TWI517281B - 電漿處理裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電漿處理裝置。
自以往以來，在半導體裝置的製造領域等中，係使用一種用以將氣體呈噴淋狀朝半導體晶圓等的基板供給之噴頭。亦即，在對例如半導體晶圓等的基板施以電漿蝕刻處理之電漿處理裝置中，於處理室內設置有用以載置基板的載置台，並設置有面對該載置台之噴頭。該噴頭，在面對載置台的對向面，設置有複數之氣體吐出孔，從該等氣體吐出孔將氣體呈噴淋狀朝基板供給。
在上述的電漿處理裝置中，為了使處理室內的氣體流動均一化，而採用從載置台的周圍對下方進行排氣之構造，此為吾人所知。又，以從噴頭的周圍朝處理室的上方進行排氣之方式所構成之電漿處理裝置，此亦為吾人所知(例如參照專利文獻1)。
又，吾人知悉一種電漿處理裝置，具有：在處理室中所設的對面電極，與在處理室外側的側壁部分所設置的用以使電感式耦合電漿(ICP，Inductively Coupled Plasma)產生之線圈(例如參照專利文獻2)。再者，吾人知悉一種電漿處理裝置，其將用以使電感式耦合電漿產生之線圈，以受介電材料圍繞之狀態，配置於處理室內(例如參照專利文獻3)。
專利文獻1：日本特許第2662365號公報
專利文獻2：日本特開平8-64540號公報
專利文獻3：日本特開平10-98033號公報
在上述的以往技術中，構造如下：係從載置台(基板)的周圍對處理室的下方進行排氣，或是從噴頭的周圍朝處理室的上方進行排氣。因此，形成由噴頭所供給的氣體從基板的中央部朝周邊部流動之氣流，於基板的中央部與周邊部容易在處理的狀態上產生差異，而使處理的面內均一性降低，以上為其問題點。又，因為必須於載置台(基板)的周圍或是噴頭的周圍設置排氣流路，所以處理室內部的容積，比起所收納之基板係相當大型，而增加不必要的空間，難以謀求裝置全體的小型化，以上為其問題點。又，隨著此類裝置的大型化，在啟動時的待機時間增長，且於初期所發生的處理變動增大，處理效率降低，以上為皆為其問題點。
再者，在噴頭兼當上部電極，載置台兼當下部電極之電容耦合型之電漿處理裝置中，該上部電極(噴頭)與下部電極(載置台)之間隔宜可變動。但是，因為處理室內係採用減壓蒙氣，所以欲抵抗處理室內外的壓力差，來使上部電極(噴頭)或是下部電極(載置台)上下移動，須於驅動源具有強大力量，而驅動所需之能源亦增加，以上皆為其問題點。
本發明係對應上述以往的情況所製成，目的在於提供一種電漿處理裝置，其比起以往可謀求處理的面內均一性之提升，並可謀求裝置的小型化與處理效率的提升，且可易於變更上部電極與下部電極之間的間隔。
本發明之電漿處理裝置，其特徵為具有：下部電極，設於處理室內，兼當用以載置基板的載置台；上部電極，以面對該下部電極之方式設於該處理室內，具有作為從在面對該下部電極之對向面所設之複數之氣體吐出孔將氣體呈噴淋狀朝該基板供給之噴頭之功能，且可上下移動，可變更與該下部電極的間隔；蓋體，設於該上部電極的上側，將該處理室的上部開口氣密地封閉；複數之排氣孔，形成於該對向面；環狀構件，以沿著該上部電極的周緣部而朝下方突出之方式設置，與該上部電極連動而可上下移動，並於下降位置中形成有由該下部電極與該上部電極與該環狀構件所圍繞之處理空間；以及線圈，於該環狀構件的內壁部分，以收納於介電材料製的容器內而與該處理空間氣密地隔離之狀態配置，並施加高頻電力，藉此使電感電漿產生。
根據本發明，可提供一種電漿處理裝置，其比起以往可謀求處理的面內均一性之提升，並可謀求裝置的小型化與處理效率的提升，且可易於變更上部電極與下部電極之間的間隔。
以下參照圖式針對實施形態說明本發明的詳細內容。
圖1係示意地顯示依本發明的電漿處理裝置的一實施形態之電漿蝕刻裝置200的剖面構造之圖；圖2係示意地顯示圖1的電漿蝕刻裝置200所設之噴頭100的構造之剖面圖。本實施形態之電漿蝕刻裝置200，電極板上下平行地面對，以作為連接電漿形成用電源(未圖示)的電容耦合型平行平板電漿蝕刻裝置，來構成其主要部位。
如圖2所示，噴頭100，由將下側構件1與在該下側構件1的上側所配置的上側構件2兩片板狀構件堆疊之疊層體10所構成。該等下側構件1以及上側構件2，由例如於表面施以陽極氧化處理之鋁等所構成。該噴頭100，如圖1所示，以面對載置半導體晶圓(基板)的載置台202之方式，配置於電漿蝕刻裝置200的處理室201。亦即，圖2所示之下側構件1側，係配置為形成面對圖1所示之載置台202之對向面14。
上述疊層體10之中，在形成面對載置台202的對向面14之下側構件1，形成有多數個氣體吐出孔11；在下側構件1與上側構件2之間，形成有連通至該等氣體吐出口11之氣體流路12。該等氣體吐出口11，如圖2中的箭頭所示，係用以將氣體呈噴淋狀朝基板(圖2中的下側)供給。另外，於疊層體10的周緣部，設有用以將氣體導入氣體流路12內的氣體導入部(未圖示)。
又，於上述疊層體10，貫通該疊層體10亦即下側構件1與上側構件2而形成有多數個排氣孔13。該等排氣孔13所構成之排氣機構，係如圖2中的虛線箭頭所示，以從基板側(圖2中的下側)朝基板的相反側(圖2中的上側)形成氣體流動之方式進行排氣。
該等排氣孔13，直徑為例如1.2mm左右，除了噴頭100的周緣部(用以固定後述的環狀構件220之固定部)之外，遍及其全區域略呈均勻地設置著。排氣孔13的數量，例如在用以處理12英吋(300mm)直徑的半導體晶圓之噴頭100的情形，約為2000~2500個左右。排氣孔13的形狀，並不限於圓形，亦可為例如橢圓形狀等；該等排氣孔13，亦可達成排出反應生成物之目的。另外，在本實施形態中，噴頭100的外型，係對應被處理基板即半導體晶圓的外型而構成為圓板狀。
圖1所示之電漿蝕刻裝置200的處理室(處理容器)201，由例如表面經過陽極氧化處理的鋁等形成為圓筒形狀，該處理室201接地。於處理室201內，載置作為被處理基板的半導體晶圓，且設有構成下部電極之載置台202。該載置台202，連接有未圖示之高頻電源等之高頻電力施加裝置。
於載置台202的上側，設有用以使半導體晶圓靜電吸附於其上之靜電吸盤203。靜電吸盤203，於絕緣材料間配置電極所構成，對該電極施加直流電壓，從而藉庫倫力來靜電吸附半導體晶圓。又，於載置台202，形成有用以使調溫用媒體循環之流路(未圖示)，可將吸附在靜電吸盤203上的半導體晶圓調溫至既定的溫度。又，如圖4所示，於處理室201的側壁部，形成有用以將半導體晶圓送入/送出處理室201內的開口215。
於載置台202的上方，以與載置台202置有間隔而面對之方式，配置有如圖2所示之噴頭100。形成有噴頭100為上部電極，載置台202為下部電極之一對對面電極。於噴頭100的氣體流路12內，從未圖示之氣體供給源供給既定的處理氣體(蝕刻氣體)。
又，於噴頭100的上部，設有氣密地封閉處理室201的上部開口，而構成處理室201的頂板部之蓋體205；於該蓋體205的中央部，配置有筒狀的排氣管210。於該排氣管210，介由開閉控制閥以及開閉機構等連接有渦輪分子泵等之真空泵(未圖示)。
於噴頭100的下面，設有以沿著其周緣部而朝下方突出之方式，形成為圓環狀(圓筒狀)之環狀構件220。該環狀構件220，例如由受絕緣性的被膜(陽極氧化被膜)所包覆之鋁材等所構成，在與作為上部電極的噴頭100呈電性導通之狀態下固定著。
如圖3所示，環狀構件220，具備有：上側構件221，構成環狀構件220的側壁之主要部分；以及下側構件222，安裝於該上側構件221的下部。於上側構件221的內壁之上端部，設有朝內側突出的突出部221a。以被挾持在該突出部221a與下側構件222的上面之間之方式，沿著環狀構件220的內壁，設有全體形狀為圓環狀、縱剖面形狀為逆U字形狀之介電材料製的容器(在本實施形態中為由石英所構成之石英容器230)。
於石英容器230的下端部與下側構件222的上面之間，配置有作為氣密封閉構件之O型環231。另一方面，石英容器230的上端部，維持藉由上側構件221的突出部221a而朝下方推壓之狀態，藉此，在石英容器230內部與處理室201內部的處理空間係氣密地隔離之狀態下，石英容器230係固定在環狀構件220。
於石英容器230的內部，配置有ICP線圈240。該ICP線圈240，全體形狀呈圓環狀，在本實施形態中，以將處理空間的周圍捲繞複數次之方式設置。在本實施形態中，ICP線圈240，由中空的管狀金屬所構成。於該ICP線圈240，連接有未圖示的調溫用媒體循環機構，以可使調溫用媒體於其內部的中空空間循環之方式所構成。
又，該ICP線圈240，連接有未圖示的高頻電源。藉由從該高頻電源施加既定頻率(例如450KHz~2MHz的範圍)之高頻電力，可於較石英容器230更內側的處理空間212內使ICP電漿產生。石英容器230的內部，採用大氣，或是以非活性氣體置換的蒙氣且在內部不產生放電的壓力(例如1330Pa(10Torr)以上，大氣壓以下的壓力)。
藉由上述的ICP線圈240，可於處理空間212內的周邊部使ICP電漿產生，來控制處理空間212內的周邊部之電漿密度。此時，ICP線圈240的溫度有上升之傾向，藉由使調溫用媒體在內部循環，可防止該ICP線圈240的溫度上升。
又，基於維修等緣故，一但將處理室201內部大氣開放，然後再次開始處理之情形，在用以開始處理的準備步驟中，藉由ICP線圈240使電漿產生，從而可使吸附在處理室201內的零件上之水分等脫離。藉此，可縮短待機時間，且可降低啟動時的初期產生之處理變動。
環狀構件220，連接至升降機構270，可與噴頭100一起上下移動。該環狀構件220的內徑，係設定成僅稍大於載置台202的外徑，其下側部分可下降至呈包圍載置台202周圍之狀態之位置。圖1，係顯示使環狀構件220以及噴頭100位於下降位置之狀態。在該下降位置，於載置台202的上方，形成有由載置台(下部電極)202、噴頭(上部電極)100、環狀構件220所圍繞之處理空間212。如此，藉由可上下移動的環狀構件220來區隔處理空間212，藉此可使處理空間212僅形成於載置台202的上方，而可抑制從載置台202的周緣部朝外側往水平方向擴散的不必要空間之形成。
另一方面，圖4係顯示環狀構件220以及噴頭100位於上升位置之狀態。在該上升位置，用以將半導體晶圓送入/送出處理室201內的開口215係呈開啟狀態，在該狀態下可進行半導體晶圓對處理室201的送入/送出。該開口215，如圖1所示，在環狀構件220以及噴頭100位於下降位置時，係受環狀構件220覆蓋而呈封閉狀態。
升降機構270的驅動源，在本實施形態中係使用電動缸筒260。複數之升降機構270，係採用沿著處理室201的周向以相等間隔設置之多軸驅動方式。如此，採用使用電動缸筒260之多軸驅動方式，藉此可較例如採用空氣壓驅動的驅動機構之情形，能高精度地控制環狀構件220以及噴頭100之位置。又，即使採用多軸驅動方式，亦能容易電性地進行其協調控制。
如圖1所示，電動缸筒260的驅動軸連接至升降軸261，該升降軸261，配置成貫穿以從處理室201的底部朝處理室201內的上部延伸之方式直立設置的圓筒狀之固定軸262內。在氣密封閉部263中，藉由例如雙重的O型環等，使升降軸261的驅動部分氣密封閉著。
在本實施形態中，噴頭100，配置於氣密地封閉處理室201的上部開口之蓋體205內側之減壓蒙氣內，不會對噴頭100本身施加減壓蒙氣與大氣蒙氣之間的壓力差，而僅對升降軸261的部分施加壓力差。因此，能以少量驅動力，使噴頭100容易上下移動，能謀求節能化。又，因為可減輕驅動機構的機械強度，所以可謀求裝置成本的降低。
在環狀構件220與載置台202下部的高頻側線路之接地側，設有用以將該等之間電性連接之片狀纜線250。該片狀纜線250，係沿著環狀構件220的周向，以相等間隔設有複數條。片狀纜線250係以絕緣層包覆由銅等所構成的片狀導體之表面所構成，於其兩側端部附近，設有露出導體而形成螺著固定用的貫通孔之連接部。該片狀纜線250的厚度為例如數百微米左右，具有可撓性，可因應環狀構件220以及噴頭100的上下移動而自由自在地變形。
片狀纜線250，係以環狀構件220以及作為上部電極的噴頭100之高頻的回流為目的；作為上部電極的噴頭100與環狀構件220係藉由片狀纜線250電性連接，而電性連接至高頻側線路的接地側。
如此，在本實施形態中，並非藉由處理室壁等，而是藉由片狀纜線250，以短路徑將環狀構件220以及作為上部電極的噴頭100電性連接至高頻側線路的接地側。藉此，可將電漿所致之各部位的電位差抑制到極低。
又，雖然環狀構件220以及作為上部電極的噴頭100係可上下移動之構造，但該等係藉由片狀纜線250而總是電性連接至高頻側線路的接地側之構造，俾使其非為電性浮動狀態。
如上所述，電漿蝕刻裝置200，因為具備有可上下移動的環狀構件220，所以能僅於載置台202的上方形成處理空間212，可抑制往水平方向外側擴大的不必要空間之形成。藉此，可謀求所消耗的處理氣體之刪減等。又，因為藉由於環狀構件220所配置的ICP線圈240，可於處理空間內的周邊部使ICP電漿產生，來控制處理空間內的周邊部之電漿密度，所以可更細密地控制處理空間212內的電漿之狀態，能進行均一的處理。再者，可根據處理的條件等，變更作為上部電極的噴頭100與載置台202之間的距離。
再者，處理空間212的物理形狀係對稱，可抑制因為用以將半導體晶圓送入/送出處理室201內之開口215的存在所致之非對稱形狀而對電漿造成之影響，可進行更均一的處理。
在藉由上述構造的電漿蝕刻裝置200，來進行半導體晶圓的電漿蝕刻之情形，首先如圖4所示，使環狀構件220與噴頭100上升，開啟開口215。在此狀態下，將半導體晶圓由開口215送入處理室201內，將半導體晶圓載置於靜電吸盤203上，使其靜電吸附於靜電吸盤203上。
接著，呈以下狀態：使環狀構件220與噴頭100下降，且關閉開口215，於半導體晶圓的上方形成處理空間212。藉由真空泵等，透過排氣孔13將處理室201內的處理空間212抽真空至既定的真空度。
其後，從未圖示之氣體供給源供給既定流量的既定處理氣體(蝕刻氣體)。該處理氣體，係經由噴頭100的氣體流路12從氣體吐出孔11呈噴淋狀供給至載置台202上之半導體晶圓。
處理室201內的壓力，係維持在既定的壓力，然後對載置台202施加既定的頻率例如13.56MHz的高頻電力。藉此，於作為上部電極的噴頭100與作為下部噴頭的載置台202之間，產生高頻電場，蝕刻氣體係分解而電漿化。再者，例如欲使處理空間212的周緣部中之電漿密度上升等情形，可根據必要，對ICP線圈240施加高頻電力，於處理空間內的周邊部使ICP電漿產生。藉由該等電漿，可對半導體晶圓進行均一的蝕刻處理。
在上述蝕刻處理中，因為從噴頭100的氣體吐出孔11所供給的處理氣體，係於噴頭100分散而從多數形成的排氣孔13排出，所以不會如從處理室201的下部進行排氣之情形，形成從半導體的中央部朝周邊部這樣的氣體流動。因此可使供給至半導體晶圓的處理氣體更加均一化。藉此，可使電漿的狀態均一化，可對半導體晶圓的各部位施以均一的蝕刻處理。亦即，可提升處理的面內均一性。
若既定的電漿蝕刻處理結束，則停止高頻電力的施加以及處理氣體之供給，以與上述順序相反的順序，從處理室201內送出半導體晶圓。
如上所述，根據本實施形態的電漿蝕刻裝置200，因為其構造係從噴頭100進行處理氣體的供給以及排氣，所以可使供給至半導體晶圓的處理氣體更加均一化。藉此，可對半導體晶圓的各部位施以均一的電漿處理。
又，在上述的電漿蝕刻裝置200中，因為係從設於噴頭100的排氣孔13進行排氣，所以無須如以往的裝置，在載置台202的周圍或是噴頭100的周圍設置排氣路徑。因此，可使處理室201的直徑更近於被處理基板即半導體晶圓的外徑，可謀求裝置的小型化。又，因為可將真空泵設於處理室201的上方，可從更靠近處理室201的處理空間之部分進行排氣，所以能有效地進行排氣。
又，因為可因應處理來變更噴頭(上部電極)100與載置台(下部電極)202之間隔，而且能以少量驅動力使噴頭100容易上下移動，所以可謀求節能化或裝置成本降低。
另外，本發明並非限定於上述實施形態，而可有各種的改變，此乃無須待言。例如在上述實施形態中，雖說明了對載置台(下部電極)供給1個頻率的高頻電力之情形，但亦可同樣適用於對下部電極施加不同頻率的複數之高頻電力之類型的裝置等。
1．．．下側構件
2．．．上側構件
10．．．疊層體
11．．．氣體吐出孔
12．．．氣體流路
13．．．排氣孔
14．．．對向面
100．．．噴頭(上部電極)
200．．．電漿蝕刻裝置
201．．．處理室
202．．．載置台(下部電極)
203．．．靜電吸盤
205．．．蓋體
210．．．排氣管
212．．．處理空間
215．．．開口
220．．．環狀構件
221．．．上側構件
221a．．．突出部
222．．．下側構件
230．．．石英容器
231．．．O型環
240．．．ICP線圈
250．．．片狀纜線
260．．．電動缸筒
261．．．升降軸
262．．．固定軸
263．．．氣密封閉部
270．．．升降機構
圖1係顯示依本發明的一實施形態之電漿處理裝置的構造之縱剖面圖。
圖2係將圖1的電漿處理裝置的重要部位構造放大顯示之縱剖面圖。
圖3係將圖1的電漿處理裝置的重要部位構造放大顯示之縱剖面圖。
圖4係顯示使圖1的電漿處理裝置的噴頭上升之狀態之縱剖面圖。
1．．．下側構件
2．．．上側構件
10．．．疊層體
11．．．氣體吐出孔
12．．．氣體流路
13．．．排氣孔
14．．．對向面
100．．．噴頭(上部電極)
200．．．電漿蝕刻裝置
201．．．處理室
202．．．載置台(下部電極)
203．．．靜電吸盤
205．．．蓋體
210．．．排氣管
212．．．處理空間
220．．．環狀構件
230．．．石英容器
240．．．ICP線圈
250．．．片狀纜線
260．．．電動缸筒
261．．．升降軸
262．．．固定軸
263．．．氣密封閉部
270．．．升降機構
Claims (8)
- 一種電漿處理裝置，其特徵為具有：下部電極，設於處理室內，兼作為用以載置基板的載置台；上部電極，以面對該下部電極之方式設於該處理室內，具有作為從面對該下部電極之對向面所設置之複數氣體吐出孔將氣體朝該基板供給的噴頭之功能，且可上下移動，可變更與該下部電極的間隔；蓋體，設於該上部電極的上側，將該處理室的上部開口氣密地封閉，以便將該蓋體與該上部電極之間的蒙氣和該處理室外的蒙氣隔離開來；環狀構件，以沿著該上部電極的周緣部而朝下方突出之方式設置，與該上部電極連動而可上下移動，當其位於下降位置時，形成由該下部電極與該上部電極與該環狀構件所圍繞之處理空間；以及線圈，於該環狀構件的內壁部分，以收納於介電材料製的容器內而與該處理空間氣密地隔離之狀態配置，藉由施加高頻電力而使電感電漿產生；其中以貫通該上部電極之方式形成有多數個排氣孔，以使得接觸到該上部電極之上表面的空間、與接觸到該對向面的空間互相連通；且該環狀構件的內徑係設定成相較於該下部電極的外徑較大，且在該環狀構件與該上部電極連動而下降時，該環狀構件包圍該下部電極之周圍，以使得該對向面與該下部電極的上表面之間的距離相較於該環狀構件的垂直長度較小。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該環狀構件係由受絕緣性的被膜包覆之鋁材所構成。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該介電材料製的容器內，係採用大氣，或採用非活性氣體的蒙氣且壓力為1330Pa以上大氣壓以下。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該線圈，由管 狀的中空導體所構成，於其內部導入有調溫用媒體。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，對該線圈所施加的高頻電力的頻率，係450KHz~2MHz之範圍。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該環狀構件與該上部電極係固定成可電性導通的狀態，該環狀構件係由表面以絕緣層所包覆之金屬片所構成而具有可撓性之片狀纜線，連接至接地電位。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，促使該環狀構件與該上部電極上下移動之驅動機構，係藉由電動缸筒進行多軸驅動。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，在該處理室的側壁之該下部電極與該上部電極之間的位置，設有用以將該基板送入/送出的可自由開閉之開口部，在使該環狀構件上升的狀態下進行該基板的送入/送出。
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