微波导入机构、微波等离子源以及微波等离子处理装置

摘要

微波导入机构(43)具备：天线部(45)，其具有将微波向腔室(1)内放射的平面天线(54)；同轴管(50)，其与平面天线(54)连接，向平面天线(54)引导微波；调谐器部(44)，其设置在同轴管(50)上，进行阻抗匹配，平面天线(54)在其面上具有以λg/4+δ的整数倍的间隔同心地描画出了多个假想圆的情况下，在各假想圆上以相同的长度均等地形成了n个(n为2以上的整数)的形成为圆弧状的多个槽(54a)，上述多个槽形成n个群，属于各群的槽具有相互相同的中心角以及角度位置并沿半径方向排列。

说明书

技术领域

本发明涉及向进行等离子处理的腔室内导入微波的微波导入机构、使用这种微波导入机构的微波等离子源、以及微波等离子处理装置。

背景技术

等离子处理是半导体器件制造所不可缺少的技术，但是近日，由于要求LSI的高集成化、高速化，所以构成LSI的半导体元件的设计规则日益细微化，此外，半导体晶片被大型化，并且与此同时，在等离子处理装置中也要求与这样的细微化以及大型化对应的技术。

但是，在现在经常使用的平行平板型或者感应结合型的等离子处理装置中，由于电子温度高而会在细微元件发生等离子损伤，此外，由于等离子密度高的区域被限定了，因此很难均匀且高速地对大型的半导体晶片进行等离子处理。

因此，可以以高密度均匀地形成低电子温度的等离子的RLSA(Radial Line Slot Antenna)微波等离子处理装置受到关注(参照例如JP特开2000-294550号公报)。

RLSA微波等离子处理装置，在腔室的上部设置按规定的图案形成了多个槽的平面天线(Radial Line Slot Antenna)，从微波发生源导出的微波从平面天线的槽放射出来的同时，经由在其下设置的由电介体构成的微波透过板向保持为真空的腔室内放射，利用该微波电场将被导入腔室内的气体等离子化，利用这样形成的等离子处理半导体晶片等被处理体。

现有的RLSA微波等离子处理装置利用磁控管产生微波，其输出口为方形导波管形状。另一方面，为了向缝隙天线传送微波，必须利用该形状向同轴导波管进行模式变换。为此，在磁控管与天线部之间存在模式转换器等零件。此外，RLSA微波等离子处理装置为了进行负载的阻抗匹配，必须要有阻抗匹配部(调谐器)，但是为了安装阻抗匹配部，必须有一定程度的长度和宽度，从而设置有与同轴导波管相比可减少单位长度的电力损失的方形导波管阻抗匹配部。因此，在天线部与阻抗匹配部之间存在模式转换器等零件。

在这种构造中，在阻抗匹配时，在天线与阻抗匹配部之间存在驻波上升，由此，在天线-阻抗匹配部之间会产生电力消失。其大小，与天线和阻抗匹配部的长度成比例，因此将其长度极力缩短是将电力损失控制为最小限度的必要条件。在现有的构成的情况下，在天线与阻抗匹配部之间存在模式转换器等零件，因此其长度必然会变长。特别是，近年来，与上述的半导体晶片的大口径化对应地，使用了大口径的天线这种电力消失造成的影响很大。即，天线-阻抗匹配部之间如果电力消失，则本来应供给电力的天线以及向载荷部分(等离子)传递电力的效率降低，很难从大口径的天线供给充足的电力。

此外，在大口径天线的情况下，天线本身不一定会高效地向等离子生成空间供给电力，并且均匀性也不能说很充足。此外，由于没有天线-阻抗匹配部之间的电力消失，在该部分会产生很大的发热，因此必须有将其充分冷却的冷却机构。

发明内容

本发明提供一种即使使用了大口径天线，也可以向天线以及载荷部分(等离子)高效地传达电力，并且电力供给的均匀性高的微波导入机构，使用其的微波等离子源以及微波等离子处理装置。

在本发明的第一观点，提供一种微波导入机构，其被使用于在腔室内形成微波等离子的微波等离子源，将从微波输出部输出的微波导入腔室内，其特征在于，具备：天线部，其具有向上述腔室内放射微波的平面天线；微波传送部件，其与上述平面天线连接，向上述平面天线引导微波，形成为同轴构造；阻抗匹配部，设置在上述微波传送部件上，进行阻抗匹配，上述阻抗匹配部具有沿上述微波传送部件可移动的由一对电介体构成的铁心，上述平面天线在其面上具有多个放射微波的形成为圆弧状的槽，这些槽是在以λg/4+δ(其中λg是微波的实效波长，δ是满足0≤δ≤0.05λg的范围的值)的整数倍的间隔同心地描画出了多个假想圆的情况下，在各假想圆上以相同的长度均等地形成了n个(n为2以上的整数)的槽，上述槽形成n个群，属于各群的槽具有相互相同的中心角以及角度位置并沿半径方向排列。

在上述第一观点中，优选上述天线部具有：供从上述天线放射的微波透过的由电介体构成顶板；和设置在与上述天线的顶板相反一侧，缩短到达上述天线的微波的波长的由电介体构成的慢波件。此外，优选上述微波传送部件具有被调整为不传送TE波、TM波而仅传送TEM波的尺寸的微波传送路。此时，可以做成如下结构：上述微波传送部件具有与上述平面天线连接且形成为筒状或者棒状的内侧导体和、在该内侧导体的外侧呈同轴状设置的形成为筒状的外侧导体，在上述内侧导体与外侧导体之间形成有上述微波传送路。

进而，优选还具备电力扩散部件，其设置在上述内侧导体与上述平面天线的连接部分，用来扩散电力。进而，此外，优选上述平面天线构成为在TM01波的感应磁场的相互感应作用下从中心部向外周部传递电磁波。进而，此外，优选上述阻抗匹配部与上述天线作为共振器发挥作用。

在本发明的第二观点中，提高一种微波等离子源，其是具有生成微波的微波生成机构以及将所生成的微波导入腔室内的微波导入机构，并将微波导入上述腔室内并将供给到上述腔室内的气体等离子化的微波等离子源，其特征在于，作为上述微波导入机构使用上述第一观点的微波导入机构。

本发明的第三观点提供一种微波等离子处理装置，其具备容置被处理基板的腔室、向上述腔室内供给气体的气体供给机构和微波等离子源，其中，该微波等离子源具有生成微波的微波生成机构以及将所生成的微波导入上述腔室内的微波导入机构，并且将微波导入上述腔室内并将供给到上述腔室内的气体等离子化，该微波等离子处理装置利用等离子对上述腔室内的被处理基板实施处理，其特征在于，作为上述微波导入机构使用上述第一观点的微波导入机构。

附图说明

图1是表示安装了具有本发明的一实施方式涉及的微波导入机构的微波等离子源的等离子处理装置的概略结构的剖视图。

图2是表示图1的微波等离子源的结构图。

图3是表示主放大器的电路结构的例子的图。

图4是表示图1的微波等离子处理装置的微波导入机构的剖视图。

图5是表示图4是微波导入机构的平面天线的俯视图。

图6是用于说明平面天线的微波传达方式的示意图。

图7是用于说明增强在平面天线上形成的驻波的原理的示意图。

图8是表示本发明的其他实施方式的微波导入机构的剖视图。

图9是表示本发明的微波导入机构的具体设计例的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。图1是表示安装了具有本发明的一实施方式涉及的微波等离子源的等离子处理装置的概略结构的剖视图。图2是表示本实施方式的微波等离子源的结构的结构图。

等离子处理装置100构成为对晶片实施等离子处理的例如实施蚀刻处理的等离子蚀刻装置，具备：气密地构成的由铝或者不锈钢等金属材料构成的近似圆筒状的接地的腔室1和、在腔室1内形成微波等离子用的微波等离子源2。在腔室1的上部形成开口部1a，微波等离子源2设置成从该开口部1a面对腔室1的内部。

在腔室1内用于水平地支承作为被处理体的晶片W的电纳11，在腔室1的底部中央，以由经绝缘部件12a立设的筒状的支承部件12支承的状态设置。构成电纳11以及支撑部件12的材料例示有对表面进行了铝阳极电镀处理(阳极氧化处理)了的铝等。

此外，虽然未图示，但是在电纳11上设置有用于静电吸附晶片W的静电卡盘、温度控制机构，对晶片W的背面供给热传递用的气体的气体流路，以及用于输送晶片W而升降的升降销等。进而，在电纳11上，经匹配器13而电连接着高频偏压电源14。通过从该高频偏压电源14供给高频电力，向晶片W侧引入离子。

在腔室1的底部连接着排气管15，在该排气管15连接着包含真空泵的排气装置16。然后，使该排气装置16工作来排出腔室1内的气体，将腔室1内高速地减压到规定的真空度。此外，在腔室1的侧壁上设置有进行晶片W的搬入搬出的搬入搬出口17和开闭该搬入搬出口17的闸阀18。

在腔室1内的电纳11的上方位置，水平地设置有将等离子蚀刻用的处理气体朝向晶片W喷出的喷头板20。该喷头板20具有形成为格子状的气体流路21和在该气体流路21上形成的多个气体喷出孔22，格子状的气体流路21之间成为空间部23。该喷头板20的气体流路21与向腔室1的外侧延伸的配管24连接，在该配管24上连接着处理气体供给源25。

另一方面，在腔室1的喷头板20的上方位置，沿腔室壁设置有环状的等离子气体导入部件26，在该等离子气体导入部件26的内周设有多个气体喷出孔。该等离子气体导入部件26与供给等离子气体的等离子气体供给源27经配管28被连接起来。作为等离子气体优选使用氩气气体等稀有气体。

从等离子气体导入部件26被导入腔室1内的等离子气体，通过从微波等离子源2导入腔室1内的微波而被等离子化，该氩等离子通过喷头板20的空间部23而激发从喷头板20的气体喷出孔22被喷出的处理气体，形成处理气体的等离子。

微波等离子源2由设置在腔室1的上部的支承环29支承，它们之间气密地被密封。如图2所示，微波等离子源2具有输出微波的微波输出部30和将从微波输出部30输出的微波导入腔室1而向腔室1内放射用的天线单元40。

微波输出部30，如图2所示，具有电源部31和微波振荡器32。微波振荡器32使规定频率的(例如2.45GHz)微波例如PLL振荡。另外，作为微波的频率，除了2.45GHz之外，可以使用8.35GHz、5.8GHz、1.98GHz等。

天线单元40具有主要对微波进行放大的放大器部42和微波导入机构43。此外，微波导入机构43具有：具有使阻抗匹配的调谐器的调谐器部44和、将被放大的微波放射到腔室1内的天线部45。另外，天线部45的上侧被导体罩29a覆盖。

放大器部42具有可变增益放大器46、构成固态放大器的主放大器47和、隔离器48。

可变增益放大器46是调整向主放大器47输入的微波的电力级别，用于调整等离子强度的放大器。

构成固态放大器的主放大器47，例如如图3所示，可以构成为具有输入匹配电路61、半导体放大元件62、输出匹配电路63、高Q共振电路64。作为半导体放大元件62，可以是E级动作。可以使用GaAsHEMT、GaNHEMT、LD-MOS。特别地，作为半导体放大元件62在使用了GaNHEMT时，可变增益放大器变为一定值，使E级动作放大器的电源电压可变地进行功率控制。

隔离器48是分离由天线部45反射而转向主放大器47的反射微波的部件，具有环行器(circulator)和假负载(同轴终端器)。环行器将由天线部45反射的微波向假负载导入，假负载将由环行器引导来的反射微波转换为热。

接着，针对微波导入机构43，参照图4详细地说明。如图4所示，该微波导入机构43具有调谐器部44和天线部45。

调谐器部44，具有作为传送微波的微波传送部件发挥作用的、由内侧导体51以及外侧导体52构成的同轴管50，在该同轴管50上可滑动地设有由电介体构成的两个铁心(slug)53。内侧导体51形成筒状或者棒状，外侧导体52形成包围内侧导体51的筒状。此外，铁心53形成为板状，且形成为在中心具有供内侧导体插入贯通的孔的圆环状。并且，通过基于来自控制器60的指令利用致动器59使上述铁心53上下移动来调整阻抗。控制器60以使终端例如变为50欧姆的方式执行阻抗匹配。当仅使两个铁心中的一个移动时，描绘通过史密斯圆图的原点的轨迹，当两个同时移动时仅相位发生旋转。即，调谐器部44构成铁心调谐器。

此外，在构成微波传送部件的同轴管50上，内侧导体51与外侧导体52之间变为微波传送路，基于微波的传送路的尺寸与截止波长的关系，该微波传送路被调整为仅传送TEM波而不传送TE波、TM波的尺寸。

天线部45具有呈平面状且在其面上形成有放射微波的多个槽54a的平面天线54，上述内侧导体51与该平面天线54的中心部连接。此外，天线部45具有在平面天线54的上表面设置的慢波件55和在平面天线54的下表面设置的电介体材料构成的顶板56。慢波件55、顶板56以及平面天线54构成电磁波放射源，由此向等离子中放射电磁波。等离子根据其状态具有特定的阻抗，由此从电磁波放射源放射的电磁波的一部分被反射而返回天线内。此时，调整调谐器部44，在调谐器部44与等离子之间产生共振，从而可以消除反射带来的能量损失，使最大限度的电磁波能量向等离子吸收。

平面天线54中，如图5所示，在以λg/4+δ(其中，λg是微波的实效波长，δ是满足0≤δ≤0.05λg的范围的值)的整数倍(m倍)、例如3×(λg/4+δ)的间隔同心地描绘出多个(图中是4个)假想圆A的情况下，在各假想圆上以相同的长度均等地呈圆弧状形成4个多个槽54a。但是，各假想圆上的槽54a的数量只要均等地配置即可不限于4个，只要是2以上的整数即可。此外，根据图5可知，上述微波放射用的槽54a形成4个(与各假想圆上的槽54a的数量相同)群，属于各群的槽54a具有相同的开口角度B以及相同的角度位置，并沿半径方向排列。另外，在此所说的槽54a的“开口角度B”是从上述同心假想圆A的中心、即平面天线54的中心开始向槽54a的两端拉出的两个直线所成的角度，换言之是槽54a在其上延伸的圆弧的中心角。此外，“角度位置”的意思是在平面天线54的平面上设定了将假想圆A的中心作为原点的r-θ坐标系的情况下的θ坐标。因此，“槽的角度位置相同”意思是槽的两端的θ坐标相同。另外，在图5所示的例子中，全部的槽54a的开口角度B是83.6°，槽54a的总数是4×4＝16个。

此外，在平面天线54中，如图6所示，在TM01波的感应磁场的相互感应作用下，从中心部向外周部传递微波(电磁波)。即，基于在中心部形成的磁场M，在相互感应作用下一个接一个地在外侧形成感应磁场M1，M2，M3......来传递微波。

上述慢波件55，设置在平面天线54的上表面，具有比真空更大的介电常数，例如由石英、陶瓷、聚四氟乙烯等氟系树脂和聚酰亚胺系树脂构成。该慢波件55具有调整等离子而将其波长做得短于真空中的微波的波长的功能。慢波件55可以根据其厚度调整微波的相位，使慢波件55与平面天线54的交界位置与驻波的波腹(anti-node)的位置一致地调整慢波件55的厚度以使得驻波为最大。

上述顶板56设置在平面天线54的下表面，具有作为真空密封垫的功能以及使微波放射的功能。该顶板56由电介体材料例如石英和陶瓷等构成。

因此，由主放大器47被放大了的微波(电磁波)作为TEM波在内侧导体51与外侧导体52之间的微波传送路中传送，在TM01波的感应磁场的相互感应作用下从平面天线54的中心部向外周部传递，从平面天线54的槽54a透过顶板56向腔室1内的空间放射。另外，主放大器47、调谐器部44、平面天线54接近配置，调谐器部44与平面天线54构成在1/2波长内存在的集中常数电路。

等离子处理装置100的各构成部通过具备微处理器的控制部70而被控制。控制部70具备存储有处理方案的存储部、输入装置以及显示器等，按照所选择的方案控制等离子处理装置。

接着，针对如上结构的等离子处理装置中的动作进行说明。首先，将晶片W搬入腔室1内，放置到电纳11上。然后，从等离子气体供给源27从配管28以及等离子气体导入部件26向腔室1内导入等离子气体、例如氩气气体，同时从微波等离子源2向腔室1内导入微波而形成等离子。

接着，处理气体例如氯气气体等蚀刻气体从处理气体供给源25经配管24以及喷头板20向腔室1内喷出。被喷出的处理气体利用通过喷头板20的空间部23的等离子被激发而等离子化，利用这样形成的处理气体的等离子对晶片W实施等离子处理、例如蚀刻处理。

此时，在微波等离子源2中，从微波输出部30的微波振荡器32振荡的微波由天线单元40的主放大器47被放大，由微波导入机构43的调谐器部44被调谐，经天线部45的平面天线54向腔室1内放射。

此时，在与平面天线54连接的微波传送路上设置用于获得阻抗匹配的铁心53，在平面天线54与构成铁心调谐器的调谐器部44之间不存在其他的部件，并使它们接近，因此可以将平面天线54与调谐器部44之间的电力消失变少。

此外，平面天线54，在其面上，在以λg/4+δ(其中，λg是微波的实效波长，δ是满足0≤δ≤0.05λg的范围的值)的整数倍的间隔同心地描绘出多个假想圆A(参照图5)的情况下，具有在各假想圆上以相同的长度均等地形成了4个(2以上的整数)的放射微波的形成圆弧状的多个槽54a，并且上述多个槽54a形成4个(2以上的整数)群，属于各群的槽54a具有相互相同的中心角和角度位置，并沿半径方向排列那样地设置，因此由槽54a反射的反射波增强驻波那样地发挥作用，从而可以做成平面天线的电力放射效率高的结构，也可以提高电场强度的均匀性。

即，在平面天线54上传递的微波，如图7所示，如果槽54a的间隔是λg/4+δ的整数倍，则由槽54a反射的反射波以加强在平面天线54上传送的入射波那样地作用，它们所合成的驻波的振幅大，可以提高电力发射效率。并且，通过如上述那样地配置槽54a，从而槽的配置变得均等，电场强度的均匀性也变得良好。

进而，慢波件55可以根据其厚度调整微波的相位，平面天线54以变为驻波的“波腹”的方式调整其厚度，因此可以通过最小的反射，使平面天线54的放射能量变得最大。

进而，在平面天线54在TM01波的感应磁场的相互感应作用下从中心部向外周部传递电磁波，由此从原理上来说无论如何，平面天线的大口径化都有可能。即，如图6所示，在槽54a上，通过利用TM01波的相互感应作用，首先，向在于中心部形成的磁场M的外侧生成反向的感应磁场M1，进而在磁场M1的外侧生成反向的感应磁场M2，进而，同样地一个接一个地在外侧生成感应磁场M3，M4，M5......，传递微波，因此可以对应平面天线54的大口径化。

进而，在构成微波传送部件的同轴管50中，调整内侧导体51与外侧导体52之间的微波传送路的尺寸，使得仅传送TEM波而不传送TE波、TM波，因此可以容易地进行阻抗匹配。就是说，在一次匹配动作中，只有TE波、TM波、TEM波中的一个模式能够获得匹配，因此在微波中混合有TE波、TM波、TEM波中的两个以上的情况下，很难用一次匹配动作获得匹配，这样通过仅传送TEM波，可以用一次匹配动作进行阻抗匹配。

接着，针对本发明的其他实施方式进行说明。如上述的实施方式那样，在单纯地连接调谐器部44的构成同轴管50的内侧导体51与平面天线54的情况下，平面天线54的中央部上的电场强度有可能变得比其他部分的电场强度大。

在此，在本实施方式中，如图8所示，在内侧导体51与平面天线54的结合部设置呈原板状的电力扩散部件57，使这种平面天线54的中央部的电场强度向外侧分散，可以进一步提高电场强度的面内分布的均匀性。

该电力扩散部件57用良导体构成，防止在电力扩散的作用下，在平面天线54的中央部电场强度变高。

接着，参照图9说明本发明的微波导入机构的具体设计例。在此，表示以300mm晶片为对象的设计例。首先，作为微波使用频率为2.45GHz，作为慢波件55使用石英(介电常数3.88)。因此，实效波长λg是62mm。

此外，作为微波传送部件的同轴管50的内侧导体51的外径是19.5mm，外侧导体52的内径是45mm。因此，微波传送路的宽度为12.75mm，仅传送TEM波。

作为平面天线54使用直径为340mm厚度为13.2mm的铜制圆板。槽54a呈同心状形成4重，这些槽的间隔(假想圆的间隔)是3×(λg/4+0.01λg)＝48.825mm。此外，槽54a的开口角度B是83.6°，槽54a的宽度是6.75mm。

慢波件55使用直径为452mm厚度为25.4mm的圆板。此外，顶板56使用与慢波件同样的石英制的直径为452mm厚度为10mm的圆板。进而，电力扩散部件使用直径为51.0mm厚度为9.5mm的圆板。

模拟了以上那样设计的微波导入机构的微波放射时，出现了电磁波电解强度在天线表面以及其正下方都均匀地产生的结果。

另外，本发明不限于上述实施方式，在本发明的思想的范围内可以进行种种变更。例如，微波输出部30的电路构成和天线单元40、主放大器47的电路构成等也不限定于上述实施方式。

进而，在上述实施方式中，作为等离子处理装置例示了蚀刻处理装置，但是不限定于此，等离子处理装置也可以适用于成膜处理、氮氧化膜处理、灰化处理等其他的等离子处理。此外，被处理基板不限定于半导体晶片W，也可以是LCD(液晶显示器)用基板所代表的FPD(平板显示器)基板、陶瓷基板等其他的基板。