JP2005078961A

JP2005078961A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2005078961A
Application number: JP2003308728A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tamura; 仁田村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP3814266B2

Abstract

【課題】プラズマ密度分布の均一性とプラズマ生成効率の向上が得られるようにしたプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】概略円筒形をしたエッチング処理室１内に円板形アンテナ５から電磁波を放射してエッチングガスをプラズマ化する方式のプラズマ処理装置において、円板形アンテナ５がスロット線路を複数個備え、これら複数個のスロット線路を、円板形アンテナ５から放射される電磁波により、エッチング処理室１内に発生する電界が、この処理室１の円周方向の成分を主体として形成されるように、円板形アンテナ５の放射方向に配置したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマによりエッチング処理する装置に係り、特に、径の大きな基板のエッチング処理に好適なプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、マイクロ波などの電磁波によりプラズマ化したエッチングガスにより半導体基板などの被処理対象物をエッチング処理する装置であるが、このとき、マイクロ波などの電磁波を概略円筒形をしたエッチング処理室に導入するため、従来から同軸線路を用いている(例えば、特許文献１参照。)。

そして、この従来技術では、同軸線路から処理室の中に供給すべき電磁波を、処理室内にある円板状アンテナの周囲から処理室内に導入させると共に、この円板状アンテナに設けてあるスロット線路からも電磁波を放射して処理室内に導入させることにより処理室内の電磁界分布を調整し、均一性のよいプラズマ分布が得られるようにしている。
特開平１１−２６０５９４号公報

上記従来技術は、処理室の中心付近で電磁波の電界集中が起きてしまう点について配慮がされているとはいえず、プロセス条件によってはプラズマ密度分布の均一性が損なわれるという問題があった。

また、従来技術は、処理室の円筒部上部付近に比較的高い密度のプラズマが形成されてしまう点にも配慮がされているとはいえず、プラズマ生成効率に問題があった。

処理室の円筒部上部付近に形成されたプラズマは、概略円筒形をしている処理室の内壁面で損失を受けてしまうため、処理対象である基板付近のプラズマ密度の向上にはあまり寄与せしない。

このため、電磁波として供給した電力に対するプラズマの生成効率抑えられ、従って、プラズマ生成効率に問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、プラズマ密度分布の均一性とプラズマ生成効率の向上が得られるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記の問題は、エッチング処理室の中心軸上の電界成分が著しく小さくなり、さらにエッチング処理室壁面付近に電磁波が分布しないよう調整されたアンテナ構造を用いることにより解決できる。

そして、このような分布となる電磁波として電界成分が事実上円周方向成分のみになるよう調整された電磁界分布があり、このように調整された電磁界分布を用いることで中心軸付近への電界集中、エッチング処理室円筒内壁面上部付近へのプラズマ集中を防止することができる。

ここで、電界成分が事実上円周方向成分のみである電界分布を用いると、中心軸上では円周方向電界成分は存在し得ないため、中心への電界集中等の問題は生じない。

また、同様に、円周方向成分のみを持つ電磁界分布は導電率の高い物質でできたエッチング処理室の内壁面で電界成分を持たないため、エッチング処理室内の円筒面上部付近に高密度のプラズマを形成することはない。

このとき、電界成分が事実上円周方向成分のみである電界分布を実現するために、中心軸に対し放射方向に伸びたスロット線路を用いる。ここで、このスロット線路は、導電率の高い平板2枚を互いに向かい合うよう設置した場合に、平板間を電磁波が伝播され、これを線路として用いるものである。

このスロット線路上での電界は、スロット線路の長手方向に垂直で、一方の平板から他方の平板に向かう方向を向く。この性質を用いて複数の励振されたスロット線路を中心軸に対し放射方向に配置することで、全体として円周方向成分のみである電界分布を実現することができる。

従って、上記目的は、概略円筒形をしたエッチング処理室内に円板形アンテナから電磁波を放射してエッチングガスをプラズマ化する方式のプラズマ処理装置において、前記円板形アンテナが複数個のスロット線路を備え、これら複数個のスロット線路は、前記円板形アンテナから放射される電磁波により、前記エッチング処理室内に発生する電界が、当該処理室の円周方向の成分を主体として形成されるように、前記円板形アンテナの放射方向に配置されていることにより達成される。

このとき、前記エッチング処理室内の処理対象物に静磁界を略垂直に印加する手段が設けられていてもよく、前記電磁波の周波数が２００ＭＨｚ以上５ＧＨｚ以下であるようにしてもよい。

更には、このとき、前記複数個のスロット線路は、前記円板形アンテナが前記エッチング処理室の電磁波導入窓に概略接しており、前記円板形アンテナの前記電磁波導入窓側では、前記複数個のスロット線路が放射状に配置され、前記円板形アンテナの前記電磁波導入窓とは反対側の面では、前記複数個のスロット線路が円周方向を向き、前記放射状に配置されたスロット線路と前記円周方向を向いたスロット線路がスロット線路により接続されているようにしても上記目的が達成される。

以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明によるエッチング処理装置の一実施形態で、この場合、処理室１は有底の略円筒形をした容器で形成されていて、この上に例えば石英などからなる誘電体板２で区切った形でアンテナ室３が設けられている。

そして、処理室１の中には基板載置用の台となる基板電極４が設けてあり、この上にエッチング処理の対象となる基板、つまり被処理基板Ｗが載置され、基板電極４の上に例えば静電吸着された上でエッチング処理されるようになっている。

また、アンテナ室３の中には円形の円板形アンテナ５が設けてあり、この円板形アンテナ５から、例えば周波数４５０ＭＨｚのマイクロ波帯の電磁波を放射させ、誘電体板２を介して処理室１内に供給し、処理室１内エッチングガスのプラズマが生成されるようにしてある。

このため、円板形アンテナ５には、高周波電源６から自動整合器７でインピーダンスマッチングを取った周波数４５０ＭＨｚの高周波電力が、同軸線路８を介して供給されており、このとき、誘電体板２は、アンテナ室３から電磁波を処理室１内に導入させるための窓、つまり電磁波導入窓として機能していることになる。

ここで、誘電体板２の処理室１側には、狭い間隙をもってノズル板１０が設けてあり、この間隙に、図示してないガス供給系から所定のエッチングガスが供給されるようになっている。

このとき、ノズル板１０には、微細な孔からなるガスノズル１１が多数個、形成してあり、この結果、上記した間隙にエッチングガスが供給されると、多数個のガスノズル１１からエッチングガスがシャワー状に噴出され、処理室１内に供給されることになる。

そして、この処理室１には、図示してない真空排気系が接続され、ガス供給系からのガスなどを排気し、処理室１内を処理に適した所定の圧力に保持することができる。

そこで、ノズル板１０におけるガスノズル１１の分布を調整することにより、処理室１内のガスの流れを制御し、エッチング処理の最適化を図ることができる。ここで、この実施形態では、ノズル板１０の材質として、誘電体板２と同じく石英を用いている。

また、処理室１の周囲には、静磁界発生装置としてコイル１２、１３、１４が設けてあり、これにより処理室１の中に所定の方向、例えば被処理基板に略垂直な方向の静磁界を加え、処理室１内に発生したプラズマの拡散を制御し、プラズマの密度分布が調整できるようになっている。

このとき、電子のサイクロトロン周波数と電磁波の周波数を一致させることにより、電磁波がプラズマに共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を処理室１内で起こさせることができる。

ここで、上記した周波数４５０ＭＨｚのマイクロ波の場合、電子サイクロトロン共鳴を起こすのに必要な静磁界の強さは０．０１６テスラである。

このように、電子サイクロトロン共鳴を起こさせることにより、プラズマの発生と維持が容易になり、通常はプラズマの発生が困難な低い圧力のもとでもプラズマ処理を可能にすることができる。

また、このとき、静磁界を調整することにより、電子サイクロトロン共鳴が起こる場所が制御できる。そして、このようにプラズマ発生領域を制御することにより、プラズマの分布が調整でき、従って、最適なプラズマ処理を行うことができる。

但し、これらのコイル１２、１３、１４による静磁界発生装置は、本発明の実施に際して必ずしも必須の要件でなく、プラズマを細かく制御する必要がない場合は省略しても良い。

ところで、この実施形態では、被処理基板Ｗが直径３００ｍｍの場合を想定しており、このため、基板電極４も直径３００ｍｍの被処理基板Ｗが載置できるような寸法に作られている。

そして、この基板電極４には、自動整合器１５を介して、高周波バイアス電源１６が接続してあり、被処理基板Ｗに高周波のバイアス電位を与えることができるようになっている。

このように、バイアス電位を与えることにより、被処理基板Ｗにプラズマ中のイオンを引き込ませることができ、この結果、エッチング処理の高速化、高品質化などが図れるようになる。

このときの高周波バイアス電位の周波数としては、４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、２ＭＨｚなどが一般的であるが、この実施形態では、４００ｋＨｚの周波数を用いてある。

次に、本発明の特徴である円板形アンテナ５について、図１に加え、更に図２〜図４により詳細に説明する。ここで、まず、図２は円板形アンテナ５の正面図で、図１では上から見た図であり、次に、図３は側面図で、同じく手前から見た図、図４は裏面図で、同じく下から見た図である。

ここで、まず、この円板形アンテナ５は、マイクロ波帯で使用されているアレイアンテナの一種で、アンテナ素子としてスロット線路を用いた、いわゆるスロットアンテナで構成されている。

なお、このスロット線路とは導体板に形成した細長い空隙のことで、導波路(電磁波の通路)として機能するもので、例えば「電子情報通信ハンドブック(電子情報通信学会編、オーム社、1988年)」などの文献に記載されているものであり、スロットアンテナについても同じく記載されているものである。

このため、導体板５０を表面に備えた円板状の誘電体板５１を基材として用い、導体板５０に所定のパターンで間隙、すなわちスロットを設けてスロット線路とし、更に、これらを所定のパターンで配列して円板形アンテナ５としている。

詳しく説明すると、導体板５０は、図２〜図４に示すように、大別して上面中心部５０Ａと連結部５０Ｂ、上面扇形部５０Ｃ、側端面部５０Ｄ、下面扇形部５０Ｅ、それに下面中心部５０Ｆで形成され、誘電体板５１の表面から裏面まで側端面も含めて配置されている。

なお、この導体板５０としては通常、薄い銅板が用いられるが、銅箔や銅メッキ層が用いられることもあり、このときアルミニウム材を用いてもよい。

ここで、まず、誘電体板５１の上面では、図２に示すように、中央に略円形の上面中心部５０Ａがあり、これに同軸線路８が接続されている。そして、この上面中心部５０Ａから８個の短い連結部５０Ｂが放射状に伸び、周辺にある８個の上面扇形部５０Ｃの夫々に連続している。

次いで、これら８個の上面扇形部５０Ｃは、夫々図３に示すように、誘電体板５１の側端周辺面に伸びて側端面部５０Ｄを形成し、この後、更に誘電体板５１の下面に伸び、夫々図４に示すように、８個の下面扇形部５０Ｅを形成してから共通に下面中心部５０Ｆに集約されている。

そして、この結果、まず、円板形アンテナ５の上面では、上面中心部５０Ａの周辺に円弧状の第１のスロット線路Ｓ１と、放射方向に伸びた直線状の第２のスロット線路Ｓ２が、夫々８個づつ誘電体板５１の表面に形成されることになる。

次に、円板形アンテナ５の側端周辺面には、上下方向になった第３のスロット線路Ｓ３が８本形成され、下面には、中心方向に比較的長く伸びた直線状の第４のスロット線路Ｓ４が、これも８本形成されることになる。

ここで、このようなスロット線路上での電界は、スロット部分で向かい合う導体板の一方の端部から他方の端部に向って現われる。つまり、電界はスロットの長手方向と直角に現われる。そして、このときの電界の向きは境界条件に従う。

そこで、図２の円周方向を向いている第１のスロット線路Ｓ１に現われる電界は、矢印で示すように、放射方向を向き、放射方向を向いている第２のスロット線路Ｓ２に現われる電界は、同じく矢印で示すように、円周方向を向く。

同様に、図３で上下方向に向いている第３のスロット線路Ｓ３に現われる電界は、同じく矢印で示すように、円周方向を向き、図４で放射方向を向いている第４のスロット線路Ｓ４に現われる電界も、同じく矢印で示すように、円周方向を向く。

一方、この実施形態では、スロット線路を励振するため、スロット線路により表面電流を遮る方法を用いており、このため、図２に示すように、上面中心部５０Ａの中心に同軸線路８の内部導体が接続してある。

この場合、４５０ＭＨｚの高周波による表面電流は上面中心部５０Ａの中心から放射状に流れる。従って、この表面電流を遮るにはスロット線路の方向を円周方向に向ける必要がある。ここで、スロット線路が放射方向に向いている場合には、当該スロット線路は励振されない。

そこで、この実施形態では、図２に示す第１のスロット線路Ｓ１の部分でだけスロット線路が励振され、電磁波(４５０ＭＨｚのマイクロ波)が放射される。そして、この電磁波がスロット線路に沿って伝送され、最終的に、図４の第４のスロット線路Ｓ４に矢印で示した円周方向の電界を励振することになる。

ここで、図５は、上記実施形態において、周波数４５０ＭＨｚの電界を計算し、処理室１に発生するプラズマの表面電界ベクトルを計算して矢印で示したものであり、このときコイル１２〜１４による静磁界は発生させず、無磁場にしてある。

このときの計算には電磁波の支配方程式であるマックスウェルの方程式を使用し、この方程式を解くことにより電界ベクトルを計算したもので、図５から明らかなように、この場合、電界ベクトルはほぼ円周方向を向いていて、放射方向の電界は発生していないことが判る。

従って、この実施形態によれば、処理室１の中での電磁波の電界集中は起こらず、処理室１内で均一にプラズマを生成することができるので、プラズマ密度分布の均一性が悪化する虞れが抑えられ、この結果、エッチングガスの種別を問わず、均一なプラズマ処理を得ることができる。

また、この実施形態によれば、放射方向の電界が発生しないので、処理室１の壁面でのプラズマの損失が抑えられ、この結果、プラズマ生成効率の向上を得ることができる。

ところで、このとき、スロット線路Ｓ１〜Ｓ４の全長は、円板形アンテナ５から放射される電磁波の半波長の整数倍とすることが望ましい。スロット線路の長さをこのように設定させることでスロット線路内で電磁波が共振し、放射効率が高くできるからである。

ここで、このような共振状態を実現するためには、円板形アンテナ５のスロット線路自身の全長を調整してやればよいが、これに代えて、誘電体板５１の誘電率を調整するようにしても良く、或いはスロット線路を形成している空隙に空気以外の誘電体を装荷し、この誘電体の誘電率を調整しても良い。

このときスロット線路を伝播する電磁波の波長は、定性的にいえば、スロット線路周囲の誘電率を高めると短くなり、低めると長くなる。従って、この実施形態のように、複数の誘電体がスロット線路周囲に存在する場合には、最も高い誘電率と最も低い誘電率の間に実効的な誘電率が定まることになる。

ところで、上記実施形態では、円板形アンテナ５の円周端がアンテナ室３を構成している容器に短絡板１７により保持され、スロット線路部を除いて円周端が周囲に電気的に接続されていて、これにより、同軸線路８から導入されてくる電磁波がスロット線路部以外から処理室１内に放射されてしまうのを防止している。

しかし、スロット線路で形成される円周方向電界成分による電磁界だけでプラズマを生成したのでは中心軸付近のプラズマ密度が足りなくなってしまった場合には、短絡板１７６を設けず、従来技術と同様、円板形アンテナ５の周辺から回り込む電磁波を積極的に利用するようにしても良い。

この場合、処理室１に導入される電磁波は、スロット線路により励振される円周方向電界成分を持つ電磁界と、円板形アンテナ５を回り込む放射方向電界を持つ電磁界の混成となる。そして、この場合、円板形アンテナ５を回り込んだ電磁波は、中心軸付近でも電界成分を有するため、中心軸付近のプラズマ密度を補うことができるのである。

また、上記実施形態では、プラズマ発生用電磁波の周波数が４５０ＭＨｚの場合を例に取り説明したが、本発明の実施形態における周波数はこれに限定されるものではない。

ここで、この周波数の下限を限定する要素としては、被処理基板Ｗの大きさ(径寸法)と処理室１の大きさがあるが、このとき、被処理基板Ｗの直径は、近年、生産性向上の見地から大型化が進み、現在では３００ｍｍが主流となりつつある。

反面、装置は小型化が要求される一方で、処理室の大きさもプラズマ処理の均一性などを確保できる最小限の大きさにすることが望まれている。

このとき、被処理基板Ｗの面内でのプラズマ処理の均一性の確保には、被処理基板Ｗの直径と同程度か、それ以上の範囲で均一にプラズマを発生させる必要があり、このためには、円板形アンテナ５にも被処理基板Ｗと同程度の直径３００ｍｍ程度の大きさが必要となる。

そこで、この要求に応えるためには、誘電体板５１として、被処理基板Ｗと同程度の直径３００ｍｍ程度の大きさのものを用意し、これに長さが半波長の整数倍となるスロット線路を配置しなければならない。

ここで、直径３００ｍｍ程度の円板の上面から下面にわたりスロット線路を配置するためには、スロット線路の全長を概略３００ｍｍ以下にする必要があるが、しかし、波長短縮の見地から、誘電体板５１として比誘電率９．８のアルミナセラミックスを用いたとしても、自由空間の半波長は周波数２００ＭＨｚで既に２３９ｍｍに達してしまう。

従って、本発明の実施形態の場合、プラズマ生成用電磁波の周波数の下限は２００ＭＨｚ程度が適当であるということができ、この結果、本発明によれば、被処理基板Ｗの大径化にも容易に対応することができる。

一方、プラズマ生成用電磁波の周波数の上限に関しては、周波数が高くなる程、波長が短くなるため、同じ寸法の円板上にスロット線路を配置する際の自由度は高くなるので望ましい。

しかし、電磁波の周波数を高くすると高周波電源が高価になり、高出力が要求されれば更に高価になる上、周波数が高くなれば伝送損失が増加し、処理室付近での電磁界分布の自由度が増してしまうため電磁界分布の制御が困難になるなどの問題が多くなる。

従って、上記の実施形態の場合、実用性の見地にたてば、半波長が約３０ｍｍとなる５ＧＨｚ程度の周波数が上限であるということができ、この結果、この実施形態によれば、被処理基板Ｗの大径化にも、同じく容易に対応することができる。

上記した通り、以上の実施形態によれは、処理室の中心付近における電界集中を防止することができ、より均一なプラズマを広い条件範囲で発生させることができる。

また、投入した電力が被処理基板付近のプラズマ発生に有効利用できるため、エネルギーの有効利用にも寄与することができる。

本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。本発明における平面アンテナの一実施形態を示す上面図である。本発明における平面アンテナの一実施形態を示す側面図である。本発明における平面アンテナの一実施形態を示す下面図である。本発明における平面アンテナの一実施形態による特性図である。

符号の説明

Ｗ：被処理基板
１：処理室
２：誘電体板
３：アンテナ室
４：基板電極(基板載置用の台)
５：円板形アンテナ
６：高周波電源
７：自動整合器
８：同軸線路
１０：ノズル板
１１：ガスノズル(ガス噴出孔)
１２、１３、１４：コイル(静磁界発生装置として働くコイル)
１５：自動整合器
１６：高周波バイアス電源
１７：短絡板
５０：導体板
５０Ａ：上面中心部
５０Ｂ：連結部
５０Ｃ：上面扇形部
５０Ｄ：側端面部
５０Ｅ：下面扇形部
５０Ｆ：下面中心部
５１：誘電体板
Ｓ１〜Ｓ４：スロット線路

Claims

概略円筒形をしたエッチング処理室内に円板形アンテナから電磁波を放射してエッチングガスをプラズマ化する方式のプラズマ処理装置において、
前記円板形アンテナが複数個のスロット線路を備え、
これら複数個のスロット線路は、
前記円板形アンテナから放射される電磁波により、前記エッチング処理室内に発生する電界が、当該処理室の円周方向の成分を主体として形成されるように、前記円板形アンテナの放射方向に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項に記載のプラズマ処理装置において、
前記エッチング処理室内の処理対象物に静磁界を略垂直に印加する手段が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波の周波数が２００ＭＨｚ以上５ＧＨｚ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数個のスロット線路は、
前記円板形アンテナが前記エッチング処理室の電磁波導入窓に概略接しており、
前記円板形アンテナの前記電磁波導入窓側では、前記複数個のスロット線路が放射状に配置され、
前記円板形アンテナの前記電磁波導入窓とは反対側の面では、前記複数個のスロット線路が円周方向を向き、
前記放射状に配置されたスロット線路と前記円周方向を向いたスロット線路がスロット線路により接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。