CN111052320B - 反应性离子蚀刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可在被处理基板的面内整体上得到大致均匀的蚀刻率的低成本且结构简单的反应性离子蚀刻装置。本发明的反应性离子蚀刻装置EM，在台架(4)上设置具有一对电极(42b，42c)的静电卡盘(42)，通过在被处理基板(W)的蚀刻时向该一对电极施加直流电压，使被处理基板静电吸附在静电卡盘上，通过第一输出线(L1)与台架连接并对被处理基板施加偏置电位的高频电源(E2)，其通过第二输出线(L2)与一对电极连接并与直流电压重叠地施加高频电位，在第一输出线和第二输出线上分别夹设第一电容器(C1)和第二电容器(C2)，第一电容器与第二电容器的静电容量比设置在0.25～25的范围内。

Description

反应性离子蚀刻装置
技术领域
本发明涉及一种反应性离子蚀刻装置。
背景技术
例如在半导体器件的制造工序中，为了有选择地去除在硅晶片等基板表面形成的金属膜和绝缘材料膜，以往一直使用一种利用真空气氛的反应性离子蚀刻装置。该装置通常具有：台架，其在真空室内设置被处理基板；气体导入单元，其将蚀刻气体导入真空状态中的真空室内；等离子体产生单元，其使真空室内产生电离被导入的该蚀刻气体的等离子体；高频电源，其通过输出线与台架连接，对被处理基板施加偏置电位。
此处，近年来，被处理基板呈大面积化，对这样的被处理基板也要求在其面内整体上得到大致均匀的蚀刻率。例如在专利文件1中已知，以往使用两台高频电源，给以彼此绝缘的状态设置在台架上的第一电极(内侧电极)和第二电极(外侧电极)分别施加不同频率的高频电力。在该装置中，设置为通过改变第一电极和第二电极上施加的电力比，并调整施加给被处理基板的偏置电位的分布，在被处理基板整体上得到大致均匀的蚀刻率。
然而，上述以往例子中，由于使用两台高频电源(和分配器)，存在装置成本增加且装置结构也变复杂的问题。并且，使用上述反应性离子蚀刻装置并对被处理基板实施蚀刻处理时，会将被处理基板控制在规定温度。此时，通常是在台架上组装加热单元和冷却单元并设置所谓的静电卡盘。静电卡盘通常具有用于静电吸附被处理基板的一对电极，因此如果可使用静电卡盘，就可降低装置成本，装置结构也会变得简单。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利公开2011-228436号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
鉴于以上内容，本发明要解决的技术问题是提供一种可在被处理基板的面内整体上得到大致均匀的蚀刻率的低成本且结构简单的反应性离子蚀刻装置。
解决技术问题的手段
为了解决上述技术问题，本发明的反应性离子蚀刻装置，其具有：台架，其在真空室内设置被处理基板；气体导入单元，其将蚀刻气体导入真空状态中的真空室内；等离子体产生单元，其在真空室内产生电离被导入的该蚀刻气体的离子体；高频电源，其通过第一输出线与台架连接，对被处理基板施加偏置电位；在台架上设置具有一对电极的静电卡盘，通过在蚀刻被处理基板时向该一对电极施加直流电压，使被处理基板静电吸附在静电卡盘上，所述装置的特征在于：高频电源通过第二输出线与一对电极连接并与直流电压重叠地施加高频电位，在第一输出线和第二输出线上分别夹设第一电容器和第二电容器，第一电容器与第二电容器的静电容量比被设置在0.25～25的范围内。
采用本发明，在蚀刻被处理基板，与直流电力重叠地施加高频电位，所述直流电力是为利用静电卡盘的一对电极对被处理基板进行静电吸附而施加的直流电力，此时，由于第一电容器与第二电容器的静电容量比设置在0.25～25的范围内，而调整对被处理基板施加的偏置电位的分布，在被处理基板整面上得到大致均匀的蚀刻率。像这样，由于在本发明中一边具有可在被处理基板整面上得到大致均匀的蚀刻率的功能，一边利用静电卡盘的一对电极以单个高频电源施加偏置电位，因此，与像上述以往例子那样使用两台高频电源时相比，可使装置结构简单，可降低装置成本。
在本发明中，优选所述第一电容器和所述第二电容器中的至少一方是其静电容量可变的可变电容器，以便可根据蚀刻对象(金属膜和绝缘膜等)适当调整偏置电位的分布。
附图说明
图1是说明本发明的实施方式的蚀刻装置的构成的剖视示意图
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的反应性离子蚀刻装置(下称“蚀刻装置”)的实施方式进行说明。下文中表示方向的用语以图1为准。
参照图1，EM是蚀刻装置，蚀刻装置EM具有真空室1，其通过真空泵P真空排气可形成真空状态。在真空室1的上部开口处，间隔O形环等的真空密封件11，安装有石英等电介质制成的顶板12。在真空室1的侧壁上连接有与省略图示的气源连通的气管2，气管中夹设有质量流量控制器21，能以规定流量向真空室1内导入蚀刻气体。蚀刻气体根据蚀刻对象适当选择，例如在蚀刻铝和钨等金属膜时，主要使用Cl2，BCl3，CCl4等氯系气体，根据需要添加作为稀释气体的稀有气体等。这些气管2和质量流量控制器21可构成本发明的“气体导入单元”。
在顶板12的上方处设置有多段(在本实施方式中是两段)环状(loop)天线线圈3，该天线线圈3与来自高频电源E1的输出连接，可施加产生等离子体用的高频电力。这些天线线圈3和高频电源E1可构成本发明的“等离子体产生单元”。并且，在真空室1内的底部设置有台架4。
台架4具有：基台41，其间隔绝缘体I配置在真空室1内的底部，由金属制成的筒状部件制成；静电卡盘42，其设置在基台41的上表面。虽未特别图示说明，但基台41上组装有带加热器等的加热单元、带冷媒循环路径的冷却单元，在蚀刻时可将被处理基板W加热或冷却到规定温度。基台41还通过第一输出线L1连接高频电源E2，在蚀刻时，通过高频电源E2施加规定频率的高频电力，从而对被处理基板W施加偏置电位。
静电卡盘42具有：卡板42a，其紧密贴合在基台41的上表面上，由电介质构成；以及一对电极42b，42c，其内置在卡板42a中；两电极42b，42c上分别连接来自直流电源E3的输出电缆。并且，通过在一对电极42b，42c间施加规定的直流电压，可使被处理基板W静电吸附在卡板42a的上表面。虽未特别图示说明，但两电极42b，42c例如分别由成形为梳齿状的金属板构成，以其齿部彼此咬合的姿态配置，位于卡板42a的同一平面内的大致整个区域。此外，各电极42b，42c的形状和配置等并不仅限于此。
此处，要对被处理基板W在其面内整体得到大致均匀的蚀刻率，则在通过高频电源E2施加规定频率的高频电力时，需要使被处理基板W上施加的偏置电位的分布大致均等。在本实施方式中，高频电源E2也通过第二输出线L2与一对电极42b，42c相连接，对该一对电极42b，42c与上述直流电压重叠地施加高频电位。此时，在第一输出线L1和第二输出L2上分别夹设第一电容器C1和第二电容器C2。在本实施方式中，使用可变电容器作为第一电容器C1，使用固定电容器作为第二电容器C2。可变电容器C1可例示出例如是在2.5～5000pF之间的静电容量可变的电容器，固定电容器C2可例示出例如是带有50～200pF之间的规定的静电容量的电容器。此外，固定电容器C2的种类可从电解电容器、陶瓷电容器、薄膜电容器、双电层电容器等中适当选择。
在蚀刻时，例如考虑到蚀刻对象(金属膜或绝缘膜)和蚀刻条件(蚀刻气体种类和蚀刻时的压力)以及电极42b，42c的形状等，而适当改变第一电容器C1的静电容量，将第一电容器C1和第二电容器C2的静电容量比设置在0.25～25的范围内。此外，当静电容量比设置在0.25～25的范围以外时，可能会产生得不到所需蚀刻率的面内均匀性的问题。
虽未特别图示说明，但上述蚀刻装置EM具有带微电脑和定序器等的公知的控制单元，除通过控制单元统一管理上述各电源E1，E2，E3的工作、质量流量控制器21的工作和真空泵P的工作等外，通过调整可变电容器C1的静电容量调整可变电容器C1和固定电容器C2的静电容量比。下面以使用在硅基板表面上形成有铝膜的基板作为被处理基板W，使用上述蚀刻装置EM蚀刻铝膜的情况为例说明蚀刻方法。
首先，在启动真空泵P将真空室1内抽真空到规定真空度(例如0.5Pa)的状态下，使用未图示的运送机器人运送被处理基板W并载置于台架4的卡板42a上。接着，从直流电源E3向静电卡盘42的一对电极42b，42c施加直流电压，将被处理基板W静电吸附到卡板42a的上表面。并且，控制质量流量控制器21以20～200sccm的流量向真空室1内导入氯系气体，并通过从高频电源E1向天线线圈3施加例如13.56MHz的高频电力100W～1000W，在真空室1内产生等离子体。与之配合，从高频电源E2向台架4施加12.5MHz的高频电力20～600W，对被处理基板W施加偏置电位。由此，在等离子体中电离的离子被吸引到被处理基板W表面，铝膜被干蚀刻。
而近年来，对大面积化的被处理基板W，也有在其面内整体上要求大致均匀的蚀刻率的情况。为了满足该要求，在上述以往例子中，使用两台高频电源，向台架上设置的两个电极分别施加不同频率的高频电力，调整偏置电位的分布，但这样会导致装置成本增加且装置结构变复杂。
因此，在本实施方式中，在蚀刻被处理基板W时，从高频电源E2向一对电极42b，42c与上述直流电压重叠地施加高频电位。此时，通过预先将第一电容器C1和第二电容器C2的静电容量比设置在0.25～25的范围内，来调整对被处理基板W施加的偏置电位的分布，可在被处理基板W整面上得到大致均匀的蚀刻率。根据后面提到的实验，确认可提高铝膜的蚀刻率的面内均匀性为±3.5％及以下，更优选±2.0％及以下。此外，以金属材质的板状部件分别形成一对电极42b，42c，配置各电极42b，42c位于被处理基板W的吸附表面的大致整面上，从而可有效地调整偏置电位的分布。像这样，在本实施方式中，由于一边具有可在被处理基板W整面上得到大致均匀的蚀刻率的功能，一边利用静电卡盘42的一对电极42b，42c以单个高频电源E2施加偏置电位，与像上述以往例子那样使用两台偏置用高频电源(和分配器)时相比，可使装置结构简单，可降低装置成本。
并且，如果蚀刻对象(金属膜和绝缘膜等)和蚀刻条件(蚀刻气体种类和蚀刻时的压力)不同，则有时在被处理基板W整面得到大致均匀的蚀刻率的偏置电位的分布发生变化。此时第一电容器C1和第二电容器C2中的至少一方如果是由可变电容器构成的，则可根据蚀刻对象和蚀刻条件适当调整偏置电位的分布，是有利的。
接着，为了确认上述效果，使用上述蚀刻装置EM进行接下来的实验。在本实验中，以通过溅射法在硅基板上形成厚度约为300nm的铝膜的基板作为基板W，以下述条件对该铝膜进行蚀刻。即设置氯系气体(例如Cl2，BCl3)的流量是50sccm，50sccm(此时的真空室1内的压力是0.5Pa)，对台架4施加的偏置电力为12.5MHz、150W，给天线线圈3的施加电力为13.56MHz、300W，对静电卡盘42施加的直流电压为1.0kV。此处，使用静电容量可变的可变电容器作为第一电容器C1，使用静电容量是固定(200pF)的固定电容器作为第二电容器C2，将可变电容器C1的静电容量调整到2500pF(此时的第一电容器C1和第二电容器C2的静电容量比是12.5，下称“发明实验1”)。通过被处理基板W的径向的七个点分别测量发明实验1的蚀刻前后的铝膜的薄膜厚度，根据该测量值求出的蚀刻率的平均值是350nm/min，面内均匀性是±1.8％。
除使可变电容器C1的容量变为50pF，500pF,1500pF，3000pF，4000pF，5000pF这点(下称“发明实验2”，“发明实验3”，“发明实验4”，“发明实验5”，“发明实验6”，“发明实验7”)外，与上述发明实验1同样地进行蚀刻，求出蚀刻率的平均值和面内均匀性。在发明实验2(静电容量比＝0.25)中是350nm/min±3.5％，在发明实验3(静电容量比＝2.5)是360nm/min±2.8％，在发明实验4(静电容量比＝7.5)中是353nm/min±2.0％，在发明实验5(静电容量比＝15)中是345nm/min±2.0％，在发明实验6(静电容量比＝20)中是343nm/min±2.5％，在发明实验7(静电容量比＝25)中是339nm/min±3.4％。
为了与上述发明实验1～7进行比较，除可变电容器C1的容量变为40pF，6000pF(此时的静电容量比＝0.2，30)这点(下称“比较实验1”，“比较实验2”)外，与上述发明实验1同样地进行蚀刻，求出蚀刻率的平均值和面内均匀性，在比较实验1(静电容量比＝0.2)中是347nm/min±3.7％，在比较实验2(静电容量比＝30)中是332nm/min±4.7％。汇总这些发明实验1～7和比较实验1～2的结果如表1所示。
(表1)
Figure BDA0002402375750000061
根据上述实验，确认了通过将第一电容器C1和第二电容器C2的静电容量比设置在0.25～25的范围内，可使面内均匀性在±3.5％以内，在被处理基板W整面上得到大致均匀的蚀刻率。再有，确认了通过将静电容量比设置在7.5～15的范围内，可使面内均匀性在±2.0％以内，可得到更为均匀的蚀刻率。由此，得知可有效调整对被处理基板W施加偏置电位的分布。
以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不仅限于此。在上述实施方式中，以第一电容器C1设置为可变电容器，第二电容器C设置为固定电容器的情况为例进行了说明，但优选第一电容器C1和第二电容器C2中的至少一方是可变电容器，例如也可设置第一电容器C1为固定电容器，第二电容器C2为可变电容器。这种情况下也可根据蚀刻对象和蚀刻条件适当调整偏置电位的分布。
在上述实施方式中，以蚀刻对象是金属膜(铝膜)的情况为例进行了说明，但在蚀刻对象是绝缘膜时也可适用本发明。
附图标记说明
C1.可变容量电容器(第一电容器)、C2.固定电容器(第二电容器)、E2.高频电源、E1.高频电源(等离子体产生单元)、EM.反应性离子蚀刻装置(等离子体処理单元)、L1.第一输出线、L2.第二输出线、1.真空室、2.气管(气体导入装置)、21.质量流量控制器(气体导入单元)、3.线圈(等离子体产生单元)、4.台架、42.静电卡盘、42b，42c.一对电极。

Claims (2)

1.一种反应性离子蚀刻装置，其具有：台架，其在真空室内设置被处理基板；气体导入单元，其将蚀刻气体导入真空状态中的真空室内；等离子体产生单元，其在真空室内产生电离被导入的该蚀刻气体的等离子体；高频电源，其通过第一输出线与台架连接，对被处理基板施加偏置电位；
在台架上设置具有一对电极的静电卡盘，通过在被处理基板的蚀刻时向该一对电极施加直流电压，使被处理基板静电吸附在静电卡盘上，
所述装置的特征在于：
高频电源通过第二输出线与一对电极连接并与直流电压重叠地施加高频电位，在第一输出线和第二输出线上分别夹设第一电容器和第二电容器，第一电容器与第二电容器的静电容量比设置在2.5～25的范围内。
2.根据权利要求1所述的反应性离子蚀刻装置，其特征在于：
所述第一电容器和所述第二电容器中的至少一方是其静电容量可变的可变电容器。
CN201880058001.8A 2018-01-29 2018-12-06 反应性离子蚀刻装置 Active CN111052320B (zh)

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JP2018-012601 2018-01-29
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