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CN102568992A - 等离子体处理装置 - Google Patents

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CN102568992A CN2011104428768A CN201110442876A CN102568992A CN 102568992 A CN102568992 A CN 102568992A CN 2011104428768 A CN2011104428768 A CN 2011104428768A CN 201110442876 A CN201110442876 A CN 201110442876A CN 102568992 A CN102568992 A CN 102568992A
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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置。该等离子体处理装置能够易于对处理的因作为被施加于上部电极的直流电压的地线的直流电压用接地构件的设置状态引起的偏差进行校正，从而能够高效地实施均匀的处理。该等离子体处理装置包括：高频电源，其用于对下部电极施加高频电力；直流电源，其用于对上部电极施加直流电压；直流电压用接地构件，其由导电性材料形成，整体形状形成为环状，以至少一部分暴露出到处理空间中的方式配置在处理腔室内，用于形成被施加于上部电极的直流电压的接地电位；多个上下运动机构，其能够通过使直流电压用接地构件上下运动来调整该直流电压用接地构件的接地状态。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置。
背景技术
以往，在半导体装置的制造工序中，使用使等离子体作用于配置在处理腔室内的载置台上的基板(例如半导体晶圆)来进行各种处理、例如蚀刻、成膜的等离子体处理装置。另外，作为这样的等离子体处理装置，公知有一种电容耦合型的等离子体处理装置，其中，与用于载置基板的载置台相对地在处理腔室的顶部等配置上部电极，从而构成与作为下部电极的载置台成对的对置电极。
作为上述电容耦合型的等离子体处理装置，公知有这样的构造的离子体处理装置：作为对上部电极和下部电极之间施加的高频电力，对作为下部电极的载置台施加频率比较高的等离子体生成用的第1高频电力和频率比第1高频电力的频率低的离子引入用的第2高频电力。
并且，也公知有以对下部电极施加高频电力、并对上部电极施加直流电压的方式构成的等离子体处理装置。另外，在这样对上部电极施加直流电压的等离子体处理装置中，在对高频电力的地线进行陶瓷涂敷等的情况下，需要另外设置用于构成直流电压的地线(ground)(接地电极)的直流电压用接地构件。因此，作为直流电压用接地构件，公知有以包围载置台周围的方式将导电性的环状构件、例如硅制的环状构件设置为该环状构件暴露出到处理腔室内。还公知有利用熔融接合等熔接多个圆弧状构件来构成该硅制的环状构件(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2010-114313号公报
如上所述，在以对下部电极施加高频电力、并对上部电极施加直流电压的方式构成的等离子体处理装置中，作为直流电压的地线起作用的直流电压用接地构件以暴露出到处理腔室内的方式设置。本发明人等详细调查之后可明确，在这样构成的等离子体处理装置中，由于作为直流电压用接地构件的导电性的环状构件等的设置状态的不同，有时基板的周向的处理均匀性恶化而处理产生偏差。这样的处理的由导电性的环状构件的设置状态引起的偏差必须通过将处理腔室暂且开放于大气并调节导电性的环状构件的设置状态来校正，该校正需要时间和劳动力，存在导致生产率降低这样的问题。
发明内容
本发明是应对上述以往的情况而做成的，其提供一种等离子体处理装置，该等离子体处理装置能够易于对处理的因作为被施加于上部电极的直流电压的地线的直流电压用接地构件的设置状态引起的偏差进行校正，从而能够高效地实施均匀的处理。
本发明的等离子体处理装置的一实施方式的特征在于，该等离子体处理装置包括：处理腔室，其在内部形成处理空间；下部电极，其配置在上述处理腔室内，兼作为用于载置被处理基板的载置台；上部电极，其与上述下部电极相对地配置在上述处理腔室内；高频电源，其用于对上述下部电极施加高频电力；直流电源，其用于对上述上部电极施加直流电压；处理气体供给机构，其用于向上述处理空间中供给被等离子体化的处理气体；直流电压用接地构件，其由导电性材料形成，整体形状形成为环状，以至少一部分暴露出到上述处理空间中的方式配置在上述处理腔室内，用于形成被施加于上述上部电极的直流电压的接地电位；多个上下运动机构，其能够通过使上述直流电压用接地构件上下运动来调整该直流电压用接地构件的接地状态。
采用本发明，能够提供一种等离子体处理装置，该等离子体处理装置能够易于对处理的因作为被施加于上部电极的直流电压的地线的直流电压用接地构件的设置状态引起的偏差进行校正，从而能够高效地实施均匀的处理。
附图说明
图1是示意地表示本发明的实施方式的等离子体蚀刻装置的概略结构的图。
图2是示意地表示图1中的等离子体蚀刻装置的主要部分结构的图。
图3是示意地表示图1中的等离子体蚀刻装置的主要部分结构的图。
图4的(a)～(c)是表示调查直流电压用接地构件的接地状态对处理的均匀性产生的影响而得到的结果的曲线图。
图5的(a)～(c)是表示调查直流电压用接地构件的接地状态对处理的均匀性产生的影响而得到的结果的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示作为本实施方式的等离子体处理装置的等离子体蚀刻装置10的概略结构的纵剖视图。
等离子体蚀刻装置10具有气密地构成且在内部形成处理空间PS的处理腔室11。该处理腔室11为圆筒状，由例如在表面形成有阳极氧化覆膜的铝等构成。在该处理腔室11内设有用于将作为被处理基板的半导体晶圆W水平支承的圆柱状的载置台12。
处理腔室11的内壁侧面被侧壁构件13覆盖，处理腔室11的内壁上表面被上壁构件14覆盖。侧壁构件13和上壁构件14例如由铝构成，其面向处理空间PS的面涂敷有氧化钇、具有规定厚度的阳极氧化覆膜。由于处理腔室11电接地，因此，侧壁构件13和上壁构件14的电位是接地电位。
另外，载置台12具有由导电性材料、例如铝构成的导电体部15、覆盖该导电体部15的侧面的、由绝缘性材料构成的侧面包覆构件16、载置在侧面包覆构件16上的、由石英(Qz)构成的罩(enclosure)构件17、由绝缘性材料构成的、位于导电体部15的下部的载置台基部15a。
在处理腔室11的内部，在处理腔室11的内壁和载置台12的侧面之间形成有排气流路18，该排气流路18起到将导入到处理空间PS内的处理气体排出到处理腔室11外的流路的作用。在该排气流路18中配置有作为具有许多个通气孔的板状构件的排气板19。利用该排气板19将排气流路18和作为处理腔室11的下部空间的排气空间ES分隔开。在排气空间ES上开口有粗排排气管20和主排气管21，在粗排排气管20上连接有未图示的干式泵，在主排气管21上连接有未图示的涡轮分子泵。利用这些干式泵和涡轮分子泵能够将处理空间PS设定为规定的压力的减压气氛。
另一方面，在处理腔室11的侧壁设有半导体晶圆W的输入输出口44。在该输入输出口44上设有用于开闭该输入输出口44的闸阀46。
在载置台12的导电体部15上，经由第1匹配器23连接有第1高频电源22。第1高频电源22是等离子体产生用的电源，用于对导电体部15供给比较高的规定频率(27MHz以上、例如为40MHz)的高频电力。另外，第1匹配器23降低高频电力自导电体部15的反射，提高高频电力的向导电体部15的供给效率。
另外，在导电体部15上，还经由第2匹配器25连接有第2高频电源24。第2高频电源24是离子引入用(偏压用)的电源，用于对导电体部15供给频率比第1高频电源22所供给的高频电力的频率低的规定频率(13.56MHz以上、例如为3.2MHz)的高频电力。
在载置台12的上部配置有在电介体内收容有电极板26的构造的静电吸盘27。在静电吸盘27的电极板26上电连接有静电吸盘用直流电源28。通过自该静电吸盘用直流电源28对电极板26施加直流电压，半导体晶圆W在库仑力或者约翰逊·拉别克(Johnson-Ranbec)力的作用下被吸附保持在静电吸盘27的上表面。
另外，在载置台12的上部，以将吸附保持在载置台12的上表面的半导体晶圆W的周围包围的方式配置有环状的聚焦环(focus ring)29。该聚焦环29由硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)等构成。另外，在聚焦环29的周围配置有用于保护聚焦环29的侧面的、由石英构成的环状的盖环(coverring)30。
在载置台12的内部设有例如沿着圆周方向延伸的环状的制冷剂室31。自冷却单元(未图示)经由制冷剂用配管32向该制冷剂室31循环供给规定温度的制冷剂、例如冷却水、Galden(注册商标)液，利用该制冷剂来对吸附保持在载置台12的上表面的半导体晶圆W的处理温度进行控制。
在载置台12的上表面的用于吸附保持半导体晶圆W的吸附面中开口有多个导热气体供给孔33。这些多个导热气体供给孔33经由配置在载置台12内部的导热气体供给管线34连接于未图示的导热气体供给部，该导热气体供给部将例如将氦(He)气作为导热气体经由导热气体供给孔33供给到吸附面与晶圆W的背面之间的间隙中。
另外，在载置台12上配置有自载置台12的上表面自由突出的作为升降销的多个推升销(pusher pin)35。在将半导体晶圆W吸附保持在吸附面上而实施蚀刻处理时，这些推升销35收容在载置台12内。而且，在将半导体晶圆W相对于载置台12输入、输出时，推升销35自吸附面突出来支承半导体晶圆W。
在处理腔室11的顶部，与载置台12相对地配置有具有作为上部电极的功能的簇射头36。该簇射头36和载置台12起到一对电极(上部电极和下部电极)的作用。簇射头36包括在内部形成有缓冲室37的、由绝缘性材料构成的圆板状的冷却板38、被该冷却板38支承的上部电极板39、用于覆盖冷却板38的盖体40。
上部电极板39的下表面暴露出到处理空间PS中，形成为由导电性材料、例如硅构成的圆板状。上部电极板39的周缘部被由绝缘性材料构成的环状的屏蔽环41覆盖。即，上部电极板39利用冷却板38和屏蔽环41而与作为接地电位的处理腔室11电绝缘。
另外，上部电极板39与上部直流电源42电连接。通过自该上部直流电源42对上部电极板39施加负的直流电压，对处理空间PS施加直流电压。
在冷却板38的缓冲室37上连接有处理气体导入管43。该处理气体导入管43连接于未图示的处理气体供给部。另外，在簇射头36中配置有用于使缓冲室37连通于处理空间PS的多个贯穿气孔48。簇射头36将从处理气体导入管43供给到缓冲室37中的处理气体经由贯穿气孔48向处理空间PS中供给。
也如图2所示，在处理腔室11内配置有截面形状为L字形的、整体形状为环状的作为直流电压用接地构件的接地环45(接地电极)。接地环45由导电性材料、例如纯硅材料或者纯铝材料构成，以其外侧面暴露出到处理空间PS中的方式配置。该接地环45起到被施加于上部电极板39的直流电压的接地电极的作用。
上述接地环45以在载置台12的侧面包覆构件16的下方覆盖载置台基部15a的侧面的方式配置。因而，至少接地环45的外侧部分成为暴露出到处理空间PS中的排气流路18部分中的状态。自上部电极板39放出来的电子到达该接地环45，由此，直流电流在处理空间PS内流动。该接地环45的详细构造之后说明。
在上述结构的等离子体蚀刻装置10中，通过对处理空间PS供给高频电力，在该处理空间PS中，由从簇射头36供给来的处理气体生成高密度的等离子体，并且，利用处理空间PS的直流电流将生成的等离子体保持成期望的状态，利用该等离子体对晶圆W实施蚀刻处理。
如图3所示，在本实施方式中，接地环45由6个圆弧状构件45a～45f构成，其整体构成为环状。6个圆弧状构件45a～45f被设为彼此相等的大小。即，将1个圆弧状构件6等分地构成。另外，在这样由多个圆弧状构件构成接地环45的情况下，优选设为至少4个以上的多个圆弧状构件。
如图2所示，在圆弧状构件45a～45f的下表面侧分别配置有上下运动机构50。另外，图2仅图示了与各圆弧状构件45a～45f相对应地配置的合计6个上下运动机构50中的1个上下运动机构。
上下运动机构50的驱动轴的上侧端部分别连接于各圆弧状构件45a～45f的下表面。于是，利用该上下运动机构50，能够如图中箭头所示那样使各圆弧状构件45a～45f各自独立地上下运动。这些上下运动机构50具有通过使圆弧状构件45a～45f上下运动来变更圆弧状构件45a～45f与接地电位的连接状态的功能。
在本实施方式中，圆弧状构件45a～45f以如图2所示那样下降的状态与排气板19接触，成为连接于接地电位的状态。而且，利用上下运动机构50使圆弧状构件45a～45f上升时，与接地电位的连接状态变弱，通过使圆弧状构件45a～45f上升至与排气板19完全未接触的状态，能够将圆弧状构件45a～45f设定为电悬浮(floating)状态。
另外，也可以与上述相反，在使圆弧状构件45a～45f上升的状态下成为圆弧状构件45a～45f连接于接地电位的状态，在使圆弧状构件45a～45f下降的状态下成为圆弧状构件45a～45f电悬浮状态。
另外，如上所述，在由多个圆弧状构件45a～45f构成接地环45的情况下，也可以设为各圆弧状构件45a～45f被电连接的状态。并且，如上所述，也可以不是由多个圆弧状构件45a～45f构成接地环45、而是由一体构成的环状的构件来构成接地环45。在这种情况下，也沿着周向以均匀的间隔配置多个、例如至少4个以上的上下运动机构50，利用各个上下运动机构50调节接地环45的各部与接地电位的连接状态。
图4的(a)～图4的(c)中的曲线图将纵轴设为蚀刻速率、横轴设为距半导体晶圆中心的距离而表示如下的内容：对半导体晶圆W上的正交的X轴、Y轴上的蚀刻速率进行测定的结果、从半导体晶圆W的边缘起进入到3mm内的位置周围(径向)的蚀刻速率的均匀性的值。此时，通过使用一体构成的接地环45并变更该接地环45的接地状态，调查了蚀刻状态所呈现的影响。另外，蚀刻处理的条件如下所述：
处理气体：CF4/Ar＝50sccm/600sccm
压力：5.32Pa(40mTorr)
高频电力：500W/2000W
直流电压：300V
温度(载置台/顶部和侧壁部)：20℃/150℃
氦压力(中心/边缘)：1995Pa/5320Pa(15Torr/40Torr)
时间：60秒。
图4的(a)是在接地环45的整个下表面侧配置有用于使电连接状态良好的螺旋状的电连接构件的情况，图4的(b)、图4的(c)表示自图4的(a)所示的情况在接地环45的下表面侧配置绝缘材料(Kapton制)来改变与接地电位的连接状态的情况，图4的(b)表示在右侧50％的部位配置有绝缘材料的情况，图4的(c)表示整体配置有绝缘材料的情况。如图4的(b)所示，在右侧50％的部位配置有绝缘材料的情况下，与未配置绝缘材料的情况相比蚀刻速率的面内均匀性发生了变化。另外，如图4的(c)所示，将整个接地环45设为悬浮状态时，蚀刻速率的面内均匀性显著恶化，作为现象，同时发生了等离子体泄漏。因而，优选设为接地环45的至少一部分连接于接地电位的状态。
图5的(a)～图5的(c)中的曲线图表示如下的内容：对使安装接地环45时的安装螺丝的紧固转矩变化的情况下、蚀刻状态所呈现的影响进行调查的结果、从半导体晶圆W的边缘起进入到3mm内的位置周围(径向)的蚀刻速率和均匀性的值。图5的(a)表示使所有的安装螺丝的紧固转矩为6kgf的情况，图5的(b)表示仅使1个安装螺丝为紧固转矩为6kgf而未拧紧其他的安装螺丝的情况，图5的(c)表示将所有的安装螺丝都未拧紧的情况。
如这些图5的(a)～图5的(c)中的曲线图所示，使蚀刻的面内均匀性也因安装螺丝的的紧固转矩的变化而发生变化，在将所有的安装螺丝都未拧紧的情况下，面内均匀性明显恶化。
如上所述，能够确认通过局部变更接地环45的一部分的接地状态使蚀刻处理的周向的面内均匀性发生变化。因而，在上述实施方式的等离子体蚀刻装置10中，通过利用上下运动机构50使圆弧状构件45a～45f上下运动，能够使构成接地环45的圆弧状构件45a～45f的接地状态变更，从而能够控制蚀刻处理的周向的均匀性。
接着，说明利用上述结构的等离子体蚀刻装置对形成于半导体晶圆W的薄膜进行等离子体蚀刻的顺序。首先，将闸阀46开放，利用未图示的输送机器人等将半导体晶圆W经由未图示的加载互锁室从输入输出口44输入到处理腔室11内，载置在载置台12上。之后，使输送机器人退避到处理腔室11外，关闭闸阀46。然后，利用未图示的真空泵，经由粗排排气管20和主排气管21对处理腔室11内进行排气。
在处理腔室11内成为规定的真空度之后，经由簇射头36向处理腔室11内导入规定的处理气体(蚀刻气体)，处理腔室11内被保持成规定的压力，在该状态下，自第1高频电源22对载置台12供给频率例如为40MHz的高频电力。另外，为了引入离子，自第2高频电源24对载置台12供给频率例如为3.2MHz的高频电力(偏压用)。此时，自静电吸盘用直流电源28对静电吸盘27的电极板26施加规定的直流电压(例如正2500V的直流电压)，利用库仑力或者约翰逊·拉别克力将半导体晶圆W吸附在静电吸盘27上。
通过如上所述那样对作为下部电极的载置台12施加高频电力，在作为上部电极的簇射头36和作为下部电极的载置台12之间形成有电场。利用该电场，在半导体晶圆W所存在的处理空间PS中产生放电，利用由此形成的处理气体的等离子体，对形成在半导体晶圆W上的薄膜进行蚀刻处理。
另外，在等离子体处理过程中能够自上部直流电源42对簇射头36施加直流电压，因此存在以下效果。即，根据工艺的不同，有时要求较高的电子密度且较低的离子能量的等离子体。在这种情况下，采用直流电压，通过在射入到半导体晶圆W中的离子能量受到抑制的同时使等离子体的电子密度增加，作为半导体晶圆W的蚀刻对象的膜的蚀刻速率上升，并且，向作为设置在蚀刻对象的上部的掩模的膜的溅射速率降低，选择性提高。
此时，根据起到作为被施加于簇射头36的直流电压的接地电极的作用的接地环45的安装状态的不同，有时蚀刻处理在周向上不均匀。在这种情况下，以往将处理腔室11开放于大气，调整接地环45的安装状态来消除处理的不均匀性。而在本实施方式中，通过利用上下运动机构50使用于构成接地环45的圆弧状构件45a～45f上下移动来使圆弧状构件45a～45f的接地状态变更，由此，不将处理腔室11开放于大气就能够容易且迅速地消除处理的不均匀性。由此，能够实现处理效率的大幅度的提高。并且，即使对于用于降低处理腔室11之间的处理偏差(机器误差)的控制、大口径(例如405mm)时的均匀性的控制，也能够应用。
另外，在上述蚀刻处理结束时，高频电力的供给、直流电压的供给和处理气体的供给被停止，利用与上述顺序相反的顺序将半导体晶圆W从处理腔室11内输出。
像以上说明的那样，采用本实施方式，能够容易地对处理的由作为直流电压用接地构件的接地环45的设置状态引起的偏差进行校正，从而能够高效地实施均匀的处理，该直流电压用接地构件作为被施加于作为上部电极的簇射头36的直流电压的地线。另外，不言而喻，本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种变形。
附图标记说明
W、半导体晶圆；10、等离子体蚀刻装置；11、处理腔室；12、载置台(下部电极)；36、簇射头(上部电极)；42、上部直流电源；45、接地环；45a～45f、圆弧状构件；50、上下运动机构。

Claims (6)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，
该等离子体处理装置包括：
处理腔室，其在内部形成处理空间；
下部电极，其配置在上述处理腔室内，兼作为用于载置被处理基板的载置台；
上部电极，其与上述下部电极相对地配置在上述处理腔室内；
高频电源，其用于对上述下部电极施加高频电力；
直流电源，其用于对上述上部电极施加直流电压；
处理气体供给机构，其用于向上述处理空间中供给被等离子体化的处理气体；
直流电压用接地构件，其由导电性材料形成，整体形状形成为环状，以至少一部分暴露出到上述处理空间中的方式配置在上述处理腔室内，用于形成被施加于上述上部电极的直流电压的接地电位；
多个上下运动机构，其能够通过使上述直流电压用接地构件上下运动来调整该直流电压用接地构件的接地状态。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述直流电压用接地构件由硅形成。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述直流电压用接地构件由纯铝材料形成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述直流电压用接地构件以包围上述下部电极的周围的方式配置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述直流电压用接地构件由多个圆弧状构件以整体形状为环状的方式形成，针对每个上述圆弧状构件配置有上述上下运动机构。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述直流电压用接地构件由至少4个以上的上述圆弧状构件构成。
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