JP2016134318A - プラズマ処理装置のチューナプリセット方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ処理装置において、プラズマの着火性を向上させるためのチューナの最適なプリセット位置を効率よく決定する。【解決手段】被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置1において、プラズマ発光に要する電力を整合するチューナ101をプリセットする方法であって、プラズマを発光させて、電力投入からの時間経過と、プラズマの発光強度およびチューナ101のセッティング位置との関係を取得し、発光強度を時間で微分して、発光強度の増加の割合が最大になる時間を求め、発光強度の増加の割合が最大になる時間から、前記チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間を引いた時間における、チューナ101のセッティング位置を、プリセット位置として設定する。【選択図】図4
Description
本発明は、マイクロ波を用いてプラズマを発生させ、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置のチューナプリセット方法およびプラズマ処理装置に関する。
半導体素子や有機EL素子等は、処理対象となる被処理基板に対して、エッチングやCVD、スパッタリング等の処理を施して製造される。従来、例えば半導体ウェハなどの被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置として、ラジアルラインスロットアンテナ(radial line slot antenna)を用いたプラズマ処理装置が知られている。ラジアルラインスロットアンテナは、処理容器の天井面開口部に配置された誘電体窓の上部において、複数のスロットを有するスロット板の上部に遅波板を載置した状態で配置され、その中央部にて同軸導波管に接続されている。かかる構成により、マイクロ波発生器により発生されたマイクロ波は、同軸導波管を経由して、遅波板で径方向へ放射状に伝えられ、スロット板で円偏波を発生させた後、スロット板から誘電体窓を介して処理容器内に放射される。そして、このマイクロ波により処理容器内において低圧下で電子温度の低い高密度のプラズマを生成させることができ、生成されたプラズマによって、例えば成膜処理やエッチング処理などのプラズマ処理が行われる。
このようなプラズマ処理において、歩留まり向上のために、安定したプラズマ処理が行われることが必要であるが、プラズマが着火しない、あるいは着火が遅れるという現象が生じることがある。着火が遅れると、正常なプラズマ処理が行われず、歩留まり低下を招く。
プラズマ着火性を向上させる手段としては、電圧制御を行うチューナの針(プローブ)を予め特定の位置に設定するプリセット機能が挙げられる。ところが、従来、可変整合器によるインピーダンス整合においてはプリセット機能を決定する方法が提案されているが、チューナによるインピーダンス整合において、現状では最適なプリセット位置を決定する簡便な方法がない。そのため、従来、あらゆるセッティングを試行してその中から最適なプリセット位置を見つけ出して決定しており、プリセット位置の決定に多大な時間を要している。
また、例えば特許文献1には、プラズマ発光強度を直接検出して、この検出値が最大となるようにマイクロ波をチューニングするマイクロ波オートチューナが開示されており、特許文献2には、マイクロ波放電プラズマの面内密度分布が均一となるようにチューナとマイクロ波発生装置とを制御するプラズマ処理装置が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1は、プラズマ着火後にチューニングするものであり、着火性を向上させることや、そのためのプリセット位置を決めることを目的としたものではない。また、特許文献2も、表面波プラズマの着火性向上に適用できるものではない。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマの着火性を向上させるためのチューナの最適なプリセット位置を効率よく決定するプラズマ処理装置のチューナプリセット方法、およびその方法を実施するプラズマ処理装置を提供することを課題とする。
上記問題を解決するため、本発明は、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ発光に要する電力を整合するチューナをプリセットする方法であって、プラズマを発光させて、電力投入からの時間経過と、プラズマの発光強度およびチューナのセッティング位置との関係を取得し、前記発光強度を時間で微分して、発光強度の増加の割合が最大になる時間を求め、前記発光強度の増加の割合が最大になる時間から、前記チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間を引いた時間における、前記チューナのセッティング位置を、プリセット位置として設定することを特徴とする、プラズマ処理装置のチューナプリセット方法を提供する。
前記チューナプリセット方法において、前記電力投入からの時間経過と発光強度との関係を示すデータを、移動平均により平滑化した後、時間で微分することが好ましい。
また、別な観点による本発明は、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、被処理体を収容してプラズマ処理を行う処理容器と、前記処理容器外に配置されて高周波を発生させる高周波発生器を含み、前記高周波発生器により発生させた高周波を用いて前記処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、前記プラズマ発生機構を制御する制御部とを備え、前記高周波発生器は、プラズマ発光に要する電力を整合するチューナを備え、前記制御部は、プラズマ処理時の、電力投入からの時間経過とプラズマの発光強度およびチューナのセッティング位置との関係を取得し、前記発光強度を時間で微分して、発光強度の増加の割合が最大になる時間を求め、前記発光強度の増加の割合が最大になる時間から、前記チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間を引いた時間における、前記チューナのセッティング位置を、プリセット位置として設定することを特徴とする、プラズマ処理装置を提供する。
なお、チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間とは、例えば、チューナの演算回路が算出した位置に向かってチューナの可動短絡板が動き始めてから目的の位置に達するまでに要する時間とする。
本発明によれば、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマの着火性を向上させるためのチューナの最適なプリセット位置を効率よく決定し、安定したプラズマ処理を行うことができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本実施の実施形態にかかるプラズマ処理装置1の構成の概略を示す縦断面図である。プラズマ処理装置1は、被処理体としてのウェハWの表面(上面)に対してプラズマCVD(Chemical Vapor Deposiotion)処理を行うプラズマ発生機構を備えた成膜装置である。なお、以下に示す実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
プラズマ処理装置1は、図1に示すように処理容器10を有している。処理容器10は、天井面が開口した略円筒形状を有し、当該天井面開口部にはラジアルラインスロットアンテナ40が配置されている。また、処理容器10の側面にはウェハWの搬入出口(図示せず)が形成され、当該搬入出口にはゲートバルブ(図示せず)が設けられている。そして、処理容器10はその内部を密閉可能に構成されている。なお、処理容器10にはアルミニウム又はステンレス鋼等の金属が用いられ、処理容器10は電気的に接地されている。
処理容器10内の底部には、ウェハWを上面に載置させる円筒形状の載置台20が設けられている。載置台20には、例えばAlN等が用いられる。
載置台20の内部には、静電チャック用の電極21が設けられている。電極21は、処理容器10の外部に設けられた直流電源22に接続されている。この直流電源22により載置台20の上面にジョンソン・ラーベック力を生じさせて、ウェハWを載置台20上に静電吸着することができる。
また、載置台20の内部には、例えば冷却媒体を流通させる温度調節機構23が設けられている。温度調節機構23は、処理容器10の外部に設けられ、冷却媒体の温度を調整する液温調節部24に接続されている。そして、液温調節部24によって冷媒媒体の温度が調節され、載置台20の温度を制御でき、この結果、載置台20上に載置されたウェハWを所定の温度に維持できる。
なお、載置台20には、RFバイアス用の高周波電源(図示せず)が接続されていてもよい。高周波電源は、ウェハWに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば13.56MHzの高周波を所定のパワーで出力する。
また、載置台20には、当該載置台20を厚み方向に貫通する貫通孔(図示せず)が例えば3箇所に形成されている。貫通孔には、後述する昇降ピン31が挿通して設けられている。
載置台20の下面には、当該載置台20を支持する支持部材25が設けられている。
載置台20の下方には、載置台20上に置かれたウェハWを適宜昇降させる昇降機構30が設けられている。昇降機構30は、昇降ピン31、プレート32、支柱33、及び昇降駆動部34を有している。昇降ピン31は、プレート32の上面に例えば3本設けられ、載置台20の上面に突出自在に構成されている。プレート32は、処理容器10の底面を貫通する支柱33の上端に支持されている。支柱33の下端には、処理容器10の外部に配置された昇降駆動部34が設けられている。この昇降駆動部34の稼動により、載置台20を貫通している3本の昇降ピン31が昇降し、昇降ピン31の上端が載置台20の上面から上方に突出した状態と、昇降ピン31の上端が載置台20の内部に引き込まれた状態とに切り替えられる。
処理容器10の天井面開口部には、プラズマ生成用のマイクロ波を供給するラジアルラインスロットアンテナ40(radial line slot antenna)が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ40は、誘電体窓41、スロット板42、遅波板43、及びシールド蓋体44を有している。
誘電体窓41は、例えばOリング等のシール材(図示せず)を介して、処理容器10の天井面開口部を封止するように設けられている。したがって、処理容器10の内部は気密に保持される。誘電体窓41には誘電体、例えば石英、Al2O3、AlN等が用いられ、誘電体窓41はマイクロ波を透過させる。
スロット板42は、誘電体窓41の上面であって、載置台20と対向するように設けられている。スロット板42には、導電性を有する材料、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等が用いられる。
遅波板43は、スロット板42の上面に設けられている。遅波板43には低損失誘電体材料、例えば石英、Al2O3、AlN等が用いられ、遅波板43はマイクロ波の波長を短縮する。
シールド蓋体44は、遅波板43の上面において、遅波板43とスロット板42を覆うように設けられている。シールド蓋体44の内部には、例えば冷却媒体を流通させる円環状の流路45が複数設けられている。流路45を流れる冷却媒体によって、誘電体窓41、スロット板42、遅波板43、シールド蓋体44が所定の温度に調節される。
シールド蓋体44の中央部には同軸導波管50が接続されている。同軸導波管50は、内部導体51と外部導体52とを有している。内部導体51は、スロット板42と接続されている。内部導体51の下端部は円錐形に形成され、その径がスロット板42側に向かって拡大するテーパ形状を有している。この下端部により、スロット板42に対してマイクロ波を効率よく伝播するようになっている。
同軸導波管50には、マイクロ波を所定の振動モードに変換するモード変換器53、矩形導波管54、高周波としてのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器55が同軸導波管50側からこの順で接続されている。マイクロ波発生器55は、所定周波数、例えば2.45GHzのマイクロ波を発生させる。
図2に示すように、マイクロ波発生器55は、整合器としてのチューナ101と、アイソレータ102と、矩形導波管54に接続された導波路110内に設けられ、導波路110内を進行する進行波および負荷側からの反射波の一部を分岐する方向性結合器103と、マイクロ波発振器としてのマグネトロンを備えた発振部104と、マグネトロンに電力を供給する高圧電源105を含む。アイソレータ102は、マグネトロンから、負荷100側に位置するチューナ101側へ、周波数信号を一方向に伝送する。ここでいう負荷100は、モード変換器53等、矩形導波管54の下流側に位置する部材である。
チューナ101は、マイクロ波の進行方向に向かって間隔を開けて設けられる4つの可動短絡板(図示せず)を備えた可動短絡部111a、111b、111c、111dと、可動短絡部111aに対して発振部104側に位置する2つのプローブ112a、112bを含む。2つのプローブ112a、112bに接続された演算回路113により、2つのプローブ112a、112bにそれぞれ対応する図示しない可動短絡板の位置が算出される。
また、チューナ101には、可動短絡部111aに対して発振部104側に、方向性結合器103が設けられている。この方向性結合器103は、双方向性結合器である。この方向性結合器103を用いて、回路106aを介し、導波路110内を進行する進行波の電力信号を、マイクロ波発生器55に設けられた電圧制御回路107に伝送する。また、この方向性結合器103を用いて、回路106bを介し、導波路110内を進行する反射波の電力信号を、マイクロ波発生器55に設けられた電圧制御回路107に伝送する。この電圧制御回路107から電圧の制御信号を送信し、マグネトロンに印加する電圧の制御を行う。
かかる構成により、マイクロ波発生器55で発生されたマイクロ波は、矩形導波管54、モード変換器53、同軸導波管50を順次伝播し、ラジアルラインスロットアンテナ40内に供給され、遅波板43で圧縮され短波長化され、スロット板42で円偏波を発生させた後、スロット板42から誘電体窓41を透過して処理容器10内に放射される。このマイクロ波により処理容器10内では処理ガスがプラズマ化し、このプラズマによりウェハWのプラズマ処理が行われる。
処理容器10内には、上シャワープレート60と下シャワープレート61が、載置台20の上部に設けられている。これら上シャワープレート60と下シャワープレート61は、例えば石英管などからなる中空の管材で構成されている。上シャワープレート60と下シャワープレート61には、載置台20上のウェハWに対してガスを供給する複数の開口部(図示せず)が分布して設けられている。
上シャワープレート60には、処理容器10の外部に配置されたプラズマ生成ガス供給源62が、配管63を介して接続されている。プラズマ生成ガス供給源62には、プラズマ生成用のガスとして例えばArガスなどが貯留されている。このプラズマ生成ガス供給源62から、配管63を通じて、上シャワープレート60内にプラズマ生成ガスが導入され、処理容器10内に均一に分散された状態で、プラズマ生成ガスが供給される。
下シャワープレート61には、処理容器10の外部に配置された処理ガス供給源64が、配管65を介して接続されている。処理ガス供給源64には、成膜される膜に応じた処理ガスが貯留されている。例えばウェハWの表面にSiN膜を成膜する場合には、処理ガスとしてTSA(トリシリルアミン)、N2ガス、H2ガスなどが貯留され、SiO2膜を成膜する場合には、TEOSなどが貯留される。この処理ガス供給源64から、配管65を通じて、下シャワープレート61内に処理ガスが導入され、処理容器10内に均一に分散された状態で、処理ガスが供給される。
処理容器10の底面には、処理容器10の内部の雰囲気を減圧する減圧機構70が設けられている。減圧機構70は、例えば真空ポンプを備えた排気部71が、排気管72を介して処理容器10の底面に接続された構成を有している。排気部71は、処理容器10内の雰囲気を排気して、所定の真空度まで減圧することができる。
以上のプラズマ処理装置1には、図1に示すように制御部120が設けられている。制御部120は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部(図示せず)を有している。プログラム格納部には、プラズマ処理装置1におけるプラズマ発生機構を制御するプログラムが格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク(HD)、フレキシブルディスク(FD)、コンパクトディスク(CD)、マグネットオプティカルデスク(MO)、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体Hに記録されていたものであって、その記憶媒体Hから制御部120にインストールされたものであってもよい。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置1で行われるウェハWのプラズマ処理について説明する。
先ず、処理容器10内に搬入されたウェハWは、昇降ピン31によって載置台20上に載置される。このとき、直流電源22をオンにして載置台20の電極21に直流電圧を印可し、載置台20によってウェハWを吸着保持する。
その後、処理容器10内を密閉した後、減圧機構70によって、処理容器10内の雰囲気を所定の圧力、例えば400mTorr(=53Pa)に減圧する。さらに、上シャワープレート60から処理容器10内にプラズマ生成ガスを供給すると共に、下シャワープレート61から処理容器10内にプラズマ成膜用の処理ガスを供給する。
このように処理容器10内にプラズマ生成ガスと処理ガスが供給される際、マイクロ波発生器55を作動させ、当該マイクロ波発生器55において、例えば2.45GHzの周波数で所定のパワーのマイクロ波を発生させる。そして、誘電体窓41の下面に電界が発生し、プラズマ生成ガスがプラズマ化され、さらに処理ガスがプラズマ化されて、その際に発生した活性種によって、ウェハW上に成膜処理がなされる。こうして、ウェハWの表面に所定の膜が形成される。
その後、所定の膜が成長し、ウェハWに所定の膜厚の膜が形成されると、プラズマ生成ガス及び処理ガスの供給と、マイクロ波の照射とが停止される。その後、ウェハWは処理容器10から搬出されて、一連のプラズマ成膜処理が終了する。
本発明者は、このようなプラズマ処理を行う際、プラズマの発光強度が急激に増加し始めるタイミングが、着火の整合が取れたタイミングであり、このタイミングでのチューナ101のプローブ112a、112bの位置が、チューナ101のプリセット位置として最適であることを見出した。
以下、図3〜図5を参照して、本発明の一実施形態にかかるチューナプリセット方法の手順を説明する。
先ず、処理容器10内に載置したウェハWに対して、予備発光としてプラズマ処理を行う(図3のステップS1)。このときのウェハWは、実際にプラズマ処理を行う被処理体でも良いし、ダミーウェハでも構わない。また、クリーニングレシピでも適用可能である。そして、その予備発光時の発光強度およびチューナ位置のデータを取得する(ステップS2)。これらのデータは、従来のプラズマ処理装置に組み込まれている機器により取得することができる。
図4(a)は、電力投入からの時間経過と発光強度との関係を示すグラフである。この発光強度の生データは、ノイズを含んでいるため、移動平均により図4(b)に示すようにデータを平滑化する(ステップS3)。そして、平滑化した発光強度f(t)について、時間tで微分した発光強度の変化の割合df(t)/dtを求める(ステップS4)。
図4(c)は、時間経過とdf(t)/dtとの関係を示すグラフである。このグラフから、発光強度の変化の割合df(t)/dtが最大になる時間T’が算出される(ステップS5)。図4(c)の場合には、T’は電力投入から約3.4秒後となっている。チューナの位置が発光強度に反映されるまでには時間ΔTを要し、この時間ΔTは、チューナの性能によって決まる。すなわち、チューナが最適な整合位置となる時点Tは、
T=T’−ΔT
で求められる。本実施形態では、ΔTが約0.5secであり、電力投入から約2.9秒後のチューナの状態が、発光強度が急増する時点、すなわち着火の整合が取れたタイミングであり、このときのチューナの状態をプリセット位置とする。
T=T’−ΔT
で求められる。本実施形態では、ΔTが約0.5secであり、電力投入から約2.9秒後のチューナの状態が、発光強度が急増する時点、すなわち着火の整合が取れたタイミングであり、このときのチューナの状態をプリセット位置とする。
図5(a)は、電力投入からの時間経過と発光強度との関係を示すグラフであり、図5(b)は、横軸を図5(a)と同じ時間、縦軸を時間によるチューナの各プローブの位置T1、T2を示すグラフである。図5(b)から、電力投入から約2.9秒後の各プローブの位置は、T1:−2mm、T2:28mmであるというデータが取得される(ステップS6)。このプローブの位置T1、T2を、本実施形態のプラズマ処理において、プラズマ発光を効率よく行うためのプリセット位置として設定する(ステップS7)。
以上のように、本実施形態によれば、プラズマ処理装置に組み込まれている既存の機器でプラズマ発光強度およびチューナのセッティング位置を検出し、これらのデータから上記の計算を行うことにより、一度のプラズマ発光(予備発光)から、そのステップのプラズマ処理において最適なチューナのプリセット位置を迅速且つ容易に検出できる。したがって、安定したプラズマ処理が行われ、製品の歩留まりを向上させることができる。
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。
圧力100mT、マイクロ波電力2200W、Ar/HBr/O2=1000/600/6sccmのプラズマでプラズマ処理を実施し、Arの発光波長を使用して、チューナのプリセット位置を設定した。
本発明例として、前述の実施形態で説明した図4、図5によって、プローブの位置がT1:−2mm、T2:28mmというプリセット位置が設定された。
従来例として、図6に示すように、チューナの2つのプローブの位置T1、T2を、それぞれ7通り、計49通りの組み合わせとして電力を印加し、着火時の発光強度を測定して、発光強度の高さすなわち着火性の良い条件を調べた。最も着火性の良い条件は、T1:0mm、T2:20mmの場合と、T1:10mm、T2:10mmの場合であった。この結果は、本発明の実施形態であるT1:−2mm、T2:28mmとほぼ同等であった。このように、従来の方法でも、チューナの調整を何度も繰り返すことで着火性の良い条件を見つけ、着火性を向上させることはできるものの、プローブの全ての位置を試行しなければ最適な位置を求めることができず、極めて多くの時間と作業を要していた。
図7(a)は、プリセット前のプラズマ処理時の時間経過と発光強度との関係を示すグラフであり、図7(b)は、本実施例によるプリセットを行った場合のプラズマ処理時の時間経過と発光強度との関係を示すグラフである。プリセット前には、プラズマ着火までに約4秒程度の時間を要していたが、本実施例によるプリセットを行うことで、プラズマ着火までの時間が1秒強となり、大幅に着火時間が短縮できた。
なお、着火の判定には発光強度の変化の割合を利用するため、プラズマであれば、いかなるガス系でも適用可能である。また、判定に利用する波長は、変化が見える程度の強度があれば、任意の発光波長を用いても可能である。
また、図8、図9は、異なる実施例を示し、図8(a)、図9(a)は予備発光時の時間と発光強度との関係を示すグラフ、図8(b)、図9(b)はそれぞれ図8(a)、図9(a)のデータを平滑化したグラフ、図8(c)、図9(c)はそれぞれ図8(b)、図9(b)を時間で微分したグラフである。プラズマ処理条件は、上記実施例と同様であり、圧力100mT、マイクロ波電力2200W、Ar/HBr/O2=1000/600/6sccmのプラズマとした。いずれも、目視により求めた発光スペクトルの急増のタイミングと、本発明の方法による発光強度から算出したタイミングとが同等となった。
1 プラズマ処理装置
10 処理容器
55 マイクロ波発生器
101 チューナ
112a、112b プローブ
W ウェハ
10 処理容器
55 マイクロ波発生器
101 チューナ
112a、112b プローブ
W ウェハ
Claims (3)
- 被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ発光に要する電力を整合するチューナをプリセットする方法であって、
プラズマを発光させて、電力投入からの時間経過と、プラズマの発光強度およびチューナのセッティング位置との関係を取得し、
前記発光強度を時間で微分して、発光強度の増加の割合が最大になる時間を求め、
前記発光強度の増加の割合が最大になる時間から、前記チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間を引いた時間における、前記チューナのセッティング位置を、プリセット位置として設定することを特徴とする、プラズマ処理装置のチューナプリセット方法。 - 前記電力投入からの時間経過と発光強度との関係を示すデータを、移動平均により平滑化した後、時間で微分す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のチューナプリセット方法。
- 被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
被処理体を収容してプラズマ処理を行う処理容器と、
前記処理容器外に配置されて高周波を発生させる高周波発生器を含み、前記高周波発生器により発生させた高周波を用いて前記処理容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
前記プラズマ発生機構を制御する制御部とを備え、
前記高周波発生器は、プラズマ発光に要する電力を整合するチューナを備え、
前記制御部は、プラズマ処理時の、電力投入からの時間経過とプラズマの発光強度およびチューナのセッティング位置との関係を取得し、前記発光強度を時間で微分して、発光強度の増加の割合が最大になる時間を求め、前記発光強度の増加の割合が最大になる時間から、前記チューナのセッティングから発光強度に反映されるまでに要する時間を引いた時間における、前記チューナのセッティング位置を、プリセット位置として設定することを特徴とする、プラズマ処理装置。
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