JP5238114B2

JP5238114B2 - 電極アッセンブリ

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Publication number: JP5238114B2
Application number: JP2001550777A
Authority: JP
Inventors: ハオ・ファングリ; エリングボエ・アルバート・アール．; レンズ・エリック・エイチ．
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: CN1252792C; JP2012186497A; KR20020063278A; KR100743875B1; CN1437759A; US6363882B1; US20020059981A1; AU2593401A; MY139877A; TW480531B; MY126731A; EP1249033A1; CN1822317A; JP5921952B2; CN100385620C; WO2001050497A1; US7524397B2; JP2003519907A

Description

発明の背景

本発明は、ＩＣの製造や、フラットパネルディスプレイに用いるパネル（例えば、ガラス、プラスチックなど）に使用する半導体基板のような基板を処理するための装置および方法に関する。特に、本発明は、基板表面の全体にわたって高度な処理均一性を保ちつつ基板処理を行うことができる方法および装置に関する。

長年にわたって、誘導結合プラズマ発生源、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）発生源、容量性の発生源などを用いるプラズマ処理システムが、程度の差こそあれ、半導体基板やディスプレイパネルの処理に導入され、用いられてきた。これらの製品の製造においては、複数の蒸着および／またはエッチングの工程を用いることができる。蒸着工程では、（ガラスパネルもしくはウエハの表面などの）基板表面に材料を蒸着する。例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンなど様々な形態の蒸着層を、基板の表面に形成することができる。エッチング工程では、基板表面の所定の領域から選択的に材料を除去する。例えば、ビア、コンタクト、トレンチなどのエッチング形状を、基板の層に形成することができる。

図１によると、従来のプラズマ処理システム１０が示されている。基板を処理するために、処理チャンバ１６内部の基板台１４に基板１２が設置され、処理チャンバ１６内にプロセスガスが供給される。さらに、処理チャンバ１６内でプラズマ１８を点火するために、プロセスガスにエネルギが供給される。プラズマが点火されると、追加のエネルギによってプラズマが維持される。そのエネルギは、様々な周知の方法（例えば、静電結合、誘導結合、マイクロ波など）で、プラズマに結合される。次いで、プラズマは、例えば、基板１２の薄膜のエッチングや蒸着などの処理に用いられる。ほとんどの場合、基板表面付近にシース電圧（電位）２０が形成され、基板１２に向かってプラズマのイオンを加速させる。基板において、イオンは、あるいは他の反応物質と共に、処理反応を活性化する。シース電圧は、基板台１４とプラズマ１８との間の電位に関係する。

しかしながら、残念なことに、基板台１４とプラズマ１８との間の電気的結合は、不均一である傾向があり、その結果として、基板１２の表面にわたって処理結果にばらつきが生じる。特に、基板中央部の処理と、基板縁部の処理との間に違いが生じる傾向があるため、中央部の歩留まりと縁部の歩留まりとに差が生じる。したがって、基板の縁部は一般に、ＩＣの製造に用いられず、すなわち、その結果として、製造業者のコストが高くなっている。さらに、より大きい基板が求められてきたことにより、基板の縁部における処理の均一性を改善することがますます重要になっている。

以上の点から、基板の表面における処理の均一性を向上させるための方法および装置の改良が望まれている。

本発明は、一実施形態においては、基板を処理するためのプラズマ処理システムに関する。プラズマ処理システムは、処理チャンバを備え、処理チャンバ内では、処理のためにプラズマが点火および維持される。処理チャンバは、上端と下端とを有する。プラズマ処理システムは、さらに、処理チャンバの下端に配置された電極を備える。電極は、処理チャンバ内に電界を発生させるよう構成されている。プラズマ処理チャンバは、さらに、電極とプラズマとの間のインピーダンスを制御するための要素を備えている。インピーダンスは、電界に影響を与えることにより、基板の表面にわたって処理の均一性を改善するよう構成されている。

本発明は、別の実施形態においては、基板を処理するためのプラズマ処理システムに関する。プラズマ処理システムは、処理チャンバを備え、処理チャンバ内では、処理のためにプラズマが点火および維持される。プラズマ処理システムは、さらに、処理チャンバの内部に配置された電極を備える。電極は、プラズマと電極との間に電界を発生させるよう構成されている。プラズマ処理システムは、さらに、電極の上方に配置されたチャックを備える。チャックは、処理中に基板を保持するよう構成されている。電界は、チャックの領域における電極とプラズマとの間の第１のインピーダンスを有する。プラズマ処理システムは、さらに、電極の上方にチャックに近接して配置されたエッジリングを備える。エッジリングは、少なくとも電極をプラズマから保護するよう構成されている。プラズマ処理システムは、さらに、エッジリングと電極との間に配置されたインピーダンスマッチング層を備える。インピーダンスマッチング層は、エッジリングの領域における電極とプラズマとの間の第２のインピーダンスを制御するよう構成されている。第２のインピーダンスは、処理のために基板をチャックに配置した際に基板の表面におけるプラズマと電極との間の電界が実質的に均一になるように、第１のインピーダンスと実質的に等しくなるよう構成されている。

本発明は、別の実施形態においては、プラズマで基板を処理するための基板台に関する。基板台は、基板の上方に電界を発生させるための電極を備える。電極は、基板の外周よりも大きい外周を有する。基板台は、さらに、処理中に基板を保持するためのチャックを備える。チャックは、電極の上面に配置されている。基板台は、さらに、電極とチャックをプラズマから保護するためのエッジリングを備える。エッジリングは、電極の上方に配置されている。エッジリングは、第１の部分と第２の部分とを有する。第１の部分は、処理のために基板がチャックによって保持された際に、基板の縁を取り囲むよう構成されている。第２の部分は、処理中に第２の部分が電極と基板との間に配置された際に、チャックの縁を取り囲むよう構成されている。基板台は、さらに、エッジリングと電極との間に配置されたインピーダンスマッチング層を備える。インピーダンスマッチング層は、チャック、エッジリング、および基板を通して、電界のインピーダンスを制御するよう構成されている。インピーダンスは、電界に影響を与えることにより、基板の表面にわたって処理の均一性を改善するよう構成されている。

基板を処理するにあたって、工程技師が改善に努める最も重要なパラメータのひとつは、処理の均一性である。本明細書においては、処理の均一性という用語は、基板の表面にわたる処理全体の均一性を意味する。例えば、処理が非常に均一である場合には、基板上の異なる位置での処理速度が実質的に等しくなる傾向がある。この場合には、基板の一領域が過度に処理され、他の領域が十分に処理されないという事態は起こりにくい。

したがって、本発明は、基板を処理するための改良方法および装置に関する。特に、本発明は、基板表面にわたって高度な処理均一性を実現可能な基板台に関する。基板台は、基板の縁部の付近で通例見られる電気的および熱的な不連続性を低減するよう構成されている。これらの不連続性を低減することにより、基板の中央部と縁部との間に見られる処理のばらつきがかなり低減される。結果として、より多くの基板をＩＣの製造に使用できるようになるため、素子の歩留まりが増大される。

本発明の実施形態については、図２〜４を参照して以下で説明する。しかしながら、本発明は、これらの限定された実施形態に縛られることはなく、当業者は、これらの図面に関連して本明細書でなされた詳細な説明が、例示的なものであることを容易に理解するだろう。

好ましい実施形態において、本発明は、カリフォルニア州フリモント市所在のラムリサーチ・コーポレーションから入手可能な静電結合プラズマリアクタのようなプラズマリアクタで実施される。静電結合プラズマリアクタについて図示および説明しているが、本発明は、誘導結合もしくはＥＣＲリアクタなど、プラズマの形成に適した任意のプラズマで実施可能であることに注意すべきである。

図２は、本発明の一実施形態に従ったプラズマリアクタ１００を示す。プラズマ処理リアクタ１００は、一般に、処理チャンバ１０２を備え、処理チャンバ１０２内では、処理のためにプラズマ１０３が点火（生成）および維持される。チャンバ１０２内には、一般に、上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４は、マッチング回路（簡単のため図示せず）を介して第１のＲＦ電源１０６に接続することができる。第１のＲＦ電源１０６は、一般に、ＲＦエネルギによって上部電極１０４に電力供給するよう構成されている。ガス状のソース材料（例えば、エッチャントソースガス）を、上部電極１０４と基板１１０との間の活性領域に放出するために、ガス吸気口１０８が、上部電極１０４内に設けられている。ガス状のソース材料は、チャンバ自体の壁に設けられたポートから放出されてもよい。

基板１１０は、チャンバ１０２に導入され、基板台１１２に配置される。基板台１１２は、チャックおよび下部電極として機能する。基板台１１２は、一般にＲＦエネルギによって基板台１１２に電力供給するよう構成されている第２のＲＦ電源１１４によって（通例は、マッチング回路を介して）バイアスをかけられることが好ましい。基板台１１２のチャック部分は、例えば、静電力によってチャックの表面に基板１１０を固定するＥＳＣ（静電）チャックでよい。しかしながら、機械式のチャックを用いてもよいことを理解すべきである。基板台１１２に関しては、以下で詳細に説明する。さらに、基板１１０は、処理を施される対象物であり、例えば、エッチング、蒸着、もしくはその他の処理を施される半導体基板や、フラットパネルディスプレイに加工されるガラス板などでよい。また、処理中に形成される副生成ガスを排気するための排気ポート１１６は、一般に、処理チャンバ１０２のチャンバ壁とチャック１１２との間に配置される。ほとんどの実施形態では、排気ポート１１６は、処理チャンバ１０２内の圧力を適切に維持するためのポンプ（図示せず）に接続されている。さらに、基板１１０上方のプラズマ１０３を閉じ込めるために、閉じ込めリング１２０が、処理チャンバ１０２内部の上部電極１０４と基板台１１２との間に配置されてもよい。

基板台１１２をＲＦ電源１１４に接続するものとして図示および説明しているが、異なる処理チャンバに対応するため、もしくは、エネルギの結合に必要なほかの外部要因に適合するために、他の構成を用いてもよいことが理解されるだろう。例えば、いくつかの単一周波数プラズマリアクタでは、基板台をアースに接続してもよい。

プラズマ１０３を生成するために、ガス吸気口１０８を通して処理チャンバ１０２にプロセスガスが送り込まれる。次いで、ＲＦ電源の一方もしくは両方に電圧が加えられると、強い電界が、一方もしくは両方の電極１０４、１１２を介して処理チャンバ内に結合される。電界は、チャンバ１０２内にある少数の電子を励起し、プロセスガスのガス分子と衝突させる。その結果、ガス分子は、電子を失い、正イオンとなる。自由電子の発生率が消失率を上回るとすぐに、プラズマが点火する。次いで、プラズマ１０３は、例えば、基板１１０の薄膜のエッチングや蒸着などの処理に用いられる。ほとんどの場合、基板表面１２２付近にシース電圧１２１が形成され、基板１１０に向かってプラズマ１０３のイオンを加速させる。基板１１０において、イオンは、あるいは他の反応物質と共に、処理反応を活性化する。

プラズマリアクタ１００について詳細に説明したが、本発明自体は、どの種類の基板処理装置にも限定されず、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、およびスパッタリングなどの物理蒸着（ＰＶＤ）を含む蒸着処理に適合した処理装置を含み、それらに限定されない周知の基板処理システムのいずれにおいても使用可能であることに注意すべきである。さらに、本発明は、ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、マグネトロン型反応イオンエッチング、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）などに適合した処理を含む数多くの適切な周知のエッチング処理で用いることができる。さらにまた、本発明は、上述のリアクタはもちろん、その他の適切なプラズマ処理リアクタでも実施できるよう意図されている。プラズマへのエネルギが、直流プラズマ発生源、静電結合平行電極板、ＥＣＲマイクロ波プラズマ発生源、またはヘリコン、ヘリカル共振器、ＲＦアンテナ（平板型もしくは非平板型）などの誘導結合ＲＦ発生源のいずれを通して供給されるかに関わらず、上述のことが当てはまることはいうまでもない。

本発明の一態様によると、基板表面にわたって高度な処理均一性を実現可能な均一基板台が提供される。特に、均一基板台は、均一な電界を生成するよう構成されている。図３は、本発明の一実施形態に従った均一基板台１３０を示す。均一基板台１３０はそれぞれ、図２に示された基板台１１２に一致してもよい。

均一基板台１３０は、一般に、電極１５２と、チャック１５４と、エッジリング１５６と、インピーダンスマッチング層１５８とを備える。電極１５２は、チャック１５４と、エッジリング１５６と、インピーダンスマッチング層１５８と、基板１６０とを通してエネルギを結合するのに十分な強さの電界を生成するよう構成されている。例えば、電極１５２によって発せられたエネルギは、基板の表面とプラズマとの間にシース電圧を形成するよう構成されてもよい。シース電圧は、プラズマ内のイオンを基板の方向へ加速させるために用いられる。結合されるエネルギの量は、一般に、基板の処理に用いられるプラズマの密度とエネルギに影響を与える。例えば、結合されたエネルギが大きい場合には、イオンのエネルギが高くなる傾向があり、結合されたエネルギが小さい場合には、イオンのエネルギが低くなる傾向がある。これに対応して、高いイオンエネルギは、基板の処理にあたって比較的活動性が高い傾向を持ち、低いイオンエネルギは、基板の処理にあたって比較的活動性が低い傾向を持つ。

さらに、電極１５２の上面は、エネルギの分布を均一にするために、実質的に均一、かつ、実質的に基板１６０に平行であるように構成されている。加えて、電極１５２は、一般に、アルミニウムのような適切な導電性の材料から形成される。電極１５２の外周は、少なくとも基板１６０の外縁よりも外に伸びるよう構成されている。しかしながら、一般には、電界が、その領域で失われる電力の量によって、基板１６０の縁部をはるかに超えて広がらないように気を付けることに注意すべきである。一実施形態では、電極１５２は、基板１６０の縁部を２ｍｍ超えてエネルギに結合するよう構成されている。基板の縁部を超えて電極を構成する１つの利点は、基板の縁部における電気的特性が、より均一になることである。すなわち、エネルギの結合は、基板の縁部付近でより均一になり、その結果、処理は、基板の表面にわたってより均一な傾向を持つようになる。

チャック１５４は、電極１５２の上面に結合されており、基板１６０が処理のために均一基板台１３０に設置された際に、基板１６０の裏面を受けるよう構成されたセラミック層（例えば、Ａｌ₃Ｏ₂）を備える。一般に、チャック１５４は、実質的に基板１６０と平行である。チャック１５４は、例えば、静電力によってチャック表面に基板１６０を固定するＥＳＣ（静電）チャックでよい。均一基板台１３０に用いることのできるＥＳＣチャック構成の例は、Kubly et al.の米国特許５，７９３，１９２号に詳細が記載されている。これは、参照により本明細書に組み込まれる。ほとんどの実施形態では、基板１６０が処理のために均一基板台に設置された際に、チャック１５４が基板１６０によって完全に覆われるように、チャック１５４の外周は基板１６０の外周よりも小さい。一実施例では、チャック１５４の外縁は、基板１６０の外縁から約２ｍｍの位置で終わっている。あるいは、チャック１５４の外周は、基板１６０の外周よりも外に伸びるよう構成されてもよい。

ある種のプラズマリアクタ（例えば、ハイパワーのリアクタ）では、基板１６０に隣接する表面が、プラズマによる損耗、すなわち、イオン衝撃、によって破壊されることがあり、それ故、エッジリング１５６が、電極の上方に配置され、電極１５２とチャック１５４とをプラズマ１０３から保護するよう構成される。ほとんどの実施形態では、エッジリング１５６は、過度に損耗すると交換される消耗品であるよう構成される。電極１５２とチャック１５４とを効果的に保護するために、エッジリング１５４は通常、基板１６０の外縁を取り囲む第１の部分１６２と、チャック１５４の外縁を取り囲む第２の部分とを有する。第２の部分１６４は通常、チャック１５４の外縁に近接し、電極１５２と基板１６０との間に配置される。図示されているように、第２の部分１６４は、基板１６０が処理のために均一チャック１３０に配置された際に、基板１６０によって覆われる。一実施例では、エッジリングの第２の部分は、約２ｍｍだけ基板の下に伸びている。

さらに、エッジリング１５６の外縁は、少なくとも電極１５２の外縁よりも外に伸びるよう構成されている。しかしながら、一般に、基板１６０の処理に必要な電力を低減するために、エッジリング１５６の（下面を横切って計測される）長さは、小さく保つことが好ましい。例えば、２ｍｍから約１５ｍｍの間の長さが好ましい。伸ばされた電極と同様に、エッジリングが、基板の縁部を超えて伸びる結合領域を提供し、それによって、基板全体にわたる電気的特性が、より均一になるという利点がある。さらにまた、エッジリング１５６の上面（例えば、第１の部分１６２）は、チャックとエッジリングとの組み合わせにより、処理のために基板を受け入れるための凹型の部分が形成されるように、基板の上面よりもやや低いか、同じ高さに構成されている。しかしながら、エッジリングの上面の高さは、各プラズマ処理システムの設計によって変化してもよい（例えば、基板よりも上に伸びてもよいし、傾斜していてもよい）ことに注意すべきである。

さらに、エッジリング１５６は、電気的に浮動していてもよいし、電気的にＤＣアース（すなわち、ＲＦアースの必要はない）に結合されていてもよい。加えて、エッジリングは、一般に、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、石英などの適切な誘電材料から形成される。例えば、シリコン、特に、単結晶シリコンから形成されたエッジリングが好ましい。

基板台１３０は、さらに、エッジリング１５６と電極１５２との間に配置されたインピーダンスマッチング層１５８を備える。インピーダンスマッチング層１５８は、電極１５２によって基板表面全体にわたって生成される電界のインピーダンスを制御するよう構成されることが好ましい。より詳細には、インピーダンスマッチング層１５８は、基板１６０の縁部付近に生成される電界のインピーダンスを変化させるよう構成されることが好ましい。インピーダンスを変化させることにより、より均一なエネルギの結合が基板表面にわたって実現される。その結果、基板の中央部における処理速度が、基板の縁部における処理速度と実質的に等しくなるような処理の均一性を実現できる。したがって、基板の縁部をＩＣの形成に用いることができるようになり、歩留まりが増大する。いくつかの場合では、本発明により、基板の最後の３ｍｍを用いることが可能となる。

図３に示されているように、インピーダンスマッチング層１５８は、エッジリング１５６と電極１５２との間に挟まれている。一実施形態では、インピーダンスマッチング層１５８は、電極１５２の上面に結合されている。別の実施形態では、インピーダンスマッチング層１５８は、エッジリング１５６の下面に結合されている。いずれの実施形態においても、インピーダンスマッチング層１５８と、対応する表面との結合は、任意の適切な方法で行えばよい。しかしながら、好ましい実施形態では、インピーダンスマッチング層は、対応する表面（例えば、エッジリングもしくは電極）に接合されており、より良好な熱的および電気的な接合が実現されている。例えば、シリコンエラストマのような接合処理が好ましい。

さらに、電極とプラズマとの間のインピーダンスを効果的に制御するためには、用いられる材料の厚さと種類が重要な要素となる。一般に、インピーダンスマッチング層の厚さは、約０．１０ｍｍから約１０ｍｍでよく、インピーダンスマッチング層は、誘電性の半導体もしくは導電性の材料のような適切な材料から形成されてよい。例えば、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、石英、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、酸化アルミニウムのようなアルミニウムセラミックなどの材料が好ましい。

電極とプラズマとの間のインピーダンスを効果的に制御するためには、インピーダンスマッチング層の長さ（もしくは被覆量）も重要な要素である。一実施形態では、インピーダンスマッチング層の長さは、（例えば、エッジリングの下面を横切る）エッジリングの長さと等しい。別の実施形態では、インピーダンスマッチング層の長さは、エッジリングの長さよりも小さい。この実施形態では、その小さいインピーダンスマッチング層は、エッジリングの内周もしくはエッジリングの外周に向かって配置されてもよいし、エッジリングの中央に配置されてもよい。例えば、インピーダンスマッチング層は、基板の領域においてのみエッジリングと電極との間に配置されるよう構成されてもよい。

エネルギの結合を達成できる程度は通常、プラズマと電極との間の単位面積あたりの全インピーダンスの因子である。当業者に周知のとおり、インピーダンスは、一般に、回路を通る電荷または電流の流れに対する抵抗の計測値として定義される。基板全体にわたってインピーダンスの高い領域と低い領域とを有する基板においては、基板全体にわたって与えられた電力に対して、基板の低インピーダンス領域では、結合されるエネルギが高く、基板の高インピーダンス領域では、結合されるエネルギが低いと、一般に考えられている。したがって、エネルギの均一な結合は、均一基板台のインピーダンスに大きく依存する。

一般に、単位面積あたりの全インピーダンスは、基板の単位面積あたりのインピーダンスと、チャックの単位面積あたりのインピーダンスと、エッジリングの単位面積あたりのインピーダンスと、インピーダンスマッチング層の単位面積あたりのインピーダンスと、それらの間に見られるすべての隙間または境界部分の単位面積あたりのインピーダンスとの関数である。しかし、残念ながら、基板の中央部においてチャックおよび基板によって生み出されるインピーダンスは通常、基板の縁部においてチャック、エッジリング、および基板によって生み出されるインピーダンスとは異なる。何故なら、基板の縁部における前述の部品の間に空隙と境界が存在し、チャックとエッジリングの材料が異なるからである。その結果、基板の縁部におけるエネルギの結合は、一般に、基板の中央部におけるエネルギの結合とは異なる（例えば、不均一）。

好ましい実施形態では、インピーダンスマッチング層は、基板の縁部におけるインピーダンスが基板の中央部におけるインピーダンスと等しくなるように、基板の縁部におけるインピーダンス（例えば、シース電圧）を調整するよう構成されている。このように、基板の表面にわたるエネルギの結合を、より均一にすることによって、処理の均一性を実現できる。

一実施例では、所望の結合の効果を実現するために、エッジリングの厚さとインピーダンスマッチング層の厚さが最適化されている。例えば、エッジリングの厚さの減少／増加と、インピーダンスマッチング層の厚さの増加／減少によって、基板のエッジにおけるインピーダンスを減少／増加させることが可能である。別の実施例では、基板の縁部におけるインピーダンスを基板の中央部におけるインピーダンスに合わせるために、インピーダンスマッチング層の材料の特性（例えば、誘電率）を調整してもよい。例えば、誘電率の値の減少／増加によって、基板の縁部におけるインピーダンスを減少／増加させることが可能である。また別の実施例では、所望の結合の効果を実現するために、インピーダンスマッチング層の長さと位置を最適化してもよい。例えば、インピーダンスマッチング層の長さの減少／増加によって、基板の縁部におけるインピーダンスを減少／増加させることが可能である。さらに、エッジリングの縁部に対してのインピーダンスマッチング層の位置によっても、基板の縁部におけるインピーダンスを減少／増加させることが可能である。

したがって、基板の縁部におけるインピーダンスを基板の中央部におけるインピーダンスに合わせるために、インピーダンスマッチング層の厚さおよびエッジリングの厚さと、インピーダンスマッチング層の材料の特性と、インピーダンスマッチング層の長さおよび位置とを用いることができる。

ある特定の実施形態では、エッジリングの第２の部分（例えば、基板の下に伸びる部分）の厚さは約１ｍｍであり、インピーダンスマッチング層の厚さは約１ｍｍである。さらに、エッジリングは、チャックのセラミック層と同じ誘電率を持ち、インピーダンスマッチング層は、エッジリングの誘電率よりも大きい誘電率を持つ。この例では、チャックのセラミック部分の縁部に存在する（例えば、インピーダンスが増加された）エポキシを補償するために、誘電率がより大きくなっている。エポキシは、一般に、局所的な電界（例えば、アーク放電）からチャックを保護するために用いられる。

基板台は、均一な電界を生成するものとして図示および説明されているが、基板台は、不均一な電界を生成して、不均一なプラズマ密度のような他の処理の不均一性を補償するよう構成されてもよいことがわかるだろう。上述のように、インピーダンスの量は、一般に、結合されるエネルギの量に影響を与え、結合されるエネルギの量は、一般に、基板の処理に用いられるプラズマの密度およびエネルギに影響を与える。したがって、システム全体の処理の均一性は、電極によって生成される電界にばらつきを引き起こすことのできる基板台を意図的に設計することにより改善可能である。ある特定の実施形態では、インピーダンスマッチング層は、基板台のインピーダンスを変化させることにより基板の表面にわたって電界のばらつきを与えるよう構成されている。

電気的な結合に加えて、電極とエッジリングとの間の熱的接触はもちろん、基板とチャックとの間の熱的接触も、一般に、処理中に発生する熱を分散するには不適当である。当業者に周知のとおり、基板の処理（例えば、イオンの衝突）により、基板と、基板に近接する表面との温度が上昇する傾向がある。温度が上昇すると、局所的な温度差が、表面全体にわたって形成され、それによって、ウエハの面積やガスの流速にばらつきが生じる。その結果、これらのばらつきにより、局所的にプラズマの密度が高い領域と低い領域が生じて、処理の均一性（例えば、処理速度）に影響を与える。さらに、基板の温度が、許容不可能なレベルまで上昇することもある。

したがって、本発明の別の実施形態によると、処理中に基板およびエッジリングの温度を制御するために、熱伝達システムが設けられている。熱伝達システムは、一般に、熱媒体を基板／チャックの境界およびエッジリング／電極の境界に分配するよう構成されている。

この実施形態の議論を容易にするために、図４は、均一基板台１３０内部に配置された熱伝達システム２００を示している。上述のように、均一基板台１３０は、基板１６０を支持するよう構成され、一般に、電極１５２と、チャック１５４と、エッジリング１５６と、インピーダンスマッチング層１５８とを備える。熱伝達システム２００は、一般に、複数のチャック伝達路２０４および複数のエッジリング伝達路２０６に熱媒体を分配するための主伝達路２０２を備える。チャック伝達路２０４は、チャック１５４と基板１６０の背面との間の第１の隙間２０８に熱媒体を分配するよう構成されている。エッジリング伝達路２０６は、電極１５２とエッジリング１５６の背面との間の第２の隙間２１０に熱媒体を分配するよう構成されている。

一実施形態では、熱伝達システムに（例えば、一実施形態では約２０Ｔｏｒｒで）加圧してヘリウム冷却ガスを送り込み、処理中の基板およびエッジリングの温度を正確に制御するための熱媒体として働かせ、均一かつ反復可能な処理結果を実現する。別の実施形態では、エッジリング１５６は、第２の隙間における熱媒体の放出に対して十分な間隔を保ちつつエッジリングを保持するために、ボルト２５０で電極に連結されている。それに加えて、もしくは、それに代えて、さらに温度を制御するために、基板台の内部にヒータを配置してもよい。

以上の説明からわかるように、本発明は、従来技術に勝る数々の利点を提供する。例えば、本発明は、基板表面の全体にわたって高度な処理均一性を保ちつつ基板処理を行うことができる。特に、基板台は、基板台のインピーダンスを制御することにより、基板台を通じて結合される電界を制御することができるインピーダンスマッチング層を提供する。ある構成では、インピーダンスマッチング層は、基板台が処理チャンバ内部に均一な電界を生成するように構成されている。その結果、基板の処理に用いるイオンの密度とイオンのエネルギとを、より均一にすることによって、処理の均一性を実現できる。別の構成では、インピーダンスマッチング層は、基板台が、変化する電界を生成することによって他の不均一性（例えば、不均一なプラズマ密度）を補償するように構成されている。その結果、処理の均一性を改善することができる。さらに、本発明は、処理中に基板およびエッジリングの両方を冷却するよう構成されている基板台を提供し、それによって、処理における不均一性を引き起こす温度、圧力、および伝導性のばらつきを低減する。したがって、本発明は、基板縁部の除外を低減し、基板の歩留まりを改善する。

以上では、本発明をいくつかの好ましい実施形態の形で説明したが、本発明の範囲内で、種々の改良物、置換物、および等価物が存在し得る。また、本発明による方法および装置を実現する代替の方法が数多く存在することにも注意が必要である。したがって、添付した特許請求の範囲は、このような改良物、置換物、および等価物の全てを、本発明の真の趣旨および範囲内に含むものとして解釈される。

従来のプラズマ処理システムの側面図である。本発明の一実施形態に従ったプラズマリアクタの側断面図である。本発明の一実施形態に従った均一基板台の側断面図である。本発明の一実施形態に従った均一基板台の側断面図である。

Claims

基板の表面を処理するためのプラズマ処理システムであって、
上端と下端とを有すると共に、前記処理のために内部でプラズマが点火および維持される処理チャンバと、
前記処理チャンバの内部に電界を発生させるよう構成されると共に、前記処理チャンバの前記下端に配置された電極と、
前記処理中に前記基板を保持するよう構成されると共に、前記電極の上方に配置されたチャックと、
前記電極および前記チャックを前記プラズマから保護するよう構成されると共に、前記電極の上方に配置された誘電性材料から形成されるエッジリングであって、前記基板の外縁近傍に上部内側縁部を形成し、前記基板下方の前記チャックの外縁近傍に下部内側縁部を形成するよう前記電極と前記基板との間に配置されるよう構成された第１の部分を有する、エッジリングと、
前記電極と前記エッジリングとの間に配置されると共に閉じ込められたインピーダンスマッチング層であって、前記エッジリングが有する誘電率よりも大きな誘電率を有し、前記基板の中央部における前記電極と前記プラズマとの間のインピーダンスと前記基板の縁部における前記電極と前記プラズマとの間のインピーダンスとが等しくなるように制御するインピーダンスマッチング層とを備え、前記インピーダンスは、前記電界に影響を与えることにより、前記基板の表面にわたって処理の均一性を改善するよう構成されているシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスは、前記電界のばらつきを低減するよう構成されているシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスは、前記電界のばらつきを生成するよう構成されているシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記電界は、前記処理中に、前記基板の前記表面と前記プラズマとの間にシース電圧を生成するシステム。
基板の表面を処理するためのプラズマ処理システムであって、
処理のために内部でプラズマが点火および維持される処理チャンバと、
前記処理チャンバの内部に配置され、内側領域と外側領域とを有する電極であって、前記プラズマとの間に電界を発生させるよう構成されている電極と、
処理中に前記基板を保持するよう構成されると共に、前記電極の前記内側領域の上方に配置されているチャックであって、前記電極の前記内側領域の上方の領域における前記電極と前記プラズマとの間の第１のインピーダンスに影響を及ぼすチャックと、
少なくとも前記電極を前記プラズマから保護するよう構成されると共に、前記電極の前記外側領域の上方で前記チャックの側面に隣接して配置され、誘電性材料から形成されるエッジリングであって、前記電極の前記外側領域の上方の領域における前記電極と前記プラズマとの間の第２のインピーダンスに影響を及ぼすエッジリングと、前記エッジリングの一部は前記基板の外縁近傍に上部内側縁部を形成し、前記基板下方の前記チャックの外縁近傍に下部内側縁部を形成するように前記基板の下方に延伸し、
前記エッジリングが有する誘電率よりも大きな誘電率を有し、前記基板の前記表面にわたって処理の均一性を改善するために前記基板の中央部におけるインピーダンスと前記基板の縁部におけるインピーダンスとが等しくなるように前記第２のインピーダンスを調整するよう構成された特徴を有していると共に、前記エッジリングと前記電極との間、かつ、前記電極の前記外側領域の上方に配置されると共に閉じ込められたインピーダンスマッチング層と、を備えるシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記チャックは静電チャックであるシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層は、前記エッジリングまたは前記電極に接合されているシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層の一部は、前記電極と前記基板下に延伸している前記エッジリングの一部との間に配置されているシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層の厚さ、長さおよび位置の少なくとも１つは、前記第２のインピーダンスを制御するために調整されるシステム。
請求項５に記載のプラズマ処理システムにおいて、前記エッジリングの外側縁部は前記電極の縁部に延伸しているシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記電界は、前記処理中に、前記基板の前記表面において均一なシース電圧を生成するシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムはさらに、前記電極に接続されたＲＦ電源を備え、前記ＲＦ電源は、前記電極にＲＦエネルギを供給するよう構成されているシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムはさらに、処理中に前記基板および前記エッジリングの温度を制御するための熱伝達システムを備え、前記熱伝達システムは、前記電極を通って前記チャックと前記基板との間の境界に伸びる第１の伝達路と、前記電極を通って前記電極と前記エッジリングとの間の境界に伸びる第２の伝達路とを有すると共に、前記各伝達路に熱媒体を供給するよう構成されているシステム。
請求項１３記載のプラズマ処理システムにおいて、前記熱媒体はヘリウムガスであるシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層は、前記電極と前記基板下の前記エッジリングの前記第１の部分との間に配置される部分を含むシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記エッジリングと前記チャックとによって、処理のために前記基板を受け入れるための凹部を形成し、前記第１の部分と前記チャックとによって、前記基板の底面を受けるための領域が規定されるシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記エッジリングの外側縁部は前記電極の縁部に延伸しているシステム。
請求項１または５に記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層は、全体的に平面であり、前記電極の上面および前記エッジリングの底面と平行であるシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記チャックと、前記インピーダンスマッチング層とは、誘電材料から形成され、前記エッジリングの誘電率は、前記チャックの誘電率と等しく、前記インピーダンスマッチング層の誘電率は、前記エッジリングおよび前記チャックの誘電率よりも大きいシステム。
請求項１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記チャックによって生成される第１のインピーダンスは、前記インピーダンスマッチング層を有しない前記エッジリングによって生成される第２のインピーダンスと異なり、前記インピーダンスマッチング層は、前記第２のインピーダンスが前記チャックによって生成された前記第１のインピーダンスと実質的に等しくなるように、前記エッジリングによって生成された前記第２のインピーダンスを調整するよう構成されているシステム。
請求項９記載のプラズマ処理システムにおいて、前記インピーダンスマッチング層の前記厚さは、約１ｍｍであるシステム。
請求項５記載のプラズマ処理システムにおいて、前記電極の前記内側領域は、前記基板の内側領域に対応し、前記電極の前記外側領域は、前記基板の外側領域に対応するシステム。
プラズマ処理中に基板を支持するための基板台であって、
電界を生成するよう構成された電極と、
前記基板を保持するよう構成されると共に、前記電極の上方に配置されたチャックと、
前記電極の上方に配置され、支持される前記基板の下に伸びるほぼ平面のエッジリングであって、誘電体材料から形成され、前記基板の縁部および前記チャックの縁部に近接する内側縁部と、前記電極の縁部に伸びる外側縁部とによって、前記電極および前記チャックを保護するよう構成された、エッジリングと、
前記電極と前記エッジリングとの間、かつ、前記基板の下に配置されて閉じ込められるインピーダンスマッチング層と、
を備え、
前記インピーダンスマッチング層は、全体的に平面であって前記電極の上面と前記エッジリングの底面とに平行であり、前記電極または前記エッジリングに接合されており、前記電極とプラズマとの間のインピーダンスを制御するよう構成された特徴または特性を有し、前記インピーダンスは、前記電界に影響を及ぼすよう構成され、前記インピーダンスマッチング層を備えない場合の前記チャックによって生成された第１のインピーダンスは、前記エッジリングによって生成された第２のインピーダンスと異なり、前記インピーダンスマッチング層は、前記エッジリングの誘電率よりも大きい誘電率を有し、前記第２のインピーダンスが前記チャックによって生成された前記第１のインピーダンスと実質的に等しくなるように、前記エッジリングによって生成された前記第２のインピーダンスを変更し、前記第１および第２のインピーダンスを等しくすることで、前記基板の表面にわたってより均一にエネルギを結合することにより、前記基板の前記表面にわたって処理の均一性を改善する基板台。
請求項２３記載の基板台において、前記インピーダンスは、前記電界のばらつきを低減するよう構成されている基板台。
請求項２３または２４記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記基板の縁部における前記電極と前記プラズマとの間の前記インピーダンスを制御するよう構成されている基板台。
請求項２３ないし２５のいずれか記載の基板台において、前記エッジリングは前記チャックとによって、前記基板の底面を受けるための領域を規定する第１の部分を有する基板台。
請求項２６に記載の基板台において、前記エッジリングは、前記第１の部分の上方に伸びる第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記チャックの前記外縁を取り囲む下部内側縁部を形成するよう構成され、前記第２の部分は、前記基板の前記外縁を取り囲む上部内側縁部を形成するように構成されていることで、前記エッジリングと前記チャックとによって、処理のために前記基板を受け入れるための凹型の部分が形成される基板台。
請求項２３ないし２７のいずれか記載の基板台において、前記チャックは、前記基板の外周よりも小さい外周を有する基板台。
請求項２３ないし２８のいずれか記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、誘電材料から形成される基板台。
請求項２３ないし２９のいずれか記載の基板台において、前記チャックと、前記エッジリングと、前記インピーダンスマッチング層とは、誘電材料から形成され、前記エッジリングの誘電率は、前記チャックの誘電率と等しく、前記インピーダンスマッチング層の誘電率は、前記エッジリングおよび前記チャックの誘電率よりも大きい基板台。
プラズマ処理中に基板を支持するための基板台であって、
内側領域と外側領域とを有する電極であって、プラズマと前記電極との間に磁界を発生させる電極と、
処理中に前記基板を保持するよう構成されると共に、前記電極の前記内側領域の上方に配置されているチャックであって、前記電極の前記内側領域の上方の領域における前記電極と前記プラズマとの間の第１のインピーダンスに影響を及ぼすチャックと、
前記電極の前記外側領域の上方に配置され、前記チャックの側面に隣接して位置し、少なくとも前記電極を前記プラズマから保護するよう構成されている誘電性材料から形成されるエッジリングであって、前記基板下に延伸している前記エッジリングの一部は前記基板の縁部に近接する上部内側縁部と前記チャックの縁部に近接する下部内側縁部と、前記電極の縁部に伸びる前記エッジリングの外側縁部とを形成し、前記電極の前記外側領域の上方の領域において前記電極と前記プラズマとの間の第２のインピーダンスに影響を及ぼすエッジリングと、
前記エッジリングと前記電極との間、かつ、前記電極の前記外側領域の上方に配置されて閉じ込められるインピーダンスマッチング層と、
を備え、
前記インピーダンスマッチング層は、前記基板の表面にわたって処理の均一性を改善するために前記第２のインピーダンスを調整するよう前記エッジリングが有する誘電率よりも大きな誘電率を有し、前記インピーダンスマッチング層は、前記基板の前記縁部における前記電極と前記プラズマとの間のインピーダンスを、前記基板の中央部における前記電極と前記プラズマとの間のインピーダンスに合わせるよう構成されている基板台。
請求項３１記載のプラズマ処理システムにおいて、前記チャックは静電チャックである基板台。
請求項３１または３２記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記エッジリングまたは前記電極に接合されている基板台。
請求項３１ないし３３のいずれか記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記基板下において前記電極と前記エッジリングの前記部分との間に配置されている基板台。
請求項３１ないし３４のいずれか記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記電極と前記基板下の前記エッジリングとの間に配置され、閉じ込められ、全体的に平面であり、前記電極の上面および前記エッジリングの底面と平行である基板台。
請求項３１ないし３５のいずれか記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層の厚さ、長さおよび位置の少なくとも１つは、前記第２のインピーダンスを制御するために調整される基板台。
請求項３１ないし３６のいずれか記載の基板台において、前記電界は、前記プラズマ処理中に、前記基板の前記表面において均一なシース電圧を生成する基板台。
請求項３１ないし３７のいずれか記載の基板台であって、前記電極は、ＲＦエネルギを前記電極に供給するよう構成されたＲＦ電源に接続されている基板台。
請求項３１ないし３８のいずれか記載の基板台はさらに、処理中に前記基板および前記エッジリングの温度を制御するための熱伝達システムを備え、前記熱伝達システムは、前記電極を通って前記チャックと前記基板との間の境界に伸びる第１の伝達路と、前記電極を通って前記電極と前記エッジリングとの間の境界に伸びる第２の伝達路とを有すると共に、前記各伝達路に熱媒体を供給するよう構成されている基板台。
請求項３９記載の基板台において、前記熱媒体はヘリウムガスである基板台。
請求項３１ないし４０のいずれか記載の基板台において、前記電極の前記内側領域は、前記基板の内側領域に対応し、前記電極の前記外側領域は、前記基板の外側領域に対応する基板台。
基板を処理するために内部でプラズマが点火および維持される処理チャンバでの利用に適した均一機構であって、
前記基板の内側領域の下に配置されるチャックを備えた第１の構成要素であって、前記第１の構成要素は、それを通してエネルギを結合することにより第１のインピーダンスを生成する第１の構成要素と、
前記基板の外側領域の下に配置され、前記基板の外側領域の下に伸びる平面の誘電性材料により形成されるエッジリングを備えた第２の構成要素であって、前記第２の構成要素は、それを通してエネルギを結合することによって第２のインピーダンスを生成し、前記インピーダンスマッチング層を備えない場合の前記第１のインピーダンスは前記第２のインピーダンスと異なる第２の構成要素と、
前記エッジリングの下に配置されているインピーダンスマッチング層と、
前記インピーダンスマッチング層は、前記エッジリングが有する誘電率よりも大きな誘電率を有し、前記第２のインピーダンスが前記第１のインピーダンスと実質的に等しくなるように前記第２のインピーダンスを調整し、前記インピーダンスマッチング層の少なくとも一部は、前記基板の下に配置される均一機構。
請求項４２記載の均一機構において、前記インピーダンスマッチング層は、前記第２の構成要素の下方に配置される均一機構。
請求項４２または４３記載の均一機構において、処理中に前記基板を支持するよう構成されている均一機構。
請求項４２ないし４４のいずれか記載の均一機構はさらに、電界を生成するための第３の構成要素を備える均一機構。
請求項４２ないし４５のいずれか記載の均一機構において、前記第１および第２の構成要素は、電極の上方に配置されている均一機構。
請求項２３から３０のいずれか一項に記載の基板台において、前記電極は導電性の材料から形成され、前記チャックと、前記インピーダンスマッチング層とは、誘電材料から形成されている基板台。
請求項４７記載の基板台において、前記エッジリングの誘電率は、前記チャックの誘電率に等しく、前記インピーダンスマッチング層の誘電率は、前記エッジリングおよび前記チャックの前記誘電率よりも大きいことで、前記チャックの前記縁部に存在する増大したインピーダンスを補償する基板台。
請求項２３から３０のいずれか一項に記載の基板台において、前記電極は導電性の材料から形成され、前記チャックは誘電材料から形成され、前記インピーダンスマッチング層は、半導体材料または導電性の材料から形成されている基板台。
請求項２３から３０のいずれか一項に記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、石英、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、または、酸化アルミニウム、から形成されている基板台。
請求項２３記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記基板の領域においてのみ前記エッジリングと前記電極との間に配置される基板台。
請求項２３記載の基板台において、前記電極の前記上面は、エネルギの分布を均一にするために、実質的に均一であると共に実質的に前記基板に平行であるように構成されている基板台。
請求項３１記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、シリコンエラストマによって前記エッジリングまたは前記電極に接合されており、前記エッジリングは、誘電材料から形成され、電気的に浮動しているか、ＤＣアースに対して電気的に結合されている基板台。
請求項３９記載の基板台において、前記インピーダンスマッチング層は、前記エッジリングの背面に接合されており、前記第１の伝達路は、前記チャックと前記基板の背面との間に位置する第１の隙間に前記熱媒体を分配するよう構成され、前記第２の伝達路は、前記電極と前記エッジリングの前記背面との間に位置して前記インピーダンスマッチング層を含む第２の隙間に前記熱媒体を分配するよう構成されている基板台。