JP2008147116A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】放電管に生成したプラズマから放電管の内壁が効果的に保護されるようにしたプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】放電管２１内にプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管２３を介してマイクロ波を照射し、放電管内にプラズマを発生させる。放電管の内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成されるように、プラズマ発生領域Ｐにプロセスガスを供給する。
【選択図】図２
【解決手段】放電管２１内にプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管２３を介してマイクロ波を照射し、放電管内にプラズマを発生させる。放電管の内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成されるように、プラズマ発生領域Ｐにプロセスガスを供給する。
【選択図】図２
Description
本発明は、放電管内を流れるプロセスガスにマイクロ波を照射し、放電管内にマイクロ波プラズマを発生させるようにしたプラズマ処理装置に関する。
プラズマ発生装置は、例えば、半導体製造プロセスにおいて用いられるＣＶＤ装置、エッチング装置やアッシング装置等に付設され、ＣＶＤ、エッチングやアッシング等の処理を行う処理室から離れた位置でマイクロ波プラズマを生成し、この生成したマイクロ波プラズマを処理室に導き、処理室のドライクリーニングを含む各処理を行うために利用されている。
従来のプラズマ処理装置は、石英、サファイア、アルミナや窒化アルミニウムなどの誘電体製の筒状の放電管と、この放電管の略中央部に、放電管に直交する方向で連結したマイクロ波導波管とから構成され、放電管内に、処理室内で行われる各処理に応じて選択されるプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管を介してマイクロ波を照射し、放電管内にマイクロ波プラズマを生成している（特許文献１、特許文献２）。
特開２０００−３４９０４５号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照）
特開２００３−１９７６０５号公報（例えば、図１参照）
上記のものでは、プラズマからの輻射熱により放電管自体が加熱されることから、ラジカルが失活したり、または放電管自体が熱劣化する場合がある。このため、放電管の外壁面に冷媒（冷却水）の循環または圧縮空気の供給による冷却手段を設けて、放電管をその外側から冷却することが一般的である。
ところが、放電管を外側から冷却しても、放電管の内壁はプラズマに直接曝されているため、冷却され難くなって高温に保持され、その結果、特に長時間に亘ってプラズマを生成すると、プラズマのインピーダンスが変化して整合範囲がずれたり、ラジカルが失活するという問題があった。また、放電管の内壁がプラズマに直接曝されていることで、放電間の内壁表面がスパッタリングされたり、ケミカル反応し、これらに起因して放電管の内壁表面に荒れが生じ、この荒れた表面からパーティクルが発生するという問題がある。この場合、マイクロ波プラズマを導いて処理室内で行う各処理に悪影響を及ぼす。
そこで、本発明の目的は、上記点に鑑み、放電管に生成したプラズマから放電管の内壁が効果的に保護されるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、放電管内にプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管を介してマイクロ波を照射し、放電管内にプラズマを発生させるようにしたプラズマ処理装置において、前記放電管の内壁とプラズマ発生領域との間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層が形成されるように、プラズマ発生領域にプロセスガスを供給することを特徴とする。
本発明によれば、放電管内に、処理室内で行われる各処理に応じて選択されるプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管を介してマイクロ波を照射し、放電管内にプラズマを生成し、この生成したマイクロ波プラズマを、例えばＣＶＤやエッチングの処理を行う処理室に導く。この場合、前記放電管の内壁とプラズマ発生領域との間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層が形成されるようにしたため、前記放電管の内壁とプラズマ発生領域との間ではプラズマが生成せず、放電管の内壁がプラズマに直接曝されることはない。
その結果、放電管の内壁とプラズマ発生領域との間のガス流からなる層によって放電管の内壁が保護されることで、放電管の内壁へのプラズマからの入熱による熱劣化、スパッタリングやケミカル反応に起因した内壁表面に荒れの発生が効果的に防止され、長時間に亘ってプラズマを生成する場合でも、放電管内壁からのパーティクルの発生せず、また、インピーダンスの整合範囲のずれやラジカルの失活を効果的に抑制できる。よって、マイクロ波プラズマを導いて行う各処理に悪影響を及ぼすことが防止できる。
この場合、放電管の内壁とプラズマ発生領域との間でのプラズマの生成を防止するには、前記放電管の内壁及びプラズマ発生領域の間を流れるガス流が分子流ではないことが好ましい。
前記放電管の内壁とプラズマ発生領域との間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層を形成するには、例えば、前記プラズマ発生領域へのプロセスガスの供給を、放電管の上流側からプラズマ発生領域の近傍まで延出するように放電間内に挿設された内挿部材の外壁と、放電管の内壁との間に形成された間隙を介して行うようにすればよい。
ところで、放電管内に内挿部材を挿設した場合、この内挿部材もまたプラズマに曝される場合があり、プラズマの輻射熱によって熱劣化したのではパーティクルの発生原因になる虞がある。このため、前記内挿部材を、プラズマからの輻射熱によって劣化しない材料から構成することが好ましい。
尚、前記内挿部材と放電管とを同心に配置しておけば、放電管の内壁の周方向全体に亘って、局所的に圧力が高いガス流からなる層を均等に形成できてよい。
この場合、前記放電管に対する前記内挿部材の位置を変更する位置変更手段を設けておけば、例えば、放電管内に生成したプラズマが放電管の半径方向でいずれかの方向に偏っているようなときに、それに応じて、放電管の内壁と内挿部材の外壁との間の間隔の大きさをその周方向で変化させることで、間隙を流れるガス流量をその周方向でかえることができ、ガス流からなる層によって放電管の内壁を確実に保護できる。
さらに、前記放電管に、その外周面からの冷却を可能とする冷却手段を設けておけば、プラズマから放電管の内壁が保護されることと相俟って、インピーダンスの整合範囲がずれたり、ラジカルが失活したり、放電管自体が熱劣化することが確実に防止できる。
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置は、放電管に生成したプラズマから放電管の内壁が効果的に保護されるという効果を奏する。
図１乃至図４を参照して説明すれば、１は、本発明のプラズマ処理装置を有する放電分離型のドライエッチング装置である。ドライエッチング１は、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプなどの真空排気手段１１を設けた真空チャンバ１２を有し、所定の真空圧に保持可能な処理室１３を形成する。処理室１３内には、エッチング処理しようとする処理基板Ｓの載置を可能とする基板ステージ１４が設けられている。基板ステージ１４には、抵抗加熱式の加熱手段（図示せず）が内蔵され、処理基板Ｓを所定温度に適宜加熱できる。
プラズマ処理装置２は、石英、サファイア、アルミナや窒化アルミニウムなどの誘電体から構成される筒状の放電管２１を有する。放電管２１の一端は、ガス供給部２２ａを形成したハウジング２２に、このガス供給部２２ａに連通するように嵌着され、ガス供給部２２ａに連通させてハウジング２２に形成したガス通路２２ｂの端部には、マスフローコントローラ（図示せず）を介設したガス管３１の一端が接続されている。これにより、ガス源３２から、処理室１３内で行われるドライエッチングや処理室１３内のクリーニングなどの処理に応じて選択されるＣＦ４、ＮＦ３、Ａｒ、Ｏ２などのプロセスガスが、選択的にまたは混合した状態でガス供給部２２ａに供給でき、このガス供給部２２ａを経て、放電管２１の上流側から下流側に向かって一定の流量でプロセスガスを流すことが可能になる。
放電管２１の略中央部には、この放電管２１に直交する方向でマイクロ波導波管２３が連結されている。マイクロ波導波管２３の一端には、公知の構造を有するマイクロ波電源２４が接続され、マイクロ波電源２４を介して放電管２１に所定の周波数のマイクロ波を供給できる。また、マイクロ波導波管２３の他端には終端整合器２５が設けられ、放電管２１に供給したマイクロ波が効率よく放電管２１を透過するようにインピーダンスを整合させるため、その位置調整ができるようになっている。
そして、マスフローコントローラを作動させ、処理に応じて選択されたプロセスガスをガス供給部２２ａに供給すると、このプロセスガスが放電管２１内に導入される。次いで、この放電管２１の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスに、マイクロ波電源２４を作動させて放電管２１に所定の周波数のマイクロ波を照射すると、放電管２１とマイクロ波導波管２３との交差した領域でプロセスガスが励起されてプラズマ化し、石英、サファイア、アルミナや窒化アルミニウムなど導電体から構成されたガス導入管４を介して処理室１３に導かれ、基板ステージ１４に載置された処理基板Ｓをエッチング処理する。
上記プラズマ処理装置１では、放電管２１に生成したプラズマからの輻射熱により放電管２１自体が加熱されることから、ラジカルが失活したり、または放電管自体が熱劣化する場合がある。このため、放電管２１の外壁面に冷媒（冷却水）の循環による冷却手段５を設けて放電管２１を冷却している。但し、放電管２１を外側から冷却しても、放電管２１の内壁２１ａはプラズマに直接曝されて冷却され難いため、プラズマのインピーダンスが変化して整合範囲がずれたり、ラジカルの失活しないようにする必要がある。また、内壁２１ａがプラズマに直接曝されていると、内壁２１ａ表面がスパッタリングされたり、ケミカル反応して表面に荒れが生じ、この荒れた内壁２１ａ表面からパーティクルが発生することから、これを防止する必要がある。
本実施の形態では、図１及び図２に示すように、放電管２１内に、ガス供給部２２ａからプラズマ発生領域Ｐの近傍まで延びる例えば中実の筒体からなる内挿部材６を同心に挿設し、放電管２１の内径より小さい外径の内挿部材６の外壁６１と放電管２１の内壁２１ａとの間隙を通してプロセスガスを流し、内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成されるようにした。
内挿部材６は、放電管２１の横断面と相似形状の横断面を有し、プラズマからの輻射熱によって劣化しない材料、例えば、石英、サファイヤまたはセラミックスから構成され、内挿部材６の外壁６１と放電管２１の内壁２１ａとの間隙の距離Ｄは、放電管２１内の圧力とプロセスガスのガス流量とから定まるプロセスガスの平均自由工程よりも小さく、かつ、この間隙を流れプロセスガスのガス流が粘性流となるように（つまり、分子流とならないように）設定されている。また、プラズマ発生領域Ｐの全域に亘って、内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成されるように、プラズマ発生領域Ｐ近傍までの内挿部材６の長さが定寸されている（図２参照）。
また、内挿部材６は、次のように取付けられている。即ち、ハウジング２２に形成したガス供給部２２ａの放電管２１と背向する側面を開口し、この開口を覆うようにＯリング等のシール手段７１ａを介して蓋体７１をハウジング２２のこの側面に装着し、蓋板７１に形成した段付きの中央開口７１ｂに、Ｏリング等のシール手段７２ａを介して支持板７２を嵌着し、そして、支持板７２に、固定手段、例えばボルトＢによって内挿部材６の一端を固定することで、支持板７２で片持ち支持させて取付けられている。
これにより、前記放電管２１の内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成されることで、放電管２１の内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間ではプラズマが生成せず、放電管２１の内壁２１ａがプラズマに曝されることはない。その結果、放電管２１の内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間のガス流からなるＧ層によって内壁２１ａが保護されることで、内壁２１ａへのプラズマからの入熱による熱劣化、スパッタリングやケミカル反応に起因した内壁２１ａ表面に荒れの発生が効果的に防止され、長時間に亘ってプラズマを生成する場合でも、放電管２１の内壁２１ａからのパーティクルの発生せず、また、インピーダンスの整合範囲のずれやラジカルの失活を効果的に抑制できる。よって、マイクロ波プラズマを処理室１３に導いて処理室１３内でエッチング処理を行う場合でも、エッチング処理を良好に行うことが可能になる。
尚、本実施の形態では、放電管２１と内挿部材６とを同心に配置しているが、例えば、放電管２１内に生成したプラズマが放電管２１の半径方向でいずれかの方向に偏っているようにときに、それに応じて、放電管２１の内壁２１ａと内挿部材６の外壁６１との間の間隔の距離Ｄ（大きさ）をその周方向で変化させることで、間隙を流れるガス流量をその周方向でかえることができることが好ましい。このため、図３及び図４に示すように、支持板７２に、ボルトＢの軸部より大きな径の円形開口７２ｂを形成し、この円形開口７２ｂにワッシャＷを介してボルトＢによって内挿部材６を固定し、円形開口７２ｂに対するボルトｂの位置を半径方向で移動できるようにして位置変更手段を構成している。
また、本実施の形態では、、放電管２１内に、ガス供給部２２ａからプラズマ発生領域Ｐの近傍まで延びる筒状の内挿部材６を同心に挿設したものついて説明したが、内壁２１ａとプラズマ発生領域Ｐとの間に局所的に圧力が高いガス流からなる層Ｇが形成できるものであれば、これに限定されるものではない。また、本実施の形態では、放電管２１及び内挿部材６として円筒形状のものを用いているが、放電管２１及び内挿部材６の横断面が相似形であれば、これに限定されるものでない。
さらに、本実施の形態では、本発明のプラズマ処理装置２を、放電分離型のドライエッチング装置１に適用したものについて説明したが、これに限定されるものではなく、半導体製造プロセスにおいて用いられるＣＶＤ装置やアッシング装置など、処理室から離れた位置でマイクロ波プラズマを生成し、この生成したマイクロ波プラズマを処理室に導いて所定の処理するものであれば適用できる。
２ プラズマ処理装置
２１ 放電管
２１ａ 内壁
２３ マイクロ波導波間
６ 内挿部材
６１ 外壁
Ｐ プラズマ発生領域
２１ 放電管
２１ａ 内壁
２３ マイクロ波導波間
６ 内挿部材
６１ 外壁
Ｐ プラズマ発生領域
Claims (7)
- 放電管内にプロセスガスを導入し、この放電管の上流側から下流側に向かって流れるプロセスガスにマイクロ波導波管を介してマイクロ波を照射し、放電管内にプラズマを発生させるようにしたプラズマ処理装置において、前記放電管の内壁とプラズマ発生領域との間に、局所的に圧力が高いガス流からなる層が形成されるように、プラズマ発生領域にプロセスガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
- 前記放電管の内壁及びプラズマ発生領域の間を流れるガス流が分子流ではないことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
- 前記プラズマ発生領域へのプロセスガスの供給を、放電管の上流側からプラズマ発生領域の近傍まで延出するように放電間内に挿設された内挿部材の外壁と、放電管の内壁との間に形成された間隙を介して行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプラズマ処理装置。
- 前記内挿部材を、プラズマからの輻射熱によって劣化しない材料から構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記内挿部材と放電管とを同心に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記放電管に対する前記内挿部材の位置を変更する位置変更手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記放電管に、その外周面からの冷却を可能とする冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
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