TWI390582B - Plasma processing device and plasma processing method - Google Patents

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Description

電漿處理裝置及電漿處理方法
本發明是有關利用電漿來處理基板的電漿處理裝置，特別是有關適於離子注入的電漿處理裝置及電漿處理方法。
藉由電漿來進行離子注入的裝置，下記的2個型式為一般所熟知。
型式1：為了減輕圖案(pattern)等的基板相依性，而進行高頻交流之偏壓電壓施加(例如參照專利文獻1)。
型式2：施加脈衝電源之正的偏壓電壓(例如參照專利文獻2)。
型式1是偏壓電壓低時常被利用，但因施加交流電壓的關係，多餘的能量會被注入晶圓，熱負荷會變大。
型式2是可控制無關離子注入的正電位部分，可降低熱負荷。
可是，在離子注入裝置中，為了在真空容器內保持基板進行基板的溫度管理，而備有靜電吸盤(Electro static Chuck：以下有時簡稱ESC)，但依ESC的種類，施加偏壓的方法有所不同。亦即，ESC是存在有電容性，不流動電流者{CR型(庫倫型)}、及流動微弱電流者{JR型(Johnsen-Rahbeck型)}。
使用CR型的ESC時是離子的注入電流不影響基板電阻，藉由上下的電容器來以電容成分流動。另一方面，使用JR型的ESC時是離子的注入電流會受基板電阻所左右。但，若存在對基板不流動阻劑遮罩等的電流者，則藉由與ESC的接觸處，電流會流動於基板的周方向，影響離子注入的均一性。一般使用CR型的ESC較不易受阻劑遮罩(Resist Mask)等的影響，可安定地取得離子注入的均一性。
使用脈衝電源以離子注入作為目的之離子注入裝置的偏壓施加是存在頻率、負荷比、電壓的三種類作為參數，但就現狀而言並無特別被最適化者，實際進行試驗來決定較佳的值，非具效率性。
在使用脈衝電源來進行離子注入時，大多使用JR型的ESC。其理由是因為在CR型的ESC不易流動直流電流。此情況，脈衝電源的頻率是使用10kHz以下。頻率的上限值可想成離子的追隨頻率(約1MHz以下)作為上限值，但在JR型的ESC中在高頻(10kHz以上)是電容器的電容成分的電流成為主體。
[專利文獻1]國際公開第2006/107044號小冊子
[專利文獻2]特開2001-358129
如前述般，使用直流電源作為偏壓電壓電源，且使用流動微弱電流的JR型的ESC來以基板電阻成分流動電流時，若在基板上存在阻劑遮罩之類的絕緣體，則因為電流在該部分是不流動，所以離子注入會受絕緣體的圖案所左右，不易使離子注入形成均一。
另一方面，使用交流電源作為偏壓電壓電源，且使用CR型的ESC時，因為基板全體存在於絕緣體之上，所以不會產生電阻性的電流，會流動電容性的電流，因此對圖案的相依性小。但，若使用交流電源，則因為被施加正負同等的電壓，所以會產生多餘的熱負荷，一旦提高電壓，則會形成不能忽視程度的熱負荷。
有鑑於以上那樣的問題點，本發明的課題是在於提供一種可減輕往基板之徒勞無用的熱負荷，進行均一性佳的離子注入之電漿處理裝置及電漿處理方法。
本發明的電漿處理裝置，為了減輕往基板之徒勞無用的熱負荷，進行均一性佳的離子注入，而使能夠在脈衝電源施加具有正負兩極性的脈衝的同時，進行脈衝的頻率、脈衝寬、施加電壓的至少1個的最適化。
具體而言，本發明的電漿處理裝置，係利用電漿來處理基板的電漿處理裝置，具備用以一邊保持上述基板一邊進行其溫度管理的靜電吸盤及用以施加偏壓電壓的脈衝電源之電漿處理裝置，其特徵為：具備施加具有正負兩極性的脈衝者作為上述脈衝電源，具備分別針對該脈衝的正負兩極來進行控制的控制手段。
在本發明的電漿處理裝置中，更具備計測電漿電阻值的計測手段，上述控制手段係將正偏壓脈衝的施加時間設為起因於上述靜電吸盤之預先得知的電容器電容與在上述計測手段所被計測的電漿電阻值的積以下為理想。
在本發明的電漿處理裝置中，還更具備測定脈衝施加中的電流之電流測定機構，上述控制手段係接受從上述電流測定機構所測定的電流值，以能夠形成與在正偏壓脈衝施加時所被測定的電流的時間積分值同等的電流的時間積分值之方式在正偏壓脈衝施加後施加逆偏壓脈衝，藉此藉由正偏壓脈衝的施加來進行殘留於上述基板或靜電吸盤之電荷的放電為理想。
根據本發明，可提供一種電漿處理方法，係利用電漿來處理基板的電漿處理方法，係具備用以一邊保持上述基板一邊進行其溫度管理的靜電吸盤及用以施加偏壓電壓的脈衝電源之電漿處理裝置的電漿處理方法，其特徵為：施加具有正負兩極性的脈衝作為上述脈衝電源，分別針對該脈衝的正負兩極來進行控制。
在本電漿處理方法中，亦計測電漿電阻值，將正偏壓脈衝的施加時間設為起因於上述靜電吸盤之預先得知的電容器電容與所被計測的電漿電阻值的積以下，或測定脈衝施加中的電流，以能夠形成與在正偏壓脈衝施加時所被測定的電流的時間積分值同等的電流的時間積分值之方式在正偏壓脈衝施加後施加逆偏壓脈衝，藉此藉由正偏壓脈衝的施加來進行殘留於上述基板或靜電吸盤之電荷的放電為理想。
本發明的電漿處理裝置及電漿處理方法皆是上述脈衝電源的頻率設為超過10kHz者為理想。此情況，上述靜電吸盤可使用CR型者或JR型者。
在本發明的電漿處理方法中亦可使正偏壓脈衝的每一脈衝的電壓多階段地變化，或將正偏壓脈衝施加後的逆偏壓脈衝的施加設為不連續。
若根據本發明，則可用脈衝電源來施加具有正負兩極性的脈衝的同時，能夠針對正逆各個的偏壓脈衝進行最適化，藉此可減輕往基板之徒勞無用的熱負荷，而進行均一性佳的離子注入。
參照圖1來說明有關適用本發明的電漿處理裝置之一例，利用電漿的離子注入裝置。
用以將該容器內排氣成真空的真空泵20會經由真空閥21來連接至真空容器10。又，用以對該容器內導入載流氣體的載流氣體源30、及用以導入處理氣體的處理氣體源32會分別經由氣閥31、33來連接至真空容器10。並且，真空容器10是電性地被連接成接地。在真空容器10外設置有電漿產生用的電漿產生用線圈40，在真空容器10內內藏有被處理的基板50、及用以設置基板50的基板夾具(holder)60。在基板夾具60連接有用以使偏壓電位產生的偏壓用電源70。在電漿產生用線圈40連接有電漿產生電源41。在基板夾具60搭載有靜電吸盤(ESC)61，靜電吸盤61大多的情況是除了吸盤機能以外，還具有基板溫度管理機能。靜電吸盤61是被連接至靜電吸盤用電源62。另外，基板夾具60是隔著絕緣板63來設於真空容器10內，與真空容器10是電性絕緣。
可是，在電漿處理中存在以對基板50注入離子為目的的處理，例如可舉蝕刻或摻雜等。進行此離子注入是利用施加於基板夾具60的電壓之離子的加速，單純對基板夾具60施加偏壓電壓。
通常，在此偏壓電壓電源有交流及直流。如前述般，利用直流電源作為偏壓電壓電源，且使用流動微弱電流的JR型的靜電吸盤來以基板電阻成分流動電流時，如圖2所示般，若在基板50上存在絕緣體(例如阻劑遮罩55或電介體膜)，則因為電流在該部分是不流動，所以離子注入取決於絕緣體的圖案，難以使離子注入形成均一。
另一方面，利用交流電源作為偏壓電壓電源，且使用CR型的靜電吸盤時，因為基板全體存在於絕緣體之上，所以電阻性的電流不流動，電容性的電流會流動，因此對絕緣體的圖案之相依性小。但，若使用交流電源，則因為正負同等的電壓會被施加，所以有多餘的熱負荷產生，一旦提高電壓，則會形成不能忽視程度的熱負荷。
於是，在本發明是使用可施加具有正負兩極性的脈衝，且可自由調節正負兩極的各個脈衝之脈衝電源，作為偏壓用電源70，具備予以控制的控制手段(圖示省略)。
在如此的脈衝電源的參數中存在脈衝的頻率、脈衝寬、施加電壓，且施加電壓是依必要的離子注入能量而定。本發明是可藉由連接至偏壓用電源70的控制手段來自動地設定該等的參數中特別是脈衝寬，以下針對於此來進行說明。
脈衝電源的頻率是必須為離子可追隨的速度以下，大概為1MHz以下。偏壓電壓為使用高頻脈衝電壓，藉此在絕緣體(基板50、靜電吸盤61)中藉由電容器效果來流動電容性的電流，在至電荷飽和的期間，偏壓電壓是被均一性佳地施加於基板50。在此，將靜電吸盤61當作電介體時的靜電電容C是以下式來表示。
C=(εo．S)/d
在上式中，εo是介電常數，S是靜電吸盤61的面積，d是靜電吸盤61的厚度，施加電壓V時的電荷Q是以Q=C．V來表示。在此，電流流動的時間(時定數)τ是依起因於外部電路或電漿的電漿電阻值R而定，以τ=R．C來表示。
一般，電漿是具有電容器成分或線圈成分的非線形質者，但在此是假設單純的電阻來處理。此電漿電阻值R可 想成電漿密度的函數R(Ne)。
利用脈衝之偏壓電壓的施加時間是形成脈衝寬tp，在符合tp≦τ(=R．C)的條件之期間，偏壓電壓是均等施加。相反的，即使在時定數τ以上施加偏壓電壓，只會招致熱負荷的增加，沒有作為離子注入電壓的意義。
藉此，可設定對應於電漿密度的最適脈衝寬。例如，可搭載隨時測定電漿電阻值的電阻測定機構，將此電阻測定機構所計測的電阻值輸入控制手段，藉此可在控制手段計算最適脈衝寬而自動地設定。電阻測定機構，例如有測定電漿密度來推測電漿電阻值的探針計測手段。
具體的例子，為了減輕絕緣體的圖案等的相依性，而成為將基板搭載於絕緣物上的構成。此情況，絕緣物是設為CR型的靜電吸盤(若電源頻率為10kHz以上則靜電吸盤會形成絕緣體所以JR型亦可)。大多的情況，靜電吸盤的靜電電容C是數十nF~數nF程度者。這是因為靜電電容C過大，則正偏壓為0時的殘留電容大，靜電吸盤的釋放性能變差。將電漿源設為使電子密度Ne為1011 ~1013 /cm3 的電漿產生者{例如ICP(Inductively Coupled Plasma)、SWP(Surface Wave Plasma)、HWP(Helicon Wave Plasma)、ECR(Electron Cyclotron Resonance)、CCP(Capacitively Coupled Plasma)、平行平板等}時，如前述那樣將電漿看作單純電阻時，形成10kΩ~1MΩ程度。對此電漿施加脈衝之偏壓電壓。
在此，如前述般時定數τ=R．C。亦即，若脈衝寬超過τ，則只會形成徒勞無用地施加偏壓電壓(形成將負荷比以50%來想像時的頻率50kHz～50Hz)。
如以上那樣，正偏壓脈衝的施加時間，亦即脈衝寬tp是符合tp≦τ(=R‧C)的條件。
其次，說明有關逆偏壓。僅單純地進行脈衝之單極的注入，可想像電荷會殘留於基板50、靜電吸盤61。此殘留的電荷是將脈衝電位設為0後，通過基板50內與電漿內的電子一起消滅，但這回僅依絕緣物材料及基板材料的電阻Rins而定的時間(Rins‧C)，電荷是無法消除。通常，此電阻Rins是極大，在此時間(Rins‧C)之前再度施加偏壓電壓時，留在基板50、靜電吸盤61內的電荷部分可施加偏壓電壓的時間(電荷量)會減少。若多次重複此狀態，則殘留電荷量會持續增加，不久偏壓電壓不能有效作用。
為了減輕如此的狀態，有施加逆偏壓電壓的方法。將此情況的脈衝圖像顯示於圖3。在圖3是以施加電壓V-來表示偏壓電壓，以放電電壓V+來表示逆偏壓電壓，將在偏壓電壓V-施加時殘留於靜電吸盤的電荷量設為Q-。以能將此電荷量Q-設為0的方式施加逆偏壓電壓V+，將逆偏壓電壓V+施加時的電荷量表示成Q+。此時的偏壓電壓V-與電流i-及逆偏壓電壓V+與電流i+是以電漿的特性來決定，一般的圖像是形成圖4所示般。
在偏壓用電源70的線路設置電流計測機構，計測逆偏壓施加時流動的電流i+，若藉由控制手段，以時間積算計測後的電流的值(電流的時間積分值)能夠形成與電荷量Q-同等或以上的方式來施加逆偏壓，則可效率佳地施加偏壓電壓V-。而且，可以其次的數式1的條件式來決定逆偏壓電壓V+的施加時間t2
實際上是無法調整電流i+，因此從圖4的特性來推測對應於電流i+的逆偏壓電壓V+，施加推測的值的逆偏壓電壓。
另外，取代上述條件式的Q-，以上述電流計測機構來計測正偏壓脈衝施加時的電流i-，在控制手段中，使用計測的電流i-的時間積分值作為實測值，藉此控制變得容易。亦即，可根據以下的數式2的式子來決定逆偏壓脈衝電壓V+的施加時間t2。
在上述數式2的式子中，t1是在正偏壓脈衝施加時間如前述般為τ(=R‧C)以下，超過τ時設為τ。
如以上那樣，以能夠形成與在正偏壓脈衝施加時所被測定的電流i-的時間積分值同等的電流i+的時間積分值之方式來決定逆偏壓電壓V+之後，可只在時間t2施加逆偏壓脈衝。但，若電荷量Q+超過Q-，則該部分其次施加的偏壓電壓會下降。
如圖5所示，依脈衝電源，雖有正的偏壓脈衝施加時間t1與之後的負的逆偏壓脈衝施加時間t2之間不連續的情況存在，但基本上是可為同樣的想法。
並且，在使脈衝電壓多階段地變化時也最好是使用實際流入的電流i-與時間(各正負的電壓的施加時間)的積分值。
若根據以上說明的本發明的實施形態，則可取得以下的效果。
1.藉由使用CR型的靜電吸盤(當脈衝電源頻率高時也可適用JR型的靜電吸盤)，可提供一種基板上的絕緣體的圖案相依性少之離子注入可能的電漿處理裝置及處理方法。
2.可提供一種徒勞無用的熱負荷產生少的電漿處理裝置及處理方法。
3.可提供一種能夠自動設定產生正負兩極性的脈衝電壓之偏壓用電源的頻率、負荷比、施加電壓的參數之電漿處理裝置。
4.可提供一種能夠施加確實的偏壓電壓之電漿處理裝置。
10．．．真空容器
20．．．真空泵
21．．．真空閥
30．．．載流氣體源
31、33．．．氣閥
32．．．處理氣體源
40．．．電漿產生用線圈
41．．．電漿產生電源
50．．．基板
55．．．阻劑遮罩
60．．．基板夾具
61．．．靜電吸盤
63‧‧‧絕緣板
70‧‧‧偏壓用電源
圖1是表示適用本發明的電漿處理裝置之一例，利用電漿之離子注入裝置的概略構成圖。
圖2是用以說明在圖1所示的離子注入裝置中，在所被處理的基板上存在阻劑那樣的絕緣體時的問題點。
圖3是用以說明有關被施加於圖1所示的基板夾具的脈衝之偏壓電壓的波形圖。
圖4是表示被施加於圖1所示的基板夾具的正偏壓及逆偏壓電壓與電流的關係特性圖。
圖5是表示圖3所示的脈衝之偏壓電壓的其他例的波形圖。

Claims (9)

  1. 一種電漿處理裝置，係利用電漿在真空容器內處理基板的電漿處理裝置，其特徵為具備：靜電吸盤，其係用以保持上述基板；脈衝電源，其係用以施加具有正負兩極性的脈衝作為偏壓電壓；控制手段，其係分別針對上述脈衝的正負兩極來進行控制；及計測手段，其係計測上述真空容器內的電漿電阻值，上述控制手段係將正偏壓脈衝的施加時間設為起因於上述靜電吸盤之預先得知的電容器電容與在上述計測手段所被計測的電漿電阻值的積以下。
  2. 一種電漿處理裝置，係利用電漿在真空容器內處理基板的電漿處理裝置，其特徵為具備：靜電吸盤，其係用以保持上述基板；脈衝電源，其係用以施加具有正負兩極性的脈衝作為偏壓電壓；控制手段，其係分別針對上述脈衝的正負兩極來進行控制；及電流計測手段，其係計測脈衝施加中的電流， 上述控制手段係接受從上述電流測定機構所計測的電流值，以能夠形成與在正偏壓脈衝施加時所被計測的電流的時間積分值同等的電流的時間積分值之方式在正偏壓脈衝施加後施加逆偏壓脈衝，藉此藉由正偏壓脈衝的施加來進行殘留於上述基板或靜電吸盤之電荷的放電。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，上述脈衝電源的頻率為超過10kHz者。
  4. 一種電漿處理方法，係利用電漿來處理基板的電漿處理方法，其特徵為：以靜電吸盤來保持上述基板施加具有正負兩極性的脈衝作為脈衝電壓，分別針對上述脈衝的正負兩極來進行控制。
  5. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，計測電漿電阻值，將正偏壓脈衝的施加時間設為起因於上述靜電吸盤之預先得知的電容器電容與所被計測的電漿電阻值的積以下。
  6. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，測定脈衝施加中的電流，以能夠形成與在正偏壓脈衝施加時所被測定的電流的時間積分值同等的電流的時間積分值之方式在正偏壓脈衝施加後施加逆偏壓脈衝，藉此藉由正偏壓脈衝的施加來進行殘留於上述基板或靜電吸盤之電荷的放電。
  7. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，將上述脈衝電源的頻率設為超過10kHz者。
  8. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，使正偏壓脈衝的每一脈衝的電壓多階段地變化。
  9. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，將正偏壓脈衝施加後的逆偏壓脈衝的施加設為不連續。
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