CN100459059C - 等离子体处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体处理装置，包含可设定成具有真空气氛的处理容器(10)。与在处理容器(10)内配置的被处理基板(W)相对面地配置上部电极(36、38)。具有与上部电极(36)在周围方向上实质上连续连接的第一筒形导电部件(50)的供电部，将来自第一高频电源(52)的第一高频供给上部电极(36)。
Description
技术领域
本发明是涉及对被处理基板实施等离子体处理技术，特别是涉及向电极供给高频，生成等离子体方式的等离子体处理技术。本发明特别是涉及在制造半导体器件的半导体处理中利用的等离子体处理技术。这里，所谓半导体处理，意味着在半导体晶片、LCD(Liquid crystaldisplay：液晶显示器)、及FPD(Flat Panel Display：平面显示器)用的玻璃基板等的被处理基板上以规定的图案形成半导体层、绝缘层、导电层等，由此在该被处理基板上制造半导体器件、包括半导体器件相连接的配线、电极等结构物而实施的各种处理。
背景技术
在半导体器件和FPD的制造工艺中的蚀刻、堆积、氧化、溅射等处理中，为了在处理气体中在比较低的温度下进行良好的反应，大多使用等离子体。在单片式等离子体处理装置中，电容耦合型的平行平板等离子体处理装置是主要使用的装置。
一般在电容结合型的平行平板等离子体处理装置中，在可以减压的处理容器或反应室内平行配置上部电极和下部电极。下部电极接地，在它的上面放置被处理基板(半导体晶片、玻璃基板等)。通过匹配器向上部电极和/或下部电极提供高频电压。与此同时用设在上部电极的浇淋头喷射处理气体。用在上部电极和下部电极之间形成的电场加速电子，通过电子和处理气体的冲撞电离生成等离子体。然后利用等离子体中的中性自由基和离子等对基板表面进行规定的微细加工。其中两个电极起到电容器的作用。
最近随着在制造工艺中的设计规则的细化，在等离子体处理中要求在低压下生成高密度的等离子体。因此在上述电容结合型的平行平板等离子体处理装置中，变成对上部电极提供比现有(一般为小于或等于27MHz)高得多的高频区域(例如大于或等于50MHz)的高频。可是如提供给上部电极的高频的频率变高，从高频电源通过供电棒提供给电极背面的高频由于集肤效应在电极表面传输，集中在电极下面(等离子体接触面)的中央部分。因此电极下面的中央部分的电场强度变得比外围部分的电场强度高，生成的等离子体的密度也是电极中央部分比电极外围部分高。此外由于等离子体在半径方向从高密度空间向低密度空间扩散，等离子体密度越来越变成在电极中央部分相对高、在电极外围部分相对低的分布。
为了消除此问题，大家知道用高电阻部件构成上部电极的下面中央部分(例如参照特开2000-323456号公报)。在此技术中用高电阻部件构成上部电极的下面中央部分，在那里以焦尔热消耗更多的高频电力。这样使上部电极的下面(等离子体接触面)的电场强度与电极外围相比在电极中央部分相对降低，来修正上述的等离子体密度的不均匀性。
可是在用高电阻部件构成上部电极的下面中央部分的结构中，存在有用焦尔热消耗高频电力(能量损失)变多的可能性。此外RF频率越高，构成对上部电极的供电线的供电棒等的感应性电抗成分的影响越大。因此在供电线到上部电极的不确定部位之间产生共振点，在此共振点附近有可能出现异常的大电流流动。
此外在最近的等离子体处理装置中，上部电极有多个气体通气孔，大多同时用作为从这些通气孔把处理气体向下部电极侧喷射的所谓的浇淋头。这样的浇淋头兼用型上部电极由于受到来自等离子体的离子的攻击而被溅射，作为消耗品使用。特别是由于气体通气孔的出口(角部)使电场集中，容易溅射。如气体出口被切削，气体扩展成喇叭形，不能稳定地生成等离子体。因此气体出口的溅射进行程度(扩展的情况)成为电极寿命的指标。如在这样的浇淋头结构的上部电极上要实现上述的等离子体的高密度化，电极寿命有可能越来越短。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够提高向上部电极供给的高频的传送效率的等离子体处理装置及方法。
本发明的另一目的在于，提供能够容易地实现等离子体密度的均匀化的等离子体处理装置及方法。
本发明的第一个技术方案是，一种等离子体处理装置，具有：
可设定成具有真空气氛的处理容器；
配置成面对在上述处理容器内规定位置处配置的被处理基板的上部电极；
向上述处理容器内提供处理气体的处理气体供给部；
输出第一高频的第一高频电源；和
具有与上述上部电极在周围方向实质上连续连接的第一筒形导电部件，将来自上述第一高频电源的上述第一高频电供给上述上部电极的供电部。
本发明的第二个技术方案是一种等离子体处理方法，具有以下工序：
在可设定成具有真空气氛的处理容器内在规定位置配置被处理基板的工序；
通过具有与上述上部电极在周围方向实质上连续连接的第一筒形导电部件的供电部，向在上述处理容器内与上述基板相对面配置的上述上部电极，供给来自上述高频电源的高频的工序；
向上述上部电极供给上述高频，同时向上述处理容器内供给规定的处理气体，在上述上部电极的正下方附近使上述处理气体等离子体化的工序；以及
在使上述等离子体扩散的同时利用上述等离子体对上述基板实施规定的等离子体处理的工序。
根据上述第一及第二个技术方案，来自高频电源的高频通过第一筒形导电部件从周围方向的全部区域供给到上部电极，在上部电极的正下方生成等离子体。生成的等离子体主要通过向内侧或中心侧扩散而使等离子体的密度在半径方向均匀化。通过这样所得到的等离子体，在与上部电极相对面的基板的被处理面上实施规定的处理。能够通过适当调整上部电极对基板的尺寸及距离间隔、等离子体生成速率等，而使等离子体密度得到均匀化。
优选上部电极的材料是采用对于来自高频电源的高频电压来说电压下降或电力损失小的低电阻导电体或半导体。而且，优选上部电极的结构能够是由配置为环形的一个或多个电极所构成，特别是优选由一个环形电极所构成。
在象上述那样环形构成上述上部电极的情况下，能够从环的内侧向等离子体生成空间内输送处理气体。优选能够配置从多个气体喷出孔均匀地喷射处理气体的浇淋头。该浇淋头也可以是由电极所构成，向其内侧电极分割供给来自高频电源的高频。
在第一筒形导电部件的半径方向外侧，可以配置与接地电位相连接的第二筒形导电部件。在这种情况下，由第一及第二筒形导电部件，形成前者作为导波路的同轴线路。在该同轴线路中，能够使从高频电源向上部电极的电力传送效率极大化，此外优选上述第二筒形导电部件的半径与上述第一筒形导电部件的半径的比在1.2～2.0的范围内，更优选设定在1.5～1.7的范围内。还有，第二筒形导电部件可以与处理容器一体构成。
上部电极可具有包围供给处理气体的浇淋头、且比浇淋头的下面向下方突出的突出部。由该上部电极的突出部，通过对于等离子体生成空间给予从周围侧向半径方向内的电场而密闭等离子体，能够实现等离子体密度的提高与均匀化。特别是，上部电极中突出部的突出量与半径方向上基板的相对位置关系，是左右等离子体密度的空间分布特性的重要因素。优选突出部对于浇淋头的下面而向下方的突出量设在25mm以下。而且，优选突出部的内径部分配置于比基板的外侧端向半径方向外侧离开24mm～30mm的位置。
在上部电极的下面可设置密封部件。如上所述在上部电极上设置突出部的情况下，可以配置密封部件，覆盖该突出部的下面。由该密封部件，能够在等离子体生成空间的外侧，遮断或密封第一上部电极附近的高频放电路径，能够抑制在其正下方的等离子体的生成。由此，能够进一步提高在基板正上密封等离子体的效果，同时能够有效地防止不希望的重合膜向处理容器的堆积。
根据上述第一技术方案及第二技术方案的形式，能够提高向上部电极供给的等离子体生成用高频的传送效率。根据别的形式，能够减少高频能量的损失，容易实现等离子体密度的均匀化。
附图说明
图1为表示本发明的第1实施方式中的等离子体蚀刻装置的纵截面图。
图2为表示图1所示的等离子体蚀刻装置主要部分的局部放大截面图。
图3为表示第1实施方式中的等离子体生成装置的主要部分的等效电路的电路图。
图4为表示第1实施方式中的利用调整电场强度平衡功能的电场强度(相对值)分布特性的图。
图5为表示第1实施方式中的利用调整电场强度平衡功能的电场强度(相对值)比例特性的图。
图6A和图6B为表示第1实施方式中的电子密度的空间分布特性的图。
图7A和图7B为表示第1实施方式中的蚀刻速率的空间分布特性的图。
图8为表示本发明的第2实施方式中的等离子体蚀刻装置的截面图。
图9A和图9B为表示第2实施方式中的蚀刻速率的空间分布特性的图。
图10A和图10B为表示第2实施方式中的蚀刻速率的空间分布特性的图。
图11为表示第2实施方式中的可变电容器内侧投入功率特性的图。
图12为表示第2实施方式中的等离子体生成用的高频供电电路的等效电路的电路图。
图13为表示在第2实施方式中设置在上部供电棒周围的导体部件的作用的图。
图14为表示在第2实施方式中得到的可变电容器底部本身偏置电压特性的图。
图15A和图15B为表示第2实施方式中的低通滤波器电路结构的图。
图16为表示第2实施方式中的低通滤波器内的电阻的作用的图。
图17为表示第2实施方式中的低通滤波器内的电阻值最佳范围的图。
图18为表示第2实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的纵截面图。
图19A～图19E为表示把第2实施方式中的上部电极突出部分的内径和突出量作为参数的电子密度空间分布特性的图。
图20A和图20B为表示把第2实施方式中的上部电极突出部分的内径和突出量作为二维参数的电子密度均匀性的特性曲线的图。
图21为表示本发明的第3实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的纵截面图。
图22A和图22B为表示用于证实第3实施方式中的密封部件的作用的电子密度的空间分布特性的图。
图23为把表示本发明的第4实施方式中的内侧/外侧投入功率比作为参数的电子密度的空间分布特性的图。
图24为把表示本发明的第4实施方式中的内侧/外侧投入功率比作为参数的重合膜堆积速度的空间分布特性的图。
图25为把表示本发明的第4实施方式中的内侧/外侧投入功率比作为参数的蚀刻深度的空间分布特性的图。
图26为表示把本发明的第5实施方式中的中心/周边气体流量比作为参数的CF2自由基密度的空间分布特性的图。
图27为表示把第5实施方式中的中心/周边气体流量比作为参数的Ar自由基密度的空间分布特性的图。
图28为表示把第5实施方式中的中心/周边气体流量比作为参数的N2自由基密度的空间分布特性的图。
图29为表示把第5实施方式中的中心/周边气体流量比作为参数的SiF4反应生成物的空间分布特性的图。
图30为表示把第5实施方式中的中心/周边气体流量比作为参数的CO反应生成物的空间分布特性的图。
图31为表示第5实施方式的模拟中的自由基生成(离解)的结构的图。
图32A～图32C为表示本发明的第6实施方式中的BARC蚀刻的评价模型和测定数据的图。
图33A～图33C为表示本发明的第7实施方式中的SiO2蚀刻的评价模型和测定数据的图。
图34为用图表示的等离子体密度分布和自由基密度分布的两个系统独立控制的适用例子的图。
具体实施方式
下面参照图对本发明的实施方式进行说明。在下面的说明中，具有大体相同功能和结构的结构要素采用相同的符号，仅在必要的情况下进行重复的说明。
(第1实施方式)
图1为表示本发明的第1实施方式中的等离子体蚀刻装置的纵截面图。此等离子体蚀刻装置的结构为电容结合型平行平板等离子体蚀刻装置。此装置具有例如由表面进行铝阳极化处理(阳极氧化处理)的铝构成的圆筒形的腔体(处理容器)10。腔体10为保证安全被接地。
圆柱形的基座支撑台14通过陶瓷板等绝缘板12配置在腔体10的底部。在基座支撑台14上例如配置由铝构成的基座16。基座16构成下部电极，作为被处理基板例如半导体晶片W放置在它上面。
在基座16的上面配置有用静电吸附力保持半导体晶片W的静电吸盘18。静电吸盘18是把由导电膜构成的电极20夹在一对绝缘层或绝缘片之间的。直流电源22与电极20进行电连接。利用来自直流电源22的直流电压，半导体晶片W被用库仑力吸附保持在静电吸盘18上。在静电吸盘18的周围在基座16的上面上，为了提高蚀刻的均匀性，例如配置由硅构成的聚焦环24。在基座16和基座支撑台14的侧面，粘贴例如由石英构成的圆筒形的内壁部件26。
在基座支撑台14的内部，配置例如在圆周方向延伸的冷却介质室28。在冷却介质室28中利用装在外面的冷机设备(图中没有表示)通过配管30a、30b循环提供规定温度的冷却介质，例如冷却水。用冷却介质的温度可以控制基座16上的半导体晶片W的处理温度。此外从传热气体供给机构(图中没有表示)来的传热气体例如He气，通过气体供给管线32提供到静电吸盘18的上面和半导体晶片W的背面之间。
上部电极34被配置成在基座16的上方与此基座平行并与其面对。两个电极16、34之间的空间是等离子体生成空间。上部电极34形成与基座(下部电极)16上的半导体晶片W相面对并与等离子体生成空间接触的面，也就是形成对向面。上部电极34由环形或圈饼形外侧(outer)上部电极36和圆板形内侧(inner)上部电极38构成，外侧(outer)上部电极36是被配置成与基座16相隔规定间隔，内侧(inner)上部电极38是被配置成与外侧上部电极36的半径方向内侧绝缘。这些所谓的外侧上部电极36和内侧上部电极38关于等离子体生成具有以前者(36)为主、后者(38)为辅的关系。
图2为表示图1所示的等离子体蚀刻装置主要部分的局部放大截面图。如图2所示，在外侧上部电极36和内侧上部电极38之间形成例如0.25～2.0mm的环形空隙(间隙)，在此空隙中设置例如由石英构成的介电体40。也可以在此空隙中设置陶瓷96。把介电体40夹在两个电极36、38之间形成电容器。此电容器的电容C40根据此空隙的尺寸和介电体40的介电率选定或调整到规定值。在外侧上部电极36和腔体10的侧壁之间，例如由氧化铝(Al2O3)构成的环形的绝缘性遮挡部件42被安装成气体密封状态。
外侧上部电极36优选的是由焦尔热少的低电阻的导电体或半导体例如硅构成。第一高频电源52通过匹配器44、上部供电棒46、连接器48和供电筒50，与外侧上部电极36进行电连接。第一高频电源52输出13.5MHz以上的频率的高频电压，例如60MHz的高频电压。匹配器44是用于使负荷阻抗和高频电源52内部(或输出)阻抗匹配的设备。匹配器44具有在腔体10内生成等离子体时，使高频电源52的输出阻抗和负荷阻抗表观上一致的功能。匹配器44的输出端子被连接在上部供电棒46的上端。
供电筒50是由圆筒形或圆锥形或与其接近形状的导电板构成，例如由铝板或钢板构成。供电筒50的下端在圆周方向连续连接在外侧上部电极36上。供电筒50的上端用连接器48与上部供电棒46的下端进行电连接。在供电筒50的外侧，腔体10的侧壁延伸到上部电极34的高度位置的上方，构成圆筒形的接地导体10a。圆筒形接地导体10a的上端用筒形绝缘部件54与上部供电棒46实施电绝缘。在这样的结构中，在从连接器48看的负荷电路中，用供电筒50、外侧上部电极36和圆筒形接地导体10a形成以前者(36、50)为波导路的同轴线路。
在图1中，内侧上部电极38具有电极板56和电极支撑体58，电极板56有多个气体通气孔56a，电极支撑体58可以装拆地支撑电极板56。电极板56例如由Si、SiC等的半导体材料构成，电极支撑体58由导电材料，例如表面进行钝化处理(阳极氧化处理：alumite处理)的铝构成。在电极支撑体58的内部，配置例如用由O型圈构成的环形隔板部件60分割而成的两个气体导入室，也就是中心气体导入室62和周围气体导入室64。用中心气体导入室62和设在它下面的多个气体喷出孔56a构成中心浇淋头。用周围气体导入室64和设在它下面的多个气体喷出孔56a构成周围浇淋头。
按规定的流量比从共同的处理气体供给源66向气体导入室62、64提供处理气体。更详细地说，来自处理气体供给源66的气体供给管68在中途分成两支，连接在气体导入室62、64上，在支管68a、68b上分别配置流量控制阀70a、70b。由于从处理气体供给源66到气体导入室62、64的流路的流导相同，所以通过流量控制阀70a、70b的调整，可以任意调整提供给两个气体导入室62、64的处理气体流量。此外在气体供给管68上配置质量流量控制器(MFC)72和开关阀74。
这样调整导入中心气体导入室62和周围气体导入室64的处理气体的流量比。这样可以任意调整从对应于中心气体导入室62的电极中心部分的气体通气孔56a、也就是从中心浇淋头喷出的气体流量FC与从对应于周围气体导入室64的电极周围部分的气体通气孔56a、也就是从周围浇淋头喷出的气体流量FE的比例(FC/FE)。可使从中心浇淋头和周围浇淋头分别喷出的处理气体的单位面积的流量不同。此外可单独或个别选定从中心浇淋头和周围浇淋头分别喷出的处理气体的气体种类或气体混合比。
第一高频电源52通过匹配器44、上部供电棒46、连接器48和下部供电棒76与内侧上部电极38的电极支撑体58进行电连接。在下部供电棒76的中间配置可以可变调整电容量的可变电容器78。
图中省略了，在外侧上部电极36和内侧上部电极38上也可以设置适当的冷却介质室或冷却套(图中没有表示)。通过从外部的冷机设备把冷却介质提供给此冷却介质室或冷却套，可以控制电极的温度。
在腔体10的底部设置排气口80，排气装置84通过排气管82连接在排气口80上。排气装置84有涡轮分子泵等的真空泵，可以把腔体10内的等离子体处理空间的压力降低到规定的真空度。此外在腔体10的侧壁上安装有开关半导体晶片W的装入取出口的闸阀86。
在此实施方式的等离子体蚀刻装置中，第二高频电源90通过匹配器88与作为下部电极的基座16进行电连接。第二高频电源90输出2～27MHz范围内的频率的高频电压，例如输出2MHz的高频电压。匹配器88是用于使负荷阻抗和高频电源90内部(或输出)阻抗匹配的设备。匹配器88具有在腔体10内生成等离子体时，使高频电源90的内部阻抗和负荷阻抗表观上一致的功能。
用于不使来自第一高频电源52的高频(60MHz)通过、使来自第二高频电源90的高频(2MHz)通向接地的低通滤波器(LPF)92与内侧上部电极38进行电连接。低通滤波器(LPF)92适合用LR滤波器或LC滤波器构成。可是由于即使用一根导线对于来自第一高频电源52的高频(60MHz)，可以给定足够大的电抗，所以也能以此应付。另一方面用于把来自第一高频电源52的高频(60MHz)通向接地的高通滤波器(HPF)94与基座16进行电连接。
在此等离子体蚀刻装置中，要进行蚀刻首先打开闸阀86，把加工对象的半导体晶片W装入到腔体10内，放在基座16上。然后从处理气体供给源66以规定的流量和流量比把蚀刻气体(一般为混合气体)导入到气体导入室62、64，利用排气装置84使腔体10内的压力、也就是蚀刻压力为设定值(例如几mTorr～1Torr的范围内)。用第一高频电源52以规定的功率把等离子体生成用的高频(60MHz)提供给上部电极34(36、38)，同时用第二高频电源90以规定的功率把高频(2MHz)提供给基座16。此外用直流电源22把直流电压提供给静电吸盘18的电极20，把半导体晶片W固定在基座16上。从内侧上部电极38的气体通气孔56a喷出的蚀刻气体，在上部电极34(36、38)和基座16之间的辉光放电中被等离子体化。用此等离子体生成的自由基和离子，对半导体晶片W的被处理表面进行蚀刻。
在此等离子体蚀刻装置中，对上部电极34提供高频区域(离子不动的5～10MHz以上)的高频。这样以优选的解离状态使等离子体高密度化，即使在更低压的条件下也可以形成高密度的等离子体。
此外在上部电极34中，与半导体晶片W正面相对的内侧上部电极38成为浇淋头兼用型，用中心浇淋头(62、56a)和周围浇淋头(64、56a)可以任意调整气体喷出流量的比率。以此在半径方向控制气体分子或自由基密度的空间分布特性，可以任意控制用自由基基体的蚀刻特性的空间的分布特性。
另一方面如后所述，在上部电极34中作为用于生成等离子体的高频电极，以外侧上部电极36为主，以内侧上部电极38为辅，利用两个高频电极36、38可以调整给予电极正下方的电子的电场强度的比例。因此在半径方向控制等离子体密度的空间分布，可以任意而且精细地控制反应性离子蚀刻的空间特性。
其中重要的是等离子体密度空间分布的控制对自由基密度空间分布的控制不要有实质的影响。等离子体密度空间分布的控制利用改变外侧上部电极36和内侧上部电极38之间电场强度或投入功率的比例进行。自由基密度空间分布的控制利用改变中心浇淋头(62、56a)和周围浇淋头(64、56a)之间处理气体流量和气体密度或气体混合比的比例进行。
也就是从中心浇淋头(62、56a)和周围浇淋头(64、56a)喷出的处理气体的离解在内侧上部电极38的正下方的面积内进行。因此即使改变内侧上部电极38和外侧上部电极36之间的电场强度的平衡，也几乎不会影响到内侧上部电极38(同一面积内)的中心浇淋头(62、56a)和周围浇淋头(64、56a)之间的自由基生成量以至密度的平衡。这样等离子体密度的空间分布和自由基密度的空间分布实际上可以独立进行控制。
此外此等离子体蚀刻装置成为在外侧上部电极36的正下方，生成大部分到过半数的等离子体，向内侧上部电极38的正下方扩散的方式。如采用此方式，兼作浇淋头的内侧上部电极38受到的来自等离子体的离子的攻击少。因此可以有效地抑制作为更换部件的电极板56的气体喷出口56a的溅射进行程度，大幅度延长电极板56的寿命。另一方面外侧上部电极36没有电场集中的气体喷出口。因此离子的攻击少，替代内侧上部电极38，电极寿命不变短。
如前所述，图2表示此等离子体蚀刻装置主要部分(特别是构成等离子体生成装置的主要部分)的结构。图2中省略了内侧上部电极38的浇淋头部分(56a、62、64)的结构。图3为表示第1实施方式中的等离子体生成装置的主要部分的等效电路的电路图。在此等效电路中省略了各部分的电阻。
在此实施方式中如上所述，在从连接器48看的负荷电路中，用外侧上部电极36、供电筒50和圆筒形接地导体10a形成把前者(36、50)作为波导路J0的同轴线路。设供电筒(50)的半径(外径)为a0，圆筒形接地导体10a的半径为b，此同轴线路的特性阻抗或电感L0可以近似用下述(1)式表示。
L0＝K·In(b/a0) ……(1)
其中K是由导电路的变化性和介电率决定的常数。
另一方面在从连接器48看的负荷电路中，在下部供电棒76和圆筒形接地导体10a之间也形成以前者(76)为波导路Ji的同轴线路。内侧上部电极38也在下部供电棒76的延长位置上，但是直径差别过大，下部供电棒76的阻抗成为起支配作用。其中如设下部供电棒76的半径(外径)为ai，此同轴线路的特性阻抗或电感Li可以近似用下述(2)式表示。
Li＝K·In(b/ai) ……(2)
象从上述(1)、(2)式可以理解的那样，向内侧上部电极38传递高频的内侧波导路Ji与现在一般的RF系统给出同样的电感Li。另一方面在向外侧上部电极36传递高频的外侧波导路J0仅在直径大的部分给定明显小的电感L0。这样从匹配器44看，在从连接器48之前的负荷电路中，用低阻抗的外侧波导路J0容易传播高频(电压降小)。因此向外侧上部电极36提供多的高频功率P0，可以在外侧上部电极36的下面(等离子体接触面)得到强的电场强度E0。另一方面用高阻抗的内侧波导路Ji，难以传播高频(电压降大)。因此把比提供给外侧上部电极36的高频功率P0小的高频功率Pi提供给内侧上部电极38，可以使在内侧上部电极38的下面(等离子体接触面)得到的电场强度Ei比外侧上部电极36侧的电场强度E0小。
这样用上部电极34在外侧上部电极36的正下方以相对强的电场E0使电子加速，同时在内侧上部电极38的正下方以相对弱的电场Ei使电子加速。这样在外侧上部电极36的正下方生成大部分到超过一半的等离子体P，在内侧上部电极38的正下方辅助产生一部分等离子体P。然后通过在外侧上部电极36的正下方生成的高密度的等离子体向半径方向的内侧和外侧扩散，在上部电极34和基座16之间的等离子体处理空间中在半径方向上使等离子体密度变得均匀。
可是在用外侧上部电极36、供电筒50和圆筒形接地导体10a形成的同轴线路中的最大传输功率Pmax与供电筒50的半径a0和圆筒形接地导体10a的半径b有关，用下述(3)式给出。
Pmax/E0 2max＝a0 2[In(b/a0)]2/2Z0 ……(3)
其中Z0为从匹配器44一侧看的此同轴线路的输入阻抗，E0max为RF传输系统的最大电场强度。
在上述的(3)式中，最大传输功率Pmax在(b/a0)≒1.65为极大值。也就是筒形接地导体10a与供电筒50的半径比(b/a0)约为1.65时，外侧波导路J0的功率传输效率最好。从此观点看，为了提高外侧波导路J0的功率传输效率，优选的是选定供电筒50和/或筒形接地导体10a的半径，使比值(b/a0)至少在1.2～2.0范围内来构成，更优选的是在1.5～1.7范围内来构成。
在此实施方式中，为了任意而且精细地控制等离子体密度的空间分布，作为用于调整外侧上部电极36正下方的外侧电场强度E0(或向外侧上部电极36一侧投入的功率P0)和内侧上部电极38正下方的内侧电场强度Ei(或向内侧上部电极38一侧投入的功率Pi)的比例的装置，也就是调整平衡的装置，在下部供电棒76的中间插入可变电容器78。通过改变可变电容器78的电容C78，使内侧波导路Ji的阻抗或电抗增加或减少，可以改变外侧波导路J0的电压降和内侧波导路Ji的电压降的相对比例。这样可以调整外侧电场强度E0(外侧投入的功率P0)和内侧电场强度Ei(内侧投入的功率Pi)的比例。
此外提供等离子体的电位降的离子层的阻抗一般是电容性的。在图3的等效电路中，假设(假定)在外侧上部电极36正下方的层阻抗的电容为Cpo、内侧上部电极38正下方的层阻抗的电容为Cpi。此外在外侧上部电极36和内侧上部电极38之间形成的电容器的电容C40与可变电容器78的电容C78组合，控制上述的外侧电场强度E0(外侧投入的功率P0)和内侧电场强度Ei(内侧投入的功率Pi)的平衡。可以选定或调整电容C40，使用可变电容器78调整电场强度(投入的功率)平衡的功能最佳化。
图4和图5为表示检验利用此实施方式中的可变电容器78调整电场强度平衡功能的示例(模拟数据)。图4为表示把可变电容器78的电容C78作为参数，在电极的半径方向上的电场强度(相对值)分布特性。图5为表示改变可变电容器78的电容C78时的外侧电场强度E0和内侧电场强度Ei的相对比例。
在此模拟中，使半导体晶片W的口径为200mm，选定圆板形状的内侧上部电极38的半径为100mm、环形的外侧上部电极36的内侧半径和外侧半径分别为101mm、141mm。这种情况下，相对于半导体晶片W的面积(314cm2)，内侧上部电极38的面积为314cm2，与晶片W相同，外侧上部电极36的面积为304cm2，比晶片W稍小。一般在与晶片W相面对的面上，优选的是外侧上部电极36的平面面积为内侧上部电极38的平面面积的约1/4倍～约1倍。
如图4所示，外侧上部电极36的正下方的外侧电场强度E0比内侧上部电极38的正下方的内侧电场强度Ei大，在两个电极36、38的界面附近电场强度产生大的台阶。特别是外侧上部电极36的正下方的外侧电场强度E0在与内侧上部电极38的界面附近最大，有越向半径方向的外侧越低的倾向。在此例子中如图5所示，如在180～350pF范围内改变可变电容器78的电容C78，可以在约10％～40％范围内连续控制电场强度Ei、E0的比例Ei/E0。C78＝125～180pF是负荷电路共振的区域，不能进行控制。在基本稳定区域使可变电容器78的电容C78越大，可以向如下的方向控制：使内侧波导路Ji的电抗减少、使内侧上部电极38的正下方的内侧电场强度Ei相对增加、使外侧电场强度E0和内侧电场强度Ei的比例Ei/E0提高。
在此实施方式中，由于可以使由供电筒50构成的外侧波导路J0的电抗明显变小，可以使从匹配器44的输出端子看的负荷电路的阻抗的电抗成为电容性的负值。这意味着从匹配器44的输出端子到电容性的离子层的波导路中，不存在电抗从感应性的正值极性反转到负值的共振点。通过避免共振点的产生，避免共振电流的产生，可以降低高频能量的损失，同时可以确保等离子体密度分布控制的稳定性。
在图6A(偏置导通)、图6B(偏置截止)和图7A(X方向)、图7B(Y方向)中表示此实施方式的等离子体蚀刻装置中得到的电子密度分布特性和蚀刻速率分布特性的一个例子(试验数据)。在此试验中，与图4和图5的电场强度分布特性相同，把可变电容器78的电容C78作为参数。然后用等离子体吸收探针(PAP)测定了半径方向各位置上的电子密度。此外测定了蚀刻半导体晶片上的硅氧化膜在半径方向的各晶片位置上的蚀刻速度。在此试验中也选定内侧上部电极38的半径为100mm、外侧上部电极36的内侧半径和外侧半径分别为101mm、141mm。主要蚀刻条件如下所述。
晶片口径＝200mm
腔体内的压力＝15mTorr
温度(上部电极/腔体侧壁/下部电极)＝60/50/20℃
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝15/25Torr
上部和下部电极间距离＝50mm
工艺气体(C5F8/Ar/O2)≒流量20/380/20sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒2200W/1500W(C78＝500pF、1000pF)、1800W(C78＝120pF)
在图6A和图6B中，选定可变电容器78的电容C78为120pF时是选定提高外侧电场强度E0和内侧电场强度Ei的比例Ei/E0的情况。在此情况下，可以得到电极中心附近最大，越向半径方向外侧越单调减少的电子密度、也就是等离子体密度的分布特性。这种情况下，认为这是由于等离子体的扩散率超过作为主等离子体生成部的外侧上部电极36的正下方的等离子体生成率和作为副等离子体生成部的内侧上部电极38的正下方的等离子体生成率的差，从所有方向集中的中心部分的等离子体密度与周围相比变得相对高的原因。
另一方面选定电容C78为1000pF时，是选定降低外侧电场强度E0和内侧电场强度Ei的比例Ei/E0的情况。这种情况下，在半径方向与晶片内侧相比，使晶片外侧的位置(距中心140mm附近的位置)电子密度最大化，可以在晶片的内侧(0～100mm)得到大体均匀的电子密度分布。认为这是由于随内侧上部电极38的正下方的等离子体生成率的增加，向半径方向外侧的扩散增强的缘故。无论怎么做，通过在适当范围内精细地可变调整可变电容器78的电容C78，可以自由而且精细地控制电子密度即等离子体密度的空间分布特性。
此外向下部电极16提供高频偏置(2MHz)的情况(图6A)与不提供的情况(图6B)相比，各位置的电子密度有一定程度的增加，分布图形几乎不变。
根据图7A和图7B的试验数据，利用可变调整可变电容器78的电容C78，可以得到对应于图6A和图6B的电子密度空间分布特性的图形的蚀刻速率空间分布特性。也就是通过在适当范围内精细地可变调整可变电容器78的电容C78，晶片面内的蚀刻速率空间分布特性也可以自由而且精细地控制。
此外用此实施方式的等离子体蚀刻装置，在象上述那样在内侧上部电极36的浇淋头机构中，可以可变调整中心部和外围部的气体喷出流量的比例。利用此功能也可以同时进行用自由基基体(radical base)控制蚀刻速率的空间分布特性。
(第2实施方式)
图8为表示本发明的第2实施方式中的等离子体蚀刻装置的截面图。图8中具有与上述第1实施方式的装置(图1)中相同的结构或功能的部分采用同一符号。
第2实施方式中的特征之一是用于把来自高频电源52的高频向外侧上部电极36传输的传输路径、也就是供电筒50是使用铸件的结构。此铸件的材料优选的是导电性和加工性优良的金属，例如可以用铝。铸件的优点之一是成本低，与板材制的相比可以抑制到1/7以下的成本。另外的优点是容易成为一个整体，由于可以减少RF接触面，可以使RF损失减小。
即使用铸件构成供电筒50，也没有使高频传输效率降低。也就是象图9A(铸件)、图9B(板)和图10A(铸件)、图10B(板)的试验数据所示，可以确认供电筒50无论是用板材构成还是用铸件构成，蚀刻速率几乎没有差别。图9A和图9B表示硅氧化膜(SiO2)的蚀刻速率的空间分布特性，图10A和图10B表示光致抗蚀膜(PR)的蚀刻速率的空间分布特性。此验证例中的主要蚀刻条件如下。
晶片口径＝300mm
腔体内的压力＝25mTorr
温度(上部电极/腔体侧壁/下部电极)＝60/60/20℃
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝15/40Torr
上部和下部电极间距离＝45mm
工艺气体(C5F8/Ar/O2)≒流量30/750/50sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒3300W/3800W
测定时间＝120秒
第2实施方式中的第二个特征是在供电筒50内在供电棒76的周围设置环形的导体部件100的结构。如下所述，导体部件100的主要作用是使供电棒76的周围的电感减小，改善用可变电容器78调整外侧/内侧投入功率的调整功能的幅度。
在上述等离子体处理装置中如上所述，通过改变可变电容器78的电容C78，可以任意调节对外侧上部电极36的投入功率P0和对内侧上部电极38投入的功率Pi的比例。一般在改变可变电容器78的电容C78的可变调整用步进电动机步进式进行。在此电容的可变调整中，有必要避开上述的不能控制的共振区域(在图5中的125pF＜C78＜180pF的区域。因此在上述第1实施方式中的试验验证例(图6A、图6B、图7A、图7B)中，主要使用共振区域右侧的稳定区域(C78≥180pF)。可是右侧稳定区域要提高内侧投入功率Pi的比例有个限度，而且有功率损失也大的一面。这一点从图4和图5也可以看出，共振区域左侧的区域(C78≤125pF)对提高内侧投入功率Pi的比例有利，还有功率损失少的优点。但是在共振区域左侧，由于越提高内侧投入功率Pi的比例，越接近共振区域，在图11的特性曲线A那样的变化率(倾斜)大的特性曲线下，存在有在靠近共振区域的微调非常困难的一面。
为了解决此问题，如图11的特性曲线B所示，在电容—内侧投入功率比例特性曲线中，减小共振区域左侧的区域的变化率，拓宽调整范围是有效的。而为了得到图11的特性曲线B那样的倾斜缓的宽的特性曲线，如下述那样减小供电棒76周围的电感Li是有效的。
图12为表示第2实施方式中的等离子体生成用的高频供电电路的等效电路的电路图。在供电棒76周围的电抗ωLi由于一般采用比电容78的电抗1/ωC78大的绝对值，内侧波导路Ji的合成电抗X一般为感应性的，可以表示成X＝ωLa。用此表观的电感La和电容C40形成的并联电路成为共振状态时，在电感La的电纳1/ωLa和电容C40的电纳ωC40相互抵消为零时，也就是1/ωLa＝1/(ωLi-1/ωC78)＝ωC40成立的时候。其中越减小Li，使上述共振条件成立的C78的值越大，靠近如图11的特性曲线B所示的共振区域，得到倾斜缓的宽的特性曲线。为了用图12的等效电路进行简单的说明，省略了外侧波导路J0的电感L0。即使此等效电路中加入电感L0，原理也是相同的。
图13为表示在此实施方式中的导体部件100的作用。在供电棒76中流过随时间变化的电流I时，在供电棒76的周围产生环状磁通B，同时由于电磁感应在导体部件100的内部流过与磁通B交链的感应电流i。于是由于感应电流i在导体部件100的内外生成环状的磁通b，在导体部件100的内部仅仅磁通b的部分抵消磁通B。这样通过在供电棒76的周围设置导体部件100，使供电棒76周围真正的磁通生成量减少，可以使电感Li减小。
导体部件100的外观结构优选的是在圆周方向连续的单一的环形体，也可以是把多个导体部件100在圆周方向并排配置的结构。此外导体部件100的内部结构可以是图13所示的环形有空洞的中空体，如图8所示的内部埋入的块体结构可以得到更大的降低电感的效果。优选的是导体材料100的容积越大越好，理想的是最优选充满供电筒50内侧的空间。实际应用中，优选的是供电筒50和外侧上部电极36围住的空间的1/10～1/3用导体部件100填充。导体部件100的材料可以是任意的导电材料，例如可以用铝的铸件。导体部件100配置成与附近的导体，也就是供电棒76和内侧上部电极38等电绝缘。
图14为表示用试验数据对在此实施方式中用导体部件100的上述拓宽效果进行验证的例子。在图14中，特性曲线B′是用此实施方式的装置构造得到的，特性曲线A′是用没有设置导体部件100的装置结构得到的。这些特性曲线A′、B′分别对应于把图11的特性曲线A、B颠倒过来的曲线。也就是在这种平行平板型等离子体装置中，存在有越增加向上部电极34的中央部分的投入功率(内侧投入功率Pi)的比例，在基座16一侧基板W附近的等离子体密度越高，这样(与等离子体密度成反比)基座16一侧的偏置频率的Vpp越低的关系。根据此关系，可以改变可变电容器78的变化步进值(与电容C78的值成比例的控制量)，把在各个步进值得到的Vpp的测定值加以绘图得到的特性曲线A′、B′(图14)对应于把图11的特性曲线A、B上下颠倒过来的曲线。如从图14的特性曲线B′证实的那样，如采用此实施方式，通过在供电棒76的周围设置导电部件100，在用可变电容器78调整外侧/内侧投入功率平衡中，可以稳定而且精细地控制内侧投入功率Pi的比例成为在靠近共振区域的尽可能高的值。
第2实施方式的第三个特征是关于在内侧上部电极38和接地电位之间连接的低通滤波器92。如图15A所示，在此实施方式中的低通滤波器92与可变电阻器93和线圈95串联，以不通过生成等离子体用的高频(60MHz)，通过偏置用高频(2MHz)以下的交流频率和直流的方式构成。如采用低通滤波器92，通过可变调整可变电阻器93的电阻值R93，可以调整内侧上部电极38的直流电位或本身偏置电压Vdc。
更详细地说如图16所示，越减小电阻器93的电阻值R93，电阻器93的电压降越小，负的直流电位Vdc升高(接近接地电位)。相反，越增大电阻器93的电阻值R93，电阻器93的电压降越大，直流电位Vdc降低。不过如直流电位Vdc过高(一般如高于-150V)，等离子体电位升高，产生异常放电或电弧。另一方面如直流电位Vdc过低(一般如低于-450V)，离子向内侧上部电极38的冲击变强，电极的消耗快。
如采用其他的看法，如图17所示，在直流电位Vdc中存在对上述异常放电和电极消耗都可以防止以至抑制的适合的范围(-450V～-150V)，存在有对应于此适合范围的电阻值R93的范围(Ra～Rb)。因此利用从电阻器93一侧选定或调整电阻值R93在上述范围(Ra～Rb)内可以把直流电位Vdc调整到上述适合的范围(-450V～-150V)。此外利用向上部电极34整体(外侧上部电极36和内侧上部电极38)提供的高频功率的值也可以改变电阻值R93的适合范围(Ra～Rb)。作为一个例子，对于3000W的高频功率，可以得到下限电阻值Ra＝约1MΩ的试验结果。
此外如图15B所示，通过可变直流电源97把内侧上部电极38接地，也可以利用电源电压直接控制直流电位Vdc。优选的是可变直流电源97用双极电源构成。
第2实施方式的第四个特征是在上部电极34中，使外侧上部电极36的下面比内侧上部电极38的下面还向下、即向基座16一侧突出的结构。图18为表示第2实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的纵截面图。在此例子中，把外侧上部电极36作成由上侧的第一电极部件36A和下侧的第二电极部件36B构成的分成上下两部分的结构。主体的第一电极部件36A例如用进行了铝阳极化处理的铝构成，被连接在供电筒50上。更换部件的第二电极部件36B例如用硅构成，以比内侧上部电极38的下面仅突出规定值H的状态，用螺栓(图中没有表示)等紧密固定在第一电极部件36A上，可以装拆。在两个电极部件36A、36B之间，作为用于提高热导的部件102，设置硅橡胶薄片等。此外利用把两个电极部件36A、36B的接触面用特氟隆(商品名)涂敷，可降低热阻。
在外侧上部电极36的突出部分36B的突出量H和内径(直径)Φ规定从外侧上部电极36以至上部电极34给予等离子体生成空间的电场的强度和方向等，进而成为左右等离子体密度的空间分布特性的重要的因素。
图19A～图19E表示以突出部分36B的突出量H和内径(直径)Φ为参数的电子密度空间分布特性的一个例子(试验数据)。在此试验中也用等离子体吸收探针(PAP)测定了在半径方向的各位置的电子密度。但是使半导体晶片的口径为300mm。主要的参数Φ、H在图19A的试验例子中为Φ＝329mm、H＝15mm，在图19B的试验例子中为Φ＝329mm、H＝20mm，在图19C的试验例子中为Φ＝339mm、H＝20mm，在图19D的试验例子中为Φ＝349mm、H＝20mm，在图19E的试验例子中为Φ＝359mm、H＝25mm。此外其次的参数选定四种内侧投入功率Pi和外侧功率P0的比例Pi/P0(RF功率比)为(30/70)、(27/73)、(20/80)、(14/86)。
在图19A～图19E的试验数据中，越增加外侧上部电极36的突出部分36B的内径(直径)Φ，电子密度的急剧下跌的拐点F越向半径方向外侧移动，越增加突出部分36B的突出量H，电子密度的急剧下跌的拐点F上升。理想的特性是拐点F位于晶片边缘位置(150mm的位置)的正上方，而且是在高的位置保持与中央部分一侧的平的关系的分布特性。在这一点上，在图19D的特性(Φ＝349mm、H＝20mm)、特别是RF功率比Pi/P0选定30/70的情况下的特性最接近理想值。
图20A为表示以Φ、H作为二维参数的电子密度空间分布的总体均匀性UT和边缘的均匀性UE的特性。其中所谓总体均匀性UT是如图20B所示，从晶片中心位置(R0)到晶片边缘位置(R150)的半径方向整个区域的面内的均匀性。此外边缘的均匀性UE是晶片边缘附近的区域、例如从半径130mm的位置(R130)到晶片边缘位置(R150)的区间的面内的均匀性。
如图20A的特性所示，突出部分36B的突出量H在很大程度上左右总体的均匀性UT，对边缘的均匀性UE也有很大影响。另一方面突出部分36B的内径(直径)Φ对边缘均匀性E起作用的，对总体的均匀性T几乎没有影响。总之突出部分36B的突出量H优选的是25mm以下，特别优选的是设定在20mm左右。此外突出部分36B的内径(直径)Φ优选的是设定在348mm～360mm的范围内，特别更优选的是设定在349mm附近。再有Φ＝348mm～360mm意味着突出部分36B配置在距晶片边缘在半径方向外侧24mm～30mm的位置。
重要的是在于外侧上部电极36的突出部分36B通过对于等离子体生成空间给予从周边一侧向半径方向内的电场，起到把等离子体封闭的作用方面。从这一点看，为了实现等离子体空间分布特性的均匀性，希望可以说突出部分36B必须位于晶片边缘更靠向半径方向外侧。另一方面突出部分36B的半径方向的宽度不重要，可以选择任意的宽度。
(第3实施方式)
图21为表示本发明的第3实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的纵截面图。特征以外的部分可以与上述第2实施方式的相同。第3实施方式的特征是在上述第2实施方式的外侧上部电极36的突出部分36B的周围设置密封部件104的结构。
密封部件104例如由进行了铝阳极化处理(alumite：氧化铝膜处理)的铝板构成，与处理容器10的侧壁进行物理的和电的结合。密封部件104从容器侧壁大致水平延伸到外侧上部电极36的突出部分36B的下面，以非接触或绝缘状态覆盖突出部分36B和环形遮挡部件42的下面。外侧上部电极36的第2电极部件36B构成L形断面，外围一侧的部分垂直向下形成突出部分。可以用与上述第2实施方式相同的数值条件设定此突出部分的突出量H和内径Φ。
密封部件104的功能是从外侧上部电极36的突出部分36B的下面和环形遮挡部件42的下面遮挡和封闭高频放电，抑制在它的正下方的等离子体生成。这样可以进一步提高最初把等离子体封闭在晶片正上方的效果。
图22A(有密封部件)和图22B(没有密封部件)表示用密封部件104的封闭等离子体的效果的试验数据。不设置密封部件104的情况如图22B所示，在半径方向上等离子体电子密度在晶片边缘位置(150mm)的外侧，一度下跌后重新上升，形成山字形。这是由于通过从外侧上部电极36的突出部分36B的下面和环形遮挡部件42的下面向垂直下方释放高频功率，在它的正下方生成等离子体，存在有电子和离子。这样由于在半径方向外侧离开晶片边缘位置相当距离的空间内，存在有相当数量的等离子体，晶片正上方的等离子体密度仅减小此部分。
与此相反，象此实施方式那样设置密封部件104的情况如图22A所示，在晶片边缘位置(150mm)的外侧，电子密度(等离子体密度)实际向半径方向外侧单调减少，相反在晶片正上方整体增加。这是由于由于存在有密封部件104，外侧上部电极36的突出部分36B的下面和环形遮挡部件42的下面不是高频的通路，在它的正下方生成的等离子体大幅度减少。此外高频电源52的RF功率越大，用密封部件104的封闭等离子体的效果以至防止等离子体扩散的效果也越大。
此外作为次要的效果，象上述那样利用密封部件104在晶片边缘位置的外侧大幅度减弱生成等离子体，在它的附近的自由基和离子等的蚀刻种也减少。因此可以有效地防止在容器内的各部位(特别是密封部件104附近)附着不希望有的重合膜。
例如现在在Low-k膜(低介电率层间绝缘膜)的蚀刻加工中，在等离子体蚀刻后，在同一腔体内使用O2气进行灰化(去除保护膜)。此时在之前的等离子体蚀刻中在容器内以聚合物形态附着的反应种(例如CF、F等)，被用等离子体中的活性氧原子诱发，有时会产生把Low-k膜的通孔削成弯曲形状，或侵入到膜内，改变k值等的损坏(Low-k损坏)。可是如采用此实施方式，由于用密封部件104可以有效地抑制在等离子体蚀刻中的反应物的所不希望的堆积，可以解决上述的Low-k损坏的问题。此外密封部件104可以把任何的导电材料或半导体(例如硅)作为材料，也可以把不同材料进行组合来构成。
在图21中也表示了在上部电极34(36、38)上设置冷却介质通路106、108的结构。分别通过配管110、112把用冷机装置(图中没有表示)进行温度调整的冷却介质循环提供给冷却介质通路106、108。在外侧上部电极36中，在第一电极部件36A上设置冷却介质通路106。第二电极部件36B由于通过提高热传导的涂层或薄片102结合在第一电极部件36A上，所以可以有效地利用冷却机构得到冷却。
在使高频电源52、90断开期间，也向各电极提冷却介质。迄今为止，在这种等离子体处理装置中，例如使用热传导液(galden)等的绝缘性的冷却介质。这种情况下，由于在冷却介质在冷却介质通路流动时因摩擦产生的静电，电极成为异常的高电压状态，担心在高频电源断开期间的维护等中，如人的手触摸而触电。可是在此实施方式的等离子体处理装置中，通过低通滤波器92(参照图8)内的电阻器93，在内侧上部电极38上产生的静电可以跑入地线，可以防止触电的危险。
(第4实施方式)
使用上述第3实施方式中的等离子体蚀刻装置(图8、图21)，进行在硅氧化膜(SiO2)上形成开口直径(Φ)0.22μm的孔的蚀刻试验。在此试验中把对外侧上部电极36和内侧上部电极38的RF功率的投入比例(Pi/P0)作为参数，来评价蚀刻特性(特别是蚀刻速率)。其他的蚀刻条件如下，图23～图25表示试验结果的数据。
晶片口径＝300mm
腔体内的压力＝20mTorr
温度(上部电极/腔体侧壁/下部电极)＝20/60/60℃
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝20/35Torr
上部和下部电极间距离＝45mm
外侧上部电极的突出量(H)＝15mm
工艺气体(C5F8/CH2F2/N2/Ar/O2)≒10/20/110/560/10sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒2300W/3500W
蚀刻时间＝120秒
如图23所示，如内侧投入功率Pi的比例按14％、18％、30％增加，电子密度也就是等离子体密度在晶片中央部分附近与Pi的比例成比例的增加，另一方面在晶片边缘部分附近几乎不变。以此为基础，通过使RF功率的投入比率(Pi/P0)可变，可以控制在半径方向的等离子体密度的空间分布特性。
图24为表示由与自由基密度成比例关系的反应生成物或反应种形成的重合膜堆积速度在半径方向的各个位置测定的结果。此试验是用于观察在可以改变RF功率的投入比例(Pi/P0)时，自由基密度受到的影响。此外使重合膜堆积的试样基板使用裸硅晶片。从图24的试验数据确认了，即使改变RF功率的投入比例(Pi/P0)，对于重合膜的堆积速度、也就是对自由基密度的空间分布特性影响也非常小。
图25为把表示在上述的SiO2的蚀刻中，在晶片上的半径方向的各个位置上测定的蚀刻深度。如图25所示，如内侧投入功率Pi的比例按14％、18％、30％增加，蚀刻深度在晶片中央部分附近与Pi的比例成比例的增加，另一方面在晶片边缘部分附近几乎不变。也就是表示与电子密度相同的倾向(图24)。
这样从图23～图25的试验数据可以确认以下事实。也就是通过改变对外侧上部电极36和内侧上部电极38的RF功率的投入比例(Pi/P0)，对自由基密度的空间分布特性没有实质的影响，也就是由于自由基密度的空间分布控制独立，可以控制在半径方向上的等离子体密度的空间分布。因此利用可以改变RF功率的投入比例(Pi/P0)，可以改善蚀刻深度也就是蚀刻速率的均匀性。此外即使使用在上述第1或第2实施方式中的等离子体时刻装置(图1、图8、图18)，也可以得到与上述相同的试验结果。
(第5实施方式)
使用上述第3实施方式的等离子体蚀刻装置(图8、图21)，用CF系的处理气体对硅氧化膜(SiO2)进行蚀刻的模拟。在此模拟中以用中心浇淋头(62、56a)喷射的处理气体的流量FC和用周围浇淋头(64、56a)喷射的处理气体的流量FE的比例(FC/FE)作为参数，评价了各自由基或各反应生成物的分布。在此模拟中设在晶片表面不发生反应，也不产生反应生成物和反应物的吸附，假设在基底SiO2膜上单纯发生下述反应。
2CF2+SiO2→SiF4+2CO
其他的重要蚀刻条件如下，图26～图30表示对于各自由基或各反应生成物的模拟的结果。在图31中表示通过从主要蚀刻气体(C4F8)的分子分阶段离解生成的自由基的种类和生成率(括弧内的％的数字)。
晶片口径＝200mm
腔体内的压力＝50mTorr
温度(上部电极/腔体侧壁/下部电极)＝20/60/60℃
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝10/35Torr
上部和下部电极间距离＝30mm
外侧上部电极的突出量(H)＝15mm
工艺气体(C4F8/N2/Ar)≒5/120/1000sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒1200W/1700W
如图26所示，作为主要反应种的CF2的密度分布特性受中心/周围气体流量比例(FC/FE)很大影响。也就是越提高中心气体流量FC的比例，晶片中央部分附近的CF2密度越高，另一方面晶片边缘附近的CF2密度几乎不变。如图28所示，表示CO自由基的密度分布特性相对中心/周围气体流量比例(FC/FE)也产生同样的变化。不过如图27所示，Ar自由基的密度分布特性相对中心/周围气体流量比例(FC/FE)几乎没有变化。
如观察反应生成物，如图29和图30所示，SiF4密度和CO密度都由中心/周围气体流量比例(FC/FE)左右。更详细地说，越降低中心气体流量FC的比例，晶片中央部分附近的SiF4、CO密度越高，另一方面晶片边缘附近几乎不变。即使使中心气体流量FC和周围气体流量FE相同(FC/FE＝50/50)，晶片中央部分附近也比晶片边缘附近高。这样反应生成物容易积聚在中央部分一侧是因为用来自上方的新鲜气体流把反应生成物压向侧方挪开的作用比周围部分弱。
如在晶片上反应生成物不均匀分布，不仅影响到各位置的处理气体供给率和化学反应的均匀性，还有时蚀刻形状和选择性等受到直接影响。在此实施方式中如图29和图30所示，利用设定中心气体流量FC比周围气体流量FE多(在图中的例子中FC/FE＝70/30附近)，可以使反应生成物的空间密度均匀化。此外即使使用上述第1或第2实施方式中的等离子体蚀刻装置(图1、图8、图18)，也能得到与上述相同的模拟结果。
(第6实施方式)
使用上述第3实施方式的等离子体蚀刻装置(图8、图21)，进行蚀刻BARC(反射防止膜)的试验。在此试验中以中心/周围气体流量比例(FC/FE)为参数，评价蚀刻形状和选择性。图32A表示评价试样。使掩模开口直径(Φ)为0.12μm、光致抗蚀膜的膜厚为350nm、BARC的膜厚为80nm、SiO2的膜厚为700nm。作为选择性评价项目测定了“氧化膜损失”和“保护膜残量”。作为蚀刻形状或尺寸精度的评价项目测定了“底部CD”。图32B表示设定为FC/FE＝50/50时的各评价项目的测定值，图32C表示设定为FC/FE＝70/30时的各评价项目的测定值。测定点的“中心”是晶片的中心点的位置，“边缘”是从晶片的切口端向中心点5mm的位置。主要蚀刻条件如下。
晶片口径＝300mm
腔体内的压力＝150mTorr
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝10/25Torr
上部和下部电极间距离＝30mm
外侧上部电极的突出量(H)＝15mm
工艺气体(CF4)≒200sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒500W/600W
蚀刻时间＝30秒
在此BARC蚀刻的评价项目中，“氧化膜损失”为作为BARC蚀刻的延长削去基底膜的SiO2后的深度。此值越小越好，与此同时晶片上的波动(特别是中心和边缘之间的波动)越小越好。“保护膜残量”是蚀刻完成后残留的光致抗蚀膜的厚度。此值越大越好，同样波动越小越好。“底部CD”是在BARC上形成的孔的底的直径。此值越接近掩模直径Φ越好，同样波动越小越好。
如图32B所示，在设定中心气体流量FC和周围气体流量FE为相同量(5∶5)时，在全部的评价项目中，中心和边缘之间的波动大，特别是“保护膜残量”的波动大。与此相反，在设定中心气体流量FC比周围气体流量FE多(7∶3)的情况下，如图32C所示全部的评价项目良好，均匀稳定，选择性和蚀刻形状显著改善。
这样如采用此实施方式，在处理容器10内，特别是在设定在上部电极34和下部电极16之间的等离子体生成空间中，调整从设置在上部电极34的内侧上部电极38上的中心浇淋头(62、56a)喷射的处理气体流量FC和从周围浇淋头(64、56a)喷射的处理气体流量FE的比例(FC/FE)。这样控制自由基密度的空间分布，可以实现用自由基基体的蚀刻特性(选择性、蚀刻形状等)的均匀化。此外即使使用上述第1或第2实施方式中的等离子体蚀刻装置(图1、图8、图18)，也能得到与上述相同的测定结果。
(第7实施方式)
使用上述第3实施方式中的等离子体蚀刻装置(图8、图21)，进行蚀刻SiO2膜的试验。在此试验中以中心/周围气体流量比例(FC/FE)为参数，评价蚀刻形状。图33A表示评价试样。使掩模开口直径(Φ)为0.22μm、光致抗蚀膜的膜厚为500nm、BARC的膜厚为100nm、SiO2的膜厚为1μm。作为蚀刻形状的评价项目测定了“蚀刻深度”和“顶端CD”、“底部CD”。图33B表示设定为FC/FE＝50/50时的各评价项目的测定值，图33C表示设定为FC/FE＝10/90时的各评价项目的测定值。主要蚀刻条件如下。
晶片口径＝300mm
腔体内的压力＝20mTorr
温度(上部电极/腔体侧壁/下部电极)＝20/60/60℃
传热气体(He气)供给压力(中心部位/边缘部位)＝20/35Torr
上部和下部电极间距离＝45mm
外侧上部电极的突出量(H)＝15mm
工艺气体(C5F8/CH2F2/N2/Ar/O2)≒10/20/110/560/10sccm
高频功率(60MHz/2MHz)≒2300W/3500W
RF功率比(内侧投入功率Pi/外侧投入功率P0)＝30∶70
蚀刻时间＝120秒
在此SiO2蚀刻的评价项目中，“蚀刻深度”是蚀刻时间(120秒)期间在SiO2膜上形成的孔的深度，相当于蚀刻速度。“顶端CD”和“底部CD”是在SiO2膜上形成的孔的上端和下端(底)的直径，两者的值越接近，垂直形状的性能(各向异性)越好。当然所有的评价项目“中心”和“边缘”之间的波动越小越好。
如图33B所示，在设定中心气体流量Fc和周围气体流量FE为相同量的5∶5时，不仅“蚀刻深度”有波动，而且在各位置顶端CD/底部CD的比小，有很大的锥形化的倾向。与此相反，在设定中心气体流量FC比周围气体流量FE少(1∶9)的情况下，如图33C所示，“蚀刻深度”也就是蚀刻速度均匀化，同时能实现垂直形状性能的提高和均匀化。
这样在此实施方式中，也利用调整内侧气体流量Fc和外侧气体流量FE的比例(FC/FE)，控制自由基密度的空间分布，可以达到用自由基基体的蚀刻特性(特别是蚀刻形状)的均匀化。此外即使使用上述第1或第2实施方式中的等离子体蚀刻装置(图1、图8、图18)，也能得到与上述相同的测定结果。
如采用以上所述的实施方式，在处理容器10内设定的等离子体生成空间中，等离子体密度分布的控制和自由基密度分布的控制可以独立进行。这样例如图34的图所示，在多种用途的等离子体处理的用途中，可以恰好以两个系统的独立控制对应。
上述的实施方式可以以本发明的技术思想为基础进行各种变化。例如也可以是把来自第一高频电源52的高频通过匹配器44和供电筒50等仅提供给外侧上部电极36，不提供给内侧上部电极38的结构。在此情况下，也可以是内侧上部电极38发挥作为浇淋头的功能，或作为用于把来自第二高频电源90的高频流向地线的电极的功能。或者也可以把内侧上部电极38更换成没有电极功能的专用的浇淋头。此外上述的实施方式中，用一个或单体的环形电极构成外侧上部电极36，但也可以用整体环形配置的多个电极构成。此外也可以采用使外侧上部电极36的内径非常小的结构。此外根据用途的不同，可以省掉第二高频电源90。本发明不限于等离子体蚀刻，可以适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、溅射等各种等离子体处理。此外在本发明中的被处理基板也不是限定于半导体晶片，也可以是平板显示器用的各种基板、光掩模、CD基板、印刷基板等。
Claims (21)
1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：
可设定成有真空气氛的处理容器；
与在所述处理容器内配置在规定位置的被处理基板相对向地配置的上部电极；
向所述处理容器内供给处理气体的处理气体供给部；
输出第一高频电力的第一高频电源；
具有与所述上部电极在周围方向连续连接的第一筒形导电部件，将来自所述第一高频电源的所述第一高频电力供给所述上部电极的供电部，和
配置于所述第一筒形导电部件的半径方向外侧，且与接地电位相连接的第二筒形导电部件，
作为所述第二筒形导电部件的半径对所述第一筒形导电部件的半径的比的径比在1.5～1.7的范围内。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述上部电极具有配置为环状的电极。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
所述上部电极由一个环形电极所构成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述上部电极由低电阻的导电体或半导体所构成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述上部电极具有：与所述供电部相连接的第一电极部件，和与所述基板相对向、可装拆地粘附安装在所述第一电极部件的下面的第二电极部件。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述第一电极部件具有用于使冷却介质通过的冷却介质通路。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
还具有配置于所述第一电极部件与所述第二电极部件之间，用于降低热电阻的膜或薄片。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
还具有为了使所述第一高频电源的输出阻抗与负荷阻抗匹配而连接于所述第一高频电源的输出端子与所述供电部之间的匹配器。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述上部电极还具有包围供给所述处理气体的浇淋头、且比所述浇淋头的下面更向下突出的突出部。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
将所述突出部对于所述浇淋头的下面向更下方的突出量设定为25mm以下。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
所述突出部的内径部分配置在相比于所述基板的外周端向半径方向外侧离开24～30mm的位置。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
还具有在所述上部电极的下面配置的密封部件。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：
还具有覆盖所述突出部的下面的密封部件。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：
所述密封部件由导体或半导体所构成。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：
所述密封部件从所述上部电极的下面延伸至所述处理容器的内壁。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：
所述密封部件与所述上部电极电气分离，且与接地的所述处理容器电连接。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
还具有为了在所述处理容器内装载所述基板而与所述上部电极相对向配置的下部电极。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：
所述下部电极通过使所述第一高频通过的高通滤波器而与接地电位电连接。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：
还具有为了向所述下部电极供给比所述第一高频电力的频率低的第二高频电力的第二高频电源。
20.一种等离子体处理方法，其特征在于，具有以下工序：
在可设定成具有真空气氛的处理容器内在规定位置配置被处理基板的工序；
向在所述处理容器内与所述基板相对向地配置的上部电极，通过具有与所述上部电极在周围方向连续连接的第一筒形导电部件的供电部，供给来自高频电源的高频电力的工序；
向所述上部电极供给所述高频电力，并向所述处理容器内供给规定的处理气体，在所述上部电极的正下方附近使所述处理气体等离子体化的工序；和
在使所述等离子体扩散的同时由所述等离子体对所述基板实施规定的等离子体处理的工序，
在所述第一筒形导电部件的半径方向外侧配置与接地电位相连接的第二筒形导电部件，作为所述第二筒形导电部件的半径对所述第一筒形导电部件的半径的比的径比在1.5～1.7的范围内。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：
所述上部电极具有配置为环状的电极。
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