CN101546697B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置，其能够容易且自如地控制等离子体密度分布，提高等离子体工艺的均一性和成品率。该等离子体处理装置将基座(12)在半径方向上二分割为基座中心电极(12A)和基座周边电极(12B)，为了高频放电或等离子体生成而将从高频电源16输出的高频经由下部供电导体(18)优先供给基座周边电极(12B)上，并同时经由可变电容耦合部(28)以可变的分配比将该高频也供给基座中心电极(12A)上。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种对被处理基板实施等离子体处理的技术，特别是电容耦合型的等离子体处理装置。
背景技术
在半导体设备、FPD(Flat Panel Display：平板显示器)的制作过程中的蚀刻、堆积、氧化、喷镀等处理中，为了以较低温对处理气体进行良好的反应而大量利用等离子体。以往，在枚页式的等离子体处理装置中，能够容易实现大口径等离子体的电容耦合型的等离子体处理装置成为主流。
一般地，电容耦合型的等离子体处理装置在构成真空腔室的处理容器内平行配置上部电极和下部电极，在下部电极之上载置被处理基板(半导体晶片、玻璃基板等)，对两电极间施加高频。于是，在两电极间由高频电场加速的电子、从电极放出的二次电子、或者被加热的电子与处理气体的分子引起电离碰撞，产生处理气体的等离子体，通过等离子体中的原子团或离子，对基板表面实施所希望的微细加工、例如蚀刻加工。
在等离子体蚀刻装置中，大多使用下述方式，即，对下部电极同时施加具有适合于等离子体生成(高频放电)的较高频率(通常40MHz以上)的第一高频和具有适合于向基板引入离子(偏压)的较低频率的(通常13.56MHz以下)的第二高频的下部二频率施加方式。
这其中，伴随着半导体工艺技术中的设备的微细化、高度集成化，在电容耦合型的等离子体处理装置中，要求更高效率、高密度、低偏压的等离子体工艺，因此现在用于等离子体生成的高频的频率需要尽量提高。另一方面，伴随着芯片尺寸的大面积化、基板的大口径化，需要更大口径的等离子体，腔室(处理容器)逐渐大型化。
这里的问题是，在腔室的处理空间内(特别是半径方向)难以使等离子体密度均匀。即，若放电用的RF频率提高，则根据在腔室内驻波形成的波长效应或在电极表面高频集中在中心部的集肤效应等，等离子体的密度大致以在基板上中心部极大而边缘部最低的轮廓变得不均匀。在基板上等离子体密度不均匀，则等离子体工艺也不均匀，设备的制造成品率下降。
关于这样的问题，目前在电极的结构上尝试了各种办法。例如，在专利文献1中公开的等离子体处理装置中，在与处理空间相对的电极的主面上埋入介电体，使相对于从电极主面放射在处理空间中的高频的电阻在电极中心部相对较大，在电极边缘部相对较小，提高等离子体密度分布的均一性。
如上所述在电极的主面埋入介电体的方法中，电极主面上的阻抗分布特性根据介电体的材质和形状轮廓而被固定，能够保证等离子体密度分布的均一性控制的工艺区域狭窄，不能够对多种多样的工艺或工艺条件的变更进行灵活应对。在最近的等离子体工艺中，所使用的气体、压力的种类、范围有增大、扩大的倾向，所以不能够满足均一性的案例增多，需要能够自由变更等离子体分布的调整旋钮。
另外，在下部二频率施加方法中，在频率高的第一高频和频率低的第二高频中，下部电极的主面上的电场强度分布特性不同。而且，现有技术中，将第一高频和第二高频经由相同的供电部件施加给单体的下部电极，所以在配置在下部电极上的被处理基板上难以使得(依赖于第一高频的电场强度分布特性)等离子体密度分布特性和(依赖于第二高频的电场强度分布特性)自偏压分布特性同时实现最优化，例如，要改善等离子体密度的均一性，则取而代之就会出现各向异性蚀刻的均一性降低的问题。
专利文献1：日本特开2004-363552
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够容易且自由控制等离子体密度分布，并提高等离子体工艺的均一性和成品率的电容耦合型的等离子体处理装置。
本发明另一目的在于提供一种能够使得等离子体密度分布特性和自偏压分布特性同时实现最优化的下部二频率施加方式的电容耦合型等离子体处理装置。
为了实现上述目的，本发明涉及一种等离子体处理装置，其包括：能够真空排气的处理容器；在上述处理容器内载置被处理基板的下部中心电极；与上述下部中心电极电气绝缘，以环状包围上述下部中心电极的外周的下部周边电极；与上述下部中心电极以及上述下部周边电极相对而配置在其上方的上部电极；对上述下部中心电极以及上述下部周边电极和上述上部电极之间的处理空间供给处理气体的处理气体供给部；输出用于通过高频放电生成上述处理气体的等离子体的第一高频的第一高频电源；与上述下部周边电极的背面连接以将来自上述第一高频电源的上述第一高频优先供给上述下部周边电极上的第一下部供电导体；和第一可变电容耦合部，其为了将来自上述第一高频电源的上述第一高频的一部分供给上述下部中心电极，通过阻抗可变的电容耦合将上述第一下部供电导体以及上述下部周边电极的至少一方与上述下部中心电极电气连接。
在上述的装置结构中，来自第一高频电源的第一高频经由第一下部供电导体优先地供给下部周边电极上，其余的经由第一可变电容耦合部供给下部中心电极上。通过改变第一可变电容耦合部的阻抗，能够使分配给第一高频的下部周边电极和下部中心电极的比率可变。由此，能够使下部周边电极正上方的高频电场强度和下部中心电极正上方的高频电场强度之比或它们的平衡度可变，能够自由且容易地控制被处理基板上的等离子体密度分布。
根据本发明的优选的一个实施方式，第一下部供电导体具有在下部中心电极的中心部的正下方向竖直上方延伸，在从下部中心电极离开的位置终结的第一供电棒；和从第一供电棒的上端部向半径方向外侧以及上方延伸至下部周边电极的背面的面状连接部。从第一高频电源输出的第一高频在第一供电棒的外周面表层传送至其上端，则从此而在面状连接部的外侧面表层传送，从下部周边电极的外周面向上表面绕回，从下部周边电极的上表面向处理空间放出。
作为优选的一个实施方式，第一可变电容耦合部设置在第一供电棒或面状连接部和下部中心电极之间。这种情况下，没有从下部周边电极的上表面向处理空间放出的剩余的第一高频经由下部周边电极的内周面表层和面状连接部的内侧面表层而通过第一可变电容耦合部，进入下部中心电极的背面。并且，下部中心电极的外周面向上表面绕回的第一高频在此向处理空间放出。
作为更具体的实施方式，第一可变电容耦合部具有在面状连接部和下部中心电极之间的空间内在圆周方向上隔开一定间隔配置的、分别设置为能够以水平的轴为旋转中心在旋转方向上变位的多个导体板。在这样的结构中，在导体板和面状连接部之间经由可变的间隙形成下部电容器，在导体板和下部中心电极之间经由可变的间隙而形成上部电容器。通过改变两个电容器的间隙的大小，而能够改变第一可变电容耦合部的电容器容量和阻抗值。
作为另一具体实施方式，第一可变电容耦合部具有：以同心圆状配置多个并与下部中心电极电气连接的环状的上部翼片导体；相对于上部翼片导体在半径方向上偏置而以同心圆状配置多个，并与第一供电棒或面状连接部电气连接的环状的下部翼片导体；和用于在使上部翼片导体和下部翼片导体在半径方向上相对的状态下将该上部翼片导体和下部翼片导体在竖直方向上相对变位的翼片导体变位机构。在该结构中，在上部翼片导体和下部翼片导体之间经由可变的相对面积形成电容器。能够通过翼片导体变位机构使相对面积可变，改变第一可变电容耦合部的电容器电容量和阻抗值。
在另一优选的实施方式中，第一可变电容耦合部具有以环状设于下部中心电极与第一下部供电导体以及下部周边电极的至少一方之间的中空介电体，在上述中空介电体的内部以其量可变的方式收容流动性的介电性物质。在该结构中，在中空介电体的内部，通过改变流动性的介电性物质的量，或者改变导体板的位置或朝向，能够改变第一可变电容耦合部的电容器电容量和阻抗值。这种情况下，没有从下部周边电极的上表面朝向处理空间放出的剩余的第一高频通过第一可变电容耦合部而进入下部中心电极的外周面，从此向下部中心电极的上表面绕回而向处理空间放出。
在本发明的适宜的实施方式中，设置有输出主要用于将等离子体中的离子引入被处理基板的第二高频的第二高频电源；和与下部中心电极的背面连接、以将来自第二高频电源的第二高频专门或优先地供给下部中心电极的第二下部供电导体。该第二下部供电导体优选具有贯通形成为中空管的第一供电棒之中，与下部中心电极的背面的中心部连接的第二供电棒。或者，具有在第一供电棒部的旁边与其平行延伸，并与下部中心电极的背面的相比中心部靠向半径方向外侧的部位连接的第二供电棒。另外，其结构也能够为，通过阻抗可变的电容耦合电气连接第二下部供电导体和第一下部供电导体，以将来自第二高频电源的第二高频的一部分供给下部周边电极的第二可变电容耦合部。
具有如下所述的第二下部供电导体，与第一高频独立，将第二高频仅限定于下部中心电极，或者以所希望的比率分配给下部中心电极和下部周边电极，从而能够使基于第二高频的离子引入用的直流电场强度分布最佳化。
根据本发明的等离子体处理装置，通过上述的结构和作用，能够容易且自由地控制等离子体密度分布，提高等离子体工艺的均一性和成品率。另外，也能够同时使等离子体密度分布特性和自偏压分布特性最优化。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的等离子体蚀刻装置的结构的纵剖面图。
图2A是表示第一实施方式的可变电容耦合部的具体结构例的剖面图，表示将电容器电容量调整为最大的情况。
图2B是表示第一实施方式的可变电容耦合部的具体结构例的剖面图，表示将电容器电容量调整为最小的情况。
图3是用于示意地说明图1的等离子体蚀刻装置的下部供电导体以及第一实施例的可变电容耦合部的作用的图。
图4A是表示第二实施方式的可变电容耦合部的具体结构例的剖面图，表示将电容器电容量调整为最大的情况。
图4B是表示第二实施方式的可变电容耦合部的具体结构例的剖面图，表示将电容器电容量调整为最小的情况。
图5是用于模式说明图1的等离子体蚀刻装置的下部供电导体以及第二实施例的可变电容耦合部的作用的图。
图6是表示第二实施方式的等离子体蚀刻装置的结构的纵剖面图。
图7是用于模式说明图6的等离子体蚀刻装置的下部供电导体以及可变电容耦合部的作用的图。
图8是表示图6的等离子体蚀刻装置的第二下部供电导体的一变形例的纵剖面图。
图9是表示第三实施方式的等离子体蚀刻装置的结构的纵剖面图。
符号说明：
10：腔室(处理容器)；
12：基座(下部电极)；
12A：基座中心电极(下部中心电极)；
12B：基座周边电极(下部周边电极)；
14：绝缘体；
16：(第一)高频电源；
18：(第一)下部供电导体；
22：(第一)下部供电棒；
24：水平连接部；
25：面状连接部；
26：垂直连接部；
28：可变电容耦合部；
40：排气装置；
74：薄长方形导体板；
82：上部翼片；
84：下部翼片；
90：操作部；
100：第二高频电源；
102：第二下部供电棒；
104：第二下部供电导体；
106：中空介电体；
108：介电性物质galden(ガルデン)；
120：环状导体板。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的具体实施方式。
图1表示本发明的一实施方式的等离子体处理装置的结构。该等离子体处理装置作为阴极耦合器的电容耦合型等离子体蚀刻装置构成，例如具有铝或不锈钢等金属制的圆筒形腔室(处理容器)10。腔室10安全接地。
在腔室10内作为高频电极水平配置基座或下部电极12。该基座12在半径方向上二分割为载置例如半导体晶片W作为被处理基板的圆板型的基座中心电极(下部中心电极)12A和包围该基座中心电极12A的外周的环形状的基座周边电极(下部周边电极)12B。两电极12A、12B之间经由适当的密封部件(未图示)而气密夹持圆筒状的绝缘体14。两电极12A、12B例如由铝构成，绝缘体14例如由石英或陶瓷构成。
在基座周边电极12B的背面(下面)连接有对基座周边电极12B优先供给从高频电源16以所希望的功率输出的适合于等离子体产生的频率(例如60MHz)的高频的下部供电导体18。该下部供电导体18具有：从配置在基座中心电极12A的正下方的匹配单元20的输出端子向竖直上方延伸，在从基座中心电极12A离开的位置终结的中空的下部供电棒22、从下部供电棒22的上端部向半径方向外侧扩展延伸的圆板状的水平连接部24、从该水平连接部24的外周端向竖直上方延伸并与基座周边电极12B的背面连接的圆筒状的垂直连接部26。水平连接部24和垂直连接部26一体构成而形成托盘形状的面状连接部25。下部供电导体18的各部分可以由导电度高的铜或铝类金属构成。垂直连接部26也可以作为基座周边电极12B的下部延长部分一体形成。
在下部供电导体18和基座中心电极12A之间的空间，为了将来自高频电源16的高频也分配给基座中心电极12A，而设置有由阻抗可变的电容耦合(例如电路或元件或结构体)电气连接下部供电导体18和基座中心电极12A的可变电容耦合部28。该可变电容耦合部28的具体结构和作用在后面说明。
由上述的基座中心电极12A、基座周边电极12B、绝缘体14以及下部供电导体18(特别是面状连接部25)构成的圆筒状或圆柱状的组装体通过从腔室10的底部向垂直上方延伸的例如由陶瓷制的绝缘性圆筒状支承部30不接地地支承。
在沿绝缘性圆筒状支承部30的外周从腔室10的底部向垂直上方延伸的导电性的圆筒状支承部32和腔室10的内壁之间形成环状的排气路34，在底部设有排气孔36。在排气孔36上经由排气管38连接着排气装置40。排气装置40具有涡轮分子泵等真空泵，腔室10内的等离子体处理空间能够被减压到所希望的真空度。在腔室10的侧壁之外安装有开闭半导体晶片W的搬出搬入口的门阀42。
在基座中心电极12A的上表面设有由静电吸附力保持半导体晶片W的圆板状的静电卡盘44。该静电卡盘44为在膜状或板状的介电体之中加入片状或网栅状的导电体的结构，一体形成或一体固定在基座中心电极12A的上表面，在该导电体上经由开关48和供电线(例如被覆线)50电气连接着配置在腔室10外的直流电源46。能够通过从直流电源46施加的直流电压利用库伦力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘44上。
在静电卡盘44的周围，在圆筒状绝缘体14的上表面能够装卸地配置有聚焦环52，并在基座周边电极12B的上表面能够装卸地配置有覆盖环54。聚焦环52和覆盖环54例如由Si、SiC、C、SiO2等材质构成，可以分别形成各自分体的部件，或者也可以形成一体部件。
在基座中心电极12A的内部设有例如在圆周方向上延伸的环状的致冷剂室56。在该致冷剂室56从腔室10外的冷机单元(未图示)经由配管(未图示)循环供给规定温度的致冷剂，例如冷却水。能够根据致冷剂的温度控制静电卡盘44上的半导体晶片W的处理温度。另外，来自腔室10外的导热气体供给部(未图示)的导热气体例如He气体经由气体供给管(未图示)以及形成在基座中心电极12A内的气体通路58而供给静电卡盘44和半导体晶片W的背面之间。
在腔室10的顶棚上与基座中心电极12A和基座周边电极12B平行相对而设有兼作喷淋头的接地电位的上部电极60。该上部电极60具有与基座12相对的电极板62和能够对电极板62从其背后(上)装卸地支承的电极支承体64，在电极支承体64的内部设置气体室66，将从该气体室66向基座12侧贯通的多个气体喷出孔65形成在电极支承体64和电极板62。电极板62和基座中心电极12A以及基座周边电极12B之间的空间成为等离子体生成空间或处理空间PS。在设于气体室60的上部的气体导入口60a上连接着来自处理气体供给部68的气体供给管70。另外，电极板62例如由Si或SiC构成，电极支承体64例如由进行了防蚀铝处理的铝构成。
该等离子体蚀刻装置的主要特征为，如上所述将基座12在半径方向二分割为基座中心电极12A和基座周边电极12B，为了高频放电或等离子体产生而将从高频电源16输出的高频经由下部供电导体18优先供给基座周边电极12B，同时也经由可变电容耦合部28以可变的分配比将高频供给基座中心电极12A。
图2A和图2B表示一实施例的可变电容耦合部28的具体结构。该可变电容耦合部28具有在下部供电棒22的上端附近配置在水平连接部24和基座中心电极12A之间的圆筒状(或者圆柱状)的中心绝缘体72、在圆周方向隔开一定间隔以放射状配置在该中心圆筒状绝缘体72的外周面和周边侧的圆筒状绝缘体14内周面之间的多个长方形绝缘体74、用于能够使这些薄长方形导体板74旋转变位地安装在两圆筒状绝缘体72、14上的水平支承轴76。
在薄长方形导体板74和水平连接部24之间、以及薄长方形导体板74和基座中心电极12A之间分别隔着可变的间隙d而形成电容器。下部供电导体18和基座中心电极12A经由可变电容耦合部28的上述电容器而以阻抗可变的电容耦合电气连接。
如图2A所示，若使薄长方形导体板74形成板面竖直的姿势，则间隙为最小dmin，电容器的电容量最大，可变电容耦合部28的阻抗值最小。另外，如图2B所示，使薄长方形导体板74变为水平姿势，则间隙变为最大dMAX，电容器的电容量变为最小，可变电容耦合部28的阻抗值为最大。图示例的情况下，对于薄长方形导体板74与下部供电导体18以及基座中心电极12A相对的面积(电容器电极面积)来说，水平姿势(图2B)比垂直姿势(图2A)大数倍，但是通过使电容器电极间隔比dMAX/dmin为例如数十倍，从而能够无视电容器电极面积比。
参照图3来说明该实施方式的下部供电导体18和可变电容耦合部28的作用(特别是关于高频供电的作用)。从高频电源16(图1)输出的高频RF，如果穿过匹配单元20，则在下部供电棒22的外周面表层传送而向上方传播，传送至下部供电棒22的终端(上端)，则从此在水平连接部24的下面表层传送而以放射状向半径方向外侧传播，从水平连接部24的终端(外周端)在垂直连接部26的外周面表层以及基座周边电极12B的外周面表层回绕而行进至基座周边电极12B的上表面。在此，高频RF经由覆盖环54而面对处理空间PS，以相当大的功率从基座周边电极12B的上表面向处理空间PS放出。
并且，剩余的高频RF在基座周边电极12B的内周面表层以及垂直连接部26的内周面表层上传送而向水平连接部24的上表面绕入，从此通过可变电容耦合部28的电容器(薄长方形导体板74、间隙d)而进入基座中心电极12A的背面(下表面)，从此在基座中心电极12A的外周面上迂回而行进至上表面。在此，高频RF面对处理空间PS，朝向基座中心电极12A的中心部而在电极上面表层传播，并同时在各位置上朝向处理空间PS放出RF功率。
另外，在高频RF中还有从基座周边电极12B穿通绝缘体14而进入基座中心电极12A的高频，但是由于绝缘体14多构成小的静电电容，所以绝缘体14的静电电容小的情况很少，所以可以忽略。
这样，在该实施方式的等离子体蚀刻装置中，来自高频电源16的高频RF通过下部供电导体18而先行且优先供给基座周边电极12B，从而以高频RF少的功率从基座周边电极12B向处理空间PS放出。并且，在基座周边电极12B没有向处理空间PS放出的剩余的高频RF经由可变电容耦合部28而供给基座中心电极12A，从基座中心电极12A向处理空间PS放出。通过改变可变电容耦合部28的阻抗值，能够将基座周边电极12B的正上方和基座中心电极12A的正上方的高频电场强度的比乃至等离子体密度的比任意调整。例如，通过将可变电容耦合部28的阻抗值调整为高值，也使基座周边电极12B正上方的等离子体的密度比基座中心电极12A正上方的等离子体密度高，使等离子体从基座周边电极12B侧向腔室中心侧扩散，从而能够使载置于基座中心电极12A上的晶片W上的等离子体密度在径方向上均匀化。
另外，若提高高频的频率(波长变短)，则在基座中心电极12A的上表面，通过集肤效应而使高频集中在电极中心部，电极中心部侧的高频电场强度(等离子体密度)相比于电极边缘部侧的高频电场强度(等离子体密度)容易提高，即使基座周边电极12B正上方的高频电场强度(等离子体密度)充分高，也不能完全补偿。这种情况下，例如可以组合上述专利文献1中记载的技术，如图2A、2B和图3所示，通过按照在基座中心电极12A的上表面中心最深，朝向边缘部逐渐变浅的分布图埋入介电体78，从而缓和电极中心部的高频电场强度，能够更理想地实现等离子体密度均匀性。
图4A和图4B表示其他实施例的可变电容耦合部28的具体结构。该实施例中，在基座中心电极12A的下表面经由上部翼片支承板80以同心圆状设置多个环状的上部翼片82。并且，相对于这些上部翼片82在半径方向偏置而以同心圆状在可动的下部翼片支承板86上设置多个环状的下部翼片84，在使上部翼片82和下部翼片84在半径方向上相对的状态下通过翼片变位机构88在竖直方向上使下部翼片84上下变位。
翼片变位机构88具有能够滑动地安装在下部供电棒22的外周面上的操作部90和通过形成在水平连接部24上的贯通孔92而结合下部翼片支承板86和操作部90的连接棒94。贯通孔92和连接棒94以重心位于通过基座中心电极12A的中心的线上的方式在圆周方向上隔开一定间隔设置多个。操作部90通过手动或致动器等上下移动，固定或保持在一定范围内的任意高度位置。
在该可变电容耦合部28上，上述构成部件或部件(80～94)的任一个都由导体例如铝构成，在上部翼片82和下部翼片84之间形成电容器96。并且，通过操作部90、连接棒94和下部翼片支承板86来改变下部翼片84的高度位置，从而改变上部翼片82和下部翼片84平行相对的面积(电容器电极面积)，由此能够改变电容器96的电容或阻抗值。
图4A表示为了使可变电容耦合部28的电容器电容为最大而使下部翼片84的高度位置与上限位置匹配的情况。图4B表示为了使可变电容耦合部28的电容器容量为最小而使下部翼片84的高度位置与下限位置匹配的情况。
参照图5说明该实施例的下部供电导体18和可变电容耦合部28的作用(特别是关于高频供电的作用)。从高频电源16(图1)输出的高频RF，若通过匹配单元20，则在下部供电棒22的外周面表层传送而向上方传播，其途中高频RF的一部分在操作部90、连接棒94中传送而通过电容器96，进入基座中心电极12A中。另一方面，不在操作部90旁通(バイパス)而贯通下部供电棒22的高频RF在面状连接部25(水平连接部24、垂直连接部26)的外侧面表层传送而进入基座周边电极12B。在基座中心电极12A和基座周边电极12B的任一个中，高频RF经由电极外周面而行进到电极上表面，在此向处理空间PS放出。
在该实施例中，由于可变电容耦合部28的支承棒94的阻抗值绝对大，所以在可变电容耦合部28中即使改变电容器96的电容量或阻抗值，在基座中心电极12A旁通的高频RF的比率也绝对不多，而形成高频RF的大部分供给基座周边电极12B的高频供电结构。下面省略图示，在可变电容耦合部28中也能够构成如下，可动的下部翼片84经由可挠性的连接导体200与面状连接部25的内侧面电气连接，从基座周边电极12B放出的高频RF的剩余高频经由基座周边电极12B的内周面、面状连接部25的内侧面和该可挠性连接导体而通过电容器96。这种情况下，不设置由操作部90和支承棒94构成的旁通路。
再参照图1，该等离子体蚀刻装置内的各部分例如高频电源16、排气装置40、开关48、处理气体供给部68等的各个的动作和装置整体的动作(顺序)例如通过由微型计算机构成的控制部(未图示)控制。
在该等离子体蚀刻装置中，在进行蚀刻中，首先使门阀42为开状态，将加工对象的半导体晶片W运入腔室10内，载置于静电卡盘44之上。然后，以规定的流量将蚀刻气体(一般为混合气体)从处理气体供给部68导入密闭状态的腔室10内，由排气装置40将腔室10内的压力形成为设定值。另外，使高频电源16为ON(接通)，以规定的功率输出高频(60MHz)，将该高频经由匹配单元20和下部供电导体18施加给基座12(12A、12B)。另外，使开关48为ON，通过静电吸附力在静电卡盘44和半导体晶片W之间的接触界面封入导热气体(He气体)。从上部电极(喷淋头)60的气体喷出孔65排出的蚀刻气体在两电极12、60之间由高频放电等离子体化，通过该等离子体生成的原子团或离子对半导体晶片W的主面按照规定的图案进行蚀刻。
该电容耦合型等离子体蚀刻装置，如上所述，能够以使向基座周边电极12B的供给优先的方式按照所希望的分配比将高频放电用的高频供给基座中心电极12A和基座周边电极12B，能够自由调整基座周边电极12B正上方的高频电场强度和基座中心电极12A正上方的高频电场强度的比或平衡度，所以也能够且容易实现在径方向上使半导体晶片W上的等离子体密度均匀化，能够提高蚀刻工艺的均匀性和成品率。
图6表示第二实施方式的等离子体蚀刻装置的结构。图中，具有与上述第一实施方式(图1)相同的结构或功能的部分使用相同的附图标记。
该等离子体蚀刻装置使用阴极耦合器的下部二频率施加方式，在等离子体生成用的第一高频电源16的基础上，具有离子引入用的第二高频电源100。在此，第二高频电源100以所希望的功率输出适合于生成向基座中心电极12A上的半导体晶片W从等离子体引入离子用的直流电场或自偏压的频率较低(例如2MHz)的第二高频。
在匹配单元20一起收容有第一及第二高频电源16、100用的各自的整流器。这其中，第一高频电源16用的整流器的输出端子与上述第一实施方式同样，与第一下部供电导体18的下部供电棒22连接。另一方面，第二高频电源100用的整流器的输出端子与内径比下部供电棒22细的下部供电棒102连接。该下部供电棒102在下部供电棒22中向竖直上方延伸，在基座中心电极12A的背面中心部终结(结合)。下部供电棒102构成将离子引入用的第二高频专门供给基座中心电极12A的第二下部供电导体104。
该等离子体蚀刻装置的可变电容耦合部105采用下述的结构，即，在基座中心电极12A和基座周边电极12B之间的间隙中气密密封并夹住例如由石英构成的中空的圆筒状介电体106，在该中空介电体106内部按照可变量收容介电常数高的流动性的介电性物质例如galden108，经由介电常数大约为3的galden108以电容耦合电气连接基座中心电极12A和基座周边电极12B。
在图示的结构例中，在腔室10的侧壁的外部能够上下移动地配置galden储留用的缸体110，能够经由可挠性的下部配管112连接着中空介电体106的下部口和缸体110的下部口。利用帕斯卡原理改变缸体110的高度位置，能够改变中空介电体106内的galden108的液面高度，进而能够改变可变电容耦合部105的电容器和阻抗值。即，若提高缸体110的位置，则中空介电体106内的galden108的液面上升，可变电容耦合部105的电容器容量变大，阻抗值变低。相反，若降低缸体110的位置，则中空介电体106内的galden108的液面降低，可变电容耦合部105的电容器代内容变小，阻抗值变高。另外，连接中空介电体106的上部孔和缸体110的上部孔的上部配管114用于将在中空介电体106中溢出的galden108向缸体110侧回收。该可变电容耦合部105具有结构简单，容易进行电容器电容量的可变调整的优点。
参照图7说明本实施方式中的作用，特别是第二下部供电导体104以及可变电容耦合部105的作用。从第一高频电源16(图6)输出的第一高频RF1从匹配单元20的输出端子向第一下部供电导体18送出，在下部供电棒22的外周面表层和面状连接部25的外侧面表层上传播，从基座周边电极12B的外周面向上表面绕回。在此，从基座周边电极12B的上表面向处理空间PS放出第一高频RF1的大部分。并且，剩余的第一高频RF1从基座周边电极12B的内周面表层通过可变电容耦合部105的电容器(galden108)进入基座中心电极12A的外周面，从此向基座中心电极12A的上表面绕回，朝向电极中心部在电极上面表层传播，并同时在各位置向处理空间PS放出RF功率。
由第一高频RF1在基座周边电极12B和基座中心电极12A的正上方生成的等离子体的密度能够通过可变电容耦合部105的调整旋钮进行可变调整。即，在提高基座周边电极12B正上方的等离子体密度，降低基座中心电极12A正上方的等离子体密度的过程中，只要在减小可变电容耦合部105的电容器电容量，提高阻抗值的方向上进行调整即可。相反，降低基座周边电极12B正上方的等离子体密度，提高基座中心电极12A正上方的等离子体密度的过程中，只要在增大可变电容耦合部105的电容器电容量，降低阻抗值的方向上进行调整即可。
另一方面，从第二高频电源100(图6)输出的第二高频RF2从匹配单元20的输出端子朝向第二下部供电导体104，在下部供电棒102的外周面表层上传送，进入基座中心电极12A的背面中心部，从此经由基座中心电极12A的外周面行进至上表面。在基座中心电极12A的上表面，第二高频RF2从电极边缘部朝向电极中心部在上面表层传播，并同时在各位置向处理空间PS放出RF功率。这种情况下，第二高频RF2由于频率比较低，所以不会因集肤效应在基座中心电极12A的中心部大量集中，会在电极上表面的各位置上大致均匀地放出RF功率。
这样，在该第二实施方式的下部二频率施加方式中，等离子体生成用的第一高频RF1经由第一下部供电导体18和可变电容耦合部105而以所希望的分配比对基座中心电极12A和基座周边电极12B供电，并且离子引入用的第二高频RF2经由第二下部供电导体104的下部供电棒102而专门对基座中心电极12A供电。由此，与上述下部一频率施加方式(图1)同样地，能够任意调整基于第一高频RF1的基座周边电极12B正上方的高频电场强度和基座中心电极12A正上方的高频电场强度的平衡度，能够自由控制等离子体密度分布，同时也容易使载置半导体晶片W的基座中心电极12A上的基于第二高频RF2的直流电场强度(自偏压)最优化。由此，能够大幅度提高蚀刻工艺的均匀性和成品率。
图8，在上述的第二实施方式的等离子体蚀刻装置(图6)中，表示第二下部供电导体104的一变形例的结构。如该实施例所示，也能够将第二下部供电导体104的下部供电棒102在下部供电棒22旁边(外)与其平行设置。这种情况下，下部供电棒102可以以重心位于通过基座中心电极12A的中心的线上的方式在圆周方向上隔开一定间隔设置多个。
图9表示第三实施方式的等离子体蚀刻装置的结构。该等离子体蚀刻装置也采用下部二频率施加方式，特征部分有两个。一个是，使可变电容耦合部105的结构变形。如图所示，在中空介电体106的环状空洞内代替galden能够上下移动地收容环状的导体板120，能够通过配置在腔室10之下的致动器122改变环状导体板120的高度位置，改变可变电容耦合部105的电容器电容量。即，若提高环状导体板120的位置，则可变电容耦合部105的电容器电容量变大，阻抗值变低。相反，若降低环状导体板120的位置，则可变电容耦合部105的电容器电容量变小，阻抗值变高。作为其它实施例，将环状导体板120置换为在圆周方向以一定间隔配置的多个薄长方形导体板，使得这些薄长方形导体板在以竖直轴为旋转中心的旋转方向上变位的结构。
其它特征部分为，按照将从第二高频电源100输出的离子引入用的第二高频优先供给基座中心电极12A，同时一部分也分配供给基座周边电极12B的方式构成第二下部供电导体104。图示的结构例中，设置有在形成于第一下部供电导体18和基座中心电极12A之间的空间中以环状包围第二下部供电棒102的外周，并且在半径方向外侧延伸至通过电容耦合而能够电气连接第一下部供电导体18的面状连接部25(特别是水平连接部24)的位置的面状导体板124。例如能够通过安装在腔室10的底面上的升降致动器126使面状导体板124在上下方向上移动。若使面状导体板124接近水平连接部24，则在两者之间形成电容器。在第二下部供电棒102上传送而传播来的第二高频的一部分通过该电容器(124、24)而向第一下部供电导体18分流，在基座周边电极12B的内周面上传送而向上表面绕入，向处理空间PS放出。通过改变电容器的电容量乃至阻抗值，而能够改变分配到第一下部供电导体18的第二高频的比率。
这样，不仅能够将离子引入用的第二高频供给基座中心电极12A，也能够以可变的分配比供给基座周边电极12B。例如载置于基座中心电极12A上的半导体晶片W的边缘位于基座周边电极12B的正上方或附近的情况下，能够适用这种方式。
以上，说明了本发明的一实施方式，但是本发明不限于此，能够进行种种变形。特别是，关于下部供电导体(18、104)以及可变电容耦合部(28、105)的结构最合适与装置内的其它机构组合而进行各种选择以及变形。
例如，在上述第二、第三实施方式中说明的下部供电导体104的结构也能够适用于第一实施方式。若采用相反的看法，则也能够用第一实施方式的可变电容耦合部28的结构代替第二、第三实施方式的可变电容耦合部105的结构，来适用于第二、第三实施方式。
另外，本发明不限于只适用于上述实施方式那样的下部一频率施加方式或下部二频率施加方式，例如也能够适用于对基座(下部电极)施加更加不同的第三频率的下部三频率施加方式。
本发明不限于等离子体蚀刻装置，也能够适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、喷镀等其它等离子体处理装置。另外，本发明的被处理基板不限于半导体晶片，也能够是平板显示器用的各种基板、光掩模、CD基板、印刷基板等。

Claims (11)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
能够真空排气的处理容器；
在所述处理容器内载置被处理基板的下部中心电极；
与所述下部中心电极电气绝缘，以环状包围所述下部中心电极的外周的下部周边电极；
与所述下部中心电极以及所述下部周边电极相对而配置在其上方的上部电极；
对所述下部中心电极以及所述下部周边电极与所述上部电极之间的处理空间供给处理气体的处理气体供给部；
输出用于通过高频放电生成所述处理气体的等离子体的第一高频的第一高频电源；
与所述下部周边电极的背面连接以将来自所述第一高频电源的所述第一高频优先供给所述下部周边电极上的第一下部供电导体；和
第一可变电容耦合部，其为了将来自所述第一高频电源的所述第一高频的一部分供给所述下部中心电极，通过阻抗可变的电容耦合将所述第一下部供电导体以及所述下部周边电极的至少一方与所述下部中心电极电气连接。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述第一下部供电导体具有：
在所述下部中心电极的中心部的正下方向竖直上方延伸，在从所述下部中心电极离开的位置终结的第一供电棒；和
从所述第一供电棒的上端部向半径方向外侧以及上方延伸至所述下部周边电极的背面的面状连接部。
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一可变电容耦合部设于所述第一供电棒或所述面状连接部与所述下部中心电极之间。
4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一可变电容耦合部具有在所述面状连接部和所述下部中心电极之间的空间内在圆周方向上隔开一定间隔配置的、分别设置为能够以水平的轴为旋转中心在旋转方向上变位的多个导体板。
5.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述第一可变电容耦合部具有：
以同心圆状配置多个并与所述下部中心电极电气连接的环状的上部翼片导体；
相对于所述上部翼片导体在半径方向上偏置而以同心圆状配置多个，并与所述第一供电棒或所述面状连接部电气连接的环状的下部翼片导体；和
用于在使所述上部翼片导体和所述下部翼片导体在半径方向上相对的状态下将该上部翼片导体和下部翼片导体在竖直方向上相对变位的翼片导体变位机构。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一可变电容耦合部具有以环状设于所述下部中心电极与所述第一下部供电导体以及所述下部周边电极的至少一方之间的中空介电体，在所述中空介电体的内部以其量可变的方式收容流动性的介电性物质。
7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一可变电容耦合部具有以环状设于所述下部中心电极与所述第一下部供电导体以及所述下部周边电极的至少一方之间的中空介电体，在所述中空介电体的内部以在规定方向能够变位的方式收容导体板。
8.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
输出主要用于将所述等离子体中的离子引入所述被处理基板的第二高频的第二高频电源；和
与所述下部中心电极的背面连接、以将来自所述第二高频电源的所述第二高频专门或优先地供给所述下部中心电极的第二下部供电导体。
9.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第二下部供电导体具有贯通形成为中空管的所述第一供电棒之中，与所述下部中心电极的背面的中心部连接的第二供电棒。
10.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第二下部供电导体具有在所述第一供电棒部旁边与其平行延伸，并与所述下部中心电极的背面的相比中心部靠向半径方向外侧的部位连接的第二供电棒。
11.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
通过阻抗可变的电容耦合电气连接所述第二下部供电导体和所述第一下部供电导体，以将来自所述第二高频电源的所述第二高频的一部分供给所述下部周边电极的第二可变电容耦合部。
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