JP2011040481A - 透過型電極体を用いたプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放電形成用電磁波の少なくとも一部を透過型電極体を介して処理室内に導入する。この透過型電極体は、放電形成用電磁波にとっては誘電体(電気的絶縁体)のように振る舞い、RFバイアス用電磁波あるいはイオンプラズマ振動の電磁波にとっては電気的伝導性を有する材料のように振る舞う特性を有している。
【選択図】図1
Description
図24に、従来のプラズマエッチング装置の一例を示す。本図では、有磁場マイクロ波プラズマを用いたプラズマエッチング装置200が示されている。処理室201があり、処理室201の内部は真空に排気される。処理室201の内部にエッチングガス(処理ガスとも称す)が導入され、エッチングガスの一部およびエッチング反応で生成される生成ガスが排気される。導入されるガスの圧力は、通常10-2 Pa 〜 100 Pa程度である。ただし、このガス圧力範囲は必ずしも厳密なものではなく、処理速度を増大させたい場合には、また成膜処理等に用いる場合には、1 kPa、さらには大気圧(101 kPa)程度にまで増大させる場合もある。処理室201の内部には、放電形成用電磁波202が放電形成用電磁波導入窓203を通って導入される。放電形成用電磁波導入窓203は、通常、石英のような誘電体(電気的絶縁体)材料で構成されている。図24の装置では、放電形成用電磁波202は円形導波管204により供給されている。処理室201の内部には、円筒コイル205(ソレノイドコイルとも称す)により磁場が形成されている。
以上、従来の代表的なプラズマエッチング装置の例を示した。
(A)プラズマ電位の時間的、空間的変動、
(B)プラズマ分布の一様性低減、
(C)RF電流接地電位電極の必要面積確保困難化、及び
(D)放電形成用電磁波導入窓の放電側表面の物理的および化学的表面状態の変動、である。
まず、図24の構成の従来例装置に関して関連する課題(上記の(A)、(C)(D)の課題)を説明する。図24の従来例装置では放電形成用電磁波導入窓203が誘電体(電気的絶縁体)材料で構成されており、このことが課題発生の原因になっている。
(A)プラズマ電位の時間的、空間的変動
(B)プラズマ分布の一様性低減
(C)RF電流接地電位電極の必要面積確保困難化
(D)放電形成用電磁波導入窓の放電側表面の物理的および化学的表面状態の変動
(1)処理室と、上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、上記試料保持手段に保持される試料と上記透過型電極体または透過型電極層とが対向電極配置されることを特徴とするプラズマ処理装置。
(2)処理室と、上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、上記放電領域の少なくとも一部の領域に磁場を形成する手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
(3)処理室と、上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、上記放電形成用電磁波の周波数が0.1 GHz以上で10 GHz以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
(4)処理室と、上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、上記透過型電極層を構成する材料の比抵抗が3×10-7Ωm以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
(5)処理室と、上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、物理量を国際単位系すなわちSI(SI単位系)を用いて表現すると、(A1)〜(A3)式の関係が成立し、
(6)上記(1)〜(5)のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、上記透過型電極体の構成要素の一部としてバス電極を備えており、上記バス電極が電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成されてあり、上記バス電極の少なくとも一部が上記透過型電極層の少なくとも一部と電気回路的に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
(7)上記(6)に記載のプラズマ処理装置において、上記バス電極により、上記透過型電極層が複数の領域に区画されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
(8)上記(1)〜(5)のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、上記透過型電極層の少なくとも一部に単一あるいは複数の透過型電極層欠落領域が形成されており、上記透過型電極層欠落領域は、上記透過型電極層において透過型電極層を構成する電気的伝導性を有する材料が欠落している任意の形状の領域であることを特徴とするプラズマ処理装置。
(9)上記(8)に記載のプラズマ処理装置において、上記処理ガスの少なくとも一部が上記透過型電極層に形成された透過型電極層欠落領域を通して上記処理室内に導入されることを特徴とするプラズマ処理装置。
(10)上記(1)~(5)のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、上記透過型電極層の厚みが上記処理室の半径方向もしくは円周方向の位置により変化していることを特徴とするプラズマ処理装置。
[透過型電極体の基本構成]
まず、本発明の透過型電極体の基本構成について、図2A〜図3で説明する。
本発明が解決しようとする課題(A)〜(D)を、[発明が解決しようとする課題]で述べた。これらの課題は、(1)放電形成用電磁波導入窓203が誘電体(電気的絶縁体)材料で構成されていること(図24の構成の従来例装置)、あるいは(2)放電形成用電磁波202が電極間空間を外側から内側に向かって伝播すること(図25の構成の従来例装置)が原因となって発生する。
(7)〜(12)式の6個の関係式において、変数は上記用語説明を行ったRE_te〜rteの12個である(πは円周率)。この内μte, fpf, iis, rteの4個は、装置、放電パラメータとして既知と考える。したがって、12(変数の数)−4(既知変数の数)−6(関係式の数)=2であり、上記既知変数以外の適切な2個の変数の値を定めることにより、系全体を決定することができる。以下では、特に断らない限り、「μte=1.26×10−6 H/m(真空の透磁率)、fpf=1 GHz、iis =100 A/m2(=10 mA/cm2)、rte =0.24 m(=240 mm)」の条件で計算および議論を進める。以降、これらの条件を標準条件と呼ぶ。これら標準条件は、通常のエッチング装置および表面処理装置において代表的かつ標準的な値である。この値(rte以外の値)は、例えば、試料台口径が概略250 mm以上さらには400 mm以上の大口径のエッチング装置や表面処理装置においても適用し得る値である。
[透過型電極層の厚さと比抵抗の最適な関係]
次に、透過型電極層の厚さと比抵抗の最適な関係(透過型電極層の厚さと比抵抗の最適領域)について、図4〜図7で説明する。
図4に、透過型電極層の厚さdteを横軸に透過型電極層の比抵抗ρteを縦軸にした座標系における、RW_te>0.80かつΔVrb_te<50 Vの領域を示してある。「μte=1.26×10−6 H/m(真空の透磁率)、fpf=1 GHz、iis =100 A/m2(=10 mA/cm2)、rte =0.24 m(=240 mm)」の標準条件での結果を示してある。図4において、aEbはa×10bを表す。以降も、同様である。図4において、ΔVrb_te=50 Vと示した直線はΔVrb_te=50 Vの等高線を表し、この直線より下がΔVrb_te<50 Vの領域を表す。ΔVrb_te=50 Vの等高線は、(B3)式により描いた。(B4)式は、(18)式でΔVrb_te=50 Vとした時のρte_Vrbの値である。
[発熱量を考慮した透過型電極層の厚さと比抵抗の最適な関係]
本発明の技術をより安定かつ高信頼に実現するためには、透過型電極層312での発熱量を実用的な範囲に抑制することが重要となる。透過型電極層での発熱は、放電形成用電磁波の一部が透過型電極層で吸収されることによって生じる発熱と、透過型電極層でのRF電流によるジュール発熱で発生する。前者を電磁波吸収発熱、後者をジュール発熱と呼ぶことにする。電磁波吸収発熱に関しては、(24)式が成立する。
[透過型電極層の厚さと比抵抗の座標系における、RW_te; 一定の等高線]
次に、透過型電極層の厚さdteを横軸に透過型電極層の比抵抗ρteを縦軸にした座標系における、RW_te; 一定、およびΔVrb_te; 一定の等高線について、図10〜図11で説明する。
[電力透過率RW_teとRF降下電圧ΔVrb_teの透過型電極層厚さdte依存性]
電力透過率RW_teとRF降下電圧ΔVrb_teの透過型電極層厚さdte依存性について、図12〜13で説明する。
[電力透過率RW_teと比抵抗ρteの透過型電極層厚さdte依存性]
次に、ΔVrb_teとdteを与えて系を決定し、RW_teとρteを求めることを考える。(10)式より(29)式の関係がある。また、(11)式と(9)式より、(30)〜(31)式の関係がある。
図14A,図14Bに、RF降下電圧ΔVrb_te=10 Vにおける電力透過率RW_teと比抵抗ρteの透過型電極層厚さdte依存性を示してある。電力透過率RW_teと比抵抗ρteは、(32)式と(29)式を用い、RF降下電圧ΔVrb_te=10 Vとして求めた。「μte=1.26×10−6 H/m(真空の透磁率)、fpf=1 GHz、iis =100 A/m2(=10 mA/cm2)、rte =0.24 m(=240 mm)」の標準条件での結果を示してある。RF降下電圧ΔVrb_te=10 Vの条件は、RFバイアス用電磁波のpeak-to-peak電圧(上ピーク電圧と下ピーク電圧の差)は通常500 V〜2000 Vであることを考慮すると、RF電圧を試料台206および試料207に印加するために実用上妥当な条件である。図14Bは、図14Aの一部の領域を拡大して示した内容になっている。図14A,図14Bより、電力透過率RW_teが50%以上(RW_te>0.50)、80%以上(RW_te>0.80)、90%以上(RW_te>0.90)、95%以上(RW_te>0.95)、98%以上(RW_te>0.98)であるためには、透過型電極層の厚さdteおよび比抵抗ρteが夫々dte <0.2 mmかつρte <1×10-3 Ωm、 dte <0.02 mmかつρte <1×10-4 Ωm、dte <5000 nmかつρte <3×10-5 Ωm、dte <1200 nmかつρte <1×10-5 Ωm、dte <200 nmかつρte <1.5×10-6 Ωmである必要があることがわかる。特に、dte <5000 nmかつρte <3×10-5 ΩmでRW_te>0.90の性能は実用上妥当な性能である。さらに、dte <1200 nmかつρte <1×10-5 ΩmでRW_te>0.95、あるいはdte <200 nmかつρte <1.5×10-6 ΩmでRW_te>0.98の性能は電力透過率を向上させる実用上妥当な別の性能である。また一方で、透過型電極層が膜構造(連続体構造)を有するためには、その厚さが1 nm以上すなわち(19)式が通常の装置条件として必要となる。この時、透過型電極層の比抵抗ρteは7×10-9 Ωm以上(ρte >7×10-9 Ωm)が必要である。
[電極保護層の厚み]
次に、電極保護層の厚みに関して議論する。図2で述べた如く、透過型電極層312の表面(放電領域側表面)が電極保護層313で被覆されていることが望ましい。この電極保護層は、誘電体(電気的絶縁体)あるいは半導体あるいはこれらの組み合わせで形成されている。電極保護層が誘電体(電気的絶縁体)で形成されていると、放電から電極保護層表面へのRF電流(イオンや電子等の荷電粒子入射)により電極保護層が帯電する。この帯電により透過型電極層に印加されたRFバイアス用電磁波電位(RF電圧)が変調される。透過型電極層に印加されたRF電圧が透過型電極体の表面(放電領域側表面)すなわち電極保護層の表面(放電領域側表面)に効率的に印加されるためには、この変調が少ないことが望ましい。電極保護層が半導体あるいは半導体と誘電体の組み合わせで形成されていると、このような帯電の影響は軽減されるがなくなることはない。
代表的な条件frb =13.56 MHz, iis =100 A/m2 (=10 mA/cm2), kip =4.5(電極保護層材料として石英(SiO2)を想定), dip =1×10-3 m (=1 mm)を仮定すると、ΔVrb_ip =167 Vとなる。また、別の代表的条件frb=13.56 MHz, iis =10 A/m2 (=1 mA/cm2), kip =4.5(電極保護層材料として石英(SiO2)を想定), dip =1×10-2 m (=10 mm)を仮定すると、ΔVrb_ip =167 Vとなる。また、別の代表的条件frb=13.56 MHz, iis =10 A/m2 (=1 mA/cm2), kip =4.5(電極保護層材料として石英(SiO2)を想定), dip =1×10-3 m (=1 mm)を仮定すると、ΔVrb_ip=17 Vとなる。これらのΔVrb_ipの値は、RFバイアス用電磁波のpeak-to-peak電圧(上ピーク電圧と下ピーク電圧の差)は通常500 V〜2000 Vであることを考慮すると、RF電圧を試料台206および試料207に印加するために実用上妥当な値である。以上のことを考慮すると、電極保護層の厚さdipの値としては、10 mm以下(dip <10 mm)が妥当な装置条件である。さらには、ΔVrb_ipをより低く抑えるには、電極保護層の厚さdipが1 mm以下(dip <1 mm)であることが別の妥当な装置条件である。
[電極体基板の厚さ]
次に、電極体基板311の厚さについて述べる。透過型電極体310によって大気圧と処理室内圧力との差圧に耐えられるように設計する場合(透過型電極体310が圧力壁になる場合)、この差圧を電極体基板311で耐える必要がある。この場合、電極体基板311の厚さは大きくなり、通常(通常サイズの処理室)条件で、5 mm〜20 mm程度が必要である、一方、透過型電極体310によって上記差圧を耐える必要がない場合は、電極体基板311の厚さは1 mm〜10 mm程度が妥当である。
201…処理室、
202…放電形成用電磁波、
203…放電形成用電磁波導入窓、
204…円形導波管、
205…円筒コイル(ソレノイドコイル)、
206…試料台、
207…試料、
208…高周波電源、
209…コンデンサー、
210…同軸導波管、
211…同軸導波管の中心導体、
212…対向電極、
218…処理ガス供給口、
219…排気口、
300…プラズマ処理装置、
302…放電形成用電磁波、
304…円形導波管、
305…円筒コイル(ソレノイドコイル)、
310…透過型電極体、
311…電極体基板、
312…透過型電極層、
3122…透過型電極層欠落領域、
3123…バス電極、
313…電極保護層、
3131…電極保護下層、
3132…電極保護上層、
314…ガス噴出口、
315…ガス流路室、
316…ガス流れ、
317…透過型電極体冷却手段、
318…冷却ガス流れ、
320…放電領域。
Claims (10)
- 処理室と、
上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、
上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、
試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、
上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、
上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、
上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、
上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、
上記試料保持手段に保持される試料と上記透過型電極体または透過型電極層とが対向電極配置されることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 処理室と、
上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、
上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、
試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、
上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、
上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、
上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、
上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、
上記放電領域の少なくとも一部の領域に磁場を形成する手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 処理室と、
上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、
上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、
試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、
上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、
上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、
上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、
上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、
上記放電形成用電磁波の周波数が0.1 GHz以上で10 GHz以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 処理室と、
上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、
上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、
試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、
上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、
上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、
上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、
上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、
上記透過型電極層を構成する材料の比抵抗が3×10-7Ωm以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 処理室と、
上記処理室内に処理ガスを導入する手段と、
上記処理室内の少なくとも一部の領域に放電を発生させる手段と、
試料を保持する試料保持手段とを少なくとも構成要素の一部とし、
上記処理室内に試料を導入してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
上記放電を発生させる手段の少なくとも一部として放電形成用電磁波を上記処理室内に導入する手段を有し、
上記放電形成用電磁波の少なくとも一部が、透過型電極体を介して上記放電が発生する領域である放電領域に導入され、
上記透過型電極体の構成要素の少なくとも一部として透過型電極層を有し、
上記透過型電極層は電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成され、
物理量を国際単位系すなわちSI(SI単位系)を用いて表現すると、(A1)〜(A3)式の関係が成立し、
- 請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
上記透過型電極体の構成要素の一部としてバス電極を備えており、
上記バス電極が電気的伝導性を有する材料である電気的半導体あるいは電気的導体で構成されてあり、
上記バス電極の少なくとも一部が上記透過型電極層の少なくとも一部と電気回路的に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項6に記載のプラズマ処理装置において、
上記バス電極により、上記透過型電極層が複数の領域に区画されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
上記透過型電極層の少なくとも一部に単一あるいは複数の透過型電極層欠落領域が形成されており、
上記透過型電極層欠落領域は、上記透過型電極層において透過型電極層を構成する電気的伝導性を有する材料が欠落している任意の形状の領域であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項8に記載のプラズマ処理装置において、
上記処理ガスの少なくとも一部が上記透過型電極層に形成された透過型電極層欠落領域を通して上記処理室内に導入されることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
上記透過型電極層の厚みが上記処理室の半径方向もしくは円周方向の位置により変化していることを特徴とするプラズマ処理装置。
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