JP2010141104A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置の装置内部材の温度を安定化し、ＣＤ（Critical Dimension）精度の変動の少ないプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置の誘電体窓１０３に温風ユニット１２５を接続し、誘電体窓１０３あるいはシャワープレート１０２の温度を温度センサー１２８により計測した温度信号を元に、温風ユニット１２５を制御して誘電体窓１０３あるいはシャワープレート１０２の温度制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体基板等の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関する。

近年の半導体素子は微細化により、リソグラフィーにより形成されたマスクを下層膜に転写するエッチング工程にはより高い精度の寸法精度、つまりＣＤ（Critical Dimension）精度が要求されている。量産現場において高いＣＤ制御性に加えて、ＣＤの再現性を確保することが重要な課題である。

一般にエッチング工程においてＣＤが変動する要因としてはエッチングチャンバー内壁に被処理材から発生した反応生成物が付着する、チャンバー内部材が長期的な使用により消耗する、チャンバー内部材の温度等が変動し、チャンバー内内壁等へのラジカルの付着確率が変化し、エッチング性能へ影響するプラズマ状態が変動する等の要因が挙げられる。

従来のプラズマ処理装置はチャンバー内温度変動を抑制するために、真空チャンバーに温度制御器を設置し、真空チャンバーの温度を調整し、温度制御器を設置できない、プラズマ生成用の電磁波導入用誘電体窓等は、被処理材の処理前に予備放電を行う等の方法にて、その温度制御を実施していた。しかし、処理と処理の間の待機時間等が変化するため、待機中のチャンバー内温度が変化し予備放電による温度制御が安定に行えない可能性があった。

半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、長期的なＣＤ変動の抑制が要求されている。本発明では、装置内部材の温度を安定化し、ＣＤ変動の少ないプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な誘電体窓と真空容器により密閉された処理室と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能でかつ温度制御器により温度制御が可能な基板電極と、該誘電体窓よりプラズマを発生するための電磁波を導入するための高周波導入手段と、該高周波導入手段に接続された高周波電源とからなるプラズマ処理装置において、該誘電体窓温度をモニターするための放射型温度センサーを有し、該温度センサーにより測定した信号を元に、装置状態の監視が可能なことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法では、誘電体窓の温度変動が抑制され、エッチング性能に影響するラジカル等の付着確率変動が抑制されることから、ＣＤの変動抑制が可能であるという効果がある。

以下、本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）エッチング装置を用いたプラズマ処理装置を図１〜図３により説明する。

図１に本発明の第一の実施例であるプラズマ処理装置の構成を示す。上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２（例えば石英製またはイットリア製）、誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置し、密封することにより処理室１０４を形成する。

真空容器１０１の外部にはヒーター１２２が設置され、ヒーター制御器１２３に接続されている。真空容器１０１には温度センサー１２４が設置され、その信号はヒーター制御器１２３に伝送され、真空容器１０１内壁が任意の温度になるようにヒーター１２２が出力制御される。シャワープレート１０２にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が接続される。また、真空容器１０１には真空排気口１０６を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。

プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０７（またはアンテナ）が設けられる。導波管１０７（またはアンテナ）へ伝送される電磁波は電磁波発生用電源１０９から発振させる。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外周部には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内にプラズマを生成する。

また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部にはウエハ載置用電極１１１が設けられる。ウエハ載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電源１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続される。

ウエハ載置用電極１１１は、冷媒用流路１１７を有し、温調器１１８に接続されているとともに、ヒーター１１９を有し、ヒーター制御器１２０に接続されている。またウエハ載置用電極１１１には温度センサー１２１が設置され、その信号はヒーター制御器１２０に伝送され、ウエハ１１２温度を所望の温度になるように、ヒーター１１９出力および冷媒の温度を制御する温調器１１８の設定温度を制御する。

処理室１０４内に搬送されたウエハ１１２は、直流電源１１６から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１１１上に吸着、温度調節され、ガス供給装置１０５よって所望のエッチングガスを供給した後、真空容器１０１内を所定の圧力とし、処理室１０４内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４から高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１２がエッチング処理される。

従来、エッチングチャンバー内の温度は、真空容器１０１の内壁はヒーター１２２にて、ウエハ載置用電極１１１は、ヒーター１１９、温調器１１８にて任意の温度に制御されていた。しかしエッチングチャンバー内の表面積としてもうひとつ大きな面積を占めるシャワープレート１０２、および誘電体窓１０３は積極的な温度制御は行われておらず、主にそれらの温度はプラズマよりの入熱の影響を強く受けていた。

図２にシャワープレート１０２の温度とそのとき得られるＣＤ値との関係を示す。ＣＤ値はシャワープレート１０２温度と良い相関があることが分かる。また誘電体窓１０３温度も過渡現象を除けばＣＤ値と相関があることが分かっており、ＣＤ値を常に安定させるためには、シャワープレート１０２ならびに誘電体窓１０３の温度を安定にする必要がある。本発明では、誘電体窓１０３、およびシャワープレート１０２の温度制御を行うため、誘電体窓１０３上部の導波管１０７に温風を導入する温風ユニット１２５が接続されている。

温風ユニット１２５は温風ユニット制御器１２７に接続されている。温風ユニット１２５の送風口には高周波電磁波が温風ユニット１２５内に進入することを防止するため、金属製のメッシュ１３３が設けてある。また導波管内に導入された温風が電磁波発生用電源１０９に流入することを防止するため、誘電体プレート１３４が温風ユニット１２５と電磁波発生用電源１０９間に設置してある。

導波管１０７を介し、空洞共振器１０８に流入した温風は、誘電体窓１０３に接触し、誘電体窓１０３へ熱エネルギーが伝達される。また空洞共振器１０８上部（側部など他の箇所でも良い）には温風を排気する温風排気口１２６が設置されている。排気された温風は、そのまま大気へ放出されても良いが、エネルギー効率向上のため、排気された温風は管を通して温風ユニット１２５へ導入され、内部で温風が循環する構造となっている。またここで温風を利用する理由として、誘電体窓１０３、シャワープレート１０２はプラズマからの入熱により高温（例えば２００℃以上）となり、それらを上部より加熱するためには密閉された空間内に対流を起こすことが有効である。

したがって、ヒーター等により直接加熱するよりも温風を用いることで、温度制御の効率を向上することが可能である。また誘電体窓１０３の温度を監視するため、空洞共振器１０８上部には温度センサー１２８が設置されている。ここで温度センサー１２８は直接誘電体窓１０３に接続しても良いが、本実施例の場合には、誘電体窓１０３上部は高周波電磁波の伝送路であることから、高周波電磁界への影響を低減するため、温度センサー１２８として、赤外線計測型温度モニター１２８が設置してある。

ここで、使用する赤外線は誘電体窓１０３を直接測定する場合には、誘電体窓１０３の透過波長域以上の比較的低温でも感度の高い遠赤外領域を使用する。但しシャワープレート１０２を直接測定する場合には、使用する赤外線は誘電体窓１０３の透過波長域以下の赤外波長（近赤外から中赤外域）を使用し、一般的に数μｍの波長域となる。本実施例の場合、プラズマ処理中のシャワープレート１０２の温度は通常誘電体窓１０３に比べて高く、シャワープレート１０２の温度を測定することが可能である。更に精度良く直接シャワープレート１０２の温度を測定する場合には、シャワープレート１０２の上部に赤外計測用マーカー１２９を設置する。赤外計測用マーカー１２９の材質は誘電体窓１０３およびシャワープレート１０２の赤外線透過波長域にて、吸収波長領域を有することが必要である。

また、この場合は赤外線計測形温度モニター１２８の使用赤外波長を、誘電体窓１０３に対して透過波長、赤外計測用マーカー１２９に対して吸収波長となる波長領域を使用することで、直接シャワープレート１０２の温度を測定することが可能となる。赤外線計測型温度モニター１２８にて測定された温度信号は温風ユニット制御器１２７に伝送され、誘電体窓１０３またはシャワープレート１０２が所望の温度になるように、温風ユニット１２５の風量または温度を調整する。ここで温風ユニット１２５にて調整する温度範囲を室温〜３００℃とすることで、より効果的な温度調節が可能である。

前述のように本発明の実施例では、真空容器１０１の内壁温度をヒーター１２２で、ウエハ載置電極１１１の温度をヒーター１１９と温調器１１８で、誘電体窓１０３またはシャワープレート１０２を温風ユニット１２５にてそれぞれ所望の温度に制御することができるが、更にヒーター制御器１２０、温調器１１８、ヒーター制御器１２３、温風ユニット制御器１２７は中央温度制御ユニット１３０に接続されている。

中央温度制御ユニット１３０は、エッチング装置全体の制御を行うエッチング制御ユニット１３１に接続されており、誘電体窓温度をモニターする温度センサー１２８、真空容器壁温度をモニターする温度センサー１２２、及び、基板電極温度をモニターする温度センサー１２１にて測定された温度信号を信号処理し、温度センサー１２８に接続された温風ユニット１２５、温度センサー１２２に接続されたヒーター制御器１２３、温度センサー１２１に接続されたヒーター制御器１２０及び温調器１１８をそれぞれ制御することができる。

それぞれの温度制御機器は、直接それらが接続されている部品以外の温度制御も複合的に行うことが可能である。例えば、シャワープレート１０２は放電ＯＦＦ時に、上部の誘電体窓１０３だけでなく、エッチングチャンバー下部からも熱エネルギーを損失する。 この熱エネルギーの損失を抑制するために、放電ＯＦＦ時にシャワープレート１０２または誘電体窓１０３の温度を一定にするように、温風ユニット１２５だけでなく、ヒーター１２２、ヒーター１１９、温調器１１８を用いて温度調節（主に加熱）することが効果的である。

更にエッチング装置下部からの熱の損失が支配的な場合は、真空容器１０１を構成している材質の熱伝達率よりも低い熱伝達率を有する材料を装置下部に設置することも熱エネルギーの損失を抑制する点で有効である。

図３には実際に誘電体窓１０３を加熱した場合の放電ＯＦＦ時の誘電体窓１０３の温度の時間変化を示す。加熱ありの場合には従来方式に比べ温度の下降が抑制されていることが分かる。本結果は実際に温度制御のパラメータ等が最適化されていないが、上述の温度制御機構を用いることで、ＣＤ安定化が可能であるシャワープレート１０２の温度変動５０℃以下を達成することができる。
また、本実施例では、温風ユニット１２５を用いた温度制御の例について記載したが、赤外線計測形温度モニター１２８で誘電体窓１０３又はシャワープレート１０２の温度のみを監視し、装置状態を管理することで、実際の処理の可否を判断することも、デバイス生産における歩留まりを向上させる点で有効である。

本発明である温風ユニット１２５を用いて誘電体窓１０３およびシャワープレート１０２の温度制御を行うことにより、エッチング装置の処理室１０４を構成する部品の温度を安定にすることが可能であり、ＣＤ安定性を向上できることから、歩留り低下、経時変化の少ないエッチング処理が可能である。

次に本発明の第二の実施例であるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング装置を用いたプラズマ処理装置を図４により説明する。第一の実施例と同様の点は省略する。処理室１０４上の誘電体窓１０３上部には、ループアンテナ４０３が設置されている。ループアンテナ４０３は、整合器４０２を介してプラズマ生成用高周波電源４０１に接続されている。また誘電体窓１０３、ループアンテナ４０３を密閉するようにカバー４０４が設置されている。

ループアンテナ４０３から誘電体窓１０３を介して導入される高周波エネルギーにより、処理室１０４内にプラズマを生成する。カバー４０４は高周波電磁波が外部へ漏洩することを防止するとともに、温風ユニット１２５からの温風を誘電体窓１０３上に滞留させる役割を持つ。

本実施例でも第一の実施例と同様に、温風ユニット１２５を用いて誘電体窓１０３およびシャワープレート（図示なし）の温度制御を行うことにより、エッチング装置の処理室１０４を構成する部品の温度を安定にすることが可能であり、ＣＤ安定性を向上できることから、歩留り低下、経時変化の少ないエッチング処理が可能である。

第一、第二の実施例では誘電体窓を取り囲むカバーはそれぞれ、マイクロ波の伝送路、高周波の漏洩防止を兼用しているが、別途別のカバーを設けても同様の効果がある。また本実施例では、ＥＣＲ，ＩＣＰエッチング装置についてのみ言及したが、高周波エネルギーをアンテナ等の高周波伝送手段により誘電体窓を介してプラズマを生成する装置全般において、誘電体窓の外部にカバーを密閉するように設置し、温風によりその誘電体窓の温度制御を行うことで、高周波への影響なく、誘電体窓の温度制御が可能であることから、前述のＣＤの安定化が可能であるという効果がある。

図１は本発明の実施例１であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図である。 図２はシャワープレートとＣＤ変動の関係を示す特性図である。 図３はシャワープレート温度時間変化の誘電体窓加熱有無の影響を示す特性図である。 図４は本発明の実施例２である誘導結合型プラズマエッチング装置の縦断面図である。

符号の説明

１０１ 真空容器
１０２ シャワープレート
１０３ 誘電体窓
１０４ 処理室
１０５ ガス供給装置
１０６ 真空排気口
１０７ 導波管
１０８ 空洞共振器
１０９ 電磁波発生用電源
１１０ 磁場発生コイル
１１１ ウエハ載置用電極
１１２ ウエハ
１１３ マッチング回路
１１４ 高周波電源
１１５ フィルター
１１６ 静電吸着用直流電源
１１７ 冷媒用流路
１１８ 温調器
１１９ ヒーター
１２０ ヒーター制御器
１２１ 温度センサー
１２２ ヒーター
１２３ ヒーター制御器
１２４ 温度センサー
１２５ 温風ユニット
１２６ 温風排気口
１２７ 温風ユニット制御器
１２８ 赤外線計測型温度モニター
１２９ 赤外線計測用マーカー
１３０ 中央温度制御ユニット
１３１ エッチング装置制御ユニット
１３２ 断熱層
１３３ 金属製メッシュ
１３４ 誘電体プレート
４０１ プラズマ生成用高周波電源
４０２ 整合器
４０３ ループアンテナ
４０４ カバー

Claims (11)

1. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な誘電体窓と真空容器により密閉された処理室と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能でかつ温度制御器により温度制御が可能な基板電極と、該誘電体窓よりプラズマを発生するための電磁波を導入するための高周波導入手段と、該高周波導入手段に接続された高周波電源とからなるプラズマ処理装置において、
   該誘電体窓温度をモニターするための放射型温度センサーを有し、該温度センサーにより測定した信号を元に、装置状態の監視が可能なことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な誘電体窓と真空容器により密閉された処理室と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能でかつ温度制御器により温度制御が可能な基板電極と、該誘電体窓よりプラズマを発生するための電磁波を導入するための高周波導入手段と、該高周波導入手段に接続された高周波電源とからなるプラズマ処理装置において、
   該誘電体窓温度をモニターする温度センサーおよび該誘電体窓に温風を導入する温風ファンユニットを有し、該温度センサーにより測定した信号を元に、該誘電体窓の温度調節が可能なことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、該誘電体窓はカバーにより密閉され、その内部へ該温風ファンユニットにより発生する気体を出し入れするための導入口および排気口を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、該排気口は該温風ファンユニットに接続され、該温風ファンユニットから発生する気体が循環する構造であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、該温度センサーが赤外線計測型であることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、該誘電体窓より該処理室内に誘電体であるシャワープレートを有し、該シャワープレートの一部に該温度センサーにて使用する赤外線が透過し難い物質である赤外計測用マーカーを付着し、該温度センサーにて該シャワープレートの温度を測定することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、磁場を形成する手段を有し、該プラズマを発生する電磁波がマイクロ波であり、該誘電体窓を密閉するカバーが該マイクロ波の伝送路であることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、該誘電体窓よりプラズマを発生するための電磁波を導入するための高周波導入手段の導波管と該誘電体窓に温風を導入する温風ファンユニットとが接続されており、該温風ファンユニットの送風口には、高周波電磁波が該温風ファンユニット内に進入することを防止する金属製のメッシュが設けられ、該導波管には、該導波管内に導入された温風が該高周波電源に流入することを防止する誘電体プレートが設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な誘電体窓と真空容器により密閉された処理室、該処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能でかつ温度制御器により温度制御が可能な基板電極、該誘電体窓よりプラズマを発生するための電磁波を導入するための高周波導入手段と該高周波導入手段に接続された高周波電源からなるプラズマ処理装置において、
   該誘電体窓温度をモニターする第１の温度センサー、該真空容器壁温度をモニターする第２の温度センサー、及び、該基板電極温度をモニターする第３の温度センサーを有し、
   該誘電体窓に温風を導入する温風ファンユニットである第１の温度制御機構、該真空容器壁に接続された第２の温度制御機構、及び、該基板電極に接続された第３の温度制御機構を有し、
   該第１ないし第３の温度センサーはエッチング装置全体を制御するエッチング装置制御ユニットに接続された中央温度制御ユニットに接続され、該第１ないし第３の温度センサーにて測定された温度信号は該中央温度制御ユニットにて信号処理され、該第１ないし第３の温度センサーの測定部位に直接接続された該第１ないし第３の温度制御機構を独立的に制御、又は該第１ないし第３の温度センサーの測定部位に直接接続されていない該第１ないし第３の温度制御機構を複合的に制御することが可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項９に記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理中以外は、該第１ないし第３の温度制御機構は該誘電体窓の温度変化を極小とするように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項９または１０に記載のプラズマ処理装置において、該処理室と該真空排気装置が接続されている部位との間に、該真空容器を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材を設置することを特徴とするプラズマ処理装置。

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