JP2013186970A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空チャンバ内に配置された処理対象物の表面にイオンやラジカルを均一に供給することが可能な生産性の高いプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ処理装置は、真空チャンバ１０に開設された透孔１２の外壁側に設けられるマイクロ波導入窓１３と、透孔の内壁側にてマイクロ波導入窓に対向配置されたシャワープレート１６と、真空チャンバの外側で前記マイクロ波導入窓に対向配置される、マイクロ波導入窓との対向面に複数のスリット７１が列設された導波管７とを備える。透孔の内面との間に環状の空間Ｓ１を画成する筒状部材１８を透孔に挿設し、この筒状部材に複数のガス導入孔１８ｂを形成すると共に、空間Ｓ１に通じるガス導入路１９を真空チャンバ壁面１１に開設した。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバ内に配置した処理対象物に対してプラズマを用いて各種処理を行うプラズマ処理装置に関する。

例えば、半導体デバイスや有機ＥＬ表示デバイスのような電子デバイスの製造工程では、真空チャンバ内に配置したシリコンウエハやガラス基板等の処理対象物に対してプラズマを用いてエッチングやアッシング等の各種処理を行うことがある。

このような処理を行うプラズマ処理装置として、真空チャンバの上部開口にマイクロ波導入窓を設け、真空チャンバ内にマイクロ波導入窓に対向してシャワープレートを配置し、真空チャンバの外側でマイクロ波導入窓に対向して導波管を配置し、マイクロ波導入窓とシャワープレートとで囲繞される空間に通じるガス導入路をチャンバ壁面に開設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このものでは、上記空間にガス導入路から処理ガスを導入し、導波管からマイクロ波導入窓を通して上記空間にマイクロ波を導入することで、処理ガスを励起してプラズマを発生させ、このプラズマ中に含まれるイオンやラジカルを処理対象物の表面に供給するようにしている。

上記従来例のものでは、真空チャンバ壁面に開設された１本のガス導入路から上記空間に処理ガスを導入している。この場合、上記空間に一方向から導入された処理ガスは、空間内で対流して拡散するため、上記空間全体に処理ガスが均一に拡散するまでに長い時間を要する。ここで、導波管として、マイクロ波導入窓との対向面に複数のスリットが列設された一方向に長手のものが知られている（例えば、特許文献２参照）。このような導波管を用いる場合、マイクロ波導入窓とシャワープレートとで囲繞される空間も一方向に長手に形成されることから、この空間全体に処理ガスを均一に拡散させるにはより一層時間を要し、また、均一に拡散できない場合もある。処理ガスが不均一に拡散した状態でマイクロ波を導入してプラズマを発生させると、プラズマ中のイオンやラジカルの分布が不均一になるため、処理対象物の表面にイオンやラジカルを均一に供給できず、処理対象物に施される処理の均一性が悪くなる。

他方で、処理ガスが均一に拡散するまで、マイクロ波の導入を一定時間待つことが考えられるが、これでは、待ち時間の分だけ処理時間が長くなって生産性の低下を招来する。

特開２０１１−１０３２３８号公報 特開２００５−１５０４７３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、真空チャンバ内に配置された処理対象物の表面にイオンやラジカルを均一に供給することが可能な生産性の高いプラズマ処理装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバに開設された透孔の外壁側に設けられるマイクロ波導入窓と、真空チャンバの透孔の内壁側に、前記マイクロ波導入窓に対向配置されるシャワープレートと、真空チャンバの外側で前記マイクロ波導入窓に対向配置される、マイクロ波導入窓との対向面に複数のスリットが列設された導波管と、を備え、前記透孔の内面との間に環状の空間を画成する筒状部材を前記透孔に挿設し、この筒状部材に複数のガス導入孔を形成すると共に、前記空間に通じるガス導入路を真空チャンバ壁面に開設したことを特徴とする。

本発明によれば、ガス導入路からの処理ガスが環状空間に一旦導入される。このとき、筒状部材の周面にあたって環状空間の周方向に処理ガスが流れ、複数のガス導入孔を通って筒状部材内部の空間（以下「内部空間」という）に導入される。そして、各ガス導入孔から導入された処理ガスは内部空間で相互に衝突されることで、内部空間での処理ガスの拡散が促進される。このため、従来例の如く一方向から導入した処理ガスを対流により拡散させる場合に比べて短い時間で内部空間全体に処理ガスが均一に拡散される。そして、導波管のスリット及びマイクロ波導入窓を介して上記内部空間にマイクロ波を導入することによって、内部空間の処理ガスが励起されてプラズマが発生する。このとき、内部空間全体に処理ガスは均一に拡散しているため、プラズマ中に含まれるイオンやラジカルの分布を均一にできる。従って、真空チャンバ内に配置された処理対象物の表面にシャワープレートを介してイオンやラジカルを均一に供給でき、この処理対象物に施される処理の均一性を向上させることができる。しかも、処理ガスが均一に拡散するまでマイクロ波の導入を一定時間待つ必要がないので、生産性が低下することがない。

本発明は、前記導波管が一方向に長手のものである場合に特に好適である。この場合、透孔も一方向に長手のものとなるが、この長手の透孔の内面との間で環状空間を画成する一方向に長手の筒状部材を挿設することで、上記内部空間にて処理ガスを短時間で均一に拡散させることができる。

本発明において、前記複数のガス導入孔は前記筒状部材の周方向に所定間隔で形成されることが好ましい。これによれば、内部空間に導入された処理ガスの衝突が効率的に起こり、より一層短い時間で処理ガスを均一に拡散させることができる。

ここで、筒状部材とマイクロ波導入窓との間に隙間が存すると、この隙間で局所的な放電が生じ、内部空間で発生するプラズマ中に含まれるイオンやラジカルの分布が不均一になることがある。本発明では、筒状部材とマイクロ波導入窓の間にメッシュ部材を介在させるという簡単な構成により、筒状部材とマイクロ波導入窓との間の隙間を塞き、局所的な放電が生じることを確実に防止できる。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置を示す概略上面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のプラズマ処理装置について、アッシング装置を例に説明する。図１及び図２に示すアッシング装置ＡＭは、マイクロ波導入装置Ｍを備える。マイクロ波導入装置Ｍは、マイクロ波電源１と、発振器２と、アイソレータ３と、方向性結合器４と、３Ｅチューナ５と、コーナ導波管６と、導波管７とで構成される。

発振器２は、マグネトロン及びランチャーを有し、マイクロ波電源１からマグネトロンに電力が供給されると、マグネトロンが発振してマイクロ波を出力し、このマイクロ波をランチャーが効率良く取り出してアイソレータ３に出力する。アイソレータ３は、発振器２からのマイクロ波を負荷である真空チャンバ１０に送出すると共に、負荷で反射されたマイクロ波（反射電力）を減衰させる。方向性結合器４は、２つのポート４ａ、４ｂを有し、順方向に進行するマイクロ波（進行波）に対応する信号Ｒｆと、逆方向に進行するマイクロ波（反射波）に対応する信号Ｒｒとを取り出すことができる。３Ｅチューナ５は、インピーダンス整合を行うことにより反射波を低減する。コーナ導波管６は、例えばＥコーナ導波管で構成される。導波管７は、一方向（図１中の上下方向）に長手の矩形導波管で構成される。

上記アッシング装置ＡＭは、処理室１０ａを画成する真空チャンバ１０を備える。真空チャンバ１０の上壁１１には、透孔１２が開設されている。この透孔１２の外壁側（図中、上側）には、マイクロ波導入窓１３が設けられている。マイクロ波導入窓１３は、マイクロ波が透過する石英等の誘電体で構成される。上壁１１の上面に形成された凹溝１１ａにはＯリング１４が嵌め込まれており、上壁１１とマイクロ波導入窓１３との間で真空シールできるようになっている。図中、１５は、マイクロ波導入窓１３の周縁部の形状と略一致する段差部１５ａを有する固定部材である。この段差部１５ａによりマイクロ波導入窓１３を下方に押圧した状態で、固定部材１５を上壁１１にビス止めすることで、マイクロ波導入窓１３が位置決めされている。

透孔１２の内壁側（図中、下側）には、シャワープレート１６が、マイクロ波導入窓１３に対向して配置されている。このシャワープレート１６は、上壁１１の下面から処理室１０ａ内に突設した環状の支持壁１７の下端で保持されている。シャワープレート１６は複数の噴出口１６ａを有し、この噴出口１６ａからイオンやラジカルを処理室１０ａ内に導入できるようになっている。

真空チャンバ１０の外側には、マイクロ波導入窓１３に対向して上記導波管７が配置されている。この導波管７の一端の開口には外側に延出するフランジ７ａが一体に形成され、このフランジ７ａがコーナ導波管６のフランジ６ａと接続される一方で、導波管７の閉塞された他端はショート板７ｂを構成している。導波管７のマイクロ波導入窓１３との対向面には、夫々長手方向に延びる複数のスリット７１と、夫々長手方向に直交する方向に延びる複数のスリット７２とが列設されている。本実施形態では、長手方向に位相角６０度の所定間隔で設けられた８個のスリット７１からなる列が２つ形成され、これら２列のスリット７１の間に、長手方向に所定間隔で４個のスリット７２が形成されている。これらのスリット７１，７２及びマイクロ波導入窓１３を介して透孔１２内にマイクロ波を導入できる。

透孔１２には、Ａｌ等の金属で構成される筒状部材１８が挿設されている。この筒状部材１８の下端には、水平方向外側に向かって延出するフランジ１８ａが一体に形成されている。このフランジ１８ａを上壁１１下面に形成された凹部１１ｂに嵌め込んだ状態でビス止めすることで、透孔１２に対して筒状部材１８が位置決めされ、透孔１２内面と筒状部材１８とで環状の空間Ｓ１が画成される。筒状部材１８には、複数のガス導入孔１８ｂが形成されており、これらのガス導入孔１８ｂを通して筒状部材１８内部の空間（内部空間）Ｓ２に処理ガスを導入できるようになっている。これら複数のガス導入孔１８ｂは、筒状部材１８の周方向に所定間隔で形成されることが好ましい。また、ガス導入孔１８ｂは上下方向に複数段（本実施形態では２段）で、形成されることが好ましい。この段数は、透孔１２の高さ（即ち、上壁１１の厚さ）に応じて適宜設定することができる。

真空チャンバ１０の上壁１１には、環状空間Ｓ１に通じるガス導入路１９が開設されている。ガス導入路１９の他端は、図示省略のガス源に接続されており、処理ガスをガス導入路１９を介して環状空間Ｓ１に導入できるようになっている。

マイクロ波導入窓１３と筒状部材１８との間には、アルミ等の金属で構成される変形可能なメッシュ部材２０を介在させており、マイクロ波導入窓１３と筒状部材１８との間の隙間を塞ぐことで局所的な放電が生じないようにしている。

真空チャンバ１０の側壁には、ターボ分子ポンプやロータリポンプ等からなる真空排気手段に通じる排気管２１が接続され、処理室１０ａ内を所定の真空度まで真空引きできるようになっている。また、真空チャンバ１０の底部には、絶縁部材２２を介してステージ２３が配置されており、ステージ２３上面には、図外の搬送ロボットにより搬送される処理対象物Ｗを位置決め保持できるようになっている。以下、上記アッシング装置ＡＭを用いるプラズマ処理方法について、処理対象物Ｗを有機物膜が形成されたガラス基板とし、この有機物膜をアッシングするアッシング方法を例に説明する。なお、有機物膜としては、有機ＥＬ用の有機金属錯体からなる公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

先ず、処理室１０ａが所定の真空度（例えば、５Ｐａ）に達した状態で、ガラス基板Ｗを図外の搬送ロボットにより搬送し、ステージ２３上に位置決め保持する。次に、ガス導入路１９から少なくとも酸素ガスを含む処理ガスを環状空間Ｓ１に一旦導入する。このとき、筒状部材１８の周面にあたって環状空間Ｓ１の周方向に処理ガスが流れ、複数のガス導入孔１８ｂを通って内部空間Ｓ２に導入される。各ガス導入孔１８ｂから導入された処理ガスは内部空間Ｓ２で相互に衝突されることで、内部空間Ｓ２での処理ガスの拡散が促進される。尚、複数のガス導入孔１８ｂを筒状部材１８の周方向に所定間隔で形成すれば、内部空間Ｓ２での処理ガスの衝突が効率的に起こり、一層短い時間で処理ガスを均一に拡散させることができる。

ここで、酸素ガスによるアッシングを促進する観点からは、処理ガスがフッ素ガス等のフッ素系ガス及び窒素ガスを含むことが好ましい。この場合、アッシング速度を考慮して、酸素ガスの流量は２００〜３０００ｓｃｃｍの範囲内で、フッ素系ガスの流量は１０〜２００ｓｃｃｍの範囲内で、窒素ガスの流量は１００〜９００ｓｃｃｍの範囲内で夫々設定できる。

そして、マイクロ波電源１から発振部２に、周波数２．４５ＧＨｚ、１ｋＷ〜２ｋＷの電力を供給すると、発振部２から出力されたマイクロ波が導波管７に伝搬され、スリット７１、７２及びマイクロ波導入窓１３を介して内部空間Ｓ２導入される。これにより、内部空間Ｓ２にて処理ガスが励起されてプラズマが発生する。このとき、上記のように内部空間Ｓ２全体に処理ガスは均一に拡散しているため、プラズマ中に含まれる酸素イオンや酸素ラジカル等の分布が均一になる。従って、シャワープレート１６の噴出口１６ａを通して処理室１０ａ内に配置されたガラス基板Ｗ表面に酸素イオンや酸素ラジカル等を均一に供給でき、これらの酸素イオンや酸素ラジカルによりガラス基板Ｗ表面の有機物膜がアッシングされる（有機物が水と二酸化炭素として排気管２１から排気される）。

以上説明した本実施形態によれば、ガス導入路１９から環状空間Ｓ１に一旦処理ガスが導入され、この環状空間Ｓ１の周方向に処理ガスが流れ、複数のガス導入孔１８ｂを通って内部空間Ｓ２に処理ガスが導入される。このとき、各ガス導入孔１８ｂから内部空間Ｓ２に導入された処理ガスが相互に衝突されることで、内部空間Ｓ２での処理ガスの拡散が促進される。このため、従来例の如く一方向から導入した処理ガスが自由に拡散する場合に比べて短い時間で処理ガスを均一に拡散させることができる。そして、内部空間Ｓ２にマイクロ波を導入して処理ガスを励起してプラズマを発生させると、プラズマ中に含まれるイオンやラジカルの分布が均一になる。従って、シャワープレート１６を介して処理室１０ａ内の処理対象物Ｗの表面にイオンやラジカルを均一に供給でき、この処理対象物Ｗに施されるアッシング処理の均一性を向上させることができる。しかも、内部空間Ｓ２の全体に処理ガスが短時間で均一に拡散するため、処理ガスが均一に拡散するまでマイクロ波の導入を一定時間待つ必要がなく、生産性の低下を招来しない。

ここで、マイクロ波導入窓１３と筒状部材１８との間に隙間が存すると、この隙間で局所的な放電が生じる場合がある。この場合、内部空間Ｓ２で発生するプラズマ中に含まれるイオンやラジカルの分布が不均一になることがある。このような局所的な放電が生じないように、マイクロ波導入窓１３に上端が接触する金属製のシールド板を配置することも考えられるが、シールド板の加工精度や上記Ｏリング１７のつぶれ量等を考慮すると、シールド板の上端の全てをマイクロ波導入窓と接触させるのは難しい。そこで、本実施形態では、マイクロ波導入窓１３と筒状部材１８との間に、変形可能なメッシュ部材２０を介在させるという簡単な構成により、局所的な放電が生じることを確実に防止できる。

以上の効果を確認するために、上記アッシング装置ＡＭを用いて、次の実験を行った。本実験では、処理対象物Ｗを、７８０×１２８０ｍｍの大きさのガラス基板の表面全体に有機金属錯体からなる有機物膜が形成され、マイクロ波導入窓１３の直下に配置される有機物膜以外をアルミナマスクで覆ったものとした。そして、処理ガスとして酸素ガスとフッ素系ガスと窒素ガスとの混合ガスを用い、各ガスの流量を１５００：２０：２００ｓｃｃｍとし、アッシング時の処理室１０ａの圧力を２０Ｐａとし、マイクロ波電源１からの供給電力を２．４５ＧＨｚ、１．５ｋＷとし、１分間アッシングを行った。この実験でのアッシング速度の均一性を測定したところ、±３％であった。これによれば、内部空間Ｓ２にて処理ガスを均一に拡散でき、シャワープレート１６を介して処理室１０ａ内の処理対象物Ｗ表面に酸素イオンや酸素ラジカル等を均一に供給できることが判った。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、処理対象物Ｗをプラズマアッシングするアッシング装置ＡＭについて説明したが、例えばエッチング装置のように、シャワープレートを介して処理対象物に対してイオンやプラズマを供給する他のプラズマ処理装置に本発明を適用することができる。

１０…真空チャンバ、７…導波管、１１…上壁（壁面）、１２…透孔、１３…マイクロ波導入窓、１６…シャワープレート、１８…筒状部材、１８ｂ…ガス導入孔、１９…ガス導入路、２０…メッシュ部材、７１，７２…スリット。

Claims (3)

1. 真空チャンバに開設された透孔の外壁側に設けられるマイクロ波導入窓と、
   真空チャンバの透孔の内壁側に、前記マイクロ波導入窓に対向配置されるシャワープレートと、
   真空チャンバの外側で前記マイクロ波導入窓に対向配置される、マイクロ波導入窓との対向面に複数のスリットが列設された導波管と、を備え、
   前記透孔の内面との間に環状の空間を画成する筒状部材を前記透孔に挿設し、この筒状部材に複数のガス導入孔を形成すると共に、前記空間に通じるガス導入路を真空チャンバ壁面に開設したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数のガス導入孔は前記筒状部材の周方向に所定間隔で形成されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記筒状部材と前記マイクロ波導入窓の間にメッシュ部材を介在させたことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。

Images