TWI643236B - 電漿處理裝置 - Google Patents

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河西繁
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藤野豊
Yuki Osada
長田勇輝
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Tomohito Komatsu
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Abstract

在電漿處理裝置中抑制成膜於噴淋板的氣孔且 有效率地使電漿產生，該電漿處理裝置係具有將氣體導入至處理容器內的噴淋板，且藉由微波使表面波電漿產生。
具備了進行電漿處理之處理容器(10)與將 氣體供給到處理容器(10)內之噴淋板(100)的電漿處理裝置，係具有：下垂構件(101)，從噴淋板(100)之下端面向下方突出。下垂構件(101)之外側面，係從上端部朝向下端部往外側擴展，噴淋板(100)，係具備有：複數個第1供給口(133)，將第1氣體供給至處理容器(10)內；及複數個第2供給口(151)，供給第2氣體，第1氣體供給口(133)係配置於比下垂構件(101)之外側面更靠近內側，第2氣體供給口(151)係配置於比下垂構件之外側面更靠近外側。

Description

電漿處理裝置
本發明，係關於具備了將預定氣體供給至處理容器內之噴淋板的電漿處理裝置。
電漿處理，係半導體元件製造所不可欠缺的技術。近年來，由於LSI之高積體化及高速化之需求，需要對構成LSI之半導體元件做更微細加工。
但是，在電容耦合型電漿處理裝置或感應耦合型電漿處理裝置所生成之電漿的電子溫度高，且電漿密度高之區域受限。因此，難以實現可因應半導體元件更為微細加工需求的電漿處理。
因此，為了實現像這樣的微細加工，必須生成低電子溫度且高電漿密度的電漿。為了因應此需求，而提出一種藉由微波在處理容器內生成表面波電漿，藉此對半導體晶圓(以下，稱為「晶圓」)進行電漿處理的裝置(例如，專利文獻1)。
在專利文獻1中，提出了一種電漿處理裝置，其係使微波傳送至同軸管而放射至處理容器內，且藉 由微波之表面波所擁有的電場能量來激發電漿產生用之氣體，藉此，以低電子溫度使高電漿密度的表面波電漿產生。
但是，在專利文獻1的電漿處理裝置中，為了將微波從同軸管放射至處理容器內，其頂部係形成為以石英等之介電質板夾持表面波電漿與天線之間的構造，處理氣體係形成為從處理容器之側壁供給至處理容器內的構造。如此一來，由於從頂部以外供給氣體，因此，無法控制氣體的流動，難以進行良好的電漿控制。
因此，在引用文獻2中，係提出一種在天線的下方設置由具有多數個氣體放出孔之介電質所構成的噴淋板，且經由該噴淋板將處理氣體向垂直下方導入至處理容器內的技術。藉此，在處理容器內形成垂直方向的氣流並均勻地供給處理氣體，而形成均勻的電漿。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-188103號公報
[專利文獻2]日本特開2005-196994號公報
然而，根據本發明者們，已確認了藉由具有例如引用文獻2般之天線及噴淋板的電漿處理裝置，對例 如晶圓進行成膜處理時，而導致在噴淋板之孔的內部亦形成膜。如此一來，因對孔之內部形成膜，而有堵塞噴淋板的孔之虞。
推測其原因：因表面波電漿，而使噴淋板附近的區域中之電漿的電子溫度高於遠離噴淋板表面之位置的電子溫度。因此，在成膜處理中，例如單矽烷氣體(SiH4)等之原料氣體會在噴淋板附近被過度分解。其結果，在噴淋板之孔部分形成成膜沈積或氣相反應，而變成引起塵埃的原因。
本發明者們針對該點進行調查後，確認了在形成於噴淋板之微波的放射孔(縫槽)附近，電子溫度變得特別高。因此，原料氣體之過度分解，推測其大多數是發生在形成於噴淋板的縫槽附近。
為了防止原料氣體過度分解，而只要使供給到天線之微波的輸出下降即可。然而，當使微波之輸出下降時，存在有電漿產生用之氣體不能充分得到激發，而無法形成穩定之電漿的問題。又，從生產率的觀點來看，亦期望能夠有效率地激發電漿產生用之氣體，例如提高成膜處理中的成膜速率。
本發明，係有鑑於該觀點所進行研究者，其係以在電漿處理裝置中抑制膜形成於噴淋板的氣孔且有效率地使電漿產生為目的，該電漿處理裝置係具有將氣體導入至處理容器內的噴淋板，且藉由微波使表面波電漿產生。
為了達成上述目的，本發明，係一種電漿處理裝置，其係具有具備了將第1氣體及第2氣體供給至處理容器內之噴淋板的電漿產生用天線，並藉由透過微波之供給而形成於前述噴淋板表面的表面波，形成電漿從而處理基板，該電漿處理裝置，其特徵係，具有從前述噴淋板之下端面向下方突出且由導電體所構成的下垂構件，前述下垂構件的外側面，係從上端部朝向下端部往外側擴展，前述噴淋板，係具備有：複數個第1氣體供給口，將第1氣體供給至前述處理容器內；及複數個第2氣體供給口，供給第2氣體，前述第1氣體供給口係配置於比前述下垂構件之外側面更靠近內側，前述第2氣體供給口係配置於比前述下垂構件之外側面更靠近外側。
根據本發明，由於在比下垂構件之外側面更靠近內側設有第1氣體供給口，故第1氣體不會通過噴淋板外周部之電子溫度高的區域。因此，即使使用原料氣體作為例如第2氣體，亦能夠避免該原料氣體被表面波電漿過度分解。其結果，能夠抑制反應生成與氣相反應所致的沈積物朝向噴淋板的氣孔。又，由於下垂構件之外側面係從上端部朝向下端部往外側擴展，故微波會在該下垂構件之外側面往橫方向或斜上方向反射。其結果，下垂構件之外側面附近的電場強度會變高，而能夠有效率地激發從第2氣體供給口所供給的第2氣體並使電漿產生。
在前述下垂構件之內部，係形成有從該下垂構件之上端面連通至下端面的貫通孔，前述第1氣體供給口，係亦可連接於前述貫通孔。
前述下垂構件之下面為圓形，前述第1氣體供給口，係亦可設置於與作為Bessel方程式之解而獲得之前述下垂構件的下端面中之電場強度分布之極小值相當的位置。
前述下垂構件，係形成為環狀，前述第1氣體供給口，係亦可配置於比前述下垂構件之內側面更靠近內側。
在前述各第1氣體供給口，係亦可分別連接有從前述噴淋板之下面向垂直下方突出的複數個供給噴嘴。
前述下垂構件之外側面，係亦可為朝向下方逐漸向外測擴展的拋物線形狀。
前述第1氣體，係亦可為比前述第2氣體更容易被電漿分解的氣體。
前述第1氣體係原料氣體，前述第2氣體係亦可為電漿產生用氣體。
在前述噴淋板，係設置有將微波放射至前述處理容器內的微波放射孔，微波放射孔，係於俯視下，亦可配置成位於比前述下垂構件之外周端部更靠近內側。
根據本發明，係能夠在電漿處理裝置中抑制反應生成與氣相反應所致的沈積物朝向噴淋板的氣孔，並且有效率地使電漿產生，該電漿處理裝置係具有將氣體導入至處理容器內的噴淋板，且藉由微波使表面波電漿產生。
1‧‧‧電漿處理裝置
10‧‧‧處理容器
11‧‧‧基座
12‧‧‧支撐構件
13‧‧‧匹配器
14‧‧‧高頻電源
30‧‧‧微波傳送機構
40‧‧‧微波輸出部
50‧‧‧天線模組
100‧‧‧噴淋板
101‧‧‧下垂構件
110‧‧‧上部板體
120‧‧‧下部板體
130‧‧‧氣體流路
133‧‧‧第1氣體供給口
140‧‧‧氣體流路
151‧‧‧第2氣體供給口
220‧‧‧縫槽
500‧‧‧控制裝置
U‧‧‧電漿空間
W‧‧‧晶圓
X‧‧‧區域
[圖1]表示本實施形態之電漿處理裝置之構成之概略的縱剖面圖。
[圖2]表示微波之輸出側之機構的圖。
[圖3]示意地表示微波傳送機構之構成的平面圖。
[圖4]表示微波導入機構附近之構成之概略的放大縱剖面圖。
[圖5]表示下垂構件附近之構成之概略的立體圖。
[圖6]表示以往之噴淋板附近之電子溫度之分布的說明圖。
[圖7]表示以往之噴淋板附近之電場強度之分布的說明圖。
[圖8]表示具備了下垂構件之噴淋板附近之電場強度之分布的說明圖。
[圖9]表示具備了下垂構件之噴淋板附近之電子溫度之分布的說明圖。
[圖10]表示具備了下垂構件之噴淋板附近之電子密 度之分布的說明圖。
[圖11]表示其他實施形態之電漿處理裝置之構成之概略的縱剖面圖。
[圖12]表示其他實施形態之下垂構件之構成之概略的側視圖。
[圖13]表示其他實施形態之下垂構件之構成之概略的側視圖。
[圖14]表示其他實施形態之下垂構件之構成之概略的縱剖面圖。
[圖15]下垂構件之下面之電場強度分布的實測值。
[圖16]下垂構件之下面之表面波的傳播模式。
[圖17]表示下垂構件之下面之表面波的Bessel方程式。
[圖18]作為Bessel方程式之解而獲得之Bessel函數。
[圖19]下垂構件之下面之電場強度分布的理論值及實測值。
[圖20]表示其他實施形態之下垂構件之構成之概略的說明圖。
以下，參閱附加圖面詳細說明本發明之實施形態。另外，在本說明書及圖面中，針對實質上具有相同功能構成的構成要素，係藉由賦予相同符號來省略重複說 明。
首先，參閱圖1說明本實施形態之電漿處理裝置的全體構成。圖1，係概略表示電漿處理裝置1的縱剖面圖。
在本實施形態中，係以對半導體晶圓W(以下稱為晶圓W)施予作為電漿處理之成膜處理的CVD裝置為例，說明電漿處理裝置1。電漿處理裝置1，係在被保持氣密的內部中具有對晶圓W進行電漿處理的處理容器10。處理容器10，係上面呈開口之大致圓筒狀且由例如鋁等的金屬所形成。該處理容器10，係接地。
在處理容器10的底部，設有載置晶圓W的基座11。基座11，係經由絕緣體12a被支撐構件12予以支撐，並被設置於處理容器10的底部。藉此，基座11，係形成為與處理容器10電性絕緣的狀態。作為基座11及支撐構件12的材料，係列舉出對表面進行耐酸鋁處理(陽極氧化處理)的鋁等。
在基座11，係經由整合器13連接有偏壓用的高頻電源14。高頻電源14，係對基座11施加偏壓用的高頻電力，藉此，電漿中的離子會被引入至晶圓W側。另外，雖未圖示，但在基座11亦可設置用於靜電吸附晶圓W的靜電夾盤、溫度控制機構、用於將熱傳達用氣體供給至晶圓W背面的氣體流路、搬送晶圓W時進行升降的升降銷等。
在處理容器10的底部設有排氣口15，在排氣 口15連接有包含真空泵的排氣裝置16。當使排氣裝置16動作時，處理容器10的內部會被排氣，而處理容器10內會被減壓至所期望的真空度。又，在處理容器10的側壁形成有搬入搬出口17，藉由可開關搬入搬出口17之閘閥18的關關，搬入搬出晶圓W。
在基座11之上方，係裝設有將氣體供給至處理容器10內，並同時可進行微波之供給的電漿產生用天線20(以下，稱為「天線20」)。天線20，係設成為堵塞處理容器10上部的開口。藉此，在基座11與天線20之間形成有電漿空間U。在天線20的上部，係形成為連結有傳送微波的微波傳送機構30，且可將從微波輸出部40所輸出的微波傳遞至天線20。
在電漿處理裝置1中，係如圖1所示設有控制部500。控制部500係例如為電腦，具有程式儲存部(未圖示)。在程式儲存部，係儲存有控制電漿處理裝置1中之晶圓W之處理的程式。另外，前述程式係被記錄於例如電腦可讀取之硬碟(HD)、軟碟片(FD)、光碟(CD)、磁光碟(MO)、記憶卡等之電腦可讀取的記憶媒體者，亦可為由該記憶媒體安裝於控制部500者。
接下來，參閱圖2，說明微波輸出部40及微波傳送機構30的構成。
微波輸出部40，係具有微波用電源41、微波振盪器42、放大器43及將增幅後之微波分配為複數的分配器44。微波用電源41，係對微波振盪器42供給電力。 微波振盪器42，係使例如860MHz之預定頻率的微波進行PLL振盪。放大器43，係使已振盪的微波增幅。分配器44，係一邊以儘可能不產生微波損失的方式，取得輸入側與輸出側的阻抗匹配，一邊分配由放大器43所增幅後的微波。
微波傳送機構30，係具有將由分配器44所分配之微波引導到處理容器內的複數個天線模組50與微波導入機構51。另外，圖2雖示意地描繪微波傳送機構30具備2個天線模組50與2個微波導入機構51的狀態，但在本實施形態中，例如如圖3所示，微波傳送機構30係具有例如7個天線模組50，6個天線模組50係被配置於同一圓周狀，在其中心，1個天線模組50係被配置於天線20的上部。
天線模組50，係具有相位器52、可變增益放大器53、主放大器54及隔離器55，且將從微波輸出部40所輸出的微波傳送至微波導入機構51。
相位器52，係構成為使微波的相位改變，藉由調整此而能夠調變微波的放射特性。藉此，能夠控制指向性來使電漿分布改變。另外，在不需調變像這樣的放射特性時，則不必設置相位器52。
可變增益放大器53，係用以調整輸入到主放大器54之微波的電功率級數，而進行電漿強度的調整。主放大器54，係構成固態增幅器。固態增幅器，係可構成為具有未圖示的輸入匹配電路、半導體放大元件、輸出 匹配電路及高Q諧振電路。
隔離器55，係用以分離由天線20所反射而返回至主放大器54之微波的反射波者，具有循環器與虛擬負載(同軸終端器)。循環器，係將由天線20所反射的微波引導到虛擬負載，虛擬負載係將循環器所引導之微波的反射波轉換成熱。
接下來，參閱圖4說明微波導入機構51及電漿產生用天線20的構成。圖4，係放大表示本實施形態之微波導入機構51及天線20之例如左半部之構成之概略的縱剖面圖。
微波導入機構51，係具有同軸管60及慢波板70。同軸管60，係具有由筒狀之外部導體60a及設於其中心之棒狀的內部導體60b所構成的同軸狀導波管。在同軸管60的下端，係經由慢波板70設有天線20。同軸管60，係內部導體60b形成為供電側，外部導體60a形成為接地側。在同軸管60，係設有調諧器80。調諧器80，係具有例如2個芯塊80a，構成芯塊調諧器。芯塊80a，係構成為介電質構件的板狀體，且圓環狀地設於同軸管60的內部導體60b與外部導體60a之間。調諧器80，係根據來自後述之控制部500的指令，藉由以未圖示的驅動機構使芯塊80a上下動作，藉此來調整同軸管60的阻抗。
慢波板70，係鄰接於同軸管60的下面而設。慢波板70，係由圓板狀的介電體構件所形成。慢波板70，係穿透經由同軸管60所傳送的微波，引導到天線 20。
天線20，係具有噴淋板100。噴淋板100，係鄰接於慢波板70的下面而設。噴淋板100，係直徑大於慢波板70的大致圓盤形狀，且藉由鋁或銅等之電導率高的導電體所形成。噴淋板100，係露出於處理容器10的電漿空間U側，並使表面波傳播至所露出的下面。在此，噴淋板100的金屬面會露出於電漿空間U側。以下，將像這樣傳播至露出之下面的表面波稱為金屬表面波。
在噴淋板100之下面且對應於同軸管60之下方的位置，係於下方亦即電漿空間U側設置有突出的下垂構件101。下垂構件101，係具有圓形之底面形狀的大致圓錐台形狀，且與噴淋板100相同，藉由鋁或銅等之電導率高的導電體所形成。下垂構件101之外側面，係例如從其上端面朝向下端面逐漸向外側擴展，例如具有以噴淋板100與下垂構件101之外側面的接點為原點的拋物線形狀。
噴淋板100，係形成為上下重疊大致為圓盤形狀之上部板體110與同樣大致為圓盤形狀之下部板體120的構成。在上部板體110，係形成有貫通其上面且使氣體流通至該上部板體110之徑方向的氣體流路130。在氣體流路130，係經由供給管132而連接有供給第1氣體的第1氣體供給源131。另外，第1氣體，係亦可為複數個種類的氣體，又，亦可為該些的混合氣體。作為第1氣體，係使用作為原料氣體之例如單矽烷(SiH4)氣體等。在上部 板體110之下面且比下垂構件101之外側面更靠近內側的位置，係向垂直上方延伸設置有與氣體流路130連通的複數個第1氣體供給口133。又，在不同於上部板體110之第1氣體供給口133的位置，係形成有複數個作為通過微波之微波放射孔的縫槽220。另外，從該縫槽220之中心朝向垂直下方而拉引出的假想線，係以與下垂構件101之外側面交叉的方式，設定下垂構件101的形狀與縫槽220的配置為較佳。換言之，於俯視下，縫槽220之中心線，係以位於比下垂構件101下面之外周端部更靠近內側的方式，配置縫槽220為較佳。
在下部板體120中之與上部板體110之各第1氣體供給口133對應的位置，係分別形成有向上下方向貫穿該下部板體120的貫通孔150。藉此，從第1氣體供給口133供給的第1氣體，係可通過貫通孔150而到達下部板體120之下端面。又，在下部板體120中之與上部板體110之縫槽220對應的位置，係與上部板體110相同，形成有縫槽220。
在下垂構件101之內部且對應於各貫通孔150之下端的位置，係分別形成有從該下垂構件101之上端面連通至下端面的貫通孔160。又，下垂構件101，係設置為從下部板體120之下端，向垂直下方突出僅預定長度L。因此，從第1氣體供給源131被供給至氣體流路130的第1氣體，係通過該複數個貫通孔160，從低於下部板體120僅預定長度L的位置，導入至處理容器10的電漿 空間U。
又，在下部板體120，係形成有貫通其側面且使氣體流通至該下部板體120之徑方向的氣體流路140。在氣體流路140，係經由供給管142而連接有供給第2氣體的第2氣體供給源141。作為第2氣體，係使用電漿產生用之例如氮氣、氬氣、氫氣或混合了該等氣體的氣體等。另外，以流通氣體流路140之氣體與流通氣體流路130之氣體不會在噴淋板100內混合的方式，完全獨立設置氣體流路140與氣體流路130。
在下部板體120之下面而比下垂構件101之外側面更靠近外側的位置且不同於縫槽220的位置，係朝垂直上方延伸設置有與氣體流路140連通的複數個第2氣體供給口151。從第2氣體供給源141供給至氣體流路140的第2氣體，係通過各第2氣體供給口151，從下部板體120的下面被導入至處理容器10的電漿空間U。
上述的複數個縫槽220，係被設置於與屬於氣體之供給路徑的氣體流路130、140、複數個第1氣體供給口133、第2氣體供給口151及貫通孔150、160不同的位置，且貫穿於與噴淋板100之徑方向垂直的方向。縫槽220的一端係與慢波板70鄰接，另一端係開口於處理容器10的電漿空間U側。微波，係在同軸管60傳播且穿透慢波板70之後，被通過於複數個縫槽220而放射至處理容器10內。另外，亦可設成為以石英等的介電質來充滿縫槽220之內部的構造。
貫通孔160及第2氣體供給口151的直徑，係形成為如放射至處理容器10內的微波不會進入該貫通孔160及第2氣體供給口151之內部的大小。在本實施形態中，係例如為0.6mm。又，縫槽220與第1氣體供給口133、第2氣體供給口151及貫通孔150、160，皆在噴淋板100內被完全分離。藉此，能夠防止第1氣體供給口133、第2氣體供給口151或貫通孔150、160中的異常放電。
另外，慢波板70、上部板體110及下部板體120的接觸面，係分別藉由未圖示的O形環來密封。藉此，可將處理容器10或縫槽220的內部設成為真空狀態，並避免第1氣體與第2氣體在噴淋板100內混合的情形。
另外，露出於噴淋板100之電漿側的面亦即下部板體120之下面及下垂構件101的表面，係亦可藉由熔射而被例如氧化鋁(Al2O3)或氧化釔(Y2O3)的被膜(未圖示)覆蓋。藉此，導體面亦可不露出於電漿空間側。
圖5，係表示下垂構件101、下部板體120與形成於第2氣體供給口151及下垂構件101之貫通孔160之概略之位置關係的一例，並為表示從斜下方觀看下垂構件101附近之狀態的立體圖。另外，在圖5中，係針對縫槽220省略其記載。例如如圖5所示，設於下垂構件101的貫通孔160，係在該下垂構件101之中央部附近，以同心圓狀的方式配置複數個。又，如上述，第1氣體供給口 133及貫通孔150，係設置於與貫通孔160對應的位置。因此，在本實施形態中，第1氣體供給口133及貫通孔150，亦例如如圖5所示，與下垂構件101形成為同心圓狀的配置。第2氣體供給口151，係與下垂構件101之上端部例如以同心圓狀的方式配置複數個。另外，在圖5中，第2氣體供給口151，係在從下方觀看下垂構件101時，雖配置於被下垂構件101覆蓋而無法目視確認的位置，但不一定要配置於因為下垂構件101而無法目視確認的位置。
接下來，連同本發明之原理一併說明噴淋板100及下垂構件101附近的構成。在使用了微波之電漿處理中，為了在成膜於晶圓W時，將使用來作為原料氣體之例如單矽烷(SiH4)分解成SiH3，而需消耗約8.75eV以上的能量。另一方面，被使用來作為電漿產生用氣體之例如氮氣，係其結合能約為9.91eV。亦即，對於激發氮氣而生成氮電漿或氮自由基而言，係必須賦予約9.91eV以上的能量。因此，在該情形的微波電漿處理中，供給到天線20之微波的輸出，係將更高的能量亦即用於激發電漿產生用氣體的能量定為基準。在此，在使用了金屬表面波的微波電漿處理(特別是應用了衰減波之表面波所致的電漿處理)中，通常天線20之下端面附近例如距離天線下面大概5mm以內的區域，係與遠離天線下面大概5mm以上的區域比較，電子溫度來得高。
又，本發明者們在進行調查之後，確認了電 子溫度係在形成於噴淋板100的縫槽220附近變得特別高。在圖6中，表示縫槽220形成於外周部之噴淋板110附近之電子溫度的分布。圖6之縱軸，係處理容器10內的高度；橫軸，係遠離同軸管60之中心軸之水平方向的距離。另外，在圖6中，係針對縫槽220的中心距離同軸管60之中心軸大概35mm時的電子溫度分布進行繪製。又，圖6所示之虛線，係電子溫度變為1eV的邊界線。圖6，係表示在比該虛線更靠縫槽220的區域X(以縫槽220為中心，大概半徑35mm左右的區域)中，電子溫度變得高於1eV，且縫槽220附近成為高電子溫度的區域。亦即，在該區域X中，電漿產生用氣體及原料氣體活躍地進行電離。因此，如以往，當從噴淋板供給作為電漿產生用氣體的氮氣與作為原料氣體的單矽烷氣體兩者時，氮氣雖在電子溫度高的區域X中被分解而形成為氮離子、氮原子自由基、氮原子，但在電子溫度低的區域中，由於能量不足，故幾乎不會生成反應性高之原子狀氮。另一方面，單矽烷氣體雖即使在區域X之外側亦會被分解成SiH3，但由於在電子溫度變高的區域X中會生成較多的SiH2、SiH，故在該區域X中SiH2、SiH會過度生成而形成矽的膜，從而沈積於噴淋板的氣體供給口。
為了抑制反應生成與氣相反應所致的沈積物，而只要藉由降低供給至天線20之微波的輸出來使區域X中的電子溫度下降即可。然而，當以防止SiH2、SiH的過度生成為目的而降低微波的輸出時，會無法得到用於 分解電漿產生用氣體之預定的電子溫度。因此，對降低微波之輸出也有其限制。
因此，本發明者們，為了抑制不必要之反應生成與氣相反應所致的沈積物沈積到氣體供給口，從而審慎檢討關於不用通過電子溫度高的區域X就將從噴淋板100所供給的原料氣體導入至處理容器10內的方法。但是，如以往，當將原料氣體從處理容器10之側壁供給至處理容器10內時，控制處理容器10內之氣體的流動會變得困難，且無法獲得均勻的電漿。
因此，本發明者們構想了下述論點：只要以在噴淋板100之內部不混合電漿產生用之氣體與原料氣體的方式分別設置氣體流路130、140，且分別將電漿產生用之氣體供給至區域X或區域X附近，另一方面，將原料氣體供給至遠離區域X的地方，即可避免原料氣體過度分解且有效率地激發電漿產生用之氣體。而且，根據該構想，想到了在噴淋板100之下端設置例如如圖4所示的下垂構件101。
在噴淋板100的下端設置下垂構件101時，本發明者們，係首先針對噴淋板100附近的電場強度進行調查。在圖7及圖8中，表示關於縫槽220形成於外周部之噴淋板100附近之電場強度的分布及其方向。圖7係表示僅設置了噴淋板100時的電場強度分布，圖8係表示在噴淋板100之下端設置了下垂構件101時的電場強度分布。圖7、圖8之三角形的大小，係表示電場強度之強 弱，三角形之方向係表示電場之方向。如圖7所示，在未設置有下垂構件101的噴淋板100中，電場雖主要朝向下方，但以設置下垂構件101的方式，如圖8所示，確認了在下垂構件101的外側面附近，其橫方向的電場強度會變高。由此可推測為在下垂構件101之外側面附近可得到高電子溫度。其原因可能為：由於下垂構件101之外側面係從上端部朝向下端部往外側擴展，故微波會在該下垂構件101之外側面往橫方向或斜上方向反射，從而在下垂構件101之外側面附近形成高能量的狀態。
接下來，在圖9中，表示在噴淋板100設置下垂構件101時之噴淋板100附近之電子溫度的分布。另外，即使在圖9中，同軸管60之中心軸與直至縫槽220之中心的距離，係與圖6之情形相同，大概為35mm，下垂構件101之下面的半徑係大概為45mm。由圖9可確認：藉由設置下垂構件101，電子溫度成為1eV以上的區域X，係分布於縫槽220附近且下垂構件101的外側面，在下垂構件101的下面，其電子溫度係成為大概1eV以下。推測其原因為：如上述，由於下垂構件101之外側面係從上端部朝向下端部往外側擴展，故微波會在該下垂構件101之外側面往橫方向或斜上方向反射，藉此下垂構件之外側面附近的電場強度會變高。
因此，如圖4所示，藉由在下垂構件101之外側面的外側配置第2氣體供給口151，並在比下垂構件101之外側面更靠近內側配置第1氣體供給口133及貫通 孔150、160的方式，一方面係將電漿產生用氣體集中地供給至區域X，另一方面係不用通過區域X就能夠將容易分解的原料氣體導入至處理容器10內。該情況下，由於可抑制原料氣體在區域X被過度分解，故可抑制原料氣體所致之前驅物的生成，並防止貫通孔160或第2氣體供給口151堵塞。
另外，亦確認了關於設置了下垂構件101時之噴淋板100附近的電子密度後，如圖10所示，確認了在縫槽220附近且下垂構件101之外側面附近形成高密度的區域。由此亦可確認，區域X會成為高能量的狀態，並在區域X中有效率地激發電漿產生用之氣體。
在此，例如由圖9所確認般，電子溫度高的區域X，係從下垂構件101之外側面往外側方向分布，例如在從下方觀看下垂構件時，在下垂構件101底面之外側的位置亦分布有區域X。因此，如上述，第2氣體供給口151，係不一定要設置於在從下方觀看下垂構件101時被下垂構件101覆蓋而無法目視確認的位置，只要是設置於面向區域X的位置即可。另外，根據本發明者們，確認了例如本實施形態，在下垂構件101的外側面具有以噴淋板100之下部板體120與垂下部材101之接點為原點的拋物線形狀時，在該拋物的焦點附近會成為高能量狀態。在該情況下，第2氣體供給口151，係設置於面向焦點附近的位置為較佳。
另外，藉由在下部板體120設置屬於突起物 之下垂構件101的方式，在該下垂構件101亦傳播有表面波，因而有阻礙在電漿空間U中生成均勻電漿的可能性。因此，下垂構件101的長度L，即使為最大亦設成為導入至處理容器10內之微波的波長以下為較佳，設成為波長的1/2以下為更佳。根據本發明者們，確認了以像這樣設定下垂構件101之長度L的方式，可抑制下垂構件101中之表面波的傳播，並在處理容器10內穩定地生成電漿。在本實施形態中，由於使用波長為348.6mm之860MHz的微波，故下垂構件101的長度L係設定在大概10mm~60mm的範圍為較佳，而設定在20mm~40mm的範圍為更佳。
本實施形態之電漿處理裝置1，係基於上述般之見解者。接下來，以在晶圓W形成氮化矽膜的情形為例，說明使用電漿處理裝置1所進行的處理。
首先，將晶圓W搬入至處理容器10內，並載置於基座11上。且，從第2氣體供給源141，將作為電漿產生用氣體之混合了氮氣、氬氣及氫氣的氣體，經由噴淋板100的下部板體120導入至處理容器10內。接下來，從微波輸出部40輸出微波，而通過微波傳送機構30及慢波板70、縫槽220，將微波導入至處理容器10內。藉此，藉由形成於天線20及下垂構件101之表面的金屬表面波，生成表面波電漿。此時，由於設置有縫槽220之下垂構件101之外側面附近的區域X係高能量的狀態，故從設置於下垂構件101之外側面附近之第2氣體供給口 151所供給之電漿產生用的氣體，會在該區域X中被高能量激發，而有效率地生成氮自由基。與此同時，作為原料氣體之單矽烷氣體，係從第1氣體供給源131，經由第1氣體供給口133、貫通孔150、160被導入至處理容器10內。
導入至處理容器10內的單矽烷氣體，係被電漿激發而分解成SiH3。此時，由於單矽烷氣體係從下垂構件101的底面被導入至處理容器10的電漿空間U，故單矽烷氣體不會通過電子溫度高的區域X。其結果，可抑制過剩之SiH3所致的反應生成與氣相反應。
且，氮自由基及SiH3，係伴隨著從噴淋板100朝向晶圓W之垂直下方的氣流而到達晶圓W的表面，且在晶圓W上面沈積為氮化矽。藉此，在晶圓W的上面形成氮化矽膜。
根據上述實施形態，由於第1氣體供給口133設置於比下垂構件101之外側面更靠近內側，故第1氣體不會通過形成於噴淋板100之縫槽220附近之電子溫度高的區域X。因此，能夠避免單矽烷氣體被表面波電漿過度分解。其結果，在使用噴淋板100對晶圓W施予電漿處理時，可抑制在噴淋板100之貫通孔160或第2氣體供給口151這樣的氣孔存在有反應生成與氣相反應所致的沈積物，在本實施形態中，係可抑制形成矽膜。
又，下垂構件101之外側面係具有拋物線形狀，且以從縫槽220之中心朝向垂直下方而拉引出的假想 線與該拋物線交叉的方式，設定下垂構件101的形狀與縫槽220的配置，故微波會在該下垂構件101之外側面往橫方向或斜上方向反射。因此，在下垂構件101的外側面附近，電場強度會變高，而在下垂構件101之外側面形成高能量狀態的區域X。其結果，從第2氣體供給口所供給的第2氣體在區域X中有效率地被激發，故能夠有效率地產生電漿。另外，縫槽220與下垂構件101的位置關係並不一定限定於本實施形態之內容，即使縫槽220位於下垂構件101外側面之拋物線形狀的外側，從縫槽220導入的微波亦會被下垂構件101的外側面反射，故在下垂構件101之外側面附近可形成電場強度高的區域。
又，根據本實施形態，藉由在噴淋板100之下面設置下垂構件101的方式，例如如圖8所示，橫方向之電場強度會在下垂構件101的外側面附近變高。在此，在不設置下垂構件101之以往的噴淋板中，例如如圖7所示，從該噴淋板朝向橫方向之電場的擴展並不大，而對應於同軸管60下方之區域的電場強度有比其以外之區域的電場強度相對變高的傾向。其結果，處理容器內的電場強度會變得不均勻，而對電漿處理的均勻性有限制。該觀點，如本實施形態般，以設置下垂構件101的方式，提高橫方向的電場強度，並能夠使電場強度分布比以往更均勻化。因此，根據本實施形態之電漿處理裝置1，能夠進行均勻性比以往高的電漿處理。
另外，由於下部板體120之下面附近係藉由 表面波電漿而成為高溫，故在流路140內流通的氣體亦因該電漿的熱而溫度上升。其結果，氣體流路140內之氣體的內部能量會增加，而成為易被表面波電漿分解的狀態。因此，難以分解的氣體亦即在該情況下，只要使電漿產生用氣體流通至氣體流路140內，即可促進表面波電漿所致之分解。因此，供給電漿產生用之氣體的第2氣體供給源141，係連接於下部板體120的氣體流路140為較佳。
另外，在上述的實施形態中，第1氣體供給口133雖係僅設置於與下垂構件101對應的位置，但第1氣體供給口133亦可設置於除了與下垂構件101對應之位置以外處，例如如圖11所示，亦可在噴淋板100的下面，以大概等間隔的方式，配置第2氣體供給口151與第1氣體供給口133。另外，在與下部板體120之第1氣體供給口133對應的位置，係形成有貫通孔150。在該情況下，為了藉由使屬於原料氣體的第1氣體通過下部板體120下面之電子溫度高之區域的方式，防止反應生成與氣相反應所致的沈積物堵塞第2氣體供給口151或貫通孔150這樣的氣孔，而亦可在貫通孔150之下端設置預定長度的供給噴嘴200。另外，在圖11中，雖係描繪供給噴嘴200之長度與下垂構件101之長度L相等的狀態，但供給噴嘴200之長度並不限定於本實施形態的內容，例如如上述，只要為通過距離噴淋板100下面大概5mm以內之電子溫度比較高之區域的長度，即可任意進行設定。又，藉由設置屬於突起物之供給噴嘴200的方式，在該供給噴 嘴200中亦傳播有表面波並引起共振，且有阻礙電漿空間U中生成均勻之電漿的可能性。因此，供給噴嘴200的長度，係宜為：設成為導入至處理容器10內之微波的波長之1/16~3/16左右，更佳的是設成為1/8左右。
又，在上述的實施形態中，下垂構件101之外側面雖係具有拋物線形狀，但下垂構件101之形狀並不限定於本實施形態之內容，只要是外側面從上端部朝向下端部往外側擴展的形狀，即可任意進行設定。例如，如圖12所示，亦可使用外側面形成為直線狀之大致圓錐台形狀的下垂構件300，例如，如圖13所示，亦可使用下垂構件310，該下垂構件310係外側面之切線方向緩緩地從傾斜方向往垂直方向變化的大致2次曲線形狀。根據本發明者們，由於只要具有下垂構件101之外側面從上端部朝向下端部往外側擴展的形狀，則微波會在下垂構件101之外側面往橫方向或斜上方向反射，故在下垂構件101之外側面附近可形成高能量的狀態。
在上述的實施形態中，在下垂構件101之內部雖形成有向上下方向貫通的貫通孔160，但貫通孔160係亦可例如向傾斜方向延伸，且只要以不會過度分解例如單矽烷氣體這樣之原料氣體的方式形成於不面向區域X的位置，則其形狀可任意進行設定。又，例如如圖14所示，亦可在下垂構件101的內部形成與下部板體120之貫通孔150連通的氣體室101a，並在該氣體室101a的下方形成貫通孔160。
另外，在上述的實施形態中，雖然在下垂構件101的中央部附近形成有複數個貫通孔160，且第1氣體供給口133亦形成於與該貫通孔160對應的位置，但第1氣體供給口133及貫通孔160並不限定於本實施形態的內容。從抑制作為原料氣體之單矽烷氣體過度分解的觀點來看，若在下垂構件101下面的面內存在有電場強度弱或電子溫度變低的區域，則亦可僅在成為該低電場強度、低電子溫度的區域設置貫通孔160。
針對該點，本發明者們在進行審慎調查後，確認了例如在下垂構件101下面的預定位置，存在有電場強度以同心圓狀的方式變弱的區域。根據本發明者們，該電場強度變弱的區域，係如後述，存在於與作為Bessel方程式之解而獲得之Bessel函數之極小值對應的位置，該Bessel方程式係表示下垂構件101之下面的電場強度分布。以下，說明關係該電場強度變弱的區域。
本發明者們，係首先藉由蘭摩爾探針及頻譜分析器測定下垂構件101下面的電場強度分布。具體而言，從處理容器10之外部插入連接於頻譜分析器(未圖示)的蘭摩爾探針(未圖示)，並使距離下垂構件101之下端面大概10mm下方的位置沿著下垂構件101下面的直徑方向掃描。此時，從微波振盪器42供給860MHz的微波。另外，下垂構件101之半徑，係大概為45mm。在圖15中表示其結果。圖15之橫軸係表示下垂構件101之半徑方向的位置，縱軸係表示電場強度。
根據圖15所示的電場強度分布，可確認在距離下垂構件101下面之中心大概20mm的位置，存在有電場強度成為極小的點。又，在頻譜分析器的測定結果中，係於860MHz觀測到峰值。由此可知，將微波導入至處理容器10內時，在下垂構件101下面，係於距離該下垂構件101之中心之半徑20mm的圓之圓周上的位置，形成有相較於其他區域，電場強度較低的區域。
且，本發明者們進一步進行檢討關於在下垂構件101下面產生像這樣的電場強度分布之理由，發現了該電場強度分布係與作為Bessel方程式之解而獲得的Bessel函數對應，該Bessel方程式係表示下垂構件101之下面的電場強度分布。在下述中，說明關於求出作為表示電場強度分布之Bessel方程式之解的方法。
本發明者們認為，在下垂構件101之下面傳播的表面波，係如圖16所示成立為圓柱座標系統的模型。具體而言，以屬於金屬之下垂構件101的底面(下面)250為基準，在垂直下方設有預定厚度d的圓盤狀介電質251，並為在該介電質251之下面形成有電漿252的狀態。在此，圓柱座標系統之半徑，係a。又，介電質251，係形成於下垂構件101之下方的電漿鞘，其介電係數為1。且，在以圖16所示之圓柱座標系統表示表面波時，表示表面波的馬克士威方程式，係可藉由例如如圖17所示的Bessel方程來表示。另外，在圖17所示的式子中，Ez，係垂直方向的電場強度；r，係半徑方向的座 標；k及β係微波的波數。
且，在圖16所示的模型中，由於下垂構件101之外周端部為開放，因此，當以電漿鞘之端部亦即介電質251之端部作為開放端來解圖17的式子時，可得到圖18所示之Bessel函數以作為Bessel方程式的解。
且，當藉由該Bessel函數來求出半徑45mm之下垂構件101下面之電場強度分布的理論值時，則得到例如圖19中以虛線所示的分布。圖15之橫軸係表示下垂構件101之半徑方向的位置，縱軸係表示電場強度。另外，圖19之實線，係指圖15所示之實測的電場強度分布。
如圖19所示，可確認：圖18之函數所示的電場強度分布，係在大概半徑20mm附近的位置具有極小點，且形成為圖15所示之與電場強度分布的實測數據大致相匹配者。從該結果可知：本實施形態之下垂構件101下面的電場強度分布，係藉由作為Bessel方程式之解而獲得的Bessel函數，來予以求出。
且，下垂構件101下面之電場強度分布，係在預定半徑(在本實施形態中係大概半徑20mm)之圓的圓周上形成為極小的值。因此，如上述，下垂構件101下面的貫通孔160及對應於該貫通孔160的第1氣體供給口133，係設置於與Bessel函數之極小值對應的位置為更佳。以像這樣的方式，可避開區域X，並且通過下垂構件101下面之電場強度較低的區域而使原料氣體導入至處理 容器10內。其結果，能夠更有效率地抑制作為例如原料氣體之單矽烷氣體過度分解。又，以在像這樣考慮了極小值的位置設置貫通孔160的方式，與未考慮極小值的情況相比較，可相對地縮短下垂構件101的突出長度L。因此，可縮小處理容器10的容積，而得到節省空間這樣的效果。又，因為亦可縮短處理容器10內之真空排氣所需的時間等，故對於處理之生產率提升等方面亦可獲得效果。
又，從不用通過區域X就將原料氣體導入至處理容器10內的觀點來看，下垂構件101並不一定設成為如作為原料氣體之第1氣體通過其內部的構造，亦可例如使用內部為中空的環狀下垂構件，將第1氣體供給至比該下垂構件之內側面更靠近內側。具體而言，例如如圖20所示，在下部板體120之下面設置朝向下方向直徑逐漸變大且上端及下端呈開口之大致圓環狀的下垂構件320。在該情況下，在下部板體120之各貫通孔150的下端，分別設置向垂直下方延伸預定長度的供給噴嘴321為較佳。以經由供給噴嘴321的方式，不用通過距離噴淋板100之下面大概5mm以內之電子溫度比較高的區域，即可將原料氣體導入至處理容器10內。另外，在圖15中，雖係描繪供給噴嘴321之長度與下垂構件320之長度L相等的狀態，但供給噴嘴321的長度係能夠以與上述供給噴嘴200相同的手法予以決定。
在上述實施形態中，雖分別經由一個供給管 132、142將第1氣體供給源131、第2氣體供給源141連接於上部板體110的氣體流路130及下部板體120的氣體流路140，但，亦可以分別獨立之環狀，將例如氣體流路130、氣體流路140設成為同心圓狀的流路，並在各個氣體流路設置複數個供給管132及供給管142，以控制供給至各流路之氣體的流量。如此一來，可在下部板體120之各區域控制氣體的供給量，並可對應於例如電場強度分布來控制原料氣體或電漿產生用氣體的供給量，而對晶圓W進行更均勻的電漿處理。
特別是，如以往，在使用不具有下垂構件101的噴淋板100，將作為原料氣體的單矽烷氣體供給至處理容器10內時，由於原料氣體在噴淋板100下面會被過度分解，因此，難以控制SiH3的生成量，但，在本發明中，係以經由下垂構件101供給單矽烷氣體的方式，可抑制過度生成SiH3。因此，以控制單矽烷氣體之供給量的方式，可輕易地調整SiH3之生成量，藉此，可控制晶圓W上的成膜量。在該情況下，進一步以設置複數個供給管132及供給管142而在下部板體120之預定的每一區域控制氣體之供給量的方式，可針對各區域更嚴密地調整氮自由基與SiH3的生成量，因此，可對晶圓W施予更均勻的電漿處理。
又，在上述實施形態中，噴淋板100雖係由上部板體110與下部板體120所構成，但，只要是獨立形成第1氣體之氣體流路130及第2氣體之氣體流路140而 氣體不會在噴淋板100內部混合的構成，則關於如何構成噴淋板100並不限定於本實施形態，可任意進行設定。
以上，雖參閱添附圖面詳細說明了本發明之合適的實施形態，但本發明並不限定於該些例子。只要是本發明所屬技術領域中具有通常知識者，當然可在申請專利範圍所記載之技術思想範疇內聯想各種變更例或修正例，關於該些當然應被視為屬於本發明的技術範圍。

Claims (9)

  1. 一種電漿處理裝置，其係具有具備了將第1氣體及第2氣體供給至處理容器內之噴淋板的電漿產生用天線，並藉由透過微波之供給而形成於前述噴淋板表面的表面波，形成電漿從而處理基板，該電漿處理裝置，其特徵係，具有：下垂構件，從前述噴淋板之下端面向下方突出且由導電體所構成，前述下垂構件的外側面，係從上端部朝向下端部往外側擴展，前述噴淋板，係具備有：複數個第1氣體供給口，將第1氣體供給至前述處理容器內；及複數個第2氣體供給口，供給第2氣體，前述第1氣體供給口，係配置於比前述下垂構件之外側面更靠近內側，前述第2氣體供給口，係配置於比前述下垂構件之外側面更靠近外側。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，在前述下垂構件之內部，係形成有從該下垂構件之上端面連通至下端面的貫通孔，前述第1氣體供給口，係連接於前述貫通孔。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，前述下垂構件之下面為圓形，前述第1氣體供給口，係設置於與作為Bessel方程式之解而獲得之前述下垂構件的下端面中之電場強度分布之極小值相當的位置。
  4. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，前述下垂構件，係形成為環狀，前述第1氣體供給口，係配置於比前述下垂構件之內側面更靠近內側。
  5. 如申請專利範圍第4項之電漿處理裝置，其中，在前述各第1氣體供給口，係分別連接有從前述噴淋板之下面向垂直下方突出的複數個供給噴嘴。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，前述下垂構件之外側面，係朝向下方逐漸向外側擴展的拋物線形狀。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，前述第1氣體，係比前述第2氣體更容易被電漿分解的氣體。
  8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理裝置，其中，前述第1氣體係原料氣體，前述第2氣體係電漿產生用氣體。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，在前述噴淋板，係設置有將微波放射至前述處理容器內的微波放射孔，微波放射孔，係於俯視下，配置成位於比前述下垂構件之外周端部更靠近內側。
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