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CN101651078A - 聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法 - Google Patents

聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法 Download PDF

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CN101651078A CN200910165205A CN200910165205A CN101651078A CN 101651078 A CN101651078 A CN 101651078A CN 200910165205 A CN200910165205 A CN 200910165205A CN 200910165205 A CN200910165205 A CN 200910165205A CN 101651078 A CN101651078 A CN 101651078A
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Abstract

本发明提供与现有技术相比能够延长聚焦环的寿命、提高等离子体处理装置的运转率并降低运行成本的聚焦环、等离子体处理装置和等离子体处理方法。聚焦环(15)的内周部(15a)的上表面被配置为与半导体晶片(W)的周边部的下表面相对，该聚焦环(15)的内周部(15a)的上表面和半导体晶片(W)的周边部下表面的距离(a)，在开始将聚焦环(15)使用于等离子体处理的时刻，即，在开始使用新的聚焦环(15)的时刻，构成为0.4mm以上。

Description

聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法
技术领域
本发明涉及聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法.
背景技术
一直以来，在半导体装置的制造领域等中，将处理气体等离子体化，对被处理基板，例如半导体晶片或LCD用玻璃基板等实施规定的处理，例如蚀刻处理或成膜处理等的等离子体处理装置已为众所周知。
在上述等离子体处理装置中，例如在对半导体晶片实施等离子体蚀刻处理的等离子体处理装置中，在载置在下部电极上的半导体晶片的周围设置聚焦环，来提高半导体晶片的面内的等离子体处理的均匀性的技术已为众所周知(例如，参照专利文献1、专利文献2)。
专利文献1：日本特开2008-78208号公报
专利文献2：日本特开2003-229408号公报
在如上所述使用聚焦环的等离子体处理装置中，由于聚焦环被暴露于等离子体中，聚焦环本身也会被蚀刻而消耗。随着这样的聚焦环的消耗，半导体晶片的面内的处理的均匀性也出现恶化，所以聚焦环在消耗到某种程度的时刻，需要将消耗了的聚焦环交换为新的聚焦环。
但是，上述聚焦环的交换，会成为等离子体处理装置的运转率降低的一个原因，并且，成为增大运行成本的主要原因。因此，需要实现进一步延长聚焦环的寿命，提高等离子体处理装置的运转率并且降低运行成本。
发明内容
本发明就是针对上述情况而提出的，其涉及聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法，根据本发明，与现有技术相比，其能够延长聚焦环的寿命，能够提高等离子体处理装置的运转率并且降低运行成本。
本发明的第一方面涉及一种聚焦环，其在载置用于收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室内的上述被处理基板的下部电极上，按照包围上述被处理基板的周围的方式进行配置，并形成为环状，该聚焦环在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
上述第一方面说明的聚焦环，在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
上述第一方面说明的聚焦环由硅构成。
本发明的第二方面涉及一种等离子体处理装置，其包括：用于收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室；设置在上述处理腔室内，载置上述被处理基板的下部电极；用于向上述下部电极供给高频电力而产生等离子体的高频电源；与上述下部电极相对设置的上部电极；和聚焦环，其按照包围上述被处理基板的周围的方式被载置在上述下部电极上，在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部的下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
在上述第二方面说明的等离子体处理装置中，上述聚焦环，在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部的下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
在上述第二方面说明的等离子体处理装置中，该聚焦环由硅构成。
在上述第二方面说明的等离子体处理装置中，上述聚焦环通过石英制的部件配置在上述下部电极上。
本发明第三方面涉及一种等离子体处理方法，将被处理基板载置在相对地配置有上部电极和下部电极的处理腔室内的上述下部电极上，并且在上述下部电极上按照包围上述被处理基板的方式配置环状的聚焦环，在上述上部电极和上述下部电极之间施加高频电力，对上述被处理基板施加规定的等离子体处理，在该等离子体处理方法中，上述聚焦环，在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
在上述第三方面说明的等离子体处理方法中，上述聚焦环，在开始使用于等离子体处理的时刻，上述被处理基板的边缘部下表面和所述聚焦环的与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
在上述第三方面说明的等离子体处理方法中，上述聚焦环由硅构成。
在上述第三方面说明的等离子体处理方法中，上述聚焦环通过石英制的部件配置在上述下部电极上。
根据本发明能够提供聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法，从而与现有技术相比，能够延长聚焦环的寿命，能够提高等离子体处理装置的运转率并且降低运行成本。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式涉及的等离子体蚀刻装置的整体概略结构的图。
图2是表示图1的等离子体蚀刻装置及聚焦环的主要部分结构的图。
图3是表示调查使用时间和蚀刻速度的变化的结果的曲线图。
图4是表示调查厚度A、B及角度C的变化给蚀刻速度带来的影响的结果的曲线图。
图5是表示调查厚度A变化0.2mm时的蚀刻速度变化量和使用开始前的厚度A的关系的结果的曲线图。
符号说明
1：等离子体蚀刻装置；2：处理腔室；5：基座(下部电极)；
15：聚焦环；21：上部电极；W：半导体晶片。
具体实施方式
下面，参照附图对于本发明的聚焦环、等离子体处理装置及等离子体处理方法的详细内容进行说明，并说明其实施方式。
图1是表示作为本发明的以实时方式的等离子体处理装置的等离子体蚀刻装置1的整体结构的图，图2是表示本发明的一实施方式涉及的聚焦环15和等离子体蚀刻装置1的主要部分结构的图。首先，参照图1说明等离子体蚀刻装置1的整体结构。
等离子体蚀刻装置1构成为电极板上下平行相对，连接有等离子体形成用电源的电容耦合型平行平板蚀刻装置。
等离子体蚀刻装置1具有例如由表面被阳极氧化处理过的铝等构成且形成为圆筒形状的处理腔室2，该处理腔室2被接地。在处理腔室2内的底部经由陶瓷等的绝缘板3设置有用于载置被处理基板例如半导体晶片W的大致圆柱状的基座支承台4。进而，在该基座支承台4之上设置有构成下部电极的基座(载置台)5。在该基座5连接有高通滤波器(用F)6。
基座支承台4的内部设置有制冷剂室7，制冷剂经由制冷剂导入管8导入到该制冷剂室7并进行循环而从制冷剂排出管9被排出。于是，其冷热经由基座5对半导体晶片W进行传热，由此，能够将半导体晶片W控制在所希望的温度。
基座5的上侧中央部成形为凸状的圆板状，在其上设置有与半导体晶片W大致相同形状的静电卡盘11。静电卡盘11构成为在绝缘件10之间配置有电极12。于是，通过从与电极12连接的直流电源13施加例如1.5kV的直流电压，利用例如库仑力对半导体晶片W进行静电吸附。
在绝缘板3、基座支承台4、基座5、静电卡盘11中，形成有用于对半导体晶片W的背面供给传热介质(例如He气体等)的气体通路14，经由该传热介质能够将基座5的冷热传导至半导体晶片W，从而将半导体晶片W维持在规定的温度。
在基座5的上端周边部按照包围载置在静电卡盘11上的半导体晶片W的方式配置有环状的聚焦环15。该聚焦环15具有提高蚀刻的均匀性的作用。在本实施方式中，该聚焦环15由硅构成。
如图2所示，在该聚焦环15的外侧，设置有由石英构成的外侧部件16，在聚焦环15的下侧，设置有石英制的下侧部件17。另外，聚焦环15的内周部15a构成为，其厚度形成得较薄，并延长至半导体晶片W的周边部下侧。因此，聚焦环15的内周部15a的上表面被配置为与半导体晶片W的周边部下表面相对。在本实施方式中，该聚焦环15的内周部15a的上表面和半导体晶片W的周边部下表面的距离(图2表示的距离a)，在聚焦环15被初次使用于等离子体处理中的时刻(开始使用新的聚焦环15的时刻)，为0.4mm以上。对于其理由在后面叙述。
上述聚焦环15的内周部15a的外侧形成有厚度逐渐变厚的倾斜部15c。另外，在该倾斜部15c的外侧，形成有其厚度厚而上侧平坦的平坦部15b，在平台部15b的外侧，形成有用于卡止外侧部件16的台阶部15d。
如图1所示，在基座5的上方，与该基座5平行相对设置有上部电极21。该上部电极21经由绝缘件22被支承在处理腔室2的上部。上部电极21由电极板24和通过支承该电极板24的导电性材料构成的电极支承体25构成。电极板24由例如导电体或者半导体构成，具有多个喷出孔23。该电极板24形成与基座5的相对面。
在上部电极21的电极支承体25的中央设置有气体导入口26，在该气体导入口26连接有气体供给管27。进而，该气体供给管27经由阀28以及质量流量控制器29与处理气体供给源30连接。从处理气体供给源30供给用于进行等离子体蚀刻处理的蚀刻气体。
在处理腔室2的底部，连接有排气管31，在该排气管31上连接有排气装置35。排气装置35具备涡轮分子泵等的真空泵，构成为能够将处理腔室2内抽真空至规定的减压氛围、例如1Pa以下的规定的压力。另外，在处理腔室2的侧壁上设置有闸阀32，在打开该闸阀32的状态下在与邻接的负载锁定室(未图示)之间搬送半导体晶片W。
在上部电极21上连接有第一高频电源40，在其供电线路上设置有匹配器41。另外，在上部电极21上连接有低通滤波器(LPF)42。该第一高频电源40具有50～150MHz的范围的频率(在本实施方式中为60MHz)。这样，通过施加高的频率能够在优选的电离状态下在处理腔室2内形成高密度的等离子体。
在作为下部电极的基座5上连接有第二高频电源50，在其供电线上设置有匹配器51。该第二高频电源50具有比第一高频电源40低的频率的范围，通过施加这样范围的频率的高频电力，能够对作为被处理基板的半导体晶片W不带来损伤而施加适合的离子作用。即，第二高频电源50用于施加偏压用高频电力。第二高频电源50的频率优选1至20MHz的范围(在本实施方式中为2MHz)。
上述结构的等离子体蚀刻装置1被控制部60综合控制其动作。在该控制部60中具备CPU，设置有控制等离子体蚀刻装置1的各部的工艺控制器61、用户接口部62和存储部63。
用户接口部62由为了工程管理者管理等离子体蚀刻装置1而进行指令的输入操作的键盘或可视化地显示等离子体蚀刻装置1的工作状况的显示器等构成。
在存储部63中存储有菜单，该菜单中存储有用于在工艺控制器61的控制下实现通过等离子体蚀刻装置1执行的各种处理的控制程序(软件)或者处理条件数据等。于是，根据需要，按照来自用户接口部62的指示等从存储部63调出任意的菜单，使得工艺控制器61执行，由此，在工艺控制器61的控制下，进行等离子体蚀刻装置1的所希望的处理。另外，控制程序或者处理条件数据等的菜单，能够通过存储在能够通过计算机读取的计算机存储介质(例如，硬盘、CD、软盘、半导体介质等)等中的状态加以利用，或者能够通过例如专用线路从其他的装置进行即时传送从而在线利用。
通过上述结构的等离子体蚀刻装置1，在进行半导体晶片W的等离子体蚀刻的情况下，首先，在打开闸阀32后，半导体晶片W被从未图示的负载锁定室搬入处理腔室2内，并载置在静电卡盘11上。于是，通过从直流电源13施加直流电压，半导体晶片W被静电吸附在静电卡盘11上。接着，闸阀32被关闭，通过排气装置35处理腔室2内被抽真空至规定的真空度。
之后，阀28被打开，来自处理气体供给源30的规定的蚀刻气体通过质量流量控制器29调整其流量，并且通过处理气体供给管27、气体导入口26被导入上部电极21的中空部，进而，通过电极板24的喷出孔23，如图1的箭头所示，相对于半导体晶片W均匀地喷出。
于是，处理腔室2内的压力被维持在规定的压力。之后，从第一高频电源40向上部电极21施加规定的频率的高频电力。由此，在上部电极21和作为下部电极的基座5之间产生高频电场，电离蚀刻气体，进行等离子体化。
另一方面，从第二高频电源50向作为下部电极的基座5施加比上述第一高频电源40低的频率的高频电力。由此，等离子体中的离子被引入基座5侧，通过离子加速(ion assist)提高蚀刻的各向异性。
接着，当规定的等离子体蚀刻处理结束时，高频电力的供给以及处理气体的供给被停止，按照与上述顺序相反的顺序，从处理腔室2内搬出半导体晶片W。
下面，对于在本实施方式中按照图2所示的距离a成为0.4mm以上的方式构成聚焦环15的理由进行说明。图3表示调查开始使用新的聚焦环15时的使用时间和半导体晶片W的蚀刻速度(半导体晶片W上形成的硅氧化膜的蚀刻速度的平均值。以下相同)的结果。如该图3所示，从使用聚焦环15开始，到使用时间为300小时为止的蚀刻速度的变化量在增大。
这里，在使用聚焦环15的情况下，通过等离子体的作用而被蚀刻、消耗，厚度变化的部分为图2所示的内周部15a的厚度A，平坦部15b的厚度B，另外，倾斜部15c的角度C也变化。因此，图4表示调查这些部分的厚度A、B及角度C的变化给蚀刻速度带来的影响的结果。在该图4中，调查在开始使用新的聚焦环15时，其使用时间每经过100小时，厚度A(初期值3mm)、B(初期值8.3mm)及角度C(初期值75°)给与蚀刻速度的影响(蚀刻速度增加量)，从各柱形图的下侧依次表示A、B、C引起的蚀刻增加量。
如图4所示，在聚焦环15的使用开始之后，对于蚀刻速度的变化造成最大影响的是厚度A，尤其是，从使用开始到使用时间为300小时为止的蚀刻速度的变化量增大。
图5的曲线图表示调查上述厚度A变化0.2mm时的蚀刻速度(nm/min)的变化量(纵轴)和使用开始前的厚度A(mm)(横轴)的关系的结果。如该图5的曲线所示，使用开始前的厚度A从3mm至2.9mm，厚度A变化0.2mm时的蚀刻速度的变化量大。另外，使用开始前的厚度A为大致2.8mm则蚀刻速度的变化量为2nm左右，使用开始前的厚度A为大致2.6mm则蚀刻速度的变化量为1nm左右。于是，如果使用开始前的厚度A比2.6mm小，则蚀刻速度的变化量几乎不变。
这种情况下，使用开始前的厚度A为3mm时，图1所示的聚焦环15的内周部15a的上表面和半导体晶片W的周边部下表面的距离a为0.2mm，厚度A为2.8mm时，距离a为0.4mm，厚度A为2.6mm时，距离a为0.6mm。因此，在本实施方式中，在将聚焦环15开始使用于等离子体处理的时刻(即，开始使用新的聚焦环15的时刻)，使得聚焦环15的内周部15a的上表面和半导体晶片W的周边部下表面的距离a为0.4mm以上，抑制因聚焦环15的消耗导致的蚀刻速度的变化量。
由此，即使聚焦环15消耗，蚀刻速度也几乎不会变化，所以能够进一步长期使用聚焦环15，与现有技术相比，能够延长聚焦环15的寿命，能够提高等离子体处理装置1的运转率并且降低运行成本。此外，如图5所示，即使使得距离a比0.6mm大，蚀刻速度的变化量也几乎不会变化，所以优选距离a为0.4mm以上0.6mm以下。
如上所述，聚焦环15的内周部15a的上表面和半导体晶片W的周边部下表面之间的距离a的不同，对于蚀刻速度的变化量带来的大的影响是通过以下的理由推测的。
即，虽然在之间夹持有石英制的下侧部件17，但是由于硅制的聚焦环15被配置在施加有高频电力的基座(下部电极)5上，所以形成从基座(下部电极)5经由聚焦环15的高频电力的路径，在聚焦环15的内周部15a的上表面和半导体晶片W的周边部下表面之间形成有电容器。于是，该电容器的电容量与距离a成反比例，所以距离a短则电容量大，并且随着距离a的变化电容量的变动也变大。因此，如果距离a短则半导体晶片W的蚀刻速度降低，并且由于距离a的变化蚀刻速度的变动也变大。
另一方面，如果距离a长到某种程度，则上述电容器的电容量变小，经由聚焦环15的高频电力的流量也变少，所以从基座(下部电极)5直接流到半导体晶片W的高频电力变多，蚀刻速度上升，并且即使距离a变化上述电容器的电容量的变化也小，所以蚀刻速度的变化变小。
此外，本发明并不限定于上述实施方式，当然能够进行各种各样的变形。例如，在上述实施方式中，说明了将本发明适用于向上部电极和下部电极施加两种高频的类型的等离子体蚀刻装置的情况，但是，同样也能够适用于例如向下部电极只施加一种高频电力的类型的等离子体蚀刻装置，或者向下部电极施加两种的高频电力的类型的等离子体蚀刻装置等。

Claims (11)

1.一种聚焦环，其在载置用于收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室内的所述被处理基板的下部电极上，按照包围所述被处理基板的周围的方式配置成环状，该聚焦环的特征在于：
在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
2.根据权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：
在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的聚焦环，其特征在于：
所述聚焦环由硅构成。
4.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
用于收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室；
设置在所述处理腔室内，载置所述被处理基板的下部电极；
用于向所述下部电极供给高频电力而产生等离子体的高频电源；
与所述下部电极相对设置的上部电极；和
聚焦环，其按照包围所述被处理基板的周围的方式被载置在所述下部电极上，在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述聚焦环构成为，在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
6.根据权利要求4或5所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述聚焦环由硅构成。
7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述聚焦环通过石英制的部件配置在所述下部电极上。
8.一种等离子体处理方法，将被处理基板载置在相对配置上部电极和下部电极的处理腔室内的所述下部电极上，并且在所述下部电极上按照包围所述被处理基板的周围的方式配置环状的聚焦环，在所述上部电极和所述下部电极之间施加高频电力，对所述被处理基板施加规定的等离子体处理，该等离子体处理方法的特征在于：
所述聚焦环构成为，在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.4mm以上。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理方法，其特征在于：
所述聚焦环构成为，在开始使用于等离子体处理的时刻，所述被处理基板的边缘部下表面和与该被处理基板的边缘部下表面相对的部位之间的距离为0.6mm以下。
10.根据权利要求8或9所述的等离子体处理方法，其特征在于：
所述聚焦环由硅构成。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理方法，其特征在于：
所述聚焦环通过石英制的部件配置在所述下部电极上。
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