TWI478203B - A plasma processing device and its constituent parts - Google Patents

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Description

電漿處理裝置及其構成零件
本發明是有關電漿處理裝置及其構成零件，特別是關於暴露於電漿之電漿處理裝置的構成零件。
電漿處理裝置是具備收容作為基板的晶圓之收容室，從被導入至收容室內的處理氣體來產生電漿，藉由該電漿來對晶圓實施所望的電漿處理。當電漿處理為乾蝕刻處理時，起因於電漿與被蝕刻物質，而產生反應生成物，該反應生成物會作為沈積物來堆積於構成收容室的構成零件的表面等。
另一方面，在收容室內是沿著暴露於電漿的各構成零件的表面70產生鞘層(sheath)71，藉由該鞘層71來使電漿中的離子72朝各構成零件的表面打進(圖7(A))。此被打進的離子72會濺射堆積於各構成零件的表面之沈積物而除去。通常，在各構成零件的表面，起因於反應生成物之沈積物的堆積量是與利用離子的濺射之沈積物的除去量同等或少，因此幾乎不會有沈積物堆積的情形。
可是，近年來為了達成晶圓的電漿處理的均一化，而被要求嚴密進行收容室內的電漿分布、特別是電子密度的控制，因應於此，提案在與晶圓對向的上部電極設置突起、溝或階差(例如參照專利文獻1)。
[專利文獻1]
特願2008-83046號說明書
然而，如圖7(B)所示，在伴隨幾乎直角的角落部73的突起或溝雖產生有以能夠沿著該角落部73的方式彎曲的鞘層74，但由於離子75是對該鞘層74幾乎垂直打出，因此從彎曲的鞘層74是擴散打出離子75。其結果，在角落部73是比其他的部分每單位面積被打入的離子75的數量會極端地變少，利用離子75的濺射之沈積物的除去量會減少，因此在角落部73及其附近會有沈積物76堆積的情形。堆積的沈積物76會剝離而成粒子，附著於晶圓而成缺陷(缺點)的原因。
本發明的目的是在於提供一種防止沈積物堆積於角落部的電漿處理裝置及其構成零件。
為了達成上述目的，請求項1記載的電漿處理裝置的構成零件，係利用電漿來對基板實施電漿處理的電漿處理裝置的構成零件，其特徵為：在暴露於前述電漿的構成零件中，具有2個面交叉形成的角落部，前述2個面的交叉角度為115°～180°的其中任一。
請求項2記載的電漿處理裝置的構成零件，係於請求項1記載的構成零件中，具有前述角落部所形成的溝，該溝的寬度為鞘層長的2倍以上。
請求項3記載的電漿處理裝置的構成零件，係於請求項2記載的構成零件中，前述構成零件係配置成與前述基板對向，且為被施加直流電壓的電極，前述電漿中的電子密度為2.0×1010 ～1011 ，被施加於前述電極的直流電壓的值為300V以下時，前述溝的寬度為8mm以上。
為了達成上述目的，請求項4記載的電漿處理裝置，係利用電漿來對基板實施電漿處理的電漿處理裝置，其中，具備暴露於前述電漿的構成零件，前述構成零件係具有2個面交叉形成的角落部，前述2個面的交叉角度為115°～180°的其中任一。
若根據請求項1記載的電漿處理裝置的構成零件及請求項4記載的電漿處理裝置，則暴露於電漿的構成零件係具有2個面交叉形成的角落部，該2個面的交叉角度為115°～180°的其中任一，因此沿著角落部產生的鞘層的彎曲程度會低減，藉此從該鞘層打出的離子的擴散程度也會低減。其結果，可防止在角落部中每單位面積所被打進的離子數極端地低減，抑制利用離子的濺射之沈積物的除去量的減少，進而能夠防止沈積物堆積於角落部。
若根據請求項2記載的電漿處理裝置的構成零件，則因為角落部所形成的溝的寬度為鞘層長的2倍以上，所以即使在溝的內部形成鞘層，也不會有沿著溝的各側面產生的鞘層重疊的情形，進行能夠防止將離子關起來的凹陷部產生。其結果，可確實地從溝的內部的鞘層往溝的各表面打進離子，防止在包含角落部的溝的內部堆積沈積物。
若根據請求項3記載的電漿處理裝置的構成零件，則當電漿中的電子密度為2.0×1010 ～1011 ，被施加於配置成與基板對向的電極之直流電壓的值為300V以下時，溝的寬度為8mm以上，因此可確實地防止在電極的溝的內部堆積沈積物的同時，可確實地防止在溝的內部產生凹陷部(hollow)。
以下，一邊參照圖面一邊說明有關本發明的實施形態。
圖1是概略顯示具備本實施形態的構成零件的電漿處理裝置的構成剖面圖。此電漿處理裝置是構成可對晶圓實施乾蝕刻處理。
在圖1中，電漿處理裝置10是具有收容例如直徑為300mm的晶圓W之腔室11，在該腔室11內配置有載置半導體裝置用的晶圓W之圓柱狀的基座12。並且，在電漿處理裝置10是藉由腔室11的內側壁及基座12的側面來形成側方排氣路13，其係作為將基座12上方的氣體排出至腔室11外的流路之機能。在此側方排氣路13的途中配置有排氣板14。
排氣板14是具有多數個孔的板狀構件，作為將腔室11內部隔成上部及下部的隔板之機能。在藉由排氣板14來隔開之腔室11內部的上部(以下稱為「反應室」)17產生電漿。並且，在腔室11內部的下部(以下稱為「排氣室(集流腔)」)18連接用以將腔室11內的氣體排出的排氣管16。排氣板14是捕捉或反射產生於反應室17的電漿，而防止往集流腔18的洩漏。
在排氣管16連接TMP(Turbo Molecular Pump)及DP(Dry Pump)(皆未圖示)，該等的泵是將腔室11內抽真空而進行減壓。具體而言，DP是將腔室11內從大氣壓減壓至中真空狀態(例如1.3×10Pa(0.1Torr)以下)，TMP是與DP互相作用將腔室11內減壓至比中真空狀態更低壓的高真空狀態(例如1.3×10-3 Pa(1.0×10-5 Torr)以下)。另外，腔室11內的壓力是藉由APC閥(未圖示)來控制。
在腔室11內的基座12，第1高頻電源19會經由第1整合器20來連接，且第2高頻電源31會經由第2整合器30來連接，第1高頻電源19是將比較低頻率的離子引入用的高頻電力供給至基座12，第2高頻電源31是將比較高頻率的電漿生成用的高頻電力供給至基座12。藉此，基座12是具有作為電極的機能。並且，第1整合器20及第2整合器30是降低來自基座12的高頻電力的反射，而使高頻電力往基座12的供給效率形成最大。
在基座12的上部配置內部具有靜電電極板21的靜電吸盤22。靜電吸盤22是形成在具有某直徑的下部圓板狀構件上重疊直徑比該下部圓板狀構件小的上部圓板狀構件之形狀。另外，靜電吸盤22是以陶瓷所構成。
靜電吸盤22是在靜電電極板21連接第1直流電源23。一旦在靜電電極板21施加正的直流電壓，則會在晶圓W之靜電吸盤22側的面(以下稱為「背面」)產生負電位，而於靜電電極板21及晶圓W的背面之間產生電位差，藉由該電位差所引起的庫倫力或Johnsen-Rahbek力來將晶圓W吸附保持於靜電吸盤22的上部圓板狀構件上。
並且，在靜電吸盤22，以能夠包圍所被吸附保持的晶圓W之方式，載置有環狀構件的聚焦環24。聚焦環24是藉由導電體例如與構成晶圓W的材料相同的單晶矽所構成。由於聚焦環24是由導電體所構成，因此電漿的分布域不僅晶圓W上，且擴大至該聚焦環24上，而將晶圓W的周緣部上之電漿的密度維持成與該晶圓W的中央部上之電漿的密度相同程度。藉此，可維持被施加於晶圓W的全面之乾蝕刻處理的均一性。
在基座12的內部設有例如延伸於圓周方向的環狀冷媒室25。此冷媒室25是從冷卻單元(未圖示)經由冷媒用配管26來循環供給低温的冷媒、例如冷卻水或Galden(註冊商標)。藉由該低温的冷媒來冷卻的基座12是經由靜電吸盤22來冷卻晶圓W及聚焦環24。
在靜電吸盤22之上部圓板狀構件的上面之吸附保持晶圓W的部分(以下稱為「吸附面」)是開口有複數的傳熱氣體供給孔27。該等複數的傳熱氣體供給孔27是經由傳熱氣體供給路線28來連接至傳熱氣體供給部(未圖示)，該傳熱氣體供給部會將作為傳熱氣體的氦(He)氣體經由傳熱氣體供給孔27來供給至吸附面及晶圓W的背面的間隙。被供給至吸附面及晶圓W的背面的間隙之氦氣體可有效地將晶圓W的熱傳達至靜電吸盤22。
在腔室11的頂部是以能夠與基座12對向的方式配置有淋浴頭29。淋浴頭29是具有上部電極33及可裝卸地吊掛該上部電極33的冷卻板34、及覆蓋該冷卻板34的蓋體35。在該冷卻板34的內部設有緩衝室36，在此緩衝室36連接有處理氣體導入管37。
在上部電極33連接有第2直流電源15，對該上部電極33施加直流電壓。並且，上部電極33是由：具有多數的氣體孔32之導電性的圓板狀構件的內側電極33a、及以能夠包圍該內側電極33a的方式配置之導電性的環狀構件的外側電極33b(構成零件)所構成，外側電極33b是具有外周部比內周部更朝被載置於基座12的晶圓W(以下稱為「載置晶圓W」)突出的階差構造，內周部及外周部是以傾斜面連接。該傾斜面是指向載置晶圓W的外緣部。
在電漿處理裝置10，從處理氣體導入管37往緩衝室36所被供給的處理氣體是經由氣體孔32來朝反應室17內部導入，該被導入的處理氣體是藉由從第2高頻電源31經由基座12來朝反應室17內部施加的電漿生成用的高頻電力所激勵而形成電漿。該電漿是藉由第1高頻電源19所供給至基座12的離子引入用的高頻電力來朝載置晶圓W引入，對該晶圓W實施乾蝕刻處理。
並且，在電漿處理裝置10是在乾蝕刻處理的期間，第2直流電源15會對上部電極33施加負的直流電壓。此時，上部電極33雖放出二次電子，但因為外側電極33b的傾斜面是指向載置晶圓W的外緣部，所以在載置晶圓W的外緣部附近，不僅從外側電極33b的內周部放出的二次電子，從上述傾斜面放出的二次電子也到達。藉此，在載置晶圓W的周緣部的正上方可防止電子密度降低，因而可對載置晶圓W的全面均一地實施乾蝕刻處理。
另外，外側電極33b為了控制載置晶圓W附近的電子密度，除了上述的傾斜面以外，還具有溝41(後述)。
上述電漿處理裝置10的各構成零件的動作是電漿處理裝置10所具備的控制部(未圖示)的CPU會按照對應於乾蝕刻處理的程式來控制。
當電漿處理裝置10對載置晶圓W實施乾蝕刻處理時，反應生成物會作為沈積物來堆積於構成腔室11的構成零件例如上部電極33的表面等。
在此，上部電極33是具有階差構造，更具有溝41，所以具備複數的角落部，但如上述般，沿著角落部而產生的鞘層是按其彎曲程度，利用離子的濺射之沈積物的除去量會減少，在角落部及其附近堆積沈積物。
於是，本發明者為了掌握角落部的彎曲程度與角落部及其附近的沈積物堆積的關係，而調查實行乾蝕刻處理時由矽所構成之腔室的構成零件的角落部的角度及該構成零件的消耗量的關係，如圖2的圖表所示，若角落部的角度為125°以上，則確實發現構成零件消耗。因為構成零件消耗，所以利用離子的濺射之沈積物的除去量必須高於該構成零件的表面所堆積的沈積物的堆積量。因此，若角落部的角度為125°以上，則可抑制利用離子的濺射之沈積物的除去量的減少，可防止沈積物的堆積量高於利用離子的濺射之沈積物的除去量，亦即沈積物堆積。而且，在圖2的圖表可知，構成零件的消耗量為0以下時是相當於沈積物堆積時，但若角落部的角度為115°以上，則沈積物的堆積量非常小，例如即使沈積物堆積，該沈積物也不會成為晶圓缺陷的原因。
由以上的調査結果，本發明者關於角落部之沈積物的除去取得以下的見解。亦即，如圖3所示，在構成零件的角落部38，若該角落部38的角度θ為115°以上，較理想是125°以上，則沿著角落部38產生的鞘層39的彎曲程度會被低減，從該鞘層39打出的離子40的擴散程度也會低減。其結果，可防止在角落部38每單位面積被打進的離子40的數量極端低減，抑制利用離子的濺射之沈積物的除去量的減少。
另外，圖2的圖表之一點劃線與虛線是分別在相異的電漿處理裝置中根據相異的條件來實行的乾蝕刻處理之結果，皆是顯示若角落部的角度為125°以上，則構成零件會消耗，因此可知不拘電漿處理裝置的種類或乾蝕刻處理的條件，若角落部的角度為125°以上，則可防止沈積物堆積。
另一方面，一旦角落部的角度比180°大，則角落部形成突起部，因為鞘層是以能夠包圍該突起部的方式產生，所以從鞘層打進的離子會集中而該突起部的消耗會變劇烈。因此，角落部的角度較理想是180°以下。
本實施形態是根據上述見解，在外側電極33b所具有的階差構造或溝41中2個面交叉形成的角落部的角度(2個面的交叉角度)會被設定成115°～180°的其中任一。
圖4是概略顯示圖1的外側電極附近的構成擴大剖面圖。
在圖4中，內周部33c及傾斜面33d所成的角落部33e的角度θ1 會被設定成140°，溝41的底面41a及傾斜面41b所成的角落部41c的角度θ2 會被設定成125°，溝41的底面41a及傾斜面41d所成的角落部41e的角度θ3 會被設定成125。。
可是，如上述般，暴露於電漿的構成零件雖以能夠沿著其表面的方式產生鞘層，但像外側電極33b那樣，構成零件具有溝時，如圖5(A)所示，一旦溝42的寬度為極端小，則鞘層43不會進入該溝42的內部，其結果，從溝42的底部42a到鞘層43的距離會變遠，從鞘層43往溝42的內部打進的離子44會失速而有未到達底部42a的情形。此時，在底部42a因為利用離子44的濺射之沈積物的除去量減少，所以沈積物45會堆積。
又，如圖5(B)所示，當溝46的寬度沒有那麼大時，沿著該溝46的兩側面46a，46b產生的鞘層47，48會有在溝46的內部重疊的情形。鞘層47，48重疊的部分是被稱為凹陷部(hollow)49，因為該凹陷部49會把離子關起來，所以不會有從該凹陷部49打出離子50的情形，其結果，在溝46的內部利用離子50的濺射之沈積物的除去量會減少，有沈積物51堆積的情形。
本實施形態是對應於此，將溝41的最小寬度設定成鞘層的厚度(鞘層長)的2倍以上。具體而言，如圖4所示，溝41的底面41a的寬度L會被設定成鞘層長的2倍以上。藉此，即使在溝41的內部分別沿著傾斜面41b及傾斜面41d產生鞘層52，該鞘層52也不會有在溝41的內部重疊的情形。
像電漿處理裝置10那樣，當直流電壓被施加於上部電極33時，沿著上部電極33的表面產生的鞘層長是藉由下記式(1)來表示。
鞘層長=0.606×德拜長×(2×Vdc/Te)3/4 (mm)　…(1)
在此，Vdc：被施加於上部電極33的直流電壓的值(V)，Te：電子温度(eV)，德拜長：7.43×103 ×(Te/Ne)1/2 (mm)，Ne：電子密度
圖6是表示根據上述式(1)的電漿中的電子密度與沿著上部電極33的表面產生的鞘層長的關係圖表。在圖6中，被施加於上部電極33的直流電壓的值為150V時是以「◇」來表示，同直流電壓的值為300V時是以「□」來表示，同直流電壓的值為600V時是以「△」來表示，同直流電壓的值為900V時是以「×」來表示。
在此，通常被施加於上部電極33的直流電壓的值是300V以下，在乾蝕刻處理所使用的電漿中的電子密度為2.0×1010 ～1011 ，所以由圖6的圖表，估計產生的鞘層的鞘層長為4.0mm以下。因此，若將溝41的底面41a的寬度L設定成8mm以上，則在溝41的內部可確實地防止凹陷部49的產生。
若根據作為本實施形態的電漿處理裝置的構成零件之外側電極33b，則外側電極33b之角落部33e的角度θ1 為140°，角落部41c的角度θ2 為125°，且角落部41e的角度θ3 為125°，因此可抑制利用離子的濺射之沈積物的除去量的減少，進而能夠防止在各角落部33e，41c，41e堆積沈積物。
在上述的外側電極33b，形成有角落部41c，41e的溝41的底面41a的寬度是鞘層長的2倍以上，因此即是在溝41的內部形成鞘層52，也不會有沿著溝41的各傾斜面41b，41d產生的鞘層52重疊的情形，進而能夠防止將離子關起來的凹陷部產生。其結果，可確實地從溝41的內部的鞘層52往溝41的各傾斜面41b，41d打進離子，防止在包含角落部41c，41e的溝41的內部堆積沈積物。
本實施形態是說明有關上部電極33的各角落部33e，41c，41e的角度的設定或溝41的寬度的設定，但本發明亦可適用於其他暴露於電漿的構成零件，具體而言，其他的構成零件也是將角落部的角度設定成125°以上為理想，且將溝的寬度設定成鞘層長的2倍以上為理想。又，本實施形態是說明有關直流電壓被施加於上部電極33時，但本發明亦可適用於直流電壓未被施加於上部電極時，直流電壓未被施加於上部電極時也是將角落部角度設定成125°以上為理想，且將溝的寬度設定成鞘層長的2倍以上為理想。
另外，在上述的本實施形態被施以乾蝕刻處理的基板為半導體裝置用的晶圓，但被施以乾蝕刻處理的基板並非限於此，例如亦可為LCD(Liquid Crystal Display)或FPD(Flat Panel Display)等的玻璃基板。
W．．．晶圓
10．．．電漿處理裝置
15．．．第2直流電源
33．．．上部電極
33a．．．內側電極
33b．．．外側電極
33e，38，41c，41e，73c．．．角落部
39，43，47，48，52，71，74．．．鞘層
40，44，50，72，75．．．離子
41，42，46．．．溝
41a．．．底面
41b，41d．．．傾斜面
45，51，76．．．沈積物
49．．．凹陷部
圖1是概略顯示具備本發明的實施形態的構成零件之電漿處理裝置的構成剖面圖。
圖2是表示電漿處理裝置的腔室的構成零件之角落部的角度及該構成零件的消耗量的關係圖表。
圖3是用以說明從沿著構成零件的角落部產生的鞘層所被打出的離子的擴散程度的低減圖。
圖4是概略顯示圖1的外側電極的附近的構成擴大剖面圖。
圖5是表示構成零件的溝及鞘層的產生形態的關係剖面圖，圖5(A)是溝的寬度為極端小時的剖面圖，圖5(B)是溝的寬度沒那麼大時的剖面圖。
圖6是表示直流電壓被施加於上部電極時之電漿中的電子密度與沿著上部電極的表面產生的鞘層長的關係圖表。
圖7是用以說明從沿著以往的電漿處理裝置的構成零件的表面產生的鞘層所被打出的離子的擴散程度的圖，圖7(A)是角落部不存在時的圖，圖7(B)是表示幾乎直角的角落部存在時的圖。

Claims (3)

  1. 一種電漿處理裝置的構成零件，係利用電漿來對基板實施電漿處理的電漿處理裝置的構成零件，其特徵為：以和基板對向的方式配置而暴露於前述電漿的構成零件中，具有：與前述基板對向的中心側的面，及該中心側的面的外側的面，前述中心側的面與前述外側的面係以115°以上180°未滿交叉，或形成同一平面，在前述中心側的面，在比和被配置成包圍前述基板的聚焦環對向的位置更外側的位置設有溝，該溝的寬度為在使用前述構成零件的電漿處理裝置產生的電漿的鞘層長的2倍以上。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置的構成零件，其中，前述構成零件係配置成與前述基板對向，且為被施加直流電壓的電極，前述電漿中的電子密度為2.0×1010 ~1011 ，被施加於前述電極的直流電壓的值為300V以下時，前述溝的寬度為8mm以上。
  3. 一種電漿處理裝置，係利用電漿來對基板實施電漿處理的電漿處理裝置，其特徵為：具備暴露於前述電漿的構成零件，前述構成零件係具有2個面交叉形成的角落部，前述2個面的交叉角度為115°~180°的其中任一，在前述2個面之中的內側的面，在比被配置成包圍前述基板的聚焦環更外側的位置設有溝，該溝的寬度為鞘層長的2倍以上。
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