JP2014007087A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理において、処理室内の処理ガスの圧力分布を任意に制御する。
【解決手段】処理室２０内に上部電極２１と下部電極２８を対向配置し、少なくとも上部電極２１または下部電極２８のいずれか一方に高周波電力を印加して、処理室２０内に導入した処理ガスをプラズマ化し、下部電極２８上に載置された被処理体Ｗに対して処理を行うプラズマ処理装置において、処理室２０の上部中央および側方に、それぞれ排気部２２、２６が設けられ、処理室２０上部に、上部中央の排気部２２と同心円状に、下部電極２８よりも外周側に配置された外側ガス導入部３１と、上部中央の排気部２２の外周を囲み且つ外側ガス導入部３１よりも内側に配置された内側ガス導入部３２とが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理において、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することによってエッチングの均一性を制御できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

従来、半導体ウェハやＬＣＤ用基板などの被処理体に対してエッチングなどのプラズマ処理を行う際、処理室内に上部電極と下部電極を対向配置し、少なくとも上部電極と下部電極のいずれか一方に高周波電源より高周波電力を印加して、処理室内に導入した処理ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置が用いられている。かかるプラズマ処理装置では、上部電極の下面（すなわち、被処理体に対する対向面）に複数の処理ガス噴出口を設け、その処理ガス噴出口から供給される処理ガスを高周波電力によりプラズマ化する。そして、このプラズマにより、被処理体に対して処理を行うとともに、その排ガスを下部電極の外周側に設けられた排気部を介して、処理室に連通する真空排気系により真空排気していた。このようなプラズマ処理装置は、例えば特許文献１、２等に開示されている。

また、近年、被処理体の大口径化、大型化が進み、処理室の容量が大きくなっていることから、例えば特許文献３には、下部排気系に加えて上部排気系からも排気し、有効排気速度を高めたプラズマ処理装置が提案されている。

特開２０００−１００７８９号公報 特開２００４−２８８７０４号公報 特開平１０−４１０９６号公報

ところで、プラズマ処理に際しては、導入する処理ガスの量、および真空排気系による排気量を調整することにより、被処理体の特性に応じてガスの流入量に分布をもたせている。

ところが、上記特許文献に記載された従来のプラズマ処理装置は、処理ガスを、上部電極を介して処理室内全体に供給し、処理室の外周部から排気している。そのため、処理室内の処理ガスの圧力分布は、中央が大きくなる凸状か、あるいは中央部に供給するガスを少なくして平坦にするかのいずれかの制御しかできなかった。

本発明は、上記のような従来のプラズマ処理装置が有する問題点に鑑みてなされたものであり、処理室内の処理ガスの圧力分布を任意に制御することを目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、処理室内に上部電極と下部電極を対向配置し、少なくとも前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方に高周波電力を印加して、前記処理室内に導入した処理ガスをプラズマ化し、前記下部電極上に載置された被処理体に対して処理を行うプラズマ処理装置において、前記処理室の上部中央および側方に、それぞれ排気部が設けられ、前記処理室上部に、前記上部中央の排気部と同心円状に、前記下部電極よりも外周側に配置された外側ガス導入部と、前記上部中央の排気部の外周を囲み且つ前記外側ガス導入部よりも内側に配置された内側ガス導入部とが設けられていることを特徴とする、プラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、被処理体の中央直上および被処理体の側方にそれぞれ排気部を設けるとともに、処理ガスの導入領域を分割して流入制御することによって、これらの組み合わせで、処理室内の処理ガスの圧力分布を任意に制御できる。すなわち、中央上方から排気することにより、被処理体中心部のエッチングレートを所望の値に低下させることができるので、処理室内の処理ガスの圧力分布を中央凸状、フラット、中央凹状のいずれにも、自在に制御可能になる。したがって、面内のエッチング均一性を任意に制御できる。

上記プラズマ処理装置において、前記側方の排気部から排気装置までの排気コンダクタンスと、前記中央の排気部から排気装置までの排気コンダクタンスの比が、２：３〜３：２でもよい。また、前記中央の排気部の径は、前記上部電極と前記下部電極との間隔の３倍以下であり、好ましくは１．５倍以上２倍以下である。また、前記上部電極と前記下部電極との間隔は、２０ｍｍ〜８０ｍｍであることが好ましい。前記排気部は、複数の孔または複数のスリットで構成されていてもよい。

さらに、上記プラズマ処理装置において、前記外側ガス導入部と前記内側ガス導入部は、処理ガスの導入量をそれぞれ独立して制御可能であることが好ましい。さらに、前記内側ガス導入部と前記外側ガス導入部との間に、中間ガス導入部が設けられていてもよく、その場合、前記中間ガス導入部は、前記外側ガス導入部および前記内側ガス導入部から独立して処理ガスの導入量を制御可能であることが好ましい。

また、本発明によれば、上記のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、前記外側および内側ガス導入部と前記排気部を制御することにより、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法が提供される。

さらに、前記外側ガス導入部、前記内側ガス導入部、および前記排気部をそれぞれ独立して制御することにより、処理室内中の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法が提供される。さらにまた、前記外側ガス導入部、前記内側ガス導入部、前記中間ガス導入部、および前記排気部をそれぞれ独立して制御することにより、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法が提供される。

本発明によれば、処理室内の処理ガスの圧力分布を任意に制御できるので、被処理体の面内の特性制御性を向上させることができる。

本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 図１のプラズマ処理装置の上部電極の平面図である。 図１のＡ部の拡大図である。 図１のプラズマ処理装置の冷媒ジャケットの平面図である。 処理室内の処理ガスの圧力分布を示す図であり、（ａ）は中央凸状、（ｂ）はフラット、（ｃ）は中央凹状を示す。 他の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１の概略の構成を示す縦断面図である。プラズマ処理装置１は、シリコン基板であるウェハＷを保持する下部電極２８が設けられた略円筒状の処理容器１１を有し、処理容器１１は、筐体１３で囲まれている。

処理容器１１は、アルミニウムなどの導電性材料を略円筒状に一体成型して成り、その内面には陽極酸化処理が施されている。さらに、陽極酸化膜の表面に、耐プラズマ性の材料からなるコーティングが施されている。このコーティング材料としては、酸化アルミニウムや酸化イットリウムなどの耐プラズマ性材料からなる溶射皮膜を用いることができる。また、筐体１３も、例えばアルミニウムで成型され、内面には陽極酸化処理及び耐プラズマ性材料の溶射皮膜が施されている。筐体１３及び処理容器１１はそれぞれ電気的に接地されている。

処理容器１１の内部は、処理室２０となっている。処理室２０の天井部は、上部電極２１で構成され、上部電極２１には、処理室２０内から排気する中央排気部２２および処理室２０内に処理ガスを導入するガス導入部２３が設けられている。図２は、上部電極２１の平面図であり、上部電極２１の中央には、複数の排気孔からなる略円形の中央排気部２２が設けられている。また、中央排気部２２の外側には、中央排気部２２と同心円状に配置された複数の孔からなるガス導入部２３が設けられている。ガス導入部２３は、後述する下部電極２８よりも外周側に配置された複数の孔からなる外側ガス導入部３１と、中央排気部２２の外周を囲み且つ外側ガス導入部３１よりも内側に配置された複数の孔からなる内側ガス導入部３２と、外側ガス導入部３１と内側ガス導入部３２の間に設けられた複数の孔からなる中間ガス導入部３３とで構成されている。外側ガス導入部３１、内側ガス導入部３２、および中間ガス導入部３３は、それぞれ、複数の孔が、中央排気部２２と同心円状に配置されている。また、上部電極２１は電気的に接地されている。

外側ガス導入部３１、内側ガス導入部３２、および中間ガス導入部３３は、図１に示すように、各々、筐体１３を貫通する処理ガス供給管３４、３５、３６に連通し、それぞれの流量制御弁３７、３８、３９により独立して流量制御された処理ガスを、処理ガス源４０から、処理室２０内に導入することができる。本実施形態では、図３に示すように、各処理ガス供給管３４、３５、３６の下端３４ａ，３５ａ，３６ａは、各ガス導入部３１、３２、３３毎に孔を覆って水平方向に展開し、上部電極２１の上面に気密に当接して、ガス導入部３１、３２、３３毎の処理ガス供給系を構成する。処理ガスとしては、プラズマ処理の種類に応じて各種ガスを使用することが可能であり、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）のエッチングを行う場合は、ＣＦ系のガス、例えばＣＦ４やＣＨＦ３などのエッチングガスを使用することができる。

また、上部電極２１の上方には、温度調節手段、例えばセラミックヒータなどの加熱手段４１や、外部の冷媒源（図示せず）との間で水等の冷媒を循環させる冷媒ジャケット４２が設けられている。加熱手段４１や冷媒ジャケット４２は、処理室２０内に設けられた温度センサ（図示せず）、および温度制御機構（図示せず）によって自動的に制御され、所定の温度を保持するようになっている。図４は、冷媒ジャケット４２の平面図であり、冷媒ジャケット４２は、中央排気部２２の上方に位置する中央部に、少なくとも中央排気部２２と同じ大きさの孔４３を有し、さらに上部電極２１の各ガス導入部３１、３２、３３の領域に連通する処理ガス供給管３４、３５、３６を通過させるために、それぞれ孔４４、４５、４６が設けられている。

処理室２０の底部中央には、図１に示すように、下部電極２８が配置されている。この下部電極２８は、半導体ウェハＷを載置する静電チャック２７と下部電極層２４からなる。静電チャック２７は、セラミック内部に電極が設けられ、当該電極に直流電圧を印加することにより生じる静電気力で、被処理体であるウェハＷを吸着保持することができる。さらに、下部電極２８は静電チャック２７の下側に、例えばアルミニウム等の金属により形成され電極として機能する下部電極層２４を有する。この下部電極層２４へ高周波電源などから電力が供給される。また、静電チャック２７及び下部電極層２４は、略円板状に形成されている。本実施形態において、下部電極２８は、処理室２０の底部に設けられた絶縁体からなる支持台１２の上面に支持されている。また、本実施形態において、上部電極２１と下部電極２８との間隔Ｄは２０ｍｍ〜８０ｍｍであり、上部電極２１に設けた中央排気部２２の径Ｒは、間隔Ｄの３倍以下、好ましくは１．５〜２倍である。これは、中央排気部２２の面積が大きすぎると、処理室２０の中央部の圧力が制御しにくくなるためである。

さらに、静電チャック２７の外周部に、シリコンなどからなるフォーカスリング２５を設けて、プラズマを被処理体Ｗに効果的に入射させる構成となっている。

さらに、下部電極２８には、高周波電力を供給してプラズマを生成するための第１の高周波電源５１が、第１の整合器５３を介して電気的に接続されている。第１の高周波電源５１は、例えば２７〜１００ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力するように構成されている。さらに、下部電極２８に高周波電力を供給して被処理体Ｗにバイアスを印加することで被処理体Ｗにイオンを引き込むための第２の高周波電源５２が、第２の整合器５４を介して電気的に接続されている。第２の高周波電源５２は、例えば４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力するように構成されている。これにより、処理室２０内に導入された処理ガスをプラズマ化し、被処理体Ｗに対して所定のプラズマ処理を施すことができる。第１の高周波電源５１、第１の整合器５３、第２の高周波電源５２、第２の整合器５４は、制御部５５に接続されており、これらの動作は制御部５５により制御される。

また、処理室２０の外周側面には、側方排気部２６が設けられている。この側方排気部２６は、処理室２０の側壁の全周にわたって形成された複数の孔またはスリットにより構成されている。中央排気部２２および側方排気部２６の孔径またはスリット幅、および各排気部２２、２６の面積は、側方排気部２６から後述する真空排気装置６２までの排気コンダクタンスと、中央排気部２２から真空排気装置６２までの排気コンダクタンスの比が、２：３〜３：２になるように設定する。さらに好ましくは、これらの排気コンダクタンスが略同等になるようにする。排気コンダクタンスの比を２：３〜３：２とするのは、この範囲であれば、流量制御弁３７、３８、３９で処理ガスの流量制御を行うことで、処理室２０内の処理ガスの圧力分布を容易に制御できるためである。

筐体１３内部のうち、処理容器１１の外側は、排気室３０を形成している。排気室３０は、流量調整弁６１を介して真空排気装置６２に連通しており、中央排気部２２、側方排気部２６を介して処理室２０内から排気することができる。真空排気装置６２の駆動タイミングおよび排気量は、排気室３０に設けられた圧力センサ６３からの出力を受けて、制御部５５により制御される。

次に、図１のプラズマ処理装置１により、半導体ウェハからなる被処理体Ｗの酸化膜（ＳｉＯ２）に対してエッチング処理を行う場合の動作について説明する。

まず、図示しない搬送アームで被処理体Ｗを搬入して下部電極２８上に載置し、静電チャック２７により、被処理体Ｗを下部電極２８上に吸着保持させる。

次いで、排気室３０に接続された真空排気装置６２を駆動し、処理室２０の中央排気部２２および側方排気部２６を介して処理室２０内を排気し、所定の圧力にまで減圧する。そして、処理ガス源４０から、各流量制御弁３７、３８、３９を介して、処理ガス、例えばＣＦ４ガスが、上部電極２１の各ガス導入部３１、３２、３３から処理室２０内に供給される。処理室２０内は、排気室３０に設置された圧力センサ６３の出力を受ける制御部５５によって、真空排気装置６２および処理ガスの流量制御弁３７、３８、３９を調整することにより、所定の圧力になるように設定および維持される。この際、処理室２０内を中央排気部２２と側方排気部２６の双方から真空排気し、各ガス導入部３１、３２、３３の流量を調整して処理ガスを導入することにより、処理室内を所望する処理ガスの圧力分布になるように制御される。すなわち、図５（ａ）に示すように被処理体Ｗの中央部の圧力が大きい状態の他、図５（ｂ）に示すように被処理体Ｗ全体にわたって圧力がフラットな状態や、図５（ｃ）に示すように被処理体Ｗの中央部の圧力が小さい状態など、処理内容に応じて任意に処理室内の処理ガスの圧力分布制御が行われる。

その後、高周波電源５１、５２より、所定の周波数の高周波が下部電極２８に印加され、処理室２０内に導入された処理ガスがプラズマ化され、被処理体Ｗに対して所定のプラズマ処理が行われる。

以上のようにして所定のプラズマ処理が終了した後、高周波電力の印加および処理ガスの供給が停止され、真空排気装置６２を調整しながら、処理室内にパージガスが導入される。そして、所定の圧力まで昇圧された後、搬送アームにより処理済みの被処理体Ｗが搬出され、一連の動作を終了する。

以上説明したように、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１によれば、被処理体Ｗの中央直上および被処理体Ｗの側方にそれぞれ排気部を設けるとともに、処理ガスの導入領域を分割して流入制御することによって、これらの組み合わせで、処理室２０内の処理ガスの圧力分布を任意に制御できる。すなわち、中央上方から排気することにより、被処理体Ｗ中心部のエッチングレートを所望の値に低下させることができるので、例えば３００ｍｍφの被処理体において、図５に示すように、処理室内の処理ガスの圧力分布を中央凸状、フラット、中央凹状のいずれにも、自在に制御可能になる。したがって、面内のエッチング均一性を任意に制御できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、真空排気系に関して、上記実施の形態では、中央排気部２２および側方排気部２６を一系統の真空排気装置６２に接続する構成を示したが、本発明はかかる例に限定されない。内側ガス導入部３２の内側、および外側ガス導入部３３の外側から排気できれば、真空排気装置の配置は任意に選択できる。例えば図６に示すように、側方排気部２６を処理容器１１の下面の外周に沿って設け、処理室２０の上部中央の中央排気部２２と側方排気部２６とをそれぞれ異なる真空排気系に接続し、独立して制御するようにしてもよい。なお、図６では、図１に示すプラズマ処理装置と実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付している。

また、上記実施の形態では、処理ガス導入部２３は、外側、中間、内側の３系統に分けて、処理室２０内に処理ガスを供給することとしたが、外側と内側の２系統のみでもよい。下部電極２８よりも外周側と、それよりも内側で且つ中央排気部よりも外周側に処理ガスが導入できれば、ガス導入部は任意に配置でき、それぞれのガス導入部を構成する孔の数や孔径も、任意である。例えば被処理体Ｗが大型の場合には、中間ガス導入部を２以上の系統に分けて処理ガスを供給してもよく、かかる構成によれば、被処理体Ｗの大型化に伴って処理室２０の容積が拡大した場合であっても、処理室２０内を所望する処理ガスの圧力分布に制御することが可能となる。

さらに上記実施の形態では、下部電極２８にのみ高周波電源を接続する構成を示したが、本発明はかかる実施の形態に限定されない。例えば、上部電極２１にも高周波電源を接続し、上部電極２１と下部電極２８間で位相の異なる高周波電力を供給して、プラズマ密度を制御することが可能なプラズマ処理装置にも適用することが可能である。

さらに、上記実施の形態では、半導体ウェハ表面のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）をエッチングする装置を例に挙げて説明したが、本発明はかかる例に限定されず、他のエッチングプロセスを実施する装置としても構成することができる。また、本発明を適用できる装置についても、エッチングを行うプラズマ処理装置に限らず、プラズマにより被処理体に対して処理を行う各種プロセス、例えばアッシング、スパッタリング、ＣＶＤ処理などを行う装置に対しても適用することができる。さらにまた、被処理体についても、ウェハに限らず、ＬＣＤ基板の加工にも当然に適用することができる。

１ プラズマ処理装置
２０ 処理室
２１ 上部電極
２２ 中央排気部
２４ 下部電極
２６ 側方排気部
３１ 外側ガス導入部
３２ 内側ガス導入部

Claims (12)

1. 処理室内に上部電極と下部電極を対向配置し、少なくとも前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方に高周波電力を印加して、前記処理室内に導入した処理ガスをプラズマ化し、前記下部電極上に載置された被処理体に対して処理を行うプラズマ処理装置において、
   前記処理室の上部中央および側方に、それぞれ排気部が設けられ、
   前記処理室上部に、前記上部中央の排気部と同心円状に、前記下部電極よりも外周側に配置された外側ガス導入部と、前記上部中央の排気部の外周を囲み且つ前記外側ガス導入部よりも内側に配置された内側ガス導入部とが設けられていることを特徴とする、プラズマ処理装置。
2. 前記側方の排気部から排気装置までの排気コンダクタンスと、前記中央の排気部から排気装置までの排気コンダクタンスの比が、２：３〜３：２であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記中央の排気部の径は、前記上部電極と前記下部電極との間隔の３倍以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記中央の排気部の径は、前記上部電極と前記下部電極との間隔の１．５倍以上２倍以下であることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記上部電極と前記下部電極との間隔は、２０ｍｍ〜８０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記排気部は、複数の孔または複数のスリットで構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記外側ガス導入部と前記内側ガス導入部は、処理ガスの導入量をそれぞれ独立して制御可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記内側ガス導入部と前記外側ガス導入部との間に、中間ガス導入部が設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記中間ガス導入部は、前記外側ガス導入部および前記内側ガス導入部から独立して処理ガスの導入量を制御可能であることを特徴とする、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 請求項１〜６に記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記外側および内側ガス導入部と前記排気部を制御することにより、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法。
11. 請求項７に記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記外側ガス導入部、前記内側ガス導入部、および前記排気部をそれぞれ独立して制御することにより、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法。
12. 請求項９に記載のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記外側ガス導入部、前記内側ガス導入部、前記中間ガス導入部、および前記排気部をそれぞれ独立して制御することにより、処理室内の処理ガスの圧力分布を調整することを特徴とする、プラズマ処理方法。

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