JP2011035161A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素プラズマ中の活性種の失活を抑えプラズマ処理効率の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】円柱体１５、下蓋３３、拡散板４３、スカート等の形成部材の各表面を、フッ化表面層ＦＳで被膜した。これにより、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が、プラズマ生成室Ｓから半導体基板まで案内される流路上の各形成部材の表面への接触等を起こしても失活し難くなり、プラズマ処理効率の向上を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

高周波又はマイクロ波にてプラズマを発生させ、この発生させたプラズマに半導体基板を曝すことによって、半導体基板に対してドライエッチング、表面改質、アッシング等を行うプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１）。

この種のプラズマ処理装置は、例えば、半導体基板上に形成したレジスト膜を酸素プラズマを用いてアッシング（灰化）するアッシング処理装置では、プラズマ生成室をチャンバの上側部に設けるとともに、半導体基板を載置したステージを下側部に設けている。

プラズマ生成室で生成された酸素プラズマは、プラズマ生成室を区画形成する下蓋の中央位置に形成された導出穴から導出して、拡散板を介して下方に設けられたステージに載置された半導体基板に吹き付けられる。そして、ステージに載置された半導体基板は、この酸素プラズマに曝されることによってアッシングされる。

特開２００５−１２２９３９号公報

このようなプラズマ処理装置において、プラズマ生成室からステージに載置された半導体基板までの間で、酸素プラズマ中の活性種が、導出経路中に下蓋、拡散板等の表面に触れることで失活する。その結果、酸素プラズマ中の活性種の多くが失活することによってプラズマ処理効率（アッシングレート）の低下を招いていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、酸素プラズマ中の活性種の失活を抑えプラズマ処理効率の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供するにある。

請求項１に記載の発明は、チャンバ内に形成したプラズマ生成室にマイクロ波及び酸素を導入して酸素プラズマを生成し、その生成した酸素プラズマをチャンバ内に設けたステージに載置した加工対象物に曝してプラズマ処理をするようにしたプラズマ処理装置であって、前記プラズマ生成室から前記加工対象物に案内される酸素プラズマの流路中の前記チャンバ内部を形成する形成部材の少なくとも酸素プラズマが曝される表面に、フッ化表面層を形成した。

請求項１に記載の発明によれば、酸素プラズマに曝される形成部材の表面をフッ化表面層にすることにより酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が失活し難くなり、アッシングレート等のプラズマ処理効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記形成部材は、アルミニウム又は銅製であって、その表面の最表層に形成された酸化膜を除去した後に、フッ化表面層が形成されている。

請求項２に記載の発明によれば、母材がアルミニウム又は銅等の形成部材の表面に、フッ化表面層を形成する際、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）の失活を促進する酸化膜が形成部材の表面から除去されることから、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が失活し難くなり、アッシングレート等のプラズマ処理効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記形成部材は、前記プラズマ生成室の下流に設けられ、プラズマ生成室から導出された酸素プラズマを、分散させて前記加工対象物に対して一様に曝すようにした拡散板である。

請求項３に記載の発明によれば、拡散板を介して加工対象物に案内される酸素プラズマ中のラジカル（活性種）は、拡散板の表面に接触してもフッ化表面層によって失活がし難くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置において、前記形成部材は、前記プラズマ生成室を区画形成するトッププレートと下蓋である。
請求項４に記載の発明によれば、トッププレートと下蓋とで区画形成されたプラズマ生成室で生成された酸素プラズマ中のラジカル（活性種）は、トッププレート及び下蓋の表面に接触してもフッ化表面層によって失活がし難くなる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のプラズマ処理装置において、前記形成部材は、前記拡散板と前記ステージの間に設けられ、前記拡散板から分散されて導出された前記プラズマ生成室からのプラズマの拡散を防止するスカートである。

請求項５に記載の発明によれば、拡散板から分散されて導出された酸素プラズマ中のラジカル（活性種）は、スカートの表面に接触してもフッ化表面層によって失活がし難くなる。

本発明によれば、酸素プラズマ中の活性種の失活を抑えプラズマ処理効率の向上を図ることができる。

実施形態のプラズマアッシング装置の概略断面図。 フッ化表面層を説明するための断面図。 フッ化表面層を説明するための断面図。

以下、本発明のプラズマ発生装置をプラズマ処理装置の１つであるプラズマアッシング装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、プラズマ発生装置としてのプラズマアッシング装置１０の概略断面図を示す。プラズマアッシング装置１０のチャンバ１１は、全体形状が直方体をなし、アルミニウム（Ａｌ）製で形成されている。チャンバ１１の内底面１１ａには、脚部１２を介してステージ１３が配置固定されている。ステージ１３は、その上面に加工対象物としての半導体基板Ｗを載置する載置面１３ａが形成されている。

また、チャンバ１１の内底面１１ａの四隅には、排気穴１１ｂがそれぞれ形成されている。四隅の各排気穴１１ｂは、チャンバ１１内のガスを排気する際の排気穴であって、それぞれ排気管Ｐが接続されている。そして、その排気管Ｐは下流側に設けた図示しない開閉弁を介して同じく図示しない吸気ポンプに接続されている。

チャンバ１１を形成するトッププレート１４は、その外側上方に突出した円柱体１５が延出形成され、その円柱体１５の中央位置にチャンバ１１の外側と内側を貫通する貫通穴１８が形成されている。

円柱体１５の上面１５ａには、導波管１９が連結固定されている。導波管１９は、前記貫通穴１８に対応する位置に連結穴１９ａが形成され、その連結穴１９ａには円板状のマイクロ波透過窓２０が、同貫通穴１８の上側開口部を閉塞するように配設されている。マイクロ波透過窓２０は、セラミックスや石英製などの誘電体透過窓であって、円柱体１５の上面１５ａに対して密着固定されている。そして、導波管１９の上流に設けた図示しないマイクロ波発振器からのマイクロ波が導波管１９を伝搬しマイクロ波透過窓２０を介して前記貫通穴１８に導入されるようになっている。

貫通穴１８の下側開口部は、貫通穴１８の内径より大きな内径に拡開形成された嵌合凹部３０が形成されている。
嵌合凹部３０が形成された貫通穴１８の下側開口部は、円板状の下蓋３３にて閉塞されている。下蓋３３は、中央に導出穴３３ａを貫通形成した円板状の下蓋本体３４と、その下蓋本体３４の下側外周面に延出形成したフランジ部３５を有している。下蓋３３は、下蓋本体３４が貫通穴１８に貫挿され、フランジ部３５が嵌合凹部３０に嵌合するようになっている。

そして、フランジ部３５を前記嵌合凹部３０の奥面３０ａにネジ着させることによって、下蓋３３（フランジ部３５の上面）は、トッププレート１４（嵌合凹部３０の奥面３０ａ）に対して締結固定される。

これにより、円柱体１５に形成した貫通穴１８の上下両開口部がマイクロ波透過窓２０と下蓋３３にて閉塞されて形成された空間に、プラズマ生成室Ｓが区画形成される。
下蓋本体３４の外周面には、環状の環状溝４１が形成され、同環状溝４１とその環状溝４１を塞ぐ貫通穴１８の内周面１８ａとで環状通路を形成している。環状溝４１は、前記貫通穴１８の内周面１８ａに形成したガス導入路３２の開口部と対向する位置に形成され、ガス導入路３２から導入されてくるプラズマ形成用ガス（酸素）が環状通路（環状溝４１）に導入されるようになっている。

下蓋本体３４の上面外周縁には、プラズマ生成室Ｓと環状溝４１（環状通路）を連通する切り溝４２が、切り欠き形成されている。そして、環状溝４１に導入されたプラズマ形成用ガス（酸素）は、該切り溝４２を介してプラズマ生成室Ｓに導入される。

プラズマ生成室Ｓに導入されたプラズマ形成用ガス（酸素）は、同じくマイクロ波透過窓２０を介して投入されたマイクロ波によって励起され酸素プラズマとなる。そして、プラズマ生成室Ｓで生成された酸素プラズマは、下蓋３３に形成された導出穴３３ａを介して下方のステージ１３に載置された半導体基板Ｗに向かって導出される。

下蓋本体３４の下側であって前記導出穴３３ａの開口部と対向する位置に拡散板４３が配置されている。拡散板４３は、アルミニウム（Ａｌ）製よりなり、同じくアルミニウム（Ａｌ）製の間隔保持部材４４を介してボルト４５にて下蓋本体３４に対して連結固定されている。拡散板４３は、図２に示すように、多数の導通孔４３ａが等間隔に配置形成され、下蓋本体３４の導出穴３３ａから導出された酸素プラズマを分散させて各導通孔４３ａから導出させるようにして、酸素プラズマが半導体基板Ｗの全表面に均一に曝されるようにしている。そして、ステージ１３に載置された半導体基板Ｗは、その半導体基板Ｗ上に形成したレジスト膜が酸素プラズマにてアッシングされる。

また、トッププレート１４の内底面には、拡散板４３を囲むように円筒形状のスカート４６が取着されている。スカート４６はアルミニウム（Ａｌ）製であって、拡散板４３の各導通孔４３ａから導出された酸素プラズマが拡散しないように下方に配置された半導体基板Ｗに導くようにしている。

チャンバ１１の内部を形成する形成部材であるトッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、拡散板４３、間隔保持部材４４、スカート４６等は、プラズマ生成室Ｓで生成された酸素プラズマがステージ１３に載置された半導体基板Ｗまで案内される途中で触れる部材である。

本実施形態では、形成部材であるトッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、拡散板４３、間隔保持部材４４、スカート４６の各表面を、図２、図３に示すように、フッ化表面層ＦＳで被膜させている。本実施形態では、これら形成部材は、チャンバ１１に組立前のパーツのときにその最表層にフッ化表面層ＦＳが形成される。フッ化表面層ＦＳは、公知のフッ化処理を行うことによって形成している。例えば、フッ素含有コート材料の塗布及びベークによるコーティングや、フッ素ガス、三フッ化窒素ガス等のプラズマを表面に曝して、フッ化表面層ＦＳを形成している。

詳述すると、トッププレート１４（円柱体１５）は、円柱体１５の上面１５ａ、貫通穴１８の内周面１８ａ、トッププレート１４の内底面にフッ化表面層ＦＳを形成している。また、下蓋３３は、導出穴３３ａを含む全表面にフッ化表面層ＦＳを形成している。さらに、拡散板４３は、導通孔４３ａを含む全表面にフッ化表面層ＦＳを形成している。さらにまた、間隔保持部材４４及びスカート４６は、それぞれ全表面にフッ化表面層ＦＳを形成している。

これら形成部材の各表面をフッ化表面層ＦＳで被膜させることで、半導体基板Ｗに形成したレジスト膜をアッシングする酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が各表面での接触等による失活をし難くしている。

因みに、アルミニウムよりなる拡散板４３の表面を、各種変更した実施例を行い検証した。
（実施例１）
実施例１は、拡散板４３について、アルマイト処理による表面保護層（酸化膜）、又は、ラップ研磨等で鏡面加工し研磨により表面酸化層が最表層に形成されたままの表面に対して、フッ素含有のテフロン（登録商標）液材料を塗布し、高温炉ベークを行いフッ化表面層ＦＳを形成した拡散板４３を作製した。

（実施例２）
実施例２は、拡散板４３について、表面を荒削りし、荒削りによって最表層の形成された表面酸化層が極力除去された状態で、実施例１と同じ条件でフッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成した拡散板４３を作製した。

（比較例１）
比較例１は、拡散板４３について、フッ化表面層ＦＳを被膜させることなく、ラップ研磨等で鏡面加工しその研磨加工により表面酸化層が最表層の形成されたままの表面の拡散板４３を作製した。

そして、前記実施例１、２と比較例１の拡散板４３をそれぞれ備えたチャンバ１１について、同じ条件で酸素プラズマを生成し、半導体基板Ｗに形成したレジスト膜のアッシングを行い、以下の検証を行った。

具体的には、ポリイミド膜を形成した半導体基板Ｗについて、同じ条件で生成した酸素プラズマで、該レジスト膜のアッシングを行った時のアッシングレート［ｎｍ／ｍｉｎ］を表１に示す。

まず、実施例１と比較例１を比較すると、表面酸化層が形成された表面の上にフッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成した拡散板４３を備えたチャンバ１１を用いた場合（実施例１）のアッシングレートが、表面がフッ化処理しない表面酸化層のみ形成された拡散板４３を備えたチャンバ１１を用いた場合（比較例１）のアッシングレートより、３倍〜５倍の優れたアッシングレートを示す。

これは、酸素プラズマ中の活性種が拡散板４３に接触し、その接触の際に、その活性種の持つエネルギーが表面酸化層を介して拡散板４３に吸収されようとするが、表面に形成されたフッ化表面層ＦＳがそれを阻止していると考えられる。

そして、実施例１では、拡散板４３の表面に形成されたフッ化表面層ＦＳによって、エネルギーが表面酸化層を介して拡散板４３に吸収される活性種（失活する活性種）が遙かに少なくなると考えられる。

その結果、拡散板４３の導通孔４３ａを介して半導体基板に案内される酸素プラズマは、失活し難くその分、アッシングに寄与しているもと考えられる。
次に、実施例２と実施例１及び比較例１を比較すると、最表層の形成された表面酸化層が極力除去された表面にフッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成した拡散板４３を備えたチャンバ１１を用いた場合（実施例２）のアッシングレートが、比較例１のアッシングレートより６倍、又、実施例１のアッシングレートより１．４倍〜２倍の優れたアッシングレートを示す。

これは、実施例２において、拡散板４３の全表面が、殆ど、フッ化表面層ＦＳに被覆されて、活性種が表面酸化層に接触する機会がなくなったと考えられる。
その結果、拡散板４３の導通孔４３ａを介して半導体基板に案内される酸素プラズマは、さらに失活し難くその分、アッシングに寄与しているもとと考えられる。これは、他の形成部材においても同様なことが推測される。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態によれば、トッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、拡散板４３、間隔保持部材４４、スカート４６等の形成部材の各表面を、フッ化表面層ＦＳで被膜した。

従って、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が、プラズマ生成室Ｓから半導体基板Ｗのまで案内される流路上の各形成部材の表面での接触等による失活がし難くなり、半導体基板Ｗのアッシングレートを向上させることができる。

（２）本実施形態によれば、拡散板４３について、表面を荒削りし、荒削りによって最表層の形成された表面酸化層が極力除去された状態で、フッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成した拡散板４３を作製した。そして、拡散板４３の全表面を、殆ど、フッ化表面層ＦＳにて被覆して、活性種が表面酸化層に接触する機会を無くすようにした。

従って、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が各表面での接触等による失活がさらにし難くなり、半導体基板Ｗのアッシングレートをさらに向上させることができる。
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、拡散板４３について、詳細にフッ化処理について説明したが、トッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、間隔保持部材４４、スカート４６の各表面についても、実施例１や実施例２のいずれか一方の方法でフッ化表面層ＦＳを形成して実施してもよい。これによって、同様に、酸素プラズマ中のラジカル（活性種）が表面での接触等による失活がし難くなり、半導体基板Ｗのアッシングレートを向上させることができる。

・上記実施形態では、トッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、拡散板４３、間隔保持部材４４、スカート４６の全ての形成部材に対して、フッ化表面層ＦＳを形成したが、これら形成部材の少なくとのいずれか１つについて、例えば、拡散板４３のみ、下蓋３３のみ、又は、拡散板４３と下蓋３３に、フッ化表面層ＦＳを形成して実施してもよい。

・上記実施形態では、フッ化表面層ＦＳを、フッ素含有コート材料の塗布及びベークによるコーティングや、フッ素ガス、三フッ化窒素ガス等のプラズマを表面に曝して形成したが、これに限定されるものではなく、その他の方法でフッ化処理を行いフッ化表面層ＦＳを形成してもよい。

・上記実施形態では、拡散板４３（形成部材）の表面を荒削りし、荒削りによって最表層の形成された表面酸化層が極力除去された状態で、フッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成した。これを荒削り以外の方法（例えば、化学研磨等）で、最表層の形成された表面酸化層を完全に又は極力除去し状態で、フッ化処理してフッ化表面層ＦＳを形成してもよい。

・上記実施形態では、形成部材としてのトッププレート１４（円柱体１５）、下蓋３３、拡散板４３、間隔保持部材４４、スカート４６は、アルミニウム（Ａｌ）製であったが、それ以外の金属、例えば銅で成形してもよい。この場合にも、その表面は、フッ化表面層ＦＳを形成する必要がある。

・上記実施形態では、プラズマ発生装置をプラズマ処理装置の１つであるプラズマアッシング装置１０に具体化したが、酸素プラズマを利用して半導体基板に対してドライエッチングを行うプラズマ処理装置に応用したり、表面改質を行うプラズマ処理装置に応用してもよい。また、プラズマ処理装置以外のプラズマ発生装置に応用してもよい。

１０…プラズマアッシング装置、１１…チャンバ、１３…ステージ、１４…トッププレート、１５…円柱体、１５ａ…上面、１８…貫通穴、１８ａ…内周面、１９…導波管、１９ａ…連結穴、２０…マイクロ波透過窓、３０…嵌合凹部、３０ａ…奥面、３２…ガス導入路、３３…下蓋、３３ａ…導出穴、３４…下蓋本体、３５…フランジ部、４１…環状溝、４２…切り溝、４３…拡散板、４３ａ…導通孔、４４…間隔保持部材、４５…ボルト、４６…スカート、ＦＳ…フッ化表面層、Ｓ…プラズマ生成室、Ｗ…半導体基板。

Claims (5)

1. チャンバ内に形成したプラズマ生成室にマイクロ波及び酸素を導入して酸素プラズマを生成し、その生成した酸素プラズマをチャンバ内に設けたステージに載置した加工対象物に曝してプラズマ処理をするようにしたプラズマ処理装置において、
   前記プラズマ生成室から前記加工対象物に案内される酸素プラズマの流路中の前記チャンバ内部を形成する形成部材の少なくとも酸素プラズマが曝される表面に、フッ化表面層を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記形成部材は、アルミニウム又は銅製であって、その表面の最表層に形成された酸化膜を除去した後に、フッ化表面層が形成されている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、
   前記形成部材は、前記プラズマ生成室の下流に設けられ、プラズマ生成室から導出された酸素プラズマを、分散させて前記加工対象物に対して一様に曝すようにした拡散板であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記形成部材は、前記プラズマ生成室を区画形成するトッププレートと下蓋であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
   前記形成部材は、前記拡散板と前記ステージの間に設けられ、前記拡散板から分散されて導出された前記プラズマ生成室からのプラズマの拡散を防止するスカートであることを特徴とするプラズマ処理装置。

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