JP2010118628A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流の圧力損失を制御することにより、被処理物に対する処理レートを調整可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】内部を真空とすることが可能な処理室１内に、被処理物Ｓに対向して、プラズマ処理用のガスの流路を構成する穴３０を有する第１のガスノズル３と、穴４０を有する第２のガスノズル４とが、互いの間に隙間を保持した状態で重なり合う位置に配置され、第２のガスノズル４は、穴３０及び穴４０を通過するガスの圧力損失が変化するように、駆動機構６によって回動可能に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、処理室内に反応ガスを導入し、電極間の放電により発生したプラズマによって、被処理物のエッチングやアッシングを行うためのプラズマ処理装置に関する。

被処理物に対するエッチングやアッシングを行う装置として、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置は、真空とすることが可能な処理室内に設けられたテーブルを一方の電極とし、これに対向して他方の電極を設けたものである。かかるプラズマ処理装置においては、処理室内に反応ガスを導入して、高周波電源により電極に電圧を印加することによりプラズマを発生させて、テーブルに載置した被処理物に対して、所望の処理を行うことができる。

プラズマ処理装置の代表例としては、半導体ウェーハ等の基板をエッチングするためのエッチング装置がある。例えば、特許文献１には、基板側に直接プラズマを生成せずに、処理室に接続された配管内においてプラズマを生成し、そこで生じたラジカルを処理室内に導入して、エッチングを行うリモートプラズマエッチング装置が開示されている。
特開２００７−２２７３７５号公報

ところで、近年、半導体ウェーハの大型化に伴い、半導体ウェーハ面に対する処理の均一性に対する要求が厳しくなってきている。処理の均一性を図るためには、反応ガス流の制御が重要となる。しかし、従来から、反応ガスは、所定の位置に形成されたノズル穴を介して供給されていたため、被処理面の位置に応じてガス流を制御して、処理レートを調整することは困難であった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ガス流の圧力損失を制御することにより、被処理物に対する処理レートを調整可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、請求項１の発明は、内部を真空とすることが可能な処理室内に、被処理物に対向して配置され、プラズマ処理用のガスの流路を構成する穴が形成されたガスノズルを有するプラズマ処理装置において、前記ガスノズルは、互いの間に隙間を保持可能な状態で重なり合う位置に、複数配置され、複数の前記ガスノズルは、穴を通過するガスの圧力損失が変化するように、相対的に変位可能に設けられていることを特徴とする。

以上のような請求項１の発明では、複数のガスノズルを備え、これを変位させることにより、穴を通過するガスの圧力損失を変化させることができるので、処理が均一となるようにガス流を制御できる。

請求項２の発明は、請求項１のプラズマ処理装置において、第１のガスノズルと、これに隣接して回動可能に設けられた第２のガスノズルとを有し、前記第１のガスノズルにおける穴は、その回動中心と同心の円上に形成され、前記第２のガスノズルにおける穴は、前記第１のガスノズルの穴に対応する円上に形成され、前記第１のガスノズルにおける穴と前記第２のガスノズルにおける穴とが、周方向にずれた部分を有することを特徴とする。

以上のような請求項２の発明では、第１のガスノズル及び第２のガスノズルの穴が周方向にずれた部分を有しているので、第１のガスノズルの回動角度によって、中心側の穴によって構成されるガス流路と外周側の穴によって構成されるガス流路の広狭を変化させることができ、内周側と外周側との処理速度を調節できる。

請求項３の発明は、請求項１のプラズマ処理装置において、少なくとも一つのガスノズルと隣接するガスノズルとの間隔が、可変に設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項３の発明では、両ガスノズルの穴の位置が接近している場合、圧力損失が大きくガスが流れ難くなり、穴の位置が離れている場合、圧力損失が小さくガスが流れ易くなるので、ガスノズルの間隔を変えることにより、処理速度を制御できる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項のプラズマ処理装置において、前記処理室には、ガスの排気部が設けられ、前記ガスノズルの少なくとも一つを駆動する駆動機構が、被処理物の被処理面から前記排気部側にあることを特徴とする。
以上のような請求項４の発明では、駆動機構が、被処理物の被処理面から排気部側にあるため、駆動時に発生するパーティクル等によって被処理面が汚染されることが防止される。

請求項５の発明は、請求項４のプラズマ処理装置において、前記被処理物の被処理面から前記排気部側において、駆動機構とガスノズルを接続する支持部を有し、前記支持部は、処理室の内壁の少なくとも一部を覆う位置に設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項５の発明では、処理室の内壁を覆う支持部によって、処理時のガスから内壁が保護される。

本発明によれば、ガス流の圧力損失を制御することにより、被処理物に対する処理レートを調整可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態（以下、実施形態と呼ぶ）について、図面を参照して具体的に説明する。
［第１の実施形態］
［全体構成］
本発明の第１の実施形態の構成を、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態は、図１に示すように、処理室１、載置部２、第１のガスノズル３、第２のガスノズル４、支持部５、駆動機構６等を有している。

処理室１は、図示しない真空源に接続され、内部を真空とすることが可能なチャンバである。この処理室１には、図示はしないが、上部に、図示しない放電管に連通したガス輸送管が設けられ、放電管で生成された中性活性種などを含むガスが導入されるようになっている。また、処理室１の下部には、排気ポート１０（排気部）が設けられ、図示しないポンプに接続されることにより、ガスを排気可能に設けられている。

載置部２は、被処理物Ｓ（例えば、半導体ウェーハ等）を載置するためのテーブルである。この載置部２は、静電チャックを備え、被処理物Ｓを保持可能に設けられている。

第１のガスノズル３及び第２のガスノズル４は、載置部２上の被処理物Ｓに対向して配置された円形のプレートである。第１のガスノズル３は、処理室１の上部に固定されている。第２のガスノズル４は、第１のガスノズル３の下部に、間隔を空けて設けられている。これらの第１のガスノズル３及び第２のガスノズル４には、後述するように、ガスが流通する穴３０，４０が形成されている。

支持部５は、第２のガスノズル４に固定され、これを支持する有底円筒形状の部材である。この支持部５の側面は、載置部２の周囲における処理室１の内壁に近接し、これをカバーしている。駆動機構６は、処理室１の排気側（下部側）における外部に設けられ、出力用の軸６０を介して支持部５に接続されている。この駆動機構６は、モータ等の駆動源を備え、軸６０を回動させることにより、支持部５を回動させる機構である。

駆動機構６の作動で第２のガスノズル４が回動すると、第２のガスノズル４及びその穴４０は、第１のガスノズル３及びその穴３０に対して相対的に変位する。なお、支持部５及び軸６０は、処理室１との間の摺動部分が、シールされている。

上記の真空源、ガス供給源、バルブ、ポンプ、駆動機構６等は、制御装置によって制御される。この制御装置は、例えば、専用の電子回路若しくは所定のプログラムで動作するコンピュータ等によって実現できる。従って、以下に説明する手順で本装置の動作を制御するためのコンピュータプログラム及びこれを記録した記録媒体も、本発明の一態様である。

［ガスノズルの構成］
次に、上記の第１のガスノズル３及び第２のガスノズル４に形成された穴３０，４０の詳細を説明する。すなわち、第１のガスノズル３の穴３０は、図２（Ａ）に示すように、第２のガスノズル４の回動中心と同心の複数の円上に、複数形成されている。これらの穴３０は、周方向に等間隔で並んでいる。また、各穴３０は、周方向に長く形成されている。

第２のガスノズル４の穴４０は、図２（Ｂ）に示すように、第１のガスノズル３の穴３０が形成された同心円と重なる同心円上に、複数形成されている。これらの穴４０は、周方向に等間隔で並んでいる。また、各穴４０は、円形となっている。

さらに、第１のガスノズル３の穴３０と、第２のガスノズル４の穴４０は、周方向にずれた部分を有している。例えば、本実施形態では、第１のガスノズル３においては、図２（Ａ）に示すように、各同心円間の穴３０は、径方向の直線（図中、一点鎖線で示す）に対して、斜め方向に並んだ部分を有している。一方、第２のガスノズル４においては、図２（Ｂ）に示すように、各同心円間の穴４０は、径方向の直線上に並んでいる。なお、穴４０が完全に塞がる状態を生じさせるためには、穴３０同士の周方向の間隔が、穴４０の直径よりも空いていることが望ましいが、必ずしもこれには限定されない。

穴３０及び穴４０の配列が上記のようになっているため、第２のガスノズル４の回動位置に応じて、ガス流路となる開口は、以下のように変化する。すなわち、図３（Ａ）に示すように、第２のガスノズル４の穴４０が、第１のガスノズル３の穴３０に対して、時計回りで考えて遅れている（図中、右寄りにある）ときには、中心側の開口が狭く、外周側の開口が広くなる（図中、黒塗りの部分）。

一方、図３（Ｂ）に示すように、第２のガスノズル４の穴４０が、第１のガスノズル３の穴３０に対して、時計回りで進んでいる（図中、左寄りにある）ときには、中心側の開口が広く、外周側の開口が狭くなる（図中、黒塗りの部分）。

［作用］
以上のような本実施形態の動作について説明する。
［基本動作］
プラズマ処理装置としての基本的な動作は、従来技術と同様である。ここでは、リモートプラズマ型のエッチング装置を例にとって説明する。まず、図示しない搬送部により被処理物Ｓが処理室１に搬入され、載置部２上に載置、保持される。次に、処理室１内がポンプ等の減圧手段により所定圧力まで減圧される。この際、図示しない圧力制御器により、処理室１内の圧力が調整される。また、処理室１に連通した図示しない放電管も減圧、圧力調整される。

次に、図示しない放電管内部に所定量のプロセスガス（例えば、ＣＦ_４、ＮＦ_３など）が導入される。一方、図示しないマイクロ波発生手段から、所定のパワーのマイクロ波が図示しない導入導波管を介して放射される。マイクロ波が放射されると、プラズマが発生し、プロセスガスが励起、活性化されて中性活性種、イオンなどのプラズマ生成物が生成される。生成されたプラズマ生成物を含むガスは、図示しないガス輸送管を介して処理室１に導入される。この際、寿命の短いイオンなどは処理室１まで到達できず、寿命の長い中性活性種のみが処理室１に到達することになる。導入された中性活性種を含むガスは、第１のガスノズル３、第２のガスノズル４を通過して、被処理物Ｓの表面に到達し、エッチング処理などのプラズマ処理が行われる（図１）。

処理室１内のガス流は、上部側のガス導入路から、第１のガスノズル３の穴３０及び第２のガスノズル４の穴４０を通過して、下部側の排気ポート１０へと流れ、上流側と下流側に圧力差が生じている。

［ガス流量の調整］
次に、被処理物Ｓに対するガス流量の調整方法を説明する。まず、ガス流量の大小は、処理速度に影響を与える。例えば、エッチングの形状は、概ね同心円状であり、中心側の円から外周側の円にかけて、処理レートが異なる場合が多い。

そこで、外周側の処理レートを速くしたい場合には、図３（Ａ）に示すように、第２のガスノズル４を回動させて、中心側の開口が狭く、外周側の開口が広くなるようにする。これにより、中心側のガス流の圧力損失が大きく、外周側のガス流の圧力損失が小さくなるので、中心側よりも外周側のガス流量が増えて、外周側の処理レートが速くなる。

一方、中心側の処理レートを速くしたい場合には、図３（Ｂ）に示すように、第２のガスノズル４を回動させて、中心側の開口が広く、外周側の開口が狭くなるようにする。これにより、中心側のガス流の圧力損失が小さく、外周側のガス流の圧力損失が大きくなるので、外周側よりも中心側のガス流量が増えて、中心側の処理レートが速くなる。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第１のガスノズル３及び第２のガスノズル４という複数のガスノズルを備え、第２のガスノズル４を回動させることにより、穴３０及び穴４０を通過するガスの圧力損失を変化させることができるので、第２のガスノズル４の回動位置を調節することにより、処理が均一となるようにガス流を制御できる。

特に、周方向にずれて配設された穴３０及び穴４０は、その重ね合わせ量に応じて、中心側から外周側にかけて開口が広くなるようにしたり、外周側から中心側にかけて開口が広くなるようにすることができるので、例えば、エッチングのように処理レートが同心円状に変化する処理に対応して、処理レートが均一になるように調整できる。

また、第１のガスノズル３及び第２のガスノズル４との間には、隙間が設けられているので、第２のガスノズル４の回転時に、第１のガスノズル３と擦れ合うことがなく、パーティクル等の発生を防止できる。そして、支持部５の側面によって、載置部２の周囲の処理室１の内壁が、処理時のガスによる影響から保護される。

さらに、第２のガスノズル４を回動させる駆動機構６が、処理室１の排気側の外部に設けられ、ガス流が高圧の上部から低圧の下部へ流れるように設定されているので、駆動機構６から発生するパーティクル等が逆流することがなく、処理室１内の汚染が防止できる。

［第２の実施形態］
［構成］
本発明の第２の実施形態の構成を、図４及び図５を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、図４に示すように、基本的には、第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態では、処理室１に固定された第１のガスノズル３の下部に、第２のガスノズル４が昇降可能に設けられている点が異なっている。

すなわち、本実施形態においては、第２のガスノズル４に固定された支持部５を、上下に駆動する駆動機構７が、処理室１の排気側（下部側）における外部に設けられている。この駆動機構７としては、シリンダによるもの、モータ駆動の送りネジによりスライダを昇降させるもの、モータ駆動のギア機構によりラックを昇降させるもの等、支持部５を直線上に進退させる機構であれば、周知のあらゆる技術を適用可能である。なお、支持部５は、処理室１との間の摺動部分が、シールされている。

また、第１のガスノズル３に形成された穴３１と、第２のガスノズル４に形成された穴４１とは、全て同径のものが均等に形成されている。但し、穴３１と穴４１は、左右にずれて形成されている。

［作用］
以上のような本実施形態の動作について説明する。なお、基本動作は、上記の実施形態で説明した通りであるため、ガス流量の調整についてのみ説明する。

まず、第１のガスノズル３の穴３１と、第２のガスノズル４の穴４１とは、ずれた位置に形成されているので、第１のガスノズル３と第２のガスノズル４との間の空間の広狭が、ガス流の圧力損失に大きな影響を与える。

つまり、図５（Ａ）に示すように両者が接近した場合、ガス流路が狭まり圧力損失が増すので、ガスＧの流量が制限される。一方、図５（Ｂ）に示すように、両者が離れた場合、ガス流路が広がり、圧力損失が低下するので、ガスＧの流量が増える。

したがって、処理レートを速くしたい場合には、駆動機構７によって第２のガスノズル４を下降させてガス流路を拡大し、ガス流量を増やす。処理レートを遅くしたい場合には、駆動機構７によって第２のガスノズル４を上昇させてガス流路を狭め、ガス流量を制限する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第２のガスノズル４は昇降させるので、回転等させるよりも、ガス流路の圧力損失の調整が容易となる。また、処理室１のシール構造も簡略化できる。

［第３の実施形態］
［構成］
本発明の第３の実施形態の構成を、図６を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、基本的には、第２の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態においては、第２のガスノズル４の下部に配置された第３のガスノズル８が、支持部５１を介して、駆動機構９により第２のガスノズル４とは独立に昇降可能に設けられている点が異なっている。

そして、第１のガスノズル３に形成された穴３２と、第２のガスノズル４に形成された穴４２とは、中心側の領域で左右にずれていて、外周側の領域で上下の位置が一致している。第２のガスノズル４に形成された穴４２と第３のガスノズル８に形成された穴８２とは、中心側の領域で上下の位置が一致していて、外周側の領域で左右にずれている。

［作用］
以上のような本実施形態の動作について説明する。なお、基本動作は、上記の実施形態で説明した通りであるため、ガス流量の調整についてのみ説明する。

すなわち、第１のガスノズル３の穴３２と、第２のガスノズル４の穴４２は、中心側においてずれているので、両者が接近した場合、中心側の流路が狭まり、圧力損失が増して、ガス流量が制限される。一方、両者が離れた場合、中心側の流路が広がり、圧力損失が低下するので、ガス流量が増える。外周側では、穴３２と穴４２のずれはないので、第１のガスノズル３と第２のガスノズル４との間の広狭は、ガス流量の増減にあまり影響を与えない。

また、第２のガスノズル４の穴４２と、第３のガスノズル８の穴８２は、外周側においてずれているので、両者が接近した場合、外周側の流路が狭まり、圧力損失が増して、ガス流量が制限される。一方、両者が離れた場合、外周側の流路が広がり、圧力損失が低下するので、ガス流量が増える。中心側では、穴４２と穴８２のずれはないので、第２のガスノズル４と第３のガスノズル８との間の広狭は、ガス流量の増減にあまり影響を与えない。

したがって、中心側の処理レートを速くしたい場合には、駆動機構９によって第２のガスノズル４を下降させてガス流路を拡大し、ガス流量を増やす。逆に、中心側の処理レートを遅くしたい場合には、第２のガスノズル４を上昇させてガス流路を狭め、ガス流量を制限する。

一方、外周側の処理レートを速くしたい場合には、駆動機構９によって第３のガスノズル８を下降させてガス流路を拡大し、ガス流量を増やす。逆に、外周側の処理レートを遅くしたい場合には、第３のガスノズル８を上昇させてガス流路を狭め、ガス流量を制限する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、第２のガスノズル４を昇降させることによって、中心側のガス流量を制御でき、第３のガスノズル８を昇降させることによって、外周側のガス流量を制御できるので、より詳細な処理レートの調節が可能となる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、ガスノズルに形成する穴の大きさ、形状及び位置は、上記の実施形態で例示したものには限定されない。例えば、同一のガスノズルに形成する穴の大きさは、一致していても、異なっていてもよい。異なるガスノズル同士の穴の大きさも、一致していても、異なっていてもよい。穴の大きさを厚さ方向で変化させてもよい。穴の形状は、円形、長円形には限定されず、楕円、多角形等、どのような形状であってもよい。穴の方向も、傾斜を持たせてもよいし、湾曲部分や屈曲部分を設けてもよい。

穴の配列も、同心円状には限定されず、放射状、マトリクス状、螺旋状等、どのような配列で形成してもよい。異なるガスノズル同士の穴のずれの程度も自由である。ずれ量を、中心側と外周側で序々に変えてもよい。第３の実施形態では、第２のガスノズルは中心側、第３のガスノズルは外周側にずれを設けたが、逆に、第２のガスノズルには外周側、第３のガスノズルには中心側にずれを設けてもよい。

上記の実施形態では、上部のガスノズルを固定として、下部のガスノズルを変位させていたが、上部のガスノズルを変位させて、下部を固定としてもよいし、上部、下部ともに変位させてもよい。ガスノズル間に間隔を空けた状態で、ガスノズルを横方向にスライドさせることによって、圧力損失を変化させてもよい。

請求項における「間隔を保持可能な」とは、ガスノズルを回転させる場合には、一対のガスノズルに所定の間隔が空けられていることを言い、ガスノズルを昇降させる場合には、一対のガスノズルが接触する状態と離れる状態との間を相対的に変位可能に設けられていること、若しくは一対のガスノズルが接触することなく相対的に変位可能に設けられていることが含まれる。

ガスノズルの駆動機構も、被処理面から排気側にあれば、パーティクル等による汚染を防止できる。ガスノズルの数も、２つ及び３つには限定されず、これより多くすることにより、より詳細に流量を制御することも可能である。ガスノズルを回動可能に設けるとともに、昇降可能に設けてもよい。

ガスノズルの形状や厚さも特定のものには限定されない。一枚のガスノズルに凹部を形成し、この凹部に別のガスノズルを入れ子状に配置するようにしてもよい。ガスノズルに傾斜を持たせてもよいし、ガスノズル自体を、例えば山形やすり鉢状とするなど、平板以外の形状としてもよい。支持部についても、処理室の内壁の全周を覆う形でも、一部を覆う形でもよい。さらに、本発明は、エッチング装置、アッシング装置等を含むプラズマ処理装置として広く適用可能であり、処理対象となる被処理物も自由である。

本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１の実施形態における第１のガスノズルの穴（Ａ）、第２のガスノズルの穴（Ｂ）を示す平面図である。 図１の実施形態におけるガスノズルの外周側の開口を広くした例（Ａ）、中心側の開口を広くした例（Ｂ）を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図４の実施形態における第１のガスノズルと第２のガスノズルの間隔を狭めた場合のガス流（Ａ）、間隔を広げた場合のガス流（Ｂ）を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１…処理室
２…載置部
３…第１のガスノズル
４…第２のガスノズル
５，５２…支持部
６，７，９…駆動機構
８…第３のガスノズル
１０…排気ポート
３０，３１，３２，４０，４１，４２，８２…穴
５２…支持部
６０…軸

Claims (5)

1. 内部を真空とすることが可能な処理室内に、被処理物に対向して配置され、プラズマ処理用のガスの流路を構成する穴が形成されたガスノズルを有するプラズマ処理装置において、
   前記ガスノズルは、互いの間に隙間を保持可能な状態で重なり合う位置に、複数配置され、
   複数の前記ガスノズルは、穴を通過するガスの圧力損失が変化するように、相対的に変位可能に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 第１のガスノズルと、これに隣接して回動可能に設けられた第２のガスノズルとを有し、
   前記第１のガスノズルにおける穴は、その回動中心と同心の円上に形成され、
   前記第２のガスノズルにおける穴は、前記第１のガスノズルの穴に対応する円上に形成され、
   前記第１のガスノズルにおける穴と前記第２のガスノズルにおける穴とが、周方向にずれた部分を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. 少なくとも一つのガスノズルと隣接するガスノズルとの間隔が、可変に設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 前記処理室には、ガスの排気部が設けられ、
   前記ガスノズルの少なくとも一つを駆動する駆動機構が、被処理物の被処理面から前記排気部側にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記被処理物の被処理面から前記排気部側において、駆動機構とガスノズルを接続する支持部を有し、
   前記支持部は、処理室の内壁の少なくとも一部を覆う位置に設けられていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。

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