實施例1相同。壓力係以條件A為1.33Pa，條件B為66.65Pa進行實驗。比較電漿形成之有無與當形成有電漿時之電漿分佈。

如圖8B，即使是使條件B在相對壓力較高的狀態之情況下，亦可以相同圖樣產生電漿。又，比較圖8A與圖8B時，可發現任一者皆以複數之凹部作為基準而形成電漿。比較條件A與條件B之電漿後，可發現電漿的大小幾乎相同，且形成均一的分佈之電漿。

習知之頂板中，由於壓力不同時電漿的產生圖樣(密度分佈)係隨之變化，因此為了保持產生圖樣為固定，有必要控制壓力。藉由利用本發明之頂板，如實施例2所示，不易被壓力條件所左右，且可得到再現性佳之均一的電漿。

壓力條件以外，調整温度或氣體的種類等而產生電漿。習知之頂板中，限定壓力範圍為較小之10mPa~數10Pa，其他條件之設定亦有限制。藉由利用本發明之頂板，即使是比過去低的壓力或高的壓力的情況亦可產生電漿，因此不受壓力條件限制，可選擇最適當的條件。

以下針對本發明之第2面向之電漿處理裝置加以説明。電漿處理裝置係與圖1所表示者相同。頂板係使用本發明之第1面向之電漿處理裝置之頂板。

使用習知之頂板時，雖有控制微波之徑向之傳播者，但由於未控制圓周方向之傳播，使得模式之安定不充分。再者，因電漿產生室2内之壓力變化等之影響，電漿產生的密度分佈相異，容易發生模式變化，並且依所導入之氣體的壓力或温度等條件、氣體的種類或其成分比等而發生模式變化。

藉由利用本發明之實施形態之頂板3，在凹部3A的内部吸收微波而產生電漿。不受微波之頂板3内之傳播模式影響，可在凹部3A的位置產生電漿，且可得到發生強度分佈幾乎相同之安定的電漿。因電漿之發生位置不限於凹部3A的位置，再現性亦佳。由於電漿發生的密度分佈係固定在凹部的位置不會變化，因此即使是改變所導入氣體的種類與成分比、或氣體的壓力與溫度等條件的情況下，亦可產生相同模式之電漿。

電漿處理裝置1中，即使是連續實施不同條件之電漿處理的情況下，亦可得到安定之電漿模式。只要調整配合電漿處理之氣體的種類或成分比、及温度或壓力，可得到發生強度分佈幾乎相同之電漿。沒有必要與別的頂板交換及改變於頂板内所傳播之微波的波長。再者，温度或壓力之必要的設定變更後，亦無為了得到必要之模式所實施之微調整或為了得到安定之模式之微調整。與過去相比作業時間縮短，並且安定、再現性佳。

凹部3A較佳係為微波傳播方向的口徑為於介電體内所傳播之微波的波長的1/3至1/2的範圍的大小，深度為1/4至3/8的範圍的大小。又，凹部3A的位置較佳係為配置在以微波之導入位置為中心之圓上，特別是圓的半徑為於介電體内所傳播之微波的波長的大約整數倍。可有效率地吸收所供給電力之微波，不浪費地產生電漿。此時將凹部3A配置在以微波之導入位置為中心之點對稱的位置時，可不考慮圓周方向而於電漿處理裝置1設置頂板3。

接下來，針對本發明之第3面向之電漿處理方法加以説明。

在電漿處理裝置内產生電漿時，使用於電漿產生側的面設置有凹部之頂板。微波係藉由於凹部的側面被共鳴吸收，可在内部以單一之模式產生強電漿。由於電漿之產生係在頂板的凹部的部位，因此電漿模式安定。

藉由使凹部之傳播方向之口徑為於介電體内所傳播之微波的波長的1/3至1/2的範圍的大小，深度為1/4至3/8的範圍的大小，在凹部3A的内部以單一之模式傳播，並產生強電漿。再者，藉由使以微波之導入位置為中心所配置之圓的半徑為於介電體内所傳播之微波的波長的大小的大約整數倍，於位於駐波之增強的位置之凹部的側面發生微波之共鳴吸收，可有效率地得到強電漿。

藉由在以微波之導入位置為中心之點對稱的位置具備有凹部，圓周方向之電漿模式安定，且可和方向無關地設置頂板。

在凹部内部係以單一模式產生電漿，因此，電漿處理裝置之電漿產生室内的氣氛或基板處理方法及電漿處理條件變化時，即，即使是所導入之氣體的種類與成分比、或氣體的壓力與温度等之條件變化時，不需改變於頂板與頂板内所傳播之微波的波長，而使電漿處理變得可能。

依本發明，為了可安定地產生相同模式之電漿，不需改變頂板與頂板内所傳播之微波的波長，且可在不同條件下連續處理電漿。本發明係在想改變成膜處理或蝕刻處理的條件之情況下特別有效。本發明之電漿處理方法亦可適用於其他如灰化處理等之所有的電漿處理。

又，作為被處理體之基板不限於半導體基板，亦可選擇玻璃基板或陶瓷基板等，且可適用各種種類之基板之電漿處理。

此外，於實施形態中所説明之頂板及電漿處理裝置、電漿處理方法係為一例，不限定於該等所述者。

本申請案係根據2008年2月13日所申請之日本特許出願2008-31310號。本說明書係參照日本特許出願2008-31310號之說明書、申請專利範圍、圖式全體而引用者。

本發明作為電漿處理裝置之頂板、電漿處理裝置及電漿處理方法係有用的。

1．．．電漿處理裝置

2．．．電漿產生室(反應腔)

3．．．頂板(介電體)

3A．．．凹部

3a1、3a2、3a3．．．凹部

3B．．．中心部之凹部

4．．．天線

4A．．．導波部(遮蔽組件)

4B．．．輻射線槽孔天線(RLSA)

4b1、4b2．．．槽孔

4C．．．慢波板(介電體)

5．．．導波管

5A．．．外側導波管

5B．．．內側導波管

6．．．基板支承台

7．．．氣體通路；氣體導入口

8．．．電漿

10．．．基板

圖1為有關於實施形態之電漿處理裝置之斷面圖。

圖2為有關於實施形態之微波電漿處理裝置的頂板從下面所見之平面圖。

圖3A為圖2之M-M線斷面圖。

圖3B為圖3A之一部份之擴大圖。

圖4為輻射線槽孔天線之平面圖。

圖5A為作為其他之實施形態之表示凹部之變形之平面圖。

圖5B為作為其他之實施形態之表示凹部之變形之平面圖。

圖6A為作為又另一實施形態之表示凹部之變形之斷面圖。

圖6B為作為又另一實施形態之表示凹部之變形之斷面圖。

圖7A為使用平面頂板的情況時之電漿的例子(照片)。

圖7B為使用本實施形態之頂板的情況時之電漿的例子(照片)。

圖8A為使用本實施形態之頂板，且壓力為1.33Pa的條件下所產生之電漿的例子(照片)。

圖8B為利用本實施形態之頂板，且壓力為66.65Pa之條件下所產生之電漿的例子(照片)。

1．．．電漿處理裝置

2．．．電漿產生室(反應腔)

3．．．頂板(介電體)

4．．．天線

4A．．．導波部(遮蔽組件)

4B．．．輻射線槽孔天線(RLSA)

4C．．．慢波板(介電體)

5．．．導波管

5A．．．外側導波管

5B．．．內側導波管

6．．．基板支承台

7．．．氣體通路；氣體導入口

8．．．電漿

10．．．基板

Claims (10)

1. 一種微波電漿處理裝置之頂板，係設置於微波電漿處理裝置且為傳遞微波之介電體之頂板，其特徵為：於電漿產生側的面係設置有複數凹部，該微波係於該複數凹部之側面被共鳴吸收，並且該微波係於該複數凹部之內部以單一的模式傳播，該複數凹部係配置於以該微波的導入位置為中心之1個或2個以上的圓上。
2. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中該頂板係具有使該微波以多重模式傳播之厚度。
3. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中配置著該複數凹部之圓的半徑係為在該介電體內所傳播之微波的波長的大約整數倍的大小。
4. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中該複數凹部係配置於以該微波的導入位置為中心之點對稱的位置。
5. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中該複數凹部之該微波所傳播方向的口徑係為該介電體內所傳播之微波的波長的1/3至1/2的範圍的大小。
6. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中該複數凹部之深度係為該介電體內所傳播之微波的波長的1/4至3/8的範圍的大小。
7. 如申請專利範圍第1項之微波電漿處理裝置之頂板，其中該複數凹部之與該電漿產生側的面平行的斷面係為圓形。
8. 一種電漿處理裝置，其特徵為包含：一電漿產生室，其係實施電漿處理；一槽孔天線，其係導入用於在該電漿產生室內產生電漿之微波；以及一頂板，其係於電漿產生側的面具備有複數凹部，該微波係於該複數凹部之側面被共鳴吸收，並且該微波係於該複數凹部之內部以單一的模式傳播，該複數凹部係配置於以該微波的導入位置為中心之1個或2個以上的圓上。
9. 一種電漿處理方法，其特徵為利用在電漿產生側的面具備複數凹部之頂板來產生電漿，其中該微波係於該複數凹部之側面被共鳴吸收，並且該微波係於該複數凹部之內部以單一的模式傳播，該複數凹部係配置於以該微波的導入位置為中心之1個或2個以上的圓上。
10. 如申請專利範圍第9項之電漿處理方法，其中該電漿之產生係不改變該頂板與該頂板內所傳播之微波的波長，並且在電漿產生室內之2個以上不同的氣氛條件下產生電漿。