表面波等离子体处理装置 本发明涉及等离子体处理装置，尤其涉及一种表面波等离子体处理装置，该装置适合于用等离子体刻蚀诸如具有用作掩模的光刻胶的半导体元件衬底等样品，也适合于抛光(ashing)样品以除去光刻胶。
在日本特许公开83337/1991中公开的利用微波但没有用于产生主等离子体的外部磁场的现有技术的无磁场微波等离子体处理装置里，在引入微波的石英介质窗上垂直放置一方形或圆形截面的波导管。通常当微波被导入无磁场等离子体时，角频率为ω的微波在具有如下定义的临界电子密度nc的等离子体中不能传播，nc在由F.F.Chen所著，Taijiro Uchida翻译，于1977年由MARUZEN出版的“Purazuma Butsuri Nyumon”(等离子体物理介绍)一书中定义为：
nc＝mω2/4πe2，这里m是电子质量；e是电子电荷量。频率为2.45GHz的微波不能在具有临界电子密度为7×107/cm3或更大的等离子体中传播。在这种情况下，产生等离子体如同粘贴在介质窗附近(大约几毫米)一样。因此，使用具有波导管垂直介质窗放置的上述常规结构以产生微波，微波的电场波前通常和粘贴到介质窗地等离子体平行。
上述现有技术没有考虑等离子体对微波的反射。当微波以其电场波前通常和粘贴到介质窗并且具有临界电子密度为nc或更大的等离子体平行的方式产生时，微波经过等离子体而产生反射。因此，正如Masamitsu Nakajima所著，由MORIKITA SHUPPAN于1975年出版的“Maikuro-ha Kougaku”(微波工程)一书所述，在波导管中，根据波导管的大小和形状产生具有诸如圆模(circular mode)TE11等本征模的驻波。由于产生的等离子体分布依据于微波的本征模，就使得在介质窗附近平面等离子体变得不均匀。因为前述的微波本征模可以很多，一些小的波动，例如微波输出波动等都会引起本征模的转变。这会另外引起等离子体变得不稳定的问题。
本发明的一个目的在于提出一种表面波等离子体处理装置，该装置能通过产生稳定和均匀的等离子体而完成均匀等离子体处理。
为了得到以上特定的目的，在介质窗上方垂直安有形成处理室一部分的用于提供微波的同轴通道；并且在介质窗上方，同轴通道外部环状面上安置用于传导微波的传导板。
在介质窗上方垂直安有形成处理室一部分的用于提供微波的同轴通道；并且在介质窗上方同轴通道外部环状面上安置用于传导微波的传导板。这样，在微波传输通道部分中形成所产生的具有临界电子密度nc或更大的等离子体的表面，微波可以在传输通道中沿着介质窗均匀地朝同轴通道外部周围传播，这由等离子体表面和传导板限定。此时，微波的电场波前垂直等离子体的表面从而使微波很难被等离子体表面反射。因此，和微波的本征模无关，可以稳定、均匀地产生等离子体，藉此可以很好地实现均匀等离子体处理的可重复性。
图1是本发明第一实施方式的抛光装置纵截面图。
图2是通过本发明第一实施方式的同轴通道8，匹配室9和石英窗传输的微波电场原理图。
图3是图2中A-A截面图，显示微波电场的波前。
图4是本发明第一实施方式使用的匹配室高度和微波反射率关系图。
图5是本发明第二实施方式的刻蚀装置纵截面图。
图6是本发明第三实施方式的刻蚀装置纵截面图。
以下将参照图1至4描述本发明的一个实施方式。
图1给出了一个本发明的无磁场等离子体处理装置的一个实施方式的微波抛光装置。由容器1a和石英窗2形成处理室1，其内部用抽真空装置(没有示出)通过真空端3抽成真空。此后，由供气装置(没有示出)经过气体引入端4把抛光气体引入到处理室1，然后把压力调整到需要的值。由磁控管5振荡产生的2.45GHz微波被导向并传播经过方形波导管6，然后经过和同轴波导反向器7相连的同轴通道8。同轴通道8经过具有阶梯形圆筒空间的匹配室9垂直连接到圆盘形的石英窗2的中心。在石英窗2的上方，同轴通道8和匹配室9外部环状面上提供传导板10。微波从石英窗2的中心向外部放射传播，使得等离子体很快在石英窗2下部产生。气体被等离子体中的电子分解和激活从而产生大量的活性基。要处理的样品11放在样品台13上，样品台13能被温度控制器12加热和冷却，这样使得样品通过和基反应而被抛光，该基在通过分散板14时被调整成平面分布。
在本实施方式中，微波通过方形波导管6以方(square)模TE10传播以及通过同轴通道8以具有轴对称放射场分布的同轴TEM模式传播。图2示意性地显示了传输经过同轴通道8，匹配室9和石英窗2的微波电场16。首先，当微波传输经过同轴通道8和匹配室9然后经过石英窗2引入到处理室1时，在石英窗2下几毫米区域产生具有临界电子密度nc或更大密度的圆盘形等离子体15。在同轴通道8中传输的微波的波前在匹配室9里一经扩大，然后在匹配室9的边缘以90度偏斜从而使得它们通过传导板10和等离子体15之间的夹层区通道从石英窗2的中心放射传播。和在同轴通道8，匹配室9以及传导板10的表面流动一样，表面流17在等离子体15上流动。因此，这样产生的等离子体可以称为“表面波等离子体”。当提高引入的微波输出时，微波发射将稍微超前产生的等离子体15的前端，使得等离子体15稍微向前扩大。表面流17进一步在扩大了的等离子体上流动形成微波的传播通道。结果，微波向前发射使得等离子体15沿着石英窗2的形状轴对称地连续扩大。
图3是图2中A-A线的截面，并且示意性地显示了微波电场的波前。如图3所示，在石英窗2中，微波电场16的波前轴对称地扩大，使得等离子体15据此轴对称地产生，即均匀地以圆盘形状产生。微波电场16的波前总是和等离子体15正交，使得很难从等离子体15反射。因此，在本实施方式中，可以稳定、均匀地产生等离子体以提供很好的均匀等离子体处理的可重复性。
在本实施方式中，刻蚀后，在O2+5％CF4的气体，1Torr，11/min，微波输出1KW以及样品台13的温度为20℃的条件下，光刻胶在刻蚀后被抛光。在这些条件下，8英寸晶片上的光刻胶可以1μ m/min的抛光速率去除。具有很好的可重复性和±5％的均匀度。抛光气体可以是另外的O2+H2O或O2+CH3OH混合气体。样品台13的温度根据抛光条件控制在20到30℃的范围。
在本实施方式中：同轴通道8和匹配室9的内直径分别为39和80毫米；中心传导器18的直径为16毫米；石英窗2的厚度为15毫米。如图2所示，微波通过同轴通道8引入，然后向石英窗2的外部环状面扩展，从而可以把图2的结构想象为象T型分支形式的一种外部分支通道，例如，通过连接三个波导管。阶梯式匹配室9用于向石英窗2的外部环状面无反射传输从同轴通道8引入的微波。图4解释了匹配室的高度和微波反射率的关系。除了匹配室高度为0毫米外，反射率根据匹配室的高度周期变化。在同轴通道8中波长λg为122毫米，当高度是半波长λg的整数倍时，例如，61毫米，反射率取最小，当高度为nλg/4(n为正奇数)时，例如，31毫米，反射率取最大。
在本实施方式的情况下，匹配室9的高度取61毫米以有效传输微波。藉此，可以产生大面积的等离子体15以提供可以均匀抛光具有大面积的晶片的效果。匹配室9做成多阶梯或锥形结构。然而，正如本实施方式，圆筒形具有最简单的结构并且易于设计成减小反射率。
图5显示了本发明的第二实施方式。本实施方式应用于利用诸如C4F8，CHF3，Cl2，BCl3或HBr等卤素气体或flon气体进行诸如SiO2，Si3N4，Al，多晶硅，Cu，TiN或W的刻蚀处理。在本实施方式的情况下，利用半球形的石英窗2，并且沿着石英窗2的内正面提供一半球形传导板10。结果，沿着石英窗2的内正面产生半球形的等离子体15。要处理的样品11放在样品台13上，该样品台通过匹配单元19连接到高频功率源20。由于根据石英窗2的形状产生等离子体，样品11上方的等离子体分布(即离子分布和基分布)可以通过石英窗2的形状来控制。这带来了易于利用无磁场微波等离子体进行均匀刻蚀处理的效果，该等离子体不使用磁场产生主要的等离子体。刻蚀在几个mTorr到几百mTorr的低压下进行，这依据于样品11和工艺而不同。石英窗2的形状可以是圆筒形或圆锥形。然而，石英窗2形成了压力舱的一部分，如本实施方式的半球形可导致使用具有最小厚度和最大孔口的石英窗2的效果。
这里，石英窗2是形成部分处理室的介质窗。石英窗不仅限于石英窗2，而可以是铝陶瓷窗，只要它能传输微波。
图6显示了本发明的第三实施方式。本实施方式也用于刻蚀处理。通过高频功率源20向样品台11提供高频电压，以使得在要处理的样品11上方形成离子层。由于电场作用离子在离子层加速以至于它们和样品11碰撞传递能量，从而促进了刻蚀反应。因此，在本刻蚀处理中，需要大量离子，并且如前所述在低压条件下进行处理。在本实施方式中，在处理室1周围放置大量的永久磁铁，以通过磁场(例如多极磁场)限制等离子体，从而抑制处理室1的内壁正面的等离子体的损失。结果，大量的离子可以应用于样品11以产生样品11能以高速率刻蚀的效果。在本实施方式中，由永久磁铁产生的磁场用于限制等离子体，但是不在主要等离子体产生区(例如，在传导板10的上方)。
在前述的实施方式中，只描述了抛光装置和刻蚀装置。然而，类似的操作和效果也可以从另外的等离子体处理装置获得，例如使用无磁场微波等离子体，光源，离子源或放射源的等离子体CVD装置。
根据本发明，提供微波的同轴通道在形成部分处理室的介质窗上方垂直安置，传输微波的传导板在介质窗上方，同轴通道外部环形面上放置。结果，以具有临界电子密度nc产生的等离子体的表面构成微波传输通道的一部分，使得微波可以无反射地沿着介质窗均匀地从中心向外部四周传输。结果，获得可以稳定、均匀地产生等离子体，进行具有很好的可重复性和均匀的等离子体处理的效果。