JP2010135781A - プラズマ処理装置及びその構成部品 - Google Patents

Abstract

【課題】隅部にデポが堆積するのを防止することができるプラズマ処理装置の構成部品を提供する。
【解決手段】プラズマを用いてウエハＷにドライエッチング処理を施すプラズマ処理装置１０が備える上部電極３３の外側電極３３ｂにおいて、内周部３３ｃ及び傾斜面３３ｄが成す隅部３３ｅの角度がθ_１が１４０°であり、溝４１の底面４１ａ及び傾斜面４１ｂが成す隅部４１ｃの角度θ_２が１２５°であり、さらに、溝４１の底面４１ａ及び傾斜面４１ｄが成す隅部４１ｅの角度θ_３が１２５°であり、溝４１の底面４１ａの幅はシース長の２倍以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びその構成部品に関し、特に、プラズマに晒されるプラズマ処理装置の構成部品に関する。

プラズマ処理装置は基板としてのウエハを収容する収容室を備え、収容室内に導入された処理ガスからプラズマを生成し、該プラズマによってウエハに所望のプラズマ処理を施す。プラズマ処理がドライエッチング処理である場合、プラズマと被エッチング物質に起因して反応生成物が生じ、該反応生成物はデポとして収容室を構成する構成部品の表面等に堆積する。

一方、収容室内ではプラズマに晒される各構成部品の表面７０に沿ってシース７１が発生し、該シース７１によってプラズマ中のイオン７２が各構成部品の表面に向けて打ち込まれる（図７（Ａ））。この打ち込まれたイオン７２は各構成部品の表面に堆積したデポをスパッタして除去する。通常、各構成部品の表面においては反応生成物に起因するデポの堆積量がイオンのスパッタによるデポの除去量と同等か或いは少ないため、デポが堆積することは殆どない。

ところが、近年、ウエハにおけるプラズマ処理の均一化を達成するために収容室内におけるプラズマ分布、特に電子密度の制御を厳密に行うことが求められており、これに対応してウエハに対向する上部電極に突起、溝や段差を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特願２００８−８３０４６号明細書

しかしながら、図７（Ｂ）に示すように、ほぼ直角な隅部７３を伴う突起や溝では該隅部７３に沿うように屈曲したシース７４が発生するが、イオン７５は該シース７４に対してほぼ垂直に打ち出されるため、屈曲したシース７４からはイオン７５が拡散して打ち出される。その結果、隅部７３では他の部分と比較して単位面積当たりに打ち込まれるイオン７５の数が極端に少なくなり、イオン７５のスパッタによるデポの除去量が減少するため、隅部７３及びその近傍ではデポ７６が堆積することがある。堆積したデポ７６は剥がれてパーティクルとなり、ウエハに付着してディフェクト（欠陥）の原因となる。

本発明の目的は、隅部にデポが堆積するのを防止することができるプラズマ処理装置及びその構成部品を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のプラズマ処理装置の構成部品は、プラズマを用いて基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の構成部品であって、前記プラズマに晒される構成部品において、２つの面が交差して形成される隅部を有し、前記２つの面の交差角度は１１５°〜１８０°のいずか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の構成部品は、請求項１記載の構成部品において、前記隅部が形成された溝を有し、該溝の幅はシース長の２倍以上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の構成部品は、請求項２記載の構成部品において、前記構成部品は前記基板に対向するように配置され、且つ直流電圧が印加される電極であって、前記プラズマ中の電子密度は２．０×１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３であり、前記電極に印加される直流電圧の値が３００Ｖ以下であるときに、前記溝の幅は８ｍｍ以上であることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項４記載のプラズマ処理装置は、プラズマを用いて基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記プラズマに晒される構成部品を備え、前記構成部品は、２つの面が交差して形成される隅部を有し、前記２つの面の交差角度は１１５°〜１８０°のいずかであることを特徴とする。

請求項１記載のプラズマ処理装置の構成部品及び請求項４記載のプラズマ処理装置によれば、プラズマに晒される構成部品は２つの面が交差して形成される隅部を有し、該２つの面の交差角度は１１５°〜１８０°のいずかであるので、隅部に沿って発生したシースの屈曲度合いが低減し、これにより、該シースから打ち出されるイオンの拡散度合いも低減する。その結果、隅部において単位面積当たりに打ち込まれるイオンの数が極端に低減するのを防止してイオンのスパッタによるデポの除去量の減少を抑制することができ、もって、隅部にデポが堆積するのを防止することができる。

請求項２記載のプラズマ処理装置の構成部品によれば、隅部が形成された溝の幅はシース長の２倍以上であるので、溝の内部においてシースが形成されても溝の各側面に沿って発生したシースが重なることが無く、もって、イオンを閉じ込めるホロー部の発生を防止することができる。その結果、溝の内部のシースから溝の各表面に向けてイオンを確実に打ち込むことができ、隅部を含む溝の内部においてデポが堆積するのを防止することができる。

請求項３記載のプラズマ処理装置の構成部品によれば、プラズマ中の電子密度は２．０×１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３であり、基板に対向するように配置される電極に印加される直流電圧の値が３００Ｖ以下であるときに、溝の幅は８ｍｍ以上であるので、電極の溝の内部においてデポが堆積するのを確実に防止することができるとともに溝の内部においてホロー部の発生を確実に防止することができる。

本発明の実施の形態に係る構成部品を備えるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。 プラズマ処理装置のチャンバの構成部品における隅部の角度及び該構成部品の消耗量の関係を示すグラフである。 構成部品の隅部に沿って発生したシースから打ち出されるイオンの拡散度合いの低減を説明するための図である。 図１における外側電極の近傍の構成を概略的に示す拡大断面図である。 構成部品の溝及びシースの発生形態の関係を示す断面図であり、図５（Ａ）は溝の幅が極端に小さい場合の断面図であり、図５（Ｂ）は溝の幅がさほど大きくない場合の断面図である。 上部電極に直流電圧が印加される場合のプラズマ中の電子密度と、上部電極の表面に沿って発生するシース長との関係を示すグラフである。 従来のプラズマ処理装置の構成部品の表面に沿って発生したシースから打ち出されるイオンの拡散度合いを説明するための図であり、図７（Ａ）は隅部が存在しない場合の図であり、図７（Ｂ）はほぼ直角な隅部が存在する場合の図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る構成部品を備えるプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。このプラズマ処理装置はウエハにドライエッチング処理を施すように構成されている。

図１において、プラズマ処理装置１０は、例えば、直径が３００ｍｍのウエハＷを収容するチャンバ１１を有し、該チャンバ１１内には半導体デバイス用のウエハＷを載置する円柱状のサセプタ１２が配置されている。また、プラズマ処理装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって、サセプタ１２上方のガスをチャンバ１１の外へ排出する流路として機能する側方排気路１３が形成される。この側方排気路１３の途中には排気プレート１４が配置される。

排気プレート１４は多数の孔を有する板状部材であり、チャンバ１１内部を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１４によって仕切られたチャンバ１１内部の上部（以下、「反応室」という。）１７にはプラズマが発生する。また、チャンバ１１内部の下部（以下、「排気室（マニホールド）」という。）１８にはチャンバ１１内のガスを排出する排気管１６が接続される。排気プレート１４は反応室１７に発生するプラズマを捕捉又は反射してマニホールド１８への漏洩を防止する。

排気管１６にはＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）（ともに図示しない）が接続され、これらのポンプはチャンバ１１内を真空引きして減圧する。具体的には、ＤＰはチャンバ１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧し、ＴＭＰはＤＰと協働してチャンバ１１内を中真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０^−３Ｐａ（１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示しない）によって制御される。

チャンバ１１内のサセプタ１２には第１の高周波電源１９が第１の整合器２０を介して接続され、且つ第２の高周波電源３１が第２の整合器３０を介して接続されており、第１の高周波電源１９は比較的低い周波数のイオン引き込み用の高周波電力をサセプタ１２に供給し、第２の高周波電源３１は比較的高い周波数のプラズマ生成用の高周波電力をサセプタ１２に供給する。これにより、サセプタ１２は電極として機能する。また、第１の整合器２０及び第２の整合器３０は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への供給効率を最大にする。

サセプタ１２の上部には、静電電極板２１を内部に有する静電チャック２２が配置されている。静電チャック２２は或る直径を有する下部円板状部材の上に、該下部円板状部材より直径の小さい上部円板状部材を重ねた形状を呈する。なお、静電チャック２２はセラミックスで構成されている。

静電チャック２２では、静電電極板２１に第１の直流電源２３が接続されている。静電電極板２１に正の直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック２２側の面（以下、「裏面」という。）には負電位が発生して静電電極板２１及びウエハＷの裏面の間に電位差が生じ、該電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷは静電チャック２２における上部円板状部材の上において吸着保持される。

また、静電チャック２２には、吸着保持されたウエハＷを囲うように、リング状部材であるフォーカスリング２４が載置される。フォーカスリング２４は、導電体、例えば、ウエハＷを構成する材料と同じ単結晶シリコンによって構成される。フォーカスリング２４は導電体からなるので、プラズマの分布域をウエハＷ上だけでなく該フォーカスリング２４上まで拡大してウエハＷの周縁部上におけるプラズマの密度を該ウエハＷの中央部上におけるプラズマの密度と同程度に維持する。これにより、ウエハＷの全面に施されるドライエッチング処理の均一性を維持することができる。

サセプタ１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室２５が設けられる。この冷媒室２５には、チラーユニット（図示しない）から冷媒用配管２６を介して低温の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）が循環供給される。該低温の冷媒によって冷却されたサセプタ１２は静電チャック２２を介してウエハＷ及びフォーカスリング２４を冷却する。

静電チャック２２における上部円板状部材の上面のウエハＷが吸着保持される部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔２７が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔２７は、伝熱ガス供給ライン２８を介して伝熱ガス供給部（図示しない）に接続され、該伝熱ガス供給部は伝熱ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）ガスを、伝熱ガス供給孔２７を介して吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給する。吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給されたヘリウムガスはウエハＷの熱を静電チャック２２に効果的に伝達する。

チャンバ１１の天井部には、サセプタ１２と対向するようにシャワーヘッド２９が配置されている。シャワーヘッド２９は、上部電極３３と該上部電極３３を着脱可能に釣支するクーリングプレート３４と、該クーリングプレート３４を覆う蓋体３５とを有する。該クーリングプレート３４の内部にはバッファ室３６が設けられ、このバッファ室３６には処理ガス導入管３７が接続されている。

上部電極３３には第２の直流電源１５が接続されており、該上部電極３３に直流電圧が印加される。また、上部電極３３は多数のガス穴３２を有する導電性の円板状部材である内側電極３３ａと、該内側電極３３ａを囲うように配置される導電性のリング状部材である外側電極３３ｂ（構成部品）とからなり、外側電極３３ｂは内周部よりも外周部がサセプタ１２に載置されたウエハＷ（以下、「載置ウエハＷ」という。）に向けて突出する段差構造を有し、内周部及び外周部は傾斜面で接続されている。該傾斜面は載置ウエハＷの外縁部を指向する。

プラズマ処理装置１０では、処理ガス導入管３７からバッファ室３６へ供給された処理ガスがガス穴３２を介して反応室１７内部へ導入され、該導入された処理ガスは、第２の高周波電源３１からサセプタ１２を介して反応室１７内部へ印加されたプラズマ生成用の高周波電力によって励起されてプラズマとなる。該プラズマは、第１の高周波電源１９がサセプタ１２に供給するイオン引き込み用の高周波電力によって載置ウエハＷに向けて引きこまれ、該ウエハＷにドライエッチング処理を施す。

また、プラズマ処理装置１０では、ドライエッチング処理の間、第２の直流電源１５が上部電極３３に負の直流電圧を印加する。このとき、上部電極３３は二次電子を放出するが、外側電極３３ｂの傾斜面は載置ウエハＷの外縁部を指向するので、載置ウエハＷの外縁部近傍には外側電極３３ｂの内周部から放出された二次電子だけでなく、上記傾斜面から放出された二次電子も到達する。これにより、載置ウエハＷの周縁部の直上において電子密度が低下するのを防止することができ、もって、載置ウエハＷの全面へ均一にドライエッチング処理を施すことができる。

なお、外側電極３３ｂは、載置ウエハＷ近傍における電子密度を制御するために、上述した傾斜面の他に溝４１（後述する）を有する。

上述したプラズマ処理装置１０の各構成部品の動作は、プラズマ処理装置１０が備える制御部（図示しない）のＣＰＵがドライエッチング処理に対応するプログラムに応じて制御する。

プラズマ処理装置１０がドライエッチング処理を載置ウエハＷに施す場合、反応生成物がデポとしてチャンバ１１を構成する構成部品、例えば、上部電極３３の表面等に堆積する。

ここで、上部電極３３は段差構造を有し、さらに溝４１を有するため、複数の隅部を備えるが、上述したように、隅部に沿って発生したシースではその屈曲度合いに応じてイオンのスパッタによるデポの除去量が減少し、隅部及びその近傍にデポが堆積することがある。

そこで、本発明者は隅部の屈曲度合いと隅部及びその近傍のデポ堆積との関係を把握すべく、ドライエッチング処理を実行した場合のシリコンからなる、チャンバの構成部品における隅部の角度及び該構成部品の消耗量の関係を調査したところ、図２のグラフに示すように、隅部の角度が１２５°以上であれば確実に構成部品が消耗することを見出した。構成部品が消耗するためには、該構成部品の表面に堆積するデポの堆積量をイオンのスパッタによるデポの除去量が上回る必要がある。したがって、隅部の角度が１２５°以上であれば、イオンのスパッタによるデポの除去量の減少を抑制でき、デポの堆積量がイオンのスパッタによるデポの除去量を上回ること、すなわちデポが堆積するのを防止できることが分かった。さらに、図２のグラフでは構成部品の消耗量が０以下の場合はデポが堆積する場合に該当するが、隅部の角度が１１５°以上であれば、デポの堆積量は非常に小さく、例え、デポが堆積しても該デポはウエハのディフェクトの原因とならないことも分かった。

以上の調査結果より、本発明者は、隅部におけるデポの除去に関して以下の知見を得た。すなわち、図３に示すように、構成部品の隅部３８において該隅部３８の角度θが１１５°以上、好ましくは１２５°以上であれば、隅部３８に沿って発生するシース３９の屈曲度合いが低減され、該シース３９から打ち出されるイオン４０の拡散度合いも低減する。その結果、隅部３８において単位面積当たりに打ち込まれるイオン４０の数が極端に低減するのを防止してイオンのスパッタによるデポの除去量の減少を抑制できる。

なお、図２のグラフにおける一点鎖線と破線はそれぞれ異なるプラズマ処理装置において異なる条件に基づいて実行されたドライエッチング処理における結果であるが、いずれも隅部の角度が１２５°以上であれば構成部品が消耗することを示しているため、プラズマ処理装置の種類やドライエッチング処理の条件に拘わらず、隅部の角度が１２５°以上であればデポが堆積するのを防止できることが分かった。

一方、隅部の角度が１８０°より大きいと隅部は突起部となり、シースは該突起部を取り巻くように発生するため、シースから打ち込まれるイオンが集中して該突起部の消耗が激しくなる。したがって、隅部の角度は１８０°以下であることが好ましい。

本実施の形態では、上記知見に基づいて、外側電極３３ｂが有する段差構造や溝４１において２つの面が交差して形成される隅部の角度（２つの面の交差角度）が１１５°〜１８０°のいずれかに設定される。

図４は、図１における外側電極の近傍の構成を概略的に示す拡大断面図である。

図４において、内周部３３ｃ及び傾斜面３３ｄが成す隅部３３ｅの角度がθ_１が１４０°に設定され、溝４１の底面４１ａ及び傾斜面４１ｂが成す隅部４１ｃの角度θ_２が１２５°に設定され、さらに、溝４１の底面４１ａ及び傾斜面４１ｄが成す隅部４１ｅの角度θ_３が１２５°に設定される。

ところで、上述したように、プラズマに晒される構成部品ではその表面に沿うようにシースが発生するが、外側電極３３ｂのように構成部品が溝を有する場合、図５（Ａ）に示すように、溝４２の幅が極端に小さいと該溝４２の内部にシース４３が入り込まず、その結果、溝４２の底部４２ａからシース４３までの距離が遠くなり、シース４３から溝４２の内部へ打ち込まれるイオン４４が失速して底部４２ａまで届かないことがある。このとき、底部４２ａではイオン４４のスパッタによるデポの除去量が減少するため、デポ４５が堆積する。

また、図５（Ｂ）に示すように、溝４６の幅がさほど大きくない場合、該溝４６の両側面４６ａ，４６ｂに沿って発生したシース４７，４８が溝４６の内部において重なることがある。シース４７，４８が重なる部分はホロー（hollow）部４９と呼ばれ、該ホロー部４９はイオンを閉じ込めるため、該ホロー部４９からイオン５０が打ち出されることがなく、その結果、溝４６の内部ではイオン５０のスパッタによるデポの除去量が減少し、デポ５１が堆積することがある。

本実施の形態では、これに対応して、溝４１の最小幅がシースの厚さ（シース長）の２倍以上に設定される。具体的には、図４に示すように、溝４１の底面４１ａの幅Ｌがシース長の２倍以上に設定される。これにより、溝４１の内部において傾斜面４１ｂ及び傾斜面４１ｄのそれぞれに沿ってシース５２が発生しても該シース５２は溝４１の内部において重なることがない。

プラズマ処理装置１０のように、上部電極３３に直流電圧が印加される場合、上部電極３３の表面に沿って発生するシース長は下記式（１）によって表される。
シース長 ＝ ０．６０６×デバイ長×（２×Ｖｄｃ／Ｔｅ）^３／４ （ｍｍ）…（１）
但し、Ｖｄｃ：上部電極３３に印加される直流電圧の値（Ｖ）、Ｔｅ：電子温度（ｅＶ）、デバイ長：７．４３×１０^３×（Ｔｅ／Ｎｅ）^１／２（ｍｍ）、Ｎｅ：電子密度（ｃｍ^−３）
図６は、上記式（１）に基づいたプラズマ中の電子密度と、上部電極３３の表面に沿って発生するシース長との関係を示すグラフである。図６において、上部電極３３に印加される直流電圧の値が１５０Ｖの場合は「◇」で示され、同直流電圧の値が３００Ｖの場合は「□」で示され、同直流電圧の値が６００Ｖの場合は「△」で示され、同直流電圧の値が９００Ｖの場合は「×」で示される。

ここで、通常、上部電極３３に印加される直流電圧の値は３００Ｖ以下であり、ドライエッチング処理で用いるプラズマ中の電子密度は２．０×１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３であるため、図６のグラフより、発生が想定されるシースのシース長は４．０ｍｍ以下である。したがって、溝４１の底面４１ａの幅Ｌを８ｍｍ以上に設定すれば、溝４１の内部においてホロー部４９の発生を確実に防止することができる。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成部品としての外側電極３３ｂによれば、外側電極３３ｂにおける隅部３３ｅの角度がθ_１が１４０°であり、隅部４１ｃの角度θ_２が１２５°であり、さらに、隅部４１ｅの角度θ_３が１２５°であるので、イオンのスパッタによるデポの除去量の減少を抑制することができ、もって、各隅部３３ｅ，４１ｃ，４１ｅにデポが堆積するのを防止することができる。

上述した外側電極３３ｂでは、隅部４１ｃ，４１ｅが形成された溝４１の底面４１ａの幅はシース長の２倍以上であるので、溝４１の内部においてシース５２が形成されても溝４１の各傾斜面４１ｂ，４１ｄに沿って発生したシース５２が重なることが無く、もって、イオンを閉じ込めるホロー部の発生を防止することができる。その結果、溝４１の内部のシース５２から溝４１の各傾斜面４１ｂ，４１ｄに向けてイオンを確実に打ち込むことができ、隅部４１ｃ，４１ｅを含む溝４１の内部においてデポが堆積するのを防止することができる。

本実施の形態では、上部電極３３の各隅部３３ｅ，４１ｃ，４１ｅの角度の設定や溝４１の幅の設定について説明したが、本発明は他のプラズマに晒される構成部品に適用してもよく、具体的には、他の構成部品であっても隅部の角度を１２５°以上に設定するのが好ましく、また、溝の幅をシース長の２倍以上に設定するのが好ましい。また、本実施の形態では上部電極３３に直流電圧が印加される場合について説明したが、本発明は上部電極に直流電圧が印加されない場合にも適用してもよく、上部電極に直流電圧が印加されない場合であっても隅部の角度を１２５°以上に設定するのが好ましく、また、溝の幅をシース長の２倍以上に設定するのが好ましい。

なお、上述した本実施の形態では、ドライエッチング処理が施される基板が半導体デバイス用のウエハであったが、ドライエッチング処理が施される基板はこれに限られず、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＦＰＤ（Flat Panel Display）等のガラス基板であってもよい。

Ｗ ウエハ
１０ プラズマ処理装置
１５ 第２の直流電源
３３ 上部電極
３３ａ 内側電極
３３ｂ 外側電極
３３ｅ，３８，４１ｃ，４１ｅ，７３ 隅部
３９，４３，４７，４８，５２，７１，７４ シース
４０，４４，５０，７２，７５ イオン
４１，４２，４６ 溝
４１ａ 底面
４１ｂ，４１ｄ 傾斜面
４５，５１，７６ デポ
４９ ホロー部

Claims (4)

1. プラズマを用いて基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の構成部品であって、前記プラズマに晒される構成部品において、
   ２つの面が交差して形成される隅部を有し、
   前記２つの面の交差角度は１１５°〜１８０°のいずかであることを特徴とするプラズマ処理装置の構成部品。
2. 前記隅部が形成された溝を有し、該溝の幅はシース長の２倍以上であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置の構成部品。
3. 前記構成部品は前記基板に対向するように配置され、且つ直流電圧が印加される電極であって、前記プラズマ中の電子密度は２．０×１０^１０〜１０^１１ｃｍ^−３であり、前記電極に印加される直流電圧の値が３００Ｖ以下であるときに、前記溝の幅は８ｍｍ以上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の構成部品。
4. プラズマを用いて基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記プラズマに晒される構成部品を備え、
   前記構成部品は、２つの面が交差して形成される隅部を有し、前記２つの面の交差角度は１１５°〜１８０°のいずかであることを特徴とするプラズマ処理装置。

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