JP2010021380A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマそのものの特性を変化させることなく、基板上のプラズマの分布を一様に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】 プラズマ処理装置１は、真空容器３を有している。
真空容器３の上面には誘電体８が設けられており、誘電体８上には、プラズマ発生用コイル７が設けられている。
真空容器３の内部には基板５１を保持する保持手段２が設けられている。
保持手段２には、調整手段４が設けられている。
プラズマ処理を行う場合は、真空容器３内をガス置換した後にプラズマ発生用コイル７を作動させ、保持手段２にバイアス電位を負荷し、プラズマを発生させる。
そして、調整手段４を用いて、シース面が均一高さ４２に来るように保持手段２の位置を調整する。
このように調整することにより、プラズマ３７の条件を変えることなく、基板５１の表面を均一処理できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理装置を用いて行われるプラズマ処理方法に関する。

プラズマ処理装置は、プラズマを用いて基板への薄膜の堆積やイオンの打ち込み等を行う装置であり、主として半導体基板の製造に用いられている。

プラズマ処理装置の構造には種々のものがあるが、コイルを用いて誘導電流を発生させ、ガスを電離させる方式が一般的である。

具体的には、プラズマ処理装置はチャンバ、コイル、基板を保持するチャックを備えており、チャンバ内を真空排気した後に、ガスを導入し、コイルを用いて誘導電流を発生させて、ガスをプラズマ化する。

そして、チャックにバイアス用電源によりバイアス電位を印加し、発生したプラズマを用いて基板表面をプラズマ処理する。

例えば、特許文献１の段落番号〔０００４〕には、チャンバ内に一対の平行平板電極を配置し、処理ガスをチャンバ内に導入するとともに、電極間に高周波電界を形成し、プラズマを形成する処理装置が記載されている。

国際公開第ＷＯ２００５／１２４８４４号パンフレット

このような装置では、基板上に堆積、打ち込みされるイオンの分布がプラズマの分布に依存するため、基板上の堆積物やイオンの分布を均一にするためには、基板上のプラズマの分布を均一にしなくてはならない。

しかしながら、プラズマの分布はチャンバ内で一様ではなく、濃淡があるため、従来のプラズマ処理装置で基板上のプラズマの分布を一様にするためには、ガス圧、プラズマ電源の出力、ガス流量等の調整が必要であった。

このような調整はプラズマそのものの電子密度や温度等の特性を変化させることになるため、調整が非常に困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、プラズマそのものの特性を変化させることなく、基板上のプラズマの分布を一様に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。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、プラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する調整手段と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。

前記プラズマ処理装置は、前記基板を保持する保持手段と、前記保持手段にバイアス電位を印加する印加手段と、をさらに有する。

前記調整手段は、プラズマ処理の際に前記保持手段の表面に発生するシースのシース面が、前記プラズマの密度分布が均一となる位置に来るように、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段である。

前記調整手段は、前記印加手段が前記保持手段に印加したバイアス電位に基づき、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段である。

前記調整手段は、前記保持手段を移動させることにより、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段であってもよい。

第２の発明は、プラズマ発生装置によって発生したプラズマを用いて基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、前記基板と前記プラズマ発生装置との間の距離を調整する工程を有することを特徴とするプラズマ処理方法である。

前記工程は、前記基板を保持する保持手段の表面に発生するシースのシース面が、前記プラズマの密度分布が均一となる位置に来るように、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程である。

前記工程は、前記保持手段に印加されたバイアス電位に基づき、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程である。

前記工程は、前記保持手段を移動させることにより、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程であってもよい。

第１の発明および第２の発明ではプラズマ処理装置が、基板とプラズマ発生装置の間の距離を調整する調整手段を有している。

そのため、プラズマそのものの特性を変化させなくても、基板をプラズマの分布が均一な位置に移動させることができる。

本発明によれば、プラズマそのものの特性を変化させることなく、基板上のプラズマの分布を一様にすることが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の概略構成を説明する。

ここでは、プラズマ処理装置１として、半導体のプラズマ処理に用いられる処理装置が図示されている。

図１に示すように、プラズマ処理装置１は、チャンバとしての真空容器３を有している。

真空容器３の上面には誘電体８が設けられており、誘電体８上には、プラズマ３７を発生させるためのプラズマ発生用コイル７が設けられている。

プラズマ発生用コイル７にはプラズマ発生電源９が接続されている。

そして、プラズマ発生用コイル７、誘電体８、プラズマ発生電源９でプラズマ発生装置１０を構成している。

一方、真空容器３の内部には基板ホルダ１１が設けられている。

基板ホルダ１１には、静電吸引力によって基板５１を保持する静電チャック１５が設けられている。

静電チャック１５には、静電チャック１５の動作用の静電チャック用電源１７が接続されている。

また、静電チャック１５にはプラズマ処理される基板５１が保持される。

さらに、基板ホルダ１１には、静電チャック１５（誘電体）にバイアス電位を印加するための交流電源またはパルス電源であるバイアス用電源１３が印加手段として設けられている。

そして、基板ホルダ１１、静電チャック１５、静電チャック用電源１７、バイアス用電源１３で保持手段２を構成している。

さらに、基板ホルダ１１の底面には支柱１９が連結されている。

支柱１９と真空容器３は真空シール１４でシールされている。

支柱１９の一端は図示しないネジ状になっており、支柱１９を移動させるためのボールネジである昇降機構２１が連結されている。

昇降機構２１にはプーリ２３が連結されている。

プーリ２３にはタイミングベルト２５を介してプーリ２７が連結されており、プーリ２７には昇降用モータ２９が連結されている。

そして、支柱１９、昇降機構２１、プーリ２３、タイミングベルト２５、プーリ２７、昇降用モータ２９で、調整手段４を構成している。

昇降用モータ２９を回転させると、プーリ２７、タイミングベルト２５、プーリ２３を介して昇降機構２１が駆動され、支柱１９を図１のＡ、Ｂの向きに移動させる。

支柱１９が図１のＡ、Ｂの向きに移動すると、基板ホルダ１１、静電チャック１５は支柱１９と一体となって図１のＡ、Ｂの向きに移動し、静電チャック１５上の基板５１も図１のＡ、Ｂの向きに移動する。

即ち、昇降用モータ２９を回転させることにより、基板５１とプラズマ発生装置１０（誘電体８）の間の距離を調整できる。

なお、昇降用モータ２９は基板５１とプラズマ発生装置１０（誘電体８）の間の距離を調整するために用いられるため、サーボモータのような、位置制御が可能なものであるのが望ましい。

一方、真空容器３には、真空容器３内を排気するための真空ポンプ３１が設けられている。真空ポンプ３１と真空容器３の間には真空バルブ３３が設けられている。

真空容器３には、プラズマ化するガスを貯蔵するキャリアガス源３５がさらに設けられ、キャリアガス源３５と真空容器３の間にはガスバルブ３４が設けられている。

次に、プラズマ処理の手順について図２〜図６を用いて説明する。

まず、真空ポンプ３１を作動させ、次いで真空バルブ３３を開放して真空容器３内を排気する。

次に、ガスバルブ３４を開放し、キャリアガス源３５内のキャリアガスを真空容器３内に導入し、開閉制御可能な真空バルブ３３およびガスバルブ３４によって真空容器３内の圧力を一定に保持する。

そして、プラズマ発生電源９を用いてプラズマ発生用コイル７を作動させ、誘導電流によってキャリアガスをプラズマ化する。

また、バイアス用電源１３を用いて静電チャック１５にバイアス電位を印加する。

ここで、プラズマ発生用コイル７の直近の領域は最も電流が流れやすいため、コイル直近の領域にプラズマ３７が発生する。

しかし、プラズマ発生用コイル７と真空容器３の間に誘電体８が存在することから、真空容器３の内部側のチャージアップ電位のため、発生したプラズマ３７の密度分布は、図２のプラズマ密度等分布線３９に示すような形状になる。

具体的には、プラズマ発生用コイル７の直近の目玉状の領域が最も密度が高い領域となる。

そして、プラズマ発生用コイル７から離れるに従って、次第に等方拡散の形状となり、密度が低くなる。

なお、図３に示す均一高さ４２は、高さ方向のプラズマ３７の密度分布が均一となる位置（高さ）である。

一方、静電チャック１５にバイアス電位が印加されていることにより、プラズマ中で静電チャック１５はバイアス電位を持つ電極として存在することになる。

すると、図３に示すように、静電チャック１５の表面には、バイアス電位とプラズマ密度、温度等によって決定されるシース４１が発生する。

シース４１の内部では、電極からの電界が存在するため、プラズマ３７が存在せず、単に電界に沿って荷電粒子の加速が行われている。

シース４１のシース厚ｄは、静電チャック１５を平板電極とすると、以下の数１、数２で表される。

λ_Ｄ：デバイ長
ε_０：真空の誘電率
ｋ ：ボルツマン定数
Ｔ_ｅ：電子温度
Ｎ_ｅ：電子密度
ｅ ：電子電荷
Ｖ_ｐ：印加されたバイアス電位

ここで、基板５１のプラズマ処理に関わるプラズマ３７は、静電チャック１５に印加されたバイアス電位により発生した、シース４１の直前のプラズマ３７である。

そのため、高さ方向のプラズマ３７の密度分布が均一となる位置である、均一高さ４２にシース４１のシース面４１ａが配置されれば、基板５１上のプラズマ３７の分布を一様にでき、基板５１の表面を均一にプラズマ処理できる。

そこで、調整手段４を用いて、図４に示すように、シース４１のシース面４１ａが均一高さ４２に来るように保持手段２の位置を調整する。

具体的には、印加電位（バイアス電位）に基づき、（式１）よりシース厚ｄを決定し、昇降用モータ２９を駆動して、シース面４１ａが均一高さ４２に来るように保持手段２を図３のＡ、Ｂの向きに移動させる。

例えば、図３の状態では、シース面４１ａが均一高さ４２よりも低い位置にあるため、保持手段２を図３のＡの向きに移動させ、図４に示すように、シース面４１ａが均一高さ４２と同じ高さになるようにする。

なお、図５のように、図３の状態より印加電位（バイアス電位）が高い状態では、シース面４１ａの位置が均一高さ４２よりも高くなる場合がある。

この場合は、保持手段２を図５のＢの向きに移動させ、図６に示すように、シース面４１ａが均一高さ４２と同じ高さになるようにする。

そして、図４、図６の状態でプラズマ処理を行えば、基板５１の表面を均一処理できる。

ここで、いずれの場合も、ガス圧、プラズマ電源の出力、ガス流量等のプラズマ３７の調整は行われないため、プラズマ３７の特性は変化せず、プラズマ密度等分布線３９は一定である。

即ち、プラズマ処理装置１は、プラズマ３７の条件を変えることなく、基板５１とプラズマ発生装置１０の間の距離を調整するだけで、基板５１の表面を均一処理できる。

このように、本実施形態によれば、プラズマ処理装置１が、プラズマ発生装置１０、保持手段２、調整手段４を有し、調整手段４は、シース４１のシース面４１ａが均一高さ４２と同じ高さになるように保持手段２の位置を調整する。

従って、プラズマ３７の特性を変えることなく、基板５１の表面を均一処理できる。

また、本実施形態によれば、プラズマ処理装置１は、バイアス用電源１３が静電チャック１５に印加したバイアス電位に基づいて保持手段２の位置を調整する。

そのため、バイアス電位を変化させても、プラズマの特性を変えることなく、基板５１の表面を均一処理できる。

次に、具体的な実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。

図１に示すプラズマ処理装置１を用いてプラズマ３７を発生させ、プラズマ発生装置１０と基板５１との距離を３段階に変化させて基板５１の表面をプラズマ処理し、基板５１の面内抵抗値のバラつきを測定することにより、基板表面の均一性を評価した。

バイアス用電源１３の出力は１３５Ｗ、８００Ｗの２通りとした。

また、プラズマ発生装置１０と基板５１との距離は、１３５Ｗにおける最も均一性が高い場合の距離を０とする相対値とした。

結果を図７に示す。

図７より、プラズマ発生装置１０−基板５１の距離と基板５１の面内抵抗値のバラつきとの間には相関が見られ、距離を調整することにより、面内抵抗値のバラつきを調整できることが分かった。

特に１３５Ｗにおいては最も面内抵抗値のバラつきが小さい（均一性の高い）距離が見られ、プラズマ発生装置１０と基板５１との距離の最適化が図れたことが分かった。

即ち、バイアス電位を変化させても、プラズマの特性を変えることなく、基板５１の表面を均一処理できることが分かった。

上記した実施形態では、本発明を半導体のプラズマ処理に用いられる装置に適用した場合について説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、プラズマを用いて試料表面を処理する必要がある全ての装置に用いることができる。

プラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマを発生させた際のプラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマを発生させた際のプラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマを発生させた際のプラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマを発生させた際のプラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマを発生させた際のプラズマ処理装置１を示す図である。 プラズマ発生装置１０−基板５１間の距離と基板５１の面内抵抗値のバラつきとの相関を示す図である。

符号の説明

１…………プラズマ処理装置
２…………保持手段
３…………真空容器
４…………調整手段
７…………プラズマ発生用コイル
８…………誘電体
９…………プラズマ発生電源
１０………プラズマ発生装置
１１………基板ホルダ
１３………バイアス用電源
１４………真空シール
１５………静電チャック
１７………静電チャック用電源
１９………支柱
２１………昇降機構
２３………プーリ
２５………タイミングベルト
２７………プーリ
２９………昇降用モータ
３１………真空ポンプ
３３………真空バルブ
３４………ガスバルブ
３５………キャリアガス源
３９………プラズマ密度等分布線
４１………シース
４１ａ……シース面
４２………均一高さ
５１………基板

Claims (9)

1. 基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
   プラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する調整手段と、
   を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記基板を保持する保持手段と、
   前記保持手段にバイアス電位を印加する印加手段と、
   をさらに有す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. 前記調整手段は、
   プラズマ処理の際に前記保持手段の表面に発生するシースのシース面が、前記プラズマの密度分布が均一となる位置に来るように、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記調整手段は、
   前記印加手段が前記保持手段に印加したバイアス電位に基づき、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段であ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. 前記調整手段は、
   前記保持手段を移動させることにより、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する手段であることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
6. プラズマ発生装置によって発生したプラズマを用いて基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
   前記基板と前記プラズマ発生装置との間の距離を調整する工程を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 前記工程は、
   前記基板を保持する保持手段の表面に発生するシースのシース面が、前記プラズマの密度分布が均一となる位置に来るように、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程であることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
8. 前記工程は、
   前記保持手段に印加されたバイアス電位に基づき、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理方法。
9. 前記工程は、
   前記保持手段を移動させることにより、前記基板と前記プラズマ発生装置の間の距離を調整する工程であることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。

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