JP5663056B2 - Plasma processing apparatus and electrode structure - Google Patents
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Description
本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係わり、特に電極に高周波を印加してプラズマを生成する高周波放電方式のプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置用の電極構造体に関する。
The present invention relates to a technique for performing plasma processing on a substrate to be processed, and more particularly to a high-frequency discharge type plasma processing apparatus that generates a plasma by applying a high frequency to an electrode and an electrode structure for the plasma processing apparatus.
半導体デバイスやFPD(Flat Panel Display)の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。一般に、プラズマ処理装置は、プラズマを生成する方式として、グロー放電または高周波放電を利用するものと、マイクロ波を利用するものとに大別される。 In processes such as etching, deposition, oxidation, sputtering and the like in the manufacturing process of semiconductor devices and FPDs (Flat Panel Displays), plasma is often used in order to allow a process gas to react well at a relatively low temperature. In general, plasma processing apparatuses are broadly classified into methods that use glow discharge or high-frequency discharge and methods that use microwaves as methods for generating plasma.
高周波放電方式のプラズマ処理装置は、処理容器または反応室内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板(半導体ウエハ、ガラス基板等)を載置し、上部電極もしくは下部電極に整合器を介してプラズマ生成用の高周波電圧を印加する。この高周波電圧によって生成された高周波電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生する。 In a high-frequency discharge type plasma processing apparatus, an upper electrode and a lower electrode are arranged in parallel in a processing vessel or a reaction chamber, a substrate to be processed (semiconductor wafer, glass substrate, etc.) is placed on the lower electrode, and an upper electrode is placed. Alternatively, a high frequency voltage for plasma generation is applied to the lower electrode through a matching device. Electrons are accelerated by the high-frequency electric field generated by the high-frequency voltage, and plasma is generated by impact ionization between the electrons and the processing gas.
最近では、製造プロセスにおけるデザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧下での高密度プラズマが要求されており、上記のような高周波放電方式のプラズマ処理装置では従来(一般に27MHz以下)よりも格段に高い高周波数領域(50MHz以上)の周波数を用いるようになってきている。しかしながら、高周波放電の周波数が高くなると、高周波電源から給電棒を通って電極背面に印加される高周波電力が表皮効果により電極表面を伝わって電極主面(プラズマと対向する面)のエッジ部から中心部に向って流れる。一様な電極主面上でエッジ部から中心部に向って高周波電流が流れると、電極主面の中心部における電界強度がエッジ部における電界強度よりも高くなって、生成されるプラズマの密度も電極中心部側が電極エッジ部側より高くなる。プラズマ密度の高い電極中心部ではプラズマの抵抗率が低くなり、対向する電極においても電極中心部に電流が集中し、プラズマ密度の不均一性がさらに強まる。 Recently, with the miniaturization of design rules in the manufacturing process, high-density plasma under low pressure is required for plasma processing, and the above-described high-frequency discharge type plasma processing apparatus is much more than conventional (generally 27 MHz or less). A frequency in a high high frequency region (50 MHz or more) has been used. However, when the frequency of the high-frequency discharge increases, the high-frequency power applied from the high-frequency power source through the power supply rod to the back surface of the electrode propagates through the electrode surface by the skin effect and is centered from the edge portion of the electrode main surface (surface facing the plasma). It flows toward the part. When high-frequency current flows from the edge to the center on a uniform electrode main surface, the electric field strength at the center of the electrode main surface is higher than the electric field strength at the edge, and the density of the generated plasma is also high. The electrode center side is higher than the electrode edge side. The plasma resistivity is low at the center of the electrode where the plasma density is high, and current also concentrates at the center of the electrode even at the opposing electrode, further increasing the non-uniformity of the plasma density.
この問題を解消するため、高周波電極の主面中心部を高抵抗部材で構成するものが知られている(たとえば特許文献1)。この技法は、高周波電源に接続される側の電極の主面(プラズマ接触面)の中央部を高抵抗部材で構成し、そこでより多くの高周波電力をジュール熱として消費させることで、電極の主面における電界強度を電極外周部よりも電極中心部で相対的に低下させ、上記のようなプラズマ密度の不均一性を補正するものである。 In order to solve this problem, a structure in which the central portion of the main surface of the high-frequency electrode is formed of a high resistance member is known (for example, Patent Document 1). In this technique, the central portion of the main surface (plasma contact surface) of the electrode on the side connected to the high frequency power source is configured with a high resistance member, and more high frequency power is consumed as Joule heat there. The electric field strength at the surface is relatively lowered at the center of the electrode rather than at the outer periphery of the electrode, and the above-described plasma density non-uniformity is corrected.
しかしながら、上記のような高周波放電方式のプラズマ処理装置において、高周波電極の主面中心部を高抵抗部材で構成するものは、ジュール熱による高周波電力の消費(エネルギー損失)が多くなってしまう可能性がある。 However, in the high-frequency discharge type plasma processing apparatus as described above, if the central portion of the main surface of the high-frequency electrode is made of a high-resistance member, the consumption of high-frequency power (energy loss) due to Joule heat may increase. There is.
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被処理基板上のプラズマ密度の均一化を効率的に達成できる高周波放電方式のプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置用の電極構造体を提供する。
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and a high-frequency discharge type plasma processing apparatus and an electrode structure for the plasma processing apparatus that can efficiently achieve uniform plasma density on a substrate to be processed. I will provide a.
本発明のプラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器内に第1の電極を設け、前記処理容器内に高周波電界を形成するとともに処理ガスを流し込んで前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で被処理基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第1の電極の内部の主面側に空洞を有し、前記空洞の中に流動性の誘電性物質を出し入れ可能とし、前記第1の電極の中心部側における前記空洞の厚さをエッジ部側における前記空洞の厚さより大きくし、前記空洞の中に収容する前記流動性の誘電性物質の種類または量を変えることにより、前記第1の電極の主面において前記空洞全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスが可変に制御される。
In the plasma processing apparatus of the present invention, a first electrode is provided in a processing container that can be depressurized, a high-frequency electric field is formed in the processing container, and a processing gas is flown to generate plasma of the processing gas. A plasma processing apparatus for performing desired plasma processing on a substrate to be processed below, having a cavity on the main surface inside the first electrode, and allowing a fluid dielectric substance to be taken in and out of the cavity And the thickness of the cavity on the center side of the first electrode is made larger than the thickness of the cavity on the edge side , and the type or amount of the fluid dielectric material accommodated in the cavity is changed. Thus, the dielectric constant or dielectric impedance of the entire cavity is variably controlled on the main surface of the first electrode.
本発明のプラズマ処理装置においては、第1の電極の内部の主面側に空洞を形成し、電極中心部側の空洞の厚さを電極エッジ部側の空洞の厚さよりも大きくする構成により、プラズマ側に対して相対的に電極中心部側のインピーダンスが高くなって電極エッジ部側のインピーダンスが低くなり、それによって、電極エッジ部側における高周波電界が強められる一方で電極中心部側の高周波電界が弱められ、電極径方向における電界強度ないしプラズマ密度の均一性が改善される。しかも、空洞の中に流動性の誘電性物質を出し入れ可能の構成とし、空洞の中に収容する流動性誘電性物質の種類または量を変えることにより、第1の電極の空洞全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスを可変に制御することが可能であり、これによって、空洞の直下または直上において電極径方向における電界強度分布特性の均一性を保ったまま電界強度を一定範囲内(空洞を完全に空にして空気で満たした場合に得られる最も低い電界強度と空洞に流動性誘電性物質を満杯に充填した場合に得られる最も高い電界強度との間)で任意に調整することができる。
In the plasma processing apparatus of the present invention, by forming a cavity on the main surface side inside the first electrode, the thickness of the cavity on the electrode center side is larger than the thickness of the cavity on the electrode edge side, The impedance at the electrode center side is relatively high with respect to the plasma side, and the impedance at the electrode edge side is lowered, thereby strengthening the high-frequency electric field at the electrode edge side while increasing the high-frequency electric field at the electrode center side. And the uniformity of the electric field strength or plasma density in the electrode radial direction is improved. In addition, the configuration is such that the fluid dielectric material can be taken in and out of the cavity, and the type or amount of the fluid dielectric material accommodated in the cavity is changed, so that the dielectric constant or the entire cavity of the first electrode can be changed. The dielectric impedance can be variably controlled, so that the electric field strength can be controlled within a certain range while maintaining the uniformity of the electric field strength distribution characteristics in the electrode radial direction immediately below or directly above the cavity (the cavity is completely emptied). Between the lowest electric field strength obtained when filled with air and the highest electric field strength obtained when the cavities are fully filled with a flowable dielectric material.
本発明の好適な一態様においては、第1の電極の裏面側から空洞の第1および第2の箇所にそれぞれ接続される第1および第2のポートを有し、空洞に誘電性物質を入れるときは、第1のポートより空洞に誘電性物質を導入しながら、第2のポートより前記空洞内のエアーを抜き、空洞内の誘電性物質の量を減らすときは、第1のポートより空洞にエアーを送り込みながら、第2のポートより前記空洞内の誘電性物質を抜くように構成される。この場合、好ましくは、第1の箇所は空洞の中心部およびエッジ部の一方に設定され、第2の箇所は空洞の中心部およびエッジ部の他方に設定される。 In a preferred aspect of the present invention, the first electrode and the second port are respectively connected to the first and second portions of the cavity from the back surface side of the first electrode, and a dielectric material is put into the cavity. When the dielectric material is introduced into the cavity from the first port, the air in the cavity is extracted from the second port to reduce the amount of the dielectric material in the cavity. The dielectric material in the cavity is pulled out from the second port while air is fed into the second port. In this case, preferably, the first location is set to one of the central portion and the edge portion of the cavity, and the second location is set to the other of the central portion and the edge portion of the cavity.
また、別の好適な一態様においては、誘電体の厚さが、第1の電極の中心部を含む第1の直径の内側では一定であり、第1の直径の外側では第1の電極のエッジ部に向かってテーパ状に減少する。 In another preferred embodiment, the thickness of the dielectric is constant inside the first diameter including the central portion of the first electrode, and outside the first diameter, the thickness of the first electrode is constant. It decreases in a tapered shape toward the edge portion.
本発明のプラズマ処理装置用の電極構造体は、高周波放電方式のプラズマ処理装置においてプラズマを生成するために処理容器内に設けられる電極構造体であって、前記電極構造体の内部の主面側に空洞を有し、前記空洞の中に流動性の誘電性物質を出し入れ可能とし、前記電極構造体の中心部側における前記空洞の厚さをエッジ部側における前記空洞の厚さより大きくし、前記空洞の中に収容する前記流動性の誘電性物質の種類または量を変えることにより、前記電極構造体の主面において前記空洞全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスが可変に制御される。
An electrode structure for a plasma processing apparatus according to the present invention is an electrode structure provided in a processing container for generating plasma in a plasma processing apparatus of a high frequency discharge method, and the main surface side inside the electrode structure to have a cavity to allow loading and unloading the flowable dielectric material in said cavity, the thickness of the cavity at the center side of the electrode structure larger than the thickness of the cavity in the edge portion, the By changing the kind or amount of the fluid dielectric substance contained in the cavity, the dielectric constant or dielectric impedance of the entire cavity is variably controlled on the main surface of the electrode structure.
本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理装置用の電極構造体によれば、上記のような構成および作用により、被処理基板上のプラズマ密度の均一化を効率的に達成することができる。 According to the plasma processing apparatus or the electrode structure for a plasma processing apparatus of the present invention, uniform plasma density on the substrate to be processed can be efficiently achieved by the above-described configuration and operation.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の一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、RIE型の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。
FIG. 1 shows the configuration of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. This plasma processing apparatus is configured as an RIE type plasma etching apparatus, and has a cylindrical chamber (processing vessel) 10 made of metal such as aluminum or stainless steel. The
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下部電極またはサセプタ12が設けられている。このサセプタ12は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部14を介してチャンバ10の底から垂直上方に延びる筒状支持部16に支持されている。筒状保持部14の上面には、サセプタ12の上面を環状に囲むたとえば石英からなるフォーカスリング18が配置されている。
In the
チャンバ10の側壁と筒状支持部16との間には排気路20が形成され、この排気路20の入口または途中に環状のバッフル板22が取り付けられるとともに底部に排気口24が設けられている。この排気口24に排気管26を介して排気装置28が接続されている。排気装置28は、真空ポンプを有しており、チャンバ10内の処理空間を所定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30が取り付けられている。
An
サセプタ12には、プラズマ生成用の高周波電源32が整合器34および給電棒36を介して電気的に接続されている。この高周波電源32は、所定の高周波数たとえば60MHzの高周波電力を下部電極つまりサセプタ12に印加する。なお、チャンバ10の天井部には、後述するシャワーヘッド38が接地電位の上部電極として設けられている。したがって、高周波電源32からの高周波電圧はサセプタ12とシャワーヘッド38との間に容量的に印加される。
A high
サセプタ12の上面には半導体ウエハWを静電吸着力で保持するための静電チャック40が設けられている。この静電チャック40は導電膜からなる電極40aを一対の絶縁膜40b,40cの間に挟み込んだものであり、電極40aには直流電源42がスイッチ43を介して電気的に接続されている。直流電源42からの直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハWをチャック上に吸着保持することができる。
An
サセプタ12の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室44が設けられている。この冷媒室44には、チラーユニット46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40上の半導体ウエハWの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部52からの伝熱ガスたとえばHeガスが、ガス供給ライン54を介して静電チャック40の上面と半導体ウエハWの裏面との間に供給される。
Inside the
天井部のシャワーヘッド38は、多数のガス通気孔56aを有する下面の電極板56と、この電極板56を着脱可能に支持する電極支持体58とを有する。電極支持体58の内部にバッファ室60が設けられ、このバッファ室60のガス導入口60aには処理ガス供給部62からのガス供給配管64が接続されている。
The
チャンバ10の周囲には、環状または同心状に延在する磁石66が配置されている。チャンバ10内において、シャワーヘッド38とサセプタ12との間の空間には、高周波電源32により鉛直方向のRF電界が形成される。高周波の放電により、サセプタ12の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。
A
制御部68は、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28、高周波電源32、静電チャック用のスイッチ43、チラーユニット46、伝熱ガス供給部52および処理ガス供給部62等の動作を制御するもので、ホストコンピュータ(図示せず)等とも接続されている。
The
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30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40の上に載置する。そして、処理ガス供給部62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28によりチャンバ10内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源32より所定のパワーで高周波電力をサセプタ12に供給する。また、直流電源42より直流電圧を静電チャック40の電極40aに印加して、半導体ウエハWを静電チャック40上に固定する。シャワーヘッド38より吐出されたエッチングガスは両電極12,38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。
In order to perform etching in this plasma etching apparatus, first, the
このプラズマエッチング装置では、サセプタ(下部電極)12に対して従来(一般に27MHz以下)よりも格段に高い周波数領域(50MHz以上)の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。 In this plasma etching apparatus, by applying a high frequency in a frequency region (50 MHz or higher) much higher than the conventional (generally 27 MHz or lower) to the susceptor (lower electrode) 12, the plasma is densified in a preferable dissociated state, High density plasma can be formed even under lower pressure conditions.
次に、このプラズマエッチング装置における本発明の特徴を詳細に説明する。 Next, features of the present invention in this plasma etching apparatus will be described in detail.
図2および図3に、第1の構成例による電極構造の一例としてサセプタ12の要部の構成を示す。図2は平面図、図3は部分拡大縦断面図である。図示のように、サセプタ12の主面(この構成例ではサセプタ12の上面、つまりプラズマ生成空間側の面)には、導電体または半導体からなる一定サイズの円柱形凸部70が離散的に多数設けられている。これらの凸部70は、各々がプラズマに高周波電力または高周波電界を与えるための小電極を構成するものであり、好ましくは図4に示すように電極中心部から電極エッジ部に向って次第に大きくなるような個数密度分布または面積密度分布でサセプタ12の主面上に配置される。
2 and 3 show the configuration of the main part of the
図5〜図9につき、この実施例によるサセプタ12の作用を説明する。図5に示すように、高周波電源32からの高周波電力がサセプタ12に供給されると、サセプタ(下部電極)12と上部電極38との間の高周波放電によってエッチングガスのプラズマPZが半導体ウエハW付近で生成し、生成したプラズマPZは四方に、特に上方および半径方向外側に拡散し、プラズマPZ中の電子電流ないしイオン電流は上部電極38やチャンバ側壁等を通ってグランドへ流れる。ここで、サセプタ12においては、高周波電源32から給電棒36を介してサセプタ裏面または背面に印加された高周波電力が表皮効果によって電極表面層を伝播し、図6に示すように、サセプタ12の主面上ではエッジ部から中心部に向って逆放射状に高周波電流iが流れる。
The operation of the
図7に示すように、この実施例では、高周波電流iがサセプタ12の主面上で凸部70の表面層を流れる。凸部70は、上部電極38側つまりプラズマPZ側に向って突出しているので、主面の底面部12aよりも低いインピーダンスでプラズマPZと電気的に結合する。このため、サセプタ12の主面の表面層を流れる高周波電流iによって運ばれる高周波電力は主として凸部70の頂面からプラズマPZに向けて放出される。なお、サセプタ12の主面上で凸部70と底面部12aとのインピーダンス比Z12a/Z70を大きくするために、つまり凸部70を通してプラズマPZに与える高周波波電力の比率または電力供給率を高めるために、図3に示すように、凸部70の周り(底面部12aの上)に誘電体72を設ける構成が好ましい。
As shown in FIG. 7, in this embodiment, the high-frequency current i flows on the surface layer of the
このように、この構成例では、サセプタ12の主面上で離散的に設けられた多数の凸部70がそれぞれプラズマPZに高周波電力を供給するための小電極として機能する。かかる凸部70の属性(形状、サイズ、間隔、密度等)を選択することで、小電極の集合体であるサセプタ12の高周波電力供給特性を所望の特性に設定することができる。
As described above, in this configuration example, a large number of
たとえば、上記(図4)のように凸部70の個数密度を電極中心部から電極エッジ部に向って次第に大きくなるような分布特性とすることで、図9に示すように、サセプタ12よりプラズマPZに与えられる高周波電力または高周波電界の均一性(特に電極半径方向の均一性)を改善することができる。図9の例では、サセプタ12の半径を150mmとし、電極中心部における凸部70の個数密度Ncと電極エッジ部における凸部70の個数密度Neとの比率Ne/Ncを1(倍)、2(倍)、4(倍)、6(倍)、8(倍)に選んだときのサセプタ12上の半径方向の電界強度分布を示している。比率Ne/Ncを大きくするほど、電界強度の均一性が改善され、ひいてはプラズマ密度の均一性が改善されることがわかる。
For example, as shown in FIG. 4, the distribution density is such that the number density of the
凸部70の他の属性の中で特に重要なのはサイズである。凸部70の高さが小さすぎると、より正確にはスキンデップス(skin depth)δよりも小さいと、サセプタ12の主面上で高周波電流iの一部または大部分が凸部70の下を素通りすることになり、そのぶん凸部70からプラズマPZへ供給される高周波電界が弱まる。ここで、スキンデップスδは、導体の表面層を流れる高周波電流の振幅が深さδで1/eに減衰するというファクタであり、下記の式(1)で与えられる。
δ=(2/ωσμ)1/2 ‥‥‥‥(1)
ただし、ω=2πf(f:周波数)、σ:導電率、μ:透磁率
Of the other attributes of the
δ = (2 / ωσμ) 1/2 (1)
Where ω = 2πf (f: frequency), σ: conductivity, μ: permeability.
図8に示すように、表皮効果によって導体の表面層を流れる電磁波(高周波電流)の振幅は導体の深さ方向で減衰し、スキンデップスδの3倍の深さでは約5%までに減衰する。したがって、凸部70の高さをスキンデップスδの3倍以上の高さに設定することで、高周波電流iの大部分(約95%以上)を凸部70に流し込んで、凸部70からプラズマPZへ高周波電力を効率よく放出させることができる。たとえば、サセプタ12および凸部70の材質をアルミニウムとし、高周波電源32の周波数を100MHzとした場合、スキンデップスδは8μmである。したがって、凸部70の高さを24μm以上に設定すればよい。
As shown in FIG. 8, the amplitude of the electromagnetic wave (high-frequency current) flowing through the surface layer of the conductor is attenuated in the depth direction of the conductor due to the skin effect, and is attenuated to about 5% at a depth three times the skin depth δ. . Therefore, by setting the height of the
また、凸部70の幅サイズ、特に電極半径方向の幅サイズも重要であり、凸部70の頂面まで高周波電流iを十分に流し込むには電極半径方向の幅サイズが大きいほどよく、スキンデップスδの3倍以上、好ましくは周波数100MHzで30μm〜500μmの範囲内に設定されてよい。
In addition, the width size of the
また、凸部70間の距離間隔も、凸部70と底面部12aとのインピーダンス比Z12a/Z70を最適化するような値に選ばれてよく、たとえば100MHzでは100μm〜1mmの範囲内に設定されるのが好ましい。
The distance interval between the
図10に、このプラズマエッチング装置においてサセプタ12の上に静電チャック40を一体に設ける構成例を示す。図示のように、サセプタ12の主面上に、より正確には凸部70および誘電体72の上に静電チャック40の下部絶縁膜40bが形成され、下部絶縁膜40bの上に電極膜40aが形成され、電極膜40aの上に上部絶縁膜40cが形成される。
FIG. 10 shows a configuration example in which an
この積層構造では、静電チャック40の下部絶縁膜40bの膜厚D1が重要であり、他の条件が許す限りでこの膜厚D1を相対的に小さくするのが好ましい。すなわち、凸部70の頂面から電極膜40aまでの距離(D1)とサセプタ底面部12aから電極膜40aまでの距離(D2)との比率D2/D1(図11の縦軸のパラメータ)を大きくするほど、図11に示すように、サセプタ12の主面上における凸部70のインピーダンスZ70と底面部12aのインピーダンスZ12aとの比率Z12a/Z70(図11の関数値)を大きくすることができる。図11から、この比率D2/D1は2(倍)以上の値に選ばれるのが好ましい。
In this laminated structure, the film thickness D1 of the lower insulating
図11において、横軸のパラメータS12a/S70はサセプタ12の主面上における凸部70(正確には凸部頂面)の総面積S70と底面部12aの総面積S12aとの比率である。この比率S12a/S70を小さくする手法によっても、つまり凸部70の占有面積率を高めることによっても、インピーダンス比Z12a/Z70(図11の関数値)を大きくすることができる。上記のように、インピーダンス比Z12a/Z70を大きくするほど、プラズマPZに対する凸部70からの高周波電力供給率を高めることができる。図11から、比率S12a/S70は4(倍)以下に選ばれるのが好ましい。
11, parameters S 12a / S 70 on the horizontal axis the ratio of the total area S 12a of the total area S 70 and the
図12に、この静電チャック付きサセプタ構造(図10)の製造方法を工程順に示す。 FIG. 12 shows a manufacturing method of the susceptor structure with an electrostatic chuck (FIG. 10) in the order of steps.
先ず、図12(a)に示すように、たとえばアルミニウムからなるサセプタ本体(電極基板)12の主面上に、凸部70に対応する開口部74aを有するたとえば樹脂製のマスク74を被せる。このマスク74において、開口部74aの平面形状および平面サイズは凸部70の平面形状および平面サイズを規定し、開口部74aの深さは凸部70の高さサイズ(D2−D1:たとえば150μm)を規定する。
First, as shown in FIG. 12A, for example, a
次に、図12(b)に示すように、マスク74の上からサセプタ本体12の主面全体に凸部70の材料たとえばアルミニウム(Al)を溶射し、マスク74の開口部74a内にアルミニウムをマスク上面の高さまで充填する。
Next, as shown in FIG. 12B, the material of the
次に、サセプタ本体12の主面上からマスク74をたとえば薬液で溶かして除去すると、図12(c)に示すようにサセプタ本体12の主面上に所定サイズの多数の凸部70が所定の分布パターンで離散的に残る。
Next, when the
次に、図12(d)に示すように、サセプタ本体12の主面全体に誘電体材料たとえばアルミナ(Al2O3)を溶射して、凸部70の頂面よりも所定の高さ(D1:たとえば50μm)に達する膜厚に誘電体膜(72,40b)を形成する。
Next, as shown in FIG. 12 (d), a dielectric material such as alumina (Al 2 O 3 ) is sprayed on the entire main surface of the
次いで、図12(e)に示すように、サセプタ本体12の主面全体にわたって誘電体膜40bの上に静電チャック40の電極膜40aの材料たとえばタングステン(W)を溶射して、所定膜厚(D3:たとえば50μm)の電極膜40aを形成する。
Next, as shown in FIG. 12E, the material of the
次いで、図12(f)に示すように、サセプタ本体12の主面全体にわたって電極膜40aの上に誘電体材料たとえばアルミナを溶射して、静電チャック40の上部絶縁膜40cを所定の膜厚(D4:たとえば200μm)に形成する。
Next, as shown in FIG. 12 (f), a dielectric material such as alumina is sprayed on the
この構成例では、サセプタ本体12の主面上で凸部70の周りを埋める(底面部12aを覆う)ための誘電体72と静電チャック40の一部を構成する下部絶縁膜40bとを1回の溶射工程で同時に一体形成することができる。
In this configuration example, a dielectric 72 for filling the periphery of the convex portion 70 (covering the
上記構成例のサセプタ12は主面上に円柱形の凸部70を設けるものであったが、任意の形状を凸部70に与えることが可能であり、たとえば図13に示すように多数の環状凸部70を同心円状に設ける構成も可能である。すなわち、図13のサセプタ構造でも、高周波電流が電極エッジ部から中心部に向って流れる際に、底面部12aよりもインピーダンスの低い凸部70から高周波電力が効率よくプラズマPZ側に放出される。したがって、凸部70の面積密度が電極中心部から電極エッジ部に向って次第に大きくなるような分布特性とすることで、電極半径方向における電界強度の均一性を改善し、ひいてはプラズマ密度の均一化を達成することができる。
Although the
上記のように電極の主面に小電極として機能する多数の凸部70を離散的に設ける構成は、図14に示すように、対向電極つまり上部電極38に適用することも可能である。図14の構成例では、シャワーヘッド38の電極板56の主面(下面、つまりプラズマ生成空間側の面)に凸部70を設け、凸部70の周り(底面部56bの上)に誘電体72を設けている。ガス通気孔56aは、凸部70を垂直方向に貫通して設けられてよい。かかる構成によれば、上部電極38はプラズマPZからの高周波電流を主として凸部70を通じて受け取る。したがって、上部電極38においても凸部70の属性を適宜選択することで、たとえば凸部70の面積密度を電極中心部から電極エッジ部に向って次第に大きくなるような分布特性とすることで、プラズマ密度の均一性を一層向上させることができる。
The configuration in which a large number of
図15および図16に、第2の構成例による電極構造の一例としてサセプタ12の要部の構成を示す。図15は平面図、図16は部分拡大縦断面図である。図示のように、この構成例では、サセプタ12の主面に一定サイズの円柱形凹部80が離散的に多数設けられる。これらの凹部80は、対向電極側つまりプラズマPZ側と向い合って凹んでいるので、主面の頂面部12aよりも高いインピーダンスでプラズマPZと電気的に結合する。このため、サセプタ12の主面の表面層を流れる高周波電流iによって運ばれる高周波電力は主として頂面部12aからプラズマPZに向けて放出される。サセプタ12の主面上で凹部80と頂面部12aとのインピーダンス比Z80/Z12aを大きくするために、つまり頂面部12aよりプラズマPZに与える高周波波電力の比率を高めるために、図16に示すように、好ましくは凹部80の中に誘電体82を設けてよい。
15 and 16 show the configuration of the main part of the
このように、この第2の構成例では、サセプタ12の主面上で離散的に設けられた多数の凹部80がそれぞれプラズマPZに対する高周波電力の供給を抑制する電極マスク部として機能する。かかる凹部80の属性(形状、サイズ、間隔、密度等)を適宜選択することで、サセプタ12における高周波電力供給特性を所望の特性に制御することができる。たとえば、図17に示すように凹部80の個数密度を電極中心部から電極エッジ部に向って次第に小さくなるような分布特性とすることで、サセプタ12よりプラズマPZに与えられる高周波電力または高周波電界の均一性(特に半径方向の均一性)を改善し、ひいてはプラズマ密度の均一性を改善することができる。凹部80の他の属性も基本的には上記実施例における凸部70と同様に扱ってよく、たとえば凹部80の深さサイズおよび幅サイズをスキンデップスδの3倍以上の値に設定してよい。
As described above, in the second configuration example, a large number of
図18に、この構成例のサセプタ12に静電チャックを一体に設ける構造の製造方法を工程順に示す。
FIG. 18 shows a manufacturing method of a structure in which an electrostatic chuck is integrally provided on the
先ず、図18(a)に示すように、たとえばアルミニウムからなるサセプタ本体(電極基板)12の主面上に、凹部80に対応する開口部84aを有するたとえば樹脂製のマスク84を被せる。このマスク84において、開口部84aの平面形状および平面サイズは凹部80の平面形状および平面サイズを規定する。
First, as shown in FIG. 18A, for example, a
次に、図18(b)に示すように、マスク84の上からサセプタ本体12の主面全体にブラスト法により固体粒子(たとえばドライアイスペレット)または流体(高圧ジェット水)を吹きつけて、マスク84の開口部84a内の部材(アルミニウム)を物理的に除去し、そこに所望の深さの凹部80を形成する。
Next, as shown in FIG. 18B, solid particles (for example, dry ice pellets) or fluid (high-pressure jet water) are sprayed on the entire main surface of the
次に、サセプタ本体12の主面上からマスク84を除去すると、図18(c)に示すように、サセプタ本体12の主面上に所定サイズの多数の凹部80が所定の分布パターンで離散的に残る。
Next, when the
次に、図18(d)に示すように、サセプタ本体12の主面全体に誘電体材料たとえばアルミナ(Al2O3)を溶射して、サセプタ頂面部12aより所定の高さに達する膜厚に誘電体膜(82,40b)を形成する。
Next, as shown in FIG. 18D, a dielectric material such as alumina (Al 2 O 3 ) is sprayed on the entire main surface of the
次いで、図18(e)に示すように、サセプタ本体12の主面全体にわたって誘電体膜40bの上に静電チャック用の電極材料たとえばタングステン(W)を溶射して、所定膜厚の電極膜40aを形成する。
Next, as shown in FIG. 18 (e), an electrode material for electrostatic chuck, for example, tungsten (W), is sprayed on the
次いで、図18(f)に示すように、サセプタ本体12の主面全体にわたって電極膜40aの上に誘電体材料たとえばアルミナを溶射して、上部絶縁膜40cを所定の膜厚に形成する。
Next, as shown in FIG. 18 (f), a dielectric material such as alumina is sprayed on the
この第2の構成例でも、サセプタ本体12の主面上で凹部80を埋めるための誘電体82と静電チャック40の一部を構成する下部絶縁膜40bとを1回の溶射工程で同時に一体形成することができる。
Also in the second configuration example, the dielectric 82 for filling the
また、この第2の構成例でも、電極の主面上で電極マスク部として機能する多数の凹部80を離散的に設ける構成を、図示省略するが、対向電極つまり上部電極38に適用することも可能である。したがって、サセプタ12側に凸部70を設け、上部電極38側に凹部80を設ける構成や、サセプタ12側に凹部80を設け、上部電極38側に凸部70を設ける構成等も可能である。
Also in this second configuration example, a configuration in which a large number of
図19および図20に、本発明の一実施形態における電極の一構成例を示す。図19はサセプタ12に適用した構成例を示し、図20は上部電極38(正確には電極板56)に適用した構成例を示す。この実施形態では、電極の主面つまりプラズマ生成空間側の面(上部電極38の場合は下面、サセプタ12の場合は上面)に誘電体膜または誘電体層90を設け、電極中心部における誘電体膜90の膜厚を電極エッジ部における誘電体膜90の膜厚よりも大きくなるように構成する。誘電体膜90のおもて面(プラズマ生成空間側の面)は略面一になっている。この誘電体膜または誘電体層90は、たとえばアルミナ(Al2O3)からなるセラミックをたとえばアルミニウムからなる電極基板に溶射することによって形成されてよい。
FIG. 19 and FIG. 20 show one configuration example of the electrode in one embodiment of the present invention. FIG. 19 shows a configuration example applied to the
かかる電極構造によれば、プラズマPZ側に対して相対的に電極中心部側のインピーダンスが大きく電極エッジ部側のインピーダンスが低いため、電極エッジ部側における高周波電界が強められる一方で電極中心部側の高周波電界が弱められ、電界強度ないしプラズマ密度の均一性が改善される。特に、図19の構成例においては、電極12の裏面側から表皮効果で主面側へ回った電流は誘電体膜90に流れ込むと膜厚の小さい部分(誘電体層の薄い部分)からプラズマ側へ抜けやすいため、電極エッジ部側における高周波電力の放出とプラズマ密度を強めることができる。
According to such an electrode structure, since the impedance at the electrode center portion side is relatively large with respect to the plasma PZ side and the impedance at the electrode edge portion side is low, the high frequency electric field at the electrode edge portion side is enhanced while the electrode center portion side is The high frequency electric field is weakened, and the uniformity of the electric field strength or plasma density is improved. In particular, in the configuration example of FIG. 19, when a current that has turned from the back surface side of the
誘電体膜90の膜厚分布特性の中で重要なパラメータの1つは電極中心部の膜厚である。図21に示すように上部電極38に円盤状の誘電体膜90を設ける平行平板電極構造において、上部電極中心部の膜厚Dcをパラメータにして電極間の径方向の電界強度分布をシミュレーションで求めたところ、図22に示すような電界強度分布特性が得られた。このシミュレーションは、被処理基板として300mm口径の半導体ウエハを想定しており、上部電極38にはアルミニウム、誘電体膜90にはアルミナ(Al2O3)、下部電極12にはアルミニウムをそれぞれ用いている。図22から、0.5mm〜10mmの範囲内では、電極中心部の膜厚が大きいほど電界強度の面内均一性が向上し、8mm〜10mmの膜厚が特に好ましいことがわかる。なお、図22の横軸上で「0」の位置は電極中心点の位置を表す。
One of the important parameters in the film thickness distribution characteristic of the
また、誘電体膜90の膜厚が電極中心部から電極エッジ部にかけて減少変化するプロファイルも重要である。図23および図24に、上部電極38の誘電体膜90に関する膜厚プロファイルの実施例を示す。
In addition, a profile in which the film thickness of the
図23(A)に示す実施例[1]は、誘電体膜90の膜厚Dにつき、φ(直径)0〜30mmでD=9mm(フラットつまり一定)、φ30〜160mmでD=8mm(フラット)、φ160〜254mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定する。
In the embodiment [1] shown in FIG. 23A, the thickness D of the
図23(B)に示す実施例[2]は、φ0〜30mmでD=9mm(フラット)、φ30〜80mmでD=8mm(フラット)、φ80〜160mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定する。 In Example [2] shown in FIG. 23B, φ = 30 mm and D = 9 mm (flat), φ30 to 80 mm, D = 8 mm (flat), and φ80 to 160 mm, D = 8 to 3 mm (taper). To do.
図23(C)に示す実施例[3]は、φ0〜30mmでD=9mm(フラット)、φ30〜160mmでD=8mm(フラット)、φ160〜330mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定する。 In Example [3] shown in FIG. 23 (C), D = 9 mm (flat) at φ0-30 mm, D = 8 mm (flat) at φ30-160 mm, and D = 8-3 mm (taper) at φ160-330 mm. To do.
図23(D)に、上記実施例[1],[2],[3]のプロファイルを曲線で簡明に示す。併せて、断面形状を図示省略するが、φ0〜150mmでD=0.5mm(フラット)に設定する実施例[4]のプロファイルも示し、さらには理想的なプロファイルも示す。ここで、理想的なプロファイルは、φ0〜300mmでD=9〜0mm(アーチ型)に設定するものである。 FIG. 23D clearly shows the profiles of the above-described embodiments [1], [2], and [3] with curves. In addition, although the cross-sectional shape is not shown, the profile of Example [4] in which D is set to 0.5 mm (flat) at φ0 to 150 mm is shown, and an ideal profile is also shown. Here, an ideal profile is set to D = 9 to 0 mm (arch type) at φ0 to 300 mm.
図24に、実施例[1],[2],[3],[4]および理想プロファイルによってそれぞれ得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を示す。図24から、理想プロファイルによる電界強度分布特性が面内均一性に最も優れており、実施例[1],[2],[3],[4]の中では理想プロファイルに近い実施例[1]および[3]の面内均一性が優れていることがわかる。 FIG. 24 shows electric field intensity distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained by Examples [1], [2], [3], [4] and ideal profiles, respectively. From FIG. 24, the electric field strength distribution characteristic by the ideal profile is the most excellent in in-plane uniformity, and the examples [1], [2], [3], and [4] are examples close to the ideal profile [1] It can be seen that the in-plane uniformity of [3] and [3] is excellent.
なお、図23の(A),(B),(C)に示すように、上部電極38(電極板56)においては、拡散したプラズマPZからの高周波電流を受けるため、被処理基板の口径よりも直径を大きくしてエッジ部を半径方向外側に延長してよい。ここで、上部電極38の主面において誘電体膜90の周囲または径方向外側の部分にたとえば20μmの膜厚の溶射被膜92を形成してもよい。図示省略するが、チャンバ10の内壁面にも同様の溶射被膜92を形成することができる。溶射被膜92としては、たとえばAl2O3、Y2O3などを用いることができる。また、誘電体膜90および溶射被膜92のそれぞれのおもて面つまりプラズマに曝される面は略面一になっている。
Note that, as shown in FIGS. 23A, 23B, and 23C, the upper electrode 38 (electrode plate 56) receives a high-frequency current from the diffused plasma PZ. Alternatively, the edge may be extended radially outward by increasing the diameter. Here, a sprayed
図25および図26に、誘電体膜90に関する膜厚プロファイルの別の実施例を示す。図25(A)に示す実施例[5]は、誘電体膜90の膜厚Dにつき、φ0〜250mmでD=5mm(フラット)に設定する。図25(B)の実施例[6]は、φ0〜30mmでD=9mm(フラット)、φ30〜250mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定する。図25(C)の実施例[7]は、φ0〜30mmでD=9mm(フラット)、φ30〜250mmでD=5〜3mm(テーパ)に設定する。図23(D)に実施例[5],[6],[7]のプロファイルを曲線で簡明に示す。
25 and 26 show another example of the film thickness profile for the
図26に、実施例[5],[6],[7]によってそれぞれ得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を示す。図26から、これらの実施例[5],[6],[7]の中では理想プロファイルに最も近い実施例[6]が面内均一性において最も優れていることと、実施例[5]も十分実用性があることがわかる。つまり、実施例[6]のように電極中心部から電極エッジ部にかけて誘電体膜90の膜厚Dがほぼ直線的またはテーパ状に減少するようなプロファイルでも、アーチ型の理想的プロファイルに近い面内均一性が得られる。また、実施例[5]のように電極中心部から電極エッジ部にかけて誘電体膜90の膜厚Dがほぼ一定(フラット)なプロファイルでも、実用性のある面内均一性が得られる。
FIG. 26 shows the electric field intensity distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained by Examples [5], [6], and [7], respectively. From FIG. 26, among these Examples [5], [6], and [7], Example [6] that is closest to the ideal profile is the most excellent in in-plane uniformity, and Example [5] It can be seen that there is sufficient practicality. That is, even in a profile in which the film thickness D of the
図27および図28に、誘電体膜90に関する膜厚および膜質プロファイルの別の実施例を示す。図27(A)に示す実施例[8]は、誘電体膜90の膜厚Dにつき、φ0〜30mmでD=9mm(フラット)、φ30〜250mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定する。図27(B)の実施例[9]は、φ0〜30mmでD=5mm(フラット)、φ30〜250mmでD=5〜3mm(テーパ)に設定する。図27(C)に実施例[8],[9]のプロファイルを曲線で簡明に示す。
27 and 28 show another example of the film thickness and film quality profile for the
ここで、誘電率εをパラメータとして、実施例[8]は、誘電体膜90の材質が誘電率ε=8.5のアルミナ(Al2O3)である実施例[8]−Aと、ε=3.5の酸化シリコン(SiO2)である実施例[8]−Bとに分けられる。また、実施例[9]も、ε=8.5のアルミナ(Al2O3)である実施例[9]−Aと、ε=3.5の酸化シリコン(SiO2)である実施例[9]−Bとに分けられる。
Here, with the dielectric constant ε as a parameter, the embodiment [8] is an embodiment [8] -A in which the material of the
図28に、実施例[8]−A,[8]−B,[9]−A,[9]−Bによってそれぞれ得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を示す。図28から、ε=8.5の実施例[8]−A,[9]−Aの間では電極中心部の膜厚Dcの大きい[8]−Aの方が[9]−Aよりも電界強度Eの面内均一性に優れており、ε=3.5の実施例[8]−B,[9]−Bの間では電極中心部の膜厚Dcの小さい[9]−Bの方が[8]−Bよりも電界強度Eの面内均一性に優れていることがわかる。 FIG. 28 shows the electric field strength distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained by Examples [8] -A, [8] -B, [9] -A, and [9] -B, respectively. From FIG. 28, between [8] -A and [9] -A in the case of ε = 8.5, [8] -A where the film thickness D c at the center of the electrode is larger than [9] -A. Is excellent in the in-plane uniformity of the electric field strength E, and [9] − in which the film thickness D c at the center of the electrode is small between Examples [8] −B and [9] −B where ε = 3.5. It can be seen that B has better in-plane uniformity of the electric field strength E than [8] -B.
図29のグラフは、図28のデータに基づいて、実用上十分な面内均一性を与える誘電体膜90の誘電率εと中心部の膜厚Dcとの相関関係を示す。このグラフから、誘電体膜90の誘電率εに対応させて中心部の膜厚Dcを設定すればよいことがわかる。
The graph of FIG. 29 shows the correlation between the dielectric constant ε of the
図30に、実施形態のプラズマエッチング装置(図1)を用いる有機膜エッチングのエッチング速度分布特性(X方向,Y方向)について、上部電極38に本発明による誘電体膜90を設ける実施例(A)と、上部電極38に本発明による誘電体膜90を設けない比較例(B)とを対比して示す。なお、実施例(A)は上記実施例[1]に相当するものである。主なエッチング条件は、下記のとおりである。
ウエハ口径:300mm
エッチングガス:NH3
ガス流量:245sccm
ガス圧力:30mTorr
RF電力:下部=2.4kW
ウエハ裏面圧力(センター部/エッジ部):20/30Torr(Heガス)
温度(チャンバ側壁/上部電極/下部電極)=60/60/20゜C
30 shows an etching rate distribution characteristic (X direction, Y direction) of organic film etching using the plasma etching apparatus (FIG. 1) according to the embodiment. Example (A) ) And a comparative example (B) in which the
Wafer diameter: 300 mm
Etching gas: NH 3
Gas flow rate: 245sccm
Gas pressure: 30mTorr
RF power: Bottom = 2.4kW
Wafer back pressure (center / edge): 20/30 Torr (He gas)
Temperature (chamber side wall / upper electrode / lower electrode) = 60/60/20 ° C
図30から明らかなように、電界強度分布特性と呼応するようにエッチング速度の面内均一性においても実施例(A)の方が比較例(B)よりも格段に優れている。 As is clear from FIG. 30, the example (A) is much superior to the comparative example (B) in the in-plane uniformity of the etching rate in correspondence with the electric field strength distribution characteristics.
図31に、本発明による誘電体膜90をサセプタ(下部電極)12に設ける実施例(A)を比較例(B)と対比して示す。たとえば口径300mmの半導体ウエハWに対応させる場合、実施例(A)ではサセプタ12における誘電体膜90の膜厚Dを電極中心部で4mm、電極エッジ部で200μmとしており、比較例(B)ではサセプタ12の上面に一様な膜厚0.5mmの誘電体膜94を設けている。誘電体膜90,94の材質はいずれもアルミナ(Al2O3)でよい。
FIG. 31 shows an example (A) in which a
図32に、実施形態のプラズマエッチング装置(図1)を用いる有機膜エッチングのエッチング速度分布特性(X方向,Y方向)について、図31(A)の実施例(A)と図31(B)の比較例(B)とを対比して示す。エッチング条件は図30のものと同じである。サセプタ(下部電極)12の場合も、実施例(A)の方が比較例(B)よりも格段にエッチング速度の面内均一性が優れていることがわかる。また、エッチング速度自体においても、実施例(A)の方が比較例(B)よりも約10%大きいことがわかる。なお、実施例(A)では電極中心部における誘電体膜90の膜厚Dを4mmに設定したが、9mm程度まで大きくしても同様の効果が得られる。
FIG. 32 shows the etching rate distribution characteristics (X direction, Y direction) of organic film etching using the plasma etching apparatus of the embodiment (FIG. 1), with the examples (A) and 31 (B) of FIG. Comparative example (B) is shown in comparison. Etching conditions are the same as those in FIG. Also in the case of the susceptor (lower electrode) 12, it can be seen that the in-plane uniformity of the etching rate is significantly superior in the example (A) than in the comparative example (B). It can also be seen that the etching rate itself is about 10% greater in Example (A) than in Comparative Example (B). In Example (A), the film thickness D of the
図33および図34につき、本発明の更なる実施例を説明する。この実施例は、特に誘電体膜90を上部電極38に設ける構成に適用して好適である。図33(A)、(B)に示すように、この実施例では、上部電極38の主面上に誘電体膜90の一部(通常はエッジ部周辺)を覆う導電性のシールド板100を設ける。このシールド板100は、たとえば表面をアルマイト処理(92)されたアルミニウム板からなり、ネジ102で上部電極38に着脱可能つまり交換可能に取り付けられるのが好ましい。シールド板100の中心部には、誘電体膜90と同軸で誘電体膜90の少なくとも中心部を露出させる所望の口径θの開口部100aが形成されている。シールド板100の板厚は、たとえば5mm程度に選定されてよい。
33 and 34, a further embodiment of the invention will be described. This embodiment is particularly suitable for application to a configuration in which the
具体例として、図33(A)に示す実施例(A)ではθ=200mm、図33(B)に示す実施例(B)ではθ=150mmに設定する。両実施例(A),(B)のいずれも、誘電体膜90を直径250mmの円盤型に形成し、その膜厚プロファイルを、φ0〜160mmでD=8mm(フラット)、φ160〜250mmでD=8〜3mm(テーパ)に設定している。
As a specific example, θ is set to 200 mm in the embodiment (A) shown in FIG. 33A, and θ is set to 150 mm in the embodiment (B) shown in FIG. In both examples (A) and (B), the
図34に図33の実施例(A),(B)によってそれぞれ得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を示す。図34から、誘電体膜90の一部を導電性のシールド板100で覆うことにより、その覆った領域における誘電体膜90の作用つまり電界強度低減効果を著しく低減またはキャンセルできることがわかる。したがって、シールド板100の開口部100aの口径θを変えることによって(シールド板100の部品交換により)、両電極12,38間の電界強度分布特性を調整することができる。
FIG. 34 shows the electric field strength distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained by the embodiments (A) and (B) of FIG. FIG. 34 shows that by covering a part of the
図35〜図38に、本発明の更なる実施例を示す。この実施例も、特に誘電体膜90を上部電極38に設ける構成に適用して好適である。図35(A)に示すように、この実施例では、上部電極38の主面上で、誘電体膜90よりも大きな径方向位置(口径ωの位置)から外側の電極部分38fを、誘電体膜90における電極間ギャップG0よりも電極部分38fにおける電極間ギャップGfが小さくなるように、サセプタ12側あるいはプラズマ生成空間側に向かって所望の突出量(張出量)hだけ張り出させる。
A further embodiment of the present invention is shown in FIGS. This embodiment is also particularly suitable for application to a configuration in which the
具体例として、図35(A)に示す実施例(A)では、誘電体膜90の直径が80mm、膜厚プロファイルがφ0〜60mmでD=3mm(フラット)、φ60〜80mmでD=3〜1mm(テーパ)である構成において、ω=260mmに設定し、誘電体膜90における電極間ギャップGoがGo=40mmに対して、h=10mmに設定し、外側電極張出部38fにおける電極間ギャップGfをGf=30mmにしている。なお、外側電極張出部38fの張出段部を約60゜に傾斜させている。この傾斜角は任意の大きさに選べる。
As a specific example, in the embodiment (A) shown in FIG. 35A, the
図35(B)には、比較例として、上部電極38に張出部38fを設けずに実施例(A)と同じ径サイズおよび同じ膜厚プロファイルの誘電体膜90を設ける構成を示す。また、図35(C)には、参考例として、上部電極38に張出部38fおよび誘電体膜90のいずれも設けない構成を示す。図35(B),(C)のいずれも電極間ギャップは径方向で一定であり、Go=40mmである。
FIG. 35B shows a configuration in which the
図36に、図35の実施例(A)で得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を上記比較例(B)および参考例(C)と対比して示す。図36から、実施例(A)のように、誘電体膜90の径方向外側に張出部38fを設けることにより、半導体ウエハWのエッジ部付近の領域(図示の例では、中心から半径約90mm〜150mmの領域)で電界強度Eを高める方向に電界強度分布特性を制御または調整することができる。この張出部38fによる電界強度分布制御の加減量は、張出量hで調整可能であり、好ましくはh=10mm以上としてよい。
FIG. 36 shows the radial electric field strength distribution characteristics between the electrodes obtained in the example (A) of FIG. 35 in comparison with the comparative example (B) and the reference example (C). As shown in FIG. 36, by providing an overhanging
また、図37に示すように、外側電極張出部38fの張出段部の位置(口径ωの値)を任意に選定することができる。具体的には、図37(A)の実施例ではω=350mmに設定し、図37(B)の実施例ではω=400mmに設定している。また、両実施例(A)、(B)のいずれも、誘電体膜90の膜厚プロファイルがφ0〜80mmでD=8mm(フラット)、φ80〜160mmでD=8〜3mm(テーパ)であり、誘電体膜90における電極間ギャップGoがGo=30mmに対して張出量h=10mmに設定し、外側電極張出部38fにおける電極間ギャップGfをGf=20mmにしている。また、外側電極張出部38fの張出段部を約60゜に傾斜させている。
Moreover, as shown in FIG. 37, the position (value of aperture ω) of the protruding step portion of the outer
図37(C)には、参考例として、上部電極38に張出部38fを設けずに実施例(A),(B)と同じ径サイズおよび同じ膜厚プロファイルの誘電体膜90を設ける構成を示す。電極間ギャップは径方向で一定であり、Go=30mmである。
In FIG. 37C, as a reference example, the
図38に、図37の実施例(A),(B)でそれぞれ得られる酸化膜エッチングのエッチング速度(規格化値)分布特性を上記参考例(C)と対比して示す。主なエッチング条件として、ウエハ口径は300mmで、圧力は15mTorr、処理ガスにC4F6/Ar/O2/COを使用した。図38から、上部電極38の主面上で外側電極張出部38fの張出段部を半導体ウエハWのエッジよりも径方向外側に設ける構成では、張出段部位置をウエハエッジに近づけるほど(ωを小さくするほど)ウエハエッジ付近の領域(図示の例では中心から半径約70mm〜150mmの領域)でエッチング速度(つまり電界強度またはプラズマ電子密度)を増大させる効果が大になることがわかる。
FIG. 38 shows the etching rate (normalized value) distribution characteristics of the oxide film etching obtained in the examples (A) and (B) of FIG. 37 in comparison with the reference example (C). As main etching conditions, the wafer diameter was 300 mm, the pressure was 15 mTorr, and C 4 F 6 / Ar / O 2 / CO was used as the processing gas. 38, in the configuration in which the protruding step portion of the outer
図35〜図38の実施例では、上記のように、上部電極38の主面上で誘電体膜90より径方向外側の電極部分をプラズマ生成空間に向かって張り出させる構成とした。反対に、図39(A)に示すように、上部電極38の主面上で誘電体膜90をプラズマ生成空間に向かって所望の突出量(張出量)kだけ張り出させる構成も可能である。具体例として、図39(A)の実施例では、誘電体膜90の直径が250mmでその膜厚プロファイルがφ0〜160mmでD=8mm(フラット)、φ160〜250mmでD=8〜3mm(テーパ)である構成において、テーパ面90aをサセプタ12側に向けてk=5mmに設定し、誘電体膜90における電極間ギャップGmをGm=35mmとしている。誘電体膜90よりも径方向外側の電極部分はフラット面で、電極間ギャップGoはGo=40mmである。
In the embodiment of FIGS. 35 to 38, as described above, the electrode portion radially outward from the
図39(B)には、比較例として、上部電極38に実施例(A)と同じ膜厚プロファイルの誘電体膜90を張り出させずに逆さの向きで(テーパ90aを裏側に向けて)設けた構成を示す。また、図39(C)には、参考例として、上部電極38に誘電体膜90を設けない構成を示す。図39(B),(C)のいずれも電極間ギャップは径方向で一定であり、Go=40mmである。
In FIG. 39B, as a comparative example, the
図40に、図39の実施例(A)で得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を上記参考例(B)および比較例(C)と対比して示す。図40から、実施例(A)のように、誘電体膜90を張り出させることにより、そうしない場合(B)に比べて径方向の各位置で電界強度Eを強める方向に電界強度分布特性を制御または調整することができる。この張出部38による電界強度分布制御の加減量は、張出量kで調整可能であり、好ましくはk=5mm以上としてよい。
FIG. 40 shows the electric field intensity distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained in the example (A) of FIG. 39 in comparison with the reference example (B) and the comparative example (C). From FIG. 40, as shown in the embodiment (A), by extending the
図41に、上部電極38の主面上で誘電体膜90の径方向外側に張出部38fを設ける構成の一変形例を示す。図示のように、誘電体膜90のエッジ部を外側電極張出部38fに連続させたり、誘電体膜90のエッジ部も外側電極張出部38fと一緒に張り出させたりする構成も可能である。
FIG. 41 shows a modification of the configuration in which the overhanging
図42〜図45に、本発明の更に別の実施例を示す。この実施例では、図42に示すように、上部電極38の主面に設ける誘電体膜90を内部に空洞104を有する中空の誘電体たとえば中空セラミックスで構成する。この実施例でも、中空誘電体90において径方向中心部側の厚さをエッジ部側の厚さよりも大きくするプロファイルが好ましい。
42 to 45 show still another embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 42, a
この中空誘電体90の空洞104の中には、流動性の誘電性物質NZが所望の量だけ入れられる。空洞104内の誘電性流動体NZは、その占有体積に応じて誘電体90の一部を形成する。このような誘電性流動体NZとしては、紛体等も可能であるが、特に有機溶剤(たとえばガルデン)が好ましい。空洞104に誘電性流動体NZを出し入れするためのポートとして、たとえば複数本のパイプ106,108を電極38の裏面側から空洞104の異なる箇所(たとえば中心部とエッジ部)に接続してよい。中空誘電体90の空洞104に誘電性流動体NZを入れるときは、図42(B)に示すように、一方のパイプ106から誘電性流動体NZを導入しながら、他方のパイプ106から空洞104内のエアーを抜く。空洞104内の誘電性流動体NZの量を減らすときは、図42(C)に示すように、一方のパイプ106からエアーを送り込みながら、他方のパイプ106から空洞104内の誘電性流動体NZを抜けばよい。
A desired amount of fluid dielectric material NZ is placed in the
図43に、この実施例における一具体例を示す。中空誘電体90全体は直径210mmの円盤に形成され、厚みはφ0〜60mmでD=6mm(フラット)、φ60〜210mmでD=6〜3mm(テーパ)である。中空誘電体90の空洞104は、厚みαが2mmで、直径βが180mmである。
FIG. 43 shows a specific example in this embodiment. The entire
図44に、図43の具体例で得られる電極間の径方向の電界強度分布特性を示す。図中、ε=1の分布特性Aは、図42(A)の状態つまり中空誘電体90の空洞104を完全に空にして空気で満たした状態で得られるものである。また、ε=2.5の分布特性Bは、図42(C)の状態つまり中空誘電体90の空洞104にガルデンを満杯に充填した状態で得られるものである。空洞104に入れるガルデンの量を調整することで、両特性A,B間の任意の特性が得られる。
FIG. 44 shows the electric field strength distribution characteristics in the radial direction between the electrodes obtained in the specific example of FIG. In the figure, the distribution characteristic A with ε = 1 is obtained in the state of FIG. 42A, that is, in the state where the
このように、この実施例では、中空誘電体90の空洞104に入れる流動性の誘電性物質NZの種類および量を変えることで、誘電体90全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスを可変制御することができる。
Thus, in this embodiment, the dielectric constant or dielectric impedance of the
図45に、この実施例における種々の変形例を示す。図45(A)の変形例は、誘電体90のおもて面をセラミックス板91で形成し、内側の空洞104においてセラミックス板91と対向する壁面を上部電極38の母材(アルミニウム)で形成する。つまり、上部電極38の主面に誘電体90の形状に応じた凹部38cを形成し、この凹部38cをセラミックス板91で蓋をする構成である。セラミックス板91の外周を封止するために、たとえばOリング等のシール部材110を設けるのが好ましい。この場合には、凹部38cまたは空洞104の形状が重要であり、やはり中心部側の厚みをエッジ部側の厚みよりも大きくする形状が好ましい。
FIG. 45 shows various modifications of this embodiment. In the modification of FIG. 45A, the front surface of the dielectric 90 is formed by the
図45(B),(C)の構成例は、中空誘電体90内で誘電性流動体NZに割り当てるスペースまたは空洞104を特定の領域に限定または局所化するものである。たとえば、図45(B)に示すように誘電体90の中心部領域に空洞104のスペースを局在化する構成や、図45(C)に示すようにセラミックス板91の厚みを径方向で変化させて(中心部からエッジ部に向かって次第に小さくして)空洞104のスペースを相対的に誘電体90の周辺部領域に局在化する構成等が可能である。このように、中空誘電体90において空洞104のスペースを所望の領域ないし形状に規定することで、誘電性流動体NZによる誘電率調整機能に種々のバリエーションをもたせることができる。
45 (B) and 45 (C) limit or localize the space or
図45(D)の構成例は、中空誘電体90内の空洞104を複数の室に分割して各室毎に誘電性流動体NZの出し入れや充填量を独立に制御するようにしたものである。たとえば、図示のように、セラミックス板91に一体に形成した環状の隔壁板91aによって空洞104を中心部側の室104Aと周辺部側の室104Bとに2分割することができる。
In the configuration example of FIG. 45D, the
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態および上記構成例におけるそれぞれの電極構造を組み合わせることも可能である。たとえば、上記実施形態による誘電体90を有する電極構造と上記第1の構成例による凸部70を有する電極構造または第2の構成例による凹部80を有する電極構造とを組み合わせることも可能である。つまり、上記実施形態による電極構造をたとえば図19のようにサセプタ12に適用して上部電極38には上記第1の構成例による電極構造(図2、図3)または上記第2の構成例による電極構造(図15、図16)を適用するアプリケーションや、上記実施形態による電極構造を図20のように上部電極38に適用してサセプタ12には上記第1の構成例による電極構造(図2,図3)または上記第2の構成例による電極構造(図15、図16)を適用するアプリケーション等も可能である。もちろん、上記実施形態または上記第1または第2の構成例による電極構造を上部電極および下部電極の双方に適用するアプリケーションや、上記実施形態または上記第1または第2の構成例による電極構造を上部電極もしくは下部電極だけに適用し、他方の電極に従来一般の電極を用いるアプリケーション等も可能である。
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but it is also possible to combine the electrode structures in the above embodiments and the above configuration examples. For example, the electrode structure having the dielectric 90 according to the above embodiment and the electrode structure having the
また、上記実施形態におけるプラズマエッチング装置(図1)は、プラズマ生成用の1つの高周波電力をサセプタ12に印加する方式であった。しかし、図示省略するが、本発明は上部電極38側にプラズマ生成用の高周波電力を印加する方式や、上部電極38とサセプタ12とに周波数の異なる第1および第2の高周波電力をそれぞれ印加する方式(上下高周波印加タイプ)や、サセプタ12に周波数の異なる第1および第2の高周波電力を重畳して印加する方式(下部2周波重畳印加タイプ)などにも適用可能であり、広義には減圧可能な処理容器内に少なくとも1つの電極を有するプラズマ処理装置に適用可能である。さらに、本発明は、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装置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。
Further, the plasma etching apparatus (FIG. 1) in the above embodiment is a system in which one high frequency power for plasma generation is applied to the
10 チャンバ
12 サセプタ
32 高周波電源
38 上部電極
90 誘電体膜
104 空洞
106,108 パイプ(ポート)
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1の電極の内部の主面側に空洞を有し、前記空洞の中に流動性の誘電性物質を出し入れ可能とし、
前記第1の電極の中心部側における前記空洞の厚さをエッジ部側における前記空洞の厚さより大きくし、
前記空洞の中に収容する前記流動性の誘電性物質の種類または量を変えることにより、前記第1の電極の主面において前記空洞全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスが可変に制御される、
プラズマ処理装置。 A first electrode is provided in a depressurizable processing container, a high-frequency electric field is formed in the processing container and a processing gas is flown to generate plasma of the processing gas, and a desired substrate is formed on the target substrate under the plasma. A plasma processing apparatus for performing plasma processing,
A cavity on the main surface side of the inside of the first electrode, allowing a fluid dielectric material to be taken in and out of the cavity;
The thickness of the cavity on the center side of the first electrode is larger than the thickness of the cavity on the edge side;
By changing the type or amount of the fluid dielectric substance contained in the cavity, the dielectric constant or dielectric impedance of the entire cavity is variably controlled on the main surface of the first electrode.
Plasma processing equipment.
前記空洞に前記誘電性物質を入れるときは、前記第1のポートより前記空洞に前記誘電性物質を導入しながら、前記第2のポートより前記空洞内のエアーを抜き、
前記空洞内の前記誘電性物質の量を減らすときは、前記第1のポートより前記空洞にエアーを送り込みながら、前記第2のポートより前記空洞内の誘電性物質を抜くように構成された、請求項1に記載のプラズマ処理装置。 Having first and second ports respectively connected to the first and second locations of the cavity from the back side of the first electrode;
When introducing the dielectric material into the cavity, the dielectric material is introduced into the cavity from the first port, and air in the cavity is extracted from the second port,
When reducing the amount of the dielectric material in the cavity, the dielectric material in the cavity is extracted from the second port while air is sent from the first port to the cavity. The plasma processing apparatus according to claim 1.
前記電極構造体の内部の主面側に空洞を有し、前記空洞の中に流動性の誘電性物質を出し入れ可能とし、
前記電極構造体の中心部側における前記空洞の厚さをエッジ部側における前記空洞の厚さより大きくし、
前記空洞の中に収容する前記流動性の誘電性物質の種類または量を変えることにより、前記電極構造体の主面において前記空洞全体の誘電率ないし誘電性インピーダンスが可変に制御される、
電極構造体。 An electrode structure provided in a processing vessel for generating plasma in a plasma processing apparatus of a high frequency discharge method,
Have a cavity on the main surface side of the interior of the electrode structure, to allow loading and unloading the flowable dielectric material in said cavity,
The thickness of the cavity on the center side of the electrode structure is larger than the thickness of the cavity on the edge side,
By changing the type or amount of the flowable dielectric material contained in the cavity, the dielectric constant or dielectric impedance of the entire cavity is variably controlled on the main surface of the electrode structure.
Electrode structure .
前記空洞に前記誘電性物質を入れるときは、前記第1のポートより前記空洞に前記誘電性物質を導入しながら、前記第2のポートより前記空洞内のエアーを抜き、
前記空洞内の前記誘電性物質の量を減らすときは、前記第1のポートより前記空洞にエアーを送り込みながら、前記第2のポートより前記空洞内の誘電性物質を抜くように構成された、請求項7に記載の電極構造体。 Having first and second ports respectively connected to the first and second locations of the cavity from the back side of the electrode structure;
When introducing the dielectric material into the cavity, the dielectric material is introduced into the cavity from the first port, and air in the cavity is extracted from the second port,
When reducing the amount of the dielectric material in the cavity, the dielectric material in the cavity is extracted from the second port while air is sent from the first port to the cavity. The electrode structure according to claim 7.
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