CN101647101B - 等离子加工设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种等离子加工设备，其包括容纳要进行预定的等离子加工的基体且可以被排放至减小的压力的加工腔体；微波发生器，其产生用于形成等离子体的微波；导波管，其将微波从微波发生器传输到加工腔体；导波管/同轴管转换器，其连接到导波管的一端；同轴管，其形成微波从导波管-同轴管转换器传输到加工腔体所要通过的线路。同轴管的内部导体具有中空部分；和第一加工气体供应部分，其通过同轴管的内部导体的中空部分将加工气体提供给加工腔体。

Description

等离子加工设备
技术领域
本发明涉及一种利用微波来进行预定的等离子加工的微波等离子加工设备，特别涉及一种通过电磁波耦合在加工腔体中给等离子体提供微波能量的微波等离子加工设备。 
背景技术
在制造半导体装置、液晶显示器(LCD)等的等离子加工中，在真空加工腔体中使用射频(RF)波和微波来使加工气体放电或电离。RF等离子设备在所设置的一对电极处主要利用电容耦合，其中在加工腔体中一个电极与另一个电极平行，电极之间留有合适的间隙。RF波通过电容施加在其中一个电极上，而另一个电极则接地。但是，在RF等离子设备中很难在相对低的压力下产生高密度的等离子体。此外，不利的是，由于RF等离子体本身具有很高的电子温度，因此晶片上的装置元件在等离子加工过程中更加频繁地受到损坏。 
与之相反，微波等离子设备的优势在于微波在相对低的压力下能够产生具有低电子温度的高密度等离子体。此外，微波等离子设备的另一个优势在于，当应用了将微波导入腔体中的平面微波导入窗时，微波等离子体能够在更宽的压力范围下在二维的大面积上高效地产生。另外，由于不需要磁场，因此微波等离子设备的整体结构可以很简单(参见专利文献1)。 
专利文献1：WO2005/045913 A1(图1(A)、图2)。 
在微波等离子加工设备中，由于微波等离子体是通过把微波和加工气体导入加工腔体中而从加工气体中产生的，因此，微波和加工气体的导入方式可能是确定等离子体特性和设备性能的重要因数。 
在采用平面微波导入窗的微波等离子设备中，按照加工气体被导入腔体中的方式有两种类型的结构。第一种结构具有与基座相对的用作微波导入窗的喷射板。在这种结构中，加工气体通过均匀分布在喷射板中 的多个气体射出孔向下射出。 
另一方面，第二种结构具有一个或多个形成在腔体的侧壁中的气体射出孔，以便在腔体中将加工气体射入等离子体区域中。 
在第一种结构中，虽然有利的是等离子体能够在基座上均匀地产生，但是等离子体的密度通常更低，这就使得等离子加工设备为蚀刻机时蚀刻速率很低，并且总体加工效率也很低。这是因为具有多个气体射出孔的喷射板给微波(电磁波)的通过提供了通道。此外，这种结构可能会产生污染等问题。 
另一方面，在第二种结构中，由于微波并不通过形成在腔体侧壁中的气体射出孔，因此，不可能发生非正常的放电。但是，很难在径向方向上使加工气体均匀地散射，从而产生了非均匀分布的等离子体。特别地，由于单晶片等离子加工设备的腔体是从基座和腔体内壁之间的环形空间进行排放的，因此，加工气体趋向于在腔体中以非均匀的流动形态流动。这是因为被导入以便在环形空间上流动的加工气体受到向低于环形空间的排放端口前进的气体的流动的影响。 
此外，加工气体可以经由通过介电窗口形成(穿入)的气体射出孔而被导入加工腔体中，该介电窗口对应于加工腔体的顶面并且与基座相对。 
在这种情况下，由于介电窗口充当微波导入窗，即，充当微波传播通道，因此在介电窗口内部存在电场。因此，当加工气体流过介电窗口时暴露在微波电场下，从而可能在介电窗口中的气体导管中或者在气体射出孔附近被电离，这就引起了非正常放电。这种非正常放电可能会影响介电窗口，因此介电窗口在相对短的时间内会受到破坏或损坏，并且可能会影响加工性能。 
本发明的目的是为了消除前面所述缺点中的至少一个，并且提供能够在微波传输线或发射通道中，或者加工气体射出部分中防止非正常放电的等离子加工设备，从而使等离子体的密度均匀并且可以实现可控性，从而提高等离子加工的性能或质量。 
此外，本发明可以提供一种能够轻易并且有效地监控等离子体情况 或等离子加工的等离子加工设备。 
发明内容
为了克服前面所述的任何缺点，本发明的第一方面提供了一种利用等离子加工基体的等离子加工设备。该等离子加工设备包括加工腔体，其容纳要进行预定的等离子加工的基体，且可以被排放至减小的压力；微波发生器，其产生用于形成等离子体的微波；导波管，其将微波从微波发生器传输到加工腔体；导波管/同轴管转换器，其连接到导波管的一端；同轴管，其形成微波从导波管-同轴管转换器传输到加工腔体所要通过的线路，其中，同轴管的内部导体具有中空部分；和第一加工气体供应部分，其通过同轴管的内部导体的中空部分将加工气体提供给加工腔体。 
在第一方面所述的等离子加工设备中，从微波发生器输出的微波通过包括导波管、导波管/同轴管转换器和同轴管的微波传输线传播，并且被导入加工腔体，而来自加工气体供应器的加工气体则流过包围微波传播路径的同轴管的内部导体的中空部分，并且被导入加工腔体。加工气体被微波电离，从而在加工腔体中产生等离子体。利用该等离子体，就可以加工基体。 
作为本发明的其中一个优选实施例，第一方面所述的等离子加工设备可以进一步包括在加工腔体中在其上放置基体的基座，和用于将微波导入加工腔体的介电窗口，其中介电窗口充当顶面，其与基座相对。这样，微波作为表面波沿介电窗口的下表面传播，该表面波产生了等离子体。此外，介电窗口可以设置有与内部导体的中空部分相通的气体喷射开口，在那里，加工气体能够从气体喷射开口喷入加工腔体。 
根据本发明的另一个优选实施例，介电窗口可以是连接到同轴管的端部的平面天线的一个组成元件。该平面天线可以为缝隙天线，以便高效地产生高密度的等离子体。此外，该平面天线可以包括径向线缝隙天线，以便产生大面积或者大直径的等离子体。 
根据本发明的另一个优选实施例，导波管-同轴管转换器将导波管中的传输模式转换成同轴管中的TEM模式。优选地，导波管可以为方形形状，内部导体的一端伸入方形导波管，并且所伸入的端部在导波管- 同轴管转换器中沿伸入方向变厚。此外，中空部分穿透同轴管的内部导体，以便允许加工气体从在内部导电部分的伸入端部中所加工的进口开口中进入中空部分，并且从朝向加工腔体内部的孔喷射。此外，同轴管的内部导体可以包括冷却剂导管，冷却剂从其中流过。 
作为本发明的另外一个优选实施例，具有至少一个上面所述的附加特征的等离子加工设备可以设置有将加工气体导入腔体的第二加工气体供应部分。第二加工气体供应部分可以包括侧壁喷射孔，加工气体从该侧壁喷射孔喷向加工腔体的中心部分。在这种情况下，可以提供通过第一加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率的第一流率控制部分；和通过第二加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率的第二流率控制部分。这样，就可以控制从相应的加工气体供应部分导入加工腔体的加工气体的流率或流动比率，从而提高等离子体的密度和分布的均匀性。 
此外，根据本发明的其他实施例的等离子加工设备可以包括给基座提供射频波以便在基座中产生自偏压的射频波发生器，或者围绕加工腔体的磁场产生部分，以便在加工腔体周围产生磁场，从而在加工腔体中的等离子体中产生电子回旋共振。 
本发明的第二方面提供了一种等离子加工设备，其中，要进行预定的等离子加工的基体被容纳在可以排放至减小的压力的加工腔体中，并且通过导入微波在被导入加工腔体中的加工气体中产生等离子体，从而在基体上执行预定的等离子加工。该等离子加工设备包括将微波从微波发生器传输到加工腔体的微波传输线，其中，微波传输线的预定部分，即包括微波传输线一端的部分由同轴线形成，并且同轴线的内部导体由将加工气体导入加工腔体的中空管形成。 
本发明的第三方面提供了一种等离子加工设备，其中，要进行预定的等离子加工的基体被容纳在可以排放至减小的压力的加工腔体中，并且通过导入微波在被导入加工腔体中的加工气体中产生等离子体，从而在基体上执行预定的等离子加工。该等离子加工设备包括将微波从微波发生器传输到加工腔体的微波传输线，和监控部分，其中，微波传输线的预定部分，即包括微波传输线一端的部分由同轴线形成，同轴线的内部导体由中空管形成，监控部分通过中空管监控加工腔体中的等离子加 工过程。 
在第三方面所述的等离子加工设备中，从微波发生器输出的微波通过微波传输线传播，并且被导入加工腔体中，微波将加工气体电离以便在加工腔体中产生等离子体。用等离子体加工基体。当进行这种加工时，加工腔体中的等离子体情况或等离子加工可以通过同轴管的内部导体的中空部分由监控部分进行现场监控，所述中空部分可以构成微波传输线的至少一部分。监控部分包括分光测量加工腔体中的等离子体发射的等离子体发射测量部分、测量加工腔体中的基座上所夹持的基体上的薄膜厚度的光学厚度测量部分，或者测量加工腔体内部温度的温度传感器。 
本发明的第四方面提供了一种利用等离子体在基体上进行预定加工的等离子加工设备。该等离子加工设备包括加工腔体，其容纳要进行预定的等离子加工的基体，且可以被排放至减小的压力；微波发生器，其产生用于形成等离子体的微波；介电窗口，通过该窗口能够将微波导入加工腔体；微波传输线，其将微波从微波发生器传输到介电窗口；和第一加工气体供应部分，其包括穿透介电窗口到达加工腔体以便将加工气体提供给加工腔体的气体导管，该气体导管是导电且接地的。 
在本发明的第四方面所述的等离子加工设备中，来自第一加工气体供应部分的加工气体供应器的加工气体流过接地的气体导管和介电窗口。因此，由于微波的作用加工气体并未暴露在电场中，从而可以防止非正常放电。 
作为本发明的一个优选实施例，在第四方面所述的等离子加工设备中，气体导管可以穿透介电窗口的一部分，或者多个气体导管可以穿透介电窗口的对应的多个部分。由于对称的气体流动模式，当气体导管穿透介电窗口的一部分时，气体导管优选为穿透介电窗口的大致中心部分，所述多个部分优选相对于介电窗口的大致中心部分对称设置。 
作为另一个优选实施例，气体导管的气体喷射部分可以从介电窗口伸入加工腔体，特别地，在第四方面所述的等离子加工设备中气体导管的气体喷射部分优选距离介电窗口10mm或更远。由于这种结构，气体喷射部分能够设置在等离子体发生区域的外面，或者设置在等离子体散 射区域中，从而防止气体喷射部分周围的非正常放电。 
此外，本发明第四方面所述的等离子加工设备可以包括基座，基体在加工腔体中放置在基座上，其中，介电窗口充当与基座相对的顶面。当设置基座时，优选在该等离子加工设备设置施加射频波的射频波发生器，以便在基座中产生自偏压，从而吸引等离子体中的离子。 
作为本发明的另一个优选实施例，在具有至少一个前面所述的附加特征的第四方面所述的等离子加工设备中，介电窗口为平面天线的一个组成元件。在这种情况下，平面天线可以包括径向线缝隙天线。此外，微波传输线包括其端部连接到平面天线的同轴管。 
作为本发明的另一个优选实施例，在具有至少一个前面所述的附加特征的第四方面所述的等离子加工设备中，气体导管形成在内部导体中。在这种情况下，内部导体优选包括可以用于使气体流动通过的中空部分，该中空部分沿内部导体的中心轴延伸。此外，气体导管优选与中空部分相通，并且通过介电窗口中所加工的通孔伸入加工腔体。这样，加工气体就可以通过有效且简单的气体导入结构被导入加工腔体。 
作为本发明的另一个优选实施例，微波传输线包括导波管，其一端连接到微波发生器；导波管/同轴管转换器，其将导波管的另一端与同轴管的一端相连，以便将导波管中的一种电磁波传输模式转换成同轴管中的另一种传输模式。在这种情况下，从微波发生器输出的微波通过导波管、导波管/同轴管转换器和同轴管传播，并且被导入加工腔体，而来自加工气体供应部分的加工气体则流过接地的且包括同轴管的内部导体的气体导管，由于微波的作用不会暴露在电场下并且被导入加工腔体。 
作为本发明的另一个优选实施例，第四方面所述的等离子加工设备进一步包括将加工气体导入腔体的第二加工气体供应部分。第二加工气体供应部分可以包括侧壁喷射孔，加工气体从所述侧壁喷射孔喷向加工腔体的中心部分。在这种情况下，第四方面所述的等离子加工设备进一步包括第一流率控制部分，其控制通过第一加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率；和控制通过第二加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率的第二流率控制部分。这样，就可以控制从相 应的加工气体供应部分导入加工腔体的加工气体的流率或流动比率，从而提高等离子体的密度和分布的均匀性。 
本发明的第五方面提供了一种利用等离子体在基体上进行预定加工的等离子加工设备。该等离子加工设备包括加工腔体，其容纳要进行预定的等离子加工的基体；排放部分，其将加工腔体排放至减小的压力；气体供应线，其用于将加工气体传输到加工腔体中，气体供应线是导电且接地的；微波发生器，其产生用于形成等离子体的微波；介电窗口，通过该窗口能够将微波导入加工腔体，介电窗口围绕气体供应线延伸；微波传输线，其将微波从微波发生器传输到介电窗口。 
在第五方面所述的等离子加工设备中，来自加工气体供应部分的加工气体供应器的加工气体流过气体供应线，并且被导入加工腔体，而从微波发生器输出的微波则通过微波传输线传播，并且通过围绕气体供应线延伸的介电窗口被导入加工腔体。从气体供应线一端的气体喷射开口喷出的加工气体在腔体中散射，并且在介电窗口附近被微波电离。即使在这种等离子加工设备中，气体供应线的端部优选从介电窗口伸入加工腔体。 
根据本发明的各个实施例，提供了能够防止微波传输线中或辐射路径中、或加工气体喷射部分中的非正常放电的等离子加工设备，因此，能够得到等离子体的密度均匀且可控的等离子体，从而提高等离子加工的性能或质量。此外，同样提供了能够轻易监控等离子体情况或等离子加工的等离子加工设备。 
附图说明
图1为本发明的第一实施例中的等离子加工设备的示意性剖面图； 
图2示意示出了图1所示的等离子加工设备的主要部分； 
图3为图1所示的等离子加工设备中的缝隙天线的平面视图； 
图4为对本发明的第一实施例中的等离子加工设备进行变动的例子的示意性剖面图； 
图5为对本发明的第一实施例中的等离子加工设备进行另一种变动的 例子的示意性剖面图； 
图6为本发明的第二实施例中的等离子加工设备的示意性剖面图； 
图7示意示出了图6所示的等离子加工设备的主要部分； 
图8显示了在图6所示的等离子加工设备中沿从介电窗口到基座的方向上电子密度分布的实验结果； 
图9显示了在图6所示的等离子加工设备中沿从介电窗口到基座的方向上电子温度分布的实验结果； 
图10为对本发明的第二实施例中的等离子加工设备进行变动的例子的示意性剖面图。 
具体实施方式
非限制性地，将参照附图对本发明的示例性实施例进行描述。在图中，相同或相应的附图标记表示相同或相应的元件或部件。应该注意的是，这些图只是示意说明了本发明，而不是想单独或相联系地指出各个元件或部件的尺寸或相对比例。因此，具体厚度或尺寸应该由本领域技术人员根据下述非限制性实施例进行确定。 
第一实施例 
图1为按照本发明的第一实施例的微波等离子蚀刻设备1的示意性剖面图。被构造为平面SWP型等离子加工设备的微波等离子蚀刻设备1具有由金属，例如铝或不锈钢制成的圆柱形腔体(加工腔体)10。为了安全将腔体10接地。 
首先，描述在微波等离子蚀刻设备1的腔体10中对微波等离子的产生并无直接贡献的部件或元件。 
在腔体10的较低中心部分中，有个其上放置了半导体晶片W(后面称为晶片W)的基座12。基座12由从腔体10的底部向上延伸的圆柱形支撑部分14水平支撑。圆柱形支撑部分14由绝缘材料制成。此外，基座12被成型为圆形板，并且由，例如铝制成，同时充当施加射频波的下电极。 
环形排放通道18设置在腔体10的内壁和从腔体10的底部向上延伸并且沿着圆柱形支撑部分14的周边表面的另一圆柱形支撑部分16之间。圆柱形支撑部分16是可导电的。环形挡板20设置在排放通道18的顶部(或者入口部分)，排放端口22设置在排放通道18的下面。为了在腔体10中获得相对于基座12上的晶片W对称分布的均匀的气体流动形态，最好沿周长方向以相同的角度间隙设置多个排放端口22。各个排放端口22通过排放管24连接到排放设备26。排放设备26可以带有真空泵，例如涡轮分子泵(TMP)，其能够将腔体10排放到所需的降低的压力。闸门阀28打开或关闭从腔体10输入或输出晶片W的输送开口。 
基座12电连接到通过匹配单元32和功率输送杆34将RF偏压施加到基座12上的射频电源30上。电源30以预定的电功率值输出具有相对低的频率，例如，13.56MHz的射频波。这种低频适于控制被吸引至基座12上的晶片W的例子的能量。匹配单元32包括将电源30的输出阻抗与包括电极(基座)、腔体10中所产生的等离子体和腔体10在内的负载的阻抗进行匹配的匹配元件。匹配元件具有产生自偏压的级间耦合电容。 
静电卡盘36设置在基座12的上表面上。静电卡盘36通过静电力将晶片W保持在基座12上。静电卡盘36具有由导电薄膜形成的电极36a和一对将电极36a夹在中间的绝缘薄膜36b、36c。直流电源40经由开关42电连接到电极36a上。从直流电源40施加到静电卡盘36上的直流电压产生了库伦力，该力又将晶片W保持在静电卡盘36上。在静电卡盘36的外侧，设置了聚焦环38以便围绕晶片W。 
冷却介质腔44设置在基座12的内部。冷却介质腔44为在圆周方向上延伸的环形。通过导管46、48从冷却单元(未显示)将预定温度的冷却介质或冷却水提供给冷却介质腔44，以便通过冷却介质腔44和导管46、48进行循环。由于该温度可控的冷却介质等，就可以控制静电卡盘36上的晶片W的温度。此外，通过气体供应管50从热传导气体供应部分(未显示)将热传导气体，例如氦气传输到晶片W和静电卡盘36之间。另外，腔体10设置有可升降的提升销(未显示)，当晶片W从腔体10载入或卸载时提升销垂直穿透基座12并使晶片W上升/下降。提升销可以由升降机构(未显示)驱动。 
接下来，描述在微波等离子蚀刻设备1的腔体10中对微波等离子体的 产生有贡献的部件或元件。 
平面天线55设置在基座12的上方，以便将微波导入腔体11中。平面天线55包括作为介电窗口的圆形石英板52，和圆形径向线缝隙天线(radialline slot antenna)(RLSA)54。特别地，石英板52密封连接到腔体10上并且用作腔体10的与基座12相对的顶面。RLSA 54位于石英板52的上表面，并且具有多个沿同心圆分布的槽。RLSA 54经由介电材料，例如石英制成的慢波板56电磁耦合到微波传输线58上。 
微波传输线58具有导波管62、导波管/同轴管转换器64和同轴管66，并且将从微波发生器60输出的微波传输到RLSA 54。导波管62由，例如方形管制成，并且以TE模式通过导波管-同轴管转换器64从微波发生器60传输微波。 
导波管/同轴管转换器64耦联导波管62与同轴管66，并且将导波管62中的TE模式微波转换成同轴管66中的TEM模式微波。转换器64优选在连接到导波管62的上部部位具有较大的直径，在连接到同轴管66的内部导体68的下部部位具有较小的直径，以避免电磁场的集中，这种集中可能会在高功率传输时出现。换言之，转换器64的形状优选如图1和2所示为倒锥形(或者为球形把手(door knob))。下面，为了便于解释，可以将转换器64称为倒锥形部分68a。 
同轴管66从转换器64垂直向下延伸到腔体10的上面中心部分，并且与RLSA 54耦联。特别地，同轴管66具有外部导体70和内部导体68。外部导体70上端连接到导波管62，并且向下延伸以便到达慢波板56。内部导体68上端连接到转换器64，并且向下延伸以便到达RLSA54。微波以TEM模式在内部导体68和外部导体70之间传播。 
从微波发生器60输出的微波通过包括导波管62、转换器64和同轴管66的微波传输线58进行传输，并且穿透慢波板56提供给RLSA 54。之后，微波在慢波板56中径向蔓延，并且通过RLSA 54的槽向腔体10发射。发射穿透槽的微波沿石英板52的下表面以表面波传播，并且将石英板52下表面附近的气体电离，从而在腔体10中产生等离子体。 
在慢波板56的上表面上设置了天线背面板72。天线背面板72由，例如铝制成。天线背面板72包含连接有致冷单元(未显示)的流体导管 74，以便使冷却介质或冷却水以预定的温度通过导管74和管76、78进行循环。即，天线背面板72充当吸收石英板52中所产生的热量并将热量传输到外面的冷却套。 
如图1所示，在这个实施例中，设置气体导管80以便贯穿同轴管66的内部导体68。此外，第一气体供应管84(图1)一端连接到气体导管80的上开口，另一端连接到加工气体供应器82。另外，气体喷射开口86形成在石英板52的中心部分上，并且开口朝向腔体10。在具有上述结构的第一加工气体导入部分88中，来自加工气体供应器82的加工气体流过第一气体供应管84以及同轴管66中的气体导管80，并且从气体喷射开口86朝位于气体喷射开口86下面的基座12喷射。所喷射的加工气体在腔体10中在径向方向上向外蔓延，部分是因为加工气体通过排放设备26被推向围绕基座12的排放通道18。附带地，第一气体供应管84在中间设置有质量流量控制器(MFC)90和开-关阀92。 
在这个实施例中，除了第一加工气体导入部分88之外还提供了第二加工气体导入部分94，以便将加工气体导入腔体10。第二加工气体导入部分94包括缓冲腔96、多个侧喷射孔98和气体供应管100。缓冲腔96形成为在腔体10的侧壁部分内延伸并沿着侧壁部分的周向方向的空心环，并且设置得比石英板52稍低。多个侧喷射孔98在腔体10内开口朝向等离子体区域，其沿腔体10的内壁以相同的角度间隔设置，并且与缓冲腔96气体相通。气体供应管100将缓冲腔96连接到加工气体供应器82。气体供应管100在中间设置有MFC 102和开-关阀104。 
在第二加工气体导入部分94中，来自加工气体供应器82的加工气体通过第二加工气体供应管100被导入腔体10的侧壁部分中的缓冲腔96中。充满加工气体的缓冲腔96中的压力沿缓冲腔96的周向方向变得均匀，这就使得加工气体能够从多个喷射孔98向腔体10中的等离子体区域均匀而水平地喷射。在这种情况下，可能很难使从喷射孔98喷出的加工气体均匀分布在晶片W上方，这是因为当加工气体流过排放通道18时，加工气体被拉向排放端口22。但是，由于从位于石英板52中心的气体喷射开口86喷出的加工气体在径向向外的方向上蔓延，并且如上所述流向排放通道18，因此，在这个实施例中从侧喷射孔98喷出的加工气体并不会受到排放设备26很大的影响。因此，等离子体能 够均匀地分布在基座12上的晶片W上方。 
此外，分别从第一加工气体导入部分88和第二加工气体导入部分94导入腔体10的加工气体可以相同，或者不同。气体的流率能够分别由MFC 90和102控制，或者在预定的流率比率下将气体导入腔体中，从而使气体以及等离子体在径向方向上均匀分布。 
参考图2，其详细显示了导波管-同轴管转换器64和同轴管66。内部导体68由，例如铝制成。气体导管80沿内部导体68的中心轴贯穿内部导体68。此外，冷却介质导管106制成与气体导管80平行。冷却介质导管106包括由垂直隔板(未显示)分开的输入通路106a和输出通路106b。在倒锥形部分68a的上部，管108连接到冷却介质导管106的输入通路106a。管108的另一端连接到致冷单元(未显示)。此外，管110连接到冷却介质导管106的输出通路106b。管110的另一端连接到相同的致冷单元。由于这种结构，由致冷单元提供的冷却介质或冷却水向下流过输入通路106a，从而到达输入通路106a的底部并且通过输出通路106b向上返回，从而流入管110。以这种方式，就可以冷却内部导体68。 
如图2所示，在RLSA 54的中心，有一个装配气体导管80的开口54a。此外，开口54a设置成与石英板52的气体喷射开口86同轴排列。由于这种结构，从RLSA 54发射的电磁波(微波)不会到达气体喷射开口86，从而在气体喷射开口86中不会发生放电。此外，气体喷射开口86可以在石英板52中分支成多个孔。所述多个孔可以设置在石英板52的径向方向上的一定的范围内。 
图3显示了这个实施例中的RLSA 54中的槽的形态。如图所示，RLSA 54具有多个分布在同心圆中的槽。特别地，其纵向方向基本成直角的两种槽54b、54c分布在交替的同心圆中。这些同心圆根据沿RLSA54的径向传播的微波的波长以径向间隔设置。根据这样的槽的形态，微波被转换成具有两个彼此交叉的极分量的环状极化平面波，这些平面波从RLSA 54发射。按照前面所述构造的RLSA 54的优势在于，微波可以从天线的基本上整个区域均匀地发射到腔体10(图1)中，并且适于产生均匀且稳定的等离子体。 
此外，排空设备26、RF电源30、DC电源40的开关42、微波发 生器60、加工气体导入部分88、94、致冷单元(未显示)和热传导气体供应部分(未显示)的各种操作，以及作为整体的全部操作都由控制部分(未显示)控制，所述控制部分由，例如根据本发明的第一个实施例中的微波等离子蚀刻设备1中的微计算机组成。 
为了在这个微波等离子蚀刻设备1中执行蚀刻加工，打开门阀门28，并将要进行蚀刻加工的晶片W传输到腔体10中并放置在静电卡盘36上。然后，以预定的流速和预定的比率将蚀刻气体(通常为混合气体)分别从第一加工气体导入部分88和第二加工气体导入部分94导入。此时，腔体10已经被排空设备26排空，因此，腔体10的内部压力变成所设定的压力。此外，激励RF电源30以便在预定的功率能级下通过匹配单元32和功率输送杆34将RF波输出到基座12。另外，开通开关42，以便从DC电压源44给静电卡盘36的电极36a提供DC电压，由此晶片W被紧紧地夹持在静电卡盘36上。然后，开通微波发生器60以便通过微波传输线58将微波提供给RLSA 54，由此，通过石英板52将微波从RLSA 54导入腔体10中。 
从第一加工气体导入部分88的气体喷射开口86和第二加工气体导入部分94的侧喷射孔98导入腔体10的蚀刻气体在石英板52下面散射，并且被沿石英板52的下表面传播的表面波(微波)所辐射的微波能量电离，从而产生表面等离子体。然后，在石英板52下面产生的等离子体向下散射，从而在等离子体中以各向同性的方式蚀刻晶片W上的薄膜，或者在等离子体中通过离子辐射垂直蚀刻薄膜。 
在作为微波等离子加工设备的微波等离子蚀刻设备1中，通过表面波的激发产生了高密度的等离子体，从而使靠近基座12上的晶片W的等离子体的电子温度低达大约0.7到大约1.5eV。因此，降低了离子辐射能，从而缓减了对待蚀刻薄膜的损害。此外，由于微波能量是通过RLSA 54被大面积地导入，因此等离子蚀刻设备能够轻易地加工大尺寸晶片。另外，由于气体导管80被制成通过同轴管66的内部导体68，其为微波传输线58的端部，并且加工气体通过气体导管80从气体喷射开口86被导入腔体10，因此能够改善等离子体的密度均匀性，进而改善晶体上方的蚀刻速率的一致性，而不会带来降低天线性能和非正常放电的任何不利结果。 
此外，由于微波蚀刻设备1在无需将磁场施加到腔体10上就能产生微波等离子体，因此消除了对包括永磁铁、磁芯等的磁场发生机构的需求，从而使微波等离子蚀刻设备的结构简单。即使这样，根据该实施例的等离子蚀刻设备也可以是应用，例如，电子回旋共振(ECR)的另一种类型的等离子蚀刻设备。 
参考图4，ECR等离子加工设备包括磁场发生机构112，它具有围绕腔体10的永磁铁或磁芯。磁场发生机构112能够将磁场施加到腔体10中的等离子体发生空间，因此在等离子体发生空间中的任意点上微波的频率等于电子回旋频率，由此产生高密度的等离子体。在2.45GHz的情况下，该磁场可能为875高斯(Gauss)。 
此外，如图4所示，可以省略第二加工气体导入部分94(图1)，而应用第一加工气体导入部分88以便从腔体10的上部中心部分(气体喷射开口86)导入加工气体。 
此外，形成在同轴管66的内部导体68中的对应于图2中的气体导管80的中空空间在本发明的其他实施例中可以用于其他目的。参考图5，监控部分114设置在倒锥形部分68a的上方，内部导体68的中空空间用作光学测量线，监控部分114可以通过该测量线监控等离子加工。例如，为了检测等离子蚀刻的终点，监控部分114可以通过***腔体10的上部中心部分上的中空空间中的光学纤维探针(未显示)来观察等离子体光谱，并且通过光谱仪来进行分析。这样，当从特定的气体样本中产生的特定发射的峰值强度增加或减小时，就可以知道终点。此外，内部导体68的中空空间可以用作激光束传播的光通道，以便测量晶片W上的减反射薄膜或抗反射薄膜的厚度。另外，可以将远端具有热电偶的温度传感器通过内部导体68的中空空间插过，以便测量腔体10的上部中心部分上和周围的温度。 
此外，同轴管66的内部导体68可以具有不同于导管80的导管。例如，多管结构，例如双管可以应用在同轴管66的内部导体68中，以取代气体导管80。在这种情况下，多管的各个管可以用作独立的线(气体供应线、测量线等)。另外，除了或取代第一和第二加工气体导入部分88、94，可以为本发明的这个实施例中的等离子蚀刻设备1提供第三加工气体导入部分，以便将加工气体导入腔体10中。 
另外，可以对前面所述的各个部件或元件或它们的功能进行各种改变或变形。例如，可以使用其他类型的槽天线，以取代RLSA 54。特别地，当不需要大的等离子体区域时，微波可以不通过天线而是通过孔道被导入腔体，这可以被称为微波喷射方法。此外，微波传输线58的结构可以不同。例如，可以在微波发生器60和具有方形形状开口的导波管62之间***其他传输线。此外，可以用环形管代替导波管62。此外，转换器64的倒锥形部分68a可以制成山脊导引形状，而不是球形把手形状。进一步地，环形导波管可以不采用转换器64而电磁耦合到腔体10。 
第二实施例 
参考图6到9，描述了本发明的第二实施例中的等离子加工设备。图6是本发明的第二实施例中的等离子加工设备2的示意性剖面图。在该第二实施例中的等离子加工设备2运行时，当以与第一实施例中的等离子加工设备1基本相同的方式蚀刻晶片W时，等离子加工设备2与本发明的第一实施例中的等离子加工设备1的不同之处在于，在腔体10的顶部中心部分上的气体喷射结构。下面的说明侧重于该差异。 
如图6所示，气体导管80通过同轴管66的内部导体68，并且气体导管80的顶部通过第一气体供应管84连接到加工气体供应器82，这就使气体导管80与第一气体供应管84气体相通。此外，导电的喷射部分110连接到内部导体68的下部，从而与气体导管80气体相通。喷射部分110穿透石英板52并从石英板52的下表面向下伸出。此外，喷射部分110在底端具有气体喷射开口110a，加工气体从该喷射开口喷射到腔体10中。 
在具有这种结构的第一加工气体导入部分88中，以预定压力从加工气体供应器82输送的加工气体依次流过第一气体供应管84、气体导管80和喷射部分110，并且从喷射部分110的气体喷射开口110a喷射到腔体10的等离子体区域中。此外，第一加工气体供应管84具有质量流量控制器(MFC)90和开/关阀92。 
参考图7，其详细显示了同轴管66和喷射部分110。同轴管66的内部导体68由，例如铝制成，并且具有沿内部导体68的中心轴穿透内部导体68的气体导管80。喷射部分110同样由，例如铝制成，并且具有 在同轴管66的内部导体68中与气体导管80气体相通的气体导管112。此外，第一气体供应管84可以由金属(或导体)或树脂(或绝缘体)制成。 
喷射部分110由直径较大的上半部分114和直径较小的下半部分116组成。上半部分114装入形成在石英板52中的凹入部分118中，下半部分116***从凹入部分118的底部中心延伸到石英板52的下表面的通孔120中。诸如O形圈的密封元件122夹在上半部分114和凹入部分118的底表面之间，由此相对于凹入部分118(石英板52)气密地密封上半部分114。此外，同轴管66和喷射部分110最好沿穿透轴对称中心或者RLSA 54(腔体10和基座12)中心的法线设置。 
如图7所示，喷射部分110的上面部分与RLSA 54的开口54a接触。因此，喷射部分110可以经由RLSA 54和腔体10接地，或者依次通过同轴管66的内部导体68、外部导体70、天线背面板72和腔体10接地。此外，直径较小的下半部分116从石英板52的通孔120向下伸入腔体10中。为了下面将要描述的原因，下半部分116的伸出长度d(或者，气体喷射开口110a与石英板52的下表面之间的距离)可以是大约10mm或者更大。 
如上所述，气体导管80穿透同轴管66的内部导管68，其是微波传输线58的端部。此外，与气体导管80气体相通的导电的喷射部分110连接到内部导体68的下端部，并且与内部导体68一起接地。另外，喷射部分110穿透RLSA 54和石英板52，从而伸入腔体10中。 
根据这种结构，由于内部导体68和，加工气体从加工气体供应器82流到腔体10所流经的导电的喷射部分110通过腔体10接地，因此加工气体在到达腔体10之前并未暴露在微波中。因此，在加工气体从加工气体供应器82到气体喷射开口110a的流动路径中不会发生不期望的电离(非正常放电)。特别地，石英板52内的电场不会泄露到喷射部分110的气体导管112，这是因为气体导管112由喷射部分110屏蔽不受电场影响。因此，在石英板52中不会发生非正常放电。由此，能够稳定地维持等离子体的特性，诸如等离子体产生效率、等离子体密度分布等，从而改善加工性能。此外，防止了石英板52的损坏或损伤，从而延长了石英板52的工作寿命。 
此外，由于喷射部分110伸入腔体10合适的长度d，因此在这个实施例中能够防止在气体喷射开口110a处的放电。如上所述，由于表面波所辐射的微波能量沿石英板52的下表面传播，因此靠近下表面的加工气体分子被电离，从而靠近石英板52下表面的微波等离子体高度集中。但是，在离石英板52的下表面很小距离处表面波的能量快速减小。表面波能量减小的区域被称为等离子体散射区域，在该区域中等离子体中所产生的活化物质只能散射。即，当喷射部分110的气体喷射开口110a远离石英板52的下表面设置并且位于等离子体散射区域中时，加工气体在气体喷射开口110a处的电离被有效地阻止。 
图8显示了在本发明的第二实施例的微波等离子加工设备2中沿垂直方向(Z)的等离子体密度分布的实验结果。图9显示了在本发明的第二实施例中的微波等离子加工设备2中沿垂直方向(Z)的等离子体温度分布的实验结果。从这些图中可以理解到与介电窗口(石英板52)距离大约10mm或更大距离的任意位置都处于等离子体散射区域中。这就是为什么将气体喷射开口110a的伸出长度d确定为大约10mm或更大的原因。但是，当伸入长度d变得更大时，对于从气体喷射开口110a喷出的加工气体来说很难向上流动并到达石英板52。因此，伸入长度d最好是大约30mm或者更小。此外，考虑到喷射部分110的下端是否会妨碍晶片W进出腔体10的输送，影响微波的分布和施加到基座12上的RF偏压，其可以影响蚀刻速率，和加工气体在晶片W上方散射的距离是否足以得到所需的加工气体分布，喷射部分110的气体喷射开口110a最好设置在离基座12上的晶片W大约20mm或更大距离处。 
此外，虽然图7显示了加工气体从气体喷射开口110a向下喷射，加工气体也可以从喷射部分110的下端部，或者在腔体10的径向方向上水平喷射。此外，采用例如双管的多管结构可以应用在同轴管66的内部导体68中。在这种情况下，多管的各个管能够用于可以用作独立的线(气体供应线、测量线等)。 
在第二实施例中，由于位于同轴管66的内部导体68中以便通过石英板(顶板)52导入加工气体的气体导管80被用作第一加工气体导入部分88的气体供应线的一部分，因此气体供应线(尤其是喷射部分110)所经过的石英板52的通孔能够尽可能地短，从而减小非正常放电的概率。 
但是，可以改变第一加工气体导入部分88中的气体供应线，从而气体供应线不用穿透同轴管66的内部导体68。例如，第一气体供应管84可以通过腔体10的侧壁中所加工的开口从石英板52的侧壁***，并在石英板52中水平延伸，并且可以在石英板52的中心部分弯曲，以便从石英板52的下表面向下伸出，如图10所示。或者，第一气体供应管84可以连接到石英板52内的喷射部分110中所加工的侧开口。在这种情况下，第一气体供应管84的至少一部分，即位于石英板52内的那部分由导电物质制成，并且通过腔体10的侧壁接地。 
作为第二实施例中的等离子加工设备2的另一个变形的例子，虽然没有显示，一端连接到加工气体供应器82的第一气体供应管84可以依次通过天线背面板72、慢波板56、RLSA 54和石英板52，而不是同轴管66的内部导体68。在这种情况下，第一气体供应管84的另一端可以从石英板52的下表面向下伸出。或者，第一气体供应管84的另一端可以连接到在石英板52内部的喷射部分110中所加工的侧开口。在这种结构下，喷射部分110的多管可以轴向对称地设置成环形形状。此外，第一气体供应管84的至少一部分，即位于石英板52内的那部分由导电物质制成，并且通过天线背面板72或RLSA 54接地。 
作为另一种变形，除了或者替代第一和第二加工气体导入部分88、94，还可以给本发明的这个实施例中的等离子蚀刻设备2提供第三加工气体导入部分，以便将加工气体导入腔体10。此外，可以省略第二加工气体导入部分94(图1)，而采用第一加工气体导入部分88以便将加工气体从腔体10的上面中心部分(气体喷射开口86)导入。 
此外，可以对前面所述的各个部件或元件或它们的功能进行各种改变或变形。例如，可以使用其他类型的缝隙天线，以取代RLSA 54。特别地，当不需要大的等离子体区域时，微波可以不通过天线而是通过孔道被导入腔体，这可以被称为微波喷射方法。此外，微波传输线58的结构可以不同。例如，可以在微波发生器60和具有方形形状开口的导波管62之间***其他传输线。此外，可以用环形管代替导波管62。此外，转换器64可以包括山脊导引形状的元件，以代替球形把手形状的倒锥形部分68a。进一步地，环形导波管可以不采用转换器64而电磁耦合到腔体10中。 
此外，由于本发明的第二实施例中的微波等离子蚀刻设备2在无需将磁场施加到腔体10上就能产生微波等离子体，因此消除了对包括永磁铁、磁芯等的磁场发生机构的需求，从而使微波等离子蚀刻设备2的结构简单。即使这样，根据本发明的实施例的等离子蚀刻设备也可以是应用，例如，电子回旋共振(ECR)的另一种类型的等离子蚀刻设备，正如在第一实施例中参考图4所描述的那样。 
本发明的实施例并不限于上述实施例中的微波等离子蚀刻设备，也可以是等离子化学气相沉积(CVD)设备、等离子氧化设备、等离子渗氮设备、等离子喷溅设备等。此外，等离子加工的基体并不限于半导体晶片，也可以是制造平板显示器、光掩膜、CD基体、印制基体等所使用的各种基体。 
本申请包含与下述申请相关的技术主题，即2007年3月29日在日本专利局所提交的日本专利申请2007-088407和2007-088653，和分别于2007年6月25日和2007年7月2日在美国专利和商标局提交的美国临时申请60/945,958和60/947,524，这些申请的全部内容在此引入作为参考。 

Claims (35)

1.一种利用等离子加工基体的等离子加工设备，所述等离子加工设备包括：
加工腔体，其容纳要进行预定的等离子加工的基体，且可以被排放至减小的压力；
微波发生器，其产生用于形成等离子体的微波；
导波管，其将微波从微波发生器传输到加工腔体；
导波管/同轴管转换器，其连接到导波管的一端；
同轴管，其形成微波从导波管-同轴管转换器传输到加工腔体所要通过的线路，其中，同轴管的内部导体具有中空部分；和
第一加工气体供应部分，其通过同轴管的内部导体的中空部分将加工气体提供给加工腔体；
介电窗口，其中心部分形成有凹入部分，喷射部分从上方经由密封元件装入形成在所述凹入部分中，通过所述喷射部分向加工腔体中喷射加工气体。
2.如权利要求1所述的等离子加工设备，进一步包括：
基座，在加工腔体中其上放置基体；
其中
所述介电窗口用于将微波导入加工腔体，
其中介电窗口充当与基座相对的顶面。
3.如权利要求2所述的等离子加工设备，其特征在于，所述介电窗口设置有与内部导体的中空部分相通的气体喷射开口。
4.如权利要求2所述的等离子加工设备，其特征在于，所述介电窗口是平面天线的一个组成元件。
5.如权利要求4所述的等离子加工设备，其特征在于，所述平面天线电磁耦合到同轴管的一端。
6.如权利要求4所述的等离子加工设备，其特征在于，所述平面天线为缝隙天线。
7.如权利要求6所述的等离子加工设备，其特征在于，所述缝隙天线为径向线缝隙天线。
8.如权利要求4所述的等离子加工设备，其特征在于，所述平面天线围绕同轴管的内部导体设置。
9.如权利要求1所述的等离子加工设备，其特征在于，导波管/同轴管转换器将导波管中的传输模式转换成同轴管中的TEM模式。
10.如权利要求9所述的等离子加工设备，其特征在于，所述导波管为方形形状，其中内部导体的一端伸入方形形状导波管，所伸入的端部在导波管/同轴管转换器中沿伸入方向变厚。
11.如权利要求10所述的等离子加工设备，其特征在于，所述中空部分穿透同轴管的内部导体，以便允许加工气体从在内部导电部分的伸入端部中所加工的进口开口中进入中空部分，并且从朝向加工腔体内部的孔喷射。
12.如权利要求1所述的等离子加工设备，其特征在于，同轴管的内部导体包括冷却剂导管，冷却剂可以从该冷却剂导管中流过。
13.如权利要求1所述的等离子加工设备，进一步包括将加工气体导入腔体的第二加工气体供应部分。
14.如权利要求13所述的等离子加工设备，其特征在于，所述第二加工气体供应部分包括侧壁喷射孔，加工气体从该侧壁喷射孔喷向加工腔体的中心部分。
15.如权利要求13所述的等离子加工设备，进一步包括：
第一流率控制部分，其控制通过第一加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率；和
第二流率控制部分，其控制通过第二加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率。
16.如权利要求2所述的等离子加工设备，进一步包括给基座提供射频波以便在基座中产生自偏压的射频波发生器。
17.如权利要求1所述的等离子加工设备，进一步包括围绕加工腔体的磁场产生部分，以便在加工腔体周围产生磁场，从而在加工腔体中的等离子体中产生电子回旋共振。
18.一种如权利要求1所述的等离子加工设备，其中，通过所述介电窗口能够将微波导入加工腔体；所述导波管将微波从微波发生器传输到介电窗口；并且
所述第一加工气体供应部分包括穿透介电窗口到达加工腔体以便将加工气体提供给加工腔体的气体导管，所述气体导管是导电且接地的。
19.如权利要求18所述的等离子加工设备，其特征在于，所述气体导管穿透介电窗口的一部分。
20.如权利要求19所述的等离子加工设备，其特征在于，所述气体导管穿透介电窗口的中心部分。
21.如权利要求18所述的等离子加工设备，其特征在于，多个气体导管穿透介电窗口的对应的多个部分，所述多个部分相对于介电窗口的中心部分对称设置。
22.如权利要求18所述的等离子加工设备，其特征在于，所述气体导管的气体喷射部分从介电窗口伸入加工腔体。
23.如权利要求22所述的等离子加工设备，其特征在于，所述气体导管的气体喷射部分距离介电窗口10mm或更远。
24.如权利要求18所述的等离子加工设备，进一步包括基座，基体在加工腔体中放置在基座上，其中，介电窗口充当与基座相对的顶面。
25.如权利要求24所述的等离子加工设备，进一步包括施加射频波的射频波发生器，以便在基座中产生自偏压。
26.如权利要求24所述的等离子加工设备，其特征在于，所述介电窗口为平面天线的一个组成元件。
27.如权利要求26所述的等离子加工设备，其特征在于，所述平面天线包括径向线缝隙天线。
28.如权利要求26所述的等离子加工设备，其特征在于，导波管包括其端部连接到平面天线的同轴管。
29.如权利要求28所述的等离子加工设备，其特征在于，气体导管形成在内部导体中。
30.如权利要求29所述的等离子加工设备，其特征在于，内部导体包括可以用于使气体流动通过的中空部分，所述中空部分沿内部导体的中心轴延伸。
31.如权利要求30所述的等离子加工设备，其特征在于，气体导管与中空部分相通，并且通过介电窗口中所加工的通孔伸入加工腔体。
32.如权利要求28所述的等离子加工设备，其特征在于，
所述导波管的一端连接到微波发生器；
所述导波管/同轴管转换器将导波管的另一端与同轴管的一端耦联，以便将导波管中的一种电磁波传输模式转换成同轴管中的另一种传输模式。
33.如权利要求18所述的等离子加工设备，进一步包括将加工气体导入腔体的第二加工气体供应部分。
34.如权利要求33所述的等离子加工设备，其特征在于，第二加工气体供应部分包括侧壁喷射孔，加工气体从该侧壁喷射孔喷向加工腔体的中心部分。
35.如权利要求33所述的等离子加工设备，进一步包括：
第一流率控制部分，其控制通过第一加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率；和
第二流率控制部分，其控制通过第二加工气体供应部分被导入加工腔体的加工气体的流率。
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