JP2017045671A

JP2017045671A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2017045671A
Application number: JP2015168731A
Authority: JP
Inventors: 尚吾置田; Shogo Okita; 渡邉　彰三; Shozo Watanabe; 彰三渡邉; 篤史針貝; Atsushi Harigai
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: JP6551673B2

Abstract

【課題】コイルからプラズマへ投入される高周波パワーの損失が小さく、かつ構造が簡易でメンテナンス性に優れたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】反応室を有する容器と、反応室内で被処理物を支持するステージと、容器の開口を塞ぐとともにステージと対向する誘電体部材と、反応室内で誘電体部材を覆うように設置されたカバーと、誘電体部材の反応室に対して外側に設置され、反応室内にプラズマを発生させる誘導コイルと、を備え、誘電体部材の反応室に対して外側の面に溝が形成されており、誘導コイルの少なくとも一部が、溝の中に配置されており、カバーの少なくともステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、第１領域の少なくとも一部は、溝と対向している、プラズマ処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導結合プラズマを利用するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のプラズマ処理装置として、反応室の上部が板状の誘電体部材で閉鎖され、誘電体部材の上に高周波電力を投入するための誘導コイルが配置された構成が知られている。反応室内には、誘電体部材を覆うようにカバーが設けられ、高価な誘電体部材をプラズマから保護している。反応室内は減圧されるので、誘電体部材には大気圧を支持する機械的強度を確保するための厚さが求められる。

近年、被処理物である基板の大口径化（直径３００ｍｍあるいは直径４５０ｍｍなど）に対応するため、プラズマ処理装置の反応室が大型化している。これに伴い、反応室内に高周波を導入するための窓となる誘電体部材も大面積化している。そして、大面積化した誘電体部材の機械的強度を確保するため、誘電体部材の厚みも増大している。しかし、誘電体部材の厚さが大きいほど、誘導コイルからプラズマへ投入される高周波パワーの損失が大きくなり、高密度のプラズマを生成することが困難となる。

一方、プラズマを用いてシリコン基板を個片化するプラズマダイシング工法では、スループットを上げるためにシリコンの高速加工（≧１０μｍ／ｍｉｎ）が要望されている。シリコンの加工速度を向上させるためには、高いプラズマ密度が必要とされる。また、加工速度の面内均一性を確保するため、高均一なプラズマ分布も必要とされる。

このように、プラズマ処理装置には、大面積、高密度、高均一なプラズマを生成することが求められている。さらに、シリコンだけでなく金属膜、誘電体膜、化合物半導体の加工も必要となる場合があり、それぞれの膜種に適したエッチング条件での処理を可能とするためには、幅広い圧力領域でプラズマを生成できることも求められる。

特許文献１は、梁状構造物により、誘電体部材の下面側を支持することを提案している。これにより、誘電体部材を薄型化し、誘導コイルをプラズマに近接することが可能となり、機械的強度の確保とプラズマ密度の向上とを両立することができる。

しかし、梁状構造物により、誘電体部材の下面側に凹凸が形成されるため、反応室の上部の構造が複雑になり、装置メンテナンスの手間は増大する。また、梁状構造物による凹凸は、プラズマの分布に悪影響を与えることがある。また、プラズマを生成できる圧力領域にも制限がある。

特開２００８−３０６０４２号公報

本発明は、装置が大型化した場合においても誘導コイルからプラズマへ投入される高周波パワーの損失が小さく、かつ、誘導コイルからプラズマへ投入される高周波パワーが大きい場合であってもプラズマによるカバーの消耗を抑制することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供するものである。また、本発明によれば、構造が簡易でメンテナンス性に優れたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の一局面は、反応室を有する容器と、前記反応室内で被処理物を支持するステージと、前記容器の開口を塞ぐとともに前記ステージと対向する誘電体部材と、前記反応室内で前記誘電体部材を覆うように設置されたカバーと、前記誘電体部材の前記反応室に対して外側に設置され、前記反応室内にプラズマを発生させる誘導コイルと、を備え、前記誘電体部材の前記反応室に対して外側の面に溝が形成されており、前記誘導コイルの少なくとも一部が、前記溝の中に配置されており、前記カバーの少なくとも前記ステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、前記第１領域の少なくとも一部は、前記溝と対向している、プラズマ処理装置に関する。

本発明の別の局面は、（i）反応室内に設置されたステージに被処理物を支持する工程と、（ii）前記反応室を仕切る誘電体部材の外側に設置された誘導コイルに、高周波電力を印加して、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記被処理物をプラズマ処理する工程と、を備え、前記反応室内には、前記誘電体部材を覆うようにカバーが設置されており、前記誘電体部材の前記反応室に対して外側の面に溝が形成されており、前記誘導コイルの少なくとも一部が、前記溝の中に配置されており、前記カバーの少なくとも前記ステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、前記第１領域の少なくとも一部は、前記溝と対向している、プラズマ処理方法に関する。

本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法によれば、誘導コイルの少なくとも一部が誘電体部材の外側の面に形成された溝の中に配置されているため、誘導コイルからプラズマへ投入される高周波パワーの損失が小さくなる。また、誘電体部材の反応室側の面は、凹凸のない平坦面とすることができるため、メンテナンスが簡単になり、プラズマの分布も良好となる。上記構成においては、溝の直下の反応室内に、プラズマの発生部が局在する。一方、誘電体部材を保護するカバーのステージ側の表面は、溝と対向する部分の少なくとも一部が窒化アルミニウムにより形成されている。よって、カバーの消耗が抑制される。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構造を模式的に示す断面図である。第１実施形態に係る誘電体部材とコイルの配置を模式的に示す縦断面図（ａ）および同誘電体部材の平面図（ｂ）である。誘電体部材とファラデーシールド（ＦＳ）電極を含む電極パターンの一例の構成を模式的に示す縦断面図（ａ）と、これを縦方向に拡大した縦断面図（ｂ）である。第１実施形態に係る第１電極パターン（電熱ヒータ）の平面図である。第１実施形態に係る第２電極パターン（平板電極（ＦＳ電極））の平面図である。本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の構造を模式的に示す断面図である。本発明の第３実施形態に係るプラズマ処理装置の構造を模式的に示す断面図である。放電安定領域の比較実験に用いた誘電体部材の構造を模式的に示す断面図である。放電安定領域の比較実験の結果を示す図である。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置は、反応室を有する容器と、反応室内で被処理物を支持するステージと、容器の開口を塞ぐとともにステージと対向する誘電体部材と、反応室内で誘電体部材を覆うように設置されたカバーと、誘電体部材の反応室に対して外側に設置され、反応室内にプラズマを発生させる誘導コイルと、を備える。誘電体部材の反応室に対して外側の面には溝が形成されており、誘導コイルの少なくとも一部が、溝の中に配置されている。これにより、誘導コイルの溝の中に配置された部分は、プラズマとの距離が近くなるため、高周波パワーの損失が抑制される。一方、溝の直下にはプラズマ発生部が集中するが、カバーの少なくともステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、かつ第１領域の少なくとも一部が溝と対向しているため、カバーの消耗は抑制される。

カバーのステージ側の表面は、第１領域とは異なる第２領域を有してもよい。第２領域は、窒化アルミニウム以外の誘電体材料（例えば、石英やアルミナ）で形成してもよい。これにより、カバーの製造コストを大幅に低減することが可能となる。また、カバーの少なくとも溝と対向する部分においては、ステージ側の表面から１０μｍ以上の深さまでが、窒化アルミニウムで形成されていればよい。

第１領域は、第２領域に対して、着脱可能であることが好ましい。これにより、プラズマ処理装置のメンテナンスが更に簡単になり、カバーに必要なコストも低減し易くなる。

溝は、コイルの中心と同じ中心を有する環状であることが好ましい。これにより、誘導コイルを溝の中に配置することが容易となる。この場合、第１領域も円形または環状にすることが好ましく、カバーの製造が容易となる。

プラズマ処理装置は、更に、カバーのステージとは反対側に設置されたファラデーシールド電極（ＦＳ電極）を備えることが好ましい。これにより、カバーの消耗を抑制しつつ、カバーへの不揮発性物質の付着を抑制することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ただし、以下の図面および説明は本発明を限定するものではない。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置である誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置１０の構成を示す。ドライエッチング装置１０は、減圧可能な反応室１ａを有する容器１と、反応室１ａ内で被処理物（ここでは基板１５）を支持するステージ２と、容器１の開口を塞ぐとともにステージ２と対向する誘電体部材３と、誘電体部材３の反応室１ａに対して外側に設置され、反応室１ａ内にプラズマを発生させる誘導コイル４と、反応室１ａ内で誘電体部材３を覆うように設置されたカバー５と、を備える。

容器１は、概ね上部が開口した円筒状であり、上部開口は蓋体である誘電体部材３により密閉される。反応室１ａ内は、所定の排気装置（図示せず）により排気され、減圧雰囲気に維持される。容器１には基板１５を搬入出するためのゲート（図示せず）が設けられている。ステージ２は、下部電極を内蔵しており、下部電極にバイアス電圧が印加される。ステージ２には、基板１５を静電吸着により保持する機能や、冷媒の循環流路を設けることができる。

誘電体部材３は、概ね、容器１の開口形状に沿った円形の板状である。誘電体部材３の反応室１ａに対して外側の面には、誘電体部材３を部分的に薄くするために溝３ａが形成されている。誘導コイル４の少なくとも一部は、溝３ａの中に配置される。これにより、誘導コイル４の溝３ａの中に配置された部分は、プラズマとの距離が近くなる。よって、高周波パワーの損失が抑制される。一方、溝３ａは、板状の誘電体部材３の表面の一部に環状に形成されており、誘電体部材３の中央部には厚みを持たせているため、誘電体部材３の機械的強度は大きく低下しない。なお、溝を形成した誘電体部材と、溝を形成しない誘電体部材との２種類について、誘電体部材の一方の表面に均等な荷重を与えた場合の撓み量の計算を行って比較するシミュレーションを行なったところ、両者の撓み量は、ほぼ同等であるとの知見が得られている。

誘電体部材３は、溝３ａが形成されていない状態では平坦な両面を有する。溝３ａの無い部分の厚みは、誘電体部材が所定の強度を備えるように設定する必要がある。このため、誘電体部材の一方の表面に均等な荷重を与えた場合の撓み量を計算し、この撓み量が基準値を超えないように、誘電体部材３の溝３ａの無い部分の厚みを設定する。この厚みは、例えば、誘電体部材３の直径が５４０ｍｍの場合、３５〜４０ｍｍである。

容器１の側壁上端には、カバー５を支持する第１ホルダ１７と、誘電体部材３を支持する第２ホルダ１８とが設けられている。第１ホルダ１７上に第２弾性リング１４を介してカバー５が支持されている。カバー５は、窒素アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。カバー５の周縁部は、誘電体部材３を支持する第２ホルダ１８により固定される。第２ホルダ１８上には、第１弾性リング１３を介して、誘電体部材３が支持されている。カバー５は、誘電体部材３の反応室１ａ側の表面をプラズマから保護する役割を果たす。

第２ホルダ１８には、所定のガス供給源からプラズマの原料ガス（プロセスガス）を反応室１ａ内に導入するためのガス導入口８が設けられている。プロセスガスは、誘電体部材３とカバー５との間に形成される微小な隙間８ａに滞留した後、カバー５に設けられた複数のガス噴出口９から反応室１ａ内に噴出される。複数のガス噴出口９は、例えば同心円状に分布させることが好ましい。

図２（ａ）は、本実施形態に係る誘電体部材３と誘導コイル４の配置を模式的に示している。誘導コイル４を誘電体部材３（の面方向）に対して垂直な方向から見るとき、誘導コイル４は、中心から外周側に向けて螺旋状に延びる導体４ａにより形成されている。導体４ａは、例えば、リボン状の金属板であってもよいし、金属線であってもよい。誘導コイル４を形成する導体ａの数は特に限定されず、誘導コイル４の形状も特に限定されない。例えば、１本の導体４ａからなるシングルスパイラル型のコイルであってもよいし、複数の導体４ａからなる誘導コイルを並列に接続したマルチスパイラル型のコイルであってもよい。また、誘電体部材３の面と平行な同一平面内で導体４ａを螺旋状に延ばして形成した平面型のコイルであってもよいし、導体４ａを螺旋状に延ばしながら誘電体部材３の面に対して垂直方向に変化を持たせた立体型のコイルであってもよい。誘導コイル４は、マッチング回路（図示せず）などを介して第１高周波電源１１と電気的に接続されている。図１、２では、誘導コイル４の中心付近の誘電体部材３からの距離が外周側よりも大きくなるように形成されているが、誘導コイル４と誘電体部材３との位置関係は、これに限定されない。

図２（ｂ）に示すように、溝３ａは、誘導コイル４の中心と同じ中心を有する環状であることが好ましい。これにより、誘導コイル４を溝３ａの中に配置することが容易となる。なお、誘導コイル４と環状の溝３ａの中心が同じであるとは、必ずしもそれぞれの中心が一致することを意味しない。ここでは、誘導コイル４と環状の溝３ａの中心が同じであるとは、誘電体部材３および誘導コイル４を、誘電体部材３に対して垂直な方向から見たときに、それぞれの中心が半径１００ｍｍの円内に存在していることを意味する。

溝３ａの深さは、特に限定されない。溝３ａの深さが小さくても、高周波パワーの損失を抑制する相応の効果は得られる。ただし、溝３ａを形成する前の均一な厚さの板状の誘電体部材３の厚さをＴとするとき、溝３ａの最大深さＤは、Ｄ＝０．１４Ｔ〜０．７１Ｔとなるように形成することが好ましい。さらに好ましくは、Ｄ＝０．２８Ｔ〜０．５７Ｔとなるように形成することが好ましい。このとき、強度確保の観点から、誘電体部材３の溝３ａが形成される表面の面積Ｓのうち、溝３ａが掘られる面積ｓの割合（１００ｓ／Ｓ（％））は、５〜５０％とすることが好ましい。

溝３ａは、両面が平坦で均一な厚さの板状の誘電体部材の一方の面を切削するなど、誘電体部材を機械加工することにより形成すればよい。なお、切削加工を行うと、加工面に微小なクラック（マイクロクラック）が形成され、誘電体部材の強度が低下する場合がある。この場合、切削加工を行った後で、ラッピング（研磨）等の後処理を行ってマイクロクラックを除去することが望ましい。

誘導コイル４に高周波電流を流すことにより、反応室１ａ内の上部の誘導コイル４に近い領域にプラズマ（誘導結合プラズマ）が生成する。誘導コイル４とプラズマとの誘導結合の度合いは、誘導コイル４と反応室１ａとの距離を近づけたり、誘導コイル４の密度を高くしたりすることにより、高めることができる。

基板１５の表面において面内均一性の良好なプラズマを得るためには、反応室１ａ内の上部に、外周部のプラズマ密度が中心付近のプラズマ密度より高い分布（ドーナツ状の分布）を有するプラズマを生成し、これを基板上に拡散させることが好ましい。ドーナツ状の分布を持つプラズマを反応室１ａ内の上部に形成するためには、中心付近の誘導コイル４と反応室１ａとの距離を相対的に大きくすればよく、これにより誘導コイル４とプラズマとの結合の程度を低くすることができる。よって、誘導コイル４の中心側は、溝３ａの中に配置しなくてもよい。図１、２に示すように、少なくとも誘導コイル４の中心に対応する部分は完全に溝３ａの外側に配置してもよい。

一方、誘導コイル４の外周側部分においては、誘導コイル４を溝３ａの中に配置し、誘導コイル４と反応室１ａとの距離を相対的に近づけることで、誘導コイル４とプラズマとの結合の度合いを高くすることができる。よって、誘導コイル４を形成する長さＬの導体４ａを、中心から０．５Ｌまでの中心側部分と、残りの外周側部分とに区分するとき、中心側部分が溝３ａの中に配置される割合よりも、外周側部分が溝３ａの中に配置される割合を大きくすることが好ましい。また、少なくとも誘導コイル４の最外周に対応する部分は、その少なくとも一部を溝３ａの中に配置することが好ましい。更には、少なくとも最外周の端部（巻き終わり）から０．３Ｌまでの外周側部分は、溝３ａの中にその少なくとも一部を配置することが好ましい。

このとき、誘導コイル４において、中心側部分のコイル密度よりも、外周側部分のコイル密度を大きくすることが好ましい。すなわち、誘電体部材３に対して垂直な方向から見たとき、誘導コイル４の中心（巻き始め）に近い部分ほど、隣接する導体４ａ間の隙間（誘電体部材３の面方向と平行な方向における距離）が広く、外周側に近い部分ほど、隣接する導体４ａ間の隙間が狭くなっていることが好ましい。これにより、外周部における誘導コイル４とプラズマとの結合の度合いを、より高くすることができる。一方、中心付近においては、誘電体部材３やカバー５がプラズマにより削られて劣化することを抑制することができる。

容器１、第１ホルダ１７、第２ホルダ１８などを構成する材料としては、アルミニウムやステンレス鋼（ＳＵＳ）のように、十分な剛性を有する金属材料や、表面をアルマイト加工したアルミニウムなどを使用できる。また、誘電体部材３を構成する材料としては、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英（ＳｉＯ₂）などの誘電体材料を使用できる。一方、カバー５の少なくともステージ２側の表面は、少なくとも窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成された第１領域を有する。ただし、第１領域は、誘電体部材３の溝３ａと対向する部分の少なくとも一部を含むように形成される。カバー５の第１領域以外には、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英などの誘電体材料を使用できる。

誘導コイル４の少なくとも一部が誘電体部材３の溝３ａの中に配置される場合、プラズマの発生部は溝３ａの直下の反応室１ａ内に局在しやすくなる。これにより、カバー５のステージ２側の表面（内側表面Ｓa）は、局所的に高密度プラズマに暴露されることになる。内側表面Ｓaの中でも、溝３ａと対向する部分ＡＲcvは、特に高密度プラズマに暴露され易く、例えばフッ素系のプラズマによる侵食を受け易い。一方、カバー５を窒化アルミニウムで形成することにより、フッ素系のプラズマの侵食によるカバー５の消耗が顕著に抑制される。カバー５の消耗が抑制されるため、カバー５の交換頻度を少なくすることができ、プラズマ処理装置の生産性を高めることができる。なお、誘電体部材３およびカバー５を、これらの法線方向から見るとき、溝３ａと重複する内側表面Ｓaの部分がＡＲcvである。

窒化アルミニウムは、特にプラズマに対する耐性が高く、例えばドライエッチング装置で多用されるフッ素ラジカルに暴露される場合でも侵食を受けにくい。また、窒化アルミニウムは熱衝撃に強く、熱伝導性にも優れている。よって、プラズマから受ける熱を高効率で外部に伝達することができる。これにより、反応室１ａ内に設置される装置部材の熱による劣化も抑制される。

なお、カバーの第１領域の材料として上述の材料を用いることは、カバーの交換頻度を少なくし、プラズマ処理装置の生産性を高める効果をもたらすだけではない。誘導コイル４の少なくとも一部を誘電体部材３の溝３ａの中に配置してプラズマ処理を行う場合、第１領域の材料として上述の材料を用いることにより、プラズマ処理のプロセスの精度にも有利になることが判明している。

従来はカバー全体を石英で形成することが一般的である。溝３ａと対向する部分ＡＲcvは、特に高密度プラズマに暴露され易く、プラズマによる侵食を受け易い。そのため、カバーが石英で形成されていると、石英がプラズマに侵食され、石英に含まれる酸素が反応室１ａ内に放出され、プラズマ処理のプロセスの精度に影響を与える。

具体的には、石英がプラズマに侵食され、反応室１ａ内の酸素が増えると、反応室１ａ内に生成されるプラズマ中の酸素ラジカルや酸素イオンの量が増加し、シリコンの加工速度が低下する不具合が生じる。また、レジストマスクを用いて基板１５のプラズマ処理を行う場合には、基板１５のエッチング速度に対するレジストマスクのエッチング速度が相対的に増加し、所望の加工形状が得られなくなる不具合が生じる。一方、カバー５に窒化アルミニウムを用いることで、酸素の発生も抑制されるため、シリコンの加工速度の低下が起こりにくく、所望の加工形状が得られやすくなり、プロセスの精度が向上することが見出されている。

図１に示されるように、カバー５の全体を窒化アルミニウムで形成してもよいが、窒化アルミニウムは高価である。一方、カバー５の侵食を防止する観点からは、カバー５の内側表面Ｓaのうち、少なくともＡＲcvを窒化アルミニウムで形成すれば十分である。以上より、カバー５の少なくとも内側表面Ｓaが窒化アルミニウムで形成された第１領域ＡＲ１を有すればよく、かつ、ＡＲcvの少なくとも一部が第１領域ＡＲ１に含まれていればよい。すなわち、誘電体部材３およびカバー５を、誘電体部材３に対して垂直な方向から見るとき、ＡＲcvの少なくとも一部、好ましくは５０％以上、さらに好ましくは１００％が第１領域ＡＲ１の輪郭内に内包されていればよい。

侵食に対する耐性を向上させる観点からは、ＡＲcvにおいて、ステージ２側の表面から１０μｍ以上の深さまでが、窒化アルミニウムで形成されていればよい。カバー５の厚さは、特に限定されないが、通常３〜１５ｍｍであり、５〜１２ｍｍが好ましく、６〜１０ｍｍがよりに好ましい。カバー５の厚さが上記範囲であり、上記深さが１０μｍ以上であれば、十分な厚さの窒化アルミニウムの層を形成することができる。

プラズマ処理においては、誘電体部材３およびカバー５への不揮発性の反応生成物の付着を抑制することも重要である。誘電体部材３およびカバー５に付着した不揮発性物質は、プラズマ処理のプロセス中に剥離し、反応室１ａ内を浮遊して基板に付着したり、基板上に落下したりすることがある。また、不揮発性物質が導電性を備える場合、誘電体部材３およびカバー５に付着した不揮発性物質は、誘導コイルからの反応室への高周波パワーの伝達を阻害することもある。一方、誘電体部材３およびカバー５の近傍にファラデーシールド（ＦＳ）を形成することにより、誘電体部材３およびカバー５への不揮発性物質の付着を抑制することができる。ＦＳを形成するには、カバー５のステージ２とは反対側にＦＳ電極を設けることが望ましい。誘電体部材３に高周波電力を印加することにより、ＦＳ電極は反応室１ａ内のプラズマと容量結合する。これにより、誘電体部材３およびカバー５の近傍にＦＳが形成され、誘電体部材３およびカバー５への不揮発性物質の付着が抑制される。

誘電体部材３の反応室１ａ側の面は、凹凸のない平坦面とすることができる。このような平坦面には、所定の電極パターンを含む電極層１９を容易に形成することができる。よって、電極パターンとして、誘電体部材３に高周波電力を印加するための平板電極（すなわちＦＳ電極）を形成すればよい。

電極層１９は、例えば、電極パターンと、これを被覆する絶縁膜とを具備する。電極パターンは導電性材料により形成される。絶縁膜は、例えば、セラミックス（例えばアルミナ）のような誘電体材料により形成すればよい。絶縁膜は、電極パターンを構成する金属に由来する反応室１ａ内の金属汚染やパーティクルの発生を抑制する。また、プロセスガスやプラズマによる電極パターンの損傷も抑制する。電極層１９は、複数層の電極パターンと絶縁膜との積層体でもよい。

図３（ａ）は、本実施形態に係る誘電体部材３と電極層１９の構成を模式的に示す縦断面図である。図３（ｂ）には、理解を容易にするために、誘電体部材３および電極層１９の縦方向（厚さ方向）の寸法を拡大して示す。

図示例の電極層１９は、誘電体部材３の反応室１ａ側の面に形成された第１電極層６と、第１電極層６の反応室１ａ側の面に形成された第２電極層７と、を具備する複層構造である。第１電極層６は、誘電体部材３の表面にダイレクトに形成された第１電極パターン６ｂと、これを被覆する第１絶縁膜６ｃとを具備する。同様に、第２電極層７は、第２電極パターン７ｂと、これを被覆する第２絶縁膜７ｃとを具備する。このように、少なくとも１つの電極パターンを誘電体部材３の反応室１ａ側の面にダイレクトに形成することにより、簡易な構造の電極層１９を形成することができる。

以下、第１電極パターン６ｂが電熱ヒータであり、第２電極パターン７ｂが平板電極である場合について説明する。
プラズマ処理のプロセスを安定化させるためには、誘電体部材３を所定の温度域に加熱することが望ましい。例えば、誘電体部材３の反応室１ａに対して外側の面の全体に接触するように平板状のヒータを配置して、誘電体部材３の温度管理を行うことも可能である。しかし、その場合、誘電体部材３と誘導コイル４との間にヒータを配置することになり、プラズマと誘導コイル４との距離が遠くなり、プラズマと誘導コイル４との誘導結合の度合いが低下し、プラズマ密度が低下する。一方、誘電体部材３の反応室１ａ側の面に電熱ヒータ６ｂを設ける場合、電熱ヒータ６ｂの存在によりプラズマと誘導コイル４との距離が遠くなることがない。よって、プラズマ密度を低下させることなく、プロセスを安定化させることができる。

一方、平板電極７ｂに高周波電力を印加することにより、誘電体部材３およびカバー５の近傍にＦＳが形成される。すなわち、誘電体部材３およびカバー５とプラズマとの間にバイアス電圧が生じ、プラズマ中のイオンは被処理物に作用するだけでなく、誘電体部材３およびカバー５にも作用する。これにより、不揮発性物質の誘電体部材３およびカバー５への付着が抑制される。

上記構成によれば、電熱ヒータ６ｂは、誘電体部材３を直接加熱できるため、少ない電力で効率的に誘電体部材３の温度管理を行うことができる。また、平板電極７ｂと反応室１ａとの距離が近いため、平板電極７ｂに供給する電力が低くてもバイアス電圧を発生させることが可能であり、かつ不揮発性物質の誘電体部材３およびカバー５への付着を抑制する効果も大きくなる。ただし、上記構成は例示に過ぎず、誘電体部材３の反応室１ａ側の面にダイレクトに平板電極を第１電極パターンとして設け、電熱ヒータを第２電極パターンとして設けてもよい。

図４に、電熱ヒータ６ｂの一例を平面図で示す。電熱ヒータ６ｂは、高抵抗の金属からなるライン状のパターンを含む。ライン状のパターンは、例えば、サーペンタイン型の形状に描かれる。電熱ヒータ６ｂは、誘電体部材３を貫通するヒータ端子６ａと接続されており、ヒータ端子６ａは交流電源１６と電気的に接続されている。交流電源１６からヒータ端子６ａに電力を供給することにより、第１電極パターン６ｂが発熱する。高抵抗の金属としては、例えばタングステン（Ｗ）を用いることが好ましい。

図５に、平板電極７ｂの一例を平面図で示す。平板電極７ｂは、幅広の金属薄膜からなる平面的なパターンを含む。平板電極７ｂにも、タングステン（Ｗ）を用いることができる。平板電極７ｂは、誘電体部材３の反応室１ａ側の面の、例えば５０％以上を覆うように形成することが好ましい。これにより、誘電体部材３およびカバー５の大半をシールドすることが可能となる。平板電極７ｂには、第１高周波電源１１およびコイル４から出力される高周波パワーを透過させるための複数のスリット３ｓが放射状に設けられている。

平板電極７ｂは、誘電体部材３の中央付近で誘電体部材３を貫通するＦＳ端子７ａと接続されており、ＦＳ端子７ａは第２高周波電源１２と電気的に接続されている。第２高周波電源１２からＦＳ端子７ａに電力を供給することにより、第２電極パターン７ｂの近傍にバイアス電圧が生じ、不揮発性物質の誘電体部材３およびカバー５への付着が抑制される。

なお、図１では、誘導コイル４には第１高周波電源１１が接続され、第２電極層７（平板電極７ｂ）には第２高周波電源１２が接続されているが、誘導コイル４と平板電極７ｂとを並列に、可変チョークまたは可変コンデンサを介して、同じ高周波電源に接続してもよい。また、誘導コイル４には第１高周波電源１１を接続し、平板電極７ｂには可変チョークまたは可変コンデンサを接続し、第１高周波電源１１から発振された電力をコイル４から空気を介して平板電極７ｂに重畳させ、誘導コイル４および平板電極７ｂに印加される電力比を可変チョークまたは可変コンデンサで調整してもよい。

誘電体部材３をこれに対して垂直な方向から見たとき、電熱ヒータ６ｂは、図５に破線で示すように、平板電極７ｂからはみ出さないように配置されていることが好ましい。これにより、スリット３ｓを透過する高周波パワーの損失を抑制することができる。

電熱ヒータ６ｂは、第１電極パターンに対応するマスクを介在させて、タングステンのような高抵抗の金属を誘電体部材３の表面に溶射させることにより形成できる。溶射パターンの厚さは、例えば１０〜３００μｍである。あるいは、タングステン線を第１電極パターンの形状に屈曲させ、その後、タングステン線を誘電体部材３の表面に固定してもよい。このとき、溶射パターンまたはその他の手法を用いて形成した電極パターンは、ヒータ端子６ａと電気的に接続される。

第１絶縁膜６ｃは、例えばホワイトアルミナを溶射により誘電体部材３の表面に吹き付けることで形成される。ホワイトアルミナを溶射する前に、誘電体部材３と第１絶縁膜６ｃとの密着性を高めるために、イットリアのような密着層を誘電体部材３の表面に溶射してもよい。第１電極層６の厚さは、例えば１０〜３００μｍである。

平板電極７ｂは、第２電極パターンに対応するマスクを介在させて、金属を第１電極層６の表面に溶射させることにより形成できる。このとき、平板電極７ｂは、放射状に配置された複数のスリット３ｓを有する形状に形成される。平板電極７ｂの厚さは、例えば１０〜３００μｍである。あるいは、金属箔もしくは金属板から第２電極パターンの形状の平板電極７ｂを形成し、その後、平板電極７を第１電極層６の表面に固定してもよい。平板電極７ｂは、第１絶縁膜６ｃを介して、電熱ヒータ６ｂを完全に覆うように配置され、ＦＳ端子７ａと電気的に接続される。

第２絶縁膜７ｃも、例えばホワイトアルミナを溶射により第１電極層６の表面に吹き付けることで形成される。第２電極層７の厚さは、例えば１０〜３００μｍである。なお、第１および第２絶縁膜の成膜方法は、特に限定されず、例えばスパッタ、化学気相成長（ＣＶＤ）、蒸着、塗布などで成膜してもよい。

以下、本実施形態のドライエッチング装置１０の動作の一例を説明する。まず、容器１に設けられたゲートから被処理物が搬出され、反応室１ａ内に設置されたステージに被処理物が支持される。その後、反応室１ａ内が排気される。反応室１ａ内は減圧雰囲気であり、誘電体部材３には大気圧とほぼ同じ圧力が付与される。また、誘電体部材３は溝３ａを有し、溝３ａに対応する部分は薄肉である。ただし、機械的強度が十分に維持されるように溝３ａは環状に形成されているため、誘電体部材３が破損することはない。

その後、所定のガス供給源から、ガス導入口８を介してプロセスガスが反応室１ａ内に導入される。エッチングされる基板１５は、エッチングのパターンに応じたレジストマスクを有している。基板１５が例えばＳｉである場合、プロセスガスには例えばフッ素系ガス（ＳＦ₆など）が使用される。また、基板１５がアルミニウムの場合、プロセスガスには例えば塩素系ガス（ＨＣｌなど）が使用される。

次に、第１高周波電源１１から誘導コイル４に高周波電力が投入され、反応室１ａ内にプラズマが発生する。このとき、基板１５を保持するステージ２にも、所定の高周波電源からバイアス電圧が印加される。これにより、プラズマ中のラジカルやイオンが基板１５の表面に輸送され、バイアス電圧により加速されて基板１５に衝突する。その結果、基板１５がエッチングされる。

ここで、誘導コイル４を形成する導体４ａのうち、コイル密度の高い外周側部分は、誘電体部材３に形成された環状の溝３ａの中に配置されている。よって、比較的小さい電力の投入により、反応室１ａ側の誘電体部材３の近傍にドーナツ状の高密度プラズマが生成し、これが拡散プラズマとなって基板１５に到達する。

一方、誘電体部材３の反応室１ａ側の面に配置された平板電極７ｂには、第２高周波電源１２から電力が供給され、反応室１ａ内の平板電極の近傍においてバイアス電圧が生じる。これにより、プラズマ中のイオンの一部は、バイアス電圧により加速され、誘電体部材３（もしくは電極層１９）およびカバー５に入射する。その結果、誘電体部材３（もしくは電極層１９）およびカバー５への不揮発性物質の付着が抑制される。

エッチングプロセスは、複数の基板１５に対して連続的に行われる。そこで、プロセスの安定性を確保するため、交流電源１６から誘電体部材３の反応室１ａ側の面に設けられた電熱ヒータ６ｂに電力が投入され、誘電体部材３の加熱による温度管理が行われる。

（第２実施形態）
本実施形態に係るプラズマ処理装置は、カバーの構造が異なること以外、第１実施形態と同様である。図６は、本実施形態に係るカバー５Ａを具備するドライエッチング装置１０Ａの構成を示す。第１実施形態の各要素に対応する本実施形態の各要素には、同じ符号を付している。

誘導コイル４の少なくとも一部が誘電体部材３の溝３ａの中に配置され、プラズマの発生部が溝３ａの直下（すなわちＡＲcvの直下）に局在する場合、それ以外の部分では、プロセスガスのラジカルへの乖離効率が低下する。従って、プロセスガスを反応室１ａ内に噴出させるガス噴出口９は、カバー５ＡのＡＲcvの範囲内に選択的に形成することが望ましい。例えば、個数基準でガス噴出口９の５０％以上が、ＡＲcvに形成されていることが好ましく、全てのガス噴出口９がＡＲcvに形成されていることが好ましい。

図示例の場合、環状の溝３ａに対応して、ＡＲcvの形状も環状になっている。従って、ガス噴出口９は環状のＡＲcvに内包されるように、全てのガス噴出口９が同心円状に設けられることが好ましい。一方、ＡＲcvで囲まれた中央領域には、ガス噴出口９を形成しないことが好ましい。これにより、プラズマ発生部が局在するＡＲcvの直下には、それ以外の空間に比べ、より多くのプロセスガスが供給される。よって、プロセスガスのラジカルへの乖離効率が向上する。

ガス噴出口９の形状は特に限定されず、円形、楕円形、矩形、丸角の矩形等が例示できる。なかでも、形成し易い点で円形であることが好ましい。ガス噴出口９の直径（円形以外の場合は最大径）は、特に限定されないが、形成し易く、原料ガスの供給性能に優れる点で、０．１〜１．５ｍｍであることが好ましく、０．３〜１．０ｍｍであることがより好ましく、０．５〜０．８ｍｍであることが特に好ましい。

プラズマ発生部が局在するＡＲcvの直下でのプロセスガスの滞留時間を長くする観点からは、ＡＲcvの単位面積あたりに形成されるガス噴出口９の数を、従来に比べて多くして、ガス噴出口９の１個あたりのガス流速を抑制することが望ましい。例えば、ＡＲcvの単位面積１ｃｍ²あたり、０．１〜１０個のガス噴出口９を設けることが好ましい。

より具体的には、ガス噴出口９が円形であり、その直径が０．１〜１．５ｍｍである場合、カバー５Ａに形成されるガス噴出口９の数は、４８〜６０個程度であることが好ましい。また、十分量のプロセスガスをガス噴出口９から反応室１ａ内に供給する観点から、ガス噴出口９の合計の面積は、カバー５Ａの内側表面Ｓａの面積の０．５〜５％程度であることが好ましい。

ＡＲcvの直下でのプロセスガスの滞留時間を長くする観点から、ガス噴出口９の反応室１ａ側の端部、すなわちガスの出口をデーパー形状に広げてもよい。これにより、噴出直後のプロセスガスの進行方向が水平方向に分散され、鉛直方向の流速が抑制される。ガス噴出口９のテーパー形状の出口の面積は、ガス噴出口９の最も狭い部分のガス流に垂直な断面積の１．１倍〜５倍程度にすることが好ましい。

（第３実施形態）
本実施形態に係るプラズマ処理装置は、カバーの構造が異なること以外、第１実施形態と同様である。図７は、本実施形態に係るカバー５Ｂを具備するドライエッチング装置１０Ｂの構成を示す。第１実施形態の各要素に対応する本実施形態の各要素には、同じ符号を付している。

カバー５Ｂは、窒化アルミニウムで形成された第１部分５ａと、それ以外の誘電体材料（例えばアルミナ）で形成された第２部分５ｂとで構成されている。第１部分５ａは、円盤状であり、第２部分５ｂは、第１部分５ａの周縁部を支持する枠状体である。すなわち、カバー５Ｂの内側表面Ｓaは、窒化アルミニウムで形成されている第１領域ＡＲ１だけでなく、第２部分に対応する第２領域を有する。これにより、窒化アルミニウムで形成すべき第１部分５ａを比較的小さくすることが可能となる。なお、高価な窒化アルミニウムで直径の大きな板状部材を形成するには相当のコストが必要である。

第２部分５ｂの内側には、第１部分５ａの周縁部と当接する縁部Ｔが設けられている。第１部分５ａの周縁部が、第２部分５ｂの縁部Ｔと、第２部分５ｂに対して着脱可能な押さえ板２０とで挟まれることにより、第１部分５ａが第２部分５ｂに固定される。第１部分５ａは第２部分５ｂに対して着脱可能（すなわち第１領域ＡＲ１は第２領域に対して着脱可能）であり、押さえ板２０を第２部分５ｂから外すことで、第１部分５ａを第２部分５ｂから分離できるようになっている。これにより、カバー５Ｂのうち、必要に応じて第１領域ＡＲ１だけを交換することが可能となる。よって、メンテナンス費用を削減することもできる。

第１領域ＡＲ１の外周を囲む第２領域は、ＡＲcvで囲まれた中央領域と同じく、プラズマの密度が相対的に小さく、プラズマの侵食を受けにくい領域である。また、溝３ａと対向するＡＲcvは、第１領域ＡＲ１に内包されている。よって、例えば第２部分５ｂを石英やアルミナで形成した場合でも、カバー５Ｂ全体を窒化アルミニウムで形成した場合と同様のメリットを享受できる。一方、カバー５Ｂに必要なコストは低減する。

次に、本発明に係る溝を有する誘電体部材を用いる場合の優位性を検証するための実験を行った。
まず、図８に示すように、誘電体部材３の形状として、構造１（従来の平板型）、構造２（従来の梁３ｂを有する構造）、構造３（本発明の一実施形態に係る溝３ａを有する構造）の３種類を用意した。そして、これら３種類の誘電体部材をプラズマ処理装置に取り付け、それぞれの放電安定領域の評価を行った。

各構造の放電安定領域の評価結果を図９（ａ）〜（ｆ）に示す。いずれも、横軸が圧力、縦軸が誘導コイルに投入する電力である。図９（ａ）、（ｃ）および（ｅ）には、それぞれ構造１から構造３の誘電体部材を用いた場合に、放電が得られる領域を○、放電が得られない領域を×で示している。また、図９（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）はそれぞれ、構造１から構造３の誘電体部材を用いた場合に、高周波電力を印加した際に誘導コイルの両端に発生するコイル電圧の測定結果である。電圧値に応じて、Ａ（＞１００００Ｖ）、Ｂ（８０００〜１００００Ｖ）、Ｃ（６０００−８０００Ｖ）、Ｄ（４０００−６０００Ｖ）、Ｅ（２０００〜４０００Ｖ）、Ｆ（＜２０００Ｖ）とランク分けして示している。

構造１では、図９（ａ）に示すように、広い領域でプラズマを生成可能であった。しかしながら、図９（ｂ）に示すように、誘導コイルに投入する電力を高くすると、コイル電圧が大きくなる傾向が見られた。このことは、誘導コイルとプラズマの結合が弱く、電力損失が大きいことを示している。したがって、誘導コイルに投入した電力を効率よく放電に寄与させることは容易ではなく、高速加工は困難である。

構造２では、図９（ｃ）に示すように、低圧力領域では安定したプラズマ放電を維持できるが、高圧力側では安定した放電が得られなかった。この原因を調べるため、プラズマの発光状態を観察した。その結果、低圧力領域では、反応室内の誘導コイル直下の領域（梁状構造により形成される凹部）に発生したプラズマが、梁状構造により形成される凸部を跨いで、ドーナツ状に繋がっていることが分かった。一方、高圧力領域では、梁状構造により形成される凹部の内側にプラズマが偏在することが分かった。高圧力領域においては、梁状構造により誘電体部材の反応室側の面に形成される凹凸により、誘導コイル直下で発生したプラズマの横方向への拡散が阻害されるため、プラズマが偏在し、誘導コイルとプラズマとの結合が不安定化するものと考えられる。このように、構造２の場合、広い放電安定領域を得ることは困難である。

構造３では、図９（ｅ）に示すように、実験を行った全領域において安定したプラズマ放電を維持できた。また、図９（ｆ）に示すように、実験を行った全領域において、構造１および構造２に比べて、コイル電圧が低下した。すなわち、誘電体部材の一部を薄くすることで、誘導コイルとプラズマとの結合が強化され、電力損失の低減が実現できた。また、構造３では、誘電体部材の反応室側の面を平面にできるため、広い領域にわたって安定して均一なプラズマを維持することができる。よって、ガスの種類や圧力領域の異なる様々なプロセスへの展開が可能となる。

さらに、プラズマダイシングの性能を評価した。プラズマダイシングは、個々のデバイス層をフォトレジスト（ＰＲ）や保護膜でマスクして、開口しているストリート部をプラズマにより垂直方向に加工することで、個片化する工法である。処理条件の調整と組合せにより、デバイス毎の要求仕様に応じた個片化が実現できる。また、既存工法に比べて、滑らかな側面形状を得ることができるので、個片化されたチップの抗折強度が向上する。シリコン基板をプラズマダイシングする場合、通常、ボッシュプロセスと呼ばれる、シリコンエッチングステップとポリマー堆積ステップとを交互に繰り返すプロセスにより、垂直方向への加工が行われる。

まず、誘電体部材として構造１と構造３を用いた場合の、シリコン加工速度とポリマー堆積速度とを評価した。構造１の場合、最適化されたシリコン加工速度は２０μｍ／ｍｉｎであり、ポリマー堆積速度は０．５μｍ／ｍｉｎであった。また、構造３の場合、最適化されたシリコン加工速度は３０μｍ／ｍｉｎであり、ポリマー堆積速度は１．０μｍ／ｍｉｎであった。すなわち、誘電体部材として構造３を用いることにより、従来比で１．５〜２倍の加工または堆積速度を得ることができた。

次に、最適化されたシリコンエッチング条件とポリマー堆積条件とを用いて、シリコンのプラズマダイシングを行った。評価サンプルとして、レジストマスク厚７μｍ、ストリート幅２０μｍ、マスク開口率１．０％、直径２００ｍｍのシリコン基板を用いた。上述のシリコン加工速度３０μｍ／ｍｉｎのシリコンエッチングステップと、ポリマー堆積速度１．０μｍ／ｍｉｎのポリマー堆積ステップとを交互に繰り返すことにより、マスク開口部に露出したシリコンを垂直に加工することができた。このときのシリコンダイシング速度は２２μｍ／ｍｉｎ、面内均一性は±３．０％であり、高速かつ高均一な加工特性が得られた。

本発明のプラズマ処理装置は、簡易なメンテナンスと高密度プラズマが要求されるプロセスにおいて有用であり、ドライエッチング処理装置、プラズマＣＶＤ装置などを含む様々なプラズマ処理装置に適用できる。

１：容器、１ａ：反応室、２：ステージ、３：誘電体部材、３ａ：溝、３ｘ：第１溝部、３ｙ：第２溝部、３ｓ：スリット、４：誘導コイル、４ａ：導体、５：カバー、６：第１電極層、６ａ：ヒータ端子、６ｂ：第１電極パターン（電熱ヒータ）、６ｃ：第１絶縁膜、７：第２電極層、７ａ：ＦＳ端子、７ｂ：第２電極パターン（平板電極（ＦＳ電極））、７ｃ：第２絶縁膜、８：ガス導入口、８ａ：隙間、９：ガス噴出口、１０：ドライエッチング装置、１１：第１高周波電源、１２：第２高周波電源、１３：第１弾性リング、１４：第２弾性リング、１５：基板、１６：交流電源、１７：第１ホルダ、１８：第２ホルダ、１９：電極層、２０：押さえ板

Claims

反応室を有する容器と、
前記反応室内で被処理物を支持するステージと、
前記容器の開口を塞ぐとともに前記ステージと対向する誘電体部材と、
前記反応室内で前記誘電体部材を覆うように設置されたカバーと、
前記誘電体部材の前記反応室に対して外側に設置され、前記反応室内にプラズマを発生させる誘導コイルと、を備え、
前記誘電体部材の前記反応室に対して外側の面に溝が形成されており、
前記誘導コイルの少なくとも一部が、前記溝の中に配置されており、
前記カバーの少なくとも前記ステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、前記第１領域の少なくとも一部は、前記溝と対向している、プラズマ処理装置。
前記カバーの前記ステージ側の表面が、前記第１領域とは異なる第２領域を有し、前記第２領域は、窒化アルミニウム以外の誘電体材料で形成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記第１領域が、前記第２領域に対して、着脱可能である、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記カバーの前記ステージとは反対側に設置されたファラデーシールド電極を更に備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
（i）反応室内に設置されたステージに被処理物を支持する工程と、
（ii）前記反応室を仕切る誘電体部材の外側に設置された誘導コイルに、高周波電力を印加して、前記反応室内にプラズマを発生させ、前記被処理物をプラズマ処理する工程と、を備え、
前記反応室内には、前記誘電体部材を覆うようにカバーが設置されており、
前記誘電体部材の前記反応室に対して外側の面に溝が形成されており、
前記誘導コイルの少なくとも一部が、前記溝の中に配置されており、
前記カバーの少なくとも前記ステージ側の表面が、窒化アルミニウムで形成された第１領域を有し、前記第１領域の少なくとも一部は、前記溝と対向している、プラズマ処理方法。