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TWI645442B - Plasma processing device - Google Patents

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TWI645442B
TWI645442B TW103125137A TW103125137A TWI645442B TW I645442 B TWI645442 B TW I645442B TW 103125137 A TW103125137 A TW 103125137A TW 103125137 A TW103125137 A TW 103125137A TW I645442 B TWI645442 B TW I645442B
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variable
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芳賀俊雄
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日商東京威力科創股份有限公司
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Abstract

本發明之課題係提供一種電容耦合型電漿處理裝置(對於和載置被處理體之下部電極成為對向配置之內側上部電極以及外側上部電極來分配供給高頻電力)，可大幅提升用以調節外側/內側電力分配比所設之可變電容器做為控制電漿密度分布特性或是程序特性之面內輪廓的調整旋鈕之機能。
此電漿處理裝置中，藉由在對內側上部電極56分配供給高頻電力之第2供電部內和可變電容器96來串聯設置可變電感器97，則於可變電容器(variodenser)96之電容-外側/內側電力分配比中可使得共振點附近之特性成為平緩(平寬)。藉此，可在可變電容器電容之可變範圍內將共振點附近之區域當作可控制區域來安定使用。

Description

電漿處理裝置
本發明係關於一種電容耦合型電漿處理裝置，可對於和載置被處理體之下部電極成為對向配置之內側以及外側的上部電極所被分配供給之高頻電力之比進行可變控制。
半導體元件、FPD(Flat Panel Display)之製程中的蝕刻、沉積、氧化、濺鍍等微細加工或是處理，為使得處理氣體在相對低溫進行良好的反應係利用電漿。通常，電漿之生成係使用放電，電漿處理裝置可大致區分為利用高頻放電者、以及利用微波放電者。高頻放電方式可進而分類為：於處理容器中設有平行平板電極之電容耦合型、以及在處理容器周圍安裝螺旋形或是漩渦狀電極之感應耦合型。在這幾個電漿生成方式中，電容耦合型成為量產用裝置以及元件開發用裝置之主流。
電容耦合型電漿處理裝置係於可減壓之處理容器或是反應容器內使得上部電極與下部電極以平行方式配置，在下部電極上載置被處理體(例如半導體晶圓)，而對於上部電極或是下部電極經由匹配器來施加既定頻率之高頻。受到此高頻所生成之高頻電場之影響，電子會被加速，而電子與處理氣體之分子、原子之間的解離、電離衝突會產生電漿，藉由電漿中之自由基、離子而對晶圓表面施以所希望之電漿處理(例如蝕刻加工)。
電漿程序中，程序之(面內)均一性為良率提升之基本要件，且伴隨半導體元件之微細化發展、半導體晶圓之大口徑化其重要性與日俱增，且所要求之等級也逐漸變高。此點，以往之電容耦合型電漿處理裝置由於半導體晶圓上之電漿密度的均一性大幅影響程序均一性，而專注精力於供應電漿生成之電極、尤其是施加高頻之電極(高頻電極)的構造。
其典型例之一，已知有一種電容耦合型電漿處理裝置，係將和載置被處理體之下部電極相對向之上部電極在半徑方向上分割為內側電極與外側電極，而對分配於兩電極之電漿生成用高頻電力之比進行可變控制(專利文獻1)。
此電容耦合型電漿處理裝置中，係將外側上部電極經由筒狀導電構件而電性連接於用以輸出電漿生成用高頻之高頻電源輸出端子，而內側上部電極則經由棒狀中心導電構件電性連接於高頻電源輸出端子。此外，於中心導電構件之中途插入可變電容器，藉由步進馬達等來可變控制該可變電容器之電容。
先前技術文獻
專利文獻1 日本特開2004-193566
如上述般對於在半徑方向被分割之內側以及外側的2個上部電極分配高頻電力之方式的電容耦合型電漿處理裝置中，會於可變電容器之電容可變範圍內不可避免地存在共振點。亦即，經由存在於內側上部電極與外側上部電極之間的靜電電容器(固定電容器)而將來自高頻電源之高頻分配於此等兩個上部電極之個別的高頻供電部之間會形成閉合電路。此閉合電路不僅包含此等電極間靜電電容器(固定電容器)以及可變電容器，也包含附隨於各高頻供電部導體之電感，當可變電容器之電容取特定值之時會成為共振狀態。
以往此種電漿處理裝置，由於在共振點附近只要可變電容器之電容稍微改變則外側/內側電力分配比會以急遽的變化率(斜率)大幅變化，而難以進行微調，即便從所希望之分配比往共振點側些許挪移也恐因上述閉合電路內流經大電流而造成可變電容器受損。
因此，以往係避開共振點以及其附近區域(共振區域)而僅於單側區域(通常較共振區域為低之區域)來可變控制可變電容器之電容，但現實上由於外側/內側電力分配比之可變範圍或是動態範圍小，故做為用以在半徑方向控制電漿密度分布、程序特性輪廓之調整旋鈕的效用不足。
本發明係用以解決上述習知技術之問題點，其目的在於提供一種電容耦合型電漿處理裝置(可對於和載置被處理體之下部電極成為對向配置之內側上部電極以及外側上部電極分配供給高頻電力)，可大幅提升用以調節外側/內側電力分配比所設之可變電容器做為控制電漿密度分布特性或是程序特性之面內輪廓的調整旋鈕之機能。
本發明之第1觀點之一種電漿處理裝置，具有：處理容器，可進行真空排氣；外側上部電極，在該處理容器內以和載置被處理體之下部電極成為對向的方式設置為環狀；內側上部電極，於該外側上部電極之徑向內側呈絕緣配置；處理氣體供給部，係對於該外側上部電極以及該內側上部電極和該下部電極之間的處理空間供給處理氣體；第1高頻電源，係輸出具有適合於生成該處理氣體電漿之頻率的第1高頻；第1供電部，具有在該外側上部電極沿圓周方向連續連接之筒狀導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻經由該筒狀導電構件而施加於該外側上部電極；第2供電部，具有連接於該內側上部電極之中心處的棒狀中心導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻從該第1供電部分歧而經由該中心導電構件而供給於該內側上部電極；以及可變電容器與可變電感器，係於該第2供電部內和該中心導電構件呈串聯設置。
上述裝置構成中，於可變電容器(variodenser)之電容可變範圍中不可避免地會存在共振點。亦即，將來自高頻電源之高頻經由存在於內側上部電極與外側上部電極之間的靜電電容器(固定電容器)而分配於此等兩上部電極之個別的高頻供電部之間形成閉合電路。此閉合電路不僅包含此等電極間靜電電容(固定電容器)以及可變電容(variodenser)，也包含附隨於各高頻供電部之導體的電感以及可變電感器之電感，當可變電容器(variodenser)之電容取某特定值時會成為共振狀態。但是，藉由可變控制可變電感器之電感、尤其將可變電感器之電感調整為低值，則於可變電容器電容-外側/內側電力分配比中可使得共振點附近之特性成為平緩(平寬)。藉此，可在可變電容器電容之可變範圍內將共振點附近之區域當作可控制區域來安定使用。
本發明之第2觀點之電漿處理裝置，具有：處理容器，可進行真空排氣；外側上部電極，在該處理容器內以和載置被處理體之下部電極成為對向的方式設置為環狀；內側上部電極，於該外側上部電極之徑向內側呈絕緣配置；處理氣體供給部，係對於該外側上部電極以及該內側上部電極和該下部電極之間的處理空間供給處理氣體；第1高頻電源，係輸出具有適合於生成該處理氣體電漿之頻率的第1高頻；第1供電部，具有在該外側上部電極沿圓周方向連續連接之筒狀導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻經由該筒狀導電構件而施加於該外側上部電極；第2供電部，具有連接於該內側上部電極之中心處的棒狀中心導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻從該第1供電部分歧而經由該中心導電構件而供給於該內側上部電極；可變電容器，係於該第2供電部內和該中心導電構件呈串聯設置；以及連接器，係於該中心導電構件上形成該第1供電部與該第2供電部之分歧點，以可於該中心導電構件做軸向位移的方式被安裝。
上述裝置構成中，於可變電容器(variodenser)之電容可變範圍中不可避免地會存在共振點。亦即，將來自高頻電源之高頻經由存在於內側上部電極與外側上部電極之間的靜電電容器(固定電容器)而分配於此等兩上部電極之個別的高頻供電部之間形成閉合電路。此閉合電路不僅包含此等電極間靜電電容(固定電容器)以及可變電容(variodenser)，也包含附隨於各高頻供電部之導體的電感以及可變電感器之電感，當可變電容器(variodenser)之電容取某特定值時會成為共振狀態。但是，藉由於中心導電構件上調整連接器之位置，尤其將中心導電構件之實質區間之電感調整為低值，則於可變電容器電容-外側/內側電力分配比中可使得共振點附近之特性成為平緩(平寬)。藉此，可在可變電容器電容之可變範圍內將共振點附近之區域當作可控制區域來安定使用。
本發明之第3觀點之電漿處理裝置，具有：處理容器，可進行真空排氣；外側上部電極，在該處理容器內以和載置被處理體之下部電極成為對向的方式設置為環狀；內側上部電極，於該外側上部電極之徑向內側呈絕緣配置；處理氣體供給部，係對於該外側上部電極以及該內側上部電極和該下 部電極之間的處理空間供給處理氣體；第1高頻電源，係輸出具有適合於生成該處理氣體電漿之頻率的第1高頻；第1供電部，具有在該外側上部電極沿圓周方向連續連接之筒狀導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻經由該筒狀導電構件而施加於該外側上部電極；第2供電部，具有連接於該內側上部電極之中心處的棒狀中心導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻從該第1供電部分歧而經由該中心導電構件而供給於該內側上部電極；以及可變電容器，係於該第2供電部內和該中心導電構件呈串聯設置。該可變電容器具有：固定電極，係電性連接於該第1高頻電源；以及可動電極，係電性連接於該內側上部電極，可對向於該固定電極而在該中心導電構件之軸向上直進移動。該中心導電構件係以其軸向上較該可變電容器來得短之中空圓筒體所構成。
上述裝置構成中，於可變電容器(variodenser)之電容可變範圍中不可避免地會存在共振點。亦即，將來自高頻電源之高頻經由存在於內側上部電極與外側上部電極之間的靜電電容器(固定電容器)而分配於此等兩上部電極之個別的高頻供電部之間形成閉合電路。此閉合電路不僅包含此等電極間靜電電容(固定電容器)以及可變電容(variodenser)，也包含附隨於各高頻供電部之導體的電感以及可變電感器之電感，當可變電容器(variodenser)之電容取某特定值時會成為共振狀態。但是，若中心導電構件以其軸向較縱型配置之可變電容器(variodenser)來得短之中空圓筒體的方式構成之情況，可將中心導電構件之電感調整為小值，故於可變電容器電容-外側/內側電力分配比中可使得共振點附近之特性平緩(平寬)。藉此，可在可變電容器電容之可變範圍內將共振點附近之區域當作可控制區域來安定使用。
依據本發明之電漿處理裝置，藉由上述構成以及作用，則於和載置被處理體之下部電極成為對向配置之內側上部電極以及外側上部電極分配供給高頻電力之電容耦合型電漿處理裝置中，可大幅提升用以調節外側/內側電力分配比所設之可變電容器做為控制電漿密度分布特性或是程序特性之面內輪廓的調整旋鈕之機能。
10‧‧‧腔室
12‧‧‧晶座(下部電極)
30‧‧‧(離子拉引用)下部高頻電源
68,68M‧‧‧連接器
52‧‧‧上部電極
54‧‧‧外側上部電極
56‧‧‧內側上部電極
58‧‧‧介電質
66‧‧‧第1上部供電棒
70‧‧‧供電筒(筒狀導電構件)
72‧‧‧(電漿生成用)上部高頻電源
94‧‧‧第2上部供電棒(中心棒狀導電構件)
94A‧‧‧上部中心導電體
94B‧‧‧下部中心導電體
96‧‧‧可變電容器
97‧‧‧可變電感器
98‧‧‧主控制部
100‧‧‧步進馬達
110‧‧‧波紋管
圖1係顯示本發明之一實施形態之電漿處理裝置構成之截面圖。
圖2係顯示圖1之電漿處理裝置中高頻供電部構成之圖。
圖3係顯示上述高頻供電部之等效電路之電路圖。
圖4係顯示以往之電漿處理裝置中高頻供電部構成之圖。
圖5係顯示以往之電漿處理裝置中高頻供電部之等效電路之電路圖。
圖6A係顯示以往之高頻供電部之等效電路之可變電容器電容-分路電流特性之圖。
圖6B係放大顯示圖6A之一部分(共振區域)之部分放大圖。
圖7係對比顯示圖5之等效電路中內側電流以及外側電流之特性之圖。
圖8係顯示可變電容器中可變電容器電容與可變電容器步輻之對應關係之圖。
圖9係顯示圖3之等效電路(實施例)中使得可變電感器之電感階段性下降時之可變電容器電容-第4分路電流之特性之圖。
圖10係顯示於上部高頻供電部所形成之LC電路中，可變電感器之電感與可變電容器電容之共振區域的相關關係圖。
圖11係顯示實施例以及比較例中可變電容器電容-內側電力比率之特性之圖。
圖12係顯示比較例中可變電容器電容-上部VPP特性以及可變電容器電容-上部負荷阻抗特性之圖。
圖13係顯示實施例中可變電容器電容-上部VPP特性以及可變電容器電容-上部負荷阻抗特性之圖。
圖14A係顯示實施形態之可變電感器之較佳構成(阻抗取最大值之狀態)之圖。
圖14B係顯示上述可變電感器之構成(阻抗取最小值之狀態)之圖。
圖15係顯示實施形態之可變電容器構成之圖。
圖16係顯示其他實施形態之上部高頻供電部構成之圖。
以下，參見所附圖來說明本發明之較佳實施形態。
〔裝置全體之構成以及作用〕
圖1顯示本發明之一實施形態之電漿處理裝置之構成。此電漿處理裝置係以電容耦合型電漿蝕刻裝置來構成者，具有例如表面經過耐酸鋁處理(陽極氧化處理)之鋁所構成之圓筒形腔室(處理容器)10。腔室10為接地狀態。
於腔室10之中央部，載置例如半導體晶圓W做為被處理體之圓板狀晶座12係當作兼為高頻電極之基板保持台而被水平配置著。此晶座12係例如由鋁所構成，受到從腔室10底部往垂直上方延伸之絕緣性筒狀支撐部14所支撐著。
在沿著絕緣性筒狀支撐部14外周從腔室10底部往垂直上方延伸之導電性筒狀支撐部16與腔室10之內壁之間形成有環狀排氣流路18，於此排氣流路18之上部或是入口安裝環狀擋板20，且底部設有排氣埠22。為了讓腔室10內氣流相對於晶座12上半導體晶圓W呈軸對象均一，較佳乃使得排氣埠22在圓周方向上以等間隔來複數設置。
各排氣埠22經由排氣管24連接著排氣裝置26。排氣裝置26具有渦輪分子泵等真空泵，可將腔室10內之電漿處理空間減壓至所希望之真空度為止。於腔室10之側壁外安裝有開閉半導體晶圓W之搬出入口27的閘閥28。
RF偏壓用下部高頻電源30經由下部匹配器32以及下部供電棒34而電性連接於晶座12。下部高頻電源30可將適合於對拉入半導體晶圓W之離子能量進行控制之一定頻率(通常為13.56MHz以下，例如2MHz)之高頻RFL以可變功率方式輸出。下部匹配器32收容有用以在下部高頻電源30側之阻抗與負荷(主要為晶座、電漿、腔室)側之阻抗之間取得匹配之電抗可變之匹配電路。又，該下部匹配器32及該下部供電棒34亦可稱作第3供電部。
晶座12之上面設有以靜電吸附力來保持半導體晶圓W之靜電夾頭36，而於靜電夾頭36之半徑方向外側設有環狀包圍半導體晶圓W周圍的聚焦環38。靜電夾頭36係將導電膜所構成之電極36a夾入一對絕緣膜36b、36c之間而成者，高壓直流電源40經由開關42以及被覆線43而電性連接於電極36a。可藉由直流電源40所施加之高壓直流電壓而利用靜電力將半導體晶圓W吸 附保持於靜電夾頭36上。
於晶座12之內部設有例如延伸於圓周方向上之環狀冷媒室或是冷媒流路44。此冷媒流路44係從冷凝器單元(未圖示)經由配管46、48而被循環供給既定溫度之冷媒(例如冷卻水cw)。可藉由冷媒溫度來控制靜電夾頭36上之半導體晶圓W的處理中溫度。與此相關，來自熱傳氣體供給部(未圖示)之熱傳氣體(例如He氣體)係經由氣體供給管50而被供給於靜電夾頭36之上面與半導體晶圓W內面之間。此外，為了進行半導體晶圓W之負載/卸載而設有在垂直方向上貫通晶座12而可上下移動之升降銷及其升降機構(未圖示)等。
於晶座(下部電極)12之上方設有平行於此晶座而對向之上部電極52。兩電極12、52之間的空間為電漿生成空間乃至處理空間PS。上部電極52和晶座(下部電極)12上的半導體晶圓W相對向而形成與電漿生成空間PS相接之面(亦即對向面)。上部電極52係由外側(outer)上部電極54(和晶座12保持既定間隔而對向配置之環形狀或是甜甜圈形狀者)與內側(inner)上部電極56(於此外側上部電極54之半徑方向內側絕緣配置而成為圓板形狀)所構成。
圖2顯示此電漿處理裝置中上部高頻供電部之構成。如圖2所示般，於外側上部電極54與內側上部電極56之間形成有例如0.25~2.0mm之環狀間距(間隙)，於此間距中設有例如由石英所構成之介電質58。此外，此間距中也可設置陶瓷60。夾著此介電質58而於兩電極54、56之間形成固定電容器(靜電電容器)C58。此電容器C58之電容係因應於間距尺寸與介電質58之介電係數而選定或是調整為所希望之值。於外側上部電極54與腔室10之側壁之間氣密安裝有例如氧化鋁(Al2O3)所構成之環形狀的絕緣性遮蔽構件62。
外側上部電極54以焦耳熱少、低電阻之導電體或是半導體例如矽所構成為佳。上部高頻電源72經由上部匹配器64、第1上部供電棒66、連接器68以及供電筒(筒狀導電構件)70而電性連接於外側上部電極54。上部高頻電源72係輸出適合於處理氣體放電、亦即適合於電漿生成之頻率(通常27MHz以上，例如60MHz)之高頻RFH。上部匹配器64收容有用以在上部高頻電源72側的阻抗與負荷(主要為晶座、電漿、腔室)側的阻抗之間取得匹配之電抗可變之匹配電路。上部匹配器64之輸出端子連接於第1上部供電棒66之上端。又，該上部匹配器64、該第1上部供電棒66、該連接器68及該供電筒70亦可 稱作第1供電部。
供電筒70係由圓筒狀或是圓錐狀或是接近於此等形狀的導電板例如鋁板或是銅板所構成，下端在圓周方向上連續地連接於外側上部電極54，上端則藉由連接器68而電性連接於第1上部供電棒66之下端部。供電筒70之外側處，腔室10之側壁相對於上部電極52之高度位置往上方延伸而構成圓筒狀接地導體10a。此圓筒狀接地導體10a之上端部藉由筒狀絕緣構件73而自第1上部供電棒66被電性絕緣。於相關構成中，從連接器68觀看之負荷電路係由供電筒70與外側上部電極54、以及圓筒狀接地導體10a形成同軸線路，而前者(70、54)成為波導器。
再次參見圖1，內側上部電極56具有：例如Si、SiC等半導體材料所構成之電極板74，其具有多數氣體通氣孔74a；以及，電極支撐體76，將此電極板74以可裝卸方式加以支撐，由導電材料例如表面經過耐酸鋁處理之鋁所構成。於電極支撐體76之內部設有例如被O型環所構成之環狀隔壁構件78所分割之2個氣體導入室、亦即中心氣體導入室80與周邊氣體導入室82。以中心氣體導入室80與設置於其下面之多數氣體噴出孔74a來構成中心淋灑頭，以周邊氣體導入室82與設置於其下面之多數氣體噴出孔74a來構成周邊淋灑頭。
此等氣體導入室80、82係從共通處理氣體供給源84以所希望之流量比來供給處理氣體。更詳細而言，來自處理氣體供給源84之氣體供給管86於途中分歧為2根分歧管86a,86b而連接於氣體導入室80,82，於分歧管86a,86b之中途分別設有流量控制閥88a,88b。由於從處理氣體供給源84到氣體導入室80,82之流路傳導相等，故藉由流量控制閥88a,88b之調整，可將供給至兩氣體導入室80,82之處理氣體之流量比做任意調整。此外，於氣體供給管86之途中設有質流控制器(MFC)90以及開閉閥92。
如此般，藉由調整被導入中心氣體導入室80與周邊氣體導入室82之處理氣體之流量比，而可任意地調整從對應於中心氣體導入室80的電極中心部之氣體通氣孔74a(亦即中心淋灑頭)所噴出之氣體流量與從對應於周邊氣體導入室82之電極周邊部之氣體通氣孔74a(亦即周邊淋灑頭)所噴出之氣體流量之比。此外，亦可使得從中心淋灑頭以及周邊淋灑頭分別噴出之處理 氣體每單位面積之流量不同。再者，也可獨立或是個別地選定從中心淋灑頭以及周邊淋灑頭分別噴出之處理氣體之氣體種類或是氣體混合比。
上部高頻電源72係經由上部匹配器64、第1上部供電棒66、連接器68以及第2上部供電棒(中心導電構件)94而電性連接於內側上部電極56之電極支撐體76。於第2上部供電棒94之途中或是延長線上以串聯方式設有以可變方式控制電容之可變電容器96以及以可變方式控制電感之可變電感器97。可變電容器96之電容係藉由主控制部98經由步進馬達(M)100而於一定範圍內受可變控制。可變電感器97之電感通常係藉由手感(handle)操作或是手動操作而被可變控制。又，該第2上部供電棒94亦可稱作第2供電部。
內側上部電極56被電性連接著低通濾波器(LPF)102，讓來自上部高頻電源72之高頻(60MHz)無法通過但來自下部高頻電源30之高頻(2MHz)則可通往接地。此低通濾波器(LPF)102較佳可由LR濾波器或是LC濾波器所構成，而由於僅以1根導線也可對於來自上部高頻電源72之高頻(60MHz)提供充分大的電抗，故也可以此方式對應。另一方面，晶座12係電性連接著高通濾波器(HPF)104，用以使得來自上部高頻電源72之高頻(60MHz)通往接地。
主控制部98係由包含CPU、記憶體等之電腦系統所構成，可對於裝置內各部分尤其是高頻電源30,72、處理氣體供給源84以及匹配器32,64、步進馬達(M)100等的個別動作以及全體動作(序列)進行控制。
此外，此電漿處理裝置中，用以檢測從上部高頻電源72施加於上部電極52(54,56)之高頻RFH的波峰對峰值VPP之峰值檢測電路106係連接於上部匹配器64之輸出側的第1上部供電棒66。主控制部98係從峰值檢測電路106接收VPP測定值MVPP，將接收到的VPP測定值MVPP利用於可變電容器96之電容可變調整，進而可利用於後述互鎖(interlock)。
此電漿處理裝置中，例如為了進行蝕刻，首先使得閘閥28成為開啟狀態而將加工對象之半導體晶圓W搬入腔室10內，載置於靜電夾頭36之上。其次，藉由排氣裝置26對腔室10內進行排氣，並從處理氣體供給源84將蝕刻氣體(一般為混合氣體)以既定流量以及流量比導入氣體導入室80,82，利用排氣裝置26將腔室10內壓力調整為設定值。其次，從下部高頻電源30以既定功率對晶座12施加RF偏壓用高頻(2MHz)RFL，接著從上部高頻電源72 也以既定功率對上部電極52(54、56)施加電漿生成用高頻(60MHz)RFH。此外，從熱傳氣體供給部對於靜電夾頭36與半導體晶圓W之間之接觸界面供給熱傳氣體(He氣體)，並開啟靜電夾頭用開關42，藉由靜電吸附力將熱傳氣體封於上述接觸界面。從內側上部電極56之氣體通氣孔74a所吐出之蝕刻氣體會於處理空間PS內在來自上部電極52(54、56)之高頻電場之下放電，而生成電漿。藉由此電漿所含自由基、離子來蝕刻半導體晶圓W之被處理面。
〔實施形態之上部高頻供電部之作用(和比較例的差異)〕
圖3顯示此電漿處理裝置之上部高頻供電部之等效電路。此等效電路中，電感器L70具有供電筒70之電感，電感器L97/94具有可變電感器97之電感與第2上部供電棒94之電感相加而成之合成電感，固定電容器C58夾著介電質58具有在外側上部電極54與內側上部電極56之間所形成之靜電電容。此等電感器L70、L97/94、固定電容器C58以及可變電容器96(C96)形成閉合回路之LC電路。此外，電阻器Ro、Ri以及電容器Co、Ci分別表示在外側上部電極54以及內側上部電極56正下所形成之離子鞘(sheath)之電阻以及電容。返回電路之電感器L10具有腔室10之電感。
圖4顯示做為比較例在第2上部供電棒94未設置可變電感器97之情況下的上部高頻供電部之構成。此比較例之上部高頻供電部係將可變電感器97置換為第2上部供電棒94之一部分，因應於無可變電感器97之程度來增長第2上部供電棒94'，而對應於以往裝置之上部高頻供電部。
圖5顯示此比較例之上部高頻供電部之等效電路。此等效電路中，電感器L94'係具有如圖4所示般變長之第2上部供電棒94'之電感。以此電感器L94'與固定電容器C58、可變電容器96(C96)以及電感器L70來形成閉合回路之LC電路。
此比較例之等效電路(圖5)中，流經各分路(枝)之電流的電流值取決於可變電容器96之電容或是可變電容器之電容C96而變化。圖6A以及圖6B顯示此可變電容器電容-分路電流特性之一例。圖中，橫軸為可變電容器96之可變電容器電容C96之值，縱軸為各分路電流i1、i2、i3、i4、i5之電流值。此處，i1為流經可變電容器96以及電感器L94'所在第1分路BR1之電流，i2為流經電感器L70所在第2分路BR2之電流，i3為流經電阻器Ri以及電容器Ci所在 第3分路BR3之電流，i4為流經電阻器Ro以及電容器Co所在第4分路BR4之電流，i5為流經固定電容器C58所在第5分路BR5之電流。
此外，圖5之等效電路中，電感器L94'之電感為50nH，電感器L70之電感為15nH，電感器L10之電感為25nH，電容器Co之電容為300pF，電阻器Ri之電阻值為0.8Ω，電阻器Ro之電阻值為0.3Ω，電容器Ci之電容為6nF，電容器Co之電容為100pF。此外，圖6A以及圖6B所示可變電容器電容-分路電流特性係從高頻電源72所輸出之電漿生成用高頻RFH之頻率選為60MHz、RF功率選為500W而藉由計算得到者。
如圖6A所示般，當可變電容器96之可變電容器電容C96為約130pF以下之區域時(C96<130pF)，無論可變電容器電容C96之值如何改變，各部之電流i1、i2、i3、i4、i5無太大改變。尤其，從內側上部電極56供給於電漿之第3分路BR3之電流i3幾乎無變化。此外，從外側上部電極54供給於電漿之第4分路BR4之電流i4則在C96<120pF之區域幾乎無變化，一旦C96超過120pF附近則開始緩慢減少。此外，第5分路BR5之電流i5為負極性，往圖5之箭頭的相反方向流動。
但是，一旦可變電容器之電容C96超過130pF附近，則第1以及第5分路BR1、BR5之電流i1、i5分別以急驟的曲線呈指數函數性增加，另一方面，第2分路BR2之電流i2則以急驟的曲線呈指數函數性減少，第4分路BR4之電流i4也略為以急驟曲線呈指數函數性減少。但是，第3分路BR3之電流i3則幾乎未改變保持在原來之值，可變電容器電容C96到了共振點(C96≒152pF)之極為接近(約150pF)終於減少。
如圖6A以及圖6B所示般，圖示例中，第1以及第5分路BR1、BR5之電流i1、i5係於共振點(C96≒152pF)之附近達到最大值或是極大值，從該處起若可變電容器電容C96略為變化(增加)則迅速地反轉為最小值或是極小值，然後隨著可變電容器電容C96之增加而呈指數函數性增加，於C96>160pF之區域，伴隨可變電容器電容C96之增加分別趨近於一定之值(飽和值)。其中，第1分路BR1之電流i1和C96<130pF之時成為反向。此外，第5分路BR5之電流i5之流向和C96<130pF之時無不同，不過電流值(飽和值)較C96<130pF之時來得大。
第2以及第4分路BR2、BR4之電流i2、i4在共振點(C96≒152pF)附近達到最小值或是極小值，從該處起若可變電容器電容C96略為變化(增加)則迅速地反轉為最大值或是極大值，然後隨著可變電容器電容C96之增加而呈指數函數性減少，在C96>160pF之區域，伴隨可變電容器電容C96之增加而分別趨近於一定之值(飽和值)。其中，第2以及第4分路BR2、BR4之電流i2、i4均較C96<130pF之時來得大。
另一方面，第3分路BR3之電流i3在共振點(C96≒152pF)附近達到最小值或是極小值，從該處起伴隨可變電容器電容C96之增加而呈指數函數性增加，但並無反轉為最大值或是極大值而是趨近於和C96<130pF之時為大致相同值。
圖示例中，以共振點(C96≒152pF)為中心大約142pF<C96<160pF之區域為共振區域REC。此處，共振區域REC係大致定義為從第4分路BR4之電流i4開始急遽減少之時的可變電容器電容C96之值(約142pF)經過共振之急遽震盪而回到飽和值之時的可變電容器電容C96之值(約160pF)為止的範圍。
此共振區域REC，如上述般，即便可變電容器電容C96稍微改變，分別流經上部高頻供電部之分路BR1~BR5之電流i1~i5也會大幅變化。從而，流經第4以及第3分路BR4、BR3(對應於外側上部電極54以及內側上部電極56之電力分配比、亦即外側/內側電力分配比Po/Pi)之電流i4、i3之比(亦即外側/內側電流比i4/i3)也會以急遽的變化率(斜率)來大幅變化。因此，微調困難。
此外，於共振點(C96≒152pF)附近，第1分路BR1之電流i1大幅碰觸到最大值(極大值)，故有可變電容器96破損之虞。因此，具備有和此比較例為相同構成之上部高頻供電部之以往的電漿處理裝置，將可變電容器電容C96設置於共振區域REC內來進行電漿處理、或是於進行電漿處理最中段時讓可變電容器電容C96之值進入共振區域REC內、或是以通過共振區域REC的方式進行可變調整為非常不希望者，於主控制部98也曾進行施加互鎖。
圖7係從圖6A以及圖6B之圖中抽出第3分路BR3之電流(內側電流)i3以及第4分路BR4之電流(外側電流)i4之個別特性而對比顯示。此外，橫軸取可變電容器96之可變電容器步輻CPI之值。此處，所謂可變電容器步輻CPI，為主控制部98透過步進馬達(M)100而對可變電容器96之可變電容器電容C96 進行可變控制的前提下，從主控制部98可見(亦即可直接控制)之可變電容器96側的控制變數，通常係以一定範圍內連續之步輻編號(整數)來定義。此外，於可變電容器96之可變電容器電容C96與可變電容器步輻CPI之間具有圖8所示般線形對應關係。和可變電容器電容C96之共振區域REC(142pF<C96<160pF)相對應之可變電容器步輻CPI的共振區域RES為94<CPI<109。
如圖7所示般，比共振區域RES來得低之低域側(第1)之非共振區域LES(CPI<94)，內側電流i3之電流值幾乎無變化而為大致一定(約24安培)，對此，若外側電流i4之電流值接近共振區域RES、亦即可變電容器步輻CPI超過70會從一直維持之飽和值(約8安培)以平緩的曲線來單調地減少。從而，低域側之非共振區域LES(CPI<94)中，當可變電容器步輻CPI為70以下之時無論可變電容器步輻CPI如何改變，外側/內側電流比i4/i3也幾乎無變化而為大致一定(約0.33)，一旦可變電容器步輻CPI超過70則逐漸降低，在共振區域RES之前面(CPI=93)成為約0.15。亦即，外側/內側電流比i4/i3之可變範圍為約0.15~約0.33。
此外，非共振區域LES、HES之外側/內側電流比i4/i3經常為i4/i3<1，外側/內側電力分配比Po/Pi也經常為Po/Pi<1。但是，外側上部電極54正下方之電場強度Eo與內側上部電極56正下方之電場強度Ei之比(亦即外側/內側電場強度比Eo/Ei)經常為Eo/Ei>1。亦即，由於相較於內側上部電極56之面積S56，外側上部電極54之面積S54格外地小(通常為1/10以下)，故外側上部電極54每單位面積之RF功率密度Po/S54(乃至於正下方之電場強度Eo)較內側上部電極56每單位面積之RF功率密度Pi/S56(乃至於正下方之電場強度Ei)來得高。
如此般，不論是可變電容器96之實質使用區域亦即低域之非共振區域LES(CPI<94)以及高域側之非共振區域HES(CPI>109)，外側/內側電流比i4/i3之可變範圍或是動態範圍都不大。以往，由於主要使用單側區域、尤其僅使用低域側之非共振區域LES(CPI<94)，故外側/內側電力分配比Po/Pi無法隨心所欲地進行可變調整，從而做為用以在徑向控制電漿密度分布、蝕刻特性之調整旋鈕的效能不足。
回到圖3，於實施形態之等效電路中，當包含可變電感器97之第1分路BR1之合成電感器L97/94之電感定為50nH之時，會和圖5之等效電路成為完全相同，而得到和圖6A以及圖6B所示者相同的可變電容器電容-分路電流特性。但是，若合成電感器L97/94之電感從50nH下降到40nH、進而下降到30nH，則觀看例如第4分路BR4之電流i4相對於可變電容器96之可變電容器電容C96之特性，可發現如圖9以及圖10所示般，起共振時之可變電容器電容值(亦即共振點)會如152pF→190pF→270pF般往高電容側位移，且共振區域REC會如RE50(142pF<C96<160pF)→RE40(175pF<C96<210pF)→RE30(230pF<C96<295pF)般大幅擴大。
此事在可變電容器電容-內側電力比率(從匹配器64經由內側上部電極56投入電漿之電力比率)的特性上也意涵著若降低合成電感器L97/94之電感則共振區域會同樣地擴大。亦即，如圖11所示般，若合成電感器L97/94之電感從50nH下降至30nH，則可變電容器電容-內側電力比率之特性會成為共振區域擴大、於共振點附近為平緩(平寬)的特性。藉此，原本在比較例之可變電容器96之可變電容器電容C96之可變範圍中為實質禁止使用區域的共振區域可在此實施形態之電漿處理裝置來安定使用。
更詳細而言，可變電容器96中，藉由步進馬達100之旋轉驅動而進行旋轉運動之可變電容器旋轉部之旋轉量係透過採一定頻率脈衝光的光學感應器來監視，例如將可變電容器旋轉部之1旋轉的旋轉量定為80脈衝。通常，可變電容器旋轉部之旋轉偏差的容許量為±1脈衝。於此情況，1脈衝相當於4.5°之旋轉量，換算為靜電電容(電容值)為約0.3pF，故可變電容器電容之最大容許誤差為1倍的約0.6pF。
但是，電感器L94'之電感為50nH之情況的比較例中，如圖11所示般可變電容器電容-內側電力比率之特性在共振點附近非常地急遽，一旦可變電容器電容C96偏移0.6pF，則內側電力比率大幅偏移達約21%，成為實質上無法控制。
對此，實施形態中當合成電感器L97/94之電感下降至30nH之情況，如圖11所示般，可變電容器電容-內側電力比率之特性在共振點附近成為平寬，當可變電容器電容C96偏移0.6pF之時的內側電力比率誤差落在約7%內。因 此，共振區域之一部分或是許多部分成為可控制區域(亦即做為可變電容器電容C96之可變範圍)來使用。
上述般於第2上部供電棒94未設置可變電感器97之比較例(等效電路中電感器L94'之電感為50nH之情況)與實施例(合成電感器L97/94之電感為30nH之情況)的差異，如圖12以及圖13所示般可藉由可變電容器電容-上部Vpp(高頻RFH之波峰對峰值Vpp)特性的實驗來確認。此處，可變電容器電容-上部Vpp特性為和上述般以等效電路之計算所求出可變電容器電容-內側電力比率之特性大致對應之實際程序中可測定之特性。
此外，實際程序中測定上部Vpp之峰值檢測電路106(圖1)通常係組裝到匹配器64之中，也可測定從匹配器64之輸出端子經由上部高頻供電部而預估電漿之時的上部負荷阻抗(R+jX)。因此，圖12以及圖13中除了可變電容器電容-上部Vpp之特性也顯示了以相同實驗所測量之可變電容器電容-負荷阻抗(上部R、上部X)之特性。
此實驗係以SiO2膜為罩體之光阻膜的蝕刻來進行。主要的程序條件方面，蝕刻氣體係使用O2/Ar之混合氣體(流量20/200sccm)，將腔室10內之壓力定為10mTorr，將上部高頻電源72之輸出定為500W，將下部高頻電源30之輸出定為300W。
如圖12所示般，於第2上部供電棒94未設置可變電感器97之比較例(等效電路中電感器L94'之電感為50nH之情況)的可變電容器電容-上部Vpp特性和圖11所示比較例之可變電容器電容-內側電力比率之特性非常相似，於共振點附近非常地急遽。
另一方面，如圖13所示般，實施例(合成電感器L97/94之電感為30nH之情況)的可變電容器電容-上部Vpp特性和圖11所示實施例之可變電容器電容-內側電力比率之特性非常相似，於共振點附近顯著地平寬。
〔可變電感器之構成(實施例)〕
圖14A以及圖14B顯示了上述實施形態之可變電感器97之較佳構成例(實施例)。此實施例中，第2上部供電棒94夾著可變電容器96而分割為上部中心導電體94A與下部中心導電體94B。
上部中心導電體94A係做為第1上部供電棒66之延長的方式與之一體形成，電性連接於可變電容器96之上部端子(固定電極)。用以將來自匹配器64之高頻電力分配或是分歧於供電筒70乃至於外側上部電極54側的連接器68M係以可在上部中心導電體94A上做軸向滑動方式所構成，具有接觸帶(未圖示)，而於可位移範圍內之任意位置和上部中心導電體94A乃至於第1上部供電棒66以電性方式來良好(亦即低接觸電阻)地連接。
下部中心導電體94B電性連接於可變電容器96之下部端子(可動電極)，並以直接接觸方式電性連接於內側上部電極56。下部中心導電體94B係以中空圓筒體的形式構成，其內部收容有用以將來自步進馬達100之旋轉驅動力傳遞到可變電容器96內部之可動電極驅動部116(圖15)的傳動軸之一部分(尤其傘齒輪128)。
供電筒70之下部係以由導電性金屬所構成之波紋管110的方式所構成。因應於連接器68M之高度位置使得波紋管110在上下方向伸縮變形。
可變電感器97具有上部中心導電體94A之連接器68M與可變電容器96之間之實質區間D97之電感，該電感值依連接器68M之高度位置而改變。亦即，如圖14A所示般，當連接器68M被固定在上部中心導電體94A上可位移範圍內之最高位置時，區間D97之電感L97成為最大值。此外，如圖14B所示般，當連接器68M被固定在上部中心導電體94A上可位移範圍內之最低位置時，區間D97之電感成為最小值。
如此般，可藉由在上部中心導電體94A上改變連接器68M之高度位置，而將上部中心導電體94A之實質區間D97之電感調整為最小值或是其附近。從而，可將可變電感器97之電感與下部中心導電體94B之電感相加而成之合成電感(第2上部供電棒94全體之電感)降低為較比較例(圖4)之第2上部供電棒94'之電感值(50nH)來得更低之值(30nH以下)。
再者，於此構成例中，係使得用以讓圖15所示可動電極120在縱(上下)方向上位移之可變電容器96來和第2上部供電棒94以同軸方式做縱向配置，如上述般將傳動機構設置於中空圓筒體之下部中心導電體94B之中。此構成具有以下的優點。亦即，由於供電筒70之內側不僅有氣體供給系統之配管類，也設置有用以對內側上部電極56供給冷媒之配管類，故必須於高度方 向上確保一定空間。從而，若可變電容器96做縱向(長邊方向)配置，相對地可縮短第2上部供電棒94(尤其是下部中心導電體94B)。此外，儘可能讓第2上部供電棒94(尤其是下部中心導電體94B)變粗也為降低其電感上所希望者。
圖15中，可變電容器96係以真空可變電容器的方式構成，具有：由同心圓狀之複數圓筒體所構成之固定電極114，被固定配置於為真空密封狀態之殼體112內；以及，由同心圓狀之複數圓筒體所構成之可動電極120，在徑向上對向於固定電極114並可藉由可動電極驅動部116之直進驅動而經由支撐軸118在軸向(上下方向)上移動。固定電極114係經由棒狀或是板狀之連接導體115而電性連接於上部中心導電體94A(圖14A、圖14B)。可動電極120係經由導電性波紋管122以及棒狀或是板狀之連接導體124而電性連接於下部中心導電體94B(圖14A、圖14B)。
可動電極驅動部116係經由垂直旋轉軸126(在下部中心導電體(中空圓筒體)94B中往垂直下方延伸至內側上部電極56)、傘齒輪128(收容於下部中心導電體94B之中)、以及水平旋轉軸101(在下部中心導電體94B之中與外之間做水平延伸)而結合於步進馬達100。垂直旋轉軸126係以可旋轉的方式被支撐於內側上部電極56處所設之軸承(未圖示)。步進馬達100除了配置於供電筒70之外，也可配置於圓筒狀接地導體10a(圖1)之外。
可動電極驅動部116具有將旋轉驅動力轉變為直進驅動力之機構(例如滾珠螺桿機構)。主控制部98藉由控制步進馬達100之旋轉量而透過傳動機構(101、128、126)以及可動電極驅動部116使得可動電極120在軸向(上下方向)上位移至所希望之位置處，來可變控制可變電容器96之電容。
〔其他實施形態或是變形例〕
上述實施形態中，可變電感器97之電感為連續性可變。但是，可變電感器97亦可構成為可在至少2個不同電感值之間進行切換。當然，於該情況同樣地，必需切換為較可變電感器97更換為第2上部供電棒94之一部分之情況、亦即比較例(圖4)所得電感(50nH)來得低之電感(較佳為30nH以下)。
圖16顯示其他實施形態之上部高頻供電部之構成。此實施形態中，雖於第2上部供電棒94上設置可變電容器96，但未設置可變電感器(97)。取而 代之，顯著縮短第2上部供電棒94，而具有和上述實施形態之圖14B之狀態相對應之固定的構造以及固定值之電感。第2上部供電棒94之電感(固定值)隨著第2上部供電棒94愈短且愈粗而變得愈低。為了將第2上部供電棒94之電感降低至上述低值(30nH以下)，至少第2上部供電棒94較縱型可變電容器96來得短為佳。再者，第2上部供電棒94之直徑與其長度相同或更大為更佳。
本發明之電容耦合型電漿處理裝置不限於上述實施形態之電漿蝕刻裝置，也可適用於進行電漿CVD、電漿ALD、電漿氧化、電漿氮化、濺鍍等任意電漿程序之電容耦合型電漿處理裝置。本發明之被處理體不限於半導體晶圓，也可為平板顯示器、有機EL、太陽電池用各種基板、光罩、CD基板、印刷基板等。

Claims (4)

  1. 一種電漿處理裝置，具有：處理容器，可進行真空排氣；外側上部電極，在該處理容器內以和載置被處理體之下部電極成為對向的方式設置為環狀；內側上部電極，於該外側上部電極之徑向內側呈絕緣配置；處理氣體供給部，係對於該外側上部電極以及該內側上部電極和該下部電極之間的處理空間供給處理氣體；第1高頻電源，係輸出具有適合於生成該處理氣體電漿之頻率的第1高頻；第1供電部，具有在該外側上部電極沿圓周方向連續連接之筒狀導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻經由該筒狀導電構件而施加於該外側上部電極；第2供電部，具有連接於該內側上部電極之中心處的棒狀中心導電構件，將來自該第1高頻電源之該第1高頻從該第1供電部分歧而經由該中心導電構件而供給於該內側上部電極；可變電容器與可變電感器，係於該第2供電部內和該中心導電構件呈串聯設置；以及控制部，係由包含CPU之電腦系統所構成，該CPU被編程為藉由將該可變電容器之静電容量控制在230pF~295pF的範圍，來調整該外側上部電極與該內側上部電極的電力分配比；該可變電感器之電感與該中心導電構件之電感的總和會構成合成電感，該合成電感係設定為約30nH。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該可變電感器可將該第2供電部之電感值調整為較該可變電感器更換為該中心導電構件之一部分的情況所得之值來得小之值。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中該可變電感器可將該第2供電部之電感在至少2個不同電感值之間做切換。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，具有：第2高頻電源，係輸出具有適合於從該電漿將離子拉引至該被處理體之頻率的第2高頻；以及第3供電部，將來自該第2高頻電源之該第2高頻施加於該下部電極。
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