CN102867724B - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制附着物的产生的等离子体处理装置。一实施方式的等离子体处理装置具有处理容器、气体供给部、导入部、保持构件以及聚焦环。在处理容器中划分出的处理空间内，利用从导入部导入的能量使从气体供给部供给的处理气体产生等离子体。在该处理空间内配置有保持构件和聚焦环，该保持构件用于保持被处理基体，该聚焦环以包围该保持构件的端面的方式设置。在保持构件的端面与聚焦环之间划分有350μm以下的间隙。

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

在下述专利文献1中记载有一种等离子体处理装置。专利文献1所记载的等离子体处理装置具有处理容器、第1电极、第2电极、高频供电部、处理气体供给部、主电介体、聚焦环以及周边感应体。

在第1电极的主表面上安装有聚焦环以及包括主电介体的静电吸盘。聚焦环以覆盖第1电极的主表面中的位于比配置有静电吸盘的区域靠外侧的位置的周边部的方式安装在第1电极上。为了确保等离子体的密度的面内均匀性，第1电极具有比被处理基体大一圈的外径。聚焦环以覆盖第1电极的周边部的方式设置，从而保护第1电极的表面而不接触等离子体。

专利文献1：日本特开2008－244274号公报

在专利文献1中所记载的等离子体处理装置中，在处理了被处理基体之后，有时在静电吸盘的外缘部等产生附着物。

因而，在该技术领域内，需要一种能够抑制附着物的产生的等离子体处理装置。

发明内容

本发明的一技术方案的等离子体处理装置具有：处理容器，在其内部划分有处理空间；气体供给部，其用于向处理空间内供给处理气体；导入部，其导入用于产生处理气体的等离子体的能量；保持构件，其设在处理空间内，用于保持被处理基体，且具有电介体材料制的表面；聚焦环，其以包围保持构件的端面的方式设置，并以在保持构件的端面与该聚焦环之间划分有350μm以下的间隙的方式设置。

当运转等离子体处理装置时，保持构件以及聚焦环被加热至规定的温度。当保持构件以及聚焦环被加热时，基于构成该保持构件以及聚焦环的各种材料所具有的热膨胀率，保持构件以及聚焦环产生变形。为了防止因该变形而造成保持构件的端面与聚焦环相接触，通常，在保持构件与聚焦环之间设定有较大的间隙。在这样的等离子体处理装置中，因在清洁时等进入到保持构件的端面与聚焦环之间的间隙内的等离子体而产生微细颗粒，该微细颗粒有时会附着在保持构件的外缘部等之上。

在一技术方案的等离子体处理装置中，由于保持构件的端面与聚焦环的内缘之间的距离，即间隙的大小被设定在350μm以下，因此抑制了等离子体进入间隙内，其结果，抑制了微细颗粒的产生。因而，能够抑制会附着在保持构件的外缘部等之上的附着物的产生。

在一实施方式中，聚焦环包括：第1区域，其包括该聚焦环的内缘；第2区域，其比第1区域靠外侧，第1区域沿保持构件的上表面的延长面设置，或设在该延长面的下方，第2区域也可以设在保持构件的上表面的上方。采用这样的聚焦环，当利用保持构件保持被处理基体时，保持构件的端面与聚焦环之间的间隙由被处理基体覆盖。因而，能够抑制等离子体进入保持构件的端面与聚焦环之间的间隙内。因此，能够进一步抑制微细颗粒的产生。

如以上说明的那样，本发明提供一种能够抑制附着物的产生的等离子体处理装置。

附图说明

图1是概略地表示一实施方式的等离子体处理装置的剖视图。

图2是从轴线X方向观察一实施方式的缝隙板的俯视图。

图3是从轴线X方向观察一实施方式的静电吸盘以及聚焦环的俯视图。

图4是放大表示一实施方式的静电吸盘以及聚焦环的局部的剖视图。

图5的（a）～（b）是用于说明产生附着物的主要原因的图。

图6的（a）～（d）是比较例的静电吸盘以及聚焦环的照片。

图7的（a）～（d）是一实施方式的静电吸盘以及聚焦环的照片。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明各种实施方式。另外，在各附图中，对于相同或相当的部分标注相同的附图标记。

图1是概略地表示一实施方式的等离子体处理装置的剖视图。图1所示的等离子体处理装置10具有处理容器12、载置台14、微波生成器16、天线18以及电介体窗20。等离子体处理装置10是利用来自天线18的微波来产生等离子体的微波等离子体处理装置。另外，等离子体处理装置也可以是除微波等离子体处理装置之外的任意的等离子体处理装置。

在处理容器12中划分出用于对被处理基体W进行等离子处理的处理空间S。处理容器12能够包括侧壁12a以及底部12b。侧壁12a具有沿轴线X方向（即，轴线X的延伸方向）延伸的大致筒状。底部12b设在侧壁12a的下端侧。在底部12b上设有排气用的排气孔12h。侧壁12a的上端部开口。

利用电介体窗20来封堵侧壁12a的上端部开口。也可以在该电介体窗20与侧壁12a的上端部之间夹设有O形环21。利用该O形环21进一步可靠地密封处理容器12。

微波生成器16例如产生2.45GHz的微波。在一实施方式中，等离子体处理装置10还具有调谐器22、波导管24、模式转换器26以及同轴波导管28。另外，微波生成器16、调谐器22、波导管24、模式转换器26、同轴波导管28、天线18以及电介体窗20构成了导入部，该导入部向处理空间S内导入用于产生等离子体的能量。

微波生成器16经由调谐器22与波导管24连接。波导管24例如是矩形波导管。波导管24与模式转换器26连接，该模式转换器26与同轴波导管28的上端连接。

同轴波导管28沿轴线X延伸。该同轴波导管28包括外侧导体28a以及内侧导体28b。外侧导体28a具有沿轴线X方向延伸的大致圆筒形状。内侧导体28b设在外侧导体28a的内部。该内侧导体28b具有沿轴线X延伸的大致圆筒形状。

由微波生成器16产生的微波经由调谐器22以及波导管24被导入到模式转换器26。模式转换器26转换微波的模式，并将模式转换后的微波供给到同轴波导管28。来自同轴波导管28的微波被供给到天线18。

天线18基于由微波产生器16产生的微波来发射等离子体激发用的微波。天线18能够包括缝隙板30、电介体板32以及冷却套34。

在缝隙板30上，以轴线X为中心在周向上排列有多个缝隙。图2是从轴线X方向观察一实施方式的缝隙板30的俯视图。在一实施方式中，如图2所示，缝隙板30可以是构成径向线缝隙天线的缝隙板。缝隙板30由具有导电性的金属制的圆板构成。在缝隙板30上形成有多个缝隙对30a。各缝隙对30a包括沿彼此交叉或彼此正交的方向延伸的缝隙30b以及缝隙30c。多个缝隙对30a以规定的间隔沿径向配置、或以规定的间隔沿周向配置。

电介体板32设在缝隙板30与冷却套34的下侧表面之间。电介体板32例如是石英制的，且具有大致圆板形状。冷却套34的表面能够具有导电性。冷却套34用于冷却电介体板32以及缝隙板30。因此，在冷却套34内形成有制冷剂用的流路。该冷却套34的上部表面与外侧导体28a的下端电连接。另外，内侧导体28b的下端在形成于冷却套34以及电介体板32的中央部分的孔中穿过并与缝隙板30电连接。

来自同轴波导管28的微波向电介体板32传播，并从缝隙板30的缝隙经由电介体窗20被导入到处理空间S内。电介体窗20具有大致圆板形状，例如由石英构成。该电介体窗20设在处理空间S与天线18之间，在一实施方式中，该电介体窗20在轴线X方向上设在天线18的正下方。

在一实施方式中，在同轴波导管28的内侧导体28b的内孔内穿有导管36。导管36沿轴线X延长，并能够与气体供给部38连接。

气体供给部38将用于对被处理基体W进行处理的处理气体向导管36供给。由气体供给部38供给的处理气体包含碳。在一实施方式中，该处理气体是蚀刻气体，例如是CF₄气体、或CH₂F₂气体。气体供给部38能够包括气体源38a、阀38b以及流量控制器38c。气体源38a是处理气体的气体源。阀38b对来自气体源38a的处理气体的供给以及供给停止进行切换。流量控制器38c例如是质量流量控制器，其调整来自气体供给源38a的处理气体的流量。

在一实施方式中，等离子体处理装置10还能够具有喷射器41。喷射器41将来自导管36的气体向形成在电介体窗20上的贯穿孔20h供给。被供给到电介体窗20的贯穿孔20h内的气体向处理空间S内供给。

在一实施方式中，等离子体处理装置10还能够具有气体供给部42。在载置台14和电介体窗20之间，气体供给部42将气体从轴线X的周围向处理空间S内供给。气体供给部42能够包括导管42a。导管42a在电介体窗20与载置台14之间以轴线X为中心呈环状延长。在导管42a上形成有多个气体供给孔42b。多个气体供给孔42b呈环状排列并朝向轴线X开口，并将被供给到导管42a内的气体朝向轴线X供给。该气体供给部42经由导管46与气体供给部43连接。

气体供给部43将用于对被处理基体W进行处理的处理气体向气体供给部42供给。从气体供给部43供给的处理气体与气体供给部38的处理气体同样地含有碳。在一实施方式中，该处理气体是蚀刻气体，例如是CF₄气体或CH₂F₂气体。气体供给部43能够包括气体源43a、阀43b以及流量控制器43c。气体源43a是处理气体的气体源。阀43b对来自气体源43a的处理气体的供给以及供给停止进行切换。流量控制器43c例如是质量流量控制器，其调整来自气体供给源43a的处理气体的流量。

载置台14以在轴线X方向上与电介体窗20相对的方式设置。该载置台14以在电介体窗20与该载置台14之间夹着处理空间S的方式设置。在载置台14上载置被处理基体W。在一实施方式中，载置台14能够包括台14a、静电吸盘15以及聚焦环17。

台14a被筒状支承部48支承。筒状支承部48由绝缘性材料构成，且从底部12b向垂直上方延伸。另外，在筒状支承部48的外周设有导电性的筒状支承部50。筒状支承部50沿筒状支承部48的外周从处理容器12的底部12b向垂直上方延伸。在该筒状支承部50与侧壁12a之间形成有环状的排气通路51。

在排气通路51的上部安装有环状的隔板52，该隔板52设有多个贯穿孔。在排气孔12h的下部经由排气管54连接有排气装置56。排气装置56具有涡轮分子泵等真空泵。利用排气装置56能够将处理容器12内的处理空间S减压到所期望的真空度。

台14a兼作高频电极。在台14a上经由匹配单元60以及供电棒62电连接有RF偏压用的高频电源58。高频电源58以规定的功率输出恒定的频率，例如13.65MHz的高频电力，该恒定的频率的适合于对引入到被处理基体W内的离子的能量进行控制。匹配单元60收容有匹配器，该匹配器用于在高频电源58侧的阻抗和以电极、等离子体、处理容器12为主的负荷侧的阻抗之间取得匹配。在该匹配器中包括用于生成自身偏压的隔直电容器。

在台14a的上表面上设有作为保持构件的静电吸盘15，该静电吸盘15用于保持被处理基体W。静电吸盘15利用静电吸附力保持被处理基体W。在静电吸盘15的径向外侧设有聚焦环17，该聚焦环17呈环状包围被处理基体W的周围以及静电吸盘15的周围。

静电吸盘15包括电极15d、绝缘膜15e以及绝缘膜15f。电极15d由导电膜构成，且设在绝缘膜15e和绝缘膜15f之间。在电极15d上经由开关66以及被覆线68电连接有高压直流电源64。静电吸盘15能够利用库仑力来保持被处理基体W，该库仑力是通过由于直流电源64所施加的直流电压而产生的。

在台14a的内部设有沿周向延伸的环状的制冷剂室14g。经由配管70、72从冷却单元（未图示）向该制冷剂室14g内循环供给规定温度的制冷剂，例如循环供给冷却水。利用制冷剂的温度使静电吸盘15的导热气体，例如He气经由气体供给管74向静电吸盘15的上表面与被处理基体W的背面之间供给。

在如此构成的等离子体处理装置10中，气体经由导管36以及喷射器41的贯穿孔从电介体窗20的贯穿孔20h沿轴线X向处理空间S内供给。另外，在贯穿孔20h的下方，气体从气体供给部42朝向轴线X供给。而且，微波从天线18经由电介体窗20向处理空间S和／或贯穿孔20h内导入。由此，在处理空间S和／或贯穿孔20上产生等离子体。这样，采用等离子体处理装置10，不施加磁场就能够产生等离子体。在该等离子体处理装置10中，能够利用处理气体的等离子体对载置在载置台14上的被处理基体W进行处理。

以下，参照图3以及图4进一步详细地说明静电吸盘15以及聚焦环17。图3是从轴线X方向观察的一实施方式的静电吸盘15以及聚焦环17的俯视图。

静电吸盘15例如是氧化铝（Al₂O₃）或氧化钇（Y₂O₃）这样的电介体材料制的，且具有大致圆板形状。静电吸盘15具有端面15a。在一实施方式中，端面15a局部地包括平端面15b。静电吸盘15具有规定的外径（直径）D1。

聚焦环17以包围静电吸盘15的端面15a的方式搭载在台14a上。聚焦环17例如是二氧化硅（SiO₂）制的，且为环状板。在聚焦环17上设有具有内径D2的孔17a。划分出孔17a的内壁面17b局部地包括与静电吸盘15的平端面15b相面对的平壁面17c。

在静电吸盘15的端面15a和内壁面17b，即聚焦环17的内缘之间划分有间隙h。以该间隙h例如在25℃这样的常温的温度环境中为350μm以下的方式来设定静电吸盘15的外径D1以及聚焦环17的内径D2。聚焦环17以聚焦环17的中心轴线17g的位置与静电吸盘15的中心轴线15g的位置大致一致的方式配置在台14a上。

在静电吸盘15的平端面15b与聚焦环17的平壁面17之间划分有间隙g。当将聚焦环17的中心轴线17g的位置设为与静电吸盘15的中心轴线15g一致时，间隙g根据距离d和距离c来确定。距离d根据从静电吸盘15的平端面15b到与该平端面15b相互平行并包括中心轴线15g的面为止的距离来进行确定。距离c根据从聚焦环17的平壁面17c到与该平壁面17c相互平行并包括中心轴线17g的面为止的距离来进行确定。以该间隙g例如在25℃这样的常温的温度环境中为350μm以下的方式来设定静电吸盘15的距离d以及聚焦环17的距离c。

图4是放大表示一实施方式的静电吸盘15以及聚焦环17的局部的剖视图，是图3的IV－IV的剖视图。聚焦环17包括：第1区域17d，其包括内缘17f；第2区域17e，其在第1区域17d的外侧。聚焦环17的内壁面17b与静电吸盘15的端面15a相面对。

在静电吸盘15的表面15c上保持被处理基体W。由于静电吸盘15的外径D1比被处理基体W的外径D3小，因此被处理基体W的外缘部比静电吸盘15的端面15a向与轴线X正交的方向突出。

聚焦环17的第1区域17d沿静电吸盘15的表面15c的延长面设置。另外，第1区域17d也可以设在静电吸盘15的表面15c的延长面的下方。聚焦环17的第1区域17d中的一部分区域由被处理基体W覆盖。另外，存在于静电吸盘15和聚焦环17之间的间隙h以及间隙g由被处理基体W覆盖。因而，当被处理基体W载置在静电吸盘15上时，抑制了等离子体进入间隙h以及间隙g内。

另外，聚焦环17的第2区域17e设在静电吸盘15的表面15c的上方。通过这样地构成，能够使被处理基体W的表面上的等离子体均匀分布。

参照图5，说明在使用了比较例的静电吸盘92以及聚焦环93的情况下所产生的现象。图5的（a）所示的静电吸盘92与聚焦环93之间的间隙95例如是500μm。在被处理基体未吸附在静电吸盘92的表面92a上的状态下，实施清洗（WLDC：waferless dry cleaning，无晶圆干式清洗）。此时，作为处理气体使用有六氟化硫以及氧的混合气体（SF₆／O₂）。当等离子体94进入到静电吸盘92与聚焦环93之间的间隙95内时，由氧化铝（Al2O3）构成的静电吸盘92的端面92b被处理气体所包含的氟氟化而产生氟化铝（AlF）的微细颗粒96。推测该微细颗粒96堆积在间隙95内、或附着在静电吸盘92的外缘部的表面92a上。

如图5的（b）所示，在微细颗粒96附着在静电吸盘92的外缘部的表面92a上的状态下，当被处理基体97吸附在静电吸盘92的表面92a上时，微细颗粒96夹在被处理基体97与静电吸盘92之间。在此，若向台91施加高频电力，则电流借助微细颗粒96集中地流动，因此有可能产生发火花。若因产生发火花而使包含在静电吸盘92内的电极露出，则不能够向静电吸盘92施加直流电压，因此有时无法利用静电吸盘92来吸附被处理基体97。

在使用比较例的静电吸盘92以及聚焦环93对被处理基体97进行了处理之后，确认了静电吸盘92的表面92a的状态等。其结果，确认了在静电吸盘92与聚焦环93之间的间隙95内附着有包含铝、氟以及氧的微细颗粒。图6的（a）是拍摄静电吸盘92的表面92a的局部的照片，图6的（b）是扩大了图6的（a）的A部的照片。当参照图6的（b）时，确认了在表面92a上形成有被认为是因发火花而产生的孔92c。另外，图6的（c）是拍摄静电吸盘92的表面92a的其他的区域的局部的照片。图6的（d）是扩大了图6的（c）的B部的照片。当参照图6的（d）时，与图6的（b）中所确认的孔92c同样地确认了在表面92a上形成有被认为是因发火花而产生的孔92d。

在一实施方式的等离子体处理装置10中，在静电吸盘15与聚焦环17之间划分有350μm以下的间隙h以及间隙g，因此抑制了等离子体进入该间隙h以及间隙g内，其结果，抑制了微细颗粒的产生。因而，能够抑制会附着在静电吸盘15的外缘部等之上的附着物的产生。而且，由于能够抑制附着物的产生，因此抑制了发火花的产生。由此，能够防止静电吸盘15的吸附不良的产生。

在此，说明间隙h以及间隙g的尺寸与等离子体之间的关系。要想使等离子体存在于间隙h以及间隙g内，间隙h以及间隙g的距离需要充分地大于德拜长度（Debye length）λ_D（参照下述公式（1））。

[数1]

${\mathrm{\λ}}_D\left(\mathrm{cm}\right)=7.34\×{10}^2\sqrt{\frac{T_e\left(\mathrm{eV}\right)}{n_0\left({\mathrm{cm}}^{-3}\right)}}\·\·\·\left(1\right)$

在上述公式（1）中，T_e是电子温度，n_o是电子密度。当向等离子体施加电场时，自由电子因热运动而运动并阻断电场。德拜长度λ_D是表示将该电场阻断的长度的等级的长度。因而，在比德拜长度λ_D小的空间中，无法确保等离子体的电中性。要想使等离子体存在于间隙h以及间隙g内，考虑到护套长度而使静电吸盘15与聚焦环17之间的距离，即间隙h以及间隙g的大小需要大于德拜长度λ_D的2～3倍。即，若将间隙h以及间隙g的大小设定为德拜长度λ_D的2～3倍以下，则抑制了等离子体进入间隙h以及间隙g内。因此，能够抑制由等离子体所引起的微细颗粒的产生。

例如，若T_e=1.5eV，n_o=6×109cm^-3，则德拜长度λ_D=117μm。因而，若间隙h以及间隙g的尺寸是德拜长度λ_D的3倍以下，即350μm以下，则能够抑制间隙h以及间隙g内的等离子体的产生。

说明具体的实施例。在本实施例中，被处理基体W的外径D3是300mm。作为一实施例，在25℃的温度环境中，将包含氧化铝（Al₂O₃）的静电吸盘15以及包含二氧化硅（SiO₂）的聚焦环17设定为以下的尺寸。

静电吸盘15的外径D1：297.9mm

聚焦环17的内径D2：298.1mm

距离c：148.1mm

距离d：148mm

当设定为上述尺寸时，间隙h是0.1mm（100μm），间隙g是0.1mm（100μm）。而且，当将具有上述尺寸的静电吸盘15以及聚焦环17加热到80℃时，间隙h是0.029mm（29μm），间隙g是0.029mm（29μm）。这样，即使是将静电吸盘15以及聚焦环17加热到80℃时，静电吸盘15也不会与聚焦环17相接触。

在使用具有上述尺寸的静电吸盘15以及聚焦环17对被处理基体W进行了处理之后，确认了静电吸盘15的表面15c的状态等。图7的（a）～图7的（d）是拍摄静电吸盘15以及聚焦环17的局部的照片。在一实施方式的静电吸盘15以及聚焦环17中，未确认有在比较例的静电吸盘92的表面92a上被确认的这样的孔92c、92d。另外，在目测的检查中，在静电吸盘15以及聚焦环17的表面上未确认附着有微细颗粒。因而，通过将间隙h以及间隙g设为0.1mm（100μm），确认了能够抑制会附着在静电吸盘15的外缘部等之上的附着物的产生。

以上，说明了各种实施方式，但是本发明并不限定于上述的实施方式，本发明也能够构成为各种变形方式。例如，除微波等离子体处理装置之外，本发明的思想也能够应用于平行平板电极型的等离子体处理装置这样的任意的等离子体处理装置。

另外，例如，除二氧化硅之外，聚焦环根据处理气体的种类也可以是硅（Si）制的。

附图标记说明

10、等离子体处理装置；12、处理容器；42、43、气体供给部；16、微波生成器（导入部）；15、92、静电吸盘（保持构件）；17、93、聚焦环；h、g、间隙。

Claims (3)

1.一种等离子体处理装置，其中，

该等离子体处理装置具有：

处理容器，在其内部划分有处理空间；

气体供给部，其用于向上述处理空间内供给处理气体；

导入部，其导入用于产生上述处理气体的等离子体的能量；

保持构件，其设在上述处理空间内且具有电介体材料制的表面，上述保持构件的上表面用于保持被处理基体，俯视时，上述保持构件的外周壁面呈切断的圆形状，上述切断的圆形状具有大致直线的部分以及近似为圆形的剩余部分；

聚焦环，其以包围上述保持构件的端面的方式设置，上述聚焦环的内壁面与上述保持构件的外周壁面相对，俯视时，上述聚焦环的内壁面与上述保持构件的外周壁面呈大致相同的轮廓，并且上述外周壁面的大致直线的部分与上述内壁面的大致直线的部分相互平行，

在上述外周壁面的大致直线的部分与上述内壁面的大致直线的部分之间划分有第一间隙，在上述外周壁面的剩余部分与上述内壁面的剩余部分之间划分有第二间隙，上述第一间隙和上述第二间隙各自的尺寸为德拜长度λ_D的3倍以下，上述德拜长度λ_D由以下计算式表示：

${\mathrm{\λ}}_D\left(\mathrm{cm}\right)=7.43\×{10}^2\sqrt{\frac{T_e\left(\mathrm{eV}\right)}{n_0\left({\mathrm{cm}}^{-3}\right)}}$

其中，T_e表示电子温度，n_o表示电子密度。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，

上述聚焦环包括：第1区域，其包括该聚焦环的内缘；第2区域，其在上述第1区域的外侧，

上述第1区域沿上述保持构件的上表面的延长面设置，或设在该延长面的下方，

上述第2区域设在上述保持构件的上表面的上方。

3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，上述第一间隙和上述第二间隙各自的尺寸为350μm以下。