JP2007194257A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理容器の側壁側より処理空間に向けてマイクロ波を導入することにより、天井から離れた処理空間の中心側に密度が均一な状態でプラズマを形成することが可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空引き可能になされた処理容器２４と、被処理体Ｗを載置するために前記処理容器内の処理空間Ｓに設けられた載置台３４と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段６６と、前記処理容器の側壁であって前記処理空間の周囲を囲むようにして設けられたマイクロ波導入窓７６と、前記マイクロ波導入窓に沿って設けられたマイクロ波導入手段８０とを備える。これにより、天井から離れた処理空間の中心側に密度が均一な状態でプラズマを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。

近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１ｍＴｏｒｒ（１３．３ｍＰａ）〜数Ｔｏｒｒ（数百Ｐａ）程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図９を参照して概略的に説明する。図９は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

図９において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状のアルミナや窒化アルミや石英等よりなる天板８を気密に設けている。
そして、この天板８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、この平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる波長短縮板１２を設置している。この波長短縮板１２の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路が形成された天井冷却ジャケット１４が設けられており、波長短縮板１２等を冷却するようになっている。そして、平面アンテナ部材１０には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるスロット１６が形成されている。

このスロット１６は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１８の内部導体２０を接続して図示しないマイクロ波発生器より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝搬させつつ平面アンテナ部材１０に設けたスロット１６からマイクロ波を放出させてこれを天板８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて半導体ウエハＷにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。

特開平３−１９１０７３号公報 特開平５−３４３３３４号公報 特開平９−１８１０５２号公報 特開平５−３４５９８２号公報

ところで、上記したようなプラズマ処理装置を用いて、成膜やエッチング等のプラズマ処理を行う場合には、処理空間にプラズマを略均一に分布させて処理のウエハ面内均一性を特に高く維持する必要があり、しかもプラズマ処理をできるだけ効率的に行うために、処理空間Ｓの高さ方向の略中央部分においてプラズマ密度を集中させることが望まれる。

しかしながら、上記平面アンテナ部材１０のスロット１６から下方向へ放射されるマイクロ波は、放射距離が大きくなればなる程減衰するので、天板８の下面直下の領域でマイクロ波が強くなり、この結果、この天板８の下面に近い部分においてプラズマ強度が特に大きくなる。
このため、例えばプラズマ成膜処理等のように薄膜を堆積させるために分解性ガスを用いるような場合には、この分解性ガスが天板８の下面の近傍でより多く分解が促進されるので、半導体ウエハの表面に薄膜が堆積する他にもこの天板８の下面にもパーティクルの発生原因となる反応生成物や反応副生成物等の不要な薄膜が多く堆積してしまう、という問題があった。

上記天板８の下面に不要な薄膜が堆積することを防止するために、この天板８自体を加熱媒体により加熱して付着物を落としたり、或いはウエハを１枚成膜処理する毎にドライクリーニングを行ったりしたが、この場合には、余分な処理を行うことから、スループットが低下してしまう、といった問題があった。
また上記問題をなくすために、特許文献４に開示されているように、プラズマ発生室と成膜室とを上下に分けるように形成し、いわばリモートプラズマ方式の構造としているが、この場合には装置自体が大型化する、という新たな問題があった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理容器の側壁側より処理空間に向けてマイクロ波を導入することにより、天井から離れた処理空間の中心側に密度が均一な状態でプラズマを形成することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器内の処理空間に設けられた載置台と、前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、前記処理容器の側壁であって前記処理空間の周囲を囲むようにして設けられたマイクロ波導入窓と、前記マイクロ波導入窓に沿って設けられたマイクロ波導入手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。

このように、処理容器の側壁に設けたマイクロ波導入窓からマイクロ波導入手段によりマイクロ波を処理空間に向けて導入するようにしたので、処理容器の天井から離れた処理空間の中心側に密度が均一な状態でプラズマを形成することができる。
従って、プラズマは処理容器の壁面から離れた位置で形成されることになるので、処理容器の天井面や側壁面に不要な薄膜が堆積することを防止でき、この結果、クリーニングの頻度を少なくできるので、その分、スループットを向上させることができる。

この場合、請求項２に規定するように、前記マイクロ波導入窓は、前記処理容器の周方向に沿って支柱を介して複数個設けられている。
また例えば請求項３に規定するように、前記マイクロ波導入手段は、前記マイクロ導入窓を臨む面にマイクロ波を放射する複数のスロットが形成されたマイクロ波放射用の矩形導波管と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器とを有する。
また例えば請求項４に規定するように、前記複数のスロットは、僅かに離間されて略Ｔ字状に配置された２つのスロットで一組を形成し、該一組を形成する２つのスロットは、マイクロ波を円偏波状態で放射するように配置されている。

また例えば請求項５に規定するように、前記一組を形成する２つのスロットの中心間の距離は、前記マイクロ波放射用の矩形導波管内を伝搬するマイクロ波の波長の１／４波長の長さに設定されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記マイクロ波放射用の矩形導波管内には、これに伝搬するマイクロ波の波長を短縮する波長短縮材が設けられる。
また例えば請求項７に規定するように、前記マイクロ波放射用の矩形導波管は、前記処理容器の側壁を囲むようにリング状に形成されている。
また例えば請求項８に規定するように、前記載置台は、前記処理容器に対して上下方向へ移動可能に設けられる。
また例えば請求項９に規定するように、前記ガス供給手段は、前記処理容器の天井部に設けられたシャワーヘッド部よりなる。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
処理容器の側壁に設けたマイクロ波導入窓からマイクロ波導入手段によりマイクロ波を処理空間に向けて導入するようにしたので、処理容器の天井から離れた処理空間の中心側に密度が均一な状態でプラズマを形成することができる。
従って、プラズマは処理容器の壁面から離れた位置で形成されることになるので、処理容器の天井面や側壁面に不要な薄膜が堆積することを防止でき、この結果、クリーニングの頻度を少なくできるので、その分、スループットを向上させることができる。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面図、図２はマイクロ導入手段の矩形導波管を示す斜視図、図３は矩形導波管のスロットを示す拡大平面図、図４は処理容器内から側壁のマイクロ波導入窓を見たときの状態を示す図、図５は処理容器の側壁部分の一部を示す概略断面図であり、図４中のＡ−Ａ線矢視断面図を示している。図示するように、このプラズマ処理装置２２は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器２４を有している。この処理容器２４は接地され、この底部２６には排気口２８が設けられて、スロットルバルブ３０を介して真空ポンプ３２により真空引き可能になされている。

この処理容器２４内の処理空間Ｓには、円板状の載置台３４が設けられ、この上面に例えば直径が３００ｍｍサイズの半導体ウエハＷを載置して保持できるようになっている。この載置台３４は、この下面の中心部より下方へ延びる支柱３６により支持されており、この支柱３６の下部は、上記容器底部２６を貫通している。そして、この支柱３６は、図示しない昇降機構により上下移動可能になされており、上記載置台３４自体を昇降できるようにしている。

上記支柱３６を囲むようにして伸縮可能になされた蛇腹状の金属ベローズ３８が設けられており、この金属ベローズ３８は、その上端が上記載置台３４の下面に気密に接合され、また下端が上記底部２６の上面に気密に接合されており、処理容器２４内の気密性を維持しつつ上記載置台３４の昇降移動を許容できるようになっている。また容器底部２６には、これより上方に向けて例えば３本（図示例では２本のみ記す）の支持ピン４０が起立させて設けられており、また、この支持ピン４０に対応させて上記載置台３４にピン挿通孔４２が形成されている。

従って、上記載置台３４を降下させた際に、上記ピン挿通孔４２を貫通した支持ピン４０の上端部でウエハＷを受けて、このウエハＷを外部より侵入する図示しない搬送アームとの間で移載ができるようになっている。このため、処理容器２４の下部側壁には、上記搬送アームを侵入させるために開閉可能になされたゲートバルブ４４が設けられている。

また、上記載置台３４の全体は耐熱材料、例えばアルミナ等のセラミックにより構成されており、このセラミック中に加熱手段４６が設けられる。この加熱手段４６は、載置台３４の略全域に亘って埋め込まれた抵抗加熱ヒータ４８を有しており、この抵抗加熱ヒータ４８は、上記支柱３６内を通る配線５０を介してヒータ電源５２に接続されている。

また、この載置台３４の上面側には、内部に例えば網目状に配設された導体線５４を有する薄い静電チャック５６が設けられており、この載置台３４上、詳しくはこの静電チャック５６上に載置されるウエハＷを静電吸着力により吸着できるようになっている。そして、この静電チャック５６の上記導体線５４は、上記静電吸着力を発揮するために配線５８を介して直流電源６０に接続されている。またこの配線５８には、必要に応じて例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電力を上記静電チャック５６の導体線５４へ印加するためにバイアス用高周波電源６２が接続されている。

また、処理容器２４の天井部には、上記載置台３４との間で処理空間Ｓを挟んで、ガス供給手段６４が設けられている。具体的には、このガス供給手段６４は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金よりなるシャワーヘッド部６６よりなり、この下面に設けた多数のガス噴射孔６８より、処理に必要な所定の処理ガスを流量制御しつつ処理空間Ｓの全面へ供給できるようになっている。

そして、上記処理容器２４の側壁２４Ａには、上記処理空間Ｓの周囲を囲むようにして、その周方向に沿って長方形状の開口７２が支柱７４を介して複数個形成されている（図４及び図５参照）。換言すれば、上記支柱７４は窓枠の一部となっており、処理容器２４の上部と下部とは、上記支柱（窓枠）７４によって連結されている。このような開口７２は、例えば円筒状のアルミニウムブロック体から開口７２の部分を削り取ることによって形成することができる。
そして、この各開口７２の外側に、円弧状に成形されたマイクロ波導入窓７６が、その周囲に例えばＯリング等のシール部材７８を介して気密に取り付け固定されている。このマイクロ波導入窓７６は、例えば石英板や窒化アルミニウム等のセラミック板等よりなり、マイクロ波を透過できる材料により構成される。

上記開口７２の大きさは、図４に示すように、例えば長さＬ１が１５０ｍｍ程度、幅Ｗ１が８０ｍｍ程度にそれぞれ設定されており、図９に示す天板８よりその面積が小さいので、この開口７２を密閉する上記マイクロ波導入窓７６に加わる容器内外の圧力差による荷重は上記天板８よりも遥かに小さく、このマイクロ波導入窓７６の厚さを薄くすることができる。ここでは図５に示すように各マイクロ波導入窓７６を形成する例えば石英板は開口７２毎に分割されているが、これに限定されず、円周方向に更に長い円弧状の石英板を用いるようにしてもよい。

そして、上記処理容器２４の側壁には、上記処理空間Ｓの周囲を囲むようにして本発明の特徴とするマイクロ波導入手段８０が設けられている。具体的には、上記マイクロ波導入手段８０は、上記マイクロ波導入窓７６の外側を、処理容器２４の周方向に沿って設けられたマイクロ波放射用の矩形導波管８２と、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマイクロ波発生器８４とを有している。上記マイクロ波放射用の矩形導波管８２は、その断面が矩形状、或いは方形状になされており、全体としてリング状に形成されている（図２参照）。このリング状のマイクロ波放射用の矩形導波管８２が上記マイクロ波導入窓７６の外側に、これに接して取り付け固定されている。このマイクロ波放射用の矩形導波管８２の断面の大きさは、縦Ｌ２が例えば９〜１１ｃｍ程度、横Ｌ３が例えば５〜６ｃｍ程度（図１参照）に設定されている。

そして、このマイクロ波放射用の矩形導波管８２の内周側の区画壁８２Ａ、すなわち上記マイクロ波導入窓７６を臨む面には、マイクロ波を放射するための細長い孔状のスロット８６が、処理容器２４の周方向に沿って複数個形成されている。
上記各スロット８６は、図３及び図４にも示すように、僅かに離間されて略Ｔ字状に配置された２つのスロット８６で一組を形成しており、各スロット８６は、支柱７４と重ならないように開口７２を臨むように配置されている。

上記スロット８６の長さＬ４は、伝搬するマイクロ波の波長λｏ（λｏは大気中でのマイクロ波の波長）の１／２倍程度であり、ここでは例えば６０ｍｍ程度に設定され、幅Ｌ５は、ここでは例えば１０ｍｍ程度に設定されている。またスロット８６の組同士のピッチＰ１は特に限定されないが、例えば１５０ｍｍ程度である。
また、組を形成する２つのスリット８６同士は、上述したＴ字を形成するように互いに直交するような状態で配置されており、各スロット８６の中心間の距離Ｌ６（図３参照）は上記波長λｏの１／４倍（９０度）の大きさに設定されて、組を形成する両スロット８６から放射されるマイクロ波が円偏波状態で伝搬するようになっている。

そして、上述するようにリング状に形成されたマイクロ波放射用の矩形導波管８２からは、図２にも示すように接線方向に矩形導波管８８が延びており、この矩形導波管８８は、途中にマッチング回路９０が介設されて上記マイクロ波発生器８４に接続されている。これにより、例えばＴＥモードのマイクロ波を上記マイクロ波放射用の矩形導波管８２へ伝搬させるようになっている。

そして、このプラズマ処理装置２２の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段９２により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフロッピやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やフラッシュメモリ等の記憶媒体９４に記憶されている。具体的には、この制御手段９２からの指令により、各ガスの供給や流量制御、マイクロ波や高周波の供給や電力制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置２２を用いて行なわれるプラズマ処理方法について説明する。
まず、載置台３４を下方へ降下させた状態で処理容器２４のゲートバルブ４４を介して真空引き可能になされた処理容器２４内へウエハＷを搬入し、これを支持ピン４０上に支持させる。そして、この状態で載置台３４を上昇させると、この上面にウエハＷが受け渡され、このウエハＷが静電チャック５６により載置台３４の上面に吸着される。

そして、載置台３４上にウエハＷを載置した吸着固定したならば、所定の処理、例えば成膜処理を開始する。まず、このウエハＷは加熱手段４６により所定のプロセス温度に維持され、所定のガス、例えば成膜ガスをそれぞれ所定の流量で流してシャワーヘッド部６６より処理容器２４内へ供給し、スロットルバルブ３０を制御して処理容器２４内を所定のプロセス圧力に維持する。これと同時に、マイクロ波導入手段８０のマイクロ波発生器８４を駆動することにより、このマイクロ波発生器８４にて発生したＴＥモードのマイクロ波を、矩形導波管８８を介してマイクロ波放射用の矩形導波管８２内へ伝搬し、この伝搬してきたマイクロ波をこのマイクロ波放射用の矩形導波管８２の内周側の区画壁８２Ａに設けた各スロット８６から内側へ向け放射させる。この時の状態は図５及び図６に示されており、各スロット８６から放射されたマイクロ波Ｍは、マイクロ波導入窓７６を透過して開口７２を通過し、処理空間Ｓにその周方向から中心に向けて導入されることになる。

図６は処理空間Ｓに対するマイクロ波の伝搬状態を示す概略平面図である。すなわちＴＥモードのマイクロ波は、上記マイクロ波放射用の矩形導波管８２内を処理容器２４の周方向へ伝搬されつつ各スロット８６から処理空間Ｓの中心に向けて放射されることになる。この結果、処理空間Ｓにおいては、高さ方向において天井から離れた中心側に密度が高い状態で均一に分布されたプラズマを形成することができる。換言すれば、図９に示す従来装置では、天板８の裏面側が最もマイクロ波の強度が大きく、天板８から離れる程、マイクロ波は２次関数的に弱くなっていたが、本発明の場合には、処理空間Ｓの中心に向けてその周方向から集中的にマイクロ波Ｍを導入するようにしているので、処理空間Ｓの中心側におけるマイクロ波の強度を大きくし、この部分のプラズマ密度を高い状態で均一に分布させることができる。

従って、半導体ウエハＷに対して面内均一性が高い状態でプラズマ処理、例えば成膜処理を行うことができるのみならず、処理容器２４の天井面や側壁面等に反応生成物や反応副生成物よりなる不要な付着膜が堆積することを防止することがでる。
このため、クリーニング頻度を少なくできるので、その分、スループットを向上させるとがでる。また処理空間Ｓに導入されたマイクロ波を処理ガスの分解に対して効率的に利用することができるので、マイクロ波の電力の効率化を図ることができる。
また、マイクロ波放射用の矩形導波管８２の各スロット８６は２個ずつ組を形成し、この組を形成する２つのスロット８６から放射されるマイクロ波は円偏波状態となって伝搬されるようにしているので、処理空間Ｓに向けてマイクロ波を効率良く導入することができ、しかもプラズマ密度の均一性を更に向上させることができる。

更には従来装置で必要とされたモード変換器を用いる必要がなく、その分、設備コストを削減することができる。
また載置台３４を支持する支柱３６を僅かに上下動させて載置台３４の高さ調整を行うことにより、ウエハＷを処理空間Ｓ中のプラズマ条件が最良の位置に設定することができる。

尚、上記実施例においては、マイクロ波放射用の矩形導波管８２内を中空状態（大気圧）としたが、これに限定されず、図７に示すマイクロ波放射用の矩形導波管８２の変形例に示すように、このマイクロ波放射用の矩形導波管８２内に装置小型化のために例えばセラミック等の誘電体よりなる波長短縮材９８を設けて、これに伝搬するマイクロ波の波長を短縮させるようにしてもよい。このように波長短縮材９８を設けた場合には、マイクロ波の波長を基準として設定される各部の寸法は、この波長短縮材９８中におけるマイクロ波の波長により設定されるのは勿論である。

また、先に説明した実施例では、図２に示すようにマイクロ波放射用の矩形導波管８２に接続される矩形導波管８８は接線方向へ延びるように接続されているが、これに限定されず、図８に示すようにマイクロ波放射用の矩形導波管８２の他の変形例に示すように、矩形導波管８８を、マイクロ波放射用の矩形導波管８２に対して例えば直角に交わるように接続してもよい。
更に上記実施例では、プラズマ処理装置として成膜処理を行う装置を例にとって説明したが、これに限定されず、本発明は、エッチング処理、アッシング処理、スパッタ処理等を行うプラズマ処理装置にも適用することができる。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面図である。 マイクロ導入手段の矩形導波管を示す斜視図である。 矩形導波管のスロットを示す拡大平面図である。 処理容器内から側壁のマイクロ波導入窓を見たときの状態を示す図である。 処理容器の側壁部分の一部を示す概略断面図である。 処理空間に対するマイクロ波の伝搬状態を示す概略平面図である。 マイクロ波放射用の矩形導波管の変形例を示す図である。 マイクロ波放射用の矩形導波管の他の変形例す図である。 従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

符号の説明

２２ プラズマ処理装置
２４ 処理容器
３４ 載置台
６６ シャワーヘッド部（ガス供給手段）
７２ 開口
７４ 支柱
７６ マイクロ波導入窓
８０ マイクロ波導入手段
８２ マイクロ波放射用の矩形導波管
８４ マイクロ波発生器
８６ スロット
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (9)

1. 真空引き可能になされた処理容器と、
   被処理体を載置するために前記処理容器内の処理空間に設けられた載置台と、
   前記処理容器内へ所定のガスを供給するためのガス供給手段と、
   前記処理容器の側壁であって前記処理空間の周囲を囲むようにして設けられたマイクロ波導入窓と、
   前記マイクロ波導入窓に沿って設けられたマイクロ波導入手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波導入窓は、前記処理容器の周方向に沿って支柱を介して複数個設けら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。
3. 前記マイクロ波導入手段は、前記マイクロ導入窓を臨む面にマイクロ波を放射する複数のスロットが形成されたマイクロ波放射用の矩形導波管と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器とを有す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. 前記複数のスロットは、僅かに離間されて略Ｔ字状に配置された２つのスロットで一組を形成し、該一組を形成する２つのスロットは、マイクロ波を円偏波状態で放射するように配置されていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記一組を形成する２つのスロットの中心間の距離は、前記マイクロ波放射用の矩形導波管内を伝搬するマイクロ波の波長の１／４波長の長さに設定されていることを特徴とする請求項３または４記載のプラズマ処理装置。
6. 前記マイクロ波放射用の矩形導波管内には、これに伝搬するマイクロ波の波長を短縮する波長短縮材が設けられることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波放射用の矩形導波管は、前記処理容器の側壁を囲むようにリング状に形成されていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記載置台は、前記処理容器に対して上下方向へ移動可能に設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記ガス供給手段は、前記処理容器の天井部に設けられたシャワーヘッド部よりなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
   
   

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