JP2017139164A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電力が一旦停止された後、再開されるまでの時間に関係なく、整合時間を略一定に制御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】本発明のプラズマ処理装置ＳＭは、インピーダンス整合器ＭＢが、静電容量が可変のコンデンサＶＣを有し、高周波電力の出力時にこのコンデンサの静電容量を起点とし、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとが整合するようにこの起点から静電容量を減少させると共に、この整合時の静電容量を次に高周波電力が出力されるときの調整点とし、調整点から静電容量を減少させる制御手段Ｃを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、より詳しくは、真空チャンバ内にプラズマを発生させるための高周波電力をインピーダンス整合器を介して出力する高周波電源を備えて真空チャンバ内の被処理基板に対して所定のプラズマ処理を行うものに関する。

この種のプラズマ装置は、例えば半導体デバイスの製造工程にて被処理基板に対してスパッタリング法及びプラズマＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの各種のプラズマ処理に利用される。このようなプラズマ処理装置の中には、真空チャンバ内にプラズマを発生させるために高周波電力を用いるものがあり、このとき、静電容量が可変のコンデンサを設けたインピーダンス整合器によりプラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させることが知られている（特許文献１参照）。

ところで、プラズマ処理装置としての高周波スパッタリング装置を用い、被処理基板に成膜処理を行う場合、被処理基板に成膜する薄膜の膜厚は、通常、ターゲットに出力する高周波電力（ｋＷ）とこの高周波電力のターゲットへの出力時間（所謂、スパッタ時間）とで管理される。そして、高周波スパッタリング装置の真空チャンバ内に被処理基板を順次搬送して各被処理基板に連続して成膜処理していくとき、インピーダンス整合器によりプラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを可及的速やかに整合させることで、ターゲットに高周波電力を出力したときの反射波の影響を抑制して、高周波電力と出力時間とで定まる出力電力量が各被処理基板毎に略一致するようにしている。

ここで、各被処理基板に対する成膜処理が進むに伴って真空チャンバの温度や、真空チャンバ内壁へのスパッタ粒子のデポに起因する真空チャンバ内の圧力などの真空チャンバ内の雰囲気が変化する場合、所定の起点から静電容量を減少または増加させると、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させる整合時間が長くなることが判明した。この場合、出力電力量が略一致せず、所望の膜厚で成膜することができない。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、最初の高周波電力の出力時にコンデンサの静電容量を起点とし、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとが整合するようにこの起点から静電容量を減少または増加させ、この整合時の静電容量を次に高周波電力が出力されるときの調整点とし、次の被処理基板に成膜処理をする場合には、調整点から静電容量を減少または増加させることで、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させる整合時間が各被処理基板毎に略一致することを知見するのに至った。

特開２０１２−１３８６１３号公報

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、各プラズマ処理中にプラズマに供給される出力電力量を略一定に制御することができるプラズマ処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内にプラズマを発生させるための高周波電力をインピーダンス整合器を介して出力する高周波電源を備えて真空チャンバ内の被処理基板に対して所定のプラズマ処理を行う本発明のプラズマ処理装置は、インピーダンス整合器が、静電容量が可変のコンデンサを有し、高周波電力の出力時にこのコンデンサの静電容量を起点とし、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとが整合するようにこの起点から静電容量を減少または増加させると共に、この整合時の静電容量を次に高周波電力が出力されるときの調整点とし、調整点から静電容量を減少または増加させる制御手段を設けることを特徴とする。

本発明によれば、インピーダンス整合時の静電容量を調整点とし、次のプラズマ処理にて調整点から静電容量を減少または増加させるため、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させる整合時間を各被処理基板毎に略一致させて出力電力量を略一致させることができる。尚、本発明において、出力電力量とは、高周波電力の進行波電力から反射波電力を減算した実効出力電力をプラズマ処理時間積算した積分値をいう。

ところで、何らかの原因（ロット変更等）で高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間が、複数枚の被処理基板に対して連続して成膜処理をする場合と比較して長くなった場合、調整点から静電容量を減少または増加させると、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させるのに時間がかかることが判明した。この場合、出力電力量が略一致せず、所望の膜厚で成膜することができない。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの真空チャンバ内の雰囲気の変化が影響することを知見するのに至った。この知見に基づき、本発明において、制御手段が、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間を計測し、この計測した時間が所定値を超えると、起点から調整点までの静電容量の減少分または増加分に応じて、コンデンサの静電容量を補正し、この補正後の静電容量を起点とすることが好ましい。これによれば、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間に関係なく、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させる整合時間を略一致させることができ、各プラズマ処理中にプラズマ（負荷）に供給される出力電力量を略一致させることができる。

本発明において、プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、前記制御手段は、一の被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力と時間の積分値が、他の被処理基板に対するプラズマ処理時に予め測定された反射波電力と時間の積分値と一致するように、起点から静電容量を減少または増加させることが好ましい。これによれば、プラズマ処理中に発生する反射波電力と時間の積分値を略一定に制御することができるため、プラズマ処理中にプラズマ（負荷）に供給される出力電力量を略一致させることできる。

本発明において、プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、前記制御手段は、一の被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力が、他の被処理基板に対するプラズマ処理時に予め測定された反射波電力の変化に追従するように、起点から静電容量を減少または増加させることが好ましい。これによれば、プラズマ処理中に発生する反射波電力を略一定に制御することができるため、各プラズマ処理中にプラズマ（負荷）に供給される実効電力を略一定に制御することができる。

本発明において、プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、前記制御手段は、被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力が、予め設定された反射波電力の変化の設定値に追従するように、起点から静電容量を減少または増加させることが好ましい。これによれば、プラズマ処理中に発生する反射波電力を略一定に制御することができるため、プラズマ処理中にプラズマ（負荷）に供給される出力電力量を略一致させることできる。

また、本発明は、真空チャンバ内に配置されるターゲットにインピーダンス整合器を介して高周波電力を出力するスパッタリング装置に対して、好適に適用することができる。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置を示す模式的断面図。 出力電力量を説明する図。 図１に示すインピーダンス整合器のコンデンサの静電容量の制御について説明するグラフ。 プラズマ処理中の反射波電力の変化を示すグラフ。

以下、図面を参照して、被処理基板Ｗをシリコン基板とし、このシリコン基板Ｗの表面にアルミナ膜を成膜するマグネトロン方式のスパッタリング装置ＳＭを例として、本実施形態のプラズマ処理装置について説明する。

図１を参照して、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底壁には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管１１が接続され、真空チャンバ１の側壁にはアルゴン等の希ガスたるスパッタガスのガス源（図示省略）に通じるガス管１２が接続され、ガス管１２にはマスフローコントローラ１３が介設されている。これにより、流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐにより一定の排気速度で真空引きされている処理室１０内に導入でき、成膜処理中、処理室１０の圧力が略一定に保持されるようにしている。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、電極たるターゲット２と、ターゲット２の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート３と、バッキングプレート３の上方に配置される磁石ユニット４とを有する。ターゲット２は、被処理基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成された酸化アルミニウム製のものである。バッキングプレート３は、その内部に後述する冷媒通路３０を有して、この冷媒通路３０を流れる冷媒（例えば冷却水）との熱交換でターゲット２を冷却できるようになっている。ターゲット２を装着した状態でバッキングプレート３下面の周縁部が、絶縁部材Ｉを介して真空チャンバ１の側壁上部に取り付けられる。

ターゲット２には、インピーダンス整合器ＭＢを介して高周波電源Ｅが接続され、成膜処理時、ターゲット２にインピーダンス整合器ＭＢを介して高周波電力が出力されるようになっている。インピーダンス整合器ＭＢとしては、静電容量が可変のコンデンサＶＣを有する公知のものを用いることができる。コンデンサＶＣの静電容量は、後述の制御手段Ｃにより減少または増加されるようになっており、制御手段Ｃによる静電容量の制御については後述する。また、高周波電源Ｅは、プラズマからの反射波電力を測定する反射波電力測定部Ｅａを有し、この反射波電力測定部Ｅａが特許請求の範囲の「測定手段」に対応する。そして、反射波電力測定部Ｅａにより測定される反射波電力の変化（波形）は、制御手段Ｃの図示省略のメモリに格納できるようになっている。

磁石ユニット４は、ターゲット２のスパッタ面（下面）２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向させて例えば金属製のステージ５が配置され、処理対象物Ｗがその成膜面たる上面を開放した状態で位置決め保持されるようにしている。この場合、ターゲット２と処理対象物Ｗとの間の間隔（ＴＳ距離）は、生産性や散乱回数等を考慮して２５〜８０ｍｍの範囲に設定される。尚、ステージ５としては、公知の静電チャックを有するものを用いることができる。

上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサやメモリ等を備えた制御手段Ｃを有し、制御手段Ｃにより高周波電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１３の稼働、真空排気手段Ｐの稼働等を統括管理するようになっている。また、後述するように、制御手段Ｃは、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間を図示省略のタイマー等を用いて計測し、インピーダンス整合器ＭＢのコンデンサＶＣの静電容量の制御を行う。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、シリコン基板Ｗの表面に酸化アルミニウム膜を成膜する成膜処理を例として、プラズマ処理について説明する。

先ず、真空チャンバ１内のステージ５にシリコン基板Ｗをセットした後、真空ポンプＰを作動させて処理室１０内を真空引きする。処理室１０内が所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１１を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入する（このとき、処理室１０内の圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となる）。これと併せて、高周波電源Ｅからターゲット２にインピーダンス整合器ＭＢを介して高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、２０００Ｗ）を出力して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２１をスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子をシリコン基板Ｗ表面に付着、堆積させることにより酸化アルミニウム膜が成膜される。所定のスパッタ時間に達すると、成膜済みのシリコン基板Ｗは真空チャンバ１から搬出され、次のシリコン基板Ｗが真空チャンバ１内に搬入され、上記と同様に、酸化アルミニウム膜が成膜される。このように、真空チャンバ１内にシリコン基板Ｗを順次搬送して各シリコン基板Ｗに連続して成膜処理が行われる。

このようにシリコン基板Ｗに成膜する酸化アルミニウム膜の膜厚は、ターゲット２に出力する高周波電力（ｋＷ）とこの高周波電力のターゲット２への出力時間（スパッタ時間）とで管理される。連続処理時は、インピーダンス整合器ＭＢにより可及的速やかにインピーダンス整合を行うことで、ターゲット２に高周波電力を出力したときの反射波の影響を抑制して、高周波電力と出力時間とで定まる出力電力量が各シリコン基板Ｗ毎に略一致するようにしている。尚、出力電力量とは、図２に示すように、高周波電力の進行波電力Ｐｆから反射波電力Ｐｒを減算した実効出力電力Ｐｅをスパッタ時間ｔ積算した積分値（Ｐｅ×ｔ）をいう。

ここで、各シリコン基板Ｗに対する成膜処理が進むと、真空チャンバ１の温度や、真空チャンバ１内壁へのスパッタ粒子のデポに起因する真空チャンバ１内の圧力などの真空チャンバ内の雰囲気が変化し、整合時の静電容量も変化する。そこで、図３に示すように、最初の高周波電力の出力時（第１ロットの１枚目の成膜処理時）に、コンデンサＶＣの静電容量を起点から減少させ、プラズマのインピーダンスと高周波電源Ｅの出力インピーダンスとを整合させる。そして、この整合時の静電容量を次に高周波電力が出力されるとき（第１ロットの２枚目の成膜処理時）の調整点とし、当該２枚目の成膜処理時に調整点から静電容量を減少させる。同様に、ｎ枚目の成膜処理時に、（ｎ−１）枚目の調整点から静電容量を減少させる。これにより、インピーダンスの整合に必要な時間を各シリコン基板毎に略一致させることができる。

ところで、第１ロットから第２ロットへの変更時に、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間が、上記連続処理をする場合と比較して長くなる場合がある。この場合、第２ロットの１枚目の成膜処理時に、第１ロットの２５枚目の調整点から静電容量を減少させてインピーダンスを整合させると、インピーダンス整合に長時間かかることがある。

そこで、本実施形態では、制御手段Ｃにより、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間を計測し、この計測した時間が所定値以下の場合には、上記の如く、調整点から静電容量を減少させる。一方、この計測した時間が所定値を超えた場合には、図３に示すように、起点から調整点までの静電容量の減少分ΔＣ１に応じてコンデンサＶＣの静電容量をΔＣ２だけ補正し、次に高周波電力を出力するとき（第２ロットの１枚目の成膜処理時）に、補正後の静電容量を起点として静電容量を減少させる。この静電容量の補正量ΔＣ２は、計測時間を変化させてインピーダンス整合時の静電容量を夫々求め、求めた静電容量と計測時間との関係を規定した数式やマップを予め作成しておき、これらの数式やマップを用いて求めることができる。このように、補正後の静電容量を起点に、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとを整合させるので、高周波電力が一旦停止された後、再開されるまでの時間に関係なく、整合時間を略一致させることができる。これにより、出力電力量を各シリコン基板毎に略一致させることができる。

かかる出力電力量を各シリコン基板毎により一致させるためには、プラズマ処理中の反射波電力Ｐｒの変化を各シリコン基板毎に略一致させることが好ましい。即ち、例えば、第１ロットに対する処理を行う前に、シリコン基板に対するプラズマ処理時の反射波電力の変化を測定手段Ｅａにより測定し、この測定した図４において破線Ｌ１で示すような反射波電力の変化を制御手段Ｃ内のメモリに格納する。そして、第１ロットの１枚目の成膜処理時に、メモリから上記反射波電力の変化Ｌ１を読み出し、測定手段Ｅａにより測定される反射波電力Ｌ２が上記反射波電力の変化Ｌ１に追従するように、起点から静電容量を減少または増加させる。このとき、図３に示すように起点から静電容量を減少させるだけでなく、反射波電力Ｌ２に応じて静電容量を一旦増加させることも行う。ここで、予め測定された反射波電力の変化Ｌ１に追従するとは、反射波電力Ｌ２が厳密に一致することを言うものではなく、図２において斜線で示すように反射波電力Ｐｒをスパッタ時間ｔ積算した積分値（面積）が同等であることを意味するものとする。

また、予め測定された反射波電力の変化Ｌ１に追従させるのではなく、予め設定された反射波電力の設定値Ｌ３（図４参照）に追従させてもよい。これは、反射波電力を精密に追従させる必要がない場合に特に適している。これによれば、十分に制御の余裕を持たせて設定値Ｌ３を設定すれば、静電容量の制御を簡単にできて有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、連続処理時にコンデンサＶＣの静電容量を徐々に減少させる場合を例に説明したが、プラズマ処理の種類によっては連続処理時にコンデンサＶＣの静電容量が増加側に変化することがあるため、連続処理時にコンデンサＶＣの静電容量を増加させる場合にも本発明を適用することができる。この場合、１枚目のプラズマ処理時に起点から静電容量を増加させることでインピーダンスを整合し、この整合時の静電容量を調整点として記憶し、２枚目のプラズマ処理時に調整点から静電容量を増加させる。そして、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間が所定値を超えると、起点から調整点までの静電容量の増加分（ΔＣ１）に応じて、コンデンサＶＣの静電容量を補正し、補正後の静電容量を起点とすれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、コンデンサＶＣの静電容量は、減少側及び増加側のいずれか一方向に調整してインピーダンスを整合させるため、その反対側に調整する場合には時間がかかる。このため、上記実施形態の如く静電容量を徐々に減少（または増加）させる場合に、その反対側である増加側（または減少側）に補正すれば、インピーダンスの整合時間を短縮できて有利である。

上記実施形態では、第２ロットの１枚目の起点の静電容量を、第１ロットの１枚目の起点の静電容量よりも大きくなるように補正しているが、計測時間が比較的短い場合には、第１ロットの１枚目の起点の静電容量よりも小さくなるように補正してもよい。

上記実施形態では、平行平板型のプラズマ処理装置（スパッタリング装置ＳＭ）を例に説明したが、コイルにインピーダンス整合器を介して高周波電力を出力する誘導結合型のプラズマ処理装置に対しても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、絶縁物製のターゲットを用いて絶縁物膜を成膜する場合を例に説明したが、アルミニウムや銅のような金属製のターゲットを用いて金属膜を成膜する場合にも当然に本発明を適用することができる。さらに、プラズマ処理装置はスパッタリング装置のような成膜装置に限定されず、イオン注入装置やエッチング装置などの他のプラズマ処理装置に対して本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間が所定値を超える場合の例としてロット交換時を挙げて説明したが、これに限定されず、連続処理中に何らの理由により当該時間が所定値を超えた場合にも本発明を適用することができる。

Ｃ…制御手段、Ｅ…高周波電源、Ｅａ…反射波電力測定部（測定手段）、ＭＢ…インピーダンス整合器、ＳＭ…スパッタリング装置（プラズマ処理装置）、ＶＣ…コンデンサ、Ｗ…シリコン基板（被処理基板）、１…真空チャンバ。

Claims (5)

1. 真空チャンバ内にプラズマを発生させるための高周波電力をインピーダンス整合器を介して出力する高周波電源を備えて真空チャンバ内の被処理基板に対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
   インピーダンス整合器は、静電容量が可変のコンデンサを有し、高周波電力の出力時にこのコンデンサの静電容量を起点とし、プラズマのインピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとが整合するようにこの起点から静電容量を減少または増加させると共に、この整合時の静電容量を次に高周波電力が出力されるときの調整点とし、調整点から静電容量を減少または増加させる制御手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記制御手段は、高周波電力の出力が一旦停止された後、再開されるまでの時間を計測し、この計測した時間が所定値を超えると、起点から調整点までの静電容量の減少分または増加分に応じて、コンデンサの静電容量を補正し、この補正後の静電容量を起点とす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. プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、一の被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力と時間の積分値が、他の被処理基板に対するプラズマ処理時に予め測定された反射波電力と時間の積分値と一致するように、起点から静電容量を減少または増加させることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、一の被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力が、他の被処理基板に対するプラズマ処理時に予め測定された反射波電力の変化に追従するように、起点から静電容量を減少または増加させることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
5. プラズマからの反射波電力を測定する測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、被処理基板に対するプラズマ処理時に前記測定手段により測定される反射波電力が、予め設定された反射波電力の変化の設定値に追従するように、起点から静電容量を減少または増加させることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。

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