等离子体处理装置、上部电极组件及其制造和再生方法与流程

1.本发明涉及等离子体处理装置、等离子体处理装置中使用的上部电极组件、上部电极组件的制造方法和上部电极组件的再生方法。


背景技术：

2.在专利文献1中，公开了等离子体处理装置中的复合喷淋头电极组件的结构。在专利文献1中，在构成复合喷淋头电极组件的多个部件中的电极板与背衬板之间，配置例如由硅酮形成的界面凝胶，在确保导电性的同时进行电极板的温度控制。
3.另外，在专利文献2中公开了等离子体处理装置的上部电极结构。在专利文献2的上部电极结构中，面向等离子体处理空间的第1板的温度控制，是通过在位于其上方的第2板中形成制冷剂用的流路来进行。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特表2012-500471号公报。
7.专利文献2：日本特开2015-216261号公报。


技术实现要素：

8.发明要解决的问题
9.本发明的技术是在向处理腔室的热输入增加的情况下，降低伴随部件的接合的热阻，有效地进行构成上部电极组件的电极板的温度调节。
10.用于解决问题的技术手段
11.本发明的一个技术方案是一种等离子体处理装置，其包括：等离子体处理腔室；配置在所述等离子体处理腔室内的基片支承部；配置在所述基片支承部内的下部电极；导电性部件，其配置在所述基片支承部的上方，具有至少1个制冷剂入口和至少1个制冷剂出口，且与rf电位或dc电位连接；和上部电极组件，所述上部电极组件具有：导电性板，其以可拆装的方式连接于所述导电性部件的下表面，具有与所述至少1个制冷剂入口和所述至少1个制冷剂出口连通的1个或多个制冷剂流路；配置在所述导电性板的下方的电极板；和配置在所述电极板与所述导电性板之间的导电性接合片。
12.发明效果
13.根据本发明，在向处理腔室的热输入增加的情况下，能够降低伴随部件的接合的热阻，有效地进行构成上部电极组件的电极板的温度调节。
附图说明
14.图1是示意性地表示等离子体处理系统的结构的说明图。
15.图2是放大表示上部电极组件的一部分的说明图。
16.图3是在导电性板上形成导电性涂层时的概略说明图。
17.图4是表示上部电极组件的制造方法的流程图。
18.图5是表示上部电极组件的再生方法的流程图。
19.图6是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
20.图7是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
21.图8是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
22.图9是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
23.图10是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
24.图11是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
25.图12是表示制冷剂流路的具体形状的一例的说明图。
26.附图标记说明
27.1等离子体处理装置
28.10等离子体处理腔室
29.10b导电性部件
30.10s等离子体处理空间
31.13上部电极组件
32.120电极板
33.130导电性板
34.131制冷剂流路
35.133制冷剂入口
36.134制冷剂出口
37.140导电性接合片
38.w基片
具体实施方式
39.在半导体器件的制造工序中，通过使供给到腔室中的处理气体激发而生成等离子体，对基片支承部所支承的半导体基片(以下，简称为“基片”)进行蚀刻处理、成膜处理、扩散处理等各种等离子体处理。这些等离子体处理例如使用具有构成腔室顶部的一部分的上部电极组件的电容耦合型(ccp：capacitivelycoupledplasma)的等离子体处理装置来进行。
40.在此，在近年来的半导体器件的制造工艺中，伴随着形成于基片表面的图案的微细化的要求，在等离子体处理装置中，要求将rf(radiofrequency，电磁频率)电源设为高输出，进行例如深挖的蚀刻处理。然而，在深挖的蚀刻处理中，从缩短蚀刻时间、提高离子直线前进性这样的观点出发，要求进一步增加rf输出，与此相伴的向腔室的热输入成为问题。
41.如果向腔室的热输入过大，则担心温度上升引起的蚀刻副产物等的附着状况的变化、腔室构造部件的由热引起的破损等。因此，从均匀地控制针对基片的等离子体处理结果，防止腔室构造部件的破损的观点出发，要求提高伴随等离子体热输入的腔室的冷却性能。
42.在上述的专利文献1中，在构成腔室的复合喷淋头电极组件(上部电极组件)中，经由界面凝胶安装位于等离子体暴露面的电极板，实现了紧贴性和热传导性的提高。另外，在
上述的专利文献2中，通过静电吸附方式进行上部电极结构中的第1板与第2板之间的吸附，实现了紧贴性和热传导性的提高。
43.然而，上述专利文献1中记载的界面凝胶例如由硅酮形成，热传导率低、热阻高，所以在等离子体输入热量过大的情况下，要求实现热传导率的进一步提高。另外，在界面凝胶由硅酮形成的情况下，硅酮的体积电阻高，存在需要另外设置与电极板的电接点这样的问题。通过在硅酮中添加填料，也能够改善热传导率，但紧贴性会恶化，因此界面热阻增加而不现实。另外，即使采用上述专利文献2中记载的静电吸附方式，在向腔室的热输入过大的情况下，热阻降低效果也不充分，存在进一步改善的余地。
44.本发明的技术是鉴于上述情况而完成的，提供一种即使在向腔室的热输入过大的情况下，也能够比现有技术更有效地进行构成上部电极组件的电极板的温度调节的技术。以下，参照附图对一个实施方式的等离子体处理系统和包含本实施方式的蚀刻方法的等离子体处理方法进行说明。此外，在本说明书和附图中，对实质上具有相同的功能结构的要素，通过标注相同的附图标记，省略重复说明。
45.＜等离子体处理系统＞
46.首先，对本实施方式的等离子体处理系统进行说明。图1是表示本实施方式的等离子体处理系统的结构的概略的纵截面图。
47.等离子体处理系统包括电容耦合型的等离子体处理装置1和控制部2。等离子体处理装置1包括等离子体处理腔室10、气体供给部20、电源30和排气系统40。另外，等离子体处理装置1包括基片支承部11和气体导入部。基片支承部11配置在等离子体处理腔室10内。气体导入部构成为将至少一种处理气体导入到等离子体处理腔室10内。气体导入部包括上部电极组件13。上部电极组件13配置于基片支承部11的上方。在一个实施方式中，上部电极组件13安装于构成等离子体处理腔室10的顶部的导电性部件10b(ceiling，顶板)。在等离子体处理腔室10的内部形成有由上部电极组件13、等离子体处理腔室10的侧壁10a和基片支承部11规定的等离子体处理空间10s。另外，等离子体处理腔室10具有用于向等离子体处理空间10s供给至少一种处理气体的至少一个气体供给口和用于从等离子体处理空间10s排出气体的至少一个气体排出口。侧壁10a接地。上部电极组件13和基片支承部11与等离子体处理腔室10电绝缘。
48.基片支承部11包括主体部111和环组件112。主体部111的上表面具有用于支承基片(晶片)w的中央区域111a(基片支承面)和用于支承环组件112的环状区域111b(环支承面)。环状区域111b在俯视时包围中央区域111a。环组件112包含1个或多个环状部件，1个或多个环状部件中的至少1个为边缘环。
49.在一个实施方式中，主体部111包括基座113和静电吸盘114。基座113包括导电性部件。基座113的导电性部件作为下部电极发挥功能。静电吸盘114配置在基座113的上表面。静电吸盘114的上表面具有上述的中央区域111a和环状区域111b。
50.另外，虽然省略了图示，但基片支承部11也可以包括温度调节模块，该温度调节模块构成为将环组件112、静电吸盘114和基片w中的至少1者调节为目标温度。温度调节模块也可以包括加热器、传热介质、流路或它们的组合。在流路中流动盐水(brine)、气体那样的传热流体。另外，基片支承部11也可以包括传热气体供给部，该传热气体供给部构成为向基片w的背面与静电吸盘114的上表面之间供给传热气体(背侧气体)。
51.气体供给部20也可以包括至少一个气体源21和至少一个流量控制器22。在一个实施方式中，气体供给部20构成为将至少一种处理气体从分别对应的气体源21经由分别对应的流量控制器22供给到上部电极组件13。各流量控制器22例如也可以包括质量流量控制器或压力控制式的流量控制器。并且，气体供给部20也可以包括对至少一种处理气体的流量进行调制或脉冲化的一个或一个以上的流量调制器件。
52.电源30包括经由至少一个阻抗匹配电路与等离子体处理腔室10耦合的rf电源31。rf电源31构成为将生成源rf信号和偏置rf信号这样的至少1个rf信号(rf电力)供给到基片支承部11的导电性部件(下部电极)和/或上部电极组件13的导电性部件(上部电极)。由此，由供给到等离子体处理空间10s的至少一种处理气体形成等离子体。因此，rf电源31能够作为构成为在等离子体处理腔室10中从一个或一个以上的处理气体生成等离子体的等离子体生成部的至少一部分发挥功能。另外，通过向下部电极供给偏置rf信号，能够在基片w产生偏置电位，将所形成的等离子体中的离子成分引入到基片w。
53.在一个实施方式中，rf电源31包括第1rf生成部31a和第2rf生成部31b。第1rf生成部31a构成为经由至少一个阻抗匹配电路与下部电极和/或上部电极耦合，生成等离子体生成用的生成源rf信号(生成源rf电力)。在一个实施方式中，生成源rf信号具有13mhz～160mhz的范围内的频率。在一个实施方式中，第1rf生成部31a也可以构成为生成具有不同频率的多个生成源rf信号。所生成的一个或多个生成源rf信号被供给到下部电极和/或上部电极。第2rf生成部31b构成为经由至少1个阻抗匹配电路与下部电极耦合，生成偏置rf信号(偏置rf电力)。在一个实施方式中，偏置rf信号具有比生成源rf信号低的频率。在一个实施方式中，偏置rf信号具有400khz～13.56mhz的范围内的频率。在一个实施方式中，第2rf生成部31b也可以构成为生成具有不同频率的多个偏置rf信号。所生成的一个或多个偏置rf信号被供给到下部电极。此外，在各种实施方式中，也可以对生成源rf信号和偏置rf信号中的至少一者进行脉冲化。
54.另外，电源30也可以包括与等离子体处理腔室10耦合的dc电源32。dc电源32包括第1dc生成部32a和第2dc生成部32b。在一个实施方式中，第1dc生成部32a构成为与下部电极连接，生成第1dc信号。所生成的第1偏置dc信号被施加到下部电极。在一个实施方式中，第1dc信号也可以施加于静电吸盘114内的吸附用电极那样的其他电极。在一个实施方式中，第2dc生成部32b构成为与上部电极连接，生成第2dc信号。所生成的第2dc信号被施加于上部电极。在各种实施方式中，第1dc信号和第2dc信号中的至少一个也可以被脉冲化。另外，可以除了rf电源31之外还设置第1dc生成部32a和第2dc生成部32b，也可以代替第2rf生成部31b设置第1dc生成部32a。
55.排气系统40例如能够与设置于等离子体处理腔室10的底部的气体排出口10e连接。排气系统40也可以包括压力调节阀和真空泵。利用压力调节阀能够调节等离子体处理空间10s的内部压力。真空泵也可以包含涡轮分子泵、干式泵或它们的组合。
56.控制部2对使等离子体处理装置1执行本发明中所述的各种工序的计算机可执行的命令进行处理。控制部2能够构成为以执行在此叙述的各种工序的方式控制等离子体处理装置1的各要素。在一个实施方式中，控制部2的一部分或全部也可以包含于等离子体处理装置1。控制部2例如也可以包括计算机2a。计算机2a例如也可以包括处理部(cpu：central processing unit)2a1、存储部2a2和通信接口2a3。处理部2a1能够构成为基于保
存于存储部2a2的程序来进行各种控制动作。存储部2a2也可以包括ram(random access memory：随机存取存储器)、rom(read only memory：只读存储器)、hdd(hard disk drive：硬盘驱动器)、ssd(solid state drive：固态驱动器)、或者它们的组合。通信接口2a3也可以经由lan(local area network：局域网)等通信线路与等离子体处理装置1之间进行通信。
57.＜上部电极组件＞
58.接着，使用图2对上述的上部电极组件13和附随于该上部电极组件13的等离子体处理装置1的构成要素进行说明。图2是放大表示上部电极组件13的一部分的说明图。
59.如图2所示，在一个实施方式中，上部电极组件13安装于在基片支承部11的上方配置的导电性部件10b的下表面，包括电极板120和导电性板130。导电性部件10b可以构成等离子体处理腔室10的顶部，也可以安装于等离子体处理腔室10的顶部。电极板120和导电性板130隔着导电性接合片140在垂直方向上层叠。换言之，上部电极组件13从下方起按照电极板120、导电性接合片140、导电性板130的顺序层叠。即，电极板120配置在导电性板130的下方。
60.导电性部件10b例如由al(铝)等导电性材料(第2导电性材料)形成。电极板120例如由si、sic形成，其下表面在等离子体处理空间10s露出。即，电极板120具有暴露于在等离子体处理空间10s中生成的等离子体的等离子体暴露面。电极板120作为等离子体处理中的上部电极发挥功能。在电极板120上，在厚度方向(垂直方向)贯通地形成有多个气体导入口13a。气体导入口13a经由形成于导电性部件10b的内部的气体扩散空间13b和气体供给口13c与气体供给部20连接，构成为将来自气体供给部20的至少1种处理气体导入等离子体处理空间10s。
61.导电性部件10b作为将包含电极板120、导电性接合片140、导电性板130的上部电极组件13在其拆装面137上拆装自如(可拆装)地支承的导电性支承体而发挥功能。上部电极组件13利用固定单元固定于导电性部件10b。固定单元可以应用例如日本特开2016-18768号公报和日本特开2016-18769号公报所记载的吊起式、例如us2009/0095424a1所记载的螺钉紧固式、例如us2021/0032752a1所记载的粘接式那样的各种方法。
62.在导电性部件10b的内部形成有至少1个气体扩散空间13b和至少1个气体供给口13c。气体扩散空间13b和气体供给口13c与气体供给部20连接，如上所述，构成为将来自气体供给部20的至少1种处理气体经由形成于电极板120的气体导入口13a导入到等离子体处理空间10s。
63.导电性板130在内部具有构成为能够将温度会因等离子体热输入而变动的电极板120调节为目标温度的至少1个制冷剂流路131。在制冷剂流路131中，流通有插通于导电性部件10b并经由其上部的流路入口133和流路出口134在与装置外部的冷却器(未图示)之间循环的盐水、气体那样的传热流体。在一个实施方式中，导电性部件10b具有上表面和下表面。导电性部件10b在其上表面具有至少1个制冷剂入口133和至少1个制冷剂出口134。导电性部件10b具有从至少1个制冷剂入口133贯通至导电性部件10b的下表面的至少1个第1制冷剂流路。导电性部件10b具有从其下表面贯通到至少1个制冷剂出口134的至少1个第2制冷剂流路。并且，导电性板130具有经由至少1个第1制冷剂流路与至少1个制冷剂入口133连通、经由至少1个第2制冷剂流路与至少1个制冷剂出口134连通的1个或多个制冷剂流路
131。此外，关于制冷剂流路131的具体的形状，参照图6～图12在后面叙述。另外，导电性部件10b与rf电位或dc电位连接。在一个实施方式中，导电性部件10b与rf电源31或dc电源32连接。
64.在一个实施方式中，导电性板130由能够赋予大的按压力的韧性高的导电性材料(第3导电性材料)形成。这是因为，在紧固于导电性部件10b时，有时会施加螺纹扭矩等应力。在一个实施方式中，导电性板130由被称为mo(钼)或mmc(metal matrix composites)的金属基复合材料形成。
65.在一个实施方式中，导电性板130由al-si、aln、sic这样的高电阻材料形成。在该情况下，在导电性板130上形成导电性涂层139。图3是在导电性板130上形成了导电性涂层139的情况下的概略说明图。如图3所示，导电性涂层139只要形成为能够使导电性部件10b和导电性接合片140电导通即可，例如，也可以形成为覆盖导电性板130的下表面及侧面整面和上表面的一部分。导电性涂层139例如由铝等导电性材料形成。
66.在一个实施方式中，导电性接合片140由具有400℃～1000℃的熔点的、被称为所谓的钎焊合金的金属形成。在一个实施方式中，导电性接合片140由al-si合金、al-mg合金、al-si-mg合金形成。利用导电性接合片140进行的导电性板130与电极板120的接合，例如可通过被称为热压或hip(hot isostatic pressing：热等静压)的利用气压的加压处理来进行。因此，电极板120不伴随其他固定机构而经由导电性接合片140与导电性板130接合。
67.电极板120例如是si、sic电极。即，电极板120由si或sic形成。例如在使用了等离子体的蚀刻处理中，电极板120成为等离子体暴露面，所以伴随着使用所引起的经时性的剥离、劣化、蚀刻副产物的附着等，需要适当地再生、更换。另外，当然，在等离子体处理开始时，也需要准备新的电极板120。关于包含该电极板120的上部电极组件13的制造方法、再生方法，参照图4、5在后面叙述。
68.在一个实施方式中，导电性板130与电极板120之间的线膨胀系数差为2ppm/℃以下。这是为了在将导电性接合片140作为接合层而将导电性板130与电极板120接合时，抑制导电性板130与电极板120的接合不良、划痕等导致的颗粒的产生。如果两者的线膨胀系数差超过2ppm/℃，则以导电性接合片140的接合温度(熔融温度，如果为al-si系焊料则为550℃)为起点，与至常温为止的线膨胀差相应的热应力作用于接合界面，有可能引起破损。另外，与电极板120相比，导电性接合片140的厚度构成得较小。
69.＜利用等离子体处理装置的基片的处理方法＞
70.接着，对如以上那样构成的等离子体处理装置1中的基片w的处理方法的一例进行说明。此外，在等离子体处理装置1中，对基片w进行蚀刻处理、成膜处理、扩散处理等各种等离子体处理。
71.首先，向等离子体处理腔室10的内部送入基片w，在基片支承部11的静电吸盘114上载置基片w。接着，对静电吸盘114的吸附用电极施加电压，由此，通过静电力将基片w吸附并保持于静电吸盘114。
72.当基片w被静电吸盘114吸附并保持时，接着，等离子体处理腔室10的内部被减压至规定的真空度。接着，从气体供给部20经由上部电极组件13向等离子体处理空间10s供给处理气体。另外，从第1rf生成部31a向下部电极供给等离子体生成用的生成源rf电力，由此，使处理气体激发，生成等离子体。此时，也可以从第2rf生成部31b供给偏置rf电力。然
后，在等离子体处理空间10s中，通过所生成的等离子体的作用，对基片w实施等离子体处理。
73.在此，在进行基片w的等离子体处理时，与等离子体处理空间10s相邻配置的上部电极组件13的电极板120由于等离子体输入热而温度变动。而且，在这样在电极板120产生了温度变动的情况下，对基片w的等离子体处理结果有可能在面内变得不均匀。
74.因此，在本实施方式中，利用内置于导电性板130的制冷剂流路131进行电极板120的温度控制。具体而言，例如在电极板120的温度因等离子体热输入而上升时，使传热流体在制冷剂流路131的内部流通，从而使导电性板130的温度降低。由此，促进从电极板120向导电性板130的传热而使电极板120的温度降低。
75.在此，在本实施方式的上部电极组件13中，依次层叠电极板120、导电性接合片140、导电性板130，通过被称为所谓的钎焊合金的金属接合来使电极板120与导电性板130接合。因此，在本实施方式中，能够促进向电极板120与导电性板130的层叠方向即垂直方向的传热，能够有效地进行电极板120的温度控制。
76.在结束等离子体处理时，停止来自第1rf生成部31a的生成源rf电力的供给和来自气体供给部20的处理气体的供给。在等离子体处理中供给了偏置rf电力的情况下，该偏置rf电力的供给也停止。
77.接着，停止静电吸盘114对基片w的吸附保持，进行等离子体处理后的基片w和静电吸盘114的除电。之后，使基片w从静电吸盘114脱离，从等离子体处理装置1送出基片w。这样，一系列的等离子体处理结束。
78.＜上部电极组件的制造方法和再生方法＞
79.图4是表示上述的上部电极组件13的制造方法的流程图，图5是表示上部电极组件13的再生方法的流程图。
80.如图4所示，本实施方式的上部电极组件13的制造方法如下进行。首先，如工序s11所示，提供电极板120和导电性板130。然后，如工序s12所示，在电极板120与导电性板130之间夹入导电性接合片140。在该状态下，如工序s13所示，通过热压或hip(hot isostatic pressing：热等静压)这样的手段使导电性接合片140熔融，使电极板120与导电性板130金属接合。如此制造上部电极组件13。
81.另外，如图5所示，本实施方式的上部电极组件13的再生方法如下进行。首先，如工序s21所示，回收使用完毕的上部电极组件13。然后，在被回收后的上部电极组件13中，进行导电性板130的破损确认，在未破损的情况下，实施以后的工序。即，如工序s22所示，除去在被回收后的上部电极组件13中残存的使用完毕的电极板120(在此设为第1电极板)。电极板120的除去也可以通过基于磨削的机械加工或基于对导电性接合片140加热的剥离来进行。
82.然后，如工序s23所示，除去残留的使用完毕的导电性接合片140(在此设为第1导电性接合片)。导电性接合片140的去除也可以通过喷砂加工来进行。在此，在导电性板130上形成有导电性涂层139的情况下，也可以一并进行导电性涂层139的除去。
83.接着，如工序s24所示，准备新的电极板120(在此设为第2电极板)和新的导电性接合片140(在此设为第2导电性接合片)。而且，在现有的导电性板130与第2电极板120之间夹入第2导电性接合片140。然后，如工序s25所示，通过热压或hip这样的方法使第2导电性接合片140熔融，使第2电极板120与现有的导电性板130金属接合。这样，使用现有的导电性板
130，完成包括新的电极板120(第2电极板)的上部电极组件13。
84.＜制冷剂流路的形状＞
85.如上所述，构成本实施方式的上部电极组件13的导电性板130在内部具有构成为能够将温度会因等离子体输入热而变动的电极板120调节为目标温度的至少1个制冷剂流路131。制冷剂流路131的形状、结构能够根据电极板120的等离子体暴露面所要求的温度分布任意地设计。以下对其一例进行说明。
86.图6～图12是表示制冷剂流路131的具体形状的一例的说明图。图6～图12中的(a)是俯视观察流路的图，图12中的(b)是以图12中的(a)的a-a截面观察时的流路的局部放大图。此外，在图6～图12中图示了制冷剂流路131的起点(s)和终点(g)。
87.制冷剂流路131例如也可以如图6所示那样具有起点和终点为大致相同的位置的一笔画形状。另外，如图7所示，也可以具有起点和终点为不同的位置的一笔画形状。另外，如图8、9所示，也可以由起点和终点分别有多个那样的同心圆状的多个流路构成。另外，如图10所示，也可以是设置有具有规定的几何学形状的多个流路的结构。另外，如图11所示，也可以是辐射状的流路。
88.另外，如图12所示，也可以形成多个喷出流方式的微细的流路，在各个流路中形成制冷剂的流动(参照图12中的(b)箭头)来进行温度调节。
89.＜本发明的技术的作用效果＞
90.在以上的实施方式中，在上部电极组件13中，通过使用了例如作为金属接合的导电性接合片140的接合方法，来进行电极板120与导电性板130的接合。由此，能够大幅降低伴随接合而引起的界面的热阻，能够有效地进行电极板120的温度调节。另外，通过将电极板120与导电性板130的接合设为金属接合，能够得到两者之间的电接点。
91.另外，在以上的实施方式中，上部电极组件13由电极板120、导电性接合片140、导电性板130构成，导电性部件10b在拆装面137拆装自如地支承上部电极组件13。由此，即使在等离子体处理时伴随着电极板120的经时剥离、劣化、蚀刻副产物的附着等而需要再生、更换的情况下，也能够再利用现有的导电性板130，并且容易地进行电极板120的再生、更换。
92.另外，在以上的实施方式的上部电极组件13中，采用在导电性板130的内部具有制冷剂流路131的结构。由此，与例如在导电性部件10b的内部具有制冷剂流路那样的现有技术的结构相比，能够有效地进行电极板120的温度调节。此外，由于将制冷剂流路131设置在拆装自如的导电性板130的内部，因此通过拆装部件这样的简单的方法，就能够与电极板120的等离子体暴露面所要求的温度分布相应地变更制冷剂流路131的形状。
93.应该认为，本技术公开的实施方式，所有的点都是例示，并不限定于此。另外，上述实施方式可以不脱离技术方案及其主旨地以各种方式进行省略、置换、变更。