CN111668085A - 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，能够抑制聚焦环的吸附力的降低。在静电吸盘(25)的外周部(25b)载置聚焦环(30)，在内部以与聚焦环(30)相对地设置有电极板(29)。直流电源(28)在等离子体处理的期间中，对电极板(29)周期性地施加不同极性的电压，或者阶段性地施加绝对值大的电压。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明的各个方面和实施方式涉及等离子体处理装置、静电吸附方法和静电吸附程序。
背景技术
一直以来，已知对半导体晶片等的被处理体使用等离子体进行蚀刻等的等离子体处理的等离子体处理装置。在这样的等离子体处理装置中，以等离子体的均匀化为目的在被处理体的外周部设置聚焦环。
在等离子体处理装置中，已知抑制聚焦环的位置偏移的如下技术。在等离子体处理装置中，在载置聚焦环的载置台设置静电吸盘，在等离子体处理期间中对静电吸盘施加一定的电压来利用静电吸盘的静电力吸附聚焦环。
现有技术文献
专利文献
技术文献1：日本特开2016-122740号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
但是，在近年来，等离子体处理装置具有对被处理体的等离子体处理期间变长的倾向。例如，三维NAND闪存随着器件的新一代的发展，具有层叠数增加的倾向，加工所需要的等离子体处理期间也变长。
但是，在等离子体处理装置中，在对静电吸盘施加一定的电压进行聚焦环的吸附的情况下，当等离子体处理期间变长时，存在聚焦环的吸附力降低的情况。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一方面的等离子体处理装置包括载置台和电压施加部。载置台载置聚焦环且在内部以与上述聚焦环相对方式设置有电极。电压施加部在等离子体处理的期间中对电极周期性地施加不同极性的电压或者阶段性地施加绝对值大的电压。
发明的效果
根据本发明各个方面和实施方式，能够起到能够抑制聚焦环的吸附力降低的效果。
附图说明
图1是表示实施方式的等离子体处理装置的概略构成的截面图。
图2是表示电极板的设置方式的一个例子的图。
图3是示意地表示现有技术的电荷的迁移的图。
图4是表示测量现有技术的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子的图。
图5是示意地表示施加电压的变化模式的图。
图6是示意地表示本实施方式的电荷的迁移的图。
图7是表示测定实施方式的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子的图。
图8是表示电力密度和切换周期的关系的一个例子的图。
图9A是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。
图9B是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。
图9C是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。
图10是表示电极板的设置方式的一个例子的图。
图11是表示实施方式的静电吸附处理的时序图的一个例子的图。
附图标记说明
1 等离子体处理装置
10 处理容器
11 基座
21a 第1高频电源
21b 第2高频电源
25 静电吸盘
25a 中心部
25b 外周部
26 电极板
27 直流电源
28 直流电源
29 电极板
30 聚焦环
43 控制部
W 晶片。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本申请的公开的等离子体处理装置、静电吸附方法和静电吸附程序的实施方式。此外，在各附图中对相同或者对应的部分标注相同的附图标记。另外，本发明不限于本实施方式公开的发明。各实施方式能够在不使处理内容矛盾的范围内适当组合。
图1是表示实施方式的等离子体处理装置的概略构成的截面图。此外，在本实施方式中，说明等离子体处理装置1为RIE(Reactive Ion Etching：反应性离子蚀刻)型的等离子体处理装置的例子，但是，等离子体处理装置1可以为利用表面波等离子体的等离子体蚀刻装置、等离子体CVD装置等。
在图1中，等离子体处理装置1具有金属制例如铝或者不锈钢制的被安全接地的圆筒型的处理容器10，在该处理容器10内配置有载置作为被处理体(基板)的半导体晶片(以下称为“晶片”)W的圆板状的基座(下部电极)11。该基座11例如由铝构成，通过绝缘性的筒状保持部件12被从处理容器10的底向垂直上方延伸的筒状支承部13支承。
在处理容器10的侧壁和筒状支承部13之间形成有排气通路14，在该排气通路14的入口或者途中配置环状的挡板15，并且，在底部设置有排气口16，排气装置18经由排气管17与该排气口16连接。在此，排气装置18具有真空泵，将处理容器10内的处理空间减压至规定的真空度。另外，排气管17具有作为可变式蝶形阀的自动压力控制阀(automatic pressurecontrol valve)(以下称为“APC”)(未图示)，该APC自动地进行处理容器10内的压力控制。并且，在处理容器10的侧壁安装有开闭晶片W的送入送出口19的闸阀20。
基座11经由第1匹配器22a与第1高频电源21a连接。另外，基座11经由第2匹配器22b与第2高频电源21b连接。第1高频电源21a是等离子体产生用的部件，在等离子体处理时将规定频率(例如100MHz)的高频电力供给到基座11。第2高频电源21b是离子引入用(偏置用)的部件，在等离子体处理时将比第1高频电源21a低的规定频率(例如13MHz)的高频电力供给到基座11。在处理容器10的顶部配置有后述的作为接地电位的上部电极的喷淋头24。由此，在基座11和喷淋头24之间被施加来自第1高频电源21a和第2高频电源21b的2个频率的高频电压。
在基座11的上面设置有用静电吸附力吸附晶片W的静电吸盘25。该静电吸盘25包括载置晶片W的圆板状的中心部25a和以包围中心部25a的方式形成的环状的外周部25b。中心部25a相对于外周部25b向图中上方突出。在外周部25b的上表面载置有将中心部25a环状地包围的聚焦环30。另外，中心部25a通过将由导电膜形成的电极板26加入一对介电膜之间而构成。外周部25b通过将由导电膜形成的电极板29加入一对介电膜之间而构成。本实施方式中，在环状的轴方向上排列配置有2个电极板29。电极板26与直流电源27电连接。2个电极板29分别与直流电源28独立地电连接。直流电源27和直流电源28能够进行供给的直流电压的电平和极性的变更。直流电源27通过后述的来自控制部43的控制，对电极板26施加直流电压。直流电源28通过后述的来自控制部43的控制，对2个电极板29分别独立地施加直流电压。静电吸盘25利用从直流电源27施加到电极板26的电压产生库仑力等的静电力，利用静电力将晶片W吸附保持在静电吸盘25。另外，静电吸盘25利用从直流电源28施加到电极板29的电压产生库仑力等的静电力，利用静电力将聚焦环30吸附保持在静电吸盘25。此外，电极板29的设置方式的详细在后文述说。
另外，在基座11的内部设置有例如在圆周方向上延伸的环状的冷却介质室31。从致冷机构32经配管33、34向该冷却介质室31循环供给规定温度的冷却介质，例如冷却水，通过该冷却介质的温度控制静电吸盘25上的晶片W的处理温度。
另外，静电吸盘25经气体供给管路36与导热气体供给部35连接。气体供给管路36分支为至静电吸盘25的中心部25a的晶片侧管路36a和至静电吸盘25的外周部25b的聚焦环侧管路36b。导热气体供给部35使用晶片侧管路36a对由静电吸盘25的中心部25a与晶片W夹着的空间供给导热气体。另外，导热气体供给部35使用聚焦环侧管路36b对由静电吸盘25的外周部25b与聚焦环30夹着的空间供给导热气体。作为导热气体适合使用具有热传导性的气体例如He气体等。导热气体对应于热介质的一个例子，导热气体供给部35对应于供给热介质的供给部的一个例子。
顶部的喷淋头24包括具有多个气体通气孔37a的下表面的电极板37和将该电极板37以可拆装的方式支承的电极支承体38。另外，在该电极支承体38的内部设置有缓冲室39，在该缓冲室39的气体导入口38a连接有来自处理气体供给部40的气体供给配管41。另外，在处理容器10的周围配置有呈环状或者同心状延伸的磁铁42。
该等离子体处理装置1的各构成要素与控制部43连接。例如，排气装置18、第1高频电源21a、第2高频电源21b、直流电源27、28、致冷机构32、导热气体供给部35和处理气体供给部40与控制部43连接。控制部43控制等离子体处理装置1的各构成要素。
控制部43具有未图示的中央处理装置(CPU)和存储器等的存储装置，读取并执行存储在存储装置的程序和处理方案，由此在等离子体处理装置1中执行所期望的处理。例如，控制部43进行用于对聚焦环30进行静电吸附的静电吸附处理。此外，由控制部43执行的静电吸附处理的详情在后文述说。
在该等离子体处理装置1的处理容器10内，由磁铁42形成向一个方向的水平磁场，并且，通过施加到基座11与喷淋头24之间的高频电压形成铅垂方向的RF电场，由此，在处理容器10内进行利用处理气体的磁控管放电，在基座11的表面附近根据处理气体生成高密度的等离子体。
在该等离子体处理装置1中，在干式蚀刻处理时，首先，使闸阀20为开状态，将作为加工对象的晶片W送入处理容器10内，载置在静电吸盘25上。并且，在等离子体处理装置1中，由处理气体供给部40将处理气体(例如由规定的流量比率的C4F8气体、O2气体和Ar气体构成的混合气体)以规定的流量和流量比导入处理容器10内，由排气装置18等使处理容器10内的压力成为规定值。并且，在等离子体处理装置1中，由第1高频电源21a和第2高频电源21b分别将高频电力供给到基座11。另外，在等离子体处理装置1中，由直流电源27将直流电压施加到静电吸盘25的电极板26，将晶片W吸附到静电吸盘25上。另外，在等离子体处理装置1中，由直流电源28将直流电压施加到静电吸盘25的电极板29，将聚焦环30吸附在静电吸盘25上。从喷淋头24排出的处理气体如上所述进行等离子体化，通过由该等离子体生成的自由基和离子将晶片W的表面蚀刻。
接着，说明图1所示的电极板29的设置方式。图2是表示电极板的设置方式的一个例子的图。如图2所示，2个电极板29设置在静电吸盘25的外周部25b的内部的、与聚焦环30对应的区域。以下，令2个电极板29中的、内侧的电极板29为内周侧电极板29-1，令外侧的电极板29为外周侧电极板29-2。
内周侧电极板29-1呈环状配置在聚焦环30的内周侧。外周侧电极板29-2呈环状配置在聚焦环30的外周侧。内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2与直流电源28电连接。此外，本实施方式中，说明从一个直流电源28对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2供给电力的情况，但是，也可以与内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2对应地设置两个直流电源28，独立地供给电力。
但是，近年来，等离子体处理装置1具有对晶片W的等离子体处理期间变长的倾向。例如，3维NAND闪存随着器件的新一代的发展，具有层叠数增加的倾向，加工所需要的等离子体处理期间也变长。因此，在等离子体处理装置1中，例如因3维NAND处理机制，需要长时间(例如60分钟)地维持静电吸盘25的吸附力。
但是，等离子体处理装置1在高温、高偏置(偏压等)环境下，等离子体处理期间变长时，产生静电吸盘25的吸附力降低的现象。例如在等离子体处理装置1中，当等离子体处理期间变长时，聚焦环30相对静电吸盘25的吸附力降低。
静电吸盘25使用陶瓷作为电介质。作为陶瓷例如能够列举氧化铝板、陶瓷喷涂、氧化钇板、FC喷涂等。这样的陶瓷具有温度越变高电阻率越降低的倾向。因此，在高温、高偏置(偏压等)环境下，产生电荷向构成静电吸盘25的介电膜的电介质的迁移，从而发生静电吸盘25的吸附力降低的现象。
图3是示意地表示现有技术的电荷的迁移的图。图3简化地表示了静电吸盘25的外周部25b的构成。在静电吸盘25中包括内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2。例如如现有技术所示，对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2施加一定的正电压进行聚焦环30的吸附。在该情况下，例如如图3所示，聚焦环30的负电荷向内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2迁移，聚焦环30相对静电吸盘25的吸附力降低。
在等离子体处理装置1中，聚焦环30相对静电吸盘25的吸附力降低时，供给到聚焦环30和静电吸盘25之间的导热气体的泄漏变大。
在等离子体处理装置1中，导热气体的泄漏变大时，从聚焦环30的散热的效率降低，因来自等离子体处理的热而聚焦环30变得高温，等离子体处理的处理特性发生变动。另外，在等离子体处理装置1中，导热气体的泄漏变大时，真空度降低，等离子体的特性发生变化，等离子体处理的处理特性发生变动。
图4是表示测定了现有技术的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子的图。图4的例子表示对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2施加一定的正电压使聚焦环30吸附，测定向由静电吸盘25与聚焦环30夹着的空间供给的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子。在图4中，纵轴表示向由静电吸盘25与聚焦环30夹着的空间供给的作为导热气体的He气体的泄露量(sccm)。横轴表示从开始吸附聚焦环30起的经过时间(sec)。图4的例子中，在经过1000秒附近发生He气体的泄露量急剧增加的错误，发生了控制停止。
所以，控制部43以使在等离子体处理的期间中周期性地施加不同极性的电压的方式控制直流电源27、28。例如，控制部43以使得在等离子体处理的期间中对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2周期性地施加不同的极性的电压的方式控制直流电源28。
图5是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。图5中简化表示了静电吸盘25的外周部25b的构成。例如控制部43在等离子体处理的期间中控制直流电源28，对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2周期性地施加不同极性的电压。在图5的例子中，对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2彼此交替地施加正和负的电压。
图6是示意地表示本实施方式的电荷的迁移的图。通过对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2施加电压而发生电荷的迁移，但是，被施加的电压的极性周期性地改变，能够消除电荷的迁移，因此能够维持聚焦环30相对静电吸盘25的吸附力。
图7是表示测定了实施方式的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子的图。图7的例子表示对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2如图5所示彼此交替地切换施加正和负的一定的电压使聚焦环30吸附，测定了向由静电吸盘25与聚焦环30夹着的空间供给的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子。在图7中，纵轴表示向由静电吸盘25与聚焦环30夹着的空间供给的作为导热气体的He气体的泄露量(sccm)。横轴表示从开始吸附聚焦环30起的经过时间(sec)。施加电压的切换的周期例如为300秒。对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2周期性地施加不同极性的电压的情况下，能够维持聚焦环30相对静电吸盘25的吸附力，因此，如图7所示，在经过了1000秒的情况下也能够维持使He气体的泄露量不较大增大。
对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2的施加电压越高、静电吸盘25的与聚焦环30相对的部分的电力密度越高，电荷的迁移的速度越快。因此，优选施加电压越高、电力密度越高，切换对内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2的施加电压的极性的切换周期越短。图8是表示电力密度和切换周期的关系的一个例子的图。在图8中，纵轴表示在等离子体处理中吸附并保持聚焦环30的保持时间(sec)。横轴表示静电吸盘25的与聚焦环30相对的部分的电力密度(W/cm2)。图8所示的曲线L表示按照电力密度在吸附了聚焦环30的情况下泄露量急剧增加的保持时间。在等离子体处理中，相对于吸附聚焦环30时的电力密度，聚焦环30的保持时间成为曲线L的左侧的区域A1的情况下，即使不切换施加电压也能够维持聚焦环30的吸附力。另一方面，在等离子体处理中，相对于吸附聚焦环30时的电力密度，聚焦环30的保持时间成为曲线L的右侧的区域A2的情况下，不切换施加电压就不能维持聚焦环30的吸附力。切换施加电压的周期是相对于电力密度保持时间成为区域A1的周期。
此外，施加电压的变化的模式不限于此。图9A是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。例如，控制部43在等离子体处理的期间中控制直流电源28，使内周侧电极板29-1和外周侧电极板29-2的施加电压的极性交替变化。在图9A的例中，内周侧电极板29-1与外周侧电极板29-2的施加电压的极性交替地依次切换。
另外，电极板29可以在外周部25b形成一个，也可以形成三个以上。
图9B是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。图9B的例子表示在外周部25b形成有一个电极板29时的施加电压的变化模式的一个例子。例如，控制部43在等离子体处理的期间中控制直流电源28，对电极板29周期性地施加不同极性的电压。
图9C是示意地表示施加电压的变化模式的一个例子的图。图9C的例子表示三个电极板29(29-1，29-2，29-3)在外周部25b形成一个时的施加电压的变化模式的一个例子。例如，控制部43在等离子体处理的期间中控制直流电源28，使电极板29-1、29-2、29-3的施加电压的极性一个一个地依次变化。在图9C的例子中，电极板29-1、29-2、29-3的施加电压的极性一个一个地依次切换。在图9C的例子中，电极板29-1、29-2、29-3中的任一电极板29的施加电压的极性被切换时，维持其它的电极板29的施加电压，因此，能够维持聚焦环30的吸附。
另外，电极板29可以在外周部25b在环状的周方向上排列配置多个。
图10是表示电极板的设置方式的一个例子的图。图10表示在上部从上方观看静电吸盘25的外周部25b的概略图，在下部从侧面观看静电吸盘25的外周部25b的概略图。在图10的例子中，在外周部25b，3个电极板29(29-1、29-2、29-3)在周方向上排列配置。
另外，说明了本实施方式的等离子体处理装置1中，通过对电极板29周期性地施加不同极性的电压，来维持聚焦环30的吸附的情况，但是不限于此。等离子体处理装置1可以对电极板29阶段性地施加绝对值大的电压来维持聚焦环30的吸附。例如，控制部43可以控制直流电源28，对电极板29阶段性地施加绝对值大的电压。
另外，说明了本实施方式的等离子体处理装置1中，控制部43控制直流电源28将对电极板29施加的电压周期性地切换为不同极性的情况，但是不限于此。等离子体处理装置1中，也可以直流电源28自律地将对电极板29施加的电压周期地切换为不同极性。
接着，说明由实施方式的控制部43执行的静电吸附处理。图11是表示实施方式的静电吸附处理的时序图的一个例子的图。图11表示实现图9A所示的施加电压的变化模式时的时序图的一个例子。
在图11中，“时间”是各步骤的时间，单位为秒(sec)。“HV A”是对外周侧电极板29-2施加的电压，单位为伏(V)。“HV B”是对内周侧电极板29-1施加的电压，单位为伏(V)。“FRB.P”是对由聚焦环30与静电吸盘25夹着的空间供给的导热气体的压力，单位为托(torr)。控制部43控制直流电源28，依次施加各步骤的电压。图11也表示测定了依次施加了各步骤的电压时的导热气体的泄露量的试验结果的一个例子。如图11所示，周期性地施加了不同极性的电压的情况下，即使等离子体处理期间变长的情况下，也能够维持He气体的泄露量不增加。
以上，本实施方式的等离子体处理装置1包括基座11和直流电源28。在基座11设置有静电吸盘25。静电吸盘25的外周部25b载置聚焦环30，在内部与聚焦环30相对地设置电极板29。直流电源28在等离子体处理的期间中，对电极板29周期性地施加不同极性的电压，或者阶段性地施加绝对值大的电压。由此，等离子体处理装置1能够抑制聚焦环30的吸附力的降低。结果是，等离子体处理装置1能够确保由静电吸盘25与聚焦环30夹着的空间的密闭性，在等离子体处理期间，能够抑制供给到由聚焦环30与静电吸盘25夹着的空间的导热气体的泄露量的增大。
另外，本实施方式的静电吸盘25的外周部25b在聚焦环30的径方向上设置有多个电极板29。由此，等离子体处理装置1能够控制对每个电极板29施加的电压，因此，能够抑制聚焦环30的吸附力随时消失。另外，等离子体处理装置1通过改变对每个电极板29施加的电压，能够对每个电极板29控制吸附力。
另外，本实施方式的直流电源28将对多个电极板29施加的电压的极性全部切换或者一个一个(逐一)地依次切换。等离子体处理装置1通过如上所述将对多个电极板29施加的电压的极性全部切换或者一个一个地依次切换，能够抑制聚焦环30的吸附力降低。另外，等离子体处理装置1通过如上所述将对多个电极板29施加的电压的极性一个一个地依次切换，能够抑制在电压的极性的切换时刻聚焦环30的吸附力暂时消失。
另外，本实施方式的直流电源28在各周期中以使对多个电极板29施加不同极性的电压的方式施加电压。由此，等离子体处理装置1能够使对多个电极板29分别施加的电压导致的对周围的影响彼此减弱。
在上述的实施方式中，以等离子体处理装置1构成为电容耦合等离子体(CCP：Capacitively Coupled Plasma)的等离子体蚀刻装置的情况为例进行了说明，但是，不限于上述实施方式能够构成各种变形方式。例如，上述等离子体处理装置1是CCP型等离子体处理装置1，也能够用于任意的等离子体处理装置1。例如，等离子体处理装置1能够是Inductively Coupled Plasma(ICP：电感耦合等离子体)、Radial Line Slot Antenna(径向线缝隙天线)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR：电子回旋共振等离子体)、Helicon Wave Plasma(HWP：螺旋波等离子体)中的任意类型。
另外，在上述的实施方式中，以对作为基板的晶片W进行等离子体蚀刻的情况为例进行了说明，但是，可以适用于对FPD(Flat Panel Display：平板显示器)等、作为基板的玻璃基板等进行等离子体处理的其它的等离子体处理装置。

Claims (8)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
等离子体处理容器；
载置台，其配置在所述处理容器内，具有基板载置部分和聚焦环载置部分，所述聚焦环载置部分包围所述基板载置部分；
配置在所述聚焦环载置部分上的聚焦环；
设置在所述聚焦环载置部分的内部的第1电极和第2电极；
直流电源，其对所述第1电极施加第1直流电压，对所述第2电极施加第2直流电压；以及
控制部，其控制所述直流电源，以对所述第1直流电压和所述第2直流电压各自的极性独立且周期地进行切换。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述控制部控制所述直流电源，以在所述载置台与所述聚焦环之间发生电荷的迁移之前切换所述第1直流电压和所述第2直流电压各自的极性。
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述极性的切换周期基于与施加到电极的直流电压相应的电力密度被决定。
4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述极性的切换周期基于在所述聚焦环与所述载置台之间流动的导热气体的流量被决定。
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：
所述第1直流电源的极性的切换与所述第2直流电源的极性的切换同时进行。
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：
所述第2直流电源的极性的切换在所述第1直流电源的极性的切换之后进行。
7.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第1电极和所述第2电极沿所述聚焦环的周向排列。
8.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第1电极和所述第2电极沿所述聚焦环的径向排列。
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