TWI582842B - Plasma processing device - Google Patents

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Description

電漿處理裝置
本發明關於一種陰極耦合方式的電容耦合型電漿處理裝置，特別是可上下移動之上部電極。
一般來說，電容耦合型的電漿處理裝置係於構成為真空腔室之處理容器內平行地配置有上部電極與下部電極，將被處理基板(半導體晶圓、玻璃基板等)載置於下部電極上，而對兩電極的任一者施加高頻電功率。藉由此高頻電功率而形成於兩電極間之電場來將電子加速，因電子與處理氣體的衝撞電離而產生電漿，藉由電漿中的自由基或離子來對基板表面施予所欲處理或加工。此處，上部電極與下部電極間的距離(以下稱作「電極間距離」。)亦相關於壓力等其他的製程條件，會左右高頻電功率的施加效率或穩定性、電漿密度分佈等。於是，便成為左右電漿製程的特性或結果之硬體上的重要製程條件。
近年來，上述般陰極耦合方式的電容耦合型電漿處理裝置中，為了能夠調整電極間距離而將用以載置基板之陰極側的下部電極予以固定設置，且使對向電極(上部電極)可移動於上下方向之裝置結構受到矚目(專利文獻1)。上述般上部電極可動型的電漿處理裝置係在腔室(處理容器)的減壓空間中，具有自腔室的側壁稍微遠離而於上下方向可移動地支撐上部電極之上部電極支撐機構，並且具備有從下部電極側觀之，乃氣密地連接上部電極的內側區域與腔室頂壁之可自由伸縮的波紋管(bellows)。由於波紋管係由強度及耐久性高的金屬(例如不鏽鋼)所構成，故 上部電極會電性地透過波紋管而連接於腔室，且為接地。上部電極可動型中，一般來說，上部電極係構成為具有對兩電極間的電漿生成空間或處理空間供應處理氣體之多個氣體噴射孔之噴淋頭。
在已被減壓至特定壓力的腔室內從噴淋頭(上部電極)供應處理氣體，並從高頻電源對下部電極施加適於電漿生成之頻率的高頻電功率後，便會因下部電極與上部電極之間的高頻放電而生成處理氣體的電漿。所生成之電漿會擴散至處理空間，高頻電功率則會通過上部電極而流至接地電位的腔室。此時，會有在從處理空間經由上部電極到接地電位的腔室為止之高頻傳送路徑(以下，稱作「上部電極周圍高頻傳送路徑」。)上發生電性共振現象的情況。由於上述共振現象的發生會妨礙電漿的穩定產生，故為所不期望的。
上部電極周圍的高頻傳送路徑具有複數路徑。特別是，從處理空間經由上部電極及波紋管到接地電位的腔室為止之高頻傳送路徑(以下，稱作「上部電極內側高頻傳送路徑」。)上的共振現象，不僅會導致施加在電漿空間之高頻電功率的損失，或波紋管的燒傷，從下部電極側觀之，而亦會在上部電極的內側區域與腔室頂壁之間的減壓空間(頂部空間)導致異常放電，故必須積極地抑制共振現象。
於是，便必須使上部電極周圍高頻傳送路徑的固有共振頻率不會重疊於電漿生成時所施加之高頻電功率的頻率。然而，上部電極可動型中，由於電極間距離係調整為能夠成為最佳製程條件，因此便會伴隨著波紋管的伸縮，而導致上部電極內側高頻傳送路徑的電感(inductance)成分發生變動。於是，亦會依製程條件，而導致上部電極周圍高頻傳送路徑的頻率-阻抗特性變化。亦即，高頻傳送路徑的固有共振頻率會變化。
更具體地說明，若愈縮小電極間距離，則波紋管會延伸而變長，其電感會變大，故固有共振頻率會變低。相反地，若愈增加電極間距離，則波紋管會收縮而變短，其電感會變小，故 固有共振頻率會變高。例如，當上部電極的移動範圍(亦即波紋管的伸縮範圍)為70mm之情況，若使電極間距離從最小值到最大值連續地變化，則固有串聯共振頻率會從略小於40MHz到略大於60MHz連續地變化(專利文獻1的圖4)。於是，使用40MHz~60MHz的頻率於電漿生成用高頻之情況，當因電極間距離的調整而導致上部電極周圍高頻傳送路徑的固有串聯共振頻率重疊於上述電漿生成用高頻的頻率時，便會發生串聯共振。
上述專利文獻1的技法係為了對應於上述問題，而在上部電極與腔室頂壁之間的減壓空間(頂部空間)內具備有導電性分流組件。該分流組件，典型來說，係將短冊狀的鋁薄板彎折而構成為可自由伸縮，且與波紋管並聯地連接上部電極與腔室頂壁。藉由具備有該分流組件，便可使上部電極周圍高頻傳送路徑上之頻率-阻抗特性的共振點移至更高頻率區域側，例如略大於70MHz以上(專利文獻1的圖6)。於是，使電極間距離從最小值到最大值變化時，縱使是使用40MHz~60MHz的電漿生成用高頻來任意調整電極間距離，由於不會重疊於上部電極周圍高頻傳送路徑上的固有串聯共振頻率，因此不會發生損及電漿的穩定性之共振現象。
專利文獻1：日本特開2011-204764
然而，上述般的分流組件由於其物理構造與伸縮功能，而有成為微粒產生源之虞。在頂部空間處由分流組件產生的微粒會通過上部電極與腔室側壁之間的間隙繞到處理空間，而對電漿製程造成異常放電發生等之不期望的影響。又，縱使是使用分流組件，要使上部電極周圍高頻傳送路徑上之頻率-阻抗特性的共振點移至更高頻率區域側一事仍有其極限，在共振防止上並非萬全的對策。
其係因為由於電漿大致為非線形負荷，因此電容耦合型電漿處理裝置的腔室內，便會無法避免地產生具有基本波的整數倍頻率之高諧波，或基本波彼此，或是具有基本波與高諧波的總和或差值之頻率之IMD(交互調變失真，intermodulation distortion)。該等高諧波或IMD當中最具影響力者，即具有大的高頻電功率者為2次高諧波。因此，使用例如40MHz的電漿生成用高頻之情況，不僅是40MHz之基本波的共振，且亦必須防止80MHz之2次高諧波的共振現象發生。於是，縱使是如上述般地藉由具備有分流組件，來使串聯共振頻率的變動範圍成為高於70MHz的頻率之情況，當因電極間距離的調整而導致上部電極周圍高頻傳送路徑的串聯共振頻率重疊於2次高諧波的頻率(80MHz)時，仍會發生串聯共振。若以2次高諧波發生串聯共振，則不僅會與以基本波發生串聯共振情況同樣地發生電力損失或零件燒傷之問題，且亦會影響電漿製程。
本發明為了解決上述般習知技術的問題，而提供一種電容耦合型電漿處理裝置，係於上下方向可移動地構成對向電極(上部電極)之陰極耦合方式中，不會在上部電極周圍的高頻傳送路徑上導致微粒產生，可有效地防止不期望之共振現象的發生。
再者，本發明提供一種電容耦合型電漿處理裝置，可提高使上部電極周圍高頻傳送路徑上之頻率-阻抗特性的共振點移至更高頻率區域側之功能。
本發明第1觀點之電漿處理裝置，係在相對向地設置於可置入/取出般地收納被處理基板之可真空排氣的筒狀處理容器內之上部電極及下部電極之間的處理空間，藉由處理氣體的高頻放電來生成電漿，而在該電漿下對該下部電極上所保持之該基板施予所欲處理；其具備有：上部電極支撐機構，係自該處理容器的側壁遠離而於上下方向可移動地支撐該上部電極；以及可自由伸縮的導電性區隔壁，從該下部電極側觀之，而在該上部電極的內側連接該上部電極與該處理容器的頂壁；其中該上部電極具有：與該下部電極呈對向之電極本體、與該處理容器的頂壁呈對向之導電性背板、以及在該電極本體與該背板之間形成有空隙般地結合該電極本體的周邊部與該背板的周邊部 之環狀介電體。
上述裝置結構中，若為了調整電極間距離而改變上部電極的高度位置，則導電性區隔壁便會伸縮，使得其電感變化，進而上部電極周圍高頻傳送路徑上的固有共振頻率會變化。特別是，從處理空間經由上部電極及導電性區隔壁到接地電位的處理容器為止之高頻傳送路徑(上部電極內側高頻傳送路徑)上的串聯共振頻率會變化。
另一方面，上述裝置結構中，上部電極的電極本體與背板之間形成有電容器，其電容係依空隙的介電率、面積及厚度而決定。於是，便會在上部電極內側高頻傳送路徑上插入電容非常低的電容器，藉此，伴隨著電極間距離調整，可使上部電極內側高頻傳送路徑上之串聯共振頻率的變動範圍大幅移至高頻率區域側，且使其容易地移至較所使用之高頻的頻率要高，更進一步地較其2次高諧波的頻率要高之頻率區域。
本發明第2觀點之電漿處理裝置，係在相對向地設置於可置入/取出般地收納被處理基板之可真空排氣的筒狀處理容器內之上部電極及下部電極之間的處理空間，藉由處理氣體的高頻放電來生成電漿，而在該電漿下對該下部電極上所保持之該基板施予所欲處理；其具備有：上部電極支撐機構，係自該處理容器的側壁遠離而於上下方向可移動地支撐該上部電極；以及可自由伸縮的導電性區隔壁，從該下部電極側觀之，而在該上部電極的內側連接該上部電極與該處理容器的頂壁；其中該上部電極具有：與該下部電極呈對向之電極本體、與該處理容器的頂壁呈對向之導電性背板、以及挾置在該電極本體與該背板之間之介電體。
上述裝置結構中，若為了調整電極間距離而改變上部電極的高度位置，則導電性區隔壁便會伸縮，使得其電感變化，進而上部電極周圍高頻傳送路徑上的固有共振頻率會變化。特別是，從處理空間經由上部電極及導電性區隔壁到接地電位的處理容器為止之高頻傳送路徑(上部電極內側高頻傳送路徑)上的 串聯共振頻率會變化。
另一方面，上述裝置結構中，上部電極的電極本體與背板之間形成有電容器，其電容係依介電體的介電率、面積及厚度而決定。於是，便會在上部電極內側高頻傳送路徑上插入電容低的電容器，藉此，伴隨著電極間距離調整，可使上部電極內側高頻傳送路徑上之串聯共振頻率的變動範圍移至高頻率區域側，至少，可使其移至較所使用之高頻的頻率要高之頻率區域。
依據本發明之電漿處理裝置，藉由具有上述般的結構，則於上下方向可移動地構成對向電極(上部電極)之陰極耦合方式中，不會在上部電極周圍的高頻傳送路徑上導致微粒產生，可有效地防止不期望之共振現象的發生。再者，亦可提高使上部電極周圍高頻傳送路徑上之頻率-阻抗特性的共振點移至更高頻率區域側之功能。
10‧‧‧腔室
10a‧‧‧腔室側壁
10b‧‧‧腔室頂部(上蓋)
14‧‧‧晶座(下部電極)
34‧‧‧排氣裝置
36、40‧‧‧高頻電源
38、42‧‧‧匹配器
44‧‧‧上部電極(噴淋頭)
46‧‧‧電極本體
50‧‧‧空隙
52‧‧‧環狀介電體
64‧‧‧處理氣體供應部
74‧‧‧控制部
75‧‧‧上部電極周圍高頻傳送路徑
76‧‧‧上部電極內側高頻傳送路徑
80‧‧‧直流電源單元
84‧‧‧濾波電路
圖1係顯示本發明一實施型態之電漿處理裝置的結構之剖視圖。
圖2係顯示上述電漿處理裝置中之上部電極周圍的主要結構之部分放大剖視圖。
圖3係顯示上述電漿處理裝置中之上部電極周圍高頻傳送路徑的等價電路之電路圖。
圖4係顯示比較例中之上部電極周圍的結構之部分放大剖視圖。
圖5係顯示比較例中之上部電極周圍高頻傳送路徑的等價電路之電路圖。
圖6係顯示比較例中之上部電極周圍高頻傳送路徑的頻率-阻抗特性之圖式。
圖7係顯示實施例中之上部電極周圍高頻傳送路徑的頻率-阻抗特性(部分推測值)之圖式。
圖8係顯示第2實施型態之電漿處理裝置的結構之剖視圖。
圖9係顯示關於上部電極周圍的結構之變形例之部分放大剖視圖。
圖10係顯示關於上部電極周圍的結構之其他變形例之部分放大剖視圖。
圖11係顯示關於上部電極周圍的結構之其他變形例之部分放大剖視圖。
以下，參閱添附圖式說明本發明之較佳實施型態。
[實施型態1]
圖1係顯示本發明一實施型態之電漿處理裝置的結構。該電漿處理裝置係構成為陰極耦合方式的電容耦合型(平行平板型)電漿蝕刻裝置，具有例如表面經耐酸鋁處理(陽極氧化處理)後之鋁所構成的筒狀真空腔室(處理容器)10。腔室10具有圓筒形的側壁10a、氣密地覆蓋該側壁10a的上端之圓板狀的上蓋10b、以及連接於該側壁10a的下端之底壁(圖中未顯示)，且為接地狀態。
腔室10的底部中央處設置有自腔室10被電性絕緣之晶座支撐台12，該晶座支撐台12上，與腔室10同軸地固定配置有例如鋁所構成的厚壁圓板狀晶座14。晶座14係構成下部電極，其上載置有作為被處理基板之例如半導體晶圓W。
晶座14的上面安裝有用以保持半導體晶圓W之靜電夾具16。該靜電夾具16係將導電膜所構成的電極18挾置於一對絕緣層或絕緣片之間，電極18係透過開關20而電連接有直流電源22。藉由來自直流電源22的直流電壓，便可以靜電吸附力來將半導體晶圓W保持在靜電夾具16。雖省略圖示，亦具備有晶圓溫度控制機構，可藉由冷媒(例如冷卻水)來將晶座支撐台12冷卻至一定溫度，並透過氣體供應管來將傳熱氣體(例如He氣體)供應至靜電夾具16的上面與半導體晶圓W的內面之間。
晶座14的周圍係介隔著環狀的絕緣體24而設置有例如表 面經耐酸鋁處理後之鋁所構成的圓筒狀的內壁組件26，該內壁組件26與腔室10的側壁10a之間形成有延伸至腔室10底部之環狀排氣空間27。環狀絕緣體24及內壁組件26上係介隔著例如石英構成的環狀介電體28而安裝有聚焦環30。聚焦環30係用以提高蝕刻的均勻性，由例如矽所構成，而配置為在靜電夾具16上覆蓋半導體晶圓W的周圍。
排氣空間27的底部設置有腔室10的排氣口(圖中未顯示)。該排氣口係透過排氣管32而連接有排氣裝置34。排氣裝置34具有渦輪分子幫浦等之真空幫浦，可將腔室10的室內減壓至所欲真空度。排氣管32的途中設置有用以控制腔室10內的壓力之APC閥(圖中未顯示)。腔室10的側壁安裝有用以開閉半導體晶圓W的搬出入口(圖中未顯示)之閘閥(圖中未顯示)。
晶座14電連接有2個系統的高頻供電部。第1系統的高頻供電部具有：輸出適於電漿生成之一定頻率(例如40.68MHz)的高頻RF1之高頻電源36；以及，用以將該高頻電源36的阻抗整合至負荷側的阻抗之匹配器38。第2系統的高頻供電部具有：輸出適於從電漿將離子吸引至晶座14上的半導體晶圓W之一定頻率(例如3.2MHz)的高頻RF2之高頻電源40；以及，用以將該高頻電源40的阻抗整合至負荷側的阻抗之匹配器42。
為對向電極之上部電極周圍的結構如下所述。腔室10的上部係與晶座14同軸地設置有與晶座14平行地相對向且可移動地構成於上下方向之上部電極44。該上部電極44具有：與晶座14呈對向之電極本體46、與腔室10的頂壁(上蓋)10b呈對向之導電性背板48、以及在電極本體46與背板48之間形成有空隙50般地結合電極本體46的周邊部與背板48的周邊部之環狀介電體52。
上部電極44的電極本體46為例如表面經耐酸鋁處理後之鋁所構成的厚壁圓盤狀導電體，其內部具有氣體暫存室54，其下面具有多個氣體通氣孔46a，其上面具有氣體導入口46b。此實施例中，為了在半導體晶圓W的主面上進行矽的蝕刻，而將 蝕刻耐性高之石英構成的圓板狀頂板56貼附在電極本體46的表面(下面)。該石英頂板56係形成有與電極本體46的氣體通氣孔46a相連通之多個氣體通氣孔(貫穿孔)56a。電極本體46與石英頂板56成為一體而構成了噴淋頭。
上部電極44的背板48為例如表面經耐酸鋁處理後之鋁所構成的圓形板體，其中心部形成有能夠讓延伸於鉛直方向的圓筒狀軸件(上部電極支撐組件)58通過之開口48a。軸件58的下端部外周面固著有背板48。由於電極本體46係如後述般地介隔著環狀介電體52而固定在背板48，因此可直接固著在軸件58的下端，或是亦可介設有別的組件。
環狀介電體52係由例如氧化鋁所構成，以電極本體46與背板48之間形成有空隙50之方式，其周邊部的上面係在較電極本體46的上面要高空隙50的距離尺寸之位置處密著於背板48的周邊部下面，而將電極本體46載置於較其內周面要往半徑方向內側突出之凸緣部52a加以支撐。此實施例中，矽蝕刻用的環狀介電體52下面亦貼附有石英構成的環狀頂板60。背板48、環狀介電體52及環狀頂板60的各外周面與腔室10的側壁10a之間形成有數mm以下的微小間隙61。
軸件58係由例如不鏽鋼所構成，而設置為可沿著安裝在腔室10之頂壁(上蓋)10b的中心開口部之絕緣性引導組件(例如套環(collar)62)移動於上下方向。然後，在腔室10的上方處，軸件58的上端部係結合於舉升機構(圖中未顯示)，可藉由舉升機構的升降驅動力來使上部電極44如活塞般地移動於上下方向，且使其在可動範圍(例如70mm)內的任意高度位置處靜止或固定。
軸件58的內側為中空，來自配置於腔室10外之處理氣體供應部64的處理氣體供應管66係通過軸件58內側的空間而連接於電極本體46的氣體導入口46b。圖式的結構例中之處理氣體供應管66係由藉由舉升機構的驅動力而與上部電極44一起升降移動之堅硬的下游側氣體管68，以及連結固定配置的處理 氣體供應部64與下游側氣體管68的入口埠68a之可撓性上游側氣體管70所構成。
安裝有鄰接於軸件58的外側而將上部電極44與腔室10的頂壁(上蓋)10b氣密地連接之波紋管(bellows)72。該波紋管72係由例如不鏽鋼所構成，其具有區隔壁的功能，可阻隔壓力且自由伸縮。藉由該波紋管72，而在上部電極44與腔室10的頂壁10b之間形成頂部空間CS。該頂部空間CS係透過腔室側壁10a邊緣的間隙61而與兩電極14、44間的電漿生成空間或處理空間PS相連通，且為減壓空間。
波紋管72的上端係結合於腔室10的頂壁10b，其下端係結合於上部電極44的背板48。藉此，則上部電極44的背板48便會電性地透過波紋管72而連接於為接地電位組件之腔室10。
控制部74包含有1個或複數個微電腦，係依據儲存在外部記憶體或內部記憶體之軟體(程式)及配方資訊，來控制裝置內的各部，尤其是高頻電源36、40、匹配器38、42、排氣裝置34、舉升機構等個別的動作及裝置整體的動作(序列)。
又，控制部74亦連接有包含有鍵盤等的輸入裝置或液晶顯示器等的顯示裝置之人機介面(man machine interface)用的操作面板(圖中未顯示)，以及儲存或蓄積有各種程式或配方、設定值等各種資訊之外部記憶裝置(圖中未顯示)等。此實施型態中雖係將控制部72顯示為1個控制單元，但亦可採用複數控制單元並聯或階層地分擔控制部74的功能之型態。
此電容耦合型電漿蝕刻裝置中之枚葉乾蝕刻的基本動作乃依下述方式進行。首先，使閘閥為開啟狀態，將加工對象的半導體晶圓W搬入至腔室10內，並載置於靜電夾具18上。然後，從處理氣體供應部64以特定的流量及流量比將處理氣體(例如Cl系的蝕刻氣體)導入至腔室10內，再藉由排氣裝置34進行真空排氣來使腔室10內的壓力成為設定值。再者，對晶座14重疊(或單獨)施加來自高頻電源36的高頻RF1(40.68MHz)與來自高頻電源40的高頻RF2(3.2MHz)。又，從直流電源22對靜電 夾具16的電極18施加直流電壓，並將半導體晶圓W固定在靜電夾具16上。從噴淋頭(上部電極)44噴出的蝕刻氣體會在兩電極44、14間的高頻電場下放電，而在處理空間PS內生成電漿。藉由此電漿所包含的自由基或離子來蝕刻半導體晶圓W之主面的被加工材料(此實施例中為矽)。
此電漿蝕刻裝置中，藉由使上部電極44上下移動來改變其高度位置，便可任意調整製程條件的其中之一之電極間距離，再者，亦可藉由其而擴展至壓力、氣體流量、RF功率等其他製程條件的可使用範圍(margin)。
另一方面，由生成於腔室10內的電漿會產生具有各基本波的整數倍頻率之高諧波，或基本波彼此，或是具有基本波與高諧波的總和或差值之頻率之IMD(交互調變失真)。該等高諧波或IMD不僅會導致電力損失或零件燒傷，而亦會對電漿製程造成影響。此陰極耦合方式的電容耦合型電漿蝕刻裝置中，上述不期望的現象會在從處理空間經由上部電極44到接地電位的腔室10為止之高頻傳送路徑，亦即上部電極周圍高頻傳送路徑75上，尤其是從處理空間經由上部電極44及波紋管72到接地電位的腔室10為止之高頻傳送路徑，亦即上部電極內側高頻傳送路徑76上，相對於任一高諧波或IMD發生串聯共振時顯著地顯現。當然，即便是在上部電極周圍高頻傳送路徑75上相對於任一基本波發生串聯共振時，亦會有燒傷該高頻傳送路徑75上的零件之虞，而為所不期望的。
因此，便必須實施對策來使縱使是相對於基本波、高諧波及IMD的任一者而仍不會在上部電極周圍的高頻傳送路徑上75發生串聯共振。基本上，高諧波或IMD當中最具影響力者，亦即具有大的高頻電功率者為2次高諧波，只要能夠防止基本波與2次高諧波發生串聯共振，則在實際應用上便足夠。如此實施例般，使用40.68MHz的高頻RF1於電漿生成用之情況，只要防止其基本波頻率的40.68MHz及2次高諧波頻率的81.36MHz發生串聯共振即可。
此外，當然，亦必須針對離子吸引用的高頻RF2(3.2MHz)與其2次高諧波(6.4MHz)防止串聯共振。但通常，這類上部電極可動型電漿處理裝置中，縱使是使電極間距離為最小，上部電極周圍高頻傳送路徑75的固有串聯共振頻率仍不會成為數10MHz以下。因此，關於高頻RF2(3.2MHz)及其2次高諧波(6.4MHz)，串聯共振便不致成為問題。
此實施型態中，係取代如上述專利文獻1所揭示般地具備有分流組件，而是對上部電極44本身的結構實施特別的對策，藉此，不會在上部電極周圍高頻傳送路徑上導致微粒產生，來確實地防止電漿生成用高頻RF1之串聯共振的發生，再者，亦確實地防止其2次高諧波之串聯共振。
此實施型態之上部電極44如圖2將主要部分放大顯示般，係由：介隔著處理空間PS而與晶座14呈對向之電極本體46；在頂部空間CS內與腔室10的頂壁10b呈對向之導電性背板48；以及，在電極本體46與背板48之間形成有空隙50般地結合電極本體46的周邊部與背板48的周邊部之環狀介電體52所構成。此外，圖2(及圖4、圖9~圖11)中，為了容易理解圖式，而將環狀介電體52及/或環狀頂板60的內周面以平坦面來簡略表示。
圖3係顯示上部電極周圍高頻傳送路徑75的等價電路。該等價電路中，電容器C56、C50、線圈L72及電阻R72係在交界面44S與接地電位之間形成串聯電路，而對應於上部電極內側高頻傳送路徑76。
此處，電容器C56係藉由貼附在電極本體46的下面之石英頂板56所賦予，其電容係依石英頂板56的介電率、面積及厚度而決定。電容器C50係形成於上部電極44的電極本體46與背板46之間，其電容主要係依空隙50的介電率、面積及厚度而決定。線圈L72係藉由波紋管72的電感成分所賦予，其電感雖亦與波紋管72的材質、形狀及大小有關，但會依波紋管72的長度而改變。亦即，若波紋管72愈縮短，則其電感愈小，若波 紋管72愈伸長，則其電感愈大。電阻R72係藉由波紋管72的抵抗成分所賦予，其電阻值係依波紋管72的材質、形狀及大小而決定，而與波紋管72的長度無關。電容器C61係與上部電極內側高頻傳送路徑76並聯地存在於從上述交界面44S通過間隙61到腔室側壁10a為止的高頻傳送路徑之電容器，主要係依間隙61的介電率及尺寸而決定，與上部電極44的高度位置無關。
此處，作為比較例，如圖4所示，考慮上部電極44中省略了背板48、空隙50及環狀介電體52的各要素之結構。此比較例中，波紋管72的下端係結合於電極本體46的上面(內面)。
圖5係顯示此比較例中之上部電極周圍高頻傳送路徑75'的等價電路。該等價電路中的電容器C56、C50、線圈L72及電阻R72分別與實施例之等價電路(圖3)中的電容器C56、C50、線圈L72及電阻R72相同。亦即，若由實施例的等價電路(圖3)省略電容器C50，則為比較例的等價電路(圖5)。相反地來看，若在比較例的等價電路(圖5)加上電容器C50，則為實施例的等價電路(圖3)。
然而，比較例中之上部電極周圍的結構係與上述專利文獻1中除了分流組件以外之上部電極周圍的結構實質上為相同。因此，若使腔室、上部電極、波紋管、晶座等的材質、形狀及尺寸與上述專利文獻1中的上部電極周圍相同之情況，則上部電極周圍高頻傳送路徑75’的頻率-阻抗特性便會成為如圖6所示般(此圖6係相當於專利文獻1的圖4)。
圖6中，「距離最小時」係指使電極間距離為最小時，亦即波紋管72最長，其電感成為最大值L72max時。此時的上部電極周圍高頻傳送路徑75’的固有串聯共振頻率fS1及並聯共振頻率fP1，由圖5的等價電路，理論上可以下式(1)、(2)來表示。
式(1)：fS1=1/2π(L72max．C56)
式(2)：fP1=1/2π{(L72max．C56．C61/(C56+C61)}
其中，C56、C61為電容器C56、C61的電容。
圖6中，串聯共振頻率fS1為約38MHz，並聯共振頻率fP1 為約45MHz。
又，「距離最大時」係指使電極間距離為最大時，亦即波紋管72最短，其電感成為最小值L72min時。此時的上部電極周圍高頻傳送路徑75’的固有串聯共振頻率fS2及並聯共振頻率fP2，由圖5的等價電路，理論上可以下式(3)、(4)來表示。
式(3)：fS2=1/2π(L72minx．C56)
式(4)：fP2=1/2π{(L72min．C56．C61/(C56+C61)}
圖6中，串聯共振頻率fS2為約64MHz，並聯共振頻率fP2為約75MHz。
如上所述，實施例之上部電極44的結構為除了電極本體46及石英頂板56以外，亦具備有背板48、空隙50及環狀介電體52，若由等價電路來看，係在上部電極內側高頻傳送路徑76上包含有電容器C50。此情況下，電容器C50係與電容器C56串聯連接，其合成電容CS可以下式(5)來表示。
式(5)：CS=C50．C56/(C50+C56)
其中，C50、C56為電容器C50、C56的電容。
此處，電容器C50的電容以空隙50的介電率為ε50，以面積為S50，以厚度為d50時，可以下式(6)來表示。
式(6)：C50=ε50．S50/d50
另一方面，電容器C56的電容以石英頂板56的介電率為ε56，以面積為S56，以厚度為d56時，可以下式(7)來表示。
式(7)：C56=ε56．S56/d56
空隙50的介電率ε50為1，為石英頂板56之介電率ε56的大約1/4。又，空隙50的面積S50係小於石英頂板56的面積S56(大約要小背面48之中心開口48a的面積部分)，例如其0.8倍。因此，例如，若使空隙50的厚度d50與石英頂板56的厚度d56相同，則由式(6)、(7)，會成為C50=0.2C56，由式(5)，則會成為CS≒0.17C56。
如此地，依據實施例，藉由將上部電極44的背板48、空隙50及環狀介電體52所形成之電容器C50設置在上部電極內側高 頻傳送路徑76上之結構，則可明顯減少上部電極內側高頻傳送路徑76上的合成電容CS。藉此，相較於比較例中之上部電極周圍高頻傳送路徑75’之頻率-阻抗特性的共振點，可使實施例中之上部電極周圍高頻傳送路徑75之頻率-阻抗特性的共振點大幅地移至更高頻率區域側。亦即，若CS≒KC56(K為小於1之係數)，則可以約1/K倍來使頻率-阻抗特性(尤其是各共振點)整體地成為高頻率。
此外，「距離最小時」之上部電極周圍高頻傳送路徑75的固有串聯共振頻率fS1及並聯共振頻率fP1，由圖3的等價電路，理論上可以下式(8)、(9)來表示。
式(8)：fS1=1/2π(L72max．CS)
式(9)：fP1=1/2π{(L72max．CS．C61/(CS+C61)}
其中，CS、C61為電容器CS、C61的電容。
又，「距離最大時」之上部電極周圍高頻傳送路徑75的固有串聯共振頻率fS1及並聯共振頻率fP1，由圖3的等價電路，理論上可以下式(10)、(11)來表示。。
式(10)：fS2=1/2π(L72minx．CS)
式(11)：fP2=1/2π{(L72min．CS．C61/(CS+C61)}
如上述範例般，使空隙50的厚度d50與石英頂板56的厚度d56相同，而為CS≒0.17C56之情況下，上部電極周圍高頻傳送路徑75的頻率-阻抗特性會成為如圖7所示。此處，「距離最小時」的固有串聯共振頻率fS1為約93MHz(38×1/0.17)，「距離最大時」的固有串聯共振頻率fS1為約156MHz(64×1/0.17)。電極間距離為最小值與最大值的中間時，則固有串聯共振頻率fS會成為約93MHz與約156MHz的中間值。
此外，由於實施例中之「距離最小時」及「距離最大時」之固有並聯共振頻率fP1、fP2的值亦與電容器C61的電容有關，故無法由比較例中之固有並聯共振頻率fP1、fP2的值(已知)與CS≒KC56的關係式中之K的值(已知)來計算。其中，由於K為小於1之係數，因此實施例中之固有並聯共振頻率fP1、fP2會從比 較例中之固有並聯共振頻率fP1、fP2移至高頻率區域側，且由式(8)、(10)與式(9)、(11)的關係，會存在於較實施例中之固有串聯共振頻率fS1、fS2要高之頻率區域處。因此，圖7所示之並聯共振點僅為推測，而非由計算所求得。
如此地，此實施型態之電漿蝕刻裝置中，縱使是藉由舉升機構來改變上部電極44的高度位置而即便是如何調整電極間距離，當然可完全地避免上部電極周圍高頻傳送路徑76上之電漿生成用高頻RF1(40.68MHz)的串聯共振，且亦可完全地避免其2次高諧波(81.36MHz)之串聯共振。
[其他實施型態或變形例]
圖8係顯示本發明第2實施型態之電漿處理裝置的結構。此第2實施型態中，與上述第1實施型態之相異點為為了對上部電極44的電極本體46施加直流電壓，而具備有直流電源單元80、開關82及濾波電路84之結構，除此之外皆與第1實施型態相同。
直流電源單元80係由例如可變直流電源所構成，而構成為可輸出-2000~+1000V的直流電壓VDC。或是作為其他型態，直流電源單元80係具有能夠輸出相異直流電壓之複數直流電源，亦可選擇性地輸出該等複數直流電壓中的1個。直流電源單元80之輸出(電壓、電流)的極性及絕對值以及開關82的開．關切換係藉由控制部74而受到控制。
在腔室10內，面向處理空間PS之適當部位處係安裝有例如Si、SiC等導電性材料所構成的DC接地組件(圖中未顯示)。該DC接地組件係透過接地線(圖中未顯示)而經常地為接地狀態。
濾波電路84係構成為對上部電極44的電極本體46施加來自直流電源單元80的直流電壓VDC，另一方面，使從晶座12通過處理空間PS及上部電極44進入的高頻電流流往接地線，而不會流往直流電源單元80側。雖省略圖示，濾波電路84係由例如LC梯型電路所構成，選擇LC梯型電路內之線圈的電感 及電容器的電容，以便不會在從處理空間PS經由上部電極44的電極本體46及濾波電路84至接地電位為止的高頻傳送路徑(以下，稱作「上部電極DC施加系統高頻傳送路徑」。)86上發生共振。該等線圈及電容器為市售的電子零件，可不受硬體上的限制來進行該等電感及電容的選擇。此外，上部電極DC施加系統高頻傳送路徑86從電漿側觀之，係與上部電極周圍高頻傳送路徑75或上部電極內側高頻傳送路徑76為電性串聯的關係，關於串聯共振乃為相互獨立的關係。
具備有上述般的上部DC偏壓機構之結構中，例如，可藉由對上部電極44的電極本體46施加負極性的直流電壓VDC，來強化電漿蝕刻的遮罩所使用之光阻膜(尤其是ArF阻膜)的蝕刻耐性。
此外，於腔室10內生成電漿時，會在電漿與上部電極44之間形成有離子鞘層(以下，稱作「上部電極鞘層」。)。該上部電極鞘層會相對於高頻電功率而作為電容器加以作用。因此，從電漿經由上部電極鞘層及上部電極44的電極本體46至接地電位為止之高頻傳送路徑係相當於在上部電極周圍高頻傳送路徑75或上部電極DC施加系統高頻傳送路徑86的入口處串聯地追加上部電極鞘層的電容器。此處，上部電極鞘層的電容器係對應於製程條件(壓力、RF功率、氣體種類等)或直流電壓VDC，其厚度(甚至其靜電容量)會改變，鞘層厚度愈大則其電容愈小，鞘層厚度愈小則其電容愈大。因此，藉由存在有上部電極鞘層，則串聯共振頻率便會往更高頻率區域側若干移動，鞘層厚度愈大則其移動量愈大。
圖9~圖11係顯示本發明中之上部電極的變形例。圖9之變形例係在上部電極44處以介電體88來填滿空隙50的空間，而成為無空隙50的電極構造。此情況下，形成於上部電極44的電極本體46與背板46之間之電容器C88的電容主要係依介電體88的介電率、面積及厚度而決定。因此，介電體88的材質以介電率低者為佳。例如，使用石英於介電體88的情況，電容 器C88的電容會成為設置有空隙50情況之電容器C50的電容的約4倍。即便是此情況下，與石英頂板56的電容器C56的合成電容CS由上式(5)，為CS≒0.5C56，可使上部電極周圍高頻傳送路徑75的頻率-阻抗特性中之串聯共振頻率在頻率軸上往右移約1/0.5倍。亦即，可使「距離最小時」的串聯共振頻率移至約54MHz。因此，此情況下，至少相對於電漿生成用高頻RF1的基本波頻率40.68MHz，可防止串聯共振。
圖10之變形例係將背板48的周邊部向下延伸，而繞到介電體88的外周面。基本上係依循圖9的變形例。
圖11之變形例係將導體(例如矽)的電極板90貼附在電極本體46的下面。例如，在半導體晶圓W的主面上進行矽氧化膜的蝕刻之情況，係使用上述般的矽電極板90於頂板。此情況下，上部電極周圍高頻傳送路徑75上並無電容器C56，上部電極內側高頻傳送路徑76上的電容器僅有電容器C50。但若電容器C50的電容如上述般非常地小，例如使空隙50的厚度與石英頂板56的厚度相同之情況，乃為C50≒0.2C56。因此，此情況下，便可使上部電極周圍高頻傳送路徑75的頻率-阻抗特性中之串聯共振頻率往右移約1/0.2倍。亦即，可使「距離最小時」的串聯共振頻率移至約84MHz。於是，此情況下，可防止電漿生成用高頻RF1以基本波頻率40.68MHz發生串聯共振，且亦可防止2次高諧波以81.36MHz發生串聯共振。
當然，可藉由增加空隙50的厚度d50，來更加提高上述移動效果。例如，若使d50為2倍，則為C50≒0.1C56。於是，此情況下，便可使上部電極周圍高頻傳送路徑75的頻率-阻抗特性中之串聯共振頻率在頻率軸上往右移約1/0.1倍。亦即，可使「距離最小時」的串聯共振頻率移至約118MHz。
如此地，藉由在上部電極44的內部設置有賦予小電容器C50之空隙50，可使上部電極周圍高頻傳送路徑75的頻率-阻抗特性中之串聯共振頻率大幅地往右(更高頻率區域側)移，藉此，可確實地防止電漿生成用高頻RF1之串聯共振及其2次高諧波 之串聯共振。
又，上部電極44的內部設置有空隙50之結構，相較於以介電體88來填補空隙50之結構(圖9、圖10)，亦有上部電極44整體的體積、重量及費用特別低之優點。
此外，當然亦可併用本發明之上部電極構造與專利文獻1記載的分流組件。特別是，本發明中使上部電極44為無空隙50的電極構造之情況，若與分流組件併用，在實際應用上為可行的。此情況下，分流組件中，關於使頻率-阻抗特性的共振點移至更高頻率區域側之效果，由於負擔較輕，因此從微粒發生的防止、費用降低或安裝容易性等其他觀點來看，可採用最佳結構。
本發明不限於上述實施型態般的電漿蝕刻裝置，而亦可應用於進行電漿CVD、電漿ALD、電漿氧化、電漿氮化、濺鍍等任意的電漿製程之陰極耦合方式的電容耦合型電漿處理裝置。本發明中的被處理基板不限於半導體晶圓，而亦可為平面顯示器、有機EL、太陽電池用的各種基板、或光罩、CD基板、印刷基板等。
CS‧‧‧頂部空間
PS‧‧‧處理空間
W‧‧‧半導體晶圓
10‧‧‧腔室
10a‧‧‧腔室側壁
10b‧‧‧腔室頂部(上蓋)
12‧‧‧晶座支撐台
14‧‧‧晶座(下部電極)
16‧‧‧靜電夾具
18‧‧‧電極
20‧‧‧開關
22‧‧‧直流電源
24‧‧‧絕緣體
26‧‧‧內壁組件
27‧‧‧排氣空間
28‧‧‧介電體
30‧‧‧聚焦環
32‧‧‧排氣管
34‧‧‧排氣裝置
36、40‧‧‧高頻電源
38、42‧‧‧匹配器
44‧‧‧上部電極(噴淋頭)
46‧‧‧電極本體
46a‧‧‧氣體通氣孔
46b‧‧‧氣體導入口
48‧‧‧背板
48a‧‧‧開口
50‧‧‧空隙
52‧‧‧介電體
52a‧‧‧軸件
54‧‧‧氣體暫存室
56‧‧‧頂板
56a‧‧‧氣體通氣孔
58‧‧‧軸件
60‧‧‧頂板
61‧‧‧間隙
62‧‧‧套環
64‧‧‧處理氣體供應部
66‧‧‧處理氣體供應管
68‧‧‧下游側氣體管
68a‧‧‧入口埠
70‧‧‧上游側氣體管
72‧‧‧波紋管
74‧‧‧控制部
75‧‧‧上部電極周圍高頻傳送路徑
76‧‧‧上部電極內側高頻傳送路徑

Claims (10)

  1. 一種電漿處理裝置，係在相對向地設置於可置入/取出般地收納被處理基板之可真空排氣的筒狀處理容器內之上部電極及下部電極之間的處理空間，藉由處理氣體的高頻放電來生成電漿，而在該電漿下對該下部電極上所保持之該基板施予所欲處理；其具備有：上部電極支撐機構，係自該處理容器的側壁遠離而於上下方向可移動地支撐該上部電極；以及可自由伸縮的導電性區隔壁，從該下部電極側觀之，而在該上部電極的內側連接該上部電極與該處理容器的頂壁；其中該上部電極具有：與該下部電極呈對向之電極本體、與該處理容器的頂壁呈對向之導電性背板、以及在該電極本體與該背板之間形成有空隙般地結合該電極本體的周邊部與該背板的周邊部之環狀介電體。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其具有第1高頻電源，係對該下部電極施加主要用來生成電漿的第1高頻。
  3. 如申請專利範圍第2項之電漿處理裝置，其具有第2高頻電源，係對該下部電極施加主要用來將離子從電漿吸引至該第1電極上的基板之第2高頻。
  4. 如申請專利範圍第2或3項之電漿處理裝置，其中在該上部電極支撐機構下，使該電極間距離為最小之該上部電極的高度位置處，觀看從該處理空間與該上部電極的交界面經由該上部電極到接地電位為止的高頻傳送路徑時，存在於頻率-阻抗特性的串聯共振頻率係高於該第1高頻的頻率。
  5. 如申請專利範圍第2或3項之電漿處理裝置，其中在該上部電極支撐機構下，使該電極間距離為最小之該上部電極的高度位置處，觀看從該處理空間與該上部電極的交界面 經由該上部電極到接地電位為止的高頻傳送路徑時，存在於頻率-阻抗特性的串聯共振頻率係高於該第1高頻之第2高諧波的頻率。
  6. 一種電漿處理裝置，係在相對向地設置於可置入/取出般地收納被處理基板之可真空排氣的筒狀處理容器內之上部電極及下部電極之間的處理空間，藉由處理氣體的高頻放電來生成電漿，而在該電漿下對該下部電極上所保持之該基板施予所欲處理；其具備有：上部電極支撐機構，係自該處理容器的側壁遠離而於上下方向可移動地支撐該上部電極；以及可自由伸縮的導電性區隔壁，從該下部電極側觀之，而在該上部電極的內側連接該上部電極與該處理容器的頂壁；其中該上部電極具有：與該下部電極呈對向之電極本體、與該處理容器的頂壁呈對向之導電性背板、以及挾置在該電極本體與該背板之間之介電體。
  7. 如申請專利範圍第6項之電漿處理裝置，其具有第1高頻電源，係對該下部電極施加主要用來生成電漿的第1高頻。
  8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理裝置，其具有第2高頻電源，係對該下部電極施加主要用來將離子從電漿吸引至該第1電極上的基板之第2高頻。
  9. 如申請專利範圍第6或7項之電漿處理裝置，其中在該電極間距離為最小之該上部電極的高度位置處，觀看從該處理空間與該上部電極的交界面經由該上部電極到接地電位為止的高頻傳送路徑時，存在於頻率-阻抗特性的串聯共振頻率係高於該第1高頻的頻率。
  10. 如申請專利範圍第1或6項之電漿處理裝置，其具有直流電源，係透過濾波電路來對該上部電極的該電極本體施加直流電壓。
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