專利名稱：微波等離子體處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用微波等離子體對(duì)待處理物體進(jìn)行處理的微波 等離子體處理裝置。
背景技術(shù)：
等離子體處理是半導(dǎo)體器件制造中必不可少的技術(shù)。隨著對(duì)LSI 的更高的集成度和更高的速度的持續(xù)需求，構(gòu)成LSI的半導(dǎo)體器件的 設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)越來越微型化。同時(shí)，半導(dǎo)體晶片的尺寸己經(jīng)得到大型 化。據(jù)此，需要有適合于微型化的設(shè)計(jì)規(guī)則以及大型化的半導(dǎo)體晶片 的等離子體處理裝置。然而，普遍采用的平行板型或感應(yīng)耦合型的傳統(tǒng)等離子體處理裝 置，由于使用的電子溫度很高，而有可能對(duì)精細(xì)器件造成等離子體損 傷。另外，由于等離子體密度較高的區(qū)域受到限制，所以難以對(duì)大型 的半導(dǎo)體晶片進(jìn)行均勻、迅速的等離子體處理。因此，能夠均勻地形成高密度和低電子溫度的等離子體的RLSA (徑向線縫隙天線)微波等離子體處理裝置，已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注(例 如，JP2000-294550A)。RLSA微波等離子體裝置具有布置于腔室上方的平面天線(徑向線 縫隙天線)。在平面天線中，以預(yù)定圖案形成有許多縫隙。引導(dǎo)自微波 發(fā)生源的微波通過平面天線內(nèi)的縫隙朝腔室輻射。通過布置于平面天 線下方的由介電材料制成的微波透射板，將微波輻射到保持在真空狀 態(tài)下的腔室中。由于微波電場(chǎng)的作用，導(dǎo)入到腔室中的氣體被變成等 離子體。通過由此產(chǎn)生的等離子體對(duì)待處理物體如半導(dǎo)體晶片進(jìn)行等 離子體處理。RLSA微波等離子體處理裝置可以在天線正下方的廣闊區(qū)域內(nèi)實(shí) 現(xiàn)很高的等離子體密度，使得可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的等離子體處 理。而且，可以形成低電子溫度的等離子體，器件受損較小。
在RLSA微波等離子體處理裝置中，已知有一種技術(shù)，其在平面 天線和微波透射板之間設(shè)置氣隙，用于調(diào)節(jié)微波透射板中的微波電場(chǎng) 分布，以便使等離子體模式穩(wěn)定(Jpn. Appl. Phys. Vol. 38 (1999) pp.2082-2088 Part l,No. 4A, April 1999)。然而，由于氣隙的阻抗高于形成微波透射板的介電材料的阻抗， 所以在平面天線和微波透射板之間設(shè)置氣隙，會(huì)增加氣隙中的微波功 率損耗。結(jié)果，微波功率效率可能會(huì)降低，或者在天線內(nèi)部可能會(huì)很 容易發(fā)生異常放電。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明就是考慮到上述情況而做出的。本發(fā)明的目的在于提供一 種微波等離子體處理裝置，其微波功率損耗小，微波功率效率不會(huì)降 低，并且天線內(nèi)部不太可能發(fā)生異常放電。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是一種微波等離子體處理裝置，其包 括收容待處理物體的腔室；將處理氣體供應(yīng)到腔室中的處理氣體供 應(yīng)單元；產(chǎn)生微波的微波發(fā)生源，該微波用于在腔室中形成處理氣休 的等離子體；將微波發(fā)生源所產(chǎn)生的微波導(dǎo)向腔室的波導(dǎo)單元；由導(dǎo) 體材料制成的平面天線，其設(shè)置有用于將波導(dǎo)單元所引導(dǎo)的微波向腔 室輻射的多個(gè)微波輻射孔；由介電材料制成的微波透射板，該微波透 射板用作腔室的頂壁并透射已經(jīng)穿過平面天線的微波輻射孔的微波； 以及布置于平面天線的相對(duì)于微波透射板的相反側(cè)上的慢波板，該慢 波板具有縮短到達(dá)平面天線的微波的波長(zhǎng)的功能；其中平面天線和微 波透射板彼此接觸，在它們之間基本上沒有空氣，慢波板和微波透射 板由相同材料制成，并且由慢波板、平面天線、微波透射板和腔室中 形成的處理氣體的等離子體形成的等效電路滿足諧振條件。根據(jù)本發(fā)明，由于平面天線和微波透射板彼此接觸，以便消除傳 統(tǒng)上形成的氣隙，因此不可能存在由這種氣隙造成的微波功率損耗。 因此，可以抑制微波功率效率的降低和/或天線內(nèi)部異常放電的發(fā)生。僅消除氣隙會(huì)增加微波的反射，從而損害等離子體的穩(wěn)定性。然 而，根據(jù)本發(fā)明，由于由慢波板、平面天線、微波透射板和等離子體 形成的等效電路可以諧振，所以可以使微波的反射最小化。而且，由 于慢波板和微波透射板由相同材料制成，所以可以防止微波的界面反 射，使得可以穩(wěn)定地維持等離子體。另外，本發(fā)明是一種微波等離子體處理裝置，其包括收容待處 理物體的腔室；將處理氣體供應(yīng)到腔室中的處理氣體供應(yīng)單元；產(chǎn)生 微波的微波發(fā)生源，該微波用于在腔室中形成處理氣體的等離子體； 將微波發(fā)生源所產(chǎn)生的微波導(dǎo)向腔室的波導(dǎo)單元；由導(dǎo)體材料制成的 平面天線，其設(shè)置有用于將波導(dǎo)單元所引導(dǎo)的微波向腔室輻射的多個(gè) 微波輻射孔；由介電材料制成的微波透射板，該微波透射板用作腔室 的頂壁并透射己經(jīng)穿過平面天線的微波輻射孔的微波；以及布置于平 面天線的相對(duì)于微波透射板的相反側(cè)上的慢波板，該慢波板具有縮短 到達(dá)平面天線的微波的波長(zhǎng)的功能；其中平面天線和微波透射板彼此 接觸，它們之間基本上沒有空氣，慢波板和微波透射板由材料介電常 數(shù)之問的比值在70%和130%之間的范圍內(nèi)的材料制成，并且由慢波 板、平面天線、微波透射板和腔室中形成的處理氣體的等離子體形成 的等效電路滿足諧振條件。根據(jù)本發(fā)明，由于平面天線和微波透射板彼此接觸，以便消除傳 統(tǒng)上形成的氣隙，所以不可能存在由這種氣隙造成的微波功率損耗。 因此，可以抑制微波功率效率的降低和/或天線內(nèi)部異常放電的發(fā)生。僅消除氣隙會(huì)增加微波的反射，從而損害等離子體的穩(wěn)定性。然 而，根據(jù)本發(fā)明，由于由慢波板、平面天線、微波透射板和等離子體 形成的等效電路可以諧振，所以可以使微波的反射最小化。而且，由 于慢波板和微波透射板由材料介電常數(shù)之間的比值在70%和130%之 間的范圍內(nèi)的材料制成，所以可以防止微波的界面反射，使得可以穩(wěn) 定地維持等離子體。在任一項(xiàng)上述發(fā)明中，微波透射板的厚度均在導(dǎo)入到微波透射板 中的微波波長(zhǎng)的1/2禾[]1/4之間的范圍內(nèi)，并且平面天線的微波反射比 在0.4和0.8之間的范圍內(nèi)。在這些條件下，等效電路可以滿足諧振條 件。作為波導(dǎo)單元，可以采用這樣的波導(dǎo)單元，其包括以TE模式傳 播從微波發(fā)生源產(chǎn)生的微波的矩形波導(dǎo)管，將TE模式轉(zhuǎn)換成TEM模 式的模式轉(zhuǎn)換器，以及將轉(zhuǎn)換成TEM模式的微波向平面天線傳播的同 軸波導(dǎo)管。另外，優(yōu)選的是，平面天線中形成的每個(gè)微波輻射孔呈長(zhǎng)槽狀， 每相鄰的兩個(gè)微波輻射孔以彼此交叉的方向布置，以便形成一個(gè)微波 輻射孔對(duì)，并且多個(gè)微波輻射孔對(duì)被同心地布置。另外，可以進(jìn)一步設(shè)置覆蓋慢波板和平面天線的蓋部件。在這種 情況下，優(yōu)選的是，蓋部件設(shè)置有冷媒通道，并且通過使冷媒流過冷 媒通道來對(duì)慢波板、平面天線和微波透射板進(jìn)行冷卻。相比于由于存 在導(dǎo)熱性較低的氣隙而不能得到充分冷卻的傳統(tǒng)微波透射板，由于該 結(jié)構(gòu)中沒有氣隙，所以可以對(duì)微波透射板進(jìn)行充分冷卻。例如，微波的頻率為2.45 GHz，慢波板和微波透射板的相對(duì)介電 常數(shù)處于3.5和4.5之間，并且微波輻射孔被布置成雙圈。例如，優(yōu)選的是，慢波板和微波透射板由石英制成，并且微波等 離子體處理裝置是等離子體蝕刻裝置或等離子體表面改性裝置?？蛇x地，優(yōu)選的是，慢波板和微波透射板由氧化鋁制成，并且微 波等離子體處理裝置是等離子體CVD裝置。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微波等離子體處理裝置的示意 性截面圖；圖2是平面天線的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖3是由慢波板、平面天線、微波透射板和等離子體形成的等效 電路的示圖；圖4 (a)和4 (b)是用于解釋微波透射板的厚度的示圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置中的微波透射板表面 上的電場(chǎng)分布的模擬結(jié)果的示圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置中的電子溫度分布的 實(shí)例的測(cè)量結(jié)果的圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置中的電子密度分布的 實(shí)例的示圖；圖8 (a)是根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置中的微波透射板 表面上的微波電場(chǎng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果的示圖；并且 圖8 (b)是傳統(tǒng)微波等離子體處理裝置中的微波透射板表面上的 微波電場(chǎng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果的示圖。
具體實(shí)施方式
下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行具體說明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微波等離子體處理裝置的示意 性截面圖。微波等離子體處理裝置100被構(gòu)造為RLSA微波等離子體處理裝 置，其通過使用以預(yù)定圖案形成有許多縫隙的平面天線(徑向線縫隙 天線)，來將引導(dǎo)自微波發(fā)生源的微波輻射到腔室中以便在其中形成等 離子體。微波等離子體處理裝置100包括氣密密封并且接地的基本上為圓 筒狀的腔室1。腔室1的底壁la的基本上中央的部分中形成有圓形開 口 10。在底壁la上，布置有與開口 IO連通并向下延伸的排氣室11。 腔室1包括用于水平支撐作為待處理基板的晶片W的基座2。基座2 由陶瓷如AIN制成?；?由從排氣室11的底部中央向上延伸的圓筒 狀支撐部件3支撐。支撐部件也由陶瓷如AIN制成。用于引導(dǎo)晶片W 的導(dǎo)環(huán)4布置在基座2的外邊緣上。基座2中嵌入有電阻加熱器5。利 用從加熱器電源6供給的電力，加熱器5對(duì)基座2進(jìn)行加熱?；? 的熱對(duì)作為待處理物體的晶片W進(jìn)行加熱。腔室1的內(nèi)周壁上布置有 由石英制成的圓筒狀襯套7。基座2具有用于支撐晶片W并使其豎直移動(dòng)的晶片支撐銷(未示 出)，使得這些銷可相對(duì)于基座2的表面伸出和縮回。腔室1的側(cè)壁上布置有環(huán)狀進(jìn)氣部件15。處理氣體供應(yīng)系統(tǒng)16 連接于進(jìn)氣部件15。因此，預(yù)定的處理氣體從處理氣體供應(yīng)系統(tǒng)16 經(jīng)過進(jìn)氣部件15被導(dǎo)入腔室1中。進(jìn)氣部件可以布置成噴頭狀。使用 適合于各種等離子體處理的氣體作為處理氣體。例如，當(dāng)鎢基柵電極 經(jīng)歷氧化處理如選擇性氧化處理時(shí)，使用Ar氣、H2氣、02氣等。排氣管23連接于排氣室11的側(cè)表面。包括高速真空泵的排氣系 統(tǒng)24連接于排氣管23。當(dāng)排氣系統(tǒng)24被啟動(dòng)時(shí)，腔室l中的氣體被 均勻地排放到排氣室11的下部空間11a中，然后通過排氣管23被排放。
因此，腔室1的內(nèi)部可以迅速減壓到預(yù)定的真空度(例如0.133 Pa)。在腔室1的側(cè)壁中，布置有裝載/卸載口 25和用于打開和關(guān)閉裝載 /卸載口 25的閘門閥26，其中晶片W通過所述裝載/卸載口 25在腔室 1和相鄰于等離子體處理裝置100的傳送室(未示出)之間傳送。腔室1的上部具有開口。沿開口的周邊部分布置有環(huán)狀支撐部27。 透射微波的微波透射板28經(jīng)由密封部件29氣密地布置在支撐部27上。 因此，腔室1的內(nèi)部保持密封。微波透射板28由介電材料如石英和陶 瓷(如A1203)制成。微波透射板28的上方布置有圓盤狀平面天線31。平面天線31經(jīng) 由微波透射板28與基座2相對(duì)。平面天線31與腔室1側(cè)壁的上端接 合。平面天線31由導(dǎo)體材料(如表面鍍有金的銅板或鋁板)制成。平 面天線31設(shè)置有以預(yù)定圖案形成的許多微波輻射孔(縫隙)32。艮口， 平面天線31構(gòu)成了 RLSA天線。如圖2所示，每個(gè)微波輻射孔32均 為例如長(zhǎng)槽狀。在圖2所示的實(shí)例中，每?jī)蓚€(gè)相鄰的微波輻射孔以彼 此交叉的方向布置，典型地，以彼此垂直的方向布置(形成"T形")。 這些成對(duì)(成組)的微波輻射孔32被同心地布置。例如，每個(gè)微波輻 射孔32的長(zhǎng)度和兩個(gè)相鄰的微波輻射孔32的對(duì)(組)之間的距離被 確定為對(duì)應(yīng)于微波的波長(zhǎng)。在圖2中，優(yōu)選的是，同心地布置的兩對(duì) (組)微波輻射孔32之間的徑向距離Ar與下述慢波板33中的微波的 波長(zhǎng)相等，并且從平面天線31的中央到最內(nèi)部的微波輻射孔32的長(zhǎng) 度與距離八r 一致，以便從平面天線31輻射出強(qiáng)電場(chǎng)。在圖2所示的 實(shí)例中，布置有四轉(zhuǎn)(四圈)微波輻射孔32。每個(gè)微波輻射孔32的形 狀是任選的。即，微波輻射孔32可以是圓形或弓形。另外，(成組的) 微波輻射孔32的布置方式不受特別限定。例如，除了同心布置之外， 微波輻射孔32還可以呈螺旋狀或放射狀布置。在平面天線31的上表面上，布置有由介電常數(shù)大于真空的介電材 料制成的慢波板33。慢波板33的功能是，與真空中的微波波長(zhǎng)相比， 縮短慢波板中的微波的波長(zhǎng)。腔室1的上表面上布置有屏蔽蓋部件34，以便覆蓋平面天線31 和慢波板33。屏蔽蓋部件34由金屬材料如鋁或不銹鋼制成。腔室1 的上表面和屏蔽蓋部件34用密封部件35密封。
屏蔽蓋部件34設(shè)置有冷卻水通道34a。通過使冷卻水流過冷卻水 通道34a，平面天線31、微波透射板28、慢波板33和屏蔽蓋部件34 可以得到冷卻。屏蔽蓋部件34被接地。屏蔽蓋部件34的中央形成有開口 36。波導(dǎo)管37連接于開口 36。 微波發(fā)生單元39經(jīng)由匹配電路38連接于波導(dǎo)管37的末端。因此，微 波發(fā)生單元39已經(jīng)產(chǎn)生的波長(zhǎng)為例如2.45 GHz的微波，通過波導(dǎo)管 37傳播至平面天線部件31?？蛇x地，可以使用波長(zhǎng)為8.35 GHz或1.98 GHz的微波。波導(dǎo)管37具有圓形橫截面的同軸波導(dǎo)管37a和矩形橫截面的矩形 波導(dǎo)管37b，其中同軸波導(dǎo)管37a從屏蔽蓋部件34的開口 36向上延伸， 矩形波導(dǎo)管37b連接于同軸波導(dǎo)管37a的上端，并在水平方向上延伸。 與同軸波導(dǎo)管37a相連的連接側(cè)上的矩形波導(dǎo)管37b的末端部分上布 置有模式轉(zhuǎn)換器40。內(nèi)導(dǎo)體41穿過同軸波導(dǎo)管37a的中央延伸。內(nèi)導(dǎo) 體41的下端牢固地連接于平面天線31的中央部分。等離子體處理裝置100的各個(gè)構(gòu)成部件均連接于處理控制器50， 以便被處理控制器50控制。用戶接口 51和存儲(chǔ)部52連接于處理控制 器50。用戶接口 51包括鍵盤和顯示器，其中處理管理者通過鍵盤輸入 例如用于管理等離子體處理裝置100的各個(gè)構(gòu)成部件的命令，顯示器 用于可視化并顯示等離子體處理裝置100的各個(gè)構(gòu)成部件的工作狀況。 存儲(chǔ)部52存儲(chǔ)方案(recipe)，在每個(gè)方案中記錄有控制程序和/或處理 條件數(shù)據(jù)，用于在處理控制器50的控制下執(zhí)行由等離子體處理裝置 IOO進(jìn)行的各種處理。隨著需求的出現(xiàn)，給定方案基于來自用戶接口51的命令，從存儲(chǔ) 部52被調(diào)用，并由處理控制器50執(zhí)行。因此，在處理控制器50的控 制下，所需的處理可以通過等離子體處理裝置100來進(jìn)行。接下來，將在下面對(duì)該實(shí)施例中的慢波板33、平面天線31和微波 透射板28進(jìn)行更詳細(xì)的說明。在該實(shí)施例中，如圖1所示，平面天線31和微波透射板28彼此 緊密接觸，由此不存在傳統(tǒng)的氣隙。慢波板33和平面天線31也彼此 接觸。然而，僅消除氣隙會(huì)增加從模式轉(zhuǎn)換器40看到的微波的反射， 這會(huì)損害等離子體的穩(wěn)定性以及微波功率效率。
因此，在該實(shí)施例中，如圖3所示，由慢波板33、平面天線31、 微波透射板28和等離子體形成的等效電路滿足諧振條件。另夕卜，慢波 板33和微波透射板28由相同材料制成。由于等效電路滿足諧振條件， 所以微波的反射可以得到最小化。同時(shí)，由于慢波板33和微波透射板 28由相同材料制成，所以微波的界面反射可以得到防止。因此，可以 有利地維持微波功率效率，同時(shí)可以提高等離子體的穩(wěn)定性。
如圖3所示，慢波板33和等離子體透射板28充當(dāng)電容器，平面 天線31充當(dāng)電阻，并且等離子體充當(dāng)線圈。如圖3的等效電路所示， 當(dāng)慢波板33的電容表示為Cl，等離子體透射板28的電容表示為C2, 平面天線31的電阻表示為R，等離子體的電感表示為L(zhǎng)，并且微波頻 率表示為f時(shí)，必須滿足下面的表達(dá)式(1)，以實(shí)現(xiàn)諧振狀態(tài)。艮口，
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中C = 1 / {(1/C1) + (1/C2)}。
為了滿足諧振條件，有效的是，限定電容的微波透射板28的厚度 處于微波透射板28中的微波的波長(zhǎng)的1/2和1/4 (1/2X和1/4D之間的 范圍內(nèi)，并且從模式轉(zhuǎn)換器40看到的平面天線31的微波反射比(功 率反射系數(shù))處于0.4和0.8之間的范圍內(nèi)。上面的表達(dá)式(1)中包括的限定諧振條件的電容值與構(gòu)成部件的 厚度成反比。至于慢波板33，當(dāng)其厚度較窄時(shí)，平面天線31和微波透 射板28可以得到有效的冷卻。因此，微波透射板28的厚度(其是對(duì) 電容C的值具有支配影響的電容C2)被限定在實(shí)現(xiàn)諧振的范圍內(nèi)。當(dāng) 微波透射板28的厚度大于導(dǎo)入微波透射板28中的微波的波長(zhǎng)的1/2， 或小于其l/3時(shí)，滿足諧振條件的區(qū)域變得更小。當(dāng)微波透射板28的 厚度小于微波波長(zhǎng)的1/4時(shí)，難以引起諧振現(xiàn)象。如圖4(a)所示，當(dāng)微波透射板28具有平坦形狀時(shí)，使用其實(shí)際 厚度dl作為微波透射板28的厚度。在這種情況下，當(dāng)微波透射板28 的電容表示為CF，其相對(duì)介電常數(shù)表示為s0，并且其表面積表示為 Sl時(shí)，滿足下面的表達(dá)式(2)。<formula>formula see original document page 12</formula> (2)另一方面，當(dāng)微波透射板28具有復(fù)雜的形狀時(shí)，使用從電容的表 達(dá)式中計(jì)算的相應(yīng)厚度d2作為微波透射板28的厚度。g卩，當(dāng)復(fù)雜形 狀的微波透射板28的電容表示為CC，并且其表面積表示為S2時(shí)，滿 足下面的表達(dá)式(3)。表面積S2可以必然地獲得。因此，當(dāng)由于形狀 復(fù)雜而難以獲得厚度d2時(shí)，對(duì)電容CC進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，此后對(duì)表達(dá)式 (3)進(jìn)行逆向運(yùn)算，以獲得用作微波透射板28的厚度的相應(yīng)厚度d2。 CC = sO(S2/d2) ... (3)如圖4 (b)所示，相應(yīng)厚度d2對(duì)應(yīng)于較大厚度和較小厚度的平均 厚度。當(dāng)平面天線31的微波反射比低于0.4時(shí)，難以對(duì)諧振條件進(jìn)行調(diào) 節(jié)。這是因?yàn)椋?dāng)頻率被改變時(shí)相位發(fā)生很大的改變。另一方面，當(dāng) 平面天線31的微波反射比超過0.8時(shí)，本質(zhì)上難以滿足諧振條件。優(yōu)選地，慢波板33和微波透射板28由相同材料制成。然而，即 使當(dāng)慢波板33和微波透射板28由不同的材料制成時(shí)，也已經(jīng)通過模 擬確認(rèn)出諧振條件可以恒定地得到確保，只要這些材料的介電常數(shù) 之間的比值處于70%和130%之間的范圍內(nèi)。在如上構(gòu)造的等離子體處理裝置100中，首先打開閘門閥26，并 將作為待處理物體的晶片W經(jīng)由裝載/卸載口 25裝入腔室1中。然后， 將晶片W放置在基座2上。此后，將預(yù)定的處理氣體從氣體供應(yīng)系統(tǒng)16通過進(jìn)氣部件15導(dǎo) 入腔室1中，并將腔室1維持在預(yù)定的壓力下。例如，當(dāng)鎢基柵電極 經(jīng)歷氧化處理如選擇性氧化處理時(shí)，將Ar氣、H2氣、02氣等作為處 理氣體導(dǎo)入腔室1中，并且腔室1中的壓力被設(shè)定在例如3至700 Pa。然后，將微波從微波發(fā)生單元39通過匹配電路38導(dǎo)向波導(dǎo)管37。 微波以所描述的順序通過矩形波導(dǎo)管37b、模式轉(zhuǎn)換器40、同軸波導(dǎo) 管37a和慢波板33被供應(yīng)給平面天線31 。微波從平面天線部件31穿 過微波透射板28，并被輻射到腔室1中的晶片W上方的空間中。微波 以TE模式通過矩形波導(dǎo)管37b傳播。TE模式的微波由模式轉(zhuǎn)換器40 轉(zhuǎn)換成TEM模式的微波。TEM模式的微波通過同軸波導(dǎo)管37a向平 面天線部件31傳播。由于從平面天線部件31經(jīng)由微波透射板28輻射到腔室1中的微 波，已經(jīng)導(dǎo)入到腔室1中的處理氣體被變成等離子體。通過等離子體
進(jìn)行預(yù)定處理如氧化處理。該實(shí)施例中的等離子體處理裝置100可以實(shí)現(xiàn)密度高達(dá)大約10。/ci^或更高，并且電子溫度低達(dá)大約1.5eV或更低的等離子體。因 此，可以在短時(shí)間內(nèi)以低溫進(jìn)行等離子體處理。另外，離子對(duì)基膜造 成的等離子體損傷也可以得到減輕。而且，在該實(shí)施例中，如圖1所示，由于平面天線31和微波透射 板28彼此接觸以便消除傳統(tǒng)上形成的氣隙，所以不可能存在由這種氣 隙導(dǎo)致的微波功率損耗。而且，微波功率效率的降低，以及天線中的 微波輻射孔(縫隙)32之間的間隙中和慢波板33附近的部分中可能發(fā) 生的異常放電，均可以得到防止。僅消除氣隙會(huì)增加從模式轉(zhuǎn)換器40看到的微波的反射，從而使等 離子體的穩(wěn)定性惡化。然而，根據(jù)本發(fā)明，由于由慢波板33、平面天 線31、微波透射板28和等離子體形成的等效電路可以諧振，所以可以 使微波的反射最小化。而且，由于慢波板33和微波透射板28由相同 材料制成，所以可以防止微波的界面反射。因此，可以盡可能地防止 微波功率效率的降低和天線內(nèi)異常放電的發(fā)生，同時(shí)可以穩(wěn)定地維持 等離子體。附帶地，平面天線31和微波透射板28彼此接觸并且它們 之間基本上沒有空氣，便已足夠。也就是說，即使存在由接觸誤差或 熱膨脹造成的不大于0.1 mm的間隙，這種輕微的間隙也是可以容許的 (在本發(fā)明的范圍內(nèi))。另外，在平面天線31和微波透射板28之間不存在導(dǎo)熱性低的氣 隙。因此，當(dāng)使冷卻水流過屏蔽蓋部件34中形成的冷卻水通道34a以 對(duì)平面天線31、微波透射板28、慢波板33和屏蔽蓋部件34進(jìn)行冷卻 時(shí)，微波透射板28可以得到充分冷卻，盡管傳統(tǒng)上微波透射板28不 能被充分冷卻。接下來，將在下面對(duì)為了確認(rèn)本發(fā)明的效果所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。在該實(shí)施例中，使用下面的慢波板33、平面天線31和微波透射板28。慢波板由石英制成，直徑0為329mm，厚度7 mm; 平面天線直徑0為344mm,厚度0.3 mm;
等離子體透射板由石英制成，直徑0為362mm，厚度31.3 mm (=1/2人)，平坦型，與平面天線密著的一體型； 電特性設(shè)定如下。 頻率2.45 GHz;功率密度2.67 W/cm2 (2750 W)， 2.91 W/cm2 (3000 W); 輸入阻抗50 Q (2.45 GHz); 功率反射系數(shù)0.75 (2.45 GHz)。在上述條件下對(duì)等離子體透射板中的電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬。分析條 件如下。即，如圖5所示，每個(gè)等離子體輻射孔(縫隙)呈長(zhǎng)槽狀， 并且每?jī)蓚€(gè)相鄰的等離子體輻射孔32布置形成"L"形。微波輻射孔 32的L形對(duì)(組)被同心地布置以形成雙圈。等離子體密度設(shè)定在1 X10l2/Cm3。經(jīng)確認(rèn)，如圖5所示，電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，并且微波功率 損耗很小，這是因?yàn)樵S多部分展現(xiàn)出高達(dá)不小于3X102 V/m的電場(chǎng)強(qiáng) 度，并且甚至某些部分展現(xiàn)出高達(dá)不小于4 X 102 V/m的電場(chǎng)強(qiáng)度。接著，在上述條件下實(shí)際形成等離子體，并且檢查電子溫度分布 和電子密度分布。使用Ar作為處理氣體。腔室中的壓力設(shè)定在1 Torr (133 Pa)。微波功率設(shè)定在2750 W。圖6顯示出電子溫度分布，并且 圖7顯示出電子密度分布。如圖6所示，電子溫度不高于1.6eV，并且分布偏差很小。如圖7 所示，電子密度基本上不小于1X10力cm3，并且分布偏差很小。即， 經(jīng)確認(rèn)，穩(wěn)定地形成了低電子溫度和高電子密度的等離子體。接著，進(jìn)行模擬，以檢查根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置和 具有氣隙的傳統(tǒng)微波等離子體處理裝置各自當(dāng)中的微波透射板中的微 波電場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)果如下所述。在根據(jù)本發(fā)明的微波等離子體處理裝置 的模擬中，慢波板33、平面天線31、等離子體透射板28和電特性均 與上述實(shí)驗(yàn)中相同，并且等離子體密度設(shè)定在lX10力cm3。在傳統(tǒng)微 波等離子體處理裝置的模擬中，除上述條件之外，氣隙的長(zhǎng)度(厚度) 設(shè)定成20mm。圖8 (a)和圖8 (b)分別顯示出結(jié)果。如圖8 (a)所 示，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，發(fā)現(xiàn)有展現(xiàn)出高達(dá)不小于1.75X10iV/m 的微波電場(chǎng)強(qiáng)度的部分。另一方面，如圖8 (b)所示，在傳統(tǒng)裝置中， 許多部分展現(xiàn)出低達(dá)不高于5 V/m的微波電場(chǎng)強(qiáng)度。即，應(yīng)理解，與 傳統(tǒng)裝置相比，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以顯著提高微波電場(chǎng)強(qiáng)度。附帶 地，己經(jīng)揭示出，在本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)之間，在微波電場(chǎng)強(qiáng)度的均勻 性方面沒有顯著差別。基于如上所述的本發(fā)明的構(gòu)思的適合的半導(dǎo)體制造裝置是，例如，具有由氧化鋁(A1203)制成的微波透射板28和慢波板33的裝置，或 者具有由石英(Si02)制成的這些部件的裝置?？梢蕴岢龅入x子體CVD裝置作為具有由氧化鋁制成的微波透射板 28和慢波板33的裝置所適用于的實(shí)例。當(dāng)微波透射板28和等離子體 的活性物種互相反應(yīng)而產(chǎn)生含有構(gòu)成微波透射板28的元素的氣體時(shí)， 氣體有可能被吸引到將要沉積在待處理物體上的膜中，從而降低膜的 質(zhì)量。然而，當(dāng)微波透射板28由氧化鋁制成時(shí)，由于氧化鋁非常致密， 所以例如與石英相比，氧的排放量可以降低1個(gè)數(shù)量級(jí)?？蛇x地，微 波透射板28和慢波板33均可以通過將氧化鋁材料和不同于氧化鋁的 材料層疊而形成，以便具有接近于氧化鋁的介電常數(shù)。在這種情況下， 可以將相對(duì)介電常數(shù)處于7.4和9.6之間的范圍內(nèi)的材料不同地結(jié)合， 使得這些材料的介電常數(shù)之間的比值處于70%和130%之間的范圍內(nèi)， 以便諧振條件可以得到滿足。另一方面，可以提出等離子體蝕刻裝置或等離子體表面改性裝置 作為具有由石英制成的微波透射板28和慢波板33的裝置所適用于的 實(shí)例。在蝕刻和表面改性的處理?xiàng)l件下，微波透射板28由離子沖擊濺 射。此時(shí)，當(dāng)構(gòu)成微波透射板28的元素是金屬時(shí)，待處理物體有可能 被金屬污染。因此，例如，不能使用氧化鋁。在這種情況下，如果微 波透射板28由石英制成，則無需擔(dān)心金屬的污染。這是因?yàn)椋c含有 元素Si作為主要成分的石英類似，待處理物體通常是含有元素Si作為 主要成分的硅晶片或玻璃基板。在具有由石英制成的微波透射板28和慢波板33的裝置中，當(dāng)同 心布置的微波輻射孔32的徑向間隔和從平面天線31的中央到最內(nèi)部 的微波輻射孔32的長(zhǎng)度被設(shè)定在Ar (參見圖2)，并且使Ar等于慢波 板中的微波的波長(zhǎng)時(shí)，為2.45 GHz的微波頻率形成(布置)兩圈微波 輻射孔32。該裝置被打算用于處理主流的300 mm晶片，并且因此平 面天線31的直徑設(shè)定成基本上為300 mm。另一方面，當(dāng)微波透射板 28和慢波板33由氧化鋁制成時(shí)，形成(布置)三圈微波輻射孔32。 與具有兩圈布置的裝置相比，在具有三圈布置的裝置中，縫隙的設(shè)計(jì) 和調(diào)節(jié)是相當(dāng)困難的。例如，在三圈裝置中，即使增加中間一圈的縫 隙的數(shù)目，其正下方的等離子體密度也不一定能提高。相反，中央等 離子體空間的密度降低，而周邊等離子體空間的密度增加，或者可能 會(huì)發(fā)生相反的狀況。這是因?yàn)閺闹虚g一圈的縫隙輻射的微波與從內(nèi)圈 和外圈中的縫隙輻射的電磁波發(fā)生干涉。從該觀點(diǎn)來看，作為用于形 成微波透射板28和慢波板33的材料，形成有兩圈微波輻射孔32的石 英材料是優(yōu)選的?？蛇x地，微波透射板28和慢波板33可以通過將石 英和不同于石英的另一材料層疊而形成，以便具有接近于石英的介電 常數(shù)。在這種情況下，可以將相對(duì)介電常數(shù)處于3.5和4.5之間的范圍 內(nèi)的材料不同地結(jié)合，使得這些材料的介電常數(shù)之間的比值處于70% 和130%之間的范圍內(nèi)，以便諧振條件可以得到滿足。與微波透射板 28和慢波板33由石英制成的情況類似，為2.45 GHz的微波頻率形成 (布置)兩圈微波輻射孔32。本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，可以以各種方式進(jìn)行修改。例如， 只要滿足了本發(fā)明的構(gòu)成要求，處理裝置的結(jié)構(gòu)并不限于上述實(shí)施例。 而且，打算進(jìn)行的等離子體處理并不限于氧化處理，而是可以應(yīng)用于 各種處理如膜沉積處理、蝕刻處理等。經(jīng)歷等離子體處理的待處理物 體并不限于半導(dǎo)體晶片，而可以是其它物體如平板顯示器基板等。如上所述的本發(fā)明適合于為了制造半導(dǎo)體器件而進(jìn)行的需要低電 子溫度和高密度的等離子體的等離子體處理，諸如氧化處理、膜沉積 處理、蝕刻處理等。
權(quán)利要求
1.一種微波等離子體處理裝置，包括腔室，其收容待處理物體；處理氣體供應(yīng)單元，其將處理氣體供應(yīng)到所述腔室中；產(chǎn)生微波的微波發(fā)生源，所述微波用于在所述腔室中形成所述處理氣體的等離子體；波導(dǎo)單元，其將所述微波發(fā)生源所產(chǎn)生的所述微波導(dǎo)向所述腔室；由導(dǎo)體材料制成的平面天線，其設(shè)置有用于將所述波導(dǎo)單元所引導(dǎo)的所述微波向所述腔室輻射的多個(gè)微波輻射孔；由介電材料制成的微波透射板，所述微波透射板用作所述腔室的頂壁并透射已經(jīng)穿過所述平面天線的所述微波輻射孔的微波；以及布置于所述平面天線的相對(duì)于所述微波透射板的相反側(cè)上的慢波板，所述慢波板具有縮短到達(dá)所述平面天線的微波的波長(zhǎng)的功能；其中所述平面天線和所述微波透射板彼此接觸，在它們之間基本上沒有空氣，所述慢波板和所述微波透射板由相同材料制成，并且由所述慢波板、所述平面天線、所述微波透射板和所述腔室中形成的所述處理氣體的等離子體形成的等效電路滿足諧振條件。
2. —種微波等離子體處理裝置，包括 腔室，其收容待處理物體；處理氣體供應(yīng)單元，其將處理氣體供應(yīng)到所述腔室中； 產(chǎn)生微波的微波發(fā)生源，所述微波用于在所述腔室中形成所述處 理氣體的等離子體；波導(dǎo)單元，其將所述微波發(fā)生源所產(chǎn)生的所述微波導(dǎo)向所述腔室；由導(dǎo)體材料制成的平面天線，其設(shè)置有用于將所述波導(dǎo)單元所引 導(dǎo)的所述微波向所述腔室輻射的多個(gè)微波輻射孔；由介電材料制成的微波透射板，所述微波透射板用作所述腔室的 頂壁并透射已經(jīng)穿過所述平面天線的所述微波輻射孔的微波；以及布置于所述平面天線的相對(duì)于所述微波透射板的相反側(cè)上的慢波板，所述慢波板具有縮短到達(dá)所述平面天線的微波的波長(zhǎng)的功能；其中所述平面天線和所述微波透射板彼此接觸，在它們之間基本 上沒有空氣，所述慢波板和所述微波透射板由材料介電常數(shù)之間的比值在70% 和130%之間的范圍內(nèi)的材料制成，并且由所述慢波板、所述平面天線、所述微波透射板和所述腔室中形 成的所述處理氣體的等離子體形成的等效電路滿足諧振條件。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的微波等離子體處理裝置，其中 所述微波透射板的厚度處于導(dǎo)入到所述微波透射板中的微波波長(zhǎng)的1/2和1/4之間的范圍內(nèi)，并且所述平面天線的微波反射比處于0.4和0.8之間的范圍內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置，其中所述波導(dǎo)單元包括以TE模式傳播從所述微波發(fā)生源產(chǎn)生的所述 微波的矩形波導(dǎo)管，將所述TE模式轉(zhuǎn)換成TEM模式的模式轉(zhuǎn)換器， 以及將轉(zhuǎn)換成所述TEM模式的微波向所述平面天線傳播的同軸波導(dǎo) 管。
5. 如權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置，其中所述平面天線中形成的每個(gè)微波輻射孔呈長(zhǎng)槽狀， 每相鄰的兩個(gè)微波輻射孔以彼此交叉的方向布置，以便形成一個(gè) 微波輻射孔對(duì)，并且多個(gè)微波輻射孔對(duì)被同心地布置。
6. 如權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置， 進(jìn)一步包括覆蓋所述慢波板和所述平面天線的蓋部件。
7. 如權(quán)利要求6所述的微波等離子體處理裝置，其中所述蓋部件設(shè)置有冷媒通道，并且 通過使冷媒流過所述冷媒通道來對(duì)所述慢波板、所述平面天線和 所述微波透射板進(jìn)行冷卻。
8. 如權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置，其中所述微波的頻率為2.45 GHz,所述慢波板和所述微波透射板的相對(duì)介電常數(shù)處于3.5和4.5之 間，并且所述微波輻射孔被布置成雙圈。
9. 如權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置，其中所述慢波板和所述微波透射板由石英制成，并且 所述微波等離子體處理裝置是等離子體蝕刻裝置或等離子體表面 改性裝置。
10. 如權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的微波等離子體處理裝置，其中所述慢波板和所述微波透射板由氧化鋁制成，并且 所述微波等離子體處理裝置是等離子體CVD裝置。
全文摘要
本發(fā)明是一種微波等離子體處理裝置，其包括收容待處理物體的腔室；將處理氣體供應(yīng)到腔室中的處理氣體供應(yīng)單元；產(chǎn)生微波的微波發(fā)生源，該微波用于在腔室中形成處理氣體的等離子體；將微波發(fā)生源所產(chǎn)生的微波導(dǎo)向腔室的波導(dǎo)單元；由導(dǎo)體材料制成的平面天線，其設(shè)置有用于將波導(dǎo)單元所引導(dǎo)的微波向腔室輻射的多個(gè)微波輻射孔；由介電材料制成的微波透射板，該微波透射板用作腔室的頂壁并透射已經(jīng)穿過平面天線的微波輻射孔的微波；以及布置于平面天線的相對(duì)于微波透射板的相反側(cè)上的慢波板，該慢波板具有縮短到達(dá)平面天線的微波的波長(zhǎng)的功能。平面天線和微波透射板彼此接觸，在它們之間基本上沒有空氣，慢波板和微波透射板由相同材料制成，并且由慢波板、平面天線、微波透射板和腔室中形成的處理氣體的等離子體形成的等效電路滿足諧振條件。
文檔編號(hào)H01L21/205GK101133688SQ20068000705
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者山本伸彥, 田才忠, 石橋清隆, 野澤俊久 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社