CN102056396B - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供等离子体处理装置和等离子体处理方法，在电感耦合型的等离子体处理装置中，提高方位角方向乃至径向的等离子体密度分布的均匀性或控制性。在该电感耦合型等离子体蚀刻装置中，设置在腔室(10)的顶部的电介质壁(52)上的RF天线(54)，在天线室(56)内离开电介质窗(52)配置在其上方，具有与来自高频供电部(58)的RF供电线(60)、(68)连接的一次线圈(62)，和在能够通过电磁感应与一次线圈(62)耦合、且比该一次线圈(62)更靠近电介质窗(52)的下表面(与处理空间相对的面)的位置上配置的二次线圈(64)。

Description

等离子体处理装置和等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及对被处理基板实施等离子体处理的技术，特别涉及电感耦合型的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术
在半导体器件或FPD(Flat Panel Display：平板显示器)的制造工艺中的蚀刻、沉积、氧化、溅射等处理中，为了使处理气体在比较低的温度下良好地进行反应，常利用等离子体。一直以来，在这种等离子体处理中，多使用由MHz区域的高频放电产生的等离子体。高频放电产生的等离子体按照更具体(装置方面)的等离子体生成法可大致分为电容耦合型等离子体和电感耦合型等离子体。
一般而言，在电感耦合型的等离子体处理装置中，以处理容器的壁部的至少一部分(例如顶部)构成电介质的窗，对设置在该电介质窗外的线圈状的RF天线供给高频电力。处理容器构成为可减压的真空腔室，在腔室内的中央部配置有被处理基板(例如半导体晶片、玻璃基板等)，处理气体被导入到在电介质窗与基板之间设定的处理空间内。利用在RF天线中流通的RF电流，在RF天线的周围产生RF磁场，该RF磁场的磁力线贯穿电介质窗并通过腔室内的处理空间，利用该RF磁场的时间上的变化在处理空间内在方位角方向产生感应电场。然后，通过被该感应电场在方位角方向上加速的电子与处理气体的分子或原子发生电离碰撞，生成环形(doughnut)的等离子体。
由于在腔室内设置有较大的处理空间，上述环形的等离子体高效地向四周(尤其是径向)扩散，等离子体的密度在基板上相当均匀。不过，若只使用通常的RF天线，则基板上获得的等离子体密度的均匀性对于大多数的等离子体处理都不足够。即使在电感耦合型的等离子体处理装置中，提高基板上的等离子体密度的均匀性也会影响等离子体处理的均匀性、可重复性甚至制造成品率，因此成为最重要的课题之一。
一般而言，等离子体处理装置中的等离子体密度的均匀性存在方位角方向的均匀性和径向的均匀性这两种。
在方位角方向上，因为RF天线在其环(loop)内包含与来自RF电源的RF供电线连接的RF输入输出端，所以必然只能采用非轴对称的天线结构，这成为在方位角方向上产生等离子体密度的不均匀性的主要原因。对于这一点，一直以来提出了下述技术：通过将RF天线的非轴对称或特异的部分在方位角方向上等间隔地增大来提高该方向的均匀性的技术(例如专利文献1)；以串联连接的上下两级线圈构成RF天线，将设置在上级线圈的RF供电接线处(输入输出端)隐藏在下级线圈的背后使其从等离子体侧电磁消失的技术(例如专利文献2)。
另外，在径向上，在腔室内的电介质窗附近生成的环形等离子体内的等离子体密度分布特性(profile，分布图)很重要，其核心的等离子体密度分布的分布图影响扩散后在基板上获得的等离子体密度分布的均匀性。对于这一点，一直以来以将RF天线在径向上分割为多个段的方式为主流。该RF天线分割方式中存在下述方式：对各天线·段分别供给高频电力的第一方式(例如专利文献3)；利用电容器等附加电路使各天线·段的阻抗可变，对由一个高频电源分别分配到所有的天线·段的RF电力的分配比例进行控制的第二方式(例如专利文献4)。
专利文献1：美国专利第5800619号
专利文献2：日本特表2003-517197
专利文献3：美国专利第5401350号
专利文献4：美国专利第5907221号
发明内容
不过，用于提高等离子体密度分布的均匀性的上述现有技术中，不论是意图实现方位角方向的均匀性或径向的均匀性的哪一种类型，都存在RF天线结构复杂难以制作、和RF供电系统(RF电源、匹配器)负荷变大等问题。
另外，在对于等离子体密度分布来说意图实现方位角的均匀性的上述现有技术中，因为对电感耦合等离子体的生成起主要贡献的天线部分(例如上述下级天线)不具有严格的轴对称的形状，所以均匀性的精度和改善度都受到限制。
本发明鉴于上述现有技术完成的，提供一种能够使高频供电系统的负荷减轻，RF天线的结构简单且容易制作，同时改善等离子体密度分布的均匀性或控制性的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
本发明的等离子体处理装置包括：在顶部具有电介质的窗的能进行真空排气的处理容器；在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；为对上述基板实施所希望的等离子体处理而向上述处理容器内供给所希望的处理气体的处理气体供给部；为在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体而设置在上述电介质窗上的第一RF天线；和对上述RF天线供给频率适于进行上述处理气体的高频放电的高频电的第一高频供电部，上述第一RF天线配置在上述电介质窗上或上述电介质窗的上方，并且具有通过高频供电线与上述第一高频供电部连接的一次线圈，和配置在能够通过电磁感应与上述一次线圈耦合、且比上述一次线圈更靠近上述电介质窗的下表面的位置上的二次线圈。
另外，本发明的等离子体处理方法包括：在顶部具有电介质的窗的能进行真空排气的处理容器内，在设定于上述电介质窗的下方的规定位置上配置被处理基板的工序；利用上述处理气体供给部向上述处理容器内供给所希望的处理气体的工序；将上述处理容器内以规定的压力维持在减压状态的工序；利用高频电源对配置在上述电介质窗的上方的一次线圈施加规定频率的高频，使高频电流流通上述一次线圈的工序；在配置于比上述一次线圈更靠近上述电介质窗的下表面的位置上的二次线圈中，通过电磁感应流通与上述高频电流相应的感应电流的工序；利用与在上述二次线圈流通的上述感应电流相应的高频的磁场和感应电场，在上述处理容器内的上述电介质窗的附近生成处理气体的等离子体的工序；使生成的上述等离子体在上述处理容器内扩散的工序；和在上述等离子体下对上述基板实施所希望的等离子体处理的工序。
在本发明中，来自高频供电部的高频放电用的高频被供给到一次线圈中，当高频电流在一次线圈中流通时，高频的能量通过电感耦合从一次线圈传递到二次线圈中，利用经由电介质窗从二次线圈向处理容器内的处理气体放射的电磁能量，生成电感耦合的等离子体。即，一次线圈与二次线圈通过电磁感应而耦合，并且二次线圈与处理容器内的等离子体通过电磁感应而耦合，由此，由高频供电部供给的高频的功率经由第一线圈和第二线圈对处理容器内的等离子体负载供给。经由电介质窗对处理容器内的处理气体主要放射电磁能量的二次线圈，能够构成为没有空间特异点(供电点)的完全轴对称的环状线圈。由此，能够使在处理容器内的处理空间中生成的环形等离子体内的等离子体密度在方位角方向上均匀化，进而使基板载置部附近(即基板上)的等离子体密度分布在方位角方向上均匀化。
根据本发明的电感耦合型等离子体处理装置或等离子体处理方法，通过上述结构和作用，能够使RF供电系统的负荷减轻，RF天线的结构简单且容易制作，同时能够改善等离子体密度分布的均匀性或控制性。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置的结构的纵截面图。
图2是表示图1的电感耦合型等离子体蚀刻装置中的等离子体生成部的主要结构的立体图。
图3A是表示同心圆型线圈的结构的立体图。
图3B是表示螺旋型线圈的结构的俯视图。
图4A是示意地表示实施方式中的RF天线的配置结构的一变形例的大致截面图。
图4B是示意地表示实施方式中的RF天线的配置结构的其它变形例的大致截面图。
图4C是示意地表示实施方式中的RF天线的配置结构的另一变形例的大致截面图。
图4D是示意地表示实施方式中的RF天线的配置结构的又一变形例的大致截面图。
图4E是示意地表示实施方式中的RF天线的配置结构的再一变形例的大致截面图。
图5是表示针对实施方式中的RF天线的高频供电方式的一变形例的图。
图6是表示针对实施方式中的RF天线的高频供电方式的其它变形例的图。
图7A是示意地表示实施方式中具有多个RF天线的情况下的天线配置结构的一例的立体图。
图7B是表示上述天线配置结构的大致截面图。
图8A是表示在实施方式中的RF天线的环中设置电容器的状态的立体图。
图8B是表示在实施方式中在二次线圈的环中设置电容器的状态的立体图。
图9A是表示在实施例和比较例中在等离子体中激发的感应电流的分布的等高线图表。
图9B是表示在实施例和比较例中在等离子体中激发的感应电流的分布的整周(周回)图表。
图10是表示实施例中二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图11是表示实施例和比较例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图12A是表示在实施例的第一电容调整例中，二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图12B是表示在实施例的第一电容调整例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图13A是表示在实施例的第二电容调整例中，二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图13B是表示在实施例的第二电容调整例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图14A是表示在实施例的第三电容调整例中，二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图14B是表示在实施例的第三电容调整例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图15A是表示在实施例的第四电容调整例中，二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图15B是表示在实施例的第四电容调整例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图16A是表示在实施例的第五电容调整例中，二次线圈的各半径位置处的环状线圈中流通的感应(二次)电流与一次线圈中流通的RF(一次)电流的比的柱状图。
图16B是表示在实施例的第五电容调整例中，在一次线圈中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度的半径方向分布特性的图。
图17是阶段性表示多层抗蚀法的工序的图。
图18是表示在实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置中使二次线圈旋转运动的实施例的立体图。
图19是表示实施方式中的二次线圈的卷线结构的一变形例的俯视图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的最佳实施方式。
图1表示本发明的一实施方式中的电感耦合型等离子体蚀刻装置的结构。该电感耦合型等离子体蚀刻装置是使用平面线圈形的RF天线的类型，例如具有铝或不锈钢等金属制的圆筒型真空腔室(处理容器)10。腔室10安全接地。
首先，对该电感耦合型等离子体蚀刻装置中与等离子体生成无关的各部分的结构进行说明。
在腔室10内的下部中央，水平地配置有圆板状的基座12作为兼任高频电极的基板保持台，该基座12用于载置例如半导体晶片W作为被处理基板。该基座12例如由铝形成，由从腔室10的底垂直向上方延伸的绝缘性的筒状支撑部14支撑。
在沿着绝缘性筒状支撑部14的外周从腔室10的底垂直向上方延伸的导电性的筒状支撑部16与腔室10的内壁之间，形成有环状的排气路18，在该排气路18的上部或入口安装有环状的缓冲板20，并且底部设置有排气口22。为使腔室10内的气体的流动相对基座12上的半导体晶片W轴对称地均匀，优选采用在圆周方向上等间隔地设置多个排气口22的结构。各排气口22经由排气管24与排气装置26连接。排气装置26具有涡轮分子泵等真空泵，能够将腔室10内的等离子体处理空间减压至所希望的真空度。在腔室10的侧壁之外，安装有用于开闭半导体晶片W的搬入搬出口27的闸阀28。
基座12通过匹配器32和供电棒34与RF偏置用的高频电源30电连接。该高频电源30能够以可变的功率输出一定频率(13.56MHz以下)的高频RFL，该高频RFL适于控制向半导体晶片W引入的离子的能量。匹配器32中收纳有电抗可变的匹配电路，该匹配电路用于在高频电源30侧的阻抗与负载(主要为基座、等离子体、腔室)侧的阻抗间实现匹配。该匹配电路中包含有自偏置生成用的级间耦合电容器。
在基座12的上表面，设置有用于以静电吸附力保持半导体晶片W的静电卡盘36，在静电卡盘36的半径方向外侧设置有环状包围半导体晶片W的周围的聚焦环38。静电卡盘36是在一对绝缘膜36b、36c之间夹持由导电膜形成的电极36a的部件，电极36a经由开关42和绝缘线43与高压的直流电源40电连接。通过由直流电源40施加的高压的直流电压，能够利用静电力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘36上。
在基座12的内部，设置有例如在圆周方向上延伸的环状的制冷剂室44。对该制冷剂室44，从制冷单元(未图示)经由配管46、48循环供给规定温度的制冷剂例如冷却水。能够利用制冷剂的温度控制静电卡盘36上的半导体晶片W的处理中的温度。与此相关的，来自导热气体供给部(未图示)的导热气体例如He气体，经由气体供给管50供给到静电卡盘36的上表面与半导体晶片W的背面之间。另外，为了进行半导体晶片W的装载和卸载，还设置有在垂直方向贯穿基座12并能够上下移动的升降销和其升降机构(未图示)等。
接着，对该电感耦合型等离子体蚀刻装置中与等离子体生成有关的各部分的结构进行说明。图2表示该等离子体蚀刻装置中的等离子体生成部的主要部分的结构。
腔室10的顶部与基座12隔开比较大的距离间隔而设置，在该顶部气密地安装有例如由石英板形成的圆形的电介质窗52。在该电介质窗52之上，与腔室10一体地设置有天线室56，该天线室56以对外部进行电磁遮蔽的方式收纳有用于在腔室10内生成电感耦合的等离子体的RF天线54。
该实施方式中的RF天线54，在天线室56内离开电介质窗52配置在其上方，具有与来自高频供电部58的RF供电线60连接的一次线圈62，和在能够通过电磁感应与一次线圈62耦合、且比该一次线圈62更靠近电介质窗52的下表面(与处理空间相对的面)的位置上以电浮起的状态配置的二次线圈64。
在图示的结构例中，二次线圈64载置在电介质窗52的上表面，被水平地安装，一次线圈62在与二次线圈64隔开适当的距离间隔的上方的位置上水平地安装在由绝缘体形成的支撑板66上。通常两线圈62、64相互水平且同轴地配置，并且，相对于腔室10或基座12也水平且同轴地配置。
一次线圈62优选由复绕线圈构成，例如图2和图3A所示，具有在各一周内线圈半径一定的同心圆型线圈的形体。不过，一次线圈62也可以具有其它形状，例如图3B所示的螺旋型线圈的形体。通常，一次线圈62的中心侧的端部与来自高频供电部58的RF供电线60连接，一次线圈62的周边侧的端部经由地线(回线)68与接地电位电连接。一次线圈62的材料优选为导电率高的材料，例如铜类的金属。
如图2所示，二次线圈64优选构成为将线圈半径不同的多个(例如3个)环形线圈64(1)、64(2)、64(3)同心圆状地配置而形成的线圈组。各环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的材料优选为导电率高的材料，例如铜类的金属，但也可以是Si或SiC等半导体。
在图示的结构例中，一次线圈62由三圈(turn)(绕三次的)同心圆形线圈构成。并且，一次线圈62的最内周的第一圈部62(1)与二次线圈64的最内周的环形线圈64(1)上下相对，一次线圈62的中间的第二圈部62(2)与二次线圈64的中间的环形线圈64(2)上下相对，一次线圈62的最外周的第三圈部62(3)与二次线圈64的最外周的环形线圈64(3)上下相对。
高频供电部58具有高频电源70和匹配器72。高频电源70能够以可变的功率输出一定频率(13.56MHz以上)的高频RFH，该高频RFH适于基于高频放电的等离子体的生成。匹配器72收纳有电抗可变的匹配电路，该匹配电路用于在高频电源70侧的阻抗与负载(主要为RF天线、等离子体、校正线圈)侧的阻抗间实现匹配。
用于向腔室10内的处理空间供给处理气体的处理气体供给部包括：在比电介质窗52稍低的位置设置在腔室10的侧壁中(或外)的环状的总管或缓冲部74；在圆周方向上等间隔地从缓冲部74面对等离子体生成空间的多个侧壁气体吐出孔76；和从处理气体供给源78延伸到缓冲部74的气体供给管80。处理气体供给源78包含流量控制器和开闭阀(未图示)。
主控制部82例如包含微型计算机，对该等离子体蚀刻装置内的各部例如排气装置26，高频电源30、70，匹配器32、72，静电卡盘用的开关42，处理气体供给源78，冷却单元(未图示)，导热气体供给部(未图示)等各个的动作和装置整体的动作(顺序)进行控制。
在该电感耦合型等离子体蚀刻装置中，为进行蚀刻，首先使闸阀28处于打开状态，将加工对象的半导体晶片W搬入腔室10内，载置在静电卡盘36上。然后，在关闭闸阀28后，从处理气体供给源78经由气体供给管80、缓冲部74和侧壁气体吐出孔76，以规定的流量和流量比向腔室10内导入蚀刻气体(一般为混合气体)，利用排气装置26使腔室10内的压力为设定值。进而，将高频供电部58的高频电源70接通，以规定的RF功率输出等离子体生成用的高频RFH，经由匹配器72、RF供电线60，对RF天线54的一次线圈62供给高频RFH的电流。另一方面，将高频电源30接通，以规定的RF功率输出离子引入控制用的高频RFL，经由匹配器32和供电棒34对基座12施加该高频RFL。另外，利用导热气体供给部对静电卡盘36与半导体晶片W之间的接触界面供给导热气体(He气体)，并且使开关42接通，利用静电卡盘36的静电吸附力将导热气体关在上述接触界面中。
从侧壁气体吐出孔76吐出的蚀刻气体均匀地向电介质窗52之下的处理空间扩散。通过流通在RF天线54的一次线圈62中的高频RFH的电流而在一次线圈62的周围产生的磁力线(磁通量)与二次线圈64互连，该磁通量的时间上的变化导致在二次线圈64中产生感应电动势，在其环中流动电流(感应电流)。
通过该二次线圈64中流通的感应电流所产生的磁力线贯穿电介质窗52，穿过腔室10内的处理空间(等离子体生成空间)，在处理空间内产生方位角方向的感应电场。被该感应电场在方位角方向上加速的电子与蚀刻气体的分子或原子发生电离碰撞，生成环形的等离子体。这样，在等离子体中，二次线圈64所产生的磁场占支配地位，等离子体主要由二次线圈64所产生的磁场生成，几乎不受一次线圈62的影响。
在此，“环形的等离子体”并不限定于在腔室10的径向内侧(中心部)不出现等离子体而仅在径向外侧出现等离子体的严格的环状的等离子体，是指腔室10的径向外侧的等离子体的体积或密度比径向内侧大。另外，根据处理气体所使用的气体的种类或腔室10内的压力的值等条件的不同，也存在不形成此处所说的“环形的等离子体”的情况。
该环形等离子体的原子团或离子在广阔的处理空间内向四面扩散，使得原子团各向同性地降落、离子被直流偏置牵引，从而供给到半导体晶片W的上表面(被处理面)。这样，等离子体的活性物质在半导体W的被处理面引起化学反应和物理反应，被加工膜被蚀刻成所希望的图案。在该实施方式中，如后面所述，能够使半导体晶片W上的等离子体处理特性即蚀刻特性(蚀刻率、选择比、蚀刻形状等)的方位角方向乃至径向的均匀性大幅度提高。
这样，在该实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置中，设置在腔室10的顶部窗之上(天线室56内)的RF天线54由上下完全分离的一次线圈62和二次线圈64构成，当来自高频供电部58的高频放电用的高频RFH供给到一次线圈62时，高频RFH的能量通过电感耦合从一次线圈62传递到二次线圈64，通过从二次线圈64经由电介质窗52向腔室10内的处理气体放射的电磁能量，生成电感耦合的等离子体。
即，一次线圈62与二次线圈64通过电磁感应而耦合，并且二次线圈64与腔室10内的等离子体通过电磁感应而耦合，由此，从高频供电部58供给的高频RFH的能量经由一次线圈62和二次线圈64向腔室10内的等离子体负载供给。
通过这种多个线圈间的电感耦合来向等离子体供给RF功率的方式的最大的优点是，能够以没有空间特异点(供电点)的完全轴对称的环形线圈构成最末级的线圈，即经由电介质窗52向腔室10内的处理气体主要放射电磁能量的二次线圈64，由此，能够使在腔室10内的处理空间生成的环形等离子体内的等离子体密度在方位角方向上均匀化，进而能够使基座12附近(即半导体晶片W上)的等离子体密度分布在方位角方向上均匀化。
另外，一次线圈62和二次线圈64均为简单的结构，容易制作。另外，也不会对高频供电部58施加特别大的负荷。
另外，因为一次线圈62包含RF供电的输入输出端，不是轴对称的线圈，所以通过在一次线圈62中流通的高频RFH而一次线圈62的周围形成的磁场——即与二次线圈64相连的磁通量——在方位角方向上并不均匀。不过，由于二次线圈64中流通的感应电流在环中的任何位置都是相同的，并且二次线圈64为轴对称的圆形的环形线圈，所以因在二次线圈64中流通的感应电流而在其周围(特别是腔室10内)形成的磁场在方位角方向整个一周内是均匀的。
该实施方式中的RF天线54中，在电介质窗52的上方水平地配置平面型的一次线圈62，并将平面型的二次线圈64载置在电介质窗52的上表面，水平地加以安装。不过，在本发明中，这样的RF天线54的配置结构只是一例，能够进行种种变形。
如上所述，二次线圈64由1个或多个环形线圈64(1)～64(3)构成，不需要任何与外部的接线。因此，如图4A所示，也能够将二次线圈64(环形线圈64(1)～64(3))埋设在电介质窗52的内部。在像这样将二次线圈64埋设在电介质窗52的内部的配置结构中，如图4B所示，能够适宜地采用独立选择各环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的高度位置的结构。另外，在图示中虽然省略，但也可以采用在电介质窗52的内部仅设置二次线圈64(环形线圈64(1)～64(3))的一部分，而将其它部分设置在电介质窗52之上的配置结构。
另外，一次线圈62也并不限定于平面型线圈，例如图4B所示，能够适宜地采用下述结构，即，使各圈部64(1)、64(2)、64(3)的高度位置与各对应的环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的高度位置相对应，配置在从各对间的电感耦合的效率和整体的平衡性上出发最合适的高度位置上。
另外，如图4C所示，也能够将构成二次线圈64的环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的一部分，例如最外周的环形线圈64(3)，配置在电介质窗52的正下方，即腔室10内的等离子体生成区域中。不过，在该环形线圈64(3)的材料为铜等金属的情况下，优选例如使用由石英构成的金属污染防止用的中空环状罩84加以覆盖。
另外，在将二次线圈64设置于电介质窗52的内部或腔室10内的情况下，可以将一次线圈62尽可能地接近电介质窗52配置，例如图4C所示也可以载置在电介质窗52的上表面。
作为RF天线54的其它的配置结构，在二次线圈64的环形线圈64(1)、64(2)、64(3)由Si或SiC等半导体形成的情况下，如图4D和图4E所示，能够采用下述结构，即，不使用金属污染防止罩覆盖这些环形线圈64(1)、64(2)、64(3)而使其直接露出，贴附在石英板窗52的下表面或配置在在等离子体生成区域之中。
在该实施方式中，对RF天线54的一次线圈62供给高频RFH的电流的供电方式可以有各种形式。
在图2的天线结构中，一次线圈62的第一圈部62(1)、第二圈部62(2)和第三圈部62(3)相对于单个高频供电部58串联连接。
不过，如图5所示，也可以采用相对于单个高频供电部58并联连接这些多个圈部62(1)、62(2)、62(3)的供电方式。该并联供电方式中，来自高频供电部58的高频RFH的电流分支流到这些多个圈部62(1)、62(2)、62(3)中。RF电流最大地分流到阻抗相对最低的圈部(通常为最内周的圈部62(1))，RF电流最少地分流到阻抗相对最高的圈部(通常为最外周的圈部62(3))。
或者，如图6所示，可以将一次线圈62的多个圈部62(1)、62(2)、62(3)与多个高频供电部58(1)、58(2)、58(3)分别单独地连接。这种情况下，能够与各圈部的相对阻抗无关地利用各高频供电部58(1)、58(2)、58(3)对各圈部62(1)、62(2)、62(3)供给独立的任意的高频电流或高频电流电力。
进一步地，如图7A和图7B所示，可以采用将从上述RF天线54独立的另外的RF天线86配置在电介质窗52的附近的结构。在图示的结构例中，在径向内侧(中心部)配置第一RF天线54，在径向外侧(周边部)配置第二RF天线86。第二RF天线86既可以是图示那样的单绕(或复绕)的同心圆型线圈，也可以是螺旋型线圈。优选利用各专用的高频供电部58(1)、58(2)对两个RF天线54、86以个别的功率供给高频电流。不过，也可以采用将来自单个高频供电部58的高频电流分配到两RF天线54、86的方式。
作为其它的适宜的实施例，在本发明的RF天线54的二次线圈64中，能够在其环中设置电容器。在二次线圈64如上所述由多个环形线圈64(1)、64(2)、64(3)形成的情况下，能够在这些环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的所有的环中或其一部分(例如仅64(3)一个)的环中设置电容器。具体而言，能够在环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的线圈导体的周方向的一处形成例如间隙宽度5mm左右的切口，并在该切口设置电容器。图8A和图8B中表示了在环形线圈64(1)、64(2)、64(3)的所有环中分别设置电容器90(1)、90(2)、90(3)的结构例。
本发明者对该实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置实施下述电磁场模拟。
即，在二次线圈64中插入有电容器的图1的电感耦合型等离子体蚀刻装置中，求出在等离子体中激发的感应电流的分布，得到如图9A(等高线图表)和图9B(整周图表)所示的特性。在图9A和图9B中，作为比较例，也表示了在图1的电感耦合型等离子体蚀刻装置中省去二次线圈64、将一次线圈62载置在电介质窗52的上表面进行配置的情况下，在等离子体中激发的感应电流的分布特性。
在该电磁场模拟中，一次线圈62由绕4圈的同心圆型线圈构成，其最内周的第一圈部的半径为70mm，第二圈部的半径为120mm，第三圈部的半径为170mm，最外周的第四圈部的半径为220mm。二次线圈64由与一次线圈62的绕线结构对应地同心圆状配置的4个环形线圈64(1)、64(2)、64(3)、64(4)构成，最内周的第一环形线圈64(1)的半径为70mm，第二环形线圈64(2)的半径为120mm，第三环形线圈64(3)的半径为170mm，最外周的第四环形线圈64(4)的半径为220mm。
另外，在该电磁场模拟中，将二次线圈64配置于载置在电介质窗52的上表面的高度上，将一次线圈62配置在从二次线圈64向上方离开5mm的位置。设置在环形线圈64(1)、64(2)、64(3)、64(4)的环中的电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别为1547pF、650pF、400pF、250pF。在腔室10内的处理空间中通过电感耦合生成的环形的等离子体由圆盘形状的电阻元件模拟，该电阻元件的半径设定为250mm，电阻率设定为100Ωcm，表皮厚度设定为10mm。等离子体生成用的高频RFH的频率为13.56MHz。
如图9A和图9B所示，在比较例中，在与一次线圈62的RF供电输入输出端的位置相对应的顺时针9点的方向(在周方向上以X轴正方向作基准时为180度)附近，可看到感应电流的偏向。相对于此，可知在实施例中几乎没有周方向的偏向。另外可知，等离子体内的感应电流在半径方向上不均匀，在扩散后在径向上能够获得均匀的等离子体密度。
另外，作为上述电磁场模拟的一环，在实施例的RF天线54中，求出当在一次线圈62中流通1A(安培)的RF电流(一次电流)时在二次线圈64的环形线圈64(1)～64(4)中分别流通的感应电流(二次电流)，关于各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比，得到图10所示的结果。如图所示，可知各半径位置处流通RF电流(一次电流)的约1～5倍左右的感应电流(二次电流)。
另外，对上述实施例和上述比较例，求出当在一次线圈62中流通1A的RF电流时在等离子体中激发的电流密度(相当于等离子体密度)的径向分布，得到图11所示的特性。如图所示，可知按照二次线圈64的有无，在等离子体内的电流密度中能够产生最大5倍左右的差，能够利用二次线圈64的电流倍增效应在等离子体中激发较大的电流。
一般地，在电感耦合方式中，为增大等离子体中激发的电流，采用提高天线或线圈的绕线密度的方法，但这样必然会使线圈长度延长，容易引起波长效应的问题。根据本发明，能够在不延长线圈长度的情况下增大在等离子体中激发的电流。另外，从高频供电部58的匹配器72向一次线圈62供给很少的RF电流就可以，因此匹配较为容易实现，能够抑制匹配器72的功率损失。
在本实施方式中，能够采用使设置在二次线圈64的环中的电容器为可变电容器的方式。作为上述电磁场模拟的一环，使分别设置在上述环形线圈64(1)、64(2)、64(3)、64(4)的环中的电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)全部为可变电容器，并使各电容以多个组合进行各种变化，求出各半径位置的环形线圈64(1)～64(4)中分别流通的感应电流(二次电流)。其结果为，关于各半径位置的感应电流(二次电流)与在线圈62中流通的RF电流(一次电流)的比以及等离子体内的电流密度的径向分布，能够得到图12～图16所示的特性。
[第一电容调整例]
在将电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别设定为1547pF、650pF、400pF、250pF的情况下，各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比如图12A所示，等离子体内的电流密度的径向分布如图12B所示。
更详细而言，如图12A所示，在第三环形线圈64(3)(r＝170mm)中流通的感应电流最大，在第一环形线圈64(1)(r＝70mm)中流通的感应电流最小，在第二环形线圈64(2)(r＝120mm)和第四环形线圈64(4)(r＝220mm)中流通的感应电流表现出中间的值。如图12B所示，等离子体内的电流密度的径向分布，呈现出与在上述四个半径位置处分别流通的感应电流的相对大小关系相应的分布图。即，等离子体内的电流密度表现为，在径向上r＝170mm附近变为极大的山形的分布图。
[第二电容调整例]
在将电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别设定为3000pF、300pF、300pF、380pF的情况下，各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比如图13A所示，等离子体内的电流密度的径向分布如图13B所示。
更详细而言，如图13A所示，在第四环形线圈64(4)(r＝220mm)中流通的感应电流最大，在其它环形线圈64(1)、64(2)、64(3)(r＝70mm、r＝120mm、r＝170mm)中分别流通的感应电流全都成为最大电流的约1/3。如图13B所示，等离子体内的电流密度的径向分布，成为与在上述四个半径位置处分别流通的感应电流的相对大小关系相应的分布图。不过，靠近半径方向中心部(r＝70mm)的电流密度具有比半径方向中间部(r＝120mm～170mm)的电流密度相对变低的倾向。
[第三电容调整例]
在将电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别设定为1547pF、650pF、300pF、380pF的情况下，各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比如图14A所示，等离子体内的电流密度的径向分布如图14B所示。
更详细而言，如图14A所示，感应电流发生两极化，在第偶数个即第二和第四环形线圈64(2)、64(4)(r＝120mm、r＝220mm)中分别流通的感应电流较大，而在第奇数个即第一和第三环形线圈64(1)、64(3)(r＝70mm、r＝170mm)中分别流通的感应电流较小。如图14B所示，等离子体内的电流密度的径向分布，呈现出与在上述四个半径位置处分别流通的感应电流的相对大小关系相应的分布图。即，等离子体内的电流密度表现为，在半径方向上中间部的2处(r＝120mm附近和r＝170mm附近)变为极大的分布图。
[第四电容调整例]
在将电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别设定为1400pF、500pF、586pF、380pF的情况下，各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比如图15A所示，等离子体内的电流密度的径向分布如图15B所示。
更详细而言，如图15A所示，在第一环形线圈64(1)(r＝70mm)中流通的感应电流突出，值最大，而在其它环形线圈64(2)、64(3)、64(4)(r＝120mm、r＝170mm、r＝220mm)中分别流通的感应电流均为最大电流的约3/5。如图15B所示，等离子体内的电流密度的径向分布，呈现出与在上述四个半径位置处分别流通的感应电流的相对大小关系相应的分布图。不过，在半径方向中间部(r＝120mm～170mm)之中存在电流密度大幅下落的地方。
[第五电容调整例]
在将电容器90(1)、90(2)、90(3)、90(4)的电容分别设定为1547pF、300pF、300pF、380pF的情况下，各半径位置的感应电流(二次电流)与RF电流(一次电流)的比如图16A所示，等离子体内的电流密度的径向分布如图16B所示。
更详细而言，如图16A所示，在第四环形线圈64(4)(r＝220mm)中流通的感应电流突出，值最大，在第一环形线圈64(1)(r＝70mm)中流通的感应电流为最大电流的约2/3，在第二和第三环形线圈64(2)、64(3)(r＝120mm、r＝170mm)中流通的感应电流为最大电流的约1/3。如图16B所示，等离子体内的电流密度的径向分布，呈现出与在上述四个半径位置处分别流通的感应电流的相对大小关系相应的分布图。
如上所述，在该实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置中，在RF天线54的二次线圈64的环中设置可变电容器，通过对其电容进行可变调整，能够控制在等离子体中激发的电流密度(即环形等离子体内的等离子体密度)的径向分布，进而能够使基座12附近(半导体晶片W上)的等离子体密度的径向分布为随意分布或各种各样的分布。于是，在径向上也能够使等离子体密度的均匀性乃至等离子体处理的均匀性提高。
该实施方式中的电感耦合型等离子体蚀刻装置例如能够适宜地适用于通过多个步骤连续地蚀刻加工基板表面的多层膜的应用中。以下对图17所示的多层蚀刻法中涉及的本发明的实施例进行说明。
在图17中，在作为加工对象的半导体晶片W的主面，在原本的被加工膜(例如屏蔽用的Si膜)100之上，形成有SiN层102作为最下层(最终掩膜)，并在其上形成有有机膜(例如碳)104作为中间层，进而在其上借助含Si的反射防止膜(BARC)106形成有作为最上层的光致抗蚀剂108。SiN层102、有机膜104和反射防止膜106的成膜使用由CVD(化学真空蒸镀法)或旋转涂敷法形成的涂敷膜，抗蚀剂108的图案化使用光刻。
首先，作为第一步骤的蚀刻处理，如图17(A)所示，以已被图案化的抗蚀剂108作为掩膜，对含Si反射防止膜106进行蚀刻。这种情况下，蚀刻气体使用CF4/O2的混合气体，腔室10内的压力比较低，例如设定为10mTorr。
接着，作为第二步骤的蚀刻处理，如图17(B)所示，以光致抗蚀剂108和反射防止膜106作为掩膜，对有机膜104进行蚀刻加工。这种情况下，蚀刻气体使用O2的单一气体，腔室10内的压力更低，例如设定为5mTorr。
最后，作为第三步骤的蚀刻处理，如图17(C)、(D)所示，以已被图案化的反射防止膜106和有机膜104作为掩膜，对含SiN膜102进行蚀刻加工。这种情况下，蚀刻气体使用CHF3/CF4/Ar/O2的混合气体，腔室10内的压力比较高，例如设定为50mTorr。
在上述多步骤的蚀刻处理中，在每一步骤切换处理条件的全部或一部分(特别是腔室10内的压力)，由此使环形的等离子体在处理空间内扩散的方式发生变化。此处，在不设置第二线圈64的情况下，在第一和第二步骤的处理(压力10mTorr以下)中，基座12附近的电子密度(等离子体密度)表现为在中心部相对显著地隆起的陡峭的山形的分布图，在第三步骤的处理(压力50mTorr)中，表现为中心部稍稍隆起的平缓的山形的分布图。
根据该实施方式，通过下述方法将电容器90(1)、90(2)……90(n)(例如n＝4)的电容设定为菜单信息或处理参数之一，即，例如在处理菜单中将电容器90(1)、90(2)……90(n)(例如n＝4)的电容添加到通常的处理条件(高频的功率、压力、气体种类、气体流量等)中的方法，或使电容器90(1)、90(2)……90(n)(例如n＝4)的电容与这些处理条件关联的方法。而且，在执行上述多步骤的蚀刻处理时，主控制部74从存储器中读出表示电容器90(1)～90(n)的电容的数据，在各步骤中使电容器90(1)～90(n)的电容与设定值(目标值)一致。
从而，在上述多层抗蚀法的蚀刻处理(图17)中，例如在上述第一步骤(10mTorr)中切换为上述第一电容调整例，在上述第二步骤(5mTorr)中切换为上述第二电容调整例，在上述第三步骤(50mTorr)中切换为上述第四电容调整例。
这样，在对一片半导体晶片W进行单个或一连串的等离子体处理中，能够根据处理条件的改变、切换或变化来对电容器90(1)～90(n)的电容进行可变调整。由此，能够在单片等离子体处理的整个处理时间或所有步骤中，能够使基座12附近(半导体晶片W上)的等离子体密度的径向分布多种多样地变化或控制为最佳，能够提高等离子体处理的均匀性。
图18示意地表示在该实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置中使RF天线的二次线圈64旋转运动的实施例。如上所述，当在二次线圈64的环中设置电容器的情况下，在电容器的设置位置失去二次线圈64的非对称性，可能在周方向在等离子体密度分布中引起偏向。在这种情况下，通过使二次线圈64在其中心轴线周围旋转运动，能够使在二次线圈64的环中产生的电磁偏向在时间上平均，提高周方向(方位角方向)上的等离子体密度分布的均匀性。如上所述，因为二次线圈64是完全封闭的环，不需要与外部的接线，所以能够只使二次线圈64或只使二次线圈64与保持部110旋转运动。
图示的旋转机构112中，以由电介质形成的圆板体构成二次线圈保持部110，借助滑轮或小齿轮116利用包含电动机的旋转驱动部118进行旋转驱动与该保持部110结合的旋转环114。
二次线圈64的结构，并不限定于将上述一个或多个环形线圈64(1)、64(2)……同心圆状配置的结构。例如，可以如图19所示为串联连接的复绕同心圆型线圈，也可以采用在线圈所有的环中插入电容器120的结构。或者，虽然省略了图示，但也能够使二次线圈64为螺旋型线圈。
另外，当在二次线圈64的环中插入电容器的情况下，因为利用了接近串联共振的状态，所以若Q值较低则变化会过于陡峭，可能会出现控制变得困难或产生机械误差的可能。为防止这种不利情况，二次线圈64的材料优选使用电阻率稍高的金属或半导体(例如通过掺杂氮N或磷P而带有导电性的硅晶体)，或者与电容器一起插入电阻。
另外，已知从外部插入二次线圈64的环中的电阻的电阻值或线圈部件的电阻值会随着温度的上升而变大。在将RF功率保持为一定，对RF天线54施加高频RFH的情况下，随着二次线圈64的电阻值上升，其消耗的功率会增大，因此可以预见结果上流入一次线圈的电流量减少的效果。由此，能够防止极大的电流在一个线圈中流通，也能够预见以自动平均的方式调整RF天线内的电流的效果。
另外，优选以气冷方式或水冷方式对RF天线54特别是二次线圈64进行冷却。在这样对线圈64(62)进行冷却的情况下，能够通过改变其冷却温度来改变线圈64(62)的电阻率，由此也能够对在线圈64(62)中流通的电流进行调整。
构成RF天线54的一次线圈62和二次线圈64的环形状并不限定于圆形，也可以为四角形或六角形等。线圈62、64的截面形状也不限定于矩形，可以为圆形、椭圆形等，并不限定于单线，也可以为绞合线。
上述的实施方式中的电感耦合型等离子体蚀刻装置的结构只是一例，等离子体生成机构的各部分的结构当然可以有各种变形，与等离子体生成无直接关系的各部分的结构也可以有各种变形。
例如，作为RF天线的基本方式，也可以为平面型之外的类型例如穹顶型等。在处理气体供给部中能够采用从顶部向腔室10内导入处理气体的结构，也能够采用不对基座12施加直流偏置控制用的高频RFL的方式。
另外，本发明的电感耦合型的等离子体处理装置或等离子体处理方法，并不限定于等离子体蚀刻的技术领域，也能够适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、溅射等其它的等离子体处理中。另外，本发明的被处理基板并不限定于半导体晶片，也可以是平板显示器用的各种基板、光掩膜、CD基板、印刷基板等。

Claims (13)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
在顶部具有电介质窗的能够进行真空排气的处理容器；
在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；
向所述处理容器内供给所希望的处理气体的处理气体供给部，用于对所述基板实施所希望的等离子体处理；
第一RF天线，用于在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体；和
向所述RF天线供给频率适合于所述处理气体的高频放电的高频电力的第一高频供电部，其中
所述第一RF天线配置在所述电介质窗上或所述电介质窗的上方，并且具有经由高频供电线与所述第一高频供电部电连接的一次线圈，和配置在能够通过电磁感应与所述一次线圈耦合的位置，并且比所述一次线圈更靠近所述电介质窗的下表面的二次线圈，
所述二次线圈处于电浮起状态。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
通过在所述二次线圈中流动的感应电流，在所述处理容器内产生感应电场，通过所述感应电场生成所述处理气体的等离子体。
3.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述一次线圈和所述二次线圈被配置成与所述电介质窗平行。
4.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述二次线圈的至少一部分设置在所述电介质窗的内部或所述处理容器内。
5.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
与所述第一RF天线独立地设置在所述电介质窗的附近的第二RF天线，用于在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体；和
向所述第二RF天线供给频率适合于所述处理气体的高频放电的高频电力的第二高频供电部。
6.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述二次线圈的环中设置有电容器。
7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电容器是可变电容器，对其电容进行调整，以控制所述基板上的等离子体密度的径向分布。
8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述二次线圈构成为将线圈半径不同的多个环形线圈同轴状配置而形成的线圈组。
9.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：
至少一部分的所述环形线圈的环中设置有电容器。
10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电容器是可变电容器，对其电容进行调整，以控制所述基板上的等离子体密度的径向分布。
11.如权利要求8～10中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述一次线圈由多个卷绕的同心型线圈构成，
所述一次线圈的多个圈部与所述二次线圈的多个环形线圈分别相对。
12.一种等离子体处理方法，其特征在于，包括：
在顶部具有电介质窗的能进行真空排气的处理容器内，在设定于所述电介质窗的下方的规定位置上配置被处理基板的工序；
利用处理气体供给部向所述处理容器内供给所希望的处理气体的工序；
以规定的压力将所述处理容器内维持在减压状态的工序；
利用高频电源对配置在所述电介质窗的上方的一次线圈施加规定频率的高频，使高频电流在所述一次线圈中流动的工序；
通过电磁感应使与所述高频电流相应的感应电流在二次线圈中流动的工序，其中，所述二次线圈配置在比所述一次线圈更靠近所述电介质窗的下表面的位置上；
通过与在所述二次线圈中流动的所述感应电流相应的高频的磁场和感应电场，在所述处理容器内的所述电介质窗的附近生成处理气体的等离子体的工序；
使生成的所述等离子体在所述处理容器内扩散的工序；和
在所述等离子体的环境下对所述基板实施所希望的等离子体处理的工序，
所述二次线圈处于电浮起状态。
13.如权利要求12所述的等离子体处理方法，其特征在于：
在所述二次线圈的环中设置可变电容器，
在对一片被处理基板进行的等离子体处理中，根据处理条件的变更、变化或切换，对所述可变电容器的电容进行可变控制。
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