JP2012212789A

JP2012212789A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2012212789A
Application number: JP2011077781A
Authority: JP
Inventors: Makoto Karyu; 誠家柳; Kohei Shimatani; 幸平島谷
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-01

Abstract

【課題】プラズマ生成空間から処理空間に進入するプラズマの光エネルギーを低下させ、生産性を向上することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係るプラズマ処理装置は、被処理物を載置する載置部１０３を有する処理容器１０１と、前記被処理物Ｗを処理するためにプロセスガスを活性化してプラズマを生成するプラズマ生成部６と、前記プラズマを生成した空間と前記被処理物を処理する空間７の間に設けられた遮光部８とを備え、前記遮光部は、内壁部に遮光面を持つ開口部を有し、前記プラズマの光が前記遮光面に遮られることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体装置や液晶ディスプレイなどの製造に関しては、アッシング、ドライエッチング、成膜あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。

しかし、プラズマを利用するドライプロセスにおいて、強力な光を発生するプラズマの光エネルギーは、被処理物の生産性に影響を及ぼすという既存の問題点がある。
例えば、半導体の製造工程において、シリコン基板にイオンを注入する際のマスクとして使用されたフォトレジストの表層に残存した硬化層は、通常フッ素を含むガスを用いて除去処理を行うが、フッ素はシリコンもエッチングするため、プラズマの光のエネルギーにより活性化され、シリコン基板の表面荒れを引き起こしてしまう。
また、例えば、プラズマの光のエネルギーによって被処理物の温度が上昇することでプラズマ処理に寄与する生成物の生成を妨げ、プラズマ処理効率が低下してしまう。
そこで、特許文献１のように、プラズマ生成空間と処理空間との間にプラズマの光を遮光する遮光手段を設け、プラズマ生成空間から処理空間へのプラズマの光の侵入を防止する方法が提案されている。

特開２００３−２８２５３０号公報

しかし、特許文献１のような遮光手段は、遮光手段に設けられたプラズマ生成物通過用の開口からプラズマの直進光を通過させてしまうため、プラズマ生成空間から処理空間に進入するプラズマ光を遮光するには十分でない。

そこで、本発明の実施形態では、プラズマ生成空間から処理空間に進入するプラズマの光エネルギーを低下させ、生産性を向上することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。

本実施例によれば、被処理物を載置する載置部を有する処理容器と、前記被処理物を処理するためにプロセスガスを活性化してプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマを生成した空間と前記被処理物を処理する空間の間に設けられた遮光部とを備え、前記遮光部は、内壁部に遮光面を持つ開口部を有し、前記プラズマの光が前記遮光面に遮られることを特徴としたプラズマ処理装置を提供する。
また、本実施例によれば、処理容器内に設けられた載置部に被処理物を載置し、前記被処理物を処理するためにプロセスガスを活性化してプラズマを生成し、前記プラズマで生成されたプラズマ生成物を、前記プラズマを生成した空間と前記被処理物を処理する空間の間に設けられた内壁部に遮光面を持つ開口部を有する遮光部を通過させて前記被処理物に飛散させることで、前記被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理方法を提供する

本発明の実施形態によれば、プラズマ生成空間から処理空間に進入するプラズマの光エネルギーを低下させ、生産性を向上することができる。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置を例示するための模式図本実施の形態に係る開口部を例示するための模式図他の実施の形態に係る遮光部の開口部を例示するための断面模式図

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
尚、本実施の形態において、「遮光」、「遮られる」とは、光を完全に遮光するだけでなく、光エネルギーの減衰、直接光の進入を防ぐ意味も包含するものとする。

図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を例示するための模式図である。
図１に示すように、プラズマ処理装置１００には、プラズマ発生部１、処理容器１０１、窓部１０２、載置部１０３、ガス供給部１０４、減圧部１０８、ゲートバルブ１０７などが設けられている。プラズマ発生部１には、マイクロ波発生部２、導波管３、スロット４が設けられている。

マイクロ波発生部２は、所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）を有するマイクロ波Ｍを発生させ、導波管３に向けて放射する。
以下、図１を参照して本実施形態に関わるプラズマ処理装置１００を説明する。
処理容器１０１は、有底の略円筒形状を呈し、大気よりも減圧された雰囲気を維持可能となっている。また、処理容器１０１は、ステンレスやアルミニウム合金などの金属材料から形成されている。

処理容器１０１の内部には載置部１０３が設けられており、この載置部１０３の上には被処理物Ｗが載置されている。被処理物Ｗは、例えば、半導体ウェーハやフォトマスク基板やフラットパネルディスプレイ用のガラス基板などとすることができる。載置部１０３には被処理物Ｗを保持するための保持機構（例えば静電チャック）や、被処理物Ｗを温調するヒータを設けることもできる。その他、被処理物Ｗの受け渡しを行うためのリフトピンを設けることもできる。

処理容器１０１の底面には、排気口１０９が設けられている。排気口１０９には、排気管１１０、圧力制御部１１１を介して減圧部１０８が接続されている。
減圧部１０８は、処理容器１０１の内部が所定の圧力となるように減圧する。減圧部１０８は、例えば、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ：Turbo Molecular Pump）などとすることができる。

圧力制御部１１１は、処理容器１０１の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、処理容器１０１の内圧が所定の圧力となるように制御する。圧力制御部１１１は、例えば、ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）などとすることができる。

処理容器１０１の側壁には被処理物Ｗを処理容器１０１内部に搬入したり、被処理物Ｗを処理容器１０１内部から搬出したりするための搬入搬出口１０６が設けられている。そして、搬入搬出口１０６を気密に閉鎖できるようにゲートバルブ１０７が設けられている。
ゲートバルブ１０７は、Ｏ（オー）リングのような図示しないシール部材を備える扉１０７ａを有し、ゲート開閉機構１０７ｂにより開閉される。扉１０７ａが閉まった時には、図示しないシール部材が搬入搬出口１０６の近傍の壁面に押しつけられ、搬入搬出口１０６が気密に閉鎖されるようになっている。

処理容器１０１の上部は開口しており、その開口には窓部１０２が設けられている。窓部１０２は石英やアルミナなどの誘電体材料で形成され、マイクロ波Ｍを透過させることができる。

窓部１０２の上方には、端部をマイクロ波生成部に接続された導波管３が設けられている。導波管３は窓部１０２と接触する部分にスロット４が設けられている。マイクロ波生成部から導波管３に放射されたマイクロ波Ｍは導波管３を導波し、スロット４を介して窓部１０２に導入される。

処理容器１０１の側壁にはガス供給部１０４が設けられ、ガス配管１０４ａ、ガス導入孔を介してプロセスガスＧをプラズマ生成空間６に導入することができる。ガス導入孔は、窓部１０２の下方に位置するプラズマ生成空間６にプロセスガスＧを導入することができる位置に設けられている。ガス導入部には図示しない流量制御部が設けられ、ガス流量や圧力を適宜設定することができる。

プロセスガスＧは、プラズマ処理の種類などにより適宜選択される。例えば、被処理物Ｗのエッチング処理を行う場合には、プロセスガスＧは、酸素ガス（Ｏ_２）単体、あるいは酸素ガスにＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６などのフッ素系ガスを添加した混合ガス、これらのガスに水素ガスを添加したガスなどとすることができる。なお、プロセスガスＧは例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

以上のように構成されたプラズマ処理装置１００において、プラズマ生成空間６に導入されたプロセスガスＧが、スロット４から窓部１０２を介して処理容器１０１内に導入されたマイクロ波により励起されて、プラズマ生成空間６にてプラズマが生成される。
処理容器１０１内のプラズマ生成空間６と被処理物Ｗ表面の間の位置には遮光部８が設けられている。遮光部８は処理容器１０１と同様、光透過率が低く、耐プラズマ性の高いアルミニウム合金などの金属材料で形成することができる。また、遮光部８は表面にプラズマ光を吸収するような表面加工を施すこともできる。

ここで、遮光部８について図２を参照して説明する。
図２（ａ）は遮光部８の平面図である。遮光部８は、例えば処理容器１０１の内径に対応するように外径を設定された板状体とすることができ、図示しない保持部材によって処理容器１０１の内壁に保持されている。

この遮光部８には、プラズマ生成空間６から処理空間７に通ずる開口部９が設けられている。開口部９はプラズマ生成空間６において生成されたラジカルなどのプラズマ生成物が、処理空間７に通過できる程度の大きさに開口されている。尚、本実施形態において処理空間７とは、処理容器１０１内の遮光部８より下方に形成された空間であり、より具体的には、被処理物表面を含む上方空間や被処理物の表裏面の周縁部分近傍の空間などの、被処理物Ｗが処理される空間を指している。

遮光部８に設ける開口部９の実施形態について説明する。
図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
図２（ｂ）のように開口部９は入射口９ａと出射口９ｂを有し、その内壁面部には遮光面１０を有するものとすることができる。入射口９ａはプラズマ生成空間６側の開口部分、出射口９ｂは処理空間７側の開口部分を指し、遮光面１０は開口部９の内壁面部のうち、入射口９ａから出射口９ｂに向けて通過しようとする光が衝突する面を指している。

遮光面１０の一例として、遮光部８の内壁部が、遮光部８の表面から傾斜角をもって傾斜している面を示すことができる。要は入射口から入射したプラズマ光がたとえ出射口から出光するとしても、その間に少なくとも１回は開口部の内壁部に形成された遮光面１０と衝突するような構成とすることができる。つまり、プラズマ生成空間６で発生し、処理空間７へ向かうプラズマＰの光が開口部９を通過する際に遮光面によって遮光されるように（遮光面の傾斜角度を規定することができる。そうすれば、プラズマＰの直接光は処理空間７に進入しないようにすることができる。よって、プラズマ生成空間６と被処理物Ｗ表面の間に遮光面を持った開口部９を有する遮光部８を設けることによって、プラズマ生成空間６で発せられる光エネルギーよりも処理空間７においての光エネルギーが低下するようにできる。

このようなことを考慮して、図２（ｂ）は開口部９の断面形状が「くの字」になるように設けている。開口部９の内壁部が二つの傾斜した遮光面を有し、開口部１０の断面形状が「くの字」となるようにすることもできる。遮光面を２つ以上設けることにより、遮光面表面に対して垂直に入射するプラズマＰの光も、遮光面表面に対して斜めから入射するプラズマＰの光も遮光することができ、遮光をより確実に行うことができる。

第１の遮光面と第２の遮光面の対向面とはどの位置で接するようにしてもよいが、遮蔽部８の第１の遮光面１０ａと、第２の遮光面１０ｂの対向面とが、開口部９の厚さの２等分線Ｂ−Ｂ上で接し、平面視において開口部９の入射口９ａと出射口９ｂが重なるように設けると、形状が簡易になるため加工が容易となる。この場合、第１の遮光面１０ａまたは第２の遮光面１０ｂの傾斜角度は、開口部９の孔径と開口部９の厚さの比から求めることができる。例えば、孔径：開口部９の厚さ＝１：２のとき傾斜角度は４５度以下とすることができる。ただし、図２（ｂ）に示す本実施形態での傾斜角度とは、遮光面１０ａに関しては断面線Ｂ−Ｂに対して反時計方向に測った角度、遮光面１０ｂに関しては断面線Ｂ−Ｂに対して時計方向に測った角度をいう。

この第１の遮光面１０ａ、または第２の遮光面１０ｂの傾斜角度がなるべく大きい方がプラズマ生成空間にて生成されたプラズマ生成物（例えばラジカル）の衝突回数が減り、プラズマ生成物の失活を抑制することができるので、被処理物Ｗの処理効率の低下を抑止することができる。例えば、最大傾斜角度よりマイナス５度の範囲で設けることができ、孔径：開口部９の厚さが１：２のときは傾斜角度を４０〜４４度の範囲で設けることができる。
また、光エネルギーは発光強度に比例するものであるから、発光強度計でプラズマの発光強度分布を計測し、その結果により、遮光面の傾斜角度を決定することもできる。例えば、プラズマ発生領域の中心部の発光強度が高い場合、対応する中心部の遮光面の傾斜角度を遮光部８表面に近づくように設計することができる。

遮光部８に設ける開口部９の数や位置は任意に設定することができ、所望の被処理物Ｗの処理効率やプラズマＰの光の発光強度分布によって開口部９の配置の粗密さを決定することができる。
例えば、複数の開口部９は遮光部８に均等に配置することができる。これにより、プラズマ生成物が処理空間７に均一に飛散し、被処理物Ｗが均一に処理されるようにすることができる。
また、光のエネルギーは発光強度に比例するため、プラズマ発光強度計でプラズマの発光強度分布を計測し、その結果により、開口部９の数や配置を決定することもできる。例えば、プラズマ発生領域の中心部の発光強度が高い場合、遮光部８における、プラズマ発生領域の中心部に対応する部分に形成する開口部９を粗に配置することができる。

また、図２（ｂ）では遮光部８に設けた開口部９すべての断面形状を「くの字」としたが、遮光部８には遮光面１０を有する開口部９と、従来の垂直に貫通した開口部とを混在して配置することができる。例えば、プラズマＰの光の発光強度が小さく、プラズマ生成物を処理空間７により多く導入したい領域には従来の垂直に貫通した開口を配置し、それ以外の領域には遮光面を有する開口部を配置することができる。

次に、本実施形態におけるプラズマ処理装置１００の作用について例示をする。
ゲートバルブ１０７の扉１０７ａをゲート開閉機構１０７ｂにより開く。
被処理物Ｗは図示しない搬入部によって、搬入搬出口１０６より搬入されたあと載置部１０３に載置され、載置部１０３に内蔵された静電チャックなどの保持部により保持される。

ゲート開閉機構１０７ｂによりゲートバルブ１０７の扉１０７ａを閉じる。
減圧部１０８により処理容器１０１内が所定の圧力となるように減圧される。この際、処理容器１０１の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、処理容器１０１内が所定の圧力となるように圧力制御部１１１により制御される。
次に、ガス供給部１０４からガス導入孔１０４ｂを介して処理容器１０１の内部にプロセスガスＧを供給する。この際、図示しないＭＦＣ（Mass Flow Controller）などにより供給するプロセスガスＧの流量や圧力などが制御される。

一方、マイクロ波発生部２から所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）を有するマイクロ波Ｍが導波管３に向けて放射される。導波管３に放射されたマイクロ波Ｍは、導波管３を伝播し、スロット４を介して窓部１０２に導入される。
窓部１０２に導入されたマイクロ波Ｍは、窓部１０２の表面を伝播して、処理容器１０１内に放射される。そして、処理容器１０１内に放射されたマイクロ波Ｍのエネルギーにより、プラズマＰがプラズマ生成空間６において発生する。

プラズマＰ中の電子密度が導入されるマイクロ波Ｍを遮蔽できる密度（カットオフ密度）以上となると、マイクロ波Ｍは窓部１０２の下面から一定距離（スキンデプス）だけ入るまでの間に反射されるようになる。そのため、マイクロ波Ｍの定在波が形成されることになる。すると、マイクロ波Ｍの反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定的にプラズマＰが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起された安定的なプラズマＰ中においては、イオンや電子がプロセスガスＧの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子（ラジカル）などのプラズマ生成物が生成される。生成されたプラズマ生成物は、処理容器１０１内を下方に拡散して遮光部８の開口部９を通過して被処理物Ｗの表面に飛来することで、エッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質、プラズマドーピングなどの各種のプラズマ処理が行われる。ただしこの時、プラズマＰからの光は、その一部が遮光部８に設けられる開口部９の入射口９ａから入射するが、内壁部に設けられた遮光面１０に衝突することで遮光させられることになる。

プラズマ処理が終了した被処理物Ｗは搬入搬出口１０６を介して処理容器１０１の外に搬出される。以後、同様にして他の被処理物Ｗのプラズマ処理を行うこともできる。
本実施例はプラズマ生成空間６と処理空間７の間に傾斜面からなる遮光面１０を有する開口部９を設けた遮光部８を設けることによって、プラズマ生成空間６から処理空間７に進入するプラズマの光エネルギーを低下させ、生産性を向上することができる。

ここで遮光部９に形成される開口部９は、要は入射口から入射したプラズマ光がたとえ出射口から出光するとしても、その間に少なくとも１回は開口部の内壁部に形成された遮光面１０と衝突するような構成となっていればよい。

図３は他の実施の形態に係る遮光部の開口部を例示するための断面模式図である。図３では開口部９の断面形状を説明するために、遮光部１０の開口部９周辺の一部を拡大して図示している。
遮光部９は図３（ａ）のように、平面視において入射口９ａと出射口９ｂが重ならないように開口部９を設けることもできる。
また、遮光部９の断面形状は、図３（ｂ）のようにくの字形状が複数重なるような形状にしたり、図３（ｃ）のようにカーブ状、第３（ｄ）のように遮光面を傾斜面とせず、水平面あるいは垂直面としたクランク状にすることもできる。
いずれの場合も、遮光面１０を入射口９ａの円周と出射口９ｂの円周とを結ぶ線上に設けるようにすれば、プラズマ光の直進光を遮光することができる。また、入射口９ａと出射口９ｂとは異なる大きさの内径を有していてもよい。

また、遮光部８は一体物ではなく、１つの遮光面を持った開口部９を有する複数の板状体を重ね合わせたものであってもよい。例えば、図３（ｅ）のように、遮光面２０ａを持つ第１の遮光板８ａと、遮光面２０ｂを持つ第２の遮光板８ｂを重ね合わせることができる。この場合、それぞれの板状体の遮光面の傾斜角度は第１と第２の遮光板８ａ、８ｂの表面を水平面としたときにそれぞれ異なるものであり、重ねあわせた上下の板状体の開口部１９ａと開口部１９ｂが連通するように重ねあわせることによって、例えば上述した図２（ｂ）で示したような、複数の遮光面を有する遮光部８と同様の構成とすることができる。遮光部８が一体物であるものと比較して開口部９の加工が容易であるため、遮光部８の厚みを小さくすることができ、プラズマ生成物が通過する際の障害を小さくすることができる。そのため、プラズマ生成物の失活を抑制することができる。

以上、実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。例えば、前述の実施の形態においては、表面波プラズマ処理装置について例示をしたが、平行平板型プラズマ処理装置やプラズマを用いた成膜装置やスパッタリング装置についても適用可能である。また、プラズマ生成空間と処理空間が別の処理容器にて形成されるプラズマ処理装置、例えばリモートプラズマ処理装置にも適用可能である。

また、プラズマ処理装置１００が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。例えば、処理容器１０１は円筒形状ではなく、楕円柱形状や多角柱形状であってもよい。処理容器１０１の形状に合わせて遮光部８も多角形や楕円状の板状体であってもよい。また、遮光部８の主面を被処理物Ｗ表面と平行にしなくてもよく、遮光部８の主面を被処理物Ｗ表面に対して傾斜させてもよい。
開口部９の平面視においての穴形状も、長孔、丸孔に限られず、楕円、短冊、正方形、三角になるように設けられていてもよい。
以上のように、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

１プラズマ発生部、２マイクロ波発生部、３導波管、４スロット、６プラズマ生成空間、７処理空間、８遮光部、８ａ第１の遮光板、８ｂ第２の遮光板、９開口部、９ａ、９ｂ、１０遮光面、１０ａ第１の遮光面、１０ｂ第２の遮光板、１９ａ開口部、１９ｂ開口部、２０ａ遮光面、２０ｂ遮光面、２９ａ入射口、２９ｂ出射口、１００プラズマ処理装置、１０１処理容器、１０２窓部、１０３載置部、１０４ガス供給部、１０４ａガス配管、１０４ｂガス導入口、１０６搬入搬出口、１０７ゲートバルブ、１０７ａ扉、１０７ｂゲート開閉機構、１０８減圧部、１０９排気口、１１０排気管、１１１圧力制御部
Ｇプロセスガス、Ｐプラズマ、Ｍマイクロ波、Ｗ被処理物

Claims

被処理物を載置する載置部を有する処理容器と、
前記被処理物を処理するためにプロセスガスを活性化してプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマを生成した空間と前記被処理物を処理する空間の間に設けられた遮光部とを備え、
前記遮光部は、内壁部に遮光面を持つ開口部を有し、前記プラズマの光が前記遮光面に遮られることを特徴としたプラズマ処理装置。
前記開口部は、断面視において「くの字」形状を成す第１の遮光面と第２の遮光面とを有することを特徴とした請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記第１の遮光面または第２の遮光面の傾斜角は前記開口部の孔径と厚さによって規定されることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
前記遮光部は１つの傾斜面を持つ開口部を有した複数の板状体を重ねあわせて構成されることを特徴とした請求項１記載のプラズマ処理装置。
処理容器内に設けられた載置部に被処理物を載置し、
前記被処理物を処理するためにプロセスガスを活性化してプラズマを生成し、
前記プラズマで生成されたプラズマ生成物を、前記プラズマを生成した空間と前記被処理物を処理する空間の間に設けられた内壁部に遮光面を持つ開口部を有する遮光部を通過させて前記被処理物に飛散させることで、
前記被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理方法。