JP2007012560A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な装置によりプラズマを利用して、エッチングやスパッタリング等の異なる処理を行うことができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 金属円筒状の真空容器１２と、真空容器１２の側方に配置され真空容器１２内に磁場を形成する磁石１４とを有する。真空容器１２の側壁に固定され真空容器１２内に突出してマイクロ波を放射し、真空容器１２を共振器として、その内で磁石１４とともに電子ＥＣＲによるプラズマを発生させるアンテナ２６を備える。真空容器１２内の一方の電極側に接続され所定の直流電圧または高周波電圧が印加されるターゲット２２と、真空容器１２内の他方の電極２４を高周波電源３２側と接地電位側とで切り換える第１のスイッチ３４と、ターゲット２２に接続され直流高電圧源３６等のターゲット用電圧源側と接地電位側とを切り換える第２のスイッチ３８とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体素子の製造、高分子材料や絶縁材料の微細加工等に際して、プラズマを利用するためのプラズマ処理装置に関する。

従来、半導体素子製造工程のなかでシリコンなどの基板表面に微細な溝を加工するために利用されるドライエッチングは、真空ポンプで真空容器内の空気を排気し、真空容器のなかにハロゲンガスなどの反応性ガスを導入し、所定の圧力に制御して、マイクロ波または高周波電流を印加することによりプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンや、ラジカル（中性励起ガス種）の物理化学作用によって基板表面を選択的にエッチングするものである。

また、半導体素子製造工程のなかでシリコンなどの基板表面の膜生成に利用されているスパッタ成膜技術は、真空容器にＡｒガスなどの不活性ガスを導入して、真空ポンプで排気しつつ所定の圧力に制御し、真空容器中に設けられ成膜したい膜材料で作られたターゲットに、直流または高周波電圧を印加し、負の電位を与えてプラズマを発生させて、プラズマ中のＡｒイオンをターゲットに衝突させ、膜材料の粒子を飛び出させるものである。飛び出した粒子は、対向する基板に付着して膜を形成する。

さらに、例えば特許文献１にあるように、マイクロ波と磁場の相互作用によりプラズマを発生させ、ドライエッチングやスパッタリングを行うマイクロ波プラズマ処理装置も提案されている。このマイクロ波プラズマ処理装置は、真空容器の側面をセラミックスにより形成し、その部分に導波管を接続して、真空容器内にマイクロ波を導入可能としている。さらに、真空容器の外側には電磁石等の磁界発生装置を設け、その下方には真空容器内で試料台電極と対面した対向電極が設けられ、対向電極をスパッタリングのターゲット材料により形成している。
特開平６−２９１０８７号公報

上記背景技術において説明したように、一般にスパッタ成膜とエッチングは、半導体素子製造工程のなかで、各々独立した工程である成膜と溝加工工程を受け持つものであり、従来、それを行う装置も全く独立した装置として使用されてきた。したがって、この両者においては、装置設置スペースとコストが各々の工程で必要であった。また、スパッタ成膜とエッチングは真空中で処理を行うため、連続処理のためには素子基板を一旦大気中に取り出して、再び次の真空容器へ移して、その容器を真空にして処理する必要がある。従って、大気中への基板取り出し、及び基板投入容器の真空化に無駄な時間を費やしていた。また、基板を大気に曝す事による表面の汚染問題も発生する。

さらに、特許文献１に開示されているように、絶縁物窓を通じてマイクロ波を真空容器側面より導入し、基板と対向した電極にターゲットを配置すれば、エッチングとスパッタ機能を同一真空容器で実現が可能であるが、この装置の場合、スパッタによるマイクロ波導入窓への膜付着は不可避であり、付着膜が導電体の場合、マイクロ波は遮断されて装置の機能を失ってしまうと言う欠点がある。

この発明は、上記従来の技術に鑑みなされたもので、簡単な装置によりプラズマを利用して、エッチングやスパッタリング等の異なる処理を一つの容器内で行うことができるとともに、高速エッチング及び高速成膜を可能とするプラズマ処理装置の提供を目的とする。

この発明は、内部を真空にすることができる金属円筒状等の真空容器と、この真空容器の側方に配置され前記真空容器内に磁場を形成する磁石と、前記真空容器内で所定間隔開けて互いに対向し設けられた一対の電極とを備えたプラズマ処理装置であって、前記真空容器の側壁に固定され前記真空容器内に突出してマイクロ波を放射し、前記真空容器を共振器としてその真空容器内で、前記磁石とともに電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲと言う）によるプラズマを発生させるアンテナと、前記真空容器内の一方の電極側に接続され所定の直流電圧または高周波電圧が印加されるターゲットと、前記ターゲットに接続された切り換え部材を有し、一方の接点が所定の直流電圧または高周波電圧を印加するターゲット用電圧源に接続され、他方の接点が接地電位に接続され、前記ターゲット用電圧源と接地電位とを切り換える第１のスイッチと、前記真空容器内の他方の電極に接続された切り換え部材を有し、一方の接点が高周波電源に接続され、他方の接点が接地電位に接続され、前記高周波電源と接地電位とを切り換える第２のスイッチとを設けたプラズマ処理装置である。

さらに、前記アンテナの位置は、前記真空容器の前記ターゲット表面から対向する前記電極側に向かって、前記マイクロ波の管内波長の１／４の間隔の位置である。

また、前記磁石は、前記真空容器の一方の側方内部に設けられた永久磁石であり、この永久磁石の前記真空容器側に前記ターゲットが固定されている。

前記真空容器は、導電性の非磁性体により形成され、前記磁石は前記真空容器の上蓋に設けられ、前記上蓋と前記真空容器側面との間は、絶縁されている。また、前記真空容器の内面は、表面に微細な凹凸が設けられた粗面に形成されているものである。

この発明によれば、一つの真空容器によりエッチングやスパッタリング等の異なる処理を行うことができ、被処理材を真空容器から出さずに複数の処理工程を行うことができる。これにより、半導体プロセス等の中で必要な処理装置の数を削減し、作業効率を上げることができるとともに装置の設置スペースも省くことができる。さらに、プラズマ源にＥＣＲを用いているため、エッチングやスパッタリングにおいて高速処理が可能である。

以下、この発明の実施の形態について図面を基にして説明する。この実施形態のプラズマ処理装置は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用したＥＣＲ装置を備える。この実施形態のプラズマ処理装置１０は、図１に示すように、アルミニウム等の非磁性体の導体により形成された円筒状の真空容器１２と、この真空容器１２内にＥＣＲプラズマを発生させるためのミラー磁場を形成する所定の環状の永久磁石１４を備える。永久磁石１４は、真空容器１２の上蓋１６の内面に固定されている。

真空容器１２は、円筒状に形成され、マイクロ波の空洞共振器としても機能する。真空容器１２の内部は密閉可能に設けられ、真空に近い状態に維持可能なものである。上蓋１６は、ゴム等の絶縁リング４０を介して真空容器１２の側面部１２ａの端縁部に接続し、気密状態を維持可能であるとともに、上蓋１４と真空容器側面部１２ａとの間を確実に絶縁している。

真空容器１２の内面１２ａは、例えばサンドブラスト処理のような表面処理方法により、微細な凹凸が形成されている。これにより、スパッタ処理もしくはＣＶＤ処理を行った際に付着する反応生成物を内面１２ａに強固に固着させる。

上蓋１６の永久磁石１４の側方には、ガス導入口１８が設けられ、真空容器１２の下部には、排気ポンプ２０が接続され、ガス導入口１８から導入されたガスが真空容器１２内を通過して、排気ポンプ２０により排気される。

真空容器１２には、真空容器１２内での上記マイクロ波の管内波長のｎ／２（ｎは自然数）倍の間隔を隔てて、一方の電極を兼ねる導電性のターゲット２２と他方の電極２４が設けられている。ターゲット２２は、後述するスパッタリングの成膜材料であり、永久磁石１４の真空容器側の面に取り付けられている。なお、ターゲット２２が絶縁性の材料の場合は、所定の導電性材料の電極上に設けられる。

真空容器１２の永久磁石１４に近い位置の側壁には、マイクロ波を真空容器１２内に放射するアンテナ２６が取り付けられている。アンテナ２６の位置は、ターゲット２２が設けられた上蓋１６からマイクロ波の管内波長の約１／４の長さ離れた位置に固定されている。このアンテナ２６の位置は、真空容器１２内のマイクロ波の電磁界モードのうち、ＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置である。

このプラズマ処理装置１０は、真空容器１２内でＥＣＲによるプラズマを発生させるＥＣＲ装置であって、真空容器１２の中心軸方向において、真空容器１２内のマイクロ波の電磁界モードのうち、ＴＥ０１モードの電界強度の定在波の分布の中で、電界強度がほぼ最大となる位置にアンテナ２６が設置され、真空容器１２内での永久磁石１４による外部磁界の磁力線の向きとマイクロ波によるＴＥ０１モードの電界の向きがほぼ直交する位置であって、ＴＥ０１モードでの電界強度の値がほぼ最大となる位置で、ＥＣＲ条件にほぼ合致するように永久磁石１４が設定されているものである。

真空容器１２の下方には、基板取付部２８が位置し、被処理材である基板３０が載置される電極２４が取り付けられている。

電極２４は、所定の高周波電源３２にスイッチ３４を介して接続され、スイッチ３４は、切り換え部材３４ａを有し、電極２４の接続を高周波電源側の接点３４ｂと接地電位側の接点３２ｃとで切り換える。また、電極を兼ねるターゲット２２は、ターゲット用電圧源である所定の直流高電圧源３６にスイッチ３８を介して接続され、スイッチ３８は、切り換え部材３８ａを有し、ターゲット２２の接続を所定の直流高電圧源３６側の接点３８ｂと接地電位側の接点３８ｃとで切り換える。

この実施形態によるプラズマ処理装置１０の動作は、ドライエッチングに用いるプラズマ源とスパッタリングに用いるプラズマ源は共用されるものであり、プラズマ源の主要要素である永久磁石１４近傍に設置されたターゲット２２への電位の掛け方により、エッチングとスパッタリングの切り換えを行うものである。

先ずドライエッチング処理を行う場合は、真空容器１２にガス導入口１８よりＣＦ₄またはＯ_２などの反応性ガスを導入し、１０^―１Ｐａ程度に排気ポンプ２０により排気しつつ、圧力制御する。その後、マイクロ波導入部のアンテナ２６から２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波を導入し、真空容器１２内に放射する。このとき、スイッチ３４は、高周波電源３２側に接続し、スイッチ３８は接地電位側に接続しておく。そして、高周波電源３２から電極２４に１〜１０数ＭＨｚの高周波電力を印加する。

アンテナ２６から放射されたマイクロ波によりプラズマが発生し、永久磁石１４の作るミラー磁場に閉じ込められ、ＥＣＲ条件を満たす領域で効率的に高密度プラズマとなる。プラズマ中のイオンは電極２４の高周波によるＤＣバイアスにより加速され電極２４上の基板３０を衝撃し、物理化学的に表面をエッチング加工する。この時、ターゲット２２は、接地電位に接続されているので、ミラー磁場中のイオンは主として電極に向かって加速され、ターゲット２２への衝撃は少ない。

次に、スパッタリングを行う場合は、真空容器１２にガス導入口１８よりＡｒなどの不活性ガスを導入し、１０^―１Ｐａ程度に排気ポンプ２０により排気しつつ、圧力制御する。そして、スイッチ３４は、接地側に接続し、スイッチ３８は直流電圧源３６側に接続しておく。その後、ターゲット２２が導電性の場合には、数１００〜１０００Ｖ程度の直流電圧を直流高電圧源３６により印加すると、真空容器１２内にプラズマが発生する。なお、ターゲット２２が絶縁性の材料の場合は、高周波電圧を印加する。これにより、プラズマ中のＡｒイオンは永久磁石１４の作る磁場とターゲット２２に印加された電圧の作る電界とが直交する箇所でターゲット２２に向かう力を受け、ターゲット２２の表面を衝撃し、スパッタリングが発生する。スパッタリングにより飛び出したターゲット材料粒子は、対向する電極２４上の基板３０の表面に付着して、膜生成が行われる。

この実施形態のプラズマ処理装置によれば、ドライエッチングとスパッタリングの設定切り換えは、ターゲット２２と電極２４の電位を切り換えるためにスイッチ３４，３８を切り換えることと、ガス導入口１８から真空容器１２内へ導入するガスの切り換えのみで行われ、部品交換などは一切必要が無い。したがって、切り換えを極めて短時間に行う事が可能である。さらに、この２種類の処理を連続で行う事も容易に可能であり、従来の装置では２台の装置で行うために、基板３０を必ず一旦大気中に取り出さざるを得なかった処理も、真空を保ったまま２種類の処理を実行可能である。そのため、処理時間の短縮のみならず、特に半導体製造において重要とされる高清浄な環境での各種処理が可能となる。

さらに、真空容器１２の内面１２ａは、微細な凹凸が形成された粗面になっているので、スパッタリング等の異なる処理工程によって内面１２ａに内面に付着した生成物は、強固に固着させ容易に剥離させない。この処理を内面１２ａに施さないと、前工程で発生した生成物が容易に内面から剥離、飛散し、真空容器１２内部のパーティクル汚染を引き起こすが、この実施形態の場合は、そのような汚染も発生せず、高純度の条件が要求される処理作業も可能となる。

また、この実施形態のような真空装置は、排気ポンプ、真空バルブ、圧力測定器など、使用する部品が高価であり、加工部品においても高清浄度、高精度が必要であり、全体として高価である事から、製作コストが非常に高いものである。これに対して本発明による処理装置は、１台の装置で２種類の機能を持たせることができ、従来２台必要な装置が１台で済むことにより、経済的及び作業スペース上のメリットも非常に大きい。また、アンテナ２６が真空容器１２中に突出しているので、アンテナ２６に導体材料やその他の材料が付着しても、マイクロ波の放射には影響がない。

なお、この発明の磁石は永久磁石の他、電磁石でも良く、その数や位置も、適宜設定可能なものである。また、マイクロ波の周波数、発生させるプラズマやイオンの種類も適宜選択できる。また、アンテナの形状も上記実施形態の他、直線状やＬ字状のロッドアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ等適宜選択し得る。

この発明の一実施形態のプラズマ処理装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ プラズマ処理装置
１２ 真空容器
１４ 永久磁石
１６ 上蓋
１８ ガス導入口
２０ 排気ポンプ
２２ ターゲット
２４ 電極
２６ アンテナ
２８ 基板取付部
３０ 基板
３２ 高周波電源
３４，３８ スイッチ
３６ 直流高電圧源

Claims (5)

1. 内部を真空にすることができる真空容器と、この真空容器の側方に配置され前記真空容器内に磁場を形成する磁石と、前記真空容器内で所定間隔開けて互いに対向し設けられた一対の電極とを備えたプラズマ処理装置において、
   前記真空容器の側壁に固定され前記真空容器内に突出してマイクロ波を放射し、前記真空容器を共振器としてその真空容器内で、前記磁石とともに電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるアンテナと、
   前記真空容器内の一方の電極側に接続され所定の直流電圧または高周波電圧が印加されるターゲットと、
   前記ターゲットに接続された切り換え部材を有し、一方の接点が所定の直流電圧または高周波電圧を印加するターゲット用電圧源に接続され、他方の接点が接地電位に接続され、前記ターゲット用電圧源と接地電位とを切り換える第１のスイッチと、
   前記真空容器内の他方の電極に接続された切り換え部材を有し、一方の接点が高周波電源に接続され、他方の接点が接地電位に接続され、前記高周波電源と接地電位とを切り換える第２のスイッチとを設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記アンテナの位置は、前記真空容器の前記ターゲット表面から対向する前記電極側に向かって、前記マイクロ波の管内波長の１／４の間隔の位置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. 前記磁石は、前記真空容器の一方の側方内部に設けられた永久磁石であり、この永久磁石の前記真空容器側に前記ターゲットが固定されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記真空容器は、導電性の非磁性体により形成され、前記磁石は前記真空容器の上蓋に設けられ、前記上蓋と前記真空容器側面との間は、絶縁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。
5. 前記真空容器の内面は、表面に微細な凹凸が設けられた粗面に形成されていることを特徴とする請求項１または４記載のプラズマ処理装置。
   

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