TWI449102B - Plasma processing device - Google Patents

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Description

電漿處理裝置
本發明係關於對被處理基板施以電漿處理之技術，特別是關於電容耦合型之電漿處理裝置。
於半導體裝置或FPD(平面顯示面板)之製造製程中之蝕刻、沈積、氧化、濺鍍等之處理中，為了以比較低溫使處理氣體進行良好的反應，電漿被廣為利用。以往以來，於單片式之電漿處理裝置中，以能容易地實現大口徑電漿之電容耦合型的電漿處理裝置為主流。
一般，電容耦合型之電漿處理裝置，係於做為真空腔體所構成的處理容器內平行地配置上部電極與下部電極，於下部電極之上載置被處理基板(半導體晶圓、玻璃基板等)，於兩電極間施加高頻。如此一來，於兩電極之間藉由高頻電場而被加速的電子、從電極所放出之二次電子或被加熱的電子與處理氣體之分子引起電離衝擊，產生處理氣體之電漿，藉由電漿中之活性基或離子，基板表面被施以所期望之細微加工，例如蝕刻加工。
於電漿蝕刻裝置中，以將具有適合電漿產生(高頻放電)之比較高的頻率(通常40MHz以上)之第1高頻及具有適合對基板之離子的引入(偏壓)的比較低的頻率(通常13.56MHz以下)的第2高頻同時施加於下部電極之下部2頻施加方式被廣為使用。
且說，伴隨半導體製程技術中之裝置的微細化、高集成化，於電容耦合型之電漿處理裝置中，被要求更高效率、高密度、低偏壓之電漿製程，為此，盡可能提高使用於電漿產生之高頻的頻率成為今日之趨勢。另一方面，伴隨晶片尺寸之大面積化、基板的大口徑化，被要求更大口徑的電漿，腔體(處理容器)逐漸變得更為大型化。
此處成為問題者，在於腔體的處理空間內(特別是半徑方向)不易使電漿密度變得均勻。即放電用之RF頻率如變高，基於在腔體內所形成的駐波之波長效果或在電極表面高頻集中於中心部之表面效果等，一般而言，成為在基板上中心部成為極大而邊緣部成為最低之輪廓，電漿的密度變得不均勻。電漿密度於基板上如不均勻，電漿製程也變得不均勻，裝置的製造良率降低。
對於此種問題，截至目前為止，針對電極構造有各種辦法被嘗試著。例如專利文獻1所揭示之電漿處理裝置，係於面對處理空間之電極的主面埋入介電質，使得對於從電極主面被放射於處理空間之高頻的阻抗相對地在電極中心部變大，在電極邊緣部變小，來使得電漿密度分佈的均勻性提高。
[專利文獻1]日本專利特開2004-363552
如前述般，於電極的主面埋入介電質之手法，其電極主面上的阻抗分布特性會藉由介電質的材質及形狀輪廓而被固定，能夠保證電漿密度分布的均勻性控制之製程區域變窄，對於多種多樣之製程或製程條件的變更，無法彈性地對應。於最近的電漿製程中，使用的氣體、壓力之種類、範圍有增加、擴大的傾向，無法滿足均勻性的情形日增，被要求有能自由地改變電漿分布之調整旋鈕。
另外，於下部2頻施加方式中，在頻率高的第1高頻與頻率低的第2高頻中，下部電極之主面上的電場強度分布特性不同。因此在以往，係介由相同的供電構件將第1高頻及第2高頻施加於單體的下部電極，於被載置於下部電極之被處理基板上，要將(和第1高頻的電場強度分布特性有關之)電漿密度分布特性及(和第2高頻的電場強度分布特性有關之)自我偏壓電壓分布特性同時地予以最佳化有其困難，例如，存在有想要改善電漿密度的均勻性時，與此相反，異方性蝕刻的均勻性會降低之取捨的問題。
本發明係解決此種以往技術的問題點著，目的在於提供：使得電漿密度分布的容易且自由的控制成為可行，能夠提高電漿製程的均勻性或良率之電容耦合型的電漿處理裝置。
本發明之別的目的，在於提供：可同時使電漿密度分布特性及自我偏壓電壓分布特性最佳化之下部2頻施加方式之電容耦合型電漿處理裝置。
為了達成前述目的，本發明之電漿處理裝置，係具有：可以真空排氣之處理容器；及於前述處理容器內載置被處理基板之下部中心電極；及從前述下部中心電極被電氣絕緣，且環狀地包圍前述下部中心電極的外周之下部周邊電極；及面對前述下部中心電極及前述下部周邊電極，且被配置於其上方之上部電極；及對前述下部周邊電極及前述下部周邊電極與前述上部電極之間的處理空間供給處理氣體之處理氣體供給部；及將藉由高頻放電而產生前述處理氣體之電漿用之第1高頻予以輸出之第1高頻電源；及為了將來自前述第1高頻電源之前述第1高頻優先地供給至前述下部周邊電極上，而被連接於前述下部周邊電極的背面之第1下部供電導體；及為了將來自前述第1高頻電源之前述第1高頻的一部份供給至前述下部中心電極上，而以阻抗可變之電容耦合將前述第1下部供電導體及前述下部周邊電極之至少一方與前述下部中心電極予以電性連接之第1可變電容耦合部。
於前述裝置構成中，來自第1高頻電源之第1高頻為介由第1下部供電導體而被優先地供給至下部周邊電極上，其之剩餘則介由第1可變電容耦合部而被供給至下部中心電極上。藉由使第1可變電容耦合部的阻抗成為可以改變，能使被分配至第1高頻的下部周邊電極及下部中心電極的比例成為可以改變。藉此，使得下部周邊電極正上方的高頻電場強度與下部中心電極正上方的高頻電場強度的比值或平衡成為可以改變，得以自由且容易地控制被處理基板上的電漿密度分布。
如依據本發明之合適的一型態，第1下部供電導體，係具有：於下部中心電極的中心部的正下方垂直向上延伸，於從下部中心電極離開之位置終止之第1供電棒；及從此第1供電棒的上端部向半徑方向外側及上方延伸到達下部周邊電極的背面之面狀的連接部。藉由第1高頻電源被輸出的第1高頻，如傳達於第1供電棒的外周面表層而到達其上端時，由該處傳達於面狀連接部的外側面表層，且從下部周邊電極的外周面而繞抵上面，從下部周邊電極的上面被釋放至處理空間。
作為合適之一型態，第1可變電容耦合部，係被設置於第1供電棒或面狀連接部與下部中心電極之間。在此情形下，未被從下部周邊電極的上面朝處理空間釋放之剩餘的第1高頻，係經由下部周邊電極的內周面表層及面狀連接部的內側面表層，通過第1可變電容耦合部，進入下部中心電極的背面。而且從下部忠心電極的外周面繞至上面的第1高頻，於該處被釋放於處理空間。
作為更具體之一型態，第1可變電容耦合部，係具有：於面狀連接部與下部中心電極之間的空間內，在圓周方向保有一定間隔而配置，且各以水平軸為旋轉中心而在旋轉方向可以位移而設置之多數的導體板。於此構成中，介由可變的間隙，於導體板和面狀連接部之間形成有下部電容器，介由可變的間隙而導體板和下部中心電極之間形成有上部電容器。藉由使兩電容器的間隙之大小可以改變，能使第1可變電容耦合部的電容容量或阻抗成為可以改變。
作為別的具體之一型態，第1可變電容耦合部，係具有：複數個被配置為同心圓狀，且電性地連接於下部中心電極之環狀的上部鰭片導體；及對於此上部鰭片導體，於半徑方向偏置而被複數個配置為同心圓狀，且電性地連接於第1供電棒或面狀連接部之環狀的下部鰭片導體；及於半徑方向使上部鰭片導體與下部鰭片導體相向之狀態下，在垂直方向使兩者相對地位移之鰭片導體位移機構。於此構成中，介由可變的相向面積，於上部鰭片導體與下部鰭片導體之間形成有電容器。藉由鰭片導體位移機構使相向面積成為可以改變，能使第1可變電容耦合部的電容容量或阻抗成為可以改變。
於別的合適之一型態中，第1可變電容耦合部，係具有：環狀地被設置於下部中心電極與第1下部供電導體及下部周邊電極之至少一方之間的中空介電體，於此中空介電體的內部可變量地收容流動性的介電性物質，或於特定的方向可以位移地收容導體板。於此種構成中，在中空介電體的內部，使得流動性的介電性物質的量成為可以改變，或使導體板的位置或方向成為可以改變，藉此，能使第1可變電容耦合部的電容容量或阻抗成為可以改變。在此情形下，未被從下部周邊電極的上面朝處理空間釋放出的剩餘之第1高頻，會通過第1可變電容耦合部而進入下部中心電極的外周面，由該處繞至下部中心電極的上面而被釋放於處理空間。
於本發明之合適的一型態中，係設置有：主要將用以把電漿中的離子引入被處理基板之第2高頻予以輸出之第2高頻電源；及為了將來自此第2高頻電源之第2高頻專門地或優先地供給至下部中心電極，而被連接於下部中心電極的背面之第2下部供電導體。此種第2下部供電導體，以具有：貫穿形成於中空管之第1供電棒之中，且連接於下部中心電極的背面之中心部的第2供電棒為佳。或也可以具有：與第1供電棒部的旁邊平行地延伸，且連接於比下部中心電極的背面的中心部更位於半徑方向外側的部位之第2供電棒。另外，也可以具有：為了將來自第2高頻電源之第2高頻的一部份供給至下部周邊電極，以阻抗可變的電容耦合將第2下部供電導體和第1下部供電導體電性地連接之第2可變電容耦合部之構成。
具備此種第2下部供電導體，與第1高頻獨立，且將第2高頻只限定於下部中心電極，或以所期望的比例來分配下部中心電極與下部周邊電極，可以使依據第2高頻之離子引入用的直流電場強度分布成為最佳化。
如依據本發明之電漿處理裝置，藉由如前述之構造及作用，使得電漿密度分布的容易且自由的控制成為可行，能夠提高電漿製程的均勻性或良率。進而，可以使電漿密度分布特性及自有偏壓電壓分布特性同時地最佳化。
以下，參照所附圖面說明本發明之合適的實施型態。
第1圖係表示本發明之一實施型態中之電漿處理裝置的構造。此電漿處理裝置係構成為陰極耦合的電容耦合型電漿蝕刻裝置，例如具有鋁或不銹鋼等之金屬製的圓桶型腔體(處理容器)10。腔體10被安全地接地。
於腔體10內水平地配置有作為高頻電極之感應器或下部電極。此感應器12係於半徑方向被2分割為：載置有作為被處理基板之例如半導體晶圓W的圓板形之感應器中心電極(下部中心電極)12A、及包圍此感應器中心電極12A的外周之環狀的感應器周邊電極(下部周邊電極12B)。於兩電極12A、12B之間，介由適當的密封構件(未圖示出)而氣密地挾有圓桶狀的絕緣體14。兩電極12A、12B例如係由鋁所形成，絕緣體14例如係由石英或陶瓷所形成。
於感應器周邊電極12B之背面(下面)連接有下部供電導體18，用以將藉由高頻電源16以所期望的功率輸出之適合電漿產生的頻率(例如60MHz)之高頻優先地供給至感應器周邊電極12B。此下部供電導體18係具有：從被配置於感應器中心電極12A的正下方之匹配單元20的輸出端子朝垂直上方延伸，於從感應器中心電極12A分開之位置終止之中空的下部供電棒22、及從此下部供電棒22的上端部朝半徑方向外側變寬延伸之圓板狀的水平連接部24、及從此水平連接部24的外周端朝垂直上方延伸而連接於感應器周邊電極12B的背面之圓桶狀的垂直連接部26。水平連接部24與垂直連接部26係成為一體而形成碟狀的面狀連接部25。下部供電導體18的各部可以電傳導度高的銅系或鋁系之金屬來構成。垂直連接部26也可以作為感應器周邊電極12B的下部延長部分來形成為一體。
為了也將來自高頻電源16之高頻分配至感應器中心電極12A，於下部供電導體18與感應器中心電極12A之間的空間設置有以阻抗可變的電容耦合(例如電路或元件或構造體)將下部供電導體18與感應器中心電極12A予以電性連接之可變電容耦合部28。關於此可變電容耦合部28之具體的構成及作用，容後說明。
由前述之感應器中心電極12A、感應器周邊電極12B、絕緣體14及下部供電導體18(特別是面狀連接部25)所形成的圓筒狀或圓柱狀的組合體，係藉由從腔體10的底部垂直向上延伸之例如陶瓷製的絕緣性圓筒狀支撐部30被非接地地支撐著。
於沿著絕緣性圓筒狀支撐部30的外周從腔體10的底部垂直向上延伸的導電性之圓筒狀支撐部32與腔體10之內壁之間形成有環狀的排氣管路34，且於底部設置有排氣埠36。介由排氣管38於排氣埠36連接有排氣裝置40。排氣裝置40係具有渦輪分子泵等之真空泵，能將腔體10內的電漿處理空間減壓至所期望的真空度。於腔體10的側壁之外安裝有將半導體晶圓W的搬入搬出口予以關閉之閘門閥42。
於感應器中心電極12A的上面設置有以靜電吸附力來保持半導體晶圓W用之圓板狀的靜電夾頭44。此靜電夾頭44係於膜狀或板狀的介電體中放入薄片狀或網目狀的導電體者，一體地形成或一體地被固定於感應器中心電極12A的上面，被配置於腔體10之外的直流電源46係介由開關48及供電線(例如被覆線)50而被電性連接於該導電體。藉由直流電源46所施加的直流電壓，可以利用庫倫力將半導體晶圓W吸附保持於靜電夾頭44上。
於靜電夾頭44的周圍，聚焦環52可以裝卸地被配置於圓筒狀絕緣體14的上面之同時，覆蓋環54可以裝卸地被配置於感應器周邊電極12B的上面。聚焦環52及覆蓋環54例如係由Si、SiC、C、SiO2等之材質所形成，個別可以為個別的零件，或者為成為一體的零件。
於感應器中心電極12A的內部例如設置有向圓周方向延伸的環狀之冷媒室56。此冷媒室56係藉由腔體10外之冷卻器單元(未圖示出)透過配管(未圖示出)而被循環供給特定溫度的冷媒例如冷卻水。藉由冷媒的溫度，可以控制靜電夾頭44上的半導體晶圓W的處理溫度。進而來自腔體10之外的傳熱氣體供給部(未圖示出)的傳熱氣體例如He氣體，介由氣體供給管(未圖示出)及形成於感應器中心電極12A內之氣體通路58，被供給至靜電夾頭44及半導體晶圓W的背面之間。
於腔體10的頂部設置有與感應器中心電極12A及感應器周邊電極12B平行地相向且兼為淋浴頭之接地電位的上部電極60。此上部電極60係具有：面向感應器12之電極板62、及將此電極板62可從其背後(上)裝卸地加以支撐之電極支撐板64，於電極支撐板64的內部設置氣體室66，於電極支撐體64及電極板62形成從此氣體室66貫穿感應器12側之多數的氣體吐出孔65。電極板62與感應器中心電極12A及感應器周邊電極12B之間的空間係成為電漿產生空間或處理空間PS。於設置於氣體室60的上部之氣體導入口60a連接有來自處理氣體供給部68之氣體供給管70。另外，電極板62例如由Si或SiC所形成，電極支撐板64例如由氧化鋁膜處理之鋁所形成。
此電漿蝕刻裝置中之主要的特徵，係如前述般，為於半徑方向將感應器12予以2分割為感應器中心電極12A與感應器周邊電極12B；及為了高頻放電或電漿產生，將藉由高頻電源16所輸出的高頻介由下部供電導體18優先地分配至感應器周邊電極12B之同時，也介由可變電容耦合部28而以可以改變的比例對感應器中心電極12A供給高頻之兩點。
第2A及第2B圖係表示依據一實施例之可變電容耦合部28的具體構成。此可變電容耦合部28係具有：於下部供電棒22的上端附近被配置於水平連接部24與感應器中心電極12A之間的圓筒狀(或圓柱狀)的中心圓筒狀絕緣體72、及於此中心圓筒狀絕緣體72的外周面和周邊側之圓筒狀絕緣體14的內周面之間，在圓周方向留有一定的間隔而被配置為放射狀之多數的長片狀導體板74、及將此等長片狀導體板74可以旋轉位移地安裝於兩圓筒狀絕緣體72、14之水平支撐軸76。
於長片狀導體板74與水平連接部24之間，及長片狀導體板74與感應器中心電極12A之間，個別夾住可變的間隙d而形成有電容器。下部供電導體18與感應器中心電極12A則介由可變電容耦合部28之上述電容器，以阻抗可變的電容耦合而被電性連接。
如第2A圖所示般，一將長片狀導體板74調整為板面成為垂直之姿勢時，間隙成為最小dmin，電容器的電容成為最大，可變電容耦合部28的阻抗成為最小。另外，如第2B圖所示般，一將長片狀導體板74調整為水平姿勢時，間隙成為最大DMAX ，電容器的電容成為最小，可變電容耦合部28的阻抗成為最大。在圖示之例子的情形，比起垂直姿勢(第2A圖)，水平姿勢(第2B圖)與長片狀導體板74的下部供電導體18及感應器中心電極12A相向的面積(電容器電極面積)雖變為數倍大，但是藉由使電容器電極間隔比dMAX /dmin 例如成為數十倍，可以將電容器電極面積比予以忽視。
關於第3圖，說明此實施型態中之下部供電導體18及可變電容耦合部28的作用(特別是關於高頻供電的作用)。藉由高頻電源16(第1圖)被輸出的高頻RF，一脫離匹配單元20，沿下部供電棒22的外周面表層朝上方傳播，如到達下部供電棒22的終端(上端)時，由該處傳達於水平連接部24的下面表層，以放射狀傳播於半徑方向外側，從水平連接部24的終端(外周端)回繞垂直連接部26的外周面表層及感應器周邊電極12B的外周面表層而行達感應器周邊電極12B的上面。此處，介由覆蓋環54而面向處理空間PS，高頻RF從感應器周邊電極12B的上面以相當的功率被釋放於處理空間PS。
然後，剩餘的高頻RF傳達於感應器周邊電極12B的內周面表層及垂直連接部26的內周面表層而繞至水平連接部24的上面，由該處通過可變電容耦合部28的電容器(長片狀導體板74、間隙d)而進入感應器中心電極12A的背面(下面)，由該處迂迴感應器中心電極12A的外周面而抵達上面。於此處，高頻RF面向處理空間PS，朝向感應器中心電極12A的中心部一面傳播於電極上面表層，於各位置一面朝向處理空間PS釋放RF功率。
另外，高頻RF之中，雖也有從感應器周邊電極12B穿透絕緣體14而進入感應器中心電極12A者，但絕緣體14多數其靜電容量小，在絕緣體14的靜電容量小的情形，為極小的關係，可以加以忽視。
如此，於此實施型態之電漿蝕刻裝置中，來自高頻電源16的高頻RF會通過下部供電導體18而先行且優先地被供給至感應器周邊電極12B，高頻RF從感應器周邊電極12B以不小的功率被釋放於處理空間PS。然後，於感應器周邊電極12B而未被適當於處理空間PS之剩餘的高頻RF，則介由可變電容耦合部28而被供給至感應器中心電極12A，從感應器中心電極12A被適當於處理空間PS。藉由使可變電容耦合部28的阻抗成為可以改變，能夠任意地調整感應器周邊電極12B之正上方與感應器中心電極12A的正上方之高頻電場強度的比例乃至電漿密度的比例。例如，藉由將可變電容耦合部28的阻抗調整為高些，使感應器周邊電極12B正上方之電漿密度比感應器中心電極12A正上方的電極密度還高，來使從感應器周邊電極12B側朝腔體中心側擴散電漿，能於直徑方向使被載置於感應器中心電極12A上的晶圓W上的電漿密度變得均勻。
另外，如提高高頻的頻率時(波長變短時)，於感應器中心電極12A的上面，基於表面效果，高頻集中於電極中心部，電極中心部側的高頻電場強度(電漿密度)比電極邊緣部側的高頻電場強度(電漿密度)相對地容易變高，即使將感應器周邊電極12B正上方的高頻電場強度(電漿密度)充分地提高，也會有無法完全地補償的情形。在該種情形時，例如可將前述專利文獻1所記載的技術予以組合，如第2A圖、第2B圖及第3圖所示般，藉由以在感應器中心電極12A的上面，中心最深而隨著朝向邊緣部逐漸變淺之輪廓來填埋介電體78，可以使電極中心部的高頻電場強度變得緩和，得以實現更接近理想之電漿密度均勻性。
第4A圖及第4B圖係表示依據別的實施例之可變電容耦合部28的具體構成。於此實施例中，環狀的上部鰭片82係介由上部鰭片支撐板80而多數地同心圓狀地設置於感應器中心電極12A的下面。然後，環狀的下部鰭片84相對於此等之上部鰭片82，於半徑方向偏置，呈同心圓狀地多數設置於可動的下部鰭片支撐板86之上，於使上部鰭片82與下部鰭片84在半徑方向相向之狀態下，藉由鰭片位移機構88使下部鰭片84在垂直方向上下地位移。
鰭片位移機構88係具有：可以滑動地安裝於下部供電棒22的外周面之操作部90、及通過形成於水平連接部24之貫穿孔92來結合下部鰭片支撐板86與操作部90之連接棒94。貫穿孔92及連接棒94係以重心位於通過感應器中心電極12A的中心線之上的方式，於圓周方向留有一定的間隔而多數地設置。操作部90係藉由手動或致動器等來上下地移動，被固定或保持於一定範圍內的任意高度的位置。
於此可變電容耦合部28中，上述之構成零件或構件(80~94)之任何一種都是以導體，例如鋁所形成，且於上部鰭片82與下部鰭片84之間形成有電容器96。然後，藉由通過操作部90、連接棒94及下部鰭片支撐板86來改變下部鰭片84的高度位置，使得上部鰭片82與下部鰭片84平行相向的面積(電容器電極面積)可以改變，藉此使得電容器96的電容或阻抗成為可以改變。
第4A圖係表示為了使可變電容耦合部28的電容器容量成為最大，將下部鰭片84的高度位置調整至上限位置的情形。第4B圖係表示為了使可變電容耦合部28的電容器容量成為最小，將下部鰭片84的高度位置調整為下限位置的情形。
關於第5圖，係用來說明此實施例中之下部供電導體18及可變電容耦合部28的作用(特別是關於高頻供電之作用)。藉由高頻電源16(第1圖)所輸出的高頻RF一穿過匹配單元20時，則傳達於下部供電棒22的外周面表層而朝上方傳播，在其中途，高頻RF的一部份傳達於操作部90、連接棒94而通過電容器96，進入感應器中心電極12A。另一方面，於操作部90未予以旁通而穿過下部供電棒22的高頻RF，則傳達於面狀連接部25(水平連接部24、垂直連接部26)的外側面表層進入感應器周邊電極12B。於感應器中心電極12A及感應器周邊電極12B之任何一者中，高頻RF都經由電極外周面而行抵電極上面，於該處被釋放於處理空間PS。
於此實施例中，可變電容耦合部28的支撐棒94的阻抗絕對地大之故，於可變電容耦合部28中，即使使電容器96的容量或阻抗成為可以改變，被旁通於感應器中心電極12A的高頻RF的比例並不多，高頻RF之多數成為被供給至感應器周邊電極12B的高頻供電構造。雖然省略圖示，但於可變電容耦合部28中，介由可撓性的連接導體200而將可動的下部鰭片84電性連接於面狀連接部25的內側面，使藉由感應器周邊電極12B所被釋放的高頻RF之剩餘者經由感應器周邊電極12B的內周面、面狀連接部25的內側面及該可撓性連接導體來通過電容器96地構成亦可。在該情形下，不設置由操作部90及支撐棒94所形成的旁路。
再度於第1圖中，此電漿蝕刻裝置內的各部，例如高頻電源16、排氣裝置40、開關48、處理氣體供給部68等之各部的動作及裝置整體的動作(順序)，係藉由例如由微電腦所形成的控制部(未圖示出)所控制。
於此電漿蝕刻裝置中，為了進行蝕刻，首先使閘門閥42成為開啟狀態，將加工對象的半導體晶圓W搬入腔體10內，且載置於靜電夾頭44上。然後，藉由處理氣體供給部68以特定的流量將蝕刻氣體(一般為混合氣體)導入密閉狀態的腔體10內，藉由排氣裝置40而使腔體10內的壓力成為設定值。進而使高頻電源16成為導通，使高頻(60MHz)以特定的功率輸出，將此高頻介由匹配單元20及下部供電導體18而施加於感應器12(12A、12B)。另外，使開關48成為導通，藉由靜電吸附力而於靜電夾頭44與半導體晶圓W之間的接觸界面封入傳熱氣體(He氣體)。藉由上部電極(淋浴頭)的氣體吐出孔65所被吐出的蝕刻氣體，則在兩電極12、60之間藉由高頻放電而被電漿化，藉由以此電漿所產生的活性基或離子，半導體晶圓W的主面被以特定的圖案所蝕刻。
此電容耦合型電漿蝕刻裝置係如前述般，以優先對感應器周邊電極12B之供給的方式，以所期望之分配比例將高頻放電用之高頻供給至感應器中心電極12A與感應器周邊電極12B，使得可以自由地調整感應器周邊電極12B正上方的高頻電場強度與感應器中心電極12A正上方的高頻電場強度之比例或平衡，可以在直徑方向使半導體晶圓W上的電漿密度均勻化而且變得容易，得以提升蝕刻製程的均勻性或良率。
第6圖係表示第2實施型態中之電漿蝕刻裝置的構成。圖中，對於具有與前述第1實施型態(第1圖)同樣的構成或功能的部分，賦予相同的符號。
此電漿蝕刻裝置係採用陰極耦合的下部2頻施加方式，在電漿產生用之第1高頻電源16之外，也具備離子引入用之第2高頻電源100。此處第2高頻電源100係將適合於產生從電漿引入離子至感應器中心電極12A上的半導體晶圓W用之直流電場或自我偏壓電壓的比較低頻率(例如2MHz)的第2高頻以所期望的功率予以輸出。
匹配單元20係一同地收容有地第1及第2高頻電源16、100用之個別的匹配器。其中，第1高頻電源16用之匹配器的輸出端子係與前述第1實施型態相同，被連接於下部供電導體18的下部供電棒22。另一方面，第2高頻電源100用之匹配器的輸出端子係被連接於比下部供電棒22的內徑還細之下部供電棒102。此下部供電棒102從下部供電棒22中直直朝垂直上方延伸，於感應器中心電極12A的背面中心部終止(結合)。下部供電棒102係構成將離子引入用之第2高頻專門供給至感應器中心電極12A用的第2下部供電導體104。
此電漿蝕刻裝置中之可變容量耦合部105係採用：將例如由石英所形成的中空的圓筒狀介電體106氣密地密封而夾入感應器中心電極12A與感應器周邊電極12B之間的間隙，且於此中空介電體106的內部以可變量來收容介電常數高的流動性之介電性物質，例如Galden(Solvay Solexis之商品名)108之構成，介由介電常數約3之Galden108，以電容耦合將感應器中心電極12A與感應器周邊電極12B電性地連接。
於圖示之構成例子中，於腔體10的側壁之外可以上下移動地配置Galden儲藏用之圓筒110，介由可撓性的下部配管112來連接中空介電體106的下部埠與圓筒110的下部埠。利用巴斯卡原理，改變圓筒110的高度位置，使得中空介電體106內的Galden108的液面高度成為可以改變，乃至可以改變可變容量耦合部105的電容器容量或阻抗。即如使圓筒110的位置變高，中空介電體106內的Galden108的液面上升，可變容量耦合部105的電容器容量變大，阻抗變低。反之，如使圓筒110的位置變低，中空介電體106內的Galden108的液面下降，可變容量耦合部105的電容器容量變小，阻抗變高。另外，連接中空介電體106的上部埠與圓筒110的上部埠的上部配管114，係用以將滿溢中空介電體106之Galden108回收於圓筒110側者。此種可變容量耦合部105，其構造簡單，具有可以容易地進行電容器容量的可變調整之優點。
第7圖係說明此實施型態中之作用，特別是第2下部供電導體104及可變電容耦合部105的作用。藉由第1高頻電源16(第6圖)所輸出的第1高頻RF1 ，係從匹配單元20的輸出端子被送至第1下部供電導體18，傳播於下部供電棒22的外周面表層及面狀連接部25的外側面表層，從感應器周邊電極12B的外周面回到上面。此處，第1高頻RF1 之多數即從感應器周邊電極12B的上面被釋放於處理空間PS。然後，剩餘的第1高頻RF1 則從感應器周邊電極12B的內周面表層通過可變電容耦合部105的電容器(Galden 108)而進入感應器中心電極12A的外周面，由該處回到感應器中心電極12A的上面，朝向電極中心部一面傳播於電極上面表層一面將RF功率釋放於處理空間PS。
藉由第1高頻RF1而在感應器周邊電極12B及感應器中心電極12A的正上方產生的電漿的密度，可以藉由可變電容耦合部105的調整旋鈕來調整。即為了使感應器周邊電極12B正上方的電漿密度提高，且使感應器中心電極12A正上方的電漿密度降低，可以朝使可變電容耦合部105的電容器容量變小，且使阻抗提高的方向調整即可。反之，為了使感應器周邊電極12B正上方的電漿密度變低，且使感應器中心電極12A正上方的電漿密度提高，可以朝使可變電容耦合部105的電容器容量變大，且使阻抗變低的方向調整即可。
另一方面，藉由第2高頻電源100(第6圖)所輸出的第2高頻RF2 ，係從匹配單元20的輸出端子朝向第2下部供電導體104而去，傳播於下部供電部102的外周面表層而進入感應器中心電極12A的背面中心部，由該處經由感應器中心電極12A的外周面而行至上面。於感應器中心電極12A的上面，第2高頻RF2 係從電極邊緣部朝向電極中心部一面傳播於上面表層一面在各位置將RF功率釋放於處理空間PS。在此情形時，第2高頻RF2 係其頻率比較低，不會基於表層效果而多數集中於感應器中心電極12A的中心部，可以幾乎均勻地在電極上面的各位置釋放出RF功率。
如此，在此第2實施型態的下部2頻施加方式中，電漿產生用的第1高頻RF1 係介由第1下部供電導體18及可變電容耦合部105而以所期望的分配比例被供電至感應器中心電極12A與感應器周邊電極12B，且離子引入用的第2高頻RF2 係介由第2下部供電導體104的下部供電棒102專門地被供電至感應器中心電極12A。藉此，與上述下部1頻施加方式(第1圖)同樣地，可以任意地調整基於第1高頻RF1 之感應器周邊電極12B正上方的高頻電場強度與感應器中心電極12A正上方的高頻電場強度的平衡，可以自由地控制電漿密度分布之同時，也可以容易地進行載置半導體晶圓W之感應器中心電極12A上之基於第2高頻RF2 的直流電場強度(自我偏壓電壓)最佳化。藉此，可以大幅地提升蝕刻製程的均勻性或良率。
第8圖係表示在前述第2實施型態之電漿蝕刻裝置(第6圖)中，關於第2下部供電導體104的一變形例之構成。如此變形例般，可以在下部供電棒22的旁邊(外部)與其平行地設置第2下部供電導體104的下部供電棒102。在此情形，下部供電棒102能以重心位於通過感應器中心電極12A的中心之線上的方式，於圓周方向留有一定的間隔來複數個設置。
第9圖係表示第3實施型態中之電漿蝕刻裝置的構成。此電漿蝕刻裝置也採用下部2頻施加方式，特徵部分有兩個。1個為：使可變電容耦合部105的構成變形之點。如圖示般，於中空介電體106的環狀空洞內，代替Galden而可以上下移動地收容環狀的導體板120，藉由配置於腔體10之下的致動器122來改變環狀導體板122的高度位置，使得可變電容耦合部105的電容器容量成為可以改變。即如使環狀導體板120的位置變高，則可變電容耦合部105的電容器容量變大，阻抗變低。反之，如使環狀導體板120的位置變低，可變電容耦合部105的電容器容量變小，阻抗變高。作為別的變形例，置換為在圓周方向留有一定的間隔而配置環狀導體板120之多數的長方形導體板，使該等的長方形狀導體板在以垂直軸為旋轉中心的旋轉方向位移而構成亦可。
其他的特徵部分，在於一面優先地將藉由第2高頻電源100所輸出的離子引入用之第2高頻供給至感應器中心電極12A，一面也對感應器周邊電極12B配置一部份進行供給，來構成第2下部供電導體104之點。圖示的構成例子，係於形成在第1下部供電導體18與感應器中心電極12A之間的空間中，環狀地包圍第2下部供電棒102的外周，且至以電容耦合可以電性地與第2下部供電導體18的面狀連接部25(特別是水平連接部24)連接的位置為止，設置延伸於半徑方向外側之面狀導體板124。例如能夠藉由安裝於腔體10的底面之升降致動器126來使面狀導體板124在上下方向移動。如使面狀導體板124接近水平連接部24時，於兩者之間形成電容器。傳播於第2下部供電棒102而至之第2高頻的一部份會通過2此電容器(124、24)而分流至第1下部供電導體18，傳播於感應器周邊電極12B的內周面而回到上面，被釋放於處理空間PS。藉由使電容器的容量乃至阻抗成為可以改變，能使被分配於第1下部供電導體18的第2高頻之比例成為可以改變。
如此，不單是於感應器中心電極12A，於感應器周邊電極12B也能以可以改變的分配比來供給離子引入用的第2高頻之方式也屬可能。例如被載置於感應器中心電極12A上之半導體晶圓W的邊緣位於感應器周邊電極12B的正上方或附近的情形時，可以合適地採用此種方式。
以上雖就本發明之合適的一實施型態來做說明，但是本發明決不限定於前述實施型態，可以有種種變形的可能。特別是，關於下部供電導體(18、104)及可變電容耦合部(28、105)的構成，可以進行種種的選擇、變形以使能和裝置內的其他構成最佳地組合。
例如，也可以將於前述第2、第3實施型態中說明的下部供電導體104的構成適用於第1實施型態。如反向來看，將第1實施型態的可變電容耦合部28的構成代替第2、第3實施型態的可變電容耦合部105的構成，也可以適用於第2、第3實施型態。
另外，本發明並不限定於對如前述實施型態之下部1頻施加方式或下部2頻施加方式的適用，例如也可以合適地使用於對感應器(下部電極)進一步施加不同的第3頻率之下部3頻施加方式。
本發明並不限定於電漿蝕刻裝置，也可以適用於電漿CVD、電漿氧化、電漿氮化，濺鍍等之其他的電漿處理裝置。另外，本發明中之被處理基板，並不限定於半導體晶圓，也可以是平面面板顯示器用的各種基板，或光罩、CD基板、印刷基板等。
10．．．腔體(處理容器)
12．．．感應器(下部電極)
12A．．．感應器中心電極(下部中心電極)
12B．．．感應器周邊電極(下部周邊電極)
14．．．絕緣體
16．．．(第1)高頻電源
18．．．(第1)下部供電導體
20．．．匹配單元
22．．．(第1)下部供電棒
24．．．水平連接部
25．．．面狀連接部
26．．．垂直連接部
28．．．可變電容耦合部
30．．．絕緣性圓筒狀支撐部
32．．．圓筒狀支撐部
34．．．排氣管路
36．．．排氣埠
38．．．排氣管
40．．．排氣裝置
50．．．供電線
52．．．聚焦環
54．．．覆蓋環
56．．．冷媒室
58．．．氣體通路
60．．．上部電極
60a．．．氣體導入口
62．．．電極板
64．．．電極支撐板
66．．．氣體室
68．．．處理氣體供給部
70．．．氣體供給管
74．．．長方形導體板
82．．．上部鰭片
84．．．下部鰭片
90．．．操作部
100．．．第2高頻電源
102．．．第2下部供電棒
104．．．第2下部供電導體
106．．．中空介電體
108．．．Galden
120．．．環狀導體板
第1圖係表示本發明的第1實施型態中之電漿蝕刻裝置的構成縱剖面圖。
第2A圖係表示依據第1實施例之可變電容耦合部的具體構成例之剖面圖，且是表示使電容器容量調整為最大的情形之圖。
第2B圖係表示依據第1實施例之可變電容耦合部的具體構成例之剖面圖，且是表示使電容器容量調整為最小的情形之圖。
第3圖係模型地說明第1圖的電漿蝕刻裝置中之下部供電導體及第1實施例之可變電容耦合部的作用之圖。
第4A圖係表示依據第2實施例之可變電容耦合部的具體構成例之剖面圖，且是表示使電容器容量調整為最大的情形之圖。
第4B圖係表示依據第2實施例之可變電容耦合部的具體構成例之剖面圖，且是表示使電容器容量調整為最小的情形之圖。
第5圖係模型地說明第1圖的電漿蝕刻裝置中之下部供電導體及第2實施例之可變電容耦合部的作用之圖。
第6圖係表示第2實施型態中之電漿蝕刻裝置的構成縱剖面圖。
第7圖係模型地說明第6圖之電漿蝕刻裝置中之下部供電導體及可變電容耦合部的作用之圖。
第8圖係表示第6圖之電漿蝕刻裝置中之第2下部供電導體的一變形例之縱剖面圖。
第9圖係表示第3實施型態中之電漿蝕刻裝置的構成縱剖面圖。
10．．．腔體(處理容器)
12．．．感應器(下部電極)
12A．．．感應器中心電極(下部中心電極)
12B．．．感應器周邊電極(下部周邊電極)
14．．．絕緣體
16．．．(第1)高頻電源
18．．．(第1)下部供電導體
20．．．匹配單元
22．．．(第1)下部供電棒
24．．．水平連接部
25．．．面狀連接部
26．．．垂直連接部
28．．．可變電容耦合部
30．．．絕緣性圓筒狀支撐部
32．．．圓筒狀支撐部
34．．．排氣管路
36．．．排氣埠
38．．．排氣管
40．．．排氣裝置
42．．．閘門閥
44．．．靜電夾頭
46．．．直流電源
48．．．開關
50．．．供電線
52．．．聚焦環
54．．．覆蓋環
56．．．冷媒室
58．．．氣體通路
60．．．上部電極
60a．．．氣體導入口
62．．．電極板
64．．．電極支撐板
65．．．氣體吐出孔
66．．．氣體室
68．．．處理氣體供給部
70．．．氣體供給管
W．．．半導體晶圓
PS．．．處理空間

Claims (10)

  1. 一種電漿處理裝置，其特徵為具有：可以真空排氣之處理容器；及於前述處理容器內載置被處理基板之下部中心電極；及從前述下部中心電極被電氣絕緣，且環狀地包圍前述下部中心電極的外周之下部周邊電極；及面對前述下部中心電極及前述下部周邊電極，且被配置於其上方之上部電極；及對前述下部周邊電極及前述下部周邊電極與前述上部電極之間的處理空間供給處理氣體之處理氣體供給部；及將藉由高頻放電而產生前述處理氣體之電漿用之第1高頻予以輸出之第1高頻電源；及為了將來自前述第1高頻電源之前述第1高頻優先地供給至前述下部周邊電極上，而被連接於前述下部周邊電極的背面之第1下部供電導體；及為了將來自前述第1高頻電源之前述第1高頻的一部份供給至前述下部中心電極上，而以阻抗可變之電容耦合將前述第1下部供電導體及前述下部周邊電極之至少一方與前述下部中心電極予以電性連接之第1可變電容耦合部；前述第1可變電容耦合部，係具有：環狀地被設置於前述下部中心電極與前述第1下部供電導體及前述下部周邊電極之至少一方之間的中空介電體，於前述中空介電體 的內部收容在特定方向可以位移之導體板。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理裝置，其中前述第1下部供電導體，係具有：於前述下部中心電極的中心部的正下方垂直向上延伸，於從前述下部中心電極離開之位置終止之第1供電棒；及從前述第1供電棒的上端部向半徑方向外側及上方延伸到達前述下部周邊電極的背面之面狀的連接部。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之電漿處理裝置，其中前述第1可變電容耦合部，係被設置於前述第1供電棒或前述面狀連接部與前述下部中心電極之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之電漿處理裝置，其中前述第1可變電容耦合部，係具有：於前述面狀連接部與前述下部中心電極之間的空間內，在圓周方向保有一定間隔而配置，且各以水平軸為旋轉中心而在旋轉方向可以位移而設置之多數的導體板。
  5. 如申請專利範圍第3項所記載之電漿處理裝置，其中前述第1可變電容耦合部，係具有：複數個被配置為同心圓狀，且電性地連接於前述下部中心電極之環狀的上部鰭片導體；及對於前述上部鰭片導體，於半徑方向偏置而被複數個配置為同心圓狀，且電性地連接於前述第1供電棒或前述面狀連接部之環狀的下部鰭片導體；及於半徑方向使前述上部鰭片導體與前述下部鰭片導體 相向之狀態下，在垂直方向使兩者相對地位移之鰭片導體位移機構。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理裝置，其中前述第1可變電容耦合部，係具有：環狀地被設置於前述下部中心電極與前述第1下部供電導體及前述下部周邊電極之至少一方之間的中空介電體，於前述中空介電體的內部可變量地收容流動性的介電性物質。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載之電漿處理裝置，其中具有：主要將用以把前述電漿中的離子引入前述被處理基板之第2高頻予以輸出之第2高頻電源；及為了將來自前述第2高頻電源之前述第2高頻專門地或優先地供給至前述下部中心電極，而被連接於前述下部中心電極的背面之第2下部供電導體。
  8. 如申請專利範圍第7項所記載之電漿處理裝置，其中前述第2下部供電導體，係具有：貫穿形成於中空管之前述第1供電棒之中，且連接於前述下部中心電極的背面的中心部之第2供電棒。
  9. 如申請專利範圍第7項所記載之電漿處理裝置，其中前述第2下部供電導體，係具有：與前述第1供電棒部的旁邊平行地延伸，且連接於比前述下部中心電極的背面的中心部更位於半徑方向外側的部位之第2供電棒。
  10. 如申請專利範圍第7項所記載之電漿處理裝置，其中具有：為了將來自前述第2高頻電源之前述第2高頻 的一部份供給至前述下部周邊電極，以阻抗可變的電容耦合將前述第2下部供電導體與前述第1下部供電導體予以電性連接之第2可變電容耦合部。
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