JP2007048982A - Plasma treatment device and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,ガラス基板などの被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置の制御方法に関する。特に,ガスを供給する順序を制御する方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling a plasma processing apparatus for plasma processing a target object such as a glass substrate. In particular, the present invention relates to a method for controlling the order in which gases are supplied.
従来から,処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化させて,ガラス基板等の被処理体をプラズマ処理する種々のプラズマ処理装置が開発されている。このうち,マイクロ波プラズマ処理装置は,マイクロ波のパワーによって処理ガスを電離および解離させることにより処理ガスをプラズマ化させる。このプラズマ化の過程では,通常,不活性ガス(または,単原子分子ガス)と反応性ガス(または,多原子分子ガス)との混合ガスがほぼ同時に処理容器内に供給された後,マイクロ波のパワーが投入される。 2. Description of the Related Art Conventionally, various plasma processing apparatuses have been developed for plasma processing a target object such as a glass substrate by converting a processing gas supplied into a processing container into plasma. Among these, the microwave plasma processing apparatus converts the processing gas into plasma by ionizing and dissociating the processing gas with the power of the microwave. In the plasma process, a mixed gas of an inert gas (or a monoatomic molecular gas) and a reactive gas (or a polyatomic molecular gas) is usually supplied into the processing vessel at the same time, and then microwaved. Is powered on.
しかしながら,このように混合ガスが供給されると,プラズマ着火時に電界エネルギーが不足して,プラズマが不均一に生成される場合がある。これに対して,充分なプラズマ密度を確保しながら均一なプラズマを生成するために,マイクロ波のパワーを上げることやマイクロ波の照射時間を長くすることも考えられる。 However, when the mixed gas is supplied in this way, electric field energy is insufficient at the time of plasma ignition, and plasma may be generated nonuniformly. On the other hand, in order to generate a uniform plasma while ensuring a sufficient plasma density, it is also conceivable to increase the microwave power or lengthen the microwave irradiation time.
しかし,マイクロ波のパワーを上げると,多原子分子ガスが解離しすぎて,上質な膜の成膜を阻害する結果となる。たとえば,アモルファスシリコン膜を成膜する過程では,やや弱められたマイクロ波によりSiH4ガスがプリカーサー(前駆体)としてSiH3ラジカルまで解離し,SiH2ラジカルまで過剰解離されない程度の解離が望まれるところ,マイクロ波のパワーを上げると,SiH2ラジカルまで解離が進み,SiH2ラジカルにより膜を劣化させる結果となり好ましくない。 However, when the microwave power is increased, the polyatomic molecular gas is dissociated too much, resulting in the inhibition of the formation of a high-quality film. For example, in the process of forming an amorphous silicon film, when SiH 4 gas by the microwave which is slightly weakened dissociates to SiH 3 radicals as precursor (precursor), dissociation degree not excessive dissociation to SiH 2 radicals is desired , increasing the power of the microwave, the flow proceeds dissociation until SiH 2 radicals, undesirably result in degrading the film by SiH 2 radicals.
また,マイクロ波によりガラス基板が損傷したり,製造コストが高くなるという問題が生じる。さらに,基板をプラズマ処理するために必要となるターンアラウンドタイムが無視できないほど長くなり,処理全体の効率が著しく低下するという問題も生じる。 Further, there are problems that the glass substrate is damaged by the microwave and the manufacturing cost is increased. Furthermore, the turnaround time required for plasma processing of the substrate becomes so long that it cannot be ignored, resulting in a problem that the efficiency of the entire processing is significantly reduced.
一方,不均一なプラズマがガラス基板の処理に及ぼす悪影響は,たとえば,730mm×920mm以上というように大型化したガラス基板をプラズマ処理する近年においては,300mm×300mm程度のウエハのみをプラズマ処理していた従来に比べ,格段に大きくなっている。 On the other hand, the adverse effect of non-uniform plasma on glass substrate processing is, for example, in recent years when plasma processing is performed on glass substrates that have been increased in size to 730 mm × 920 mm or more, only wafers of about 300 mm × 300 mm are plasma processed. Compared to the conventional method, it is much larger.
たとえば,成膜処理の場合,上述したようにウエハの10倍程度の面積があるガラス基板では,混合ガスをほぼ同時に供給することによりプラズマが不均一に生成されると,基板全体に渡って一様に良質な膜質を生成することが非常に困難となる。 For example, in the case of a film forming process, in the case of a glass substrate having an area about 10 times as large as that of the wafer as described above, if plasma is generated non-uniformly by supplying a mixed gas almost simultaneously, the entire substrate is reduced. It is very difficult to produce such a high quality film quality.
本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的とするところは,プラズマを均一に発生させるためにガスを供給する順序を制御するプラズマ処理装置の制御方法およびプラズマ処理装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a control method for a plasma processing apparatus and a plasma processing apparatus for controlling the order in which gases are supplied in order to generate plasma uniformly. It is to provide.
上記課題を解決するために,本発明のある観点によれば,処理容器内に入射されたマイクロ波のパワーにより処理ガスをプラズマ化させて,被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置の制御方法であって,第1のガスを上記処理容器内に供給させながら,マイクロ波のパワーを上記処理容器内に入射させ,上記マイクロ波のパワーにより上記第1のガスがプラズマ着火した後,上記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを上記処理容器内に供給させることを特徴とするプラズマ処理装置の制御方法が提供される。 In order to solve the above-described problems, according to an aspect of the present invention, there is provided a microwave plasma processing apparatus that plasma-processes an object to be processed by converting a processing gas into plasma by the power of a microwave incident into a processing container. In the control method, while supplying the first gas into the processing container, the microwave power is made incident into the processing container, and the first gas is ignited with plasma by the microwave power. There is provided a control method for a plasma processing apparatus, characterized in that a second gas that requires a larger energy to be converted into plasma than the first gas is supplied into the processing container.
第1のガスと第2のガスとの混合ガスがほぼ同時に処理容器内に供給された後,マイクロ波のパワーが投入されていた従来においては,前述したように,プラズマが不均一に生成される場合がある。これは,第1のガスがプラズマ化する過程で消費されるエネルギーと,第2のガスがプラズマ化する過程で消費されるエネルギーと,に消費量の差があることによる。特に,第2のガスには,解離や化学反応等を生じさせるだけの分子の内部エネルギーが必要であるため,プラズマ化する過程で多くのマイクロ波の電界エネルギーが必要となる。 In the prior art in which microwave power is applied after the mixed gas of the first gas and the second gas is supplied into the processing container almost simultaneously, as described above, plasma is generated nonuniformly. There is a case. This is because there is a difference in consumption between the energy consumed in the process of converting the first gas into plasma and the energy consumed in the process of converting the second gas into plasma. In particular, the second gas requires molecular internal energy sufficient to cause dissociation, chemical reaction, and the like, and thus a large amount of microwave electric field energy is required in the process of turning into plasma.
たとえば,第1のガスが単原子分子ガスであって,第2のガスが多原子分子ガスである場合について考える。この場合,単原子分子ガスがプラズマ化する過程では,電離するときのみエネルギーが必要となる。よって,単原子分子ガスをプラズマ化するためには,
電子結合エネルギーと等価の内部エネルギーを単原子分子ガスが包含していればよい。
For example, consider a case where the first gas is a monoatomic molecular gas and the second gas is a polyatomic molecular gas. In this case, in the process of converting the monoatomic molecular gas into plasma, energy is required only when ionizing. Therefore, in order to turn monoatomic molecular gas into plasma,
The monoatomic molecular gas only needs to include internal energy equivalent to the electron binding energy.
これに対して,多原子分子ガスをプラズマ化する過程では,電離や解離や振動励起という物理的現象に加え,他のガスとの化学反応という化学的現象に多くのエネルギーが必要となる。一般に,振動励起や解離に必要なエネルギーは,電離に必要なエネルギーより小さいが,多原子分子ガスをプラズマ化するためには,電子結合エネルギー以上の(たとえば,電子結合エネルギーに共有結合を分離させるための結合エネルギーを加算した値と等価の)内部エネルギーを多原子分子ガスが包含する必要がある。 On the other hand, in the process of converting a polyatomic gas into plasma, in addition to physical phenomena such as ionization, dissociation, and vibration excitation, a lot of energy is required for chemical phenomena such as chemical reactions with other gases. In general, the energy required for vibrational excitation and dissociation is smaller than the energy required for ionization, but in order to turn polyatomic molecular gas into plasma, it is more than the electronic bond energy (for example, the covalent bond is separated into the electronic bond energy). Therefore, the polyatomic molecular gas needs to include internal energy (equivalent to a value obtained by adding the binding energy).
しかし,前述したように,マイクロ波のパワーを上げると,多原子分子ガスが解離しすぎて,上質な膜の成膜を阻害する結果となる。よって,必要最小限のマイクロ波のパワーによって,単原子分子ガスと多原子分子ガスとの混合ガスをプラズマ化しようとすると,プラズマ化に大きなエネルギーを必要としない単原子分子ガスではプラズマ化が促進されるが,単原子分子ガスよりもプラズマ化に大きなエネルギーを要する多原子分子ガスでは,エネルギーが不足してプラズマ化が促進されず,その結果,プラズマが不均一に生成される。 However, as described above, when the power of the microwave is increased, the polyatomic molecular gas is too dissociated, resulting in the inhibition of the formation of a high-quality film. Therefore, if a mixed gas of a monoatomic molecular gas and a polyatomic molecular gas is turned into plasma with the minimum required microwave power, the plasma is promoted in the case of a monoatomic molecular gas that does not require a large amount of energy. However, a polyatomic molecular gas that requires more energy for plasma formation than a monoatomic molecular gas is insufficient in energy to promote plasma formation, and as a result, plasma is generated nonuniformly.
これを考慮して,本発明のプラズマ処理装置は,まず,第1のガスのみを処理容器に供給する。これにより,プラズマ生成の過程で一番多くのエネルギーを要するプラズマ着火までは,第1のガスのみが,マイクロ波の電界エネルギーにより速やかにプラズマ化される。そして,プラズマ着火後,本発明のプラズマ処理装置は,第1のガスよりプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを供給する。 Considering this, the plasma processing apparatus of the present invention first supplies only the first gas to the processing container. As a result, until the plasma ignition that requires the most energy in the plasma generation process, only the first gas is rapidly turned into plasma by the electric field energy of the microwave. And after plasma ignition, the plasma processing apparatus of this invention supplies 2nd gas which requires larger energy in order to turn into plasma rather than 1st gas.
このような状態では,第2のガスは,処理容器内に入射されるマイクロ波の電界エネルギーに加え,処理容器内の電子の運動エネルギーをもプラズマ化するためのエネルギーとして使うことができる。これにより,第2のガスは,マイクロ波の電界エネルギーや電子の運動エネルギーにより速やかにプラズマ化される。この結果,均一なプラズマを安定的に生成することができる。 In such a state, the second gas can be used as energy for converting the kinetic energy of electrons in the processing container into plasma in addition to the electric field energy of the microwave incident into the processing container. As a result, the second gas is rapidly turned into plasma by the electric field energy of the microwave and the kinetic energy of the electrons. As a result, uniform plasma can be stably generated.
このとき,上記マイクロ波のパワーを処理容器内に投入するタイミングは,上記第1のガスを供給させる時と同時であってもよく,それ以降であってもよい。また,上記処理容器内にてガスがプラズマ化したときに生じる光の波長に応じた値を検出することにより,上記第1のガスがプラズマ着火したか否かを判定してもよい。 At this time, the timing of supplying the microwave power into the processing container may be the same as the time when the first gas is supplied or may be after that. Further, it may be determined whether or not the first gas is plasma-ignited by detecting a value corresponding to a wavelength of light generated when the gas is turned into plasma in the processing container.
ガスが電離する際には,その電離で発生した電子が他の分子を励起し,電離を発生させる。これらの分子が元の状態(基底状態)に戻るとき,発光によりエネルギーが放出される。そこで,発光した光の波長に応じた値を検出し,その値がある閾値以上になったとき,プラズマ着火と判定する。なお,光の波長に応じた値としては,たとえば,処理容器内に設置されたフォトセンサにより検出される電圧が挙げられる。 When the gas is ionized, the electrons generated by the ionization excite other molecules and generate ionization. When these molecules return to their original state (ground state), energy is released by light emission. Therefore, a value corresponding to the wavelength of the emitted light is detected, and when the value exceeds a certain threshold value, it is determined that plasma ignition. In addition, as a value according to the wavelength of light, the voltage detected by the photo sensor installed in the processing container is mentioned, for example.
また,上記プラズマ着火前に上記処理容器内の電子の衝突頻度を高めたり,分子の内部エネルギーを高めるようにプロセスの条件を制御してもよい。上記プロセスの条件は,圧力,温度,マイクロ波のパワーまたは光のパワーの少なくともいずれかであってもよい。 In addition, before the plasma ignition, the process conditions may be controlled so as to increase the collision frequency of electrons in the processing container or increase the internal energy of molecules. The process conditions may be pressure, temperature, microwave power, or light power.
たとえば,プラズマ着火前に処理容器内の圧力を高くすると,高められた圧力によって電子の衝突頻度を高くすることができる。また,たとえば,プラズマ着火前に,処理容器内の温度を高くすると,電子の運動が活発になり,電子の衝突頻度を高くすることができる。 For example, if the pressure in the processing container is increased before the plasma ignition, the electron collision frequency can be increased by the increased pressure. Also, for example, if the temperature in the processing container is increased before plasma ignition, the electron movement becomes active, and the electron collision frequency can be increased.
また,たとえば,プラズマ着火前にマイクロ波のパワーを上昇させると,入射されたマイクロ波の電界エネルギーにより電子の運動が活発になり,電子の衝突頻度を高くすることができる。また,プラズマ着火前にUV光や紫外線などの波長の短い光を照射することによっても,照射された光のエネルギーにより分子の内部エネルギーが増加し,電離しやすくすることができる。 Also, for example, if the microwave power is increased before plasma ignition, the electron motion becomes active due to the electric field energy of the incident microwave, and the electron collision frequency can be increased. Also, irradiation with light having a short wavelength such as UV light or ultraviolet light before plasma ignition can increase the internal energy of the molecule due to the energy of the irradiated light and facilitate ionization.
このようにして,圧力,温度,マイクロ波のパワー,光のパワーの少なくともいずれかを制御することによりエネルギーをアシストすることによって,第1のガスのプラズマ化が促進される。この結果,プラズマ着火までの時間を短縮させることができる。この結果,マイクロ波によりガラス基板が損傷しにくく,製造コストも抑えられ,さらに,ターンアラウンドタイムも短縮されて,処理全体の効率を著しく上げることができる。 In this way, the plasma of the first gas is promoted by assisting energy by controlling at least one of pressure, temperature, microwave power, and light power. As a result, the time until plasma ignition can be shortened. As a result, the glass substrate is not easily damaged by the microwave, the manufacturing cost is reduced, and the turnaround time is shortened, so that the efficiency of the entire process can be significantly increased.
上記プラズマ処理装置は,上記マイクロ波をスロットに通して上記処理容器内に伝播させる誘電体を備え,その誘電体はマイクロ波の表面波の伝播を抑えるように設置または形成されていてもよい。 The plasma processing apparatus may include a dielectric that propagates the microwave through the slot into the processing container, and the dielectric may be installed or formed so as to suppress the propagation of the surface wave of the microwave.
具体的には,上記誘電体は,複数枚の誘電体パーツにより形成されていてもよい。また,上記誘電体パーツは,金属の支持部材により支持されていてもよい。また,上記誘電体は,上記マイクロ波の表面波が伝播する誘電体の表面に凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていてもよい。 Specifically, the dielectric may be formed of a plurality of dielectric parts. The dielectric part may be supported by a metal support member. The dielectric may have at least one of a concave portion or a convex portion formed on the surface of the dielectric through which the surface wave of the microwave propagates.
このように形成された誘電体を有するプラズマ処理装置によれば,誘電体パーツや金属の支持部材や誘電体表面の凹凸により,マイクロ波の表面波が誘電体の表面を伝播することを抑止することができる。これにより,定在波の生成を防ぐことができる。この結果,定在波によりプラズマが不均一に生成されることを回避することができる。 According to the plasma processing apparatus having a dielectric formed in this manner, the surface wave of the microwave is prevented from propagating on the surface of the dielectric due to the dielectric parts, the metal support member, and the unevenness of the dielectric surface. be able to. Thereby, the generation of a standing wave can be prevented. As a result, it is possible to avoid the generation of non-uniform plasma due to standing waves.
ただし,このように形成された誘電体を有するプラズマ処理装置によれば,表面波を伝播させないようにすることにより,表面波の持つエネルギーをロスしてしまう。このエネルギーのロスにより,ガスがプラズマ着火しにくい部分が生じやすい。しかし,本発明の制御方法によれば,第1のガスのみを先に供給してプラズマ着火させた後に,プラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを供給する。これにより,均一なプラズマが安定的に供給されるようにプラズマ処理装置を制御することができる。この結果,上述したように誘電体パーツを形成することよって,定在波の発生を抑止することによりプラズマを均一に生成するという本装置のメリットを活かしながら,上述したガスの供給方法により,さらに,プラズマを均一に生成することができ,被処理体を精度よくプラズマ処理することができる。 However, according to the plasma processing apparatus having the dielectric formed as described above, the energy of the surface wave is lost by preventing the surface wave from propagating. Due to this loss of energy, the gas tends to be difficult to ignite with plasma. However, according to the control method of the present invention, only the first gas is supplied first and the plasma is ignited, and then the second gas that requires more energy to be converted into plasma is supplied. Thereby, the plasma processing apparatus can be controlled so that uniform plasma is stably supplied. As a result, by forming the dielectric parts as described above, the above-described gas supply method further improves the advantage of the present apparatus that the plasma is generated uniformly by suppressing the generation of standing waves. , Plasma can be generated uniformly, and the object to be processed can be processed with high accuracy.
また,本発明の他の観点によれば,処理容器内に入射されたマイクロ波のパワーによって処理ガスをプラズマ化させて,被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって,マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と,第1のガスを供給する第1のガス供給手段と,上記発生されたマイクロ波のパワーにより上記供給された第1のガスがプラズマ着火した後,上記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを供給する第2のガス供給手段と;を備えることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a plasma processing apparatus for generating a microwave by plasma-treating an object to be processed by converting the processing gas into plasma by the power of the microwave incident into the processing container. The first gas supply means, the first gas supply means for supplying the first gas, and the first gas supplied by the generated microwave power, after the plasma ignition, the first gas There is provided a plasma processing apparatus comprising: a second gas supply unit that supplies a second gas that requires a larger amount of energy to be converted into plasma.
これによれば,プラズマを均一に発生させるために定められたガス供給シーケンスに基づいて,プラズマ処理装置が処理容器内にガスを順序よく供給することにより,均一なプラズマを安定的に生成することができる。 According to this, based on the gas supply sequence determined in order to generate plasma uniformly, the plasma processing apparatus supplies gas in order into the processing container, so that uniform plasma can be stably generated. it can.
さらに,本発明の他の観点によれば,処理容器内に入射されたマイクロ波のパワーにより処理ガスをプラズマ化させて,被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置を制御する制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって,上記処理容器内に第1のガスを供給させながら,上記マイクロ波のパワーを処理容器内に入射させる処理と,上記マイクロ波のパワーにより上記第1のガスがプラズマ着火した後,上記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを上記処理容器内に供給させる処理と,をコンピュータに実行させる制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。 Furthermore, according to another aspect of the present invention, a control program for controlling a plasma processing apparatus for plasma processing a target object by storing a processing gas into plasma by the power of the microwave incident into the processing container is stored. A computer-readable recording medium, wherein the first gas is supplied into the processing container while the first gas is supplied into the processing container, and the first gas is generated by the microwave power. A computer storing a control program for causing a computer to execute a process of supplying a second gas, which requires a larger energy than that of the first gas, into the processing container after the plasma is ignited by plasma. A readable recording medium is provided.
これによれば,プラズマを均一に発生させるためにガスを供給する順序を示した制御プログラムをコンピュータに実行させることにより,均一なプラズマを安定的に生成させることができる。 According to this, it is possible to stably generate uniform plasma by causing a computer to execute a control program indicating the order in which gases are supplied in order to generate plasma uniformly.
以上説明したように,本発明によれば,プラズマを均一に発生させるためにガスを供給する順序を制御するプラズマ処理装置の制御方法およびプラズマ処理装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for controlling a plasma processing apparatus and a plasma processing apparatus for controlling the order of supplying gases in order to generate plasma uniformly.
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
また,本明細書中1mTorrは(10−3×101325/760)Pa,1sccmは(10−6/60)m3/secとする。 In this specification, 1 mTorr is (10 −3 × 101325/760) Pa, and 1 sccm is (10 −6 / 60) m 3 / sec.
(第1実施形態)
(マイクロ波プラズマ処理装置の構成)
まず,本発明の第1実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置について,図1を参照しながら説明する。図1は,マイクロ波プラズマ処理装置100をx軸方向およびz軸方向に平行な面で切断した縦断面図である。マイクロ波プラズマ処理装置100は,プラズマ処理装置の一例である。本実施形態では,マイクロ波プラズマ処理装置100により実行される処理プロセスとして,Arガス,SiH4ガス,NH3ガスからシリコン窒化膜を生成するプロセスを挙げて説明する。
(First embodiment)
(Configuration of microwave plasma processing equipment)
First, a microwave plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the microwave
マイクロ波プラズマ処理装置100は,処理容器10と蓋体20とからなる筐体を有している。処理容器10は,上部が開口した有底直方体形状を有していて,接地されている。処理容器10は,たとえば,アルミニウム(Al)などの金属から形成されている。
The microwave
処理容器10の内部には,略中央にて,基板Wなどの被処理体を載置する載置台であるサセプタ11が設けられている。サセプタ11は,たとえば,窒化アルミニウムから形成されている。
A
サセプタ11の内部には,給電部11aおよびヒータ11bが設けられている。給電部11aには,整合器12a(たとえば,コンデンサ)を介して高周波電源12bが接続されている。また,給電部11aには,コイル13aを介して高圧直流電源13bが接続されている。整合器12a,高周波電源12b,コイル13aおよび高圧直流電源13bは,処理容器10の外部に設けられていて,高周波電源12bおよび高圧直流電源13bは,接地されている。
Inside the
給電部11aは,高周波電源12bから出力された高周波電力により処理容器10の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また,給電部11aは,高圧直流電源13bから出力された直流電流により基板Wを静電吸着するようになっている。
The
ヒータ11bには,処理容器10の外部に設けられた交流電源14が接続されていて,交流電源14から出力された交流電流により基板Wを所定の温度に保持するようになっている。
An
処理容器10の底面は筒状に開口され,開口された外周近傍にてベローズ15の一端が処理容器10の外部壁面に向かって装着されている。ベローズ15の他端には,昇降プレート16が固着されている。このようにして,処理容器10底面の開口部分は,ベローズ15および昇降プレート16により密閉されている。
The bottom surface of the
また,サセプタ11は,昇降プレート16上に配置された筒体17に支持されていて,昇降プレート16よび筒体17と一体となって昇降する。これにより,サセプタ11は,処理プロセスに応じた高さに調整されるようになっている。
The
サセプタ11の周囲には,処理容器10内のガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板18が設けられている。処理容器10内は,バッフル板18により,基板Wが載置されている処理室10uと,処理容器10内下部に設けられた排気機構19と連通する排気室10uと,に仕切られている。
Around the
処理容器10には,排気機構19として,ドライポンプ19a,APC(自動圧力調整器:Automatic Pressure Control)19b,および,TMP(ターボモレキュラポンプ:Turbo
Molecular Pump)19cが設けられている。ドライポンプ19aは,処理容器10内が所定の減圧状態になるまで,排気口10aからガスを排気する。
The
Molecular Pump) 19c is provided. The
APC19bには,排気口10bとTMP19cとの連通状態を制御する弁体が設けられている。APC19bは,処理室10u内の圧力P1の変化に応じて,APC19bの弁体を排気口10bの断面に略平行な方向にスライドさせて,排気口10bとTMP19cとの連通部分を所望の開度にするようになっている。これにより,TMP19cは,APC19bの弁体の開度に比例した流量のガスを排気して,処理容器10内の雰囲気を所定の真空度まで減圧するようになっている。
The
蓋体20は,処理容器10の上方を密閉するように配設されている。蓋体20は,処理容器10と同様に,たとえば,アルミニウム(Al)などの金属から形成されている。蓋体20には,蓋本体21,導波管22a〜導波管22f,スロットアンテナ23a〜スロットアンテナ23f,誘電体24a〜誘電体24f,および,支持部材25が設けられている。
The
処理容器10と蓋体20とは,蓋本体21の下面外周部と処理容器10の上面外周部との間に配置されたOリング26により,気密性が保持されるように固定されている。また,蓋本体21の下面には,導波管22a〜導波管22fが形成されている。
The
基板Wに対向する処理容器10の天井部の内壁面を図示した図2に示されるように,導波管22a〜導波管22fは,y軸方向に互いに平行に並列して配設されている。導波管22aおよび導波管22bには,その端部にて平面視でV字状の分岐導波管27aが接続されている。同様に,導波管22cおよび導波管22d,導波管22eおよび導波管22fには,その端部にて平面視でV字状の分岐導波管27b,分岐導波管27cがそれぞれ接続されている。各分岐導波管27にはマイクロ波発生器28が接続されている。なお,マイクロ波発生器28は,マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段に相当する。
As shown in FIG. 2 illustrating the inner wall surface of the ceiling portion of the
各導波管22および各分岐導波管27は,それぞれの軸方向に垂直な断面の形状が矩形状である矩形導波管により形成されている。たとえば,TE10モード(TE波:transverse electric wave;磁界がマイクロ波の進行方向成分を持つ波)の場合,各導波管22の軸方向に垂直な断面の長辺方向の管壁は磁界に平行なH面となり,短辺方向の管壁は電界に平行なE面となる。各導波管の長辺方向と短辺方向とをどのように配置するかは,モード(導波管内の電磁界分布)によって変化する。なお,各導波管22および各分岐導波管27の内部は,たとえば,アルミナ(酸化アルミニウム:Al2O3),石英,フッ素樹脂などによって充填されている。
Each of the
図1に示したように,スロットアンテナ23a〜スロットアンテナ23fは,導波管22a〜導波管22fの下部にそれぞれ設けられている。また,各スロットアンテナ23には,複数のスロットが透孔として設けられていて,たとえば,図2に示したように,スロットアンテナ23aには,6つのスロット(スロット23a1〜スロット23a6)が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
各スロットアンテナ23のスロットは,平面視で長孔に形成され,その長手方向と導波管22の長手方向とが略垂直になるように設けられている。また,各スロットは,たとえば,λg/2(λg:導波管内波長)の等間隔に配置されている。このようにして,36個(=6×6)のスロットが,処理容器10の天井部の内壁面全体に均一に点在して配置される。
The slot of each
スロットアンテナ23の下面には,略正方形の平板状をなす36枚の誘電体24がスロット毎に配設されている。たとえば,スロットアンテナ23aに設けられたスロット23a1〜スロット23a6の下部には,タイル状誘電体24a1〜誘電体24a6がそれぞれ設けられている。各誘電体24は,マイクロ波を透過するように,たとえば,石英ガラス,窒化アルミニウム(AlN),アルミナ(酸化アルミニウム:Al2O3),サファイア,SiN,セラミックスなどから形成されている。なお,タイル状誘電体は誘電体パーツに相当する。
On the lower surface of the
各誘電体24を支持する支持部材25は,所定間隔毎に縦および横にそれぞれ設けられた7本の細長い支持体25a1〜支持体25a7および支持体25b1〜支持体25b7を略垂直に交差させることにより格子状に形成されている。支持部材25は,アルミニウムなどの金属からなる導体であり,図1に示したスロットアンテナ23,蓋本体21および処理容器10を介して接地されている。
The
支持部材25は,この支持部材25に設けられた略方形状の開口に,各誘電体24をそれぞれはめ込むようにして各誘電体24を支持している。このようにして,36枚の誘電体24は,その上面周縁部をスロットアンテナ23の下面に密着させた状態であって,支持部材25に設けられた略方形状の開口により,各誘電体24の下壁面の大部分を基板Wに向かって露出させた状態にて,処理容器10の天井部の内壁面全面にタイル状に配置されるようになっている。
The
各支持部材25の内部には,図1に示した複数のガス導入管29が貫通していて,各支持体25aおよび各支持体25bの交差部分にて多数のガス噴射口30(図2参照)が設けられている。
A plurality of
処理ガス供給源31は,バルブ31a1,マスフローコントローラ31a2,バルブ31a3,Arガス供給源31a4,バルブ31b1,マスフローコントローラ31b2,バルブ31b3,SiH4ガス供給源31b4,バルブ31b5,マスフローコントローラ31b6,バルブ31b7およびNH3ガス供給源31b8から構成されている。
The processing
処理ガス供給源31は,各バルブの開閉を制御することにより,各処理ガスを選択的に処理容器10内に供給するようになっている。また,各マスフローコントローラは,それぞれが供給する処理ガスの流量を制御することにより処理ガスを所望の濃度に調整するようになっている。なお,Arガス供給源31a4は,第1のガス(Arガス)を供給する第1のガス供給手段に相当する。SiH4ガス供給源31b4およびNH3ガス供給源31b8は,第2のガス(SiH4ガス,NH3ガス)を供給する第2のガス供給手段に相当する。
The processing
Arガス供給源31a4から供給されるArガスは,ガス流路32aに接続されたガス導入管29を介してガス噴射口30から処理容器内に噴射される。また,SiH4ガス供給源31b4から供給されるSiH4ガスおよびNH3ガス供給源31b8から供給されるNH3ガスは,ガス流路32bに接続されたガス導入管29を介してガス噴射口30から噴射される。
Ar gas supplied from the Ar gas supply source 31a4 is injected from the
マイクロ波プラズマ処理装置100の外部には,冷却水供給源33が配設されている。冷却水供給源33は,蓋本体21の内部および処理容器10の側壁内部に設けられた水路34に冷却水を循環供給することにより,蓋本体21の内部および処理容器10の側壁内部を冷却するようになっている。
A cooling
このような構成により,マイクロ波プラズマ処理装置100は,マイクロ波発生器28から出力された,たとえば,2,45GHzのマイクロ波を,複数の導波管22を介してスロットアンテナ23に伝播させ,多数のスロットから複数枚の誘電体24に伝播させ,この誘電体24を透過して処理容器10内に放射させる。処理ガス(Arガス,SiH4ガス,NH3ガス)は,このようにして放射されたマイクロ波の電界エネルギーによりプラズマ化する。この結果,基板W上にシリコン窒化膜が生成される。
With such a configuration, the microwave
(制御装置の構成および動作)
つぎに,制御装置の構成および動作について説明する。図3に示したように,マイクロ波プラズマ処理装置100の外部には,マイクロ波発生器28,処理ガス供給源31および冷却水供給源33の他に,制御装置40およびUV光発生源41が設けられている。制御装置40は,マイクロ波プラズマ処理装置100を制御する。UV光発生源41は,発生させたUV光をマイクロ波プラズマ処理装置100に照射する。また,マイクロ波プラズマ処理装置100には,圧力センサ42(バラトロンやコンベクトロンなどの真空ゲージ),圧力センサ43(バラトロンやコンベクトロンなどの真空ゲージ),温度センサ44およびフォトセンサ45が取り付けられている。
(Configuration and operation of control device)
Next, the configuration and operation of the control device will be described. As shown in FIG. 3, in addition to the
圧力センサ42は,サセプタ11の上部に位置する処理室10uの圧力P1を所定時間毎に検出するようになっている。圧力センサ43は,サセプタ11の下部に位置する排気室10dの圧力P2を所定時間毎に検出するようになっている。温度センサ44は,処理容器10の側壁内部の温度Tを所定時間毎に検出するようになっている。
The
フォトセンサ45は,ガスが電離や解離するときに発光する光の波長を電圧Fとして所定時間毎に検出するようになっている。フォトセンサ45は,処理容器内にて生じた光の波長に応じた値を検出する光検出器の一例である。光検出器の他の例としては,CCD,分光器などが挙げられる。
The
制御装置40は,たとえば,ROM40a,RAM40b,インターフェース40cおよびCPU40dを備えたマイクロコンピュータにより実現される。ROM40aには,ガスを供給するタイミングおよび各プロセス条件を設定するタイミング等を制御するための制御プログラムが記憶されている。RAM40bには,プロセスの条件を予め定めた各種パラメータが記憶されている。
The
インターフェース40cは,各種センサにより検出されたセンサ値P1,P2,T,Fを入力する。CPU40dは,インターフェース40cに入力された各センサ値およびRAM40bに記憶された各種パラメータに基づいて,ROM40aに記憶された制御プログラムを実行することにより,所定のタイミングに,交流電源14,APC19b,マイクロ波発生器28,処理ガス供給源31,冷却水供給源33およびUV光発生源41に制御信号をそれぞれ出力するようになっている。
The
つぎに,制御装置40の動作について,図4および図5を参照しながら説明する。図4は,制御装置40が,ガスを供給するシーケンスを制御するために実行するガス供給処理ルーチン(制御プログラム)を示したフローチャートである。図5は,各パラメータを制御するタイミングを示したタイムチャートである。
Next, the operation of the
制御装置40は,図4のステップ400から処理を開始し,ステップ405にて制御信号を処理ガス供給源31に出力する(図3参照)。処理ガス供給源31は,この制御信号を入力すると,たとえば,1000sccmのArガスを処理容器10内に供給する(図5の時刻t0)。
The
つぎに,制御装置40は,ステップ410にて圧力センサ42により検出された圧力値P1を入力し,ステップ415にて入力された圧力値P1と予め定められた理想圧力値(たとえば,250mTorr)との差分値を示した制御信号をAPC19bに出力する。APC19bは,この制御信号を入力すると,処理容器10内の圧力を250mTorrに上げるようにその弁体の開度を小さくして,TMP19cから排気されるガスの流量を減少させる(図5の時刻t1)。
Next, the
つぎに,制御装置40は,ステップ420にて制御信号をマイクロ波発生器28に出力する。マイクロ波発生器28は,この制御信号を入力すると,電源を「ON」し,2.5kW×6(6は導波管数)のマイクロ波を投入する(図5の時刻t2)。
Next, the
つぎに,制御装置40は,ステップ425にてフォトセンサ45により検出された電圧Fを入力し,ステップ430に進んですべての誘電体パーツ下部にてプラズマが着火したか否かを判定する。検出された電圧Fが所与の閾値に達していない場合,制御装置40は,ステップ435に進んでタイムオーバになったかどうかを判定し,タイムオーバでない場合にはステップ425に戻り,所定時間内にすべての誘電体パーツ下部にてプラズマ着火するまでステップ425〜ステップ435の処理を繰り返す。
Next, the
すべての誘電体パーツ下部にてプラズマ着火すると,制御装置40は,ステップ430に続くステップ440に進んで,制御信号を処理ガス供給源31に出力する。ガス供給源31は,この制御信号を入力すると,たとえば,200sccmのSiH4ガスと800sccmのNH3ガスとを処理容器10内に供給し(図5の時刻t3),この結果,シリコン窒化膜が生成される。なお,時刻t0〜時刻t3は,10sec以内であればよい。ただし,マイクロ波による基板のダメージやターンアラウンドタイムを考慮すると5sec以内が好ましい。
When the plasma is ignited below all the dielectric parts, the
その後,制御装置40は,ステップ445にて,処理ガスの供給を停止するための制御信号と圧力制御を停止するための制御信号とマイクロ波の電源を「OFF」にするための制御信号とを各装置にそれぞれ出力し(図5の時刻t4),ステップ495に進んで本ルーチンの処理を終了する。
Thereafter, in step 445, the
これによれば,上記処理手順に基づいて制御装置40がマイクロ波プラズマ処理装置100を制御することにより,均一なプラズマを安定的に生成させることができる。ここで,なぜ,この処理手順に基づいて制御装置40がマイクロ波プラズマ処理装置100を制御することにより,均一なプラズマを安定的に生成させることができるのかについて具体的に説明する。
According to this, the
Arガスなどの単原子分子ガスは,マイクロ波の電界エネルギーにより電離するが解離はしない。換言すれば,単原子分子ガスをプラズマ化する過程において,マイクロ波の電界エネルギーは,単原子分子ガスが電離するときにのみ消費される。これにより,処理容器内に供給される単原子分子ガスは,マイクロ波の電界エネルギーを逐次消費しながら次々に電離し,この結果,逐次供給されるArガスから均一なプラズマを安定的に発生させることができる。 A monoatomic molecular gas such as Ar gas is ionized by the electric field energy of microwaves but is not dissociated. In other words, in the process of converting the monoatomic molecular gas into plasma, the electric field energy of the microwave is consumed only when the monoatomic molecular gas is ionized. As a result, the monoatomic molecular gas supplied into the processing vessel is ionized one after another while sequentially consuming the microwave electric field energy, and as a result, uniform plasma is stably generated from the sequentially supplied Ar gas. be able to.
一方,SiH4ガスやNH3ガスなどの多原子分子ガスをプラズマ化する過程では,電離や解離という物理的現象に加え,他のガスとの化学反応という化学的現象に多くのエネルギーが必要となる。一般に,振動励起や解離に必要なエネルギーは,電離に必要なエネルギーより小さいが,多原子分子ガスをプラズマ化するためには,電子結合エネルギー以上の(たとえば,電離に必要な電子結合エネルギーに化学結合のボンド間を切断するための結合エネルギーを加算した値と等価の)内部エネルギーを多原子分子ガスが包含する必要がある。 On the other hand, in the process of converting polyatomic gas such as SiH 4 gas and NH 3 gas into plasma, in addition to the physical phenomenon of ionization and dissociation, much energy is required for the chemical phenomenon of chemical reaction with other gases. Become. In general, the energy required for vibrational excitation and dissociation is smaller than the energy required for ionization. However, in order to convert polyatomic gas into a plasma, the energy is higher than the electron binding energy (for example, the chemical energy for the electron binding energy required for ionization). The polyatomic gas must contain internal energy (equivalent to the sum of bond energies for breaking bonds between bonds).
しかし,前述したように,マイクロ波のパワーを上げると,多原子分子ガスが解離しすぎて,上質な膜の成膜を阻害する結果となる。よって,必要最小限のマイクロ波のパワーによって,単原子分子ガスと多原子分子ガスとの混合ガスをプラズマ化しようとすると,プラズマ化に大きなエネルギーを必要としない単原子分子ガスではプラズマ化が促進されるが,単原子分子ガスよりもプラズマ化に大きなエネルギーを要する多原子分子ガスでは,エネルギー不足により解離(電離)する部分としない部分とが生じ,プラズマが全体として不均一に生成されてしまう。 However, as described above, when the power of the microwave is increased, the polyatomic molecular gas is too dissociated, resulting in the inhibition of the formation of a high-quality film. Therefore, if a mixed gas of a monoatomic molecular gas and a polyatomic molecular gas is turned into plasma with the minimum required microwave power, the plasma is promoted in the case of a monoatomic molecular gas that does not require a large amount of energy. However, in a polyatomic molecular gas that requires more energy for plasma than a monoatomic molecular gas, there are parts that dissociate (ionize) and parts that do not dissociate due to insufficient energy, and the plasma is generated unevenly as a whole. .
以上から,単原子分子ガスのみの状況下では,単原子分子ガスと多原子分子ガスが混在する状況下よりガスをプラズマ化させやすい,つまり,単原子分子ガスのみの状況下では,混合ガス下よりもプラズマが広がりやすくなることがわかる。 From the above, it is easier to turn the gas into a plasma under the situation where only the monoatomic molecular gas and the polyatomic molecular gas are mixed, that is, under the situation where only the monoatomic molecular gas exists, It can be seen that the plasma spreads more easily.
一方,ガスをプラズマ化する過程では,プラズマ着火時に一番,エネルギーが必要となる。よって,一度,単原子分子ガスをプラズマ着火させて,プラズマが処理容器内に広がってしまえば,プラズマを維持するために必要なエネルギーは少なくて済む。したがって,プラズマ着火後に多原子分子ガスを処理容器内に導入すれば,多原子分子ガスをスムーズにプラズマ化して,均一なプラズマ状態を維持することができる。 On the other hand, in the process of turning a gas into plasma, energy is required most at the time of plasma ignition. Therefore, once the plasma of the monoatomic molecular gas is ignited and the plasma spreads in the processing container, less energy is required to maintain the plasma. Therefore, if the polyatomic molecular gas is introduced into the processing container after the plasma ignition, the polyatomic molecular gas can be smoothly turned into plasma and a uniform plasma state can be maintained.
そこで,本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置100は,まず,Arガスを供給し,マイクロ波のパワーによりArガスをプラズマ着火した後,SiH4ガスおよびNH3ガスを供給することにより,Arガスをプラズマ着火させるために必要最小限のマイクロ波のパワーで,その後に導入されたSiH4ガスおよびNH3ガスを安定的にプラズマ化する。
Therefore, the microwave
このようなガス供給方法は,上述した複数枚の誘電体パーツを有するマイクロ波プラズマ処理装置100に特に有効である。その理由について,図6に示したマイクロ波プラズマ処理装置(SWP:Surface Wave Plasma)および本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置100(CMEP:Cellular Microwave Excitation Plasma)の誘電体近傍のプラズマ状態を比較しながら説明する。なお,SWPは,表面波の伝搬を抑制させないマイクロ波プラズマ処理装置の一例であり,CMEPは,表面波の伝播を抑制するマイクロ波プラズマ処理装置の一例である。また,説明の便宜上,SWPの誘電体下方全体にて生成されるプラズマをプラズマPとし,CMEPの各梁に囲まれた各誘電体パーツ24a1,24b1,24c1,24d1の下方にて生成されるプラズマを,それぞれ,プラズマP1,P2,P3,P4とする。
Such a gas supply method is particularly effective for the microwave
まず,SWPのプラズマ状態について説明する。ガスがSWPに供給され,マイクロ波の電界エネルギーがある閾値を超えると,ガスは電離しプラズマ着火する。そうすると,SWPでは,誘電体下壁面を伝搬する表面波によりプラズマが誘電体の下面全体に広がっていき,均一なプラズマPが発生される。この結果,SWPでは,混合ガスが供給された場合,および,Arガスのみが供給された場合のいずれでもほぼ同じように,プラズマPは安定した状態で発生する。しかし,SWPでは,誘電体下面にて表面波が伝播し,その進行波と処理容器の端部で反射した反射波との干渉によって定在波が生じる。このようにして誘電体とプラズマと間で生じた定在波の振幅は,この反射波と進行波との干渉により大きくなる。このため,定在波の腹と節で電界エネルギーにバラツキが生じ,この電界エネルギー密度の違いによってプラズマPは不均一な状態になる。また,このようにして生じた定在波により電界エネルギー密度の高い部分が処理容器内を遷移することによってプラズマPが不安定になり,圧力依存によりプラズマPの集中やモードジャンプが発生する。 First, the plasma state of SWP will be described. When gas is supplied to the SWP and the electric field energy of the microwave exceeds a certain threshold, the gas is ionized and plasma ignition occurs. Then, in SWP, the plasma spreads over the entire lower surface of the dielectric due to the surface wave propagating on the lower wall surface of the dielectric, and uniform plasma P is generated. As a result, in the SWP, the plasma P is generated in a stable state in almost the same manner when the mixed gas is supplied or when only the Ar gas is supplied. However, in SWP, a surface wave propagates on the lower surface of the dielectric, and a standing wave is generated by interference between the traveling wave and the reflected wave reflected at the end of the processing container. Thus, the amplitude of the standing wave generated between the dielectric and the plasma is increased by the interference between the reflected wave and the traveling wave. For this reason, the electric field energy varies between the antinodes and nodes of the standing wave, and the plasma P becomes non-uniform due to the difference in electric field energy density. In addition, the standing wave generated in this manner causes a portion having a high electric field energy density to move in the processing vessel, thereby causing the plasma P to become unstable, and the concentration of the plasma P and mode jumping occur due to pressure dependence.
一方,CMEPでは,複数枚の誘電体パーツにより誘電体が形成されているため,スロットから出て,電界エネルギーにより生じた表面波は,各誘電体パーツ間を支持している金属の梁(支持部材)まで伝播した後,その梁で反射する。この反射波と進行波との干渉により生じた定在波は,あくまで梁で囲まれた中でのみ伝播する。ここで,誘電体パーツの長手方向の長さは188mm程度であるのに対し,真空中のマイクロ波の波長は120mmである。よって,誘電体パーツ下面に発生する各定在波は,1.5波長程度である。このため,CMEPでは,SWPに比べて反射波と進行波との干渉の程度が小さくなり,その上,表面波が梁を反射するときそのエネルギーに損失が生じるため,発生する定在波の振幅は,SWPに比べて小さくなる。したがって,CMEPの場合は,SWPの場合に比べ,定在波が生じても電界エネルギーのバラツキが少なく,プラズマは安定した状態を維持することができる。 On the other hand, in CMEP, since the dielectric is formed by a plurality of dielectric parts, the surface wave generated by the electric field energy coming out of the slot is supported by a metal beam (support) between the dielectric parts. After propagating to the member, it is reflected by the beam. The standing wave generated by the interference between the reflected wave and the traveling wave propagates only within the beam. Here, the length of the dielectric part in the longitudinal direction is about 188 mm, whereas the wavelength of the microwave in vacuum is 120 mm. Therefore, each standing wave generated on the lower surface of the dielectric part is about 1.5 wavelengths. For this reason, in CMEP, the degree of interference between the reflected wave and the traveling wave is smaller than that of SWP, and furthermore, when the surface wave reflects off the beam, a loss occurs in the energy. Is smaller than SWP. Therefore, in the case of CMEP, as compared with the case of SWP, even when a standing wave is generated, there is less variation in electric field energy, and the plasma can be maintained in a stable state.
しかし,プラズマ着火点は,CMEPでは各梁にて囲まれた誘電体パーツ毎に各々存在し,それぞれの着火点の閾値が異なる。すなわち,CMEPでは,閾値のレベルの差により着火する箇所と着火しない箇所が存在する。この着火点の閾値のレベルの差は,たとえば,各誘電体パーツのスロットからそれぞれ入射されるマイクロ波のエネルギーの強さの微妙な差や,混合ガスの混合量および混合比などによって生じると考えられる。したがって,CMEPでの「プラズマ着火」とは,すべての着火点にてプラズマが着火した状態をいう。特に,Arガスのみが導入された場合に比べ,混合ガスが導入された場合には,前述したように,各ガスの電離,解離,振動励起および化学反応に分子間の共有結合の切断などの内部エネルギーが必要となるため,消費される電界エネルギーは非常に大きくなる。しかし,良質な膜を生成するためには,必要最小限のマイクロ波のパワーを入射する必要があり,このような弱いエネルギーにおいては,各梁で仕切られた各部分の着火点の閾値のレベルの差がプラズマ着火に微妙な影響を与え,その結果,プラズマが着火する箇所と(プラズマP2,P4:図6の混合ガス供給時参照)と着火しない箇所(プラズマP1,P3)が生じる。 However, the plasma ignition point exists in each dielectric part surrounded by each beam in CMEP, and the threshold value of each ignition point is different. That is, in CMEP, there are a portion that ignites and a portion that does not ignite due to a difference in threshold level. This difference in the threshold level of the ignition point may be caused by, for example, a subtle difference in the intensity of microwave energy incident from the slots of each dielectric part, the mixing amount and mixing ratio of the mixed gas, etc. . Therefore, “plasma ignition” in CMEP means a state in which plasma is ignited at all ignition points. In particular, when mixed gas is introduced as compared with the case where only Ar gas is introduced, as described above, ionization, dissociation, vibration excitation, and chemical reactions such as breaking of covalent bonds between molecules are performed. Since internal energy is required, the electric field energy consumed is very large. However, in order to produce a good quality film, it is necessary to inject the minimum necessary microwave power. With such weak energy, the threshold level of the ignition point of each part partitioned by each beam is low. The difference has a subtle effect on the plasma ignition. As a result, there are places where the plasma is ignited (plasma P2, P4: see the mixed gas supply in FIG. 6) and places where the plasma is not ignited (plasma P1, P3).
そこで,上述したガス着火シーケンスにしたがって,まず,Arガスのみを先にCMEPに供給すると,電界エネルギーがArガスのプラズマ化のみに消費されるので,弱い電界エネルギーであってもすべての誘電体パーツでプラズマ着火し,プラズマP1〜P4が発生する(図6のArガス供給時参照)。前述したとおり,CMEPでは,一旦,各誘電体パーツ下面にプラズマP1〜P4が発生すれば,プラズマP1〜P4を安定した状態に保持することができる。 Therefore, according to the gas ignition sequence described above, when only Ar gas is first supplied to CMEP, the electric field energy is consumed only for the Ar gas plasma, so all dielectric parts are used even if the electric field energy is weak. The plasma is ignited to generate plasmas P1 to P4 (see Ar gas supply in FIG. 6). As described above, in the CMEP, once the plasmas P1 to P4 are generated on the lower surface of each dielectric part, the plasmas P1 to P4 can be held in a stable state.
以上に説明した本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置100の特徴を踏まえ,発明者は,制御装置40を用いてガスを供給する順序を,Arガス供給→マイクロ波投入→SiH4ガス,NH3ガス供給の順序に制御し,そのときのマイクロ波プラズマ処理装置100にて発生するプラズマの状態を観察した。その実験結果を図7に示す。
Based on the characteristics of the microwave
(実験結果)
図7(a)には,従来の方法にて混合ガスをマイクロ波プラズマ処理装置100に供給した場合のプラズマ観察結果が示されている。また,図7(b)には,上記シーケンスに基づいてガスをマイクロ波プラズマ処理装置100に供給した場合のプラズマ観察結果が示されている。
(Experimental result)
FIG. 7A shows the plasma observation result when the mixed gas is supplied to the microwave
発明者は,各表に示されるように,縦の列に示した4種類の圧力(226mT,400mT,600mT,800mT),および,横の行に示した4種類のマイクロ波のパワー(4.3kW,3.4kW,2.3kW,1.7kW)の各場合について,詳細に実験を行った。各表に示した各場合に対応する4つのマスのうち,左上のマス(A)は,Arガスを供給した後のプラズマの均一/不均一状態を示す。右上のマス(B)は,Arガス,SiH4ガスおよびNH3ガスの混合ガスを供給したとき(シリコン窒化膜生成プロセス)のプラズマの均一/不均一状態を示す。左下のマス(C)は,Arガス,SiH4ガスおよびH2ガスを供給したとき(アモルファスシリコン生成プロセス)のプラズマの均一/不均一状態を示す。 As shown in each table, the inventor has four kinds of pressures (226 mT, 400 mT, 600 mT, 800 mT) shown in the vertical column and four kinds of microwave powers (4. 3 kW, 3.4 kW, 2.3 kW, and 1.7 kW) were tested in detail. Of the four cells corresponding to each case shown in each table, the upper left cell (A) indicates the uniform / non-uniform state of the plasma after the Ar gas is supplied. The upper right cell (B) shows a uniform / non-uniform state of plasma when a mixed gas of Ar gas, SiH 4 gas and NH 3 gas is supplied (silicon nitride film generation process). The lower left cell (C) shows the uniform / non-uniform state of plasma when Ar gas, SiH 4 gas and H 2 gas are supplied (amorphous silicon production process).
これによれば,(A)の条件で生成されたプラズマは,ほぼすべての条件で長手方向に均一な状態であった。しかし,(B)の場合に生成されたプラズマは,ほとんどすべての条件で長手方向に不均一な状態であった。なお,この場合,アモルファスシリコン生成プロセスについての評価は実施していない。 According to this, the plasma generated under the condition (A) was uniform in the longitudinal direction under almost all conditions. However, the plasma generated in the case of (B) was non-uniform in the longitudinal direction under almost all conditions. In this case, the amorphous silicon generation process is not evaluated.
ところが,発明者が見いだした上記シーケンス(Arガス(単原子分子ガス)を600mTorrで着火→Arガスをプラズマ化する過程で調圧→実ガス(多原子分子ガス)を導入)に基づいてマイクロ波プラズマ処理装置100を制御したところ(図7(b)の場合),(A),(B),(C)の条件で生成されたプラズマは,圧力が高く,マイクロ波のパワーが小さい条件を除いて,ほぼすべての条件で長手方向に均一な状態であった。この結果,発明者は,複数枚の誘電体パーツを備えたマイクロ波プラズマ処理装置100において,発明者が見いだしたシーケンスによる制御が均一なプラズマを安定的に発生させるために非常に有効な手段であることを確認することができた。
However, based on the above-described sequence found by the inventor (ignition of Ar gas (monoatomic molecular gas) at 600 mTorr → pressure adjustment in the process of turning Ar gas into plasma → introducing real gas (polyatomic molecular gas)). When the
このようにして,発明者により新しい着想がなされ,さらに,日々の努力によって着想が具現化された結果,均一かつ安定的に発生されたプラズマは,近年,ディスプレイの大型化に伴い,非常に大型化しているガラス基板をプラズマ処理する場合に特に有益であり,その成果は従来に比べ格段に大きい。このようにして一定の成果を収めた発明者は,プラズマ着火を促進するための更なる改良を見いだした。その改良点について,以下の第2実施形態に説明する。 In this way, a new idea has been made by the inventor, and the idea has been realized through daily efforts. As a result, the plasma generated uniformly and stably has become very large in recent years as the display size has increased. This is especially beneficial when plasma-treating a glass substrate that has been transformed, and the results are much greater than before. The inventors who have achieved a certain result in this way have found a further improvement for promoting plasma ignition. The improvement will be described in the second embodiment below.
(第2実施形態)
第2実施形態にかかる制御装置40は,処理容器内の電子の衝突頻度や分子がその内部に蓄える内部エネルギーを高めるようにプロセスの条件を制御する点で,そのような制御をしない第1実施形態にかかる制御装置40と動作上異なる。したがって,この相異点を中心に本実施形態の制御装置40の動作について,図8および図9を参照しながら説明する。なお,制御装置40により制御されるマイクロ波プラズマ処理装置100の構成は同じである。
(Second Embodiment)
The
(制御装置の動作)
図8は,本実施形態にかかるガス供給処理ルーチン(制御プログラム)を示したフローチャートである。図9は,各パラメータを制御するタイミングを示したタイムチャートである。
(Operation of control device)
FIG. 8 is a flowchart showing a gas supply processing routine (control program) according to the present embodiment. FIG. 9 is a time chart showing the timing for controlling each parameter.
制御装置40は,図8のステップ800から処理を開始して,第1実施形態の場合と同様に,ステップ405〜ステップ420の処理を実行し,プラズマ着火するまでステップ425〜ステップ435の処理を繰り返す。ただし,ステップ415では,第1実施形態のステップ415で制御した圧力より高い圧力に処理容器内を制御するための制御信号が出力される。
The
すべての誘電体パーツ下部にてプラズマ着火すると,制御装置40は,ステップ805にて圧力を下げるための制御信号を出力し(図9の時刻t2’),時刻t3にSiH4ガスとNH3ガスとを処理容器10内に供給するための制御信号を出力し,時刻t4に処理ガスの供給と圧力制御とマイクロ波の供給をすべて停止するための制御信号を出力して,ステップ895に進み本ルーチンの処理を終了する。なお,時刻t1〜時刻t2’は,10sec以内であることが好ましく,時刻t1〜時刻t2と時刻t2〜時刻t2’とは,それぞれ5sec以内であることが好ましい。ただし,ターンアラウンドタイム等を考慮すると5sec以内が好ましい。
When plasma is ignited at the lower part of all dielectric parts, the
これによれば,プラズマ着火前に,処理容器内の圧力を高くすることにより電子の衝突頻度を高くし,Arガスのプラズマ着火を促進することができる。このようにしてプラズマ着火までの時間を短縮することにより,マイクロ波の照射時間を短縮してガラス基板のダメージを抑止するとともに,ターンアラウンドタイムを短縮して処理全体の効率を高めることにより,生産性を向上させることができる。 According to this, it is possible to increase the collision frequency of electrons by increasing the pressure in the processing container before plasma ignition, and to promote plasma ignition of Ar gas. By shortening the time to plasma ignition in this way, the microwave irradiation time is shortened to prevent damage to the glass substrate, and the turnaround time is shortened to increase the efficiency of the entire process. Can be improved.
なお,以上の説明では,制御装置40は,圧力を多段階に制御することにより,処理容器内の電子の衝突頻度を高めるようにした。しかし,制御装置40は,たとえば,温度,マイクロ波のパワーまたは光のパワーなどのプロセスの少なくともいずれかの条件を制御してもよい。具体的には,制御装置40は,プラズマ着火される前の値がプラズマ着火された後の値より大きくなるように,温度,マイクロ波のパワーまたは光のパワーの少なくともいずれかの値を制御してもよい。
In the above description, the
たとえば,プラズマ着火前に,温度を上昇させることにより電子の運動を活発化させて,電子の衝突頻度を高くするようにしてもよい。実際には,図3の冷却水供給源33をコントロールする図示しない温度コントローラに制御信号を送出することにより,冷却水供給源33から処理容器10の壁面内部と蓋本体の導波管22近傍に供給される冷媒の温度を制御するようにしてもよい。または,交流電源14に制御信号を送出することにより,交流電源14から出力された交流電流によってヒータ11bを所望の温度にコントロールしてもよい。
For example, before the plasma is ignited, the electron motion may be activated by increasing the temperature to increase the electron collision frequency. Actually, by sending a control signal to a temperature controller (not shown) that controls the cooling
また,たとえば,プラズマ着火前に,マイクロ波のパワーを上昇させることにより電子の運動を活発化させて,電子の衝突頻度を高くするようにしてもよい。実際には,マイクロ波発生器28にマイクロ波のパワーを上昇させるための制御信号を送出することにより,電子の動きを活性化させることができる。
Further, for example, before the plasma is ignited, the electron motion may be activated by increasing the power of the microwave to increase the electron collision frequency. Actually, the movement of electrons can be activated by sending a control signal for increasing the power of the microwave to the
また,たとえば,プラズマ着火前に,UV光や紫外線などの波長の短い光を照射することにより(すなわち,エネルギーのアシストにより),分子の内部エネルギーを高くするようにしてもよい。実際には,UV光発生源41に制御信号を送出することにより,UV光発生源41からUV光を放射させて分子の内部エネルギーを高くすることができる。
Further, for example, before plasma ignition, the internal energy of the molecule may be increased by irradiating light with a short wavelength such as UV light or ultraviolet light (that is, with energy assist). Actually, by sending a control signal to the
なお,制御装置40は,プラズマ着火後であって,SiH4ガスおよびNH3ガスを供給する前に,各パラメータをプロセスの条件に合致させるために,圧力,温度,マイクロ波のパワーまたは光のパワーをプロセスの条件に合った値に下げる必要がある。
Note that the
以上に説明したように,本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置100は,複数枚の誘電体パーツによって誘電体の表面にて表面波が伝播することを抑えるように形成されている。このように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置100によれば,表面波の伝播を抑止することにより,表面波が反射することによって形成される定在波の生成を抑止することができる。
As described above, the microwave
そして,このようなマイクロ波プラズマ処理装置100の特徴に合致した上記シーケンスに基づいて,処理ガスを単原子分子ガス,多原子分子ガスの順にタイミングよく供給するとともに,各種パラメータ(圧力,温度,マイクロ波パワー,光パワーなど)をプロセスの条件に合わせてタイミングよく設定する。この結果,均一なプラズマを安定的に発生させて,基板Wを精度良くプラズマ処理することができる。
Then, based on the above-described sequence that matches the characteristics of the microwave
なお,以上に説明したシーケンスにより,第1のガスとして供給されるガス種としては,Arガスに限られず,たとえば,HeガスやXeガスなどの単原子分子ガスであってもよい。また,第1のガスよりプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスとして供給されるガス種としては,SiH4ガス,NH3ガスに限られず,たとえば,水素ガス(H2)などの多原子分子ガスであってもよい。 Note that the gas species supplied as the first gas by the sequence described above is not limited to Ar gas, and may be, for example, a monoatomic molecular gas such as He gas or Xe gas. Further, the gas species supplied as the second gas that requires more energy to be converted into plasma than the first gas is not limited to SiH 4 gas and NH 3 gas, and for example, hydrogen gas (H 2 ) A polyatomic molecular gas such as
また,制御装置40により時刻t1〜時刻t4に制御される圧力は,60mTorr〜1000mTorrの範囲であればいずれの値であってもよい。なお,制御する圧力値に上限を設けたのは,多原子分子ガスを供給してプラズマ処理を開始する時刻t3までに,予め定められたプロセス条件値まで圧力を下げる必要があるためである。
Further, the pressure controlled by the
また,処理ガス供給源31から処理容器内に供給される処理ガスのうち,Arガスの流量は400〜3000sccm,SiH4ガスの流量は50〜500sccm,NH3ガスの流量は400〜2000sccmの範囲であればよい。また,処理容器内に投入されるマイクロ波のパワー密度は,1.0〜7.5w/cm2の範囲であればよい。さらに,処理容器10内の温度は,50〜150℃の範囲に保持されていればよい。ガラス基板のサイズは,730mm×920mm以上であればよく,たとえば,G4.5基板サイズで730mm×920mm(チャンバ内の径:1000mm×1190mm),G5基板サイズで1100mm×1300mm(チャンバ内の径:1470mm×1590mm)である。
Also, among the processing gas supplied from the processing
また,処理容器内の圧力を検出するためには,処理室10uに設けられた圧力センサ42を用いる方が好ましいが,排気室10dに設けられた圧力センサ43を用いてもよい。
In order to detect the pressure in the processing container, it is preferable to use the
また,制御装置40は,ハードウエアで構成されていても,ソフトウエアで構成されていてもよい。
Further, the
上記実施形態において,各部の動作はお互いに関連しており,互いの関連を考慮しながら,一連の動作として置き換えることができる。そして,このように置き換えることにより,プラズマ処理装置の発明の実施形態をプラズマ処理装置を制御する方法の実施形態とすることができる。 In the above embodiment, the operations of the respective units are related to each other, and can be replaced as a series of operations in consideration of the relationship between each other. And by replacing in this way, the embodiment of the invention of the plasma processing apparatus can be made an embodiment of a method for controlling the plasma processing apparatus.
また,上記各部の動作を,各部の処理と置き換えることにより,プログラムの実施形態とすることができる。また,プログラムを,プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶させることにより,プログラムの実施形態をプログラムに記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体の実施形態とすることができる。 Further, by replacing the operation of each unit with the processing of each unit, a program embodiment can be obtained. Further, by storing the program in a computer-readable recording medium in which the program is recorded, the embodiment of the program can be an embodiment of a computer-readable recording medium in which the program is recorded.
したがって,プラズマ処理装置を制御する制御方法の実施形態は,処理容器内に入射されたマイクロ波のパワーにより処理ガスをプラズマ化させて,被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置を制御する制御プログラムであって,上記処理容器内に第1のガスを供給させながら,上記マイクロ波のパワーを処理容器内に入射させる処理と,上記マイクロ波のパワーにより上記第1のガスがプラズマ着火した後,上記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを上記処理容器内に供給させる処理と,をコンピュータに実行させる制御プログラムの実施形態とすることができる。この場合,コンピュータに実行させる制御プログラムは,図3のROM40a等に格納されていてもよく,制御装置40に設けられた図示しない通信手段(外部インターフェース)を用いて図示しないネットワークを介して取り込んでもよい。
Therefore, an embodiment of a control method for controlling a plasma processing apparatus is a control program for controlling a plasma processing apparatus that performs plasma processing on an object to be processed by converting the processing gas into plasma by the power of the microwave incident into the processing container. Then, after supplying the first gas into the processing container and making the microwave power enter the processing container, and after the first gas is plasma ignited by the microwave power, An embodiment of a control program that causes a computer to execute a process of supplying a second gas, which requires a larger energy than that of the first gas, into the processing container, which requires more energy than the first gas. In this case, the control program to be executed by the computer may be stored in the
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the example which concerns. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
たとえば,本発明にかかるプラズマ処理装置は,タイル状の複数枚の誘電体パーツを有するマイクロ波プラズマ処理装置であってもよく,マイクロ波の表面波が伝播する誘電体の表面に凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されているマイクロ波プラズマ処理装置であってもよい。 For example, the plasma processing apparatus according to the present invention may be a microwave plasma processing apparatus having a plurality of tile-shaped dielectric parts, and a concave or convex portion is formed on the surface of the dielectric through which the surface wave of the microwave propagates. A microwave plasma processing apparatus in which at least one of the above is formed may be used.
また,本発明にかかるプラズマ処理装置により実行されるプラズマ処理は,CVD処理に限られず,アッシング処理,エッチング処理などのあらゆるプラズマ処理が可能である。 The plasma processing executed by the plasma processing apparatus according to the present invention is not limited to the CVD processing, and any plasma processing such as ashing processing and etching processing is possible.
本発明は,プラズマを均一に発生させるためにガスを供給する順序を制御するプラズマ処理装置の制御方法,プラズマ処理装置の制御装置,および,プラズマ処理装置を制御する制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用可能である。 The present invention relates to a plasma processing apparatus control method for controlling the order of gas supply in order to generate plasma uniformly, a plasma processing apparatus control apparatus, and a computer readable program storing a control program for controlling the plasma processing apparatus Applicable to various recording media.
10 処理容器
11 サセプタ
18 バッフル板
19a ドライポンプ
19b APC(自動圧力調整器)
19c TMP(ターボモレキュラポンプ)
28 マイクロ波発生器
29 ガス導入管
30 ガス噴射口
31 処理ガス供給源
31a4 Arガス供給源
31b4 SiH4ガス供給源
31b8 NH3ガス供給源
33 冷却水供給源
40 制御装置
41 UV光発生源
42 圧力センサ
43 圧力センサ
44 温度センサ
45 フォトセンサ
100 マイクロ波プラズマ処理装置
DESCRIPTION OF
19c TMP (turbomolecular pump)
28
Claims (12)
第1のガスを前記処理容器内に供給させながら,マイクロ波のパワーを前記処理容器内に入射させ;
前記マイクロ波のパワーにより前記第1のガスがプラズマ着火した後,前記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを前記処理容器内に供給させることを特徴とするプラズマ処理装置の制御方法。 A method for controlling a plasma processing apparatus that plasma-processes an object to be processed by converting the processing gas into plasma by the power of the microwave incident in the processing container:
While supplying the first gas into the processing container, microwave power is incident on the processing container;
After the first gas is ignited with plasma by the power of the microwave, a second gas that requires more energy to be converted into plasma than the first gas is supplied into the processing container. A method for controlling a plasma processing apparatus.
前記マイクロ波をスロットに通して前記処理容器内に伝播させる誘電体を備え,
前記誘電体は,
マイクロ波の表面波の伝播とを抑えるように設置または形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載されたプラズマ処理装置の制御方法。 The plasma processing apparatus includes:
A dielectric for propagating the microwave through the slot and into the processing vessel;
The dielectric is
4. The method for controlling a plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the plasma processing apparatus is installed or formed so as to suppress propagation of surface waves of microwaves.
複数枚の誘電体パーツにより形成されることを特徴とする請求項4に記載されたプラズマ処理装置の制御方法。 The dielectric is
The method for controlling a plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the plasma processing apparatus is formed of a plurality of dielectric parts.
金属の支持部材により支持されていることを特徴とする請求項5に記載されたプラズマ処理装置の制御方法。 The dielectric parts are:
6. The method for controlling a plasma processing apparatus according to claim 5, wherein the plasma processing apparatus is supported by a metal support member.
前記マイクロ波の表面波が伝播する誘電体の表面に凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載されたプラズマ処理装置の制御方法。 The dielectric is
The method for controlling a plasma processing apparatus according to claim 4, wherein at least one of a concave portion and a convex portion is formed on a surface of the dielectric material on which the surface wave of the microwave propagates.
マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と,
第1のガスを供給する第1のガス供給手段と,
前記発生されたマイクロ波のパワーにより前記供給された第1のガスがプラズマ着火した後,前記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを供給する第2のガス供給手段と;を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 A plasma processing apparatus that plasma-processes an object to be processed by converting a processing gas into plasma by the power of a microwave incident into a processing container:
Microwave generation means for generating microwaves;
First gas supply means for supplying a first gas;
After the supplied first gas is ignited with plasma by the generated microwave power, a second gas is supplied that requires a larger energy to be converted into plasma than the first gas. A plasma processing apparatus comprising: a gas supply means;
前記処理容器内に第1のガスを供給させながら,前記マイクロ波のパワーを処理容器内に入射させる処理と;
前記マイクロ波のパワーにより前記第1のガスがプラズマ着火した後,前記第1のガスよりもプラズマ化するためにより大きなエネルギーを必要とする第2のガスを前記処理容器内に供給させる処理と;をコンピュータに実行させる制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 A computer-readable recording medium storing a control program for use in a plasma processing apparatus for plasma processing a target object by converting a processing gas into plasma by the power of microwaves incident into the processing container:
A process of causing the microwave power to enter the processing container while supplying the first gas into the processing container;
After the first gas is ignited with plasma by the power of the microwave, a process of supplying a second gas, which requires a larger energy than the first gas, into the processing container; The computer-readable recording medium which memorize | stored the control program which makes a computer perform.
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