TWI488236B - Focusing ring and plasma processing device - Google Patents

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TWI488236B
TWI488236B TW101115977A TW101115977A TWI488236B TW I488236 B TWI488236 B TW I488236B TW 101115977 A TW101115977 A TW 101115977A TW 101115977 A TW101115977 A TW 101115977A TW I488236 B TWI488236 B TW I488236B
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Akira Koshiishi
Hideaki Tanaka
Nobuyuki Okayama
Masaaki Miyagawa
Shunsuke Mizukami
Wataru Shimizu
Jun Hirose
Toshikatsu Wakaki
Tomonori Miwa
Jun Ooyabu
Daisuke Hayashi
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Tokyo Electron Ltd
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Description

聚焦環及電漿處理裝置
本發明係關於被配置在處理室內之用來對半導體基板等的基板，施行蝕刻處理等的規定的電漿處理之聚焦環及電漿處理裝置。
以往，蝕刻處理裝置等的電漿處理裝置，例如常用於半導體裝置的微細電路的製程等之中。
如此的電漿處理裝置，係將半導體晶圓等的被處理基板配置在被構成可以將其內部氣密地密封之處理室內，並在此處理室內產生電漿，使此電漿作用在被處理基板上，而可以施行蝕刻等的電漿處理。
又，在如此的電漿處理裝置內，配置可以包圍被處理基板亦即半導體晶圓的周圍之被稱為聚焦環的環狀構件。此聚焦環的設置目的為：封閉電漿、及緩和半導體晶圓面內之由於偏壓的沿面效果所造成的不連續性，使得在半導體晶圓的周邊部也可以與中央部同樣地進行均勻且良好的處理。
上述的聚焦環，已知有：配置成可以圍住半導體晶圓，並使電介質接近電漿之情況下，使電漿在上方軸方向位移，利用電漿遠離下部電極，使得電漿中的反應種不會集中於下部電極周邊，來降低半導體晶圓周邊部的處理速度(例如參照專利文獻1)。
又，如上所述，由於聚焦環的目的之一在於緩和偏壓的不連續性，所以使聚焦環的表面(頂面)與要進行處理的半導體晶圓的處理面大致成為相同的平面，也就是說，係使聚焦環的表面(頂面)和半導體晶圓的處理面，其高度大約相同。又，以往已知有使聚焦環的表面(頂面)比半導體晶圓的處理面高、或是藉由選擇其材質來緩和偏壓的不連續性之試驗(例如參照專利文獻2)。
【專利文獻1】日本特表2001-516948號公報(第13-41頁、第1-7圖)
【專利文獻2】日本特表2003-503841號公報(第12-22頁、第2-6圖)
如上所述，就以往的電漿處理裝置而言，聚焦環被使用，而藉由使用此種聚焦環，以謀求處理均勻性的提高。
第15圖係表示習知的聚焦環的一例，如該圖所示，在兼作為下部電極的載置台100上，為了可以包圍作為被處理基板的半導體晶圓W的周圍，例如配置著由矽等的導電性材料而被形成環狀的聚焦環101。
而且，在第15圖所示的例子之中，聚焦環101的頂面的高度，係設定成與半導體晶圓W的處理面(表面)的高度大約相同；結果，聚焦環101上方的電場，變成大致與半導體晶圓W的表面上方的電場相同，由於偏壓的沿面效果所造成的不連續性被緩和，如圖中的虛線所示，在半導體晶圓W的上方和聚焦環101的上方，大約相同高度的電漿鞘(plasma sheath)被形成。藉由如此的電漿鞘，如圖中的箭頭所示，即使在半導體晶圓W的邊緣部，離子也對半導體晶圓W的表面垂直地入射。
然而，使用上述構成的聚焦環101的情況，在半導體晶圓W的周邊部(邊緣部)的背面側，會發生由CF系聚合物等所組成的附著物附著之所謂的沉積。
當詳查如此的沉積的原因時，使用上述構成的聚焦環101的情況，由於半導體晶圓W和聚焦環101大約相同電位，所以如第16圖的擴大圖，在半導體晶圓W的周邊部(邊緣部)和聚焦環101的內周部之間，以圖中的虛線來表示其電力線之電場被形成。因此，如圖中的實線的箭頭所示，電漿變成可以從半導體晶圓W的周邊部(邊緣部)和聚焦環101的內周部之間的中間部分，容易地侵入半導體晶圓W的背面側的狀態；由於侵入此半導體晶圓W的背面側之電漿，在半導體晶圓W的周邊部(邊緣部)的背面側，沉積會發生一事也被推測出來。
本發明係為了處理此種習知的問題點而開發出來，其目的在於提供一種聚焦環及電漿處理裝置，即使在半導體晶圓的周邊部，也能夠進行與半導體晶圓的中央部同樣地進行良好且均勻的處理，不但能夠提高處理的面內均勻性，並且相較於習知技術，可以減少對半導體晶圓的周邊部背面側之沉積的發生。
亦即，申請專利範圍第1項的發明，係一種聚焦環，針對被配置在用來收容被處理基板並施以規定的電漿處理之處理艙內之載置著前述被處理基板的下部電極上，且可以包圍前述被處理基板的周圍之形態的環狀聚焦環，其特徵為：具備：由電介質所形成的下側構件；及被配置在此下側構件的上部，由導電性材料所形成的上側構件；前述上側構件，其頂面係被形成其外周側比內周側高的傾斜部，且該傾斜部的外周側端部，係被構成至少位於比前述被處理基板的被處理面更高的位置，並被配置成與前述被處理基板的周邊部隔開規定的間隔；相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在0<h≦6mm的範圍內，在前述下部電極和前述下側構件之間，設置導電性構件。
又，申請專利範圍第2項的發明，係針對申請專利範圍第1項所述的聚焦環，其中前述導電性構件，係由矽或矽橡膠所構成。
又，申請專利範圍第3項的發明，係針對申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述傾斜部的外周側，係作成比前述被處理基板的被處理面更高的平坦部。
又，申請專利範圍第4項的發明，係針對申請專利範 圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述導電性材料，係矽、碳或SiC。
又，申請專利範圍第5項的發明，係針對申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在2≦h≦4mm的範圍內。
又，申請專利範圍第6項的發明，係針對申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述上側構件的縱剖面中的傾斜部的水平方向的長度l，係被構成在0.5mm≦l≦9mm的範圍內。
又，申請專利範圍第7項的發明，係針對申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述上側構件和前述被處理基板的周邊部之間的規定間隔C1，係被構成在0.3mm≦C1≦1.5mm的範圍內。
又，申請專利範圍第8項的發明，係針對申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述下側構件，係使電漿和前述下部電極高頻結合，並且對於被施加在下部電極上的高頻，使阻抗增加。
又，申請專利範圍第9項的發明，係一種電漿處理裝置，其特徵係具備：處理艙，此處理艙係用來收容被處理基板，並施行規定的電漿處理；下部電極，此下部電極係被設置在前述處理艙內，並載置著前述被處理基板； 下側構件，此下側構件係由電介質所形成，為環狀的構件，並被配置在前述下部電極上，且可以包圍前述被處理基板的周圍；以及上側構件，此上側構件係被配置在前述下側構件的上部，而由導電性材料所形成的環狀構件，在其頂面形成其外周側比內周側高的傾斜部，且該傾斜部的外周側端部，係被構成至少位於比前述被處理基板的被處理面更高的位置，並被配置成與前述被處理基板的周邊部隔開規定的間隔；相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在0<h≦6mm的範圍內，在前述下部電極和前述下側構件之間，設置導電性構件。
又，申請專利範圍第10項的發明，係針對申請專利範圍第9項所述的電漿處理裝置，其中前述導電性構件，係由矽或矽橡膠所構成。
又，申請專利範圍第11項的發明，係針對申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件的前述傾斜部的外周側，係作成比前述被處理基板的被處理面更高的平坦部。
又，申請專利範圍第12項的發明，係針對申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述導電性材料，係矽、碳或SiC。
又，申請專利範圍第13項的發明，係針對申請專利 範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在2≦h≦4mm的範圍內。
又，申請專利範圍第14項的發明，係針對申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件的縱剖面中的傾斜部的水平方向的長度l，係被構成在0.5mm≦l≦9mm的範圍內。
又，申請專利範圍第15項的發明，係針對申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件和前述被處理基板的周邊部之間的規定間隔C1，係被構成在0.3mm≦C1≦1.5mm的範圍內。
又，申請專利範圍第16項的發明，係針對申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述下側構件，係使電漿和前述下部電極高頻結合，並且對於被施加在下部電極上的高頻，使阻抗增加。
(實施發明的最佳形態)
以下，參照圖面來詳細地說明本發明的實施形態。
第1圖係模式地表示關於本發明的實施形態之電漿處理裝置(蝕刻裝置)全體的概略構成；在此圖中，符號1係表示圓筒狀的處理艙(真空艙)；此處理艙，其材質例如係由鋁等所形成，被構成可以氣密地閉塞其內部，而構成處理室。
在前述真空艙1的內部，設置載置台2，此載置台2係由例如鋁等的導電性材料構成塊狀，並兼作為下部電極。
此載置台2，經由陶瓷等的絕緣板3而被支持在真空艙1內；在載置台2的半導體晶圓W載置面，設置用來吸著保持半導體晶圓W之未圖示的靜電夾盤。
又，在載置台2的內部，設置：熱媒體流路4，此流路係用來使作為溫度控制的熱媒體之絕緣性流體循環；以及氣體流路5，此流路係用來將氦氣等的溫度控制用氣體供給至半導體晶圓W的背面。
而且，藉由在熱媒體流路4內，使被控制在規定溫度的絕緣性流體循環，將載置台2控制在規定溫度；並且，經由氣體流路5將溫度控制用的氣體供給至此載置台2和半導體晶圓W的背面之間，以促進其間的熱交換，而能夠精度佳且有效率地將半導體晶圓W控制在規定溫度。
又，高頻電源(RF電源)7經由匹配器6連接至載置台2，而可以自高頻電源7供給規定頻率的高頻電力。
進而，在載置台2的上側周邊部，設置聚焦環8。此聚焦環8，係由：以電介質(例如石英、氧化鋁等的陶瓷、VESPEL(登錄商標)等的樹脂)所形成的環狀的下側構件9；及被配置在此下側構件9的上部，而由導電性材料(例如矽、碳、SiC等)所形成的環狀的上側構件10所 構成；並且被載置成可以包圍被處理基板亦即半導體晶圓W的周圍。
上述上側構件10，如第2圖所示，其頂面的外周側，被作成比半導體晶圓W的被處理面更高的平坦部10a；而此平坦部10a的內周部，係被作成其外周側比內周側高而傾斜的傾斜部10b。又，上側構件10被配置在上側構件10和半導體晶圓W的周邊部之間，使得間隔C1被形成。再者，在第2圖中，P係表示電漿；而就聚焦環8的部分而言，載置台(下部電極)2，對於自高頻電源被施加的高頻電力，介由下側構件9被高頻結合，且藉由下側構件9(電介質)介於其間，對於此高頻，阻抗增加。
在此，說明關於聚焦環8被作成上述構成的理由。如前所述，如第15圖、第16圖所示，聚焦環101，由於半導體晶圓W和聚焦環101大約相同電位，所以起因於該電場的狀態，電漿變成容易繞進半導體晶圓W的端部背面側。
因此，如第17圖所示，使用將導電性環112載置在電介質環111的上部之構成的聚焦環110，而在半導體晶圓W和導電性環112之間設置電位差，如圖中的虛線的箭頭所示，形成其電力線自半導體晶圓W的端部朝向導電性環112之電場。於是，藉由此電場，已知可以抑制電漿繞進半導體晶圓W的端部背面側之情況。
然而，使用上述構成的聚焦環110的情況，如第17圖的虛線所示，由於在半導體晶圓W的上方所產生的電 漿鞘(plasma sheath)、及被形成在聚焦環110上的電漿鞘的厚度相異，所以在半導體晶圓W的周邊部，電場傾斜，因而自上方朝向半導體晶圓W的面碰撞的離子進入角度，發生傾斜，蝕刻傾斜地進行而發生蝕刻處理的均勻性降低的問題。
因此，在本實施形態中，係藉由採用上述構成的聚焦環8，一邊抑制電漿繞進半導體晶圓W的端部背面側，一邊抑制在半導體晶圓W的周邊部的電場傾斜，來抑制蝕刻處理的均勻性降低的情況。
又，在上述聚焦環8的外側，設置被構成環狀並形成有多數個排氣口之排氣環11；經由此排氣環11，藉由與排氣口12連接之排氣系統13的真空泵等，構成可以進行真空艙1內的處理空間的真空排氣。
另一方面，在載置台2上方的真空艙1的天花板部分，噴灑頭14係被設置成與載置台2平行地面對面；這些載置台2和噴氣頭14，係發揮作為一對電極(上部電極和下部電極)的功能。又，高頻電源16經由匹配器15連接至此噴氣頭14。
上述噴氣頭14，在其底面設置多數個氣體吐出口17，且在其上部具有氣體導入部18。而且，在其內部形成氣體擴散用空隙19。氣體供給配管20連接至氣體導入部18，而氣體供給系統21則連接至此氣體供給配管20的另一端。此氣體供給系統21，係由用來控制氣體流量之質量流量控制器(MFC)22、用來供給例如蝕刻用的處理氣體等之處理氣體供給源23等所構成。
接著，說明關於藉由上述般地構成的蝕刻裝置所進行的蝕刻處理的順序。
首先，使被設置在真空艙1內之未圖示的閘閥開放，經由被配置成鄰接此閘閥之加載互鎖真空室(未圖示)，藉由搬送機構(未圖示)將半導體晶圓W搬入真空艙1內，並載置於載置台2上。並且，使搬送機構退避至真空艙1外之後，關閉閘閥。
之後，一邊藉由排氣系統13的真空泵，通過排氣口12，將真空艙1內部排氣至規定的真空度，一邊自處理氣體供給源23將規定的處理氣體供給至真空艙1內。
而且，在此狀態下，自高頻電源7供給頻率較低的規定的高頻電力、自高頻電源16供給頻率較高的高頻電力，以產生電漿，來進行藉由電漿之半導體晶圓W的蝕刻。
而且，若實行規定的蝕刻處理，便停止自高頻電源7、16來的高頻電力的供給，使蝕刻處理停止，並利用與上述順序相反的順序，將半導體晶圓W搬出真空艙1外。
當藉由上述電漿來進行蝕刻處理之時，本實施形態中的聚焦環8，如上所述，由電介質所形成的下側構件9係被載置在載置台2上，而由於上側構件10被配置在此下側構件9上，所以與半導體晶圓W相比，上側構件10的部分的阻抗(對於被施加在載置台2上的高頻電力的阻抗)變高，結果電位降低，而在半導體晶圓W和上側構件10之間產生電位差。藉由此電位差所形成的電場的作用，抑制電漿繞進半導體晶圓W的周邊部背面側，而能夠抑制在半導體晶圓W的周邊部背面側發生CF系聚合物等的沉積之情形。
測量第3圖所示之半導體晶圓W的周邊部背面側的水平部分的端部(0.0mm)、自此處算起1.0mm內側的部分、0.5mm內側的部分、及端面的30°和45°的部分之沉積量，並將結果表示於第4圖。在表1中，比較例係表示使用第15、16圖所示的構成的聚焦環101之情況的結果；實施例1、2係表示使用第1、2圖中所示的上述構成的聚焦環8之情況；且實施例1、2係分別表示無灰化(ashing)、有灰化的情況。又，第4圖的圖表，縱軸係表示沉積量、橫軸表示半導體晶圓W上的位置，實線A表示比較例、虛線B表示實施例1、鏈線C表示實施例2。如第4圖所示，使用聚焦環8的情況，與適用聚焦環101的情況相比，能夠大幅地降低沉積量。
(表1)
又，在本實施形態中，藉由使由上述電介質形成的下側構件9介於其間，而在半導體晶圓W和上側構件10之間產生電位差；在上側構件10的頂面，形成其外周側比內周側較高而傾斜的傾斜部10b，並在傾斜部10b的外周側，形成比半導體晶圓W的被處理面高的平坦部10a。如此，藉由在聚焦環8的頂面，存在比半導體晶圓W的被處理面高的部分，能夠使被形成在聚焦環8的上方之電漿的邊界部分，上升至與半導體晶圓W的上方之電漿的邊界部分，大約相同的高度，而能夠抑制在半導體晶圓W的周邊部中的電場的傾斜。
又，上述聚焦環8，被形成位於比半導體晶圓W的被處理面更高的位置之上側構件10的平坦部10a，其作用係提高電漿鞘的高度，而該電漿鞘高度的變化係藉由傾斜部10b的存在而被緩和；藉此，能夠抑制在半導體晶圓W和聚焦環8之間的邊界部分中的急劇的電場變化，例如也可以抑制電場往第17圖所示的情況相反的方向傾斜之情形。
電場模擬的結果，自第2圖所示的傾斜部10b之半導體晶圓W的被處理面算起的高度h，理想為設在0＜h≦6mm的範圍，更理想的範圍是2mm≦h≦4mm。又，同樣的，第2圖所示的傾斜部10b的水平方向的長度l，理想為設定在0.5mm≦l≦9mm的範圍，更理想為的範圍是1mm≦l≦6mm。關於此傾斜部10b的水平方向的長度l，根據半導體晶圓W和聚焦環8之間的間隔C1，也有可能設定為l=0。亦即，雖然此情況成為沒有傾斜部10b的形狀，但是藉由調整半導體晶圓W的端部和聚焦環8之間的間隔C1，能夠抑制在此部分中的急劇的電場的變化。再者，第2圖所示的傾斜部10b的下側端部的高度d，理想為設定在0≦d≦1mm的程度。
又，在半導體晶圓W和聚焦環8之間，由於產生電位差，所以若半導體晶圓W和聚焦環8過於接近，則在半導體晶圓W上會有產生電弧的可能性。另一方面，半導體晶圓W和聚焦環8若過於離開，則藉由前述電場所產生的對於半導體晶圓W背面側之電漿的侵入防止效果降低。因此，第2圖所示的半導體晶圓W端部和聚焦環8之間的間隔C1，理想為設定在0.3mm≦C1≦1.5mm的範圍，更理想為設定在1.0mm≦C1≦1.5mm的範圍。再者，關於第2圖所示的半導體晶圓W的端部背面和聚焦環8之間的間隔C2，同樣地為了不要產生異常放電，理想為設定成0.3mm≦C2；又，根據同樣的理由，關於第2圖所示的間隔C3，理想為設定成0.4mm≦C3。
第5圖係表示調查在半導體晶圓W的周邊部之電場的傾斜之結果；在第5圖(a)的圖表中的縱軸係表示電場的角度(第2圖所示的角度θ)、橫軸則表示晶圓上的位置(如第2圖所示，將半導體晶圓W的端部設為10mm之其內周部的位置)。
又，在第5圖中，以四方形的記號來表示的曲線A係表示第15圖所示構成的聚焦環的情況、以圓形的記號來表示的曲線B係表示第17圖所示構成的聚焦環的情況、以三角形的記號來表示的曲線C和倒三角形的記號來表示的曲線D係表示關於本實施形態的構成的聚焦環的情況。再者，三角形記號係表示第2圖所示的l的長度為1mm、h的長度為3.6mm的情況；倒三角形的記號則表示第2圖所示的l的長度為2mm、h的長度為3.6mm的情況。
如第5圖(a)、(b)所示，使用第7圖所示的聚焦環的情況，在半導體晶圓W的周邊部中的電場的傾斜變大；在最大的情況，θ為82度左右；也就是說，產生面向內側傾斜8度左右。相對於此，在本實施形態中，如第5圖(a)、(c)所示，即使在最大的情況，θ也為88度左右；也就是說，能夠將面向內側的傾斜抑制在最大為2度左右。
再者，實際上，藉由蝕刻在半導體晶圓W上形成洞孔，測量該洞孔從垂直算起的傾斜，其結果也大概與上述電場的傾斜的結果一致。
如以上所述，若根據本實施形態，與以往相比，能夠降低對半導體晶圓的周邊部背面側之沉積的發生，並藉由抑制在半導體晶圓的周邊部中的電場的傾斜，即使是在半導體晶圓的周邊部，也能夠進行大概垂直的蝕刻，而能夠提高處理的面內均勻性。
另外，如上述般地藉由將聚焦環8作成具有傾斜部10b和平坦部10a的構造，能夠增長聚焦環8的壽命。亦即，藉由採用上述構成，當消耗聚焦環8(上側構件10)時，能夠抑制在聚焦環8上方的電漿鞘高度的降低，即使是在聚焦環8已經消耗一定程度的情況，也能夠使在半導體晶圓W的周邊部的離子入射角保持在垂直附近。
以下，說明關於調查由於聚焦環的消耗對電漿鞘的影響以及對於離子往半導體晶圓W表面的入射角之影響。
首先，如第6圖所示，關於其頂面為平坦的聚焦環101，調查關於頂面的高度和在半導體晶圓W的周邊部中的離子的入射角(圖中以虛線的箭頭表示)之間的關係。
再者，作為上述調查對象的具體的製程，係形成接觸孔、貫穿孔等的製程；壓力約為2～11Pa、高頻側的RF功率密度為3～5W、低頻側的RF功率密度為3～5W、半導體晶圓W的溫度為80～120℃、電極間距離為25～70mm、氣體系統為C4 F6 或C5 F8 /Cx Hy Fz (C2 F6 )/Ar/O2 ：30～50/10～30/500～1500/30～50sccm等的製程。
在上述製程中被形成半導體晶圓W(直徑200～300mm)上方的電漿鞘的厚度，由於約為3mm，所以離子的入射角，關於從厚度3mm的電漿鞘的上端部，自半導體晶圓W的周邊算起1mm的位置處入射的氬離子，係根據在半導體晶圓W表面的入射位置，也就是以垂直地入射的情況作為原點，而根據自原點算起的直徑方向的變位量來加以評價。再者，第6圖中，往圖中左側方向變位設為負、往右側方向變位設為正。
上述的情況，聚焦環頂面的高度(將半導體晶圓W的處理面(表面)設為原點，往上方向表示正方向、往下方向表示負方向)為+0.3mm的情況，離子的入射位置的變位量成為+0.03mm；而在聚焦環頂面的高度為-0.4mm的情況，離子的入射位置的變位量成為-0.05mm。
因此，將離子的入射位置的變位量在+0.03mm～-0.05mm範圍，假定為聚焦環的壽命，來進行比較。
再者，如上所述，頂面為平坦的聚焦環101，其離子的入射位置的變位量在+0.03～-0.05mm的範圍內之情況，由於係聚焦環頂面的高度是在+0.3mm～-0.4mm的範圍內，所以在初期狀態，當將聚焦環101的高度設定為+0.3mm的情況，聚焦環頂面的消耗量在0.7mm的時候便應該要交換。
接著，關於與上述聚焦環8同樣的形狀亦即其頂面具有平坦部和傾斜部之聚焦環，變更第2圖所示的l和h，說明關於調查聚焦環的頂面(平坦部的表面)和半導體晶圓W的處理面之間的高度t、及離子的入射位置的變位量之間的關係之後的結果。再者，聚焦環係假定自初期的狀態便消耗相似的形狀。
第7圖係表示在上述l為3mm(電漿鞘厚度相同)的情況下，調查將h設為0.5mm(曲線A)、1.0mm(曲線B)、1.5mm(曲線C)、2.0mm(曲線D)、2.5mm(曲線E)、3.0mm(曲線F)的情況下之高度t和變位量之間的關係的結果之圖；在該圖中，縱軸係表示離子的入射位置的變位量(mm)、橫軸係表示聚焦環頂面的高度t(mm)。再者，為了進行比較，在圖中以虛線表示前述頂面為平坦的聚焦環101的情況。
如該圖所示，h越深則曲線的傾斜越緩，聚焦環頂面的高度變化時的離子的變位量的變化變少。所以，在上述範圍內，h越深則聚焦環的壽命變成越長，而可以使交換周期變長。再者，若以數值來表示第7圖所示的結果，則
h=0.5的情況，高度t的容許範圍：-0.3～+0.55mm(0.85mm)
h=1.0的情況，高度t的容許範圍：-0.1～+0.8mm(0.9mm)h=1.5的情況，高度t的容許範圍：0～+1.0mm(1.0mm)
h=2.0的情況，高度t的容許範圍：0～+1.1mm(1.1mm)
h=2.5的情況，高度t的容許範圍：0～+1.1mm(1.1mm)
h=3.0的情況，高度t的容許範圍：0～+1.2mm(1.2mm)
如上所述，當將l設為與電漿鞘厚度相同的3mm的情況，即使h為0.5mm，高度t的容許範圍為0.85mm；與頂面為平坦的聚焦環的情況(高度t的容許範圍0.7mm)相比，顯見有明顯的效果。又，藉由將h設為3.0mm，高度t的容許範圍變成1.2mm，與頂面為平坦的聚焦環的情況相比，能夠將高度t的容許範圍擴大至1.7倍程度。
再者，上述h為3.0mm的情況，初期的聚焦環頂面的高度t=+1.2mm。因此，傾斜部中的高度最低的部分(內周側端部)的初期高度，當以半導體晶圓W的處理面的高度作為基準的情況，係位於1.2mm-3.0mm=-1.8mm的高度，而在比半導體晶圓W的處理面的高度更低的位置。
第8圖係表示在上述l為6mm(電漿鞘厚度的2倍)的情況下，調查將h設為0.5mm(曲線A)、1.0mm(曲線B)、1.5mm(曲線C)、2.0mm(曲線D)、2.5mm(曲線E)、3.0mm(曲線F)的情況下之高度t和變位量之間的關係的結果之圖；在該圖中，縱軸係表示離子的入射位置的變位量(mm)、橫軸係表示聚焦環頂面的高度t(mm)。再者，為了進行比較，在圖中以虛線表示前述頂面為平坦的聚焦環101的情況。
如該圖所示，將l設為6mm的情況，也與將l設為3mm的情況相同，h越深則曲線的傾斜越緩，聚焦環頂面的高度變化時的離子的變位量的變化變少。
再者，若以數值來表示第8圖所示的結果，則
h=0.5的情況，高度t的容許範圍：-0.3～+0.65mm(0.95mm)
h=1.0的情況，高度t的容許範圍：0～+1.0mm(1.0mm)
h=1.5的情況，高度t的容許範圍：+0.2～+1.3mm(1.1mm)
h=2.0的情況，高度t的容許範圍：+0.3～+1.6mm(1.3mm)
h=2.5的情況，高度t的容許範圍：+0.4～+2.0mm(1.6mm)
h=3.0的情況，高度t的容許範圍：+0.5～+2.1mm(1.6mm)
如上所述，當將l設為與電漿鞘厚度的2倍亦即6mm的情況，即使h為0.5mm，高度t的容許範圍為0.95mm；與頂面為平坦的聚焦環的情況(高度t的容許範圍0.7mm)相比，顯見有明顯的效果。又，藉由將h設為2.5～3.0mm，高度t的容許範圍變成1.6mm，與頂面為平坦的聚焦環的情況相比，能夠將高度t的容許範圍擴大至2倍以上。
再者，以往例如處理時間的積算(累計)時間在400小時左右，便進行聚焦環的交換。因此，能夠將如此的聚焦環的交換時間延長至800小時以上的程度。
第9圖係表示將縱軸設為聚焦環(F/R)的消耗容許範圍△(mm)、將縱軸設為h(推拔切削深度)(mm)，而上述l為3mm的情況(圖中以四方形的符號來表示)和6mm的情況(圖中以圓形的符號來表示)、以及根據這些資料而被推定之推拔切削位置l為9mm的情況(圖中以虛線表示)之間的關係。
如該圖所示，h在一定深度的範圍內，越深則聚焦環的消耗容許範圍△變大，但是在h為2.5～3.0mm左右，則漸傾向飽和。
又，l越長則聚焦環的消耗容許範圍△有變大的傾向，理想為至少將其設定為與電漿鞘的厚度相同程度(3mm)以上，更理想為設定為電漿鞘的厚度的2倍程度(6mm)以上。
如上所述，藉由作成具有傾斜部和平坦部的形狀之聚焦環，能夠增大聚焦環的消耗容許範圍△。藉此，與以往相比，能夠使聚焦環的交換循環長期化，而能夠謀求運轉費用的降低和裝置運轉率的提高。又，自聚焦環壽命的長期化的觀點，作為其材質，理想為使用CVD-SiC；特別是由於製造具有與Si的電阻係數(1～30Ω)同等的電阻係數之CVD-SiC成為可能，所以理想為使用具有如此的電阻係數的CVD-SiC。若使用如此的CVD-SiC來構成聚焦環，則可以得到與使用Si的情況同樣的電特性，而且與使用Si的情況相比，能夠有2～3倍的壽命。
另外，上述構成的聚焦環8，此聚焦環8的部分的阻抗有最佳的範圍，理想為將阻抗的值調整在此最佳的範圍內。而且，聚焦環8，可以選擇由電介質所形成的下側構件9的材質，來改變其(電)介質常數；或是藉由改變其厚度，來調節阻抗。亦即，阻抗Z可以藉由改變由夾著下側構件9所形成的電容C的值，來進行調整。因此，例如第10圖所示的聚焦環8，藉由使用厚度d變薄的下側構件9，並在其下設置導電性構件30，來改變電容C，能夠將阻抗Z調整成所希望的值。又，藉由使導電性構件30如此地介於下側構件9和載置台2之間，能夠改善下側構件9和載置台2之間的熱傳導性，將下側構件9控制在規定溫度，而能夠防止由於過熱而對製程造成不良的影響。此情況，作為導電性構件30，理想為使用熱傳導性良好的材質，例如矽或矽橡膠等的材質。
在此，在半導體晶圓W的下側部分，實際上也設置用來構成靜電夾盤之絕緣性構件(厚度例如0.6mm)；由於此絕緣性構件的影響，產生與上述同樣的阻抗。將此半導體晶圓W的部分的阻抗設為Z0，若要將阻抗Z的值調整成(Z/Z0)=60的程度，則將下側構件9的頂面(或底面)的面積設為S、厚度設為d、介質常數設為ε、真空的介質常數設為ε0，則由於Z=ε0‧ε(S/d)，所以在下側構件9的材質為水晶(石英)，內徑大約為300mm，外徑大約為360mm的情況，其厚度理想為設定在5～10mm程度，更理想為設定在7～9mm。
接著，說明關於其他的實施形態。第11圖係模式地表示此實施形態的聚焦環的剖面構成。如前所述，載置著半導體晶圓W之載置台2，係藉由絕緣板3而被支持，而高頻電源7則與載置台2連接。
進而，在載置台2的上側周邊部，設置聚焦環50。此聚焦環50，係由：以電介質(例如石英、氧化鋁等的陶瓷、VESPEL(登錄商標)等的樹脂)所形成的環狀的下側構件51；及被配置在此下側構件51的上部，而由導電性材料(例如矽、碳、SiC等)所形成的環狀的上側構件52所構成；並且被載置成可以包圍被處理基板亦即半導體晶圓W的周圍。
上述上側構件52，例如介由高頻接地用構件53，此高頻接地用構件53係由鋁等的導電性材料所形成，並藉由陶瓷的熔射膜(例如Al/Al2 O3 、Y2 O3 等的FCC(細密陶瓷塗膜))等的絕緣層(絕緣膜)將其表面包覆，而對於高頻電力，被連接至接地電位。此絕緣層，其形成目的在於保護高頻接地用構件53，使其免受電漿的影響，並防止直流電流流過。亦即，此絕緣層具有使直流電流無法通過之充分的厚度，直流電流被阻擋在此絕緣層而無法傳播。另一方面，作為表面波而可以經由固體表面傳播的高頻(RF)，則可以在高頻接地用構件53的表面層傳播；該高頻接地用構件53，係作為高頻的接地經路。進而，在高頻接地用構件53和地線之間，為了阻礙高頻的回路，也可以夾著對應用來生成電漿所施加的高頻電力的頻率之高通濾波器或低通濾波器等的頻率截止濾波器、頻率衰減濾波器等。又，在高頻接地用構件53和地線之間，設置開關手段，與製程方法運動，而可以在規定的時序，將高頻控制成降低至接地或是沒有接地。在此高頻接地用構件53和載置台2之間以及上側構件52的外周側(高頻接地用構件53的上側)，配置由被形成環狀的電介質(例如石英、氧化鋁等的陶瓷、VESPEL(登錄商標)等的樹脂)所形成的絕緣構件54、55。如此的絕緣構件54，係用來使直流電壓成分不會自載置台2往外側洩漏。又，絕緣構件55，其作用係使得電漿不會過度地往外周方向擴展，限制電場以防止電漿過度地擴展而自排氣擋板(未圖示)洩漏至排氣側。
將縱軸設為電壓、橫軸設為時間週期之第12圖的圖形，係表示半導體晶圓W和聚焦環50及電漿的電位(電壓)之時間的變化的狀態之圖。如該圖的曲線A所示，半導體晶圓W的電位，係對應自高頻電源7被施加的高頻的頻率(例如2MHz)而變化。
另一方面，聚焦環50的上側構件52，由於相對於高頻電力係被作成接地電位，所以其電位係如直線B所示地成為一定。因此，高頻的循環，在正側的時候或是在負側的時候，皆可以如圖中的箭頭所示，能夠增大半導體晶圓W和上側構件52之間的電位差。
再者，在該圖中，曲線C係表示電漿電位的變化、曲線D係表示第2圖所示的聚焦環8的上側構件10的電位的變化。如曲線D所示，第2圖所示的聚焦環8的情況，高頻的循環在變成正側的時候，半導體晶圓W和上側構件10之間的電位差變小。藉由如上述般地將上側構件52相對於高頻電力作成接地電位，能夠抑制如此的伴隨著高頻的振動之電位差的變動。
將縱軸設為聚合物厚度、將橫軸設為斜面位置之第13圖(A)的圖形，係表示在第13圖(B)所示的半導體晶圓的斜面部之0、30、45、90度的位置處之測量聚合物的附著量的結果。就第13圖(A)而言，實線E係使用第15圖所示的習知的聚焦環101的情況、實線F係使用第2圖所示的聚焦環8的情況、實線G係表示使用第11圖所示的聚焦環50的情況。如此圖所示，使用聚焦環50的情況，能夠增高半導體晶圓和聚焦環之間的電場強度，藉此防止電漿的繞進，由於能夠減少在其間的自由基的量，故比使用聚焦環8的情況，更能減少在晶圓斜面部之聚合物的沉積量。
再者，在上述實施形態中，已經說明了藉由高頻接地用構件53，相對於高頻電力，將上側構件52連接至接地電位的情況，但是也可以不使用如此構造的高頻接地用構件53，而利用其他的方法，相對於高頻電力，將上側構件52連接至接地電位。
第14圖(a)係模式地表示關於其他實施形態的聚焦環60的剖面構成。如前所述，載置著半導體晶圓W之載置台2，係藉由絕緣板3而被支持，而高頻電源7則與載置台2連接。
進而，在載置台2的上側周邊部，設置聚焦環60。此聚焦環60，係由：以電介質(例如石英、氧化鋁等的陶瓷、VESPEL(登錄商標)等的樹脂)所形成的環狀的下側構件61；及被配置在此下側構件61的上部，而由導電性材料(例如矽、碳、SiC等)所形成的環狀的上側構件62所構成；並且被載置成可以包圍被處理基板亦即半導體晶圓W的周圍。
上述上側構件62，例如介由高頻接地用構件63，此高頻接地用構件63係由鋁等的導電性材料所形成，並藉由陶瓷的熔射膜(例如Al/Al2 O3 、Y2 O3 等的FCC(細密陶瓷塗膜))等的絕緣層(絕緣膜)將其表面包覆，而對於高頻電力，被連接至接地電位。此絕緣層，其形成目的在於保護高頻接地用構件63，使其免受電漿的影響，並防止直流電流流過。亦即，此絕緣層具有使直流電流無法通過之充分的厚度，直流電流被阻擋在此絕緣層而無法傳播。另一方面，作為表面波而可以經由固體表面傳播的高頻(RF)，則可以在高頻接地用構件63的表面層傳播；該高頻接地用構件63，係作為高頻的接地經路。在此高頻接地用構件63和載置台2之間以及上側構件62的外周側(高頻接地用構件63的上側)，配置由被形成環狀的電介質(例如石英、氧化鋁等的陶瓷、VESPEL(登錄商標)等的樹脂)所形成的絕緣構件64、65。如此的絕緣構件64，係用來使直流電壓成分不會自載置台2往外側洩漏。又，絕緣構件65，其作用係使得電漿不會過度地往外周方向擴展，限制電場以防止電漿過度地擴展而自排氣擋板(未圖示)洩漏至排氣側。
進而，在本實施形態中，在下側構件61和上側構件62之間，設置規定的間隔D；此規定的間隔D大約設為0.5mm。又，隔著此間隔D之下側構件61和上側構件62互相面對面的部分的直徑方向的長度L，係設為5～10mm。又，上側構件62的下端，係構成位於比半導體晶圓W的頂面更高1.5～2.5mm(圖中的H)的位置。作成如此的構成的理由，係如以下所述。
亦即，為了減少前述的半導體晶圓的斜面部(第13圖(B)的90°、45°、30°處)以及半導體晶圓端部背面(第13圖(B)的0°處)的聚合物的附著量，在電漿處理中，希望將下側構件61的溫度保持在比較低的溫度例如比100℃低的溫度，進而更理想為保持在70℃以下的溫度。另一方面，上側構件62，在電漿處理中，希望保持在比較高的溫度例如250℃以上。其理由為：藉由將上側構件62的溫度設為250℃以上，促進氟自由基和Si的結合，能夠減少氟自由基的量，藉此在光阻或是SiN等的化學反應性強的蝕刻應用中，能夠抑制蝕刻率在半導體晶圓的周邊部上升的現象。如此，為了將下側構件61的溫度和上側構件62的溫度維持在相異的溫度，而在下側構件61和上側構件62之間，設置規定間隔D。又，為了使上側構件62的溫度上升，需要提高如圖中的箭頭所示地自載置台2通過下側構件61、上側構件62、高頻接地用構件63的路徑而流動高頻(頻率例如為2MHz)施加電壓，藉由焦耳熱加熱上側構件62。因此，需要降低上述路徑的阻抗。為了作成可以滿足此種條件，間隔D理想為設成大約為0.5mm程度。
也就是說，為了滿足此條件而將間隔D設為0.5mm程度，係基於當施加2MHz的高頻電力時，為了將上側構件62加熱至規定溫度也就是250℃以上，相對於電漿阻抗Zp，至少需要3～10倍的阻抗。於是，由於高頻為交流，負載效果不僅是電阻，也需要考慮靜電容量(電容)或電感(線圈)，而且若以綜合這些因素的阻抗(對於交流之電流對抗成分)來考量，則可以如下述般地說明。將上側構件62和高頻接地用構件63之間的接合部分的阻抗設為Z1，將間隔D的阻抗設為Z2，Z2至少具有Z1的10倍的阻抗之高電阻，由於自控制性的觀點來考量是理想的，所以若設成Z2＞＞Z1、Z2≧10×Z1，則如第14圖(b)所示，為了要控制Z1+Z2＞ZP的公式可以成立，阻抗[Ω]可以根據Z=ε0S/D的公式來求得。(ε0=真空的介質常數、S=面積[m2 ]、D=間隔[m])
下側構件61的表面積，在200mm晶圓和300mm晶圓的情況，係分別相異，所以若將所希望的下側構件61的表面積帶入上述公式中，便可以根本地決定間隔D。也就是說，不僅是半導體晶圓，也可以應用於對面積更大的LCD面板等進行電漿處理之基板處理裝置的下側構件中。藉此，上側構件62和下側構件61，不但由於未接觸而能夠採用沒有傳熱的構成，自高頻電源7產生的表面波亦即高頻，藉由靜電誘導原理通過電容(間隔D)而傳至上側構件62。又，在間隔D之處若夾著絕熱材，則該處的介質常數係根據絕熱材的介質常數而被限制，而若如本實施形態般地構成真空電容，則利用控制處理室內的真空度便能夠可變控制介質常數ε，所以控制性優異。
再者，為了減少熱傳導，防止熱流失，也可以在上側構件62和高頻接地用構件63之間設置間隔。又，只要可以將下側構件61和上側構件62控制成上述的溫度，也可以採用其他的方法。
又，為了控制半導體晶圓的周邊部的電場，以進行如前所示地大約垂直的蝕刻，如上所述，上側構件62的下端係構成位於比半導體晶圓W的頂面更高1.5～2.5mm(圖中的H)的位置處。
若根據上述構成的本實施形態，除了能夠減少在晶圓斜面部之聚合物的沉積量以外，並能抑制光阻的蝕刻率在半導體晶圓的周邊部上升的現象，而且即使在半導體晶圓的周邊部，也能夠進行大約垂直的蝕刻，而能夠提高處理的面內均勻性。
(產業上的利用可能性)
關於本發明的聚焦環及電漿處理裝置，可以利用於半導體裝置的製造產業中。因此，具有產業上的利用性。
(發明之效果)
若根據本發明，即使是在半導體晶圓的周邊部，也能夠與半導體晶圓的中央部同樣地進行良好且均勻的處理，不但能夠提高處理的面內均勻性，並且與以往相比，能夠減少在半導體晶圓的周邊部背面側之沉積的發生。
W．．．半導體晶圓
1．．．真空艙
2．．．載置台
8．．．聚焦環
9．．．下側構件
10．．．上側構件
10a．．．平坦部
10b．．．傾斜部
14．．．噴氣頭
第1圖係表示本發明的一實施形態之電漿處理裝置的概略構成的圖。
第2圖係將第1圖的電漿處理裝置的聚焦環的重要部分加以擴大表示的圖。
第3圖係用來說明沉積的測量部位的圖。
第4圖係表示在第3圖的測量部位中的沉積的測量結果。
第5圖係表示在晶圓上的各位置中的電場的角度的圖。
第6圖係用來說明離子的入射角的變位量的評價方法的圖。
第7圖係表示離子的入射角的變位量和聚焦環的高度之關係的圖。
第8圖係表示離子的入射角的變位量和聚焦環的高度之關係的圖。
第9圖係表示推拔切削深度和聚焦環的消耗量容許範圍之間的關係的圖。
第10圖係用來說明阻抗的調整方法的圖。
第11圖係表示關於其他實施形態的聚焦環的構成的圖。
第12圖係表示各部的電位的週期變動態樣之圖。
第13圖係表示測量對晶圓的斜面部之聚合物的附著量的結果之圖。
第14圖係表示關於其他實施形態的聚焦環的構成的圖。
第15圖係表示習知的聚焦環的構成的圖。
第16圖係用來說明第15圖的聚焦環中的電場的狀態之圖。
第17圖係表示在使用電介質的聚焦環中的電場和電漿鞘的狀態之圖。
W．．．半導體晶圓
2．．．載置台
8．．．聚焦環
9．．．下側構件
10．．．上側構件
30．．．導電性構件

Claims (16)

  1. 一種聚焦環，係針對被配置在用來收容被處理基板並施以規定的電漿處理之處理艙內之載置著前述被處理基板的下部電極上，且可以包圍前述被處理基板的周圍之形態的環狀聚焦環，其特徵為：具備：由電介質所形成的下側構件；及被配置在此下側構件的上部，由導電性材料所形成的上側構件；前述上側構件，其頂面係被形成其外周側比內周側高的傾斜部，且該傾斜部的外周側端部，係被構成至少位於比前述被處理基板的被處理面更高的位置，並被配置成與前述被處理基板的周邊部隔開規定的間隔；相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在0<h≦6mm的範圍內，在前述下部電極和前述下側構件之間，設置導電性構件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的聚焦環，其中前述導電性構件，係由矽或矽橡膠所構成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述傾斜部的外周側，係作成比前述被處理基板的被處理面更高的平坦部。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述導電性材料，係矽、碳或SiC。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側 的高度h，係被構成在2≦h≦4mm的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述上側構件的縱剖面中的傾斜部的水平方向的長度l，係被構成在0.5mm≦l≦9mm的範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述上側構件和前述被處理基板的周邊部之間的規定間隔C1，係被構成在0.3mm≦C1≦1.5mm的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述的聚焦環，其中前述下側構件，係使電漿和前述下部電極高頻結合，並且對於被施加在下部電極上的高頻，使阻抗增加。
  9. 一種電漿處理裝置，其特徵係具備：處理艙，此處理艙係用來收容被處理基板，並施行規定的電漿處理；下部電極，此下部電極係被設置在前述處理艙內，並載置著前述被處理基板；下側構件，此下側構件係由電介質所形成，為環狀的構件，並被配置在前述下部電極上，且可以包圍前述被處理基板的周圍；以及上側構件，此上側構件係被配置在前述下側構件的上部，而由導電性材料所形成的環狀構件，在其頂面形成其外周側比內周側高的傾斜部，且該傾斜部的外周側端部，係被構成至少位於比前述被處理基板的被處理面更高的位置，並被配置成與前述被處理基板的周邊部隔開規定的間隔； 相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在0<h≦6mm的範圍內，在前述下部電極和前述下側構件之間，設置導電性構件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電漿處理裝置，其中前述導電性構件，係由矽或矽橡膠所構成。
  11. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件的前述傾斜部的外周側，係作成比前述被處理基板的被處理面更高的平坦部。
  12. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述導電性材料，係矽、碳或SiC。
  13. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中相對於前述被處理基板的被處理面之前述傾斜部的外周側的高度h，係被構成在2≦h≦4mm的範圍內。
  14. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件的縱剖面中的傾斜部的水平方向的長度l，係被構成在0.5mm≦l≦9mm的範圍內。
  15. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述上側構件和前述被處理基板的周邊部之間的規定間隔C1，係被構成在0.3mm≦C1≦1.5mm的範圍內。
  16. 如申請專利範圍第9或10項所述的電漿處理裝置，其中前述下側構件，係使電漿和前述下部電極高頻結合，並且對於被施加在下部電極上的高頻，使阻抗增加。
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