等离子体处理装置和等离子体处理方法

专利名称：等离子体处理装置和等离子体处理方法
技术领域：
本发明涉及对被处理基板实施等离子体处理的技术，特别是电感耦合型的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术：
半导体设备和FPD (Flat Panel Display)的制造工艺中的蚀刻、沉积、氧化、溅射、等处理中，为了对处理气体以相对低温进行良好的反应而经常使用等离子体。以往，这种等离子体处理，较多使用MHz区域的高频放电产生的等离子体。高频放电产生的等离子体，作为更具体的(装置上的)等离子体生成方法，大致分为电容耦合型等离子体和电感耦合型等离子体。一般而言，电感耦合型的等离子体处理装置，使处理容器的壁部的至少一部分(例如顶部)由介电窗构成，对设置在该电解质的介电窗之外的线圈形状的RF天线供给高频电力。处理容器构成为可减压的真空腔室，在腔室内的中央部配置被处理基板(例如半导体晶片、玻璃基板等)，将处理气体导入在介电窗与基板之间设定的处理空间。因流过RF天线的高频电流，在RF天线周围产生磁力线贯通介电窗通过腔室内的处理空间的高频的交流磁场，由于该交流磁场的时间性变化在处理空间内在方位角方向上产生感应电场。然后，通过该感应电场在方位角方向上被加速的电子与处理气体的分子和/或原子发生电离碰撞，生成环状(doughnut)的等离子体。通过在腔室内设置较大的处理空间，上述环状的等离子体高效率地向四周(特别是半径方向)扩散，在基板上等离子体的密度很平均。但是，只使用通常的RF天线，基板上获得的等离子体密度的均匀性在一般的等离子体工艺中是不充分的。在等离子体工艺中，提高基板上的等离子体密度的均匀性或者控制性，会影响工艺的均匀性·再现性以及制造合格率，所以是最重要的课题之一。电感耦合型的等离子体处理装置中，腔室内的介电窗附近生成的环状等离子体内的等离子体密度分布特性(分布图，profile)是重要的，该核心的等离子体密度分布的分布图影响扩散后的基板上获得的等离子体密度分布的特性(特别是均匀性)。关于这一点，作为提高径向上的等离子体密度分布的均匀性的技术，提出了几种将RF天线分割为线圈径不同的多个圆环状线圈的方式。这种RF天线分割方式中，有将多个圆环状线圈串联地连接的第一方式(例如专利文献I)、和将多个圆环状线圈并联地连接的第二方式(例如专利文献2)。现有技术文献专利文献专利文献I :美国专利第5800619号专利文献2 :美国专利第6164241号
发明内容
发明要解决的课题上述现有的RF天线分割方式中，上述第一方式中，RF天线的线圈全长成为将全部线圈相加的较大的长度，RF天线内的电压降大到不可忽略，进而因波长效果易于在RF天线的RF输入端附近形成具有电流的波节部的驻波。因此，上述第一方式，不仅在径向，在环绕方向也难以获得等离子体密度分布的均匀性，本质上不适合需要大口径等离子体的等离子体工艺。另一方面，上述第二方式，由于RF天线内的波长效果和电压降依赖于并联地分割的每个线圈自身的长度，所以天线内的电压降较小，并且对于抑制波长效果也是有利的，另一方面，难以任意地控制径向上的RF天线内的电流分布以及天线正下方的等离子体密度分布。因此，采用上述第二方式的现有的等离子体处理装置，对构成RF天线的所有线圈附加(连接)阻抗调整用的可变电容器，调节各线圈中流过的RF电流的比。但是，可变电 容器价格较高，在成本方面不优选对RF天线内的所有线圈配备可变电容器。此外，可变电容器数量较多时，相应地，调整对象的静电电容(参数)增多，调整作业变得繁琐。另一方面，现有方式不能高效率地消除等离子体的密度在径向的中心部相对较高这样不所需的分布特性。特别是，在低压的工艺中，由于等离子体的扩散产生影响，等离子体密度在径向的中心部容易变得更高，其难以解决。此外，在大口径用的等离子体处理装置中，在内侧线圈与外侧线圈之间线圈径的差较大，所以等离子体密度在径向的中心部相对变高的倾向较强，现有方式难以高效率地达成等离子体密度分布的均匀化。本发明解决了上述现有技术的问题，提供电感耦合型的等离子体处理装置和等离子体处理方法，其能够高效率地任意地控制环状等离子体内的等离子体密度分布，特别是对于低压下的等离子体或者大口径的等离子体高效率并且多样化地将径向上的等离子体密度分布控制为任意的分布特性(分布图)。用于解决课题的方法本发明的第一观点的等离子体处理装置，具备具有介电窗的处理容器；在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；为了对上述基板实施所需的等离子体处理，对上述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部；为了在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在上述介电窗外部的RF天线；对上述RF天线供给适合上述处理气体的高频放电的频率的高频电力的高频供电部，上述RF天线，具有在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧、且在设置在上述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈，在上述第一节点和上述第二节点之间，设置与上述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器，和与上述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器；上述内侧线圈与上述第一节点和上述第二节点之间不通过电抗元件地连接。本发明的第二观点的等离子体处理装置，具备具有介电窗的处理容器；在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；为了对上述基板实施所需的等离子体处理，对上述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部；为了在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在上述介电窗外部的RF天线；对上述RF天线供给适合上述处理气体的高频放电的频率的高频电力的高频供电部，上述RF天线，具有在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧、且在设置在上述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈，在上述第一节点和上述第二节点之间，设置有与上述内侧线圈电连接的固定或者半固定的内侧电容器、与上述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与上述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器。本发明的第三观点的等离子体处理装置，具备具有介电窗的处理容器；在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；为了对上述基板实施所需的等离子体处理，对上述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部；为了在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在上述介电窗外部的RF天线；对上述RF天线供给适合上述处理气体的高频放电的频率的高频电力的高频供电部，上述RF天线，具有在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧、且在设置在上述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈，在上述第一节点和上述第二节点之间，设置有与上述内侧线圈电连接的固定或者半固定的内侧电感器、与上述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与上述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器。本发明的等离子体处理方法为在等离子体处理装置中对基板实施所需的等离子体处理的等离子体处理方法，该等离子体处理装置具备具有介电窗的处理容器、在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部、为了对上述基板实施所需的等离子体处理而对上述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部、为了在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体而设置在上述介电窗外部的RF天线、和对上述RF天线供给适合上述处理气体的高频放电的频率的高频电力的高频供电部，其中，将上述RF天线分割为在径向隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧、且在设置在上述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈，在上述第一节点与上述第二节点之间，不设置与上述内侧电容器连接的电抗元件，设置与上述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器和与上述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器，对上述中间电容器和上述外侧电容器的静电电容进行选定或者可变控制，控制上述基板上的等离子体密度分布。上述第一、第二、第三观点的等离子体处理装置或者上述等离子体处理方法中，从高频供电部对RF天线供给高频电力时，因分别流过RF天线的各部分即内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的高频电流而在各线圈的周围发生RF磁场，在处理容器内形成用于处理气体的高频放电即生成环状等离子体的感应电场。生成的环状等离子体在处理容器内向四周扩散，在基板上等离子体密度被均匀化。分别流过内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的线圈电流在环绕方向上都为相同方向的情况下，环状等离子体内的等离子体密度在与各线圈对应的位置极大。该情况下，通过使中间电容器和外侧电容器的静电电容可变或者对其进行调整，采用使分别流过中间线圈和外侧线圈的中间线圈电流和外侧线圈电流对于流过内侧线圈的内侧线圈电流可变的方法，控制环状等离子体内的等离子体密度分布以及基板上的等离子体密度分布。此外，通过调节中间电容器的静电电容或者外侧电容器的静电电容，还能够使中间线圈电流或者外侧线圈电流与其他的线圈电流逆向地流动。该情况下，能够在环状等离、子体的与中间线圈或者外侧线圈对应的部分局部地降低等离子体密度，能够扩大基板上的等离子体密度分布控制的自由度。本发明的第四观点的等离子体处理装置，具备具有介电窗的处理容器；在上述处理容器内保持被处理基板的基板保持部；为了对上述基板实施所需的等离子体处理，对上述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部；为了在上述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在上述介电窗外部的RF天线；对上述RF天线供给适合上述处理气体的高频放电的频率的高频电力的高频供电部，上述RF天线，具有在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧、且在设置在上述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间线圈和外侧线圈，在上述第一节点与上述第二节点之间，设置与上述内侧线圈电连接的可变的内侧电容器、与上述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与上述外侧线圈串联电连接的固定或者半固定的外侧电容器。在上述第四观点的等离子体处理装置中，从高频供电部对RF天线供给高频电力 时，因分别流过RF天线的各部分即内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的高频电流而在各线圈的周围发生RF磁场，在处理容器内形成用于处理气体的高频放电即生成环状等离子体的感应电场。生成的环状等离子体在处理容器内向四周扩散，在基板上等离子体密度被均匀化。分别流过内侧线圈、中间线圈和外侧线圈的线圈电流在环绕方向上都为相同方向的情况下，环状等离子体内的等离子体密度在与各线圈对应的位置极大。该情况下，通过使中间电容器和内侧电容器的静电电容可变或者对其进行调整，采用使分别流过中间线圈和内侧线圈的中间线圈电流和内侧线圈电流对于流过外侧线圈的外侧线圈电流可变的方法，控制环状等离子体内的等离子体密度分布以及基板上的等离子体密度分布。此外，通过调节中间电容器的静电电容,还能够使中间线圈电流与其他的线圈电流逆向地流动。该情况下，能够在环状等离子体的与中间线圈或者外侧线圈对应的部分局部地降低等离子体密度，能够扩大基板上的等离子体密度分布控制的自由度。发明的效果根据本发明的等离子体处理装置或者等离子体处理方法，通过上述结构和作用，能够高效率地控制环状等离子体内的等离子体密度分布，特别是对于低压下的等离子体或者大口径的等离子体高效率并且多样化地将径向的等离子体密度分布控制为任意的分布特性。


图I是表示本发明的一个实施方式的电感耦合型等离子体处理装置的结构的纵截面图。图2是表示实施方式中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的立体图。图3表示图2的实施例的作用。图4是表示从图2的RF天线省略所有电容器的情况下的电连接图和表示其作用的图。
图5A是表示实施方式中的一个实验中使用的带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图5B是表示在上述实验中使中间电容器的静电电容可变地测定的线圈电流分布和电子密度分布的变化的图。图6A是表不实施方式的一个变形例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图6B是用于说明图6A的实施例的作用的图。图7A是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图7B是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图8是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图9是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图10是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图11是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。图12是表示其他的实施例中带有可变电容器的RF天线的布局结构和电连接结构的图。符号说明10 腔室12 基座26排气装置52介电窗54 RF 天线58内侧线圈60 中间线圈62外侧线圈66高频供电部70接接地线72等离子体生成用的高频电源74匹配器80处理气体供给源84主控制部86 中间电容器88外侧电容器90 电容可变部
具体实施例方式以下，参照

本发明优选的实施方式。装置整体的结构和作用图I表示本发明的一个实施方式的电感耦合型等离子体处理装置的结构。该等离子体处理装置，构成为使用平面线圈形的RF天线的电感耦合型等离子体蚀刻装置，具有例如由铝或者不锈钢等金属制的圆筒形真空腔室(处理容器)10。腔室10被保护接地。首先，说明该电感耦合型等离子体蚀刻装置中与等离子体生成无关的各部分的结构。
在腔室10内的下部中央，载置例如半导体晶片W作为被处理基板的圆板状的基座12作为兼用作高频电极的基板保持台水平地配置。该基座12例如由铝构成，被从腔室10的底部向垂直上方延伸的绝缘性的筒状支撑部14支撑。在沿着绝缘性筒状支撑部14的外圈从腔室10的底部向垂直上方延伸的导电性的筒状支撑部16与腔室10的内壁之间形成环状的排气通路18，在该排气通路18的上部或者入口安装环状的挡板20，并且在底部设置排气口 22。为了使腔室10内的气体的流动对于基座12上的半导体晶片W轴对称地均匀，优选在环绕方向上等间隔地设置多个排气口 22 的结构。在各排气口 22上通过排气管24连接有排气装置26。排气装置26，具有涡轮分子泵等真空泵，能够将腔室10内的等离子体处理空间减压到所需的真空度。在腔室10的侧壁的外部，安装有开关半导体晶片W的搬入搬出口 27的闸阀28。在基座12上，通过匹配器32和供电棒34电连接有RF偏压用的高频电源30。该高频电源30，能够以可变的功率输出适合控制被导入半导体晶片W的离子的能量的一定频率(通常为13. 56MHz以下)的高频RFp匹配器32收纳有用于使高频电源30 —侧的阻抗与负载(主要是基座、等离子体、腔室)一侧的阻抗之间匹配的电抗可变的匹配电路。该匹配电路中包括自偏压生成用的隔直流电容器。在基座12的上表面，设置用于以静电吸附力保持半导体晶片W的静电卡盘36，在静电卡盘36的半径方向外侧设置有将半导体晶片W的周围环状地包围的聚焦环38。静电卡盘36将由导电膜形成的电极36a夹在一对绝缘膜36b、36c之间。在电极36a上通过开关42和包覆线43电连接有高压的直流电源40。通过从直流电源40施加的高压的直流电压，能够用静电力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘36上。在基座12的内部，设置有例如在环绕方向上延伸的环状的制冷剂室或者制冷剂流路44。在该制冷剂室44中，从冷却装置(chiller unit)(未图示)经过配管46、48循环供给规定温度的制冷剂例如冷却水CWo利用冷却水CW的温度能够控制静电卡盘36上的半导体晶片W的处理中的温度。与此相关联，来自导热气体供给部(未图示)的导热气体例如He气体，通过气体供给管50对静电卡盘36的上表面与半导体晶片W的背面之间供给。此外，为了半导体晶片W的装载/卸载，还设置有在垂直方向贯通基座12而可上下移动的升降销和其升降机构(未图示)等。接着，说明该电感耦合型等离子体蚀刻装置中与等离子体生成相关的各部分的结构。
腔室10的顶部或者顶板从基座12隔开较大的距离间距地设置，作为该顶板例如气密地安装有由石英板组成的圆形的介电窗52。在该介电窗52上,与腔室10 —体地设置有将用于在腔室10内生成电感耦合的等离子体的RF天线54从外部电磁屏蔽并收纳的天线室56。RF天线54,具有与介电窗52平行、优选载置在介电窗52的上表面、在径向上隔开间隔地分别配置在内侧、中间和外侧的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62。这些线圈58、60、62，相互同轴(更优选同心状)地配置，并且对于腔室10或者基座12也同轴地配置。而且，在本发明中的“同轴”，是在具有轴对称的形状的多个物体间各中心轴线相互重合的位置关系，对于多个线圈间不仅包括各线圈面在轴方向上相互偏移的情况，还包括在同一个面上一致的情况(同心状的位置关系)。
内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62，在来自等离子体生成用的高频供电部66的高频供电线68与到达接地电位部件的回流线70之间(两个节点Na、Nb之间)并联电连接。此处，回流线70是接地电位的接地线，与保持为接地电位的接地电位部件(例如腔室10或者其他部件)电连接。在接地线70 —侧的节点Nb与中间线圈60和外侧线圈62之间，分别串联电连接(插入)有可变的电容器86、88。这些可变电容器86、88，在主控制部84的控制下通过电容可变部90在一定范围内分别独立并且任意地可变。以下，将节点Na、Nb之间，与内侧线圈58串联连接的电容器称为“内侧电容器”，与中间线圈60串联连接的电容器称为“中间电容器”，与外侧线圈62串联连接的电容器称为“外侧电容器”。高频供电部66，具有高频电源72和匹配器74。高频电源72，能够以可变功率输出适合通过电感耦合的高频放电进行的等离子体的生成的一定频率(通常为13. 56MHz以上)的高频RFh。匹配器74，收纳有用于使高频电源72—侧的阻抗与负载(主要是RF天线、等离子体)一侧的阻抗之间匹配的电抗可变的匹配电路。用于对腔室10内的处理空间供给处理气体的处理气体供给部具有在比介电窗52低一些的位置在腔室10的侧壁中(或者外部)设置的环状的歧管(分流器manifold)或者缓冲部76 ;在环绕方向上等间隔并且从缓冲部76面向等离子体生成空间的多个侧壁气体喷出孔78 ;和从处理气体供给源80延伸至缓冲部76的气体供给管82。处理气体供给源80包括流量控制器和开闭阀(未图示)。主控制部84，例如包括微型计算机，控制该等离子体蚀刻装置内的各部分例如排气装置26、高频电源30、72、匹配器32、74、静电卡盘用的开关42、可变电容器86、88、处理气体供给源80、冷却装置(未图示)、导热气体供给部(未图示)等的各个动作和装置整体的动作(顺序)。该电感耦合型等离子体蚀刻装置中，为了进行蚀刻，首先使闸阀28为开状态，将加工对象的半导体晶片W搬入腔室10内，载置到静电卡盘36上。然后，关闭闸阀28后，从处理气体供给源80经过气体供给管82、缓冲部76和侧壁气体喷出孔78将蚀刻气体(一般是混合气体)以规定的流量和流量比导入腔室10内，通过排气装置26使腔室10内的压强成为设定值。进而，使高频供电部66的高频电源72接通，以规定的RF功率输出等离子体生成用的高频RFh，经过匹配器74、RF供电线68和回流线70对RF天线54的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62供给高频RFh的电流。另一方面，使高频电源30接通，以规定的RF功率输出离子导入控制用的高频RFy经过匹配器32和供电棒34对基座12施加该高频Rh。此外，从导热气体供给部对静电卡盘36与半导体晶片W之间的接触界面供给导热气体(He气体)，并且使开关42接通，通过静电卡盘36的静电吸附力将导热气体封闭在上述接触界面。在腔室10内，从侧壁气体喷出孔78喷出的蚀刻气体，扩散到介电窗52下方的处理空间扩散。因流过RF天线54的各线圈58、60、62的高频RFh的电流而在这些线圈的周围产生的磁力线(磁通量)贯穿介电窗52，横穿腔室10内的处理空间(等离子体生成空间)，在处理空间内产生方位角方向的感应电场。通过该感应电场而在方位角方向被加速的电子与蚀刻气体的分子和/或原子发生电尚碰撞，生成环状的等尚子体。该环状等离子体的自由基(radical)和离子在宽广的处理空间向四周扩散，自由基各向同性地灌注、离子被直流偏压吸引地对半导体晶片W的上表面(被处理面)供给。这样，等离子体的活性种在半导体晶片W的被处理面上引起化学反应和物理反应，将被加工膜蚀刻为所需的图案。此处“环状的等离子体”不严密地限于在腔室10的径向内侧(中心部)不产生等离子体而仅在径向外侧产生等离子体这样的严密的环状的等离子体，而是指腔室10的径向外侧的等离子体的体积或者密度比径向内侧大。此外，根据处理气体使用的气体的种类和腔室10内的压强的值等条件，也存在没有成为此处所说的“环状的等离子体”的情况。该电感耦合型等离子体蚀刻装置，将RF天线54分割为线圈径不同的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62，有效地抑制或者降低RF天线54内的波长效果和电位差(电压降)，进而通过除了内侧线圈58之外将中间线圈60和外侧线圈62与可变电容器86、88串联连接的结构，能够简单并且高效率地控制半导体晶片W上的等离子体密度分布。RF天线的基本的结构和作用图2和图3中，表示该电感耦合型等离子体蚀刻装置的RF天线54的布局和电连接(电路)的基本结构。如图2所示，内侧线圈58，由夹着间隙或者裂缝—周的半径固定的单圈圆环状线圈组成，位于径向上靠近腔室10的中心的位置。内侧线圈58的一个端部即RF入口端58in，经过向上方延伸的连接导体92和第一节点Na与高频供电部66的RF供电线68连接。内侧线圈58的另一个端部即RF出口端58out，经过向上方延伸的连接导体94和第二节点Nb与接地线70连接。中间线圈60，由夹着间隙或者裂缝Gm绕一周的半径固定的单圈圆环状线圈组成，位于径向上比内侧线圈58靠近外侧的腔室10的中间部。中间线圈60的一个端部即RF入口端60in，在径向上与内侧线圈58的RF入口端58in邻接，经过向上方延伸的连接导体96和第一节点Na与高频供电部66的RF供电线68连接。中间线圈60的另一个端部即RF出口端60out，在径向上与内侧线圈58的RF出口部58out邻接，经过向上方延伸的连接导体98和第二节点Nb与接地线70连接。外侧线圈62，由夹着间隙或者裂缝G。绕一周的半径固定的单圈圆环状线圈组成，位于径向上比中间线圈60靠近外侧的接近腔室10的侧壁的位置。外侧线圈62的一个端部即RF入口端62in，在径向上与中间线圈的60的RF入口端60in邻接，经过向上方延伸的连接导体100和第一节点Na与高频供电部66的RF供电线68连接。外侧线圈62的另一、个端部即RF出口端62out，在径向上与中间线圈60的RF出口端60out邻接，经过向上方延伸的连接导体102和第二节点Nb与接地线70连接。如图2所示，向RF天线54的上方延伸的连接导体92 102，在天线室56(图I)内与介电窗52隔开充分大的距离(在相当高的位置)形成横向的分支线或者搭接线，减少对于各线圈58、60、62的电磁的影响。在上述那样的RF天线54内的线圈配置和接线结构中，从高频电源72通过RF供电线68、RF天线54和接地线70连接到接地电位部件的情况，更直接地从第一节点Na到第二节点Nb连接构成RF天线54的各线圈58、60、62的高频分支传输路径的情况下，分别通过内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62时的方向均为图2中的逆时针，在环绕方向是相同的。、该实施方式的电感耦合型等离子体蚀刻装置中，由于从高频供电部66供给的高频的电流流过RF天线54内的各部分,所以在构成RF天线54的内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62的周围遵循安培定律产生环状分布的高频的交流磁场，在介电窗52之下相对内部深处(下方)的区域也形成在半径方向上横穿处理空间的磁力线。此处，处理空间中的磁通密度的半径方向(水平)成分，在腔室10的中心和周边部分与高频电流的大小无关，总是零，其中间的某处最大。因高频的交流磁场而生成的方位角方向的感应电场的强度分布，也在径向上表现出与磁通密度同样的分布。即，在径向上，环状等离子体内的电子密度分布，宏观上与RF天线54内的电流分布大致对应。该实施方式中的RF天线54，与从其中心或者内周端旋转至外周端的通常的螺旋线圈不同，由局部存在于天线的中心部分的圆环状的内侧线圈58、局部存在于天线的中间部分的圆环状的中间线圈60和局部存在于天线的周边部分的圆环状的外侧线圈62组成，RF天线54内的电流分布为与各线圈58、60、62的位置对应的同心圆状的分布。此处，内侧线圈58中，在其环路内流过一样或者均匀的高频电流(以下称为“内侧线圈电流”。)Ii。中间线圈60中，在其环路内流过一样或者均匀的高频电流(以下称为“中间线圈电流”。)Imo外侧线圈62中，在其环路内流过一样或者均匀的高频电流(以下称为“外侧线圈电流”。)1。。这样，在腔室10的介电窗52的下方(内侧)生成的环状等离子体中，如图3所示，在内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62的各正下方的位置附近电流密度(即等离子体密度)极大(最大)。这样，环状等离子体内的电流密度分布在径向上不是均匀的而是凹凸的分布特性。但是，由于在腔室10内的处理空间中等离子体向四周扩散，基座12的附近即基板W上等离子体的密度被平均化。在该实施方式中，内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62均为圆环状线圈，在线圈环绕方向流过一样或者均匀的高频电流，因此在线圈环绕方向，总是不仅在环状等离子体内在基座12的附近即基板W上也能够获得大致均匀的等离子体密度分布。此外，在径向上，通过如后所述将中间电容器86和外侧电容器88的静电电容C86、C88在规定的范围内可变或者选定为适当的值，能够调节分别流过内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62的电流Ip Im, I0的平衡，自由地控制环状等离子体内的等离子体密度分布。由此，能够自由地控制基座12的附近即基板W上的等离子体密度分布，还能够以较高的精度容易地达成等离子体密度分布的均匀化。
在该实施方式中，RF天线54内的波长效果和电压降依赖于每个线圈58、60、62的长度。从而，通过以在各线圈58、60、62不会发生波长效果的方式选定各线圈的长度，能够全面解决RF天线54内的波长效果和电压降的问题。关于波长效果的防止，优选使各线圈58,60,62的长度比高频RFh的1/4波长短。与该线圈长度相关的未满1/4波长条件是线圈的直径越小、圈数越少，越容易满足。从而，在RF天线54内线圈径最小的内侧线圈58，容易使用多圈的结构。另一方面，线圈径最大的外侧线圈62,与多圈相比优选单圈。中间线圈60还依 赖于半导体晶片W的口径、高频RFh的频率等，通常与外侧线圈62同样地优选单圈。对RF天线附加的电容器的功能该实施方式的主要的特征在于，将RF天线54在径向并联地分割为线圈径不同的三个线圈58、60、62，并且使中间线圈60和外侧线圈62分别与可变的中间电容器86和外侧电容器88串联电连接，另一方面，对内侧线圈58不连接任何电抗元件(特别是电容器)的结构。此处，考虑如图4所示对RF天线54的各处均不附加电容器的情况。该情况下，在内侧线圈58的正下方生成比中间线圈60和外侧线圈62的正下方显著浓密的等离子体。其理由如下所述。即，线圈导线的粗细(半径)为a、线圈径(半径)为r的单圈圆环状线圈的自感L如下式⑴所表示。式IL = r//01 log--2 |
V a J……(I)其中，μ C1是真空的磁导率。此外，线圈径(半径)r是线圈内周的半径与线圈外周的半径的中间值。根据上式(1)，自感L与线圈半径r大致线性地成比例。这样的圆环状线圈的阻抗Z，设高频的频率为f时，为Z = 2 JI fL，与自感L成比例。从而，设内侧线圈58、中间线圈60和外侧线圈62的线圈半径为例如50mm、100mm、150mm时，在内侧线圈58中流过内侧线圈电流Ii，所述内侧线圈电流Ii为在中间线圈60中流过的中间线圈电流Ini的大约2倍、在外侧线圈62中流过的外侧线圈电流I。的大约3倍。由圆环状线圈生成的等离子体的密度，虽然半径越小效率会有一定降低，但是基本不依赖于半径而是依赖于线圈电流的电流量。因此，在内侧线圈58的正下方生成比中间线圈60和外侧线圈62的正下方浓密数倍的等离子体。由此，基座12的附近即半导体晶片W上的等离子体密度分布，成为在径向的中心部突出地升高的分布特性。但是，线圈具有正的电抗，电容器具有负的电抗。因而，将线圈与电容器连接时，电容器的负的电抗会抵消线圈的正的电抗，所以合成电抗比线圈的电抗低。因而，将内侧线圈58与电容器连接、增加内侧线圈电流Ii的电流量，不仅无助于等离子体密度分布的均匀化，还会起到相反效果。这一点，在分别以队、Nm, N0圈(turn)的螺旋状线圈构成各线圈58、60、62的情况下也是相同的。即，由于各线圈的电感与圈数(卷绕数)成比例，所以各阻抗也与圈数成比例。由此，分别流过内侧线圈58和外侧线圈62的线圈电流Ip I。的比为，Ii I0 =r0*N0*Ni rjNjN。= r。 r”另一方面,在两个线圈58、62的正下方分别生成的等离子体的密度ηρη。由线圈电流X圈数确定。所以，在内侧线圈58和外侧线圈62的正下方生成的等离子体的密度η^η。的比为,Iii n。= r JNJNi rjNjN。= r。 该情况下也由半径的比确定。在内侧线圈58与中间线圈60之间也是相同的。这样，在内侧线圈58的正下方，生成总是比中间线圈60和外侧线圈62的正下方更浓的等离子体。现实中，不能忽略从匹配器74的出口到该线圈的配线的阻抗。从匹配器74的出口到RF天线54的高度方向上配线的长度是固定的，因此可以假设配线的长度在内侧·中间·外侧之间为相同程度，配线阻抗在内侧·中间·外侧相等。这样，例如外侧线圈62和内侧线圈58分别具有75 Ω、25Ω的阻抗的情况下，设配线阻抗为大约10 Ω时，Ii I。(75+10) (25+10) = 85 35 = 2.41 1，仍然有 2 倍以上的差距。 在压强较高(通常为IOOmTorr以上)、等离子体的扩散的影响难以作用的情况下，在内侧和外侧为上述这样的平衡，而若压强变低、产生扩散的影响，则中心部的等离子体密度更加突出地升高。这样，在任何条件下，在并联电连接的线圈径不同的多个线圈之间最内侧的线圈的正下方等离子体密度相对较高的法则成立。该实施方式中，基于上述看法，通过在RF天线54的两个端子之间(第一和第二节点ΝΑ、ΝΒ)，对内侧线圈58不附加(连接)任何电容器，而在中间线圈60和外侧线圈62串联连接可变电容器86、88，对这些可变电容器86、88的静电电容C86、C88向降低合成电抗的方向调节，能够适当地增加分别流过中间线圈60和外侧线圈62的线圈电流Im、I0的电流量，而使线圈电流Ii、Im、I。成为大致相同的大小，或者使中间线圈电流Im和/或外侧线圈电流I0比内侧线圈电流Ii大。此处，可变电容器86、88引起的线圈电流Im、I0的增加量均流过中间线圈60和外侧线圈62，参与等离子体生成，所以不会发生高频功率的浪费。通常，为了纠正在径向中心部等离子体密度突出地升高的分布特性，粗略而言，调节流过内侧线圈58的内侧线圈电流Ii与流过外侧线圈62的外侧线圈电流I0的比(平衡)是有效的。在该实施方式中，为了调节两个线圈电流Ii、I。的比，仅使外侧电容器88的静电电容C88可变即可。该情况下，优选在各种条件下使等离子体密度分布均匀化的基础上，使外侧线圈电流I0与外侧线圈62的圈数η。的积1。*11。的可变范围具有比内侧线圈电流Ii与内侧线圈58的圈数Iii的积Ijni小的下限值和比其大的上限值。由于内侧线圈电流Ii和外侧线圈电流I0的比，与内侧线圈58的阻抗(以下称为“内侧阻抗”)和外侧线圈62以及外侧电容器88的合成阻抗(以下称为“外侧合成阻抗”)的倒数的比成比例，所以设内侧阻抗(固定值)SZi、外侧合成阻抗(可变值)的最小值和最大值分别为Ztj0llil^Ztj0liax)时，与该线圈电流X圈数相关的上述条件，能以如下方式表示。式2I N0/Z0(fflax) I < I NiAi I < I N0/Z0(fflin) I ……(2)进而，内侧阻抗Zi和外侧合成阻抗Z。，如果除去接线部则依赖于各个的平均线圈半径。虽然不能忽略接线部的影响，但是由于没有决定性的影响，也能够以如下方式表示上述条件。式3
权利要求
1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备 具有介电窗的处理容器； 在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部； 为了对所述基板实施所需的等离子体处理，对所述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部； 为了在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在所述介电窗外部的RF天线；和 对所述RF天线供给高频电カ的高频供电部，所述高频电カ的频率适合所述处理气体的高频放电， 所述RF天线具有内侧线圈、中间线圈和外侧线圈,所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧，并且在设置于所述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接， 在所述第一节点和所述第二节点之间，设置与所述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与所述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器， 所述内侧线圈不通过电抗元件地连接在所述第一节点和所述第二节点之间。
2.如权利要求I所述的等离子体处理装置，其特征在于 设所述内侧线圈和所述外侧线圈的圈数分别为队、N。、所述内侧线圈的阻抗为ZiIM使所述外侧电容器的静电电容可变而获得的所述外侧线圈和所述外侧电容器的合成阻抗的最大值和最小值分别为Zdmax)、Ztj0llin)时,下述不等式成立。
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述内侧线圈和所述外侧线圈分别为圆环状线圏，设它们的半径为巧、r。、两个线圈的线圈导线的粗细的半径为a、真空中的磁导率为Utl，并且设所述外侧线圈与所述外侧电容器的合成阻抗成为最大值Z。-)和最小值Ztj0nin)时的所述外侧电容器的静电电容分别为C0 (max)和 C0(min) 时，下述不等式成立。
4.如权利要求I所述的等离子体处理装置，其特征在于 在所述内侧线圈、所述中间线圈和所述外侧线圈中，分别流过在环绕方向上方向相同的电流。
5.如权利要求I所述的等离子体处理装置，其特征在于 在所述中间线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相反的电流。
6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述中间电容器具有比与所述中间线圈发生串联谐振时的值小的值的静电电容。
7.如权利要求I所述的等离子体处理装置，其特征在于 在所述外侧线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相同的电流。
8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述外侧电容器具有比与所述外侧线圈发生串联谐振时的值大的值的静电电容。
9.如权利要求I所述的等离子体处理装置，其特征在于 在所述外侧线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相反的电流。
10.如权利要求9所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述外侧电容器具有比与所述外侧线圈发生串联谐振时的值小的值的静电电容。
11.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备 具有介电窗的处理容器； 在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部； 为了对所述基板实施所需的等离子体处理，对所述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部； 为了在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在所述介电窗外部的RF天线；和 对所述RF天线供给高频电カ的高频供电部,所述高频电カ的频率适合所述处理气体的高频放电， 所述RF天线具有内侧线圈、中间线圈和外侧线圈,所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧，在设置于所述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接， 在所述第一节点与所述第二节点之间，设置与所述内侧线圈电连接的固定或者半固定的内侧电容器、与所述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与所述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器。
12.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于 设所述内侧线圈和所述外侧线圈的圈数分别为Ni. N。、所述内侧线圈的阻抗为ZiIM使所述外侧电容器的静电电容可变而获得的所述外侧线圈和所述外侧电容器的合成阻抗的最大值和最小值分别为Zdmax)、Ztj0llin)时,下述不等式成立。N0/Zo(max) く Nj/Zj く N0/Z0(min)
13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述内侧线圈和所述外侧线圈分别为圆环状线圏，设它们的半径为巧、r。、两个线圈的线圈导线的粗细的半径为a、真空中的磁导率为Utl，并且设所述外侧线圈与所述外侧电容器的合成阻抗成为最大值Z。-)和最小值Ztj0nin)时的所述外侧电容器的静电电容分别为C0 (max)和 C0(min) 时，下述不等式成立。
14.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备 具有介电窗的处理容器； 在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部； 为了对所述基板实施所需的等离子体处理，对所述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部； 为了在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在所述介电窗外部的RF天线；和 对所述RF天线供给高频电カ的高频供电部，所述高频电カ的频率适合所述处理气体的高频放电， 所述RF天线具有内侧线圈、中间线圈和外侧线圈,所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧，在设置于所述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接， 在所述第一节点与所述第二节点之间，设置与所述内侧线圈电连接的固定或者半固定的内侧电感器、与所述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与所述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器。
15.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备 具有介电窗的处理容器； 在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部； 为了对所述基板实施所需的等离子体处理，对所述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部； 为了在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体，设置在所述介电窗外部的RF天线；和 对所述RF天线供给高频电カ的高频供电部,所述高频电カ的频率适合所述处理气体的高频放电， 所述RF天线具有内侧线圈、中间线圈和外侧线圈,所述内侧线圈、中间线圈和外侧线圈在径向上隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧，在设置于所述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接， 在所述第一节点与所述第二节点之间，设置与所述内侧线圈电连接的可变的内侧电容器、与所述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器、和与所述外侧线圈串联电连接的固定或者半固定的外侧电容器。
16.如权利要求15所述的等离子体处理装置，其特征在于 设所述内侧线圈和所述外侧线圈的圈数分别为Ni. N。、所述外侧线圈的阻抗为Z。、通过使所述内侧电容器的静电电容可变而获得的所述内侧线圈与所述内侧电容器的合成阻抗的最大值和最小值分别为Zi(max)、Zi(min)时,下述不等式成立。
17.如权利要求16所述的等离子体处理装置，其特征在于 所述内侧线圈和所述外侧线圈分别为圆环状线圏，设它们的半径为巧、r。、两个线圈的线圈导线的粗细的半径为a、真空中的磁导率为Utl，并且设所述内侧线圈与所述内侧电容器的合成阻抗成为最大值Zi(_)和最小值Zi0llin)时的所述内侧电容器的静电电容分别为Ci (max)和 Ci(min) 时，下述不等式成立。
18.如权利要求I 17中任意一项所述的等离子体处理装置，其特征在于 具有在所述第二节点与接地电位的部件之间连接的出口侧共用电容器。
19.ー种在等离子体处理装置中对基板实施所需的等离子体处理的等离子体处理方法，所述等离子体处理装置具备具有介电窗的处理容器、在所述处理容器内保持被处理基板的基板保持部、为了对所述基板实施所需的等离子体处理而对所述处理容器内供给所需的处理气体的处理气体供给部、为了在所述处理容器内通过电感耦合生成处理气体的等离子体而设置在所述介电窗外部的RF天线、和对所述RF天线供给适合所述处理气体的高频放电的频率的高频电カ的高频供电部，所述等离子体处理方法的特征在于 将所述RF天线分割为在径向隔开间隔分别配置在相对内侧、中间和外侧，并且在设置于所述高频供电部的高频传输路径中的第一和第二节点之间并联电连接的内侧线圈、中间 线圈和外侧线圈， 在所述第一节点与所述第二节点之间，不设置与所述内侧电容器连接的电抗元件，设 置与所述中间线圈串联电连接的可变的中间电容器和与所述外侧线圈串联电连接的可变的外侧电容器， 对所述中间电容器和所述外侧电容器的静电电容进行选定或者可变控制，来控制所述基板上的等离子体密度分布。
20.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 通过使所述中间电容器和所述外侧电容器的静电电容中至少ー个接近发生串联谐振时的值，使流过所述内侧线圈的电流减少。
21.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 通过使所述中间电容器和所述外侧电容器的静电电容中至少ー个远离发生串联谐振时的值，使流过所述内侧线圈的电流増大。
22.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 调整所述中间电容器和所述外侧电容器的静电电容，使得所述被处理基板上的等离子体密度在径向上变得均匀。
23.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 按照以下方式进行调整通过使所述中间线圈和所述外侧线圈的各自的圈数与线圈电流的电流量的积的值，同所述内侧线圈的圈数与线圈电流的电流量的积的值一致，使所述处理基板上的等离子体密度在径向上变得均匀。
24.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 对所述中间电容器的静电电容在比与所述中间线圈发生串联谐振时的值小的范围内进行可变控制，使得在所述中间线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相反的电流。
25.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 对所述中间电容器的静电电容在比与所述中间线圈发生串联谐振时的值大的范围内进行可变控制，使得在所述中间线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相同的电流。
26.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 对所述外侧电容器的静电电容在比与所述外侧线圈发生串联谐振时的值小的范围内进行可变控制，使得在所述外侧线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相反的电流。
27.如权利要求19所述的等离子体处理方法，其特征在于 对所述外侧电容器的静电电容在比与所述外侧线圈发生串联谐振时的值大的范围内进行可变控制，使得在所述外侧线圈中流过与在所述内侧线圈中流动的电流在环绕方向上方向相同的电流。
全文摘要
本发明提供一种等离子体处理装置和等离子体处理方法。在电感耦合型等离子体处理中有效且任意地控制在腔室内形成的环状等离子体内的等离子体密度分布。在该电感耦合型等离子体处理装置中，为了生成电感耦合等离子体而设置在介电窗(52)上的RF天线(54)在径向上被分割为内侧线圈(58)、中间线圈(60)和外侧线圈(62)。在设置在高频供电部(66)的高频传输路径上的第一节点NA与第二节点NB之间，对中间线圈(60)和外侧线圈(62)分别串联电连接可变的中间电容器(86)和外侧电容器(88)，对内侧线圈(58)不连接任何电抗元件。
文档编号H01J37/32GK102737941SQ20121008931
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者山泽阳平 申请人:东京毅力科创株式会社