JP2006134606A - 高周波給電装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

高周波給電装置及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ生成のための高周波給電において伝送損失や発熱を少なくして給電効率を大幅に向上させ、整合器の小容量化ないし小型化を図り、チャンバ側の設計の自由度を高めること。
【解決手段】高周波給電部30は、高周波電源32、整合器34、給電線36およびインピーダンス変換器38を有する。インピーダンス変換器38は、リアクタンス素子たとえばコンデンサ48,50,54とコイル52とで構成され、サセプタ14の直近に設置または取付された筐体46内に設けられている。インピーダンス変換器38は、整合器34からみた負荷インピーダンスをサセプタ側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンスに変成または変換するものであり、好ましくは給電線36の特性インピーダンスと整合をとる整合回路網として構成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置技術に係わり、特にプラズマ生成用の高周波を給電する高周波給電装置に関する。
半導体デバイスやFPD(Flat Panel Display)の製造プロセスには、プラズマを利用してエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理を行うプラズマ処理装置が多く使われている。一般に、プラズマ処理装置では、処理容器またはチャンバの中または外に高周波電極を配置して高周波給電部より該高周波電極に高周波を給電する。高周波給電部は、高周波を出力する高周波電源だけでなく、負荷側(電極、プラズマ、チャンバ)のインピーダンスと高周波電源側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を備えるのが通例である。
図3に、従来のプラズマ処理装置における高周波給電部の構成を示す。減圧可能に構成されたチャンバ100の中に上部電極102と下部電極104が平行に配置され、載置台を兼ねる下部電極104の上に被処理基板たとえば半導体ウエハWが載置される。この構成例では、下部電極104が高周波電極であり、これに高周波給電部106からの高周波が給電される。上部電極102は対向電極であり、チャンバ100を介してグランド電位に接続される。チャンバ100内の空間、特に上部電極102と下部電極104との間の空間には、処理ガス供給源(図示せず)より所定の処理ガスが供給されるようになっている。チャンバ100の底部には排気口108が設けられ、この排気口108に排気管110を介して排気装置112が接続される。チャンバ100の側壁には、基板Wを出し入れするための開閉可能な基板搬入出口(図示せず)が設けられている。
高周波給電部106は、高周波電源114、整合器116および給電棒118を有する。高周波電源114は、所定のパワーで所定周波数たとえば13.56MHzの高周波を出力する。整合器116は、たとえば2つの可変コンデンサ120,122と1つのコイル124とからなるL型回路を有し、さらには両コンデンサ120,122のキャパシタンスをそれぞれ可変制御するための電圧・電流センサ126(図5)やコントローラおよびアクチエータ(図示せず)等も備えており、いわゆるマッチングボックスとして構成されている。給電棒118は同軸管からなり、一端が整合器116の出力端子に接続され、他端が下部電極104の裏面に接続されている。ここで、伝送線路に給電棒を用いるのは、伝送インピーダンスを極力小さくするためである。
図4に、高周波給電部106の給電作用を示す。高周波給電部106よりチャンバ100内の下部電極104に高周波が給電されると、上部電極102と下部電極104との間の空間に処理ガスのプラズマPZが生成される。高周波給電部106からみると、下部電極104、プラズマPZ、上部電極102およびチャンバ100が直列接続の一体的な負荷(以下、「チャンバ負荷」と称する。)を形成する。高周波電源114と整合器116との間では高周波の一次電流i1が流れ、整合器116とチャンバ負荷との間では高周波の二次電流i2が流れる。
ここで、高周波電源114の出力電力をP(W)とすると、整合器116のマッチングにより規定値たとえば50Ωで高周波電源114側との整合がとられるため、一次電流i1(A)は下記の式(1)で表される。
1=(P/50)1/2 ‥‥‥‥(1)
一方、チャンバ負荷のインピーダンスをrL(Ω)、二次側の伝送インピーダンス(主に給電棒118の抵抗成分)をrS(Ω)とすると、二次電流i2(A)は下記の式(2)で表される。
2={P/(rL+rS)}1/2 ‥‥‥‥(2)
一般のプラズマ処理装置では、チャンバ負荷が5Ω以下であり、300mm径ウエハ用やFPD用の大口径チャンバでは数Ωあるいは1Ω以下である。従来は、このような低インピーダンスのチャンバ負荷に大きな二次電流i2で高周波を給電しており、電力損失が多く、プラズマ生成のための電力供給効率が低いという問題があった。
たとえば、上記の例で、チャンバ負荷のインピーダンスRLを1Ωとし、高周波電源114の出力電力Pを5000W、二次側伝送インピーダンスrSを0.5Ωとすると、上記の式(1),(2)からi1=10A、i2=58Aである。rSによる損失(rS×i2 2)は1682Wであり、チャンバ負荷で消費される電力(rL×i2 2)は3364Wである。つまり、整合器116を用いているにも拘わらず、高周波給電部106より出力される電力の約2/3しかチャンバ100内に給電されず、残りの約1/3は伝送回路や伝送線路で無駄な抵抗発熱つまり損失となる。
さらに、二次電流i2が大きいため、整合器116では、可変コンデンサ120,122やインダクタンスコイル124が電流容量の大きな大型サイズのものとなり、それに伴ってアクチエータ等の可変調整機構も大型化し、マッチングボックス全体が嵩張る。また、そのような大型の整合器116は、チャンバ100の直近に設置ないし取付けするのが難しいだけでなく、チャンバ100から離しすぎるとそのぶん給電棒118が長くなり(それによってrSが大きくなり)、給電効率が一層低下する。つまり、配置の自由度が小さいという不利点もある。
プラズマ処理装置は、チャンバの口径が大きくなるにつれて、チャンバ構造がハイパワー化し、チャンバ負荷のインピーダンスは益々低くなっている。上記のような従来の高周波給電方式ではチャンバの大口径化に対応することはできない。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、伝送損失や発熱を少なくして給電効率を大幅に向上させる高周波給電装置およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、一般にマッチングボックスとして構成される整合器の小容量化ないし小型化を図るとともに、整合器の配置の自由度を高める高周波給電装置およびプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、チャンバ側の高周波生成機構を任意のインピーダンスで設計・製作できるようにした高周波給電装置およびプラズマ処理装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の高周波給電装置は、プラズマ処理が行なわれるチャンバの中または外に配置される高周波電極にプラズマ生成用の高周波を給電する高周波給電装置であって、前記高周波を出力する高周波電源と、前記高周波電源からみた負荷インピーダンスを前記高周波電源側のインピーダンスに整合させる整合器と、前記電極に近接または一体化して設けられ、前記整合器からみた負荷インピーダンスを前記電極側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、前記整合器の出力端子から前記インピーダンス変換器の入力端子まで前記高周波を伝送する伝送線路とを有する。
また、本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板にプラズマ処理を施すための減圧された空間を与えるチャンバと、前記チャンバの中または内に配置された高周波電極と、前記チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、プラズマ生成用の高周波を出力する高周波電源と、前記高周波電源からみた負荷インピーダンスを前記高周波電源側のインピーダンスに整合させる整合器と、前記電極に近接または一体化して設けられ、前記整合器からみた負荷インピーダンスを前記電極側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、前記整合器の出力端子から前記インピーダンス変換器の入力端子まで前記高周波を伝送するとを有する。
本発明では、高周波電極の直近に設けられたインピーダンス変換器の変成機能により、整合器の二次側における高周波伝送を高インピーダンス給電とすることが可能であり、伝送損失を低減し整合器の電流容量を小さくすることができるうえ、チャンバ側の高周波生成機構を任意のインピーダンス、特に可及的に低いインピーダンスにすることができる。
本発明の好適な一態様によれば、インピーダンス変換器がリアクタンス素子からなり、たとえば少なくとも1個のコンデンサと少なくとも1個のコイルとを含む。これらのリアクタンス素子は、リアクタンス調整機構を要しない固定コンデンサ、固定インダクタでよい。これにより、嵩張らず、高周波電極の直近に容易に設置できる。
また、好適な一態様によれば、インピーダンス変換器が、電極側の実際のインピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合させる整合回路網として構成される。かかるインピーダンス変換器の整合作用により、高周波を最大電力で電極側の負荷に給電することができる。
また、好適な一態様によれば、整合器が、少なくとも1個の可変コンデンサとこの可変コンデンサのキャパシタンスを調整するための調整機構とを含む。本発明によれば、伝送線路の損失が少ないため、伝送線路を同軸ケーブルで任意の長さに選定することが可能であり、整合器を任意の位置に配置することができる。
本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様によれば、チャンバ内に高周波電極と対向電極とが平行に配置される。この場合、高周波電極の上に被処理基板が載置され、対向電極に高周波電極に向けて処理ガスを吐出するための通孔が設けられてよい。あるいは、対向電極の上に被処理基板が載置され、高周波電極側に対向電極に向けて処理ガスを吐出するための通孔が設けられてもよい。
本発明の高周波給電装置またはプラズマ処理装置によれば、伝送損失や発熱を少なくしてプラズマ生成のための給電効率を大幅に向上させることができる。また、給電ラインに設けられる整合器の小容量化ないし小型化を図れるとともに、整合器の配置の自由度を増やすことができ、チャンバ側の高周波生成機構を任意のインピーダンスで設計・製作することもできる。
以下、図1〜図3を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
図1に、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の要部の構成を示す。このプラズマ処理装置は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置として構成されており、たとえば内壁がアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムからなる円筒形の処理容器またはチャンバ10を有している。チャンバ10は保安接地されている。
チャンバ10の底部には円筒状の絶縁部材12を介してたとえばアルミニウムからなるサセプタ14が設けられている。このサセプタ14は下部電極を構成し、この上に被処理基板たとえば半導体ウエハWが載置される。また、サセプタ14は高周波電極でもあり、これに本実施形態の高周波給電部30よりプラズマ生成のための高周波が給電される。高周波給電部30の構成および作用は後に詳述する。
サセプタ14の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極16が設けられている。この上部電極16は、シャワーヘッドとして構成されており、サセプタ14上の基板Wに向けて処理ガスを吐出するための多数の通孔16aとガスバッファ室16bを有している。シャワーヘッド16のガス導入口16cには処理ガス供給部18からのガス供給配管20が接続されている。
チャンバ10の底部には排気口22が設けられ、この排気口22に排気管24を介して排気装置26が接続されている。排気装置26は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ10内の処理空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ10の側壁には基板Wを出し入れするための開閉機構たとえばゲートバルブ付きの基板出入り口(図示せず)が設けられている。
このプラズマ処理装置において、サセプタ14上の基板Wにプラズマ処理を施すときは、処理ガス供給部18より所望の処理ガスを所定の流量でチャンバ10内に導入し、排気装置26によりチャンバ10内の圧力を設定値にする。さらに、高周波給電部30より所定周波数の高周波を所定のパワーでサセプタ(下部電極14)に給電する。上部電極(シャワーヘッド)16の通孔16aより吐出された処理ガスは下部および上部電極14,16間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオン等によって基板Wの主面(上面)にエッチングあるいは堆積等のプラズマ処理が施される。
高周波給電部30は、高周波電源32、整合器34、給電線36およびインピーダンス変換器38を有する。高周波電源32は、所望のパワーで所定周波数たとえば13.56MHzの高周波を出力する。整合器34は、マッチングボックスとして構成されており、たとえば2つの可変コンデンサ40,42と1つのコイル44とからなるπ型回路を有するのに加えて、両コンデンサ40,42のキャパシタンスをそれぞれ可変制御するための電圧・電流センサ45(図2)やコントローラおよびアクチエータ(図示せず)等も備えている。給電線36は同軸ケーブルからなり、一端が整合器34の出力端子に接続され、他端がインピーダンス変換器38の入力端子に接続されている。なお、高周波電源32と整合器34との間の信号伝送路35にも、同軸ケーブル等の給電線を用いてよい。
インピーダンス変換器38は、リアクタンス素子だけで、つまりコンデンサ44,46、48とコイル50とで構成され、サセプタ14の直近に設置または取付された筐体46内に設けられている。より詳細には、給電線36の終端とグランド電位との間にコンデンサ48,50が並列接続され、給電線36の終端とサセプタ14との間にコイル52とコンデンサ54とが直列接続され、全体としてL型回路に構成されている。筐体46は導電板からなり、チャンバ10を通じてグランド電位に接続されている。各コンデンサ48,50、54は固定コンデンサで、コイル52は固定インダクタであり、インピーダンス変換器38にリアクタンス調整機構は設けられていない。
インピーダンス変換器38は、整合器34からみた負荷インピーダンスをサセプタ側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンス(変成インピーダンス)に変換するものであり、好ましくは給電線36の特性インピーダンスと整合をとる整合回路網として構成される。
図2に、高周波給電部30の給電作用を示す。高周波給電部30よりチャンバ10内のサセプタ(下部電極)14に高周波が給電されると、上部電極16とサセプタ(下部電極)14との間の空間に処理ガスのプラズマPZが生成される。高周波給電部30からみて、サセプタ14、プラズマPZ、上部電極16およびチャンバ10は直列接続された一体的な負荷つまりチャンバ負荷を形成する。高周波電源32と整合器34との間では高周波の一次電流I1が流れ、整合器34とインピーダンス変換器38との間では高周波の二次電流I2が流れる。
ここで、高周波電源32の出力電力をP(W)とすると、整合器34のマッチングにより規定値たとえば50Ωで高周波電源32側との整合がとられるため、一次電流I1(A)は下記の式(3)で表される。
1=(P/50)1/2 ‥‥‥‥(3)
一方、インピーダンス変換器38の変成インピーダンスをRL(Ω)、二次側の伝送インピーダンス(主に給電線36の抵抗成分)をRS(Ω)とすると、二次電流I2(A)は下記の式(4)で表される。
2={P/(RL+RS)}1/2 ‥‥‥‥(4)
上記のように、インピーダンス変換器38を整合回路網に構成した場合は、変成インピーダンスRLは規定値の50Ωであり、上記の式(4)は下記の式(5)になる。
2={P/(50+RS)}1/2 ‥‥‥‥(5)
たとえば、高周波電源32の出力電力Pが5000W、二次側伝送インピーダンスRSが0.5Ωであるときは、上記の式(3),(5)からI1=10A、I2=9.95Aである。また、二次側伝送インピーダンスRSによる損失(RS×I2 2)は49.5Wであり、インピーダンス変換器38に供給される電力(RL×I2 2)は4950Wである。インピーダンス変換器38はリアクタンス素子で構成され、しかもサセプタ14の直近に位置しているため、インピーダンス変換器38内およびサセプタ14までの伝送路の損失は無視できるほど小さい。これにより、インピーダンス変換器38に入力される電力(4950W)の殆どがそのままチャンバ負荷に供給される。その結果、高周波給電部32より出力される高周波電力の約90%がチャンバ10内のプラズマ生成に供される。伝送損失は約10%にすぎない。
このように、チャンバ負荷の低インピーダンスがインピーダンス変換器38で高インピーダンスに変成され、高周波電源32からの高周波電力が高い伝送効率でチャンバ負荷に供給される。このことにより、チャンバ負荷の低インピーダンス化、つまりチャンバの大口径化やハイパワー化に向けて各部(チャンバ10、サセプタ14、上部電極16等)を自由に設計できる。本発明によれば、チャンバの大口径化に容易に対応することができる。
整合器34においては、二次電流I2が一次電流I1と同程度であるため、リアクタンス素子40,42,44を電流容量の小さい小型のものにすることが可能であり、それに伴ってリアクタンス調整機構の所要動力を軽減し、マッチングボックスの小型化を実現できる。さらには、電流容量の小型化により、整合器34内の損失や発熱を低減することもできる。
また、二次電流I2が小さくて給電線36の伝送損失が少ないため、給電線36を長くして引き回してもよく、整合器34を任意の場所に設置することができる。一方で、インピーダンス変換器38は、固定リアクタンス素子だけで構成され、アクタンス調整機構を備えないため、嵩張らず、サセプタ14の直近に容易に設置または取付けできる。
なお、インピーダンス変換器38は、2ポートのリアクティブ・コンバータまたはリアクティブ・インバータとして、図示のようなL型回路に限らず、T型回路やπ型回路等でも構成可能であり、所望の変成条件ないし整合条件を満たすように各リアクタンス素子40,42,44のリアクタンスを選定すればよい。
具体的には、図3に示すように、スミスチャートを使用することができる。図3において、A点はインピーダンス変換器38の入力端つまり給電線36の終端に対応している。給電線36の特性インピーダンス(50Ω)で基準化しているため、チャート上でA点のインピーダンスは「+1」である。この入力端の50Ωは、並列に挿入された入力段のコンデンサ48,50により低インピーダンスに変換される。チャート上では、A点からB点に移動する。ここで、B点は、コンデンサ48,50のキャパシタンスの値に応じて曲線C1,C1'上で移動する。次に、直列に挿入されたコイル52によって虚数部がキャンセルされ、チャート上ではB点からC点に移動する。ここで、C点は、コイル52のインダクタンスの値に応じて曲線L1上で移動する。最終段のコンデンサ54は、負荷の虚数分をキャンセルする(共振させる)ためのものであり、これによってチャート上ではC点からD点に移動する。D点は、コンデンサ54のキャパシタンスの値に応じて曲線C2上で移動する。
以上、一実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、インピーダンス変換器38にリアクタンス可変の素子たとえば可変コンデンサを設けることも可能であり、インピーダンス変換器38の一部または全部をサセプタ14に一体化して形成または設置することも可能である。給電線36は任意の信号伝送路たとえば給電棒に置き換えてもよい。整合器34の回路構成や調整機構も任意のものでよい。上記した実施形態は容量結合型の平行平板プラズマ処理装置に係り、サセプタ(下部電極)14だけに高周波を印加した。しかし、本発明は、上部電極16にだけ高周波を印加する高周波方式や上部電極と下部電極の双方に異なる周波数の高周波を印加する高周波方式にも適用可能であり、高周波電極をチャンバの外に設けるヘリコン波プラズマ方式やECRプラズマ方式等のプラズマ処理装置にも適用可能である。本発明における被処理基板は半導体ウエハに限らず、FPD用の各種基板や、フォトマスク、CD基板、プリント基板等も可能である。
本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の主要な構成を示す図である。 実施形態における高周波給電部の作用を説明するための図である。 実施形態で用いるスミスチャートを示す図である。 従来のプラズマ処理装置の主要な構成を示す図である。 従来の高周波給電部の作用を説明するための図である。
符号の説明
10 チャンバ
14 サセプタ(下部電極)
16 上部電極(シャワーヘッド)
18 処理ガス供給部
30 高周波給電部
32 高周波電源
34 整合器
36 給電線
38 インピーダンス変換器
40,42 可変コンデンサ
44 コイル
48,50 固定コンデンサ
52 コイル
54 固定コンデンサ

Claims (13)

  1. プラズマ処理が行なわれるチャンバの中または外に配置される高周波電極にプラズマ生成用の高周波を給電する高周波給電装置であって、
    前記高周波を出力する高周波電源と、
    前記高周波電源からみた負荷インピーダンスを前記高周波電源側のインピーダンスに整合させる整合器と、
    前記電極に近接または一体化して設けられ、前記整合器からみた負荷インピーダンスを前記電極側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、
    前記整合器の出力端子から前記インピーダンス変換器の入力端子まで前記高周波を伝送する伝送線路と
    を有する高周波給電装置。
  2. 前記インピーダンス変換器が、少なくとも1個のコンデンサと少なくとも1個のコイルとを含む請求項1に記載の高周波給電装置。
  3. 前記インピーダンス変換器が、前記電極側の実際のインピーダンスを前記伝送線路の特性インピーダンスに整合させる整合回路網として構成される請求項1または請求項2に記載の高周波給電装置。
  4. 前記整合器が、少なくとも1個の可変コンデンサと前記可変コンデンサのキャパシタンスを調整するための調整機構とを含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の高周波給電装置。
  5. 前記伝送線路が同軸ケーブルからなる請求項1〜4のいずれか一項に記載の高周波給電装置。
  6. 被処理基板にプラズマ処理を施すための減圧された空間を与えるチャンバと、
    プラズマ生成のために前記チャンバの中または内に配置された高周波電極と、
    前記チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と、
    プラズマ生成用の高周波を出力する高周波電源と、
    前記高周波電源からみた負荷インピーダンスを前記高周波電源側のインピーダンスに整合させる整合器と、
    前記電極に近接または一体化して設けられ、前記整合器からみた負荷インピーダンスを前記電極側の実際のインピーダンスよりも高いインピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、
    前記整合器の出力端子から前記インピーダンス変換器の入力端子まで前記高周波を伝送する伝送線路と
    を有するプラズマ処理装置。
  7. 前記インピーダンス変換器が、少なくとも1個のコンデンサと少なくとも1個のコイルとを含む請求項6に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記インピーダンス変換器が、前記電極側の実際のインピーダンスを前記伝送線路の特性インピーダンスに整合させる整合回路網として構成される請求項6または請求項7に記載のプラズマ装置。
  9. 前記整合器が、少なくとも1個の可変コンデンサと前記可変コンデンサのキャパシタンスを調整するための調整機構とを含む請求項6〜8のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記伝送線路が同軸ケーブルからなる請求項6〜9のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記処理容器内に前記高周波電極と対向電極とを平行に配置してなる請求項6〜10のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記高周波電極の上に前記被処理基板が載置され、前記対向電極に前記高周波電極に向けて前記処理ガスを吐出するための通孔が設けられる請求項11に記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記対向電極の上に前記被処理基板が載置され、前記高周波電極に前記対向の電極に向けて前記処理ガスを吐出するための通孔が設けられる請求項11に記載のプラズマ処理装置。



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