CN1488164A - 等离子体装置及等离子体生成方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体装置，具有缝隙天线(30)，用于向生成等离子体的容器内供给电磁场。此缝隙天线(30)形成有缝隙(36)，使得辐射面(31)外周边部分B的、每单位面积的电磁场辐射量，小于辐射面(31)的中心部分A和外周边部分B间的中间区域C的、每单位面积的电磁场辐射量。

Description

等离子体装置及等离子体生成方法

技术领域

本发明涉及通过用缝隙天线向容器内供给的电磁场来生成等离子体的等离子体装置及等离子体生成方法。

背景技术

在半导体器件和平板显示器件的制造中，多采用等离子体装置来进行氧化膜的形成、半导体层的晶体生长、蚀刻以及灰化等处理。在这些等离子装置当中，有一种高频等离子体装置，它利用缝隙天线向处理容器内供给高频电磁场，并利用该电磁场产生高密度的等离子体。这种高频等离子体装置即使在等离子气体的压力比较低的情况下，也能够稳定地生成等离子体，因此，其用途比较广泛。

图7是现有的高频等离子体装置的一个结构例的示意图，图中表示部分结构的纵截面结构。

该等离子体装置具有上部开口、下面封底的圆筒形处理容器111。基片台122固定在此处理容器111的底部，在基片台122的装载面上配置作为被处理件的基片121。在处理容器111的侧壁上设有用于供给等离子气体的喷嘴117，而在处理容器111的底部上设有用于真空排气的排气口116。电介质板113塞在处理容器111的上部开口上，以防止等离子气体从这里向外泄漏。

在电介质板113上配有作为一种缝隙天线的径向天线(Radialantenna)130。该径向天线130由形成径向波导路径133的、两片相互平行的圆形导体板131、132，以及连接在这些导体板131、132外周部分的导体环134构成。成为径向波导路径133上面的导体板132的中心部分形成有导入口135，该导入口将从高频发生器144经过圆偏振波变换器(円偏波変換器)142供给的电磁场F导入到径向波导路径133内。并且，如图8A所示，成为径向波导路径133下面的导体板131上，沿圆周方向形成有多个缝隙136，所述多个缝隙将传递到径向波导路径133内的电磁场F经过电介质板113导入到处理容器111内。此导体板131成为径向天线130的辐射面。此外，径向天线130和电介质板113的外周，被环形屏蔽材料112所覆盖，从而防止电磁场F向外泄漏。

从高频发生器144导入到径向天线130的电磁场F，放射状地从径向波导路径133的中心部分向外周边传播，同时从多个缝隙136一点一点地辐射出去。因此，径向波导路径133内的电能密度从中心部分向外周边部分逐渐降低。另一方面，缝隙136的辐射系数随着缝隙136的长度L2从0(零)开始变长而逐渐增大，并且在L2达到径向波导路径133内的电磁场F的波长λg的1/2长度时，此辐射系数达到最大。因此，如图8B所示，一直以来，缝隙136的长度L2的上限为λg/2时，使L2从辐射面的中心部分O向外周边方向逐渐变长，从而使径向天线130的辐射量在整个辐射面内达到均匀。

然而，当采用按上述方式设计缝隙136的长度L2的径向天线130来生成等离子体时，在与基片台122装载面平行的平面内，等离子体的分布如图9所示的那样并不均匀，并且在外周边附近，有高密度的等离子体产生。如果用这种不均匀的等离子体进行处理，则越是高密度的等离子体下的区域，对基片121的处理就会越快，因此在处理量上发生偏差。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，改善等离子体分布的面内均匀性。

为了实现上述目的，本发明的等离子体装置的特征在于，向生成等离子体的容器内供给电磁场的缝隙天线形成有缝隙，使得辐射面外周边部分的、每单位面积的电磁场辐射量，小于辐射面中心部分与外周边部分间的中间区域的、每单位面积的电磁场辐射量。由此，可抑制容器内的外周边附近的等离子体生成。

这里，缝隙天线也可以形成缝隙，使得每单位面积的电磁场辐射量从辐射面中间区域向外周边部分单调递减。

具体的说，缝隙天线的每条缝隙长度，可以从辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

此外，缝隙天线也可以这样，辐射面上的每单位面积的缝隙数，从辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

此外，本发明的等离子体生成方法的特征在于，使缝隙天线的辐射面外周边部分的、每单位面积的电磁场辐射量，小于辐射面的中心部分与外周边部分间的中间部分的、每单位面积的电磁场辐射量，并向容器内供给来自这种缝隙天线的电磁场，生成等离子体。由此，可抑制容器内的外周边附近的等离子体生成。

这里，也可以使缝隙天线辐射面中的、每单位面积的电磁场辐射量，从辐射面中间区域向外周边部分单调递减。

具体的说，上述辐射量分布也可以这样实现：即，形成每条缝隙，使得缝隙天线的每条缝隙长度，从辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

此外，上述辐射量分布也可以这样实现：即，形成每条缝隙，使得缝隙天线辐射面上的每单位面积的缝隙数，从辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

附图的简要说明

图1是本发明等离子体装置的第一实施例的结构图。

图2A是图1所示的等离子体装置的径向天线辐射面的一个实例的平面图。

图2B是图2A所示的辐射面的缝隙长度分布图。

图2C是图2A所示的辐射面的电磁场F的辐射量分布图。

图3A、图3B、图3C、图3D是缝隙形状的实例图。

图4是实验中采用的径向天线的缝隙长度分布图。

图5是实验结果图。

图6A在本发明等离子体装置的第二实施例中使用的径向天线辐射面的一个实例平面图。

图6B是图6A所示的辐射面的缝隙数量分布图。

图6C是图6A所示的辐射面的电磁场F的辐射量分布图。

图7是以往的等离子体装置的一个结构例的示意图。

图8A是在以往的等离子装置中使用的径向天线的辐射面平面图。

图8B是图8A所示的辐射面的缝隙长度分布图。

图9是通过图7所示的以往的等离子体装置生成的等离子体分布示意图。

本发明的最佳实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。

(第一实施例)

图1是本发明等离子体装置的第一实施例的结构图。此图表示部分结构的纵截面结构。

该等离子体装置，具有上部开口、下面封底的圆筒形处理器11。此处理容器11由铝等导体形成。在处理容器的上部开口，配有由厚度为20～30mm左右的石英玻璃或陶瓷(AL₂O₃，AlN等)等构成的电介质板13。在处理容器11和电介质板13的接合部分配有O形环等密封材料14，并由此来保证处理容器内的气密性。

在处理容器11的底部安装有由陶瓷等构成的绝缘板15，并且还设有贯穿绝缘板15和处理容器11底部的排气孔16。通过与此排气孔16连通的真空泵(图中没有表示)，能够使处理容器11内部达到期望的真空度。此外，在处理容器的侧壁中，配有将Ar等等离子气体或CF₄等处理气体导入到处理容器11内的喷嘴17。此喷嘴17是由石英管等形成的。

在处理容器11内装载有在其装载面上配置作为被处理件的基片21的圆柱形基片台22。该基片台22被贯穿(遊貫)处理容器底部的升降轴23支撑着，可以上下自由移动。此外，基片台22经匹配盒25与用于施加偏置的高频电源26连接。此高频电源26输出几百kHz～十几MHz范围内的规定频率。另外，在基片台22和绝缘板15之间安装有包围升降轴23的波纹管24，以便保证处理容器11内的气密性。

此外，在电介质板13上配有作为一种缝隙天线的径向天线30。此径向天线30从处理容器11被电介质板13隔离，从而不与处理容器内产生的等离子体接触而得到保护。径向天线30及电介质板13的外围被以环形状配置在处理容器11的侧壁上的屏蔽材料12覆盖，使电磁场F不向外泄漏。

径向天线30的中央部分通过圆筒形波导管41连接在高频发生器44上。此高频发生器44产生1GHz～十几GHz范围内的规定频率的高频电磁场F。

在圆筒形波导管41的管路中间，装有用于阻抗匹配的匹配电路43和使在波导管41传播的电场的主方向以管轴为中心旋转的圆偏振波变换器42。

下面，进一步说明径向天线30的结构。

径向天线30由形成径向波导路径33的、两片相互平行的圆形导体板31、32，以及与这些导体板31、32的外周边部分连接并用于屏蔽的导体环34构成。导体板31、32和导体环34由铜或铝等导体构成。

在作为径向波导路径33上面的导体板31的中心部分，形成有向径向波导路径33内导入电磁场的导入口35，该导入口35与圆筒形波导管41连接。

在径向波导路径33的内部中，在导体板31的中心部分设有朝向导入口35凸起的圆锥形部件37，圆锥形部件37也由与导体板31、32相同的导体构成。通过此圆锥形部件37，能够将在圆筒形波导管41传播的电磁场F很好地导入到径向波导路径33内。

在作为径向波导路径33下面的导体板31上，形成向处理容器11内供给在径向波导路径33内传播的电磁场F的多个缝隙36。此导体板31构成径向天线30的辐射面。

图2A～图2C是径向天线30的说明图。图2A是辐射面的一种结构例的平面图，图2B是缝隙36的长度分布图，图2C是电磁场F的辐射量分布图。在图2B中，横轴是从构成辐射面的导体板31的中心O开始的径向距离，纵轴是缝隙36的长度L1。在图2C中，横轴依然是从导体板31的中心O开始的径向距离，纵轴是辐射面中的每单位面积的电磁场辐射量F。此外，图3A～图3D是表示缝隙36的形状的实例图。

例如，如图2A所示，缝隙36沿着同心圆方向(圆周方向)形成，当然，也可以从中心向圆周边部分，沿螺旋方向形成，还可以沿径向方向形成。

缝隙36的形状，既可以是如图3A所示的矩形，也可以是如图3C所示的圆弧形。此外，如图3B、图3D所示，也可以将图3A、图3C所示的缝隙的四个角倒成圆弧形。

考虑到对径向波导路径33内的电磁场F的影响等，缝隙36的宽度可以设定为2mm左右。

设计缝隙36的长度L1，使辐射面中的每单位面积的电磁场F的辐射量(以下，仅称为辐射量)具有如图2C所示的分布。即，若用A表示导体板31中心部分，用B表示外周边部分以及用C表示中心部分与外周边部分间的规定区域(以下，称为中间区域)，则设计缝隙36的长度L1，使得从中心部分A到中间区域C的区域中，辐射量大体均匀，而从中间区域C向外周边部分B，辐射量单调减少。此外，可根据处理条件等，适当选择成为辐射特性变化点的中间区域C的位置。

缝隙36的辐射量由缝隙36上部的径向波导路径33内的电能密度和缝隙36内的辐射系数的乘积决定。径向波导路径33内的电能密度，从中心部分向外周边部分逐渐减小。而缝隙36的辐射系数则随着缝隙36的长度L1从0(零)开始变长而逐渐变大，并且在L1为径向波导路径33内的电磁场F的波长λ_g的1/2长度时，达到最大。于是，当L1的上限为λ_g/2时，如图2B所示，通过形成从导体板31的中心部分A向中间区域C单调增大、而从中间区域C向外周边部分B单调减小的缝隙36的长度L1，来得到如图2C所示的辐射量的面内分布。

而当缝隙36的长度L1例如在λ_g/2≤L1≤3/4×λ_g的范围时，相反，可以通过形成从导体板31的中心部分A向中间区域C单调减小、而从中间区域C向外周边部分B单调增大的缝隙36的长度L1，来得到如图2C所示的辐射量的面内分布。

既可以通过将缝隙36宽度方向的相邻缝隙间的间隔设为λ_g左右，来将径向天线30作成辐射型天线，也可以通过将所述间隔设在λ_g/20～λ_g/30内，来将径向天线30作成泄漏型天线。

接下来，说明图1所示的等离子体装置的动作。

将基片21放置在基片台22的装载面上的状态下，使处理容器11内部达到例如0.01～10Pa左右的真空度。然后，继续维持这个真空度的同时，从喷嘴17供给作为等离子气体的Ar及作为处理气体的CF₄。并在此状态下，用圆偏振波变换器42将来自高频发生器44的电磁场F变换为圆偏振波，向径向天线30供给。

导入倒径向天线30的电磁场F，放射状地从径向波导路径33的中心部分向外周边部分传播，同时从多个缝隙36一点一点地辐射出去。而没有被缝隙36辐射的、达到导体环34侧壁上的电磁场F在此处反射，再次向中心部分移动。此后，电磁场F在径向波导路径33内往复传播，同时，通过多个缝隙36慢慢地辐射出去。其中，辐射面外周边附近的辐射量相对地比其他区域小。

从径向天线30辐射的电磁场F，透过电介质板13被导入到处理容器11内。而且，通过此电磁场F的作用，处理容器11内的Ar被电离，同时CF₄分解，于是在基片21的上部空间S产生等离子体。此等离子体与其能量和各向异性被施加在基片台22上的偏置电压控制的、附着在基片上的CF_x(x＝1，2，3)一起，被用于等离子体处理中。

下面，说明图1所示的有关等离子体装置的实验结果。实验采用了四种缝隙样式不同的径向天线<1>～<4>来生成等离子体，并检测了各自的离子饱和电流I_io的分布。如下式所示，离子饱和电流I_io与等离子密度N_i成正比，因此，通过分析离子饱和电流I_io，可以知道等离子体的分布。

I_io＝0.6·N_i·exp[(KT_e/m_i)^1/2]·S

T_e：电子温度，m_i：离子质量，S：探针(Probe)表面积

图4是实验中采用的径向天线<1>～<4>的缝隙长度L的分布图。横轴是从辐射面中心开始的径向距离[cm]，纵轴是缝隙长度L[cm]。此外，径向天线<1>～<4>的辐射面半径是27cm。图5是实验结果图。横轴是处理容器内的从与基片台装载面平行的平面中心开始的径向距离[cm]，纵轴是离子饱和电流I_io的电流密度[mA/cm²]。

首先，对径向天线<1>进行了实验，其中，缝隙长度L从辐射面的中心部分向外周边部分逐渐变长。此径向天线<1>相当于图8所示的传统的径向天线130。使处理容器内的压力为4Pa的状态下，使用径向天线<1>向处理容器内供给2.45GHz、2kW的电磁场来产生等离子体，并且检测离子饱和电流I_io时，得到如图5中的<1>所示的分布。由此得知，在与基片台装载面平行的平面的外周边附近，产生了高密度的等离子体。

接着，对径向天线<2>进行了实验，其中，缝隙长度L从辐射面的中心部分向外周边部分暂时先变长后再变短。此径向天线<2>相当于图2A所示的径向天线30。使用径向天线<2>并进行同样的检测时，如图5中的<2>所示，得到了比<1>均匀的分布。由此可认为：因为在径向天线<2>中，通过从辐射面的中间区域(此时，距离中心12.5cm的位置)向外周边部分逐渐缩短缝隙长度L，来减少了向使用径向天线<1>时产生高密度等离子体的区域的电能供给，从而抑制了此区域的等离子体的生成，所以使等离子体的分布变得均匀了。

此外，对缝隙长度L均等的径向天线<3>和缝隙长度L从辐射面的中心部分向外周边部分逐渐变短的径向天线<4>作了相同的实验，然而，其结果如图5中的<3>和<4>所示，越是靠近外周边部分，等离子体密度就越低，未能得到均匀的等离子体分布。

根据以上的实验结果，可以说：通过使用具有图2A所示的缝隙样式的径向天线30来生成等离子体，能够改善等离子体分布的面内均匀性。通过使用这种等离子体，能够在基片21的整个表面上进行比以往更均匀的等离子体处理。

(第二实施例)

图6A，图6B是在本发明等离子装置的第二实施例中使用的径向天线的说明图。图6A是辐射面的一个结构例的平面图，图6B是缝隙36的数量分布图，图6C是电磁场F的辐射量分布图。图6B中，横轴是从成为辐射面上的导体板31的中心O开始的径向距离，纵轴是辐射面的每单位面积的缝隙36的数量。并且，图6C中，横轴仍然是从导体板31的中心O开始的径向距离，纵轴是辐射面上的每单位面积的电磁场F的辐射量。

在图6A所示的径向天线30A中，设计辐射面上的每单位面积的缝隙36的数量，使辐射面上的每单位面积的电磁场F的辐射量具有如图6C所示的分布。例如，当缝隙36的长度L1完全相同时，如图6B所示，可以按照使在圆周方向排列的缝隙36的数量从导体板31的中心部分A向中间区域C单调增加、而从中间区域向外周边部分单调减少的方式形成缝隙36，从而得到如图6C所示的辐射量的面内分布。成为辐射特性的变化点的中间区域C的位置是由处理条件等决定的，这与参照图2A～图2C说明的径向天线30相同。

这样，用缝隙36的数量分布来调整辐射量时，与用缝隙36的长度L1来调整时一样，也能够改善等离子体的面内均匀性。

以上，作为缝隙天线的一个实例，利用径向天线进行了说明，但不局限于此，即使采用其他的缝隙天线，例如采用谐振腔天线，也能够取得同样的效果。这种谐振腔天线，是一种具有空腔共振器，并形成有多个缝隙的天线，其中，所述空腔共振器使从高频发生器供给的电磁场以规定的模式共振，所述多个缝隙向所述空腔共振器的下面辐射电磁场。此外，在谐振腔天线中，没有必要在空腔共振器上面的中心部分设置电磁场导入口。

此外，本发明的等离子体装置，可以适用于ECR(electroncyclotron resonance，电子回旋共振)等离子体装置，同时，本发明的等离子体装置可以用于蚀刻装置、等离子体CVD装置等。

正如以上说明，本发明中，因为通过使缝隙天线的辐射面外周边附近的、每单位面积的电磁场辐射量，小于所述辐射面中间区域的、每单位面积的电磁场辐射量，来抑制容器内的外周边附近的等离子体的产生，所以，能够改善等离子体分布的面内均匀性。

另外，这里所公开的上述实施例的所有内容都是示例性的，而不是限定性的。本发明的范围，并不是由上述说明确定，而是由权利要求范围确定，它包括与权利要求范围等同的内容和范围内的全部变更。

工业实用性

本发明可以用于在半导体器件制造现场中普遍使用的等离子体装置和等离子体处理工序中。

Claims (8)

1.一种等离子体装置，利用在辐射面形成有多个缝隙的缝隙天线向容器内供给电磁场而产生等离子体，其中，

所述缝隙天线形成有所述缝隙，使得所述辐射面外周边部分的、每单位面积的电磁场辐射量，小于所述辐射面中心部分与外周边部分间的中间区域的、每单位面积的电磁场辐射量。

2.如权利要求1所述的等离子体装置，其中，

所述缝隙天线形成有所述缝隙，使得每单位面积的电磁场辐射量从所述辐射面的中间区域向外周边部分单调递减。

3.如权利要求1或2所述的等离子体装置，其中，

所述缝隙天线的每条缝隙长度，从所述辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

4.如权利要求1或2所述的等离子体装置，其中，

所述缝隙天线中，所述辐射面上的每单位面积的缝隙数，从所述辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

5.一种等离子体生成方法，利用缝隙天线向容器内供给电磁场而产生等离子体，其中，

使所述缝隙天线的辐射面外周边部分的、每单位面积的电磁场辐射量，小于所述辐射面的中心部分与外周边部分间的中间部分的、每单位面积的电磁场辐射量。

6.如权利要求5所述的等离子体生成方法，其中，

使所述缝隙天线辐射面中的、每单位面积的电磁场辐射量，从所述辐射面中间区域向外周边部分单调递减。

7.如权利要求5或6所述的等离子体生成方法，其特征在于，

形成每条缝隙，使得所述缝隙天线的每条缝隙长度，从所述辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

8.如权利要求5或6所述的等离子体生成方法，其中，

形成每条缝隙，使得所述缝隙天线辐射面上的每单位面积的缝隙数，从所述辐射面的中心部分向中间区域单调递增，而从中间区域向外周边部分单调递减。

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