JP2000012295A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のプラズマ処理装置においては、放電の
維持電圧が往々にして大きくなってしまうという問題点
があった。 【解決手段】 基板に対してプラズマ処理を施すための
プラズマ処理装置であって、石英管１１からなる透過部
を備えて形成されたチャンバ１と、透過部の周囲にコイ
ル状に巻回されたコイル状電極１４と、コイル状電極１
４に交流電力を供給するための電源と、を具備してな
り、コイル状電極１４は、帯板状金属から形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板、ディ
スプレイ基板、マルチチップモジュール、プリント基板
等の被処理基板に対して、エッチング、アッシング、デ
ポジション、表面改質、表面クリーニング等のプラズマ
処理を施すためのプラズマ処理装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のＬＳＩの製造工程における半導体
基板等のエッチング、アッシング、デポジション、表面
改質、表面クリーニング等においては、減圧下でプラズ
マを発生させて基板を処理する各種のプラズマ処理装置
が広く用いられている。

【０００３】このようなプラズマ処理装置の１つとし
て、石英等からなるチャンバの周囲にコイル状電極を巻
回し、このコイル状電極に高周波等の交流電力を供給す
ることによりプラズマ放電を発生させるタイプのものが
知られている。

【０００４】この場合、コイル状電極は、通常、６ｍｍ
程度の外径の銅パイプをコイル状に巻くことによって形
成される。また、このコイル状電極の使用時には、コイ
ル状電極が発熱するため、銅パイプ内部に冷却水を流し
て水冷を行う必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプラズマ処理装置においては、放電の維持電圧が往
々にして大きくなってしまうという問題点があった。そ
のため、放電の維持電圧を低減させ得る装置構成の開発
が要望されていた。このような放電電圧の低減化は、装
置の絶縁性確保の観点からも望ましいものである。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、放電の維持電圧を低減させ得るプラズマ処理装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のプラズマ
処理装置においては、基板に対してプラズマ処理を施す
ためのプラズマ処理装置であって、電磁波透過性材料壁
からなる透過部を備えて形成されたチャンバと、前記透
過部の周囲にコイル状に巻回されたコイル状電極と、該
コイル状電極に交流電力を供給するための電源と、を具
備してなり、前記コイル状電極は、帯板状金属から形成
されていることを特徴としている。請求項２記載のプラ
ズマ処理装置においては、請求項１記載のプラズマ処理
装置において、前記コイル状電極の冷却方式は、周囲空
間への熱放散に基づく自然冷却方式であることを特徴と
している。請求項３記載のプラズマ処理装置において
は、請求項１または２記載のプラズマ処理装置におい
て、前記チャンバ内に、整流孔が貫通形成されたシャワ
ーヘッドが設けられ、前記基板は、前記シャワーヘッド
の前記整流孔によって整流された流れによってプラズマ
処理されることを特徴としている。

【０００８】請求項１記載の発明によると、コイル状電
極に交流電力が供給されることにより、チャンバ内にプ
ラズマ放電が形成される。この場合、コイル状電極が帯
板状金属から形成されていることに起因して、放電の維
持電圧の低減化がもたらされる。請求項２記載の発明に
よると、コイル状電極が帯板状金属から形成されている
ことにより、放熱性が高く、このため通電時の温度上昇
が比較的小さい。よって、コイル状電極の冷却を、自然
放冷で済ませることが可能である。請求項３記載の発明
によると、基板がシャワーヘッドの整流孔によって整流
されたプラズマ流またはラジカル流によりプラズマ処理
されるので、基板面にわたって、制御性の良いプラズマ
処理が達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラズマ処理装置
の実施の形態について、図面を参照して説明する。

【００１０】図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実
施形態を示すもので、図において、プラズマ処理装置
は、チャンバ１を備えて構成されている。チャンバ１
は、機能面から、プラズマ生成空間１Ａ、処理空間１
Ｂ、搬送空間１Ｃに分類することができる。

【００１１】プラズマ生成空間１Ａは、互いに気密状態
に連結された、ベース１０、円筒状石英管１１、金属製
の蓋プレート１２によって画成されている。

【００１２】石英管１１は、電磁波透過性材料からなる
壁を構成しており、チャンバ外部からチャンバ内部への
電磁波を透過させ得る透過部をなしている。そして、石
英管１１の周囲には、帯板電極１４がコイル状に巻回さ
れている。

【００１３】帯板電極１４は、帯板状銅板から形成され
ており、幅方向を石英管１１の外面に沿わせるようにし
て、かつ、石英管１１の外面に対して若干の所定間隙を
有した状態で、図示の例においては２ターンだけ巻回さ
れている。この帯板電極１４は、支持ロッド１５および
支持リング１６によって支持されている挟持タイプの固
定具１７により、所定位置に支持されている。

【００１４】帯板電極１４には、通常のマッチングボッ
クス１８を介して、高周波電源（図示せず）が接続され
ている。

【００１５】また、蓋プレート１２には、ほぼ中央にガ
ス導入口１２ａが設けられている。

【００１６】さらに、ベース１０上には、上記の石英管
１１、蓋プレート１２、帯板電極１４、等の全体を囲む
金属製ケーシング１９が配置されている。

【００１７】処理空間１Ｂは、ベース１０に対して気密
状態に連結された金属製外壁２０によって画成されてい
る。処理空間１Ｂは、プラズマ生成空間１Ａに対して、
円筒状石英管１１の軸線方向に関する直交方向に延在し
ているシャワーヘッド２１を介して、連結されている。

【００１８】シャワーヘッド２１は、厚さ方向に貫通す
る多数の整流孔（図示せず）が一様分布で開けられてい
る石英プレートあるいは金属プレートである。

【００１９】また、外壁２０の内面を覆うように（図示
例では、外壁２０の内面だけでなく、さらに下方に位置
する金属壁の内面をも覆うように）、石英リング２２が
配置されている。石英リング２２は、上端部に形成され
た外向きフランジ２２ａを、外壁２０の対応凹所に懸架
することにより、外壁２０上に載置されている。また、
この石英リング２２は、先のシャワーヘッド２１を載置
支持している。

【００２０】搬送空間１Ｃは、金属製外壁２０に対して
気密状態に連結された金属製容器３０によって画成され
ている。

【００２１】金属製容器３０は、先の処理空間１Ｂに対
して連接するための開口３０ａが上面に形成されている
とともに、一側部には、排気手段（図示せず）が接続さ
れている排気口３１を有している。図示していないもの
の、この金属製容器３０には、基板搬送のためのロード
ロック室（１つであっても複数であっても良い）が、例
えば側部に連結されている。

【００２２】また、搬送空間１Ｃ内には、ステージ３２
が配置されている。このステージ３２は、加熱機構を内
蔵しており所定温度に維持することができるとともに、
搬送空間１Ｃ内の搬出入位置と、処理空間１Ｂ内の処理
位置と、の間を、往復動自在に駆動され得るよう構成さ
れている。図においては、搬出入位置が２点鎖線で、処
理位置が実線で、それぞれ示されている。

【００２３】次に、上記のように構成されたプラズマ処
理装置の使用方法について、説明する。

【００２４】プラズマ処理を行うには、プラズマ形成を
行う必要がある。プラズマ形成に際しては、まず、排気
手段（図示せず）によってチャンバ１内の排気を行うと
ともに、ガス導入口１２ａから所定ガスを所定流量で導
入することにより、チャンバ１内を所定ガス圧力に維持
する。次に、帯板電極１４に、高周波電源（図示せず）
からマッチングボックス１８を介して、高周波電力を供
給する。これにより、チャンバ１内におけるプラズマ生
成空間１Ａ内において、プラズマ放電が形成される。こ
の場合、マッチングボックス１８のインピーダンスを自
動または手動で調節することにより、プラズマ放電は、
最適に維持される。

【００２５】プラズマ処理を行うには、処理空間１Ｂ内
への基板導入を行う必要がある。この基板導入に際して
は、まず、ステージ３２を搬送空間１Ｃ内の搬出入位置
とする。このとき、ステージ３２を所定温度に維持して
おくことが好ましい。次に、ロードロック室（図示せ
ず）から基板を搬入して、ステージ３２上に載置する。
そして、ステージ３２を図示上方に駆動して、処理位置
とする。これにより、処理空間１Ｂ内への基板導入が完
了する。

【００２６】基板のプラズマ処理は、上記のようにして
プラズマを形成した状態で、上記のようにして処理空間
１Ｂ内への基板導入を行うことにより達成される。所定
時間にわたるプラズマ処理が終了すると、基板導入と逆
手順で、基板の搬出が行われる。

【００２７】上記プラズマ処理においては、帯板電極１
４が、帯板状であるという形状的理由により、また、導
電性および熱伝導性の双方に優れた銅製であるという材
質的理由により、帯板電極１４の放熱性が良好である。
このため通電時の温度上昇が比較的小さい。よって、帯
板電極１４の冷却を、周囲空間への熱放散による自然放
冷で済ませることが可能である。

【００２８】また、上記プラズマ処理においては、被処
理基板が、シャワーヘッド２１の整流孔（図示せず）に
よって整流されたプラズマ流またはラジカル流によりプ
ラズマ処理されるので、基板面にわたって、制御性の良
いプラズマ処理を行うことができる。

【００２９】〔実験例１〕３５０ｍｍφの円筒状石英管
１１に対して、帯板電極１４を形成し、インダクタンス
を測定した。帯板電極１４の厚さを０．５ｍｍ、ターン
数を２ターン、ターン間ギャップを３ｍｍ、に固定し、
帯板電極１４の幅をパラメータとして実験を行った。結
果を図２に示す。図から、帯板電極１４の幅を広げるこ
とで、低インダクタンス化が可能であることがわかる。

【００３０】この場合、プラズマ処理装置の等価回路
は、図３に示すようなものである。したがって、帯板電
極１４を採用するとともに、帯板電極１４の幅を広くし
て、コイル状電極の低インダクタンス化を達成すること
により、放電維持電圧Ｖｐｐの低減化をもたらし得るこ
とがわかる。

【００３１】〔実験例２〕３５０ｍｍφの円筒状石英管
１１に対して、帯板電極１４を形成し、インダクタンス
を測定した。帯板電極１４の厚さを０．５ｍｍ、ターン
数を２ターン、帯板電極１４の幅を２０ｍｍ、に固定
し、ターン間ギャップをパラメータとして実験を行っ
た。結果を図４に示す。図から、ターン間ギャップを変
化させても、インダクタンスは、それほど変わらないこ
とがわかる。

【００３２】〔実験例３〕３５０ｍｍφの円筒状石英管
１１に対して、厚さ：０．５ｍｍ、ターン数：２ター
ン、ターン間ギャップ：３ｍｍの帯板電極１４を形成
し、酸素ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、圧力：８００ｍ
Ｔｏｒｒ、電源周波数：２ＭＨｚの条件下でプラズマ形
成を行い、各種の幅の帯板電極１４に関して、維持電圧
のピーク−ピーク値Ｖｐｐ、および、電流のピーク−ピ
ーク値ＩｐｐのＲＦパワー依存性を求める実験を行っ
た。なお、参照実験として、同じく３ｍｍのターン間ギ
ャップを有する６．３５ｍｍφの銅パイプ製コイル電極
を形成し、同じ条件で実験を行った。結果を図５に示
す。

【００３３】図５から、帯板電極１４が幅広になるにつ
れ、Ｖｐｐが全体的に低下し、Ｉｐｐは各種あまり変化
しないことが確認できた。ターン間ギャップを変化させ
ても、インダクタンスは、それほど変わらないことがわ
かる。２０ｍｍ幅の帯板電極１４と銅パイプ製電極との
比較を見ると、電圧が最も高いピーク点で１０００Ｖ程
度小さくなっていることがわかる。また、モードチェン
ジポイントも低パワー側へシフトしているのがわかる。

【００３４】つまり、幅広の帯板電極１４を使用するこ
とにより、誘導結合プラズマへの遷移電圧と放電維持電
圧のＶｐｐとを低減し得ることが確認された。遷移電圧
・維持電圧の低下によりモードチェンジポイントも低パ
ワー側へシフトしていることから、放電効率が良くなっ
ていると考えられる。

【００３５】〔実験例４〕３５０ｍｍφの円筒状石英管
１１に対して、厚さ：０．５ｍｍ、ターン数：２ター
ン、ターン間ギャップ：３ｍｍの帯板電極１４を形成
し、酸素ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、電源周波数：２
ＭＨｚ、ＲＦパワー：２０００Ｗの条件下でプラズマ形
成を行い、各種の幅の帯板電極１４に関して、維持電圧
のピーク−ピーク値Ｖｐｐ、および、電流のピーク−ピ
ーク値Ｉｐｐのガス圧力依存性を求める実験を行った。
なお、参照実験として、同じく３ｍｍのターン間ギャッ
プを有する６．３５ｍｍφの銅パイプ製コイル電極を形
成し、同じ条件で実験を行った。結果を図６に示す。

【００３６】図６（ａ）から、どの圧力に対しても、帯
板電極１４が幅広になるにつれ、Ｖｐｐが低下する傾向
がある。また、１．７Ｔｏｒｒという比較的高圧条件に
おいて、パイプ製電極では、パワー２ｋＷ放電時にＶｐ
ｐが１０ｋＶ以上で誘導放電に遷移しなかったのが、幅
広コイルの場合には、Ｖｐｐが１０ｋＶ以下で誘導放電
に遷移したのが確認された（放電発光と、パワーｖｓＶ
ｐｐ特性と、から）。また、図６（ｂ）から、Ｉｐｐに
関しては、ガス圧力に関してあまり変化しないことがわ
かる。

【００３７】結局、帯板電極１４の幅広化による低イン
ダクタンス化によって、Ｖｐｐが低下する。また、高圧
側での誘導放電への遷移が容易となる傾向があり、これ
は、プロセスマージンの拡大を意味する。また、電流が
ほとんど変化していないことから、誘導放電は維持され
ているものと考えられる。この効果に寄与しているもの
については、インダクタンスの低下や、プラズマに影響
を及ぼすコイル面積アップによる効果、が考えられる。

【００３８】〔実験例５〕３５０ｍｍφの円筒状石英管
１１に対して、厚さ：０．５ｍｍ、ターン数：２ター
ン、ターン間ギャップ：３ｍｍの帯板電極１４を形成
し、酸素ガス流量：２０００ｓｃｃｍ、電源周波数：２
ＭＨｚ、ＲＦパワー：２０００Ｗ、ステージ温度：２５
０℃、シャワーヘッド距離（シャワーヘッド下面とステ
ージとの距離）：３５ｍｍの条件下でプラズマ形成を行
い、各種の幅の帯板電極１４に関して、アッシングレー
トを求める実験を行った。サンプルは、ウェーハサイ
ズ：φ８インチ、レジスト：ＨＰＲ２０４、ベイク：１
２０℃×６０分である。なお、参照実験として、同じく
３ｍｍのターン間ギャップを有する５ｍｍφの銅パイプ
製コイル電極を形成し、同じ条件で実験を行った。結果
を図７に示す。

【００３９】図７から、帯板電極１４が幅広になるにつ
れ、アッシングレートが上昇する傾向にある。φ５ｍｍ
パイプ電極と比較すると、２０ｍｍ幅の帯板電極１４で
あれば、アッシングレートが約３８％向上する。

【００４０】結局、帯板電極１４を幅広とすることで、
アッシングレートの向上が確認された。これは、プラズ
マ密度が増加したことによるものと考えられる。

【００４１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、以下の形態とすることもできる。 ａ）帯板状電極１４の材質、寸法、ターン数、ターン間
ギャップ、巻半径、等の各種条件は、上記例示に限ら
ず、状況に応じて任意に設定することができる。 ｂ）電源周波数は、２ＭＨｚを例示したが、これに限ら
ず、誘導放電に適した任意の周波数（例えば数百Ｈｚ〜
数百ＭＨｚ）とすることができる。 ｃ）上述したように、通電時の帯板状電極１４の温度上
昇は、十分に小さいものであり、自然冷却方式で十分で
ある。しかしながら、要望によっては、空冷方式や水冷
方式といった他の冷却方式を採用しても良い。水冷に際
しては、例えば、帯板電極１４をなす帯板状金属に水冷
用金属パイプを溶接することによって、行うことができ
る。 ｄ）シャワーヘッドの整流孔は、一様分布したものに限
らず、任意の分布のものを使用することができる。 ｅ）コイル状電極として単一の帯板電極１４を使用する
例示をしたが、複数の帯板電極を使用することもでき
る。この場合には、例えば図８に示すように、複数の帯
板電極を並列接続して使用することが好ましい。この場
合には、 帯板電極を使用することによる低インピーダンス化の
効果と、 並列接続に基づく低インピーダンス化の効果と、 の双方の効果が掛け合わされて、より一層の放電維持電
圧の低減化を達成することができる。図８には、２つの
帯板電極の並列接続が例示されているが、３つ以上の帯
板電極を並列接続しても良いことはもちろんである。ま
た、図８以外の並列接続であっても良いことはもちろん
である。

【００４２】

【発明の効果】本発明のプラズマ処理装置によれば、以
下の効果を奏する。請求項１記載のプラズマ処理装置に
よれば、コイル状電極に交流電力を供給することによっ
てチャンバ内にプラズマ放電を形成することができ、こ
の場合、コイル状電極が帯板状金属から形成されている
ことに起因して、放電の維持電圧を低減することができ
る。また、誘導結合プラズマへの遷移電圧を下げること
ができるとともに、高いガス圧力条件下においても放電
が可能である。よって、放電可能範囲を拡大して、プロ
セスマージンを拡大することができる。請求項２記載の
プラズマ処理装置によれば、コイル状電極を帯板状金属
から形成することで、電極の放熱性が高くなる。よっ
て、コイル状電極の冷却を、自然放冷で済ませることが
できる。したがって、構成が複雑化したり漏水対策をし
たりといった厄介な水冷を使用する必要がない。請求項
３記載のプラズマ処理装置によれば、シャワーヘッドの
整流孔によって整流されたプラズマ流またはラジカル流
により基板を処理するので、基板面にわたって、制御性
の良いプラズマ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示
す一部断面を含む側面図である。

【図２】 実験例１における結果を示す図であって、帯
板電極の幅に対するインダクタンスの依存性を示してい
る。

【図３】 図１のプラズマ処理装置の等価回路を示す図
である。

【図４】 実験例２における結果を示す図であって、帯
板電極のターン間ギャップに対するインダクタンスの依
存性を示している。

【図５】 実験例３における結果を示す図であって、
（ａ）ＶｐｐのＲＦパワー依存性、および、（ｂ）Ｉｐ
ｐのＲＦパワー依存性を示している。

【図６】 実験例４における結果を示す図であって、
（ａ）Ｖｐｐのガス圧力依存性、および、（ｂ）Ｉｐｐ
のガス圧力依存性を示している。

【図７】 実験例５における結果を示す図であって、帯
板電極の幅に対するアッシングレートの依存性を示して
いる。

【図８】 本発明のプラズマ処理装置におけるコイル状
電極の変形例を示す概略的な側面図である。

【符号の説明】

１ チャンバ １Ａ プラズマ生成空間 １Ｂ 処理空間 １Ｃ 搬送空間 １１ 石英管（透過部） １４ 帯板電極（コイル状電極） １８ マッチングボックス ２１ シャワーヘッド ３２ ステージ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に対してプラズマ処理を施すための
   プラズマ処理装置であって、 電磁波透過性材料壁からなる透過部を備えて形成された
   チャンバと、 前記透過部の周囲にコイル状に巻回されたコイル状電極
   と、 該コイル状電極に交流電力を供給するための電源と、を
   具備してなり、 前記コイル状電極は、帯板状金属から形成されているこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記コイル状電極の冷却方式は、周囲空間への熱放散に
   基づく自然冷却方式であることを特徴とするプラズマ処
   理装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のプラズマ処理装
   置において、 前記チャンバ内に、整流孔が貫通形成されたシャワーヘ
   ッドが設けられ、 前記基板は、前記シャワーヘッドの前記整流孔によって
   整流された流れによってプラズマ処理されることを特徴
   とするプラズマ処理装置。