JP2011176147A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ密度の凸分布傾向を改善したマイクロ波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伝送系が円形導波管を用いて構成され、電磁波供給機構が該円形導波管に接続された略円柱状の空洞部からなり、該空洞部にリッジ３０１を設けること、あるいは、リッジ３０１とテーパ導波管４０１を併用することでマイクロ波の中心集中傾向を改善する。
【選択図】図５

Description

本発明は、被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。

半導体メモリやロジックＬＳＩ等の半導体装置の製造に用いられる基板は、生産性向上等のために大径化する傾向にあり、最先端の半導体メモリ等の半導体装置では直径３００ｍｍのシリコン基板を用いることが主流となっている。さらに直径４５０ｍｍと巨大なシリコン基板が必要との意見もあり、基板大径化の傾向は続くと考えられる。これらの半導体装置の製造工程でプラズマ処理装置が用いられるが、被処理基板上に均一なプラズマ処理を施す必要があり、被処理基板の大径化に伴う技術的な難易度は増す傾向にある。

被処理基板上で均一なプラズマ処理を施すには、被処理基板付近でのプラズマの密度や温度などのプラズマ特性の分布が重要であり、プラズマ分布をプラズマ処理均一化の観点から最適化する技術が重要となっている。

マイクロ波電力によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置は低圧力下でも高密度のプラズマを生成できる、静磁界との併用でプラズマの分布を静磁界分布調整で容易に制御できる等の特徴を持ち、前記半導体装置の製造等に広く用いられている。前述の基板大径化の傾向に対応してマイクロ波プラズマ処理装置においても、プラズマ分布の制御が重要である。しかしマイクロ波は波長が数ｃｍから十数ｃｍ程度と短く波長と同等オーダーの寸法でマイクロ波の分布が変わりやすく、広い範囲で均一なプラズマ処理を得るべくマイクロ波の分布を最適化することが困難となる傾向にある。

マイクロ波を用いてプラズマを発生させるプラズマ処理装置の従来例を図１に示す。図１に示すように、プラズマ処理の軸対称性の観点から、処理室にマイクロ波電力を投入する導波管等の伝送路は処理室中央に接続することが多い。そのためマイクロ波電力は処理室中央付近で高くなることが多い。また処理室の壁面でプラズマが損失するため、壁面から離れた中央付近で密度が高くなりやすい傾向がある。これらの影響から、被処理基板上でも中心軸付近で密度が高く、プラズマ密度分布が凸分布となりやすい傾向にあることが多い。

なお、円形導波管中を伝播するマイクロ波については、導波管内部の電磁界分布や管内波長等の伝播特性は明らかとなっており、非特許文献１等に記載されている。

中島将光著、「マイクロ波工学」、森北出版

上述の従来技術では、被処理基板上でプラズマ密度分布が中央部で高く周辺部で低い凸分布となりやすく、プラズマ処理特性もプラズマ密度分布の凸分布に対応した不均一が現れやすい。

本発明の解決しようとする課題は、プラズマ密度分布の凸分布傾向を緩和し、被処理基板上で均一なプラズマ処理特性を得ることの出来るプラズマ処理装置を提供することである。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ処理室内でマイクロ波の電力が中心に局在することを防止し、周辺部にも分布するよう処理室にマイクロ波を投入するためのマイクロ波立体回路系の形状を工夫した。これによりプラズマ密度分布の均一性が向上し、被処理基板上でのプラズマ処理均一性を高めることが出来る。

本発明によれば、マイクロ波立体回路系を用いることで、処理室内のマイクロ波電磁界の分布が均一化されるため、プラズマ処理の均一性が向上する効果がある。

図１は従来例のマイクロ波を用いたエッチング装置の構成を説明する概略図である。 図２は従来例の円形導波管と空洞部の電界分布解析結果を示す模式図である。 図３は従来例の円形導波管と空洞部の電界分布解析結果を示す模式図である。 図４は本発明の実施例１の円形導波管とリッジを設けた空洞部の電界分布を示す模式図である。 図５は本発明の実施例２の円形導波管と空洞部の接続にテーパを用い、リッジを設けた空洞部の電界分布を示す模式図である。 図６は本発明と従来例のプラズマ密度測定結果を示すグラフである。

図１から図６を用いて、本発明にかかる一実施例として本発明を用いたプラズマエッチング装置を説明する。

従来例として、図１にマイクロ波を用いたプラズマエッチング装置の概略図を示す。マイクロ波源１０１から発振されたマイクロ波は方形導波管１０３を用いて伝送され、円矩形変換器１０４により、円形導波管１０５にもたらされる。

自動整合機１０２により負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源としては発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いた。マイクロ波源保護のためにアイソレータ１１９を用いた。円形導波管１０５は空洞部１０６に接続される。空洞部１０６はマイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。空洞部１０６の下部にはマイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８を介してプラズマ処理室１１０がある。

シャワープレート１０８はプラズマ処理室１１０に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、プラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質が望ましい。マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持する材料として石英を用いた。マイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間には図示しない微小な間隙が設けられており、プラズマ処理に用いる処理ガスの供給系１０９よりガスが供給される。シャワープレート１０８には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、処理ガスをプラズマ処理室１１０にシャワー状に供給する。

プラズマ処理室１１０内には被処理基板１１１を戴置するための基板電極１１２が設置されている。基板電極１１２には被処理基板１１１にバイアス電力を供給するために自動整合機１１３を介してバイアス電源１１４が接続されている。バイアス電源の周波数として４００ｋＨｚのものを用いた。

プラズマ処理室１１０の周囲には静磁界発生装置１１５が設けられ、プラズマ処理室１１０内に静磁界を加えることができる。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理可能な領域が拡大する効果がある。

また静磁界をプラズマ処理室に加えることでプラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めたり、静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域や拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。

プラズマ分布の制御により、被処理基板１１１に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０８７５テスラとなる。

この場合、電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。静磁界の発生装置として多段の電磁石を用いた。多段の電磁石を用いることにより静磁界分布と大きさの調整が電磁石に流す電流により容易に制御できる効果がある。

プラズマ処理室１１０はバルブ１１６、コンダクタンス可変バルブ１１７を介して接続された真空排気ポンプ１１８が接続され、排気されている。真空排気ポンプ１１８として排気側をロータリーポンプにより排気したターボ分子ポンプを用いた。プラズマ処理室１１０の圧力は圧力計１２０によりモニタしている。処理ガスの供給系１０９により供給されるガスやエッチング処理時に発生するガス等のガスを排気する排気速度をコンダクタンス可変バルブにより自動的に制御して、一定の圧力を保持する機構を設けた。

円矩形変換器１０４の円形導波管部に円偏波発生器を組み合わせて用いることで、マイクロ波を円偏波化し処理の軸対称性を向上させることもできる。また円偏波の回転方向によりプラズマへの伝播吸収特性が異なることが知られている。電子サイクロトロン共鳴現象を有効に起こすにはマイクロ波電界による電子の加速が常に行われる方向に回転する円偏波を用いる必要がある。この方向の円偏波を用いた場合にはマイクロ波電力をより効率よく電子に吸収させることができる。

図１に示す装置において、基板電極上のプラズマ密度分布を測定すると、中央付近で密度が高く周辺で密度が低い凸分布になりやすい傾向にあることがわかった。プラズマ密度分布が凸分布になる原因を探るため、円形導波管と空洞部の接続部より放射されるマイクロ波電磁界の分布を調査した。結果を図２，図３に模式的に示す。

図３は円形導波管と空洞部の接続面で切った断面図であり、図２は図３におけるｙ軸で切った場合の断面図である。図２、図３において電界ベクトルを示しており、図２では電界ベクトルの方向は紙面に平行、図３では紙面に垂直となる。空洞部２０２の出口側はマイクロ波が自由空間に放射されるものと考えて解析した。解析はマックスウェルの方程式を有限要素法により解くことで行った。円形導波管２０１は円形導波管の最低次モードであるＴＥ１１モードでマイクロ波が供給される。

円形導波管中を伝播するマイクロ波については、導波管内部の電磁界分布や管内波長等の伝播特性は明らかとなっており、上記の非特許文献等に記載されている。

円形導波管２０１の直径は円形導波管ＴＥ１１モードのみが伝送可能な寸法とした。図２について説明する。電界ベクトル２０３を矢印で模式的に示す。空洞部２０２の円形導波管２０１接続面に沿う表面波的な電界２０４と、空洞部２０２内部に放射される電界２０５があることがわかった。表面波的な電界２０４は中心から外に向けて定在波のピークが徐々に小さくなる傾向があり、中央付近で密度が高くなる原因の一つと考えた。

図３について説明する。円形導波管と空洞部の接続面での電界ベクトルの分布を表示しており、図２における表面波的な電界のみを強調して表示していることになる。中心軸からｙ軸方向に表面波の定在波が分布することがわかる。定在波の腹および節の位置は、ほぼ中心軸に対して同一半径に位置している。

表面波的な電界２０４を抑制するための構造を検討した。図４に結果を模式的に示す。表面波的な電界２０４を抑制するために円環状のリッジ３０１を空洞部の上部に設けた。リッジ３０１を設けない場合に生じる元の表面波的電界２０４（図４で破線の矢印にて示す）の弱くなる位置にリッジ３０１を配置した。リッジは完全導体として解析した。

一般にリッジ３０１先端の様に曲率の大きい部分には電界が集中し、リッジ間の溝の底にあたる部分には電界が入りにくくなる傾向がある。この性質を利用し、元の表面波的電界２０４の強い位置にリッジ間の溝部を配置し、弱い位置にリッジ先端部を配置することで、表面波的電界２０４を抑制することを狙った。解析の結果、表面波的電界は抑制できることがわかった。

上記の様にリッジ３０１により表面波的電界は抑制できたが、空洞部内部に放射される電界はリッジの設置によりあまり影響を受けなかった。空洞部内の円形導波管に近い位置では中心軸上に電界が集中しており、この影響も緩和する必要があると考えた。図５に立案した構造を示す。円形導波管と空洞部の間にテーパ４０１を設けた。

テーパ４０１により円形導波管のＴＥ１１モード分布の乱れを抑制して径を拡大することが出来る。テーパの開き角は小さくテーパ下部の直径は大きい方が円形導波管ＴＥ１１モードの分布の乱れは抑制できるが、装置が大型化する欠点がある。またテーパ下部の直径が空洞の直径と同程度まで大きい場合には、表面波的電界が発生する余地がなく、リッジの設置が不要あるいはリッジ設置の余地が無くなる場合がある。

またリッジを設置しないテーパのみの場合でも円形導波管ＴＥ１１モードを拡大する効果があるので、マイクロ波電界の中心集中抑制に効果がある。以上、テーパまたはリッジにより腹節の少ない低次のモードでのマイクロ波の放射が可能との解析結果を得た。

テーパ開き角を小さくテーパ下側の径を大きくすると、円形導波管ＴＥ１１モードに与える分布の乱れを抑制することが出来る。しかし分布の乱れの抑制を優先するとテーパが大きくなり装置が大型化する欠点がある。本実施例では装置の小型化を優先し、図５に示すテーパ開き角を６０度、テーパ下側の直径は空洞部直径の４３％とした。

図５に示すテーパとリッジを用いた構造を適用したエッチング装置を製作し、電極上のプラズマ密度分布を測定した。円形導波管部に円偏波発生機構適用し、円偏波化したマイクロ波を用いた。図６に結果を示す。比較として図１に示す同じ条件で測定した従来例での結果も合わせて示す。従来例では凸分布であったが本発明により凹分布になっていることがわかる。

１０１ マイクロ波源
１０２ 自動整合機
１０３ 方形導波管
１０４ 円矩形変換器
１０５ 円形導波管
１０６ 空洞共振部
１０７ マイクロ波導入窓
１０８ シャワープレート
１０９ 処理ガスの供給系
１１０ プラズマ処理室
１１１ 被処理基板
１１２ 基板電極
１１３ 自動整合機
１１４ バイアス電源
１１５ 静磁界発生装置
１１６ バルブ
１１７ コンダクタンス可変バルブ
１１８ 真空排気ポンプ
１１９ アイソレータ
１２０ 圧力計
２０１ 円形導波管
２０２ 空洞部
２０３ マイクロ波電界ベクトル
２０４ 表面波的な電界
２０５ 空洞部内部に放射される電界
３０１ リッジ
４０１ テーパ

Claims (2)

1. 電磁波の発生源、
   該電磁波を伝送する伝送系、
   該伝送系に接続され、プラズマ処理室に電磁波を供給するための電磁波供給機構、
   該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極、
   該プラズマ処理室にプラズマ処理に用いる所定流量のガスを供給するガス供給装置、
   該プラズマ処理室を排気する真空排気装置、
   該プラズマ処理室内の圧力を所定の値に制御するための制御機構、
   を備えたプラズマ処理装置において、
   該伝送系が円形導波管を用いて構成され、
   該電磁波供給機構が該円形導波管に接続された略円柱状の空洞部からなり、該空洞部にリッジを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 電磁波の発生源、
   該電磁波を伝送する伝送系、
   該伝送系に接続され、プラズマ処理室に電磁波を供給するための電磁波供給機構、
   該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極、
   該プラズマ処理室にプラズマ処理に用いる所定流量のガスを供給するガス供給装置、
   該プラズマ処理室を排気する真空排気装置、
   該プラズマ処理室内の圧力を所定の値に制御するための制御機構、
   を備えたプラズマ処理装置において、
   該伝送系が円形導波管を用いて構成され、
   該電磁波供給機構が該円形導波管に接続されたテーパ導波管および該テーパ導波管に接続された略円柱状の空洞部からなり、該空洞部にリッジを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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