CN1132930A - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种等离子体处理装置，它包括：真空容器、基板电极、放电线圈、高频电源、用导线连至放电线圈且用连接电缆连至高频电源的匹配电路；通过把高频电压施加至放电线圈，在真空容器内产生等离子体，从而处理基板电极上的基板；其特征在于，所述放电线圈一部分或全部制成多重涡形的放电线圈或多重螺旋形的放电线圈。具有放电线圈用匹配电路的匹配用并联线圈引起的电力效率降低小及温升小的优点。

Description

等离子体处理装置

本发明涉及在半导体及薄膜电路的制造过程中能用于干蚀刻、溅射、等离子体CVD等的等离子体处理装置，尤其涉及高频感应耦合方式的等离子体处理装置。

近年来，相应于半导体元件的微细化，为了在干蚀刻技术中实现线条长宽比大的加工，或为了在等离子体CVD技术中实现线条长宽比大的埋入等，要求在较高的高真空中进行等离子体处理。

例如，在干蚀刻的场合，若在高真空中产生高密度等离子体，由于在基板表面形成的离子层(ィオンシ-ス)中，离子与中性自由基(ラジカル)粒子碰撞的几率减少，离子的方向性朝基板集中，且由于电离度高，到达基板的离子相对于中性自由基的入射粒子束的比例变大。由此，通过在高真空中产生高密度等离子体，蚀刻各向异性提高，可进行线条长宽比大的加工。

又，在等离子体CVD场合中，若在高真空中产生高密度等离子体，则借助离子的溅射效果，起细微线条埋入和平坦化的作用，可进行线条长宽比大的埋入。

参照图7说明以往的通常平行平板型的等离子体处理装置的构成。图7中，其构成是：在真空容器3内配设载置基板5的基板电极4和与该电极相对的电极30，由电极用高频电源6在电极5、30之间施加高频电压，使真空容器3内产生等离子体。再者，电极用匹配电路7是用于使负荷阻抗与电极连接用电缆8的特性阻抗相匹配的电路。

在这种方式中，由于随着真空度变高，电子和离子的碰撞几率减小，高真空中难于产生高密度等离子体，不能得到足够的处理速度，而若过分加大高频电压来提高等离子体密度，则离子能量变大，蚀刻选择比变低，对基板造成损害。

对于这种平行平板型的等离子体处理装置，作为一种在高真空中能产生高密度等离子体的等离子体处理装置，有通过把高频电压施加至放电线圈而在真空容器内产生等离子体的高频感应耦合方式的等离子体处理装置。该方式的等离子体处理装置，在真空容器内产生高频磁场，通过该高频磁场在真空容器内产生感应电场，对电子加速，从而产生等离子体，若线圈的电流大，即使在高真空中也能产生高密度等离子体，能得到足够的处理速度。

作为高频感应耦合方式的等离子体处理装置，目前公知的主要有图8所示的平板型和图9所示的圆筒型。在图8、图9中，31是平板形放电线圈，32是圆筒形放电线圈，9是放电线圈用高频电源，10是放电线圈用匹配电路，11是放电线圈用连接电缆。用导线12把放电线圈用匹配电路10和放电线圈31、32相连接。又，真空容器3、基板电极4、基板5、电极用高频电源6、电极用匹配电路7、电极用连接电缆8均与图7相同。

图8、图9中，一边在真空容器3内导入适当的气体，一边进行排气，使真空容器3内保持适当的压力，如果通过放电线圈用高频电源9，把高频电压施加至放电线圈31、32，则在真空容器3内产生等离子体，能对载置在基板电极4上的基板5进行蚀刻、堆积、表面改质等等离子体处理。此时，如图8、图9所示，由电极用高频电源6把高频电压也施加至基板电极4上，从而能控制到达基板5的离子能量。

但是，在图8、图9所示以往的方式中，放电线圈用匹配电路10内的电力损耗大，存在不仅电力效率低而且产生放电线圈用匹配电路10的温度上升的问题。

下面作详细说明，图10是典型的放电线圈用匹配电路1 0的电路图。13是输入端，14、15是可变电容器，16是匹配用串联线圈。通过反馈控制可变电容器14、15的电容量，能够与负荷阻抗的微小变动相对应。必须根据负荷阻抗的大小，变动匹配用串联线圈16的匝数或跳掉匹配用串联线圈16，***固定电容器17或18。又，19是输出端。

图11是史密斯圆图，斜线部分表示示于图10的放电线圈用匹配电路10的匹配范围。不言而喻，根据放电线圈用匹配电路10内各元件的常数，图11所示的匹配范围也会变化，这里例示典型的场合。曲线A表示在放电线圈31或32的阻抗的复数表征中，其虚数部分为放电线圈用连接电缆11的特性阻抗5倍时的放电线圈31或32的特性阻抗。由图11显见，曲线A的大部分脱离匹配范围。

因此，在放电线圈用匹配电路10中，如图12所示，连接匹配用并联线圈20，它具有与放电线圈31或32的阻抗复数表征虚数部分相同的阻抗，这时，从可变电容器15的负荷侧端子观察负荷所得的阻抗，其虚数分量为曲线A的一半(即，放电线圈用连接电缆11的特性阻抗的2.5倍)，以图11的曲线B表示。通常，由于放电线圈31或32的阻抗的实数分量极小，曲线B的一部分(实数分量为放电线圈用连接电缆11的特性阻抗的1.3倍以下的大部分范围)位于匹配范围内，所以说明通过采用匹配用并联线圈20，能达到匹配。

在上述说明中，虽然是对匹配用并联线圈20的阻抗与放电线圈31或32的阻抗相同的情况进行叙述，但在放电线圈31或32的阻抗大的场合，如果不使匹配用并联线圈20的阻抗相当小，则不能达到匹配。又，放电线圈31或32的阻抗即使不是那末大，若从可变电容器15的负荷侧端子观察负荷侧所得的阻抗的虚数分量越小则匹配边限越宽，因此希望尽可能使匹配用并联线圈20的阻抗小。在这种情况下，由于电路上匹配用并联线圈20与放电线圈31或32并联连接，通过匹配用并联线圈20流过比放电线圈31或32均大的电流。因而，匹配用并联线圈20的阻抗的实数分量即使是小的值，其中的电力损耗也不能忽视，同时也使电力效率降低。且，由于该电力损耗等价于匹配用并联线圈20的发热量，引起放电线圈用匹配电路10内升温。

又，在平板型高频感应耦合方式等离子体处理装置的场合，要想真空容器3中基板面内均匀性良好地产生等离子体，放电线圈31的大小必须至少与基板5的大小相同。作为放电线圈31的形状，可以考虑采用图13所示的1匝线圈。一般，线圈的直径越大其电感越大，结果，在基板5大时，放电线圈31的电感也不得不变大。又，尤其若要改善基板面内等离子体的均匀性，放电线圈31的形状最好如图14所示作成涡形线圈。若比较单匝线圈与涡形线圈，假定放电线圈31的最大外径相同，则涡形线圈自然电感大。在申请人的测定中，在一定放电条件下，使直径150mm内的等离子体密度的均匀性为3％以内的涡形放电线圈31的电感为1.1μH。因为放电线圈用高频电源9的频率为13.56MHZ时，放电线圈31的阻抗的虚数分量为94Ω，为放电线圈用连接电缆11的特性阻抗的一般值50Ω的2倍稍差一些。若是这一程度的值，即使没有匹配用并联线圈20，也可能取得匹配。然而，如前所述，若考虑匹配的余量，从匹配边限的观点来看，希望***0.5-1μH程度的线圈作为匹配用并联线圈20。

可是，由于放电线圈31的阻抗与频率成正比，例如，放电线圈用高频电源9的频率为40MHZ时，上述1.1μH的放电线圈31的阻抗为276Ω(＝50Ω×5.5)，为了取得匹配，不可没有匹配用并联线圈20。

又，在基板5大且批量处理时，为了产生在大面积中均匀的等离子体，当然必须使放电线圈31作大，即使线圈用高频电源9的频率为13.56MHZ，放电线圈31的阻抗也往往高达数百Ω。此时，为了得到匹配，也不可没有匹配用并联线圈20。

因此，作为能在大面积中产生均匀等离子体且能使放电线圈31的阻抗小的放电线圈构成，考虑图15所示并联连接多个涡形线圈的方法。但是，如果构成这样的放电线圈，由于相邻线圈相互建立的高频磁场有部分抵消，因此产生不能得到足够的等离子体密度的问题。根据申请人的测量，同采用一个1.3μH的涡形线圈的场合比较，在采用四个相同的涡形线圈并联连接时，放电线圈总的电感为0.51μH，相对减小59％，等离子体密度降低11％。

圆筒型高频感应耦合方式等离子体处理装置的场合，由于在真空容器3外侧配置螺旋形放电线圈32，采用至少与真空容器3外形相同大小的螺旋形放电线圈32。因而，与平板型高频感应耦合方式等离子体处理装置相比，通常放电线圈32的电感变大。于是，为了取得匹配，或确保匹配边限，多数情况需要匹配用并联线圈20。在申请人的测定中，圆筒直径300mm时，螺旋形放电线圈2的电感为1.8μH(＝150Ω、13.56MHZ)。

由上所述可见，由于处理面积大型化、施加频率的高频化而引起的放电线圈31或32的电感增大，或为了扩大匹配边限，需要采用匹配用并联线圈20，若采用匹配用并联线圈20，尤其在该线圈阻抗虚数分量小时，其中必然产生电力损耗，同时，降低电力效率。又，因为该电力损耗等价于匹配用并联线圈20的发热量，所以存在引起放电线圈用匹配回路10内升温的问题。

本发明为了克服上述问题，其目的在于提供一种感应耦合方式的等离子体处理装置，它不必特别采用阻抗虚数分量小的线圈作为匹配用并联线圈，或者不需要匹配用并联线圈，因而电力效率降低小，放电线圈用匹配电路的温升小。

本申请第1发明的等离子体处理装置备有：真空容器、基板电极、放电线圈、高频电源、用导线连至放电线圈且用连接电缆连至高频电源的匹配电路；通过把高频电压施加于放电线圈，在真空容器内产生等离子体，从而处理基板电极上的基板；其特征在于，所述放电线圈的一部分或全部制成多重涡形。

本申请的第2发明的等离子体处理装置备有：真空容器、基板电极、放电线圈、高频电源、用导线连至放电线圈且用连接电缆连至高频电源的匹配电路；通过施加高频电压至放电线圈，在真空容器内产生等离子体，从而处理基板电极上的基板；其特征在于，放电线圈的一部分或全部制成多重螺旋形。

放电线圈最好其阻抗复数表征的虚数部分为连接电缆特性阻抗的5倍以下。

根据本申请的第1及第2发明的等离子体处理装置，由于放电线圈的一部分或全部为多重涡形或螺旋形，能使放电线圈的阻抗变小，其结果是，即使不特地采用阻抗虚数分量小的匹配用并联线圈，也能取得匹配。因而，能提供电力效率降低小、放电线圈用匹配电路温升小的感应耦合方式等离子体处理装置。

又，如果使放电线圈阻抗复数表征的虚数分量为连接电缆特性阻抗5倍以下，即使不采用匹配用并联线圈，也能获得匹配，因而能提供不产生电力效率降低及放电线圈用匹配电路温升的感应耦合方式等离子体处理装置。

图1是表示本发明第1实施例的等离子体处理装置的放电线圈形状的平面图。

图2是表示本发明第2实施例的等离子体处理装置的放电线圈形状的斜视图。

图3是表示本发明另一实施例的放电线圈形状的平面图。

图4是表示本发明再一实施例的放电线圈形状的平面图。

图5是表示本发明又一实施例的放电线圈形状的斜视图。

图6是表示本发明其它实施例的放电线圈形状的斜视图。

图7是例示以往的平行平板型等离子体处理装置的构成图。

图8是例示以往的平板型高频感应耦合方式等离子体处理装置的构成图。

图9是例示以往的圆筒形高频感应耦合方式等离子体处理装置的构成图。

图10是典型的放电线圈用匹配电路的构成图。

图11是表示图10的匹配电路匹配范围的史密斯圆图。

图12是采用匹配用并联线圈的放电线圈用匹配电路的构成图。

图13是详细表示以往放电线圈例子的平面图。

图14是详细表示以往放电线圈其它例子的平面图。

图15是详细表示以往放电线圈另一例子的平面图。

图16是表示本发明其它实施例等离子体处理装置的放电线圈形状的平面图。

图17是表示本发明其它实施例的等离子体处理装置放电线圈形状的平面图。

图18是表示本发明其它实施例的等离子体处理装置的平面图。

图19是图18的等离子体处理装置放电线圈的侧面图。

图中，1是多重涡形放电线圈，2是多重螺旋形放电线圈，3是真空容器，4是基板电极，5是基板，9是放电线圈用高频电源，10是放电线圈用匹配电路，11是放电线圈用连接电缆，12是导线，20是匹配用并联线圈。

下面，参照图1和图8说明本发明第1实施例的等离子体处理装置。又，等离子体处理装置的总体构成与参照图8对以往例子的说明相同，可加以援用，在此省略其说明。

在本实施例中，用图1所示的多重涡形放电线圈1代替图8的放电线圈31。该放电线圈1是把4个涡形放电线圈1a在中心部结合成一个，并在圆周方向等间隔配列而成，中心部连接高频电源9，外周端分别接地。

在这样构成的等离子体处理装置中，如测定氩流量为30SCCM、压力为10m Torr、放电线圈用高频电源9及基板电极用高频电源6的频率为13.56MHZ、投入电力分别为1000W、300W时的放电线圈1的阻抗，则为1.5Ω＋j51Ω。又，放电线圈用连接电缆11使用特性阻抗为50Ω的电缆，因此放电线圈1的阻抗的虚数分量大致等于放电线圈用连接电缆11的特性阻抗。于是，由图11的斯密史圆图可知，即使不用匹配用并联线圈20，也能达到匹配，而且能确保充分的匹配边限。又，等离子体密度的面内均匀性在直径150mm内为3％以下，作为等离子体的密度，与以往例子所示的平板型放电线圈31(图14)的场合没有大的差别。在以往例子所示的平板型放电线圈31的场合下，由于放电线圈的阻抗的虚数分量是94Ω，在本实施例中，与以往的例子比较，一方面能得到同等的等离子体，另一方面又能把放电线圈阻抗的虚数分量抑制到其值为以往例的54％。

又，把放电线圈用高频电源9的频率改变为40MHZ进行实验时，在以往的涡形放电线圈31的场合下，没有匹配用并联线圈20，不能取得匹配，但在多重涡形放电线圈1中，其阻抗的虚数分量为150Ω(＝50Ω×3)，所以不采用匹配用并联线圈20，也能获得匹配。为了确保匹配边限较宽，也可以采用匹配用并联线圈20，但确保相同程度边限所需要的匹配用并联线圈20的阻抗，在采用多重涡形放电线圈1时远比以往大，匹配用并联线圈20上的电力损耗也远比以往小。再者，多重涡形放电线圈1的阻抗虚数分量为250Ω(＝50Ω×5)，是在电源频率为67MHZ情况下的值，所以若忽略匹配边限，对60MHZ程度以下的频率，用图1的多重涡形放电线圈1，没有匹配用并联线圈20也能匹配。

在图1中，通过放电线圈中心A0的直线与构成放电线圈1的导线(放电线圈1a)在交点A1、A2、A3……An处交叉，中心点A0与交点A1间的间隔比其它交点A1、A2、A3……An间的任一间隔大。若制成这种构成，与不用这种构成的场合相比，能显著提高等离子体密度的基板面内的分布。即，为了达到该效果，最好构成放电线圈中心侧的上述放电线圈的导线的相邻导线的间隔比构成放电线圈周边侧的放电线圈的相邻导线的间隔大。

下面，参照图2和图9说明本发明的第二实施例。又，等离子体处理装置的总体构成与参照图9对以往例子的说明相同，在此援引，省略其具体说明。

在本实施例中用图2所示的多重螺旋形放电线圈2代替图9的放电线圈32。该放电线圈2把4个螺旋形放电线圈2a在周向等间隔排列，其两端连接至环状线圈2b、2c，一方的环状线圈2b接高频电源9，另一方环状线圈2c接地。

在这样构成的等离子体处理装置中，如果测定氩流量为30SCCM、压力为10m Torr、放电线圈用高频电源9及基板电极用高频电源6的频率为13.56MHZ、投入电力分别为1000W、300W时的放电线圈2的阻抗，该阻抗为1.8Ω＋j79Ω。又，由于放电线圈用连接电缆11使用特性阻抗为50Ω的电缆，放电线圈2的阻抗虚数分量为放电线圈用连接电缆11的特性阻抗的1.6倍。于是，用图11的斯密史圆图可知，即使不用匹配用并联线圈20，也能取得匹配，且能确保足够的匹配边限。即使等离子体密度，也与以往例子中所示圆筒形放电线圈32场合下没有大的差别。在示于以往例子的圆筒形放电线圈32的场合下，由于放电线圈的阻抗的虚数分量是150Ω，该实施例与以往例子比较，一方面可得到同等的等离子体，另一方面又能把放电线圈的阻抗虚数分量抑制到其值为以往例的53％。

又，把放电线圈用高频电源9的频率改变为27MHZ进行实验时，以往的圆筒形放电线圈32的场合下，没有匹配用并联线圈20不能获得匹配，但在多重螺旋形放电线圈2中，由于其阻抗的虚数分量为158Ω(＝50Ω×3.2)，不采用匹配用并联线圈20也能获得匹配。为了确保匹配边限较宽，也可以使用匹配用并联线圈20，但确保相同程度边限所需的匹配用并联线圈20的阻抗，采用多重螺旋形放电线圈2时比以往远为大，匹配用并联线圈20中的电力损耗也远比以往小。又，由于多重螺旋形放电线圈2的阻抗虚数分量为250Ω(＝50Ω×5)，是在电源频率为43MHZ情况下的值，若忽略匹配边限，对于40MHZ程度以下的频率，用图2的多重螺旋形放电线圈2，没有匹配用并联线圈20也能匹配。

在上述实施例中，放电线圈的形状不限于上述这些。例如，涡形线圈、螺旋形线圈的多重度即使不是4也行，不管多少重，多重度越高，放电线圈的阻抗越小，可与更大的处理面积、更高的电源频率相适应。又，不一定要放电线圈全部为多重涡形或多重螺旋形。图3、图4、图5、图6所示的放电线圈一部分是多重涡形或多重螺旋形也可以。

在图3的例子中，中心部用多重涡形线圈1构成，各涡形线圈1a的外端连接环状线圈1b、其外侧连接通常的涡形线圈1c。在图4的例子中，外周部用多重涡形线圈1构成，各涡形线圈1a的内周端连接环状线圈1d，其外侧连接通常的涡形线圈1e。

在图5的例子中，通常的螺旋形线圈2d连接至多重螺旋形线圈2的下部。在图6的例子中，通常的螺旋形线圈2d、2e连接至多重螺旋形线圈2的上部和下部两方面。

在图1的放电线圈中，同一形状的四个涡形导线(放电线圈1a-1a)的中心侧的端部相互形成90度角在中心A0连接，放电线圈1相对中心为对称的，但并不限于这种构成。即，例如如图1 6所示，具有不同形状的涡形放电线圈101a、101b、101c、101d在放电线圈101的中心加以连接也可以。又，如图17所示，放电线圈102a、102b、102c、102d的中心侧的端部相互在放电线圈102的中心以任意角度连接也可以。这些放电线圈101、102相对于中心呈非对称。再者，如图18、19所示，放电线圈103构成为立体吊钟形(钓η鐘形)也可以。

又，在上述实施例中，放电线圈数不限于四个，二个也可以。又，接地端不限于放电线圈的外周端，中心端接地也可以。

根据本申请的第1及第2发明的等离子体处理装置，由上述可知，通过放电线圈的一部分或全部做成多重涡形或螺旋形，能使放电线圈的阻抗变小，其结果是，即使不特别采用阻抗虚数分量小的匹配用并联线圈，也能获得匹配。因而，能提供电力效率降低小、放电线圈用匹配电路温升小的感应耦合方式的等离子体处理装置。

又，若使放电线圈阻抗复数表征的虚数成分为连接电缆特性阻抗5倍以下，则即使不采用匹配用并联线圈也能获得匹配，因而能提供不产生电力效率降低、放电线圈用匹配电路升温问题的感应耦合方式的等离子体处理装置。

Claims (7)

1.一种等离子体处理装置，包括：真空容器、基板电极、放电线圈、高频电源、用导线连至放电线圈且用电缆连至高频电源的匹配电路；通过施加高频电压至放电线圈，在真空容器内产生等离子体，从而处理基板电极上的基板；其特征在于，所述放电线圈一部分或全部制成多重涡形。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述放电线圈多重涡形相对于中心为对称的。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述放电线圈多重涡形相对于中心为非对称的。

4.如权利要求1至3中任一所述的等离子体处理装置，其特征在于，构成放电线圈中心侧的上述放电线圈导线的相邻导线的间隔比构成放电线圈周边侧导线的相邻间隔大。

5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述放电线圈构成立体吊钟形状。

6.一种等离子体处理装置，包括：真空容器、基板电极、放电线圈、高频电源、用导线连至放电线圈且用连接电缆连至高频电源的匹配电路；通过把高频电源施加至放电线圈，在真空容器内产生等离子体，从而处理基板电极上的基板；其特征在于，所述放电线圈的一部分或全部制成多重的螺旋形。

7.如权利要求1至6中任一所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述放电线圈其阻抗复数表征的虚数分量是连接电缆特性阻抗的5倍以下。

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