(57)【要約】【課題】処理対象物表面におけるプラズマ密度、ラジカル、重合分子ガスの密度が均一となる表面処理装置を提供する。【解決手段】処理室１と、処理室１内にガスを導入するためのガス供給機構と、処理室１内を排気するための排気機構と、基板５が載置される下部電極３と、下部電極３に電力を供給する下部電極用電源８とを備える。下部電極３は、ステージ本体１６上に設けられ、その表面に基板５が載置される誘電体ブロック４と、誘電体ブロック４の基板載置エリアの外側に設けられた特性補正リング１７と、特性補正リング１７の外側に設けられた絶縁リング２２とを有する。絶縁リング２２と重複した誘電体ブッロクの辺縁部２６の厚みは中心部２７よりも薄く、ステージ本体１６には、辺縁部２６の裏面に接するように膨出した凸部２５が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、前記処理室にガスを導入するためのガス供給機構と、前記処理室を排気するための排気機構と、処理対象である基板が載置される電極と、前記電極に電力を供給する高周波電源とを備えた表面処理装置において、
前記電極は、導電体と、該導電体の上に設けられ、その表面に前記基板が載置される誘電体と、該誘電体の表面であって、前記基板が載置される領域の外側に設けられた特性補正リングと、前記誘電体の表面であって、前記特性補正リングの外側に設けられた絶縁リングとを有し、
前記絶縁リングと重複した前記誘電体の辺縁部の厚みは、該辺縁部よりも内側の中心部の厚みよりも薄く、
前記導電体には、前記辺縁部の裏面に接するように膨出した凸部が形成されていることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】
前記誘電体の前記中心部と前記辺縁部とが異種の誘電体からなり、前記中心部の誘電率と厚みの積が、前記辺縁部の誘電率と厚みの積よりも大であることを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。
【請求項３】
前記誘電体の前記中心部および前記辺縁部の、前記基板が載置される側の面が同一平面であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の表面処理装置。
【請求項４】
前記誘電体の前記中心部および前記辺縁部の、前記基板が載置される側と反対側の面が前記導電体に接していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面処理装置。
【請求項５】
前記電極と対向する第二の電極を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずいれかに記載の表面処理装置。
【請求項６】
前記第二の電極に接続され、前記電極に供給される高周波電力とは異なる周波数の高周波電力を前記第二の電極に供給する第二の高周波電源を有することを特徴とする請求項５記載の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて基板等の表面を処理する表面処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいては、基板やウエハの表面に対して、エッチング、プラズマＣＶＤ、アッシング等の処理が施される。かかる表面処理には、真空容器内でプラズマを発生させ、基板やウエハの表面に所定の処理を行うように構成されたプラズマ処理装置が用いられている。この種のプラズマ処理装置によれば、サブμ単位でエッチングやデポジションを行って、超ＬＳＩ等の微細なデバイスを作成することができる。
【０００３】
一方、上記のようなプラズマ処理装置には、プラズマ生成位置からプラズマが拡散していくことに起因する問題があった。例えば平行平板型プラズマ処理装置では、基板周辺のプラズマ密度が基板中心に比べて低下するという問題があった。かかる問題を解決するため、基板が載置される電極とは別に電極を設け、該電極から電力を投入することによって、拡散するプラズマを補う技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１５８１２０号公報
【特許文献２】特開２００３−２５７９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記技術には次の様な問題があった。すなわち、装置構造が複雑になりコストが上昇するだけでなく、投入パワーを分離するためには、外周電極と中心電極との間にギャップを設ける必要がある。しかし、誘電体は比誘電率が高く、一般に使用される素材ではＳｉＯ2の比誘電率３が最も小さい部類に属する。この為、外周電極と中心電極との間に比較的大きなギャップが必要となり、この部分ではプラズマの生成が弱く、これを補うには大きなパワーを外周電極に供給しなければならない。このため、外周電極付近でプラズマ密度が過度に増大し、反応ガスの解離が進む。すると、プラズマ密度が基板付近で均一になってもラジカルや重合分子密度が基板周辺と基板中心とで異なるといった別の問題が発生する。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、処理対象物表面におけるプラズマ密度、ラジカル、重合分子ガスの密度が均一となる表面処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の表面処理装置は、処理室と、処理室内にガスを導入するためのガス供給機構と、処理室内を排気するための排気機構と、処理対象である基板が載置される電極と、電極に電力を供給する高周波電源とを備えている。前記電極は、導電体と、該導電体上に設けられ、その表面に基板が載置される誘電体と、該誘電体の表面であって、基板が載置される領域の外側に設けられた特性補正リングと、誘電体の表面であって、特性補正リングの外側に設けられた絶縁リングとを有する。絶縁リングと重複した誘電体の辺縁部の厚みは、該辺縁部よりも内側の中心部の厚みよりも薄く、導電体には、辺縁部の裏面に接するように膨出した凸部が形成されている。
【発明の効果】
【０００７】
処理対象物表面におけるプラズマ密度、ラジカル、重合分子ガスの密度が均一となる表面処理装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の表面処理装置の実施形態の一例について説明する。ここで説明する表面処理装置は、半導体基板の表面をエッチングするためのエッチング装置である。
【０００９】
図１は、本例のエッチング装置の構成を示す模式図である。図１中の符号１は処理室、２は第二の電極としての上部電極を示している。上部電極２は、プラズマに接するドーピングされたシリコン製のガス板２ａとその下層の誘電体２７ａ、それらを支える水冷ホルダー１８から構成されている。ガス板２ａの下層に位置する誘電体２７ａの外径はガス板２ａより小さく、ガス板２ａの周辺部分は直接水冷ホルダー１８に接している。かかる構造の上部電極２は、カットバルブ１３、マスフローコントローラ１２等からなるガス供給機構に接続されている。
【００１０】
一方、静電吸着電極を兼ねる下部電極３は、導電体としてのステージ本体１６と、該ステージ本体１６上に配置された誘電体ブロック４とを有する。ステージ本体１６と誘電体ブロック４とは、インジウム層を介して熱接触の良好な状態で設置されている。処理対象である基板５は、この誘電体ブロック４の上に載置される。また、下部電極３内には、冷媒路６ｂが設けられている。冷媒は、冷媒導入管６ａから冷媒路６ｂに流入し、冷媒導出管６ｃを通って排出される。
【００１１】
尚、図１中の符号１５は、基板５を誘電体ブロック４に着脱するときに使用する突き上げ機構を示している。図２に示すように、突き上げ機構１５は、誘電体ブロック４及び下部電極３を貫通するとともに、ベローズ１５ｂによって真空シールされた貫通孔１５ａと、貫通孔１４ａ中に設置されたピン１５ｃと、ピン１５ｃを軸線方向に昇降させる不図示の駆動機構とを有する。
【００１２】
再び図１を参照して電気系統について説明する。上部電極２は、整合回路７ａ、ブロッキングキャパシター７ｂを介して第二の高周波電源としての上部電極用電源７に接続されている。一方、下部電極３は、整合回路８ａ、ブロッキングキャパシター８ｂを介して下部電極用電源８に接続されている。また、静電吸着用の直流電源９が高周波フィルター９ａを介して下部電極３のステージ本体１６に接続されている。尚、ステージ本体１６は金属製である。
【００１３】
また、図１中に符号１０、１１で示されているのは、上部電極２、下部電極３をアース電位の処理室１から絶縁するための絶縁ブロックである。符号１４は、処理室１を排気するための排気機構に接続された排気バルブを示している。静電吸着機構２３は、誘電体ブロック４、ステージ本体１６および直流電源９を基本構成要素としている。
【００１４】
次に、本例のエッチング装置の動作について概説する。基板５が誘電体ブロック４上に載置された状態で、直流電源９によって、静電吸着機構２３の電極を兼ねるステージ本体１６に電圧を印加する。すると、基板５が誘電体ブロック４に静電吸着される。次いで、不図示の排気機構を用いて処理室１を所定の圧力まで減圧した後、ガス供給機構を経由して上部電極２の下面からプロセスガスを処理室１内に供給して所定の圧力にする。その後、上部電極２にＶＨＦ帯（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力を、下部電極３にＨＦ帯（例えば１．６ＭＨｚ）の高周波電力をそれぞれ印加する。そうすると、ＶＨＦ帯の高周波電力によって比較的高密度のプラズマ及びエッチャントが生成されるとともに、ＨＦ帯の高周波電力によってイオン衝撃エネルギがプラズマ密度とは独立に制御され、目的とするエッチング処理が実行される。
【００１５】
図２は、静電吸着機構２３を構成する誘電体ブロック４および特性補正リング１７の断面図である。静電吸着機構２３は、基板５を誘電体ブロック４に静電吸着する。さらに、基板５を吸着した誘電体ブロック４には冷却ガスが供給される。具体的には、冷却ガス管２４を通して、ピン１５ｃが配置されている貫通孔１５ａ内に冷却ガスが導入される。導入された冷却ガスは、誘電体ブロック４の表面に掘られた不図示のガス供給路から基板５の裏面全体に急速、かつ、ほぼ均一に広がる。これによって、基板５が冷却される。
【００１６】
また、誘電体ブロック４上の基板５が載置される領域（基板載置エリア）の外側には、特性補正リング１７が配置されている。この特性補正リング１７は、基板５と同じ厚みを有し、材質も基板５と同じＳｉである。材質を同じにすれば伝熱特性や電気特性が同じになり、基板５が誘電体の場合には特性補正リング１７の誘電特性が基板５の誘電特性と同じになり、プラズマの生成やガス種の反応重合が均一化される効果がある。
【００１７】
さらに、誘電体ブロック４についても、特性補正リング１７の下方（特性補正リング１７と重複している部分）の厚みと、基板載置エリアの厚みとを同一とし、さらにステージ本体１６の厚みもほぼ均一としてある。加えて、冷媒路６ｂもほぼ均一に配置されている。かかる構成によって、基板載置エリアに置かれた基板５を静電吸着すると、特性補正リング１７も基板５と同じ力で誘電体ブロック４に静電吸着される。ここで、特性補正リング１７は基板５と同じ力で静電吸着されてはいるが、基板５が冷却ガスで冷却されているのに対し、特性補正リング１７は冷却されない。そこで、リング突き上げ機構の貫通孔（不図示）に冷却ガス管２４をつないで冷却ガスを導入し、特性補正リング１７も基板５と同様にガス冷却されるようになっている。
【００１８】
なお、特性補正リング１７と重なった誘電体ブロック４の表面には、基板載置エリアに掘られた不図示のガス供給路と同様の形状、密度でガス供給路を形成することが好ましい。例えば、特願２００１−０６３７８３号に開示されている誘電体ブロックの表面形状を適用すれば、特性補正リング１７と重なっている誘電体ブロック４の表面に、基板載置エリアと同様の形状および密度で凹部や凸部を形成することができる。さらに、冷却ガスの逃げを防ぐ周縁凸部を特性補正リング１７の内周および外周に設けることもできる。
【００１９】
次に、本発明の主要部分である誘電体ブロック４の構造と作用についてより詳しく説明する。以下の説明では、誘電体ブロック４のうち、特性補正リング１７の外周に設けられた絶縁リング２２と重複する部分を「誘電体辺縁部２６」と呼び、それより内側を「誘電体中心部２７」と呼んで区別する。
【００２０】
ステージ本体１６の辺縁は、誘電体辺縁部２６の裏面に接するように膨出してステージ凸部２５を形成している。
【００２１】
誘電体辺縁部２６の厚みと絶縁リング２２の厚みとの合計の厚みと、誘電体中心部２７の厚みとの比により、誘電体中心部２７におけるパワー密度と誘電体辺縁部２６におけるパワー密度との比が決まる。以下、この様なパワー密度の差が生じるメカニズムについて説明する。
【００２２】
プラズマへのパワー伝達は、波として電極からシースを介してバルクプラズマへ伝わり、さらに反対側のシースから反対側の電極へ伝わる。このメカニズムを簡略化し、両電極間でどの様な電圧分割比になるか調べれば、電極間での大よその電力消費割合が解る。
【００２３】
ここでは、プラズマへパワーが伝わる割合を決める要因は誘電体ブロックとシースとの間の電圧分割比であるとして説明する。
【００２４】
図３を参照する。上部電極２と下部電極３との間にかかる電圧は、上部電極側のシース容量Ｃp1、下部電極側のシース容量Ｃp2および誘電体中心部２７や誘電体辺縁部２６に分かれる誘電体ブロック４の容量ＣESCの３ヶ所に分割される。誘電体の厚みが異なればシースにかかる電圧も変化する。各容量を示す式は次の様になる。
ＣESC＝ε0ε1Ａ／ｄESC      Ｃp1＝ε0Ａ／ｄp1      Ｃp2＝ε0Ａ／ｄp2
【００２５】
ここでは簡単化の為に単位面積を取り、面積Ａは全て共通とした。この式からＣESCにかかる電圧は、各シースや誘電体に溜まる電荷をＱとして、次の様になる。
Ｑ＝ＣESC・Ｖ3＝Ｃp1・Ｖ1＝Ｃp2Ｖ2
Ｖ＝Ｖ3＋Ｖ2＋Ｖ1＝Ｑ／ＣESC＋Ｑ／Ｃp1＋Ｑ／Ｃp2
従って、下部電極側の誘電体にかかる電圧の割合は次の式に従う。
Ｖ3／Ｖ＝１／（１＋ＣESC／Ｃp1＋ＣESC／Ｃp2）＝ｄESC／（ｄESC＋ε1ｄp1＋ε1ｄp2）
【００２６】
誘電体の厚みが小さくなれば、誘電体にかかる電圧が下がり、その分だけシース部分の電圧が増加してプラズマ生成が増える。また、誘電体辺縁部２６と誘電体中心部２７が異種の誘電体で構成されている場合、誘電率×厚みが誘電体ブロック４の容量ＣESCに相当する。従って、誘電体中心部２７の誘電率×厚み＞誘電体辺縁部２６の誘電率×厚みであれば、誘電体辺縁部２６でのシースの電圧が増加してプラズマ生成が増える。
【００２７】
シース厚みは後に示す数式（１）に従って決まり、２周波の通常のエッチング処理条件ではＶpp２０００Ｖ、電子温度３ｅＶ、プラズマ密度１０11個／ｃｍ3となり、シース厚みは３ｍｍ程度となる。ここで、誘電体ブロック４の材質がアルミナの場合その比誘電率は９．３程度である。よって、実際に両シースにかかるｒｆ電圧は誘電体中心部２７の厚みが９ｍｍの場合、上下電極２、３間にかかるｒｆ電圧の８６％となる。一方、絶縁リング２２の厚みと誘電体辺縁部２６の厚みの合計が４．５ｍｍの部分では、両シースにかかる電圧は上下電極間２、３にかかるｒｆ電圧の９３％になる。これにより誘電体辺縁部２６でのプラズマ生成が大きくなる。
【００２８】
本例では、絶縁リング２２の下に誘電体辺縁部２６があり、絶縁リング２２が直接ステージ本体１６のステージ凸部２５に接していない（図２）。しかし、絶縁リング２２を直接ステージ凸部２５に接触させれば、周辺でのプラズマ生成率が高くなり、装置構成もシンプルになる。また、誘電体辺縁部２６と誘電体中心部２７とを互いに独立した構造とすれば、エッチングプロセスに応じて、厚みや比誘電率の異なる誘電体辺縁部２６に取り換えることもできる。また、絶縁リング２２の材質を、シリコン又はドーピングされたシリコンや金属に変えることもできる。
【００２９】
誘電体中心部２７と誘電体辺縁部２６のプラズマ側の面を同一平面にすると、ｒｆ電力がプラズマに伝わる時、その上の基板５、特性補正リング１７、絶縁ブロック２２で消費される割合もほぼ同様になり、目的とする外周部でのプラズマ生成率増大を達成できる。しかし、必ずしもプラズマ側の面を同一面にする必要は無い。
【００３０】
図２などに示すように、誘電体ブロック４の上にシリコンやドーピングされたシリコン基板５及び特性補正リング１７がある場合、絶縁リング２２をシリコンや金属にすれば、シリコンが電気を伝える為、基板５や絶縁リング２２が同電位になる様に見える。しかし、以下に説明するように、これらの裏側の誘電体が高周波の伝達割合に影響し、ドープシリコンではＭＨｚクラスの高周波の電圧を均一化する効果は小さい。
【００３１】
この説明に表皮深さの式を使う。下部電極３への投入高周波は１．６ＭＨｚで、シリコンの固有抵抗値は１Ωｃｍとする。表皮深さは次式のようになる。単位はＭＫＳ単位系を使っている。
【００３２】
【数１】
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ω：角周波数  ２π１．６・１０6ｓ-1          μ：透磁率  ４π・１０-7
σ：導電率  １００Ω-1ｍ-1
表皮深さ＝（２／２π１．６・×４π・１０-7×１００）0.5＝０．０３９８ｍ
【００３３】
図４は、抵抗率１Ωｃｍのシリコン材の厚みを変えた時、高周波パワーがシリコン材（特性補正リング１７）を伝わる割合と、ステージ本体１６とを伝わる割合を示している。何故なら電流は表皮深さの範囲で流れ電力を伝達していくので、流れる電流の割合でどの部分が電力を伝えているか解る。この図から解る様に、電流の殆どがステージ本体１６を流れ、特性補正リング１７を流れない。従って、電圧も基本的にはステージ本体１６からの電圧のみを考慮すればよい。
【００３４】
この表皮効果の説明では電力の伝達と言う考えを取り、先ほどの電圧分割比とは異なる考えだが、同じ事を別の方向から説明した。  なお、容量結合型でのシース厚みｓmは次式で計算される。
【００３５】
【数２】
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ｅ：電気素量１．６０×１０-19Ｃ
ｎs：シース端での電子密度
Ｋi：定数      ０．８程度である。
Ｍ：イオン質量      Ａｒ  ４０×１．６７×１０-27ｋｇ
Ｖ：イオンシース電圧      ｐｅａｋ−ｐｅａｋ電圧の半分に０．８３をかけたもの
ε0：真空の誘電率        ８．８５×１０-12Ｃ2／Ｊｍ
Ｔe：電子温度［ｅＶ］        （３ｅＶと仮定）
【００３６】
シース厚みは電子温度とプラズマ密度を測定するか、イオン電流そのものを測定し、電極のｐｅａｋ−ｐｅａｋ電圧を測定するか、電極のシース電圧を直接測定すれば求めることができる。
【００３７】
図５は、本例のエッチング装置と従来のエッチング装置を使って、基板上のプラズマ分布を実際に確認した実験結果を示す図である。（ａ）が従来のエッチング装置によるプラズマ分布、（ｂ）が本例のエッチング装置によるプラズマ分布を示している。放電条件は次の通りである。
プロセスガス            Ｃ４Ｆ８                        ２２．５ｓｃｃｍ
Ａｒ                            ５００ｓｃｃｍ
Ｏ２                            １０ｓｃｃｍ
ガス圧                                                  ４Ｐａ
投入電力      上部電極（６０ＭＨｚ）                    １．６ｋＷ
下部電極（１．６ＭＨｚ）                  １．８ｋＷ
電極温度      上部電極ガス板                            ７０℃
下部電極（基板）                          ７０℃
静電チャック印加電圧（下部電極への印加ＤＣ電圧）        ＋５００Ｖ
基板裏面冷却用Ｈｅ圧力                                  ２５Ｔｏｒｒ
膜の種類      Ｓｉ基板  カーボン系レジスト／ＳｉＯ2５０００Å／ＴｉＮ／Ｓｉ
【００３８】
図６は本例のエッチング装置と従来のエッチング装置を使って、エッチングの面内分布を実際に確認した実験結果を示す図である。（ａ）が従来のエッチング装置による面内分布、（ｂ）が本例のエッチング装置による面内分布を示している。放電条件は上記と同一である。
【００３９】
図６（ａ）（ｂ）を比較すると、従来のエッチング装置によるエッチングでは、基板端部においてエッチングレートが顕著に低下しているが、本例のエッチング装置によるエッチングでは、そのようなエッチングレートの顕著な低下は見られない。
【００４０】
これまでは、基板が載置される下部電極について説明を行ったが、基板と対向する上部電極においても同様であることは言うまでもない。
【００４１】
図７に、本発明を適用した誘導結合型のエッチング装置の構成例を示す。誘導結合型は半導体製造によく用いられる。もっとも、基板外周でのプラズマ密度を上げるための構造及び作用については、これまで説明した構造及び作用と同様なので、具体的な説明は省略する。尚、図７に示されている構成のうち、図１に示す構成と同一の構成ついては同一の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の表面処理装置の実施形態の一例であるエッチング装置の構成図である。
【図２】図１に示す静電吸着機構２３を構成する誘電体ブロック４および特性補正リング１７の断面図である。
【図３】シースにかかる電圧の計算方法を示す説明図である。
【図４】特性補正リングの厚みと高周波電力透過率との関係を示す図である。
【図５】基板表面におけるプラズマ密度を示す図である。
【図６】基板表面におけるエッチング分布を示す図である。
【図７】本発明を適用した誘導結合型のエッチング装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  処理室
２  上部電極
３  下部電極
４  誘電体ブロック
５  基板
６  ステージ本体
７  上部電極用電源
８  下部電極用電源
２５  ステージ凸部
２６  誘電体辺縁部
２７  誘電体中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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