JP2008182102A - Top plate member and plasma processing apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
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及びこれに用いられる天板部材に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus used when processing is performed by applying plasma generated by microwaves to a semiconductor wafer or the like, and a top plate member used therefor.
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、アッシング等の各種処理のためにプラズマ処理装置が多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処理装置が使用される傾向にある。 In recent years, with increasing density and miniaturization of semiconductor products, plasma processing apparatuses are often used for various processes such as film formation, etching, and ashing in the manufacturing process of semiconductor products, and in particular, 0.1 mTorr. (13.3 mPa) to several Torr (several hundreds Pa) A microwave plasma treatment for generating a high-density plasma using microwaves because a plasma can be stably generated even in a high vacuum state where the pressure is relatively low. The device tends to be used.
このようなプラズマ処理装置は、特許文献1〜5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の一例を図8及び図9を参照して概略的に説明する。図8は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図、図9は天板部材を示す拡大断面図である。
Such a plasma processing apparatus is disclosed in
図8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の誘電体板よりなる天板部材8を気密に設けている。そして処理容器4の側壁には、容器内へ所定のガスを導入するためのガス導入手段として例えばガスノズル10が設けられていると共に、ウエハWの搬出入用の開口部12が設けられ、この開口部12には、これを気密に開閉するゲートバルブGが設けられる。また処理容器4の底部には、排気口14が設けられており、この排気口14には図示しない真空排気系が接続されて、上述のように処理容器4内を真空引きできるようになっている。
In FIG. 8, the
そして、上記天板部材8の上側に、上記処理容器4内にプラズマ形成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段16が設けられる。具体的には、このマイクロ波導入手段16は、上記天板部材8の上面に設けられた厚さ数mm程度の例えば銅板よりなる円板状の平面アンテナ部材18と、この平面アンテナ部材18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遅波部材20とを有している。そして、平面アンテナ部材18には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射用のスロット22が形成されている。このスロット22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。
A microwave introducing means 16 for introducing a microwave for plasma formation into the
そして、同軸導波管24の中心導体24Aを上記平面アンテナ部材18に接続し、また同軸導波管24の外側導体24Bを、上記遅波部材20の全体を覆う導波箱25の中央部に接続するようになっている。そして、マイクロ波発生器26より発生した、例えば2.45GHzのマイクロ波をモード変換器28にて所定の振動モードへ変換した後に平面アンテナ部材18や遅波部材20へ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18の半径方向へ放射状に伝搬させつつ平面アンテナ部材18に設けた各スロット22からマイクロ波を放射させてこれを天板部材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。また上記導波箱25の上面には、マイクロ波の誘電損失で加熱された遅波部材20を冷却する冷却器30が設けられている。
The
また天板部材8としては、これを構成する誘電体板の板厚が全面に亘って均一に形成されている場合もあるが、処理空間Sの面内方向におけるプラズマ密度の均一化を図るために天板部材8には種々の工夫がなされている。例えば図9にも示すように(特許文献5参照)、天板部材8の中心部の大気側(上面側)には、この部分におけるマイクロ波をキャンセルして電界集中を避けるための凹部32が形成されると共に、天板部材8の下面側には、その中心部、中周部及び外周部に、それぞれ断面台形状、或いは三角形状になされた突起部34a、34b、34cを設けてマイクロ波に対する共振領域を形成するようにし、低い圧力から高い圧力に亘って安定したプラズマを発生できるようになっている。
Further, as the
ところで、半導体装置の例えば層間絶縁膜等を構成する材料としては、動作速度の更なる向上等を目的として、例えばSiOC膜、SiOCH膜、CF膜等に代表される低誘電率材料、いわゆるLow−k材料が用いられる傾向がある。そして、この低誘電率材料よりなる層間絶縁膜等の電気的特性を更に良好にするためには、合理的なスループットが得られる範囲で処理圧力を可能な限り低圧、例えば50mTorr(6.7Pa)以下で成膜することが望まれている。 By the way, as a material constituting, for example, an interlayer insulating film of a semiconductor device, a low dielectric constant material typified by, for example, a SiOC film, a SiOCH film, or a CF film, for example, a so-called Low- k materials tend to be used. In order to further improve the electrical characteristics of the interlayer insulating film made of this low dielectric constant material, the processing pressure is as low as possible within a range where a reasonable throughput can be obtained, for example, 50 mTorr (6.7 Pa). It is desired to form a film as follows.
この場合、周知のように、処理容器4内の圧力を過度に低くすると、投入するマイクロ波の電力を大きくしてもプラズマが着火しない。このため、従来にあってはプラズマの着火時には、一旦処理容器4内の圧力を少し高目に設定しておき、プラズマが着火したならば処理容器4内の圧力を低下させてプロセスを行うようにしていた。尚、プラズマは、一旦着火すると、その後に処理容器4内の圧力を過度に低下させても十分に安定して維持できるという特性を有している。
In this case, as is well known, if the pressure in the
しかしながら、上述のように、プラズマの着火時に、一時的であっても処理容器4内の圧力をプラズマが着火できるように高く設定すると、着火時にはすでに成膜用ガスを流していることから短時間ではあるがプロセス圧力が高い状態で低誘電率材料の成膜が行われてしまい、この時に堆積した薄膜が絶縁膜全体の電気的特性を低下させてしまう、といった問題があった。
However, as described above, if the pressure in the
この場合、プラズマの着火性を改善するためには、天板部材の下面中央部に下方に向けて大きな突起部を形成してここに電界集中を生ぜしめればよいが、この場合にはプラズマが着火した後にもこの部分に電界集中が継続的に生じることになるので、平面方向におけるプラズマ密度の均一性が大きく崩れてしまい、上記構造を採用することができない。
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、処理容器内の圧力を低くしたままでもプラズマの着火性を向上させることが可能な天板部材及びこれを用いたプラズマ処理装置を提供することにある。
In this case, in order to improve the ignitability of the plasma, it is only necessary to form a large protrusion downward in the central portion of the lower surface of the top plate member to generate an electric field concentration. Since the electric field concentration continuously occurs in this portion even after ignition, the uniformity of the plasma density in the plane direction is greatly lost, and the above structure cannot be adopted.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to provide a top plate member capable of improving the ignitability of plasma even when the pressure in the processing vessel is kept low, and a plasma processing apparatus using the top plate member.
請求項1に係る発明は、被処理体に対してマイクロ波により発生したプラズマにより処理を施すために真空引き可能になされた処理容器の天井部に設けられて前記マイクロ波を透過する誘電体板よりなる天板部材において、前記誘電体板の前記処理容器内側にプラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部を設けるように構成したことを特徴とする天板部材である。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a dielectric plate that is provided on a ceiling portion of a processing vessel that can be evacuated in order to perform processing with plasma generated by microwaves on an object to be processed and transmits the microwaves. In the top plate member, the top plate member is characterized in that an ignition recess for concentrating an electric field at the time of plasma ignition is provided inside the processing container of the dielectric plate.
このように、天板部材となる誘電体板の前記処理容器内側にプラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部を設けるように構成したので、処理容器内の圧力を低くしたままでもプラズマの着火性を向上させることができる。
従って、処理容器内の圧力が高い状態で成膜が行われることを阻止することができるので、形成される低誘電率材料よりなる絶縁膜等の電気的特性を向上させることができる。
As described above, since the ignition concave portion for concentrating the electric field at the time of plasma ignition is provided inside the processing container of the dielectric plate serving as the top plate member, the plasma can be generated even when the pressure in the processing container is kept low. Ignition can be improved.
Therefore, it is possible to prevent the film formation from being performed in a state where the pressure in the processing container is high, and thus it is possible to improve the electrical characteristics of an insulating film made of a low dielectric constant material to be formed.
この場合、例えば請求項2に記載したように、前記着火用凹部の直径D1は、前記マイクロ波の前記誘電体板中の波長λとすると、2・λ/8≦D≦4・λ/8の範囲内である。
また例えば請求項3に記載したように、前記着火用凹部の深さHは、前記マイクロ波の前記誘電体板中の波長λとすると、2・λ/8≦H≦4・λ/8の範囲内である。
また例えば請求項4に記載したように、前記着火用凹部の内側の側面は、垂直方向に対して±10度以内に設定されている。
In this case, for example, as described in
Further, for example, as described in claim 3, if the depth H of the ignition recess is a wavelength λ in the dielectric plate of the microwave, 2 · λ / 8 ≦ H ≦ 4 · λ / 8. Within range.
For example, as described in
また例えば請求項5に記載したように、前記着火用凹部は、前記マイクロ波に対する共振領域を形成するために前記誘電体板の中央部の処理容器内側に突出した断面台形状の突起部に形成されている。
また例えば請求項6に記載したように、前記処理容器内の圧力は、プラズマの着火時に10mTorr〜2Torrの範囲内に設定されている。
In addition, for example, as described in claim 5, the ignition recess is formed in a trapezoidal cross-sectional protrusion that protrudes inside the processing container at the center of the dielectric plate in order to form a resonance region for the microwave. Has been.
For example, as described in claim 6, the pressure in the processing vessel is set within a range of 10 mTorr to 2 Torr when the plasma is ignited.
請求項7に係る発明は、天井部が開口されて内部が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に設けられた載置台と、前記処理容器内のガスを導入するためのガス導入手段と、前記天井部の開口に気密に装着された前記いずれかに記載の天板部材と、前記天板部材を介して前記処理容器内へマイクロ波を導入する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。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a processing container in which a ceiling portion is opened so that the inside can be evacuated, a mounting table provided in the processing container for mounting an object to be processed, and the processing container A gas introducing means for introducing the gas in the interior; the top plate member according to any one of the above-mentioned, which is airtightly attached to the opening of the ceiling portion; and the microwaves into the processing container via the top plate member A plasma processing apparatus comprising: a microwave introduction means for introduction.
この場合、例えば請求項8に記載したように、前記マイクロ波導入手段は、前記天板部材上に設けられてマイクロ波を放射する複数のスロットが形成された平面アンテナ部材と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器で発生したマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ導く導波管と、よりなる。
また例えば請求項9に記載したように、前記マイクロ波導入手段は、前記天板部材上に設けられてマイクロ波を放射する複数のスロットが形成された導波管と、前記マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、よりなる。
In this case, for example, as described in
Further, for example, as described in claim 9, the microwave introducing means generates the microwave, and a waveguide provided on the top plate member and formed with a plurality of slots for radiating microwaves. And a microwave generator.
請求項10に係る発明は、天井部が開口されて内部が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に設けられた載置台と、前記処理容器内のガスを導入するためのガス導入手段と、前記天井部の開口に気密に装着された前記いずれかに記載の天板部材と、前記天板部材を介して前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、装置全体の動作を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行うに際して、前記処理容器内の圧力は、プラズマの着火時に10mTorr〜2Torrの範囲内に設定するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a processing container in which a ceiling portion is opened so that the inside can be evacuated, a mounting table provided in the processing container for mounting an object to be processed, and the processing container A gas introducing means for introducing the gas in the interior; the top plate member according to any one of the above-mentioned, which is airtightly attached to the opening of the ceiling portion; and the microwaves into the processing container via the top plate member When performing plasma processing using a plasma processing apparatus having a microwave introducing means to be introduced and a control means for controlling the operation of the entire apparatus, the pressure in the processing vessel is within a range of 10 mTorr to 2 Torr when the plasma is ignited. A storage medium for storing a program for controlling the plasma processing apparatus to be set to
本発明に係る天板部材及びこれを用いた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。
天板部材となる誘電体板の前記処理容器内側にプラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部を設けるように構成したので、処理容器内の圧力を低くしたままでもプラズマの着火性を向上させることができる。
従って、処理容器内の圧力が高い状態で成膜が行われることを阻止することができるので、形成される低誘電率材料よりなる絶縁膜等の電気的特性を向上させることができる。
According to the top plate member and the plasma processing apparatus using the same according to the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
An ignition recess for concentrating the electric field when plasma is ignited is provided inside the processing vessel of the dielectric plate as the top plate member, improving plasma ignitability even when the pressure in the processing vessel is kept low Can be made.
Therefore, it is possible to prevent the film formation from being performed in a state where the pressure in the processing container is high, and thus it is possible to improve the electrical characteristics of an insulating film made of a low dielectric constant material to be formed.
以下に、本発明に係る天板部材及びこれを用いた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第1実施例を示す構成図、図2は図1に示すプラズマ処理装置に用いる天板部材を示す拡大断面図、図3は天板部材の下面を示す平面図、図4は天板部材に設けた着火用凹部の直径とプラズマ着火時の電界強度との関係を示すグラフである。
Hereinafter, an embodiment of a top plate member and a plasma processing apparatus using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1 is a block diagram showing a first embodiment of a plasma processing apparatus according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a top plate member used in the plasma processing apparatus shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the diameter of the recess for ignition provided in the top plate member and the electric field strength during plasma ignition.
図示するようにこのプラズマ処理装置42は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状、例えば円筒体状に成形された処理容器44を有しており、内部は密閉された処理空間Sとして構成されて、この処理空間Sにプラズマが形成される。この処理容器44自体は接地されている。 As shown in the figure, this plasma processing apparatus 42 has a processing container 44 whose side wall and bottom are made of a conductor such as aluminum and which is formed into a cylindrical shape, for example, a cylindrical shape. A sealed processing space S is formed, and plasma is formed in the processing space S. The processing container 44 itself is grounded.
この処理容器44内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハWを載置する載置台46が収容される。この載置台46は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により平坦になされた略円板状に形成されており、例えば絶縁性材料よりなる支柱47を介して容器底部より起立されている。
上記載置台46の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構(図示せず)が設けられる。尚、この載置台46を例えば13.56MHzのバイアス用高周波電源に接続する場合もある。また必要に応じてこの載置台46中に加熱用ヒータを設けてもよい。また、この載置台46には、ウエハWを搬出入する際にこのウエハWを突き上げるリフタピン(図示せず)が設けられる。
In the processing container 44, a mounting table 46 on which, for example, a semiconductor wafer W as a target object is mounted is accommodated on the upper surface. The mounting table 46 is formed in a substantially disc shape made flat, for example, by anodized aluminum or the like, and is erected from the bottom of the container via a
An electrostatic chuck or a clamp mechanism (not shown) for holding the wafer is provided on the upper surface of the mounting table 46. The mounting table 46 may be connected to a high frequency power source for bias of 13.56 MHz, for example. Moreover, you may provide the heater for heating in this mounting base 46 as needed. The mounting table 46 is provided with lifter pins (not shown) that push up the wafer W when the wafer W is loaded and unloaded.
上記処理容器44の側壁には、ガス導入手段48として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル48aや処理ガス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル48bが設けられており、これらの各ノズル48a、48bより上記各ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。尚、上記ガス導入手段48として例えば石英製のシャワーヘッド等を用いる場合もある。
As a gas introduction means 48, a plasma gas supply nozzle 48a made of quartz pipe for supplying a plasma gas, for example, argon gas, or a process gas, for example, a deposition gas, is introduced into the side wall of the processing container 44. For example, a processing
また、容器側壁には、この内部に対してウエハを搬入・搬出するための開口50が設けられると共に、この開口50には、ウエハの搬出入時に開閉するゲートバルブ52が設けられている。また、容器底部には、排気口54が設けられると共に、この排気口54には図示されない真空ポンプや圧力調整弁が介接された排気路56が接続されており、必要に応じて処理容器44内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
The container side wall is provided with an
そして、処理容器44の天井部は開口されて、ここに天板部材58がOリング等のシール部材60を介して気密に設けられる。この天板部材60は、例えば窒化アルミニウム(AlN)や酸化アルミニウム(Al2 O3 )等のセラミック部材や石英等のマイクロ波を透過する、すなわち透過性を有する誘電体板62により構成されている。この誘電体板62の厚さは耐圧性を考慮して例えば20mm程度に設定される。そして、この誘電体板62の下面であって処理容器44内を臨む面側、すなわち処理容器内側には、プラズマの着火時に電界集中を行うための本発明の特徴とする着火用凹部64が設けられている。尚、この着火用凹部64などの天板部材58の構造については後述する。
And the ceiling part of the processing container 44 is opened, and the
そして、この天板部材58の上面側に、この天板部材58を介して処理容器44内へマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入手段66が設けられる。具体的には、このマイクロ波導入手段66は、上記天板部材58の上面に設けられる平面アンテナ部材68を有しており、この平面アンテナ部材68上には高誘電率特性を有する遅波部材70が設けられている。この平面アンテナ部材68は、上記遅波部材70の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱72の底板として構成され、前記処理容器44内の上記載置台46に対向させて設けられる。
A microwave introducing means 66 for introducing a microwave into the processing container 44 through the
この導波箱72及び平面アンテナ部材68の周辺部は共に接地されると共に、この導波箱72の上部の中心には、同軸導波管74の外管74aが接続され、内部の内部導体74bは、上記遅波部材70の中心の貫通孔を通って上記平面アンテナ部材68の中心部に接続される。そして、この同軸導波管74は、モード変換器76及び矩形導波管78を介してマッチング回路80を有する例えば2.45GHzのマイクロ波発生器(マイクロ波発生手段)82に接続されており、上記平面アンテナ部材68へマイクロ波を伝搬するようになっている。従って、上記モード変換器76は、矩形導波管78と同軸導波管74とよりなる導波管の途中に介設されることになる。
The
ここで上記マイクロ波発生器82からは例えばTEモードのマイクロ波が放出され、これがモード変換器76にて例えばTEMモードに変換されて同軸導波管74内を伝搬されて行く。この周波数は2.45GHzに限定されず、他の周波数、例えば8.35GHzや1.98GHzを用いてもよい。尚、上記導波箱72の上部に図示しない天井冷却ジャケットを設けるようにしてもよい。そして、上記導波箱72内であって、平面アンテナ部材68の上面側に設けた高誘電率特性を有する遅波部材70は、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。この遅波部材70としては、例えば上記誘電体板62と同じ材料を用いることができる。
Here, for example, a TE mode microwave is emitted from the
上記平面アンテナ部材68は、ウエハサイズにもよるが例えば8インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が300〜400mm、厚みが1〜数mmの導電性材料である銅板或いはアルミ板よりなり、この円板の表面は例えば銀メッキされている。この円板には、マイクロ波を放射するために例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のスロット84が形成されている。このスロット84の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよいし、アンテナ部材全面に均一になるように分布させてもよい。
The planar antenna member 68 is made of, for example, a copper plate or an aluminum plate, which is a conductive material having a diameter of 300 to 400 mm and a thickness of 1 to several mm, for example, in the case of an 8-inch wafer, although it depends on the wafer size. The surface of this disk is, for example, silver-plated. The circular plate is formed with a number of
そして、上記天板部材58を形成する誘電体板62は、その上面側は略平坦に形成されているのに対して、下面側、すなわち処理容器44の処理空間Sに臨む側の面には、特開2005−100931号公報で開示たような突起部が形成されている。具体的には、図2及び図3にも示すように、誘電体板62のマイクロ波導入部である中心部と中周部と外周部とにそれぞれ突起部86、88、90を形成して誘電体板62の板厚を変化させている。ここで中心部の突起部86の周辺面はテーパ面86aとなっており、中周部の突起部88の内外周面はテーパ面88aとなっており、外周部の突起部90の内周面はテーパ面90aとなっている。
The
上記外周部の突起部90及び中周部の突起部88は、誘電体板62の周方向に沿ってリング状に形成されており、突起部90はその内周側がテーパ面となり、突起部88はその内外周側がテーパ面となっている。
The
また、中心部の突起部86は断面台形状、或いは截頭円錐形状になされて側面がテーパ面となっている。ここでマイクロ波が平面アンテナ部材68から誘電体板62側へ導入されると、誘電体板62の直下に生ずるプラズマはマイクロ波に対して強い反射板として作用するので(このようなプラズマを「表面波プラズマ」と称す)、このマイクロ波は誘電体板62内で上面側と下面側とで反射を繰り返しながら(上下)面方向へ振動して定在波となっている。この場合、上記各突起部86、88、90の一側面、或いは両側面はテーパ面となっているので、上記誘電体板62内でこの面方向に振動する振幅と各突起部86、88、90における面方向の厚さとが一致する部分が存在し、そこに共振領域を形成してプラズマ密度を高くできるようになっている。
Further, the
そして、前述したように、誘電体板62の中心部、すなわちマイクロ波を上方より導入するマイクロ波導入部に対応させて、プラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部64が形成されている。ここでは、上記着火用凹部64は、中心部の上記突起部86の中央に形成されている。この着火用凹部64は断面円形の穴よりなり、プロセス圧力が50mTorr以下の低圧でもプラズマの着火を生ぜしめるためにその直径Dは、マイクロ波の上記誘電体板62中の波長をλとすると、2・λ/8≦D≦4・λ/8の範囲内となるように設定している。この場合、直径Dを好ましくは3・λ/8に設定するのがよい。
As described above, an
また、この着火用凹部64の深さHも、2・λ/8≦H≦4・λ/8の範囲内となるように設定する。上記着火用凹部64に必要とされる機能は、プラズマ着火時にはこの部分で電界集中が発生し、プラズマ着火後はプラズマ密度の処理空間Sにおける均一性を高めるために上記電界集中が解消されることであり、このような機能を満たすために、着火用凹部64の上述したような寸法条件が求められる。そして、上記寸法条件の内、特に着火用凹部64の直径Dの条件が重要である。
Further, the depth H of this
すなわち、直径Dが上述した範囲内から逸脱すると、電界の集中が十分に生じなくなり、50mTorr以下の低圧ではプラズマの着火が不可能になってしまう。本実施例では一例として、直径Dは20mm程度に設定され、また深さHは10mm程度に設定されている。また、この着火用凹部64の内側の側面64aは、垂直方向(重力方向)94に対して±10度以内の角度範囲内に設定するのがよく、この角度範囲を逸脱して上記側面64aが傾斜の大きなテーパ面になると、この部分に十分な電界集中が生じないことになり、プラズマ着火を引き起こすことができなくなってしまう。
That is, when the diameter D deviates from the above-mentioned range, the electric field is not sufficiently concentrated, and the plasma cannot be ignited at a low pressure of 50 mTorr or less. In this embodiment, as an example, the diameter D is set to about 20 mm, and the depth H is set to about 10 mm. Further, the
そして、このように形成されたプラズマ処理装置42の全体の動作は、例えばコンピュータ等よりなる制御手段96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レキシブルディスクやCD(Compact Disc)やフラッシュメモリやハードディスク等の記憶媒体98に記憶されている。具体的には、この制御手段96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。
The overall operation of the plasma processing apparatus 42 formed in this way is controlled by a control means 96 made of, for example, a computer, and the computer program for performing this operation is a flexible disk or CD (Compact). Disc), a
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置42を用いて行なわれる処理方法について説明する。まず、ゲートバルブ52を開いて、開口50を介して半導体ウエハWを搬送アーム(図示せず)により処理容器44内に収容し、リフタピン(図示せず)を上下動させることによりウエハWを載置台46の上面の載置面に載置する。
Next, a processing method performed using the plasma processing apparatus 42 configured as described above will be described. First, the
そして、処理容器44内へプラズマガス供給ノズル48aから例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル48bから処理態様に応じて例えば成膜処理であるならば成膜用ガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波発生器82にて発生したマイクロ波を、矩形導波管78及び同軸導波管74を介して平面アンテナ部材68に供給して処理空間Sに、遅波部材70によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これにより処理空間Sにプラズマを発生させて所定のプラズマ処理を行う。
Then, for example, argon gas is supplied from the plasma gas supply nozzle 48a into the processing container 44 while controlling the flow rate, and the film forming gas is controlled from the processing
ここで、マイクロ波発生器82にて発生した例えば2.45GHzのTEモードのマイクロ波は矩形導波管78を伝搬した後に、モード変換器76にてTEMモードへ変換され、このTEMモードのマイクロ波は上記したように同軸導波管74内を伝搬して導波箱72内の平面アンテナ部材68に到達し、内部導体74bの接続された円板状の平面アンテナ部材68の中心部から放射状に周辺部に伝搬される間に、この平面アンテナ部材68に多数形成されたスロット84から天板部材58を透過させて平面アンテナ部材68の直下の処理空間Sにマイクロ波を導入する。このマイクロ波により励起されたアルゴンガスが解離してプラズマ化し、この下方に拡散してここで処理ガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハWの表面に所定のプラズマ処理が施されることになる。
Here, for example, a 2.45 GHz TE mode microwave generated by the
ここで本実施例においては、プラズマCVDによって成膜される低誘電率(Low−k)の薄膜(絶縁膜)の電気的特性を改善するために、処理容器44内の圧力、すなわちプロセス圧力を、プラズマの着火時も含めて成膜中は常時低圧、例えば50mTorr以下の設定しておく。 Here, in this embodiment, in order to improve the electrical characteristics of the low dielectric constant (Low-k) thin film (insulating film) formed by plasma CVD, the pressure in the processing vessel 44, that is, the process pressure is set. During the film formation, including when the plasma is ignited, the pressure is always set to a low pressure, for example, 50 mTorr or less.
この場合、従来のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ着火時の圧力が50mTorr以下では圧力が低過ぎるためにプラズマの着火は生じないことから、プラズマ着火時には処理容器内の圧力を少し高く設定してプラズマ着火後に圧力を低下させるようにしていたが、本発明の場合には、上述したように天板部材58を構成する誘電体板62の中央部(マイクロ波導入部)の下面側に着火用凹部64を設けたことから、この部分に電界集中が発生し、処理容器44内の圧力が50mTorr以下の低圧でもプラズマ着火を発生させることができる。そして、一旦、プラズマが着火したならば、処理容器44内の圧力、すなわちプロセス圧力を50mTorr以下に維持したまま成膜処理を行うことになる。
In this case, in the conventional plasma processing apparatus, if the pressure at the time of plasma ignition is 50 mTorr or less, the pressure is too low and the plasma does not ignite. Therefore, the pressure in the processing vessel is set slightly high at the time of plasma ignition. However, in the present invention, as described above, the lower surface of the central portion (microwave introduction portion) of the
この場合、一旦プラズマが着火すると、上記着火用凹部64での電界集中は解消されるので、この部分のプラズマ密度が過度に高くなることはない。この理由は、前述したように、処理空間Sに一旦プラズマが発生すると、前述した表面波プラズマによりマイクロ波は誘電体板62内を上下に反射しながら半径方向外方へ伝搬して周辺部から反射するが、この反射波が着火用凹部64内では互いにキャンセルするようにこの着火用凹部64の寸法が設定されているからである。
In this case, once the plasma is ignited, the electric field concentration in the igniting
また、ここでは誘電体板62の中央部、中周部及び周辺部にテーパ面を有するそれぞれ突起部86、88、90を設けていることから、特開2005−100931号公報にも説明されているように、どのようなプラズマ条件でも共振領域を形成することができるので、例えばプロセス圧力が変化してもプラズマ密度を高めて、プラズマを安定して形成することができる。
Further, here, since the
ここで上記着火用凹部64の直径Dとプラズマ着火時の着火用凹部64の内周面(より詳細には凹部の側面と底面とのカド部)における電界強度との関係について評価を行ったので、その評価結果について図4を参照して説明する。図4中において、λは誘電体板62中におけるマイクロ波の波長を示す。図4から明らかなように、直径Dが3・λ/8の時に最も電界強度が大きくなって電界集中が発生し、電界強度のピーク点となっており、このピーク点を中心にして左右で電界強度が急激に低下している。そして、2・λ/8及び4・λ/8の時には、ピーク時の電界強度の65%程度まで電界強度が低下しており、この時の電界強度よりも電界集中が低下すると、50mTorr以下の低圧ではプラズマ着火が生じなかった。従って、着火用凹部64の直径Dの上限は4・λ/8であり、下限は2・λ/8であることが理解できる。尚、実際のプラズマ処理では、膜質を問題としなければプラズマ着火時の圧力も含めてプロセス圧力の上限は2Torr程度である。
Here, the relationship between the diameter D of the
このように、天板部材58となる誘電体板62の前記処理容器44内側にプラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部64を設けるように構成したので、処理容器44内の圧力を低くしたままでもプラズマの着火性を向上させることができる。
従って、処理容器44内の圧力が高い状態で成膜が行われることを阻止することができるので、形成される低誘電率材料よりなる絶縁膜等の電気的特性を向上させることができる。
As described above, since the ignition
Therefore, it is possible to prevent the film formation from being performed in a state where the pressure in the processing container 44 is high, and thus it is possible to improve the electrical characteristics of an insulating film made of a low dielectric constant material to be formed.
<シミュレーションによる電界強度の変化>
次に、シミュレーションによってプラズマ着火時の天板部材における電界強度の変化を求めたので、そのシミュレーション結果について説明する。図5はプラズマ着火時における従来の天板部材と本発明の天板部材の電界強度のシミュレーション結果を示す模式図である。図5(A)は従来の天板部材を示し、図5(B)は本発明の天板部材を示し、共にプラズマ着火時の電界分布とプラズマ着火後の電界分布の状態を示している。
<Change in electric field strength by simulation>
Next, since the change of the electric field strength in the top plate member at the time of plasma ignition was obtained by simulation, the simulation result will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing the simulation results of the electric field strength of the conventional top plate member and the top plate member of the present invention during plasma ignition. FIG. 5 (A) shows a conventional top plate member, and FIG. 5 (B) shows the top plate member of the present invention, both showing the electric field distribution during plasma ignition and the state of the electric field distribution after plasma ignition.
図5(A)に示す従来の天板部材8は図9において説明したものと同じ構成のものを用いており、その材料は窒化アルミニウムよりなり、中央部の上面に形成した凹部の直径D1は、ここに伝搬するマイクロ波をキャンセルして電界集中を防止するために30mm程度に設定されている。また図5(B)に示す本発明の天板部材は先に説明した構成のものを用いており、その材料は窒化アルミニウムよりなり、着火用凹部64の直径Dは20mmに設定されている。またマイクロ波の周波数は共に2.45GHzである。
The conventional
図5(A)に示すように、従来の天板部材8にあっては、プラズマの着火時及びプラズマの着火後においても、天板部材の中心部には電界集中はほとんど生じておらず、電界分布は比較的均一になされており、プラズマは安定して形成されているのが理解できる。
これに対して、図5(B)に示す本発明の天板部材58にあっては、プラズマの着火時には中央の着火用凹部64の部分に大きな電界集中が生じているのが理解できる。そして、一旦、プラズマの着火が生じてプラズマが安定化すると、着火用凹部64における電界集中は解消しており、電界分布が比較的均一になっているのが理解できる。
As shown in FIG. 5A, in the conventional
On the other hand, in the
このように、上記シミュレーションにより、本発明の天板部材58ではプラズマ着火時だけ着火用凹部64に電界集中を発生させ、着火後はこの電界集中を解消できることが確認できた。
Thus, it was confirmed from the simulation that the
<実際の天板部材に対する検証>
次に、上述したシミュレーションで用いた天板部材を実際に作製して、プラズマ着火の有無を検証したので、その結果について説明する。
図6は従来の天板部材と本発明の天板部材のプラズマ着火の有無を検証した時の結果を示す図である。ここでは処理容器内のプラズマ着火時の圧力を10〜200mTorrの範囲内で種々変化させると共に、マイクロ波のパワーも1000〜3000ワットの範囲内で種々変化させている。
<Verification of actual top plate member>
Next, the top plate member used in the above-described simulation was actually produced, and the presence or absence of plasma ignition was verified. The result will be described.
FIG. 6 is a diagram showing the results when verifying the presence or absence of plasma ignition between the conventional top plate member and the top plate member of the present invention. Here, the pressure at the time of plasma ignition in the processing vessel is variously changed within a range of 10 to 200 mTorr, and the microwave power is also variously changed within a range of 1000 to 3000 watts.
またプラズマ用のガスとしてはArガスを供給している。図中において”○”印はプラズマ着火が生じたことを示し、無印(空白)はプラズマ着火ができなかったことを示す。図6(A)に示すように従来の天板部材の場合には、処理容器内の圧力が80〜200mTorrの範囲では、マイクロ波パワーが1000〜3000ワットの範囲内の全てにおいてプラズマ着火が生じたが、圧力が50mTorr以下では、マイクロ波パワーを上記範囲内でどのように変化させてもプラズマ着火が生じなかった。 Ar gas is supplied as a plasma gas. In the figure, “◯” indicates that plasma ignition occurred, and no mark (blank) indicates that plasma ignition could not be performed. As shown in FIG. 6A, in the case of the conventional top plate member, when the pressure in the processing vessel is in the range of 80 to 200 mTorr, plasma ignition occurs in all the microwave powers in the range of 1000 to 3000 watts. However, when the pressure was 50 mTorr or less, plasma ignition did not occur no matter how the microwave power was changed within the above range.
これに対して、図6(B)に示す本発明の天板部材の場合には、処理容器内の圧力が80〜200mTorrの範囲内ならば、図6(A)の従来の天板部材と同様に1000〜3000ワットの範囲内の全てにおいてプラズマ着火が生じた。更に、処理容器内の圧力が10〜50mTorrの範囲内では、マイクロ波パワーが1000〜1600ワットの範囲内ではプラズマ着火は生じなかったが、1800〜3000ワットの範囲内ではプラズマ着火を行うことができた。一般的には、マイクロ波パワーは2500ワット程度の近傍で使用されることが多いので、従って、本発明の天板部材によれば、従来の天板部材ではプラズマ着火を行うことができなかった10〜50mTorrの低圧でも十分にプラズマ着火を行うことができることを確認することができた。 On the other hand, in the case of the top plate member of the present invention shown in FIG. 6B, if the pressure in the processing container is in the range of 80 to 200 mTorr, the conventional top plate member of FIG. Similarly, plasma ignition occurred in all of the range of 1000 to 3000 watts. Further, when the pressure in the processing vessel is within a range of 10 to 50 mTorr, plasma ignition does not occur when the microwave power is within a range of 1000 to 1600 watts, but plasma ignition can be performed within a range of 1800 to 3000 watts. did it. Generally, the microwave power is often used in the vicinity of about 2500 watts. Therefore, according to the top plate member of the present invention, the conventional top plate member could not perform plasma ignition. It was confirmed that plasma ignition could be sufficiently performed even at a low pressure of 10 to 50 mTorr.
<第2実施例>
上記第1実施例にあっては、天板部材58の下面に、突起部86、88、90を設けた場合について説明したが、この3種類の突起部の内から選択される、1種類或いは2種類の突起部だけ設けるようにしてもよいし、或いは突起部を設けない下面がフラット状の天板部材に着火用凹部を設けるようにしてもよい。図7はこのような本発明の天板部材の第2実施例の断面図を示し、ここでは下面がフラット状(平面状)の天板部材58の中心部に着火用凹部64が設けられている場合を示している。
<Second embodiment>
In the first embodiment, the case where the projecting
上記着火用凹部64の直径や深さの寸法条件は、先の第1実施例の場合と同じである。この第2実施例の場合には、電界分布の均一性に関しては、第1実施例の場合よりもやや低下するが、10〜50mTorr程度の低圧においてもプラズマ着火を引き起こすことができる、という点において、第1実施例の場合と同様な作用効果を発揮することができる。
The dimensional conditions of the diameter and depth of the
また本実施例ではマイクロ波導入手段66の一部として平面アンテナ部材68を用いたプラズマ処理装置を例にとって説明したが、これに限定されず、例えば特開平11−40397号公報にも開示されているように、環状矩形導波管の下面にスロットを直接形成して、このスロット付きの導波管を天板部材の上面に直接設置するようにした、いわゆる導波管スロット型のプラズマ処理装置にも本発明を適用することができる。
また、ここではプラズマ処理としてプラズマ成膜処理を例にとって説明したが、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理、プラズマクーリング処理等の全てのプラズマ処理に対して本発明を適用することができる。
In the present embodiment, the plasma processing apparatus using the planar antenna member 68 as a part of the microwave introducing means 66 has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-40397. As described above, a so-called waveguide slot type plasma processing apparatus in which a slot is directly formed on the lower surface of the annular rectangular waveguide and the waveguide with the slot is directly installed on the upper surface of the top plate member. The present invention can also be applied to.
Although the plasma film formation process is described as an example of the plasma process here, the present invention can be applied to all plasma processes such as a plasma etching process, a plasma ashing process, and a plasma cooling process.
更に、プラズマ用ガスとして、ここではArガスを例にとって説明したが、これに限定されず、He、Ne等の他の希ガスを用いてもよいし、また希ガスに限定されず、プラズマにより解離するガスならばどのようなガスを用いてもよい。
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。
Furthermore, the Ar gas is described as an example of the plasma gas here, but the present invention is not limited to this, and other rare gases such as He and Ne may be used. Any gas that can be dissociated may be used.
Although the semiconductor wafer is described as an example of the object to be processed here, the present invention is not limited thereto, and the present invention can be applied to a glass substrate, an LCD substrate, a ceramic substrate, and the like.
42 プラズマ処理装置
44 処理容器
46 載置台
48 ガス導入手段
58 天板部材
62 誘電体板
64 着火用凹部
66 マイクロ波導入手段
68 平面アンテナ部材
70 遅波部材
74 同軸導波管
82 マイクロ波発生器
84 スロット
86,88,90 突起部
96 制御手段
98 記憶媒体
W 半導体ウエハ(被処理体)
Reference Signs List 42 Plasma processing apparatus 44 Processing vessel 46 Mounting table 48 Gas introduction means 58
Claims (10)
前記誘電体板の前記処理容器内側にプラズマ着火時に電界集中を行うための着火用凹部を設けるように構成したことを特徴とする天板部材。 In a top plate member made of a dielectric plate that is provided on a ceiling portion of a processing vessel that can be evacuated to perform processing by plasma generated by microwaves on an object to be processed, and transmits the microwaves,
A top plate member configured to provide an ignition recess for concentrating an electric field during plasma ignition inside the processing container of the dielectric plate.
被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、
前記処理容器内のガスを導入するためのガス導入手段と、
前記天井部の開口に気密に装着された請求項1乃至6のいずれかに記載の天板部材と、
前記天板部材を介して前記処理容器内へマイクロ波を導入する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。 A processing vessel in which the ceiling is opened and the inside can be evacuated;
A mounting table provided in the processing container for mounting the object to be processed;
Gas introduction means for introducing gas in the processing container;
The top plate member according to any one of claims 1 to 6, which is airtightly attached to the opening of the ceiling portion,
Microwave introduction means for introducing microwaves into the processing container through the top plate member;
A plasma processing apparatus comprising:
前記天板部材上に設けられてマイクロ波を放射する複数のスロットが形成された平面アンテナ部材と、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器で発生したマイクロ波を前記平面アンテナ部材へ導く導波管と、
よりなることを特徴とする請求項7記載のプラズマ処理装置。 The microwave introducing means is
A planar antenna member provided on the top plate member and formed with a plurality of slots for radiating microwaves;
A microwave generator for generating microwaves;
A waveguide for guiding the microwave generated by the microwave generator to the planar antenna member;
The plasma processing apparatus according to claim 7, further comprising:
前記天板部材上に設けられてマイクロ波を放射する複数のスロットが形成された導波管と、
前記マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
よりなることを特徴とする請求項7記載のプラズマ処理装置。 The microwave introducing means is
A waveguide provided on the top plate member and formed with a plurality of slots for radiating microwaves;
A microwave generator for generating the microwave;
The plasma processing apparatus according to claim 7, further comprising:
被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、
前記処理容器内のガスを導入するためのガス導入手段と、
前記天井部の開口に気密に装着された請求項1乃至6のいずれかに記載の天板部材と、
前記天板部材を介して前記処理容器内へマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、
装置全体の動作を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行うに際して、
前記処理容器内の圧力は、プラズマの着火時に10mTorr〜2Torrの範囲内に設定するように前記プラズマ処理装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体。 A processing vessel in which the ceiling is opened and the inside can be evacuated;
A mounting table provided in the processing container for mounting the object to be processed;
Gas introduction means for introducing gas in the processing container;
The top plate member according to any one of claims 1 to 6, which is airtightly attached to the opening of the ceiling portion,
Microwave introduction means for introducing microwaves into the processing container through the top plate member;
When performing plasma processing using a plasma processing apparatus having control means for controlling the operation of the entire apparatus,
A storage medium for storing a program for controlling the plasma processing apparatus so that the pressure in the processing container is set within a range of 10 mTorr to 2 Torr when the plasma is ignited.
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