JP2004363247A

JP2004363247A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2004363247A
Application number: JP2003158199A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tamura; 仁田村; Naoyuki Koto; 直行小藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】電界集中を防止してより均一なプラズマ分布を得ることのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】処理ガスを導入する導入配管及び容器内を排気する排気管を備え、その内部にプラズマを生成するプラズマ処理容器１０９と、前記処理容器１０９内に試料１１０を載置して保持する基板電極１１１と、前記処理容器上面に配置した誘電体板１０７と、複数の円弧状のアンテナ素子１０６を前記誘電体板上の円周に沿って配置したアンテナ素子群と、高周波電力を複数に分割し、分割した高周波電力を前記複数のアンテナ素子１０６のそれぞれに円周上の同一方向端のみから供給する電力分割装置１０４を備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特に、大口径の試料に均一なプラズマ処理を施すことのできるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理装置は、例えば、特許文献１に示すように、プラズマ処理室上部に円盤状のアンテナを備え、該アンテナから誘電体窓を介してプラズマ処理室に電磁波を供給する構造となっている。この従来技術では円盤状アンテナおよび該アンテナに設けたスロットアンテナにより処理室内の電磁界分布を調整することで均一性のよいプラズマ分布を実現することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２６０５９４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術では、プラズマ生成用に導入した電磁波による電界集中がアンテナ中心部に発生し、プロセスの条件によってはプラズマの密度分布の均一性が悪化する場合が生じる。
【０００５】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、電界集中を防止してより均一なプラズマ分布を得ることのできるプラズマ処理装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【０００７】
処理ガスを導入する導入配管及び容器内を排気する排気管を備え、その内部にプラズマを生成するプラズマ処理容器と、前記処理容器内に試料を載置して保持する基板電極と、前記処理容器上面に配置した誘電体板と、複数の円弧状のアンテナ素子を前記誘電体板上の円周に沿って配置したアンテナ素子群と、高周波電力を複数に分割し、分割した高周波電力を前記複数のアンテナ素子のそれぞれに円周上の同一方向端のみから供給する電力分割装置を備えた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【０００９】
周波数４５０ＭＨｚの高周波電源１０１による電磁波は自動整合機１０２、同軸線路１０３を介して電力分割装置１０４に伝送される。電力分割装置１０４は入力された高周波を複数の出力ポートに分割して出力する。前記複数の出力ポートにはそれぞれ円弧状のアンテナ（円弧状のアンテナ素子）１０６を接続し、誘電体窓１０７を介して処理容器１０９内に高周波を所定の電磁界分布で放射することによりプラズマを発生させる。
【００１０】
誘電体窓の処理室内側には処理室に処理ガスをシャワー状に供給するシャワー板１０８が設けられている。誘電体窓１０７とシャワー板１０８の間には微小な空隙が設けられ、この空隙を介して図示しないガス導入系よりエッチング処理に用いるガスを所定流量導入する。シャワー板１０８には微小なガス導入口が多数設けられており、処理容器１０９内にシャワー状に処理ガスを供給することができる。シャワー板１０８に形成した微小なガス導入口の配置を調整することでガス流れを制御することができる。このガス流れの制御により、エッチング処理特性の面内分布等を調整することができる。
【００１１】
誘電体窓１０７、シャワー板１０８の材質としては石英、アルミナセラミックスなどのエッチング処理に悪影響を及ぼし難く、電磁波の損失の小さい誘電体を用いることが好ましい。本実施形態では石英を用いる。
【００１２】
処理容器１０９には図示しない真空排気系が接続され、ガス導入系と共に処理容器内をエッチング処理に適した雰囲気、圧力に保持する。さらに処理容器内には被処理基板（試料）１１０を戴置するための基板電極１１１が設けられる。被処理基板１１０として直径３００ｍｍのウエハを用いた。基板電極１１１には整合機１１２を介してバイアス電源１１３が接続されており、被処理基板１１０にバイアス電位を与えることができる。このバイアス電位により、前記被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込むことによりエッチング処理の高速化、高品質化を図ることができる。バイアス電源１１３としては発振周波数８００ｋＨｚ、４００ｋＨｚ、２ＭＨｚ等のものを用いることができる。本実施例では周波数８００ｋＨｚの電源を用いた。
【００１３】
また、処理容器内に静磁界を加えるための静磁界発生装置１１４が設けられる。プラズマに静磁界を加えると電子などのプラズマ中の荷電粒子がローレンツ力により磁力線に巻き付くようなサイクロトロン運動を行うことが知られている。このため静磁界を用いることによりプラズマの拡散を抑制することができ、これによりプラズマ密度分布を制御することができる。
【００１４】
プラズマ密度分布の制御により、被処理基板に施すエッチング処理の均一性等を制御することができる。また、前記電子のサイクロトロン運動の周波数と電磁波の周波数を一致させると電磁波の電力がプラズマに効率よく吸収される電子サイクロトロン共鳴を起こすことができる。周波数が４５０ＭＨｚの電磁波の場合、理論的に０．０１６テスラの静磁界で電子サイクロトロン共鳴が起きることが知られている。静磁界分布の調整により電磁波が強く吸収される電子サイクロトロン共鳴を起こす位置を制御し、これによりプラズマ発生領域を制御することができる。また、プラズマ密度分布の制御が可能となる。
【００１５】
また、円弧状アンテナ１０６の上側には電磁波の損失の小さい誘電体板１０５を装荷している。本実施形態では誘電体板１０５としてアルミナセラミックスを用いた。
【００１６】
図２は、円弧状アンテナ（アンテナ素子）１０６の配置例を説明する図である。外周側に８個、内周側に４個の計１２個の円弧状アンテナ１０６を配置し、外周側アンテナ素子群１０６ａ、及び内周側アンテナ素子群１０６ｂを構成する。外周側アンテナ素子群１０６ａはその中心が被処理基板１１０の直径と同じ直径３００ｍｍの円周上に配置している。内周側アンテナ素子群１０６ｂは直径１４０ｍｍの円周上に円弧状アンテナを配置している。円弧状アンテナは導電率の高い金属、例えばアルミニウム等で形成する。円弧状アンテナの上側には図１に示すように誘電体板１０５が配置されており、円弧状アンテナは終端を開放したマイクロストリップ線路である。
【００１７】
円弧状アンテナの給電点２０１と終端２０２の距離はマイクロストリップ線路に供給する電磁波の波長の約半分程度になるよう調整する。給電点から供給された電磁波はマイクロストリップ線路に沿って進行し、終端部に達するとここで反射され給電点側に戻る。入射波と反射波が干渉し、線路上で定在波が発生する。線路の長さが約半波長程度であるため給電点と終端の位相差は約１８０度となる。このため、図２に示すように複数の円弧状アンテナを円状配置すると隣り合った円弧状アンテナの給電点と終端部の間に電界２０３が発生する。すなわち、各円弧状アンテナを図２に示すように円状に配置すると全体として円周方向の電界が発生することになる。
【００１８】
円周方向の電界は中心には存在し得ない。このため、発生する電界は内周側アンテナ素子群及び外周側アンテナ素子群を含む広幅の一重のリング状に分布することになる。
【００１９】
なお、図の例では、円弧状のアンテナを内周側アンテナ素子群及び外周側アンテナ素子群からなる二重のリング状に配置したが、装置の簡素化を重視する場合は一重のリング状に配置してもよい。また、これらのアンテナに電磁波を供給した場合、アンテナの直下近傍に電界の強い領域ができる。このためプラズマはアンテナ直下近傍に発生する。なお、以上の例では、アンテナ（アンテナ素子）１０６は円弧状としたが直線状のアンテナとしてもほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２０】
図３は、円弧状アンテナ（アンテナ素子）１０６の他の配置例を説明する図である。図２の例とは異なり、内周側アンテナ素子群１０６ｂに属する円弧状アンテナの給電点と外周側アンテナ素子群に属する円弧状アンテナの給電点の位置が円周方向でそれぞれ逆方向となっている。このため、発生する電界の方向が内周側アンテナ素子群と外周側アンテナ素子群とで逆となり、両アンテナ素子群間に円状に円周方向の電界が存在しない個所が存在することになる。従って全体として二重のリング状の電界分布が得られる。このように電界を二重のリング状分布とすることで処理容器内に二重のプラズマ発生領域を生成することができる。
【００２１】
図２、図３の例では、円弧状のアンテナ素子が内周側４個、外周側８個の計１２個の場合について説明したが、円弧状アンテナ素子の数はこれに限定されるものではなく、他の組み合わせであっても良い。また、内周側と外周側の二重に配置する例を説明したが、一重であっても三重以上であっても良い。
【００２２】
図４は、電力分割装置１０４の詳細を説明する図である。電力分割装置１０４は、前述したように各円弧アンテナに高周波（ＵＨＦ）電力を所定の位相及び所定の分割比で供給する。装置の中央部に同軸線路１０３が接続されており、この同軸線路に高周波電源１０１からの電磁波が入力される。同軸線路１０３の内部導体を電力分割装置の円板４０１の中心に接続する。円板４０１には内周側出力ポート４０２及び外周側出力ポート４０３がそれぞれ接続されており、同軸線路１０３からの入力したＵＨＦ電力を各出力ポートに分割して出力する。電力分割装置１０４は入力された電磁波を各出力ポートに分割して出力する構造であれば任意の構造を用いることができる。
【００２３】
次に、円弧状アンテナ（アンテナ素子）の長さについて説明する。まず、本実施形態においてプラズマ発生用に用いる高周波電源１０１（４５０ＭＨｚ）の電磁波の真空中の波長は約６７０ｍｍとなる。また、円弧状アンテナ１０６の上面には誘電体板１０５が配置されている。誘電体板１０５の材質としてアルミナセラミックスを用いる。真空中の波長に対する誘電体中の波長の比を屈折率と呼び、さらに屈折率は誘電体の比誘電率の平方根となる。
【００２４】
アルミナセラミックスの比誘電率は約９．８であるため屈折率は約３．１である。従ってアルミナセラミックス中の波長は約２１０ｍｍとなる。同様に誘電体窓１０７の材質である石英の比誘電率は約３．８、屈折率は約１．９である。従って石英中の波長は約３４０ｍｍとなる。円弧状アンテナに沿って伝播する電磁波はアルミナセラミックスである誘電体板１０５中を伝播する電磁波と石英である誘電体窓１０７中を伝播する電磁波が混合することになるが、本実施形態の場合、電磁波の電力の多くは比誘電率の高いアルミナセラミックス中を伝播する。このため円弧状アンテナに沿って伝播する波の波長はアルミナセラミックス中の波長に近いものとなる。従って円弧状アンテナ１０６の長さはアルミナセラミックス中の波長の約半分程度（１００ｍｍ程度）となる。その他波長に影響を与える要素として誘電体板１０５の直径、厚さ、アンテナ１０６の給電部の構造等があるが概略前述のように考えてよい。
【００２５】
詳細な円弧アンテナの長さはシミュレーション、実験などを繰り返して、最終的に決定することになるが、本実施形態の場合、円弧アンテナの長さは７０〜８０ｍｍが最適であった。これはマイクロストリップ線路の波長と考えられる約２１０ｍｍに対し３３％〜３８％に相当する。
【００２６】
また、本実施形態ではプラズマ発生用電源１０１の周波数は４５０ＭＨｚとしたが他の周波数を用いても良い。周波数を変えると波長も変わるため、これに応じて円弧状アンテナの長さや誘電体板１０５の材質等を変える必要がある。定性的には低い周波数を用いる場合、波長が長くなるため、これに応じて円弧状アンテナを長くすることが必要となる場合もある。または誘電体板１０５の材質を比誘電率の高い物質に変えて波長を短くする必要がある。あわせて円弧アンテナの個数を考慮する必要がある。本実施形態では図２に示すように内周側４個、外周側８個の円弧状アンテナを使用している。円弧状アンテナ近傍ではアンテナの開放端から給電点に至る電界が強くなり、アンテナ個数に応じた電界強度の不均一ができる。アンテナ個数が多ければ誘電体窓１０６やシャワー板１０８を透過する際に不均一が緩和され、比較的均一なプラズマが形成される。しかし、アンテナ個数が少ないとこの不均一が緩和しきれず、均一なプラズマ生成を妨げることになる。
【００２７】
発明者らはシミュレーションや実験に基づき、均一なプラズマ生成のためには、円周上に４個以上のアンテナを配置する必要があると結論づけた。また、被処理基板１１０として、ＵＬＳＩ（ＵｌｔｒａＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）製造に今後主流となる直径３００ｍｍのウエハを用いる場合においては、前述のように円弧状アンテナ近傍にプラズマが発生することになるため、円弧状アンテナを直径３００ｍｍ程度かこれより小さい円周上に配置することが有利である。従って円弧状アンテナの最大長さは概略直径３００ｍｍの円周の１／４程度である２３０ｍｍ程度に抑える必要がある。この時、円弧状アンテナの長さを半波長とし、アンテナ周囲の誘電体としてアルミナセラミックス（比誘電率約９．８）を用いると、周波数に換算して約２００ＭＨｚが周波数の最小値となる。
【００２８】
一方、周波数を高くしすぎると、円弧状または線状のアンテナでの損失が無視できなくなるほか、波長が短くなるためアンテナ長さの管理が困難となる等の問題が生じる。これらの問題は、アンテナ長さで数十ｍｍ以下になる周波数で顕在化すると考えられる。例えば、アンテナ周囲の誘電体を空気（比誘電率１）とした場合、周波数５ＧＨｚで半波長が約３０ｍｍとなり、この程度の周波数が上限であると考える。
【００２９】
図５は、本発明の他の実施形態を説明する図である。図において、５０２は給電用内部導体であり、内周側の円弧状アンテナ５０１と接続している。なお、給電用内部導体５０２及び内周側の円弧状アンテナ５０１は電力分割装置の円板５０３には接続していない。このため、内周側の円弧状アンテナ５０１と内部導体５０２は電気的に浮遊状態にある。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
給電用内部導体５０２の垂直方向長さが短い場合、周囲のプラズマ発生用電磁界との相互作用が小さく内周側円弧アンテナ５０１から電磁波は放射されにくい。一方、給電用内部導体５０２の垂直方向長さが長い場合は周囲の電磁界との相互作用が大きくなり、内周側円弧アンテナ５０１から電磁波は放射されやすくなる。このように給電用内部導体５０２の長さによって内周側円弧アンテナ５０１から放射される割合を調整でき、発生するプラズマの分布を制御することができる。本実施形態では内周側円弧アンテナを電気的に浮遊状態にする例について説明したが、外周側円弧アンテナを浮遊状態すする場合であっても同様に制御することができる。
【００３１】
図６は、本発明のさらに他の実施形態を説明するずである。前述したように、円弧状アンテナにより円周方向に電界を発生することができる。しかし、図２に示すように各円弧状アンテナの間に電界を発生するためにアンテナ素子の個数が少ない場合はアンテナ素子の個数に応じた電界のピークが発生し、均一なプラズマを発生し難い場合がある。これを防止するための対策を施したのが本実施形態である。図において、６０１は円周方向電界発生用の円弧状アンテナ、６０２は導電率の高い金属製のリング、６０３は誘電体板である。図に示すように円弧状アンテナの下部に誘電体板６０２を介して金属製リングを同心状に設ける。これにより前記アンテナ個数による電界のピークを緩和することができる。前記金属製リング６０２は一重、二重、三重以上であっても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、電界集中を防止してより均一なプラズマ分布を得ることのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】円弧状アンテナの配置例を説明する図である。
【図３】円弧状アンテナの他の配置例を説明する図である。
【図４】電力分割装置１０４の詳細を説明する図である。
【図５】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１０１高周波電源
１０２自動整合機
１０３同軸線路
１０４電力分割装置
１０５誘電体板
１０６、５０１，６０１円弧状のアンテナ
１０６ａ外周側アンテナ素子群
１０６ｂ内周側アンテナ素子群
１０７誘電体窓
１０８シャワー板
１０９処理容器
１１０被処理基板
１１１基板電極
１１２整合機
１１３バイアス電源
１１４静磁界発生装置
２０１給電点
２０２終端
２０３電界
４０１，５０１電力分割装置の円板
４０２内周側出力ポート
４０３外周側出力ポート
５０２内部導体
６０２リング
６０３誘電体板

Claims

処理ガスを導入する導入配管及び容器内を排気する排気管を備え、その内部にプラズマを生成するプラズマ処理容器と、
前記処理容器内に試料を載置して保持する基板電極と、
前記処理容器上面に配置した誘電体板と、
複数の円弧状のアンテナ素子を前記誘電体板上の円周に沿って配置したアンテナ素子群と、
高周波電力を複数に分割し、分割した高周波電力を前記複数のアンテナ素子のそれぞれに円周上の同一方向端のみから供給する電力分割装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
処理ガスを導入する導入配管及び容器内を排気する排気管を備え、その内部にプラズマを生成するプラズマ処理容器と、
前記処理容器内に試料を載置して保持する基板電極と、
前記処理容器上面に配置した誘電体板と、
複数の円弧状のアンテナ素子を前記誘電体板上の径の異なる複数の円周に沿ってそれぞれ円状に配置したアンテナ素子群と、
高周波電力を複数に分割し、分割した高周波電力を前記複数のアンテナ素子のそれぞれに円周上の一端のみから供給する電力分割装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記電力分割装置は、前記径の異なる複数の円周に沿って円状に配置したアンテナ素子のうち、第１の径の円周に沿って円状に配置したアンテナ素子にはそれぞれに円周上の第１の方向端のみから高周波電力を供給し、第１の径に隣接する第２の径の円周に沿って円状に配置したアンテナ素子にはそれぞれに円周上の前記第１の方向とは異なる第２の方向端のみから高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１ないし請求項３の何れか１記載のプラズマ処理装置において、
アンテナ素子の長さは前記高周波電力の波長の略３３％以上３８％未満、あるいはその整数倍であることを特徴とするプラズマ処理装置。