TW201812826A - 電漿處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供在感應耦合型電漿處理裝置中，可以改善電漿之偏心分佈的電漿處理裝置。
本發明係一種電漿處理裝置，其具備：試料被電漿處理的處理室；氣密密封上述處理室之上方的介電窗：被配置在上述介電窗之上方且形成感應磁場的感應天線；對上述感應天線供給高頻電力的高頻電源；及從上述高頻電源供給高頻電力，且被配置在上述介電窗和上述感應天線之間的法拉第屏蔽，該電漿處理裝置之特徵在於：更具備監視流入上述法拉第屏蔽之電流的監視手段，和控制上述被監視之電流的控制部。

Description

電漿處理裝置
本發明係關於感應耦合型電漿處理裝置。
在半導體裝置製造裝置中，廣泛利用使用感應耦合型電漿源之蝕刻裝置或Chemical Vapor Deposition(CVD)裝置。該些感應耦合型電漿處理裝置係藉由在真空容器之外側配置數匝之感應天線，且在該感應天線流通高頻電流，於真空容器內形成感應電場而生成電漿。
再者，在感應耦合電漿處理裝置中，如專利文獻1所揭示般，藉由在天線和真空容器之間配置法拉第屏蔽，調整施加於該法拉第屏蔽的電壓，控制真空容器內之內壁狀態的感應耦合型電漿處理裝置。
但是，為了生成高密度之電漿，需要使感應天線流通數安培以上之電流，沿著感應天線不均勻產生數kV以上之高電壓。再者，由於在該感應天線和電漿之間存在雜散電容，故經由該雜散電容在線圈流動之電流對電漿流入流岀，使得天線內之電流成為非一定值，電漿之周方向之均勻性惡化，即是電漿成為偏心分佈的情形為眾 知。
作為電漿之偏心分佈的改善方法，專利文獻2中揭示在天線和真空容器之間設置有法拉第屏蔽之裝置中，藉由在法拉第屏蔽電性設置環狀導體，且使環狀導體之形狀最佳化，抑制電漿之偏心分佈的方法。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2000-323298號公報
[專利文獻2]日本特開2011-1033346號公報
[發明之概要]
但是，所知的係電漿之偏心分佈藉由電漿密度、壓力、製程氣體種類、對法拉第屏蔽施加的施加電壓等之製程條件而變化。因此，在專利文獻2所揭示之法拉第屏蔽設置環狀導體之方法中，需要置換成與製程條件對應之最佳形狀的環狀導體，難以適用於量產。
本發明係鑒於如此之情形，提供在感應耦合型電漿處理裝置中，可以改善電漿之偏心分佈的電漿處理裝置。
本發明係一種電漿處理裝置，其具備：試料被電漿處理的處理室；氣密密封上述處理室之上方的介電質製窗：被配置在上述介電質製窗之上方且形成感應磁場的感應天線；對上述感應天線供給高頻電力的高頻電源；及從上述高頻電源供給高頻電力，且被配置在上述介電質製窗和上述感應天線之間的法拉第屏蔽，該電漿處理裝置之特徵在於：更具備監視流入上述法拉第屏蔽之電流的監視手段，和以使被上述監視的電流成為規定值之方式進行控制的控制部。
藉由本發明，可以在感應耦合型電漿處理裝置中，改善電漿之偏心分佈。
001‧‧‧電流計
101‧‧‧真空容器
102‧‧‧介電窗
103‧‧‧電極
104‧‧‧第一靜磁場線圈
105‧‧‧第二靜磁場線圈
106‧‧‧磁軛
107‧‧‧感應天線
108‧‧‧法拉第屏蔽
109‧‧‧第一可變電容器
110‧‧‧第二可變電容器
111‧‧‧第三可變電容器
112‧‧‧第四可變電容器
113‧‧‧第一電感
114‧‧‧第二電感
115‧‧‧第一高頻電源
116‧‧‧氣體供給器
117‧‧‧氣閥
118‧‧‧排氣機構
119‧‧‧偏壓電源
120‧‧‧控制部
201‧‧‧第一感應天線
202‧‧‧第二感應天線
203‧‧‧第一高頻電源
204‧‧‧第五可變電容器
205‧‧‧第六可變電容器
206‧‧‧第三電感
207‧‧‧第二高頻電源
208‧‧‧第七可變電容器
209‧‧‧相位控制電路
210‧‧‧控制部
圖1為與第一實施例有關之感應耦合型電漿處理裝置之概略剖面圖。
圖2為表示第四可變電容器之靜電電容和電漿表面之磁場強度之偏心率的關係。
圖3為表示第四可變電容器之靜電電容和流至電流計001之電流值的關係圖。
圖4為與第二實施例有關之感應耦合型電漿處理裝置 之概略剖面圖。
以下，針對本發明之各實施型態，一面參照圖面一面予以說明。首先，針對本發明之第一實施型態進行說明。
[實施例1]
圖1為與本實施例有關之感應耦合型電漿處理裝置之概略剖面圖。真空容器101具備由以氧化鋁等之絕緣材料所構成之介電窗102，具備用以在內部載置試料之被處理晶圓的試料台的電極103。再者，為了控制真空容器內之靜磁場分佈，在真空容器101之外側配置第一靜磁場線圈104、第二靜磁場線圈105和磁軛106。在氣密密封真空容器101之上方的介電窗102之外側，配置2匝之線圈狀的感應天線107，在介電窗102和感應天線107之間，配置有法拉第屏蔽108。
感應天線107和法拉第屏蔽108經由第一可變電容器109、第二可變電容器110、第三可變電容器111、第四可變電容器112、第一電感113和第二電感114而與第一高頻電源115電性連接。在此，第一可變電容器109和第二可變電容器110和第一電感113，係用以取得與電漿的阻抗匹配之匹配電路，可以因應所需增減電容器或電感的數量。
再者，第三可變電容器111和第二電感114的串聯諧振電路，與法拉第屏蔽108並聯連接，藉由變更第三可變電容器111之靜電電容，能夠抑制法拉第屏蔽108的施加電壓。除此之外，第四可變電容器112與感應天線107並聯連接，藉由變更第四可變電容器112之靜電電容，可以控制在感應天線內的電流分佈，且藉由使第四可變電容器之靜電電容最佳化，可以抑制電漿之偏心分佈。另外，雖然將圖1所示之感應天線107之匝數設為2匝，但是其匝數並不特別限定。
在真空容器101內，從氣體供給器116通過氣閥117而被供給規定之流量的製程氣體，藉由以排氣機構118調整排氣速度，可以將真空容器內維持規定之壓力。從氣體供給器116被供給之製程氣體，藉由被施加至感應天線107和法拉第屏蔽108的高頻電力而被電漿化，電漿002被生成且被維持。此時，可以使用第一靜磁場線圈104和第二靜磁場105變更靜磁場之分佈，並可以將電漿002之密度分佈控制成任意之電漿密度分佈狀態。
從第一高頻電源115供給之高頻電力的頻率，使用例如13.56MHz或27.12MHz或2MHz等之頻率，藉由調整第一可變電容器109和第二可變電容器110之靜電電容，可以抑制高頻電力之反射，且取得阻抗匹配。再者，由於將存在於電漿002中之離子拉入被處理晶圓，故也能夠藉由偏壓電源119，對電極103施加100kHz至13.56MHz的高頻電力。雖然在圖1中無記載，但是此 時藉由被配置在電極103和偏壓電源119之間的匹配電路，可以取得阻抗匹配。
法拉第屏蔽108係由具有縱條紋狀之槽隙的金屬導體所構成，被配置成覆蓋介電窗102。被施加至法拉第屏蔽的高頻電壓，可以藉由第三可變電容器111控制，依此可以將介電窗102之內壁保持在最佳狀態。
以上，與使用上述感應耦合型電漿處理裝置之電漿處理有關之控制係利用控制部120進行。
在藉由本實施例的電漿處理裝置中，用以測量流入法拉第屏蔽之電流的電流計001被配置在設於法拉第屏蔽108之上部的軸桿上，可以藉由被配置在感應天線107之終端和串聯諧振電路之間的第四可變電容器112而控制流入法拉第屏蔽108之電流值。在此，電流計001不與鉤錶等之電路直接連接而監視電流為佳，但是若可以測量電流則不特別限定其手段。
再者，藉由控制部120控制第四電容器，以使藉由第四可變電容器112流入法拉第屏蔽108之電流值成為最小，依此可以抑制流入感應天線之電流之周方向的佈均勻性。如此一來，成為能夠藉由抑制電漿之偏心分佈的最佳電漿分佈，對晶圓進行處理。
另外，如本實施例般，在使流入法拉第屏蔽108之電流成為最小之情況下，每次變更製程條件，需要可變電容器之靜電容量的最佳化，為了決定可以抑制電漿之偏心分佈的最佳之靜電電容，需要另外以可變電容器之 不同的靜電電容進行好幾片晶圓處理等之事前評估。但是，如本實施例般，藉由使流入法拉第屏蔽108之電流成為最小，即使變更製程條件，也不需要事前評估，可以藉由抑制電漿之偏心分佈的最佳電漿分佈，處理晶圓。
接著，藉由以流入法拉第屏蔽108之電流值成為最小之方式，控制第四可變電容器112之靜電電容，可以抑制流入天線之高頻電流的周方向之不均勻性。以下，針對以流入法拉第屏蔽108之電流值成為最小之方式，控制第四可變電容器112之靜電電容的技術性意義，進行說明。
針對第四可變電容器112和電漿表面中之磁場強度之周方向之偏心率(不均勻性)，一面參照圖2一面進行說明。圖2係根據圖1所示之電漿處理裝置體系中之三次元電磁場計算結果，計算岀第四可變電容器112之靜電電容之值所致的電漿表面中之磁場強度之周方向的偏心率(不均勻性)的結果。在圖2之計算下，以電阻率1.0×10-6Ω．CM之均勻的導體使近似電漿002而計算岀電漿表面之磁場強度分佈，且從其磁場強度算出周方向之偏心率。再者，圖3表示根據等效電路計算而計算岀流入法拉第屏蔽的電流，即是流入電流計001之電流的結果。
此外，圖2中之偏心率係由2匝之感應天線之中心部(半徑R)正下方之電漿表面之磁場強度分佈，使用式(1)算出，係指該偏心率小之一方可以產生生成流入感應天線內之電流之分佈的變化小，且偏心分佈少之 電漿的意思。再者，在式(1)中，H(Max)表示半徑R之電漿表面之磁場強度之最大值，H(Min)表示半徑R之電漿表面之磁場強度之最小值。
再者，在圖2及圖3中的技術，係使用第三可變電容器111和第二電感114滿足串聯諧振條件之條件，即是使被施加於法拉第屏蔽之電壓成為0V之條件，以頻率13.56MHZ之1000W從第一高頻電源115輸出的情況下進行計算。
從圖3之結果，在第四可變電容器112之靜電容量為100pF之情況下，流入電流計101的電流值成為最小。此係藉由使與感應天線串聯連接之電容器之靜電電容成為最佳值，從感應天線朝法拉第屏蔽流入流岀之電流成為最小之故。再者，從圖2及圖3之比較，可知第四可變電容器112之靜電電容為100pF之情況下，電漿表面之磁場強度之偏心率和流入電流計001之電流值的兩者成為最小，電漿表面之磁場強度之偏心率和流入電流計001之電流值的值具有相關。從該相關可以說當使流入電流計001之電流值成為最小時，電漿表面之磁場強度的偏心率成為最小。換言之，藉由流入法拉第屏蔽108之電流值成 為最小，可以使電漿表面之磁場強度之偏心率成為最小。
如此一來，藉由電流計001測量流入法拉第屏蔽之電流值，且以電流計001之值成為最小之方式控制第四可變電容器112之靜電電容，依此可以抑制流入感應天線107之高頻電流之周方向的不均一性。
此外，圖2之電漿表面中之磁場強度之偏心分佈，也依從第一高頻電源115被輸出之電力、真空容器101內之壓力、從氣體供給器116被供給之氣體種類、從第一靜磁場線圈104及第二靜磁場線圈105產生之磁場、第三可變電容器111之設定值而產生變化，第四可變電容器112之最佳值也依製程條件而產生變化之情形被實驗性地確認岀。此係因為圖2及圖3所式之計算，雖然將電漿假設為電阻率1.0×10-6Ω．cm之均勻的導體，但是依製程條件該電阻率產生變化之故。但是，如上述般，藉由電流計001測量流入法拉第屏蔽之電流值，且以所測量岀之電流值成為最小之方式控制第四可變電容器112之靜電電容，依此可以抑制流入感應天線之高頻電流之周方向的不均一性。
再者，在圖2及圖3之計算中，雖然使用第三可變電容器111和第二電感114滿足串聯諧振條件之條件，即是使被施加至法拉第屏蔽之高頻電壓成為0V之條件而進行計算，但是在改變第三可變電容器111之靜電電容之情況下，法拉第屏蔽被施加電壓，電流也從電漿002經由介電窗102而流入法拉第屏蔽108。因此，即使使第 四可變電容器成為最佳值，流入電流計001之電流也大於0A。但是，藉由使電流計001之電流值成為最小值可以使從感應天線107流至法拉第屏蔽108之電流成為最小，且可以抑制流至感應天線107之高頻電流之周方向的不均性。接著，針對本發明之第二實施例，一面參照圖5一面進行說明。
[實施例2]
圖4表示與本發明有關之感應耦合型電漿處理裝置之概略剖面圖。此外，在圖4所示之構成中，與圖1之符號相同之符號的構成具有與圖1之同符號之構成相同的功能。真空容器101係藉由由氧化鋁等之絕緣材料所構成之介電窗102氣密密封上方，在內部具備用以載置被處理晶圓的電極103。再者，為了控制真空容器內之磁場分佈，在真空容器101之外側配置第一靜磁場線圈104、第二靜磁場線圈105和磁軛106。
在介電窗102之外側，配置有2匝之線圈狀之第一感應天線201和第二感應天線202。再者，在介電窗102和第一感應天線201和第二感應天線202之間配置有法拉第屏蔽108。而且，第一感應天線201和法拉第屏蔽108經由第一可變電容器109和第二可變電容器110和第三可變電容器111和第四可變電容器112和第一電感113和第二電感114而與第一高頻電源203電性連接。在此，第一可變電容器109和第二可變電容器110和第一電 感113，係用以取得與電漿的阻抗匹配之匹配電路，可以因應所需增減電容器或電感的數量。
再者，第三可變電容器111和第二電感114的串聯諧振電路，與法拉第屏蔽108並聯連接，藉由變更第三可變電容器111之靜電電容，能夠抑制被施加於法拉第屏蔽108之高頻電壓。除此之外，第四可變電容器112與第一感應天線201串聯連接，藉由變更第四可變電容器112之靜電電容，可以控制在第一感應天線201內的電流分佈，且藉由使第四可變電容器之靜電電容最佳化，可以改善藉由第一感應天線201所生成之電漿的偏心分佈。
第二感應天線202係經第五可變電容器204和第六可變電容器205和第三電感206而與第二高頻電源207電性連接。在此，第五可變電容器204和第六可變電容器205和第三電感206，係用以取得與電漿的阻抗匹配之匹配電路，可以因應所需增減電容器或電感的數量。再者，第七可變電容器208與第二感應天線202串聯連接，藉由變更第七可變電容器208之靜電電容，可以控制在第二感應天線202內之電流分佈。
再者，藉由使第七可變電容器之靜電電容成為最佳值，可以抑制藉由第二感應天線202所生成之電漿的偏心分佈。此外，在本實施例中，雖然將第一感應天線201和第二感應天線202之匝數設為2匝，但是其匝數即使任意數亦可。
在真空容器101內，從氣體供給器116通過 氣閥117而被供給規定之流量的製程氣體，藉由以排氣機構118調整排氣速度，可以將真空容器內維持規定之壓力。從氣體供給器116被供給之製程氣體藉由被施加於第一感應天線201和第二感應天線202和法拉第屏蔽108的高頻電力，電漿002被生成且被維持。
第一感應天線201和第二感應天線202係經由相位控制電路209而被連接，可以藉由相位控制電路209而調整第一高頻電源203和第二高頻電源207被輸出的高頻電力之相位。尤其，以第一感應天線201和第二感應天線202之各個的天線之捲線方向為相同方向之時設成反相位，第一感應天線201和第二感應天線202之各個的線圈之捲線方向為相反方向之時設成同相位為佳。
如此一來，藉由控制第一高頻電源203之輸出電力和第二頻電源207之輸出電力，可以控制電漿002之密度分佈。除此之外，在本實施例中，可以使用第一靜磁場線圈104和第二靜磁場105而控制靜磁場之分佈，且藉由藉由靜磁場分佈亦可以將電漿002之密度分佈控制成任意之密度分佈狀態。從第一高頻電源203及第二高頻電源207被供給之高頻電力的頻率，使用例如13.56MHz或27.12MHz或2MHz等之頻率，藉由調整第一可變電容器109和第二可變電容器110之電容，可以抑制高頻電力之反射，且取得阻抗匹配。
再者，由於將存在於電漿002中之離子拉入被處理晶圓，故也能夠藉由偏壓電源119，對電極103施 加100kHz至13.56MHz內之範圍內之頻率的高頻電力。此時，藉由被配置在電極103和偏壓電源119之間的匹配器(無圖示)，可以取得阻抗匹配。
法拉第屏蔽108係由具有縱條紋狀之槽隙的金屬導體所構成，被配置成覆蓋介電窗102。被施加至法拉第屏蔽的高頻電壓，可以藉由第三可變電容器111控制，依此可以將介電窗102之內壁保持在最佳狀態。
以上，與使用上述感應耦合型電漿處理裝置之電漿處理有關之控制係利用控制部210進行。
再者，在本實施例之感應耦合型電漿處理裝置中，用以測量流入法拉第屏蔽之電流的電流計001被配置在設於法拉第屏蔽108之上部的軸桿上。控制部210係以流入法拉第屏蔽之電流值成為最小之方式，控制被配置在第一感應天線201之終端的第四可變電容器112之靜電電容，和被配置在第二感應天線202之終端的第七可變電容器208之靜電電容。
此外，藉由控制第四可變電容器112及第七可變電容器208之靜電電容，可以使流入法拉第屏蔽之電流成為最小之理由，係因為如實施例1之圖3所示般，藉由使與感應天線串聯連接之電容器之靜電電容成為最佳值，從感應天線朝法拉第屏蔽流入流岀之電流成為最小之故。
再者，在實施例1中，如從圖3和圖2之比較所進行的說明般，當流至法拉第屏蔽之電流成為最小值 時，電漿表面磁場強度之偏心率也成為最小。因此，藉由以電流計101測量法流入拉第屏蔽之電流，且以電流計101之值成為最小之方式，控制第四可變電容器112及第七可變電容器208，可以抑制流至第一感應天線201及第二感應天線202之電流之周方向之不均勻性。再者，可以藉由如此地抑制了電漿之偏心分佈的最佳電漿分佈，對晶圓進行處理。
另外，如本實施例般，在使流入法拉第屏蔽108之電流成為最小之情況下，每次變更製程條件，需要可變電容器之靜電容量的最佳化，為了決定可以抑制電漿之偏心分佈的最佳之靜電電容，需要另外以不同的靜電電容進行好幾片晶圓處理等之事前評估。但是，在本實施例之情況下，即使變更製程條件之情況下，也不需要事前的評估，可藉由抑制了電漿之偏心分佈的最佳電漿分佈，對晶圓進行處理。
以上，如實施例1及2說明般，藉由本發明，以電流計測量流至法拉第屏蔽之電流，且以所測量岀之電流之值成為最小之方式，控制被配置在感應天線之終端的可變電容器之靜電電容，可以以抑制了電漿之偏心分佈的最佳電漿分佈，對晶圓進行處理。此外，使流入法拉第屏蔽之電流成為最小中之「最小」，不僅係最小值般之一點的值，係指從最小值至在規定之範圍內所含的值。
再者，在實施例1及2中說明之例中，雖然有以被監視之流入法拉第屏蔽的電流成為最小之方式，控 制可變電容器之例，但是即使本發明具有監視流入法拉第屏蔽之電流的手段，且控制該被監視之電流亦可。再者，該發明之效果如同下述般。
在使用電漿蝕刻而在晶圓表面形成規定之圖案之實際製程中，即使藉由製程氣體之排氣方向或晶圓表面之溫度分佈等，也有被形成在晶圓表面之圖案之加工深度或加工尺寸在晶圓之周方向成為不均勻之情形。在此情況下，以對藉由製程氣體之排氣方向或晶圓表面之溫度分佈等所產生之偏心分佈進行補正之方式，根據電流計001之電流值使電漿分佈故意偏心，依此可以在晶圓全面形成均勻之圖案。
而且，在實施例1及2中，雖然使用具備靜磁場線圈之電漿處理裝置進行說明，但是本發明即使無靜磁場線圈亦可以達到與在實施例1及2中所說明之效果同等的效果。

Claims (5)

  1. 一種電漿處理裝置，其具備：試料被電漿處理的處理室；氣密密封上述處理室之上方的介電質製窗：被配置在上述介電質製窗之上方且形成感應磁場的感應天線；對上述感應天線供給高頻電力的高頻電源；及從上述高頻電源供給高頻電力，且被配置在上述介電質製窗和上述感應天線之間的法拉第屏蔽，該電漿處理裝置之特徵在於：更具備監視流入上述法拉第屏蔽之電流的監視手段，和以使被上述監視的電流成為規定值之方式進行控制的控制部。
  2. 如請求項1所記載之電漿處理裝置，其中控制上述電流之值的第一可變電容器被連接於上述天線。
  3. 如請求項2所記載之電漿處理裝置，其中更具備以上述電流之值成為最小之方式控制上述第一可變電容器的控制部。
  4. 如請求項3所記載之電漿處理裝置，其中上述第一可變電容器被配置在上述感應天線之終端，和控制被施加於上述法拉第屏蔽之高頻電壓，且經由電感而被接地之第二可變電容器之間。
  5. 一種電漿處理裝置，其具備：試料被電漿處理的處理室；氣密密封上述處理室之上方的介電質製窗：被配置在上述介電質製窗之上方且形成感應磁場的感應天線；對上述感應天線供給高頻電力的高頻電源；及從上述高頻 電源供給高頻電力，且被配置在上述介電質製窗和上述感應天線之間的法拉第屏蔽，該電漿處理裝置之特徵在於：更具備控制上述電流之值的複數可變電容器，上述感應天線具備連接上述複數可變電容器之一方的第一感應天線，和連接上述複數可變電容器之另一方的第二感應天線。
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