JP5789281B2 - 傾斜可能なオーバーヘッドｒｆ誘導源を備えたプラズマリアクタ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、ＰＬＡＳＭＡ ＲＥＡＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＴＩＬＴＡＢＬＥ ＯＶＥＲＨＥＡＤ ＲＦ ＩＮＤＵＣＴＩＶＥ ＳＯＵＲＣＥの名称で、ケネス・コリンズらにより２００９年９月３日に出願された米国仮出願第６１／２３９，７１１号の利益を主張する。

背景

プラズマエッチングプロセスは、半導体ウェハ又はワークピース上に薄膜構造体を画定する微細な電子回路の製造に採用されている。一般的には、円盤状のワークピースが、円筒状のリアクタチャンバ内で処理される。エッチングプロセスによって形成される薄膜構造体内の構造の大きさは、例えば数十ナノメートルほどの小ささである可能性がある。ワークピースの表面全体にわたるエッチング速度分布の均一性は、機能デバイスを達成する上で非常に重要である。エッチング速度分布は、ワークピースのプラズマエッチング処理中に存在するワークピース表面全体にわたるプラズマイオン密度分布を反映している。エッチングプロセスは、プラズマ源がリアクタチャンバの天井の上方のコイルアンテナによって構成される誘導結合ＲＦプラズマを採用することができる。エッチング速度分布は半径方向に不均一性を有する可能性があり、この不均一パターンは一般的にリアクタチャンバの円筒対称軸の周りで対称である。例えば、エッチング速度分布は、主に、中高又は中低のプラズマイオン密度分布を反映する可能性がある。そのような半径方向の不均一性のパターンは、互いに分離し、ＲＦ電力によって独立して駆動される２以上の同心コイルアンテナに天井コイルアンテナを分割することによって補正することができる。エッチング時の半径方向の不均一性は、そのようなリアクタ内において、別々の同心コイルアンテナに独立して伝送されるＲＦ電力レベルを調整することによって補正される。この構成は、エッチング速度分布内の半径方向の不均一性を補正する上ではうまく機能するが、エッチング速度分布内の非対称な不均一性を補正するためにはあまり適していない。このような非対称な不均一性は、「スキュー」不均一性と呼ばれることもあり、通常はワークピースの対向する側のエッチング速度間の差として現れる。１つの簡単な例として、ワークピースの半分は、他の半分よりも高いエッチング速度を起こす可能性がある。実際の生産条件の下では、ワークピース表面全体にわたって測定されたエッチング速度分布は、半径方向の不均一性とスキューの不均一性の両方を組み合わせて有していることが、しばしば見られる。スキューの不均一性がどうにかして補正又は除去できた場合は、残りの不均一性、すなわち半径方向の不均一性は、異なる同心のオーバーヘッドコイルアンテナに伝送されるＲＦ電力レベルを分配することによって除去することができる。その結果、ワークピース表面全体にわたるすべてのエッチング速度分布の不均一性が補正される。問題は、エッチング速度分布におけるスキュー不均一性をどのように除去するかである。

概要

ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、プロセスチャンバ内部を画定し、チャンバ側壁及びチャンバ天井と、プロセスチャンバ内部の内側にワークピースホルダーを含む処理チャンバエンクロージャと、天井の上にあり、ＲＦエンクロージャ側壁及びＲＦエンクロージャ上部カバーを含む導電性ＲＦエンクロージャを含む。ショルダーリングはＲＦエンクロージャ側壁上で支持され、浮動支持板は導電性ＲＦエンクロージャ内部でショルダーリングに隣接して配置される。複数の半径方向内側及び外側ＲＦプラズマソースパワーアプリケータは、浮動支持板の下方でチャンバ天井の上方の空間内で、浮動支持板から吊り下げられる。複数のＲＦ電力源は、複数のＲＦプラズマパワーアプリケータのうちの対応する１つに結合している。ショルダーリングに対して固定される複数のアクチュエータは、ショルダーリングの周りで周期的な間隔で離間される。複数のアクチュエータのうちの各々１つは、軸方向に可動なアームと、可動アームを軸方向に駆動するモーターを有する。２つのジョイント端部を有する回転可能なジョイントが提供され、ジョイント端部の一端は軸方向に可動なアームに接続され、ジョイント端部の他端は１つのアクチュエータに隣接する浮動支持板の一部に接続される。これによって、浮動板は、複数のアクチュエータのうちの各々１つの回転可能なジョイントによって各々複数の位置で支持される。好ましい実施形態では、アクチュエータは３つのみが提供され、浮動支持板の動きの完全な自由を確保する。

本発明の例示的な実施形態が達成され、詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本発明のより具体的な説明を、添付図面に示されている本発明の実施形態を参照して行う。本発明を不明瞭にしないために、特定の既知のプロセスは本明細書内で議論されないことを理解すべきである。

一実施形態に係るリアクタの部分切欠側面図である。 図１に対応する上面図である。 図１のリアクタの一部の拡大図である。 図３に対応する別の拡大図である。 図１のリアクタに含まれる制御システムのブロック図である。 図５の制御システムの動作を示すブロックフロー図である。 一実施形態に係る図１のオーバーヘッドコイル源の動作を制御する図５の制御システムで用いられる座標系を示す。 一実施態様における図１のリアクタのアクチュエータの三次元位置を示す図である。 別の実施形態に係るリアクタを示す。

理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。

詳細な説明

参照図１〜４は、ＲＦ誘導結合プラズマを用いた反応性イオンエッチングプロセスを実行するために用いられた種類のリアクタを示す。リアクタは、円盤状の天井１２と、チャンバ１６を画定する円筒状の側壁１４を含むチャンバエンクロージャ１０を備える。チャンバ１６内部には、バイアス電極２０を含むワークピース支持台１８がある。プラズマバイアス電力発生器２２は、ＲＦバイアスインピーダンス整合器２４を介してバイアス電極２０に結合される。

金属で形成されたＲＦエンクロージャ３０は、天井１２の上方に設けられ、ショルダーリング４０を支持する上端３５ａを有する金属製の接地された底部円筒状側壁３５と、ショルダーリング４０から延び、覆っている導電性カバー５０を支持する導電性の上部円筒状側壁４５を含む。カバー５０及び上部円筒状側壁４５は、一体成形可能であり、ＲＦグランドに結合してもよい。

処理ガス供給源５１は、例えば、側壁１４内（図示される）又は天井１２内に設けることができる処理ガス分配装置５２を介して、チャンバ１６内に処理ガスを供給する。真空ポンプ５３は、排気ポート５４を介してチャンバ１６を排気する。

浮動支持板５５は、ショルダーリング４０上に又はショルダーリングよりもわずかに上方に配置され、後述する方法で支持される。誘導結合プラズマソースパワーアプリケータは、支持板５５から下方に延びる２組のブラケット６０、６５によって、支持板５５の下で支持される。プラズマソースパワーアプリケータは、支持される螺旋状内側コイルアンテナ７０と、内側コイルアンテナ７０と同心の螺旋状外側コイルアンテナ７５を含む。ブラケット６０の組が内側コイルアンテナ７０を支持し、同時にブラケット６５の組が外側コイルアンテナ７５を支持する。ＲＦインピーダンス整合ボックス７６は、支持板５５上に置かれている。第１ＲＦ電力発生器７７は、インピーダンス整合ボックス７６内のインピーダンス整合要素（図示せず）を介して、内側コイルアンテナ７０に結合されている。第２ＲＦ電力発生器７８は、インピーダンス整合ボックス７６内の他のインピーダンス整合要素（図示せず）を介して、外側コイルアンテナ７５に結合されている。

フレキシブルなＲＦガスケット５７は、ショルダーリング４０と浮動支持板５５との間に、ＲＦシールド及び電気的導通を提供している。ＲＦガスケット５７は、環状の銅メッシュとすることができ、後述する３つのサポートサーボを収納するために遮断されてもよい。

支持板５５は、ショルダーリング４０上に等間隔（１２０度）に配置された３つのサポートサーボ８０、８５、９０によって支持されている。サポートサーボ８０、８５、９０は、一実施形態では同一であり、ショルダーリング４０の上面に固定された支持ベース１００と、レール及びランナーブロック１０５と、サーボモーター１１０によってそれぞれが構成されている。図示の実施形態では、レール及びランナーブロック１０５は、支持ベース１００に固定され、同時にサーボモーター１１０は、レール及びランナーブロック１０５に固定されるが、この関係は他の実施形態において変更又は逆転されてもよい。サーボモーター１１０は駆動プーリ１１２を回転させ、レール及びランナーブロック１０５は従動プーリ１１４を有し、プーリ１１２，１１４は駆動ベルト１１６により連結されている。レール及びランナーブロック１０５は、レール及びランナーブロック１０５内の直動垂直内部レール１２０によって制限される垂直作動エレベーターブロック１１８を有し、従動プーリ１１４が時計回りに回転するか、反時計回りに回転するかによって、エレベーターブロック１１８は垂直レール１２０に沿って上昇または下降する。エレベーターブロックは、浮動支持板５５の上方へ延びるラジアルアーム１３０を含む。ラジアルアーム１３０によって支持される垂直支柱１３５は、支持板５５に向かって下方へ延びる。従来の回転可能なボールジョイント（玉継手）１４０が、支柱１３５と支持板５５との間に結合されている。エレベーターブロック１１８の動作は、エレベーターブロック１１８が上昇するか下降するかに応じて、支持板５５のサーボに最も近い部分を上昇又は下降させる。ほとんどの場合、支持板５５の動作によって、板５５にはわずかにヨーイング又はローリングが起こり、同様にボールジョイント１４０には関節接合が起こる。必要に応じて、リミットスイッチ１５０を、エレベーターブロック１１８から横方向に延ばすことができ、上部及び下部リミットストップ１５５、１６０は、エレベーターブロックがリミットストップ１５５、１６０の位置によって決定される所定の上部及び下部の移動終点に達するたびに、リミットスイッチ１５０を作動させることができる。制御信号ケーブル１７０は、図１のリアクタの中央制御装置１７５からの電気制御信号及び電力を供給する。中央制御装置１７５は、３つのサポートサーボ８０、８５、９０の各々を制御する。ショルダーリング４０の周囲に等間隔に３つのサポートサーボ８０、８５、９０を配置することによって、コントローラ１７５は、リアクタチャンバ１６の対称軸に対して任意の方位角θに沿って配向された任意の傾斜軸周りに浮動支持板５５を回転させることができる。

図５は、エッチング速度分布の不均一性を補正するためのシステムへの図１のリアクタの統合を示している。システムは、図１のリアクタ内で反応性イオンエッチング処理が施されたワークピース又は半導体ウェハの表面全体にわたるエッチング速度分布を測定するための従来の測定器又はハードウェア４００を含む。メモリ４１０は、ハードウェア４００によって測定したエッチング速度分布データを格納する。コンピュータ４１５は、メモリ４１０内に格納されるエッチング速度分布データを処理し、そのデータからエッチング速度データ内でスキューの主軸を画定する方位角θを推定する。コンピュータ４１５は、スキューの大きさ（スキューの主軸全体にわたるエッチング速度の差）から、スキューを補正するのに最も可能性の高い角度θに沿って位置するスキューの主軸の周りに支持板５５が回転可能な所望の傾斜角αを更に決定することができる。コンピュータ４３０は、θとαから、角度θに沿って位置するスキューの主軸の周りの所望の回転傾斜角αを生成する３つのサーボ８０、８５、９０の各々のエレベーターブロック１１８の垂直偏向を計算する。この情報は、中央制御装置１７５に供給され、その後、３つのサーボ８０、８５、９０に浮動支持板５５の所望の動作を実行可能にする。

図６は、図５のシステムの動作方法を示す。まず、テストウェハが、図１のリアクタ内で処理され（図６のブロック５００）、ウェハ表面全体のわたるエッチング速度分布が得られる（ブロック５１０）。スキューの主軸を画定する方位角θが、エッチング速度分布から推定される（ブロック５２０）。更に、スキューの主軸の周りの傾斜角αも、エッチング速度分布から推定され（ブロック５３０）、具体的にはスキューの大きさから、又はスキューの主軸の反対側におけるエッチング速度の差から推定される。スキューの大きさが所定の閾値を下回る又は無視できる場合（ブロック５３５で「はい」の分岐）、スキュー補正処理はスキップされる。それ以外の場合（ブロック５３５で「いいえ」の分岐）、３つのサーボ８０、８５、９０の各々１つの垂直方向（Ｚ軸）の動作が、αとθから計算され（ブロック５４０）、それに応じてサーボは指令を受ける（ブロック５４５）。新しいテストウェハが、以前のテストウェハに置き換えられ（ブロック５５０）、プロセスは繰り返される。

ブロック５３５の「はい」の分岐に進み、スキューの大きさが所定の閾値を下回る又は無視できる場合は、スキュー補正は中断される。残ったエッチング速度のいかなる顕著な不均一性も対称（つまり、放射状）であるので、コントローラ１７５は、ここで同心の内側及び外側コイル７０、７５に伝送されるＲＦパワーの配分を調整することによって、半径方向の不均一性を補正することができる（図６のブロック５５５）。コントローラ１７５は、ＲＦ電力発生器７７及び７８の出力電力レベルを直接調整することによって、この補正を行うことができる。一実施形態では、例えば、メモリ４１０内に格納されたデータ内のエッチング速度の半径方向分布の不均一性を推定するために、更に、この情報から２台の電力発生器７７及び７８の出力ＲＦ電力レベルの変化を推定するために、コンピュータ４１５を使用することができる。この変化は、その後、コンピュータ４１５によってコントローラ１７５に伝達され、それに応じてＲＦ発生器７７及び７８の出力電力レベルを調整する。その後、リアクタは、エッチング速度分布の不均一性が最小又は無い生産ウェハを処理する（ブロック５６０）ように準備される。

図７は、３つのサーボ８０、８５、９０を配置するために使用されるＸ−Ｙ−Ｚ座標系を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に関して回転角θとαを定義する。具体的には、角度θはＺ軸周りの回転であり、一方角度αはＹ軸周りの回転である。テストウェハで測定されたエッチング分布データから推定されるスキューの主軸は、図７のＸＹ平面内に位置しており、Ｙ軸に対して角度θの特定の値によって定義される。スキュー補正は、支持板５５をスキュー軸の周りに特定の傾斜角α傾斜させることによって実行される。図８は、一実施例における、３つのサーボ８０、８５、９０のボールジョイントの位置のＸ、Ｙ、Ｚ座標を示す。３つのサーボの各々に対して必要とされる鉛直方向の動作は、θとαから直接計算することができる。図７及び８の定義を用いて、図５のコンピュータ４１５は以下のアルゴリズムを使用して、角度α及びθから３つのサーボの各々の鉛直方向の動作をインチ単位で計算する。
Ｚ（モーター１）＝１０．２２７８（−ｓｉｎα）（ｃｏｓθ）＋５．９０５（ｓｉｎα）（ｓｉｎθ）
Ｚ（モーター２）＝１０．２２７８（ｓｉｎα）（ｃｏｓθ）＋５．９０５（ｓｉｎα）（ｓｉｎθ）
Ｚ（モーター３）＝１１．８１（−ｓｉｎα）（ｓｉｎθ）

上記のアルゴリズムは、Ｚ軸周りに角度θ回転することにより、及びＹ軸周りに角度α回転することにより、各サーボのベクトルの位置を変換することによって得られた。

図９は、３つのサポートサーボ８０、８５、９０を置換する単一機構によって図１の浮動支持板５５を傾ける別の一実施形態を示す。図９の実施形態では、ショルダーリング４０の半径方向の幅が拡大されている。浮動クレードル（架台）６００は、支持板５５の外周近くで支持板５５に係合する。一実施形態において、支持板５５には、その外周で浮動クレードル６００に係合する径方向のタブ５５ａを設けてもよい。ローリング軸ブロック６１０は、浮動クレードル６００に係合し、ローリング軸６１５ａの周りを回転するようにショルダーリング４０に固定されているローリング軸ピン６１５によって制限される。ローリング軸セットスクリュー６２０が螺合可能に貫通して延びており、ローリング軸ブロック６１０と螺合可能に係合している。ローリング軸セットスクリュー６２０は、ショルダーリング４０の上面を押圧し、これによってローリング軸６１５ａ周りのローリング軸ブロック６１０の回転位置を制御する。ヨーイング軸ブロック６４０は、浮動クレードル６００に係合し、ヨーイング軸６５０ａの周りを回転するようにショルダーリング４０に固定されているヨーイング軸ピン６５０によって制限される。ヨーイング軸セットスクリュー６６０が貫通して延びており、ショルダーリング４０と螺合可能に係合しており、ヨーイング軸ブロック６４０の底面を押圧し、これによってヨーイング軸６５０ａ周りのヨーイング軸ブロック６４０の回転位置を制御する。２つのネジ６２０、６６０の回転によって、任意の傾斜角度αによって任意の方位角θに沿って位置する主軸の周りに支持板５５を回転させることができる。ネジ６２０、６６０は、それぞれアクチュエータ６７０、６８０を介してコントローラ１７５によって制御可能である。図５のコンピュータ４３０は、αとθの所望の値をネジ６２０、６６０の対応する回転に変換するようにプログラミング可能であり、ネジ６２０、６６０の対応する回転をコントローラ１７５に送信して、アクチュエータ６７０、６８０によって対応する回転を開始することができる。

上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (14)

1. ワークピースを処理するためのプラズマリアクタであって、
   チャンバ側壁及びチャンバ天井と、内部にワークピースホルダーを含む処理チャンバエンクロージャと、
   前記チャンバ天井の上にあり、ＲＦエンクロージャ側壁を含む導電性ＲＦエンクロージャと、
   前記導電性ＲＦエンクロージャ内部にあり、前記導電性ＲＦエンクロージャから分離している浮動支持板と、
   前記浮動支持板の下方で前記チャンバ天井の上方の空間内で、前記浮動支持板から吊り下げられた複数のＲＦプラズマパワーアプリケータと、
   前記ＲＦエンクロージャ側壁に対して固定され、前記ＲＦエンクロージャ側壁の周りで離間した複数のアクチュエータであって、前記複数のアクチュエータのうちの各々１つは、（ａ）モーター駆動の軸方向に可動なアームと、（ｂ）前記軸方向に可動なアームと前記浮動板の各々の部分との間に結合された回転可能なジョイントを含む複数のアクチュエータを含むプラズマリアクタ。
2. 前記複数のアクチュエータは、前記ＲＦエンクロージャ側壁の周りに１２０度の間隔で離間した３つのアクチュエータを構成し、これによって前記アクチュエータは、任意の方位角θで方向づけられた傾斜軸周りに前記浮動支持板を傾斜可能である請求項１記載のプラズマリアクタ。
3. 前記複数のアクチュエータの各々１つを制御し、前記傾斜軸の前記方位角θ及び前記傾斜軸周りの傾斜角αの所望の値から前記複数のアクチュエータの軸方向動作を計算するようにプログラミングされた制御装置を更に含む請求項２記載のプラズマリアクタ。
4. （ａ）前記ＲＦエンクロージャ側壁は支持面を含み、（ｂ）前記複数のアクチュエータの各々は、前記支持面上に取り付けられ、前記モーター駆動の軸方向に可動なアームに結合されたモーターモジュールと、前記モーターモジュールと並んで前記モーター駆動の軸方向に可動なアームを支持し、前記モーターモジュールに結合されたレールモジュールを含む請求項１記載のプラズマリアクタ。
5. 前記浮動支持板と前記支持面の間に結合されたフレキシブルな導電性ＲＦガスケットリングを更に含む請求項４記載のプラズマリアクタ。
6. テスト用ワークピースでのエッチング速度分布を測定するための計測装置を更に含み、前記制御装置は、前記エッチング速度分布からスキューの主軸を推定し、前記傾斜軸を前記スキューの主軸として定義するように更にプログラミングされている請求項３記載のプラズマリアクタ。
7. 各々が前記複数のＲＦプラズマパワーアプリケータのうちの対応する１つに結合している複数のＲＦ電源を更に含み、前記制御装置は、前記複数のＲＦ電源の電力出力レベルを制御し、前記処理チャンバ内のプラズマイオン密度の半径方向分布の均一性を向上させるために前記電力出力レベルを調整するようにプログラミングされる請求項６記載のプラズマリアクタ。
8. 前記複数のＲＦプラズマパワーアプリケータは、複数の同心円状の螺旋導体巻線を含む請求項７記載のプラズマリアクタ。
9. 前記ＲＦエンクロージャ側壁は支持面を含む請求項７記載のプラズマリアクタ。
10. 前記支持面は、前記ＲＦエンクロージャ側壁から半径方向内側へ、前記浮動支持板の外周部に隣接して延び、前記複数のアクチュエータは前記支持面上に支持される請求項９記載のプラズマリアクタ。
11. 前記導電性ＲＦエンクロージャの内部で前記浮動支持板の上方にＲＦインピーダンス整合装置を更に含み、前記複数のＲＦ電源は前記ＲＦインピーダンス整合装置の夫々のコンポーネントを介して前記複数のＲＦプラズマパワーアプリケータと接続される請求項７記載のプラズマリアクタ。
12. ワークピースを処理するためのプラズマリアクタであって、
    チャンバ側壁及びチャンバ天井と、内部にワークピースホルダーを含む処理チャンバエンクロージャと、
    前記チャンバ天井の上にあり、ＲＦエンクロージャ側壁を含む導電性ＲＦエンクロージャと、
    前記導電性ＲＦエンクロージャ内部にあり、前記導電性ＲＦエンクロージャから分離している浮動支持板と、
    前記浮動支持板の下方で前記チャンバ天井の上方の空間内で、前記浮動支持板から吊り下げられた複数のＲＦプラズマパワーアプリケータと、
    前記ＲＦエンクロージャ側壁に対して固定され、前記浮動支持板の外周部に隣接して前記浮動支持板の一部と接続される単一のアクチュエータアセンブリを含み、前記単一のアクチュエータアセンブリは、前記ＲＦエンクロージャ側壁に結合され、ヨーイング軸周りで回転させるためのヨーイング回転ステージと、前記ヨーイング回転ステージと前記浮動支持板の間に結合され、前記ヨーイング軸を横切るローリング軸周りで回転させるためのローリング回転ステージと、前記ヨーイング回転ステージ及び前記ローリング回転ステージを回転させるためのアクチュエータモーターを含むプラズマリアクタ。
13. 前記アクチュエータモーターは、ある方位角θで方向づけられた傾斜軸周りに前記浮動支持板を傾斜可能であり、前記プラズマリアクタは、前記アクチュエータモーターを制御し、前記傾斜軸の前記方位角θ及び前記傾斜軸周りの傾斜角αの所望の値から、前記ヨーイング及びローリング回転ステージの動作を計算するようにプログラミングされた制御装置を更に含む請求項１２記載のプラズマリアクタ。
14. 前記ＲＦエンクロージャ側壁は、前記ヨーイング回転ステージに結合された支持面を含み、前記プラズマリアクタは、前記浮動支持板と前記支持面の間に結合されたフレキシブルな導電性ＲＦガスケットリングを更に含む請求項１３記載のプラズマリアクタ。
    

Images