微波等离子体处理装置、等离子体处理方法以及微波发射部件 【技术领域】
本发明涉及等离子体处理装置，更具体地说，本发明涉及用微波生成的等离子体对半导体晶片等被处理基片进行处理的微波等离子体处理装置以及等离子体处理方法。技术背景
近年来，随着半导体产品的高密度化以及高细微化的发展，在半导体产品的制造工艺中，使用等离子体处理装置来进行成膜、蚀刻、灰化(ashing)等处理。尤其是一种通过微波产生等离子体的微波等离子体处理装置，即使是在0.1～数10mTorr压力非常低的真空状态下也能产生很稳定的等离子体。因此，例如采用2.45GHz微波的微波等离子体处理装置就引起人们的关注。
对于微波等离子体处理装置来说，一般都是在能够产生真空的处理容器的顶部安装有能够让微波透过的电介质板，在电介质板上安装了圆形的平滑的天线部件(微波发射部件)。在天线部件中形成若干贯通孔(slot)，从天线部件的中心提供微波，这些微波沿发射方向传播，并通过贯通孔导入到处理容器内。利用导入到处理容器内的微波产生处理气体的等离子体，对装载在处理容器内的半导体晶片进行处理。
日本专利第2722070号公报以及日本专利第2928577号公报揭示了一种微波等离子体处理装置，它具有把微波导入到处理容器内的天线部件。这些专利公报所揭示的天线部件是圆形的，其上的若干贯通孔或者贯通孔对沿着若干同心圆排列。另外，还揭示了一种若干贯通孔或者贯通孔对排列成螺旋形的天线部件。
如上所述的圆形天线部件中心部分所提供的微波，沿着发射方向传播，利用贯通孔使其方向改变90°，穿过电介质板，导入到处理容器中。这时，在天线部件和等离子体之间(电介质板)，沿着发射方向传播的表面波从电介质板的外围反射回中心部分。这里，当天线部件的贯通孔沿着若干同心圆排列时，从电介质板周围反射回来地表面波集中到天线部件中心部分的一点。所以，这种表面波的电场在天线部件中心部分很强，向着周围方向减弱。
图1是表面波在贯通孔沿着同心圆排列的天线部件内的传播示意图以及等离子体空间内电子密度分布的示意图。图1A是电介质板的表面波在天线部件内的传播示意图，图1B是等离子体空间的电子密度沿天线部件径向分布的示意图。如图1B所示，等离子体空间的电子密度ne在天线部件中心部分是最大的，电子密度ne向着天线部件周围方向逐渐减小。于是，在贯通孔沿同心圆排列的天线部件内存在这样一个问题，即天线部件中心部分的等离子体浓度要比周围的等离子体浓度高，等离子体密度不均匀。发明内容
本发明总的目的是提供一种经过改良的能够有效解决上述问题的微波等离子体处理装置以及等离子体的处理方法。
本发明具体的目的是提供一种能够使天线部件的径向等离子体密度分布均匀的微波等离子体处理装置、等离子体处理方法以及天线部件。
为了达到上述目的，本发明的一种技术方案是：一种微波等离子体处理装置，用于对被处理基片进行等离子体处理，该微波等离子体处理装置具有：处理容器，该处理容器内设置有装载台，用来装载被处理基片；微波发生器，该微波发生器产生微波并向处理容器内提供微波；微波发射部件，该微波发射部件设置在微波发生器和处理容器之间，用于向处理容器内发射微波；微波放射部件具有若干贯通孔，这些贯通孔沿着若干圆周排列，这些圆是相互不同心的圆。
在上述发明中，若干圆的圆心可以相对于微波发射部件中心向不同的方向偏心。另外，若干圆的圆心也可以相对于微波发射部件中心向同一方向偏心，并且若干圆的圆心的偏心量向着微波发射部件的外围方向越来越大。进一步说，任意一个贯通孔与邻近的贯通孔构成了一个T字型贯通孔对，该贯通孔对沿着若干圆的圆周排列。
另外，本发明的另一种技术方案是：一种等离子体处理方法，该方法使用了一种微波等离子体处理装置，该装置具有：处理容器，该处理容器内设有装载台，用来装载被处理基片；微波发生器，该微波发生器产生微波并向处理容器提供微波；微波发射部件，该微波发射部件设置在微波发生器和处理容器之间，向处理容器内发射微波，微波放射部件具有若干贯通孔，这些贯通孔沿着若干圆周排列，这些圆是相互不同心的圆。该方法包括以下步骤：将被处理基片的处理面相对微波发射部件装载在装载台上；向微波发射部件提供微波，并使微波通过排列在非同心圆上的贯通孔导入到处理容器内；利用导入的微波在处理容器内产生等离子体；利用所产生的等离子体对被处理基片进行等离子体处理。
另外，对于本发明，又一种技术方案是：一种用于微波等离子体处理装置中的微波发射部件，所述的微波等离子体处理装置具有：处理容器，在该处理容器内进行等离子体处理；微波发生器，该微波发生器产生微波并将微波供给处理容器。其中，该微波发射部件安装在处理容器内并与微波发生器连接，具有沿着若干非同心圆排列的若干贯通孔，微波通过该若干贯通孔导入到处理容器内。
在上述发明中，若干圆的圆心相对于微波发射部件中心可以向不同方向偏心。另外，若干圆的圆心相对于微波发射部件中心也可以向同一方向偏心，并且若干圆的圆心的偏心量向着微波发射部件的外围方向越来越大。此外，一个贯通孔与邻近的另一个贯通孔构成一对T字型贯通孔，该贯通孔对沿着若干圆周排列。
根据上述发明，微波发射部件的若干贯通孔沿若干非同心圆排列，由此，能够使所产生的等离子体密度均匀。若干非同心圆向不同方向偏心，由此，能够使微波发射部件中心部分的高电子密度下降，使等离子体密度均匀。另外，若干非同心圆向相同的方向偏心，由此有目的地让电子密度分布发生偏移，合成修正其它原因引起的等离子体密度偏移，由此能够使等离子体密度均匀。
本发明的其他目的、特征及优点，通过阅读以下参照附图所作的详细说明，就会更加清楚。附图的简要说明
图1是在贯通孔沿着同心圆排列的天线部件内表面波的传播示意图以及等离子体空间内电子密度分布的示意图。
图2是微波等离子处理装置总体构造的剖面图，该微波等离子体处理装置设有本发明第一实施例的天线部件。
图3是图2所示平面天线部件的平面图。
图4是使用本发明第一实施例的平面天线部件时电子密度分布的示意图。
图5A～5F是贯通孔平面形状的示意图。
图6是使用T字形贯通孔对的天线部件平面图。
图7是本发明第二实施例的平面天线部件的平面图。
图8是图7所示的平面天线部件所产生的电子密度分布的示意图。
图9是说明对图7所示平面天线部件的电子密度偏移进行修正的示意图。发明的具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。而且，图中相同的结构部件用相同的参考标号表示。
图2是微波等离子处理装置总体构造的剖面图，该微波等离子体处装置设有本发明第一实施例的天线部件。而且，图2所示的微波等离子体处理装置以等离子体CVD处理装置为例表示。
图2中所示的等离子体CVD处理装置20，具有整体呈圆筒状的处理容器22。处理容器22由铝等导体制成，形成密闭的处理空间S。
在处理容器22内部具有装载台24，在装载台24上面装载着作为被处理对象的半导体晶片W。装载台24的中央为凸起的形状，它是平坦的、略呈圆柱状，由例如经过防蚀(alumite)处理的铝等制成。装载台24的下部由支承台26支承，支承台26同样由铝等制成，为圆柱状。支承台26由处理容器22内底部的绝缘部件28支承。
装载台24的上面设有静电夹盘或者夹紧机构(图中未示出)，用来固定半导体晶片W。通过供电线30，装载台24与匹配器(matching box)32和偏置用的高频率电源34相连接。例如要是能够产生13.56MH的高频波，就不必设置偏置用的高频电源。
在支承装载台24的支承台26中设置了让冷却水流过的冷却管36，以便对等离子体处理时的晶片W进行冷却。而且，根据需要可以在装载台24中安装加热用的加热设备。
在处理容器22的侧壁上，设有石英管制成的等离子体气体供给喷嘴38和石英管制成的处理气体供给喷嘴40，将其作为气体的供给装置。供给喷嘴38向容器内提供等离子体用的气体，例如氩气；处理气体供给喷嘴40向容器内提供处理气体，例如淀积(deposition)气体。喷嘴38、40分别通过气体供给线路42、44，经由质量流量调整器46、48以及开关阀50、52与等离子体气体源54和处理气体源56相连接。作为处理气体的淀积气体，通常使用SiH4、O2、N2等气体。
另外，在处理容器22侧壁的外面，安装有闸阀58，在搬入、搬出晶片W的时候闸阀58会打开。另外，在处理容器22的底部，设有与真空泵(图中未示出)连接的排气口60，根据需要可以让处理容器22内达到一定的压力形成真空。而且，在处理容器22的顶部设有开口，在开口处，电介质板62通过密封部件64保持容器的气密性，电介质板62由氮化铝AlN和氧化铝Al2O3等陶瓷材料及氧化硅SiO2制成。电介质板62的厚度一般在20mm左右，对于微波来说可以透过。
在电介质板62的上面，设有圆板形的平面天线部件(微波发射部件)66。具体地说，该平面天线部件66构成了导波箱68的底板，导波箱68呈中空圆筒形并且与处理容器22形成一体。平面天线部件66与处理容器22内的装载台24相对而置。导波箱68上部的中心部分，连接着同轴导波管70的外导体70A，内部的内导体70B与天线部件66的中心部分相连。而且，同轴导波管70通过调频变换器72以及导波管74，连接到例如能产生2.45GHz的微波发生器76上，从而构成向平面天线部件66传送微波的结构。微波的频率并不局限于2.45GHz，象8.35GHz的频率也可以使用。对于导波管，可以使用横截面是圆形或者矩形的导波管和同轴导波管。在图2所示的微波等离子体处理装置中使用的就是同轴导波管。而且，在导波箱68内、平面天线部件66的上面，设有由例如Al2O3构成的具有固定介电常数和固定厚度的慢波部件82，利用其缩短波长的效果，使微波在管内的波长缩短。再说明一点，慢波部件82可以根据需要来设置。
下面，参照图3，对本发明第一实施例的、作为微波发射部件的平面天线部件66进行详细说明。图3是平面天线部件66的平面图。平面天线66，在对应8英寸规格晶片的时候，由例如直径为30～40cm、厚度为1～数mm的金属圆板制成。具体地说，平面天线部件66是由表面镀银的铜板或者铝板等金属板制成的。
在平面天线部件66中，形成了若干沿厚度方向贯通的贯通孔84，这些贯通孔84的平面形状呈曲线状。如图3所示，贯通孔84各自呈细长的椭圆形，沿着3个不同的圆周P1、P2、P3排列。再说明一点，贯通孔84是沿着P1、P2、P3整个圆周排列的，为简便起见，在图3中只示出了其中的一部分。在这里，圆周P1、P2、P3的圆心相对于平面天线部件66的中心偏移(偏心)，并且偏移方向(偏心方向)各不相同。
于是，内侧圆周P1的圆心与平面天线66中心的连线相对于中间圆周P2的圆心与平面天线66中心的连线成120°。再者，最外侧圆周P3的圆心与平面天线66中心的连线相对于中间圆周P2的圆心与平面天线66中心的连线成120°。这样，圆周P1、P2、P3的圆心相互之间的偏移方向不同。
这样一来，由于贯通孔84沿着若干个非同心圆排列，因此，尽管电介质板62的表面上沿发射方向传播的表面波因外周面反射而向平面天线部件66的中心方向反射，但是却不会集中到平面天线部件66的中心一点。于是，将会按照圆周P1、P2、P3的偏移量反射到很大的范围内。总而言之，这种根据本实施例来排列贯通孔84的平面天线部件66，与以前那种因为圆周P1、P2、P3是同心圆、表面波都集中在一点而发生等离子体电子密度不均匀情况的平面天线部件相比较，能改善等离子体密度的不均匀性，使等离子体的密度分布均匀。
图4是使用本发明第一实施例的平面天线部件时电子密度ne的分布示意图，以前那种贯通孔沿同心圆排列情况下的电子密度分布用虚线来表示。从图4中我们可以看出，如果平面天线部件66的贯通孔根据本发明第一实施例沿非同心圆排列，则与以前那种贯通孔沿同心圆排列时的电子密度分布相比较，平面天线部件66中心部分的领域内的电子密度降低，周围部分的领域内的电子密度上升。因此，如果采用本发明第一实施例的平面天线66，则在平面天线部件66的径向(也就是晶片W的径向)的等离子体密度与以前相比变得均匀了，从而能够对晶片W进行均匀的等离子体处理。
尽管在图3所示的例子中，贯通孔84的平面形状是细长的椭圆形，但其形状不局限于此，例如图5A所示的圆形也可以，图5B所示的不同离心率的椭圆形也可以。还有如图5C所示把长方形的一对短边做成圆弧状也可以，如图5D、图5E、图5F所示的三角形、正方形、以及将长方形的各个角部84B形成曲线形状也可以。还有，尽管图中未示出，但是五角形以上的多角形的角部形成曲线形状也可以。
在上述情况下，对于贯通孔的平面形状，都不含有容易产生电场集中的角，所以抑制了异常放电，可以使用大电力，发挥出更佳的效果。
还有，图3所示的贯通孔84，沿圆周的切线方向排列，但也可以沿着相对于圆周切线方向成例如规定的45°的方向排列。
另外，也可以让构成T字形的贯通孔对沿非同心圆排列。在图6所示的平面天线部件66A中，贯通孔92A及92B沿着4对圆周(图中用点划线表示)排列，设置成T字形，它们组成了贯通孔对92。还有，在图6中，以点划线所表示的圆周内，互相邻近的两个圆周形成了一个圆周对，一个圆周对的圆以同心圆的形式存在。沿这对圆周排列的贯通孔92A和92B形成了贯通孔对92。
这里，4对圆周相互的偏移方向(偏心方向)相差90°。也就是说，最内侧圆周对的圆心相对于平面天线部件66A的中心O向下偏移，紧挨着它的外侧圆周对的圆心相对于平面天线部件66A的中心O向图中左侧的方向偏移。接着，下一个圆周对的圆心相对于平面天线部件66A的中心O向上方偏移。接下来，最外面圆周对的圆心相对于平面天线部件66A的中心O向右侧偏移。因此，与图3所示的平面天线部件66一样，从平面天线部件的侧面反射回来的表面波不会集中到平面天线66的中心一点，抑制了在中心部分等离子体密度过高的情况。
在这里，贯通孔92A的长度方向和贯通孔92B的长度方向互相垂直，贯通孔92B的一端靠近贯通孔92A长度的中点。贯通孔92A长度方向，相对于贯通孔92A的中点和排列贯通孔92A的圆周的圆心的连线，大约倾斜45°；同样的，贯通孔92B长度方向，相对于贯通孔92B的中点和排列贯通孔92B的圆周的圆心的连线，也大约倾斜45°。利用这种排列成T字型的贯通孔对，沿发射方向传播的微波就可以有效地转换成圆偏振波(偏波)，同样可以有效地产生等离子体。
下面，参照图7说明本发明的第2实施例。图7是本发明第2实施例的平面天线部件66B的平面图。
这里，如图2所示，在从等离子体处理装置内的晶片W侧面供给等离子体所用气体的情况下，等离子体空间的电子密度如图8所示的那样发生偏移。也就是说，在等离子体用的气体的供给方向上游侧的电子密度降低，在下游侧的电子密度升高。于是会发生等离子体密度不均匀的情况。
本发明第2实施例的平面天线部件66B，通过周密考虑贯通孔的排列，能够解决上述问题。即，使贯通孔排列偏移，有目的地使微波的发射分布偏移，于是，由于等离子体用的气体的供给方法而引起的等离子体密度分布的偏移会通过由平面天线部件的微波发射偏移而得到修正。
图7所示的平面天线部件66B与图6所示的平面天线部件66A一样，具有T字形的贯通孔对92，而且所排列的圆周对的圆心相对于平面天线部件66B的中心O偏移。但是，对于平面天线66B来说，它的4对圆周的圆心都向同一个方向偏移。在图7中，最内侧的圆周对的圆心和平面天线部件66B的中心是一致的，其他外侧的圆周对的圆心全都向左偏移，偏移量越向外越大。
于是，对于图7所示的平面天线部件66B来说，右侧部分的贯通孔对92的密度变得很大，在左侧部分的密度变得很小。这样，发射的微波电场强度在平面天线部件66B的右侧部分(贯通孔密度大的部分)变大，在平面天线部件66B的左侧部分(贯通孔密度小的部分)变小。
因此，在使用图9所示的那种贯通孔沿非同心圆排列的天线部件的情况下，由等离子体用的气体的供给方法而引起的电子密度变小的部分，对应于由平面天线部件贯通孔的排列而引起的微波发射强度变大的那部分，所以能够进行电子密度偏移的修正。
如上所述，在本实施方式中，在贯通孔排列在若干非同心圆上所构成的平面天线部件中，通过各圆周的偏移方向一致而有意使电子密度发生偏移，从而可以对其他原因所引起的电子密度偏移进行修正，使等离子体密度均匀。
而且，在本发明的第二实施例中，与第一实施例一样，可以不使用贯通孔对，而单独使用如图5A～5F所示的各种平面形状的贯通孔。
本发明并不局限于上述所揭示的实施例，在本发明的范围内，可以进行各种变形和改进。