JP2008244274A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プロセスに実質的な影響を与えることなくフォーカスリングの消耗を効果的に抑えること。
【解決手段】サセプタ12の主面は、ウエハWと略同形状かつ略同サイズのウエハ載置部と、その外側に延在する環状の周辺部とに2分割されており、ウエハ載置部の上には半導体ウエハWが載置され、環状周辺部の上にフォーカスリング36が取り付けられる。サセプタ12上面の周辺部には、フォーカスリング36の下面と接触する環状の周辺誘電体42が設けられる。この周辺誘電体42は、サセプタ12上面のウエハ載置部に設けられるウエハ吸着用の静電チャック38の誘電体38aよりも大きな単位面積当たりの静電容量を有するように構成される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に基板を保持する電極にフォーカスリングを取り付ける容量結合型のプラズマ処理装置に関する。
枚葉式の容量結合型プラズマ処理装置は、チャンバ内でサセプタ(通常は下部電極)上の基板の被処理面に作用させるプラズマの密度の面内均一性(特に基板の半径方向の均一性)をよくするために、サセプタおよび対向電極(上部電極)を基板よりも一回り大きな径サイズに構成している。この場合、基板の半径方向外側にはみ出るサセプタ上面の周辺部分がプラズマに直接晒されると、プラズマからイオンのアタックを受けて損傷劣化してしまう。特に、プラズマエッチング装置においては、サセプタに発生する直流電圧成分または自己バイアス電圧を利用してイオンを加速させて引き込むので、イオンスパッタ効果が大きい。そこで、基板の半径方向外側にはみ出るサセプタ上面の周辺部分を覆うように環状のカバー部材いわゆるフォーカスリングを着脱可能に取り付けて、プラズマからサセプタを保護するようにしている(たとえば特許文献1参照)。
フォーカスリングの材質は、スパッタで付近に放散しても基板上のプラズマ処理に実質的な影響を与えないようなものが使用される。たとえば、酸化膜のプラズマエッチングではSi,SiC,C(カーボン)等が用いられ、ポリシリコンのプラズマエッチングではSiO2が用いられている。
特開2000−36490
プラズマ処理装置においては、上記のようにプラズマ処理が行われる度にフォーカスリングがプラズマからのイオンのアタックを受けてスパッタされ、その消耗量は経時的に増大する。このため、フォーカスリングは消耗部品・交換部品として扱われている。しかしながら、フォーカスリングは高価であり、寿命または交換サイクルが短いほど、COC(Cost Of Consumable)が低下する。
近年は、プラズマ処理で用いる高周波のパワーがプロセス性能の向上や時間短縮化等のために高くなっていることから、プラズマイオンのエネルギーが増し、フォーカスリングの消耗度が大きくなっている。特に、サセプタに2つの高周波を重畳印加して、主として高い方の高周波で高密度のプラズマを生成し、主として低い方の高周波で基板へのイオン引き込みを行う2周波重畳印加方式においては、フォーカスリングをアタックするイオンのエネルギーは一層強大であり、フォーカスリングのCOC低下が顕著である。
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、プロセスに実質的な影響を与えることなくフォーカスリングの消耗を効果的に抑えるようにしたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1のプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する第1の電極と、前記第1の電極と対向して配置される第2の電極と、前記第1の電極または前記第2の電極のいずれかに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第1の電極の主面の前記基板を載置する部分に設けられる主誘電体と、前記基板載置部よりも外側に位置する前記第1の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第1の電極に取り付けられるフォーカスリングと、前記主誘電体により前記第1の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第1の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第1の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体とを有する。
上記の構成においては、周辺誘電体が主誘電体よりも単位面積当たりの静電容量が小さく高インピーダンスであるため、第1の高周波にとっては周辺誘電体およびフォーカスリング側の伝搬経路が相対的に通り難く主誘電体および基板側の伝搬経路が相対的に通りやすくなっている。これにより、フォーカスリング上のイオンシース内に形成される電界が相対的に弱められることとなり、フォーカスリングにアタックするイオンのエネルギーが低減され、フォーカスリングの消耗が抑えられる。
本発明の好適な一態様においては、周辺誘電体が主誘電体と同一の材料で一体に形成され、周辺誘電体が主誘電体よりも大きな厚さを有する。また、好適な一構成として、周辺誘電体が中空に形成され、その中に容積可変の流動性誘電体物質が入れられる。
別の好適な一態様においては、フォーカスリングが、主誘電体の外周エッジに隣接して配置される第1の環状体と、この第1の環状体の外周面に隣接して配置される第2の環状体とを有する。この場合、好ましくは、主誘電体上に保持される基板の外周エッジと第2の環状体の内周面との間に形成される隙間が第1の環状体の上に位置するように、第1の環状体が配置される。このような2分割構造のフォーカスリングにおいて、第1の環状体と第2の環状体の消耗度が異なるときは、寿命が早く尽きた環状体を単独で新品と交換してよい。
本発明の好適な一態様においては、基板用の静電チャックを構成するために、主誘電体の中に第1の導電層が設けられ、この第1の導電層に基板に対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される。また、フォーカスリングの静電チャックを構成するために、周辺誘電体の中に第2の導電層が設けられ、この第2の導電層にフォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される。上記のような2分割構造のフォーカスリングにおいては、フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための導電体を第2の環状体と対向する位置に限定して周辺誘電体内に設けることができる。
また、本発明の好適な一態様においては、第1の伝熱ガス供給部により主誘電体と基板との間に伝熱用の不活性ガスが供給され、第2の伝熱ガス供給部により周辺誘電体とフォーカスリングとの間にも伝熱用の不活性ガスが供給される。
また、本発明の好適な一態様においては、第2の高周波給電部より第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波が第1の電極に印加される。この場合は、第1の高周波の周波数(第1の周波数)がプラズマ生成に適した周波数に選ばれ、第2の高周波の周波数(第2の周波数)がイオン引き込みに適した周波数に選ばれてよく、第1の高周波よりも第2の高周波の方で本発明の作用効果が顕著に現れる。すなわち、比較的周波数の低い第2の高周波にとっては、周辺誘電体およびフォーカスリング側のインピーダンスが一層高くなってその経路を一層通り難くなり、フォーカスリングへのイオンのアタックひいてはフォーカスリングの消耗が効果的に抑制される。
本発明の第2のプラスマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する第1の電極と、前記第1の電極と対向して配置される第2の電極と、前記第1の電極または前記第2の電極のいずれかに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第1の電極の主面の前記基板を載置する部分に設けられる主誘電体と、前記基板載置部よりも外側に位置する前記第1の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第1の電極に取り付けられるフォーカスリングと、前記フォーカスリングと接触する前記第1の電極の主面の周辺部に設けられる周辺絶縁部と、前記周辺絶縁部の静電容量を可変するための静電容量可変部とを有する。
上記の構成においては、静電容量可変部により周辺絶縁部の静電容量を可変することにより、基板上およびフォーカスリング上のイオンシース分布やプラズマ密度分布を任意に制御することができる。
本発明の第3のプラスマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する主下部電極と、前記主下部電極から電気的に絶縁して前記主下部電極の外周を囲むように環状に延びる周辺下部電極と、前記周辺下部電極の上面を覆うように取り付けられるフォーカスリングと、前記主下部電極および前記周辺下部電極と対向してその上方に配置される上部電極と、前記主下部電極と前記上部電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記主下部電極と前記周辺下部電極とに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、前記主下部電極に前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波を印加する第2の高周波給電部とを有する。
上記の構成においては、周波数が低い方の第2の高周波を主下部電極に限定して印加し周辺下部電極には印加しないようにすることで、主下部電極上の基板はプラズマからイオンを引き込み、周辺下部電極上のフォーカスリングはイオンからのアタックを抑制ないし緩和できる。一方、周波数が高い方の第2高周波は、主下部電極側の経路と周辺下部電極側の経路とに分流して処理空間へ流れ、基板上方と同等にフォーカスリング上方で処理ガスをプラズマ励起する。このように、基板上方だけでなくフォーカスリング上方でもプラズマの生成が行われることで、基板上のプラズマ密度分布特性が向上する。
本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、プロセスに実質的な影響を与えることなくフォーカスリングの消耗を効果的に抑えることができる。
以下、図1〜図15を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図1に、本発明の第1の実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、カソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ(処理容器)10を有している。チャンバ10は保安接地されている。
チャンバ10内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハWを載置する円板状のサセプタ12が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ12は、たとえばアルミニウムからなる本体またはベース12aとこのベース12aの底面に固着されている導電性のRFプレート12bとを有し、チャンバ10の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部14に支持されている。この筒状支持部14の外周に沿ってチャンバ10の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部16とチャンバ10の内壁との間に環状の排気路18が形成され、この排気路18の底に排気口20が設けられている。この排気口20には排気管22を介して排気装置24が接続されている。排気装置24は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ10内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ10の側壁には、半導体ウエハWの搬入出口を開閉するゲートバルブ26が取り付けられている。
サセプタ12には、第1および第2の高周波電源28,30がマッチングユニット32および給電棒34を介して電気的に接続されている。ここで、第1の高周波電源30は、主としてプラズマの生成に寄与する所定の周波数たとえば40MHzの第1高周波を出力する。一方、第2の高周波電源28は、主としてサセプタ12上の半導体ウエハWに対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば2MHzの第2高周波を出力する。マッチングユニット32には、第1の高周波電源30側のインピーダンスと負荷(主に電極、プラズマ、チャンバ)側のインピーダンスとの間で整合をとるための第1の整合器と、第2の高周波電源28側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第2の整合器とが収容されている。
サセプタ12は半導体ウエハWよりも一回り大きな直径または口径を有している。サセプタ12の主面つまり上面は、ウエハWと略同形状(円形)かつ略同サイズの中心領域つまりウエハ載置部と、このウエハ載置部の外側に延在する環状の周辺部とに2分割されており、ウエハ載置部の上には処理対象の半導体ウエハWが載置され、環状周辺部の上に半導体ウエハWの口径よりも僅かに大きな内径を有するフォーカスリング36が取り付けられる。このファーカスリング36は、半導体ウエハWの被エッチング材に応じて、たとえばSi,SiC,C,SiO2等の材質からなり、通常の形状を有するものでよい。
サセプタ12上面の上記ウエハ載置部には、ウエハ吸着用の静電チャック38が設けられている。この静電チャック38は、膜状または板状の誘電体38aの中にシート状またはメッシュ状の導電体38bを入れたもので、サセプタ12のベース12a上に一体形成または一体固着されており、導電体38bにはチャンバ10の外に配置される直流電源40が配線およびスイッチ42を介して電気的に接続されている。直流電源40より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハWを静電チャック38上に吸着保持することができる。
サセプタ12上面の上記周辺部には、フォーカスリング36の下面と直接接触する環状の周辺誘電体42が設けられている。この周辺誘電体42も、サセプタ12のベース12a上に一体に形成または固着されている。図示の構成例では、周辺誘電体42の中にシート状またはメッシュ状の導電体44が入っており、この導電体44も直流電源40に電気的に接続されている。直流電源40より導電体44に直流電圧を印加することによって、フォーカスリング36をクーロン力で周辺誘電体42上に吸着保持できるようになっている。このように、周辺誘電体42および導電体44は、フォーカスリング36を吸着するための周辺静電チャック45を構成している。
サセプタ12の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室46が設けられている。この冷媒室46には、チラーユニット(図示せず)より配管48,50を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック38上の半導体ウエハWの温度さらには周辺静電チャック45上のフォーカスリング36の温度を制御できる。さらに、ウエハ温度およびフォーカスリング温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部(図示せず)からの伝熱ガスたとえばHeガスが、ガス供給管52およびサセプタ12内部のガス通路54を介して主静電チャック38と半導体ウエハWとの間および周辺静電チャック45とフォーカスリング36との間に供給される。
チャンバ10の天井には、サセプタ12と平行に向かい合って接地電位の上部電極を兼ねるシャワーヘッド56が設けられている。このシャワーヘッド56は、サセプタ12と向かい合う電極板58と、この電極板58をその背後(上)から着脱可能に支持する電極支持体60とを有し、電極支持体60の内部にガス室62を設け、このガス室62からサセプタ12側に貫ける多数のガス吐出孔61を電極支持体60および電極板58に形成している。電極板58とサセプタ12との間の空間がプラズマ生成ないし処理空間となる。ガス室62の上部に設けられるガス導入口62aには、処理ガス供給部64からのガス供給管66が接続されている。なお、電極板58はたとえばSiやSiCからなり、電極支持体60はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムからなる。
このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置24、高周波電源28,30、直流電源40のスイッチ42、チラーユニット(図示せず)、伝熱ガス供給部(図示せず)および処理ガス供給部64等の個々の動作および装置全体の動作(シーケンス)は、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部(図示せず)によって制御される。
このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ26を開状態にして加工対象の半導体ウエハWをチャンバ10内に搬入して、静電チャック38の上に載置する。そして、処理ガス供給部64よりエッチングガス(一般に混合ガス)を所定の流量および流量比でチャンバ10内に導入し、排気装置24によりチャンバ10内の圧力を設定値にする。さらに、第1および第2の高周波電源30、28をオンにして第1高周波(40MHz)および第2高周波(2MHz)をそれぞれ所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット32および給電棒34を介してサセプタ12に印加する。また、スイッチ42をオンにし、静電吸着力によって、主静電チャック38と半導体ウエハWとの間の接触界面および周辺静電チャック45とフォーカスリング36との接触界面に伝熱ガス(Heガス)を閉じ込める。シャワーヘッド56より吐出されたエッチングガスは両電極12,56間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハWの主面がエッチングされる。
この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ12に40MHzというプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第1高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。それと同時に、サセプタ12に2MHzというイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第2高周波を印加することにより、サセプタ12の上方の半導体ウエハWに対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。
次に、この実施形態のプラズマエッチング装置における特徴部分の構成および作用を詳細に説明する。
図2に、サセプタ12の上面におけるフォーカスリング36周りの構造を拡大して示す。図示のように、周辺静電チャック45の誘電体42が主静電チャック38の誘電体38aよりも一段大きな厚みを有している。ここで、両誘電体42,38aの材質は同じものでも違うものでもよく、たとえばどちらもアルミナ(Al2O3)からなる。図示の構成例は、主静電チャック38上に載置される半導体ウエハWの上面とフォーカスリング36の上面とが略面一になるようにしており、主静電チャック38に対して周辺静電チャック45が一段低い位置に設けられている。溶射法によって主静電チャック38を形成する場合は、周辺静電チャック45をそれと一体的または一緒に形成することができる。
上記のような両誘電体42,38aの構造上(特に厚み)の違いから、主誘電体38aによりサセプタ12と半導体ウエハWとの間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも、周辺誘電体42によりサセプタ12とフォーカスリング36との間に与えられる単位面積当たりの静電容量の方が相対的に小さい構成となっている。したがって、第1および第2の高周波電源30、28からの高周波(40MHz,2MHz)に対して、主誘電体38aよりも周辺誘電体42の方が高いインピーダンスを与える構成となっている。特に、相対的に低い周波数の第2高周波(2MHz)に対して主誘電体38aよりも周辺誘電体42が一段高いインピーダンスを与える点が重要である。
エッチング加工が行われる時、高周波電源30,28からの第1高周波(40MHz)および第2高周波(2MHz)は、サセプタ12、両静電チャック38,45、半導体ウエハW、フォーカスリング36を通って上方へ抜け、エッチングガスをプラズマ励起する。ここで、プラズマ処理空間における電子−イオン対の発生(電離)には第1高周波(40MHz)が支配的に作用し、イオンをサセプタ12側に加速させて引き込む電界の形成には第2高周波(2MHz)が支配的に作用する。
こうして、エッチング加工中は、半導体ウエハWの上方だけでなくフォーカスリング36の上方でもプラズマが生成され、半導体ウエハWに対してだけでなくフォーカスリング36にもイオンが引き込まれる。このプラズマエッチング装置においては、上記のように周辺誘電体42が主誘電体38aよりも単位面積当たりの静電容量が小さく高インピーダンスであるため、両高周波の中でも特に周波数の低い第2高周波(2MHz)にとっては周辺誘電体42およびフォーカスリング36側の伝搬経路が相対的に通り難く主誘電体38aおよび半導体ウエハW側の伝搬経路が相対的に通りやすくなっている。これにより、フォーカスリング36上に形成されるイオンシース内の電界が相対的に弱められることとなり、フォーカスリング36にアタックするイオンのエネルギーが低減され、フォーカスリング36の消耗が抑えられる。一方で、半導体ウエハW上に形成される電界が相対的に強められることにより、エッチング加工の垂直性(異方性)が向上し、エッチングレートも向上する。また、第1高周波(40MHz)にとっても、相対的には周辺誘電体42が主誘電体38aよりも通り難くはなっているが、第2高周波(2MHz)の1/20のインピーダンスなので、それほどではない。
周辺静電チャック45は、周辺誘電体42の中に導電層44を有することによって、上記のようにクーロン力でフォーカスリング36を吸着して、冷媒ガスを介したサセプタ12とフォーカスリング36との間の熱結合を可及的に高めることができる。もっとも、図3に示すように、周辺誘電体42から導電体44を省いて、周辺誘電体42とサセプタ12あるいはフォーカスリング36との接触界面にたとえばシリコーンラバーシート等からなる伝熱シート68を挿入する構成も可能である。
上記のように、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、周辺誘電体42の厚みを大きくするほど、つまりサセプタ12とフォーカスリング36との間の静電容量を小さくするほど、フォーカスリング36への入熱を低減することができる。
図4〜図6に、サセプタ12とフォーカスリング36との間の静電容量を変えたときの本発明の効果の検証例を示す。この検証例は、図4に示すようにフォーカスリング36をサセプタ12から上に0.8mm離して(浮かして)設置した場合と、図5に示すようにフォーカスリング36をサセプタ12に密着させた場合(離間距離=0mm)とで、イオンの引き込みに支配的に作用する第2高周波(2MHz)のパワーとフォーカスリング36における入熱量との関係を測定したものであり、測定結果を図6に示す。ここで、フォーカスリング36における入熱量は温度上昇率から求めるものであり、スパッタエネルギーないしスパッタ量に比例する。なお、主静電チャック38の厚みは0.6mmである。
図6の測定データから、フォーカスリング36を全然浮かさない場合(図5)に比べて0.8mm浮かした場合(図4)は、フォーカスリング36における入熱量が約2/3に低減することが判り、このことからフォーカスリング36におけるスパッタ量が約2/3に低減することが推定され、ひいてはフォーカスリング36の寿命が約1.5倍延びることが予測できる。
なお、図4の構成例では、浮かしたフォーカスリング36を支持するために、円周方向に所定の間隔(たとえば120°間隔)を置いてフォーカスリング36とサセプタ12との間に高さ0.8mmのガラス製スペーサ(図示せず)を挿入している。
ところで、図4の構成例において、フォーカスリング36とサセプタ12との間のギャップ空間70は比誘電率1の真空である。このギャップ空間70を周辺誘電体42に置き換える場合、周辺誘電体42の比誘電率がたとえば9(アルミナ)であるとすると、周辺誘電体42の厚みを7.2mm(0.8mm×9)に選ぶと、上記ギャップ空間70と等価な静電容量が得られる。つまり、同一材質の主静電チャック38と周辺誘電体42との関係では、主静電チャック38の厚みに比して周辺誘電体42の厚みが12倍(7.2mm/0.6mm)であるときに、図4の構成例と等価な静電容量が得られる。
このように、周辺誘電体42の厚みを大きくするほど、好ましくは主静電チャック38の厚みの約10倍以上にすることで、フォーカスリング36の寿命を大きく延ばすことができる。もっとも、周辺誘電体42の厚みが大きすぎると、第1高周波(40MHz)も通り難くなって、フォーカスリング36上方のプラズマ生成が弱められ、ひいては半導体ウエハW上のプラズマ密度分布にも悪影響が出てくる。したがって、周辺誘電体42の厚みは、無制限に大きくするのもよくなく、主静電チャック38の厚みを基準にして、通常はその20倍以下に選定するのが好ましい。
次に、図7〜図13につき、この実施形態のプラズマエッチング装置における本発明の応用例を説明する。
図7の応用例は、フォーカスリング36を半径方向で内側フォーカスリング36Aと外側フォーカスリング36Bとに2分割している構成を特徴としている。より詳細には、内側フォーカスリング36Aが主静電チャック38の外周エッジに隣接して配置され、外側フォーカスリング36Bが内側フォーカスリング36Aの外周面に隣接して配置される。そして、主静電チャック38に保持される半導体ウエハWの外周エッジと外側フォーカスリング36Bの内周面との間に形成される隙間72が内側フォーカスリング36Aの上に位置するように、内側フォーカスリング36Aが配置される。さらに、内側フォーカスリング36Aと外側フォーカスリング36Bとの間の隙間74がラビリンス構造となっている。
一般に、フォーカスリングはその上面から次第に消耗していくが、特に被処理基板の外周エッジと隣接する内周側の部分が最も強くイオンスパッタされ最も早く消耗する。図7のような2分割方式においては、内側フォーカスリング36Aの方が外側フォーカスリング36Bよりも早く消耗する。ここで、両リング36A,36Bは分離可能な別体で個別に交換可能となっている。内側フォーカスリング36Aの寿命が限界に達したときは、それだけを新品と交換すればよく、外側フォーカスリング36Bはそのまま継続使用することができる。
また、内側フォーカスリング36Aと外側フォーカスリング36Bとの間の隙間74にイオンが入ってきてもラビリンスの壁にアタックするので、周辺チャック45または周辺誘電体42に達するおそれはない。
なお、周辺静電チャック45においては、上記ラビリンス構造の接触面を通じて外側フォーカスリング36Bが内側フォーカスリング36Aを下に押し付けるので、導電体44は外側フォーカスリング36Bの直下に限定して設けるだけでよい。
図8に示す応用例は、フォーカスリング36をサセプタ12に対して上方に離間可能とし、かつその高さ位置を可変調整できる構成を特徴としている。フォーカスリング36の真下でサセプタ12に鉛直方向の貫通孔72が形成され、この貫通孔72に擦動可能に通される支持棒75の先端がフォーカスリング36の下面に結合される。支持棒75の基端部は、チャンバ10の外に配置されているアクチエータ76に結合または支持されている。アクチエータ76は、支持棒75を上下に移動させてフォーカスリング36の高さ位置を任意に調整できる。貫通孔72にはOリング等のシール部材78が設けられる。図示の構成例は、フォーカスリング36を内側フォーカスリング36Aと外側フォーカスリング36Bとに2分割しており、外側フォーカスリング36Bの高さ位置を可変としている。なお、貫通孔72、支持棒75、アクチエータ76は、円周方向に所定の間隔を置いて複数個所(たとえば3箇所)に設けられる。
かかる構成においては、フォーカスリング36Bとサセプタ12との間に形成される真空ギャップ80が静電容量を与える絶縁部として働く。真空ギャップ80は、比誘電率が非常に小さいので、ギャップ幅(厚み)が小さくても、静電容量を下げる効果は大きい。さらに、主静電チャック38に吸着保持される半導体ウエハWの主面(上面)に対してフォーカスリング36Bの上面を適度に高くすることで、図9Aに示すように、半導体ウエハWおよびフォーカスリング36に沿って形成されるイオンシースのシース/バルクプラズマ境界面82を段差のない水平面に揃え、イオンシース内の電界ベクトルの向きつまりイオン引き込み方向を鉛直方向に揃えることができる。このように半導体ウエハWとフォーカスリング36Bとの境界付近でイオンの引き込みを鉛直方向に揃えることにより、半導体ウエハWのエッジ付近におけるエッチング加工の垂直性を保障するとともにウエハの周面に対するイオンアタックを効果的に抑制することができる。
因みに、図9Bに示すように、半導体ウエハWの上面とフォーカスリング36Bの上面とが略同じ高さ(面一)になっていると、両者(W,36)の境界上方でシース/バルクプラズマ境界面82に段差または傾斜が形成され、半導体ウエハWのエッジ付近に斜め上方からアタックするイオンが増加する懸念がある。
なお、イオンシースが半導体ウエハWの直上よりもフォーカスリング36Bの直上で薄いのは、上記のように本発明によりフォーカスリング36B側で高周波 の伝搬性が抑制され、電子電流が低減するためである。
図10に示す応用例は、フォーカスリング36とサセプタ12との間に設ける周辺誘電体42を中空リングに形成し、その中にたとえばガルデンあるいはフロリナート等の高誘電率を有する誘電性液体Qを容積可変に収容する構成を特徴としている。より詳細には、周辺誘電体42内の液体Qの容積を可変するために、チャンバ10の外に配置するタンク84に誘電性液体Qを貯留し、このタンク84と中空リング型周辺誘電体42とを連通管86およびベント管88で接続している。連通管86を介してタンク84内の液面と中空リング型周辺誘電体42内の液面とが同一になるので、タンク84の高さ位置を調整することで中空リング型周辺誘電体42内の液面の高さひいては誘電性液体Qの容積を可変することができる。そして、周辺誘電体42内の液体Qの容積を可変することで、周辺誘電体42全体の静電容量を可変することができる。周辺誘電体42の中、たとえばその上壁部の内部に、静電チャック用の導電体(図示せず)を設けることも可能である。
図11の応用例は、フォーカスリング36とサセプタ12との間にハード的またはメカニカルに静電容量を可変するための機構を設けている。より詳細には、サセプタ12主面の外周部に環状の凹所90を形成するとともに、この凹所90の上にギャップ92を隔てて環状の導体94を配置し、この導体94の上に周辺誘電体42とフォーカスリング36を積み重ねている。そして、環状の凹所90および環状導体94の(半径方向)外側に環状または円弧状の可変容量結合部材96を上下に変位可能に配置する。可変容量結合部材96の高さ位置を調整することで、この部材96と環状導体94との間の対向面積ひいては静電容量を可変し、ひいてはサセプタ12の凹所90とフォーカスリング36との間の静電容量を可変することができる。
上記のような容積可変の誘電性液体Qあるいはハード的な可変容量結合部材96を用いる静電容量可変機構に代えて、図示省略するが、一般の可変コンデンサをサセプタ12とフォーカスリング36との間に電気的に接続する構成も可能である。
上記のような静電容量可変機構あるいは可変コンデンサを用いてフォーカスリング36とサセプタ12間の静電容量を可変することにより、半導体ウエハW上およびフォーカスリング36上のイオンシース分布やプラズマ密度分布を任意に制御することができる。
図12および図13に、サセプタ構造に係る応用例を示す。これらの応用例は、サセプタ12を、主静電チャック38と略同じ口径を有する円板状の主サセプタ12Aと、この主サセプタ12Aから電気的に絶縁して主サセプタ12Aの外周を囲むように環状に延びる周辺サセプタ12Bとに2分割している構成を特徴とする。図12は、RFプレート12b上に周辺サセプタ12B、周辺静電チャック45または周辺誘電体42、フォーカスリング36を重ねる構成としている。図13は、RFプレート12bと周辺サセプタ12Bとの間に環状の周辺誘電体100を挟んでいる。この場合、下部周辺誘電体100の静電容量と上部周辺誘電体42の静電容量とが電気的に直列に接続され、その直列コンデンサ回路の合成容量が全体の静電容量となる。
図12または図13のサセプタ構造は図14および図15の応用例にも利用できる。この応用例は、下部2周波重畳印加方式において、高い方の第1高周波(40MHz)を主サセプタ12Aと周辺サセプタ12Bとに印加し、低い方の第2高周波(2MHz)を主サセプタ12Aだけに印加することを特徴としている。より詳細には、図14の構成においては、第1高周波電源30の出力が上記マッチングユニット32を介して主サセプタ12Aに印加されるとともに、整合器102を介して周辺サセプタ12Bに印加される。ここで、整合器102は、第1高周波電源30側のインピーダンスと負荷(周辺サセプタ12B、周辺静電チャック45、フォーカスリング36、ブラズマ、チャンバ10等)側のインピーダンスとを整合するように働く。また、図15の構成においては、マッチングユニット32の出力端子が、主サセプタ12Aに電気的に接続されるとともに、フィルタ104を介して周辺サセプタ12Bにも電気的に接続される。フィルタ104は、第2高周波(2MHz)を遮断して第1高周波(40MHz)を通すハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタでよい。周辺誘電体42の厚さはそれほど大きくなくてもよく、極端には主静電チャック38の誘電体38aと同等の厚さでもよい。
このように、第2高周波(2MHz)を主サセプタ12Aに限定して印加し、周辺サセプタ12Bに印加しない構成においては、イオン引き込みに作用する強い電界を主サセプタ12A上に限定して形成し、周辺サセプタ12B上には実質的に形成しないようにすることができる。これによって、半導体ウエハWではプラズマからイオンを引き込んで異方性エッチングを行い、フォーカスリング36ではイオンからのアタックを著しく抑制ないし緩和することができる。
一方、第1高周波(40MHz)は、主サセプタ12A側の経路と周辺サセプタ12B側の経路とを分流して処理空間へ流れ、半導体ウエハW上方と同等にフォーカスリング36上方でもエッチングガスをプラズマ励起する。このように、半導体ウエハW上方だけでなくフォーカスリング36上方でもプラズマの生成が良好に行われるので、半導体ウエハW上のプラズマ密度分布特性を向上させることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
たとえば、上記した実施形態のプラズマエッチング装置は、サセプタ12に第1高周波(40MHz)と第2高周波(2MHz)とを重畳して印加する下部2周波重畳印加方式を採っている。上記実施形態で使用した第1および第2の高周波のそれぞれの周波数は一例であり、プロセスに応じて任意の周波数を使用できる。通常、プラズマの生成に主として寄与する第1高周波の周波数は13.5MHz以上の値に選ばれ、基板へのイオン引き込みや上部電極へのイオン引き込みに主として寄与する第2高周波の周波数は13.56MHz以下の値に選ばれてよい。また、本発明は、下部2周波重畳印加方式に限定されず、サセプタ12に適当な周波数を有する1つの高周波のみ印加する下部1周波印加方式、サセプタ12と上部電極56とに異なる周波数の高周波を別々に印加する上部/下部2周波印加方式などにも適用可能である。
本発明は、プラズマエッチングに限定されず、プラズマCVD、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、CD基板、プリント基板等も可能である。
本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態の要部(サセプタ上面におけるフォーカスリング回りの構造)を拡大して示す部分拡大断面図である。 実施形態の要部の一変形例を示す部分拡大断面図である。 本発明の効果を検証するために用いた一モデルの要部の構成を示す部分拡大断面図である。 本発明の効果を検証するために用いた別のモデルの要部の構成を示す部分拡大断面図である。 検証結果として高周波パワーとフォーカスリング入熱量との関係を示すグラフである。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 図8の構成の作用を説明するための部分拡大断面図である。 図8の構成の作用を説明するための部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。
符号の説明
10 チャンバ(処理容器)
12 サセプタ(下部電極)
12a サセプタ本体(ベース)
12b RFプレート
12A 主サセプタ
12B 周辺サセプタ
24 排気装置
28 第2の高周波電源
30 第1の高周波電源
32 マッチングユニット
36 フォーカスリング
36A 内側フォーカスリング
36B 外側フォーカスリング
38 主静電チャック
38a 主誘電体
38b 導電体
40 直流電源
42 周辺誘電体
44 導電体
45 周辺静電チャック
54 伝熱ガス通路
75 支持棒
76 アクチタエータ
84 タンク
96 可変容量結合部材
102 整合器
104 フィルタ

Claims (17)

  1. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する第1の電極と、
    前記第1の電極と対向して配置される第2の電極と、
    前記第1の電極または前記第2の電極のいずれかに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、
    前記第1の電極と前記第2の電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記第1の電極の主面の前記基板を載置する部分に設けられる主誘電体と、
    前記基板載置部よりも外側に位置する前記第1の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第1の電極に取り付けられるフォーカスリングと、
    前記主誘電体により前記第1の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第1の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第1の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体と
    を有するプラスマ処理装置。
  2. 前記主誘電体の中に第1の導電体が設けられ、前記第1の導電体に前記基板に対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される請求項1に記載のプラスマ処理装置。
  3. 前記主誘電体と前記基板との間に伝熱用の不活性ガスを供給するための第1の伝熱ガス供給部を有する請求項2に記載のプラスマ処理装置。
  4. 前記周辺誘電体の中に第2の導電層が設けられ、前記第2の導電層に前記フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  5. 前記周辺誘電体と前記フォーカスリングとの間に伝熱用の不活性ガスを供給するための第2の伝熱ガス供給部を有する請求項4に記載のプラスマ処理装置。
  6. 前記周辺誘電体が、中空に形成され、その中に容積可変の流動性誘電体物質を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  7. 前記周辺誘電体が前記主誘電体と同一の材料で形成される請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  8. 前記周辺誘電体が前記主誘電体よりも大きな厚さを有する請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  9. 前記周辺誘電体が前記主誘電体と一体的に形成される請求項1〜8のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  10. 前記フォーカスリングが、前記主誘電体の外周エッジに隣接して配置される第1の環状体と、前記第1の環状体の外周面に隣接して配置される第2の環状体とを有する請求項1〜9のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  11. 前記主誘電体上に保持される前記基板の外周エッジと前記第2の環状体の内周面との間に形成される隙間が前記第1の環状体の上に位置するように、前記第1の環状体が配置される請求項10に記載のプラスマ処理装置。
  12. 前記フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための第2の導電体が前記第2の環状体と対向する位置に限定して前記周辺誘電体の中に設けられる請求項10または請求項11に記載のプラスマ処理装置。
  13. 前記第1の電極に前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波を印加する第2の高周波給電部を有する請求項1〜12のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  14. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する第1の電極と、
    前記第1の電極と対向して配置される第2の電極と、
    前記第1の電極または前記第2の電極のいずれかに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、
    前記第1の電極と前記第2の電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記第1の電極の主面の前記基板を載置する部分に設けられる主誘電体と、
    前記基板載置部よりも外側に位置する前記第1の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第1の電極に取り付けられるフォーカスリングと、
    前記フォーカスリングと接触する前記第1の電極の主面の周辺部に設けられる周辺絶縁部と、
    前記周辺絶縁部の静電容量を可変するための静電容量可変部と
    を有するプラスマ処理装置。
  15. 前記静電容量可変部が可変コンデンサを有する請求項14に記載のプラスマ処理装置。
  16. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する主下部電極と、
    前記主下部電極から電気的に絶縁して前記主下部電極の外周を囲むように環状に延びる周辺下部電極と、
    前記周辺下部電極の上面を覆うように取り付けられるフォーカスリングと、
    前記主下部電極および前記周辺下部電極と対向してその上方に配置される上部電極と、
    前記主下部電極と前記上部電極との間に設定される処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記主下部電極と前記周辺下部電極とに第1の周波数を有する第1の高周波を印加する第1の高周波給電部と、
    前記主下部電極に前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する第2の高周波を印加する第2の高周波給電部と
    を有するプラスマ処理装置。
  17. 前記主下部電極の上面に設けられる主誘電体と、前記周辺部電極の上面に設けられる周辺誘電体とを有する請求項16に記載のプラスマ処理装置。
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