JP2012084734A - プラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造 - Google Patents

プラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造 Download PDF

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Abstract

【課題】従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造を提供する。
【解決手段】
誘導結合プラズマを発生させて基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ誘電体窓を備えた上蓋と、上蓋に配設された複数のガス導入口と、処理チャンバー外の誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、透孔を有する１枚の板体を具備し、板体と誘電体窓との間に設けられ端部が透孔の縁部に開口するとともにガス導入口と連通された複数の溝状のガス流路を介して、処理チャンバー内に複数の部位から水平方向に向けて処理ガスを供給するガス供給機構と、を具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造に関する。
従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に、成膜処理やエッチング処理等の処理を行う装置として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いるプラズマ処理装置が知られている。
ＩＣＰを用いたプラズマ処理装置の処理ガス供給構造としては、処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置では、例えば、基板の周囲の、高周波コイルと基板の間の空間に、環状の中空管からなる処理ガス供給機構を設け、中空管の内側に設けた複数のガス吹き出し口から基板の上部の空間に処理ガスを噴出させる方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、処理室の側壁部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置では、例えば、処理室の上部中央から基板の上部の空間に処理ガスを噴出させる方式のものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
上記の処理ガス供給構造は、いずれも穴やスリットの開口によるノズル状の構造を用いた方式である。処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置の場合、基板の上部にガス導入するための大きな構造物が存在すると、その構造物に遮られるように基板の処理状態が不均一になる虞がある。また、基板の上部、かつ、高周波コイルの下部にガス拡散室を設けた構成とした場合は、この空間での放電現象を防止する対策が必要となる。このため、ガスを噴出させる部位は、基本的に基板の中央部および外周部に制約されていた。
特開２００１−８５４１３号公報 特許第３８４５１５４号公報
上述したとおり、従来のプラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造では、ガスを噴出させる部位が制約されるため、処理ガスの供給状態を制御して処理の面内均一性を向上させることが難しいという問題があった。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造を提供しようとするものである。
本発明のプラズマ処理装置は、処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容された基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、前記上蓋に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入口と、前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、透孔を有する１枚の板体を具備し、前記板体と前記誘電体窓との間に設けられ端部が前記透孔の縁部に開口するとともに前記ガス導入口と連通された複数の溝状のガス流路を介して、前記処理チャンバー内に複数の部位から水平方向に向けて処理ガスを供給するガス供給機構と、を具備したことを特徴とする。
本発明のプラズマ処理装置の処理ガス供給構造は、処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、前記上蓋に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入口と、前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルとを具備し、前記高周波コイルに高周波電力を印加することにより、前記処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容された基板の処理を行うプラズマ処理装置の処理ガス供給構造であって、前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、透孔を有する１枚の板体を具備し、前記板体と前記誘電体窓との間に設けられ端部が前記透孔の縁部に開口するとともに前記ガス導入口と連通された複数の溝状のガス流路を介して、前記処理チャンバー内に複数の部位から水平方向に向けて処理ガスを供給することを特徴とする。
本発明によれば、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の断面概略構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部断面構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部断面構成を示す図。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置１の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、プラズマエッチング装置１は、処理チャンバー１０を具備している。処理チャンバー１０は、表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から略円筒状に構成されており、上部に開口を有する容器状に形成された処理チャンバー本体１１と、この処理チャンバー本体１１の上部開口を覆うように配設された上蓋１２とからその主要部が構成されている。
上蓋１２には、石英等からなる誘電体窓１３が設けられており、処理チャンバー１０の外側の、誘電体窓１３の上部近傍に位置するように、高周波コイル１４が設けられている。この高周波コイル１４は、図示しない高周波電源に接続されており、所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が供給されるようになっている。
処理チャンバー１０の内部には、誘電体窓１３の下方に位置するように、半導体ウエハ等の基板を載置するための載置台１５が設けられている。載置台１５の基板載置面には、基板を吸着するための図示しない静電チャック等が設けられている。また、この載置台１５には、バイアス電圧印加のための図示しない高周波電源が接続されている。載置台１５の周囲には、下方に向けて排気するための環状の排気空間１６が設けられており、排気空間１６には、図示しない排気装置と連通された排気口１７が設けられている。
載置台１５の周囲には、載置台１５の上方の処理空間１８と、排気空間１６とを仕切るためのバッフル板１９が配設されている。また、処理チャンバー本体１１の側壁部分には、処理する基板を搬入、搬出するための搬入・搬出口２０が設けられている。この搬入・搬出口２０には、ゲートバルブ等の図示しない開閉機構が設けられている。
誘電体窓１３の内側には、処理ガス供給機構３０が配設されている。この処理ガス供給機構３０は、図３、図４に拡大して示すように、１枚の板体３１を具備している。図２に示すように、板体３１には、複数の円形の透孔３２が形成されており、その中央部にも透孔３２が形成されているため全体形状が環状とされている。
板体３１は、誘電体、例えば石英又はセラミックスから構成されている。この板体３１は、厚さを３ｍｍ以上例えば、６ｍｍ程度とすることが好ましい。板体３１の上面には、外周部から内周側のいずれかの透孔３２の周縁部に至るように、径方向に沿って複数の溝が形成されており、この溝によって誘電体窓１３と板体３１との間に、溝状ガス流路５１〜５４が形成されるようになっている。
図３、図４に示すように、上記誘電体窓１３及び板体３１の周囲を囲むように、環状に形成された環状部材４０が設けられている。この環状部材４０の下側内周部には、環状に内周側に突出する突出部４５が設けられている。この突出部４５には、外周側が高く、内周側が低くなるように段差が形成されており、外周側の高い段差部が、誘電体窓１３の下側面周縁部を支持するための誘電体窓支持部４５ａ、内側の低い段差部が、板体３１の下側面周縁部を支持するための板体支持部４５ｂとなっている。なお、誘電体窓支持部４５ａには、誘電体窓１３と環状部材４０との間を気密に封止するためのＯリング４６が配設されている。
板体３１の下側面周縁部と当接された板体支持部４５ｂの上面側には、複数（本実施形態では４本）の環状溝が形成されており、板体３１と板体支持部４５ｂとを当接させることによって、環状溝の上側が板体３１によって気密に閉塞され、環状溝の部分が環状ガス流路４１〜４４となるように構成されている。なお、これらの環状ガス流路４１〜４４同士の間、及び最も内周側の環状ガス流路４４の内周側には、夫々Ｏリング４７が配設されている。
図２に示すように、上蓋１２の構成部材である環状部材４０の上面には、複数（本実施形態では４個）のガス導入口６１〜６４が配設されている。これらのガス導入口６１〜６４のうち、ガス導入口６１，６２は、図１に示すように、環状部材４０に形成された処理ガス導入路８１，８２を介して環状ガス流路４１，４２と連通されている。図１には図示されていないが、ガス導入口６３，６４についても、同様に環状部材４０に形成された処理ガス導入路８３，８４を介して環状ガス流路４３，４４と連通されている。
また、図３に示すように、溝状ガス流路５１〜５４のうち、溝状ガス流路５１の外周側端部には、外周側透孔５１ａが設けられており、この外周側透孔５１ａによって、溝状ガス流路５１が環状ガス流路４１と連通されている。
同様に、図４に示すように、溝状ガス流路５１〜５４のうち、溝状ガス流路５４の外周側端部には、外周側透孔５４ａが設けられており、この外周側透孔５４ａによって、溝状ガス流路５４が環状ガス流路４４と連通されている。なお、溝状ガス流路５２，５３についても図示はしないが、同様にして環状ガス流路４２，４３と連通されている。
図２に示すように、溝状ガス流路５１〜５４は、夫々周方向に沿って等間隔で複数（図２に示す例では４本ずつ合計１６本）設けられており、かつ、周方向の位置が重ならないように設けられている。本実施形態では、最外周に形成された環状ガス流路４１と連通されている溝状ガス流路５１の長さが最も長く、板体３１の内周部にまで延在しており、溝状ガス流路５２、溝状ガス流路５３、溝状ガス流路５４と順次長さが短くなる構成となっている。
これらの溝状ガス流路５１〜５４は、夫々環状の高周波コイル１４と直交するように設けられており、高周波コイル１４によって誘導される電磁界によって、溝状ガス流路５１〜５４内で放電が生じ難い構造となっている。なお、これらの溝状ガス流路５１〜５４を形成するための溝は、例えば深さ１ｍｍ〜２ｍｍ程度とすることが好ましい。
板体３１及び誘電体窓１３の固定は、板体支持部４５ｂに板体３１を載置した後、板体３１の上に位置するように誘電体窓支持部４５ａに誘電体窓１３を載置し、次いで、誘電体窓１３の上に環状の押さえ部材６５を配置して、押さえ部材６５を環状部材４０にボルト等によって固定して誘電体窓１３の周囲を下方に向けて押圧した状態とすることにより行うことができる。
上記構成の処理ガス供給機構３０では、ガス導入口６１〜６４から導入された処理ガスが、処理ガス導入路８１〜８４、環状ガス流路４１〜４４、溝状ガス流路５１〜５４を通って、溝状ガス流路５１〜５４が開口する透孔３２の部分から水平方向に向けて処理チャンバー１０内に供給される。
この処理ガス供給機構３０では、高周波コイル１４の直近にガス拡散室が無い構造となっているため、ガス拡散室内における放電の発生対策を行う必要がない。また、基板の中央部及び周辺部に限定されることなく、処理ガスの噴出位置を基板の径方向の任意の複数の位置に、設定することができるので、処理ガスを基板の上方の処理空間１８に均一に供給して、処理の面内均一性の向上を図ることができる。また、所望により処理ガスを処理空間１８内に不均一に供給してプラズマ処理の状態を任意に制御することもできる。
また、処理ガス供給機構３０において、誘電体窓１３と基板との間に介在する部材は、実質的に厚さの薄い１枚の板体３１のみであるので、誘電体窓１３（板体３１）と載置台１５上の基板との間の間隔を狭く設定し（例えば、１０ｍｍ〜４０ｍｍ程度）、処理空間１８を狭くして、実質的に高周波コイル１４と基板との距離を近接させたナローギャップによる処理を好適に行うことができる。
すなわち、上記のように誘電体窓１３と基板との間に介在する部材は、実質的に厚さの薄い１枚の板体３１のみであるので、高周波コイル１４と基板との距離を近接させ易い。また、処理ガス供給機構３０では、処理ガスの処理チャンバー１０内への供給位置の高さが全て一定で、一定の高さ位置から処理ガスが供給されるので、ナローギャップによる処理を行う場合であっても処理の面内均一性の向上を図ることができる。さらに、誘電体窓１３と基板との間に介在する部材が実質的に平面状の板体３１のみで、凹凸形状となっていないため、基板と板体３１との間隔を、基板全面に亘って略一定とすることができ、ナローギャップによる処理を行う場合であっても、処理の面内均一性の向上を図ることができる。
上記のように、溝状ガス流路５１〜５４は、高周波コイル１４と直交するように設けられており、溝状ガス流路５１〜５４内での放電の発生可能性は低い。しかし、溝状ガス流路５１〜５４内での放電の発生を確実に防止するためには、溝状ガス流路５１〜５４の部分に金属膜を設け、この金属膜を接地電位或いは他の電位に設定してもよい。
上記構成のプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、図示しない開閉機構を開き、搬入・搬出口２０から処理チャンバー１０内に基板を搬入し、載置台１５に載置して静電チャックにより吸着する。
次いで、搬入・搬出口２０の図示しない開閉機構を閉じ、排気口１７から図示しない真空ポンプ等によって、処理チャンバー１０内を所定の真空度となるまで真空引する。
その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、処理ガス供給機構３０によって処理チャンバー１０内に供給する。この際、ガス導入口６１〜６４から導入された処理ガスが、処理ガス導入路８１〜８４、環状ガス流路４１〜４４、溝状ガス流路５１〜５４を通って、溝状ガス流路５１〜５４が開口する透孔３２の部分から水平方向に向けて処理チャンバー１０内に供給される。
そして、処理チャンバー１０内の圧力が、所定の圧力に維持された後、高周波コイル１４に所定の周波数の高周波電力が印加される。これにより、処理チャンバー１０内の基板の上方の処理空間１８内には、エッチングガスのＩＣＰプラズマが発生する。また、必要に応じて、載置台１５に、図示しない高周波電源からバイアス用の高周波電圧が印加され、ＩＣＰプラズマによる基板のプラズマエッチングが行われる。
この時、処理ガス供給機構３０により、処理チャンバー１０内の分散された複数箇所、かつ、同一高さ位置から処理ガスを供給するので、基板に供給される処理ガスをより均一化することができる。また、処理ガス供給機構３０は、誘電体からなる１枚の板体３１から構成されており、誘電体窓１３と一体的に構成されているので、誘電体窓１３を介して処理空間に誘導される電磁場が遮られて基板の処理状態が不均一になることも抑制することができる。これによって、プラズマの状態を均一化することができ、基板の各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、処理の面内均一性を向上させることができる。
そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、基板が処理チャンバー１０内から搬出される。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、処理ガス供給機構３０の環状ガス流路４１〜４４、溝状ガス流路５１〜５４等の数は、上記の実施形態のものに限定されるものではなく、幾つであってもよい。
１……プラズマエッチング装置、１０……処理チャンバー、１１……処理チャンバー本体、１２……上蓋、１３……誘電体窓、１４……高周波コイル、１５……載置台、３０……処理ガス供給機構、３１……板体、３２……透孔、５１〜５４……溝状ガス流路。

Claims (9)

  1. 処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容された基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
    前記処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、
    前記上蓋に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入口と、
    前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルと、
    前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、透孔を有する１枚の板体を具備し、前記板体と前記誘電体窓との間に設けられ端部が前記透孔の縁部に開口するとともに前記ガス導入口と連通された複数の溝状のガス流路を介して、前記処理チャンバー内に複数の部位から水平方向に向けて処理ガスを供給するガス供給機構と、
    を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    前記板体の下側周縁部と当接され、前記板体との間に複数の環状ガス流路を形成する環状部材を具備し、
    前記環状ガス流路を介して、前記ガス導入口と前記ガス流路とが連通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１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
    前記板体が、誘電体から構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項は３記載のプラズマ処理装置であって、
    前記板体が、石英又はセラミックスから構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
    前記板体が環状とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１〜５いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
    前記溝状のガス流路は、前記高周波コイルと直交するように配設されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
    前記溝状のガス流路の部分に金属薄膜が形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
    前記処理チャンバー内における前記板体と前記基板との間隔が１０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 処理チャンバーの上部開口を覆うように設けられ、誘電体窓を備えた上蓋と、前記上蓋に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入口と、前記処理チャンバー外の前記誘電体窓の上部に配設された高周波コイルとを具備し、前記高周波コイルに高周波電力を印加することにより、前記処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容された基板の処理を行うプラズマ処理装置の処理ガス供給構造であって、
    前記誘電体窓の内側に位置するように前記上蓋に支持され、透孔を有する１枚の板体を具備し、前記板体と前記誘電体窓との間に設けられ端部が前記透孔の縁部に開口するとともに前記ガス導入口と連通された複数の溝状のガス流路を介して、前記処理チャンバー内に複数の部位から水平方向に向けて処理ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置の処理ガス供給構造。
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