等离子处理装置的制作方法

1.本发明涉及利用微波的等离子处理装置。


背景技术：

2.通过半导体元件的高集成度化来不断推进高纵横比的蚀刻加工技术的开发。半导体领域的微细化蚀刻技术之一是干式蚀刻技术，在这其中特别经常使用利用了等离子的干式蚀刻加工。
3.等离子利用与电子以及处理气体的分子或原子的碰撞来激发处理气体的分子或原子，生成离子以及自由基。等离子处理装置通过离子实现各向异性蚀刻，通过自由基实现各向同性蚀刻。作为等离子源，有电子回旋共振ecr(ecr：electron cyclotron resonance)。
4.作为现有的ecr蚀刻装置的结构，在专利文献1中记载了如下结构：使从磁控管发出的2.45ghz的微波在矩形波导管以及圆形波导管内传播，经过位于处理室的上部的石英窗而导入在内部正形成磁场的处理室，通过基于微波的电场和在与其垂直方向上形成的磁场来引起电子回旋共振，生成高密度的等离子，从而对基板进行处理。
5.另外，在专利文献2中记载了基于微波的放电产生装置，其构成为：将空腔谐振器的内壁与放电管之间充满电介质，在气体条件、基板的变更时，在将电介质替换成不同介电常数的电介质以使空腔谐振器的谐振频率和磁控管的微波振荡频率一致、并且使用液体的电介质的情况下，将其从空腔谐振器外导入，流过空腔谐振器的内壁与放电管之间，并排出到空腔谐振器外。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：jp特开平6
‑
77147号公报
9.专利文献2：jp特开平7
‑
57894号公报
10.非专利文献
11.非专利文献1：waveguide handbook n.marcuvitz


技术实现要素：

12.发明要解决的课题
13.一般已知，等离子处理装置的处理室壁面的等离子密度由于壁面即固体表面的反应导致的损失而比处理室的中心部要低。由于这样的等离子密度分布的不均匀性，被处理基板上的蚀刻速率会变得不均匀。
14.在专利文献1中，为了改善处理室的等离子密度分布的不均匀性，采用对导入到处理室的微波电力使用内侧和外侧波导管来分割其电力的结构。通过设为这样的结构，能提高处理室壁面的等离子密度。
15.但在专利文献1公开的结构中，由于使用单一的微波源，因此会由于波导管的配置
数而将处理室中心与壁侧的微波电力比固定。另一方面，在进行等离子处理的情况下，对应于工艺条件而有伴随处理装置的硬件的变更的情况，需要对应于此来调整微波电力比，但在专利文献1公开的结构中，难以灵活地应对电力比的调节。
16.并且在半导体元件的制造工艺工序中，被处理基板的蚀刻速率并不一定非要依赖于等离子密度。因此，例如在使热分布这样的工艺条件优先的情况下，为了得到处理的均匀性，存在若能在一个工艺循环中按周围高、中心高、均匀这样的顺序调整等离子密度就能最终得到被处理基板上的蚀刻面内均匀性的情况。
17.另外，在对半导体元件的薄膜进行蚀刻处理的情况下，多是被处理基板上的薄膜分布根据成膜装置的排气传导性、处理室的对称性等特性而所形成的膜厚变得不均匀。例如，在设为蚀刻处理对象的薄膜的膜厚的分布是中心高且周围低这样的凸分布的情况下，谋求将对被处理基板的中心上微波的投入电力控制成相对于周围部的投入电力更大。另一方面，在膜厚是中心低且周围高这样的凹分布的情况下，需要使处理基板的中心上的微波投入电力相对于周围部的投入电力更小。
18.如上述那样，由于为了实现蚀刻处理的面内均匀性而有各种要因，因此对利用等离子的蚀刻装置谋求自由度高的等离子密度分布控制。
19.另一方面，为了实现利用离子入射的各向异性蚀刻，采用使用rf电源来对基板电极施加偏置电力的结构。若在使处理室内产生等离子的状态下对基板电极施加rf偏置电力，就会在载置于基板电极的基板的表面蓄积电荷，有使形成于基板上的半导体元件产生充电损坏的情况。减低该充电损坏的产生能较大贡献于半导体元件的成品率改善。
20.因此，谋求为了不仅解决蚀刻处理的面内均匀性还解决充电损坏的减低这样的课题而具有自由度高的等离子密度分布控制的等离子蚀刻装置。
21.另一方面，在专利文献2记载的基于微波的放电产生装置中，成为将空腔谐振器的内壁与放电管之间用电介质充满的结构，关于控制载置基板的放电管内部的等离子密度的分布，则未考虑。
22.本发明解决上述的课题，提供一种等离子处理装置，能为了不仅解决蚀刻处理的面内均匀性还解决充电损坏的减低这样的课题而进行自由度高的等离子密度分布控制。
23.用于解决课题的手段
24.为了解决上述的课题，在本发明中，其特征在于，等离子处理装置具备：对样品进行等离子处理的处理室；将用于生成等离子的微波的高频电力经由波导路进行提供的高频电源；和在处理室的内部形成磁场的磁场形成机构，波导路具备：被填充液体的电介质的第一圆形波导管；和配置于该第一圆形波导管的外侧且与第一圆形波导管配置于同轴上的第二圆形波导管。
25.另外，为了解决上述的课题，在本发明中构成为，微波电力控制系统控制等离子处理装置的微波电力，其中该等离子处理装置具备：对样品进行等离子处理的处理室；将用于生成等离子的微波的高频电力经由波导路进行提供的高频电源；和在处理室的内部形成磁场的磁场形成机构，波导路具备：被填充液体的电介质的第一圆形波导管；配置于该第一圆形波导管的外侧且与第一圆形波导管配置于同轴上的第二圆形波导管，通过控制电介质的液面高度来控制在第一圆形波导管中传播的微波电力与在第二圆形波导管中传播的微波电力之比。
26.发明的效果
27.根据本发明，能配合所期望的蚀刻速率来控制等离子处理装置内的等离子密度，能以比较高的自由度不仅解决等离子处理的面内均匀性还解决充电损坏的减低这样的课题。
附图说明
28.图1是表示本发明的实施例所涉及的等离子处理装置的主要部的概略结构的纵截面图。
29.图2是表示用于调节本发明的实施例所涉及的等离子处理装置中的微波电力的波导管的结构的纵截面图。
30.图3是表示通过仿真求取本发明的实施例所涉及的等离子处理装置中的电介质液位(level)与微波分割电力比的关系的结果的图表。
31.图4是表示本发明的实施例所涉及的用来算出用于调整液位的泵运转时间的处理的流程的流程图。
32.图5是表示本发明的实施例所涉及的液面水平与液位传感器的1个采样周期内或多个采样周期的平均值的关系的图表。
33.图6是表示本发明的实施例所涉及的液面水平与液体电介质向内侧波导管的注入量的关系的图表。
34.图7是表示本发明的实施例所涉及的液体电介质向内侧波导管的注入量与泵运转时间的关系的图表。
具体实施方式
35.本发明涉及等离子处理装置(ecr等离子蚀刻装置)，对同轴配置的在内部填充了液体电介质的内侧波导管和内部为空洞的外侧波导管能特别控制基于填充于内侧波导管的液体电介质的相对介电常数以及填充量的向等离子处理室内的微波辐射电力的分布。
36.另外，本发明中，将来自单一的微波源的微波电力分别分割到同轴配置的内侧波导管和外侧波导管，根据位于内侧波导管的内部的液体电介质的填充量来增减在内侧波导管通过的微波电力，由此能调整内侧波导管与外侧波导管的微波分割电力比，从而能配合所期望的蚀刻速率来控制等离子处理室内的等离子密度。
37.在ecr等离子蚀刻装置中，将来自与磁控管连接的矩形波导管的微波电力分别分支到同轴配置的内侧波导管和外侧波导管，将内侧波导管以及外侧波导管的末端与设置于各个处理室的上表面的内侧辐射部和外侧辐射部连接，由此能将微电力用各个辐射部辐射到等离子处理室的内部。
38.在此，在限制内侧波导管的微波电力的传播时，若通过式(数学式1)设计内侧波导管的半径a，就能使微波电力通过或阻断。
39.[数学式1]
[0040]
[0041]
在此，fc是微波频率2.45ghz，c是真空中光速度2.99x108m/s。
[0042]
例如，在te11模式的微波电力的传播中，在媒介是空气或真空的情况下，由于其相对介电常数εr的值成为1，因此若根据式(数学式1)，则内侧波导管的半径成为0.0357m。在内侧波导管内的媒介的相对介电常数εr的值是2的情况下，由于微波电力的传播速度慢到1/的相应量，因此，若根据式(数学式1)，则内侧波导管的半径成为0.0252m。
[0043]
若将内侧波导管的半径a设计得比0.0357m小且比0.0252m大，则在媒介为真空或空气的情况下，2.45ghz的微波电力被阻断，因此微波电力不能通过具有一定的长度的波导管。即，可知从与内侧波导管连接的内侧辐射部没有微波电力的辐射，等离子处理室的中心部附近的等离子密度降低。
[0044]
另一方面，若在具有前述的半径a的内侧波导管中插入相对介电常数εr的值为2的媒介，微波电力就变得能通过内侧波导管。即，从与内侧波导管连接的内侧辐射部辐射微电力，等离子处理室的中心部附近的等离子密度上升。因此，能对应于半导体元件的蚀刻工艺的条件来自由地控制导入处理室的微波的分割电力比。
[0045]
前述的相对介电常数εr的值为2的媒介例如在使用液体电介质的情况下，由于是液体，因此能自由操作其液位，从而能调节通过内侧波导管的微波的电力。因此，关于内侧波导管与外侧波导管的微波电力的分割电力比，能通过液体电介质的液位而在一定范围内调整前述的分割电力比。前述的微波的分割电力比的定义在下述式(数学式2)示出。
[0046]
[数学式2]
[0047][0048]
在此，s
21
是内侧波导管的传输s参数，s
31
是外侧波导管的传输s参数。
[0049]
外侧波导管由于与内侧波导管成为同轴，因此作为同轴波导管而传播微波。同轴波导管虽然在基本模式即tem模式下不存在屏蔽，但在作为其高阶模式的te11的屏蔽时的外侧波导管径b能使用下述的式(数学式3)来决定。
[0050]
[数学式3]
[0051][0052]
在此a：内侧波导管的半径[m]
[0053]
b：外侧波导管的半径[m]
[0054]
考虑式(数学式2)而设为外波导管不会成为屏蔽的尺寸。
[0055]
本发明基于上述说明的思路，使用附图来说明其具体的实施方式。
[0056]
以下基于附图来详细说明本发明的实施方式。在用于说明本实施方式的全图中对具有相同功能的要素标注相同附图标记，原则上省略其重复的说明。
[0057]
其中本发明并不限定于以下所示的实施方式的记载内容来解释。能在不脱离本发明的思想或主旨的范围内变更其具体的结构，只要是本领域技术人员就会容易理解这点。
[0058]
实施例
[0059]
在图1示出本发明的实施例所涉及的等离子处理装置(ecr等离子蚀刻装置)100的
概略的结构。
[0060]
在图1所示的结构中，101是微波电力的振荡器，102是隔离器，103是自动匹配器，111是矩形波导管，112是圆矩形变换器，104是圆偏振产生器，113是圆形波导管，114是外侧波导管，115是内侧波导管，116是收容于内侧波导管115的内部的液体电介质，117是内侧空洞部，118是外侧空洞部。
[0061]
另外，120是等离子处理室，121是真空腔，122是真空腔上部，123是内侧空洞部壁，124是环座(ring stay)，125是石英窗，126是下部电极，127是rf电源，131是电磁线圈，132是磁轭，10是被处理基板。
[0062]
另外，在图1所示的结构中，关于将真空腔121的内部即等离子处理室120排气成真空的排气单元、以及对真空腔121的内部即等离子处理室120提供处理气体的气体提供单元、控制微波电力的振荡器101、自动匹配器103、电磁线圈131、rf电源127等的控制部，省略图示。
[0063]
在上述的结构中，由微波的振荡器101输出的频率2.45ghz的微波电力经由隔离器102、自动匹配器103，用矩形波导管111传播到圆矩形变换器112。作为微波的振荡器101而使用磁控管。圆矩形变换器112还兼作将微波电力的行进方向弯曲90度的拐角，从而谋求装置整体的小型化。
[0064]
在圆矩形变换器112的下部连接圆偏振产生器104，将以直线偏振入射的微波电力变换成圆偏振。进而在圆偏振产生器104的等离子处理室120的一侧，存在设于构成等离子处理室120的真空腔121的大致中心轴上的圆形波导管113，传播被圆偏振化的微波电力。
[0065]
在本实施例中，从圆形波导管113传播的微波电力入射到安装于真空腔上部122的外侧波导管114和配置于其内部的内侧波导管115。
[0066]
在此，内侧波导管115的半径以比使用式(1)说明的内部为空气的时阻断微波电力的半径即0.0357m小、且比成为在内部填充相对介电常数εr为2的液体电介质时阻断微波电力的半径的0.0252m大的尺寸形成。
[0067]
由此，在未收纳液体电介质116而内部用空气充满的情况下，内侧波导管115将微波电力阻断。在该情况下，从圆形波导管113传播的微波电力仅入射到外侧波导管114。
[0068]
另一方面，在内侧波导管115的内部收纳液体电介质116而内部用液体电介质116充满的情况下，由于内侧波导管115传播微波电力，因此从圆形波导管113传播的微波电力入射到外侧波导管114和内侧波导管115。
[0069]
外侧波导管114与真空腔上部122的内部的外侧空洞部118相连，内侧波导管115在真空腔上部122的内部与由内侧空洞部壁123划分的内侧空洞部117相连。外侧空洞部118和内侧空洞部117通过石英窗125与真空腔121的内部的等离子处理室120划分开。
[0070]
为了能进行ecr等离子蚀刻处理，真空腔121和真空腔上部122的外周被用于在真空腔121和真空腔上部122的内部形成磁场的电磁线圈131覆盖。在等离子处理室120的中心底面设置用于放置被处理基板10的下部电极126。
[0071]
在该下部电极126连接用于施加rf偏置电力的rf电源127。通过从rf电源127对下部电极126施加rf偏置电力，在等离子中被电离的处理气体的离子向载置于下部电极126的被处理基板10加速，将被处理基板10上的薄膜除去。
[0072]
从振荡器101输出而在隔离器102、自动匹配器103、圆矩形变换器112、圆偏振产生
器104、圆形波导管113中传播的微波电力被分割到内侧波导管115以及外侧波导管114。
[0073]
在内侧波导管115的内部未填充液体电介质116时，充满空气。在该状态下，如上述说明的那样，空气的介电常数是1，内侧波导管的半径以使微波阻断的尺寸而形成，因此微波电力不能在内侧波导管115通过。
[0074]
另一方面，若液体电介质116被填充到内侧波导管115的内部，就开始从内侧波导管115泄漏微波，若慢慢注入液体电介质116，则内侧波导管115内的液体电介质116的液面的水平(液位)变高，微波电力的通过量也增加。通过调整内侧波导管115内的液体电介质116的液位，能改变从圆形波导管113传播到内侧波导管115的微波电力与传播到外侧波导管114的微波电力的比。
[0075]
在图2示出内侧波导管115和外侧波导管114的详细结构。内侧波导管115的内部成为空洞，设有电介质制的上盖1151和底板1152，从而成为内部被密闭的结构。
[0076]
在内侧波导管115与外侧波导管114之间有石英制的环座124，内侧波导管115和外侧波导管114通过该环座124被同轴地固定。另外，为了能从外部对内侧波导管115的内部提供或排出液体电介质116，形成从外侧波导管114经过环座124而通到内侧波导管115的流路141。
[0077]
该流路141与用于将液体电介质116提供到内侧波导管115的内部或排出的泵243连接。泵243被控制部242控制，将贮藏于贮藏部244的液体电介质116经过流路141而提供到内侧波导管115的内部。另外，反过来，将位于内侧波导管115的内部的液体电介质116经过流路141而排出到贮藏部244的一侧。
[0078]
另外，为了监控内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面的高度，设置从外侧波导管114经过环座124而通到内侧波导管115的内部的连通管142。该连通管142通过配管245与液位传感器241连接。
[0079]
接下来说明针对内侧波导管115的内部的液体电介质116的填充/排出的液面控制系统的一系列动作。内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面水平经由与连通管142连接的配管245而使用液位传感器241来测量，作为电子信号而将液面水平反馈到控制部242。
[0080]
在将液体电介质116填充于内侧波导管115的内部时，使用泵243从用于贮藏液体电介质116的贮藏部244将液体电介质116吸起，在内侧波导管115的内部填充液体电介质116。若使泵243反向旋转，就会将内侧波导管115内的液体电介质116吸出而使其返回用于贮藏液体电介质116的贮藏部244。
[0081]
控制部242具有用于如下操作的程序：基于来自液位传感器241的液面检测信号来调节内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面水平，以使得从圆形波导管113传播到内侧波导管115的微波电力和传播到外侧波导管114的微波电力的比(微波分割电力比)成为预先设定的值。通过该程序来控制泵243的运转时间，使得成为所期望的微波分割电力比。
[0082]
在图3示出通过电磁场仿真来求取分割电力比与电介质液位的关系的结果。在图3所示的图表300中，在纵轴显示微波电力分割比，在横轴显示电介质液的液面的水平作为电介质液位。
[0083]
通过该图表可知，液体电介质液位和分割电力比如直线310所示那样，大致成为线
性关系。由此，若在控制部242安装将该线性关系多项式化的程序，就能从所期望的微波分割电力比换算为了得到所期望的微波分割电力比而需要的液体电介质的液位的设定值。
[0084]
接下来，参考图5到7，使用图4来说明基于内侧波导管115与外侧波导管114的所期望微波分割电力比来决定泵243的运转时间的处理的流程。
[0085]
首先，输入微波电力的所期望的分割电力比(s401)。接下来，根据图3所示的图表来求取与输入的所期望的微波分割电力比对应的液体电介质的液面的水平(液位)的值，将其设为设定值(s402)。
[0086]
接下来，用液位传感器241检测内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面的水平(液位)(s403)，基于预先求得的液位传感器241的检测信号与内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面的水平的关系来求取与液位传感器241的检测信号对应的液体电介质116的液位(s404)。
[0087]
接下来，如图5的图表500所示那样算出求得的内侧波导管115的内部的液体电介质116的液位的值(传感器液位53)与在s402求得的设定值(设定电介质液位52)之差(液面水平差511)(s405)。
[0088]
接下来，基于预先求得的图6的图表600所示那样的从泵243提供到内侧波导管115的液体电介质116的注液量与在液位传感器241检测到的内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面水平的关系610，来算出向内侧波导管115的内部注入的液体电介质116的需要注入量612(s406)。
[0089]
最后，基于图7的图表700所示那样的预先求得的以液体电介质116的温度为参数的泵243的泵运转时间(pt)与向内侧波导管115的注液量的关系710到730，来算出泵运转时间(s407)。
[0090]
基于这样求得的泵运转时间，用控制部242控制泵243，来对内侧波导管115的内部提供液体电介质116。由此，从振荡器101振荡并从圆形波导管113传播的微波电力对应于所期望的微波分割电力比，被分割而传播到内侧波导管115和外侧波导管114。
[0091]
若基于以上说明那样的处理流程来控制内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面的水平，液体电介质116即使根据温度而其体积发生变化，也能调节所期望的微波电力分割比。
[0092]
接下来，说明本实施例中的对被处理基板10进行处理的过程。
[0093]
首先，用控制部242控制泵243，以使得成为以上述说明那样的过程求得的泵运转时间，来对内侧波导管115提供液体电介质116。接下来，在该状态下，将等离子处理室120用未图示的排气单元排气成真空，从未图示的气体提供单元对等离子处理室120提供处理气体，进行设定，以使得等离子处理室120成为给定的压力。
[0094]
在该状态下，驱动振荡器101来发送微波电力。从振荡器101发送的微波电力在隔离器102、自动匹配器103、圆矩形变换器112、圆偏振产生器104、圆形波导管113中传播，并被分割而输入到内侧波导管115以及外侧波导管114。
[0095]
在此，关于内侧波导管115和外侧波导管114，由于调整内侧波导管115的内部的液体电介质116的液面的水平，以使得成为所期望的微波电力分割比，因此从内侧波导管115向内侧空洞部117并从外侧波导管114向外侧空洞部118传播以所期望的分割比分割的微波电力。
[0096]
这样被分割而在内侧波导管115的内部传播的微波电力从与内侧波导管115连接的内侧空洞部117经过石英窗125而传播到等离子处理室120的中心部附近。另一方面，被分割而在外侧波导管114的内部传播的微波电力从与外侧波导管114连接的外侧空洞部118经过石英窗125而传播到等离子处理室120的周边部附近(远离中心部的部分)。
[0097]
在等离子处理室120中，在等离子处理室120的中心部分附近产生具有与从内侧空洞部117传播的微波电力相应的密度的等离子，在远离等离子处理室120的中心部的部分产生具有与从外侧空洞部118传播的微波电力相应的密度的等离子，作为等离子处理室120整体而生成具有所期望的密度分布的等离子。
[0098]
通过如此地使等离子处理室120产生具有所期望的等离子密度的分布的等离子，在对载置于下部电极126的被处理基板10进行蚀刻处理的情况下，不仅能实现蚀刻处理的面内均匀性还能使充电损坏减低来进行蚀刻处理。
[0099]
根据本实施例，通过设为能调节传播到内侧波导管115和外侧波导管114的微波电力分割比的结构，即使是对应于工艺条件而变更了蚀刻装置的结构的情况，另外，即使是形成于被处理基板上的薄膜的膜厚分布不均匀的情况，也能配合所期望的蚀刻速率来控制等离子处理装置内的等离子密度，因此能在维持蚀刻处理的面内均匀性的同时，进行使充电损坏减低的蚀刻处理。
[0100]
另外，在将本实施例运用于被处理基板为12英寸的大小的等离子蚀刻装置的情况下，根据微波电力的波导管的管路的大小，在现状中期望液体电介质的相对介电常数εr的值为2左右。例如有硅油、3m公司制的fluorinert(商标)、索尔维公司制的galden(商标)。由于对应于大型被处理基板的处理装置的大型化，波导管的管路的大小也对应于其而改变，因此只要实现根据液体电介质的有无来进行微波的屏蔽或通过的本发明的功能，则液体电介质的相对介电常数εr的值并没有特别制约。
[0101]
进而，本实施例中的内侧波导管115的上盖1151和底板1152的形状期望是圆盘状或圆锥状，但只要能将液体电介质116封入到内侧波导管115的内部、减低微波的反射电力，就可以是任何形状。在上盖1151和底板1152中，为了能透过微波，石英或陶瓷这样的电介质为好。为了减低微波电力的反射，期望用于将内侧波导管115和外侧波导管114连接的环座124由石英或陶瓷这样的电介质构成。
[0102]
以上基于实施例具体说明了由本发明者做出的发明，但本发明并不限定于所述实施例，能在不脱离其要旨的范围内进行种种变更，这点不言自明。例如，上述的实施例为了易于理解地说明本发明而详细进行了说明，但不一定限定于具备说明的全部结构。
[0103]
附图标记的说明
[0104]
10
ꢀꢀꢀ
被处理基板
[0105]
101
ꢀꢀ
振荡器
[0106]
102
ꢀꢀ
隔离器
[0107]
103
ꢀꢀ
自动匹配器
[0108]
104
ꢀꢀ
圆偏振产生器
[0109]
113
ꢀꢀ
圆形波导管
[0110]
114
ꢀꢀ
外侧波导管
[0111]
115
ꢀꢀ
内侧波导管
[0112]
116
ꢀꢀ
液体电介质
[0113]
117
ꢀꢀ
内侧空洞部
[0114]
118
ꢀꢀ
外侧空洞部
[0115]
120
ꢀꢀ
等离子处理室
[0116]
121
ꢀꢀ
真空腔
[0117]
122
ꢀꢀ
真空腔上部
[0118]
123
ꢀꢀ
内侧空洞部壁
[0119]
124
ꢀꢀ
环座
[0120]
125
ꢀꢀ
石英窗
[0121]
126
ꢀꢀ
下部电极
[0122]
127
ꢀꢀ
rf电源
[0123]
131
ꢀꢀ
电磁线圈
[0124]
241
ꢀꢀ
液位传感器
[0125]
242
ꢀꢀ
控制部
[0126]
243
ꢀꢀ
泵
[0127]
244
ꢀꢀ
贮藏部
[0128]
1151 上盖
[0129]
1152 底板。