CN1842244A - 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的面内均匀性高、并且难以产生充电损坏的电容耦合型的等离子体处理装置。该电容耦合型的等离子体处理装置(100)具有：可保持真空气氛的腔室(1)；在腔室(1)内互相平行地配置的第一和第二电极(2、18)；和在第一和第二电极(2、18)之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构(10)，第二电极(18)中，至少与第一电极(2)相对的部分被分割成由导体构成、处于浮动状态或被接地的第一分割片(18c1)和第二分割片(18c2)，还具有向第一分割片(18c1)和第二分割片(18c2)之间施加电压的可变直流电源。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种在半导体装置的制造工序等中，对被处理基板进行等离子体处理的电容耦合型的等离子体处理装置。
背景技术
在例如半导体器件的制造过程中，大多采用蚀刻、溅射、CVD(化学气相沉积)等对作为被处理基板的半导体晶片进行等离子体处理。
作为用于进行这种等离子体处理的等离子体处理装置，使用各种装置，但其中主流为电容耦合型平行平板等离子体处理装置。
电容耦合型平行平板等离子体处理装置，在腔室内配置一对平行平板电极(上部和下部电极)，将处理气体导入腔室内，同时，向一个电极供给高频电力，在电极间形成高频电场，从而产生高频放电。利用这种高频放电，形成处理气体的等离子体，对半导体晶片的规定的层进行等离子体蚀刻。例如，已知有向载置半导体晶片的下部电极供给高频电力的装置。在这种情况下，下部电极作为阴极发挥作用，上部电极作为阳极发挥作用。另外，施加在下部电极上的高频电力兼有等离子体生成和对被处理体施加高频偏压的功能。
在这种电容耦合型平行平板等离子体处理装置中，为了防止金属污染和消耗，作为起阳极作用的上部电极，采用在金属制的基体的表面上形成氧化薄膜或Y2O3等耐等离子体性高的绝缘性陶瓷的涂层等。
利用在电极间产生的高频放电生成的等离子体，由于利用接地电位使电子和离子电流中和，所以，在上部电极表面上形成的绝缘膜上产生与接电位相对的电位。以该电位为基准决定等离子体的电位。
但是，近年来，半导体等制造过程的设计规则日益微细化，特别是在等离子体蚀刻中，要求更高的尺寸精度，要求进一步提高对蚀刻的掩模或衬底的选择比或面内均匀性。因此，指向腔室内的处理区域的低压力化和低离子能量化，因此，使用比以往高很多的27MHz以上的频率的高频。
但是，由于这样的低压力化和低离子能量化的发展，不能再忽视以往不是问题的等离子体电位的面内不均匀性。即：在离子能量高的以往的装置中，即使等离子体电位在面内有偏差，也不会产生大的问题，而在更低压力下，降低离子能量时，等离子体电位的面内不均匀容易引起处理的不均匀或充电损坏(charge up damage)的问题。
与此相对，在专利文献1中公开了，在施加在晶片上的高频偏压引起的高频电流路径中，设置电流路径矫正装置，进行矫正，使得晶片外周附近的电流路径部分与对向电极的晶片对向面相对，或者设置阻抗调整装置，使从高频偏压至接地的阻抗在晶片面内大致均匀。由此，在施加高频偏压时产生的自偏压在晶片面内的均匀性提高，可以抑制充电损坏等微型的损坏。
然而，专利文献1的技术，必须设置电流路径矫正装置或阻抗调整装置，装置结构复杂，或者存在等离子体处理的面内均匀性不一定充分等问题。
[专利文献1]特开2001-185542号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，提供一种等离子体处理的面内均匀性高而且难以产生充电损坏的电容耦合型的等离子体处理装置。
为了解决上述问题，在本发明的第一方面中，提供一种等离子体处理装置，其为电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：可保持真空气氛的腔室；在上述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和在上述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构；上述等离子体生成机构具有与上述第一电极连接的高频电源；上述第一电极支撑被处理基板，同时可从上述高频电源施加高频电力；上述第二电极中，至少与上述第一电极相对的部分被分割成多个分割片，这些分割片具有导体，处于浮动状态或被接地；还具有向上述多个分割片中的至少一个施加直流电压的直流电源。
在本发明的第二方面中，提供一种等离子体处理装置，其为电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：可保持真空气氛的腔室；在上述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和在上述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构；上述等离子体生成机构具有与上述第一电极连接的高频电源；上述第一电极支撑被处理基板，同时可从上述高频电源施加高频电力；上述第二电极中，至少与上述第一电极相对的部分被分割成第一分割片和第二分割片，第一和第二分割片具有导体，分别处于浮动状态或被接地；还具有向上述第一分割片和上述第二分割片之间施加电压的第一可变直流电源。
在本发明的第三方面中，提供一种等离子体处理装置，是电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：可保持真空气氛的腔室；在上述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和在上述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构；上述等离子体生成机构具有与上述第一电极连接的高频电源；上述第一电极支撑被处理基板，同时可从上述高频电源施加高频电力；上述第二电极中，至少与上述第一电极相对的部分被分割成第一分割片和第二分割片，第一和第二分割片具有导体；还具有：向上述第一分割片施加直流电压的第一可变直流电源；和与上述第一个分割片独立、向上述第二分割片施加直流电压的第二可变直流电源。
在本发明的第四方面中，提供一种等离子体处理装置，其为电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：可保持真空气氛的腔室；在上述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和在上述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构；上述等离子体生成机构具有与上述第一电极连接的高频电源；上述第一电极支撑被处理基板，同时可从上述高频电源施加高频电力；上述第二电极中，至少与上述第一电极相对的部分被分割成至少三个以上的分割片，这些分割片具有导体，处于浮动状态或被接地；还具有：向这些三个以上的分割片中的至少二个施加直流电压的直流电源；和选择性地切换与上述直流电源连接的至少二个分割片的切换机构。
根据上述第一方面，在作为施加高频电力的上述第一电极的对向电极的第二电极中，其至少与第一电极相对的部分被分割成具有导体并处于浮动状态或被接地的多个分割片，向这些多个分割片中的至少一个加直流电压，通过第二电极的规定的分割片，在等离子体空间中局部地施加直流电压，从而能够控制空间电位分布。由此，能够使空间电位分布均匀，也能够使入射到基板上的离子能量分布均匀，另外，离子能量的均匀化时，等离子体生成电子能量也会变得均匀化，因此电子密度分布也变得均匀，可以提高等离子体处理的面内均匀性，同时可以减少充电损坏。
根据上述第二方面，在作为施加高频电力的上述第一电极的对向电极的第二电极上，其至少与第一电极相对的部分被分割成有导体并处于浮动状态或被接地的第一分割片和第二分割片，从可变直流电源向第一分割片和上述第二分割片之间施加电压，所以，可以向这二个分割片之间施加期望的电压，从而能够控制空间电位分布。由此，能够使空间电位分布均匀，也能够使入射到基板上的离子的能量分布均匀，进而，电子密度分布也均匀，等离子体处理的面内均匀性提高，同时可减少充电损坏。
根据上述第三方面，作为施加高频电力的上述第一电极的对向电极的第二电极中，至少与第一电极相对的部分被分割成有导体并处于浮动状态或被接地的第一分割片和第二分割片，分别独立地向第一分割片和第二分割片施加直流电压，所以，可以在这二个分割片之间形成期望的电位差，从而能够控制空间电位分布。由此，可以使空间电位分布均匀，也能够使入射到基板上的离子的能量分布均匀，进而，电子密度分布均匀，等离子体处理的面内均匀性提高，同时可以减少充电损坏。
根据上述第四方面，作为施加高频电力的上述第一电极的对向电极的第二电极中，至少与第一电极相对的部分被分割成具有导体并处于浮动状态或被接地的至少三个分割片，向三个以上分割片中的至少二个施加电压，同时，可选择性地切换与上述直流电源连接的至少二个分割片，因此，可以在任意的分割片之间形成期望的电位差，能够控制空间电位分布，可以选择控制空间电位分布的位置，从而可以增大空间电位分布的控制的自由度。
在上述第一方面中，上述直流电源可以向上述多个分割片中的至少2个之间施加电压。另外，上述直流电源优选为可变直流电源。另外，上述直流电源可以是双极电源。优选还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。优选还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
在上述第二方面中，可以构成为：上述可变直流电源的一个极与上述第一分割片连接，另一个极与上述第二分割片连接。在这种情况下，可以使上述第一分割片和上述第二分割片中的一个接地、另一个成为浮动状态。另外，也可以构成为具有一个极与上述第一分割片和上述第二分割片中的一个连接、另一个极接地的第二可变直流电源。
在上述第二方面和第三方面中，可以形成下述结构：上述第二电极具有接地的本体，上述第一分割片和上述第二分割片隔着绝缘膜支撑在上述本体上。另外，可以形成上述第一分割片被配置在内侧、上述第二分割片被配置外侧的结构。在这种情况下，作为典型的方式，可以举出，上述第一分割片和上述第二分割片被配置成同心圆状。另外，上述直流电源可以是双极电源。优选还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。优选还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
在上述第四方面中，可以形成下述结构：上述直流电源的一个极与特定的分割片连接，另一个极通过上述切换机构，可切换地与另外二个以上的分割片连接。另外，可以构成为：上述第二电极具有接地的本体，上述三个以上的分割片隔着绝缘膜支撑在上述本体上。上述三个以上的分割片优选配置成同心圆状。上述直流电源优选为可变直流直源。另外，上述直流电源可以是双极电源。优选还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。优选还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
在上述任一方面点中，直流电源优选为双极电源。另外，作为分割片，可以使用做成网眼(mesh)状的分割片。另外，优选还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关的结构。另外，优选在直流电源和分割片之间设置低通滤波器。
根据本发明，作为施加高频电力的第一电极的对向电极的第二电极的至少与上述第一电极相对的部分被分割成规定的分割片，向规定的分割片施加直流电压，由此，可以得到等离子体处理的面内均匀性高、而且难以产生充电损坏的电容耦合型的等离子体处理装置。
附图说明
图1为表示作为本发明的等离子体处理装置的一个实施方式的等离子体蚀刻装置的截面图。
图2为表示图1的等离子体蚀刻装置的上部电极的内侧分割片和外侧分割片的配置的示意图。
图3为表示将等离子体生成用的高频电源和离子注入用的高频电源与作为下部电极的支撑台面连接的状态的概略截面图。
图4为表示作为以往的等离子体蚀刻装置的上部电极的电极板的结构的示意图。
图5为表示在使用以往的等离子体蚀刻装置的情况下的等离子体中的电子密度分布和等离子体电位分布的图。
图6为表示作为本发明的等离子体处理装置的一个实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的示意图。
图7为表示向图1的等离子体蚀刻装置的分割片施加直流电压的方式的变形例的示意图。
图8为表示向图1的等离子体蚀刻装置的分割片施加直流电压的方式的另一个变形例的示意图。
图9为表示向图1的等离子体蚀刻装置的分割片施加直流电压的方式的又一个变形例的示意图。
图10为表示作为本发明的等离子体处理装置的另一个实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极的分割片的配置的示意图。
图11为表示作为本发明的等离子体处理装置的另一个实施方式的等离子体蚀刻装置的主要部分的示意图。
图12为表示高频电力为200W、将内侧分割片接地、改变向外侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图13为表示高频电力为200W、将外侧分割片接地、改变向内侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图14为表示高频电力为500W、将内侧分割片接地、改变向外侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图15为表示高频电力为500W、将外侧分割片接地、改变向内侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图16为表示高频电力为800W、将内侧分割片接地、改变向外侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图17为表示高频电力为800W、将外侧分割片接地、改变向内侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图18为表示高频电力为1200W、将内侧分割片接地、改变向外侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图19为表示高频电力为1200W、将外侧分割片接地、改变向内侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、和电子密度分布Ne的面内分布的图。
图20为表示将高频电力设为200W、500W，不从分布控制的电源加电压，改变向内侧分割片施加的直流电压时的等离子体电位Vf的面内分布的图。
图21为表示上部电极的另一个例子的示意图。
符号说明
1    腔室
1b   导电性表面层
2    支撑台面(第一电极)
5    聚焦环
10、26  高频电源
15   处理气体供给装置
18   上部电极、喷头(第二电极)
18a  本体
18b  绝缘膜
18c1、18c2、18c3、18c4、18c5  分割片
30、40  可变直流电源
31、33、35、38  低通滤波器(LPF)
32、34、36、37、39  继电器开关
100  等离子体蚀刻装置
W    半导体晶片(被处理基板)
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
图1为表示作为本发明的等离子体处理装置的一个实施方式的等离子体蚀刻装置的截面图。
该等离子体蚀刻装置100具有气密地构成、做成大致圆筒状的腔室1。该腔室1的本体由例如铝等金属制成，在其内壁表面上形成有由氧化处理薄膜、或由Y2O3等绝缘陶瓷构成的薄膜(例如喷镀薄膜)那样的绝缘膜。腔室1被接地。
在该腔室1内，设置有水平地支撑作为被处理基板的晶片W、同时起下部电极作用的支撑台面2。支撑台面2由例如表面经过氧化处理的铝制成。从腔室1的底壁突出形成圆环状的支撑部3，与支撑台面2的外周对应，在该支撑部3上设置有圆环状的绝缘部件4，支撑台面2的外缘部通过该绝缘部件4被支撑。另外，在支撑台面2的上方的外周上，设置有由导电性材料或绝缘性材料制成的聚焦环5。在绝缘部件4和腔室1的周壁之间设置有挡板14。另外，在支撑台面2和腔室1的底壁之间形成空洞部7。
在支撑台面2的表面部分，设置有静电吸附晶片W的静电卡盘6。该静电卡盘6由在绝缘体6b之间存在电极6a而构成，直流电源13通过开关13a与电极6a连接。于是，通过从直流电源13向电极6a施加电压，利用静电力(例如库仑力)吸附半导体晶片W。
在支撑台面2内设置有制冷剂流路8a，制冷剂配管8b与该制冷剂流路8a连接，适当的制冷剂由制冷剂控制装置8通过制冷剂配管8b供给到制冷剂流路8a，进行循环。由此，可将支撑台面2控制为适当的温度。另外，在静电卡盘6的表面和晶片W的背面之间设有用于供给传热用的传热气体(例如He气)的传热气体配管9a，传热气体从传热气体供给装置9，通过该传热气体配管9a，供给到晶片W的背面。由此，即使对腔室1内进行排气而使其保持真空，也可以将在制冷剂流路8a中循环的制冷剂的冷热高效率地传给晶片W，从而可以提高晶片W的温度控制性。
用于供给高频电力的供电线12与支撑台面2的大致中央连接，匹配器11和高频电源10与该供电线12连接。从高频电源10向支撑台面2供给规定频率的高频电力。
另一方面，与支撑台面2相对，在其上方设置有作为上部电极的圆盘状的喷头18(以下，也称为上部电极18)。喷头18嵌入腔室1的顶壁部分中。该喷头18具有：由金属或半导体(例如碳、Si等)构成的本体18a；为了防止由金属污染或等离子体造成的消耗和损伤的发生，在本体18a的与支撑台面2相对的表面上设置的绝缘膜18b；和如图2所示，在其表面上设置的、由在内侧和外侧被分割成同心圆状的导体构成的内侧分割片18c1和外侧分割片18c2。绝缘膜18b由氧化处理薄膜或由Y2O3等绝缘陶瓷构成的薄膜(例如喷镀薄膜)等形成。多个气体喷出孔17，以贯通本体18a的下部、绝缘膜18b、分割片18c1和18c2的方式设置，在本体18a的上部有气体导入部18d，在内部形成有空间18e。气体供给配管15a与气体导入部18d连接，供给蚀刻用的处理气体的处理气体供给装置15与该气体供给配管15a的另一端连接。
上部电极18的本体18a通过腔室1被接地，与供给高频电力、起下部电极作用的支撑台面2一起构成一对平行平板电极。另外，作为供给高频电力的下部电极的支撑台面2起阴极的作用，被接地的上部电极18起阳极的作用。
可变直流电源30与内侧分割片18c1和外侧分割片18c2连接，在它们之间施加直流电压。具体地说，内侧分割片18c1与正极连接，外侧分割片18c2与负极连接。在从可变直流电源30至内侧分割片18c1的供电线30a上，设置有低通滤波器(LPF)31和继电器开关32。另外，在从可变直流电源30至外侧分割片18c2的供电线30b上，设置有低通滤波器(LPF)33和继电器开关34。内侧分割片18c1和外侧分割片18c2有使等离子体空间具有电压的功能。内侧分割片18c1和外侧分割片18c2的形成方法没有特别限制，可以贴合形成，也可以利用喷镀、CVD等成膜技术形成。可变直流电源30优选为双极电源。
作为蚀刻用的处理气体，可以采用以往使用的各种气体，例如可以适当使用碳氟化合物气体(CxFy)或氢碳氟化合物气体(CpHqFr)等含有卤素元素的气体。另外，也可以添加Ar、He等稀有气体或N2气体、O2气体等。另外，在适用于灰化的情况下，可以使用例如O2气体等作为处理气体。
这样的处理气体，从处理气体供给装置15，通过气体供给配管15a、气体导入部18d，达到本体18a内的空间18e，从气体喷出孔17喷出，供给在晶片W上形成膜的蚀刻。
排气管19与腔室1的底壁连接，包含真空泵等的排气装置20与该排气管19连接。于是，通过使排气装置20的真空泵工作，可以将腔室1内减压至规定的真空度。另一方面，在腔室1的侧壁上侧，设置有开闭晶片W的搬入搬出口23的闸阀24。
另一方面，在腔室1的搬入搬出口23的上下，以围绕腔室1的方式、同心状地配置2个环形磁铁21a、21b，在支撑台面2和上部电极18之间的处理空间的周围形成磁场。该环形磁铁21a、21b设置成能够利用未图示的旋转机构旋转。
圆环磁铁21a、21b由多个由永磁体构成的扇形(segment)磁铁呈圆环状、以多极状态配置。即：在环形磁铁21中，配置成使相邻的多个扇形磁铁彼此的磁极的方向互相相反，因此，在相邻的扇形磁铁之间形成磁力线，只在处理空间的周边部形成例如0.02～0.2T(200～2000Gauss)、优选0.03～0.45T(300～450Gauss)的磁场，晶片配置部分实质上为无磁场状态。由此，可得到适度的等离子体封闭效果。
所谓晶片配置部分的实质上无磁场状态，不仅包含完全不存在磁场的情况，而且包含在晶片配置部分未形成对蚀刻处理有影响的磁场、实质上存在对晶片处理没有影响的磁场的情况。
为了调整等离子体密度和离子注入作用，可以使等离子体生成用的高频电力与用于注入等离子体中的离子的高频电力叠加。具体地说，如图3所示，除了与匹配器11连接的等离子体生成用的高频电源10以外，使离子注入用的高频电源26与匹配器11b连接，使它们叠加。在这种情况下，等离子体生成用的高频电源10的频率优选为27～160MHz，离子注入用的高频电源26的频率优选为500KHz～27MHz。由此，可以控制离子能量、进一步提高蚀刻速度等的等离子体处理速度。
等离子体蚀刻装置100的各构成部分由控制部(过程控制器)50连接进行控制。具体地说，控制制冷剂控制装置8、传热气体供给装置9、排气装置20、静电卡盘6用的直流电源13的开关13a、高频电源10、匹配器11等。
另外，由工序管理者为了管理等离子体蚀刻装置100而进行指令输入操作等的键盘、可视化显示等离子体处理装置100的运转状况的显示器等构成的用户界面51，与控制部50连接。
另外，控制部50与存储部52连接，该存储部52存储：通过控制部50的控制来实现由等离子体蚀刻装置100运行的各种处理的控制程序；和根据处理条件、在等离子体蚀刻装置的各个构成部分中运行处理的程序(即方案)。方案也可以存储在硬盘或半导体存储器中，也可以在容纳在CDROM、DVD等可搬性的存储介质中的状态下，放到存储部52的规定位置。
另外，根据需要，可以按照从用户界面51发出的指示等，从存储部52中调出任意方案，由控制部50运行，这样，在控制部50的控制下，可由等离子体蚀刻装置100进行期望的处理。
其次，对这样构成的等离子体蚀刻装置的处理动作进行说明。
首先，打开图1的等离子体蚀刻装置100的闸阀24，利用搬送臂将具有蚀刻对象层的晶片W搬入腔室1内，载置到支撑台面2上后，使搬送臂退出，关闭闸阀24，利用排气装置20的真空泵，通过排气管19，使腔室1内达到规定的真空度。
然后，从处理气体供给装置15，以规定的流量向腔室1内导入蚀刻用的处理气体，将腔室1内维持在规定的压力，例如0.13～133.3Pa(1～1000mTorr)左右。在这样保持在规定压力的状态下，从高频电源10，向支撑台面2供给频率为27MHz以上、例如100MHz的高频电力。此时，从直流电源13向静电卡盘6的电极6a施加规定电压，利用库仑力吸附晶片W。
这样，通过向作为下部电极的支撑台面2施加高频电力，在作为上部电极的喷头18和作为下部电极的支撑台面2之间的处理空间内，形成高频电场，由此，被供给到处理空间的处理气体被等离子体化，利用该等离子体对晶片W上形成的蚀刻对象层进行蚀刻。
当蚀刻时，利用多极状态的圆环磁铁21a、21b，在处理空间周围形成磁场，由此，可发挥等离子体封闭效果，即使如本实施方式那样，在容易产生等离子体不均匀的高频的情况下，也可以更均匀地形成等离子体。另外，因膜的不同，也存在没有这种磁场效果的情况，但在这种情况下，也可以使扇形磁铁旋转，使得在处理空间的周围实质上不形成磁场的条件下进行处理。
在形成上述磁场的情况下，利用设在支撑台面2上的晶片W周围的导电性或绝缘性的聚焦环5，可以进一步提高等离子体处理的均匀化效果。即：在聚焦环5由硅或SiC等导电性材料形成的情况下，由于直至聚焦环的区域都作为下部电极起作用，所以等离子体形成区域扩展至聚焦环5上，晶片W周边部的等离子体处理得到促进，蚀刻速度的均匀性提高。另外，在聚焦环5为石英等绝缘性材料的情况下，由于在聚焦环5和等离子体中的电子或离子之间，不进行电荷的接受和给与，可以使封闭等离子体的作用增大，蚀刻速度的均匀性提高。
另外，由于上部电极18与支撑台面2相对的表面成为由导体构成的内侧分割片18c1和外侧分割片18c2，所以，在上部电极18的表面上，可以提高电场的面内均匀性，从而可以使对晶片W的等离子体处理性均匀化。这点在以下进一步详细地说明。
如图4所示，在以往的等离子体蚀刻装置的情况下，为了防止金属污染或等离子体造成的损耗，在上部电极18的本体18a的表面，形成氧化处理薄膜或由Y2O3等绝缘陶瓷构成的薄膜(例如喷镀薄膜)等绝缘膜18b，由于其为最外层，所以上部电极18的表面为绝缘体。另外，在腔室1的内壁表面上形成同样的绝缘膜。在这种状态下，当生成高频等离子体时，如图5所示，高频电流通过上部电极18的表面的绝缘膜18b，流向本体18a一侧，几乎不流向表面的绝缘膜18b的半径方向(面内方向)。因此，在高频等离子体中，当由于电子密度分布不均匀等原因，上部电极18表面的绝缘膜18b具有在半径方向的电位分布时，该分布不均匀，其电位分布仍残存，因此，等离子体电位的面内均匀性变差。结果，入射到构成作为阴极的下部电极的支撑台面2的离子能量产生面内分布，晶片蚀刻的面内均匀性变差。如上述那样，等离子体形成用高频电源的频率在27MHz以下、处理压力高(2～10Pa左右)，高离子能量的等离子体的情况下，这种电极表面的径方向的电位分布不成问题，但最近，当高频电源频率超过40MHz时，形成低压力(1.3Pa左右)、低电子密度(1×1010以下)的等离子体，使用负性气体作为处理气体时，由于等离子体的电阻率高，所以会助长这种不均匀，而且，从处理性能的要求出发，必须控制低离子能量(100eV以下)，则由这种等离子体电位的面内不均匀引起的能量不均匀不能忽视。由此，会产生由等离子体蚀刻处理的面内不均匀、或晶片的充电的不均匀所引起的栅极氧化膜的绝缘破坏(充电损坏)。
为了防止这样的不利状况，在本实施方式中，如图6详细所示，在本体18a的与支撑台面2相对的表面上形成绝缘膜18b，进一步在该表面上设置，由在内侧和外侧被分割成同心圆状的导体构成的内侧分割片18c1和外侧分割片18c2，使可变直流电源30的正极和负极分别与它们连接。在该状态下，形成高频等离子体，同时，向内侧分割片18c1和外侧分割片18c2之间施加电压。由此，由于能够使形成等离子体的空间具有电压，所以可以控制空间电位分布。具体地说，在图5的空间电位分布状态中，通过使内侧分割片18c1的电位比外侧分割片18c2高，可以使空间电位分布均匀。另外，箭头I为由于施加电压所导致的等离子体空间中的电流的流动。如果直流电源的极性相反，则该电流的方向反向。这样，通过使空间电位分布均匀，可使入射到构成作为阴极的下部电极的支撑台面2上的离子的能量分布均匀。另外，由于离子能量的均匀化，等离子体生成的电子能量也变得均匀，因此，电子密度分布也变得均匀。因此，可以提高蚀刻处理的面内均匀性，另外，可以减少栅极氧化膜的绝缘破坏等充电损坏。通过使用双极电源作为可变直流电源30，能够将电位分布从凸状控制成凹状。在这种情况下，施加在内侧分割片18c1和外侧分割片18c2之间的直流电压优选为数十V。
另外，即使对一个分割片施加直流电压，另一个为浮动(floating)的情况下，由于两者不产生电位差，因此达不到这种效果。另外，由于施加的直流电压通过等离子体，从内侧分割片18c1流向外侧分割片18c2，所以，难以产生异常放电，因此不需要接地部件。
由于在从可变直流电源30引出的供电线30a、30b上分别设有低通滤波器(LPF)31、33，因此可排除高频对可变直流电源30的影响。另外，由于设置有继电器开关32、34，可以接通和断开对内侧分割片18c1、外侧分割片18c2施加的直流电压。此外，如图所示，继电器开关32、34优选设在低通滤波器(LPF)31、33靠近等离子体的一侧。假设将继电器开关32、34设在低通滤波器(LPF)31、33靠近可变直流电源30的一侧，则在不对分割片施加直流电压的情况下，即使断开继电器开关32、34，也有来自等离子体的高频电力通过低通滤波器，有使腔室1内的等离子体状态改变的可能性。这一点，在下所有的实施方式中都是同样的。
内侧分割片18c1和外侧分割片18c2只要是导体即可，没有特别的限制。另外，由于只要对空间施加电压即可，电阻率允许达到稍高于1×106Ωm的值，可以使用Si、SiC等。因此，即使它们的表面状态稍微变化，也可维持效果。
在本实施方式中，由于在以往使用的具有保护功能的绝缘膜18b上形成内侧分割片18c1和外侧外割片18c2，所以，具有与以往同样的保护功能，而且可得到上述效果。另外，通过在已有的上部电极上设置导电层，不需做大的改良就可实现装置的结构。
以上，以将内侧分割片18c1和外侧分割片18c2设为浮动状态作为例子进行了说明，但如图7所示，也可以使一个分割片接地。在图中，表示了将外侧分割片18c2接地的情况，也可以将内侧分割片18c1接地。这样，通过将一个分割片接地，接地一侧的空间电位不怎么变化，可以大幅改变不接地一侧的空间电位。
另外，如图8所示，除了控制空间电位分布的可变直流电源30以外，可以使一个分割片与另一个可变直流电源40连接。在图中，表示了使可变直流电源40与外侧分割片18c2连接的情况，也可以与内侧分割片18c1连接。这样，通过使可变直流电源40与一个分割片连接，可以在维持空间电位分布的状态下，改变空间电位的大小(等离子体和电极本体18a的电位差)。这样，不但空间电位分布，而且其大小也可控制，因此可以高精度地进行晶片W的离子能量的控制。另外，因为可以控制空间电位大小本身，因此可进行在上部电极18上的贮藏所(depot)的控制。由于可利用可变直流电源40改变空间电位大小本身，所以，分布控制用的可变直流电源30不需要施加大的电压，可减小该电源的尺寸。
如图9所示，可以使可变直流电源42与内侧分割片18c1连接，使可变直流电源44与外侧分割片18c2连接，分别独立地进行电压控制。由此，可以独立地控制内侧分割片18c1和外侧分割片18c2的电压。
接下来，说明本发明的另一个实施方式。
如图10所示，在该实施方式中，在上部电极18的绝缘膜18b的表面上，从内侧呈同心圆状形成三个分割片18c3、18c4、18c5，如图11所示，使可变直流电源30的负极，通过供电线30d与最外侧的分割片18c5连接；使正极通过从供电线30c分支出来的供电线30e和30f，分别与中间的分割片18c4和最内侧的分割片18c3连接；利用设在供电线30e和30f上的继电器开关36、37，可以切换分割片18c3、18c4中的任何一个或二个。此外，在供电线30c上设有低通滤波器(LPF)35，在供电线30d上设有低通滤波器(LPF)38、和用于接通和断开直流电压的继电器开关39。
根据这种结构，由于可以切换施加电压的分割片，所以，可以选择控制空间电位分布的位置，从而可以增大空间电位分布控制的自由度。
接着，对确认本发明效果的实验进行说明。
首先，作为上部电极，使用下述结构：在本体的相对表面上形成250μm的Y2O3喷镀薄膜，在其上、以同心圆状形成由Si构成的内侧分割片和外侧分割片。在使内侧分割片和外侧外割片中的一个接地、在另一个分割片上施加规定的直流电压的状态下，进行晶片的等离子体处理。使用300mm晶片作为晶片，使用直径340mm的电极作为上部电极。等离子体处理使用图1所示的装置进行，在腔室内压力为0.67Pa、处理气体为O2气体、流量为200mL/min、高频电力的频率为100MHz、高频电力为200W、500W、800W、1200W的条件下进行。
求出这时的等离子体电位Vf相对于接地电位(GND)的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、电子密度分布Ne的面内分布。将结果表示在图12～图19中。各图中，(a)表示Vf的面内分布，(b)表示Vdc的面内分布，(c)表示Ne的面内分布。图12是使高频电力为200W、将内侧分割片接地、向外侧分割片施加的直流电压为+40V、+20V、0V、-80V的情况。图13为使高频电力为200W、使外侧分割片接片、向内侧分割片施加的直流电压为+40V、0V、-2.2V、-80V的情况。图14为使高频电力为500W、使内侧分割片接地、向外侧分割片施加的直流电压为+50V、0V、-50V、-100V的情况。图15为高频电力为500W、使外侧分割片接地、向内侧分割片施加的直流电压为+40V、0V、-36.8V、-50V的情况。图16为高频电力为800W、使内侧分割片接地、向外侧分割片施加的直流电压为+40V、+11.5V、0V、-80V的情况。图17为高频电力为800W、使外侧分割片接地、向内侧分割片施加的直流电压为+10V、0V、-19.8V、-60V的情况。图18为高频电力为1200W、使内侧分割片接、向外侧分割片施加的直流电压为+10V、0V、-18.6V、-60V的情况。图19为高频电力为1200W、使外侧分割片接地、向内侧分割片施加的直流电压为+15V、+5.6V、0V、-60V的情况。
另外，各图中(a)的ΔVf表示Vf的面内偏差、(b)的ΔVdc表示Vdc的面内偏差。ΔNe为用面内的Ne的最大值和最小值之差除以Ne的面内平均值的2倍，用％表示的值。另外，在这里，取内侧分割片的直径为100mm，外侧分割片的直径为180mm。
如这些图所示，根据上述实施方式，通过向分割片施加电压，可以改变等离子体电位Vf的面内分布、自编压Vdc的面内分布、电子密度分布Ne的面内分布，确认可以控制它们。特别地，如图14、15所示，在高频电力为500W、改变直流电压的情况下，具体地说，在将图14的内侧分割片接地、向外侧分割片施加的直流电压为-100V的情况下，在将图15的外侧分割片接地、向内侧分割片施加的直流电压为+40V的情况下，等离子体电位Vf的面内分布、自偏压Vdc的面内分布、电子密度分布Ne的面内分布都是均匀的。
接着，将用于分布控制的电源断开，使另一个直流电源与内侧分割片连接，确认其效果。等离子体条件，取高频电力为200W、500W，其他条件与上述相同。将结果表示在图20中。图20的(a)表示在取高频电力为200W、向内侧分割片施加的直流电压为+50V、-36V、-120V的情况下，等离子体电位Vf相对于接地电位(GND)的面内分布；(b)表示在取高频电力为500W、向内侧分割片施加的直流电压为+10V、-56V、-120V的情况下，等离子体电位Vf相对于接地电位(GND)的面内分布。如该图所示，确认，通过改变另一直流电源的电压，能够在Vf的分布形态保持大致相同的状态下、调整Vf本身大小。
此外，本发明不限于上述实施方式，可以有各种改变。例如，在上述实施方式中，说明了将分割片隔着绝缘层、设在接地本体的与下部电极相对的面上、作为上部电极的情况，但不仅限于此，如图21所示，也可以使用由在等离子体中处于浮起状态的内侧分割片118a和外侧分割片118b构成的上部电极118。在这种情况下，内侧分割片118a和外侧分割片118b也可以为网眼状。
另外，在上述最初的实施方式中，将内侧分割片和外侧分割片设置成同心圆状，但不必局限于此，另外，分割片的数目也不限于2个。
在上述另一个实施方式中，以将三个分割片设置成同心圆状的例子进行了说明，但配置不限于同心圆状，另外，分割片的数目也可以为4个以上。关于切换的形式，在上述例子中，使与直流电源的一个极连接的分割片固定，可以切换另一个极的分割片，但也可以切换与两个极连接的分割片。上述另一个实施式，可以将上述图7、图8、图9所示的例子进行组合。
另外，在上述实施方式中，使用将由永久磁铁构成的多个扇形磁铁、呈圆环状配置在腔室的周围而形成的多极状态的圆环磁铁，在处理空间的周围形成磁场，但这种磁场形成方法不是必需的。另外在上述实施方式中，表示了将本发明应用于等离子体蚀刻装置中的情况，但也可以用于等离子体CVD、喷镀等其它的等离子体处理。另外，其他的装置结构、导电层的材料等也不限于上述实施方式，可以使用各种结构和材料。在上述实施方式中，表示了使用半导体晶片作为被处理基板的情况，但并不限于此，也可以适用于以LCD为代表的平板显示器(FPD)等其它基板的等离子体处理。

Claims (32)

1.一种等离子体处理装置，是电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
可保持真空气氛的腔室；
在所述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和
在所述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构，
所述等离子体生成机构具有与所述第一电极连接的高频电源，
所述第一电极支撑被处理基板，同时可从所述高频电源施加高频电力，
所述第二电极中，至少与所述第一电极相对的部分被分割成多个分割片，这些分割片具有导体、处于浮动状态或被接地，
还具有向所述多个分割片中的至少一个施加直流电压的直流电源。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源，向所述多个分割片中的至少2个之间施加电压。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为可变直流电源。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为双极电源。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
7.一种等离子体处理装置，是电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
可保持真空气氛的腔室；
在所述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和
在所述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构，
所述等离子体生成机构具有与所述第一电极连接的高频电源，
所述第一电极支撑被处理基板，同时可从所述高频电源施加高频电力，
所述第二电极中，至少与所述第一电极相对的部分被分割成第一分割片和第二分割片，第一和第二分割片具有导体、分别处于浮动状态或被接地，
还具有向所述第一分割片和所述第二分割片之间施加电压的第一可变直流电源。
8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述可变直流电源的一个极与所述第一分割片连接，另一个极与所述第二分割片连接。
9.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一分割片和所述第二分割片中的一个被接地，另一个为浮动状态。
10.如权利要求8所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有一个极与所述第一分割片和所述第二分割片中的一个连接、另一个极被接地的第二可变直流电源。
11.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第二电极具有接地的本体，所述第一分割片和所述第二分割片隔着绝缘膜支撑在所述本体上。
12.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一分割片被配置在内侧，所述第二分割片被配置在外侧。
13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一分割片和所述第二分割片被配置成同心圆状。
14.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为双极电源。
15.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。
16.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
17.一种等离子体处理装置，是电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
可保持真空气氛的腔室；
在所述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和
在所述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构，
所述等离子体生成机构具有与所述第一电极连接的高频电源，
所述第一电极支撑被处理基板，同时可从所述高频电源施加高频电力，
所述第二电极中，至少与所述第一电极相对的部分被分割成第一分割片和第二分割片，第一和第二分割片具有导体，
还具有：向所述第一分割片施加直流电压的第一可变直流电源；和
与所述第一个分割片独立、向所述第二分割片施加直流电压的第二可变直流电源。
18.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第二电极具有接地的本体，所述第一分割片和所述第二分割片隔着绝缘膜支撑在所述本体上。
19.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一分割片被配置在内侧，所述第二分割片被配置在外侧。
20.如权利要求19所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第一分割片和所述第二分割片被配置成同心圆状。
21.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为双极电源。
22.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有接通和断开各分割片的直流电压的开关。
23.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
24.一种等离子体处理装置，是电容耦合型的等离子体处理装置，其特征在于，具有：
可保持真空气氛的腔室；
在所述腔室内互相相对设置的第一和第二电极；和
在所述第一和第二电极之间形成高频电场、生成处理气体的等离子体的等离子体生成机构，
所述等离子体生成机构具有与所述第一电极连接的高频电源，
所述第一电极支撑被处理基板，同时可从所述高频电源施加高频电力，
所述第二电极中，至少与所述第一电极相对的部分被分割成至少三个以上的分割片，这些分割片具有导体、处于浮动状态或被接地，
还具有：向这些三个以上的分割片中的至少二个施加直流电压的直流电源；和
选择性地切换与所述直流电源连接的至少二个分割片的切换机构。
25.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源的一个极与特定的分割片连接，另一个极通过所述切换机构，可切换地与另外二个以上的分割片连接。
26.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述第二电极具有接地的本体，所述三个以上的分割片隔着绝缘膜支撑在所述本体上。
27.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述三个以上的分割片被配置成同心圆状。
28.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为可变直流直源。
29.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述直流电源为双极电源。
30.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有接通和断开各个分割片的直流电压的开关。
31.如权利要求24所述的等离子体处理装置，其特征在于：
还具有设在所述直流电源和所述分割片之间的低通滤波器。
32.如权利要求1～31中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述分割片被做成网眼状。
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