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TWI593319B - Plasma generating antenna, plasma processing device and plasma processing method - Google Patents

Plasma generating antenna, plasma processing device and plasma processing method Download PDF

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TWI593319B
TWI593319B TW101146511A TW101146511A TWI593319B TW I593319 B TWI593319 B TW I593319B TW 101146511 A TW101146511 A TW 101146511A TW 101146511 A TW101146511 A TW 101146511A TW I593319 B TWI593319 B TW I593319B
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plasma
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gas path
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TW101146511A
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TW201338636A (zh
Inventor
Tomohito Komatsu
Taro Ikeda
Shigeru Kasai
Original Assignee
Tokyo Electron Ltd
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Publication date
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Description

電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法
本發明關於一種電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法。
電漿處理為半導體元件的製造中不可或缺之技術。近年來，基於LSI之高集積化及高速化的要求，而被要求構成LSI之半導體元件的更微細加工。然而，電容耦合型電漿處理裝置或感應耦合型電漿處理裝置中所生成之電漿的電子溫度較高。又，電漿密度高的區域受到限制。於是，要實現對應於半導體元件的更加微細加工要求之電漿處理一事相當困難。
於是，為了實現上述般的微細加工而必須生成低電子溫度且高電漿密度的電漿。相對於此，專利文獻1揭示一種技術，其係藉由微波輸出部所輸出之微波來將氣體電漿化而生成低電子溫度且高電漿密度的電漿，並使用生成的電漿來對被處理體進行微細加工。
專利文獻1：日本特開2010-74154號公報
然而，專利文獻1中，微波與氣體係從不同位置被供應。亦即，專利文獻1中，相對於微波係從頂面被放射，而氣體係從腔室內之頂面與晶座之間的空間所設置之格子狀的氣體噴淋板被導入。如此地，若從較微波的放射位置要下方處之頂面與晶座之間的空間供應氣體，便會難以控制氣體的流動，而難以進行良好的電漿控制。
又，由於格子狀的氣體噴淋板係由石英所形成，故微波會穿透氣體噴淋板內。於是，氣體便會在噴淋頭內所設置的氣體孔被電漿化，而有在氣體孔會發生放電，導致微波功率損失，或發生異常放電之問題。
針對上述課題，本發明提供一種可供應氣體及微波之電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法。
為解決上述課題，依據本發明之其中一觀點，提供一種電漿產生用天線，係將經由同軸導波管而傳送之微波放射至處理容器內，並使其傳播至該處理容器內的金屬面而將氣體電漿化，藉以生成表面波電漿；其特徵為具備有：氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入至該處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分離之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由該同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間，貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔係較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔要來得寬。
又，為解決上述課題，依據本發明之另一觀點，提供一種電漿處理裝置，其具備：氣體供應源，係供應氣體；微波輸出部，係輸出微波功率；以及電漿產生用天線，係由該微波輸出部所輸出的微波生成表面波電漿；該電漿產生用天線具有：氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分離之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由該同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間，貫穿該氣體路徑之部分的第1 間隔係較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔要來得寬。
又，為解決上述課題，依據本發明之另一觀點，提供一種電漿處理方法，其係使用具備有生成表面波電漿的電漿產生用天線之電漿處理裝置；其特徵為該電漿產生用天線具有：氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分離之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由該同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間，貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔係較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔要來得寬；使氣體從該複數狹縫的外周側通過該第1間隔之狹縫間之該氣體路徑的區域而導入至該複數狹縫的內周側；將微波從該複數狹縫放射至該處理容器內，並使該微波的表面波傳播至該處理容器內的金屬面，而將該所導入的氣體電漿化。
如以上的說明，依據本發明，便可提供一種可供應氣體及微波之電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法。
10‧‧‧電漿處理裝置
100‧‧‧處理容器
200‧‧‧電漿生成用天線
210‧‧‧噴淋頭
215‧‧‧氣體孔
220‧‧‧狹縫
225‧‧‧氣體路徑
250‧‧‧DC施加機構
300‧‧‧微波輸出部
400‧‧‧微波傳送機構
450‧‧‧微波導入機構
455‧‧‧同軸導波管
480‧‧‧慢波板
500‧‧‧控制裝置
600‧‧‧氣體供應源
605‧‧‧噴淋頭的下部組件
800‧‧‧介電組件
BU‧‧‧狹縫段差
圖1為一實施型態之電漿處理裝置的概略結構圖。
圖2為一實施型態之電漿產生用天線的概略結構圖。
圖3為一實施型態之電漿產生用天線的下面圖。
圖4為一實施型態之微波輸出部與微波傳送機構的結構圖。
圖5係顯示一實施型態之複數狹縫的配置之圖式。
圖6係用以說明一實施型態之複數狹縫的配置與電場強度分佈的均勻性之圖式。
圖7係用以說明從一實施型態之電漿處理裝置的頂面所供應之氣體流量之圖式。
圖8係用以說明一實施型態之狹縫的配置與氣體的流動之圖式。
圖9係顯示一實施型態之2個電漿產生用天線之圖式。
圖10為圖9之狹縫的段差部分之放大圖。
圖11係顯示一實施型態之變形例之複數狹縫的配置之圖式。
圖12為一實施型態之變形例1之電漿產生用天線的概略結構圖。
圖13為一實施型態之變形例2之電漿產生用天線的概略結構圖。
圖14為一實施型態之變形例3之電漿產生用天線的概略結構圖。
圖15為一實施型態之變形例之電漿處理裝置的概略結構圖。
圖16為一實施型態之變形例之微波輸出部與微波傳送機構的結構圖。
以下，參閱添附圖式詳細地說明本發明之實施型態。此外，本說明書及圖式中，針對實質地具有相同功能結構之構成要素，則賦予相同符號而省略重複說明。
[電漿處理裝置的概略結構]
首先，針對本發明一實施型態之電漿處理裝置10的概略結構，參閱圖1加以說明。圖1係顯示一實施型態之電漿處理裝置10的概略結構之縱剖視圖。
本實施型態中，係舉對半導體晶圓W(以下稱作晶圓W。)作為電漿處理的一例而施予蝕刻處理之蝕刻裝置為 例，來加以說明電漿處理裝置10。電漿處理裝置10具有在保持為氣密之處理室對晶圓W進行電漿處理之處理容器100。處理容器100為圓筒狀，係由例如鋁等的金屬所形成。處理容器100為接地狀態。
處理容器100的底部係設置有載置晶圓W之載置台105。載置台105係藉由支撐組件115而受到支撐，且介隔著絕緣體110而設置於處理容器100的底部。藉此，載置台105便成為電性漂浮之狀態。作為載置台105及支撐組件115的材料，舉例有表面施有耐酸鋁處理(陽極氧化處理)之鋁等。
載置台105係介隔著匹配器120而連接有偏壓用高頻電源125。高頻電源125會對載置台105施加偏壓用高頻電功率，藉以將電漿中的離子吸引至晶圓W側。此外，雖未圖示，載置台105係設置有用以靜電吸附晶圓W之靜電夾具、溫度控制機構、用以對晶圓W的內面供應熱傳導用氣體之氣體流道、會在搬送晶圓W時升降之升降銷等。
處理容器100的底部設置有排氣口130。排氣口130係連接有包含有真空幫浦之排氣裝置135。使排氣裝置135作動後，處理容器100內便會被排氣，而被減壓至所欲真空度。處理容器100的側壁係設置有晶圓W的搬入及搬出用之閘閥145。
處理容器100頂部的蓋體150係設置有可由同一面內進行氣體的導入與微波的供應之電漿產生用天線200(以下稱作天線200。)。天線200的上部係連結有傳送微波之微波傳送機構400。
微波傳送機構400具有天線模組410與微波導入機構450。從微波輸出部300輸出的微波會經由天線模組410而從微波導入機構450被傳送至天線200。
(天線的結構)
此處，關於本實施型態之微波導入機構450及天線200的結構，參閱1圖2加以說明。圖2為本實施型態之微波導入機構450及天線200的放大圖(左半部分)。
微波導入機構450係具有傳送微波之同軸構造的導波管(以下稱作同軸導波管455。)。同軸導波管455具有筒狀的外部導體455a及設置為同軸之內部導體455b。同軸導波管455的內部導體455b為供電側，而外部導體455a則為接地側。同軸導波管455的下端係介隔著慢波板480而設置有天線200。慢波板480係由圓板狀的介電組件所形成。微波係經由同軸導波管455而傳送，並穿透慢波板480，而被引導至天線200。
同軸導波管455設置有調諧器470。調諧器470具有2個芯塊470a，而構成了芯塊調諧器。芯塊470a為圓板狀，係由介電體所形成。芯塊470a係在內部導體455b與外部導體455a之間設置為圓環狀。調諧器470會依據來自圖1所示之控制裝置500的指令，而藉由未圖示之致動器來使芯塊470a上下移動，藉以調整阻抗。控制裝置500會調整阻抗來使例如同軸導波管455的終端成為50Ω的特性阻抗，藉此將微波的輸出控制為最大限度。
天線200係具有噴淋頭(氣體噴淋頭)210以及使直流電流流通於噴淋頭210之DC供應機構250。噴淋頭210係鄰接設置於慢波板480的下面。噴淋頭210為圓板狀，係由鋁或銅等之電氣傳導率高的導電體所形成。噴淋頭210係露出於處理容器100內之電漿空間U側，來使表面波傳播至噴淋頭210下面。
噴淋頭210係具有氣體路徑225、連通於氣體路徑225之複數氣體孔215、在與氣體路徑225及複數氣體孔215分離之位置處讓微波通過之複數狹縫220。複數狹縫220能夠讓經由同軸導波管455而穿透慢波板480之微波通過，並放射至處理容器100內。複數狹縫220係於貫穿氣 體路徑225之導波道具有段差。本實施型態中，複數狹縫220係在氣體路徑225與複數氣體孔215的交界面(即噴淋頭21之下部組件605的上面605c)處具有段差BU。以下，將貫穿氣體路徑之部分之相鄰接狹縫間的間隔以「間隔WA」(相當於第1間隔)來表示，而將朝處理容器100內的電漿生成空間開口之部分的間隔以「間隔WB」(相當於第2間隔)來表示。鄰接之狹縫220間，貫穿氣體路徑225之部分的間隔WA係較朝處理容器100內的電漿生成空間U開口之部分的間隔WB要來得寬。
氣體路徑225係與複數狹縫220呈分離設置，而在天線200內形成有供氣體流通之空間。複數氣體孔215係連通於氣體路徑225，來將通過氣體路徑225之氣體導入處理容器100內。露出於噴淋頭210的電漿側之面係以例如耐電漿性高之氧化鋁Al2O3或氧化釔Y2O3的熔射皮膜290加以覆蓋，來使導體面不會露出於電漿空間側。熔射皮膜290係形成有連通於複數狹縫220及複數氣體孔215之開口。
慢波板480與噴淋頭210的接觸面係設置有O型環485、495，而從配置在大氣側之微波傳送機構400來將噴淋頭210及處理容器100內真空密封。藉此，便可將狹縫220、氣體路徑225、氣體孔215及處理容器100內保持為真空狀態。
圖1之控制裝置500會控制施加在天線200之DC電壓或電漿製程。控制裝置500具有控制部505及記憶部510。控制部505會依據記憶在記憶部510之配方，來針對各個製程控制從微波輸出的功率或施加在天線200之電壓。此外，對控制裝置500之指令係藉由專用的控制元件或執行程式之CPU(未圖示)而執行。設定有製程條件之配方係被預先記憶在ROM或非揮發記憶體(皆未圖示)，而由CPU從該等記憶體讀取並執行配方的條件。
如本實施型態般，當噴淋頭210係由導電體所形成的情況，可對噴淋頭210施加DC電壓。具體來說，依照控制部505的指令，從DC電源255輸出的DC電壓會被供應至DC施加機構250。DC施加機構250具有DC電極260、絕緣組件265及絕緣片270。DC電極260具有筒狀的導電體260a，係介隔著導電體260a而電連接於噴淋頭210，藉以對噴淋頭210施加DC電壓。DC電極260係藉由導電體260a的下端所設置之絕緣插座(未圖示)，而被鎖固於噴淋頭210。
DC電極260係接近同軸導波管455的外部導體455a及蓋體150。於是，便必須使DC電極260與外部導體455a，及DC電極260與蓋體150電性絕緣。因此，便以絕緣組件265覆蓋DC電極260，來使DC電極260與外部導體455a，及DC電極260與蓋體150絕緣。甚且，噴淋頭210與蓋體150之間係挾置有絕緣片270。如此般，藉由使DC電極260與外部導體455a，及DC電極260與蓋體150電性絕緣，來使DC電壓僅會施加在噴淋頭210。藉此，便可盡可能地減少DC電壓的相關組件。
如上所述，由於本實施型態可一邊對噴淋頭210施加DC電壓，一邊對相同的噴淋頭210施加微波，因此便可將電漿處理裝置10應用於多種製程。例如，施加微波後，表面波會傳播至噴淋頭210的表面。此時，噴淋頭210的表面會產生鞘層區域，表面波會在鞘層中傳播。DC電壓會控制該鞘層的厚度。例如，對噴淋頭210施加DC電壓時，可將鞘層控制為較厚，其結果，可增加在噴淋頭210的表面傳播之表面波的傳播距離。如此地，藉由DC電壓的控制來操作電漿鞘層電壓，藉此便可控制表面波的傳播距離，從而使電漿的電子密度分佈、離子密度分佈、自由基密度分佈最佳化。
此外，當噴淋頭210係由絕緣體所形成的情況，則無 法對噴淋頭210施加DC電壓。此情況下，藉由施加RF電壓，仍可獲得與上述施加DC電壓之情況同樣的效果。
如以上的說明，依據圖1及圖2所示之本實施型態之電漿處理裝置10，從同軸導波管455導入的微波會穿透慢波板480，並通過噴淋頭210的複數狹縫220而朝處理容器100內被放射。此時，噴淋頭210的表面會產生駐波(其係具有以電漿鞘層作為交界條件而具有分散關係的特徵之波長)的金屬表面波，而被表面波電漿吸收。從氣體供應源600供應的氣體會經由氣體供應管602，通過與複數狹縫220分離而設置於天線200內之氣體路徑225，並從複數氣體孔215被導入至處理容器100內。複數狹縫220的開口與複數氣體孔215的開口係形成於同一面內。藉此，則氣體與微波便會自相同頂面被供應。藉此，可容易控制氣體的流動，且藉由微波的表面波來進行良好的電漿控制，且生成低電子溫度且高電漿密度的電漿。所生成之表面波電漿會被使用於對晶圓W上之蝕刻處理。由於表面波電漿為低電子溫度，因此晶圓W便不易受到損傷，又，由於為高電漿密度，故處理速度會變快。又，由於噴淋頭210係由導電體所形成，因此可執行反應性蝕刻等的製程。
通常的表面波電漿的情況，天線200係由介電體所形成，對介電體進行機械加工來製作噴淋頭。此情況下，由於微波會穿透介電體，因此氣體在其內部被電漿化而發生放電的可能性很高。於是，通常的表面波電漿中，便難以採用噴淋頭構造。例如，氬電漿中，若在噴淋頭空間內有10mm的空間閒置之情況，若對噴淋頭內施加約120伏的電壓，則壓力為1Torr(133Pa)之噴淋頭內部發生異常放電的可能性便會變高。
相對於此，本實施型態之電漿處理裝置10，其噴淋頭210係由導電體所形成。故微波便不會進入噴淋頭210 內部。於是，由於氣體不會在噴淋頭210內被電漿化，因此噴淋頭210內部不會發生放電現象。又，本實施型態之噴淋頭210中，由於氣體的路徑與微波的路徑為完全分離，因此氣體與微波便不會在噴淋頭210內接觸，而是會在進入處理容器100內後才首次接觸。因此，若使用本實施型態之電漿處理裝置10，便可避免在氣體孔215發生放電而損失微波功率，或發生異常放電。
如圖2所放大顯示，複數狹縫220係設置於與氣體的供應路徑(即氣體路徑225)及複數氣體孔215相分離之位置處。複數狹縫220係以上部222而於縱向貫穿噴淋頭210的上部，且在與氣體路徑225分離之狀態下貫穿氣體路徑225，再者，係具有段差部BU，且以下部221而於縱向貫穿下部組件605。如此地狹縫220會形成導波道。又，狹縫220的一端部係鄰接於慢波板480，另一端部則於處理容器內所形成之電漿空間U側呈開口。
圖3的上部圖係顯示微波導入機構450及天線200，圖3的下部圖係顯示圖3之上部圖的A-A剖面。複數狹縫220係配置為其長邊方向會位在圓周方向。鄰接之狹縫220間係於徑向相距特定間隔而相重疊。此處，4個狹縫220a~220d係均等地配置於圓周方向。狹縫的數量不限於4個，只要為2個以上，任意數量皆可。複數狹縫220係相對於天線200的中心軸O而呈對稱配置。
噴淋頭210設置有未圖示之冷卻道，來將噴淋頭210冷卻。噴淋頭210為電氣傳導率高之導電體，又，由於係將狹縫分割成複數個所形成，因此便可使來自微波的傳送路徑且為容易被加熱之複數狹縫220的熱，從狹縫220間有效率地逃逸至處理容器100本體側。此外，有關狹縫形狀，將詳述於後。
氣體孔215係於形成於圓周方向之複數狹縫220的內側及外側均等地形成為複數個。藉此，便可將從複數氣體 孔215被導入的氣體，藉由從位在同一面內之複數狹縫220所供應的微波功率而電漿化。藉此，可均勻地生成電漿。
(微波輸出部及微波傳送機構)
接下來，針對微波輸出部300及微波傳送機構400的結構，參閱圖4加以說明。圖4的左側係顯示微波輸出部300的結構，圖4的右側係顯示微波傳送機構400的結構。
微波輸出部300具有微波電源305、微波發振器310、放大器315及分配器320。微波電源305會輸出8.35GHz、5.8GHz、2.45GHz、1.98GHz，或其以下頻率的微波。微波發振器310會使例如2.45GHz之特定頻率的微波進行PLL發振。放大器315會使發振後的微波增幅。分配器320會將增幅後的微波分配為複數個。分配器320會盡可能地傳送微波，不會使其損失，而一邊取得輸入側與輸出側的阻抗匹配，一邊分配藉由放大器315而被增幅後的微波。所分配的微波會被傳送至各天線模組410。本實施型態中，天線模組410係設置為7個。
天線模組410具有相位器412、可變增益放大器414、主放大器416及阻震器418，會將從微波輸出部300輸出的微波傳送至微波導入機構450。
微波會從連接於各天線模組410之同軸導波管455被放射至處理容器100內，並在其內部對微波進行空間合成。阻震器418可為小型，可鄰接設置於主放大器416。
相位器412係構成為藉由芯塊調諧器(調諧器470)來改變微波的相位，並藉由調整微波的相位來調變放射特性。例如，藉由針對每個天線模組410調整相位，來控制指向性而改變電漿分佈，或在鄰接之天線模組410中每隔90°便錯開相位，如此可獲得圓偏波。此外，若不需上述般放射特性的調變之情況，則亦可不設置相位器。
可變增益放大器414會調整輸入至主放大器416之微波的電功率等級，並進行各個天線模組410之變異的調整或電漿強度的調整。藉由針對每個天線模組410改變可變增益放大器414，則亦可使所產生的電漿呈現分佈。
主放大器416構成了固態放大器。固態放大器亦可具有未圖示之輸入匹配電路、半導體增幅元件、輸出匹配電路及高Q共振回路。
阻震器418會將在天線200被反射而朝向主放大器416之微波的反射波予以分離，係具有環流器(circulator)與虛擬負載(dummy load)(同軸終端器)。環流器會將在天線200被反射的微波導向虛擬負載，而虛擬負載則會將藉由環流器而被引導之微波的反射波轉換為熱。如此地，從天線模組410輸出的微波便會被傳送至微波導入機構450，並引導至天線200。
[狹縫形狀]
接下來，一邊參閱圖5及圖6，一邊針對狹縫形狀與電場強度分佈加以說明。本實施型態中，如圖5所示，4個狹縫220a~220d係均等地配置於圓周方向。該等狹縫220a~220d皆為相同形狀，且於圓周方向形成為細長形狀。又，本實施型態中，4個狹縫220a~220d係相對於天線200的中心軸O而呈對稱配置。
4個狹縫220a~220d之圓周方向的長度為(λg/2)-δ，而設計為微波之電場強度的尖峰會位在狹縫220a、220b、220c、220d的中心位置PA、PB、PC、PD。但狹縫220之圓周方向的長度不限於(λg/2)-δ，只要為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)即可，只要是該長度，則狹縫220之圓周方向的長度亦可每個狹縫皆不同。
此外，λg為管內波長(實際波長)，δ為微調整成分(包含0)。管內波長λg係以λ0/εr表示。λ0為自由空間中的波長，εr為介電組件的介電率。例如，當狹縫內所充填之 介電組件為石英的情況，管內波長λg會成為以λ0/3.78所示之值。狹縫內不限於石英，而亦可以氧化鋁Al2O3或鐵氟龍(註冊商標)等來加以充填。
鄰接之狹縫220間係於徑向相距特定間隔而相重疊。又，鄰接之狹縫220間係於各狹縫220的兩側處設置為相重疊。藉此，則於周圍方向便不會產生不具狹縫220的部分，而設計為周圍方向的放射特性會成為均勻。狹縫皆為相同形狀。此處，舉狹縫220a為例來加以說明，狹縫220a係朝向圓周方向而由左外側部220a1、中央部220a2及右外側部220a3之3個部分所構成，左外側部220a1係相距特定間隔而與鄰接狹縫220d的右外側部相重疊。此處，狹縫220a的左外側部220a1係位在外周側，狹縫220d的右外側部係位在內周側。同樣地，狹縫220a的右外側部220a3係相距特定間隔而與狹縫220b的左外側部相重疊。此處，狹縫220a的右外側部220a3係位在內周側，狹縫220b的左外側部係位在外周側。狹縫220a的中央部220a2則未相重疊。左外側部220a1、中央部220a2及右外側部220a3在圓周上係形成為約45°的角度。
左外側部220a1及右外側部220a3為接近扇型。另一方面，狹縫220a的中央部220a2係具有直線形狀，而將以中央部PA為中心而位在外周側之左外側部220a1與位在內周側之右外側部220a3斜斜地連結。
如狹縫220b所示，左外側部220b1、中央部220b2及右外側部220b3之圓周方向的長度為(λg/6)-δ1、(λg/6)-δ2、(λg/6)-δ3，係具有大致均等的長度。此外，δ1、δ2、δ3為微調整成分(包含0)。由於若鄰接之狹縫間的重疊部分為相等的話可使電場強度的分佈均勻，故δ1與δ3較佳為相等。此外，圖6中為了簡單地說明，係使以δ1、δ2、δ3表示的微調整成分為0。
狹縫220a~220d係形成為其內周會自天線200的中心 而成為(λg/4)+δ’的位置。δ’係為了使徑向上的電場強度分佈均勻而進行微調整之調整成分(包含0)。此外，從中心到狹縫內周的長度不限於λg/4，只要是λg/4的整數倍再加上微調整成分(包含0)即可。
依據圖5所示之狹縫的形狀及配置，如圖6所示，而設計為微波功率(電場強度)的尖峰會位在狹縫220a、220b、220c、220d之中心位置PA、PB、PC、PD的位置處。亦即，係設計為複數狹縫之圓周方向的間距為λg/2。又，由於本實施型態之狹縫的長度為λg/2，故各狹縫之兩端部的電場強度便成為0。如此一來，在中央部處，電場強度會變強，而在左外側部及右外側部，電場強度則會變弱。藉此，可在兩外側部處使鄰接之狹縫相重疊。藉此，便可在狹縫的兩側處增加所放射之微波的功率。其結果，可在中央部與兩外側部處使電場強度分佈變得均勻。又，鄰接之狹縫220間之重疊部分的外周側狹縫與內周側狹縫的位置關係，以及右側狹縫與左側狹縫的位置關係在前述所有的複數狹縫中皆為相同關係。例如，由順時針方向觀看，所有的狹縫中，係以右側狹縫會位在左側狹縫的外周側之方式而相重疊。
藉由上述狹縫形狀及配置，便可謀求圓周方向及徑向上之電場強度分佈的均勻性。藉此，便可實現如同期待般之微波的放射特性及放射均勻性。
[氣體路徑]
接下來，針對上述方式配置的複數狹縫220而進行氣體路徑的最佳化加以說明。噴淋頭210中，為了均勻地生成電漿，而要求氣體流速的均勻性。然而，若於噴淋頭210，與狹縫220相分離而設置氣體路徑的情況，則會因狹縫220的配置而使得氣體的通道產生限制，特別是，在總氣體流量大之製程中，會有損及噴淋頭210之構造上氣體流速的均勻性之情況。例如，形成圖案，並以其為遮罩 而以氧系蝕刻氣體來蝕刻下層的膜，而形成溝渠之情況，在處理容器內的壓力為80mTorr(10.6Pa)，氣體種類及氣體流量為C4F8/Ar/N2/O2=30/1200/70/23sccm之製程中，氣體的總流量會大至約1400sccm。縱使是上述般的製程中，本實施型態中，如圖1之B-B剖面的圖7所示，亦必須從於電漿處理裝置10所配置之7個天線200的下面a、b、c、d、e、f、g均勻地呈開口之氣體孔(參閱圖3之A-A剖視圖所圖示的氣體孔215)，一邊保持氣體流速的均勻性，一邊將最大流速約1400sccm的氣體導入至處理容器100內。此處，若為了提高氣體流速的均勻性而改變狹縫角度或位置，雖可提高氣體流速，但會損及微波的放射特性及放射均勻性。
而本實施型態的情況，如圖8所示，連接於氣體供應管602之氣體導入口602a係配置在狹縫220的外周側。如此地，為了減少微波溢漏的風險，氣體導入口602a並非設置於狹縫220的內周側，而是設置在外周側。藉此，氣體便會從狹縫220的外周側通過設置於狹縫間的重疊部分所設置之特定間隔，而被運送至狹縫220內部，並從狹縫220內部的氣體孔215被導入至處理容器100內。於是，重疊部分處之氣體的通道會變得狹窄。即便是上述情況，本實施型態提出一種噴淋頭210構造，可使總流量為約1400sccm的氣體順利地流至狹縫220內的氣體孔215，並均勻地導入至處理容器100，而不會損及氣體流速的均勻性。
[狹縫的段差]
亦即，本實施型態之噴淋頭210係於亦兼作導波道之狹縫220設置有段差，而具有可同時達成氣體傳導率的增加與微波放射特性的均勻性維持之構造。圖9及圖10中顯示2個不同的電漿產生用天線。圖9及圖10之左側的電漿產生用天線900(以下稱作天線900。)中，貫穿氣體 路徑之狹縫920的間隔係與朝電漿生成空間開口之部分的間隔WB為相同。另一方面，圖9及圖10之右側的天線200中，貫穿氣體路徑之狹縫220的間隔WA係較朝電漿生成空間開口之部分的間隔WB要來得寬。此外，由於天線200、900之朝電漿生成空間開口之部分的間隔，及貫穿天線900的氣體路徑之狹縫920的間隔皆為相同間隔，因此便賦予和間隔WB相同的名稱。
關於以上2個天線200、900，參閱圖9及圖10加以說明。
對於微波的電漿之放射特性係僅由與電漿相接觸之狹縫的形狀(即圖5所示之狹縫形狀及配置)而決定，與所通過之導波道的形狀無關。亦即，若不改變朝處理容器內之電漿生成空間U開口之部分的狹縫形狀或狹縫間的間隔WB，則不會損及微波的傳送特性。然後，若未損及微波的傳送特性，便可在設計上改變藉由狹縫220而形成之導波道的形狀、構造。因此，天線900、200中，形成於噴淋頭的下部組件905、605之狹縫921、221的形狀及配置為相同，而朝電漿生成空間開口之部分的間隔WB亦為相同。藉此，便可維持放射至處理容器100內之微波的放射特性及放射均勻性。
另一方面，為了增大氣體傳導率，而將導波道的形狀、構造改變成如下述般。亦即，天線900中，複數狹縫920在氣體路徑995a、995b、995c與複數氣體孔915的交界面處並不具有段差。因此，天線900中，貫穿氣體路徑之相鄰接之狹縫920的間隔WB(氣體路徑995b的幅)係與朝電漿生成空間開口之部分的間隔WB為相同間隔。
相對於此，天線200中，複數狹縫220係在氣體路徑225a、225b、225c與複數氣體孔215的交界面處具有段差。藉此，天線200中，便可使貫穿氣體路徑之相鄰接之狹縫220的間隔WA形成為較開口部分的間隔WB要來的 寬。
圖10為圖9之狹縫的段差部分之放大圖。參閱圖10，天線900中，各狹縫920a、920b並非於垂直方向具有段差，而是貫穿噴淋頭的下部組件905。另一方面，天線200中，狹縫220a、220b係在氣體路徑225a、225b、225c與複數氣體孔215的交界面處具有段差BU。亦即，位在重疊部分的內周側處之狹縫(此處為狹縫220b)會因段差而在噴淋頭的下部組件605處突出於外周側，而位在重疊部分的外周側處之狹縫(此處為狹縫220a)則會因段差而在噴淋頭的下部組件605處凹入內周側。
如此地，藉由氣體路徑225與複數氣體孔215之交界面的段差，則重疊部分的狹縫間隔當中，設置於氣體路徑之狹縫220a、220b間的間隔WA(氣體路徑225b的幅)便會較狹縫220a、220b之開口部分的間隔WB(複數氣體孔215側的寬度)要來得寬。藉此，便可使圖9及圖10所示之天線200之氣體路徑225b的間隔WA較天線900之氣體路徑995b的間隔WB要來得寬，從而可增大氣體傳導率。其結果，可提高氣體流速的均勻性。
特別是，氣體會如圖8所示般地從複數狹縫220的外周側所設置之氣體導入口602a被供應，並從複數狹縫220外周側之氣體路徑225a的區域，在間隔WA處，通過相重疊之狹縫220間之氣體路徑225b的區域，而被供應至複數狹縫220內周側之氣體路徑225c的區域。於是，狹縫220所相重疊之部分處，氣體路徑會變得狹窄，而導致構造上氣體的流動變差。然而，使狹縫220相重疊之形狀或開口部分的間隔WB係為了使微波的放射特性為良好而必要之形狀及間隔。
因此，如本實施型態般，藉由設有段差BU，並使氣體路徑225b的間隔WA較狹縫的開口部處之間隔WB要來得寬，藉以增大狹縫220所相重疊之部分處之氣體路徑 225b的氣體傳導率，並如圖8及圖10所示般地，使氣體流量F1>氣體流量F2，則從複數狹縫220外周側之氣體路徑225a的區域經過氣體路徑225b，而往內周側之氣體路徑225c的區域順利地供應氣體之效果會較大。此外，為了形成壓差，係使氣體孔215之上部的口徑為1~1.5mm，下部的口徑為0.5mm左右。
發明者們進行電磁場模擬解析後，證明了縱使狹縫的導波道成為段差形狀，仍可維持微波放射特性，並提高氣體流速的均勻性。
有關重疊部分之狹縫間的高度、寬度(間隔)，在本實施型態中，係藉由於狹縫220設有段差，來擴大間隔，而擴大氣體路徑。但擴大氣體路徑的情況，亦考慮了擴大高度方向H。但由於若擴大高度方向H的話，會導致微波的功率衰減，故宜避免。例如，若高度H成為1.2倍的話，則表面積會成為1.44倍，而導致微波的功率損失約50%。
特別是，本實施型態中，微波的模式為TE10，為容易通過狹縫之模式。但此外，若使氣體路徑往高度方向H擴大的情況，由於微波的傳送路徑變長，因此微波的功率會衰減。較TE10要高階模式之微波中，微波的功率的衰減量會變得更大。其結果，放射至處理室內之微波功率便會變弱。由以上可知，應避免擴大高度方向H。
又，在段差部分BU處，可容許狹縫之橫向上的寬度為1/2左右，而不會損及微波的傳送特性。亦即，因段差所造成之最狹窄部分的狹縫寬度亦可為1~2mm。段差部分以外的狹縫寬度則為3~5mm。
依據上述結構的噴淋頭210，便可同時達成氣體傳導率的增大與微波放射特性之均勻性的維持。
(狹縫的變形例)
圖11係顯示一實施型態之變形例之複數狹縫的配置。本變形例中，狹縫的個數為6個，這一點與上述實施 型態相異。此情況下，6個狹縫220a~220f之圓周方向的長度亦為λg/2-δ，而設計為微波之電場強度的尖峰會位在狹縫220a~220f的中心位置。但狹縫220之圓周方向的長度不限於λg/2-δ，只要為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)即可。此外，δ為微調整成分(包含0)。
鄰接之狹縫220間係於徑向相距特定間隔而相重疊。鄰接之狹縫220間係在各狹縫220的兩側處相重疊。狹縫皆為相同形狀。例如，狹縫220c從中心軸觀看，係由左外側部220c1、中央部220c2及右外側部220c3之3個部分所構成，左外側部220c1係相距特定間隔而與狹縫220b的右外側部相重疊。此處，狹縫220c的左外側部220c1係位在內周側，狹縫220b的右外側部係位在外周側。同樣地，狹縫220c的右外側部220c3係相距特定間隔而與狹縫220d的左外側部相重疊。此處，狹縫220c的右外側部220c3係位在外周側，狹縫220d的左外側部係位在內周側。狹縫220c的中央部220c2則未相重疊。
狹縫220的左外側部、中央部及右外側部之圓周方向的長度為λg/6-δ2、λg/6-δ1、λg/6-δ3，係具有大致均等的長度。此外，δ1、δ2、δ3為微調整成分(包含0)。左外側部、右外側部為扇型，左外側部與右外側部係藉由中央部而斜向地在直線上相連結。
[天線的變形例]
最後，針對一實施型態之變形例1~3的天線200，參閱圖12~圖14加以說明。
(天線的變形例1)
首先，針對一實施型態之變形例1的天線200，參閱圖12。圖12所示之變形例1的天線200可取代上述實施型態之天線200而適用於本實施型態之電漿處理裝置10。
圖12所示之天線200係於複數狹縫220充填有介電組件800。作為介電組件800，可使用石英等。藉此，便 可防止電漿進入狹縫220內。藉此，可避免異常放電，且提高電漿的均勻性。再者，藉由狹縫220內的介電組件800，可縮短通過狹縫內之微波的管內波長λg(實際波長)。藉此，可使噴淋頭210的厚度較薄。
又，變形例1的天線200中，例如鋁所形成之噴淋頭210之朝電漿空間的露出面(下面)係鎖固有矽的頂板700。藉此，便可適當地更換因電漿而受到損傷之頂板700，從而延長噴淋頭210的壽命。頂板700係形成有連通於複數狹縫220及複數氣體孔215之開口，而與狹縫220連通之開口係與狹縫220同樣地充填有介電組件800。
(天線的變形例2)
接下來，針對一實施型態之變形例2的天線200，參閱圖13加以說明。圖13所示之變形例2的天線200中，噴淋頭210係由矽所形成。變形例2的天線200可取代上述實施型態之天線200而適用於本實施型態之電漿處理裝置10。又，變形例2的天線200中，亦可不於噴淋頭210形成熔射皮膜，或是設置有頂板700，而是如圖13所示般地使噴淋頭210的矽表面直接露出在電漿空間。
此外，天線的變形例1、2的情況亦可一邊對噴淋頭210施加DC電壓，一邊放射微波，藉此，便可執行多種製程。
(天線的變形例3)
接下來，針對一實施型態之變形例3的天線200，參閱圖14加以說明。圖14所示之變形例3的天線200中，係設置有2個系統的氣體路徑。變形例3的天線200亦可取代上述實施型態之天線200而適用於本實施型態之電漿處理裝置10。變形例3的情況，噴淋頭210的氣體路徑225係分離為氣體路徑225a及氣體路徑225b。期望的氣體1會從氣體供應源600(參閱圖1)被輸出，並通過氣體路徑225a而進入至複數氣體孔215，再從氣體孔215 被導入至處理容器100內。期望的氣體2亦會另從氣體供應源600(參閱圖1)被輸出，並通過氣體路徑225b而進入至與期望的氣體1所通過之氣體孔215不同的複數氣體孔215，再從氣體孔215被導入至處理容器100內。藉此，便可由鄰接之氣體孔215交互地導入不同種類的氣體。藉此，可控制2個系統的氣體流動，而在處理容器內的空間使2種以上的氣體反應(後混合)。此外，氣體路徑不限於2個系統，亦可不混合 3種以上的氣體，而是分離為可個別地供應之3個系統以上的氣體路徑。
如以上的說明，依據本實施型態及複數變形例的天線200以及使用該天線200之電漿處理裝置10，便可由同一面內供應氣體及微波。具體來說，不會損及天線200的放射特性，可增加氣體的傳導率，且提高氣體流速的均勻性。藉此，縱使是多種製程條件，仍可生成均勻的電漿，且執行多種製程。
此外，重疊部分之狹縫的間隔亦可在氣體路徑側(亦即，圖10的間隔WA)而為5mm~15mm。
又，只要是不會損及微波的傳送特性，則導波道的段差亦可為錐狀。
又，氣體孔215亦可非均等地配置。例如，亦可對應於狹縫220外周側與狹縫220內周側之氣體路徑225的壓差，而將配置在狹縫220的外周側之氣體孔215的孔徑形成為較配置在狹縫220的內周側之氣體孔215的孔徑要來得小。
又，亦可對應於狹縫220外周側與狹縫220內周側之氣體路徑225的壓差，而使配置在狹縫220的外周側之氣體孔215的數量較配置在狹縫220的內周側之氣體孔215的數量要來得少。
又，藉由所謂的後混合(post mixed)，來將2種類的氣體從配置在狹縫220的外周側之氣體孔215與配置在內 周側之氣體孔215分別導入的情況，亦可改變配置在外周側之氣體孔215的氣體流速與配置在內周側之氣體孔215的氣體流速來分別地控制各氣體。
<結論>
以上，雖已參閱添附圖式而針對本發明之電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法詳細地說明較佳實施型態，但本發明之電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法的技術範圍不限於上述範例。只要是本發明所屬技術領域中具通常知識者，應當可在申請專利範圍所記載之技術思想的範疇內思及各種變化例或修正例，且可明瞭該等當然亦屬於本發明之電漿產生用天線、電漿處理裝置及電漿處理方法的技術範圍。又，若存在複數個上述實施型態及變形例的情況，可在不會矛盾之範圍內加以組合。
例如，本發明之電漿處理裝置亦可如圖15所示般地具有1個天線200。圖15係顯示一實施型態之變形例之電漿處理裝置的概略結構。此情況下，藉由於狹縫設有段差，則不會損及天線200的放射特性，可增加氣體的傳導率，並提高氣體流速的均勻性。藉此，縱使是多種製程條件，仍可生成均勻的電漿，且執行多種製程。
又，本發明之電漿處理裝置的天線200的個數可為任意個數。例如，圖16係顯示一實施型態之變形例之微波輸出部與微波傳送機構的結構。若本發明之電漿處理裝置的天線200為1個的情況，則如圖16所示，不需於微波輸出部300內設置分配器320。又，微波傳送機構400內的天線模組410只要為1個即可。
又，被供應至本發明之電漿處理裝置的功率不限於微波，只要是100MHz的RF帶至3GHz的微波帶之電磁波即可。
又，可藉由本發明之電漿處理裝置執行的電漿製程不限於蝕刻製程，而亦可為成膜、灰化、濺鍍等任何製程。
該複數狹縫亦可於貫穿該氣體路徑之導波道具有該段差。
該複數狹縫亦可於該氣體路徑與該複數氣體孔的交界面具有段差。
該複數狹縫亦可充填有介電體。
該複數狹縫亦可配置為其長邊方向會位在圓周方向；鄰接之狹縫間亦可於徑向相距特定間隔而相重疊；該相重疊之狹縫間的特定間隔亦可為貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔係較在朝該電漿生成空間開口之部分處相重疊之第2間隔要來得寬。
該氣體亦可從配置在該圓周方向之複數狹縫的外周側，通過以該第1間隔相重疊之狹縫間之該氣體路徑的區域而被供應至該複數狹縫的內周側。
該鄰接之狹縫間之重疊部分的外周側狹縫與內周側狹縫的位置關係，以及右側狹縫與左側狹縫的位置關係，亦可在所有的狹縫中皆為相同關係。
該複數狹縫亦可均等地配置於圓周方向。
該複數狹縫亦可相對於該電漿產生用天線的中心軸而呈對稱配置。
該複數狹縫之圓周方向的間距亦可為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)。
該複數狹縫之圓周方向的長度亦可為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)。
該重疊部分的狹縫間隔亦可因該氣體路徑與該複數氣體孔之交界面的段差，使得該氣體路徑側的第1間隔較該複數氣體孔側的第2間隔要寬。
各狹縫亦可朝向圓周方向而由左外側部、中央部及右外側部之3個部分所構成，鄰接之狹縫除了該中央部以外亦可相重疊。
該相重疊之狹縫間的特定間隔，在該氣體路徑側的第 1間隔處亦可為5mm~15mm。
本申請案係依據2011年12月12日所申請之日本專利申請第2011-271435號以及2011年12月15日所申請之美國暫時申請案第61/576042號而主張優先権，並援用其全部內容於本申請案。
BU‧‧‧段差
U‧‧‧電漿空間
WA、WB‧‧‧間隔
150‧‧‧蓋體
200‧‧‧電漿生成用天線
210‧‧‧噴淋頭
215‧‧‧氣體孔
220‧‧‧狹縫
221‧‧‧下部
222‧‧‧上部
225‧‧‧氣體路徑
250‧‧‧DC施加機構
260‧‧‧DC電極
260a‧‧‧導電體
265‧‧‧絕緣組件
270‧‧‧絕緣片
290‧‧‧熔射皮膜
450‧‧‧微波導入機構
455‧‧‧同軸導波管
455a‧‧‧外部導體
455b‧‧‧內部導體
470‧‧‧調諧器
470a‧‧‧芯塊
480‧‧‧慢波板
485、495‧‧‧O型環
605‧‧‧下部組件
605c‧‧‧上面

Claims (16)

  1. 一種電漿產生用天線，係將經由同軸導波管而傳送之微波放射至處理容器內，並使其傳播至該處理容器內的金屬面而將氣體電漿化，藉以生成表面波電漿；其特徵為具備有：氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入至該處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分隔之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由該同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間係具有貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔，以及較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔，該第1間隔會較該第2間隔要來得寬。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係於貫穿該氣體路徑之導波道具有段差。
  3. 如申請專利範圍第2項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係於該氣體路徑與該複數氣體孔的交界面具有該段差。
  4. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係配置為其長邊方向會位在圓周方向；鄰接之狹縫間係於徑向相距特定間隔而相重疊；該相重疊之狹縫間的特定間隔為貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔係較在朝該電漿生成空間開口之部分處相重疊之第2間隔要來得寬。
  5. 如申請專利範圍第4項之電漿產生用天線，其中該氣體係從配置在該圓周方向之複數狹縫的外周側，通過以該第1間隔相重疊之狹縫間之該氣體路徑的區域而被供應至該複數狹縫的內周側。
  6. 如申請專利範圍第4項之電漿產生用天線，其中該鄰接之狹縫間之重疊部分的外周側狹縫與內周側狹縫的位置關 係，以及右側狹縫與左側狹縫的位置關係，在所有的狹縫中皆為相同關係。
  7. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係均等地配置於圓周方向。
  8. 如申請專利範圍第7項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係相對於該電漿產生用天線的中心軸而呈對稱配置。
  9. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫之圓周方向的間距為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)；λg為管內波長，δ為微調整成分。
  10. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫之圓周方向的長度為n(λg/2)-δ(n為1以上的整數)；λg為管內波長，δ為微調整成分。
  11. 如申請專利範圍第4項之電漿產生用天線，其中該重疊部分的狹縫間隔係因該氣體路徑與該複數氣體孔之交界面的段差，使得該氣體路徑側的第1間隔較該複數氣體孔側的第2間隔要寬。
  12. 如申請專利範圍第4項之電漿產生用天線，其中各狹縫係朝向圓周方向而由左外側部、中央部及右外側部之3個部分所構成，鄰接之狹縫除了該中央部以外係相重疊。
  13. 如申請專利範圍第4項之電漿產生用天線，其中該相重疊之狹縫間的特定間隔，在該氣體路徑側的第1間隔處為5mm~15mm。
  14. 如申請專利範圍第1項之電漿產生用天線，其中該複數狹縫係充填有介電體。
  15. 一種電漿處理裝置，其具備：氣體供應源，係供應氣體；微波輸出部，係輸出微波功率；以及電漿產生用天線，係由該微波輸出部所輸出的微波生成表面波電漿；該電漿產生用天線具有： 氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分隔之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間係具有貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔，以及較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔，該第1間隔會較該第2間隔要來得寬。
  16. 一種電漿處理方法，其係使用具備有生成表面波電漿的電漿產生用天線之電漿處理裝置；其特徵為該電漿產生用天線具有：氣體路徑，係使氣體流通於該電漿產生用天線內；複數氣體孔，係連通於該氣體路徑，並將通過該氣體路徑之氣體導入處理容器內；以及複數狹縫，係在與該氣體路徑分隔之狀態下貫穿該氣體路徑，並經由同軸導波管來使穿透慢波板之微波通過而放射至該處理容器內；其中，鄰接之狹縫間係具有貫穿該氣體路徑之部分的第1間隔，以及較朝該處理容器內的電漿生成空間開口之部分的第2間隔，該第1間隔會較該第2間隔要來得寬；使氣體從該複數狹縫的外周側通過該第1間隔之狹縫間之該氣體路徑的區域而導入至該複數狹縫的內周側；將微波從該複數狹縫放射至該處理容器內，並使該微波的表面波傳播至該處理容器內的金屬面，而將該所導入的氣體電漿化。
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