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等離子體處理裝置.pdf

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等離子體 處理 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201110442876.8

申請日:

2011.12.26

公開號:

CN102568992B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01J 37/32申請日:20111226|||公開
IPC分類號: H01J37/32 主分類號: H01J37/32
申請人: 東京毅力科創株式會社
發明人: 花岡秀敏
地址: 日本東京都
優先權: 2010.12.27 JP 2010-290508
專利代理機構: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277 代理人: 劉新宇;張會華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110442876.8

授權公告號:

102568992B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種等離子體處理裝置。該等離子體處理裝置能夠易于對處理的因作為被施加于上部電極的直流電壓的地線的直流電壓用接地構件的設置狀態引起的偏差進行校正,從而能夠高效地實施均勻的處理。該等離子體處理裝置包括:高頻電源,其用于對下部電極施加高頻電力;直流電源,其用于對上部電極施加直流電壓;直流電壓用接地構件,其由導電性材料形成,整體形狀形成為環狀,以至少一部分暴露出到處理空間中的方式配置在處理腔室內,用于形成被施加于上部電極的直流電壓的接地電位;多個上下運動機構,其能夠通過使直流電壓用接地構件上下運動來調整該直流電壓用接地構件的接地狀態。

權利要求書

1.一種等離子體處理裝置,其特征在于,
該等離子體處理裝置包括:
處理腔室,其在內部形成處理空間;
下部電極,其配置在上述處理腔室內,兼作為用于載置被
處理基板的載置臺;
上部電極,其與上述下部電極相對地配置在上述處理腔室
內;
高頻電源,其用于對上述下部電極施加高頻電力;
直流電源,其用于對上述上部電極施加直流電壓;
處理氣體供給機構,其用于向上述處理空間中供給被等離
子體化的處理氣體;
直流電壓用接地構件,其由導電性材料形成,整體形狀形
成為環狀,以至少一部分暴露出到上述處理空間中的方式配置
在上述處理腔室內,用于形成被施加于上述上部電極的直流電
壓的接地電位;
多個上下運動機構,其能夠通過使上述直流電壓用接地構
件上下運動來調整該直流電壓用接地構件的接地狀態。
2.根據權利要求1所述的等離子體處理裝置,其特征在于,
上述直流電壓用接地構件由硅形成。
3.根據權利要求1所述的等離子體處理裝置,其特征在于,
上述直流電壓用接地構件由純鋁材料形成。
4.根據權利要求1~3中任一項所述的等離子體處理裝置,
其特征在于,
上述直流電壓用接地構件以包圍上述下部電極的周圍的方
式配置。
5.根據權利要求1~4中任一項所述的等離子體處理裝置,
其特征在于,
上述直流電壓用接地構件由多個圓弧狀構件以整體形狀為
環狀的方式形成,針對每個上述圓弧狀構件配置有上述上下運
動機構。
6.根據權利要求5所述的等離子體處理裝置,其特征在于,
上述直流電壓用接地構件由至少4個以上的上述圓弧狀構
件構成。

說明書

等離子體處理裝置

技術領域

本發明涉及一種等離子體處理裝置。

背景技術

以往,在半導體裝置的制造工序中,使用使等離子體作用
于配置在處理腔室內的載置臺上的基板(例如半導體晶圓)來
進行各種處理、例如蝕刻、成膜的等離子體處理裝置。另外,
作為這樣的等離子體處理裝置,公知有一種電容耦合型的等離
子體處理裝置,其中,與用于載置基板的載置臺相對地在處理
腔室的頂部等配置上部電極,從而構成與作為下部電極的載置
臺成對的對置電極。

作為上述電容耦合型的等離子體處理裝置,公知有這樣的
構造的離子體處理裝置:作為對上部電極和下部電極之間施加
的高頻電力,對作為下部電極的載置臺施加頻率比較高的等離
子體生成用的第1高頻電力和頻率比第1高頻電力的頻率低的
離子引入用的第2高頻電力。

并且,也公知有以對下部電極施加高頻電力、并對上部電
極施加直流電壓的方式構成的等離子體處理裝置。另外,在這
樣對上部電極施加直流電壓的等離子體處理裝置中,在對高頻
電力的地線進行陶瓷涂敷等的情況下,需要另外設置用于構成
直流電壓的地線(ground)(接地電極)的直流電壓用接地構
件。因此,作為直流電壓用接地構件,公知有以包圍載置臺周
圍的方式將導電性的環狀構件、例如硅制的環狀構件設置為該
環狀構件暴露出到處理腔室內。還公知有利用熔融接合等熔接
多個圓弧狀構件來構成該硅制的環狀構件(例如,參照專利文
獻1)。

專利文獻1:日本特開2010-114313號公報

如上所述,在以對下部電極施加高頻電力、并對上部電極
施加直流電壓的方式構成的等離子體處理裝置中,作為直流電
壓的地線起作用的直流電壓用接地構件以暴露出到處理腔室內
的方式設置。本發明人等詳細調查之后可明確,在這樣構成的
等離子體處理裝置中,由于作為直流電壓用接地構件的導電性
的環狀構件等的設置狀態的不同,有時基板的周向的處理均勻
性惡化而處理產生偏差。這樣的處理的由導電性的環狀構件的
設置狀態引起的偏差必須通過將處理腔室暫且開放于大氣并調
節導電性的環狀構件的設置狀態來校正,該校正需要時間和勞
動力,存在導致生產率降低這樣的問題。

發明內容

本發明是應對上述以往的情況而做成的,其提供一種等離
子體處理裝置,該等離子體處理裝置能夠易于對處理的因作為
被施加于上部電極的直流電壓的地線的直流電壓用接地構件的
設置狀態引起的偏差進行校正,從而能夠高效地實施均勻的處
理。

本發明的等離子體處理裝置的一實施方式的特征在于,該
等離子體處理裝置包括:處理腔室,其在內部形成處理空間;
下部電極,其配置在上述處理腔室內,兼作為用于載置被處理
基板的載置臺;上部電極,其與上述下部電極相對地配置在上
述處理腔室內;高頻電源,其用于對上述下部電極施加高頻電
力;直流電源,其用于對上述上部電極施加直流電壓;處理氣
體供給機構,其用于向上述處理空間中供給被等離子體化的處
理氣體;直流電壓用接地構件,其由導電性材料形成,整體形
狀形成為環狀,以至少一部分暴露出到上述處理空間中的方式
配置在上述處理腔室內,用于形成被施加于上述上部電極的直
流電壓的接地電位;多個上下運動機構,其能夠通過使上述直
流電壓用接地構件上下運動來調整該直流電壓用接地構件的接
地狀態。

采用本發明,能夠提供一種等離子體處理裝置,該等離子
體處理裝置能夠易于對處理的因作為被施加于上部電極的直流
電壓的地線的直流電壓用接地構件的設置狀態引起的偏差進行
校正,從而能夠高效地實施均勻的處理。

附圖說明

圖1是示意地表示本發明的實施方式的等離子體蝕刻裝置
的概略結構的圖。

圖2是示意地表示圖1中的等離子體蝕刻裝置的主要部分
結構的圖。

圖3是示意地表示圖1中的等離子體蝕刻裝置的主要部分
結構的圖。

圖4的(a)~(c)是表示調查直流電壓用接地構件的接
地狀態對處理的均勻性產生的影響而得到的結果的曲線圖。

圖5的(a)~(c)是表示調查直流電壓用接地構件的接
地狀態對處理的均勻性產生的影響而得到的結果的曲線圖。

具體實施方式

下面,參照附圖說明本發明的實施方式。圖1是表示作為
本實施方式的等離子體處理裝置的等離子體蝕刻裝置10的概
略結構的縱剖視圖。

等離子體蝕刻裝置10具有氣密地構成且在內部形成處理
空間PS的處理腔室11。該處理腔室11為圓筒狀,由例如在表面
形成有陽極氧化覆膜的鋁等構成。在該處理腔室11內設有用于
將作為被處理基板的半導體晶圓W水平支承的圓柱狀的載置臺
12。

處理腔室11的內壁側面被側壁構件13覆蓋,處理腔室11的
內壁上表面被上壁構件14覆蓋。側壁構件13和上壁構件14例如
由鋁構成,其面向處理空間PS的面涂敷有氧化釔、具有規定厚
度的陽極氧化覆膜。由于處理腔室11電接地,因此,側壁構件
13和上壁構件14的電位是接地電位。

另外,載置臺12具有由導電性材料、例如鋁構成的導電體
部15、覆蓋該導電體部15的側面的、由絕緣性材料構成的側面
包覆構件16、載置在側面包覆構件16上的、由石英(Qz)構成
的罩(enclosure)構件17、由絕緣性材料構成的、位于導電體
部15的下部的載置臺基部15a。

在處理腔室11的內部,在處理腔室11的內壁和載置臺12的
側面之間形成有排氣流路18,該排氣流路18起到將導入到處理
空間PS內的處理氣體排出到處理腔室11外的流路的作用。在該
排氣流路18中配置有作為具有許多個通氣孔的板狀構件的排
氣板19。利用該排氣板19將排氣流路18和作為處理腔室11的下
部空間的排氣空間ES分隔開。在排氣空間ES上開口有粗排排
氣管20和主排氣管21,在粗排排氣管20上連接有未圖示的干式
泵,在主排氣管21上連接有未圖示的渦輪分子泵。利用這些干
式泵和渦輪分子泵能夠將處理空間PS設定為規定的壓力的減
壓氣氛。

另一方面,在處理腔室11的側壁設有半導體晶圓W的輸入
輸出口44。在該輸入輸出口44上設有用于開閉該輸入輸出口44
的閘閥46。

在載置臺12的導電體部15上,經由第1匹配器23連接有第1
高頻電源22。第1高頻電源22是等離子體產生用的電源,用于
對導電體部15供給比較高的規定頻率(27MHz以上、例如為
40MHz)的高頻電力。另外,第1匹配器23降低高頻電力自導
電體部15的反射,提高高頻電力的向導電體部15的供給效率。

另外,在導電體部15上,還經由第2匹配器25連接有第2
高頻電源24。第2高頻電源24是離子引入用(偏壓用)的電源,
用于對導電體部15供給頻率比第1高頻電源22所供給的高頻電
力的頻率低的規定頻率(13.56MHz以上、例如為3.2MHz)的
高頻電力。

在載置臺12的上部配置有在電介體內收容有電極板26的
構造的靜電吸盤27。在靜電吸盤27的電極板26上電連接有靜電
吸盤用直流電源28。通過自該靜電吸盤用直流電源28對電極板
26施加直流電壓,半導體晶圓W在庫侖力或者約翰遜·拉別克
(Johnson-Ranbec)力的作用下被吸附保持在靜電吸盤27的
上表面。

另外,在載置臺12的上部,以將吸附保持在載置臺12的上
表面的半導體晶圓W的周圍包圍的方式配置有環狀的聚焦環
(focus?ring)29。該聚焦環29由硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、
碳化硅(SiC)等構成。另外,在聚焦環29的周圍配置有用于
保護聚焦環29的側面的、由石英構成的環狀的蓋環(cover
ring)30。

在載置臺12的內部設有例如沿著圓周方向延伸的環狀的
制冷劑室31。自冷卻單元(未圖示)經由制冷劑用配管32向該
制冷劑室31循環供給規定溫度的制冷劑、例如冷卻水、Galden
(注冊商標)液,利用該制冷劑來對吸附保持在載置臺12的上
表面的半導體晶圓W的處理溫度進行控制。

在載置臺12的上表面的用于吸附保持半導體晶圓W的吸
附面中開口有多個導熱氣體供給孔33。這些多個導熱氣體供給
孔33經由配置在載置臺12內部的導熱氣體供給管線34連接于
未圖示的導熱氣體供給部,該導熱氣體供給部將例如將氦(He)
氣作為導熱氣體經由導熱氣體供給孔33供給到吸附面與晶圓
W的背面之間的間隙中。

另外,在載置臺12上配置有自載置臺12的上表面自由突出
的作為升降銷的多個推升銷(pusher?pin)35。在將半導體晶
圓W吸附保持在吸附面上而實施蝕刻處理時,這些推升銷35收
容在載置臺12內。而且,在將半導體晶圓W相對于載置臺12輸
入、輸出時,推升銷35自吸附面突出來支承半導體晶圓W。

在處理腔室11的頂部,與載置臺12相對地配置有具有作為
上部電極的功能的簇射頭36。該簇射頭36和載置臺12起到一對
電極(上部電極和下部電極)的作用。簇射頭36包括在內部形
成有緩沖室37的、由絕緣性材料構成的圓板狀的冷卻板38、被
該冷卻板38支承的上部電極板39、用于覆蓋冷卻板38的蓋體
40。

上部電極板39的下表面暴露出到處理空間PS中,形成為由
導電性材料、例如硅構成的圓板狀。上部電極板39的周緣部被
由絕緣性材料構成的環狀的屏蔽環41覆蓋。即,上部電極板39
利用冷卻板38和屏蔽環41而與作為接地電位的處理腔室11電
絕緣。

另外,上部電極板39與上部直流電源42電連接。通過自該
上部直流電源42對上部電極板39施加負的直流電壓,對處理空
間PS施加直流電壓。

在冷卻板38的緩沖室37上連接有處理氣體導入管43。該處
理氣體導入管43連接于未圖示的處理氣體供給部。另外,在簇
射頭36中配置有用于使緩沖室37連通于處理空間PS的多個貫
穿氣孔48。簇射頭36將從處理氣體導入管43供給到緩沖室37
中的處理氣體經由貫穿氣孔48向處理空間PS中供給。

也如圖2所示,在處理腔室11內配置有截面形狀為L字形
的、整體形狀為環狀的作為直流電壓用接地構件的接地環45
(接地電極)。接地環45由導電性材料、例如純硅材料或者純
鋁材料構成,以其外側面暴露出到處理空間PS中的方式配置。
該接地環45起到被施加于上部電極板39的直流電壓的接地電
極的作用。

上述接地環45以在載置臺12的側面包覆構件16的下方覆
蓋載置臺基部15a的側面的方式配置。因而,至少接地環45的
外側部分成為暴露出到處理空間PS中的排氣流路18部分中的
狀態。自上部電極板39放出來的電子到達該接地環45,由此,
直流電流在處理空間PS內流動。該接地環45的詳細構造之后說
明。

在上述結構的等離子體蝕刻裝置10中,通過對處理空間PS
供給高頻電力,在該處理空間PS中,由從簇射頭36供給來的處
理氣體生成高密度的等離子體,并且,利用處理空間PS的直流
電流將生成的等離子體保持成期望的狀態,利用該等離子體對
晶圓W實施蝕刻處理。

如圖3所示,在本實施方式中,接地環45由6個圓弧狀構件
45a~45f構成,其整體構成為環狀。6個圓弧狀構件45a~45f
被設為彼此相等的大小。即,將1個圓弧狀構件6等分地構成。
另外,在這樣由多個圓弧狀構件構成接地環45的情況下,優選
設為至少4個以上的多個圓弧狀構件。

如圖2所示,在圓弧狀構件45a~45f的下表面側分別配置
有上下運動機構50。另外,圖2僅圖示了與各圓弧狀構件45a~
45f相對應地配置的合計6個上下運動機構50中的1個上下運動
機構。

上下運動機構50的驅動軸的上側端部分別連接于各圓弧
狀構件45a~45f的下表面。于是,利用該上下運動機構50,能
夠如圖中箭頭所示那樣使各圓弧狀構件45a~45f各自獨立地
上下運動。這些上下運動機構50具有通過使圓弧狀構件45a~
45f上下運動來變更圓弧狀構件45a~45f與接地電位的連接狀
態的功能。

在本實施方式中,圓弧狀構件45a~45f以如圖2所示那樣
下降的狀態與排氣板19接觸,成為連接于接地電位的狀態。而
且,利用上下運動機構50使圓弧狀構件45a~45f上升時,與接
地電位的連接狀態變弱,通過使圓弧狀構件45a~45f上升至與
排氣板19完全未接觸的狀態,能夠將圓弧狀構件45a~45f設定
為電懸浮(floating)狀態。

另外,也可以與上述相反,在使圓弧狀構件45a~45f上升
的狀態下成為圓弧狀構件45a~45f連接于接地電位的狀態,在
使圓弧狀構件45a~45f下降的狀態下成為圓弧狀構件45a~
45f電懸浮狀態。

另外,如上所述,在由多個圓弧狀構件45a~45f構成接地
環45的情況下,也可以設為各圓弧狀構件45a~45f被電連接的
狀態。并且,如上所述,也可以不是由多個圓弧狀構件45a~
45f構成接地環45、而是由一體構成的環狀的構件來構成接地
環45。在這種情況下,也沿著周向以均勻的間隔配置多個、例
如至少4個以上的上下運動機構50,利用各個上下運動機構50
調節接地環45的各部與接地電位的連接狀態。

圖4的(a)~圖4的(c)中的曲線圖將縱軸設為蝕刻速率、
橫軸設為距半導體晶圓中心的距離而表示如下的內容:對半導
體晶圓W上的正交的X軸、Y軸上的蝕刻速率進行測定的結果、
從半導體晶圓W的邊緣起進入到3mm內的位置周圍(徑向)的
蝕刻速率的均勻性的值。此時,通過使用一體構成的接地環45
并變更該接地環45的接地狀態,調查了蝕刻狀態所呈現的影
響。另外,蝕刻處理的條件如下所述:

處理氣體:CF4/Ar=50sccm/600sccm

壓力:5.32Pa(40mTorr)

高頻電力:500W/2000W

直流電壓:300V

溫度(載置臺/頂部和側壁部):20℃/150℃

氦壓力(中心/邊緣):1995Pa/5320Pa(15Torr/
40Torr)

時間:60秒。

圖4的(a)是在接地環45的整個下表面側配置有用于使電
連接狀態良好的螺旋狀的電連接構件的情況,圖4的(b)、圖4
的(c)表示自圖4的(a)所示的情況在接地環45的下表面側
配置絕緣材料(Kapton制)來改變與接地電位的連接狀態的情
況,圖4的(b)表示在右側50%的部位配置有絕緣材料的情況,
圖4的(c)表示整體配置有絕緣材料的情況。如圖4的(b)所
示,在右側50%的部位配置有絕緣材料的情況下,與未配置絕
緣材料的情況相比蝕刻速率的面內均勻性發生了變化。另外,
如圖4的(c)所示,將整個接地環45設為懸浮狀態時,蝕刻速
率的面內均勻性顯著惡化,作為現象,同時發生了等離子體泄
漏。因而,優選設為接地環45的至少一部分連接于接地電位的
狀態。

圖5的(a)~圖5的(c)中的曲線圖表示如下的內容:對
使安裝接地環45時的安裝螺絲的緊固轉矩變化的情況下、蝕刻
狀態所呈現的影響進行調查的結果、從半導體晶圓W的邊緣起
進入到3mm內的位置周圍(徑向)的蝕刻速率和均勻性的值。
圖5的(a)表示使所有的安裝螺絲的緊固轉矩為6kgf的情況,
圖5的(b)表示僅使1個安裝螺絲為緊固轉矩為6kgf而未擰緊
其他的安裝螺絲的情況,圖5的(c)表示將所有的安裝螺絲都
未擰緊的情況。

如這些圖5的(a)~圖5的(c)中的曲線圖所示,使蝕刻
的面內均勻性也因安裝螺絲的的緊固轉矩的變化而發生變化,
在將所有的安裝螺絲都未擰緊的情況下,面內均勻性明顯惡化。

如上所述,能夠確認通過局部變更接地環45的一部分的接
地狀態使蝕刻處理的周向的面內均勻性發生變化。因而,在上
述實施方式的等離子體蝕刻裝置10中,通過利用上下運動機構
50使圓弧狀構件45a~45f上下運動,能夠使構成接地環45的圓
弧狀構件45a~45f的接地狀態變更,從而能夠控制蝕刻處理的
周向的均勻性。

接著,說明利用上述結構的等離子體蝕刻裝置對形成于半
導體晶圓W的薄膜進行等離子體蝕刻的順序。首先,將閘閥46
開放,利用未圖示的輸送機器人等將半導體晶圓W經由未圖示
的加載互鎖室從輸入輸出口44輸入到處理腔室11內,載置在載
置臺12上。之后,使輸送機器人退避到處理腔室11外,關閉閘
閥46。然后,利用未圖示的真空泵,經由粗排排氣管20和主排
氣管21對處理腔室11內進行排氣。

在處理腔室11內成為規定的真空度之后,經由簇射頭36向
處理腔室11內導入規定的處理氣體(蝕刻氣體),處理腔室11
內被保持成規定的壓力,在該狀態下,自第1高頻電源22對載
置臺12供給頻率例如為40MHz的高頻電力。另外,為了引入離
子,自第2高頻電源24對載置臺12供給頻率例如為3.2MHz的高
頻電力(偏壓用)。此時,自靜電吸盤用直流電源28對靜電吸
盤27的電極板26施加規定的直流電壓(例如正2500V的直流電
壓),利用庫侖力或者約翰遜·拉別克力將半導體晶圓W吸附在
靜電吸盤27上。

通過如上所述那樣對作為下部電極的載置臺12施加高頻
電力,在作為上部電極的簇射頭36和作為下部電極的載置臺12
之間形成有電場。利用該電場,在半導體晶圓W所存在的處理
空間PS中產生放電,利用由此形成的處理氣體的等離子體,對
形成在半導體晶圓W上的薄膜進行蝕刻處理。

另外,在等離子體處理過程中能夠自上部直流電源42對簇
射頭36施加直流電壓,因此存在以下效果。即,根據工藝的不
同,有時要求較高的電子密度且較低的離子能量的等離子體。
在這種情況下,采用直流電壓,通過在射入到半導體晶圓W中
的離子能量受到抑制的同時使等離子體的電子密度增加,作為
半導體晶圓W的蝕刻對象的膜的蝕刻速率上升,并且,向作為
設置在蝕刻對象的上部的掩模的膜的濺射速率降低,選擇性提
高。

此時,根據起到作為被施加于簇射頭36的直流電壓的接地
電極的作用的接地環45的安裝狀態的不同,有時蝕刻處理在周
向上不均勻。在這種情況下,以往將處理腔室11開放于大氣,
調整接地環45的安裝狀態來消除處理的不均勻性。而在本實施
方式中,通過利用上下運動機構50使用于構成接地環45的圓弧
狀構件45a~45f上下移動來使圓弧狀構件45a~45f的接地狀
態變更,由此,不將處理腔室11開放于大氣就能夠容易且迅速
地消除處理的不均勻性。由此,能夠實現處理效率的大幅度的
提高。并且,即使對于用于降低處理腔室11之間的處理偏差(機
器誤差)的控制、大口徑(例如405mm)時的均勻性的控制,
也能夠應用。

另外,在上述蝕刻處理結束時,高頻電力的供給、直流電
壓的供給和處理氣體的供給被停止,利用與上述順序相反的順
序將半導體晶圓W從處理腔室11內輸出。

像以上說明的那樣,采用本實施方式,能夠容易地對處理
的由作為直流電壓用接地構件的接地環45的設置狀態引起的
偏差進行校正,從而能夠高效地實施均勻的處理,該直流電壓
用接地構件作為被施加于作為上部電極的簇射頭36的直流電
壓的地線。另外,不言而喻,本發明并不限定于上述實施方式,
能夠進行各種變形。

附圖標記說明

W、半導體晶圓;10、等離子體蝕刻裝置;11、處理腔室;12、
載置臺(下部電極);36、簇射頭(上部電極);42、上部直流
電源;45、接地環;45a~45f、圓弧狀構件;50、上下運動機
構。

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