JP2011026624A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極性が異なる複数の磁石を有する磁石機構の個々の高さを容易に調整可能とし、薄膜形成における膜厚不均一性を改善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】真空排気可能な処理室１００、処理室内に配置された第１の電極（高周波電極）１０を具備する。また、第１の電極１０上に配置され、隣り合う磁石間で極性を逆にして配置された複数の磁石１４、第１の電極１０と対向して設けられた第２の電極（基板載置電極）２０を具備する。そして、それぞれ磁石１４と第１の電極１０との距離を調整する距離調整機構を設け、個別に複数の磁石１４の第１の電極１０に対する距離を調整可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜形成処理或いはエッチング処理等に用いられるプラズマ処理装置に関するものである。

従来の薄膜形成装置（マグネトロンスパッタ装置）において、高周波電力及びＤＣ電力を印加するスパッタ装置は高いプラズマ密度が得られ、装置が簡単であることから誘導結合型プラズマスパッタ装置が一般的に用いられている。

例えば、本願出願人は、先に、特開２００４−３３５６３７号公報においてエッチング残さを無くし、高速且つ均一なエッチングを可能とするプラズマ処理装置を提案している（特許文献１）。

図９は同文献のプラズマ処理装置を示す模式的断面図である。高周波電極１０（カソード電極も兼ねる）の裏面側には、高周波電極１０の表面側にいわゆるポイントカプス磁場を発生するように多数の磁石１４がその極性が隣り合う磁石間で逆にして取り付けられた板状体１３が配置されている。板状体１３は上下に移動可能となるようにベローズ７の上板８に絶縁体１９を介して取り付けられている。

磁石（マグネット）１４が発生する磁束によってプラズマ中の二次電子のトラップ量が決まり、発生するプラズマ密度及びカソードから放出される金属または絶縁物の放出量及び放出角度が制御される。なお、プラズマ処理装置としては、その他に特許文献２に開示されたものがある。

ポイントカプス磁場は、特開平１１−２８３９２６号公報の段落００２４等に記載されているように各々隣り合うマグネットがトッププレートに向かう極で反対の極性を持つことで形成されるものである（特許文献３）。
特開２００４−３３５６３７号公報 特開２００３−３１８１６５号公報 特開平１１−２８３９２６号公報

特許文献１のものは、スパッタの進行に伴い高周波電極１０（カソード電極）のエロージョンが変化していった場合の表面磁束密度補正機構としては有効であるが、基板３０への付着分布の制御手法としては更に改良の余地が残されている。

即ち、プラズマ処理装置は基板３０に付着する金属薄膜または絶縁物薄膜等の膜厚不均一性は高周波電極１０の裏面に配置された磁石（マグネット）１４の磁束密度設計に依存する。磁束密度を変化させるには極性の異なる磁石１４の隣接距離を変化させる、或いは個々の磁石１４から発生する磁束密度を変化させることが有効な手法であることが分かっている。

しかしながら、多種にわたる金属、絶縁物形成においてその隣接距離と個々の磁石１４からの磁束密度を変化させることは容易ではなく、それぞれの薄膜形成手法の確立に時間を要することになる。

本発明の目的は、極性が異なる複数の磁石を有する磁石機構の個々の高さを容易に調整可能とし、薄膜形成における膜厚不均一性を改善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。

本発明は、真空排気可能な処理室と、前記処理室内に配置された第１の電極と、前記第１の電極上に配置され、隣り合う磁石間で極性を逆にして配置された複数の磁石と、前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有するプラズマ処理装置である。本発明はこのプラズマ処理装置において前記磁石と前記第１の電極との距離を調整する距離調整機構を有するものである。

本発明によれば、磁石機構と対面配列した電極上に発生する磁束密度分布を簡単に再現良く調整することが可能となり、基板上に形成される薄膜の膜厚不均一性を改善することが可能となる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。図１では従来装置の図９と同一部分には同一符号を付している。

まず、本発明の概要を説明する。本願発明者等は形成する薄膜の基板３０内の不均一性を制御するには、個々の磁石１４からの磁束密度を磁石１４の高さを調整して磁石１４と高周波電極１０間の距離を変化させる。それによって、高周波電極１０の表面磁束密度を変化させることで十分制御できることを検討したのである。

このように個々の磁石１４の配列パターンを固定しつつ、個々の磁石１４の高さ方向を調整することで高周波電極１０（カソード）表面上の磁束密度分布を変化させることを見出したのである。

そして、高さ方向を調整した個々の磁石１４を高周波電極１０（カソード）背面に搭載し、所定のプロセス条件で基板３０に形成された薄膜の膜厚面内不均一性を制御可能であることを確認したのである。

個々の磁石１４の高さを変化させるには、高さの異なる磁石１４を多数揃え配列パターンに従い期待する磁束密度分布が得られるように固定する手法がある。また、高さ一定の磁石１４の底面に高さ方向を変化させるために必要な調整ピースを組み込むことで調整する方法等がある。

しかし、これらの手法では、その都度磁石１４を固定されている板状体（ヨーク板）１３から取り外す必要がある。そこで、本発明は、磁石１４を取り外す必要が無く、個々の磁石１４の高さを個別に簡単に調整可能とし、薄膜形成における膜厚不均一性を改善するものである。

以下、本実施形態のプラズマ処理装置を具体的に説明する。図中１００はガス導入管１及び排気口２を有する真空排気可能な処理室である。処理室１００内には、第１の電極である高周波電極１０と第２の電極である基板載置電極２０とが所定の間隔を空けて対向配置されている。第１、第２の電極１０、２０はそれぞれ絶縁体６、９を介して室壁に取り付けられている。

第１の電極である高周波電極１０は、多数のガス吹出孔１１ａを有するガス板１１と、この多数のガス吹出孔１１ａに連通するガス通路１２ａとを有している。また、冷媒通路１２ｂを有するガス板冷却用の熱交換器１２が含まれている。これらが第１の高周波電源４に連結されている。ガス板１１は冷媒通路１２ｂに供給される冷媒により所定の温度に制御される。

高周波電極１０の裏面側には、ガス板表面側にポイントカプス磁場を発生するように複数の磁石１４が配置されている。複数の磁石４はその極性が隣り合う磁石間で逆にして取り付けられた板状体１３が配置されている。複数の磁石１４は各々板状体１３及び磁石１４を保持する保持部材１１ｃに対してネジ機構によって噛合し、複数の磁石１４は個別に第１の電極１０に対する距離を調整することが可能である。

板状体１３は上下に移動可能となるようにベローズ７の上板８に絶縁体１９を介して取り付けられている。複数の磁石１４は板状体１３の上下の移動に応じて上下に移動する構造となっている。板状体１３には多数の小孔１３ａが形成され、ガス導入管１から導入されるガスが熱交換器１２のガス通路１２ａに均一に流れるようにガス分散板の役割も担っている。

ここで、熱交換器１２の磁石１４に対応する位置、即ち、磁石１４を保持する保持部材（熱交換器１２の側壁部）１１ｃは磁石１４を配置するために溝状となっている。その保持部材１１ｃの溝内壁面に雌ねじ部が形成され、磁石１４の外周部には雄ねじ部が形成され、磁石１４が保持部材１１ｃに噛合する構造となっている。

つまり、本発明は、複数の磁石１４を個別に上下方向に調整するための距離調整機構が設けられ、例えば、ガス板１１のプラズマに接する面と個々の磁石１４の先端との距離を例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で調整可能な構成となっている。この距離調整機構の具体的な構造については詳しく後述する。

ガス導入管１を通して処理室内の高周波電極１０に供給される反応ガスは、板状体１３の小孔１３ａを通って全体で均一に広がった後、熱交換器１２のガス通路１２ａを通り、ガス板１１のガス吹出孔１１ａから処理室１００の内部に均一に流れ出す。

なお、磁石１４はガス板表面で均一な磁場となるように、例えば、正方形や正６角形の頂点に配置し、磁石の直径、長さ、材質に応じて正方形や正６角形の一辺の大きさを定めればよい。

個々の磁石１４の形状は、例えば、円形、楕円または多角形で形成されている。個々の磁石１４の素材は、例えば、ネオジ、サマコバまたはフェライト磁石によって構成され、磁石機構に搭載する組み合わせは任意である。個々の磁石１４の直径（多角形の場合は一辺の長さ）は、例えば、２〜１００ｍｍの範囲で構成されている。

個々の磁石の高さは、例えば、１〜１００ｍｍの範囲で構成されている。磁石１４と噛合する板状体１３には磁性ＳＵＳ板（ヨーク板）が使用され、その形状は円形、楕円形または多角形等で形成されている。

一方、第２の電極である基板載置電極２０は、内部に冷媒流路２１ａを有する熱交換器２１と、その上部の基板３０を静電吸着する静電チャック２２とから構成されている。冷媒流路２１ａに供給される冷媒により静電チャック２２を介して基板３０は所定の温度に冷却される。

基板載置電極２０は基板３０のバイアス制御用の第２の高周波電源５及び基板静電吸着用の直流電源２３に接続されている。第２の高周波電源５及び直流電源２３と基板載置電極２０の間には、ブロッキングコンデンサや高周波カットフィルタ（不図示）が取り付けられ、相互の干渉を防止している。

図１のプラズマ処理装置をスパッタプロセスに使用する場合には、第１の電極である高周波電極１０はカソード電極として用いる。その際、ガス板１１にはターゲット材を使用し、ガス吹き出し孔１１ａは別の場所に設ける。例えば、特許文献２の図８に開示されているように導入口１０９から処理室内にガスを導入する（図１では不図示）。

スパッタプロセスは特許文献２等に詳しいので簡単に説明するが、第１の電極である高周波電極（この場合はカソード電極）１０に第１の高周波電源４から高周波電源を印加する。また、第２の電極である基板載置電極２０に基板静電吸着用の直流電源２３から直流電源を印加すると共に、バイアス制御用の第２の高周波電源５から基板載置電極２０に高周波電源を印加する。

また、プロセスガスが導入管から真空排気可能な処理室１００内に供給される。処理室内は排気口２を介して真空排気され、適当な圧力に設定される。この状態で、基板３０上に薄膜の堆積を行う。なお、図１のプラズマ処理装置をエッチング処理に使用する場合の動作等については上記特許文献１や特許文献２等に詳しく記載されている。

次に、本発明に係る距離調整機構を説明する。図２は本発明に係る距離調整機構の一例を示す断面図である。磁石１４の周囲にはケース部３２が設けられ、そのケース部３２の外周に雄ねじ部３１ａが形成されている。また、板状板１３には磁石１４の外形と同等の孔部が形成され、その孔部の内壁面に雌ねじ部が形成され、磁石１４の雄ねじ部３１ａが噛合する構造である。

一方、図３に示すように保持部材１１ｃの内壁面には雌ねじ部３１ｂが形成され、この雌ねじ部３１ｂに磁石１４の外周に形成された雄ねじ部３１ａが噛合する構造となっている。このように磁石１４の雄ねじ部３１ａは板状板１３に形成された雌ねじ部及び保持部材１１ｃの内壁面に形成された雌ねじ部３１ｂと噛合する。この構造により、個々の磁石１４は個別に第１の電極である高周波電極１０との距離を調整可能となっている。ケース３２の材質はＳＵＳである。

本発明は、このように距離調整機構を用いることにより、Target表面上の局所的な磁束密度を容易に調整することが可能となる。更に、ベローズ７により板状体１３を上下に移動可能とすることにより、Target Erosion進行に伴うTarget表面磁束密度変化を無くすことが可能となる。

図４は距離調整機構の他の実施形態を示す断面図である。図中３３は磁石１４を保持する固定台座３３である。固定台座３３の外周に雄ねじ部３１ａが形成され、この雄ねじ部３１ａが図３に示す保持部材１１ｃの内壁面に形成された雌ねじ部３１ｂに噛合する。この構造により、個々の磁石１４は第１の電極である高周波電極１０との距離を個別に調整可能である。

但し、図４の実施形態では、図１の板状板１３、絶縁体１９等は設けられていない。そのため、複数の磁石１４が同時に上下方向に移動する構造とはなっておらず、個々の磁石１４だけが個別に上下方向に移動する構造である。固定台座３３の材質は磁性ＳＵＳである。本実施形態においても、Target表面上の局所的な磁束密度を容易に調整することが可能となる。

なお、複数の磁石１４の搭載位置の間隔及び個数は任意である。磁石１４を固定する板状体１３である磁性ＳＵＳ板（ヨーク板）の大きさは、直径（多角形の場合は1辺の長さ）が１０〜１０００ｍｍの範囲で構成されている。対向配列された高周波電極１０と磁石１４の表面の位置関係は最も少ない場所で０〜１００ｍｍの範囲で調整可能である。

図５は距離調整機構の更に他の実施形態を示す。本実施形態は図２の実施形態の構造に更に磁石１４の経時変化等による緩み防止のためのズレ防止機構を設けているのが特徴である。ズレ防止機構としては、例えば、図５に示すようにナット部３５を用いて磁石１４の緩みを防止する。即ち、磁石１４の高さを調整した後にナット部３５を保持部材１１ｃ側に締め付けておく。この構造により、経時的変化等により磁石１４が撓むのを防止することが可能となる。

なお、図５に示すナット部３６は後述するように図６の実施形態に緩み防止のためのズレ防止機構として用いるものである。図５に示す５０は図６の実施形態のヨーク板５０に対応するものである。

図６は本発明に係るプラズマ処理装置の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態は、上記特許文献２（特開平２００３−３１８１６５号公報）のプラズマ処理装置（図８）に本発明を適用した例を示すものである。図６では特許文献２の図８と同一部分には同一符号を付して詳しい説明を省略する。

本実施形態では、磁石と第１の電極との距離を個別に調整する距離調整機構について説明する。図６において、上部電極１０１は図１の第１の電極である高周波電極１０に対応し、下部電極１０２は第２の電極である基板載置電極２０に対応する。真空排気可能な処理室内に上部電極１０１と下部電極１０２が対向配置されている。

５０は磁石１０６と噛合するヨーク板である。磁石１０６には図１の実施形態と同様に外周にケースが設けられ、そのケースに雄ねじ部が形成されている。ヨーク板５０には雌ねじ部が形成され、磁石１０６の雄ねじ部がヨーク板５０の雌ねじ部に噛合する構成である。この構造により、磁石１０６は個別に上下方向に移動し、図１と同様に磁石の第１の電極に対する距離を個別に調整することが可能である。

また、本実施形態では、図５で説明した磁石の経時変化等による緩み防止のためのズレ防止機構を設けるのが良い。その場合、図５に示すようにナット部３５とナット部３６でヨーク板５０を挟み込んで締め付けるのが望ましい。図６の実施形態においてズレ調整機構を設ける場合には図５の板状体１３は不要である。

図７は磁束密度分布の測定結果を示す。図７（ａ）は従来の距離調整機構がない場合の測定結果、図７（ｂ）は本発明に係る距離調整機構を用いて磁石１４の一部の高さを調整した場合の磁束密度分布の測定結果を示すものである。

図７（ａ）と図７（ｂ）の横軸は磁石機構中心（図１の中心Ａ点）から外側に向けての距離（ｍｍ）、縦軸は磁束密度ｍＴ（ミリステラ）である。なお、図７（ａ）は磁石１４と高周波電極１０との間の距離が１３ｍｍの場合の測定結果、図７（ｂ）は装置の中心部分の磁石１４の数点を１３ｍｍから１２．６ｍｍに調整した場合の測定結果である。

図７（ｂ）に示すように本発明に係る距離調整機構を用いて磁石１４の一部の高さを調整した場合には、図７（ａ）の磁石１４の高さを調整しない場合に比較して磁束密度分布を変化させることができる。

図８は磁石機構と対向配列された高周波電極１０をアルミニウム材料として基板３０上に形成されたアルミニウム薄膜の抵抗値分布の測定結果を示す。図８（ａ）は従来の磁石１４の高さを調整しない場合の測定結果であり、磁石１４と高周波電極１０との間の最短距離１８．４ｍｍ、最長距離２４．４ｍｍとした場合の測定結果である。

図８（ｂ）は本発明に係る距離調整機構を用いて一部の磁石１４の高さを調整して磁束密度分布を図７（ｂ）に示すように改善した場合の薄膜形成結果を示す。なお、図８（ｂ）は磁石１４と高周波電極１０との間の最短距離１８．４ｍｍは固定で、外周部にあたる磁石１４と高周波電極１０との間の距離を２２．４ｍｍから２０．４ｍｍに調整した場合の測定結果である。

また、図８の横軸は図７の場合と同様に図１のプラズマ処理装置の中心Ａから外側に向けての距離（ｍｍ）である。縦軸は膜厚変化を％で示す。なお、図８（ｃ）はＴｏｐ−ＮｏｔｃｈとＬｅｆｔ−Ｒｉｇｈｔの関係を示す。Ａは図１のプラズマ処理装置の中心である。図８（ａ）、図８（ｂ）ともＴｏｐ−ＮｏｔｃｈとＬｅｆｔ−Ｒｉｇｈｔで膜厚分布はほとんど同じである。

抵抗値と膜厚は反比例の関係にあるため抵抗値変化は膜厚変化を表すことになる。図８（ａ）と図８（ｂ）の比較結果から、本発明に係る距離調整機構を用いて磁石１４の高さを調整することにより基板３０上に形成される薄膜の膜厚不均一性が改善されていることが分かる。

本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る距離調整機構の一実施形態を示す断面図である。 図２の距離調整機構の保持部材側の構造を示す断面図である。 本発明に係る距離調整機構の他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る磁石の緩み防止機構を説明する断面図である。 本発明に係るプラズマ処理装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の距離調整機構を用いて磁石の高さを調整した場合と調整しない場合で磁束密度分布の測定結果を比較して示す図である。 本発明の距離調整機構を用いて磁石の高さを調整した場合と調整しない場合でアルミニウム薄膜を形成した時の抵抗値分布の測定結果を比較して示す図である。 従来例のプラズマ処理装置を示す断面図である。

符号の説明

１ ガス導入管
２ 排気口
３ 板状体
４ 第１の高周波電源
５ 第２の高周波電源
６、９、１９ 絶縁体
７ ベローズ
８ 上板
１０ 第１の電極（高周波電極）
１１ ガス板
１１ｃ 保持部材
１２、２１ 熱交換器
１３ 板状体
１４ 磁石（マグネット）
２０ 第２の電極（基板載置電極）
２２ 静電チャック
２３ 直流電源
３０ 基板
３１ａ 雄ねじ部
３１ｂ 雌ねじ部
３２ ケース
３５、３６ ナット部
５０ ヨーク板
１００ 処理室

Claims (5)

1. 真空排気可能な処理室と、前記処理室内に配置された第１の電極と、前記第１の電極の上に配置され、隣り合う磁石間で極性を逆にして配置された複数の磁石と、前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とを有するプラズマ処理装置において、前記磁石と前記第１の電極との距離を調整する距離調整機構を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第１の電極は高周波電極、前記第２の電極は基板を保持する基板載置電極であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数の磁石は板状体の上下の移動に応じて上下に移動し、前記距離調整機構は、前記磁石の外周に形成されたねじを前記板状体及び前記磁石を保持する保持部材に形成されたねじと噛合させることによって前記複数の磁石を個別に前記第１の電極に対して距離を調整可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記複数の磁石は個別に固定台座に固定され、前記距離調整機構は、前記固定台座の外周に形成されたねじを前記磁石を保持する保持部材に形成されたねじと噛合させることによって前記磁石を個別に前記第１の電極に対して距離を調整可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記距離調整機構は、前記磁石の緩み防止の為の機構を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

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