JP2007080834A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を実現する。
【解決手段】真空チャンバ内でプラズマ処理空間を挟んで処理基板保持用の保持電極と向き合う対向電極６０を、電気良導体の金属部材６１，６２と、熱膨張率の異なる金属部材６３と、非金属部材６４とを重ね合わせて構成する。金属部材６３と非金属部材６４との間に接着剤等を充填する。高周波電力の印可を金属部材６３に行う。これにより、熱膨張率の相違の影響が緩和され、非金属部材の温度上昇も抑えられ、非金属部材に効率良くバイアス電圧が掛かる。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマ成膜装置やプラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置（プラズマリアクタ）に関し、ＩＣ（半導体デバイス）やＬＣＤ（液晶表示パネル）あるいはＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）などの製造工程においてウエハやパネル等を処理対象としてプラズマ処理すなわちプラズマ反応に基づく処理を行わせるのに好適なプラズマ処理装置に関する。

真空チャンバ内でプラズマ雰囲気に被処理物を曝して行われるプラズマ処理として、エッチングやアッシング、プラズマＣＶＤなどが挙げられる。そして、これらの処理に用いられるプラズマ処理装置の典型例としては、対向する一対の電極を設けておいて、これらの電極間にプラズマ処理空間を形成してシリコンウエハ等の被処理物（処理基板）にエッチング処理を行ういわゆる平行平板形エッチャー（ＲＩＥ）や成膜処理を行う平行平板形ＰＣＶＤ等が知られている。

図２（ａ）に装置全体の概要構成についての縦断模式図を示したが、平行平板形のプラズマ処理装置は、一対の平行平板が真空チャンバ内に設けられていて、両平板間に形成されたプラズマ処理空間にプラズマを発生させ又は導入するとともにそのプラズマ処理空間内に所定の処理ガス等も導入する。そして、プラズマ処理空間にてプラズマ反応を行わせ、これによってプラズマ処理空間内の被処理物表面に対してエッチング処理等を施すようになっている。

具体的には（図２及び下記特許文献等を参照）、プラズマ処理空間４を囲う真空チャンバは、アルミニウム等の電気良導体からなり、真空チャンバ本体部２に真空チャンバ蓋部３を開閉可能に付加したものである。真空チャンバ本体部２の内底には、チャンバ内に搬入された処理基板１を上面に載せることでそれをプラズマ処理空間４に臨ませて保持する保持電極５が植設され、真空チャンバ蓋部３には、プラズマ処理空間４を挟んで保持電極５と向き合う対向電極６が垂設されている。対向電極６の上には、セラミック等からなる隣接絶縁体１０が付設されている。隣接絶縁体１０の下面には、プラズマ発生空間１０ａが多重の円環状や多角形状に彫り込み形成され、それと交互に上から彫り込み形成された溝には、コイル７が格納されている。
特開平１０−２９４３０７号公報

また、真空チャンバ２＋３には、プラズマ処理空間４を真空にしてその圧力を制御するための真空ポンプや可変バルブ等が付設される他、下方の保持電極５に周波数５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚ程度の高周波を印可してバイアス電圧を付与するＲＦ電源９と、プラズマの励起・形成のため上述したコイル７に１３ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の高周波を印可するＲＦ電源８（第１印可手段）も付設されている。さらに、上方の対向電極６を通して、具体的には隣接絶縁体１０及び対向電極６に形成された流路を通過させて、プラズマの発生や励起に用いられるアルゴン等のプラズマ用ガスＡを供給するガスユニットと、反応ガスとして用いられるシランガス等の処理ガスＢを供給するガスユニットも、付設されている。

そして、プロセスレシピ等に従って、プラズマ発生空間１０ａにプラズマ用ガスＡを送り込みながらＲＦ電源８からコイル７に高周波を印可する。そうすると、プラズマ発生空間１０ａ内にプラズマＡ’が発生し、それが、対向電極６に分散形成されたプラズマ供給口６ａからプラズマ処理空間４へ流れる。プラズマ処理空間４にプラズマが満ちたところで、やはり対向電極６に分散形成された処理ガス供給口６ｂを介して処理ガスＢをプラズマ処理空間４へ送り込むと、処理基板１に対して所望のプラズマ処理が施される。

その際、ＲＦ電源９にて保持電極５に適宜なバイアス電圧を掛けることでプラズマ処理に異方性が付与される。これに対し、対向電極６は、接地されていた。

対向電極にもバイアス電圧を掛けると、プラズマ処理に対して直接には影響しないが、対向電極に付着するプラズマ副生成物等の量を減らすことができる。また、対向電極のところにシリコン等の非金属を設けたときにも、対向電極に付着するカーボン等の量を減らすことができる。そこで、対向電極への不所望な付着を出来るだけ無くすべく、金属製の対向電極に非金属を張り合わせることが考えられる。

しかしながら、電極に都合の良い電気良導体は一般に熱膨張率が大きいのに対し、大抵の非金属は熱膨張率が小さい。そして、プラズマ処理に伴う熱によって歪んだり傷んだりし易い。このため、単純に対向電極と非金属とを組合わせることはできない。そこで、金属製の対向電極に非金属を張り合わせるに際して歪みや傷みが生じないように対向電極の構造を工夫することが技術的な課題となる。この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を実現することを目的とする。

このような課題を解決するために発明された解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。

本発明のプラズマ処理装置は、真空チャンバ内でプラズマ処理空間を挟んで処理基板保持用の保持電極と向き合う対向電極が、電気良導体からなる第１種の金属部材と、それと熱膨張率の異なる第２種の金属部材と、前記プラズマ処理空間に臨む非金属部材とを重ね合わせてできている、というものである。

具体的には、プラズマ処理空間を囲う真空チャンバと、処理基板を前記プラズマ処理空間に臨ませて保持する保持電極と、前記プラズマ処理空間を挟んで前記保持電極と向き合う対向電極と、前記対向電極を通してプラズマ用ガス及び処理ガスを前記プラズマ処理空間へ供給する手段と、前記対向電極に付設されたコイルに高周波電力を印可して前記プラズマ用ガスを励起する第１印可手段とを備えたプラズマ処理装置において、前記対向電極に高周波電力を印可する第２印可手段を設けるとともに、前記対向電極を、電気良導体からなる第１種の金属部材と、それと熱膨張率の異なる第２種の金属部材と、前記プラズマ処理空間に臨む非金属部材とを重ね合わせて構成したものである。

このような本発明のプラズマ処理装置にあっては、対向電極の電極機能が第１種の金属部材によって担保されるとともに、プラズマ被爆面が非金属部材によって覆われるうえ、両者の熱膨張率の相違に起因する歪みや傷みが、第２種の金属部材の介在によって緩和される。これにより、金属と非金属とを張り合わせた対向電極が不都合無く構成されることとなる。したがって、この発明によれば、対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を実現することができる。

また、本発明のプラズマ処理装置は、上記したプラズマ処理装置であって、前記第２種の金属部材と前記非金属部材との間に接着剤またはその他の充填材が充填されている、というものである。

このようなプラズマ処理装置にあっては、プラズマ発生等に伴って非金属部材の温度が上昇すると、その熱が充填材を介して斑無く而も効率良く金属部材に伝達される。金属部材は一般に熱伝達も良いので、非金属部材の温度上昇も良く抑えられる。これにより、熱歪みが更に少なくなるので、形状設計や部材選択等が容易になる。したがって、この発明によれば、対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を容易に実現することができる。

また、本発明のプラズマ処理装置は、上記したプラズマ処理装置であって、前記第２印可手段が、高周波電力の印可を前記第２種の金属部材に行うようになっている、というものである。

このようなプラズマ処理装置にあっては、非金属部材に隣接している第２種の金属部材に対して高周波が印可されるので、プラズマ被爆面を持つ非金属部材に対して効率良くバイアス電圧が掛かる。これにより、第２種の金属部材を介在させても、対向電極に関するバイアス電圧の印可による付着量低減の効果は、維持・強化されることとなる。したがって、この発明によれば、対向電極への付着の特に少ないプラズマ処理装置を容易に実現することができる。

本発明のプラズマ処理装置にあっては、金属と非金属とを張り合わせて対向電極を構成するに際し、他の金属を介在させて、熱膨張率の相違の影響を緩和させたことにより、対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を実現することができたという有利な効果が有る。

また、本発明のプラズマ処理装置にあっては、充填によって非金属部材の温度上昇が抑えられるようにもしたことにより、対向電極への付着の少ないプラズマ処理装置を実現するのが容易になったという有利な効果を奏する。

さらに、本発明のプラズマ処理装置にあっては、非金属部材に対して効率良くバイアス電圧が掛かるようにもしたことにより、対向電極への付着の特に少ないプラズマ処理装置を容易に実現することができたという有利な効果が有る。

このような解決手段で達成された本発明のプラズマ処理装置について、これを実施するための形態を、一実施例により具体的に説明する。

先ず、その具体的な構成を、図面を引用して説明するが、図１は、要部である対向電極の縦断面構造を示し、（ａ）が電極全体、（ｂ）が一部の拡大図である。なお、その図示に際し、締結具や接着剤、ガス配管、埋設フィルタ、Ｏリング等は割愛した。また、従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。

このプラズマ処理装置が従来のものと相違するのは、対向電極６が改造されて対向電極６０になった点と、ＲＦ電源６７（第２印可手段）が追加されている点である。なお、プラズマ密度を高くすることよりプラズマの均一性や清浄度を高めるのを重視して、磁石は省かれている。ＲＦ電源６７は、ＲＦ電源９と同様に周波数５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚ程度の高周波を出力するが、ＲＦ電源９と異なり上方の対向電極６０にバイアス電圧を付与するためのものである。

対向電極６０は、上から下へ、アルミプレート６１（第１種の金属部材）とアルミプレート６２（第１種の金属部材）とモリブデンプレート６３（第２種の金属部材）とシリコンプレート６４（非金属部材）とを重ね合わせて出来ており、側面周囲を絶縁リング６５で覆われて、接地状態の真空チャンバ２＋３と電気的に短絡しないようになっている。

アルミプレート６１及びアルミプレート６２は、電気良導体であり、両者の合わせめに網状の溝を彫り込み形成し、それに両プレート６１，６２を貫通するガス流路を連通させることで、ガス流路をアルミプレート６１上面のところでは集中させアルミプレート６２の下面のところでは分散させている。プラズマ用ガスＡと処理ガスＢとの各々について、そのようになっている。また、両プレート６１，６２を貫通して、ＲＦ電源８からの給電線を挿通させる穴や、ＲＦ電源６７からの延びてきた給電線を挿通させる穴も、形成されている。

モリブデンプレート６３は、熱膨張率がアルミニウムよりも小さくてシリコンに近いうえ、熱伝導率も良い。これには、銅プラグ６６が何カ所かに分散してめり込み状態で装着され、そこにＲＦ電源６７からの給電線が接続されていて、ＲＦ電源６７による高周波電力の印可がモリブデンプレート６３に対して行われるようになっている。ガスＡ，Ｂの流路もそれぞれ貫通して形成されている。

シリコンプレート６４は、対向電極６０内で最も下方に位置していて、プラズマ処理空間４に臨むものである。コイル７を格納するための溝は、隣接絶縁体１０からシリコンプレート６４に移され、その上面に彫り込み形成されている。プラズマ発生空間１０ａもシリコンプレート６４に移され、プラズマ発生空間１０ａ及びプラズマ供給口６ａに代わるプラズマ発生空間６０ａが、シリコンプレート６４の下面に彫り込み形成されている。プラズマ密度を高くすることよりプラズマの均一性や清浄度を高めるのを重視して、プラズマ発生空間６０ａのプラズマ供給口はプラズマ処理空間４へ向け大きく開いている。

コイル７格納用溝とプラズマ発生空間６０ａは交互に分散等して例えば同心円状や螺旋状に形成されており（特開平１０−２９４３０７号公報等も参照）、プラズマ用ガスＡはプラズマ発生空間６０ａの溝底に流出し、処理ガスＢはプラズマ発生空間６０ａを避けてそれらの間からプラズマ処理空間４へ流出するようになっている。

このようなシリコンプレート６４は、例えば、接着剤にてモリブデンプレート６３に貼着され、モリブデンプレート６３と共にアルミプレート６２やアルミプレート６１にボルト等で固定される。モリブデンプレート６３とシリコンプレート６４間の熱伝導を良くするとともに熱膨張時の応力を緩和するため、接着剤には、熱伝導率も伸び率も優れているシリコン接着剤が好適であるが、他の接着剤でも良い。なお、シリコンプレート６４とモリブデンプレート６３との張り合わせを締結具や係止手段等にて行う場合には、接着剤を併用しても良いが、接着剤に代えて、変形能にも耐熱性にも優れたシリコンゴム等を充填しても良い。

このような構成のプラズマ処理装置について、その使用態様及び動作を説明する。保持電極５上に処理基板１が搬入され、プラズマ処理空間４の真空引きが行われると、プロセスレシピ等に従って、プラズマ発生空間６０ａにプラズマ用ガスＡが送り込まれ、ＲＦ電源８からコイル７に高周波が印可される。それによって、プラズマ発生空間６０ａ内にプラズマＡ’が発生してプラズマ処理空間４へ流れる。

プラズマ処理空間４にプラズマが満ちたところで、プラズマ用ガスＡとは別の流路を通って処理ガスＢが処理ガス供給口６ｂからプラズマ処理空間４へ送り込まれる。また、モリブデンプレート６３にもＲＦ電源６７から高周波が印可され、それによって、モリブデンプレート６３にバイアス電圧が直接惹起されると同時に、シリコンプレート６４にもバイアス電圧が誘起される。

こうして、処理基板１に対して処理ガスＢを使用した所望のプラズマ処理が施される。また、その際、カーボン等の副生成物が生じても、対向電極６０のプラズマ被爆面がアルミニウムでなくシリコンであるうえ、そこにバイアス電圧が掛かっているため、カーボン等の対向電極６０への付着は阻止される。さらに、シリコンプレート６４の熱は、薄い充填材を介して効率良くモリブデンプレート６３に伝達され、そこで均一化されながらアルミプレート６２，６１に逃げるので、シリコンプレート６４は、過度の温度上昇が抑えられるうえ、熱分布がほぼ一様になる。それに加えて、熱膨張率も張り合わせ先のモリブデンプレート６３と近いため、モリブデンプレート６３と揃って伸縮するので、張り合わせ面に不所望な引きつる力がかかることも無い又は少ない。したがって、シリコンプレート６４に歪みや傷みが生じない又は生じても僅かにすぎない。また、プラズマ分布の均一性も向上して、プラズマ処理が良質になるという効果もある。

なお、上記の実施例では、保持電極５及び対向電極６０が平行平板形であったが、本発明の適用は、それに限られるものでなく、一方または双方が多少湾曲していても良い。また、処理基板１の形状に適合していれば、丸形でも角形でも良い。

本発明のプラズマ処理装置の一実施例について、その対向電極の縦断面構造を示し、（ａ）が電極全体、（ｂ）が一部の拡大図である。 従来装置の縦断面構造を示し、（ａ）が真空チャンバの全体図、（ｂ）が対向電極等の縦断面斜視図である。

符号の説明

１ 処理基板（ウエハ、処理対象板状体、試料、被処理物）
２ 真空チャンバ本体部（真空チャンバ）
３ 真空チャンバ蓋部（真空チャンバ）
４ プラズマ処理空間
５ 保持電極（カソード、対の電極の一方、被処理物乗載用の下部電極）
６ 対向電極（アノード、対の電極の他方、被処理物に対向の上部電極）
６ａ プラズマ供給口
６ｂ 処理ガス供給口
７ コイル（プラズマ励起用高周波の印加回路、第１印可手段）
８ ＲＦ電源（プラズマ励起用の高周波電源、第１印可手段）
９ ＲＦ電源（保持電極バイアス用高周波印可回路、第３印可手段）
１０ 隣接絶縁体（プラズマ発生チャンバ）
１０ａ プラズマ発生空間
６０ 対向電極（アノード、平行平板の他方、被処理物に対向の上部電極）
６０ａ プラズマ発生空間
６１ アルミプレート（環状路の蓋部、第１種の金属部材）
６２ アルミプレート（環状路の台部、第１種の金属部材）
６３ モリブデンプレート（第２種の金属部材）
６４ シリコンプレート（非金属部材）
６５ 絶縁リング
６６ 銅プラグ（対向電極バイアス用高周波印可回路、第２印可手段）
６７ ＲＦ電源（対向電極バイアス用高周波印可回路、第２印可手段）

Claims (4)

1. プラズマ処理空間を囲う真空チャンバと、
   処理基板を前記プラズマ処理空間に臨ませて保持する保持電極と、
   前記プラズマ処理空間を挟んで前記保持電極と向き合う対向電極と、
   前記対向電極を通してプラズマ用ガス及び処理ガスを前記プラズマ処理空間へ供給する手段と、
   前記対向電極に付設されたコイルに高周波電力を印可して前記プラズマ用ガスを励起する第１印可手段とを備えたプラズマ処理装置において、
   前記対向電極を、電気良導体からなる金属部材と前記プラズマ処理空間に臨む非金属部材とを重ね合わせて構成し、
   前記非金属部材のプラズマ処理空間に臨む面と反対側の面にコイルを格納するための溝が形成されている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記前記非金属部材のプラズマ処理空間に臨む面にはプラズマ発生空間が、彫り込み形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記コイル格納用の溝とプラズマ発生空間とは交互に分散して同心円状あるいは螺旋状のいずれかの形状に形成されており、
   前記プラズマ用ガスはプラズマ発生空間に流出し、前記処理ガスはプラズマ発生空間を避けてプラズマ発生空間の間からプラズマ処理空間へ流出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記対向電極の金属部材に高周波電力を印可する第２印可手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。

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