專利名稱：微波等離子體處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波等離子體處理裝置及其控制系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種改進的、適用于形成沉積膜和刻蝕物體的微波等離子體處理裝置。
現(xiàn)已知道有多種等離子體化學(xué)氣相淀積方法(以下稱“等離子體CVD法”)和多種實施這些等離子體CVD法的裝置(以下稱“等離子CVD裝置”)。
等離子體CVD法有這樣一些優(yōu)點，如1)能在200～400℃的低溫下形成沉積膜;2)其所用基底不需要有熱阻等。鑒于這一點，它們已被應(yīng)用于形成二氧化硅薄膜或氮化硅薄膜(這些薄膜能在半導(dǎo)體裝置中作為絕緣膜使用)、非晶硅(α-Si)薄膜(它們能在太陽能電池、緊密接觸型圖象傳感器或光敏磁鼓中使用)和金剛石薄膜等。作為等離子體CVD裝置，目前主要使用的是一種射頻(RF)等離子體CVD裝置，在這種裝置中RF被導(dǎo)入兩個互相平行相對的平板型電極之間，在這里形成等離子體。對于這種RF等離子體CVD裝置來說，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以容易地對它的尺寸進行改變。
然而，這種常規(guī)的RF等離子體CVD法包括下述缺點。即，離子層往往形成在基底的一側(cè)，從而產(chǎn)生一個負的自偏壓，等離子體中的離子在此偏壓的作用下被拉向陰極，結(jié)果使離子對其上放有基底的陽極的入射沖擊減慢。而離子仍然被加到該基底的表面上並混合進入沉積膜中，從而引起內(nèi)應(yīng)力或增加了缺陷密度，使得不能獲得高質(zhì)量的沉積膜。此外，由于電子密度是象108～1010那么低，所以原料氣體的分解率不那么高，沉積速率也是低的。而且，由于電子溫度低到-4ev，因而具有高結(jié)合能的原料氣體，如硅的鹵化物，就不太可能分解。
為了改進RF等離子體CVD法的上述缺點，近年來已提出了幾種等離子體處理方法和這些方法所用的裝置，它們用2.45MHz的微波，這種微波可有效地形成高密度的等離子體，同時能加熱待處理的物體。還對沉積諸如二氧化硅、氮化硅、α-Si、金剛石等薄膜的方法以及刻蝕硅薄膜的方法進行了研究。
常規(guī)的微波等離子體處理裝置大致分為兩種。
一種是在日本專利公布No.58-49295和59-43991和日本實用新型公布No.62-36240中公開的裝置，在該裝置中，輸氣管被插入穿過一個矩形或同軸波導(dǎo)管或被放置與矩形或同軸波導(dǎo)管接觸，以形成等離子體，以下稱此為“1型MW等離子體處理裝置”。
另一種是在日本專利公開No.57-133636中公開的裝置，在該裝置中的空腔諧振器內(nèi)建立了電子回旋共振(ECR)，並借助于一個發(fā)散的磁場將等離子體引出，此下稱此種裝置為“2型MW等離子體處理裝置”。
圖3示出了一種典型的1型MW等離子體處理裝置(參見日本實用新型公布No.62-36240)。
如圖3所示，1型MW等離子體處理裝置包括一真空系統(tǒng)、一個排氣系統(tǒng)和一個微波導(dǎo)入系統(tǒng)。
參見圖3，真空系統(tǒng)包括反應(yīng)室307和一根內(nèi)徑約為40mm、由一氣體導(dǎo)入管307a連受的微波傳送管或窗口(例如，由石英管構(gòu)成)。該石英管(或窗口)與第一氣體導(dǎo)入管相接，並垂直正交地放到微波波導(dǎo)管中。第二氣體導(dǎo)入管連接到反應(yīng)室307內(nèi)，而所供氣體(硅烷)通過一排氣系統(tǒng)(307b和308)排出。在該裝置中，通過第一氣體導(dǎo)入管導(dǎo)入的氣體(O2或N2氣體)由微波放電置換成等離子體。在由微波能所引起的微波放電期間，微波輸入阻抗可以通過移動一個滑動的短路板(即波導(dǎo)管短路器305)來匹配。由此產(chǎn)生的等離子基團與經(jīng)第二氣體導(dǎo)入管供入的硅烷氣體反應(yīng)，在基底309的表面上形成二氧化硅膜或氮化硅膜。
圖4示出了典型的2型MW等離子體處理裝置(參照日本專利公開No.57-133636)。這種裝置的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)與前面所述的1型等離子處理裝置相同，只是其放電空間用的是電磁鐵407。即，真空系統(tǒng)包括一個圓筒形等離子體產(chǎn)生器401和與其相連的反應(yīng)室402，一個微波導(dǎo)入窗口403氣密地與等離子體產(chǎn)生器401相連接。第一氣體導(dǎo)入管406和微波波導(dǎo)管404連接到等離子產(chǎn)生器401。等離子體產(chǎn)生器401靠設(shè)置在其外部周圍的水冷管405進行水冷。圖4所示的裝置具有與等離子體產(chǎn)生器401同軸放置的電磁鐵407。它產(chǎn)生的磁力線的方向與微波的傳播方向相同。通過磁場和由微波形成的電場相互垂直地組合，使電子隨磁控管的移動而運動。所以，把等離子體產(chǎn)生器401設(shè)計成TE11t模式(t為自然數(shù))空腔共振器。第二氣體導(dǎo)入管和排氣系統(tǒng)連接到反應(yīng)室402，淀積容器中的氣體由排氣系統(tǒng)排空。
當使用圖4所示的2型MW等離子體處理裝置作為淀積裝置時，通過第一氣體導(dǎo)入管406導(dǎo)入的氣體(氫氣)借助于微波能產(chǎn)生的放電現(xiàn)象形成等離子體。當該磁場的磁通密度為875高斯時，微波能的反射波幾乎為零。在這個裝置中，具有塞子形狀的空腔共振器的端板411按氣體的種類、氣體的壓力和所加的微波功率在真空下移動，以使空腔共振器滿足所需的條件。等離子體中的基團在電子回旋加速器運動下按磁力線的方向傳輸，並與通過第二氣體導(dǎo)入管導(dǎo)入的氣體(硅烷氣體)反應(yīng)，結(jié)果在基底408的表面上形成了一層α-Si薄膜。
不過，1型和2型MW等離子體處理裝置還有下列問題需要解決。
也就是說，1型MW等離子體處理裝置有下列缺點1)在放電期間，需要把壓力控制在0.05乇或再高一些的數(shù)量級，或者需要一種具有易于導(dǎo)致放電的大的致電離橫截面積，以獲得穩(wěn)定的放電;2)在將該裝置用于進行薄膜淀積的情況下，當增加充電微波功率以增加薄膜淀積速率時，就將電場集中在石英管和波導(dǎo)管之間的連接處，從而引起對石英管的濺射，這樣就使濺射形成的雜質(zhì)混入淀積薄膜中，從而不能獲得性能令人滿意的淀積薄膜。
另一方面，1型MW等離子體處理裝置沒有上面提到的濺射問題，甚至在10-4乇的低壓區(qū)域也能放電。但是，要是用氫氣和硅烷氣體(SiH4)形成α-Si薄膜的話，就會存在下列問題3)隨著淀積反應(yīng)的進行，在微波導(dǎo)入窗口上沉積上了一層α-Si膜，這使放電的阻抗匹配和維持變得困難了;4)由于微波導(dǎo)入窗口403和波導(dǎo)管404是固定的，因此不得不把端板411放到真空中以改變空腔共振器的軸向長度，從而使操作發(fā)生困難;以及5)該裝置重量很大，價格昂貴，因為它是使用線圈在ECR條件下產(chǎn)生電場的。
本發(fā)明的主要目的是消除常規(guī)微波等離子體處理裝置中的前述種種問題，並提供改進了的具有令人滿意的可操作性和生產(chǎn)率的微波等離子體處理裝置，該裝置能有效地產(chǎn)生所希望的半導(dǎo)體薄膜，如α-Si薄膜。
本發(fā)明的另一個目的是克服常規(guī)微波等離子體處理裝置中的前述種種問題，並提供能對待處理的物體以良好的可操作性和生產(chǎn)率進行干刻蝕的等離子體處理裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種在低的壓力區(qū)域下能以低的電功率進行穩(wěn)定的放電，同時抑制反射功率，而不用象ECR系統(tǒng)中的大的電磁鐵，也不用考慮具有小的致離化橫截面的氣體種類的裝置。
能達到上述目的的本發(fā)明的微波等離子體處理裝置具有下述結(jié)構(gòu)。即，該處理裝置包括一真空容器、靠微波傳輸電路把微波導(dǎo)入真空容器的裝置、向真空容器內(nèi)供應(yīng)原料氣體的裝置、將真空容器內(nèi)部抽空的裝置和把樣品基底保持在真空容器內(nèi)的樣品支架，其中，微波傳輸電路中設(shè)置有與兩個匹配電路構(gòu)成整體的空腔諧振器，磁場產(chǎn)生器設(shè)置在該空腔諧振器的外側(cè)。
本發(fā)明的裝置的主要特征在于下列各點a)用一個調(diào)節(jié)空腔諧振器的軸向長度的塞子和匹配電路使匹配容易達到，匹配電路由設(shè)置在傳輸微波的空腔諧振器處的圓筒形滑動隔膜、E-H調(diào)諧器或3短截線式調(diào)諧器構(gòu)成。
b)把一鐘罩插入空腔諧振器以激勵TM模式。
c)在空腔諧振器外部放置磁場產(chǎn)生器以在空腔諧振器內(nèi)部的放電空間內(nèi)形成一個高磁通密度的區(qū)域。
本發(fā)明解決了常規(guī)微波等離子體處理裝置的各種問題，並能有效地利用微波功率來進行穩(wěn)定放電，而不受氣體的致離化橫截面積和壓力的影響。
此外，本發(fā)明的裝置能按希望用于有效地形成具有所希望功能的淀積薄膜或用于刻蝕一個物體，這使我們能夠形成具有高質(zhì)量的半導(dǎo)體膜或絕緣膜，或生產(chǎn)各種刻蝕后的材料，該裝置具有高的生產(chǎn)率並降低了成本。
下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明微波等離子體處理裝置的典型實施例的透視示意圖。
圖2(A)至圖2(H)分別是本發(fā)明裝置中磁場產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3和圖4分別為常規(guī)等離子體處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為總體說明本發(fā)明裝置放電試驗結(jié)果的圖表。
下面將描述具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明微波等離子體處理裝置，主要結(jié)合上述特征a)、b)和c)。
通過提供兩個能根據(jù)微波的相位和幅度適當調(diào)節(jié)的匹配電路可以得到與特征a)有關(guān)的設(shè)備結(jié)構(gòu)。因為駐波的能量在匹配電路和空腔諧振器之間聚集，所以有可能把匹配電路和空腔諧振器之間的距離減小到最可能小的程度。最好把這兩個匹配電路和空腔諧振器做成整體，並至少用一個匹配電路作為塞子來改變空腔的長度。
此外，反射波的相位和幅度基本取決于等離子體密度和微波饋入電路的結(jié)構(gòu)。
也就是說，等離子體密度隨氣體的種類、氣體壓力或?qū)氲奈⒉üβ识淖?，而且?fù)合折射率n-ik(0＜n＜1;k為吸收系數(shù))也相應(yīng)改變。因此，為了始終保持空腔諧振器的功能，必須使n和k的影響等于零。
通過改變空腔的內(nèi)徑來使n的影響等于零是困難的，因此，可以使空腔諧振器的空腔長度(L)按等于空腔內(nèi)徑的減少值，增加至原長度的n倍(0＜n＜1)。
當諧振頻率f(2.45GHz)、諧振rst模式(TMrst)和空腔的內(nèi)徑nD已知時，新的空腔的空氣當量(L′)可由下式?jīng)Q定(2L′)2＝t2/(f/C)2-(yrs/nD)2……(1)其中，yrs為貝塞耳函數(shù)的根Jr(y)＝0，C為光速。
由式(1)可見，通過改變隨n變化的空腔諧振器的長度(L)即可將n的影響降為零。
k的影響，即反射波的幅度和相位滯后δ的影響能通過調(diào)節(jié)兩個匹配電動來降為零。
實際上，n和k互相依存，所以可以對一組n和k調(diào)整空腔諧振器的長度(L)和滑動匹配隔膜的位置。
另一方面，利用兩個匹配電路能夠有效地使取決于微波饋入電路的結(jié)構(gòu)的反射波得到匹配。
與上面所述的特征b)有關(guān)的結(jié)構(gòu)可以通過把矩形波導(dǎo)管和圓筒形空腔諧振器按軸線互相交叉成直角(如圖1所示)進行連接來達到。當波導(dǎo)管和空腔諧振器這樣連接時，波導(dǎo)管就不妨礙改變空腔諧振器長度的操作了。在圓筒形空腔諧振器中，微波按TM01n(n為自然數(shù))驅(qū)動，而空腔諧振器的長度即使在大氣氣氛中也能改變，從而提高了工作效率。
與上述結(jié)構(gòu)c)有關(guān)的結(jié)構(gòu)通過設(shè)置一個管狀圓筒形磁場產(chǎn)生器在空腔諧振器的外側(cè)即可得到，這樣能在空腔諧振器內(nèi)的放電空間中形成一個高磁通密度的區(qū)域。磁場產(chǎn)生器一般分為永磁鐵和電磁鐵。具體地說，有圖2(A)至2(D)所示的按同軸方式設(shè)置的永磁鐵、圖2(E)和(F)所示的環(huán)狀永磁鐵和圖2(G)和(H)所示的包括空芯螺旋管線圈的電磁鐵。在圖2的各圖中，上圖均為側(cè)示圖，而下圖均為頂視平面圖，其中N和S表示磁極。那些具有高的矯頑力和剩磁通密度的材料均適合于作為永磁鐵，其中，稀土系列或鐵涂氧系列磁鐵最好。那些中心磁通密度大于50高斯，最好是大于100高斯的材料作電磁鐵是所希望的。圖2(G)中的一組和圖2(H)中的兩組組合成電磁鐵。具體地說，圖2(H)所示的實施例中，改變兩組電磁鐵的電流極性即可改變磁鐵的極性，從而獲得鏡面型或尖點型磁場。
並不總是要求本發(fā)明微波等離子體處理裝置所用的磁場產(chǎn)生器的放電空間中的磁通密度是能得到與微波頻率有關(guān)的電子回旋共振的磁通密度。在使用電磁鐵時，需要增加線圈的匝數(shù)以增加所產(chǎn)生的最大磁通密度，同時通過控制供給的電流能獲得所需要的磁通密度。鑒于上述情況，若重要的是要得到致密度和降低價格，那么最好用永磁鐵的組合，而當重要的是想獲得對微波等離子體處理裝置的磁場產(chǎn)生器的磁通密度的控制時，最好用電磁鐵。
在本發(fā)明中，使用上面所描述的磁場產(chǎn)生器，微波等離子體處理裝置的性能得到了顯著的改進，從而能在放電期間降低壓力、降低反射功率並節(jié)省用以維持放電的電功率。
下面更具體地描述本發(fā)明微波等離子體處理裝置的說明性實施例，但本發(fā)明並不僅局限于此。為簡單起見，盡管僅對使用圓筒形空腔諧振器的情況進行描述，本發(fā)明不會僅限于此。
本發(fā)明裝置的一個實施例的透視示意圖示于圖1。
在圖1中，分別示出了矩形波導(dǎo)管101、圓筒形空腔諧振器102、改變空腔諧振器長度的塞子103、圓筒形滑動匹配隔膜104、微波傳輸鐘罩105、微波反射器106、反應(yīng)室(或膜形成室)107、基底108、基底支架109、氣體導(dǎo)入管110、111、排氣口112、驅(qū)動塞子103以改變軸向長度的驅(qū)動裝置113，它與功率監(jiān)測器的反饋控制電路相連，以及磁場產(chǎn)生器114。
圖1所示的裝置基本上是根據(jù)本發(fā)明的空腔諧振器型微波等離子體處理裝置，它包括一個微波振蕩器(未示出)、一個微波傳輸電路(未示出)、一個空腔諧振器和一個反應(yīng)室，該反應(yīng)室備有限定等離子體產(chǎn)生腔的鐘罩、氣體導(dǎo)入管(110、111)和排氣口112。
圖1中，圓筒形空腔諧振器102最好由具有低電阻率的材料制成，以便降低因表面微波電流引起的歐姆損耗。此外，由于改變空腔長度的塞子與空腔諧振器緊配合地移動，所以該塞子必須有抗磨性。因此，空腔諧振器希望由銅、黃銅和鍍銀、鍍銅或鍍金不銹鋼材料制成。其中，鍍銀不銹鋼最適用。
圓筒形空腔諧振器102和矩形波導(dǎo)管101軸線互相垂直交叉地聯(lián)結(jié)在一起，把矩形波導(dǎo)管101的H10(TE10)模式轉(zhuǎn)換成圓形波導(dǎo)管的E01(TM01)模式?？涨恢C振器102備有兩個匹配電路，與之成一整體，即，改變空腔諧振器102長度的塞子103和圓筒形滑動匹配隔膜104。
改變空腔諧振器102長度的塞子103可以沿空腔諧振器102的軸線移動。該塞子103可以由，例如，馬達113驅(qū)動。為了防止空腔諧振器102和塞子103之間的不正常放電，使用了由磷青銅制成的彈簧構(gòu)件以便能得到穩(wěn)定的接觸。
一對左、右圓筒形滑動匹配隔膜104分別設(shè)置在矩形波導(dǎo)管101和空腔諧振器102的連接處。如圖中箭頭指示出的，隔膜沿矩形波導(dǎo)管的長度方向移動，而且兩個隔膜均可單獨地沿空腔諧振器102的圓筒表面滑動。隔膜和空腔諧振器102的接觸方式與塞子和空腔諧振器的接觸方式類似。從圖2(A)至(H)中所示的實施例中選出的磁場產(chǎn)生器114設(shè)置在空腔諧振器102的外部，以在鐘罩的放電空間內(nèi)形成磁場。
微波傳輸鐘罩105設(shè)置在空腔諧振器102內(nèi)，例如，內(nèi)徑中的120mm處。鐘罩105與反應(yīng)室107相接。在鐘罩105的突緣表面上備有真空密封用的O型環(huán)或金屬密封構(gòu)件以及微波反射器106。微波由微波反射器106反射，而氣體能在鐘罩105的內(nèi)部和膜形成室107的內(nèi)部之間流過。
鐘罩105由石英(SiO2)、剛玉(Al2O3)、氮化硼(BN)或氮化硅(SiN)這樣的材料制成。
微波反射器106是多孔的鍍銀、銅或金的金屬板(鍍銀金屬板特別適用)，如具有多個圓孔的鋁板，板厚為0.8mm，孔徑為6mm，孔與面積的比為60%，也就是所謂的穿孔板。把多孔板用螺釘擰緊在反應(yīng)容器107上抑制異常放電。微波反射器也可以用多孔金屬網(wǎng)制成，來代替多孔板。
放在反應(yīng)室107內(nèi)的是基底108、基底支架109和兩個氣體導(dǎo)入管110和111。氣體導(dǎo)入管110的端部穿過微波反射器106，並通入鐘罩105的內(nèi)部。另一個氣體導(dǎo)入管111有一個備有多個噴氣用噴嘴孔的環(huán)狀端部。管子111放置在鐘罩105和基底支架109之間。
反應(yīng)室107連接到真空泵(未示出)以將反應(yīng)室抽空。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的微波等離子體處理裝置在開始工作前，調(diào)節(jié)空腔諧振器的長度到一個稍短于m/2×λ的值(m為自然數(shù))，以使初始放電容易啟動。具體地說，通過用網(wǎng)絡(luò)分析器(由HeuletPackard公司制造)預(yù)先測量該網(wǎng)絡(luò)決定空腔諧振器的長度以使空腔諧振器與放在其中的鐘罩105一起起作用。
例如，當鐘罩壁厚為3mm、直徑為70mm、高為100mm時，把空腔諧振器的長度縮短3mm，使其長度為192mm;當鐘罩壁厚為3mm、直徑為100mm、高為100mm時，空腔諧振器的長度縮短4mm，使該空腔諧振器22的長度為290mm。
用本發(fā)明的微波等離子體處理裝置能獲得下述效果。即，在壓力小于10-2乇的低壓區(qū)域，未用具有象ECR條件下的高磁通密度的磁場時，1)只用一種致密化橫截面積相當小的氣體即可獲得穩(wěn)定的放電，例如用H2或H;2)能降低維持放電的電功率;以及3)能減少反射功率。
下面對圖1所示的微波等離子體處理裝置的操作方法進行描述。該圖示出了本發(fā)明的一個實施例。
首先，用圖中未示出的真空泵把鐘罩105和膜形成腔室的內(nèi)部抽空至低于一預(yù)定的壓力，然后，把用于形成等離子體的氣體由氣體導(dǎo)入管110或111引入到鐘罩105中，與此同時用等離子體形成裝置114(圖2(A)至(H))施加磁場，並借助于波導(dǎo)管101把由未示出的微波產(chǎn)生器施加的微波功率導(dǎo)入空腔諧振器102的內(nèi)部。繼而用反射功率反饋控制機構(gòu)控制空腔諧振器的軸向長度改變?nèi)蛨A筒形隔膜，以限制微波功率監(jiān)視器的反射功率，並形成穩(wěn)定的放電(可用E-H調(diào)諧器和三短截線式(threestub)調(diào)諧器來代替圓筒形隔膜)。在這種狀態(tài)下運行一定時間后，中止提供微波功率，運行結(jié)束。
本發(fā)明的微波等離子體處理裝置適合用作為薄膜淀積裝置或干刻蝕裝置。
在用本發(fā)明的裝置對一待處理的物體進行干刻蝕時，用上述操作方法刻蝕氣體由氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入以進行刻蝕。作為刻蝕氣體，使用CF4、C2F6、C3F3、C4F8(八氟環(huán)丁烷)、C5F12、CHF3、CBrF3、CCl4、CCl3F、CCl2F2、CClF3、SF6、NF3、BCl3、F2、Cl2、Br2、HF、HCl、或上述刻蝕氣體與H2、O2、N2、He、Ne、Ar、Kr或Xe的混合氣體，這取決于待刻蝕的材料。例如，一般用CF3+O2刻蝕Si，用CF4刻蝕SiO2。干刻蝕時用的內(nèi)部壓力最好為10-4～10-1乇。
在用本發(fā)明的裝置進行薄膜淀積時，在上述操作方法中有(a)和(b)兩種方法，即a)、從氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入成膜原料氣體來形成淀積膜;b)、從氣體導(dǎo)入管110把形成等離子體的原料氣體導(dǎo)入反應(yīng)室(膜形成室)107，並從氣體導(dǎo)入管111把成膜原料氣體導(dǎo)入膜形成室107，以形成淀積膜。形成淀積膜的方法要根據(jù)所希望的淀積膜或所用的原料氣體來進行適當?shù)剡x擇。
在用本發(fā)明的微波處理裝置淀積薄膜時，可以形成質(zhì)量令人滿意的各種薄膜，如非晶硅、單晶硅、非晶硅鍺、氮化硅、氧化硅、非晶碳化硅、金剛石和各種有機高分子化合物。
上述各情況下使用的氣體能根據(jù)下面所示的淀積膜的種類來選擇。
也就是說，可以用那些含有硅原子的氣體作為淀積非晶硅或單晶硅薄膜的原料氣體，例如，SiH4、Si2H6、SiF4、SiHF3、SiH2F2、SiH3F、Si2F6、SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl，象SiCl4這樣的液態(tài)材料要用惰性氣體通過液體鼓泡氣化后再使用?？梢杂米餍纬傻入x子體的氣體除上面敘述的原料氣體外還有，例如，H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe。
在淀積非晶硅鍺薄膜時，用上面提到的淀積非晶硅用的含硅原子的原料氣體和含鍺原子的氣體(如GeH4或GeF4)的氣體混合物作為原料氣體。形成等離子體用的氣體除含硅原子氣體和含鍺原子氣體的氣體混合物外可以提到的還有H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe。
淀積氮化硅薄膜用的原料氣體可以是上述淀積非晶硅用的含硅原子氣體或至少一種含氮原子的氣體(例如，N2、HN3、HF3)和含硅原子的氣體的氣體混合物。形成等離子體所用的氣體除上面所述的原料氣體外還可包括N2、NH3、HF3、H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe。當要形成氮化硅時，有必要使原料氣體或產(chǎn)生等離子體的氣體至少包含含氮氣體和含硅氣體。
淀積氧化硅薄膜的原料氣體可以用上述淀積非晶硅用的含硅原子的氣體或含氧O2和硅原子的氣體。用來形成等離子體的氣體除上述原料氣體外可包括O2、H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe。形成氧化硅時，原料氣體或等離子體形成氣體必須至少包含O2和含硅原子氣體。在淀積非晶碳化硅薄膜時，可以用上述淀積非晶硅用的含硅原子氣體、含Si和C原子的氣體(如Si(CH3)4)，或從CH4、C2H2、C2H4或C2H6中選出的至少一種含碳原子氣體與上述含硅原子氣體的氣體混合物作為原料氣體。除了上述原料氣體外，形成等離子體用的氣體還可包括含碳氣體、H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe。在形成非晶碳化硅時，原料氣體或等離子體形成氣體必須包括至少一種含碳原子的氣體和一種含硅原子的氣體。
淀積金剛石薄膜用的原料氣體可以用CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CH3COCH3和CH3OH，CH3COCH3或CH3OH，它們是在通過惰性氣體鼓泡氣化后再使用的。除了上述含碳原子的氣體外，還可以用H2、F2、Cl2、HF、HCl、He、Ne、Ar、Kr或Xe作為形成等離子體的氣體。
形成上面所描述的膜所用的原料氣體也可以被用作產(chǎn)生等離子體的氣體。此外，成膜原料氣體還可以用惰性氣體He或Ar等稀釋。要在淀積膜中加入雜質(zhì)時，就把PH3、PF5、PF3、PCl3、PCl5、B2H6、BF3、BCl3、BBr3、AsF5、AsCl3、AsH3、I2、SbH3或SbF5混入成膜原料氣體或等離子體形成氣體。形成非晶硅、單晶硅、非晶硅鍺、氮化硅、氧化硅或非晶碳化硅薄膜的反應(yīng)中所用的壓力最好是從10-5至10-1乇。
形成金剛石薄膜所用的反應(yīng)壓力最好從10-3至102乇。
此外，在用本發(fā)明的微波等離子體處理裝置進行刻蝕和形成淀積膜時，可將熱能或光能加到基底表面上以促進反應(yīng)。
放電試驗用圖1所示的本發(fā)明的微波等離子體處理裝置進行了放電試驗，其間，改變氣體的種類和壓力范圍，鐘罩105的直徑φ為100mm，試驗時注意保持放電、反射功率和入射功率。為了進行比較，還進行了拆除掉磁場產(chǎn)生器的放電試驗和拆除了圖4所示微波等離子體裝置中的電磁鐵的TE模式放電試驗。用H2、Ar、SiH2Cl2作為氣體並通過氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入。使用了圖2(B)所示類型的磁場產(chǎn)生器，其中心磁通密度為150高斯。放電試驗的結(jié)果集中示于表1。
此外，使用圖1所示的微波等離子體處理裝置(其鐘罩105的直徑為70mm，中心磁通密度為100高斯)進行H2和Ar放電，以確定壓力和保持放電時的電功率之間的關(guān)系，其如果如圖5所示。
從表1和圖5的結(jié)果可以看到，用本發(fā)明設(shè)置有磁場產(chǎn)生器的微波等離子體處理裝置，可以限制反射功率並能在低壓區(qū)域和用低的電功率產(chǎn)生放電。
在用圖2(B)所示類型之外的磁場發(fā)生器進行與上述相同的放電試驗時，得到了與用圖2(B)所示類型的磁場發(fā)生器進行試驗得到的類似結(jié)果。
淀積膜形成例1用圖1所示的進行放電試驗的裝置和圖2(G)所示類型的磁場產(chǎn)生器，研究非晶硅(α-Si)膜的形成。
首先，把清洗過的7059＃玻璃基底(由Corning Glass Works制造)和高阻單晶硅基底粘在樣品支架109上，將容器內(nèi)部抽空至1×10-6乇的高真空，用圖1中未示出的基底加熱器把基底溫度控制在250℃。然后經(jīng)氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入5SCCM的SiH2Cl2和50SCCM的H2，反應(yīng)室107內(nèi)的壓力控制在0.05乇，控制磁場產(chǎn)生器的電流使鐘罩105中放電空間的中心磁通密度為200高斯。此后，以250W的功率加頻率為2.45GHz的微波進行1小時的反應(yīng)，結(jié)果得到了膜厚為1.2μm的α-Si膜(在反應(yīng)期間用功率反饋機構(gòu)把反射功率控制到最小)。
淀積速率為3.3A°/sec，AMI(100mw/Cm2)的光照射下的光電導(dǎo)率(δP)和無照射導(dǎo)電率(δd)之比δp/δd為1.1×105。
在用與上述實驗方法一樣的方法去掉磁場產(chǎn)生器淀積α-Si膜時，淀積速率降低到原來的1/3，即1.5A°/sec，比率δp/δd為1.4×103，根據(jù)在單晶硅上形成的α-Si膜的IR吸收光譜，在1100Cm-1附近觀察到了寬的吸收峰。
我們認為在不用磁場產(chǎn)生器時，由于作為原料氣體的SiH2Cl2沒有完全分解和反應(yīng)，Cl原子殘留在淀積膜中，當暴露于空氣中時它即水解，從而形成Si-O鍵。
淀積膜形成例2用圖1所示的裝置，使用圖2(H)所示的鏡型磁場產(chǎn)生器研究多晶硅(Poly-Si)膜的形成情況，其中，第一和第二螺線管形成完全一樣的磁極。按與淀積膜形成例1同樣的方法，把7059＃玻璃基底和單晶硅基底貼到樣品支架109上。把容器內(nèi)部抽成1×10-6乇的高真空?；诇囟瓤刂圃?00℃，反應(yīng)室107內(nèi)的壓力保持在0.005乇，控制磁場產(chǎn)生器的電流以在鐘罩105的放電空間中心得到200高斯的磁通密度。然后，經(jīng)氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入100SCCM的H2，經(jīng)氣體導(dǎo)入管111導(dǎo)入10SCCM加熱到700℃的Si2F6，以300W功率加2.45GHz的微波，並進行1小時的反應(yīng)，按RHEED(高速電子反射率衍射計量法)對結(jié)晶度的測定結(jié)果是，所得到的硅膜厚度為6000A°。我們發(fā)現(xiàn)在(110)單晶硅基底上生成的是外延膜，而在7050＃玻璃基底上生成的是(110)取向的多晶膜。
淀積膜形成例3使用帶有圖2(A)所示類型的磁場產(chǎn)生器的圖1所示的裝置，研究氮化硅膜的淀積，其中，磁場產(chǎn)生器的中心磁通密度為1000高斯。
首先，把清洗后的單晶硅基底粘在樣品支架109上，將容器內(nèi)抽真空達1×10-6乇。基底溫度控制在250℃，由氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入100SCCM的N2和10SCCM的NH3，同時經(jīng)氣體導(dǎo)入管111導(dǎo)入5SCCM的SiH4，反應(yīng)室107中的壓力控制在0.02乇，以250W的功率施加2.45GHz的微波。在反應(yīng)30分鐘后，得到的氮化硅膜的厚度為6800A°。用含氟酸的緩沖溶液(50%HF∶40%NH4F＝15∶85)得到的刻蝕速率為92A°/min，氮化硅膜的質(zhì)量基本在于用熱CVD法得到的膜的質(zhì)量。
刻蝕例1使用與放電試驗所用的同樣的裝置，研究對氮化硅膜的干刻蝕。
把光刻膠涂敷在于單晶硅晶片上形成的氮化硅膜上，通過光刻形成抗蝕圖形。把用抗蝕圖形作掩膜的氮化硅基底放到樣品支架109上，將容器抽真空到1×10-5乇，經(jīng)氣體導(dǎo)入管110導(dǎo)入50SCCM的CF4，反應(yīng)室107內(nèi)的壓力控制在0.005乇，以3000W的功率加0.45GHz的微波。進行5分鐘的刻蝕反應(yīng)，取出氮化硅基底，除去光刻膠之后，測量氮化硅膜上的蝕跡，計算出刻蝕速率為1100A°/min。
以和上面同樣的步驟進行刻蝕反應(yīng)，只是除去了磁場產(chǎn)生器，結(jié)果是刻蝕速率為470A°/min，由此可以看出加上磁場產(chǎn)生器的效果。
在淀積膜形成例1、2和3中，分別給出了形成非晶硅、多晶硅和氮化硅的例子，並在刻蝕例1中示出了刻蝕氮化硅的例子。不過，本發(fā)明並不僅限于這些例子，對于形成氧化硅、非晶碳化硅和金剛石等或?qū)饘俚母鞣N刻蝕均有效。
權(quán)利要求
1.一種微波等離子體處理裝置，包括一真空容器、由微波傳輸電路把微波導(dǎo)入所述真空容器內(nèi)部的裝置、向所述真空容器內(nèi)部供應(yīng)原料氣體的裝置、將所述真空容器抽成真空的裝置以及把樣品基底保持在所述真空容器內(nèi)部的樣品支架，其特征在于所述微波傳輸電路中設(shè)置有與兩個匹配電路成為一體的空腔諧振器，而所述空腔諧振器的外部設(shè)置有在所述空腔諧振器內(nèi)的放電空間產(chǎn)生磁場的磁場產(chǎn)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，與空腔諧振器成為一體的匹配電路包括一個軸向長度改變?nèi)突瑒邮礁裟ぁ?br> 3.如權(quán)利要求2所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，所述空腔諧振器為圓筒形，滑動式隔膜為圓筒形滑動隔膜。
4.如權(quán)利要求2所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，空腔諧振器為矩形，而滑動式隔膜包括一平面滑動式隔膜。
5.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，導(dǎo)入微波的裝置包括一連續(xù)振蕩的微波產(chǎn)生器，和一個放在空腔諧振器內(nèi)部形成放電空間的微波傳輸鐘罩。
6.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，把E-I調(diào)諧器或三短截線式調(diào)諧器靠著空腔諧振器放置以代替滑動式隔膜。
7.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體處理裝置，其特征在于，微波傳輸電路中設(shè)置有功率監(jiān)視裝置，并設(shè)置有反饋控制機構(gòu)，它通過改變空腔諧振器長度的塞子進行粗略的控制，並通過分開設(shè)置的匹配電路進行精細控制，以根據(jù)來自功率監(jiān)視裝置的信號來減少反射功率/入射功率的值。
8.如權(quán)利要求1所述的微波等離子體處理裝置的反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，功率監(jiān)視器安裝在微波傳輸電路內(nèi)，并且由改變空腔諧振器長度的塞子進行粗略控制，用一個分開設(shè)置的匹配電路進行精細控制，以便根據(jù)來自功率監(jiān)視裝置的信號來減少反射功率與入射功率的比值。
全文摘要
一種微波等離子體處理裝置包括真空容器、靠微波傳輸電路把微波導(dǎo)入該容器的裝置、向容器內(nèi)供給原料氣體的裝置、將容器抽空的裝置和樣品支架，微波傳輸電路中設(shè)置有與兩個匹配電路成一體的空腔諧振器，諧振器外側(cè)設(shè)有磁場產(chǎn)生器。該裝置的主要特點是用調(diào)節(jié)諧振器長度的塞子和圓筒形滑動隔膜、E-H或三短截線式調(diào)諧器使匹配容易進行；諧振器內(nèi)設(shè)一鐘罩以激勵TM模式；在諧振器外安裝磁場產(chǎn)生器以提供高磁通密度區(qū)域。
文檔編號H01J37/32GK1038673SQ8910342
公開日1990年1月10日 申請日期1989年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月25日
發(fā)明者川上一郎, 金井正博, 新井孝至, 村上勉 申請人:佳能株式會社