JP2007184292A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダスト、パーティクル等の発生を抑制しつつ、しかもプラズマ処理に有害な表面波プラズマをも抑制可能としたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と、該プラズマ処理室にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、該プラズマ処理室と、アンテナ手段との間に配置された誘電体部材とを含むプラズマ処理装置。この誘電体部材のプラズマ処理室内部側に、突起を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイス等を作製するために、被処理体に対して種々のプラズマ処理を行う際に好適に使用可能なプラズマ処理装置に関する。

本発明のプラズマ処理装置は、半導体ないし半導体デバイス、液晶デバイス等の電子デバイス材料の製造を始めとするプラズマ処理一般に広く適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、半導体デバイスの背景技術を例にとって説明する。

一般に、半導体デバイスの製造工程においては、被処理体たる半導体デバイス用の基材（ウエハ）に対して、ＣＶＤ（化学気相堆積）処理、エッチング処理、スパッタ処理等の種々の処理を施すことが行われる。

従来より、このような各種の処理のためにプラズマ処理装置が用いられる場合が多い。これは、プラズマ処理装置を用いた場合には、基板を低温に維持してプロセスできるという長所があるからである。

例えば、マイクロ波を用いる場合には、一般的に、マイクロ波を放射するためのアンテナと、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室との間に、該プラズマ処理室内のシーリング状態を保持する等の目的で誘電体が配置される。

ある条件下ではこのような、プラズマ処理を行うに際して、上記誘電体と、マイクロ波照射に基づき発生したプラズマとの界面（プラズマ境界域）に沿って伝搬する電磁界（表面波）が発生する場合がある。本発明者の知見によれば、例えば、プラズマ密度が上昇して、シース領域が無視できるようになるとマイクロ波周波数と誘電体の誘電率とプラズマの電子密度に応じた表面波が発生すると解析されている。

このような表面波が発生すると、プラズマ処理室内に表面波プラズマ（ＳＷＰ）が発生して、波動特有のモードが発生するという問題が生じることとなる。

したがって、プラズマおよびそのプラズマを用いたプロセスの均一性の点から、このような表面波の発生を抑制することが要請されている。

従来より、この表面波プラズマ発生を抑制するために、大別して（１）表面波の伝搬を阻害する、（２）表面波の発生自体を阻害する、の２種類の対策が取られて来た。

例えば、前者（１）の表面波の伝搬を阻害する手段として、プラズマ境界域に金属物を配置したプラズマ処理装置が知られている。

しかしながら、プラズマ境界域に金属物を配置した場合には、プラズマが金属と接触する箇所におけるスパッタ現象により、プラズマ処理室内に不必要なダスト、パーティクル等が発生して、プラズマ処理のプロセス性能を大きく劣化させる可能性が考えられる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消した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、ダスト、パーティクル等の発生を抑制しつつ、しかもプラズマ処理に有害な表面波プラズマをも抑制可能としたプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明者は鋭意研究の結果、マイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、プラズマ処理室との間に配置すべき誘電体に所定の形状を付与することが、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。

本発明のプラズマ処理装置は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と、該プラズマ処理室にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、前記プラズマ処理室と、アンテナ手段との間に配置された誘電体部材とを少なくとも含むプラズマ処理装置であって；前記誘電体部材が、そのプラズマ処理室内部側の表面に突起を有することを特徴とするものである。

本発明は、例えば、以下の態様を包含する。

［１］ 被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と、該プラズマ処理室にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、前記プラズマ処理室と、アンテナ手段との間に配置された誘電体部材とを少なくとも含むプラズマ処理装置であって；前記誘電体部材が、そのプラズマ処理室内部側の表面に突起を有することを特徴とするプラズマ処理装置。

［２］ 前記アンテナ手段が、複数のスロットを有する平面アンテナ（ＲＬＳＡ）部材を含む［１］に記載のプラズマ処理装置。

［３］ 前記誘電体部材のプラズマ処理室内部側が、鏡面研磨されている［１］または［２］に記載のプラズマ処理装置。

［４］ 前記誘電体部材のプラズマ処理室内部側における、各角状の部分および複数の部材が交叉する部分（クロス部）が曲面の表面を有する［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

［５］ 前記突起が、誘電体部材の円周方向および／又は半径方向に設けられる［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

［６］ 前記突起が、誘電体部材の縦横方向および／又は半径方向に設けられた「クロス」の構成を有する［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

［７］ 前記突起の「クロス」部分が十字型の形状を有する［５］または［６］に記載のプラズマ処理装置。

［８］ 前記突起の「クロス」部分の形成が回避されている［５］または［６］に記載のプラズマ処理装置。

［９］ 前記突起が複数存在し、且つ、該突起の少なくとも一部が相互に接続されている［１］〜［８］のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

上述したように本発明によれば、ダスト、パーティクル等の発生を抑制しつつ、しかもプラズマ処理に有害な表面波プラズマをも抑制可能としたプラズマ処理装置が提供される。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「％」は、特に断らない限り質量基準とする。

（プラズマ処理装置）
本発明のプラズマ処理装置は、処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と、該プラズマ処理室にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、該プラズマ処理室と、アンテナ手段との間に配置された誘電体部材とを少なくとも含む。このプラズマ処理装置においては、前記誘電体部材のプラズマ処理室内部側に、突起が設けられていることが特徴である。

（プラズマ処理装置の一態様）
図１は、本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様を示す模式断面図である。比較のために、図２に、従来のプラズマ処理装置の一例の模式断面図を示す。

図１を参照して、この態様のプラズマ処理装置１は、被処理体２（ウエハ等）にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室３と；該プラズマ処理室３にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段４と；該プラズマ処理室３と、アンテナ手段４との間に配置された誘電体部材５とを少なくとも含む。誘電体部材５と、プラズマ処理室３の壁との間には、真空シール１０が配置されている。

上記アンテナ手段４にはマイクロ波源６が接続され、アンテナ手段４にマイクロ波が供給されるようになっている。他方、プラズマ処理室３には、処理体２を配置すべきサセプタ７が配置され、該サセプタ７には、これにバイアスを印加するためのバイアス源８が接続されている。

更に、本発明においては、上記誘電体５の表面に、突起９が設けられている。このような突起９を設けることにより、誘電体５の表面の表面を伝播する可能性のある表面波の伝播を効果的に阻害することができる。

（従来の表面波伝播阻害）
これに対して、図２に示すような表面波伝播阻害手段（金属部分を含む）を用いた従来の装置においては、表面波伝播阻害の目的はある程度達成されるものの、該金属部分がプラズマと接触する箇所においてスパッタ現象により不必要なダスト、パーティクルが発生する傾向が強まるため、結果としてウエハ等の被処理体のプロセス性能を劣化させることとなっていた。

（突起の好適な態様）
本発明において、本発明の目的である「表面波プラズマ発生の抑制」が可能である限り、上記した突起９の形状、サイズ、形成方法等は特に制限されない。突起３の部分模式断面図である図３を参照して、低次モードを効果的に抑制する点からは、突起９の高さ（最大高さ）ｈは、発生すべきプラズマのシース幅ｓ以上であることが好ましく、更にはｓの１．５倍以上であることが好ましい。ここに、「プラズマのシース幅」ｓは、下記の式（数１）で与えられる。

ρ：直流シースの場合のシース巾
ε_ｏ：真空中の誘電率
Ｒ：ボルツマン定数
Ｔ_ｅ：電子温度
Ｖ：シース電位
ｎ_ｉ：イオン密度

一般的に、上記突起９の高さｈは、「表面波プラズマ発生の抑制」の点から５ｍｍ以上、更には８ｍｍ以上であることが好ましい。他方、装置設計時の便宜等の点からは、突起９の高さｈは、２０ｍｍ以下、更には１０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、低次モードを効果的に抑制する点からは、突起９の幅ｄは、発生が予想される表面波の波長の半分程度以上でチャンバ径（Ｌ）の半分以下程度で良い。より具体的には、ｄは、プラズマ処理（チャンバ）の長径をＬとした場合に、（１／４）Ｌ以下であることが好ましい。

（突起全体の態様）
誘電体５に設けた突起９の全体で見た場合に、「突起９がある部分」の表面積５ａの合計と、「突起９が無い」の表面積５ｂの合計との比、（表面積５ａの合計）／（表面積５ｂの合計）は、５〜５０程度であることが好ましく、更には５〜２０程度であることが好ましい。５ａが大き過ぎると、表面波の再発生、ガスの滞留等の問題が予想される。

（表面波の低減）
本発明において、上記したような誘電体の突起を設けることにより表面波が低減されていることは、下記の測定方法により確認することができる。本発明においては、表面波が低減される程度は、１／２以上であることが好ましい。

＜表面波低減の確認方法＞
プロセス結果に波動が写像されていない事を確認する。

＜表面波低減の測定方法＞
オフ・プロセスに於いては、プローブ法等に依ってプラズマ密度の径方向分布に波動性が有るか否かを観測する。
あるいはＣＣＤカメラの映像で調べる。

（角部の曲面化等）
誘電体のプラズマ空間側に突起物を形成した場合、エッチングやＣＶＤのプロセスにおいては、プラズマ処理室内の角部等にプロセスガスの反応によって形成された薄膜が剥離して被処理体（ウエハ）上に付着し、良好な処理を阻害する可能性がある。このような現象を、より効果的に回避する点からは、下記の（１）および／又は（２）の手段を採用することが好ましい。前述した突起９の形成は、表面波の伝播阻害を主たる目的とするものであるが、このような曲面化は、表面波発生の抑制にも寄与することができる。（１）誘電体のプラズマ空間側を鏡面研磨された状態とする。

これは、誘電体のプラズマ空間側に凹凸形状がある場合には、上記薄膜が形成され易い（したがって、薄膜が剥離し易い）からである。（２）誘電体の突起部を曲面形状とする。

例えば、図４の模式断面図を参照して、誘電体５の突起９の角部は、出来る限り曲面化することが好ましい。

（プラズマ処理室内壁の曲面化）
本発明においては、必要に応じて、図５の模式断面図に示すように、チャンバ壁面上面において真空シール１０および電磁界の導入に用いられる絶縁物５との接面部の角部１０を、曲面形状とすることが好ましい。

表面波はインピーダンスが大きく変化する箇所で発生し易くなるため、このインピーダンス変化を穏やかにすることにより、表面波の発生を抑制することができる。前述した突起９の形成は、表面波の伝播阻害を主たる目的とするものであるが、このような曲面化は、表面波発生の抑制を主たる目的とするものである。したがって、この図５に示す構成によれば、表面波の伝播阻害と表面波発生の抑制との相乗効果により、より効果的な表面波プラズマ抑制が可能となる。

このような曲面形状１１の曲率半径は大きい方が好ましく、より具体的には、下記の式で示される波長λｇを基準として、（１／１６）λｇ以上であることが好ましく、（特に（１／８）λｇ以上）であることが好ましい。

λ：マイクロ波の真空中での波長
ε_ｒ：アンテナとチャンバ壁上面と側壁シールド面で形成される空間の等価的な比誘電率

（各部の構成）
上記した図１および５に示したプラズマ処理装置の各部の構成について、詳細に説明する。

（被処理体）
本発明の目的に反しない限り、被処理体２の構造、材質、形状、サイズ、製造方法等は特に制限されない。プラズマ処理の有用性の点からは、下記のような材料（例えば電子デバイス用材料）が好適に使用可能である。

（１）半導体デバイス用材料
例えば、単結晶シリコン、ＡｓＧａ、ＳＯＩ、ＳＯＳ等

（２）液晶デバイス用材料
例えば、ガラス基板等

（プラズマ処理室）
本発明の目的に反しない限り、プラズマ処理室３を構成する壁の構造、材質、形状、サイズ、製造方法等は特に制限されない。パーティクル発生の点からは、下記のプラズマ処理室壁用材料が好適に使用可能である。
純Ａｌ、フッ化処理Ａｌ、硬質アルマイト処理Ａｌ
部分的には石英、アルミナ等のセラミックスは可能。

（アンテナ手段）
本発明の目的に反しない限り、アンテナ手段４の構造、材質、形状、サイズ、製造方法等は特に制限されない。プラズマおよびプロセスの均一性の点からは、下記のアンテナ手段が好適に使用可能である。

平面アンテナ（スロットプレインアンテナ）、曲面アンテナ、傘状アンテナ

（誘電体部材）
本発明の目的に反しない限り、誘電体部材５の材質、形状、サイズ、製造方法等は特に制限されない。耐荷重加工性、入手性の点からは、下記の材質が好適に使用可能である。

石英ガラス、アルミナセラミックス、ＡｌＮセラミックス

（突起）
突起９の材質は、通常は、誘電体５の材質と同様である。

（スロット電極）
本発明において、アンテナ手段に基づき与えられるべき、好適に使用可能なプラズマの特性は、以下の通りである。

電子温度：１〜２ｅＶ
密度：５Ｅ¹¹〜１Ｅ¹³
プラズマ密度の均一性：±５％以下

（平面アンテナ部材）
本発明の電子デバイス材料の製造方法においては、複数のスロットを有する平面アンテナ部材（「ＲＬＳＡ」と称される）を介してマイクロ波を照射することにより電子温度が低くかつ高密度なプラズマを形成することができる。本発明においては、このような優れた特性を有するプラズマを用いて種々の処理が可能となるため、プラズマダメージが小さく、かつ低温でも反応性の高いプロセスが可能となる。

（突起の他の態様）
本発明においては、必要に応じて、上記した突起９を円周ないし半径方向に設けてもよく、また「クロス」の構成としてもよい。このクロス構成は、縦横方向および／又は半径方向に設けてもよい。

（円周方向の突起）
図６（ａ）は、突起９を円周方向に設けた態様の一例を示す模式平面図であり、図６（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、図６（ａ）の突起の断面の例を示す模式断面図である。

図６（ａ）を参照して、この態様においては、突起９は誘電体５の外周と略同心円状に、周方向に配置されている。図６（ｂ）に示す突起９の態様は、該突起９の角部が曲面化されており、成膜性のガス等を用いるプロセスにおいても、ダスト源が付着し難い形状とされている。この態様の曲面の曲率半径Ｒは、１ｍｍ以上であることが好ましい。

他方、図６（ｃ）に示す突起９の態様は、該突起９の角部が曲面化されていないが、成膜性のガス等を用いない場合には、このような角のある突起９でも通常は差し支えない。

（クロス形状）
図７は、誘電体５上の突起９を「クロス」形状とした態様の例を示す模式平面図である。図７（ａ）を参照して、この態様においては、誘電体５上の突起９が十字型の形状を有している。ダスト源の付着防止の点からは、クロス部分を曲面化した図７（ｂ）の形状が好ましい。

他方、図７（ｃ）は、突起９を、横方向の突起９ａと、縦方向の突起９ｂとからなる格子状で構成した態様を示す。ダスト源の付着防止の点からは、突起９ａと、９ｂとのクロス部分の形成を回避した図７（ｄ）の形状が好ましい。この図７（ｄ）の態様において、突起９ａと、９ｂとのギャップの幅ｍは、この間の部分への薄膜形成を回避する（すなわち、ダスト源の形成を回避する）点からは、２ｍｍ以上であることが好ましく、更には５ｍｍ以上であることが好ましい。他方、表面波プラズマの発生防止の効率の点からは、このギャップの幅ｍは、１５ｍｍ以下であることが好ましく、更には１０ｍｍ以下であることが好ましい。

（半径方向のクロス形状）
図８は、誘電体５上の突起９を半径方向の「クロス」形状とした態様の例を示す模式平面図である。図８（ａ）を参照して、この態様においては、誘電体５上の突起９が、半径方向の横方向の突起９ｃと、円周方向の突起９ｄとからなるクロス状で構成した態様を示す。ダスト源の付着防止の点からは、上記した図７（ｄ）の態様と同様に、突起９ｃと、９ｄとのクロス部分の形成を回避した図８（ｂ）の形状が好ましい。

この図７（ｄ）の態様において、突起９ｃと、突起９ｄとのギャップの幅ｍは、この間の部分への薄膜形成を回避する（すなわち、ダスト源の形成を回避する）点からは、２ｍｍ以上であることが好ましく、更には５ｍｍ以上であることが好ましい。他方、表面波プラズマの発生防止の効率の点からは、このギャップの幅ｍは、１５ｍｍ以下であることが好ましく、更には１０ｍｍ以下であることが好ましい。

（クロス状突起の配置の例）
図９および図１０は、それぞれ、クロス状突起の配置の例を示す模式平面図である。図９を参照して、この態様においては、誘電体５全体のサイズを横Ａ、縦Ｂとした場合に、横方向の突起９の間隔ｄ１は１／２Ａ以下であることが好ましい。すなわち、この横方向に突起９が２本以上あることが好ましい。他方、縦方向の突起９の間隔ｄ２は１／２Ｂ以下であることが好ましい。すなわち、この縦方向にも、突起９が２本以上あることが好ましい。

図１０を参照して、この態様においては、誘電体５全体の半径をＲとした場合に、リング状の突起９ｄは１本以上あることが好ましい。このリング９ｄの位置は、チャンバ半径Ｒの中間位置よりチャンバ壁面側にあること（すなわち、ｒ≧（１／２）×Ｒであること）が好ましい。他方、径方向の突起９ｃは３本以上であることが好ましい。この突起９ｃの間隔は、ほぼ等間隔であることが好ましい。

（突起の相互接続）
図１１（ａ）は、必要に応じて、突起９を相互に接続した態様の一例を示す模式平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面を示す模式平面図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す模式平面図である。

この図１１に示すように、面内にクロス状の突起９を配置する場合には、成膜性のガスを使用しない場合には、これらのクロス状の突起９は部分的に相互接続されていてもよい。なお、上述したように、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）における曲面形状は、成膜性のガスを使用しない場合には、省略可能である。

以上、本発明の好ましい態様を説明したが、このような態様は、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置１００は電子サイクロトロン共鳴の利用を妨げるものではないため、所定の磁場を発生させるコイルなどを有してもよい。また、本態様のマイクロ波プラズマ処理装置１００はプラズマ処理装置として説明されているが、マイクロ波プラズマ処理装置１００は半導体ウェハＷをエッチングしたりクリーニングしたりする場合にも使用することができることはいうまでもない。更に、本発明で処理される被処理体は半導体ウェハに限られず、ＬＣＤ（液晶デバイス）用基材などを含むものである。

本発明のプラズマ処理装置の一態様を示す模式断面図である。 従来の表面波伝播抑制型のプラズマ処理装置の一例を示す模式断面図である。 本発明のプラズマ処理装置における誘電体の突起の形状の一例を示す模式断面図である。

本発明のプラズマ処理装置における誘電体の突起の角部を曲面化した態様の例を示す模式断面図である。 本発明のプラズマ処理装置において、シール部材近傍のプラズマ処理室壁を曲面化した態様の一例を示す模式断面図である。 本発明において、突起を円周方向に設けた態様の一例を示す模式平面図および模式断面図である。

本発明において、突起をクロス形状に設けた態様の一例を示す模式平面図である。 本発明において、突起を径方向および円周方向に設けた態様の一例を示す模式平面図である。 本発明におけるクロス突起の配置位置の一例を示す模式平面図である。

本発明におけるクロス突起の配置位置の一例を示す模式平面図である。 本発明におけるクロス突起の相互接続の一例を示す模式平面図である。

Claims (11)

1. 被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と、
   該プラズマ処理室にマイクロ波を案内するためのアンテナ手段と、
   前記プラズマ処理室と、アンテナ手段との間に配置された円形の誘電体部材とを少なくとも含むプラズマ処理装置であって；
   前記誘電体部材が、そのプラズマ処理室内部側の表面に突起を有し、且つ、
   前記突起が、下記式で定義される、前記プラズマ処理装置により発生すべきプラズマのシース幅ｓ以上の最大高さ（ｈ）を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
   

   

   （式中、ρ：直流シースの場合のシース巾、ε_ｏ：真空中の誘電率、Ｒ：ボルツマン定数、Ｔ_ｅ：電子温度、Ｖ：シース電位、ｎ_ｉ：イオン密度）
2. 前記突起の最大高さ（ｈ）が、前記プラズマのシース幅ｓの１．５倍以上である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記突起の幅（ｄ）が、発生が予想される表面波の波長の１／２以上で、且つチャンバ径（Ｌ）の１／２以下である請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記アンテナ手段が、複数のスロットを有する平面アンテナ（ＲＬＳＡ）部材を含む請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記誘電体部材のプラズマ処理室内部側が、鏡面研磨されている請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記誘電体部材のプラズマ処理室内部側における、各角状の部分および複数の部材が交叉する部分（クロス部）が曲面の表面を有する請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記突起が、誘電体部材の円周方向および／又は半径方向に設けられる請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記突起が、誘電体部材の縦横方向および／又は半径方向に設けられた「クロス」の構成を有する請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記突起の「クロス」部分が十字型の形状を有する請求項７または８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記突起の「クロス」部分の形成が回避されている請求項７または８に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記突起が複数存在し、且つ、該突起の少なくとも一部が相互に接続されている請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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