TWI497583B - Plasma processing device - Google Patents

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TWI497583B
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Description

電漿處理裝置
本發明係關於一種電漿處理裝置。
以往至今，於半導體裝置之製造領域，係使用著用以朝向半導體晶圓等基板以淋灑狀供給氣體之淋灑頭。亦即，對於例如半導體晶圓等基板施行電漿蝕刻處理之電漿處理裝置，係於處理室内設置有用以載置基板之載置台，以對向於此載置台的方式設有淋灑頭。此淋灑頭在對向於載置台之對向面設有複數之氣體噴出孔，自該等氣體噴出孔朝基板以淋灑狀給氣體。
於上述之電漿處理裝置，為了使得處理室内之氣體流動均勻化，已知採用由載置台之周圍朝下方進行排氣之構成。此外，為了提高電漿處理之面内均勻性，已知有電漿處理裝置，除了上述淋灑頭外，更於載置台之基板周圍的部份設有朝基板供給氣體之氣體噴出部(例如參見專利文獻1)。此外，已知有電漿處理裝置係採用從淋灑頭周圍朝處理室上方進行排氣之構成(例如參見專利文獻2)。再者，已知有電漿處理裝置，作為上部電極之淋灑頭可上下移動，作為下部電極之載置台之間隔則可變更(例如參見專利文獻3)。
習知技術文獻
專利文獻1日本特開2006-344701公報
專利文獻2日本特許第2662365號公報
上述習知之技術，其構成上係從載置台(基板)周圍朝處理室下方排氣或是從淋灑頭周圍朝處理室上方排氣。因此，從淋灑頭所供給之氣體會形成從基板中央部朝周邊部流動之氣流，於基板中央部與周邊部容易發生處理狀態之差異，而降低了處理之面内均勻性，此為問題所在。此外，由於在載置台(基板)周圍或是淋灑頭周圍必須設置排氣流路，所以處理室内部之容積會較所收容之基板來得相當大型化，浪費的空間變多，難以謀求裝置整體之小型化，此為問題所在。
再者，對於淋灑頭兼作為上部電極、載置台兼作為下部電極之電容耦合型電漿處理裝置而言，會希望此上部電極(淋灑頭)與下部電極(載置台)之間隔是可變的。但是，由於處理室内處於減壓環境氣氛，故為了對抗處理室内外之壓力差，使得上部電極(淋灑頭)或是下部電極(載置台)上下移動，驅動電源需要強大力量，於驅動上所需能量變多，此為問題所在。
本發明係因應上述習知之情事所得者，在於提供一種電漿處理裝置，相較於以往可謀求提高處理之面内均勻性，並可縮減處理室内浪費的空間而謀求裝置之小型化，且可容易變更上部電極與下部電極之間隔。
本發明之電漿處理裝置，具備有：下部電極，係設置於處理室内，兼作為用以載置基板之載置台；上部電極，係對向於該下部電極而設置於該處理室内，具有作為淋灑頭之功能，且可上下移動而可變更與該下部電極之間隔，所述淋灑頭係自對向於該下部電極之對向面所複數設置之氣體噴出孔朝向該基板以淋灑狀供給氣體者；蓋體，係將在該上部電極之上側所設置之該處理室的上部開口加以氣密封閉者；複數排氣孔，係形成於該對向面；環狀構件，係沿著該上部電極周緣部朝下方突出設置，可連動於該上部電極而上下移動，當位於下降位置會形成由該下部電極、該上部電極以及該環狀構件所圍繞而成之處理空間；複數環狀構件側氣體噴出孔，係開口於該環狀構件之内壁部份，用以對該處理空間内供給氣體；以及複數環狀構件側排氣孔，係開口於該環狀構件之内壁部份，用以對該處理空間内進行排氣。
依據本發明，可提供一種電漿處理裝置，相較於以往可謀求處理之面内均勻性的提高，且可縮減處理室内浪費的空間而謀求裝置之小型化，且可容易變更上部電極與下部電極之間隔。
以下，就本發明之詳細內容，參照圖式針對實施形態作說明。
圖1係示意顯示本發明之電漿處理裝置之一實施形態之電漿蝕刻裝置200之截面構成圖，圖2係示意顯示於圖1之電漿蝕刻裝置200所設之淋灑頭100之構成截面圖。此電漿蝕刻裝置200係構成為電容耦合型平行平板電漿蝕刻裝置，其中電極板係上下平行地對向著，並連接有電漿形成用電源(未圖示)。
如圖2所示般，淋灑頭100係由積層體10所構成，該積層體10係下側構件1、配置於此下側構件1上側之上側構件2這兩片板狀構件所積層而得者。該等下側構件1以及上側構件2係由例如表面施行過陽極氧化處理之鋁等所構成。此淋灑頭100，如圖1所示般，於電漿蝕刻裝置200之處理室201中，與載置半導體晶圓(基板)之載置台202呈對向配置。亦即，圖2所示下側構件1側係以形成和圖1所示載置台202呈對向之對向面14的方式配置。
上述積層體10當中，形成與載置台202呈對向之對向面14的下側構件1係形成有多數氣體噴出孔11，而於下側構件1與上側構件2之間形成有與該等氣體噴出孔11連通之氣體流路12。該等氣體噴出孔11，如圖2中箭頭所示般，係朝基板(圖2中下側)以淋灑狀供給氣體者。此外，於積層體10之周緣部設有用以對氣體流路12内導入氣體之氣體導入部(未圖示)。
此外，於上述積層體10形成有貫通此積層體10(亦即貫通下側構件1與上側構件2)之多數的排氣孔13。該等排氣孔13係構成排氣機構，而如圖2中虛線箭頭所示般，從基板側(圖2中下側)朝基板之相反側(圖2中上側)形成氣流來進行排氣。
該等排氣孔13之直徑為例如1.2mm程度，除了淋灑頭100之周緣部(成為後述用以固定環狀構件220之固定部)以外，係於其全區域大致均等地設置著。關於排氣孔13之數量，當為用以處理例如12英吋(300mm)直徑之半導體晶圓的淋灑頭100之情況，係2000～2500個程度。排氣孔13之形狀不限於圓形亦可為例如橢圓形狀等，該等排氣孔13也發揮排出反應產物之功效。此外，於本實施形態，淋灑頭100之外形係配合被處理基板亦即半導體晶圓之外形而構成為圓板狀。
圖1所示之電漿蝕刻裝置200之處理室(處理容器)201係例如表面經過陽極氧化處理之鋁等形成為圓筒形狀，此處理室201呈接地狀態。於處理室201内係載置有作為被處理基板之半導體晶圓，且設有構成下部電極之載置台202。此載置台202係連接著未圖示之高頻電源等高頻電力施加裝置。
於載置台202之上側設有用以將半導體晶圓靜電吸附於其上之靜電夾203。靜電夾203係於絕緣材間配置電極所構成者，藉由對此電極施加直流電壓而利用庫倫力將半導體晶圓加以靜電吸附。此外，於載置台202形成有用以使得溫度調節介質循環之流路(未圖示)，可將吸附於靜電夾203上之半導體晶圓調整為既定之溫度。此外，如圖3所示般，於處理室201之側壁部係形成有用以將半導體晶圓搬入、搬出於處理室201之開口215。
於載置台202之上方，以與載置台202保有間隔而成為對向的方式配置有圖2所示之淋灑頭100。此外，以淋灑頭100成為上部電極、載置台202成為下部電極的方式形成有一對之對向電極。於淋灑頭100之氣體流路12内係從未圖示之氣體供給源被供給既定之處理氣體(蝕刻氣體)。
此外，於淋灑頭100之上部設有將處理室201之上部開口予以氣密封閉而構成處理室201天花板部之蓋體205，於此蓋體205中央部配置有筒狀之排氣管210。於此排氣管210係經由開閉控制閥以及開閉機構等而連接有渦輪分子泵等真空泵(未圖示)。
於淋灑頭100之下面設有以沿淋灑頭100周緣部朝下方突出的方式形成為圓環狀(圓筒狀)之環狀構件220。此環狀構件220係由以例如絕緣性被膜(陽極氧化被膜等)所被覆之鋁等所構成，在和作為上部電極之淋灑頭100成為電性導通之狀態下被固定著。
環狀構件220係與昇降機構221連接著，可和淋灑頭100一同上下移動。此環狀構件220之内徑係設定為較載置台202之外徑略大，可下降至其下側部份成為包圍載置台202周圍之狀態的位置處。圖1係顯示環狀構件220以及淋灑頭100在下降位置之狀態。於此下降位置，於載置台202之上方係形成有由載置台(下部電極)202、淋灑頭(上部電極)100、環狀構件220所圍繞之處理空間222。如此般，利用可上下移動之環狀構件220來將處理空間222加以區隔，藉此，可僅於載置台202之上方形成處理空間222，而抑制從載置台202之周緣部朝外側往水平方向擴展之浪費空間之形成。
另一方面，圖3係顯示環狀構件220以及淋灑頭100位於上昇位置之狀態。於此上昇位置，用以將半導體晶圓搬入、搬出處理室201之開口215呈開放狀態，於此狀態下進行半導體晶圓對處理室201之搬入、搬出。此開口215如圖1所示般，當環狀構件220以及淋灑頭100位於下降位置之際，係被環狀構件220所覆蓋而成為阻塞狀態。
在昇降機構221之驅動電源方面，本實施形態係使用了電動壓缸260。此外，係採用使得複數昇降機構221沿著處理室201之圓周方向等間隔設置之多軸驅動方式。如此般，藉由使用有電動壓缸260之多軸驅動方式，則相較於例如空氣壓驅動之驅動機構之情況，可高精度地控制環狀構件220以及淋灑頭100之位置。此外，即便是多軸驅動方式，其協調控制仍可輕易由電氣方式來進行。
如圖1所示般，電動壓缸260之驅動軸係與昇降軸261連接著，此昇降軸261係以貫通圓筒狀固定軸262(從處理室201之底部朝處理室201内之上部延伸直立設置)内的方式所配置者。此外，於氣密密封部263，係藉由例如雙重之O型環等來進行昇降軸261之驅動部份的氣密密封。
於本實施形態，淋灑頭100係配置於將處理室201上部開口作氣密封閉之蓋體205内側的減壓環境氣氛内，淋灑頭100本身並未被施加減壓環境氣氛與大氣環境氣氛之間的壓力差，只有昇降軸261部份被施加壓力差。因此，淋灑頭100能以些許之驅動力而輕易地上下移動，可謀求節省能量。此外，由於可減輕驅動機構之機械強度，所以可謀求裝置成本之降低。
於環狀構件220設有於其内周面開口之複數環狀構件側排氣孔230以及複數環狀構件側噴出孔240。於本實施形態，環狀構件側排氣孔230係沿著上下方向於直線上每3個設置，沿著環狀構件220之圓周方向以既定間隔均勻形成著。此外，環狀構件側噴出孔240係沿著上下方向於直線上每4個設置，沿著環狀構件220之圓周方向以既定間隔均勻形成著。此外，環狀構件側排氣孔230、環狀構件側噴出孔240之數量不限於上述數量。
環狀構件側排氣孔230係用以將處理空間222内加以排氣者，其和於環狀構件220内部沿著圓周方向設置之未圖示排氣流路係連通著。該等環狀構件側排氣孔230之形狀不限於圓形亦可為例如橢圓形狀等。該等環狀構件側排氣孔230也發揮排出反應產物之功效。
此外，環狀構件側噴出孔240係從未圖示之氣體供給源對處理空間222内供給處理氣體者，其與在環狀構件220内部沿著圓周方向所設置之未圖示處理氣體流路係連通著。此外，環狀構件側噴出孔240亦可構成為形成大致水平而水平地噴出處理氣體，亦可相對於水平方向帶既定角度來形成，例如，亦可自上方朝下方(亦即朝向基板表面)供給處理氣體來構成。
於環狀構件220與載置台202下部之高頻側線之接地側，設有用以將該等間作電性連接之片電纜(sheet cable)250。此片電纜250係沿著環狀構件220之圓周方向以等間隔來複數設置著。如圖4所示般，片電纜250構成上係將銅等所構成之片狀導體251表面以絕緣層252被覆，於其兩側端部附近設有連接部253，其露出導體而形成有螺固用貫通孔。此片電纜250之厚度為例如數百毫米程度，具有可撓性，可對應於環狀構件220以及淋灑頭100之上下移動而自由變形。
片電纜250之目的在於環狀構件220以及作為上部電極之淋灑頭100的高頻回程(return)。其等效電路顯示於圖5。如圖5所示，作為上部電極之淋灑頭100與環狀構件220呈電性連接，而電性連接於高頻側線之接地側。
如上述般，於本實施形態，環狀構件220以及作為上部電極之淋灑頭100並非藉由處理室壁等而是藉由片電纜250以短的路徑電性連接於高頻側線之接地側。藉此，可將電漿所致各部位之電位差抑制到極低。
此外，即便環狀構件220以及作為上部電極之淋灑頭100可上下移動，其等可藉由片電纜250始終電性連接於高頻側線之接地側，不會成為電性浮接(floating)狀態。
如上述般，電漿蝕刻裝置200，由於具備可上下移動之環狀構件220，所以可僅於載置台202上方形成處理空間222，可抑制朝水平方向外側擴展之浪費空間的形成。藉此，可謀求所消耗之處理氣體之縮減等。此外，由於自環狀構件220進行處理氣體之供給以及排氣，所以能更緻密地控制處理空間222内之處理氣體之狀態，可進行均勻的處理。再者，作為上部電極之淋灑頭100與載置台202之間的距離可藉由處理條件等來變更。
再者，由於處理空間222之物理性形狀呈對稱，可抑制因存在用以將半導體晶圓搬入、搬出處理室201之開口215所致非對稱形狀之影響波及於電漿，而可進行更均勻的處理。
當利用上述構成之電漿蝕刻裝置200來進行半導體晶圓之電漿蝕刻之情況，首先，如圖3所示般，使得環狀構件220以及淋灑頭100上昇，打開開口215。於此狀態下，將半導體晶圓從開口215搬入到處理室201内，將半導體晶圓載置於靜電夾203上，而被靜電吸附於靜電夾203上。
其次，使得環狀構件220以及淋灑頭100下降，且關閉開口215，成為於半導體晶圓上方形成有處理空間222之狀態。然後，利用真空泵等而經由排氣孔13以及環狀構件側排氣孔230來將處理室201内之處理空間222抽真空至既定之真空度。
之後，將既定流量之既定處理氣體(蝕刻氣體)從未圖示之氣體供給源來供給。此處理氣體係經由淋灑頭100之氣體流路12而從氣體噴出孔11以淋灑狀供給至載置台202上之半導體晶圓。於此同時，既定流量之既定處理氣體(蝕刻氣體)係從環狀構件側氣體噴出孔240朝向載置台202上之半導體晶圓來供給。
然後，當處理室201内之壓力被維持在既定之壓力後，於載置台202施加既定之頻率、例如13.56MHz之高頻電力。藉此，於作為上部電極之淋灑頭100與作為下部電極之載置台202之間產生高頻電場，蝕刻氣體解離而電漿化。利用此電漿來對半導體晶圓進行既定之蝕刻處理。
於上述蝕刻處理，自淋灑頭100之氣體噴出孔11以及環狀構件220之環狀構件側氣體噴出孔240所供給之處理氣體，由於係從分散於淋灑頭100而多數形成之排氣孔13以及於環狀構件220所形成之環狀構件側排氣孔230被排氣，所以在從處理室201下部進行排氣之情況，不會形成從半導體晶圓中央部朝向周邊部之氣流。因此，可將被供給於半導體晶圓之處理氣體更均勻化。藉此，可使得電漿之狀態均勻化，可對半導體晶圓之各部施以均勻的蝕刻處理。亦即，可提高處理之面内均勻性。
此外，當既定之電漿蝕刻處理結束，高頻電力之施加以及處理氣體之供給被停止，以與上述順序為相反的順序將半導體晶圓從處理室201内搬出。
如上述般，依據本實施形態之電漿蝕刻裝置200，由於從淋灑頭100以及環狀構件220進行處理氣體之供給以及排氣，所以供給於半導體晶圓之處理氣體可更均勻化。藉此，可對半導體晶圓之各部施以均勻的蝕刻處理。
此外，於上述電漿蝕刻裝置200，由於自設於淋灑頭100之排氣孔13以及設於環狀構件220之環狀構件側排氣孔230進行排氣，所以無須如習知裝置般，於載置台202周圍或是淋灑頭100周圍設置排氣路徑。因此，處理室201之直徑可更為接近被處理基板之半導體晶圓的外徑，可謀求裝置之小型化。此外，由於可將真空泵設置於處理室201上方，可自更接近處理室201之處理空間的部份來進行排氣，所以可高效率地進行排氣。再者，由於設置有兩個排氣系統，所以可減少1個真空泵之容量，可更為謀求小型化。
此外，淋灑頭(上部電極)100與載置台(下部電極)202之間隔可對應於處理而變更，且淋灑頭100能以些許驅動力來容易地上下移動，所以可謀求節省能量以及裝置成本之降低。
此外，本發明當然不限定於上述實施形態而可作各種變形。例如，於上述實施形態，係就對於載置台(下部電極)供給1個頻率之高頻電力之情況作了說明，惟對於在下部電極施加頻率互異之複數高頻電力之類型的裝置等也可同樣適用。
11．．．氣體噴出孔
13．．．排氣孔
100．．．淋灑頭(上部電極)
200．．．電漿蝕刻裝置
201．．．處理室
202．．．載置台(下部電極)
205．．．蓋體
220．．．環狀構件
221．．．昇降機構
222．．．處理空間
230．．．環狀構件側排氣孔
240．．．環狀構件側供給孔
圖1係顯示本發明之一實施形態之電漿處理裝置構成之縱截面圖。
圖2係放大顯示圖1之電漿處理裝置之主要部份構成之縱截面圖。
圖3係顯示使得圖1之電漿處理裝置之淋灑頭上昇後之狀態之縱截面圖。
圖4係顯示圖1之電漿處理裝置之片電纜構成之俯視圖。
圖5係顯示圖1之電漿處理裝置之等效電路之圖。
1．．．下側構件
2．．．上側構件
10．．．積層體
11．．．氣體噴出孔
12．．．氣體流路
13．．．排氣孔
14．．．對向面
100．．．淋灑頭(上部電極)
200．．．電漿蝕刻裝置
201．．．處理室
202．．．載置台(下部電極)
203．．．靜電夾
205．．．蓋體
210．．．排氣管
220．．．環狀構件
221．．．昇降機構
222．．．處理空間
230．．．環狀構件側排氣孔
240．．．環狀構件側供給孔
250．．．片電纜
260．．．電動壓缸
261．．．昇降軸
262．．．固定軸
263．．．氣密密封部

Claims (6)

  1. 一種電漿處理裝置，具備有：下部電極，係設置於處理室内，兼作為用以載置基板之載置台；上部電極，係對向於該下部電極而設置於該處理室内，具有作為淋灑頭之功能，且可上下移動而可變更與該下部電極之間隔，所述淋灑頭係自對向於該下部電極之對向面所複數設置之氣體噴出孔朝該基板以淋灑狀供給氣體者；蓋體，係設置在該上部電極之上側，將該處理室的上部開口加以氣密封閉者；複數排氣孔，係形成於該對向面；環狀構件，係沿著該上部電極周緣部朝下方突出設置，可連動於該上部電極而上下移動，當位於下降位置會形成由該下部電極、該上部電極以及該環狀構件所圍繞而成之處理空間；複數環狀構件側氣體噴出孔，係開口於該環狀構件之内壁部份，用以對該處理空間内供給氣體；以及複數環狀構件側排氣孔，係開口於該環狀構件之内壁部份，用以對該處理空間内進行排氣。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中在該處理室側壁之位於該下部電極與該上部電極之間之位置係設有用以搬入、搬出該基板之開閉自如的開口部，在該環狀構件處於上昇之狀態下進行該基板之搬入、搬出。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中該環狀構件係由覆蓋著絕緣性被膜之鋁所構成。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中該環狀構件側氣體噴出孔之至少一部份係相對於水平方向帶有既定角度而形成者。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中該環狀構件與該上部電極係在電性導通之狀態下被固定，該環狀構件係以表面覆蓋有絕緣層之金屬片所構成之具可撓性片電纜來連接於接地電位。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中用以進行該環狀構件與該上部電極之上下移動的驅動機構係利用電動壓缸作多軸驅動。
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