CN114899074A - 等离子体处理装置 - Google Patents

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CN114899074A CN202210794723.8A CN202210794723A CN114899074A CN 114899074 A CN114899074 A CN 114899074A CN 202210794723 A CN202210794723 A CN 202210794723A CN 114899074 A CN114899074 A CN 114899074A
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大木敬介
长田厚
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Abstract

本发明提供一种能够以简单的结构防止设置面积大型化、且等离子体密度高、等离子体的均匀性良好的等离子体处理装置。等离子体处理装置（10）包括：等离子体处理室（12）；圆筒状的电感室（14），其与等离子体处理室（12）邻接设置；多个线圈（26A、26B、26C），其沿着电感室（14）的长度方向邻接配置，并生成高频感应电场；罩部件（22），其设置在电感室（14）的径向外侧；以及保持部件（24），其配置在罩部件的内周面与电感室的外周面之间，且与罩部件的内周面接触，保持多个所述线圈，各线圈的一端与高频电源（32）相连接另一端为自由端，各线圈的长度方向的中央位置是接地端，各线圈由保持部件保持，从而线圈沿着长度方向及径向被同时定位。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及等离子体处理装置，特别地，涉及对半导体晶圆进行处理的等离子体处理装置。
背景技术
等离子体处理是半导体器件的制造中不可或缺的技术。以往使用电感耦合等离子体源（ICP），通过感应磁场产生电感应式等离子体，依次维持工艺气体的离子化和等离子体放电，产生使电子加速的环状（涡状）电场。感应式等离子体通常为中密度至高密度（电子和/或离子），且具有呈低水平的频率变化特性的特征。使用感应式等离子体处理的等离子体化学工艺速度快，且针对半导体晶圆和装置的离子性损伤少。与静电电容耦合的等离子体源相比，基于良好设计的感应放电实质上在更广泛的放电状况（例如，气压或功率）下起作用。
众所周知，在这种技术中，更高功率（高至数千瓦特）的感应器应用大约数十安培水平的射频电流。根据欧姆定律，这种电流基于感应器产生数千伏特的射频电压，这使得感应器也开始显现静电电容性的特征。因此，感应器也能够认为是影响离子体的静电电容性的电极。必然地，从这些高电压感应器产生寄生性高频静电电容电流或者被放电等离子体照射。其结果，发生高频率变化。在工艺（处理）室内，高频率变化给生产的半导体晶圆造成电子损伤，以及产生寄生的高频静电电容性等离子体或者高频鞘层，这是非常有害的。来自感应器的寄生性静电电容电流是等离子体和工艺的不统一、对处理室（例如，电弧）或者半导体衬底的多种损伤、高频电力损失的实质增加的主要原因。
美国专利5965034号公开了一种自平衡感应器，特别是公开了一种能够产生由同相位及不同相位的高频电压组成的推挽电压的作为螺旋形共振器的感应器（参见下述专利文献1）。
根据高频推挽电路的构造，同相位及不同相位的静电电容电流在等离子体中产生，二者互相抵消，消除了静电电容问题。尽管如此，基于针对共振器的电阻匹配需求，螺旋形共振器必须满足激发频率的电子波长。在紧凑的低纵横比（较平缓的）高密度等离子体反应炉的有限空间中，难以制造高效的自谐振型感应器。因此，期望开发不需要共振时的激发的本质（自身）平衡型的电感等离子体源。
因而，以往已知一种等离子体处理装置，其包括等离子体处理室和与等离子体处理室邻接连接的电感室，在电感室中设置一个生成高频感应电场的线圈，该线圈的一端与高频电源相连接，该线圈的另一端作为自由端，该线圈的长度方向的中央位置作为接地端（参见专利文件2）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5965034号公告
专利文献2：日本特许第4815533号公告。
发明内容
但是，在专利文献2的图1所示的等离子体处理装置由于仅设置了一个线圈，有等离子体的密度低且等离子体的均匀性差的问题。因此，可能对加工品的等离子体处理的精度低，需要能够对晶片等半导体器件进行均匀且高速的等离子体处理的等离子体处理装置。
另外，专利文献2的图6所示的等离子体处理装置虽然具有多个线圈，但在施行线圈增设的情况下，由于沿着线圈的径向向外侧大幅扩张，因此装置的设置面积增大。在等离子体处理装置的设置场所存在制约条件的情况下，施行线圈增设会产生空间上的问题。
因此，本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种能够以简单的结构防止设置面积大型化、使得等离子体的密度大且等离子体的均匀性良好的等离子体处理装置。
本发明提供了一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：等离子体处理室；圆筒状的电感室，其与所述等离子体处理室邻接设置；多个线圈，其沿着所述电感室的长度方向邻接配置，并生成高频感应电场；罩部件，其设置在所述电感室的径向外侧；以及保持部件，其配置在所述罩部件的内周面与所述电感室的外周面之间，且与所述罩部件的内周面接触，保持多个所述线圈，在所述等离子体处理装置中，各所述线圈的一端与高频电源相连接，各所述线圈的另一端是自由端，各所述线圈的长度方向的中央位置是接地端，所述线圈由所述保持部件保持，从而多个所述线圈沿着所述线圈的长度方向及径向被同时定位。
根据本发明，等离子体的密度增高且等离子体的均匀性良好，等离子体处理的精度提高。
附图说明
图1为本发明的等离子体处理装置的示例性的侧视图。
图2为构成本发明的等离子体处理装置的电感室和多个线圈的示例性的侧视图。
图3为示出构成本发明的等离子体处理装置的电感室和多个线圈的电特性的说明图。
图4为示出本发明的等离子体处理装置的电感室和一个线圈的电特性的说明图。
图5为构成本发明的等离子体处理装置的电感室和一个线圈的示例性的平面图。
图6为示出本发明的等离子体处理装置的等离子体浓度与ICP功率之间的关系的计测数据。
图7为示出本发明的等离子体处理装置的电子温度与ICP功率之间的关系的计测数据。
附图标记说明
10 等离子体处理装置
12 等离子体处理室（工艺室）
14 电感室
16 基座
18 偏压用高频（RF）电源
20 气体导入通道
22 罩部件
24 保持部件
26A 电感线圈（线圈）
26A1 中央位置
26B 电感线圈（线圈）
26B1 中央位置
26C 电感线圈（线圈）
26C1 中央位置
27A1 接地端
27B1 接地端
27C1 接地端
28 槽
30 接地部件
32 高频电源
T 加工品。
具体实施方式
对本发明的一个实施方式的等离子体处理装置进行说明。
如图1和图2所示，等离子处理设备10具有等离子体处理室（也称为工艺室，下同）12和与等离子体处理室12相连通并耦合的电感室14。等离子体处理室12具备由温度稳定化的接受器或者静电卡盘（ESC）构成的基座16，并与自动控制的偏压用高频（RF）电源18连接。
电感室14的上部设置有气体导入通道20，工艺气体从气体导入通道20流入电感室14的内部。流入电感室14内的工艺气体被供给至放置在基座16的上表面的加工品T。
电感室14为例如圆筒形状。电感室14也可以由其他形状形成。电感室14由电感体或者半导体材料（例如，石英、陶瓷、硅或者其他适当的材料）形成。电感室14和等离子处理室12也可以包含具备聚焦环、罩等其他要素的工艺组件。
电感室14中设置有3个电感线圈26A、26B、26C。各电感线圈26A、26B、26C由螺旋形状的线圈构成。各电感线圈26A、26B、26C沿着各电感线圈的长度方向直线并排配置。换言之，各电感线圈26A、26B、26C以圆筒状的电感室14的长度方向为轴，卷绕配置在电感室14的外周面上。
电感线圈26A、26B、26C的个数并不限定为3个。例如，如果是多个（2个以上），也可以是将2个、4个、5个……等多个电感线圈配置在高度方向的直线上的结构。
在电感室14的径向外侧配置有例如圆筒状的罩部件22。由此，各电感线圈26A、26B、26C构成为不露出至外部。罩部件22例如由密封罩构成。另外，罩部件22接地（earth）。
罩部件22由形成导体的材质构成。例如，作为罩部件22的材质，优选铜或者铝。罩部件22的形状无特别限定。
用于固定各电感线圈26A、26B、26C的位置的保持部件24与罩部件22的内周面相接触。保持部件24形成为例如圆筒状。在保持部件24的内周面侧形成有用于嵌入保持各电感线圈26A、26B、26C的槽28。换言之，保持部件24成为配置于罩部件22的内周面和电感室14的外周面之间的结构。通过保持卷绕配置于电感室14的外周面的各电感线圈26A、26B、26C，能够实现各电感线圈26A、26B、26C在长度方向（纵方向或者高度方向）上的定位。因此，即使在各电感线圈26A、26B、26C沿着重力的作用方向排列的情况下，也能够避免各电感线圈26A、26B、26C受到重力的作用而使得邻接的各电感线圈26A、26B、26C彼此接触。
同时，各电感线圈26A、26B、26C从保持部件24的径向内侧嵌入槽28中而被保持。在该状态下，在各电感线圈26A、26B、26C的径向外侧部位作用着来自于保持部件24的并朝向保持部件24的径向内侧的反作用力。因此，各电感线圈26A、26B、26C在径向上由保持部件24定位。换言之，各电感线圈26A、26B、26C通过保持部件24而成为在长度方向和径向这两个方向上被同时定位的状态。其结果，即使在各电感线圈26A、26B、26C受地震或外力等影响的情况下，其相互的间隔也不变化，各电感线圈26A、26B、26C不会相互接触。因此，不会降低等离子体处理的品质。
在将多个电感线圈26A、26B、26C沿着其长度方向（重力方向）排列的情况下，由于在这种排列状态下存在重力作用，因此线圈间的间隔会发生改变，而本实施方式能够解决这一技术问题。
另外，将多个电感线圈26A、26B、26C沿着其长度方向（重力方向）排列的理由在于，在将各电感线圈26A、26B、26C增加为4个、5个甚至更多的情况下，虽然长度沿着电感室14的高度方向增大，但沿着平面方向的接地面积不会增加。因此，即使增设各电感线圈26A、26B、26C，等离子体处理装置10也不会沿着径向（水平方向）大型化，在设置空间存在制约的情况下，不会产生任何问题。
需要说明的是，即使各电感线圈26A、26B、26C的匝数变化，保持部件24的槽28的深度（图1中沿着水平方向的深度）也保持恒定。由此，即使各电感线圈26A、26B、26C的匝数变化，也不需要形成多个深度不同的槽，保持部件24的制造变得容易。
保持部件24的材质由形成绝缘体的材质构成。例如，作为保持部件24的材质，优选PTFE（聚四氟乙烯）、树脂（plastic）、橡胶等。保持部件24的形状只要保持及定位各电感线圈26A、26B、26C即可，无特别限定。
在此，如图3和图4所示，在罩部件22的内周面侧连接有接地部件30（在图1和图2中未示出），在各电感线圈26A、26B、26C被保持部件24保持的状态下，该接地部件30能够将各电感线圈26A、26B、26C的长度方向（纵方向或者高度方向）的各中央位置26A1、26B1、26C1与罩部件22电连接。因此，各电感线圈26A、26B、26C的长度方向的中央位置26A1、26B1、26C1能够视为接地的结构，形成接地端27A1、27B1、27C1。
此外，图4是从各电感线圈26A、26B、26C中取出感应线圈26A并将其电特性放大的图。
接地部件30由形成导体的材质构成。例如，作为接地部件30材质，优选铜或者铝。接地部件30的形状无特别限定。
各电感线圈26A、26B、26C具有：各电感线圈的长度方向的一端26A2、26B2、26C2；各电感线圈26A、26B、26C的长度方向的另一端26A3、26B3、26C3；和各电感线圈的长度方向的中央位置26A1、26B1、26C1亦即接地端27A1、27B1、27C1。
各电感线圈26A、26B、26C的一端26A2、26B2、26C2与高频电源32相连接。优选地，3个电感线圈26A、26B、26C共有一个高频电源32。例如，使用高频振荡器作为高频电源32。
各电感线圈26A、26B、26C的另一端26A3、26B3、26C3分别为自由端。
各电感线圈26A、26B、26C的中央位置26A1、26B1、26C1是指各电感线圈26A、26B、26C的长度方向上的实质上处于中央的位置。各电感线圈26A、26B、26C的中央位置26A1、26B1、26C1借助接地部件30及罩部件22而成为接地端27A1、27B1、27C1。
下面，对一个电感线圈26A的结构进行说明。由于其他电感线圈26B、26C的结构与电感线圈26A的结构相同，因此省略对其他电感线圈26B、26C的结构的说明。
如图5所示，电感线圈26A的一端26A2和另一端26A3关于包含中央位置26A1亦即接地端27A1和电感线圈26A的中心轴的面对称配置。因此，位于电感线圈26A的中央位置26A1下侧的下侧线圈部W1的长度与位于电感线圈26A的中央位置26A1上侧的上侧线圈部W2的长度实质相同。并且，电感线圈26A的下侧线圈部W1的匝数和直径与上侧线圈部W2的匝数和直径实质相同。换言之，电感线圈26A的中央位置26A1即接地端27A1位于电感线圈26A的中心，电感线圈26A是在几何学上关于中央位置26A1即接地端27A1对称的对称形状。但是，电感线圈26A的中央位置26A1即接地端27A1并不必须是精确的中心，是实质的中心即可。
此外，电感线圈26B和电感线圈26C的结构也与电感线圈26A的结构相同。
各电感线圈26A、26B、26C的沿着长度方向的长度是例如λ/4，即1/4波长的长度。详细地，λ/4是指与由高频电源32的频率计算出的波长的1/4的相当的长度。
此外，各电感线圈26A、26B、26C的长度方向的长度也可以是例如λ/8，即1/8波长的长度。λ/8是指与由高频电源32的频率计算出的波长的1/8的相当的长度。
如图3及图4所示，当高频电力被供给至各电感线圈26A、26B、26C时产生磁场。该磁场依次生成环状（涡状）的高频感应电场，使电子加速。加速后的电子将工艺气体离子化，使等离子体放电持续。各电感线圈26A、26B、26C生成由大致相同相位（P1）和反转相位（P2）构成的静电电容电势（例如，电压）。各电感线圈26A、26B、26C的自由端即另一端26A3、26B3、26C3激发与相反侧的一端26A2、26B2、26C2的高频电压大小相等且极性相反的电压。这是由具有共通的高频感应电场的各电感线圈26A、26B、26C的上方侧部位和下方侧部位的性质导致的。
各电感线圈26A、26B、26C能够认为是由两个实质相同的线圈构成的一个线圈。一个线圈（下侧线圈部W1）由于产生等离子体放电中的圆形高频感应电场而引起高感应电流。另一方面，另一个线圈（上侧线圈部W2）作为由初始的线圈（下侧线圈部W1）产生的静电电容电流的静电电容修正器发挥作用。
由于各电感线圈26A、26B、26C的下侧线圈部W1和上侧线圈部W2二者关于接地端27A1、27B1、27C1为几何对称形状，实质上相互取得平衡。因此，不可避免的寄生性静电电容电流的电感等离子体接地设想被取消，由电感等离子体引起的静电电容性相互作用能够得到平衡。该静电电容性的平衡由不可避免的静电电容电压和电感等离子体的静电电容性相互作用的对称性程度决定。随着对称性提高，由于下侧线圈部W1和上侧线圈部W2的电压取得相互平衡，能够得到最小化的电感等离子体中的静电电容电流的更好的静电电容平衡。在静电电容方面取得平衡的电感等离子体源在半导体等离子体处理中尤其有用。
在具备自动控制的偏压用高频电源18并具有基座16的等离子体处理室12的内部，在静电电容方面取得平衡的电感等离子体源生成高电压鞘层，在加工品T的表面上使正离子加速。初始工艺气体进入电感室14中，执行离子化工序和解离工序。基座16上的加工品T使用由静电电容方面取得平衡的电感等离子体源生成并从放电等离子体供给的至少一种粒子加工。
偏压用高频电源18由于调节等离子体方面的相互作用率和特性，因此能够单独调节基座16的高频偏压电力，能够对等离子体处理本身进行调节。因此，产生了非耦合等离子体处理。
作为上述工艺的几个典型用途的非限定性示例，能够举出金属、电感体、半导体等的蚀刻、氮化、氧化、等离子体注入等表面改质以及使用等离子体增强化学气相沉积法（CVD）的多种薄膜成膜。另外，作为上述工艺的几个典型用途的其他非限定性示例，能够举出使用上述等离子体源和工艺的玻璃或塑料基板的制造或其改质。因此，应知本发明不限定于半导体处理，能够应用于掩膜制造、光学制品、微电子机械（MEMS技术）、医疗、以及其他装置的处理这类其他示例性的处理。特别地，本实施方式中公开的圆筒形状的等离子体源也能够应用于等离子体蚀刻、CVD或者用于去除选择性曝光固化的抗蚀剂的抗蚀剂灰化（剥离）这样的下游（下降流或者远程）用途的任一工况。
应当注意的是，自平衡感应器不需要平衡用的更多追加要素。在广泛的气体释放处理工艺条件（例如，包含激发频率）化方面，本质的静电电容性结构本身具有高度的静电电容对称性。因此，本发明的等离子体处理装置简单、价格低廉并且易于操作。
下面对本实施方式的等离子体处理装置10的作用进行说明。
如图1至图5所示，由于在电感室14中将3个电感线圈26A、26B、26C沿着各电感线圈26A、26B、26C的长度方向（纵方向或者高度方向）直线配置，因此与配置有1个电感线圈的结构相比，等离子体密度显著增加。其结果，等离子体处理（例如，蚀刻处理等）的均匀性提高，对加工品T的等离子体处理的精度进一步提升。
如图6以及图7所示，通过将3个电感线圈26A、26B、26C设置为27MHz ICP，从而得到了高离子密度（1011~1012cm-3）和低电子温度（1~2eV）的数据。由此证明获得了高蚀刻性能及高灰化性能。特别地，由于电子温度低，因此能够减少等离子体的损伤，能够抑制等离子体处理精度降低。
由于各电感线圈26A、26B、26C的沿着长度方向的长度为λ/4（或者λ/8），因此能够得到高频的共振点，不需要设置整合器即产生等离子体。由此能够减少零件数量、实现小型化和低成本化。
以上关于本发明的构造特征进行了非常详尽的说明，但应当理解的是，由权利要求书定义的本发明并非限定于公开的特定特征。应该说，本实施方式不过作为用于实现权利要求书记载的发明的优选的一个实施例而说明。
因此，在本实施方式中记载了发明的示例性实施例，而本领域技术人员能够进行多种变更或其他具体化。能够在不背离发明的要旨和范围的范围内实现上述变更或其他实施例。本实施方式中使用的词句及用语与摘要同样地用于说明，不应视为加以限定。
需要说明的是的，本实施方式示出本发明的一个方式，而本发明不限定于此。本实施方式例的设计变更程度的差异当然包含在本发明的技术思想范围内。

Claims (7)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
等离子体处理室；
圆筒状的电感室，其与所述等离子体处理室邻接设置；
多个线圈，其沿着所述电感室的长度方向邻接配置，并生成高频感应电场；
罩部件，其设置在所述电感室的径向外侧；以及
保持部件，其配置在所述罩部件的内周面与所述电感室的外周面之间，且与所述罩部件的内周面接触，保持多个所述线圈，
在所述等离子体处理装置中，
各所述线圈的一端与高频电源相连接，
各所述线圈的另一端为自由端，
各所述线圈的长度方向的中央位置是接地端，
所述线圈由所述保持部件保持，从而多个所述线圈沿着所述线圈的长度方向及径向被同时定位。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
在所述保持部件的内周面侧形成有槽，
所述线圈从所述保持部件的径向内侧嵌入保持于所述槽。
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，
所述罩部件接地，由形成导电体的材质构成，
所述保持部件由形成绝缘体的材质构成。
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，
各所述线圈沿着所述线圈的长度方向排列有3个。
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，
所述高频电源是一个高频振荡器。
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，
各所述线圈的长度方向的长度为λ/8或者λ/4。
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，
将所述线圈设置为27MHz。
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