JP2008124497A

JP2008124497A - プラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法

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Publication number: JP2008124497A
Application number: JP2008007747A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Higashiura; 勉東浦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP4704445B2

Abstract

【課題】電気回路を物理的に、あるいは電気的に安定して取付可能とする。
【解決手段】マッチングボックス２０には、接触器２３の差込口である接触器差込部２２が設けられている。マッチングボックス２０を真空容器２の側面外壁に固定すると、給電棒１９との間の空間的な余裕を持たせた状態で位置決めされる。この後、接触器２３を接触器差込部２２に差し込むことで、外部の回路と給電棒１９との電気的接触が確立される。
【選択図】図３

Description

この発明は、プラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法に関する。

半導体基板等の製造プロセスでは、プラズマを用いてこれらの基板に表面処理を施すプラズマ処理装置が使用されることがある。プラズマ処理装置としては、例えば、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）処理を施す装置等が知られている。プラズマ処理装置の中でも、平行平板型のプラズマ処理装置は、処理の均一性に優れ、また、装置構成も比較的簡易であることから、広く使用されている。
こうしたプラズマ処理装置には、基板の表面処理が行われる真空容器内に、高周波電力を供給して原料ガス等をプラズマ化するための電極が設けられている。

また、電極に繋がる給電棒と外部の電気回路とを電気的に接続するため、マッチングボックスに配置された接触子を給電棒に嵌合させる場合がある。この場合、従来では、例えば図８に示すように、マッチングボックス７０と給電棒７１とを結合するための接触子７０ａが、当初からマッチングボックス７０の外部に突設されていた。取付けの際には、接触子７０ａを給電棒７１に設けられた嵌合穴７１ａに嵌め込んだ後、マッチングボックス７０本体を真空容器の外壁に設けられたフレーム等にネジ止めして固定する。

インピーダンス整合器及びこれを収容したマッチングボックスは、メンテナンスや電気特性の修正などのために、プラズマ処理装置本体に対する取付けや取外しがしばしば行われることがある。

ここで、マッチングボックスに突設された接触子を給電棒に嵌合させて結合する場合には、接触子の嵌め込みをマッチングボックスのネジ止めよりも先に行わなければならなくなる。マッチングボックスは、一般に１０ｋｇ〜２０ｋｇ程度とかなりの重量があるため、接触子を正確に給電棒に差し込むことが困難であった。さらに、マッチングボックスをネジ止めするまでの間は、重いマッチングボックスを適切に支持しておかなければ、給電棒に強い圧迫が加わることになる。このため、マッチングボックスと給電棒とを結合する接触子や給電棒自体が破壊されやすいという問題があった。

この発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、電気回路を物理的に安定して取付可能なプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法を、提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明に係るプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法は、
プラズマ化したガスを用いて基板を処理するための真空容器と、
前記真空容器内に配置されるプラズマ生成用電極と、
前記プラズマ生成用電極に供給される高周波電力を生成する高周波電源と、
前記高周波電源にて生成された高周波電力を前記プラズマ生成用電極に伝送する給電棒と、
前記プラズマ生成用電極側への入力インピーダンスと前記高周波電源の出力インピーダンスとを整合させるための整合回路を有するマッチングボックスと、
前記整合回路における高周波電力の出力端と、前記給電棒における高周波電力の入力端との電気的接触を確立する接触器とを備えるプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法であって、
前記整合回路と前記給電棒との電気的接触が確立しない状態で、前記給電棒と前記マッチングボックスとの位置決めを行う位置決め工程と、
前記位置決め工程にて前記給電棒と前記マッチングボックスとの位置決めが完了した後に、前記接触器により前記整合回路と前記給電棒との電気的接触を確立する接触確立工程とを備える、ことを特徴とする。

前記位置決め工程は、前記マッチングボックスを前記真空容器の外壁に取り付けることにより、前記給電棒と前記マッチングボックスの位置決めを完了する。

前記マッチングボックスは、前記接触器を差し込み可能な差込口を備え、
前記接触確立工程は、前記位置決め工程にて前記マッチングボックスが前記真空容器の外壁に取り付けられた後に、前記差込口に前記接触器を差し込むことにより、前記整合回路と前記給電棒との電気的接触を確立する。

前記プラズマ処理装置は、前記真空容器内で処理される基板を加熱するヒータを備え、
前記接触確立工程は、前記接触器により、商用電源から供給される電力を前記ヒータに提供するための電気的接触を確立する。

この発明によれば、電気回路を物理的に安定して取り付けることができる。

以下に、図面を参照して、この発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置について詳細に説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１の構成の一例を示す図である。
このプラズマ処理装置１は、上下平行に対向する電極を有する、いわゆる平行平板型プラズマ処理装置として構成され、半導体ウェハ（以下、ウェハＷと称する）の表面に例えばＳｉＯ_２膜等を成膜する機能を有する。

図１を参照して、プラズマ処理装置１は、円筒形状の真空容器２を備えている。真空容器２は、アルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウム等の導電性材料からなる。また、真空容器２は、接地されている。

真空容器２の底部には、排気管３が接続されており、この排気管３はポンプ４に繋がっている。ポンプ４は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）などからなる排気装置であり、真空容器２内が所定の圧力となるまで排気することができる。

真空容器２の下部中央には、ウェハＷを載置するためのサセプタ８が設けられている。図２は、真空容器２の下部に設けられたサセプタ８等の構成の一例を示す図である。サセプタ８は例えば円柱状に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなり、上部表面に静電チャック１０が載置固定され、真空容器２内の処理空間にプラズマを生成するための下部電極として機能する。

静電チャック１０は、例えばポリイミドフィルムからなる上下２枚の絶縁層間に、例えば銅箔板等の導電性シート１０ａを介在配置することにより構成され、クーロン力によってウェハＷを吸着固定する。

サセプタ８の中には、ウェハＷを所定の温度に加熱するためのヒータ１１が設けられている。また、冷媒を循環させる冷却ジャケット１２が、ヒータ１１との間に伝熱板１５を挟んで設けられている。冷却ジャケット１２には、導入管１３と排出管１４とが接続されており、導入管１３から供給された冷媒が冷却ジャケット１２を通って排出管１４から排出される。サセプタ８の底面は真空容器２の内壁の一部であるグランド部材２ａにより支持されている。

サセプタ８には、例えば内部導体棒１６、１７ａ、１７ｂ及び外部導体管１８が接続されている。これにより、サセプタ８は、第１の高周波電源５０にて生成された高周波電力を受け、真空容器２内のウェハＷにプラズマを引き込むための下部電極として機能する。

内部導体棒１６は、静電チャック１０が備える導電性シート１０ａに接続されており、第１の高周波電源５０にて生成された高周波電力及び直流電源５２にて生成された直流電力を伝送する。内部導体棒１７ａ、１７ｂはヒータ１１に接続されており、商用電源５３から供給された商用周波数の電力を伝送する。

図１に示すように、サセプタ８と第１の高周波電源５０、直流電源５２及び商用電源５３との間には、整合回路部２１を備えたマッチングボックス２０が配設されている。給電棒１９は真空容器２の側面外壁に引き出されており、その周縁はマッチングボックス２０を取付可能に構成されている。

図３（ａ）はマッチングボックス２０の構成の一例を示す正面図である。図示するように、マッチングボックス２０は整合回路部２１と、接触器差込部２２とを備え、第１の高周波電源５０や、ＬＰＦ（Low Pass Filter）等からなるフィルタ回路５５を介挿した直流電源５２、商用電源５３等に接続されている。

整合回路部２１は、第１の高周波電源５０側の出力インピーダンスと、下部電極であるサセプタ８側への入力インピーダンスとをマッチングさせるためのものである。また、整合回路部２１は、第１の高周波電源５０から受けたプラズマ引込用の電圧を、フィルタ回路５５を介して直流電源５２から受けた直流電圧に重畳させて出力する。

接触器差込部２２は、内部配線がモジュール化された接触器２３の差込口であり、その最奥部には、給電棒１９を裏側から引出可能な開口としての給電棒引出部２４が設けられている。また、接触器差込部２２には、接触器２３に格納された各配線の引出端子と接触することで給電棒１９との電気的結合を確立する電極２５が、所定位置に配置されている。

より具体的に、電極２５は、例えば、接触器２３の差込により内部導体棒１６に繋がる第１の電極２５ａと、外部導体管１８に繋がる第２の電極２５ｂと、内部導体棒１７ａ、１７ｂに繋がる第３及び第４の電極２５ｃ、２５ｄとを備えている。第１及び第２の電極２５ａ、２５ｂは、整合回路部２１に接続されて整合回路部２１の出力端として機能し、直流電圧に重畳されて伝送されるプラズマ引込用の電圧を静電チャック１０に供給可能とする。但し、外部導体管１８に繋がる第２の電極２５ｂは接地されている。第３及び第４の電極２５ｃ、２５ｄは、商用電源５３に接続されており、ヒータ１１に商用周波数の電力を供給可能とする。なお、商用電源５３との間には、高周波電力の回り込みを防止するためのＬＰＦ等からなるフィルタ回路が設けられていてもよい。

図３（ｂ）は、接触器２３の内部に配置されて給電棒１９と電極２５とを繋ぐ配線３０の一例を示す図である。図３（ｂ）に示す接触器２３には、配線３０ａ〜３０ｄが３次元回路として内蔵されている。配線３０ａは、内部導体棒１６に接触するべく露設された引出端子３１ａ−１と、第１の電極２５ａに接触するべく露設された３１ａ−２に接続されている。配線３０ｂは、外部導体管１８に接触するべく露設された引出端子３１ｂ−１と、第２の電極２５ｂに接触するべく露設された引出端子３１ｂ−２に接続されている。配線３０ｃは、内部導体棒１７ａに接触するべく露設された引出端子３１ｃ−１と、第３の電極２５ｃに接触するべく露設された引出端子３１ｃ−２に接続されている。配線３０ｄは、内部導体棒１７ｂに接触するべく露設された引出端子３１ｄ−１と、第４の電極２５ｄに接触するべく露設された引出端子３１ｄ−２に接続されている。

図１に示すサセプタ８上のウェハＷの載置面と対向する真空容器２の天井部には、多数のガス吐出孔を備えたシャワーヘッド５が設けられている。シャワーヘッド５の周縁はボルト等により固定され、環状に形成された絶縁部材６でカバーされている。絶縁部材６は、例えば表面にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）系セラミックスといった高い耐食性を有する絶縁被膜処理が施された石英などから構成される。

図４は、真空容器２の上部の構成の一例を詳細に示す図である。シャワーヘッド５の上方には、例えば２枚の拡散板７ａ、７ｂが配置されており、その上部に繋がれたガス管２６ａ、２６ｂからプラズマ生成用ガスや原料ガス等が供給される。ガス管２６ａ、２６ｂを含めたガス管２６は、図１に示すように、バルブ２７やＭＦＣ（マスフローコントローラ）２８等を経由してガス供給源２９に接続されており、例えば、ＳｉＨ_４、Ｏ_２といった原料ガスや、Ａｒガス等のプラズマ生成用ガスなどを、シャワーヘッド５から真空容器２内に供給可能とする。なお、ガス管２６、バルブ２７、ＭＦＣ２８及びガス供給源２９は、真空容器２内に提供するガスの種類に合わせて適宜複数設けられるが、説明を簡単にするため、図１ではそれぞれ１つずつ示している。また、拡散板７ａ、７ｂの枚数や構成は、ガス供給源２９から供給されるガスの種類等に応じて適宜変更可能である。

また、拡散板７ｂの上面中央部には、給電棒３２がネジ止め等により結合されて固定されており、第２の高周波電源５１にて生成された高周波電力をシャワーヘッド５に供給することで、真空容器２内に原料ガス等のプラズマを生成するための上部電極として機能させる。

真空容器２の上方には、シールドボックス３３を介してインピーダンス整合器３４が載置されている。インピーダンス整合器３４は、第２の高周波電源５１側の出力インピーダンスと、上部電極であるシャワーヘッド５側への入力インピーダンスとをマッチングさせるためのものであり、給電棒３２を嵌め込んで固定するためのソケット４０を備えている。

図５は、ソケット４０と給電棒３２との嵌込部分を詳細に示す図である。ソケット４０は、円筒形状に成形された金属体４０ａの中心部に、給電棒３２を嵌め込んで保持するための嵌込孔４１を備えている。嵌込孔４１の内壁には、例えばポリテトラフルオロエチレン［テフロン（登録商標）］等のフッ素樹脂といった、絶縁物からなる被膜層４２が設けられている。即ち、給電棒３２とソケット４０との間は、電気的に絶縁されており、誘導結合により、交流成分の電力のみを給電棒３２側に伝達するべく構成されている。また、ソケット４０は、インピーダンスのリアクトル成分を補償するため、また、直流成分を絶縁するための容量Ｃ１を介して接地され、嵌込孔４１に嵌め込まれた給電棒３２は、容量Ｃ２を介して接地される。

以下に、この発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１の動作を説明する。
このプラズマ処理装置１によりウェハＷを処理するため、真空容器２の上方にシールドボックス３３及びインピーダンス整合器３４を載置する。この際、拡散板７ｂに繋がる給電棒３２は、インピーダンス整合器３４の出力部分に設けられたソケット４０の嵌込孔４１に、被膜層４２が介在した状態で嵌め込まれる。

また、真空容器２の側面外壁にマッチングボックス２０をネジ止めにより固定する。マッチングボックス２０は、図６に示すように、接触器差込部２２の最奥部やフレームなどに設けられたネジ穴にてネジ止めすることにより、サセプタ８に繋がる給電棒１９との間の空間的な余裕を持たせた状態で、真空容器２の側面外壁に固定される。この際、給電棒１９は、給電棒引出部２４から接触器差込部２２に引き出されて位置決めされた状態で露設される。マッチングボックス２０が真空容器２の側面外壁に固定された後、接触器２３を接触器差込部２２に差し込むことで、整合回路部２１などからなる外部の回路と、給電棒１９との電気的接触が確立される。

こうしてマッチングボックス２０やインピーダンス整合器３４の取付が完了すると、図示せぬロードロック室からウェハＷを搬入してサセプタ８上に載置する。このとき、直流電源５２にて生成された直流電圧を静電チャック１０の導電性シート１０ａに印加することにより、ウェハＷを吸着保持させる。続いてポンプ４を駆動し、真空容器２の内部を所定の真空度まで真空引きする。所定の真空度に達するとバルブ２７を開き、ガス供給源２９から供給される所定のガス、例えばＡｒガスといったプラズマ生成用ガス等をＭＦＣ２８により流量を制御しつつガス管２６に導き、シャワーヘッド５により真空容器２内に供給して所定の圧力に維持する。

また、真空容器２内をヒータ１１により加熱し、ガス供給源２９から所定の原料ガス、例えばＳｉＨ_４ガスやＯ_２ガスといった処理ガスを投入する。ヒータ１１は、例えばウェハＷの温度が４００℃〜６００℃内で所定のプロセス温度となるように、真空容器２内を加熱する。

第１及び第２の高周波電源５０、５１を起動して高周波電力の供給を開始し、原料ガス等をプラズマ分解してウェハＷ上に積層膜を堆積させる。ここで、第１の高周波電源５０は、ウェハＷにイオンを吸引するために負のバイアス電圧を印加する。この第１の高周波電源５０の周波数は、真空容器２内のプラズマイオンの振動周波数等に基づいて決定され、約１０ＭＨｚを最高とし、好ましくは２ＭＨｚ程度に設定する。第２の高周波電源５１は、例えば２７ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ内で所定の周波数、好ましくは６０ＭＨｚの周波数を有する高周波電力を生成して出力する。

拡散板７ｂに繋がる給電棒３２とソケット４０は、それぞれに流れる交番電流によって形成される磁界の方向が一致するように配置されている。例えば、第２の高周波電源５１から伝送された高周波電力によりソケット４０内に交番電流が流れ、給電棒３２の周方向に同心円状の磁界が形成されたとする。この場合、給電棒３２に誘導起電力が生じ、上部電極であるシャワーヘッド５に高周波電力が伝送される。

即ち、インピーダンス整合器３４の出力部分は、図７に示すトランスＴ１と等価な電気的特性を示し、第２の高周波電源５１から供給された高周波電力を、給電棒３２を通じて上部電極であるシャワーヘッド５に伝送することができる。ここでは、ソケット４０がトランスＴ１の一次巻線に相当し、給電棒３２がトランスＴ１の二次巻線に相当する。また、図７に示すプラズマ負荷６０は、給電棒３２及びシャワーヘッド５のインピーダンスや、真空容器２内の処理空間に発生したプラズマのインピーダンス等を含んでいる。

このように、ソケット４０と給電棒３２との間は、被膜層４２によって絶縁されていることから、そもそも接触抵抗を考慮する必要がなく、電気的に安定した特性で第２の高周波電源５１からの高周波電力を伝送することができる。

例えば、原料ガスとしてＳｉＨ_４ガスとＯ_２ガスが供給された場合、真空容器２内の処理空間では、これらのガスがイオン化して、ウェハＷ上にＳｉＯ_２膜が堆積する。積層膜の堆積が終了すると、放電電力の供給、原料ガスの導入、真空容器２内の加熱をそれぞれ停止し、真空容器２内を充分にパージして冷却した後、ウェハＷを取り出す。

以上説明したように、この発明によれば、真空容器２の側面外壁にマッチングボックス２０を取り付ける際に、給電棒１９との間に余裕を持たせた状態で固定して位置決めした後、接触器差込部２２に接触器２３を差し込むことで外部の回路との電気的接触が確立される。これにより、マッチングボックス２０を取り付ける際に給電棒１９との結合部分にかかる圧迫を軽減することができ、給電棒１９や接触器２３の破壊を防止して、外部の回路を物理的に安定して取り付けることができる。

また、この発明によれば、インピーダンス整合器３４の出力部分に設けられたソケット４０において、絶縁物からなる被膜層４２が介在した状態で、嵌込孔４１に給電棒３２が嵌め込まれる。これにより、給電棒３２の嵌込部分での接触抵抗を考慮する必要がなく、一方、高周波電力は誘導結合により上部電極側に伝達されるので、インピーダンス整合器３４等の回路を電気的に安定して取り付けることができる。

この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形及び応用が可能である。例えば、上記実施の形態では、上部電極に繋がる給電棒３２を嵌め込むソケット４０に被膜層４２を設けるものとして説明したが、これに限定されるものではない。即ち、下部電極であるサセプタ８に繋がる給電棒１９において、ソケット４０と同様に構成されたソケットを用いて複数の金属体を結合するようにしてもよい。この場合、直流電源５２が出力する直流電圧については、給電棒１９との電気的接触により伝送するものとし、ソケットには第１の高周波電源５０にて生成された高周波電力等を供給するようにすればよい。

また、接触器２３の構成は、下部電極であるサセプタ８等に電力を供給する電源の種類などに応じて任意に変更可能であり、給電棒１９と外部の回路との適切な電気的接触を確立するための引出端子、電極が配置され、配線が施されたものを用いることができる。

プラズマ処理装置１の構成も任意に変更可能であり、例えば、真空容器２の周囲に所定の磁場を発生させるためのコイルや永久磁石などを有し、電子サイクロトロン共鳴等を利用してウェハＷを処理するものであってもよい。
また、この発明は、プラズマＣＶＤ処理を行うプラズマ処理装置に限定されるものではなく、シャワーヘッドやサセプタに高周波電力を供給し、半導体ウェハやＬＣＤ基板、太陽電池基板のような被処理体をプラズマ処理する装置であれば、エッチング装置、アッシング装置等にも適用することができる。

この発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す図である。真空容器の下部に設けられたサセプタ等の構成の一例を示す図である。（ａ）はマッチングボックスの構成の一例を示す正面図であり、（ｂ）は接触器の内部配線の一例を示す図である。真空容器の上部の構成の一例を示す図である。ソケットと給電棒との嵌込部分を詳細に示す図である。マッチングボックスを取り付ける動作を説明するための図である。第２の高周波電源からシャワーヘッドに高周波電力を伝送する経路の等価回路を示す図である。従来のマッチングボックスについて説明するための図である。

符号の説明

１プラズマ処理装置
２真空容器
３排気管
４ポンプ
５シャワーヘッド
８サセプタ
１０静電チャック
１１ヒータ
１９、３２、７１給電棒
２０、７０マッチングボックス
２１整合回路部
２２接触器差込部
２３接触器
３４インピーダンス整合器
４０ソケット
４１嵌込孔
４２被膜層
５０、５１高周波電源
５２直流電源
５３商用電源
Ｃ１、Ｃ２容量

Claims

プラズマ化したガスを用いて基板を処理するための真空容器と、
前記真空容器内に配置されるプラズマ生成用電極と、
前記プラズマ生成用電極に供給される高周波電力を生成する高周波電源と、
前記高周波電源にて生成された高周波電力を前記プラズマ生成用電極に伝送する給電棒と、
前記プラズマ生成用電極側への入力インピーダンスと前記高周波電源の出力インピーダンスとを整合させるための整合回路を有するマッチングボックスと、
前記整合回路における高周波電力の出力端と、前記給電棒における高周波電力の入力端との電気的接触を確立する接触器とを備えるプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法であって、
前記整合回路と前記給電棒との電気的接触が確立しない状態で、前記給電棒と前記マッチングボックスとの位置決めを行う位置決め工程と、
前記位置決め工程にて前記給電棒と前記マッチングボックスとの位置決めが完了した後に、前記接触器により前記整合回路と前記給電棒との電気的接触を確立する接触確立工程とを備える、
ことを特徴とするプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法。
前記位置決め工程は、前記マッチングボックスを前記真空容器の外壁に取り付けることにより、前記給電棒と前記マッチングボックスの位置決めを完了する、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法。
前記マッチングボックスは、前記接触器を差し込み可能な差込口を備え、
前記接触確立工程は、前記位置決め工程にて前記マッチングボックスが前記真空容器の外壁に取り付けられた後に、前記差込口に前記接触器を差し込むことにより、前記整合回路と前記給電棒との電気的接触を確立する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法。
前記プラズマ処理装置は、前記真空容器内で処理される基板を加熱するヒータを備え、
前記接触確立工程は、前記接触器により、商用電源から供給される電力を前記ヒータに提供するための電気的接触を確立する、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のプラズマ処理装置におけるマッチングボックスの取り付け方法。