JP2008306019A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プラズマ処理による反応性生成物がプラズマ生成域及び誘電体に到達することを低減することにより、誘電体の寿命が低下することを低減し、信頼性および稼働率の高いプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】
処理ガスを励起してプラズマ生成域に生じるプラズマに前記被処理基板を曝して処理を行うプラズマ処理装置であって、前記被処理基板の表面を通過しないで、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過する第一の渦状ガス流れと、前記被処理基板の表面を通過し、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過しない第二の渦状ガス流れとに分流するように、前記ガス吐出手段は前記処理ガスを所定角度下方に向けて吐出することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造に用いられ、被処理基板の表面から膜の一部を除去するエッチング又はアッシングするプラズマ処理装置に関する。

一般に、半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、アッシング等の処理を行うために、プラズマ処理装置が用いられている。
図６を参照して、マイクロ波を使用した従来例のシリコンウェハ用表面波プラズマ処理装置を説明する。
主に金属材料で構成された真空チャンバ８内には、図示されないシリコンウェハ等の被処理基板を戴置するためのステージ１が設けられる。
ステージ１には、図示されないヒーター等の温調機構が内蔵され、被処理基板を所定の温度に維持する。
真空チャンバ８には、プラズマの原料となる処理ガスを出するガス吐出手段５と、所定の圧力に維持するための排気手段７と、図示されない圧力センサーが設けられる。
また、真空チャンバ８の気密壁の一部に石英等から成る透過窓である誘電体３が設けられる。
この誘電体３は、処理ガスを励起するマイクロ波を真空チャンバ８内へ導入する手段である。
真空チャンバ８内へ導入されたマイクロ波９は、環状導波管２の内部で環状の定在波を形成し、スロットの施されたアンテナ４及び誘電体３を通過して真空チャンバ８内へ導入され、均一性良く電界が供給される。
この電界により透過窓３の近傍に高密度のプラズマがプラズマ生成域６に形成される。
簡単な構造でプラズマ生成域６に高密度のプラズマを得られるため、活性種密度を必要とする改質処理およびアッシング処理等において良好な処理性能を得ることができる。

処理ガスのガス吐出手段５は、図示されない流量調整手段から供給された処理ガスを均一に配分するガス溜まり５ａを有する。
ガス吐出手段５は、さらに、このガス溜まり５ａ内の処理ガスを真空チャンバ８内へ供給するために、ガス溜まり５ａと真空チャンバ８とを連通する７２個のノズル穴５ｂを有する。
処理ガスのガス吐出手段５は、吐出された処理ガスが効率よくプラズマ化し、被処理基板へ供給されるように、処理ガスをプラズマ生成域６の近傍へ向けて吐出する。
処理チャンバ８内において、被処理基板の表面と、マイクロ波の透過窓である誘電体３と、プラズマ生成域６とを通過し、真空チャンバ８全体を攪拌する渦状のガス流れ１０１が形成され、処理がなされる。
同様に特開平１１−３４０１４６号公報（特許文献１）においては、誘導結合型プラズマチャンバにおいて、プラズマが最も強い領域へ向けて処理ガスを吐出する技術が提案されている。
また、特表２００２−５３４７９７号公報（特許文献２）では、誘導結合プラズマの誘電体窓の中央に、処理内容に応じてガス吐出方向を変更可能なノズルを形成する技術が提案されている。
特開平１１−３４０１４６号公報 特表２００２−５３４７９７号公報

プラズマ処理においては被処理基板とプラズマとの反応により反応生成物が生成し、実際の生産工程においては、多様な品種・工程の被処理基板が持ち込まれ、その反応生成物も多岐に亘る。
上述した図６に示される従来例の場合、この反応性生物は処理ガスの吐出により形成されるガス流れの中に巻き込まれ、プラズマ生成域６や電磁波を透過する誘電体から成る誘電体３に到達する。
反応生成物がプラズマ生成域６に到達し励起された場合、反応生成物はプラズマ生成域６で活性化又は分解して真空チャンバ８内に拡散する。
その結果、被処理基板の品種によって処理特性にばらつきを生じ、真空チャンバ８内を汚染する場合があった。
さらに、透過窓である誘電体３に到達した反応生成物が、誘電体３に対してスパッタやエッチング等を生じ、装置の信頼性や稼働率を低下させた。
そこで、本発明は、プラズマ処理による反応性生成物がプラズマ生成域及び誘電体に到達することを低減することにより、誘電体の寿命が低下することを低減し、信頼性および稼働率の高いプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のプラズマ処理装置は、処理ガスを導入される真空チャンバと、前記真空チャンバ内において被処理基板が戴置されるステージと、前記被処理基板に対向して設けられ、前記処理ガスを励起するマイクロ波を前記真空チャンバ内へ導入する誘電体と、前記被処理基板と前記誘電体との間の前記真空チャンバの側壁に設けられ、前記処理ガスを吐出するガス吐出手段と、前記ガス吐出手段よりも前記被処理基板寄りに設けられ、前記真空チャンバを所定の圧力に維持する排気手段と、を有し、前記処理ガスを励起してプラズマ生成域に生じるプラズマに前記被処理基板を曝して処理を行うプラズマ処理装置であって、前記被処理基板の表面を通過しないで、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過する第一の渦状ガス流れと、前記被処理基板の表面を通過し、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過しない第二の渦状ガス流れとに分流するように、前記ガス吐出手段は前記処理ガスを吐出することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置によれば、第一の渦状ガス流れと、第二の渦状ガス流れとに分流するように、前記ガス吐出手段は前記処理ガスを吐出する。
第一の渦状ガス流れは、前記被処理基板の表面を通過しないで、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過する。
第二の渦状ガス流れは、前記被処理基板の表面を通過し、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過しない。
このため、被処理基板から発生した反応生成物をプラズマ生成域まで巻き上げることにより、反応生成物による真空チャンバ内の汚染を低減し、透過窓である誘電体のスパッタ、エッチング等を大幅に低減し、装置の信頼性を高める。
被処理基板から発生した反応生成物は、排気手段から排気されるだけでなく、真空チャンバの上方にも巻き上げられ、第二の渦状のガス流れを形成する。
側壁に設けられたガス吐出手段からは、処理ガスが常に高い速度で吐出され、反応生成物がガス吐出手段より上方に到達することが抑制される。
第二の渦状ガス流れは、プラズマ生成域を通過しないため、巻き上げられた反応生成物がプラズマ化することが低減される。
このため透過窓である誘電体を通過する第一の渦状ガス流れにおいては、反応生成物の混入が最小限に低減される。
さらに、反応生成物が分解することによる真空チャンバ内部の汚染も低減され、誘電体に対してスパッタ、エッチング等の発生を低減し、装置の信頼性および稼働率を高める。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
真空チャンバ８は、処理ガスを導入される容器である。ステージ１は、真空チャンバ８内において図示されない被処理基板が戴置される。
透過窓である誘電体３は、被処理基板に対向して設けられ、処理ガスを励起するマイクロ波９を真空チャンバ８内へ導入する手段である。
ガス吐出手段１５は、被処理基板と誘電体３との間の真空チャンバ８の側壁に設けられ、記処理ガスを吐出する手段である。
排気手段７は、ガス吐出手段１５よりも被処理基板寄りに設けられ、真空チャンバ８を所定の圧力に維持する手段である。
本実施例１のプラズマ処理装置は、処理ガスを励起してプラズマ生成域６に生じるプラズマに被処理基板を曝して処理を行う装置である。
ガス吐出手段１５は、第一の渦状ガス流れ１０２と第二の渦状ガス流れ１０３とに分流するように、処理ガスを吐出する。
第一の渦状ガス流れ１０２は、被処理基板の表面を通過しないで、誘電体３およびプラズマ生成域６を通過する。
第二の渦状ガス流れ１０３は、被処理基板の表面を通過し、誘電体３およびプラズマ生成域６を通過しない。

さらに、処理の際の前記所定の圧力における前記処理ガスの平均自由行程をλ［ｍ］、誘電体３と被処理基板との距離をＤ［ｍ］としたとき、ｄ/λ＞１であることが好適である。ｌ
この条件において真空チャンバ８内のガス流れは 分子の熱運動よりもガス吐出の影響が支配的となり上記の効果を奏する。
さらに、４個以上のガス吐出手段１５が、被処理基板の中心から等距離に設けられることが好適である。
ガス吐出手段１５の数を増やすことで反応生成物が第一の渦状ガス流れ１０２に混入することを防止する効果が高まる。
また、被処理基板から等距離に置くことで、非処理基板に均等に活性種を照射することが出来るようになり、処理均一性を高めることができる。
さらに、ガス吐出手段１５は、所定の方向にガスを吐出するよう構成され、前記所定の方向は前記被処理基板の戴置されるステージ１の面に対し平行よりも被処理基板寄りに傾いていることが好適である。
さらに、ガス吐出手段１５と誘電体３との間に処理ガスを前記所定の方向へ整流する手段が設けられていることが好適である。

さらに、ガス吐出手段１５の全てについて、前記所定の方向が共通の１点を通過し、前記共通の１点はガス吐出手段１５と被処理基板との間に位置することが好適である。
さらに、前記全てのガス吐出手段１５が、被処理基板よりも外側に設けられていることが好適である。
さらに、前記プラズマを生成するための電磁波が、誘電体３を通して真空チャンバ８内に導入されることが好適である。
さらに、プラズマは、誘電体３の近傍に形成される表面波プラズマである。
さらに、被処理基板の表面の少なくとも一部が、有機物から成る膜に覆われ、前記処理によって前記膜の少なくとも一部が除去される。
さらに、ガス吐出手段１５と被処理基板との距離が７０ｍｍ以上離れていることが好適である。
さらに、誘電体３とガス吐出手段１５との距離が３ｍｍ以上離れていることが好適である。
さらに、ガス吐出手段４５と被処理基板との間に第２のガス吐出手段５５を備えることが好適である。

図１（ａ）は従来例、図１（ｂ）は、本発明の実施例、図１（ｃ）は、前記共通の１点が被処理基板寄りも下方に位置した参考例について、気流シミュレーションを行った結果を示す。
計算結果は気流の方向が無数のベクトルで表示されており、簡略化のため 真空チャンバ８の一部のみ表示されている。
図１（ａ）の従来例は、１つの渦状ガス流れ１０１を形成し、図１（ｂ）の本実施例では、２つの渦状ガス流れ１０２，１０３が形成されている。
その一方で、図１（ｃ）に示される前記共通の１点が被処理基板よりも下方に位置する参考例の場合、ガス吐出手段の上方に形成される渦状ガス流れ１０４，１０５は、反応生成物を積極的に巻き上げる方向に寄与する。
このため、この共通の１点は ガス吐出手段の下方かつ被処理基板の上方にあることが好適である。
また、ガス吐出手段は全て被処理基板よりも外側に設けられていることが好適である。
被処理基板よりも外側にガス吐出手段を設けることで、被処理基板表面へ均一に活性種を供給し、さらに反応性生物の分布についても均一性を向上する。
本実施例において、プラズマを生成するための電磁波を真空チャンバ８内に導入するとして使用される透過窓である誘電体３の場合、誘電体３の近傍に電界が存在し、反応生成物による影響を受けやすく、反応生成物の到達が防止される。
さらにプラズマが誘電体３の近傍に形成される表面波プラズマである場合、誘電体３の表面は極めて強いプラズマに曝されるため、本実施例の効果を顕著に得ることができる。

本実施例において被処理基板の表面の少なくとも一部が有機物から成る膜に覆われている。
このため、前記処理によってこの膜の少なくとも一部が除去される場合、反応生成物の量は極めて多くなり、かつ、直前のエッチング工程等により有機膜に様々な不純物が混入する。そのため本実施例の効果を顕著に得ることができる。
さらに、ガス吐出手段と被処理基板との距離は７０ｍｍ以上さらに望ましくは１２０ｍｍ以上離れていることが好適である。
この距離が近すぎると被処理基板表面に活性種が均一に供給されなくなる。
さらに、誘電体３とガス吐出手段１５との距離が３ｍｍ以上離れていることが好適である。
距離が近すぎた場合、第二の渦状ガス流れ１０３がプラズマ生成域６を通過する恐れがある。
また、ガス吐出手段４５と被処理基板との間に、さらに第２のガス吐出手段５５を備え、ガス吐出手段４５，５５から供給されたガスをプラズマ生成域６から供給される処理ガスの活性種で間接的に励起し処理を行ってもよい。

図２を参照して、本発明の実施例１を説明する。
本実施例１は、表面波プラズマを用いたシリコンウェハ用プラズマ処理装置である。
処理ガスのガス吐出手段１５のノズル穴１５ｂは図６に示される従来例に比較して異なり、ノズル穴１５ｂの全７２個の吐出方向が、真空チャンバ８の空間内で、被処理基板上方で合流するように構成される。
効果を公平に検証するため、図６の従来例及び図２の本実施例１にて、真空チャンバ８内でガスを吐出し、下記の条件に保ちながらシリコンウェハである被処理基板に塗布したレジストを加熱・蒸発させて、誘電体３の石英板への付着量を比較した。
図３は、この付着の状態を模式的に示したものである。
反応生成物の発生量を同一にするため、プラズマ照射は行っておらず、また付着の条件を同一にするため誘電体３の石英板は同じ部材を繰り返し使用して評価した。
＜処理チャンバガス条件＞
吐出ガス ； Ｏ_２
真空チャンバ内圧力 （ 基板付近 ） ； １００Ｐａ
吐出ガス量 ； １０００ｓｃｃｍ
ステージ１の温度 ； ２５０℃

その結果、図６に示される従来例のプラズマ処理装置では、吐出されたガスが図３（ａ）に示される誘電体３に衝突する領域３０及びガスの流速が低下する真空チャンバ８の中央付近３１に大量のレジストが付着した。
図２に示される本実施例１では、図３（ｂ）に示されるように領域３２にほとんど付着がなかった。
また、この実験でレジストの代わりにテフロン（登録商標）を使用し、マイクロ波を３ｋＷ投入して、プラズマアッシングを行った。
この結果、図６の従来例では、テフロン（登録商標）から発生したフッ素によって誘電体３の石英板が腐食されたのに対し、図２の本実施例１では殆ど腐食を受けなかった。
上記の結果により、本実施例１が反応生成物による誘電体３への影響を効果的に防止することが確認された。
また、真空チャンバ８内を上記の条件に保ち、３００ｍｍウェハである被処理基板を使用してレジストのアッシングを行った。
この結果、図６に示される従来例に比較して本実施例１も同等以上のアッシング速度・均一性を保っており、処理特性も損なわないことが確認された。
本実施例１においては、表面波プラズマを例に取り、マイクロ波９の透過窓である石英から成る誘電体３について述べたが、誘電体３が、シャワープレートやインナーチューブ等の部品である場合においても同様の効果が得られる。
また、プラズマ源もプラズマ生成域６が直接、被処理基板に接するものでなければ適用することが出来、ＩＣＰ、ＥＣＲ、ヘリコン波等各種プラズマ源に適用することができる。
本実施例１において処理圧力は、気体分子の熱運動が支配的となる分子流状態にならない程度に高ければよく、すなわち、酸素ガスで高さ２００ｍｍの真空チャンバ８を使用する場合、０．３Ｐａより大きい圧力であればよい。
本実施例１において処理ガスを吐出するノズル１５ｂのノズル穴形状、個数、配置は、任意のものを適用することができるが、最低限４個以上のノズル穴１５ｂで構成すると、低コストで均一なガス流れを構成することができる。

次に、図４を参照して、本発明の実施例２および変形例について説明する。
さらに、図４(a)に示される本発明の実施例２の整流板２５や、図４(b)に示される本発明の実施例２の変形例においては、内壁形状の逆テーパ形状３５といった整流手段により吐出されたガスを整流してもよい。
実施例２ではアッシングを例にとって説明したが、プラズマ処理による被処理基板からの反応生成物は殆どの場合において発生するものである。
このため、ガス種及び励起手段である電磁波の出力等のプラズマ生成条件、被処理基板の材質・形状・大きさ・構造等についても制限を受けるものではない。

また、図５に示される本発明の実施例３のように、ガス吐出手段４５の下方にさらに第２のガス吐出手段５５を設けて処理を行ってもよい。

従来例の真空チャンバ内部のガス流れの気流シミュレーションの説明図である。 図１（ｂ）は、本発明の実施例１の真空チャンバ内部のガス流れの気流シミュレーションの説明図である。図１（ｃ）は、処理ガスの吐出方向が不適切な参考例の真空チャンバ内部のガス流れの気流シミュレーションの説明図である。 本発明の実施例１の表面波プラズマ処理装置の概略構成図ある。 本発明の実施例１の効果を示すための実験の結果を示す概略図である。 本発明の実施例２の概略構成図である。 本発明の実施例２の変形例の概略構成図である。 本発明の実施例３の概略構成図である。 従来例の表面波プラズマ処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１ ステージ ２ 環状導波管
３ 誘電体 ４ アンテナ
５ ガス吐出手段 ６ プラズマ生成域
７ 排気手段 ８ 真空チャンバ

Claims (13)

1. 処理ガスを導入される真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内において被処理基板が戴置されるステージと、
   前記被処理基板に対向して設けられ、前記処理ガスを励起するマイクロ波を前記真空チャンバ内へ導入する誘電体と、
   前記被処理基板と前記誘電体との間の前記真空チャンバの側壁に設けられ、前記処理ガスを吐出するガス吐出手段と、
   前記ガス吐出手段よりも前記被処理基板寄りに設けられ、前記真空チャンバを所定の圧力に維持する排気手段と、を有し、
   前記処理ガスを励起してプラズマ生成域に生じるプラズマに前記被処理基板を曝して処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記被処理基板の表面を通過しないで、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過する第一の渦状ガス流れと、
   前記被処理基板の表面を通過し、前記誘電体および前記プラズマ生成域を通過しない第二の渦状ガス流れとに分流するように、前記ガス吐出手段は前記処理ガスを吐出することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記所定の圧力における前記処理ガスの平均自由行程をλ［ｍ］、前記誘電体と前記被処理基板との距離をＤ［ｍ］としたとき、ｄ/λ＞１であ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。
3. ４個以上の前記ガス吐出手段が、前記被処理基板の中心から等距離に設けられ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。
4. 前記ガス吐出手段は、所定の方向にガスを吐出するよう構成され、前記所定の方向は前記被処理基板の戴置される前記ステージの面に対し平行よりも前記被処理基板寄りに傾いていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ガス吐出手段と前記誘電体との間に前記処理ガスを前記所定の方向へ整流する手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス吐出手段の全てについて、前記所定の方向が共通の１点を通過し、
   前記共通の１点は前記ガス吐出手段と前記被処理基板との間に位置することを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記全てのガス吐出手段が、前記被処理基板よりも外側に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記プラズマを生成するための電磁波が、前記誘電体を通して前記真空チャンバ内に導入されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記プラズマは、前記誘電体の近傍に形成される表面波プラズマであることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記被処理基板の表面の少なくとも一部が、有機物から成る膜に覆われ、前記処理によって前記膜の少なくとも一部が除去されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
11. 前記ガス吐出手段と前記被処理基板との距離が７０ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１から１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記誘電体と前記ガス吐出手段との距離が３ｍｍ以上離れていることを特徴とする請求項１から１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記ガス吐出手段と前記被処理基板との間に第２のガス吐出手段を備えることを特徴とする請求項１から１２に記載のプラズマ処理装置。
    

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