TWI391035B

TWI391035B - Plasma generation device, plasma control method and substrate manufacturing method (1)

Info

Publication number: TWI391035B
Application number: TW099122628A
Authority: TW
Inventors: Shoji Miyake; Akinori Ebe; Tatsuo Shoji; Yuichi Setsuhara
Original assignee: Japan Science & Tech Agency
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2013-03-21
Also published as: EP1575343B1; WO2004056159A1; KR101186822B1; KR20110106948A; KR20110106949A; US20100304046A1; TWI368463B; EP2259663A2; EP1575343A1; KR101090726B1; TW201041455A; EP1575343A4; KR20110106947A; EP2259663A3; KR20050088438A; US20060049138A1; EP2259663B1; TWI362901B; KR101199995B1; TW201041456A

Description

電漿產生裝置、電漿控制方法及基板製造方法(一)

本發明係關於使用電漿來在被處理基板之表面上進行沉積處理或蝕刻處理，以製造半導體等基板之電漿產生裝置。特別是，在大面積上均勻地產生電漿，據以製造大面積基板的技術。

近年來，較使用非晶質矽膜之TFT(薄膜電晶體)-LCD更能顯示高亮度之影像的多晶矽TFT-LCD逐漸受到矚目。多晶矽TFT-LCD，係先製造在玻璃基板上形成多晶矽薄膜之多晶矽基板。將此多晶矽基板上，區劃為多數個2維排列之像素區域，於各像素區域形成薄膜電晶體(TFT)以作為LCD用基板。為製造大畫面之多晶矽TFT-LCD，需有高品質、特別是具有高平坦性之多晶矽基板。

多晶矽基板，作為高效率之太陽電池用基板，也倍受矚目，隨著需求及應用的擴大，皆要求須具有大面積。又，就一般之半導體裝置用基板而言，超過單結晶尺寸之大面積者，不得不使用沉積之基板。

為製造在該等領域使用之基板，係進行使用電漿之處理。使用電漿之處理，包含有：在作為基底之被處理基板表面上，沉積基板原料之處理，以及對被處理基板表面進行蝕刻之處理等。隨著基板的大型化，進行電漿處理之裝置也須要大型化，但大型化之最大問題在於電漿處理的不均勻性。為解決此一問題，須要在基板全面積上，盡可能地使電漿密度均勻。另一方面，從生產性的觀點而言，須提高電漿密度，藉此，提高沉積速度及蝕刻率。

產生電漿之方法，有ECR(電子迴旋加速器共鳴)電漿方式、微波電漿方式、感應耦合型電漿方式、電容耦合型電漿方式等。其中之感應耦合型電漿方式，係施加高頻電壓於成為天線之誘導線圈，在電漿產生裝置的內部產生感應電磁場，藉此來產生電漿。依據此構成，即能產生前述電漿裝置須具備的要件之一－高密度之電漿。另一方面，因為電漿密度會隨距天線之距離而變化，故前述之另一個要件－電漿密度的均勻性，可藉由設計天線之形狀與位置等之構成，來謀求改善。例如，在日本專利第2000-58297號公報(以下，以專利文獻1表示)中記載著，從設在電漿產生室之頂部外側的平板狀線圈導入高頻，以改善電漿密度之均勻性。

若在此種構成中，欲謀求基板之大面積化時，為確保電漿產生室頂部之機械性強度，必需將頂部的壁厚加大。可是，在專利文獻1之裝置中，因為在電漿產生室之外側，設置有天線，故從天線放射出來之感應電磁場會在牆壁衰減，而不易充份地獲得電漿產生室內之感應電磁場的強度。亦即，記載於專利文獻1上之方法，在電漿密度的均勻性上，可以看到一定程度的改善，但卻不易提高電漿密度。

對此，本案發明人在日本專利第2001-35697號公報(專利文獻2)中，提議：在電漿產生室內部設置高頻天線；及設置複數個天線；及使用不旋繞形狀之天線。

依據此構成，由於電漿產生室的牆壁不會成為障礙，故感應電磁場不會衰減而在電漿產生室內放射出來，因此能充分提高電漿密度。又，因為從等間隔設置之複數個天線，會放射出感應電磁場，故可改善其均勻性，藉此，可改善電漿密度之均勻性。又，內部天線若施加大電壓，容易發生異常放電，但藉由設置複數個天線，各個天線之電感會變小，不會發生異常放電。使用不旋繞形狀之天線，對於將天線之電感變小，以及抑制異常放電亦有助益。藉由此等效果，而得以進行大面積之被處理基板的沉積處理與蝕刻處理。以下，將記載於專利文獻2中之設置複數個天線的構成，稱之為[多天線方式]。

今後，為了處理更大面積之基板，除了仍須確保充份之電漿密度的強度，還須產生均勻性更高之電漿狀態。為此，在前述多天線方式中，須要討論各天線之形狀、位置及天線之間的關係等現在尚未考慮之參數。又，從天線放射出來之感應電磁場的駐波一旦形成，則電漿的均勻性會被破壞。又，感應電磁場之強度，會隨距高頻天線的距離而變化，即使使用多天線方式，基板中央附近之電漿密度，會比基板外緣部附近之電漿密度低。基板面積小時，基板中央附近與基板外緣部附近之電漿密度的差值，雖可落在容許範圍內，可是，若基板面積變大，則其差值將變得不容忽視。又，蝕刻與沉積之速度等，因為會隨離子種類與自由基種類而異，故所產生之離子種類與自由基種類，也必須考慮。

本發明係為解決此課題而產生，其目的在於：提供一種能在空間上均勻地產生高密度之電漿，並能控制所產生之離子種類與自由基種類的電漿產生裝置。

為解決上述課題而產生之本發明的電漿產生裝置，其特徵在於，具備：

(a)真空容器；(b)基板台，係設在該真空容器內，用來承載被處理基板；(c)複數個高頻天線，係設在該真空容器內。又，本發明之電漿產生裝置，除上述構成外，較佳為兼具有以下(1)-(5)中之任一個或複數個之構成。

(1)前述天線是由較前述高頻之波長的1/4長度短的導體所構成。

(2)具備並聯於前述複數個天線之板狀導體。再者，供應電力給天線之電源與板狀導體之連接點，及各天線與板狀導體之連接點，該兩個連接點間之距離較高頻之波長的1/4長度短。

(3)與前述基板台之目標區域對應位置的天線長寬比，係設定為對應該目標區域之目標電漿密度或者電漿電子能量的值。此處，[長寬比]，係指天線之與內壁垂直方向之長度除以與內壁平行方向之長度的值。

(4)天線之電極係配置成與前述基板台大致平行排列，1組或複數組之相鄰天線的相鄰電極為相同極性。

(5)在前述天線上連接阻抗元件，較佳為該阻抗元件之阻抗是可變的。

首先，說明本發明之電漿產生裝置的基本構成。本發明之電漿產生裝置，具備內部為電漿產生室之真空容器。真空容器內部，利用真空泵來維持既定之真空度。

在真空容器內，設置複數個高頻天線。將這些天線一端的電極與另外設置之電源連接，另一端之電極接地。該天線，例如，可以裝設在真空容器之側壁與頂部等。又，將該複數個天線，排列成與基板台大致平行。

從電源供應高頻電力給此等天線時，即從各天線放射出敢應電磁場，藉此產生電漿。此時，本發明裝置中，由於天線設置成與基板台大致平行，因此從基板台至各天線之高度大約相等，因為天線之能量，可空間性地集中並投入，故可產生高密度之電漿。

又，藉由使用平面狀之天線，將天線之能量投入至集中在平面狀之區域，故相較於使用立體形狀之天線，可以產生更高密度之電漿。

若將天線之導體設置在真空容器內，則天線表面將暴露於所產生之電漿，導體會劣化。為防範此情形，最好是利用絕緣體在天線表面作一披覆。此披覆，還可抑制天線之導體與電漿間的靜電結合，因此，亦具有防止異常放電與電漿紊亂之功效。關於此披覆，在上述專利文獻2中有詳細的記載。

接著，說明具有上述(1)構成之電漿產生裝置。此裝置中，係將構成天線之導體長度，縮短成較所供應之高頻電力的1/4波長短。導體並不限制須為線狀，例如，即使為板狀，只要電流之流通方向的長度高頻之波長的1/4短即可。利用此構成，可防止在導體表面產生駐波，而能據以防止損害真空容器內之電漿的均勻性。

接著，說明具有上述(2)構成之電漿產生裝置。上述基本構成中，係將複數個天線與板狀導體作並聯。電源透過該板狀導體，供應高頻電力給天線。為求更有效率地供應高頻電力至天線，須縮小電源與天線間之連接處的阻抗。利用板狀導體作連接，並將該板狀導體之寬度充分加大，即能壓低該連接處之阻抗。又，雖因供應電力使連接處之導體溫度上昇而導致阻抗增加，但藉由使用板狀導體，可有效率地放熱，故可抑制阻抗的上昇。

又，在(2)之構成中，若在供應電力給天線之電源與板狀導體之連接處，及各個天線與板狀導體之連接處的兩個連接處間產生駐波的話，會因該駐波，而限制在電源與板狀導體之連接處，投入板狀導體之高頻電力之強度。因此，將兩連接處間之距離縮小成短於高頻之1/4波長長度，即能防止在板狀導體產生駐波，而能投入既定之高頻電力。又，最好是能將天線導體之長度與前述兩連接處間之距離的和，縮小成短於高頻電力之1/4波長長度。

接著，說明具有上述(3)構成之電漿產生裝置。該構成中，著重在以往並未考慮之天線的長寬比。本案發明人發現該天線所指區域(天線之安裝處至與內壁垂直方向之區域)之電漿電子能量及電漿密度，與長寬比有一定的關係。例如，施加於天線之高頻電壓一定時，長寬比愈大，則該天線所指之區域的電漿電子能量愈高。其理由可作如下考慮。若將長寬比加大，則在天線之指向方向上產生之感應電場會變大。在天線附近所產生之電漿電子，因為該電位差而往指向方向作強烈加速，在該方向之區域的電漿電子能量會變高。

因為電漿電子能量的強度，與電漿電子碰撞並在該區域所產生之離子種類與自由基種類，會成為不同的物質。此外，由於離子種類與自由基種類不同，蝕刻率等也不同。因此，將指向欲控制蝕刻率等區域的長寬比設定成各種不同值，即能調整電漿電子之能量，控制在目標區域所產生之離子種類與自由基種類，而得以控制在該處之蝕刻率等。

在具有上述(3)構成之裝置中，電子能量之控制，可在將真空容器內全體之電子溫度保持在低溫狀態下進行。因此，不會使對蝕刻及沉積無助益之外殼(sheath)部分的電位上昇，而僅控制目標區域之電子能量。

又，藉由長寬比之加大，加速後之電漿電子不會被電漿化而會撞擊殘存之原料氣體成分，進一步促進電漿之產生。藉此，能提高目標區域之電漿密度。

又，長寬比，係定義為：若為矩形及圓形等平面狀的天線，係將上述天線之與內壁垂直方向長度除以與內壁水平方向長度的值，若為具有立體形狀的天線，則係定義為投影在與基板台平行的面上之與內壁垂直方向長度除以與內壁水平方向長度的值。

以下，在具有(3)構成之裝置中，闡述控制電漿電子能量及電漿密度之例。將指向目標區域之天線的長寬比，根據在該區域之電漿電子能量及電漿密度等之目標值，來作設定。例如，欲提高真空容器內全體之電漿密度時，將所有天線之長寬比加大即可。又，欲提高真空容器內部分區域之電漿電子能量及電漿密度時，則將指向目標區域之天線的長寬比，放大成大於其他天線的長寬比。又，不僅是一個天線，亦可調整複數個天線之長寬比。甚至，為了降低真空容器內部分區域之電漿電子能量及電漿密度，亦可將指向該區域之天線的長寬比，縮至小於其他天線的長寬比。如此，即能以更高之自由度來控制電漿電子能量及電漿密度。

提高真空容器內全體之電漿密度的較佳例，於習知之多天線方式的裝置中，係用來提高電漿密度低於外緣部之基板台中央附近區域的電漿密度所使用的方法。將指向中央附近之天線的長寬比，加大成大於其他天線之長寬比，即能藉以改善在電漿產生室全體之電漿密度的均勻性。如此，使用改善了密度均勻性的電漿，進行對被處理基板的沉積處理或蝕刻處理，藉此，可以製造在大面積全體之均勻性高的基板。

控制真空容器內部分區域之電漿密度的方法，例如，可使用在如下情形：對於因某種原因而產生不平坦部分之基板，控制該部分之電漿密度，並作修正，使得沉積速度或蝕刻速度與其他部分不同。

接著，說明具有上述(4)構成之電漿產生裝置。與上述同樣地，在真空容器內設置複數個天線時，將天線之電極排列成與基板台大致平行，並使相鄰天線之相鄰電極為相同極性。亦即，將相鄰電極皆連接於高頻電源，或皆接地。

例如，將一電極連接於高頻電源、另一電極接地之天線，以在該狀態下(含該等之連接)平行移動之方式設置複數個時，相鄰天線之相鄰電極間的極性不同。相對於此，若使天線本身平行移動、而高頻電源與接地之連接則與相鄰天線相反之方式設置複數個天線時，相鄰天線之相鄰電極即成為相同極性。

若相鄰天線之相鄰電極的極性相異的話，在為產生感應電磁場而對天線施加高頻電壓時，會對相鄰電極間施加未預期之高頻電壓，而導致僅該部分之電漿密度局部性的變高。因此，例如基板台中央部分等，其相鄰電極間以外處的電漿密度會變低。相對於此，依上述(4)之構成的話，由於相鄰天線之相鄰電極係相同電極，因此對各天線施加高頻電壓時，其相鄰電極間一直為等電位，不會施加高頻電壓。因此，在該相鄰電極間，不會形成局部性的高電漿區域，電漿密度會均勻化。又，因為不會使電漿密度之均勻性變差，又可縮短天線間之距離提高天線之設置密度，故可使全體之電漿密度變高。再者，亦可藉由適當選擇相同極性之電極，來控制電漿密度之分佈。

接著，說明具有上述(5)構成之電漿產生裝置。該構成中，將調整天線電壓或電流之阻抗元件，連接於各天線。將各天線連接於高頻電源時，典型而言，雖因成本上之理由等而於每一個高頻電源並聯複數個天線，但亦可在一個天線連接一個高頻電源。

從一個高頻電源對複數個天線供應高頻電力時，隨著連接高頻電源與天線之導體的形狀及長度、或者溫度分佈等，供應至天線之高頻電力亦會於每一天線有所不同。前述連接用導體為板狀導體時，溫度分佈的影響會特別顯著。因此，本發明之電漿產生裝置中，係利用調節各阻抗元件之阻抗值，來縮小供應至各天線之高頻電力的差。藉此，在提昇真空容器內所產生之電漿密度的均勻性。

例如，使用前述板狀導體，將複數個天線與高頻電源並聯時，由於表面放熱的影響，板狀導體之溫度在末端附近會比中央附近低。因此，連接於板狀導體末端附近之天線與高頻電源間的阻抗值，會比連接於中央附近之天線與高頻電源間的阻抗值小。因此，將連接於板狀導體末端附近之天線的阻抗元件阻抗值加大。如此，各天線與高頻電源間之阻抗值的差即變小，可將供應至各天線之高頻電力標準化。

又，在因為某些原因使真空區域內部分區域的電漿密度上昇或下降時，可藉由調整指向該區域之天線的阻抗元件阻抗值，來使該區域之電漿密度驅近於其他區域的值。此點，並不限於將複數個天線並聯於一個高頻電源之情形，亦可適用在一個高頻電源只連接一個天線之情形。

又，亦可將阻抗元件僅連接於部分天線，以調整該天線之電壓或電流。例如，在複數個天線中，對部分天線不設置阻抗元件而一直供應最大電力，對於其他天線則設置阻抗元件，並調整該值來限制電力供應。

連接天線之阻抗元件，可使用阻抗值為固定或可變之任一者。固定阻抗元件，例如，可使用於事先已知各天線與高頻電源間之阻抗值，而該值有再現性之情形。另一方面，可變阻抗元件，除上述情形外，亦可使用在天線與高頻電源間之阻抗值為未知的情形、因溫度等條件而不同的情形、或時間變化之情形等。按照各種條件及其變化調整可變阻抗元件之阻抗值，據以使產生之電漿的密度均勻。

該可變阻抗元件之阻抗值的調整，最好是監視真空容器內部之電漿的狀態，並將之回授來進行。藉此，即能因應隨板狀導體溫度變化之電漿密度的時間變化。因此，於本發明之電漿產生裝置中，最好是能進一步的設置：量測部，係量測可顯示電漿狀態的參數；及控制部，係根據該參數，來設定各可變阻抗元件之阻抗值。量測部，可以是直接量測電漿密度者，亦可以是更為簡易之藉由量測各天線之電流或電壓，來間接量測所產生之電漿的密度者。

該量測部，例如係以下述方式構成。在天線附近設置拾取線圈，藉由量測該拾取線圈所誘起之感應電動勢，即能簡單地量測各天線之電流。又，在天線附近設置電容器，藉由量測流通該電容器之電流，即能簡單地量測各天線之電壓。使構成天線之導體的末端凸出至真空容器的外部，即能在該末端附近，亦即，可在真空容器的外部設置拾取線圈及電容器。藉此，即能在拾取線圈及電容器不被電漿侵蝕的情況下，量測天線之電流及電壓。

由於產生之電漿密度與投入天線之電力成正比，因此為了能更正確地量測電漿密度，與其單就天線之電流或電壓作量測，最好是能量測該兩者，亦即量測投入天線之電力。為此，將以上述方法所得之天線電流之訊號與天線電壓之訊號，相乘即可。該乘算，例如可使用將兩者合成之訊號合成器(混合器)來進行。由於以訊號合成器獲得之訊號中含有高頻成分，因此最好是能使用低通濾波器來去除高頻成分。以此方式獲得之訊號與投入天線之電力成正比。

以上說明之構成的任一個中，最好是能將複數個天線區劃為由一個或複數個天線所構成之複數個群組，在各個群組中，將高頻電力以並聯方式供應至各天線。藉由如此之構成，與使用一個高頻電源供應來將電力供應至所有天線的情形相較，可減輕對高頻電源之負荷，據此，能提高產生之電漿密度。

又，由於使用上述各構成的電漿產生裝置，可實現較傳統更為均勻且高密度之電漿，故使用該裝置來進行沉積處理及蝕刻處理，可以有效率地製造出表面較傳統平坦之基板。

《第1實施例》

第1圖係本發明之電漿產生裝置之第1實施例的垂直方向截面圖，第2圖係該裝置之側視圖，第3圖係該裝置之俯視圖。

真空容器11之內部為本電漿產生裝置之電漿產生室。真空容器11內部，如第3圖所示，俯視形狀為矩形(長方形)，其長邊的長度為1300mm、短邊的長度為1000mm。於真空容器11連接真空泵(未圖示)，將真空容器11內部維持在既定真空度。真空容器11內，設置長邊94cm、短邊76cm之矩形平面狀的基板台14，用來承載被處理基板13。基板台14，利用設置在其下方之昇降部14a，可作昇降。又，真空容器11之下方，設有基板出入口12，作為取出及放入被處理基板13之用。

真空容器11內上方，設有氣體管15，其具備：水平地沿內壁環繞真空容器11內一圈之環繞部、及連接至真空容器11外部之連接部。該氣體管15之環繞部的表面上，適當地設置多個孔，用來將氣體均勻地導入真空容器11內。又，亦可設置貫穿真空容器的側壁或/及頂部壁，來取代環繞如本實施例之真空容器11內之氣體管15。此時，為均勻地將氣體導入真空容器11內，最好是能在側壁或/及頂部壁上，適當配置複數個管路。

在真空容器11之4個側壁中，在水平方向長的兩面上、短的兩面上，分別等間隔地設置4個、3個高頻天線16(參照第3圖)。任一天線16距基板台14的高度皆為180mm。各天線16之兩個電極中，如後述般將一個連接於高頻電源18，另一個則接地。例如，將各天線之接地側電極連接於真空容器11之側壁，即能利用將該側壁之接地來將接地側電極接地。又，亦可將固定或可變阻隔電容器，插入高頻電源18側之電極，以從接地轉為浮接。本實施例中，高頻電源18所供應之電力的頻率為13.56MHz。

天線16之電極間的導體長度為450mm，較施加於天線16之高頻波長的1/4為短。藉此，不會產生駐波且不會破壞電漿之均勻性。

天線16之導體中位於真空容器11內的部分，其表面係被絕緣體所披覆。又，高頻天線16之形狀為U字形，藉由使用此種不環繞的天線能降低天線之電感。此處敘述之以絕緣體披覆的天線及不環繞天線，在專利文獻2中有詳細說明。

本實施例，係將設置在一個真空容器側壁之3個或4個天線，與一個高頻電源並聯。各天線16與高頻電源18之連接，如第2圖所示，係使用板狀導體19。該板狀導體19，沿真空容器11之外側壁作設置，例如由銅板所構成。透過阻抗匹配器17，將高頻電源18連接銅板之一點(高頻電力供應點20)，同時，將天線之一個電極(第2圖中的白色圓圈)連接於銅板。又，第2圖中之黑色圓圈，表示接地側之電極。連接在銅板之各天線16的電極與高頻電力供應點20之距離，較施加於天線16之高頻的1/4波長為短。可以藉由擴大銅板的寬度，來加長此距離。

接著，說明本實施例之電漿產生裝置的動作。使昇降部14a動作以使基板台14下降。將被處理基板13，從基板出入口12放入真空容器11內，承載於基板台14上面後，將基板台14上昇至既定之位置。將真空容器內降低至既定壓力後，將電漿之原料氣體，以既定之氣體壓力導入至氣體管15，從4台高頻電源18，供應既定之高頻電力給各高頻天線16。藉此，利用複數個高頻天線16所產生之感應電場，來產生電漿。

以下，使用實驗結果，來說明在第1實施例之電漿產生裝置所產生之電漿密度及電漿電子能量。

在第1實施例之電漿產生裝置中，產生氬(Ar)電漿(Ar氣體流量：50ccm，氣壓：分別以0.66Pa及1.33Pa量測)，使用郎茂探針法(Langmuir probe)，來量測真空容器11之中心部(從頂部壁之內側面垂直而下至160mm的位置)的電漿狀態，並將結果顯示於第4圖。顯示於第4圖(a)之資料，係一邊改變供應至所有天線16之高頻電力之合計值，一邊量測電漿電位Vp及浮動電位Vf之結果。顯示於(b)的資料，係一邊改變前述高頻電力之合計值，一邊量測電漿離子密度Ni、電漿電子密度Ne及電漿電子能量Te之結果。電漿電位Vp及浮動電位Vf，會隨著供應之電力的增加而減少，電漿離子密度Ni、電漿電子密度Ne及電漿電子能量Te，則會隨著電力的增加而增加。又，從第4圖可知，利用第1實施例之電漿產生裝置，可以產生適合各種電漿製程之1×10¹¹ 以上之高電漿密度、且在20V以下之低電漿電位的電漿。

量測從真空容器11內之頂部壁的內側面，垂直而下至195mm高度之電漿密度的平面分佈(電漿之均勻性)，並將結果顯示於第5圖。此處，係以郎茂探針法獲得之離子飽和電流密度，來進行評價。離子飽和電流密度係對應電漿離子密度。(a)，係從設置在第1實施例電漿產生裝置之4個高頻電源18，分別供應1000W之電力時，所量測之結果。另一方面，(b)，係從連接於4個天線之高頻電源18供應1300W，從連接於3個天線之高頻電源18供應700W時，所量測之結果。因此，所供應之電力合計值，不論是(a)或(b)，皆為4000W。(b)比(a)之電漿密度的平面分佈均勻性還高。特別是，在圖(b)中，以格子B、2、D、4所包圍之區域，電漿密度幾乎都很均勻。如此，調整每個電源供應給天線之電力，即能控制電漿密度分佈。

第6圖中，顯示了具有能調整每個高頻電源之高頻電力之相位功能的電漿產生裝置。該裝置中，對應各高頻電源18a-18d配置之阻抗整合器19的輸出側，設置波形檢測器(或相位檢測器)21。波形檢測器21，隨時擷取供應至天線16之高頻電力的波形，並將該波形訊號傳送給相位調整器22。相位調整器22，檢測出該波形訊號至各高頻電源18間之相位差，根據該結果，將相位控制訊號傳送至各高頻電源，使其成為預先設定之相位差。各高頻電源18，調整高頻電力的相位後加以輸出。

第7圖中，顯示了第6圖之電漿產生裝置中，改變高頻電源間之相位差時，所測得之電漿密度的變化結果。第7圖之縱軸，係在真空容器中心附近之量測點的電漿電子密度Ne。橫軸，係表示高頻電源18a-18b、18b-18c、18c-18d間之相位差。依量測結果可知，相位差愈大則電漿密度亦會增加。這可能是，因天線間之相位不同，電子在該天線間被加速，其結果增加了電漿密度。此種電子加速的強度，可能是因天線之形狀及天線間距離、氣壓、真空容器11之尺寸等各種因素而變化，因此，適當地調整相位差來使電漿密度為最高。

第8圖，係顯示在第1實施例之電漿產生裝置中，加長天線導體之側壁方向的長度a，且減少天線數量之例。(a)，係將長度a為第3圖之1.56倍的天線23a，各設置2個於真空容器之長邊的內壁，將1.27倍之天線24a，各設置2個於短邊的內壁。(b)，係將長度a為第3圖之2.67倍的天線23b，各設置1個於真空容器之長邊的內壁，將2.20倍之天線24b，各設置1個於短邊的內壁。在該等構成中，加長天線導體之長度可使天線本身之電感變大，且減少天線之數量，可使供應至每一天線之高頻電力變大。

第9圖中，顯示了就第3圖及第8圖(a)、(b)裝置，量測電漿電位及浮動電位之振幅的結果。愈加長天線之導體、減少每一電源之天線數量，電漿電位及浮動電位之振幅即愈大。此結果，可能是因天線之電感變高、及每一電源之天線數量減少，而使得天線之電位變高之故。此種電漿電位及浮動電位之振幅變大，雖可歸因於加大電漿製程中之離子損壞，但另一方面，對產生氫及氦等之離子化能量高之氣體電漿是有效的。

《第2實施例》

第2實施例中，所說明之電漿產生裝置之構成，著重於天線之長寬比。

第10圖，係顯示第2實施例之俯視圖。此電漿產生裝置，係在第1實施例之裝置構成中，僅就天線26之長寬比作變更者。因此，第10圖中，與第1實施例相同之構成要素，係賦予與第3圖相同之符號。高頻電源之數量及連接於各高頻電源之天線數量，亦與第1實施相同。此圖之裝置中，如第11圖(a)所示，所有天線26之長寬比皆設成2(長：寬=2：1)。又，第1實施例之天線16的長寬比，如第11圖(b)，為1(長：寬=1：1)。第2實施例之天線26的導體所圍起區域之面積S，與第1實施例之天線16的含蓋面積相同。

以下，使用實驗結果，來說明在第2實驗例之電漿產生裝置所產生之電漿密度及電漿電子能量。此處，為了察看長寬比之變化所產生之效果，係對所有高頻天線之長寬比為2(本實施例，第11圖(a)之天線)、1(第1實施例，第11圖(b)之天線)以及0.5(第11圖(c)之天線)之3種電漿產生裝置，進行了量測。長寬比為1之高頻天線的1邊長度為15cm。此實驗中，供應1.33Pa之氬氣至真空容器內，並供應頻率為13.56MHz之高頻電力至高頻天線，以產生氬電漿。又，在電漿密度的量測上係使用郎茂探針法。

第12圖中，顯示了對該3種電漿產生裝置，量測基板台中央正上方、與高頻天線同樣高度處之電漿密度的結果。此處，縱軸係以對數尺度(logarithmic scale)所表示之電漿密度，橫軸為各高頻電源所供應之高頻電力的強度。當高頻電力相同時，使用長寬比為2之高頻天線的本實驗裝置，比使用長寬比為1及0.5之高頻天線的裝置，可獲得更高之電漿密度。

第13圖中，顯示了對與第12圖相同之3種裝置，量測基板台中央正上方之電漿電子能量分佈的結果。各高頻電源所供應之高頻電力的強度為2000W。高頻電力以外之參數，與顯示於第12圖之量測時的參數相同。縱軸為對數尺度。長寬比為2之裝置，較長寬比為其他值的裝置，增加了具有10-18eV之能量的電漿電子。該高能量之電子，係因為發生在高頻天線之電位差，而被加速所產生之電子。產生該電子並且飛過來之方向，會因長寬比而變化。本實施例之U字形高頻天線中，由於高能量電子產生於高頻天線之長邊方向，因此長寬比為2之情形時，較長寬比為1及0.5時，會存在更多之高能量電子。

又，第13圖的結果，係表示藉由改變高頻天線之長寬比，可控制電漿中之電子能量。藉此，亦可在離子種類及自由基種類等之電漿製程中，控制重要之因子。

接著，說明如第14圖之俯視圖所示，各天線之長寬比不同時之例。第14圖所示之電漿產生裝置，係將設置於真空容器11之長邊側壁的4個高頻天線中，中央之2個高頻天線，以及設置於短邊側壁的3個高頻天線中，中央之1個高頻天線(例如高頻天線26a)的長寬比設為2，接近真空容器11四個角落之高頻天線(例如高頻天線26b)的長寬比設為1。此係為了加大目標區域之基板中心附近的電漿密度，而將指向該處之高頻天線的長寬比加大。

第15圖(a)中，顯示了使用第14圖之裝置，量測與高頻天線相同高度處之電漿密度空間分佈的結果。同時，對所有高頻天線之長寬比為1的裝置，進行同樣的量測，並將結果表示於對第2實施例之比較例的第15圖(b)。此處，各高頻電源所供應之高頻電力的強度為1000W，其他電漿產生條件，與上述第2實施例之條件相同。從第15圖可知，在第14圖之裝置中，中心部之電漿密度變得較比較例之電漿密度高，相對於此，卻抑制了外緣部之電漿密度變高，其結果，電漿密度之均勻性較比較例裝置有了改善。

《第3實施例》

第3實施例中，所說明之電漿產生裝置的構成，係著重於相鄰天線之相鄰電極的極性。

第16圖係顯示第3實施例之俯視圖。與第1實施例相同之構成要素，賦予與第3圖相同的符號。高頻電源之數量及連接各高頻電源之天線數量，與第1實施例相同。該電漿產生裝置，係在第1實施例裝置之構成中，僅就各高頻天線16之電極的極性，作變更後的結果。具體而言，由設置在同一側壁之3個或4個天線所構成之天線群組，在相鄰之高頻天線中，將相鄰電極設為相同極性。例如，天線群組31a中，在相鄰之高頻天線16a與高頻天線16b中，將彼此相鄰側之電極，同時連接於阻抗匹配器17-高頻電源18，在高頻天線16b與高頻天線16c中，則將彼此相鄰側之電極皆予以接地。

如第17圖(b)所示，將相鄰高頻天線中彼此相鄰側之端子設為相反極性時，在相鄰天線間之間隙32，相鄰電極間會產生電位差。因此，在該間縫隙32之電漿濃度，會變得比其他位置高。又，其他位置之電漿濃度會隨此而降低。相對於此，第3實施例裝置中，係將相鄰天線之相鄰電極設為相同極性，來使在間隙32之相鄰電極間不會產生電位差。因此，能防止在該間縫隙之端子間因電位差之存在而使電漿濃度上昇，並防止其他部分之電漿濃度降低。

以下，顯示第3實施例之電漿產生裝置所產生之電漿密度的量測結果。此實驗中，於真空容器內供應氬氣至1.33Pa氣壓，並供應頻率13.56MHz之高頻電力至各高頻天線，而產生了氬電漿。其他條件，在各量測之說明中會談到。又，在電漿密度之量測係使用郎茂探針法。

第18圖中，顯示了就第3實施例之電漿產生裝置，量測與高頻天線相同高度之基板台中央正上方之電漿密度的結果。此圖中，為進行比較，一併顯示了就相鄰電極為相異極性之電漿產生裝置的量測結果。此處，縱軸係以對數尺度所表示之電漿電子密度，橫軸為各高頻電源供應之高頻電力的強度。高頻電力的值不論為何，本實施例之裝置較比較例之裝置，可獲得更高之電漿密度。特別是在高頻電力為1200W-2500W時，本實施例之電漿密度，約為比較例之電漿密度的2倍。

第19圖中，顯示了量測電漿密度之空間分佈的結果。此時之量測條件如下。高頻電力，僅供應給第16圖所示之1組天線群組31b。高頻電源供應之高頻電力的強度為1500W。電漿密度量測點之第19圖的橫軸，係表示與設置在天線群31b之側壁平行並距離13cm之直線上的位置。從第19圖可看出，在比較例之電漿產生裝置中，末端之電漿密度變得比中心附近的電漿密度還低，且電漿密度之空間分佈的部分密集。對此，本實施例之電漿產生裝置中，電漿密度之空間分佈的部分密集，較比較例之電漿產生裝置小，改善了電漿密度分佈的均勻性。

《第4實施例》

第4實施例，係說明阻抗元件連接於天線之電漿產生裝置的構成。

第20圖係第4實施例之俯視圖。與第1實施例相同之構成要素，賦予與第3圖相同的符號。高頻電源之數量及連接各高頻電源之天線數量，與第1實施例相同。此電漿產生裝置，係在第1實施例裝置之構成中，於各高頻天線16之一電極與阻抗匹配器17之間，連接阻抗元件14。作為阻抗元件41，可以使用例如第21圖所示之可變電感線圈42。又，可變電感線圈42之電感值的調整，雖可用手動來進行，但在進行後述回授控制時，最好是能設置驅動器來自動進行。又，本實施例中，雖係將電感元件41連接於天線16之高頻電源20的電極，但將阻抗元件41連接於接地側之電極亦可。

又，第4實施例中，如第22圖之垂直方向截面圖所示，設置拾取線圈44以及電容器45。由於高頻天線16係設置成一部分突出至真空容器11外部，因此為避免被電漿侵蝕，將拾取線圈44以及電容器45設置在該突出部分附近較佳。由於拾取線圈44係作為是電流量測用，故設置在高頻天線16之接地側、高頻電源之連接側之任一者皆可。於各拾取線圈44及電容器45，為了將來自拾取線圈44及電容器45來之交流訊號轉換為直流訊號，分別連接如第23圖所示之橋式電路46。亦可使用檢測交流訊號並輸出直流訊號之檢波器，來取代橋式電路。進一步的，再設置控制部47(第20圖)，以輸出用來輸入該等訊號並設定阻抗元件41之阻抗值的訊號。

本實施例之電漿產生裝置中，例如在銅板19因為發生溫度分佈等原因而使電漿密度產生分佈時，利用調整各阻抗元件41之阻抗值，將供應至各高頻之電力設為適當值，以使電漿密度均勻化。此處，產生之電漿密度分佈有再現性，各阻抗元件之待設定之阻抗值藉由實驗等可明確得知時，亦可使用固定阻抗元件。又，電漿密度分佈，雖隨著使用之氣體及供應之電力等條件而不同，但在相同條件下有再現性之情形時，可使用可變阻抗元件，來設定符合該條件之阻抗值。再者，因條件而使電漿密度分佈的差異及再現性不明確時，則將電漿密度分佈作回授，以進行可變阻抗元件之阻抗值的調整。

前述回授控制，係以下述方式進行。來自設在各天線之拾取線圈44的電流訊號及/或來自電容器45的電壓訊號，輸入至控制部47。或者，在天線之該等訊號的任一個，或由該等訊號之乘積所構成之電力訊號達到既定值以上時，亦即，該天線週圍之電漿密度達到既定值以上時，控制部47，即會對驅動器43(設在連接於該天線之阻抗元件41上)輸出用以增大該元件之阻抗值的訊號。另一方面，在天線之電流等訊號降至既定值以下時，控制部47即會對驅動器43輸出使用以使阻抗值變小的訊號。接受來自控制部47傳之該等訊號的驅動器43，將該阻抗元件之阻抗值設定為既定值。藉此，可將該阻抗元件週圍之電漿密度控制在既定範圍內。

以下，說明之實驗，係關於使用本實施例之電漿產生裝置所產生之電漿密度分佈的量測。此實驗中，僅對第20圖中以虛線包圍之3個天線A、B、C供應高頻電力，並使用郎茂探針法法來量測距離設有該天線之真空容器側面13cm處之電漿密度分佈。在此產生之電漿為氬電漿，供應氬氣體至1.33Pa氣壓後，從連接3個天線A、B、C之1個高頻電源，供應2000W、13.56MHz之高頻電力。

視來自拾取線圈44之訊號調整阻抗元件之阻抗值，據以作出流於3個天線A、B、C之電流大小比為1：1.2：1、2：1：2及3：1：3的3種狀態，並分別量測電漿密度分佈。將該量測結果顯示於第24圖。當3個高頻天線之各電流幾乎相等、電流比為1：1.2：1之情形時，中央附近之電漿密度變高，外緣部之電漿密度變低。相對於此，將兩端之高頻天線的電流加大之電流比為2：1：2之情形時，中央附近之電漿密度降低，外緣部之電漿密度上昇，可知電漿密度之均勻性已獲得改善。再將兩端之高頻天線的電流加大成電流比為3：1：3之情形時，則與電流比1：1.2：1之情形相反的，中央附近之電漿密度變低了。

又，使電漿密度分佈為最佳之電流比，會因電漿氣體之種類及壓力、高頻電源之供應電力等條件而異。因此，阻抗元件之阻抗值，須作適當調整，使得該電流比為符合該等條件之最佳值。

上述各實施例中，雖將真空容器之平面形狀設為矩形，但亦可以是圓形等之其他形狀。又，上述各實施例中，雖將天線設置在真空容器之側壁，但亦可將天線之局部或全部，設置在真空容器之頂部壁。

11．．．真空容器

12．．．基板出入口

13．．．待處理基板

14．．．基板台

14a．．．昇降部

15．．．氣體管

16,16a,16b,26a,26b．．．高頻天線

17．．．阻抗匹配器

18．．．高頻電源

18a,18b,18c,18d．．．高頻電源

19．．．板狀導體

20．．．高頻電力供應點

21．．．波形檢測器

22．．．相位檢測器

23a,23b,24a,24b,26．．．天線

31a,31b．．．天線群組

32．．．間隙

42．．．可變電感線圈

43．．．驅動器

44．．．拾取線圈

45．．．電容器

46．．．橋式電路

47．．．控制部

(一)圖式部分

第1圖，係本發明之電漿產生裝置之第1實施例的垂直方向截面圖。

第2圖，係第1實施例之電漿產生裝置的側視圖。

第3圖，係第1實施例之電漿產生裝置的俯視圖。

第4圖，係顯示在第1實施例之電漿產生裝置中，所量測到之真空容器中心部的電漿狀態的圖表。

第5圖，係顯示在第1實施例之電漿產生裝置中，所量測到之真空容器內的電漿密度分佈的圖表。

第6圖，係顯示具有相位調整功能之電漿產生裝置例的概略構成圖。

第7圖，係顯示使高頻電源間之相位差改變時，電漿密度之變化的圖表。

第8圖，係顯示天線導體之側壁方向的長度及天線之數目不同的電漿產生裝置例的俯視圖。

第9圖，係顯示因天線導體之側壁方向的長度及天線之數目不同，而產生電漿電位及浮動電位之振幅之差異的圖表。

第10圖，係本發明之電漿產生裝置之第2實施例的俯視圖。

第11圖，係顯示長寬比不同之複數種類的天線示意圖。

第12圖，係顯示第2實施例及比較例之電漿產生裝置之真空容器中央之電漿密度的圖表。

第13圖，係顯示第2實施例及比較例之電漿產生裝置之真空容器中央之電子能量分佈的圖表。

第14圖，係顯示使各天線之長寬比不同之電漿產生裝置例的俯視圖。

第15圖，係顯示第14圖之電漿產生裝置及比較例之裝置的電漿密度分佈圖。

第16圖，係本發明之電漿產生裝置之第3實施例的俯視圖。

第17圖，係關於相鄰天線間之間隙及在間隙出現之差的說明圖。

第18圖，係顯示第3實施例及比較例之電漿產生裝置之真空容器中央的電漿密度的圖表。

第19圖，係顯示第3實施例及比較例所產生之電漿密度的空間分佈圖表。

第20圖，係本發明之電漿產生裝置之第4實施例的俯視圖。

第21圖，係顯示阻抗元件之例。

第22圖，係第4實施例之電漿產生裝置的垂直方向截面圖。

第23圖，係顯示二極體橋式電路之一例。

第24圖，係顯示第4實施例之產生裝置所產生之電漿密度的空間分佈圖表。