JP2010287639A

JP2010287639A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2010287639A
Application number: JP2009138764A
Authority: JP
Inventors: Katanobu Yokogawa; 賢悦横川; Kenji Maeda; 賢治前田; Takamasa Ichino; 貴雅一野; Kazuyuki Hiromi; 一幸廣實; Satoyuki Tamura; 智行田村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】被加工試料とプラズマ発生部の相対位置を可変とする下部電極上下駆動機構を有するドライエッチング装置において、高周波のリターン電流が流入して下部電極カバー内側にプラズマが発生する事を防止する。
【解決手段】内部にプラズマが生成される真空容器と、真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジ１５と、真空容器内に設けられ被加工試料１を載置する下部電極２と、下部電極を上下駆動する上下駆動機構１０と、下部電極が有す接地電位部１３に固定され上下駆動機構をプラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバー１４と、ベースフランジに固定され上下駆動機構をプラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバー１６とを有し、プラズマにより被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、接地電位部とベースフランジとを接続する導体１７を有し、導体は下部電極の径方向の中心と第１のカバーとの中間よりも第１のカバー側に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスを製造する半導体製造装置に関するものであり、特にプラズマを用いて、レジスト材料等で形成されたマスクパタン形状どおりにシリコンやシリコン酸化膜等の半導体材料をエッチングするドライエッチング技術に関する。

ドライエッチングは、真空排気手段を有する真空容器内に原料ガスを導入し、該原料ガスを電磁波によりプラズマ化して被加工試料にさらし、被加工試料表面のマスク部以外をエッチングすることで所望の形状を得る半導体微細加工方法である。被加工試料面内での加工均一性にはプラズマの分布，被加工試料面内の温度分布，供給ガスの組成および流量分布等様々な要素が影響する。よって、放電部または原料ガス供給部に対する被加工試料の位置がエッチング特性やエッチングレートの均一性に大きく影響する。その他、放電部やガス供給部に対する被加工試料の相対位置を可変とする上下駆動機構を設けることで、様々なプロセスに対応する条件最適化が可能となる。しかし、該上下駆動機構を設けると上下駆動機構を真空容器内に設けることが必要となる。上下駆動機構部を長期間プラズマあるいは化学的に活性な粒子の雰囲気にさらすとその上下駆動の消耗や堆積で安定性が低下したり、異物の発生要因となる。そこで、上下駆動機構部近傍にプラズマの遮蔽機能を設けることが必要となる。図２に示すような下部電極の周辺を内径の異なり、オーバーラップする２つの円筒状のカバーを設けると、上下駆動時にカバーそれぞれは摺動や変形を伴わないので、上下駆動時に堆積物等をまきあげて異物を発生する要因も無くなる。しかし、カバーのみでは図２に示すようにカバー内に高周波のリターン電流が流入する。リターン電流は、カバー内に流入すると、比較的長い経路で電流が流れるのでカバー内に電位差が発生しプラズマが発生するという課題が発生する。この課題に関して特許文献１にはプラズマから少なくとも真空容器内壁を通って高周波電源へ戻るリターン電流回路のインピーダンス調整手段が下部電極に設けられ、前記インピーダンス調整手段により、下部電極周辺のリターン電流を抑制することで下部電極周辺に発生するプラズマを抑制できることが開示されている。しかし、下部電極の上下駆動機構部の大気部分とその他の真空容器内の真空部分とを分離する手段として、ベローズを用いているため、堆積物の蓄積等で上下駆動時に異物の発生要因となりやすく、さらに耐久性の観点からベローズはステンレスで造られるためプラズマに直接曝されると汚染源になる可能性もあるため、上下駆動機構の長期的信頼性に欠けるという課題が発生する。以上より、被加工試料を載置する下部電極の上下駆動機構の実現には、異物の発生や、リターン電流の阻害による余分な下部電極周辺部での放電発生を抑制する構造の実現が必要となる。特に被加工試料に印加する高周波電力の電力がｋＷオーダとなる場合には前記課題は深刻となる。

特開２０００−２８６２３５号公報

真空内で被加工試料を載置する下部電極の上下駆動機構を実現するためには、上下駆動機構部のプラズマの遮蔽機能として、下部電極の周辺にカバーを設ける従来技術の構造にする必要があるが、カバー内に流入する高周波のリターン電流により発生した電位差でプラズマがカバー内に発生する課題に直面する。本発明は、下部電極下方での被加工試料印加高周波バイアスによる余分な放電を抑制する方法を提供する。

本発明では、内部にプラズマが生成される真空容器と、前記真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジと、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記下部電極を上下駆動する上下駆動機構と、前記下部電極が有す接地電位部に固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバーと、前記ベースフランジに固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバーとを有し、
前記プラズマにより前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
前記接地電位部と前記ベースフランジとを接続する導体を有し、
前記導体は、前記下部電極の径方向の中心と前記第１のカバーとの中間よりも
前記第１のカバー側に配置した。

内径の異なる２つの円筒をオーバーラップさせ、上下駆動部を保護することで上下駆動部が直接プラズマにさらされることが防止でき、上下駆動部の損傷や堆積による異物の発生を防止できる。さらに該円筒の内部に設けた高周波電流のバイパス経路により、該円筒内部での高周波電流による放電を抑制できる。以上の効果により、真空内部に設置した上下駆動機構部のプラズマによる損傷や堆積に伴う異物の発生、さらには余分な放電発生による被加工試料上のプラズマ生成効率の低下やプラズマの不安定化を抑制できる。

本発明の実施例１における基本構成図。補助アースがない場合のリターン電流経路の説明図。実施例１における下部電極の上下駆動機構が最上位位置にある場合の説明図。実施例１における下部電極の上下駆動機構が最下位位置にある場合の説明図。実施例１における補助アースがある場合のリターン電流経路の説明図。本発明の実施例２における下部電極の上下駆動機構が最上位位置にある場合の説明図。本発明の実施例２における下部電極の上下駆動機構が最下位位置にある場合の説明図。

本発明の２つの実施例について、以下に説明する。

図１に本発明の実施例１における装置全体図を示す。被加工試料１は、静電吸着機能を有する下部電極２に載置され、放電部である上部電極３に印加する高周波電源４からの高周波電力で導電性の真空容器２４内に生成されるプラズマ５により処理される。下部電極２には冷却用の冷媒流路６と高周波電源７からの高周波電力導入経路８が設けられている。本実施例では、冷媒流路６と高周波電力導入経路８は同一部材にて機能を兼用する構造とした。また下部電極２には上部電極３間の間隔９を制御するための下部電極上下駆動機構１０が装備されている。また、前記下部電極上下駆動機構１０は真空内に装備されている。先に記した冷媒流路６および高周波電力導入経路８は下部電極上下駆動機構１０の軸部１１内部に装備されている。また下部電極２を上下駆動する際の真空容器内の真空保持はベローズ１２にて保たれる。下部電極２は下面に接地電位部１３を有し、下部電極２の外周部の接地電位部１３に固定されるカバー１４と、カバー１４と内径が異なり、ベースフランジ１５に固定されるカバー１６が設置されている。カバー１４の内径はカバー１６の内径より小さく、カバー１４とカバー１６は円筒状の形状である。また、ベースフランジ１５は導電性で接地され、真空容器２４の下部を構成している。このカバー１４とカバー１６は下部電極２の上下駆動範囲内でオーバーラップするような構造となっており、下部電極２の下回りが該カバー１４，１６にてプラズマ雰囲気から隔壁されている。またカバー１４，１６の内側には補助アース１７が設置されている。補助アース１７はカバー１４，１６の近くに配置した方がリターン電流の経路長さを短縮できるので、電極下部空間での異常放電抑制効果としては望ましい。よって実施例では、補助アース１７をカバー１４，１６に接触しない程度の近く（下部電極２下面の接地電位部１３の中心からカバー１４間の中間よりカバー１４側）に配置した。補助アース１７は下部電極上下駆動機構１０の上下駆動範囲に対応する長さを有する柔軟な帯状の導体または伸縮可能なバネ状の導体で、ベースフランジ１５と下部電極２下面の接地電位部１３を接続するように配置されている。上下駆動範囲に対応する長さとは、下部電極２が最も上昇した時に接地電位部１３とベースフランジ１５を接続できる長さに、下部電極２が下降する際に補助アース１７がカバー１４，１６に接触することなく、インダクタンスが増大しない長さを追加した長さである。また、伸縮可能なバネ状の導体としてコイルも候補となり得るが、インダクタンスが増大し、補助アースとしての機能が低下するため、伸縮可能なバネ状の導体の候補としては不適当である。補助アース１７は、軸部１１を完全に覆うように配置すると、構造上ベローズと同様となり、駆動系の負担が大きくなったり、メンテナス性低下およびコストの増大を招く。さらに完全に覆うように帯状またはバネ状導体を作成すると、円筒状の構造を伸縮させることとなり、伸縮の繰り返し寿命の観点から伸縮構造の線路長が長くなり、インダクタンスが大きくなってしまうので補助アースとしての機能が低下することを考慮する必要がある。このため、本実施例では、補助アース１７は適当な幅の導体板を図示する円周方向に１〜４個程度配置する構造とした。具体的には、幅５cmの帯状導体を補助アース１７とし、円周方向に４箇所配置した。図１の実施例１では、プラズマの形成に用いる高周波電源４に２００ＭＨｚの高周波を用いた。下部電極２に印加する高周波電源には４ＭＨｚの高周波を用いた。さらに上部電極には下部電極２に印加する周波数と同様の４ＭＨｚの高周波を、２００ＭＨｚに重畳して高周波電源２６にて印加する構造を用いた。また真空容器２４の周辺にソレノイドコイル２５を配置し、該ソレノイドコイルに電流を流すことで真空容器内に磁場を発生させる機能を付加した。上部電極３に印加する２００ＭＨｚの高周波と該磁場を相互作用させることで、放電の効率を上げると同時に、磁場強度や磁場分布を制御することでプラズマ５の分布を制御することが可能となる。

図３，図４は図１の実施例１における下部電極２が最上位位置にある場合と最下位位置にある場合のそれぞれの状態図を示す。図１の実施例１では、カバー１４，１６を汚染の影響が少ないアルミ等で形成でき、必要によってはアルマイト処理やセラミックコーティングが施せるので非汚染となる。また上下駆動時にカバー１４，１６それぞれは摺動や変形を伴わないので、上下駆動時に堆積物等をまきあげて異物を発生する要因も無くなる。しかし、カバー１４，１６のみでは図２に示すようにカバー１４，１６内に高周波のリターン電流１８が流入する。リターン電流１８は、カバー１４，１６内に流入すると、比較的長い経路で電流が流れるのでカバー１４，１６内に電位差が発生しプラズマ２１が発生する。そこで、本発明ではカバー１４，１６の内側に帯状の導体で補助アース１７を配置した。この補助アース１７でベースフランジ１５と下部電極２下面の接地電位部１３間を接続すると、図５に示すように図２で示したリターン電流１８が補助アースを介して、カバー１４，１６内から比較的短い経路で外部に流れるので電位差の発生を抑制でき、カバー１４，１６内での放電が抑制できる。

以上の下部電極２に施すカバー１４，１６およびその内側に設置する補助アース１７にて上下駆動機構１０を有するプラズマ処理装置でも下部電極２の周辺および下回りの上下駆動機構１０付近でのプラズマ発生を抑制でき、被加工試料１上のプラズマ不安定性が抑制できる。さらにプラズマの遮蔽部が上下駆動時に摺動または変形しないので異物の発生の抑制や、動作の長期安定性が確保される。

図６，図７に本発明の実施例２を示す。実施例２では、実施例１における補助アースをステンレス等の薄板で形成した板バネ２２を用いる構造とした。板バネ２２は軸部１１を全周覆うように配置する必要は無く、実施例１と同様に適当な幅の板バネを１〜４個配置すれば十分効果がある。また板バネ２２は、板バネ２２の材質にステンレスを用いても、カバー１４，１６の内側は本発明の効果によりプラズマが発生せず、またカバー１４，１６により化学的に活性な粒子も到達しにくいため、汚染源とはならない。機能的には図１の実施例１と同様である。また図６は下部電極２が上下駆動機構１０の最上位位置にある場合、図７は最下位位置にある場合の状態を示す。

前記図１および図６，図７に示した実施例１，２では、プラズマ形成に被加工試料１に対面する上部電極に高周波電圧を印加する方式のプラズマ源に適用した場合について記した。しかし、本発明は、他の誘導結合方式や電子サクロトロン共鳴方式等のプラズマ源であっても、プラズマに対する被加工試料の相対位置を制御する下部電極上下駆動機構１０がある場合には同様に適用可能であり、かつその効果も同様であることは言うまでもない。

１被加工試料
２下部電極
３上部電極
４，７，２６高周波電源
５，２０，２１プラズマ
６冷媒流路
８高周波電力導入経路
９下部電極と上部電極の間隔
１０上下駆動機構
１１軸部
１２，１９ベローズ
１３接地電位部
１４，１６カバー
１５ベースフランジ
１７補助アース
１８リターン電流
２２板バネ
２３アース
２４真空容器
２５ソレノイドコイル

Claims

内部にプラズマが生成される真空容器と、前記真空容器の下部を構成し、接地されたベースフランジと、前記真空容器内に設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記下部電極を上下駆動する上下駆動機構と、前記下部電極が有す接地電位部に固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第１のカバーと、前記ベースフランジに固定され前記上下駆動機構を前記プラズマから遮蔽する円筒形状の第２のカバーとを有し、
前記プラズマにより前記被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
前記接地電位部と前記ベースフランジとを接続する導体を有し、
前記導体は、前記下部電極の径方向の中心と前記第１のカバーとの中間よりも
前記第１のカバー側に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記導体は、柔軟な帯状導体または板バネであって、前記下部電極の周方向に複数配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。