CN103094046A - 等离子体处理装置以及等离子体处理装置用的顶板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置以及等离子体处理装置用的顶板。该顶板设置在可抽真空的处理容器的顶部，可使从排列设置的平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过到处理容器内，具有在顶板的面对处理容器内的一面放射状地设置的多个突起部，顶板在顶板的面对处理容器内的一面朝向顶板内部形成有多个凹部，凹部具有以等角度间隔沿着一个圆排列的内侧微波传播控制凹部和沿着一个圆排列的外侧微波传播控制凹部，内侧微波传播控制凹部的数量对应于与狭缝的数量相同的数量。根据上述等离子体处理装置以及等离子体处理装置用的顶板，可使处理空间的水平面方向上的等离子体密度均一化。

Description

等离子体处理装置以及等离子体处理装置用的顶板

本申请为申请人为“东京毅力科创株式会社”、国际申请日为“2008年8月20日”、国际申请号为“PCT/JP2008/064854”、国家申请号为“200880000772.8”、发明名称为“顶板以及等离子处理装置”这一母案申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使由微波产生的等离子体作用于半导体晶片等实施处理时所使用的等离子体处理装置以及该等离子体处理装置中所使用的顶板。

背景技术

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序中，使用等离子体处理装置实施成膜、蚀刻、灰化等处理，特别是由于在0.1~10Pa左右的压力比较低的高真空状态下也能够稳定地产生等离子体，所以愈发倾向于使用微波产生高密度等离子体的微波等离子体装置。

这种等离子体处理装置在专利文献1~6等中被公开。在此，参照图1概略地说明利用微波的通常的等离子体处理装置。图1是表示现有的通常的等离子体处理装置的概略结构图。

在图1中，该等离子体处理装置2在可进行抽真空的处理容器4内设置用于载置半导体晶片的载置台6，在与该载置台6对置的顶部气密地设置有透过微波的由圆板状的氮化铝、石英等构成的顶板8。

而且，在该顶板8的上表面上设置有厚度数mm左右的圆板状平面天线构件10、和用于缩短微波在该平面天线构件10的半径方向上的波长例如由电介质构成的滞波构件12。在该滞波构件12的上方设置有顶部冷却保护层14，该顶部冷却保护层14在其内部形成用于冷却水流动的冷却水流路，以对滞波材料12等进行冷却。还有，在平面天线构件10中形成有多个例如由长槽状的贯通孔构成的狭缝16。该狭缝16通常配置成同心圆状，或者配置成漩涡状。

还有，平面天线构件10的中心部连接有同轴波导管18的内部导体20，引导由未图示的微波发生器发生的例如2.45GHz的微波。而且，使微波在天线构件10的半径方向放射状地传播并从设置在平面天线构件10的狭缝16处放射微波使其透过到顶板8，将微波导入到下方的处理容器4内，通过该微波在处理容器4内的处理空间S中发生等离子体，对半导体晶片W实施蚀刻、成膜等规定的等离子体处理。

专利文献1：日本特开平3-191073号公报

专利文献2：日本特开平5-343334号公报

专利文献3：日本特开平9-181052号公报

专利文献4：日本特开2003-59919号公报

专利文献5：日本特开2004-14262号公报

专利文献6：日本特开2005-100931号公报

但是，利用上述的等离子体处理装置，在进行成膜或蚀刻等等离子体处理时，通常，希望将等离子体密度在晶片的面内方向均一化，维持高度的面内均一性。而且，该处理容器内的等离子体的状态很大程度依存于处理压力、气体种类等处理条件，希望即使处理条件发生各种变动也能将等离子体密度的面内均一性始终维持得较高。

此时，通常使形成在平面天线构件10中的狭缝16的分布、形状等适当地变化，尝试将处理容器4内的等离子体密度尽可能做到均一。但是，对处理容器4内的等离子体的行动的控制是非常困难的，如上所述由于处理条件稍微变化，等离子体的行动能够变化很大，或者从相邻的狭缝16导入的微波彼此干扰，其结果，存在不能充分维持等离子体处理的面内均一性的情况。

特别是透过顶板8在处理容器4内传播的微波，因形成在处理空间S中的等离子体阻碍其侵入，向顶板8的正下方的平面方向作为表面波22被传播，该表面波22成为驻波进行传播，因此始终发生起因于该驻波的等离子体密度的偏差，实现所希望的等离子体密度分布很困难。

此时，如专利文献4~6所示，研究了在顶板的表面设置凹凸来控制等离子体密度的情况，特别是在如专利文献6这样在顶板的下表面设置了圆锥状的凹凸的情况下，能够实现等离子体密度的均一性相当大的改善，但是，即使这样也不够充分，由于上述微波的传播效率极大地依存于狭缝的形状、排列图案，特别是顶板的表面形状，所以最佳化很困难。

尤其是在晶片尺寸从8英寸大口径化为12英寸，且在细微化以及薄膜化逐步推进的今天，强烈希望解决上述问题。

发明内容

本发明是着眼于如上所述的问题，为了有效地解决该问题而做出的。本发明的目的在于提供一种可使处理空间的水平面方向上的等离子体密度均一化的等离子体处理装置以及该等离子体处理装置中所使用的顶板。

根据本发明的第1技术方案，提供一种顶板，设置在可抽真空的处理容器的顶部，能够使从排列设置的平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过到上述处理容器内，在顶板的面对处理容器内的一面具有设置成放射状的多个突起部。

本发明的第2技术方案，根据第1技术方案的顶板，按照在顶板的设置了突起部的部分中传播的微波、在顶板的未设置突起部的部分中传播的微波，所传播的微波的传播模式的种类的数量不同的方式，分别对顶板的设置了突起部的部分的厚度和顶板的未设置突起部的部分的厚度进行设定。

本发明的第3技术方案，根据第1或第2技术方案的顶板，突起部的宽度为在顶板中传播的微波的波长的1/10~1/2的范围内。

本发明的第4技术方案，根据第1到第3中任一个技术方案的顶板，三个以上的突起部以顶板的中心部为中心，在圆周方向上以等角度放射状地设置。

本发明的第5技术方案，根据第1到第4中任一个技术方案的顶板，在顶板的面对处理容器内的一面，设置有一个或者多个环状突起部。

本发明的第6技术方案，提供一种等离子体处理装置，具有：在顶部开口并可抽真空的处理容器；微波发生部，其发生等离子体发生用的微波，平面天线构件，其具有多个狭缝，该多个狭缝在顶部的开口处设置，使来自微波发生部的微波导入到处理容器内；顶板，其气密地设置在顶部的开口处，使从平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过并导入到处理容器内，在顶板的面对处理容器内的一面放射状地设置有多个突起部。

本发明的第7技术方案，根据第6技术方案的等离子体处理装置，按照在顶板的设置了突起部的部分中传播的微波、在顶板的未设置突起部的部分中传播的微波，所传播的微波的传播模式的种类的数量不同的方式，分别对顶板的设置了突起部的部分的厚度和顶板的未设置突起部的部分的厚度进行设定。

本发明的第8技术方案，根据第6或第7技术方案的等离子体处理装置，突起部的宽度为在顶板中传播的微波的波长的1/10~1/2的范围内。

本发明的第9技术方案，根据从第6到第8任一个技术方案的等离子体处理装置，三个以上的突起部以顶板的中心部为中心，在圆周方向上以等角度放射状地设置。

本发明的第10技术方案，根据从第6到第9中任一个技术方案的等离子体处理装置，顶板的面对处理容器内的一面设置有以顶板的中心部为中心的一个或者多个环状突起部。

本发明的第11技术方案，根据从第6到第10中任一个技术方案的等离子体处理装置，顶板的突起部与平面天线构件的狭缝的位置对应地设置。

本发明的第12技术方案，提供一种顶板，设置在可抽真空的处理容器的顶部，能够使从排列设置的平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过到处理容器内，具有在顶板的面对处理容器内的一面形成的多个凹部。

本发明的第13技术方案，根据第12技术方案的顶板，按照在顶板的形成了凹部的部分中传播的微波、和在顶板的未形成凹部的部分中传播的微波，所传播的微波的传播模式的种类的数量不同的方式，分别对顶板的形成了凹部的部分的厚度和顶板的未形成凹部的部分的厚度进行设定。

本发明的第14技术方案，根据第12或第13技术方案的顶板中，上述凹部的平面形状为圆形。

本发明的第15技术方案，根据从第12到第14中任一个技术方案的顶板，凹部内的至少最内周的凹部，形成在以顶板的中心部为中心的同一圆周上。

本发明的第16技术方案，提供一种等离子体处理装置，具备：顶部开口并可抽真空的处理容器；微波发生部，其发生等离子体发生用的微波；平面天线构件，其具有多个狭缝，该多个狭缝在顶部的开口处设置，并用于向处理容器内导入来自微波发生部的微波；顶板，其气密地设置在顶部的开口处并使平面天线构件从狭缝中放射的微波透过并导入到处理容器内，顶板的面对处理容器内的一面形成有多个凹部。

本发明的第17技术方案，根据第16技术方案的等离子体处理装置，按照在顶板的形成有凹部的部分中传播的微波、和在顶板的未形成凹部的部分中传播的微波，所传播的微波的传播模式的种类的数量不同的方式，分别对顶板的形成了凹部的部分的厚度和顶板的未形成凹部的部分的厚度进行设定。

本发明的第18技术方案，根据第16或第17技术方案的等离子体处理装置，凹部的平面形状为圆形。

本发明的第19技术方案，根据从第16到第18中任一个技术方案的等离子体处理装置，凹部内的至少最内周的凹部，形成在以顶板的中心部为中心的同一圆周上。

本发明的第20技术方案，根据从第16到第19中任一个技术方案的等离子体处理装置，最内周的凹部与远离平面天线构件的狭缝的位置对应地形成。

根据本发明的实施方式，提供一种可使处理空间的水平面方向上的等离子体密度均一化的等离子体处理装置以及其所使用的顶板。

附图说明

图1是表示现有的一般的等离子体处理装置的概略结构图。

图2是表示本发明的一实施方式的等离子体处理装置的结构图。

图3是表示图2所示的等离子体处理的平面天线构件的俯视图。

图4是表示本发明的一实施方式的顶板的第一实施例的立体图。

图5是表示图4的顶板的俯视图。

图6A是沿图5的A-A线的剖视图。

图6B是沿图5中的B-B线的剖视图。

图7是说明顶板和平面天线构件的狭缝的位置关系的图。

图8是说明顶板和平面天线构件的狭缝的其他位置关系的图。

图9是表示模拟微波的传播方式时的顶板的模型的图。

图10是表示顶板的厚度和微波的传播系数给微波的传播模式带来的影响的曲线。

图11A是表示利用本发明的一实施方式的顶板得到的电场分布的模拟结果的图。

图11B是表示利用本发明的一实施方式的顶板得到的电场分布的模拟结果的图。

图12是表示本发明的其他实施方式的顶板的剖视图。

图13是表示图12的顶板的俯视图。

附图标记说明：

32-等离子体处理装置；34-处理容器；36-载置台；40-气体供给部；56-顶板；60-微波传播控制突起部；62-圆形突起部；64-平面天线构件；78-微波发生器（微波发生部）；92-微波传播控制凹部；W-半导体晶片（待处理体）

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的等离子体处理装置以及其中所使用的顶板的优选的一个实施方式。

图2是表示本发明的一实施方式的等离子体处理装置的结构图，图3是表示图2所示的等离子体处理装置的平面天线构件的俯视图，图4是表示本发明的一实施方式的顶板的立体图，图5是表示图4的顶板的俯视图，图6A是沿图5中的A-A线的剖视图，图6B是沿图5中的B-B线的剖视图，图7是说明顶板和平面天线构件的狭缝的位置关系的说明图。

如图所示，该等离子体处理装置32具有例如侧壁、底部由铝合金等导体构成且整体形成为筒状、例如圆筒状的处理容器34，内部构成为密闭的处理空间S，在该处理空间S内形成等离子体。该处理容器34本身被接地。

在该处理容器34内收纳有载置台36，该载置台36的上表面载置有作为待处理体的例如半导体晶片W。该载置台36例如由进行防蚀钝化铝膜处理后的铝合金、陶瓷材料等形成为平坦的大致圆板状。还有，载置台36被自容器底部立起的支柱38支撑，支柱38例如由绝缘性材料构成。

在载置台36的上表面设置有用于在此保持晶片的静电卡盘或者夹具机构（未图示）。此外，也存在将该载置台36与例如13.56MHz的偏压用高频电源连接的情况。此外，根据需要也可以在该载置台36中设置加热用加热器。

在处理容器34的侧壁，作为气体供给部40，设置有向该处理容器34内供给等离子体用气体例如氩气的石英管制的等离子体气体供给喷嘴42，和用于导入处理气体例如沉积气体的例如石英管制的处理气体供给喷嘴44。通过这些喷嘴42、44，能够将各气体一边控制流量一边向处理空间S内供给。此外，作为气体供给部40例如也可以将石英制的淋浴喷头等设置在载置台36的上方。

还有，在容器侧壁设置宽幅的开口46，对于该开口46安装有在处理空间S内搬入、搬出晶片时进行开闭的闸阀48。还有，在容器底部设置排气口50，该排气口50通过未图示的真空泵或压力调整阀与排气系统52连接。利用该结构，根据需要能够使处理容器34内排气直到规定压力。

还有，处理容器34在上部具有开口，在该开口处设有顶板56。该顶板56由针对微波具有穿透性的例如石英或陶瓷材料等构成，并隔着O形密封圈等密封构件58，气密地设置于处理容器34的上部的开口处。该顶板56的厚度考虑到耐压性例如设定为20mm左右。然后，在该顶板56的下表面即面对处理容器34内的一面，设置有用于控制微波的传播的放射状的微波传播控制突起部60以及圆形突起部62。此外，对于该顶板56在后面叙述。

还有，在该顶板56上设置圆板状的平面天线构件64，在平面天线构件64上设置具有高介电常数特性的滞波材料66。具体来说，该平面天线构件64构成为覆盖滞波材料66上方整个面的由导电性的中空圆筒状容器构成的波导箱68的底板，隔着顶板56与处理容器34内的载置台36对置。

该波导箱68以及平面天线构件64在周边部均被接地。还有，在波导箱68的上部的中心，连接有同轴波导管70的外管70A，内侧的内部导体70B通过滞波材料66的中心贯通孔与平面天线构件64的中心部连接。而且，该同轴波导管70依次经由模式转换器72和中间设置了匹配部74的矩形波导管76，与例如2.45GHz的微波发生器（微波发生部）78连接。根据该结构，微波从微波发生器78向平面天线构件64传播。模式转换器72设置在由矩形波导管76和同轴波导管70构成的波导管的中间。

在此，从微波发生器78放射例如TE模式的微波，其利用模式转换器72例如转换成TEM模式在同轴波导管70内被传播。其频率不限于2.45GHz，也可以利用其他频率例如8.35GHz。此外，也可以在波导箱68的上部设置未图示的顶部冷却保护层。

平面天线构件64在处理容器34内处理8英寸大小的晶片时，利用由直径例如为300～400mm、厚度为1～数mm的导电性材料构成、例如表面被镀银的铜板或铝板构成。在平面天线构件64中也如图3所示设置有由长槽状的贯通孔构成的多个狭缝80。该狭缝80的配置方式没有特别限定，例如可以配置成同心圆状、漩涡状或者放射状，也可以以在天线构件整个面上变得均匀的方式进行分布。在此，例如，如图3所示，两个狭缝80相互稍分开，配置成大致L字形来形成一对狭缝80。还有，在天线构件64的内侧部沿内圆（未图示）配置有6对狭缝80，在天线构件64的外侧部沿与上述的内圆同心圆状的外圆（未图示）配置有24对狭缝80。此外，一对狭缝80也可以呈T字形。

在此，对设置在平面天线构件64下面的顶部56进行详细的说明。如上所述，在该顶部56的面对处理容器34内的一面，即下表面侧向下方突起地设置用于控制微波的传播的放射状的微波传播控制突起部60和圆形突起部62。圆形突起部62主要能够控制向顶板56的半径方向放射状地传播的微波。还有，放射状的微波传播控制突起部60能够控制向顶板56的圆周方向（与半径方向正交的方向）传播的微波。由于这些突起部62、60的协同作用，因而能够期待等离子体密度的面内均一性的大幅地改善。

如图4至图6所示，作为圆形突起部62，设置有位于顶板56的中央部的圆形的圆锥台状的圆形突起部62A、位于顶板56的中间圆周部且剖面呈梯形的环状的圆形突起部62B、和位于顶板56的周边部的环状的圆形突起部62C。圆形突起部62A～62C分别按照需要设置即可，即在等离子体密度变成稀疏的部分需要提高等离子体密度时进行设置即可。此外，上述环状的圆形突起部可以是一个，还可以根据需要设置两个以上。

此时，在作为沿图5的A－A的剖视图的图6A中，按照在设置了圆形突起部62B的部分中传播的微波、和在未设置圆形突起部62B的部分中传播的微波，所传播的微波的电磁场的分布方式即传播模式的种类的数量不同的方式，对设置了圆形突起部62B的部分的厚度H1、和未设置圆形突起部62B的部分的厚度、即顶板56自身的厚度H2进行设定。平面天线构件64从各狭缝80（图3）中放射的微波向顶板56的半径方向传播时，在顶板56内重复反射成为驻波。此外，为了加强外周部的微波，外周的圆形突起部62C的厚度比中间圆周部的圆形突起部62B的厚度稍厚。

此时，例如在厚度H1的部分中能够传播TM0模式和TE1模式两种模式的微波，在厚度H2的部分仅TM0模式一种模式的微波能够传播。因此，比起仅TM0模式的微波被传播的H2的部分，在TM0模式和TE1模式的微波被传播的厚度H1的部分中微波强度变大，能够增大该部分的等离子体密度。

此时，圆形突起部62B的宽度M1（梯形的上底和下底的长度的平均值）没有特别限定，若设在顶板56中传播的微波的波长为λ，则优选其在λ/10～λ/2的范围内。在此从各狭缝80放射出的微波在半径方向、圆周方向都传播，但向半径方向的传播为支配性的。换而言之，比起微波的向圆周方向的传播强度，向半径方向的传播强度大。由此主要控制向半径方向传播的微波的圆形突起部62，呈圆锥形状（梯形）的能够防止电场分布的急剧变化，提高等离子体密度的面内均一性。上述的圆形突起部62B中的微波的传播的方式（模式）在其他的圆形突起部62A、62C也相同。

还有，如图5所示，以顶板56的中心部为中心以放射状地设置多个微波传播控制突起部60，在图示的例子中，6个微波传播控制突起部60以等角度间隔设置。该微波传播控制突起部60的数量虽然用2个效果小，但若用三个以上，用几个都可以，优选4个以上以等角度设置。各微波传播控制突起部60如作为沿图5中的B－B线的剖视图的图6B所示，具有矩形的剖面。此外，也可以使该剖面形状作为图6所示的梯形。

此时，基于与图6A所示的设置了圆形突起部62B的部分的顶板56的厚度同样的考虑来设定设置了微波传播控制突起部60的部分的顶板56的厚度。

此时，如图6B所示，在设置了微波传播控制突起部60的部分传播的微波、和在未设置其的部分传播的微波，所传播的微波的电磁场的分布方式即传播模式的种类的数量不同的方式，分别对设置了微波传播控制突起部60的部分的厚度H3、和未设置其的部分的厚度即顶板56自身的厚度H2进行设定。从平面天线构件64的各狭缝80放射出的微波向顶板56的圆周方向（与半径方向正交的方向）传播时，在顶板56内重复反射成为驻波。

例如在厚度H3的部分中，能够传播TM0模式和TE1模式两种模式的微波，在厚度H2的部分仅能够传播TM0模式的一种模式的微波。因此，与仅传播TM0模式的厚度H2的部分相比，TM0模式和TE1模式传播的厚度H3的部分中能够使微波强度变大，能够增大该部分的等离子体密度。此时，若设在顶板56中传播的微波的波长为λ，则微波传播控制突起部60的宽度M2（梯形时上底和下底的长度的平均值）可以在λ·1/10～λ·1/2的范围内。当宽度M2窄于λ·1/10时，不能充分发挥设置了该微波传播控制突起部60的作用效果，还有，当宽于λ·1/2时同样不能充分发挥设置了该微波传播控制突起部60的作用效果。

在此设置了微波传播控制突起部60的部分和未设置其的部分的传播模式数量之差可以设定为1或2。若该模式数量为3以上，则调整电场分布的作用就变小，设置了该微波传播控制突起部60的作用效果急剧降低。此外，在本实施例的情况下厚度H1和厚度H3设定成相同的值。在本实施方式中，例如厚度H3设定为25mm左右，厚度H2设定为17mm左右。

还有，在本实施方式中，如图7所示，6个微波传播控制突起部60以与设置在该顶板56上的平面天线构件64的狭缝的位置对应的方式设置。具体来说，如上所述，在平面天线构件64中，稍分离地相互配置成T字形的多个一对的两个狭缝80排列成同心圆状，微波传播控制突起部60与排列在内侧的同一圆上的狭缝80的对80A的位置对应。其理由是由于在顶板56中沿圆周方向传播的微波的电场强度是该顶板56的内周侧大于外周侧，所以能够利用微波传播控制突起部60有效控制自内周侧的狭缝80的对80A放射出的微波。

但是，在其他实施方式中，如图8所示，6个微波传播控制突起部60也可以位于狭缝80的对80A之间。具体来说，图8所示的结构是通过将图7所示的结构中的6个微波传播控制突起部60沿圆周方向旋转30°来得到的。即使在这种情况下，微波传播控制突起部60也能够发挥控制向顶板56的圆周方向传播的微波的效果。

然后，对利用上述构成的等离子体处理装置32进行的处理方法进行说明。

首先，利用搬送臂（未图示）将半导体晶片经由闸阀48收纳在处理容器34内，通过上下移动升降销（未图示）而将晶片载置在载置台36的上表面的载置面上。

然后，在处理容器34内维持为规定的处理压力、例如0.01～10Pa左右的范围内，在从等离子体气体供给喷嘴42一边对例如氩气进行流量控制一边进行供给的同时，从处理气体供给喷嘴44根据处理例如如果是成膜处理就将成膜用气体一边进行流量控制一边供给，如果是蚀刻处理就将蚀刻气体一边进行流量控制一边供给。

同时，使利用微波发生器78发生的微波，经由矩形波导管76以及同轴波导管70供给到平面天线构件64，并且将利用滞波材料66缩短了波长的微波导入到处理空间S，通过使氩分解，在处理空间S内产生等离子体进行规定的等离子体处理。

在此，利用微波发生器78产生的例如2.45GHz的TE模式的微波在矩形波导管76中被传播后，利用模式转换器72向TEM模式转换，该TEM模式的微波如上所述在同轴波导管70内传播以到达波导箱68内的平面天线构件64。然后，该微波从连接内部导体70B的圆板状的平面天线构件64的中心部放射状地向周边部传播，而且从形成在该平面天线构件64上的多个狭缝80向顶板56侧传播。然后，该微波在顶板56内向半径方向放射状地传播，而且也向圆周方向（与半径方向正交的方向）传播，该传播中途透过顶板56导入到下方的处理空间S。将利用该微波激发的氩气等离子体化，向其下方扩散，在此使处理气体活化做成活性种，按该活性种的作用在晶片W的表面实施规定的等离子体处理。

在此如现有装置那样在顶板8（参照图1）的表面形状完全平坦的情况下，在顶板8的平面方向上传播的微波中产生驻波。由此等离子体密度产生偏差，而且微波彼此相互干扰，处理容器4（参照图1）内的处理条件稍变动等导致处理容器4内的等离子体密度的面内均一性变化较大，其结果，对等离子体处理的面内均一性带来恶劣影响。

与此相反，对在顶板56内自中心部放射状地传播的微波，在本实施方式中，在设置了圆形突起部62的部分传播的微波、和在未设置圆形突起部62的部分传播的微波，所传播的微波的电磁场的分布方式、即传播模式的种类的数量不同的方式，分别对顶板56的设置了圆形突起部62的部分的厚度H1、和顶板56的未设置圆形突起部62的部分的厚度H2进行设定。（参照图6A）

换而言之，在顶板56的设置了圆形突起部62的厚度H1的部分传播的微波和在顶板56的未设置圆形突起部62的厚度H2的部分传播的微波，以其传播模式的种类的数量不同的方式分别设定各厚度H1、H2。例如在厚度H1的部分，两种模式的微波（TM0模式的微波TM0和TE1模式的微波TE1）能够传播，在厚度H2的部分，仅一种模式的微波（TM0模式的微波TM0）能够传播。因此，比起仅TM0模式的微波传播的厚度H2的部分，在TM0模式和TE1模式的微波传播的厚度H1的部分，能够使微波强度变大，能够提高该部分的等离子体密度。

在图1所示的通常的平坦的顶板8中，存在顶板8的中间圆周部和周边部的等离子体密度变低的趋势，但为了使晶片面内方向上的等离子体密度均一，通过如本实施方式那样在顶板56的中间圆周部和周边部设置圆形突起部62，而能够提高该部分的微波的强度并能够选择性地提高等离子体密度。因此，能够提高晶片面内方向（处理空间S的水平面方向）上的等离子体密度的均一性。

还有，对于沿顶板内的圆周方向（与半径方向正交的方向）传播的微波，在放射状地设置了微波传播控制突起部60的部分传播的微波和在未设置微波传播控制突起部60的部分传播的微波，所传播的微波的电磁场的分布方式、即传播模式的种类的数量不同的方式分别设定顶板56的设置了微波传播控制突起部60的部分的厚度H3以及顶板56的未设置微波传播控制突起部60的部分的厚度H2（参照图6B）。

换而言之，在顶板56的设置了微波传播控制突起部60的厚度H3的部分传播的微波和在顶板56的未设置微波传播控制突起部60的厚度H2的部分传播的微波，以其传播模式的种类的数量不同的方式分别设定厚度H3、H2。

例如在厚度H3的部分，两种模式的微波（TM0模式的微波TM0和TE1模式的微波TE1）能够传播，在厚度H2的部分，仅一种模式的微波（TM0模式的微波TM0）能够传播。因此，比起仅TM0模式的微波传播的厚度H2的部分，在TM0模式和TE1模式的微波传播的厚度H3的部分，能够使微波强度变大，能够提高该部分的等离子体密度。

因此，能够控制沿顶板56的圆周方向传播的微波的强度，能够不依存于过程压力、气体种类等处理条件，提高等离子体密度的面内均一性。尤其能够在微波功率低的情况下改善等离子体密度的偏差。

这样，为了控制微波的传播，在顶板56的面对处理容器34内的一面，构成为放射状地设置多个微波传播控制突起部60，由此能够控制向顶板56的圆周方向传播的微波，能够使处理空间S的水平面方向上的等离子体密度均一化。

还有，通过设置圆形突起部62和微波传播控制突起部60双方，不仅能够控制向顶板56的圆周方向传播的微波，还能够控制向半径方向传播的微波，通过两者的协同作用能够使处理空间S的水平面方向上的等离子体密度进一步均一化。

此外，在上述实施例中，也可以不设置圆形突起部62，而仅设置放射状的微波传播控制突起部60。由于在此时，也能够控制在顶板56沿圆周方向传播的微波，所以与现有装置中同样平坦的平板8（图1）相比，能够改善等离子体密度的面内均一性。

在此，对圆形突起部62、微波传播控制突起部60中的微波的传播状态，参照图9以及图10进行说明。图9是表示模拟微波的传播方式时的顶板的模型的图，图10是表示顶板的厚度和微波的传播常数给微波的传播模式带来的影响的曲线。

当参照图9时，该模型中，在由电介质构成的顶板56上连接具有狭缝80的盖板90。在此假设为微波在顶板56和真空的界面处作为表面波传播，微波随着远离电介质表面呈指数函数衰减。还有，假设为沿垂直方向（纸面的垂直方向）顶板56无限延伸。

图中的各附图标记如下被定义。

Z：传播方向

x：与电介质（顶板）表面垂直的方向

ε_r：电介质（顶板）的比介电常数

ε₀：真空中的介电常数

d：电介质的厚度

由本模型求出用于TM模式以及TE模式传播的厚度界限，所求出的厚度界限由下述的表达式组（1）来定义。

[表达式1]

$\left.\begin{array}{ccc}(\frac{{\&PartialD;}^2}{\&PartialD;x^2}+{\mathrm{\&epsiv;}}_r{k}_0^2-{\mathrm{\&beta;}}^2)e_z(x,y)=0& \mathrm{for}& 0\&le;x\&le;d\\ (\frac{{\&PartialD;}^2}{\&PartialD;x^2}+k_0^2-{\mathrm{\&beta;}}^2)e_z(x,y)=0& \mathrm{for}& d\&le;x<\&infin;\end{array}\right\}---\left(1\right)$

Here，

E_z(x，y，z)＝e_z(x，y)e^-jβz

β：传播常数

在此，TM模式的边界条件以下述的表达式组（2）来表示

[表达式2]

$\left.\begin{array}{cc}{E}_z=0& x=0\\ E_z<\&infin;& x\&RightArrow;\&infin;\\ E_z\mathrm{continuous}& x=d\\ H_y\mathrm{continuous}& x=d\\ H_x=E_y=H_z=0& \end{array}\right\}---\left(2\right)$

还有，TE模式的边界条件以下述的表达式组（3）来表示。

[表达式3]

$\left.\begin{array}{cc}{E}_y=0& x=0\\ E_y<\&infin;& x\&RightArrow;\&infin;\\ E_y\mathrm{continuous}& x=d\\ H_z\mathrm{continuous}& x=d\\ E_x=H_y=E_z=0& \end{array}\right\}---\left(3\right)$

通过分析上述模型能够得到如图10所示那样的曲线。在图10中横轴取“d/λ₀”，纵轴取“β/k₀”，关于微波的传播模式，以TM0~TM2以及TE1~TE3作为研究对象。这里，“d”表示顶板56的厚度，“λ₀”表示微波在真空中的波长。因此，横轴的“d/λ₀=1”表示顶板56具有相当于微波的一个波长的厚度d。此外，在为2.45GHz微波时，为λ₀=122左右。

图10表示在顶板56由石英（比介电常数ε_r=3.78）形成的前提下求出的计算结果，但顶板56由其他电介质、例如氧化铝等形成的情况下数值都不同，但表示与图10所示的特性同样的特性。

还有，“β”为微波的传播常数，“k₀”为波数。在此，通过β/k₀，能够使传播常数归一（归一化）。而且，纵轴上的值越大，越能够有效传播微波，在“β/k₀≤1”的区域，微波衰减，变得已经不能传播。即，以各传播模式的曲线和“β/k₀=1”的交点决定的“d”成为针对所对应的传播模式的截面厚度。

例如TM0模式的曲线与“β/k₀=1”的交点为“d/λ₀=0”，所以顶板截面厚度d为“0”（d=0）。即，不论顶板56是怎样的厚度，TM0模式的微波都能够传播。

还有，TE1模式的曲线与“β/k₀=1”的交点为“d/λ₀≈0.15”，所以顶板截面厚度d为“18.3mm”（d=0.15%×λ₀）。即，若使顶板56的厚度d小于18.3mm，则传播TM0模式的微波，不传播TE1模式的微波。

因此，如果例如以成为“d/λ₀=0.5”的方式设定顶板厚度d（=61mm），则传播TM0、TE1、TM1、TE2四种模式的微波，但不传播TM2以及TE3两种模式的微波。因此，如果使顶板56的厚度d局部变化，就能够传播与厚度d对应的模式数量的微波。

在此，若表示图10中的各传播模式（在比介电常数“3.78”的石英中传播的微波）的曲线和“β/k₀=1”的横轴的交点的准确的值，则TM0模式为“0”，TE1模式为“0.1499”，TM1模式为“0.2999”，TE2模式为“0.4498”，TM2模式为“0.5998”，TE3模式为“0.7497”。

还有，在将顶板56以比介电常数为“9.8”的氧化铝形成时，若表示各传播模式的曲线和“β/k₀=1”的横轴的交点的准确的值，则TM0模式为“0”，TE1模式为“0.0843”，TM1模式为“0.1685”，TE2模式为“0.2528”，TM2模式为“0.3371”，TE3模式为“0.4214”。

而且，在本实施方式中，将顶板56的放射状地设置了微波传播控制突起部60的部分的厚度H3（图6B），按照等于处于从图10中的横轴和TE1模式曲线的交点的“0.15”到横轴和TM1模式曲线的交点的“0.3”的范围内的点P1的方式设定，将顶板56自身的厚度H2（图6B）按照等于处于从横轴和TE1模式曲线的交点的“0”到从横轴和TE1模式曲线的交点的“0.15”的范围内的点P2方式设定。由此，如前面所说明的，关于沿顶板56的半径方向放射状地传播的微波，顶板56的具有厚度H3（P1）的部分中传播两个模式（TE1模式和TM0模式）的微波，另一方面在顶板56的具有厚度H2的部分中传播一个模式（TM0模式）的微波。即，微波的模式的种类的数量根据微波传播的场所而不同，在本实施方式中，其差为1个。

此时，图10中的点P1、P2可以是任意的点，能够按照其位置改变能够传播的传播模式的种类。此外，输入到平面天线构件64的必要种类的传播模式的微波，在不利用滞波材料66、同轴波导管70的情况下，也可以由模式转换器72利用模式转换产生。

在此，说明利用本发明的实施方式的顶板56进行的电场分布的模拟的结果。图11A以及图11B是表示利用本发明的实施方式得到的顶板的电场分布的模拟结果的图，表示越是颜色浓的部分具有越高的等离子体密度。图11A表示未设置微波传播控制突起部60而仅设置了圆形状突起部62的情况，图11B表示设置了微波传播控制突起部60和圆形状突起部62双方的情况。设微波的频率为2.45GHz，设处理容器34（图2）内的压力为20mTorr（2.7Pa），设等离子体气体为Ar。还有，针对顶板56的厚度，分别设定为H1=25mm、H2=17mm、H3=25mm。

如图11A所示，在顶板56上仅设置了圆形突起部62的情况下，等离子体密度在平面方向上扩大到大致整个范围，能够实现等离子体密度的良好的面内均一性，但密度高的部分和低的部分之差比较大，所以对等离子体密度的面内均一性有改善的余地。

对此，如图11B所示，在顶板56上除了圆形状突起部62之外还设置了微波传播控制突起部60的情况下，等离子体密度之差尤其在圆周方向上降低，确认能够大幅提高等离子体密度的面内均一性。

此外，本实施方式中顶板56上设置圆形（包括环状）或放射状的突起部60、62，但代替此，在其他实施方式中，如图12以及图13所示也可以在顶板56上形成微波传播控制凹部。图12是本发明的其他实施方式的顶板的剖视图，图13是该顶板的俯视图。

如图所示，例如在由石英等构成的顶板56的下表面（面对处理容器内的面）上设置有多个微波传播控制凹部92。微波传播控制凹部92具有圆形的平面形状。还有，多个微波传播控制凹部92包括沿一个圆排列的内侧微波传播控制凹部92A、和沿针对该一个圆在外侧成为同心圆的其他圆排列的外侧微波传播控制凹部92B。在此内侧微波传播控制凹部92A的直径设定为大于外侧微波传播控制凹部92B的直径，但也可以将该大小设为相同，并没有特别限定。

而且，6个内侧微波传播控制凹部92A以等角度间隔沿一个圆排列。此时，该内侧微波传播控制凹部92A偏离平面天线构件64的狭缝80（参照图3、图7）地配置。还有，18个外侧微波传播控制凹部92B沿上述其他的圆配置。还有，邻接的三个外侧微波传播控制凹部92B相互接近构成一个组96，在顶板56整个具有6个组96。该组96彼此仅分离某种程度的距离H5地排列。

在这样构成的顶板56内，在相邻的两个内侧微波传播控制凹部92A间的部分和组96的间的部分中，模拟地形成与图5说明的放射状的微波传播控制突起部60（参照图5）相当的凸状部94。即，凸状部94与放射状的微波传播控制突起部60（参照图5）同样，能够控制向顶板56的圆周方向传播的微波。

还有，顶板56的中心部分，与图5的圆形状突起部62A模拟地对应，内侧微波传播控制凹部92A和外侧微波传播控制凹部92B之间的环状的部分与位于图5中的中间圆周部的圆形状突起部62B模拟地对应，外侧微波传播控制凹部92B的外侧的环状的部分与位于图5中的外周部的圆形状突起部62C模拟地对应。因此，在图13的顶板56中，也能够发挥控制向顶板56的半径方向放射状地传播的微波的效果。

此时，如图12所示，与内侧微波传播控制凹部92A、外侧微波传播控制凹部92B的底部相当的部分的顶板56的厚度，设定成与图6所示的厚度H2相同，还有，其以外的部分、即模拟地视作凸部的部分的厚度设定为与图6所示的厚度H1或者H3相同。

因此，在该实施方式时，顶板56模拟地形成先前的实施方式说明的微波传播控制突起部60、圆形状突起部62（参照图5），因此能够发挥与上述相同的效果。在该实施方式时，对圆板状的石英板进行切削加工仅形成凹部就能够制造顶板56，所以与先前的实施方式的情况下相比能够容易地制造。

此外，该实施方式中微波传播控制凹部92排列成两重环状，但不限定于此，也可以排列成三重以上的环状。

而且，在该实施方式时，优选微波的强度变大的最内周侧的微波传播控制凹部92A在同一圆周上排列成环状，但也可以是其外侧的微波传播控制凹部92B不为环状，而随机地配置。

在先前的实施方式中，在顶板56上设置微波传播控制突起部60以及圆形状突起部62、或者微波传播控制凹部92，通过改变顶板56的厚度（微波的传播剖面的高度），而能够根据厚度变更顶板56中传播的微波的模式的种类的数量，由此，能够将从平面天线构件64通过顶板56导入到处理容器34内的微波的密度在水平面均一化。但是通过以具有不同的介电常数的两个以上的电介质材料来制造顶板56从而能够变更顶板56中传播的微波的模式的种类的数量。例如，在由具有一个介电常数的一个材料构成的圆板上形成具有规定的平面形状的槽（凹部），将该槽（凹部）用具有其他介电常数的其他材料填埋，从而能够制造顶板56。此时，为了得到适当的微波的强度分布，所用的处理以及槽（凹部）的平面形状以及深度，可以参照上述模型决定。还有，该槽（凹部）可以形成在该顶板56的下表面（面对处理容器34内的一面）以及上表面（与下表面对置的面）中任一方或者双方上。

还有，也可以将设置在顶板56中的微波传播控制突起部60以及圆形状突起部62（图4、图5）以与顶板56自身的材料不同的材料形成。而且，微波传播控制突起部60和圆形状突起部62具有相互不同的介电常数，也可以是顶板56、微波传播控制突起部60以及圆形状突起部62具有相互不同的介电常数。根据这些，例如可以得到如图11B所示的结果同样的结果，并且与将顶板56、微波传播控制突起部60以及圆形状突起部62以相同的材料形成的情况相比，能够减小厚度H1（图6A）以及厚度H3（图6B），能够提高等离子体装置的设计自由度。

此外，作为顶板56、微波传播控制突起部60以及圆形状突起部62的优选材料的例子，并不限于这些，存在石英、氧化铝、氮化铝、氮化硅。

还有，在此作为待处理体以半导体晶片为例进行说明，但不限于此，本发明也能够应用于玻璃基板、LCD基板、陶瓷基板等。

本国际申请主张在2007年8月28日申请的日本专利申请2007-221524号的优先权，并在此引用2007-221524号的全部内容。

Claims (6)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：

在顶部开口并可抽真空的处理容器；

微波发生部，其发生等离子体发生用的微波；

平面天线构件，其具有多个狭缝，该多个狭缝在上述顶部的开口处设置，并用于向上述处理容器内导入来自上述微波发生部的微波；以及

顶板，其气密地设置在上述顶部的开口处，使从上述平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过并导入到上述处理容器内，

上述顶板在上述顶板的面对上述处理容器内的一面朝向上述顶板内部形成有多个凹部，

上述凹部具有以等角度间隔沿着一个圆排列的内侧微波传播控制凹部和沿着一个圆排列的外侧微波传播控制凹部，

上述内侧微波传播控制凹部的数量对应于与上述狭缝的数量相同的数量。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，

上述凹部的底部厚度是微波在真空中的波长的0.15倍以下，并且，

上述凹部的周边的厚度大于微波在真空中的波长的0.15倍。

3.根据权利要求1或者2所述的等离子体处理装置，其特征在于，

与上述多个凹部的底部相当的部分的顶板的厚度被设置成彼此相同，并且，

上述多个凹部以外的部分即凸状部分的厚度被设定成相同。

4.一种等离子体处理装置用的顶板，用于使从平面天线构件的狭缝中放射出的微波透过并导入到处理容器内，其特征在于，

在上述顶板的面对上述处理容器内的一面朝向上述顶板内部形成有多个凹部，

上述凹部具有以等角度间隔沿着一个圆排列的内侧微波传播控制凹部和沿着一个圆排列的外侧微波传播控制凹部，

上述内侧微波传播控制凹部的数量对应于与上述狭缝的数量相同的数量。

5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置用的顶板，其特征在于，

上述凹部的底部厚度是微波在真空中的波长的0.15倍以下，并且，

上述凹部的周边的厚度大于微波在真空中的波长的0.15倍。

6.根据权利要求4或者5所述的等离子体处理装置用的顶板，其特征在于，

与上述多个凹部的底部相当的部分的顶板的厚度被设置成彼此相同，并且，

上述多个凹部以外的部分即凸状部分的厚度被设定成相同。

Images