CN105097403B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够有效地消除径向上的中心成为等离子体密度分布中的特异点那样的、不期望的不均匀性并能够以较大的控制范围对等离子体密度分布自如地进行控制的等离子体处理装置。该电容耦合型等离子体处理装置在上部电极之上包括主磁体单元和辅助磁体单元。主磁体单元具有主磁轭和多个主电磁线圈。在辅助磁体单元中，在主磁体单元的比最内周的主电磁线圈靠半径方向内侧的位置，将多个棒型电磁体在转圈方向上以恒定间隔配置在自中心轴线偏离规定距离的位置。使直流的激励电流以恒定的电流值在第1组的棒型电磁体的辅助电磁线圈中沿正向流动，使直流的激励电流以相同的电流值在第2组的棒型电磁体的辅助电磁线圈中沿逆向流动。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种电容耦合型的等离子体处理装置。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，使用用于将处理气体的等离子体作用于被处理基板例如半导体晶圆而对被处理基板施加规定的处理的等离子体处理装置。以往以来，针对单片式的等离子体蚀刻，大多使用电容耦合型的等离子体蚀刻装置。
通常，在电容耦合型的等离子体处理装置中，将上部电极和下部电极平行地配置在构成为真空室的处理容器内，并将半导体晶圆载置在下部电极之上，对两电极之间施加高频电力。于是，在两电极之间，处理气体在高频放电的作用下产生等离子体，利用等离子体中的自由基、离子来对基板的表面进行蚀刻、成膜等等离子体处理。
通常，在电容耦合型的等离子体处理装置中，在低压条件下对下部电极供给高频电力而生成高密度的等离子体时，若提高所供给的高频电力的频率，则存在使因高频电力而产生的高频电流集中于下部电极的中心附近的倾向。当高频电流如此集中于下部电极的中心附近时，在下部电极与上部电极之间的处理空间中生成的等离子体的密度乃至半导体晶圆上的工艺特性(例如在干蚀刻中为蚀刻速率)容易成为以径向上的中心附近为顶点向上凸起的曲线。对此，以往，公知有这样的等离子体处理装置，在该等离子体处理装置中，为了控制处理容器内的等离子体密度分布而具有磁场形成机构，该磁场形成机构用于形成使磁力线以规定的路径贯穿处理空间那样的闭环的磁场。
例如，在专利文献1中，公开了这样的磁场形成机构，在该磁场形成机构中，将具有相比被处理基板的口径尺寸在水平方向上充分地分开的N极和S极的旋转磁体配置在处理容器的顶部之上，使该旋转磁体以处理容器的中心轴线为旋转中心进行旋转而在处理容器内的处理空间中沿水平方向形成均匀的磁场。另外，在专利文献2中，公开了这样的磁场形成机构，在该磁场形成机构中，将多个环状电极呈同心圆状配置而构成上部电极，将用于在处理空间内的、各环状电极的正下方形成水平方向的磁场的多个磁体设置在处理容器的顶部之上。
专利文献1：日本特许第3037848号
专利文献2：日本特许第4107518号
发明内容
发明要解决的问题
然而，以往的电容耦合型等离子体处理装置的磁场形成机构作为用于在处理容器内对等离子体密度分布进行控制的调整旋钮的作用、自由度并不充分。尤其是，不具有用于有效地解决等离子体密度在径向上的中心异常突出而变高(即中心成为特异点)这样的以往以来的问题的构造。
本发明是鉴于该以往技术的问题点而做出的，其目的在于，提供一种能够有效地消除径向上的中心在等离子体密度分布中成为特异点那样的、不期望的不均匀性的电容耦合型的等离子体处理装置。
用于解决问题的方案
本发明提供一种等离子体处理装置，其用于使处理气体的等离子体作用于被处理基板而对被处理基板施加处理，其中，该等离子体处理装置包括：处理容器，其用于以所述被处理基板能够出入的方式容纳所述被处理基板；下部电极，其配置在所述处理容器内，用于载置所述被处理基板；上部电极，其配置在所述处理容器内，隔着处理空间与所述下部电极相对；高频电源，其用于向所述上部电极与所述下部电极之间施加高频电力；主磁体单元，其在所述处理容器的上部或上方具有以在上下方向上穿过所述下部电极的中心的中心轴线为中心的1个或多个环状的主电磁线圈；以及辅助磁体单元，其用于在所述处理空间内形成与所述中心轴线正交或倾斜交叉的磁场。
在所述装置结构中，通过将主磁体单元和辅助磁体单元同时激励，从而在处理空间内的各位置形成有由仅将主磁体单元激励的情况下的矢量场和仅将辅助磁体单元激励的情况下的矢量场合成的磁场。尤其是，在中心轴线上，由主磁体单元生成的磁场的矢量与由辅助磁体单元生成的磁场的矢量合成，从而得到具有有意的水平成分的倾斜的磁场。由此，能够抑制在中心轴线附近出现的因铅垂磁场而导致的电子的约束或局域化现象，进而能够抑制径向上的中心在等离子体密度分布中成为特异点。
发明的效果
采用本发明的等离子体处理装置，通过所述那样的结构和作用，能够有效地消除径向上的中心在等离子体密度分布中成为特异点那样的不期望的不均匀性。
附图说明
图1是示意性表示本发明的实施方式的电容耦合型等离子体处理装置的概略结构的剖视图。
图2是示意性表示实施方式的主磁体单元和辅助磁体单元的结构的俯视图。
图3A是表示在对自主磁体单元的内侧起第2个主电磁线圈供给电流时在处理空间中形成的磁场的磁力线的图形的图。
图3B是表示在对主磁体单元的最外侧的主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的磁力线的图形的图。
图4A是表示在对主磁体单元的最内侧的主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的强度分布的图。
图4B是表示在对自主磁体单元的中心起第2个主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的强度分布的图。
图4C是表示在对自主磁体单元的中心起第3个主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的强度分布的图。
图4D是表示在对主磁体单元的最外侧的主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的强度分布的图。
图4E是表示在对主磁体单元的所有主电磁线圈供给电流时在处理空间内形成的磁场的强度分布的图。
图5是示意性表示在仅将主磁体单元激励的情况下获得的晶圆上的蚀刻速率特性的倾向的图。
图6是表示实施方式的辅助磁体单元的结构的俯视图。
图7是图6的I－I剖视图。
图8是表示在仅将辅助磁体单元激励的情况下在处理空间内形成的磁场的磁力线的图形的图。
图9是表示在将主磁体单元和辅助磁体单元同时激励的情况下在处理空间内形成的磁场的磁力线的图形的图。
图10是表示在仅将主磁体单元激励的情况下的处理空间内的磁场分布(矢量场)的图。
图11是将图10的处理空间的中心部放大表示的图。
图12是表示在图10的磁场分布下在处理空间的中心附近得到的电子的轨道的图。
图13是表示在将主磁体单元和辅助磁体单元同时激励的情况下的处理空间内的磁场分布(矢量场)的图。
图14是将图13的处理空间的中心部放大表示的图。
图15是表示在图13的磁场分布下在处理空间的中心附近得到的电子的轨道的图。
图16是表示在实施方式的辅助磁体单元中使与处理空间相对的磁极组(N极/S极)绕中心轴线沿转圈方向进行旋转的形态的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1示意性表示一实施方式的等离子体处理装置的概略截面结构。该等离子体处理装置10构成为电容耦合型的等离子体蚀刻装置，具有能够密闭的圆筒状的腔室(处理容器)12，该腔室12用于以例如300mm口径的半导体晶圆W能够出入的方式容纳该半导体晶圆W。
在腔室12内的中央下部配置有用于载置作为处理对象的半导体晶圆W的圆板形状的载置台14。该载置台14具有基台14a和静电卡盘14b。基台14a由铝等的导电性的构件构成。
在基台14a的上表面的周缘区域，以包围半导体晶圆W的周围的方式设有环状的聚焦环16。另外，在基台14a的上表面的中央区域设有圆板形状的静电卡盘14b。静电卡盘14b具有封入有电极膜的绝缘膜。自直流电源(未图示)向该电极膜供给直流电压，由此使静电卡盘14b产生静电力，从而利用静电力吸附并保持半导体晶圆W。
在静电卡盘14b之上载置有半导体晶圆W的状态下，沿上下方向穿过半导体晶圆W的中心的中心轴线Z与基台14a以及静电卡盘14b的中心轴线大致一致。
基台14a构成下部电极。该基台14a经由第1匹配器20与用于产生等离子体生成用的高频电力的第1高频电源18电连接。第1高频电源18用于产生例如频率100MHz的高频电力。另外，第1匹配器20具有用于使高频电源18的输出阻抗和基台(下部电极)14a侧的负载阻抗相匹配的匹配电路。
在该实施方式中，第1高频电源18能够以适合于处理气体的高频放电的期望的频率(例如50kHz)和期望的占空比(例如20％)脉冲状地输出等离子体生成用的高频电力。这样，通过在脉冲频率的1个周期内设置等离子体生成期间和等离子体非生成期间，能够减少在半导体晶圆W上的特定的部位上积累的电荷。即，即使在等离子体生成期间中由于等离子体中的电子密度的不均匀而导致在半导体晶圆W上的电子密度较高的特定的部位积累电荷，也能够使这样的电荷在等离子体非生成期间中向周围分散，从而能够消除电荷的积累。由此，能够防止在晶圆表面产生绝缘膜的破坏等。
另外，基台14a经由第2匹配器24与用于产生吸引离子用的高频偏压电力的第2高频电源22电连接。第2高频电源22用于产生适合于对向载置台14上的半导体晶圆W入射的离子的能量进行控制的频率(例如3.2MHz)的高频电力。第2匹配器24具有用于使高频电源22的输出阻抗和下部电极侧的输入阻抗相匹配的匹配电路。
在载置台(下部电极)14的上方，以隔着处理空间S与载置台14相对的方式配置有上部电极26。上部电极26构成腔室12的顶板并自处理空间S的上方划分现成处理空间S。上部电极26以其中心轴线与载置台14的中心轴线Z大致一致的方式配置。
上部电极26兼有将规定的处理气体以喷淋状导入到处理空间S内的喷头的功能。在该实施方式中，在上部电极26中形成有缓冲室26a、内部气体管线26b以及多个气体孔26c。缓冲室26a经由内部气体管线26b和外部气体管线28与处理气体供给部30相连接。上部电极26的气体孔26c自缓冲室26a向下方延伸并朝向处理空间S开口。另一方面，腔室12的底部与未图示的TMP(Turbo Molecular Pump：涡轮分子泵)和DP(Dry Pump：干泵)等排气机构相连接，能够将腔室12内的处理空间S维持为规定压力的减压气氛。
在上部电极26之上同时设有主磁体单元32和辅助磁体单元70。在后面详细说明主磁体单元32和辅助磁体单元70的结构和作用。
在该等离子体蚀刻装置10中，控制部60具有1个或多个微型计算机，该控制部60根据存储在外部存储器或内部存储器中的软件(程序)和制程信息对装置内的各部分、特别是高频电源18、22、匹配器20、24、处理气体供给部30、电磁体激励电路56、排气装置等各自的动作和整个装置的动作(时序)进行控制。
另外，控制部60还与包括键盘等输入装置、液晶显示器等显示装置在内的人机界面用的操作面板(未图示)和存储或积累有各种程序、制程、设定值等各种数据的外部存储装置(未图示)等相连接。在该实施方式中，作为控制部60而示出1个控制单元，但也可以采用控制部60的功能由多个控制单元并行或分级地分担的形态。
在该等离子体蚀刻装置10中，在要对载置台14上的半导体晶圆W实施干蚀刻时，自处理气体供给部30经由喷头(上部电极)26向腔室12内的处理空间S供给处理气体、即蚀刻气体，并将来自第1高频电源18的高频电力施加于载置台(下部电极)14，从而使上部电极26与载置台14之间产生高频电场。由此，在处理空间S中，因处理气体的高频放电而生成等离子体。然后，通过构成处理气体的分子或原子在等离子体中发生解离或电离而生成的自由基和离子，能够对半导体晶圆W表面的被处理膜施加蚀刻掩模所限定的规定图案的蚀刻加工。另外，通过对自第2高频电源22向作为下部电极的载置台14施加的高频偏压电力进行调整，能够对向半导体晶圆W入射的离子的能量进行控制。
在该等离子体蚀刻装置10中，由于等离子体生成机构是电容耦合方式，因此，在不使主磁体单元32和辅助磁体单元70发挥功能的情况下，处理空间S中的等离子体密度分布乃至半导体晶圆W上的蚀刻速率容易成为以径向上的中心附近为顶点的平缓的山形的曲线。但是，通过以下所述的主磁体单元32和辅助磁体单元70的叠加性或复合性的作用，能够以较大的控制范围和自由度来对处理空间S内的径向上的等离子体密度分布特性乃至半导体晶圆W上的工艺特性(特别是蚀刻速率特性)进行调整，在此基础上，还能够有效地消除径向上的中心成为等离子体密度分布特性或工艺特性的突出点或特异点那样不期望的现象。
主磁体单元的结构和作用
主磁体单元32与上部电极26以及下部电极14同轴地配置并具有主芯或主磁轭34和多个主电磁线圈36、38、40、42。主磁轭34具有由芯部44、多个圆筒部45、46、48、50、52以及基座部或衬板部54一体形成的构造且由软磁性体构成。衬板部54沿水平延伸并具有大致圆板形状。芯部44具有大致圆盘形状或圆柱形状并与衬板部54形成或结合为一体，芯部44的中心轴线以沿着中心轴线Z的方式设置。
圆筒部45、46、48、50、52设为同心圆状并分别具有与中心轴线Z平行地延伸的圆筒形状。更详细而言，如图2所示，圆筒部45、46、48、50、52分别沿着以中心轴线Z为中心的多个同心圆C1、C2、C3、C4、C5设置。圆筒部45沿着半径L1的同心圆C1配置。圆筒部46沿着具有比半径L1大的半径L2的同心圆C2配置。圆筒部48沿着具有比半径L2大的半径L3的同心圆C3配置。圆筒部50沿着具有比半径L3大的半径L4的同心圆C4配置。圆筒部52沿着具有比半径L4大的半径L5的同心圆C5配置。
在一个例子中，半径L1、L2、L3、L4、L5分别为30mm、76mm、127mm、178mm、229mm。另外，线圈36、38、40、42的中心的位置分别距中心轴线Z大致50mm、100mm、150mm、200mm。
在主磁轭34中，在最内周的圆筒部45与同该圆筒部45在外部相邻的圆筒部46之间形成有下表面敞开的环状的槽。如图1所示，在该槽内容纳有沿着芯部44的外周面卷绕的主电磁线圈36。由此，使主电磁线圈36的下表面暴露，主电磁线圈36的内侧面、外侧面以及上表面被主磁轭34的圆筒部45、圆筒部46以及衬板部54覆盖。
在圆筒部46与同该圆筒部46在外部相邻的圆筒部48之间也形成有下表面敞开的环状的槽。在该槽内容纳有沿着圆筒部46的外周面卷绕的主电磁线圈38。由此，使主电磁线圈38的下表面暴露，线圈38的内侧面、外侧面以及上表面被主磁轭34的圆筒部46、圆筒部48以及衬板部54覆盖。
在圆筒部48与同该圆筒部48在外部相邻的圆筒部50之间也形成有下表面敞开的环状的槽，在该槽内容纳有沿着圆筒部48的外周面卷绕的主电磁线圈40。由此，使主电磁线圈40的下表面暴露，线圈40的内侧面、外侧面以及上表面被主磁轭34的圆筒部48、圆筒部50以及衬板部54覆盖。
另外，在圆筒部50与同该圆筒部50在外部相邻(最外周)的圆筒部52之间也形成有下表面敞开的环状的槽，在该槽内容纳有沿着圆筒部50的外周面卷绕的主电磁线圈42。由此，使主电磁线圈42的下表面暴露，主电磁线圈42的内侧面、外侧面以及上表面被主磁轭34的圆筒部50、圆筒部52以及衬板部54覆盖。
如上所述，在主磁体单元32中，半径L4、L5大于半导体晶圆W的半径150mm。因而，如图1所示，最外周的主电磁线圈42以位于比半导体晶圆W的外周边缘靠径向外侧的位置且其至少一部分位于聚焦环16的上方的方式配置。另外，最内周的主电磁线圈36以位于半导体晶圆W的中心部的上方的方式配置。另外，自线圈中心起第2个主电磁线圈38以在半径方向上横跨半导体晶圆W的中间部和周边部的方式配置。并且，自线圈中心起第3个主电磁线圈40以在半径方向上横跨半导体晶圆W的周边部和外侧的方式配置。
主电磁线圈36、38、40、42各自的两端与电磁体激励电路56电连接。在后述的控制部60的控制下，电磁体激励电路56不仅能够以任意的励磁电流对从主电磁线圈36、38、40、42中选择的一个线圈进行通电，还能够以共用的任意的励磁电流或单独的任意的励磁电流对任意的组合的多个线圈同时进行通电。
采用所述结构的主磁体单元32，通过对主电磁线圈36、38、40、42中的1个以上的主电磁线圈供给电流，能够形成磁场B，在该磁场B中，穿过通电了的各主电磁线圈的内侧的磁力线MFL以相对于中心轴线Z构成点对称的方式在铅垂面内描绘出U字状的环并通过处理空间S。
图3A示出在对自线圈中心起第2个主电磁线圈38供给电流时自主磁体单元32延伸到处理空间S内的磁力线MFL的图形。在该情况下，自主磁轭34的位于比主电磁线圈38靠径向内侧的各部分的下表面、即自芯部44和圆筒部45、46的下端出去的磁力线MFL一边以相对于中心轴线Z构成点对称的方式在铅垂面内描绘出U字状的环一边跨过主电磁线圈38的下方而向半径方向外侧延伸，并到达主磁轭34的位于比主电磁线圈38靠径向外侧的各部分的下表面、即圆筒部48、50、52中的任意一个圆筒部的下端。并且，到达了圆筒部48、50、52中的任意一个圆筒部的下端的各磁力线MFL在主磁轭34之中绕过衬板部54而返回到芯部44和圆筒部45、46中的任意一者。
另外，在比最内周的圆筒部45靠径向内侧的位置，构成后述的辅助磁体单元70的多个棒型电磁体72A、72B自主磁轭34的芯部44向铅垂下方突出。即使这些棒型电磁体72A、72B没有被励磁，磁力线MFL也会经由主磁轭34自各个棒型电磁体72A、72B的棒状铁心(辅助铁心)74的下端出去。与以上同样地，这些磁力线MFL也描绘出U字状环并通过处理空间S，从而达到圆筒部48、50、52中的任意一个圆筒部的下端。
这样，在仅将主磁体单元32中的主电磁线圈38激励的情况下，如图4B所示，处理空间S内的磁场B的在半径方向上的水平成分强度(水平磁场强度)分布成为在主电磁线圈38的正下方附近具有峰值那样的比较险峻的山形的曲线。
图3B示出在对最外侧的主电磁线圈42供给电流时自主磁体单元32延伸到处理空间S内的磁力线MFL的图形。在该情况下，自主磁轭34的位于比主电磁线圈42靠径向内侧的各部分的下表面、即自芯部44和圆筒部45、46、48、50的下端出去的磁力线MFL和自各棒状铁心74的下端出去的磁力线MFL一边以相对于中心轴线Z构成点对称的方式在铅垂面内描绘出U字状的环一边跨过主电磁线圈42的下方而向半径方向外侧延伸，并到达主磁轭34的位于比主电磁线圈42靠径向外侧的各部分的下表面、即圆筒部52的下端。并且，到达了圆筒部52的下端的各磁力线MFL在主磁轭34之中绕过衬板部54而返回到芯部44、圆筒部45、46、48、50以及棒状铁心74中的任意一者。
这样，在仅将主磁体单元32中的主电磁线圈42激励的情况下，如图4D所示，处理空间S内的磁场B的在半径方向上的水平成分强度(水平磁场强度)分布成为在主电磁线圈42的正下方附近具有峰值那样的比较险峻的山形的曲线。
在对其他的主电磁线圈36、40中的任意一个线圈供给电流时，与图3A或图3B同样地，也能够形成磁场B，在该磁场B中，穿过通电了的各主电磁线圈36、40的内侧的磁力线MFL以相对于中心轴线Z构成点对称的方式在铅垂面内描绘出U字状的环并通过处理空间S。并且，在仅对最内侧的主电磁线圈36进行通电的情况下，如图4A所示，处理空间S内的磁场B的在半径方向上的水平成分强度(水平磁场强度)分布成为在主电磁线圈36的正下方附近具有峰值那样的比较陡峭的山形的曲线。另外，在仅对自内侧起第3个(自外侧起第2个)主电磁线圈40进行通电的情况下，如图4C所示，处理空间S内的磁场B的在半径方向上的水平成分强度(水平磁场强度)分布成为在主电磁线圈40的正下方附近具有峰值那样的比较险峻的山形的曲线。
并且，在对主电磁线圈36、38、40、42中的两个以上线圈供给电流时，在处理空间S内，根据叠加原理而形成由对各线圈分别进行单独通电的情况下获得的矢量场合成的磁场B。在该情况下，如图4E所示，处理空间S内的磁场B的在径向上的水平成分强度(水平磁场强度)分布成为在中间部的主电磁线圈38、40的正下方附近具有峰值那样的平缓的山形的曲线或梯形形状的曲线。
在等离子体处理装置中，当在腔室的处理空间内存在磁场时，等离子体中的电子、特别是主等离子体(日文：バルクプラズマ)中的电子一边受到洛伦兹力而进行回旋运动(旋转运动)一边与气体分子反复碰撞，由此使单位时间内的电离碰撞次数增加而使等离子体的密度增加。在此，洛伦兹力取决于电子的速度与磁场之间的矢量积。在主等离子体内，电子的移动方向是随机的，因此，在磁场的朝向相同的位置，磁场的强度越大，基于洛伦兹力的电离碰撞增大效果或等离子体密度增大效果也变大。
在该实施方式的等离子体处理装置中，如上所述，通过在主磁体单元32中选择性地对主电磁线圈36、38、40、42中的1个以上的线圈进行通电，能够以较大的控制范围和自由度在径向上对处理空间S内的磁场B的水平成分强度(水平磁场强度)分布进行调整，进而能够以较大的控制范围和自由度在径向上对等离子体密度分布特性和蚀刻速率特性进行控制。
但是，如图4A～图4E所示，即使对主电磁线圈36、38、40、42中的任意一个线圈进行通电，在处理空间S的中心(中心轴线Z通过的位置)，磁场B的水平成分强度(水平磁场强度)实质上也为零，而铅垂成分强度(铅垂磁场强度)却达到峰值。因此，如图3A和图3B所示，在中心轴线Z附近，均匀地自铅垂的磁场B受到洛伦兹力的电子e一边以围绕中心轴线Z的方式进行回旋运动，一边沿着铅垂的磁力线在主等离子体中沿上下方向移动，若电子e在移动的中途遭遇气体分子，则会与气体分子相碰撞而使气体分子发生电离。在该情况下，电子在洛伦兹力的作用下被约束在中心轴线Z附近，并不向半径方向外侧扩散，因此，在中心轴线Z附近的电离碰撞次数变多，等离子体密度也在中心轴线Z上成为异常地突出的极大点。
这样，中心轴线Z的位置(中心位置)成为等离子体密度分布的特异点。这样的特异点会缩小铅垂磁场成分的强度分布的控制范围，进而损害等离子体密度分布的控制性。其结果，如图5示意性所示，在半导体晶圆W上的蚀刻速率特性中，容易在中心点产生陡峭的峰值。
在该实施方式中，利用以下详细叙述的辅助磁体单元70来简单且高效地解决了在单独使用主磁体单元32的情况下遗留的所述问题、即径向上的中心点成为等离子体密度或工艺特性的特异点这样的问题。
辅助磁体单元的结构和作用
图6和图7示出辅助磁体单元70的结构。在辅助磁体单元70中，将主磁轭34的芯部44用作辅助磁轭75，在比主磁体单元32的最内周的圆筒部45靠半径方向内侧的位置，将多个例如6个棒型电磁体72沿转圈方向以恒定间隔安装在辅助磁轭75的自中心轴线Z在半径方向上偏离规定距离r的位置。各个棒型电磁体72具有自辅助磁轭75的下表面向铅垂下方延伸的棒状的辅助铁心74和卷绕在该辅助铁心74上的辅助电磁线圈76。各辅助电磁线圈76的两端与电磁体激励电路56电连接。在控制部60的控制下，电磁体激励电路56能够以任意的励磁电流相对于主磁体单元32的主电磁线圈36、38、40、42独立地对各个棒型电磁体72的辅助电磁线圈76进行通电，并能够以任意的励磁电流对任意组合的一部分或全部的棒型电磁体72的辅助电磁线圈76同时进行通电。
在通常的使用形态中，如图6所示，将棒型电磁体72沿转圈方向二分割为相对的第1组和第2组(72A、72B)，使直流的励磁电流以恒定的电流值沿正向(沿顺时针方向)在被选为第1组的棒型电磁体72的辅助电磁线圈76中流动，使直流的励磁电流以相同的电流值沿逆向(沿逆时针方向)在被选为第2组的棒型电磁体72的辅助电磁线圈76中流动。由此，如图7所示，在第1组的棒型电磁体72A中，下端成为N极，上端成为S极。另一方面，在第2组的棒型电磁体72B中，下端成为S极，上端成为N极。
当从处理空间S侧看时，如图6所示，在转圈方向上被二分割的第1半周区间和第2半周区间内分别配置有第1组的棒型电磁体72A的全部N极和第2组的棒型电磁体72B的全部S极。另外，多对(在该情况下为3对)N极和S极还配置在相对于中心轴线Z分别构成点对称的位置。
图8示出在将主磁体单元32保持为非激励状态且仅将辅助磁体单元70激励的情况下在处理空间S中形成的磁场的磁力线的图形。在该情况下，自第1组的棒型电磁体72A的辅助铁心74的下端(N极)出去的磁力线MFL一边以相对于中心轴线Z构成点对称的方式在铅垂面内描绘出U字状的环一边水平地横穿中心轴线Z而到达相反侧(点对称)的第2组的棒型电磁体72B的辅助铁心74的下端(S极)。此时，基本上不存在相对于主磁轭34的圆筒部45、46、48、50、52进出的磁力线MFL。
图9示出在将主磁体单元32和辅助磁体单元70同时激励的情况下在处理空间S中形成的磁场的磁力线的图形。图示的例子是对主磁体单元32中的最外侧的主电磁线圈42供给电流的情况。在该情况下，在处理空间S内的各位置形成有由仅将主磁体单元32激励的情况下的矢量场(图3B)和仅将辅助磁体单元70激励的情况下的矢量场(图8)合成的磁场B。尤其是，在中心轴线Z上，由主磁体单元32生成的磁场的矢量(全部为铅垂成分或基本上为铅垂成分)与由辅助磁体单元70生成的磁场的矢量(全部为水平成分或基本上为水平成分)合成，从而得到具有有意的水平成分的倾斜的磁场。在对其他主电磁线圈36、38、40的一部分线圈或全部线圈供给电流的情况下，在中心轴线Z附近，也能够得到相同的合成磁场。
当如此将主磁体单元32和辅助磁体单元70同时激励而在处理空间S内形成在中心轴线Z上倾斜的磁场B时，在中心轴线Z附近存在的电子e自倾斜的磁场B受到洛伦兹力而一边进行回旋运动一边沿着磁力线MFL倾斜地移动，若电子e在移动的中途遭遇气体分子，则会与气体分子相碰撞而使气体分子发生电离。在该情况下，由于电子e沿着磁力线MFL倾斜地移动，因此，即使在距中心轴线Z较远的位置，也反复进行较多的电离碰撞。其结果，等离子体自中心轴线Z向半径方向外侧扩散，在等离子体密度分布中，中心点的峰值变低。由此，在半导体晶圆W上的蚀刻速率特性(图5)中，如假想线(单点划线)F所示，中心点的峰值也变低。
此外，如图9所示，在辅助磁体单元70中，不仅自第1组的棒型电磁体72A的辅助铁心74向处理空间S内发出磁力线MFL，还自第2组的棒型电磁体72B的辅助铁心74发出磁力线MFL。其原因在于，在第2组的棒型电磁体72B的辅助铁心74中，由主磁体单元32产生的磁通的密度也大于由辅助磁体单元70产生的磁通的密度，叠加的结果，自第2组的棒型电磁体72B的辅助铁心74的下端也发出磁力线MFL。
如上所述，在该实施方式的等离子体蚀刻装置中，通过将主磁体单元32和辅助磁体单元70一同激励，能够有效地消除在单独激励主磁体单元32的情况下遗留的问题、即在中心轴线Z附近出现的因铅垂磁场而导致的电子的约束或局域化现象，进而能够有效地抑制在等离子体密度分布中产生特异点。
实施方式的磁场分布模拟
为了确认所述实施方式的辅助磁体单元70的作用，本发明者通过利用计算机的计算(模拟)求出并对比了在仅将主磁体单元32激励的情况下的处理空间S内的磁场分布(矢量场)以及中心轴线Z附近的电子的轨道、和在将主磁体单元32以及辅助磁体单元70同时激励的情况下的处理空间S内的磁场分布(矢量场)以及中心轴线Z附近的电子的轨道。
在该模拟中，使上部电极26与晶圆W之间的距离间隔为40mm，使在上部电极26的表面上产生的离子鞘层(上部鞘层)和在晶圆W的表面上产生的离子鞘层(下部鞘层)的厚度分别为5mm。另外，使上部电极26的电位为0V，使施加于上部鞘层和下部鞘层的电压分别为100V，使下部电极14的电位为－200V。并且，对分别向主磁体单元32和辅助电磁线圈76供给的励磁电流的值进行了设定，使得主等离子体的中心(在比上部电极26低20mm的位置)处的磁场强度达到大约70G。在计算电子的轨道时，在中心轴线Z上，将24个电子配置于主等离子体的中心点(起始点)，使这些24个电子以2.65e6(m/s)(20ev)的初速度在X－Z面内向15°间隔的24个方位呈放射状发射，对一边进行回旋运动一边向上方或下方移动的电子的轨道进行计算。图12和图15的白线是将在50μsec的范围内每隔10nsec计算出的所述24个电子的轨道叠加而得到的。
图10～图12是仅将主磁体单元32激励的情况，图10示出处理空间S内的整体磁场分布(矢量场)，图11将图10的中心部放大表示，图12示出电子的轨道。
如图10和图11所示，中心轴线Z附近的磁场自上部电极26的下表面同样地铅垂延伸到晶圆W的上表面，矢量场相对于中心轴线Z的倾斜为0°。在该情况下，如图12所示，电子的轨道沿着中心轴线Z是铅垂的，电子一边以围绕中心轴线Z的方式进行回旋运动一边在主等离子体中沿上下方向移动。
图13～图15是将主磁体单元32和辅助磁体单元70同时激励的情况，图13示出处理空间S内的全部磁场分布(矢量场)，图14将图13的中心部放大表示，图15示出电子的轨道。
如图13和图14所示，对于中心轴线Z附近的磁场，其越靠近上部电极26，越以较大的角度倾斜，随着远离上部电极26(随着靠近晶圆W)，其倾斜角度变小。在中心轴线Z上，主等离子体的中心处的磁场的倾斜角度为7°。如图15所示，可知，对于该情况下的电子的轨道，电子自起始点向上部电极26侧移动时和自起始点向晶圆W侧移动时，电子均以与磁场大致相同角度倾斜地移动。
其他实施方式或变形例
本发明并不限定于所述实施方式，而能够在其技术思想的范围内进行各种变形。
例如，在辅助磁体单元70中，通过使在各个辅助电磁线圈76中流动的电流的朝向反转，能够使具有该辅助电磁线圈76的棒型电磁体72的N极和S极在上下方向上反转。也就是说，控制部60能够借助电磁体激励电路56来任意地选择是使各个棒型电磁体72为N极面向处理空间S的第1组的棒型电磁体72A还是使各个棒型电磁体72为S极面向处理空间S的第2组的棒型电磁体72B。
因而，如图16所示，通过以恒定的周期(Δt)依次使处于点对称的位置关系的一对第1组和第2组的棒型电磁体72A、72B反转(相互替换)，还能够使第1组的辅助电磁体72A(3个)和第2组的辅助电磁体72B(3个)沿转圈方向以所述周期(Δt)间歇地或连续地进行旋转移动。这样，通过使与处理空间S相对的辅助磁体单元70的磁极组(N极/S极)绕中心轴线Z沿转圈方向旋转，能够使与磁场相关的、对辅助磁体单元70的处理空间S内施加的作用在转圈方向上均匀，从而能够使等离子体密度分布在转圈方向上也实现均匀化。
作为另一变形例，在辅助磁体单元70中，也可以将棒型电磁体72替换为棒型的永磁体(省略图示)。另外，虽然辅助磁体单元70的作用会减半，但辅助磁体单元70也可以为仅具有第1组的棒型电磁体72A或者仅具有第2组的棒型电磁体72B的结构。
另外，作为与辅助磁体单元70的设置位置有关的变形例，也可以将辅助磁体单元70的各磁极(例如所述实施方式的棒型电磁体72)配置在主磁体单元32的主电磁线圈36～主电磁线圈42中的任意一个线圈的径向外侧。在该情况下，在中心轴线Z上，由主磁体单元32生成的磁场的矢量(全部为铅垂成分或基本上为铅垂成分)与由辅助磁体单元70生成的磁场的矢量(全部为水平成分或基本上为水平成分)合成，从而得到具有有意的水平成分的倾斜的磁场。
所述实施方式的电容耦合型等离子体蚀刻装置采用下部双频频率施加方式，将腔室12内的载置台(下部电极)14分别与等离子体生成用的第1高频电源18和吸引离子用的第2高频电源22相连接。但是，也可以将本发明应用于如下结构，即，将上部电极26与等离子体生成用的第1高频电源18电连接并将载置台(下部电极)14与吸引离子用的第2高频电源22电连接。
本发明并不限定于等离子体蚀刻装置，也能够应用于电容耦合型的等离子体CVD装置、等离子体氧化装置、以及等离子体氮化装置等。另外，本发明的被处理基板并不限定于半导体晶圆，也能够为平板显示器、有机EL、太阳能电池用的各种基板、光掩模、CD基板、印刷基板等。
附图标记说明
10、等离子体处理装置；12、腔室；14、载置台；26、上部电极(喷头)；30、处理气体供给部；32、主磁体单元；34、主磁轭；36、38、40、42、主电磁线圈；56、电磁体激励电路；60、控制部；70、辅助磁体单元；72A、第1组的棒型电磁体；72B、第2组的棒型电磁体；74、辅助铁心；75、辅助磁轭；76、辅助电磁线圈。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，其用于使处理气体的等离子体作用于被处理基板而对被处理基板施加处理，其中，
该等离子体处理装置包括：
处理容器，其用于以所述被处理基板能够出入的方式容纳所述被处理基板；
下部电极，其配置在所述处理容器内，用于载置所述被处理基板；
上部电极，其配置在所述处理容器内，隔着处理空间与所述下部电极相对；
高频电源，其用于向所述上部电极与所述下部电极之间施加高频电力；
主磁体单元，其在所述处理容器的上部或上方具有以在上下方向上穿过所述下部电极的中心的中心轴线为中心的1个或多个环状的主电磁线圈；以及
辅助磁体单元，其用于在所述处理空间内形成与所述中心轴线正交或倾斜交叉的磁场。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
所述辅助磁体单元具有在所述处理容器的上部或上方与所述处理空间相对的1个或多个磁极，该1个或多个磁极配置在比任意一个所述环状的主电磁线圈靠径向内侧或者比任意一个所述环状的主电磁线圈靠径向外侧的、自所述中心轴线偏离了的位置。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，
所述辅助磁体单元具有配置于相对于所述中心轴线构成点对称的位置且分别与所述处理空间相对的一对或多对N极和S极。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其中，
所述N极和所述S极分别配置于在转圈方向上被二分割成的第1区间和第2区间内。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的等离子体处理装置，其中，
所述辅助磁体单元具有：1个或多个棒型磁体，该1个或多个棒型磁体以使一个磁极面向所述处理空间的方式配置；以及辅助磁轭，其与所述棒型磁体的另一个磁极相结合。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其中，
各个所述棒型磁体具有：1个或多个棒状的辅助铁心，在自所述中心轴线在半径方向上偏离了恒定距离的位置，该1个或多个棒状的辅助铁心以使其顶端朝向所述处理空间的方式与所述中心轴线平行地延伸；以及辅助电磁线圈，其安装于各个所述辅助铁心。
7.根据权利要求1至4、6中任一项所述的等离子体处理装置，其中，
在所述辅助磁体单元中，使与所述处理空间相对的磁极绕所述中心轴线沿转圈方向旋转。
8.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其中，
在所述辅助磁体单元中，使与所述处理空间相对的所述磁极绕所述中心轴线沿转圈方向旋转。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体处理装置，其中，
将所述主磁体单元中的多个所述主电磁线圈呈同心圆状配置在相同高度位置。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体处理装置，其中，
所述主磁体单元具有主磁轭，该主磁轭覆盖各个所述主电磁线圈的除了下表面之外的内周面、外周面以及上表面。
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