CN101005727A

CN101005727A - 等离子体发生用电极和等离子体处理装置

Info

Publication number: CN101005727A
Application number: CNA2006101470902A
Authority: CN
Inventors: 林大辅
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: KR20070077048A; CN101005727B; KR100839250B1; JP5082246B2; JP2007194507A

Abstract

本发明提供一种等离子体发生用电极。在与基板相对设置的、由金属基底和导体板构成的等离子体生成用电极中，没有导体板损坏的危险，确保金属基底和导体板的电导通和热传导在面内均匀性好的接合状态。该电极由如下材料构成：使金属例如硅含浸在由多孔陶瓷形成的母材例如碳化硅中，具备至少与基板的被处理面的整个面相对的接合面的金属基复合材料；和通过金属而熔融接合在该金属基复合材料的接合面上的由耐等离子体性的材料形成的导体板例如CVD－碳化硅。在这种情况下，使金属含浸在所述母材中时，通过该金属将导体板熔融接合在金属基复合材料上。

Description

等离子体发生用电极和等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及与进行等离子体处理的基板相对、用于发生等离子体的电极和使用该电极的等离子体处理装置。

背景技术

在半导体和液晶设备等的制造工艺中，使用等离子体的等离子体处理用得很多，但是，进行这种等离子体处理的等离子体处理装置例如如图8所示，在由真空腔室形成的处理容器10中，具有：兼用下部电极、用于载置作为基板的半导体晶片(以下称为晶片)W的载置台11；和设置在该载置台11的上方侧、具有多个气体供给孔12a的喷头12。其构成是：在该喷头12的下面设置有上部电极13，在上部电极13和载置台11中的一个例如载置台11上，通过高频电源14，施加等离子体发生用的高频波，在该载置台11和上部电极13之间的处理空间内生成等离子体，通过该等离子体，使从喷头12导入到处理容器10内的处理气体活化，由此对载置在载置台11上的晶片W进行蚀刻、成膜处理等的等离子体处理。并且，来自在处理空间形成的等离子体的高频电力到达上部电极13，从那里经过处理容器2的壁部，流向地面。此外，图8中17是用于将处理容器2内的气氛排出到外部的排气路。

可是，上述上部电极13的结构是：用螺钉和夹子等将导体板16例如硅(Si)板、碳化硅(SiC)板等紧紧地固定在例如铝(Al)和不锈钢(SUS)等金属基底(母材)15的表面。这是因为对于上部电极13整体，形成不会由于处理气氛的减压产生的应力而发生形变的结构；并且对于上部电极13的暴露于等离子体的部位，形成具有耐等离子体性、且没有金属污染的危险的结构。

上述上部电极13，被在处理空间形成的等离子体加热，处于高温，但是因为Si和SiC比金属基底15的热膨胀系数(线膨胀率)小，所以两者间出现由于热膨胀引起的尺寸差，导体板16的固定部受到过大的牵拉的应力，有时导体板16破损。

为了避免这种不良状况，考虑由于热膨胀引起的金属基底15和导体板16的尺寸差，使固定金属基底15和导体板16的螺钉和夹子等为浮动固定式，下功夫使得导体板16的固定部不会因金属基底15的热膨胀引起牵引应力。

可是，为了对晶片W实施面内均匀性高的处理，在与晶片W平行的面上，要求等离子体的活性种浓度均匀。因此，在上部电极13上，要求暴露于等离子体的导体板16的电和热的状态在面内均匀。所以，导体板16和金属基底15接触，使得电导通和热传导在面内均匀进行，换言之，对于面内接触状态，必须具有高的均匀性。另一方面，因为导体板16的固定部只能设置在外周部的情况很多，所以在浮动固定式的情况下，对于金属基底15与导体板16之间的密合状态，在上部电极1 3的个体之间产生差异。结果，对于金属基底15和导体板16间的电导通性和热传导性，确保高的面内均匀性是很困难的，结果存在引起导体板16的破裂、工艺异常、异常放电等的危险。此外，由于在等离子体处理的升温、降温循环中的热膨胀引起的尺寸变动，金属基底15和导体板16的接合面磨损，存在从气体供给孔12a产生粉尘的危险。

另一方面，专利文献1公开了一种电极：作为上部电极7，从纵截面观察时，多孔陶瓷的中央部形成梯形的缺口，将电介质嵌入该缺口部分，使金属含浸在上述多孔陶瓷中，构成基底部，在这种含浸时，由该金属将金属基底和电介质接合。该技术通过在金属—陶瓷复合材料的中央内部嵌入电介质，使电极中央部的高频电力衰减，使电极下面的电场强度均匀。但是对于如何使金属基底和导体板处于电导通和热传导均匀的面内接触状态的课题，却没有任何提示。

专利文献1：日本专利特开2005-228973号公报(段落0032、段落0053～0055、图9)

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种电极和使用该电极的等离子体处理装置。该电极的特征在于：在与基板相对设置的、由用于发生等离子体的金属基底(在本发明中是金属基复合材料)和导体板构成的电极中，没有导体板损坏的危险，对于金属基底和导体板的电导通和热传导，处于面内均匀性好的接合状态。

本发明的等离子体发生用电极，用于对基板进行等离子体处理、与基板的被处理面相对设置，其特征在于：具有：使金属含浸在由多孔陶瓷形成的母材中，具备至少与基板的被处理面的整个面相对的接合面的金属基复合材料；和通过金属熔融接合在该金属基复合材料的接合面上的由耐等离子体性的材料形成的导体板。在该电极中，作为上述母材，使用例如碳化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝等；作为熔融接合中使用的金属，使用例如硅或铝等；作为上述导体板，使用例如硅或氮化硅等。其中，作为等离子体发生用电极的优选结构是使用碳化硅作为上述母材，使用硅作为金属，使用碳化硅作为导体板。另外，导体板优选使用CVD-碳化硅。并且，所谓CVD-碳化硅是使粉末状和块状的SiC气化、使其蒸镀在碳板等的上面而形成的。此外，希望上述等离子体发生用电极在使金属含浸在上述母材中时，导体板通过该金属被熔融接合在金属基复合材料上。

并且，在上述等离子体发生用电极中，通过贯通上述金属基复合材料和导体板的多个套管(sleeve)，形成用于向基板的处理气氛中喷出处理气体的气体孔，上述金属基复合材料、套管和导体板各自之间可以通过金属熔融接合而构成。在这种情况下，使金属含浸在上述母材中时，希望通过该金属，将金属基复合材料、套管和导体板各自之间熔融接合。并且，使用例如碳化硅或氧化钇等作为上述套管。

此外，本发明的等离子体处理装置，其特征在于，具有：气密的处理容器；设置在该处理容器内部、用于保持基板的兼用作电极的载置台；以与上述载置台相对的方式，设置在上述处理容器内部的上述等离子体发生用电极；用于向所述处理容器内导入处理气体的气体供给部；在上述载置台和与之相对的上述电极之间形成高频电场、用于将处理气体等离子体化的等离子体发生单元，其中，由等离子体对基板进行处理。并且，上述等离子体处理装置的结构是：上述处理气体导入单元具有用于从多个孔喷出气体的喷头，上述电极具有作为上述喷头下面的喷淋板的功能，形成多个气体喷出孔。

本发明通过使金属含浸在由多孔陶瓷形成的母材中的金属基复合材料，构成金属基底，将该金属基复合材料熔融接合在由耐等离子体性的材料形成的导体板上，构成等离子体发生用电极，所以金属基复合材料和导体板在面内均匀接合。从而，因为不会产生由于热膨胀尺寸差引起的局部过大的应力，所以导体板破裂的危险小。并且，因为金属基复合材料和导体板的接合面被熔融金属填满，所以电导通和热传导良好，同时电导通和热传导在面内均匀，也不易产生电极的个体差。结果，因为与基板平行的面内得到均匀性好的等离子体，所以能够对基板进行面内均匀性好的等离子体处理。并且，因为没有机械的接触部(摩擦部)，不会出现由于热膨胀、收缩而引起的两者间的摩擦，所以粉尘的产生也被抑制。

而且，使用碳化硅作为多孔陶瓷母材和导体板的各种材料，如果同时使用硅作为熔融金属，则相当于金属基底的金属基复合材料和导体板的接合面的线膨胀率的差能够接近零(因为碳化硅和硅之间存在线膨胀率的差，所以不能为零)，能够可靠地防止导体板的破损。

附图说明

图1是表示将本发明的一种实施方式的电极作为上部电极使用的RIE等离子体蚀刻装置的截面图。

图2是将图1的装置的上部电极放大表示的截面图。

图3是使金属含浸在母材中形成复合材料时，说明用含浸金属接合复合材料和导体板的方法的示意图。

图4是表示图1的装置的上部电极状况的示意图。

图5是说明在上部电极上形成的气体喷出孔的形成方法的其他例的示意图。

图6是说明在上部电极上形成的气体喷出孔的形成方法的其他例的示意图。

图7是表示在图1的装置的上部电极中，母材、导体板和熔融金属的材料组合的表。

图8是表示现有等离子体处理装置的概况截面图。

符号说明

W晶片

2处理容器

3支撑载物台

4绝缘板

5支撑台

6喷头

7上部电极

71气体喷出孔

8金属基复合材料

81接合层

82导体板

83孔

84熔融金属

85棒材(套管)

9母材

具体实施方式

下面，对于本发明的实施方式进行说明。图1是表示将本发明的一种实施方式的电极作为上部电极适用的等离子体处理装置的RIE(Reactive Ion Etching)等离子体蚀刻装置的截面图。图1中的2是例如由铝制成的处理容器(真空腔室)。上述处理容器2是由小径的圆筒状的上部2a和大径的圆筒状的下部2b构成的气密结构。在该处理容器2中，设置有支撑载物台3，该支撑载物台水平地支撑作为被处理基板的半导体晶片W(以下称为晶片)、并且是具有下部电极功能的载置台。上述支撑载物台3例如由铝构成，借助绝缘板4，被导体的支撑台5所支撑。此外，在上述支撑载物台3上方的外周，设置有例如由硅(Si)形成的聚焦环(focus ring)31。上述支撑台5的下方部分被保护层(cover)32所覆盖，并且，在上述支撑台5的外侧设置有挡板33，通过该挡板33、支撑台5和保护层32，与处理容器2导通。此外，上述处理容器2接地。

上述处理容器2的顶部形成有作为用于向处理容器2中导入处理气体的气体供给部的喷头6，该喷头6的下面由具有喷淋板功能的上部电极7构成。该上部电极7与具有下部电极功能的支撑载物台3平行地相对设置，形成有多个气体喷出孔71。即，作为下部电极的支撑载物台3和上部电极7构成一对平行平板电极。并且，上述上部电极7通过处理容器2接地。

在上述处理容器2的下部2b的底壁，形成有排气口21，该排气口21上连接有真空泵22。并且，通过使上述真空泵22工作，能够使处理容器2内减压至规定的真空度。另一方面，在处理容器2的上部2a的侧壁，设置有用于搬入搬出晶片W的搬入搬出口23，通过闸阀24使该搬入搬出口23开闭。

借助匹配器28和25，将各个等离子体形成用的第一高频电源26和离子导入用的第二高频电源27连接在上述支撑载物台3上，从该第一高频电源26和第二高频电源27向支撑载物台3供给规定频率的高频电力。并且，上述第二高频电源27供给比第一高频电源26的频率低的高频电力。

在上述支撑载物台3的表面上，设置有用于静电吸附、保持晶片W的静电卡盘34。电极34a存在于绝缘体34b之间，构成该静电卡盘34，直流电源35连接在电极34a上。并且，通过从电源35向电极34a施加电压，通过静电力，例如库仑力，吸引保持晶片W。

此外，在上述支撑载物台3的内部，设置有冷却室36，在该冷却室36内，制冷剂通过制冷剂导入管36a导入，从制冷剂排出管36b排出，进行循环，该冷热经由支撑载物台3，传热至晶片W，由此将晶片W的处理面控制在希望的温度。

此外，即使通过真空泵22使处理容器2内排气，保持真空，但为了利用在冷却室36中循环的制冷剂能够有效地冷却晶片W，使冷却气体通过气体导入装置37，经由该气体供给管道38，被供给至静电卡盘34的表面和晶片W的里面之间。这样，由于导入冷却气体，将制冷剂的冷热有效地传递到晶片W，能够提高晶片W的冷却效率。

上述喷头6，在其上部设置有气体导入口72，同时其内部形成用于气体扩散的空间73。上述气体导入口72上连接有气体供给配管74，该气体配管74的另一端连接有用于供给处理气体的处理气体供给***75。

另一方面，在处理容器2的上部2a周围，配置有夹住搬入搬出口23的两个多极环形(multi pole ring)磁铁25a、25b。该多极环形磁铁25a、25b由将多个各向异性片段(segment)柱状磁铁安装在环状磁性体的外壳而构成，邻接的多个片段柱状磁铁之间的方向以互相逆向的方式配置。由此，在邻接的片段磁铁间形成磁力线，只在上下电极之间的处理空间的周边部形成磁场，具有将等离子体关在处理空间内的作用。

下面，对于上部电极7的结构详细地进行说明。如图2将其截面放大的图所示，上部电极7为在使金属含浸在由多孔陶瓷形成的圆柱状母材中的金属基复合材料8的下面，隔着接合层81，形成圆形的导体板82的结构。因为上部电极7是放出用于将处理气体等离子化的电力线的部位，为了在晶片W表面产生面内均匀性好的等离子体，必须使金属基复合材料8的接合面的尺寸即导体板82的尺寸与晶片W的被处理面的大小相同，或是更大，优选比晶片W的处理面大。

参照图3具体说明该上部电极7的制造方法。首先，在由碳化硅(SiC)形成的多孔母材9上叠层由CVD-碳化硅(SiC)形成的导电板82(图3(a))。然后，用气压等对由硅(Si)形成的熔融金属(熔融金属)加压，使其含浸在母材9中，形成金属基复合材料8(图3(b))。熔融金属遍及金属基复合材料8之后，持续熔融金属的加压，通过从上述金属基复合材料8表面渗出的熔融金属，将金属基复合材料8的表面(接合面)与导体板82的表面互相接合，形成接合层81(图3(c))。然后，通过冷却，得到上部电极7(图3(d))。在这种制造方法中，用气压等进行加压，使熔融金属含浸在母材9中(加压渗透法)，但是不限于这种方法，也可以利用在母材9的细孔中产生的毛细管现象，使熔融金属含浸在母材9中(自然浸透法)。并且，在母材9中含浸有熔融金属的金属基复合材料8具有与金属等同的导电性，同时保持了母材9具有的强度，所以被用作金属基底。

此外，在本例中，使用碳化硅作为母材9，使用CVD-碳化硅作为导体板82，使用硅作为熔融金属，构成上部电极7(等离子体发生用电极)，但是上部电极7的材料组合不限于此。并且，后面描述其他组合。

接着，对于在上部电极7上形成的气体喷出孔71的形成方法的一个例子，进行说明。在该方法中，通过使用切割工具例如钻具切割上部电极7，形成例如口径为0.5～1mm的气体喷出孔71。但是因为构成上部电极7的金属基复合材料8、接合层81和导体板82的硬度互不相同，所以对于每种材料，更换适于切割该材料的钻具，进行切割。即，按照金属基复合材料8、接合层81和导体板82的顺序，更换钻具，开孔，在上部电极7上形成喷出孔71。并且，除该方法外，后面描述在上部电极7上形成气体喷出孔71的方法。

下面，对于使用上述结构的等离子体蚀刻装置，通过等离子体对形成在晶片W表面的规定膜进行蚀刻的处理进行说明。首先，打开闸阀24，将晶片W从搬入搬出口23搬入处理容器2内，载置在支撑载物台3上后，通过真空泵22，经由排气口21，使处理容器2内排气至规定的真空度。

然后，来自处理气体供给***75的处理气体例如氟(F)等经由气体供给配管74、气体导入口72，到达喷头6的空间73，从气体喷出孔71喷出，使处理容器2内的气体压力为例如13～1333Pa(100mTorr～10Torr)，在这种状态下，从第一高频电源26向支撑载物台3供给例如100MHz的高频电力。该高频波从支撑载物台3开始，经由上部电极7的导体板82和金属基复合材料8，流至处理容器2，接地，这样一来，在处理气氛中形成高频电场。

此外，为了控制等离子体的离子能，从第二高频电源27供给例如3.2MHz的高频电力。此时，由于从直流电源35向静电卡盘34的电极34a施加规定的电压，通过例如库仑力，将晶片W吸附保持在静电卡盘34上，同时在上部电极7和作为下部电极的支撑载物台3之间形成高频电场。此外，由于偶极环形磁铁25a、25b，在喷头6和支撑载物台3之间形成水平电场，所以在晶片W所存在的电极间的处理空间形成正交电磁场，通过由此产生的电子的漂移，形成磁控管放电。并且，通过该磁控管放电，处理气体等离子体化，由于该等离子体，在晶片W表面形成的规定膜被蚀刻。

依据上述实施方式，通过使作为金属的硅(本发明中将半导体也作为金属处理)含浸在由多孔陶瓷的炭化硅形成的母材9中的金属基复合材料8，构成金属基底，将该金属基复合材料8熔融接合在由作为耐等离子体性材料的CVD-碳化硅形成的导体板82上，构成上部电极7(等离子体发生用电极)，所以使金属基复合材料8和导体板82在面内均匀的接合。从而，不像用螺钉固定导体板82的周缘部的情况，出现由于热膨胀尺寸差引起的局部过大的应力，所以导体板82破坏的危险小。并且，金属基复合材料8和导体板82的接合面被熔融金属(硅)填满，所以，如图4所示，高频波的电导通和来自等离子体的热量输入等热量的传导良好，同时它们在面内均匀，不易产生上部电极7的个体差。结果，导体板82的电位和温度在面内的均匀性提高，在与载置在作为下部电极的支撑载物台3上的晶片W平行的面内，得到均匀性好的等离子体。因此，能够对晶片W进行面内均匀性好的等离子体处理。并且由于没有机械的接触部(摩擦部)，不会出现由于热膨胀、收缩引起的两者间的磨擦，粉尘的发生也被抑制。

而且，使用碳化硅作为多孔陶瓷母材9和导体板82，如果同时使用硅作为熔融金属，则相当于金属基底的金属基复合材料8和导体板82的接合面的线膨胀率的差能够接近零，能够可靠地防止导体板的破损。

此外，在上述实施方式中，作为母材9，除了碳化硅之外，还可以使用例如氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)等。并且，作为导体板82，除了碳化硅以外，还可以使用例如硅(Si)等。此外，作为含浸在上述母材9中的熔融金属，除了硅以外，还可以使用例如铝(Al)等。

进一步，作为在上部电极7上形成气体喷出孔71的方法，如图5所示，在进行熔融接合之前，预先形成贯通母材9和导体板82的孔83(图5(a))，通过熔融接合母材9和导体板82，用熔融金属84堵住上述孔83(图5(b))，然后用钻具切割堵住孔83的熔融金属84，可以在熔融金属84上形成喷出孔71(图5(c))。

并且，如图6所示，在进行熔融接合之前，预先形成贯通母材9和导体板82的孔，将棒材85***该孔(图6(a))，在这种状态下，通过进行熔融接合，用含浸在母材9中的熔融金属将母材9、导体板82、棒材85各自接合起来(图6(b))，可以通过用切割工具例如钻具切割接合在金属基复合材料8和导体板82上的棒材85，形成具有套管结构的气体喷出孔71(图6(c))。此时，作为上述棒材(套管)85，优选例如碳化硅(SiC)和氧化钇(Y₂O₃)等脆性类材料。

在上述母材9、导体板82和熔融金属的材料中，本发明者对于上部电极7的材料的优选组合进行研究，将结果表示在图7中。此外，所谓图7所示的气体孔加工方法的A，是如前面所述，将金属基复合材料8、接合层81和导体板82按照这样的顺序更换钻具，开孔，在上部电极7上形成喷出孔71的方法；所谓B是使用图5说明的气体孔加工方法；所谓C是使用图6说明的气体孔加工方法。在图7中，对于构成上部电极7的母材9、导体板82和熔融金属，分别在与选择的材料对应的地方标记符号○。用P1～P12表示构成上部电极7的母材9、导体板82和熔融金属的组合。例如在P2中，选择SiC作为母材8，选择Si作为导体板82，选择Al作为熔融金属。在图7中，在露出于等离子体的部位，从防止金属污染的观点出发尽量避免铝，在这样的意图下，决定组合，但是在使用硅作为导体板82的情况下，从比硅熔点低的材料出发，使用铝作为熔融金属。在这种情况下，因为使用铝作为熔融金属，可以说几乎不存在金属污染的担忧。对于套管85的材料，可以举出Al₂O₃、AiN、SiO₂、SiN、Y₂O₃、SiC等，从防止金属污染的观点出发，不能使用Al₂O₃和AiN，SiO₂在强度上存在问题，SiN的价格非常高。因此，如果从避开含有铝的原料，并且强度大、低成本的观点出发，可以说优选Y₂O₃和SiC。

此外，制作上部电极7时，优选选择母材9和导体板82的材料，使得母材9和导体板82间由于热膨胀产生的尺寸差控制在30％以内。

此外，作为本发明的基板，不限于如上述实施方式的晶片，可以是用于液晶显示器或等离子体显示器等的平板用玻璃基板，或者陶瓷基板等。

Claims

1.一种等离子体发生用电极，用于对基板进行等离子体处理、与基板的被处理面相对设置，其特征在于，具有：

使金属含浸在由多孔陶瓷形成的母材中，具备至少与基板的被处理面的整个面相对的接合面的金属基复合材料；和

通过金属而熔融接合在该金属基复合材料的接合面上的由耐等离子体性的材料形成的导体板。

2.如权利要求1所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

所述母材选自碳化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝。

3.如权利要求1所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

熔融接合中使用的金属为硅或铝。

4.如权利要求1所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

所述导体板为硅或氮化硅。

5.如权利要求1所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

所述母材为碳化硅，熔融接合中使用的金属为硅，导体板为碳化硅。

6.如权利要求5所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

所述导体板为CVD-碳化硅。

7.如权利要求1～6中任一项所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

使金属含浸在所述母材中时，通过该金属将导体板熔融接合在金属基复合材料上。

8.如权利要求1～6中任一项所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

通过贯通所述金属基复合材料和导体板的多个套管，形成用于向基板的处理气氛中喷出处理气体的气体孔，

所述金属基复合材料、套管和导体板各自之间由金属熔融接合。

9.如权利要求8所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

使金属含浸在所述母材中时，通过该金属将金属基复合材料、套管和导体板各自之间熔融接合。

10.如权利要求8或9所述的等离子体发生用电极，其特征在于：

所述套管是碳化硅或氧化钇。

11.一种等离子体处理装置，其特征在于：

具有：气密的处理容器；设置在该处理容器内部、用于保持基板的兼用作电极的载置台；以与所述载置台相对的方式，设置在所述处理容器内部的权利要求1～10中任一项所述的电极；用于向所述处理容器内导入处理气体的气体供给部；用于在所述载置台和与之相对的所述电极之间形成高频电场、将所述处理气体等离子体化的等离子体发生单元，

由等离子体对基板进行处理。