CN101047114A - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体处理装置和等离子体处理方法。根据本发明，在双频重叠施加方式的电容结合型中，充分地防止和控制在另外一方的相对电极上形成的不期望的膜，同时任意地控制等离子体的密度的空间的分布特性。在下部电极的基座(16)上载置被处理基板(W)，从高频电源(30)施加等离子体生成用的第一高频，施加来自高频电源(70)的离子引入用的第二高频。在基座(16)的上方与其平行地相对地配置的上部电极(34)通过环状的绝缘体(35)安装在腔室(10)内。上部电极(34)通过棒状的电感器(54)以及导线(56)连接到接地电位(通常是到腔室10中)。

Description

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，尤其涉及双频重叠施加方式的电容结合型的等离子体处理装置和等离子体处理方法。

背景技术

在半导体装置和FPD(Flat Panel Display：平板显示器)的制造工艺中的蚀刻、沉积、氧化和溅射等的处理中，为了对处理气体进行比较低的温度的反应而经常利用等离子体。在现有技术中，在单片式的等离子体处理装置、尤其是等离子体蚀刻装置中，电容结合型的等离子体处理装置已成为主流。

一般来说，电容结合型的等离子体处理装置在作为真空腔室而构成的处理容器内平行地配置有上部电极和下部电极，在下部电极之上载置被处理基板(半导体晶片、玻璃基板等)，对两电极的任一方施加高频电压。利用由该高频电压在两电极之间形成的电场使电子加速，由电子与处理气体的冲突电离产生等离子体，由等离子体中的自由基和离子在基板表面上实施期望的微细加工(例如蚀刻加工)。这里，由于施加了高频的一侧的电极通过匹配器内的阻隔电容器连接到高频电源上，作为阴极(cathode)工作。在支承基板的下部电极上施加高频而将其作为阴极的阴极耦合方式，通过利用在下部电极上产生的自身偏置电压而将等离子体中的离子大致垂直地引入到基板上，可进行各向异性蚀刻。

下部双频重叠施加方式是在上述那样的电容结合型等离子体处理装置中，重叠并施加在支承基板的下部电极上适合于等离子体生成的比较高频(一般是27MHz以上)的第一高频和适合于离子引入的比较低的频率(一般是13.56MHz以下)的第二高频(例如参照专利文献1)。

下部双频重叠施加方式除了具有能够利用第一高频和第二高频分别个别地使等离子体的密度及各向异性蚀刻的选择性最佳化的优点以外，还具有在上部电极上容易附着沉积物(deposition，以下简称“沉积”)的工艺加工中，第二高频对沉积附着的防止和抑制具有有效的作用这样的优点。即，如果在阳极的上部电极上入射离子，则在电极上附着的沉积膜(附着氧化膜也是这样)被离子冲击而溅射。与该溅射相关的离子的数量由第一高频控制，由第二高频的比较低的频率生成对该离子进行加速的电场

[专利文献1]日本专利特开2000-156370

发明内容

使用上述那样的下部双频重叠施加方式的现有技术的电容结合型等离子体处理装置总的来说，将不施加高频的阳极一侧的上部电极直流地接地。通常，由于处理容器由铝或不锈钢等金属构成，安全地接地，所以可以通过处理容器使上部电极成为接地电位，由此采用了直接在处理容器的顶部一体化地组装上部电极的结构或将处理容器的顶部原封不动地作为上部电极而利用的结构。

然而，随着近年来的半导体制造工艺中的设计规则的微细化，要求低压下高密度的等离子体。在下部双频重叠施加方式的电容结合型等离子体处理装置中，对等离子体生成有主要贡献的高频即第一高频的频率逐渐变高，最近，使用了标准的40MHz以上的频率。然而，若第一高频的频率变高，则由于其高频电流在电极的中心部聚集，在两电极之间的处理空间中生成的等离子体的密度在电极中心部一侧也比在电极边缘部一侧高，工艺的面内均匀性低下的问题变得显著。另一方面，由于对离子引入有主要贡献的高频即第二高频的频率比较低，不在电极中心部集中。即，在将上部电极直接附加在处理容器中或一体化形成，从而直流地接地的现有技术的装置中，对第二高频的作用，即涉及向基板的离子引入或上部电极的沉积附着的抑制的作用的没有发现问题点。

本发明鉴于上述现有问题而开发，其目的是提供等离子体处理装置和等离子体处理方法，在向支承被处理基板的电极重叠并施加两种高频的双频重叠施加方式的电容结合型中，在另外一方的相对电极上充分地防止或抑制不期望的膜的形成，并任意地控制等离子体密度的空间分布特性，从而提高工艺加工的面内均匀性。

为了达到上述目的，本发明的第一等离子体处理装置，具有：可真空排气的接地的处理容器；第一电极，通过绝缘物或空间安装在上述处理容器内；第二电极，其在上述处理容器内空出规定的间隔而与上述第一电极平行地配置，与上述第一电极相对并支承被处理基板；第一高频供电部，向上述第二电极施加具有第一频率的第一高频；第二高频供电部，向上述第二电极施加具有比上述第一频率低的第二频率的第二高频；处理气体供给部，向上述第一电极、上述第二电极和上述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；电感器，电连接上述第一电极与接地电位之间。

另外，本发明的第一等离子体处理方法，其在可真空接地的处理容器内空出规定的间隔而平行配置第一电极和第二电极，上述第一电极通过电并联的电容性部件和电感性部件连接接地电位，第二电极与上述第一电极相对并支承被处理基板，对上述处理容器内进行真空排气，以达到规定的压力，向上述第二电极施加具有第一频率的第一高频和具有比上述第一频率低的第二频率的第二高频，同时向上述第一电极、上述第二电极和上述处理容器的侧壁之间的处理空间供给期望的处理气体，在上述处理空间内生成上述处理气体的等离子体，在上述等离子体之下对上述基板实施期望的处理，该等离子体处理方法的特征在于：对通过上述第一电极而从上述处理空间与上述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定上述频率-电阻特性，使得相对于与上述第一频率对应的电阻，与上述第二频率对应的电阻低。

在本发明所采用的电容结合型结构中，若来自第一高频电源的第一高频施加在第二电极上，则由第二电极与第一电极之间的高频放电以及第二电极与处理容器的侧壁(内壁)之间的高频放电而在处理空间内生成处理气体的等离子体，生成的等离子体向四方尤其是上方和半径方向外侧扩散，等离子体中的电子电流通过第一电极和处理容器侧壁等流向地。另外，若在第二电极上施加来自第二高频电源的第二高频，则跟着第二高频而振动的等离子体中的离子不仅由第二电极上产生的自身偏压引入到基板上，还入射到第一电极上从而在电极表面上溅射，如果附着有沉积膜则将其除去。

根据本发明，第一电极通过绝缘物或空间安装在接地电位的处理容器内，并通过电感性部件或电感器连接到接地电位。由此，对通过第一电极而从处理空间与第一电极的边界面直到接地电位的高频传送线路进行推算时的等效电路，成为电感器的线圈部分与绝缘物等的电容量并联连接的并联LC电路。

一般来说，在并联LC电路中，由某个特定的频率(反共振频率)使电阻突出从而变高，相反，与反共振频率分开的频率的电阻变得相当低。利用这个特性，在本发明的等离子体处理装置中，能够对于第一高频提供高电阻，对于第二高频提供低电阻。根据本发明的一个适当的实施方式，可在上述等效电路或并联LC电路的频率-电阻特性中5～200MHz的频带内得到反共振频率。

通过对于第一高频提供高电阻，第一高频的电流难以从第二电极流到第一电极。因此，等离子体的电子电流中流到处理容器的侧壁的比例相对地增大，等离子体的密度向半径外侧扩展。这样，通过使对于上述并联LC电路的第一高频的电阻最适化成高的值，可以任意地控制来使等离子体的密度的空间分布特性在径向均匀化。另一方面，通过使针对上述并联LC电路的第二高频的电阻变低，使跟着第二高频而振动的等离子体中的离子以强的冲击入射到第一电极上，能够将该电极表面上附着的不期望的膜良好地溅射掉(除去)。

本发明的第二等离子体处理装置，具有：可真空排气的接地的处理容器；第一电极，通过绝缘物或空间安装在上述处理容器内；第二电极，其在上述处理容器内空出规定的间隔而与上述第一电极平行地配置，与上述第一电极相对并支承被处理基板，第一高频供电部，向上述第二电极施加具有第一频率的第一高频；第二高频供电部，向上述第二电极施加具有比上述第一频率低的第二频率的第二高频；处理气体供给部，向上述第一电极、上述第二电极和上述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；电感器和电容器，串联电连接上述第一电极与接地电位之间。

本发明的第二等离子体处理方法，其在可真空接地的处理容器内空出规定的间隔而平行配置第一电极和第二电极，上述第一电极通过电串联、并联的电感性部件和电容性部件连接接地电位，第二电极与上述第一电极相对并支承被处理基板，对上述处理容器内进行真空排气，以达到规定的压力，向上述第二电极施加具有第一频率的第一高频和具有比上述第一频率低的第二频率的第二高频，同时向上述第一电极、上述第二电极和上述处理容器的侧壁之间的处理空间供给期望的处理气体，在上述处理空间内生成上述处理气体的等离子体，在上述等离子体之下对上述基板实施期望的处理，该等离子体处理方法的特征在于：对通过上述第一电极而从上述处理空间与上述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定上述频率-电阻特性，使得相对于与上述第一频率对应的电阻，与上述第二频率对应的电阻低。

在上述第二等离子体处理装置和方法中，对通过第一电极而从处理空间与第一电极的边界面直到接地电位的高频传送通路进行推算时的等效电路作为串并联LC电路来构成。在这样的串并联LC电路中，由某个特定的频率(共振频率)使电阻极其低，其它特定的频率(反共振频率)下的电阻变得极其高。利用这个特性，当然能够对第一高频提供适当高的电阻，还能对第二高频提供显著低的电阻。根据本发明的一个适宜实施方式，在上述等效电路或串并联LC电路的频率-电阻特性中，可得到0.1K～15MHz的频带内的共振频率，可得到5～200MHz的频带内的反共振频率。这样，通过使对于上述串并联LC电路的第一高频的电阻最适化成高的值，可以任意地控制来使等离子体的密度的空间分布特性在径向均匀化，通过使对于上述并联LC电路的第二高频的电阻低到实质性地短路状态，能够使将第一电极的表面上附着的不期望的膜除去的溅射效果更好。

本发明的第三等离子体处理装置，具有：可真空排气的接地的处理容器；第一电极，通过绝缘物或空间安装在上述处理容器内；第二电极，其在上述处理容器内空出规定的间隔而与上述第一电极平行地配置，与上述第一电极相对并支承被处理基板，第一高频供电部，向上述第二电极施加具有第一频率的第一高频；第二高频供电部，向上述第二电极施加具有比上述第一频率低的第二高频；处理气体供给部，向上述第一电极、上述第二电极和上述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；直流电源，对上述第一电极施加期望的直流电压；滤波器，其电连接在上述第一电极与上述直流电源之间，且实质上贯穿通过直流，而对高频具有期望的频率-电阻特性。

上述第三等离子体处理装置在通过滤波器从直流电源向第一电极施加所期望的直流电压而起到它的量的作用的同时，能够利用滤波器自身的频率-电阻特性对第一和第二高频的各作用施加所期望的修正或控制或辅助作用。例如，通过由并联LC电路构成该滤波器，与上述第二等离子体处理装置同样，能够提高等离子体密度的空间分布特性和对于第一电极的溅射(不期望的膜的除去)效果。

根据本发明的等离子体处理装置和等离子体处理方法，根据上述结构和作用，能够解决在双频重叠施加方式的电容结合型中的第一和第二高频的各作用的协调。尤其是，能够充分地防止或抑制另外一方的相对电极上形成不期望的膜，并且任意地控制等离子体密度的空间的分布特性，能够提高工艺处理的面内均匀性。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的等离子体蚀刻装置的结构的纵截面图。

图2是表示比较例的等离子体蚀刻装置的电容结合型高频放电的样态的示意图。

图3是表示图1的等离子体蚀刻装置的电容结合型高频放电的样态的示意图。

图4是表示在图1的等离子体蚀刻装置中对通过上部电极而直到接地电位的高频传送通路进行推算时的频率-电阻特性的一个例子的示意图。

图5A是表示实施例的氧化膜蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图5B是表示实施例的光致抗蚀剂的蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图6A是表示第一比较例的氧化膜蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图6B是表示第一比较例的光致抗蚀剂的蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图7A是表示第二比较例的氧化膜蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图7B是表示第二比较例的光致抗蚀剂的蚀刻速率的面内分布特性的示意图。

图8是表示本发明的第二实施例的等离子体蚀刻装置的结构的纵截面图。

图9是表示等离子体蚀刻装置的DC滤波单元内的电路结构例的电路图。

图10是表示在图2的等离子体蚀刻装置中对DC滤波单元内的串并联LC电路的频率-电阻特性和对通过上部电极而直到接地电位的高频传送通路进行推算时的频率-电阻特性的一个例子的示意图。

图11是表示DC滤波单元内的电路结构的一个变形例的电路图。

图12是表示第二实施方式的串并联LC电路的一个变形例的电路图。

图13是表示实施方式的等离子体蚀刻装置的静电电容可变部件的一个实施例的部分截面图。

图14是表示实施方式的等离子体蚀刻装置的静电电容可变部件的另一个实施例的部分截面图。

图15是表示实施方式的等离子体蚀刻装置的静电电容可变部件的又一个实施例的部分截面图。

图16是表示实施例的一个变形例的等离子体蚀刻装置的结构的纵截面图。

符号说明

10     腔室(处理电容)

16     基座(下部电极)

30     第一高频电源

34     上部电极

35     环状绝缘体

36     电极板

36a    气体喷出孔

38    电极支承体

40    气体缓冲室

42    气体供给管

44    处理气体供给源

50    间隙

54    电感器

70    第二高频电源

82    DC滤波单元

84    可变直流电源

86、88    线圈

90、92、98    电容器

94、100   串并联LC电路

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的最佳实施方式进行说明。

图1表示本发明的第一实施方式的等离子体处理装置的结构。该等离子体处理装置作为下部双频重叠施加方式的电容结合型(平行平板型)等离子体蚀刻装置构成，例如，具有由在表面进行了氧化铝膜处理(阳极氧化处理)的铝构成的圆筒形的真空腔室(处理容器)10。腔室10安全地接地。

在腔室10的底部，通过陶瓷等的绝缘板12配置有圆柱状的基座支承台14，在该基座支承台14之上例如设置有由铝构成的基座16。基座16构成下部电极，在其上例如装载有半导体晶片W作为被处理基板。

在基座16的上面设置有用于通过静电吸附力保持半导体晶片W的静电吸盘18。该静电吸盘18将由导电膜构成的电极20夹入到一对绝缘层或绝缘片之间，直流电源22电连接到电极20上。利用来自直流电源22的直流电压，能够由库仑力将半导体晶片W吸附保持在静电吸盘18上。在静电吸盘18周围的基座16的上面配置有用于提高蚀刻的均匀性的例如由硅构成的聚焦环24。在基座16和基座支承台14的侧面上粘贴有例如由石英构成的圆筒状的内壁部件25。

在基座支承台14的内部设置有例如在圆周方向上延伸的冷却剂室26。在该冷却剂室26中，通过外置的冷却单元(未图示)，经由配管27a、27b循环提供规定温度的冷却剂，例如冷却水。利用冷却剂的温度能够控制基座16上的半导体晶片W的处理温度。另外，通过气体供给线28向静电吸盘18的上面与半导体晶片W的背面之间供给来自导热气供给机构(未图示)的导热气体，例如He气。

在基座16上通过匹配器32、72和供电棒33、74电连接有第一和第二高频电源30、70。第一高频电源30输出对等离子体的生成起主要作用的规定频率，例如40MHz的高频。另一方面，第二高频电源70输出对于在基座16上的半导体晶片W的离子引入和后述的在上部电极34上的沉积与氧化膜等不期望的膜的附着的防止以及除去起主要作用的规定频率，例如2MHz的高频。

在基座16的上方，与该基座平行地相对设置有上部电极34。该上部电极34由具有多个气体喷出孔36a的例如Si、SiC等的半导体材料构成的电极板36；和可自由装卸地支承该电极板36的导电材料、例如表面经过了氧化铝膜处理的铝构成的电极支承体38构成，在腔室10内通过环状的绝缘体35在电悬浮的状态下安装。由该上部电极34、基座16和腔室10的侧壁形成有等离子体生成空间和处理空间PS。环状绝缘体35例如由氧化铝(Al₂O₃)构成并被安装成气密地堵塞上部电极34的外周面与腔室10的侧面之间的间隙，在物理地支承上部电极34的同时，电构成上部电极34与腔室10之间的电容的一部分。

电极支承体38在其内部具有气体缓冲室40，而且具有与在其下面从气体缓冲室40连通电极板36的气体喷出孔36a的多个气体通气孔38a。处理气体供给源44通过气体供给管42连接到气体缓冲室40，气体供给管42上设置有质量流量控制器(MFC)46和开闭阀门48。若通过处理气体供给源44将规定的处理气体导入到气体缓冲室40，则通过电极板36的气体喷出孔36a面向着基座16上的半导体晶片W，向处理空间PS喷淋状地喷出处理气体。这样，上部电极34兼用作向处理空间PS提供处理气体的喷淋头。

另外，在电极支承体38的内部也设置有流过冷却剂、例如冷却水的通路(未图示)，利用外部的冷却单元，通过冷却剂将上部电极34的全部尤其是电极板36的温度调到规定温度。另外，为了使对于上部电极34的温度控制更加稳定化，可以使用在电极支承体38的内部或上面安装例如由电阻发热元件构成的加热器(未图示)的结构。

在上部电极34的上面与腔室10的顶点之间设置有中空的空间或间隙50，同时在腔室10的上面的中心部形成有贯通孔52，在间隙50和贯通孔52中设置有在铅直方向上延伸的棒状的电感器54。该棒状电感器54直接连接到上部电极34的上面中心部，上端通过导线56连接到接地电位(通常连接到腔室10)。作为其它实施例，也可以是棒状电感器54的上端直接附加在上部电极34的顶部而连接的结构。

在基座16、基座支承台14和腔室10的侧壁之间形成的环状的空间成为排气空间，在该排气空间的底上设置有腔室10的排气口58。排气装置62通过排气管60连接到该排气口58。排气装置62具有涡轮分子泵等的真空泵，能够将腔室10的室内，尤其是处理空间PS减压到期望的真空度。另外，在腔室10的侧壁上安装有对半导体晶片W的搬入搬出口64进行开闭的门阀66。

在该等离子体蚀刻装置中，为了进行蚀刻，首先使门阀66成为开状态并将加工对象的半导体晶片W搬入到腔室10内，装载在静电吸盘18上。于是，以规定的流量和流量比将规定的处理气体、即蚀刻气体(一般来说是混合气体)从处理气体供给源44导入到腔室10内，利用排气装置62的真空排气使腔室10内的压力成为设定值。另外，从第一和第二高频电源30、70分别以规定的功率向基座16重叠并施加第一高频(40MHz)和第二高频(2MHz)。另外，从直流电源22向静电吸盘18的电极20施加直流电压，将半导体晶片W固定在静电吸盘18上。从上部电极34的喷淋头排出的蚀刻气体在处理空间PS中被高频的放电等离子体化，利用由这样的等离子体产生的自由基和离子对半导体晶片W的主面的膜进行蚀刻。

该电容结合型等离子体蚀刻装置通过在基座(下部电极)16上施加40MHz的适于等离子体生成的比较高的频率的第一高频，由此使等离子体在优选的解离状态下高密度化，即使在更低的条件下也能形成高密度等离子体，同时通过向基座16上施加2MHz的适于离子引入的比较低的频率的第二高频，在对于静电吸盘18上的半导体晶片W实施选择性的高的各向异性的蚀刻的同时，能够实施对于上部电极34的离子的入射或溅射的沉积膜和氧化膜的除去(电极表面的清洁化)。

下面对于图2～图4，对该实施例的等离子体蚀刻装置的本发明的特征性的作用进行说明。其中，图2和图3为了图解的方便，省略了与等离子体的生成或空间分布控制没有实质关系的第二高频电源70。

如上所述，该等离子体蚀刻装置在通过环状绝缘体35将上部电极34安装在腔室10中的同时，在上部电极34与接地电位之间连接有棒状电感器54。即，构成为若将电感器54取下，则上部电极34在直流浮接的状态下设置在腔室10中。

首先，对将上部电容34直接安装在例如腔室10上而直流连接接地电位的情况下的作用进行说明。在该情况下，如图2所示，若将来自高频电源30的第一高频施加在基座16上，则利用在基座16与上部电极34之间的高频放电以及在基座16与腔室10的侧壁之间的高频放电，在处理空间PS内生成处理气体的等离子体，生成的等离子体向四方，尤其是上方和半径方向外侧扩散，等离子体中的电子电流通过上部电极34和腔室10的侧壁等向地流动。这里，在基座16中，第一高频的频率越高，越容易由趋肤效应引起在基座中心部集中高频电流，然而，由于从基座16看的处于同电位(接地电位)的上部电极34与腔室10侧壁中的前者在距离上比后者近，在电极中心部有更多的高频电力向处理空间PS放出。因此，等离子体的电子电流中流向腔室10的侧壁的比例相当低，大部分流到上部电极34，并且流到其中心部。其结果是，等离子体密度的空间分布特性在电极中心部最高，并且与电极边缘部之差变得显著。

与此相对，在如该实施例那样，在直流浮接状态下将上部电极34安装在腔室10中并通过棒状电感器54连接到接地电位的结构中，对通过上部电极34而从处理空间PS与上部电极34的边界面直到接地电位的高频传送线路进行推算时的等效电路成为如图3所示的并联地连接线圈L₅₄、电容C₃₅、C₅₀。这里，线圈L₅₄是棒状电感器54的电感部分，正确的是棒状电感器54的电阻部分(未图示)串联地连接到该线圈L₅₄上。一个电容C₃₅是上部电极34与腔室10的侧壁之间的电容，主要由环状绝缘体35提供。另一个电容C₅₀是上部电极34与腔室10的顶部之间的电容，主要由间隙50内的空气提供。

即使在该情况下，若通过高频电源30将第一高频施加在基座16上，则利用在基座16与上部电极34之间的高频放电以及在基座16与腔室10的侧壁之间的高频放电，在处理空间PS内生成蚀刻气体的等离子体，生成的等离子体向上方和半径方向外侧扩散，等离子体中的电子电流通过上部电极34和腔室10的侧壁等向地流动。于是，在基座16中，容易在基座中心部集中高频电流，从基座16看，上部电极34在比腔室10的侧壁更近的位置这一点与图2的情况一样。然而，在上部电极34与接地电位之间存在线圈L₅₄和电容C₃₅、C₅₀构成的并联LC电路80，对于第一高频，该并列LC电路80提供大的电阻Z时，即使是在基座16的中心部集中了高频电流，从该处也难以向正上方的上部电极34流动。因此，在等离子体的电子电流中流向腔室10的侧壁的比例相对地增大，等离子体的密度向半径方向外侧扩展。从理论上说，根据并联LC电路80的电阻Z不管对什么样的基座16和上部电极34之间以及在基座16与腔室10的侧壁之间流过的电子电流之比都能够进行控制，于是能够在径向使等离子体密度的空间分布特性均匀化而进行任意的控制。

图4表示在该等离子体蚀刻装置中对通过上部电极34而从处理空间PS与上部电极34的边界面直到接地电位的高频传送电路进行推算时的频率-电阻特性的一个例子。图中，相对于频率单调增加的电阻X_L是线圈L₅₄的电感性电抗(|jωL₅₄|)，相对于频率单调减少的电阻X_C是电容C₃₅、C₅₀的电容性电抗(|1/jω(C₃₅+C₅₀)|)。从理论上说，并联LC电路80在这些电感性电抗X_L和电容性电抗X_C成为相同的大小(绝对值)的频率下引起并联共振或反共振，如图所示，并联LC电路80的电阻Z在其反共振频率f₀表现出以角状突出的极大值。优选这个反共振频率f₀在包含第一高频的频率的频带(优选5～200MHz)内出现。

于是，以在如图所示的第一高频的频率(40MHz)的附近(在极端一致)得到反共振频率f₀的方式对任意可变或可选择的参数、即电感器54的电感进行选择或设定，由此可以将对于第一高频的并联LC电路80的电阻Z任意选为高的值Z₄₀。

更重要的是，如图4所示，通过将反共振频率f₀设定在上述那样的频带(5～200MHz)内，能够将对于第二高频的并联LC电路80的电阻Z₈₀选定为在数量级上低于对于第一高频的值Z₄₀的值Z₂。即，对于第二高频，能以低的电阻将上部电极34接地。由此，使追随第二高频而振动的等离子体中的离子在强的冲击下入射到上部电极34的电极板36上，能够确实地溅射(除去)电极板36的表面附着的沉积膜或氧化膜。

图5A和图5B表示使用该实施方式的等离子体蚀刻装置的氧化膜(SiO₂)和光致抗蚀剂(PR)的蚀刻速率的面内分布特性的一个实施例。在该实施例中，将电感器54的电感选为400nH，电容C₃₅、C₅₀的合成电容选为250pF(低电容)。另外，图6～图7表示比较例。即，在图6A和图6B中，作为第一比较例，分别表示了在省略了电感器54而将电容C₃₅、C₅₀的合成电容选为20000pF(高电容)的情况下的氧化膜和光致抗蚀剂的蚀刻速率的空间分布特性。另外，在图7A和图7B中，作为第二比较例，分别表示在省略了电感器54而将电容C₃₅、C₅₀的合成电容选为250pF(低电容)的情况下的氧化膜和光致抗蚀剂的蚀刻速率的空间分布特性。在实施例和比较例中共同的主要蚀刻条件如下所示：

晶片口径：300mm

处理气体：C₄F₆/C₄F₈/Ar/O₂＝流量40/20/500/60sccm

腔室内的压力：30mTorr

高频电力：40MHz/2MHz＝2500/3200W

温度：上部电极的温度＝60℃

从图6A和图6B可以看出，在没有安装电感器54而将上部电极34的接地电容设定成高电容(20000pF)的第一比较例中，虽然氧化膜的蚀刻速率和光致抗蚀剂的蚀刻速率的任一者在晶片中心部高并保持比较均匀的值，但在晶片边缘附近(从R＝±120mm周围)急剧降低，它们的面内均匀性不太好，分别是±4.1％，±19.1％。

另一方面，在没有安装电感器54而将上部电极34的接地电容设定成低电容(250pF)的第二比较例中，如图6A和6B所示，工艺处理的均匀性与第一比较例相比大幅提高。更详细地，氧化膜的蚀刻速率与第一比较例相比，在晶片中心部没有大的不同，但在边缘部上升，因此，面内均匀性提高到±2.4％。另外，虽然光致抗蚀剂的蚀刻速率在晶片上的各位置上增大并成为相当平坦的分布，面内均匀性有直到±4.4％的大幅改善。

与此相对，在实施例中，如图5A和图5B所示，工艺加工的均匀性与第二比较例相比进一步提高。更详细地说，氧化膜的蚀刻速率在晶片上的各位置处上升，尤其是在边缘部大幅上升，面内均匀性有直到±1.2％的提高。另外，光致抗蚀剂的蚀刻速率也在晶片上的各位置上大致均匀，面内均匀性有直到±2.5％的改善。

一般地，氧化膜的蚀刻速率分布反映等离子体中的电子密度、即等离子体密度分布，光致抗蚀剂的蚀刻速率分布由于受到等离子体引起的母气体的离解的影响而更强地依赖于等离子体密度分布。因此，从图5A和图5B的实验结果可以看出，根据实施例，抑制了将在处理空间PS产生的等离子体集中到电极中心部，向半径方向外侧扩展，大幅提高了等离子体密度分布的均匀性。

如上所述，可知即使在第二比较例中，与第一比较例相比，能够在相当程度上改善等离子体密度分布。然而，没有电感54的第二比较例构成上部电极34的接地电路的低电容(250pF)的电容C₃₅、C₅₀不仅相对于第一高频(40MHz)，而且相对于第二高频(2MHz)也提供相当高的电阻。更正确地说，从图4的电容性电抗X_C的频率特性可以理解，与相对于第一高频(40MHz)相比，相对于第二高频率(2MHz)的电阻变高。这样，相对于第二高频，如果上部电极34的接地电路的电阻高，则追随第二高频入射到上部电极34的离子的冲击减弱，出现溅射效果降低的不利现象。

在这一点上，通过安装电感器54，在对于第一高频(40MHz)能够将并联LC电路80的电阻选定为任意的高的值的同时，能够相对于第二高频(2MHz)选定为相当低的值。由此，一方面如上所述大幅地改善等离子体密度分布的均匀性，还能够十二分地保证在上部电极34上入射的离子冲击强度，从而保证溅射(电极表面的清洁化)的效果。

作为一个例子，使用在蚀刻气体中聚合物的产生量大的C₄F₈，在实施例和第二比较例中测定上部电极34的表面上附着的沉积膜的速率(沉积速率)时，在第二比较例中得到80nm/5分，在实施例中得到-100nm/5分的测定结果。在该沉积速率定量化实验中主要的蚀刻条件如下所示：

处理气体：C₄F₈/Ar＝流量5/1000sccm

腔室内的压力：40mTorr

高频电力：40MHz/2MHz＝2000/400W

温度：上部电极/腔室侧壁/下部电极＝150/150/40℃

蚀刻时间：5分钟

这样，相对于在第二比较例中上部电极34的表面上累积地附着沉积膜，在实施例中确认了能够高效率地在蚀刻模式下从上部电极34的表面除去沉积膜。

图8表示第二实施例中等离子体蚀刻装置的结构。与第一实施方式的电感54的上端通过导线56接地相对，该第二实施方式通过DC滤波单元82将可变直流电源84电连接到电感器54的上端这一点不同。其它部分的结构和功能与第一实施方式相同。

图9表示DC滤波单元82内的电路构成例。该实施例的DC滤波单元82，两个线圈86、88与从可变直流电源84到上部电极34的直流传送线路上的电感器54串联连接，在两线圈86、88之间的结点N₁与接地电位之间、以及在线圈88与可变直流电源84之间的结点N₂与接地电位之间分别连接有电容器90、92，这些线圈86、88和电容器90、92构成了串并联LC电路94。

另外，为了将DC滤波单元82内的各电子部件或电子元件保持在适当的温度，可在DC滤波单元82的内部设置风扇等冷却(送风)机构。另外，虽然该DC滤波单元82只要在电感器54与可变直流电源84之间就可以配置在任意的位置上，但优选装载在腔室10的顶部(上面)之上。

从可变直流电源84输出的直流电压通过串并联LC电路94的线圈88、86以及电感器54施加到上部电极34上。另一方面，若从高频电源30、70施加到基座16上的第一、第二高频通过处理空间PS输入到上部电极34，则从这里先通过电感器54以及DC滤波单元82内的串并联LC电路94流到地，几乎不流到可变直流电源84一侧。

可变直流电源84构成为根据工艺加工的种类和条件输出具有任意的极性和电压电平的直流电压。通过在上部电极34上施加适度的直流电压，能够起到以下效果中的至少一种：(1)使上部电极34自身的偏置电压的绝对值变大，从而增强上部电极34的溅射(除去沉积)的效果，(2)使上部电极34的等离子体层扩大，从而使形成的等离子体缩小的效果，(3)使在上部电极34的附近产生的电子照射在被处理基板(半导体晶片W)上的效果，(4)能够控制等离子体势的效果，(5)使电子密度(等离子体密度)上升的效果，(6)使中心部的等离子体密度上升的效果。另外，在不必向上部电极34施加直流电压的情况下，优选在可变直流电源84与串并联LC电路94之间设置例如由继电器开关构成的开、关切换用的开关96。

在该实施方式中，构成为在DC滤波单元82内的串并联LC电路94将来自可变直流电源84的直流电压通向上部电极34一侧的同时，相对于来自上部电极34一侧的高频，在低频带(优选100kHz～15MHz)引起串联共振并在高频频带(优选5～200MHz)引起并联共振，利用相关的串并联LC电路94的频率-电阻特性进一步提高在下部双频重叠施加方式中的第一和第二高频的各自的作用。

在图10中，在该实施方式中，表示了串并联LC电路94单独的频率-电阻特性Z₉₄和对通过上部电极34而从处理空间PS与上部电极34的边界面直到接地电位的高频传送线路进行推算时的频率-电阻特性Z_A的一个例子。

如图10所示，该实施例将串并联LC电路94的共振频率设定为约2MHz，将反共振频率设定为约45MHz。在这样的频率-电阻特性Z₉₄中，与第一高频(40MHz)对应的电阻是相当高的约1000Ω相对，与第二高频(2MHz)对应的电阻是极低的大约1Ω。在该串并联LC电路94上合并了电感器54和电容C₃₅，C₅₀等的整个上部电极34周围的接地电路的频率-电阻特性Z_A，反共振频率虽然移动到大约10MHz的低频带一侧，但共振频率依然保持在2MHz附近。于是，与第一高频(40MHz)对应的电阻约大幅降低到20Ω，另一方面，与第二高频(2MHz)对应的电阻降低若干到0.7Ω，两个电阻之间还有约20倍以上的差距。

在图10中应该尤其注意是，通过利用串并联LC电路94的共振现象，即使对于整个上部电极34周围的接地电路的频率-电阻特性Z_A，也能使与第二高频(2MHz)对应的电阻降低到1Ω以下。由此，从第二高频(2MHz)看的上部电极34仿佛成为与接地电位短路(虚短路)的状态，尽可能地提高由跟随第二高频的振动得到的向上部电极34入射的离子的冲击力以及溅射(沉积除去)效果。

另外，图10表示频率-电阻特性Z₉₄、Z_A的一个例子，通过改变在串并联LC电路94中的线圈86、88的电感及电容器90，92的电容值，能够适宜地进行变更或调整。

另外，图9是电路结构的一个例子，DC滤波单元82内和其周围的各种变形都是可以的。例如，串并联LC电路94可以由任意数量的线圈和电容构成，电路网络的形式不限于图9的“”形，可以是T型、π型。另外，也可以在串并联LC电路94与可变直流电源84之间插入用于其它功能的电路元件，例如噪声除去用的线圈(未图示)。

另外，还可以在DC滤波单元82内具备可变电阻元件。例如如图11所示，可以将线圈86变成可变电抗，将电容器90变成可变电容器。

另外，作为串并联LC电路94的替代，如图12所示，还可以是通过由电感器54和电容器98构成的串联LC电路100将上部电极34接地的结构。在此情况下，作为接地电极34的周围全体的接地电路，即作为对通过上部电极34而从处理空间PS与上部电极34的边界面直到接地电位的高频传送通路进行推算时的等效电路，在该串联LC电路100上并联连接电容C₃₅、C₅₀(图3)从而构成串并联LC电路(未图示)。对于该串并联LC电路的频率-电阻特性，与图10所示的一样，可以设定电感器54的电感和电容器98的电容，使得在规定的频带内得到期望的共振频率和比它高的期望的反共振频率，优选在第二高频的频率的极附近得到共振频率。

另外，如图12所示，在使用可变直流电源84的情况下，可将可变直流电源84的输出端电连接到电感器54与电容98之间的结点N_a上。但也可以省去可变直流电源84。在该情况下，可以是对于上部电极34加入替换电感器54与电容98的结构，即在上部电极与电感54之间串联连接电容器98。电感器54不限于棒状导体，也可以由线圈状导体构成，能够使用提供电容性电阻的任意的电感性元件或部件。

另外，在实施方式的等离子体蚀刻装置中，可以使上部电极34周围的静电电容或接地电容可变，图13～图15表示静电电容可变部的结构例。

这里，图13和图14所示的静电电容可变部102具有：可在与上部电极34的上面接触或接近的第一位置和在上方从上部电极34分离的第二位置之间移动的导体板104；用于使该导体板104上下移动或改变位置的操作机构106；和用于通过操作机构106将上部电极34的接地电容控制在期望的值的静电电容控制部108。图13的操作机构106由导电性的材质或对高频具有导电性的材质或对高频为低电阻的材质构成，直接或通过腔室10接地。图14的操作机构106可以是绝缘性的材料。该静电电容可变方式能够根据导体板104的高度位置使上部电极34的接地电容可变。越使导体板104接近腔室10的顶部面，上部电极34的接地电容就能越小。相反，越使导体板104接近上部电极34的上面，上部电极34的接地电容就能越大。在极端情况下，使导体板104与上部电极34接触并使上部电极34接地，可使接地电容无限大。

图15所示的静电电容可变部102在上部电极34与腔室10的侧壁之间设置的环状绝缘体35中形成环状的液体收容室110，成为能够通过配管112从腔室10的外面导出和导入具有适当的介电常数的液体(例如Galden那样的有机溶剂)Q的结构。通过改变液体Q的种类(介电常数)或液体量，能够使环状绝缘体35全部的静电电容以及上部电极34的接地电容可变。

作为其它结构例，还可以是在上部电极34与腔室10之间连接可变电容(未图示)的结构。

于是，通过适当地对这些可变电容和静电可变部102、电感器54的电感可变的可变电感元件(未图示)、图11所示的DC滤波单元82内的可变电阻元件等进行适当组合，能够实现任意的频率-电阻特性。更详细地，可以做到利用上述可变电容器或静电电容可变部102调整对于产生等离子体生成起主要作用的第一高频的电阻值，利用DC滤波单元82内的可变电阻元件调整对于离子引入起主要作用的第二高频的电阻值。

另外，作为一个实施方式，可以采用图16的那样的结构。具体地说，在通过匹配器32和供电棒33向基座16上提供来自高频电源30的第一高频的电力的同时，通过匹配器72和供电棒74提供来自高频电源70的第二高频的电力(下部双频重叠施加方式)，并且将上部电极分成在半径方向上的圆盘状的内侧上部电极34和环状的外侧上部电极122这两部分而构成。在内侧上部电极34与外侧上部电极122之间插入环状的绝缘体120，在外侧上部电极122与腔室10的侧壁之间插入环状的绝缘体124。根据相关的结构，以高频率的第一高频为主容易在通过外侧上部电极122直到腔室10的侧壁(地)的路径中流动，并且，以低频率的第二高频为主容易在通过内侧上部电极34和导体棒52直到地的路径中流动。

在上述实施方式中使用的第一和第二高频分别是频率的一个例子，能够根据工艺加工使用任意的频率。通常，对产生等离子体生成起主要作用的第一高频的频率选为13.5MHz以上的值，对向基板的离子引入和向上部电极的离子引入起主要作用的第二高频的频率选为13.56MHz以下即可。

不限于上述实施方式的上部电极34周围的接地电路以外，装置内的各部分的结构或功能也可以有各种变形。虽然上述实施方式涉及等离子体蚀刻装置和等离子体蚀刻方法，但本发明也可以适用于等离子体CVD、等离子体氧化、等离子体氮化、溅射等其它等离子体处理装置和处理方法。另外，在本发明中的被处理基板不限于半导体晶片，也可以用于平板显示器用的各种基板、光掩模、CD基板和印刷电路板等。

Claims (29)

1.一种等离子体处理装置，具有：

可真空排气的接地的处理容器；

第一电极，通过绝缘物或空间安装在所述处理容器内；

第二电极，其在所述处理容器内空出规定的间隔而与所述第一电极平行地配置，与所述第一电极相对并支承被处理基板；

第一高频供电部，向所述第二电极施加具有第一频率的第一高频；

第二高频供电部，向所述第二电极施加具有比所述第一频率低的第二频率的第二高频；

处理气体供给部，向所述第一电极、所述第二电极和所述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；

电感器，电连接所述第一电极与接地电位之间。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：

对通过所述第一电极而从所述处理空间与所述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定所述电感器的电感，使得相对于与所述第一频率对应的电阻，与所述第二频率对应的电阻低。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于：

在所述频率-电阻特性中可得到5～200MHz的频带内的反共振频率。

4.如权利要求1～3中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

设定所述电感器的电感，使得对于在所述处理空间中生成的等离子体得到期望的等离子体密度分布特性。

5.一种等离子体处理装置，具有：

可真空排气的接地的处理容器；

第一电极，通过绝缘物或空间安装在所述处理容器内；

第二电极，其在所述处理容器内空出规定的间隔而与所述第一电极平行地配置，与所述第一电极相对并支承被处理基板，

第一高频供电部，向所述第二电极施加具有第一频率的第一高频；

第二高频供电部，向所述第二电极施加具有比所述第一频率低的第二频率的第二高频；

处理气体供给部，向所述第一电极、所述第二电极和所述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；

电感器和电容器，串联电连接所述第一电极与接地电位之间。

6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于：

对通过所述第一电极而从所述处理空间与所述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定所述电感器的电感和所述电容器的电容，使得相对于与所述第一频率对应的电阻，与所述第二频率对应的电阻低。

7.如权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于：

在所述频率-电阻特性中可得到100kHz～15MHz的频带内的共振频率，并可得到5～200MHz的频带内的反共振频率。

8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于：

设定所述电感器的电感和所述电容器的电容，使得所述共振频率与所述第二频率大致一致或近似。

9.如权利要求5～8中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

设定所述电感器的电感和所述电容器的电容，使得对于在所述处理空间中生成的等离子体得到期望的等离子体密度分布特性。

10.如权利要求1～9中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述电感由棒状或线圈状的导体构成。

11.一种等离子体处理装置，具有：

可真空排气的接地的处理容器；

第一电极，通过绝缘物或空间安装在所述处理容器内；

第二电极，其在所述处理容器内空出规定的间隔而与所述第一电极平行地配置，与所述第一电极相对并支承被处理基板，

第一高频供电部，向所述第二电极施加具有第一频率的第一高频；

第二高频供电部，向所述第二电极施加具有比所述第一频率低的第二频率的第二高频；

处理气体供给部，向所述第一电极、所述第二电极和所述处理容器的侧壁之间的处理空间提供期望的处理气体；

直流电源，对所述第一电极施加期望的直流电压；

滤波器，其电连接在所述第一电极与所述直流电源之间，且实质上贯穿通过直流，而对高频具有期望的频率-电阻特性。

12.如权利要求11所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述滤波器具有：在所述第一电极与所述直流电源之间的直流传送线路上串联连接的一个或多个电感器；和在所述直流传送线路上设置的一个或多个结点与接地电位之间分别连接的一个或多个电容器。

13.如权利要求12所述的等离子体处理装置，其特征在于：

对通过所述第一电极而从所述处理空间与所述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定所述滤波器的频率-电阻特性，使得相对于与所述第一频率对应的电阻，与所述第二频率对应的电阻低。

14.如权利要求13所述的等离子体处理装置，其特征在于：

在所述频率-电阻特性中可得到100kHz～15MHz的频带内的共振频率，并可得到5～200MHz的频带内的反共振频率。

15.如权利要求14所述的等离子体处理装置，其特征在于：

设定所述滤波器的频率-电阻特性，使得所述共振频率与所述第二频率大致一致或近似。

16.如权利要求11～15中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

设定所述滤波器的频率-电阻特性，使得对于在所述处理空间中生成的等离子体得到期望的等离子体密度分布特性。

17.如权利要求1～16中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第一高频在27MHz以上。

18.如权利要求17所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第一高频在40MHz以上。

19.如权利要求1～18中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第二高频在13.56MHz以下。

20.如权利要求1～19中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第一电极是上部电极，所述第二电极是下部电极。

21.如权利要求20所述的等离子体处理装置，其特征在于：

在所述第一电极的上部或上方设置有导入来自所述处理气体供给部的所述处理气体的气体室，在所述第一电极上形成有用于从所述气体室向所述处理空间喷出所述处理气体的多个喷出孔。

22.如权利要求1～21中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

在所述第一电极与所述处理容器的侧壁之间气密地设置有环状的绝缘体。

23.一种等离子体处理方法，

其在可真空接地的处理容器内空出规定的间隔而平行配置第一电极和第二电极，

所述第一电极通过电并联的电容性部件和电感性部件连接接地电位，

第二电极与所述第一电极相对并支承被处理基板，

对所述处理容器内进行真空排气，以达到规定的压力，

向所述第二电极施加具有第一频率的第一高频和具有比所述第一频率低的第二频率的第二高频，同时向所述第一电极、所述第二电极和所述处理容器的侧壁之间的处理空间供给期望的处理气体，在所述处理空间内生成所述处理气体的等离子体，在所述等离子体之下对所述基板实施期望的处理，

该等离子体处理方法的特征在于：对通过所述第一电极而从所述处理空间与所述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定所述频率-电阻特性，使得相对于与所述第一频率对应的电阻，与所述第二频率对应的电阻低。

24.如权利要求23所述的等离子体处理方法，其特征在于：

在所述频率-电阻特性中5～100MHz的频带内设定反共振频率。

25.一种等离子体处理方法，

其在可真空接地的处理容器内空出规定的间隔而平行配置第一电极和第二电极，

所述第一电极通过电串联、并联的电感性部件和电容性部件连接接地电位，

第二电极与所述第一电极相对并支承被处理基板，

对所述处理容器内进行真空排气，以达到规定的压力，

向所述第二电极施加具有第一频率的第一高频和具有比所述第一频率低的第二频率的第二高频，同时向所述第一电极、所述第二电极和所述处理容器的侧壁之间的处理空间供给期望的处理气体，在所述处理空间内生成所述处理气体的等离子体，在所述等离子体之下对所述基板实施期望的处理，

该等离子体处理方法的特征在于：对通过所述第一电极而从所述处理空间与所述第一电极的边界面到接地电位为止的高频传送通路进行推算的频率-电阻特性中，设定所述频率-电阻特性，使得相对于与所述第一频率对应的电阻，与所述第二频率对应的电阻低。

26.如权利要求25所述的等离子体处理方法，其特征在于：

在所述频率-电阻特性中100kHz～15MHz的频带内设定共振频率，在5～200MHz的频带内设定反共振频率。

27.如权利要求26所述的等离子体处理方法，其特征在于：

通过所述电感性部件向所述第一电极施加期望的直流电压。

28.如权利要求27所述的等离子体处理方法，其特征在于：

设定所述频率-电阻特性，使得所述共振频率与所述第二频率大致一致或近似。

29.如权利要求25～28中任一项所述的等离子体处理方法，其特征在于：

设定所述频率-电阻特性，使得对于在所述处理空间中生成的等离子体得到期望的等离子体密度分布特性。

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