JP2009239014A - 電極構造及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理空間における基板の周縁部に対向する部分において電子密度を充分に上昇させることができる電極構造を提供する。
【解決手段】ウエハＷにＲＩＥ処理を施す基板処理装置１０が備える処理室１１内に配置され、該処理室１１内においてサセプタ１２に載置されたウエハＷと対向する上部電極３１は、サセプタ１２に載置されたウエハＷの中心部に対向する内側電極３４と、該ウエハＷの周縁部に対向する外側電極３５とを備え、内側電極３４には第１の直流電源３７が接続され、且つ外側電極３５には第２の直流電源３８が接続され、外側電極３５は、サセプタ１２に載置されたウエハＷに平行な第１の二次電子放出面３５ａと、該第１の二次電子放出面３５ａに対してウエハＷへ向けて傾斜する第２の二次電子放出面３５ｂとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極構造及び基板処理装置に関し、特に、基板処理装置の処理室内に配置されて直流電源が接続される電極構造に関する。

基板としてのウエハにプラズマ処理を施す基板処理装置は、ウエハを収容する処理室と、該処理室内に配置されてウエハを載置する載置台と、処理室内の処理空間に処理ガスを供給するシャワーヘッドとを備える。この基板処理装置では、載置台に高周波電源が接続され、載置台は処理空間に高周波電力を印加し、処理空間に供給された処理ガスは高周波電力によって励起されてプラズマ（陽イオンや電子）となる。

処理空間におけるプラズマ分布はウエハのプラズマ処理の結果に大きな影響を与えるため、プラズマ分布を積極的に制御するのが好ましく、これに対応して、プラズマ分布、特に電子密度分布を制御するためにシャワーヘッドへの直流電圧の印加が行われている。

シャワーヘッドに直流電圧を印加する場合、シャワーヘッドの構成部品であって処理空間に露出する円板状の天井電極板に直流電源が接続される。ここで、シャワーヘッドへ負の直流電圧を印加すると、該シャワーヘッドはプラズマ中の陽イオンのみを引き込む。直流電圧は高周波電圧と異なり電位が時間変化しないので、陽イオンは継続的にシャワーヘッドに引き込まれる。また、シャワーヘッドに引き込まれた陽イオンは該シャワーヘッドの構成原子から二次電子を放出させる。その結果、処理空間のシャワーヘッドに対向する部分において電子密度が上昇する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２７００１９号公報

ところで、電子密度分布は処理室の形状等の影響を受けて処理空間において不均一となることがあるが、天井電極板が１枚の導電板から構成される場合、天井電極板に直流電圧を印加してもシャワーヘッドに対向する処理空間における全ての部分の電子密度が上昇するのみであるため、電子密度分布の不均一を解消することができない。その結果、処理空間におけるウエハの周縁部に対向する部分において電子密度が低下し、エッチング処理の場合、ウエハの周縁部におけるエッチレートがウエハの中心部に比べて低下するという問題がある。

本発明の目的は、処理空間における基板の周縁部に対向する部分において電子密度を充分に上昇させることができる電極構造及び基板処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の電極構造は、基板にプラズマ処理を施す基板処理装置が備える処理室内に配置され、該処理室内において載置台に載置された前記基板と対向する電極構造であって、前記基板の中心部に対向する内側電極と、前記基板の周縁部に対向する外側電極とを備え、前記内側電極には第１の直流電源が接続され、且つ前記外側電極には第２の直流電源が接続され、前記外側電極は、前記基板に平行な第１の面と、該第１の面に対して傾斜する第２の面を有することを特徴とする。

請求項２記載の電極構造は、請求項１記載の電極構造において、前記第１の面及び前記第２の面は前記基板の周縁部を指向することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項３記載の基板処理装置は、基板にプラズマ処理を施す基板処理装置において、前記基板を収容する処理室と、該処理室内に配置されて前記基板を載置する載置台と、前記処理室内に配置され、且つ前記載置台に載置された前記基板と対向する電極構造とを備え、前記電極構造は、前記基板の中心部に対向する内側電極と、前記基板の周縁部に対向する外側電極とを備え、前記内側電極には第１の直流電源が接続され、且つ前記外側電極には第２の直流電源が接続され、前記外側電極は、前記基板に平行な第１の面と、該第１の面に対して傾斜する第２の面を有することを特徴とする。

請求項１記載の電極構造及び請求項３記載の基板処理装置によれば、基板の周縁部に対向する外側電極には第２の直流電源が接続されて直流電圧が印加される。外側電極に直流電圧が印加されると該外側電極はプラズマ中の陽イオンを引き込んで二次電子を放出する。その結果、処理空間における基板の周縁部に対向する部分において電子密度を上昇させることができる。また、第２の直流電源が接続される外側電極は、基板に平行な第１の面と、該第１の面に対して傾斜する第２の面とを有し、二次電子は第１の面及び第２の面から放出される。第２の面は第１の面に対して傾斜しているので、処理空間における基板の周縁部に対向する部分において、第２の面から放出された二次電子が第１の面から放出された二次電子と重なる。その結果、処理空間における基板の周縁部に対向する部分において電子密度を充分に上昇させることができる。

請求項２記載の電極構造によれば、第１の面及び第２の面は基板の周縁部を指向するので、第１の面から放出された二次電子及び第２の面から放出された二次電子は基板の周縁部の直上において重なる。その結果、基板の周縁部の直上において電子密度を確実且つ充分に上昇させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す断面図であり、図２は、図１における上部電極の外側電極近傍の構成を概略的に示す拡大断面図である。この基板処理装置は基板としての半導体ウエハにプラズマを用いてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理を施すように構成されている。

図１及び図２において、基板処理装置１０は、円筒形状の処理室１１と、該処理室１１内に配置されて、例えば、直径が３００ｍｍの半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗを載置する載置台としての円柱状のサセプタ１２とを備えている。

基板処理装置１０では、処理室１１の内側壁及びサセプタ１２の側面により、後述する処理空間Ｓのガスを処理室１１の外へ排出する流路として機能する排気流路１３が形成される。この排気流路１３の途中には排気プレート（排気リング）１４が配置される。

排気プレート１４は多数の貫通孔を有する板状部材であり、処理室１１を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１４によって仕切られた処理室１１の上部（以下、「反応室」という。）１５には後述するようにプラズマが発生する。また、処理室１１の下部（以下、「排気室（マニホールド）」という。）１６には処理室１１内のガスを排出する排気管１７，１８が接続される。排気プレート１４は反応室１５に発生するプラズマを捕捉又は反射してマニホールド１６への漏洩を防止する。

排気管１７にはＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）（図示しない）が接続され、排気管１８にはＤＰ（Dry Pump）（図示しない）が接続され、これらのポンプは処理室１１内を真空引きして減圧する。具体的には、ＤＰは処理室１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧し、ＴＭＰはＤＰと協働して処理室１１内を中真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０^−３Ｐａ（１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、処理室１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示しない）によって制御される。

処理室１１内のサセプタ１２には、第１の高周波電源１９及び第２の高周波電源２０がそれぞれ第１の整合器２１及び第２の整合器２２を介して接続され、第１の高周波電源１９は比較的高い周波数、例えば、６０ＭＨｚの高周波電力をサセプタ１２に印加し、第２の高周波電源２０は比較的低い周波数、例えば、２ＭＨｚの高周波電力をサセプタ１２に印加する。これにより、サセプタ１２は、該サセプタ１２及び後述するシャワーヘッド３０の間の処理空間Ｓに高周波電力を印加する下部電極として機能する。

また、サセプタ１２上には、静電電極板２３を内部に有する円板状の絶縁性部材からなる静電チャック２４が配置されている。サセプタ１２にウエハＷを載置するとき、該ウエハＷは静電チャック２４上に配される。この静電チャック２４では、静電電極板２３に直流電源２５が電気的に接続されている。静電電極板２３に正の直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック２４側の面（以下、「裏面」という。）には負電位が発生して静電電極板２３及びウエハＷの裏面の間に電位差が生じ、該電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷは静電チャック２４に吸着保持される。

また、サセプタ１２上には、吸着保持されたウエハＷを囲うように、円環状のフォーカスリング２６が載置される。フォーカスリング２６は、導電性部材、例えば、シリコンからなり、プラズマをウエハＷの表面に向けて収束し、ＲＩＥ処理の効率を向上させる。

また、サセプタ１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室２７が設けられる。この冷媒室２７には、チラーユニット（図示しない）から冷媒用配管２８を介して低温の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）液が循環供給される。該低温の冷媒によって冷却されたサセプタ１２は静電チャック２４を介してウエハＷ及びフォーカスリング２６を冷却する。

静電チャック２４の上面におけるウエハＷが吸着保持される部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔２９が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔２９は伝熱ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）ガスを、伝熱ガス供給孔２９を介して吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給する。吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給されたヘリウムガスはウエハＷの熱を静電チャック２４に効率的に伝達する。

処理室１１の天井部にはシャワーヘッド３０が配置されている。該シャワーヘッド３０は、処理空間Ｓに露出してサセプタ１２に載置されたウエハＷ（以下、「載置ウエハＷ」という。）に対向する上部電極３１（電極構造）と、絶縁性部材からなる絶縁板３２と、該絶縁板３２を介して上部電極３１を釣支する電極釣支体３３とを有し、上部電極３１、絶縁板３２及び電極釣支体３３はこの順で重畳されている。

電極釣支体３３は内部にバッファ室３９を有する。バッファ室３９は円柱状の空間であり、円環状のシール材、例えば、Ｏリング４０によって内側バッファ室３９ａと外側バッファ室３９ｂに区分けされている。

内側バッファ室３９ａには処理ガス導入管４１が接続され、外側バッファ室３９ｂには処理ガス導入管４２が接続されており、処理ガス導入管４１，４２はそれぞれ内側バッファ室３９ａ及び外側バッファ室３９ｂに処理ガスを導入する。

処理ガス導入管４１，４２はそれぞれ流量制御器（ＭＦＣ）（図示しない）を有するので、内側バッファ室３９ａ及び外側バッファ室３９ｂへ導入される処理ガスの流量はそれぞれ独立的に制御される。また、バッファ室３９は電極釣支体３３のガス穴４３、絶縁板３２のガス穴４４及び上部電極３１のガス穴３６を介して処理空間Ｓと連通しており、内側バッファ室３９ａや外側バッファ室３９ｂへ導入された処理ガスは処理空間Ｓへ供給される。このとき、内側バッファ室３９ａ及び外側バッファ室３９ｂへ導入される処理ガスの流量を調整することによって処理空間Ｓにおける処理ガスの分布を制御する。

この基板処理装置１０では、載置ウエハＷにＲＩＥ処理を施す際、シャワーヘッド３０が処理ガスを処理空間Ｓに供給し、第１の高周波電源１９がサセプタ１２を介して処理空間Ｓに６０ＭＨｚの高周波電力を印加すると共に、第２の高周波電源２０がサセプタ１２に２ＭＨｚの高周波電力を印加する。このとき、処理ガスは６０ＭＨｚの高周波電力によって励起されてプラズマとなる。また、２ＭＨｚの高周波電力はサセプタ１２においてバイアス電圧を発生させるため、載置ウエハＷの表面にプラズマ中の陽イオンや電子が引き込まれ、該載置ウエハＷにＲＩＥ処理が施される。

ところで、処理空間において電子密度分布を部分的に制御するために、上部電極をウエハの中心部に対向する内側電極とウエハの周縁部に対向する外側電極とに分割し、内側電極及び外側電極のそれぞれに独立的に直流電圧を印加する方法が開発されている。この方法では、外側電極に内側電極とは値が異なる直流電圧を印加して処理空間における外側電極に対向する部分の電子密度と、内側電極に対向する部分の電子密度とを独立的に制御する。

この方法に関し、本発明者等は、ＲＩＥ処理の実験を通じて外側電極における処理空間への対向面の表面積（以下、「外側電極表面積」という。）を増加させると、処理空間における外側電極の対向面に対向する部分（以下、「外側電極対向部分」という。）の電子密度が上昇し、その結果、ウエハの周縁部におけるエッチレートが上昇する（図３参照。）という知見を得た。

また、本発明者等は、外側電極に印加する直流電圧の値を増加させると、やはり、外側電極対向部分の電子密度が上昇し、その結果、ウエハの周縁部におけるエッチレートが上昇するという知見を得た。具体的には、内側電極に印加する直流電圧の値を３００Ｖに維持したまま、外側電極に印加する直流電圧の値を３００Ｖから９００Ｖに上昇させると、ウエハの周縁部におけるエッチレートが約７％上昇するのを確認した（図４参照）。

しかしながら、通常の基板処理装置では、外側電極の周辺には他の処理室構成部品が存在するため、外側電極表面積を或る値以上に増加させることが困難なことが多い。また、直流電源の性能等の制約から外側電極に印加する直流電源の値を或る値以上に上昇させるのも困難なことが多い。すなわち、処理空間におけるウエハの周縁部に対向する部分において電子密度を充分に上昇させるのは、通常、困難である。

基板処理装置１０では、これに対応して、上部電極３１が、載置ウエハＷの中心部に対向する内側電極３４と、該内側電極３４を囲み且つ載置ウエハＷの周縁部に対向する外側電極３５とを有し、外側電極３５は、載置ウエハＷに平行な第１の二次電子放出面３５ａ（第１の面）及び該第１の二次電子放出面３５ａに対して載置ウエハＷへ向けて傾斜する第２の二次電子放出面３５ｂ（第２の面）を有する。第１の二次電子放出面３５ａ及び外側電極３５ｂはそれぞれ載置ウエハＷの周縁部を指向する。

ここで、内側電極３４は、例えば、直径が３００ｍｍの円板状部材からなり、厚み方向に貫通する多数のガス穴３６を有する。外側電極３５は、外径が３８０ｍｍ且つ内径が３００ｍｍの円環状部材からなる。内側電極３４及び外側電極３５は導電性又は半導電性材料、例えば、単結晶シリコンからなる。

また、上部電極３１では、内側電極３４に第１の直流電源３７が接続され、外側電極３５に第２の直流電源３８が接続されており、内側電極３４及び外側電極３５には直流電圧がそれぞれ独立的に印加される。

基板処理装置１０では、ＲＩＥ処理の間、第１の直流電源３７及び第２の直流電源３８が上部電極３１の内側電極３４及び外側電極３５に負の直流電圧を印加する。このとき、内側電極３４や外側電極３５には処理空間Ｓにおけるプラズマ中の陽イオンが引き込まれる。引き込まれた陽イオンは内側電極３４や外側電極３５における構成原子中の電子にエネルギーを付与し、付与されたエネルギーが或る値を超えたとき、構成原子中の電子が二次電子として内側電極３４の表面や外側電極３５の第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂから放出される。

内側電極３４は、上述したように、円板状部材であり、載置ウエハＷに平行な表面のみが処理空間Ｓに露出するので、該表面から放出された二次電子は載置ウエハＷの中心部から周縁部にかけてほぼ均一に分布する。その結果、ＲＩＥ処理が載置ウエハＷの全面に亘って促進される。

外側電極３５の第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂは、上述したように、いずれも載置ウエハＷの周縁部を指向するため、第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂから放出された二次電子は、載置ウエハＷの周縁部の直上において重なる。その結果、載置ウエハＷの周縁部の直上において電子密度を充分に上昇させることができ、ＲＩＥ処理が載置ウエハＷの周縁部において促進される。

なお、上述した基板処理装置１０の各構成部品の動作は、基板処理装置１０が備える制御部（図示しない）のＣＰＵが制御する。

本実施の形態に係る電極構造としての上部電極３１によれば、載置ウエハＷの周縁部に対向する外側電極３５には第２の直流電源３８が接続されて直流電圧が印加される。外側電極３５に直流電圧が印加されると該外側電極３５はプラズマ中の陽イオンを引き込んで二次電子を放出する。その結果、処理空間Ｓにおける載置ウエハＷの周縁部の直上において電子密度を上昇させることができる。また、第２の直流電源３８が接続される外側電極３５は、載置ウエハＷに平行な第１の二次電子放出面３５ａと、該第１の二次電子放出面３５ａに対して載置ウエハＷへ向けて傾斜する第２の二次電子放出面３５ｂとを有し、二次電子は第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂから放出される。第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂはともに載置ウエハＷの周縁部を指向するので、載置ウエハＷの周縁部の直上において電子密度を充分に上昇させることができ、ＲＩＥ処理を載置ウエハＷの周縁部において促進することができる。

上述した上部電極３１では、外側電極３５におけるウエハＷへの対向面の面積を増加させることなく、載置ウエハＷの周縁部の直上において電子密度を充分に上昇させることができるため、外側電極３５を大きくする必要がない。その結果、高価な単結晶シリコンの使用量を削減することができ、もって、上部電極３１の製造コストを低減することができる。

また、上述した上部電極３１では、第１の二次電子放出面３５ａだけでなく、第２の二次電子放出面３５ｂも載置ウエハＷの周縁部を指向したが、第２の二次電子放出面３５ｂは載置ウエハＷの周縁部を指向していなくてもよく、例えば、第２の二次電子放出面３５ｂが第１の二次電子放出面３５ａに対して垂直であってもよい。この場合であっても、処理空間Ｓにおける載置ウエハＷの周縁部に対向する部分において放出された二次電子が重なるので、載置ウエハＷの周縁部に対向する部分において電子密度を充分に上昇させることができる。

さらに、第２の二次電子放出面３５ｂは平面である必要はなく、載置ウエハＷの周縁部を指向するパラボラ面であってもよい。この場合、第２の二次電子放出面３５ｂから二次電子を載置ウエハＷの周縁部に向けて集中的に放出することができ、もって、載置ウエハＷの周縁部の直上における電子密度をさらに充分に上昇させることができる。

なお、上述した本実施の形態では、エッチング処理が施される基板が半導体ウエハＷであったが、エッチング処理が施される基板はこれに限られず、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＦＰＤ（Flat Panel Display）等のガラス基板であってもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１
まず、本発明者は基板処理装置１０において載置ウエハＷにＲＩＥ処理を施し、該ＲＩＥ処理における載置ウエハＷの周縁部のエッチレートを計測し、その結果を図５のグラフに「●」でプロットした。

比較例１、２
次に、本発明者は、外側電極３５の代わりに、載置ウエハＷに平行な表面のみを有し、互いに該表面の面積が異なる２つの外側電極を準備した。そして、基板処理装置１０において外側電極３５を準備された各外側電極と取り替え、載置ウエハＷにＲＩＥ処理を施し、該ＲＩＥ処理における載置ウエハＷの周縁部のエッチレートを計測し、その結果を図５のグラフに「◆」でプロットした。

図５のグラフの横軸は外側電極の表面積を示す。ここで、外側電極の表面積は、実施例１における第１の二次電子放出面３５ａ及び第２の二次電子放出面３５ｂの面積の合計値や比較例１、２における載置ウエハＷに平行な表面の面積に該当する。また、図５のグラフでは、横軸が、比較例１の外側電極の表面積を１とした場合の実施例１や各比較例の外側電極の表面積を示し、縦軸が、比較例１のエッチレートを１とした場合の実施例１や各比較例のエッチレートを示す。図５のグラフより、外側電極の表面積を増加させるよりも、第１の二次電子放出面３５ａに対して傾斜する第２の二次電子放出面３５ｂを設けることによって効率的に載置ウエハＷの周縁部直上の電子密度を充分に上昇させることができ、ＲＩＥ処理を載置ウエハＷの周縁部において促進することができるのが分かった。

本発明の実施の形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１における上部電極の外側電極近傍の構成を概略的に示す拡大断面図である。 外側電極における外側電極表面積とウエハの周縁部におけるエッチレートとの関係を示すグラフである。 外側電極へ印加する直流電圧の値を増加させたときのエッチレート上昇率を示すグラフである。 本発明の実施例１、並びに比較例１，２における外側電極表面積とウエハの周縁部におけるエッチレートとの関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｗ ウエハ
１０ 基板処理装置
１１ 処理室
１２ サセプタ
３１ 上部電極
３４ 内側電極
３５ 外側電極
３５ａ 第１の二次電子放出面
３５ｂ 第２の二次電子放出面
３７ 第１の直流電源
３８ 第２の直流電源

Claims (3)

1. 基板にプラズマ処理を施す基板処理装置が備える処理室内に配置され、該処理室内において載置台に載置された前記基板と対向する電極構造であって、
   前記基板の中心部に対向する内側電極と、前記基板の周縁部に対向する外側電極とを備え、
   前記内側電極には第１の直流電源が接続され、且つ前記外側電極には第２の直流電源が接続され、
   前記外側電極は、前記基板に平行な第１の面と、該第１の面に対して傾斜する第２の面を有することを特徴とする電極構造。
2. 前記第１の面及び前記第２の面は前記基板の周縁部を指向することを特徴とする請求項１記載の電極構造。
3. 基板にプラズマ処理を施す基板処理装置において、
   前記基板を収容する処理室と、
   該処理室内に配置されて前記基板を載置する載置台と、
   前記処理室内に配置され、且つ前記載置台に載置された前記基板と対向する電極構造とを備え、
   前記電極構造は、前記基板の中心部に対向する内側電極と、前記基板の周縁部に対向する外側電極とを備え、
   前記内側電極には第１の直流電源が接続され、且つ前記外側電極には第２の直流電源が接続され、
   前記外側電極は、前記基板に平行な第１の面と、該第１の面に対して傾斜する第２の面を有することを特徴とする基板処理装置。

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