JP2002329709A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被処理物の処理速度の面内分布に偏りが無
く、処理速度の均一性が高いプラズマ装置を提供するこ
と。 【解決手段】 誘電体窓２を、一方の面が同軸変換テン
テナ４に接統している誘電体板１３ａ、２１ａ、２３
ａ、２４ａ、２５ａと、この誘電体板１３ａ、２１ａ、
２３ａ、２４ａ、２５ａの他方の面に接し、かつ、誘電
体窓２の中心に対して軸対称の形状に形成されている導
電性の平板部材１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、２２
ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとで形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
おいて、被処理物に対しての面内均一性を改善するため
に、プラズマの分布を制御することのできるプラズマ処
理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波（高周波を含む）によるプラ
ズマ処理は、プラズマの励起効率が高く処理速度が速い
ので、半導体装置や液晶表示装置等を製造する際のエッ
チング処理やアッシング処理あるいは酸化処理等を行う
プラズマ処理装置に多く用いられている。

【０００３】これらの処理に用いられているマイクロ波
励起のプラズマ処理装置の構造は、通常、図９に示すよ
うに、ブラズマ処理装置はチャンバ５１の上部に真空封
止する誘電体窓５２が設けられ、この誘電体窓５２の上
部に、この誘電体窓５２に対向してマイクロ波を導入す
るための断面が矩形状の導波管５３の終端部が配置され
ている。

【０００４】チャンバ５１は、上部にアルミ電極５４で
仕切られたプラズマ生成室５５が設けられ、このプラズ
マ生成室５５の下方に被処理部材を処理する処理室５６
が形成されている。

【０００５】また、導波管５３には誘電体窓５２を通し
て処理室５６の内部のホルダ５８上に載置されたシリコ
ンウエハ等の被処理物５７を処理するプラズマを生成す
る目的でプラズマ生成室５５にマイクロ波を導入するた
めに、導波管５３の内部を進行するマイクロ波の電界万
向に垂直な面（Ｈ面）に、同軸変換アンテナ６０が設け
られている。

【０００６】同軸変換７ンテナ６０の場合、同軸変換ア
ンテナ６０からのマイクロ波はプラズマ生成室５５側へ
放射され、チャンバ５１内に導入される。その際に、同
軸変換アンテナ６０から放射されたマイクロ波は、チャ
ンバ５１を真空封止できる誘電体窓５２を誘電体線路と
して伝播して誘電体窓５２の全面に広がる。

【０００７】これらのマイクロ波励起のプラズマ処理装
置では、マイクロ波をプラズマ生成室に導入する場合、
ＴＥ_ｏｎモード（もしくはＴＥ_ｎｏモード）の導波管に
よりマイクロ波を伝播させ、同軸変換用アンテナを用い
る場合には導波管の終端面から１／４λ_ｇ（ここでλ_ｇ
は導波管内波長）の整数倍の位置に円筒形の開口を設
け、その開口部に同軸変換用アンテナを設置している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
構成のプラズマ処理装置では、導波管を伝播してきたマ
イクロ波は同軸変換アンテナの中心導体に電界が集中
し、中心導体に電流が発生する。そのため、マイクロ波
はＴＥ_ｏｎモードからＴＥＭモードに変換され伝播され
る。

【０００９】また、マイクロ波は同軸変換アンテナの終
端にはマイクロ波の透過窓である誘電体窓が設置されて
いるので、アンテナの下端部からこのアンテナの先端が
接している誘電体窓内に放射される。その際、放射され
るマイクロ波の強度は同軸変換アンテナの中心導体付近
で最も強く、誘電体窓の外縁方向に進むにしたがって弱
くなっていく。そのために同軸変換アンテナを用いた場
合には、プラズマがこの同軸変換アンテナの直下で最も
発生しやすく、プラズマ密度が高くなる。

【００１０】したがって、プラズマの分布に偏りが生じ
エッチング速度の、被処理物での面内均一性を保つこと
ができない。特に、被処理物の周辺でのエッチング速度
が低下する。その結果、エッチング、アッシング等プラ
ズマにより被加工体を加工した場合の加工の均一性が悪
化する。

【００１１】本発明は、これらの事情に基づいて成され
たもので、被処理物の処理速度の面内分布に偏りが無
く、処理速度の均一性が高いプラズマ装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、マイクロ波を同軸変換アンテナから誘電体
窓を介してチャンバ内に導入してプラズマを生成し、被
処理物に所定の処理を施すプラズマ処理装置において、
前記誘電体窓は、前記同軸変換アンテナと接する誘電体
板と、この誘電体板の他方の面設けられ、前記誘電体板
の中心に対して軸対称の形状に形成されている導電性の
平板部材とを有していることを特徴とするプラズマ処理
装置である。

【００１３】また請求項２の発明による手段によれば、
前記誘電体窓は、前記平板部材の他方の面にも誘電体板
を有する３層構造であることを特徴とするプラズマ処理
装置である。

【００１４】また請求項３の発明による手段によれば、
前記平板部材は、前記誘電体板に成膜されていることを
特徴とするプラズマ処理装置である。

【００１５】また請求項４の発明による手段によれば、
前記平板部材は、前記誘電体窓の中心に対して設けた中
心部と、該中心部を中心に放射状に延びるアーム部を有
していることを特徴とするプラズマ処理装置である。

【００１６】また請求項５の発明による手段によれば、
前記平板部材の厚さは、マイクロ波の半波長未満である
ことを特徴とするプラズマ処理装置である。

【００１７】また請求項６の発明による手段によれば、
前記２枚の誘電体板は大きさが異なることを特徴とする
プラズマ処理装置である。

【００１８】また請求項７の発明による手段によれば、
チャンバ内を排気すると共に処理ガスを導入して所定圧
力に設定する工程と、マイクロ波を、同軸変換アンテナ
から誘電体板と導電性の平板部材からなる誘電体窓を介
して前記チャンバ内に電界強度分布を面方向に拡散させ
ながら導入する工程と、導入されたマイクロ波により前
記処理ガスをプラズマ化する工程と、発生したブラズマ
により前記チャンバ内に設けられた被処理体の表面を処
理する工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方
法である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に関わるプラズマ処
理装置を図面を参照して具体的に説明する。

【００２０】図１は本発明のマイクロ波励起のプラズマ
処理装置の要部の構成を示す模式構成図である。

【００２１】図１に示すように、プラズマ処理装置は真
空チャンバ１の上部に誘電体部材である誘電体窓２が設
けられている。この誘電体窓２の上部にこの誘電体窓２
に連通し、かつ、真空チャンバ１の内部にマイクロ波
（高周波を含む）を導入するための断面が矩形状の導波
管３に連通した同軸変換アンテナ４が配置されている。

【００２２】導波管３は、マイクロ波の電界方向に垂直
な面（Ｈ面）と、このＨ面に対して垂直方向に伸びるマ
イクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）と、マイクロ波
導人側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設けら
れたマイクロ波を反射する反射面（Ｒ面）とを有してお
り、同軸変換アンテナ４は、Ｈ面の幅方向の中心部に設
けられている。

【００２３】真空チャンバ１は、内部の上方にプラズマ
生成室５が設けられ、このプラズマ生成室５の下方に処
理室６が形成されている。この処理室６にはシリコンウ
エハ等の被処理物７を載置するホルダ８が配置されてい
る。ホルダ８は図示しない整合器及び、ＲＦバイアスや
Ｈｅ冷却機構を備え、それらには同様に図示しないＲＦ
発振器、およびチラー（冷却手段）が連結されている。
また、ガス供給管９は、真空チャンバ１の上部のプラズ
マ生成室５の側壁に形成されており、ガス排気管１０は
処理室６が形成された真空チャンバ１の底部に取り付け
られ、かつ、ガス排気管１０の他端には真空ポンプ等の
排気系（図示せず）が連結されている。

【００２４】同軸変換アンテナ４は、導波管３の終端部
近傍で、かつマイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）
に設けられた円形の開口部１１に設けられている。そし
て、マイクロ波は、同軸変換アンテナ４及び誘電体窓１
２を介してプラズマ生成室５内に導入される。

【００２５】この同軸変換アンテナ４の構造は、同心状
の構造で中心部が金属棒１２でその周辺部は誘電体窓２
と同材質（例えば、石英、アルミナ、窒化アルミ）で構
成されている。また、金属棒１２の軸万向の長さはマイ
クロ波の半波長以上に設定されており、その先端は誘電
体窓２に接している。したがって、真空チャンバ１の内
部に金属棒１２は露出しない。

【００２６】誘電体窓２は、サンドイッチ構造で２枚の
誘電体板１３ａ、１３ｂの間に平板部材１４が挟まれた
構造である。平板部材１４は、図２（ａ）および（ｂ）
に平面図を示すように、厚さがマイクロ波の半波長未満
のアルミ等の導電物質で形成されている。形状的には、
大八車状で、アーム１６によるパターン部とアーム１６
の間になる非パターン部とで形成され、同軸変換アンテ
ナ４の金属棒１２に対応する位置に中心部１５が形成さ
れている。また、この中心部１５から等角度で外側に延
出した複数のアーム１６が外周部を連結している。アー
ム１６は誘電体窓２の中心に対して対称に配置され、ア
ーム１６の数は、図２（ａ）の平板部材１４ａの場合は
４本であり、図２（ｂ）の平板部材１４ｂ場合は８本で
ある。

【００２７】なお、平板部材１４、１４ａ、１４ｂは、
誘電体板１３ａ、１３ｂと別体で設けなくて、誘電体板
１３ａ、１３ｂのいずれか一方に、薄膜を成膜して形成
してよい。この場合、誘電体板１３ａの場合は裏面側
に、或いは、誘電体板１３ｂの場合は表面側に形成す
る。

【００２８】これらの構造により、同軸変換予ンテナ４
を伝播したマイクロ波は同軸変換アンテナ４の外側の真
空チャンバ１の壁と、中心アンテナである金属棒１２と
の間に電界を発生して伝播し、プラズマ生成室５でプラ
ズマを生成させている。

【００２９】次に、これらのマイクロ波励起のプラズマ
処理装置により、レジストパターンが表面に形成された
被処理物７をエッチングする方法について説明する。

【００３０】まず、真空チャンバ１の処理室６の内部の
ホルダ８の上にレジストパターンが表面に形成されたシ
リコンウエハ等の被処理物７を載置する。図示しない真
空ボンプを作動させて真空チャンバ１の内部を、ガス排
気管１０を通して排気する。続いて、エッチング処理に
用いる処理ガスである、例えば、酸素ガスと四フッ化炭
素との混合ガスを、ガス供給管９を通して真空チャンバ
１の上部のプラズマ生成室に供給する。真空チャンバ１
の内部が所定の圧力になった時点で、図示しないマイク
ロ波源からマイクロ波を導波管３に導入する。

【００３１】導波管３から同軸変換アンテナ４を介して
伝播したマイクロ波は、誘電体窓２である誘電体板１３
ａと平板部材１４と誘電体板１３ｂを介してプラズマ生
成室５の内部に、平板部材１４によりマイクロ波の電界
強度分布が、所定の分布と広がりをもって放射されてプ
ラズマが発生する。

【００３２】この発生したプラズマ中の活性ガスが、処
理室６の内部のホルダ８の上に載置された被処理物７の
表面の膜と反応してエッチングを行なうことにより、良
好なエッチング処理を施すことができる。この場合、マ
イクロ波の電界強度分布が、被処理物７に対するエッチ
ングレートが均一になるように、所定の分布と広がりを
もって放射されているので、被処理物７に対して均一な
エッチング処理を施すことができる。

【００３３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２
（ａ）および図２（ｂ）に示した平板部材１４ａ、１４
ｂを用いた場合のプラズマ処理装置によるプラズマの発
光を真空チャンバ１の下部に設けた窓（不図示）から撮
影した写真である。

【００３４】この場合、真空チャンバ１の内部に圧力１
５Ｐａとなるように酸素ガスを導人し、周波数が２．４
５ＧＨｚ、パワーが１ｋＷのマイクロ波プラズマを生成
している。図３（ａ）は、図２（ａ）で示した平板部材
１４ａを使用した場合の写真であり、図３（ｂ）は、図
２（ｂ）で示した平板部材１４ｂを使用した場合の写真
である。なお、各部の寸法は、誘電体板１３ａは直径２
４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの石英であり、誘電体板１３ｂ
は、直径２４０ｍｍ、厚さ１５ｍｍの石英である。ま
た、真空容器６内のプラズマ生成部の内径は２２０ｍｍ
であり、直径２００ｍｍの被処物７であるシリコンウエ
ハを設置する部分の内径は３００ｍｍである。

【００３５】図３（ａ）と図３（ｂ）に示したプラズマ
の発光写真において、白く見える部分はプラズマが発生
している部分であり、黒く見える部分はプらズマが発生
していない部分である。図３（ａ）の写真では、ほぼ、
全域にわたってプラズマが発生しているが、図３（ｂ）
の写真では中心部でのプラズマの発生が抑止されてい
る。その結果、図３（ｂ）の写真で示しているように、
平板部材１４ｂを用いた場合は、後述するように、シリ
コンウエハに対するレジスト膜のエッチング速度分布に
ついての面内均一性を改善できる。

【００３６】図４は、シリコンウエハに対するレジスト
膜のエッチング速度分布を平板部材１４ｂを使用した場
合と、平板部材を使用しない場合とで比較した結果を示
すグラフである。

【００３７】この場合、放電ガスは酸素で圧力は１５Ｐ
ａ、マイクロ波のパワーは２ｋＷとした。エッチング速
度の面内均一性は、±（最大エッチング速度−最小エッ
チング速度）／（最大エッチング速度＋最小エッチング
速度）で算出すると、平板部材１４ｂを使用した場合が
±４４％、使用しない場合が±５３％である。つまり、
平板部材１４ｂを設けることにより中心部１５のプラズ
マの発生を抑止した結果、プラズマの分布を制御するこ
とにより、エッチング速度の面内均一性を改善できるこ
とを確認した。

【００３８】次に、平板部材１４の変形例について説明
する。上述の実施の形態では、平面形状が大八車状のパ
ターン部と非パターン部とで形成された平板部材１４
ａ、１４ｂについて説明したが、平板部材１４は透過す
るマイクロの電界強度分布を所望の傾向に変化させる機
能有していればよいものであるから、平板部材１４の平
面形状は、誘電体窓２の中心に対して軸対称であれば様
々な形状を用いることが可能である。このことは、それ
ぞれ実験で確認した。例えば、大八車状でも、中心部１
５の円形状の部分は必ずしも必要ではなく、中心部１５
を無くしてアーム１６のみで形成してもよい。また、逆
に、中心部１５の円形状の部分のみで形成してもよい。

【００３９】図５は、平板部材１４を中心部１５の円形
部のみで形成した例の透視斜視図である。なお、この場
合、Ｄは平板部材１４ｃの外径で、誘電体窓２の内径を
φ２２０ｍｍとしている。

【００４０】また、図６は、平板部材１４ｃの外径Ｄを
変化させた場合の、アッシング速度の面内均一性（％）
とアッシングレートとの関係を示すグラフである。平板
部材１４ｃの外径Ｄをφ０ｍｍ、φ５０ｍｍ、φ１００
ｍｍ、φ１５０ｍｍにそれぞれ変化させた場合、アッシ
ングレートについては、外径の変化による差があまり存
在しない。アッシング速度の面内均一性（％）では、そ
れぞれによる差異が存在して、外径Ｄがφ１００ｍｍの
場合が１０％程度になり、最も面内均一性が良好であ
る。したがって、平板部材１４ｃの外径Ｄはφ１００ｍ
ｍに設定すればよいことになる。

【００４１】また、上述の実施の形態では、平板部材１
４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃを挟んで、平板部材１４、
１４ａ、１４ｂ、１４ｃの表面と裏面とにそれぞれ誘電
体板１３ａ、１３ｂを設けて３層構造に形成したが、平
板部材１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃの裏面側（被処理
物７側）の誘電体板１３ｂは設けない構造にしてもよ
い。

【００４２】次に、誘電体窓２の変形例の構造について
説明する。上述の実施の形態では、誘電体窓２を形成し
ている上部の誘電体板１３ａと下部の誘電体板１３ｂ
の、相互に対向している表面積がほぼ等しいものを用い
たが、それらは、異なった表面積のものを用いることも
できる。なお、図７（ａ）および（ｂ）、ならびに、図
８（ａ）および（ｂ）において、図１と同一機能部分に
は同一符号を付して個々の説明を省略する。

【００４３】図７（ａ）および（ｂ）は、誘電体窓２の
下部の誘電体板２１ｂ、２３ｂが上部の誘電体板２１
ａ、２３ａよりも、相互の対向面の表面積が広いものを
用いている。平板部材２２ａ、２２ｂの表面積は、図７
（ａ）に示した場合は、下部の誘電体板２１ｂと同等で
あり、図７（ｂ）に示した場合は、上部の誘電体板２３
ａと同等である。

【００４４】一方、図８（ａ）および（ｂ）は、誘電体
窓の上部の誘電体板２４ａ、２５ａが下部の誘電体板２
４ｂ、２５ｂよりも、相互の対向面の表面積が広いもの
を用いている。平板部材２２ｃ、２２ｄの表面積は、図
８（ａ）に示した場合は、下部の誘電体板２４ｂと同等
であり、図８（ｂ）に示した場合は、上部の誘電体板２
５ａと同等である。

【００４５】なお、各平板部品２２ａ、２２ｂ、２２
ｃ、２２ｄの形状については、上述の実施の形態と同様
である。また、これらの各場合について、実験により、
上述の実施の形態と同等の効果があることを確認した。

【００４６】また、上述の実施の形態では、被処理物を
シリコンウエハとしたが、液晶基板用のガラス基板にし
ても同様の効果を得ることができる。

【００４７】以上に述べたように、本発明によれば、マ
イクロ波放射部に導電性の平板部材を設置することで、
マイクロ波の電界強度分布を変化させて、処理室内での
プラズマの分布を周辺部に偏らせることで、被処理物の
中心付近のエッチング等の処理速度を低下させることに
より、処理速度の面内均一性を向上させることができ
る。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、被処理物の処理速度の
面内分布に偏りが無く、処理速度の均一性が高いプラズ
マ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ波励起のプラズマ処理装置の
要部構成を示す模式構成図。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、本発明の平板部材の平
面図。

【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明のプラズマ処理
装置によるプラズマの発光の写真。

【図４】シリコンウエハに対するレジスト膜のエッチン
グ速度分布を平板部材を使用した場合と、平板部材を使
用しない場合とで比較した結果を示すグラフ。

【図５】本発明の平板部材の透視斜視図。

【図６】本発明の平板部材の外径を変化させた場合の、
アッシング速度の面内均一性（％）とアッシングレート
との関係を示すグラフ。

【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の誘電体窓の変
形例を示す説明図。

【図８】（ａ）および（ｂ）は、本発明の誘電体窓の変
形例を示す説明図。

【図９】従来のマイクロ波励起のプラズマ処理装置の要
部構成を示す模式構成図。

【符号の説明】

１…真空チャンバ、２…誘電体窓、３…導波管、４…同
軸変換アンテナ、５…プラズマ生成室、６…処理室、７
…被処理物、１３ａ、１３ｂ、２１ａ、２１ｂ、２３
ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ…誘電体
板、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、２２ａ、２２ｂ、
２２ｃ、２２ｄ…平板部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井柳 克 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内 Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 BA06 BC06 BC10 CA26 CA47 CA62 DA02 EA07 EB01 EB42 FA12 FA20 FB02 FB06 FC15 5F004 AA01 BA20 BB14 BB32 BD01 BD04 CA02 CA03 DA26 5F045 AA09 AB32 BB02 CA15 DP04 EB02 EH02 EH03 EH19

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波を同軸変換アンテナから誘電
   体窓を介してチャンバ内に導入してプラズマを生成し、
   被処理物に所定の処理を施すプラズマ処理装置におい
   て、 前記誘電体窓は、前記同軸変換アンテナと接する誘電体
   板と、この誘電体板の他方の面設けられ、前記誘電体板
   の中心に対して軸対称の形状に形成されている導電性の
   平板部材とを有していることを特徴とするプラズマ処理
   装置。
2. 【請求項２】 前記誘電体窓は、前記平板部材の他方の
   面にも誘電体板を有する３層構造であることを特徴とす
   る請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記平板部材は、前記誘電体板に成膜さ
   れていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理
   装置。
4. 【請求項４】 前記平板部材は、前記誘電体窓の中心に
   対して設けた中心部と、該中心部を中心に放射状に延び
   るアーム部を有していることを特徴とする請求項１記載
   のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記平板部材の厚さは、マイクロ波の半
   波長未満であることを特徴とする請求項１記載のプラズ
   マ処理装置。
6. 【請求項６】 前記２枚の誘電体板は大きさが異なるこ
   とを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 チャンバ内を排気すると共に処理ガスを
   導入して所定圧力に設定する工程と、 マイクロ波を、同軸変換アンテナから誘電体板と導電性
   の平板部材からなる誘電体窓を介して前記チャンバ内に
   電界強度分布を面方向に拡散させながら導入する工程
   と、 導入されたマイクロ波により前記処理ガスをプラズマ化
   する工程と、発生したブラズマにより前記チャンバ内に
   設けられた被処理体の表面を処理する工程とを有するこ
   とを特徴とするプラズマ処理方法。