JP2020088193A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置において、処理ガスを加熱して処理容器内に供給するにあたり、処理容器上に配置される整合器の温度上昇を抑える。【解決手段】処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記処理容器内の上方に配置された上部電極と、前記処理容器の上に設けられて、整合器を支持する筒状のシールド部材と、前記整合器を介してプラズマ源からの高周波電力を、前記上部電極に供給するために前記シールド部材の内側に配置された給電棒と、前記シールド部材の外側で加熱された処理ガスを、前記上部電極の上方から前記処理容器内に供給するガス導入部材と、を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材は接地され、前記ガス導入部材と前記シールド部材との貫通部周縁には、導電性を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材の材質よりも熱伝導率の低い材質からなる密閉部材が、前記シールド部材の外側に設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

特許文献１には、処理容器内に配置された電極と整合器を接続する給電棒を備え，前記整合器を介して供給された高周波電力を前記給電棒を介して前記電極に印加することにより，前記処理容器内に配置された被処理体に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が記載されている。前記整合器は処理容器の上に配置され、また給電棒は処理容器の中心軸上に配置されている。

特開平１１−３３００５８

本開示にかかる技術は、プラズマ処理装置において、処理ガスを加熱して処理容器内に供給するにあたり、処理容器上に配置される整合器の温度上昇を抑える。

本開示の一態様は、処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記処理容器内の上方に配置された上部電極と、前記処理容器の上に設けられて、整合器を支持する筒状のシールド部材と、前記整合器を介してプラズマ源からの高周波電力を、前記上部電極に供給するために前記シールド部材の内側に配置された給電棒と、前記シールド部材の外側で加熱された処理ガスを、前記上部電極の上方から前記処理容器内に供給するガス導入部材と、を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材は接地され、前記ガス導入部材と前記シールド部材との貫通部周縁には、導電性を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材の材質よりも熱伝導率の低い材質からなる密閉部材が、前記シールド部材の外側に設けられている。

本開示にかかる技術によれば、プラズマ処理装置において、処理ガスを加熱して処理容器内に供給するにあたり、処理容器上に配置される整合器の温度上昇を抑えることができる。

実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成の模式的に示す側面断面の説明図である。 図１のプラズマ処理装置におけるガス導入部材の斜視図である。 図１のプラズマ処理装置におけるガス導入部材の平面の説明図である。 図１のプラズマ処理装置に使用可能な他のガス導入部材の平面の説明図である。

半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という場合がある。）に対して、プラズマ処理装置を用いた成膜処理が行われる。かかる場合、たとえば処理容器内の上部電極に対して、高周波電源からの高周波電力を、整合器を介して印加して、処理容器内にプラズマを発生させる。そして所定の温度に加熱された処理ガスを処理容器内に導入して、処理容器内の下部電極上のウェハに対してプラズマ処理を行う。

このようなプラズマ処理を行うにあたり、高周波電源は周波数が６０．０ＭＨｚのものが用いられているが、プラズマ均一性およびプロセス性能向上のため、上部電極に対して最短距離で印加すべく、特許文献１では上部電極の中心軸上に給電棒を配置している。そのため、整合器は処理容器の上に配置されている。

またプラズマ処理に用いる処理ガスは、所定の温度、例えば１００℃程度に加熱されて処理容器内に導入するため、処理容器へのガス導入路も高温となる。そうすると、当該ガス導入路から処理容器、さらには処理容器上の整合器に高温の熱が伝達される。この種の整合器は、使用上限温度が５０℃程度であるから、前記した高温の熱が整合器に伝わると、整合器の所定の性能を発揮できないおそれがあり、また場合によっては整合器の故障の原因となる。

そのため、処理容器上に整合器を配置したプラズマ処理装置において、前記した高温の処理ガスを処理容器内に導入するにあたり、いかにして整合器の温度の上昇を抑えるかが問題となる。しかも処理ガスを加熱する場合、処理容器の外で加熱が行なわれるが、加熱した処理ガスを処理容器内に導入するにあたり、導入するための流路と処理容器への接続部において、高周波の漏えいに留意する必要がある。

そこで、本開示にかかる技術は、プラズマ処理装置において、加熱した処理ガスを処理容器内に供給するにあたり、処理容器上の整合器への温度上昇を抑えると共に、高周波の漏えいを防止することを実現するものである。

以下、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置としてのプラズマ処理装置１の構成の概略を示している。このプラズマ処理装置１は、基板としてのウェハＷを収容して処理を行う真空容器である処理容器１１を有している。処理容器１１は、導電性の金属、例えばアルミ含有金属であるＡ５０５２からなっている。処理容器１１は接地されている。

プラズマ処理装置１は、たとえば、自然酸化膜や金属酸化膜を除去するようなエッチング装置として構成されている。このプラズマ処理装置１によれば、例えば、ハロゲン含有ガスなどの公知の処理ガスと不活性ガスなどからなるプラズマを用いて、エッチング処理することができる。

処理容器１１は概ね扁平な円筒形に構成されており、処理容器１１における下方の側壁には、ウェハの搬入出口１２が形成されている。搬入出口１２には、搬入出口１２を開閉自在なゲートバルブ１３が設けられている。搬入出口１２よりも上側には、処理容器１１の側壁の一部をなす、縦断面の形状がチャネル溝形状を有するダクトを円環状に湾曲させて構成した排気ダクト１４が設けられている。排気ダクト１４の内周面には、周方向に沿って伸びるスリット状の排気口１５が形成されている。排気口１５には、排気管１６の一端部が接続されている。そして排気管１６の他端部は、例えば真空ポンプにより構成される排気装置１７に接続されている。

処理容器１１内にはウェハＷを水平に載置する平面視で円形の載置部２１が設けられている。この載置部２１は、下部電極を構成している。載置部２１の上面には静電チャック２２が設けられている。載置部２１の内部には、ウェハＷを加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられている。

載置部２１に対しては、処理容器１１の外部に設けられている高周波電源２３から、整合器２４を介して、バイアス用の高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。静電チャック２２に対しては、処理容器１１の外部に設けられている直流電源２５から、直流電圧が印加される。直流電圧のＯＮ−ＯＦＦは、スイッチ２６によってなされる。

載置部２１の下面側中央部には処理容器１１の底部を貫通し、上下方向に伸びる支持部材３１の上端部が接続されている。支持部材３１の下端部は昇降機構３２に接続されている。昇降機構３２の駆動によって、載置部２１は、図１の破線で示す下方側の位置と、図１に実線で示す上方側の位置との間を上下移動することができる。載置部２１の下方側の位置は、前記した搬入出口１２から処理容器１１内に進入するウェハＷの搬送機構（図示せず）との間で、ウェハＷの受け渡しを行うための受け渡し位置である。また上方側の位置は、ウェハＷに処理が行われる処理位置となる。

支持部材３１における処理容器１１の外側には、フランジ３３が設けられている。そしてこのフランジ３３と、処理容器１１の底部における支持部材３１の貫通部との間には、支持部材３１の外周を囲むように、ベローズ３４が設けられている。これによって処理容器１１内の気密が保たれる。

処理容器１１内の下方には、複数、例えば３本の支持ピン４１を有するウェハ昇降部材４２が配置されている。ウェハ昇降部材４２の下面側には支持柱４３が設けられており、支持柱４３は、処理容器１１の底部を貫通して、処理容器１１の外側に設けられた昇降機構４４に接続されている。したがって、ウェハ昇降部材４２は昇降機構４４の駆動によって上下動自在である。

載置部２１が受け渡し位置にあるときに、ウェハ昇降部材４２を上昇させることで、載置部２１、静電チャック２２に形成された貫通孔４５を介して、支持ピン４１を載置部２１及び静電チャック２２上から突出させることができる。これによって支持ピン４１上にウェハＷを載置することができ、その状態で搬送アームなどの搬送機構（図示せず）との間でウェハＷの受け渡しを行なうことができる。

昇降機構４４と処理容器１１の底部における支持柱４３の貫通部との間には、支持柱４３の外周を囲むようにベローズ４６が設けられている。これによって処理容器１１内の気密が保たれる。

排気ダクト１４の上側には、円環状の絶縁支持部材５１が設けられている。絶縁支持部材５１の下面側には、石英からなる電極支持部材５２が設けられている。この電極支持部材５２には、円盤状の上部電極５３が設けられている。上部電極５３の下方には、空間Ｓをおいて、シャワープレート５４が上部電極５３と平行に設けられている。上部電極５３には、複数の貫通孔５３ａが形成され、シャワープレート５４には複数の吐出孔５４ａが形成されている。

排気ダクト１４の上側には、円筒状のシールド部材６１が設けられている。シールド部材６１は、導電性の金属、例えばアルミ含有金属であるＡ５０５２からなっており、排気ダクト１４を介して処理容器１１と電気的に導通している。すなわちシールド部材６１は接地されている。シールド部材６１は、高周波の漏えいを防止するものである。シールド部材６１と排気ダクト１４の上側との接続にあたっては、スパイラルにて接続され、電気的導通が強化されている。

シールド部材６１の上には整合器６２が支持されている。そしてプラズマ生成用のプラズマ源となる高周波電源６３からの高周波電力は、整合器６２を介して整合器６２の下面側に配置された給電棒６４に供給される。給電棒６４は、上部電極５３の中心と接続されている。したがって、高周波電源６３からの高周波電力は、整合器６２を介して上部電極５３の中心部分に供給される。

シールド部材６１の内側にはガス導入部材としてのインレットブロック７１が設けられている。インレットブロック７１は、図２にも示したように、円環部７２と、円環部７２に一端部が接続された角筒状の導入部７３とを有している。インレットブロック７１は、導電性の金属、例えばアルミ含有金属であるＡ５０５２からなっている。

円環部７２は、図１、図３に示したように、その中心部に給電棒６４が位置するように配置され、かつ円環部７２の内周面と給電棒６４の外周面との間に所定の距離が生ずるような大きさを有している。

インレットブロック７１の導入部７３の他端部には、既述の処理ガスの供給源７４が接続されている。また円環部７２、導入部７３の内部には、図３にも示したように、処理ガスの流路７５、７６が連通して形成されている。円環部７２内の流路７６は、図３に示したように、流路７５から円環部７２に沿って二つに分岐し、半円弧状に形成されている。

インレットブロック７１の導入部７３におけるシールド部材６１の外側には、加熱部８１が設けられ、この加熱部８１には、処理ガスを加熱するためのヒータ８２が設けられている。このヒータ８２によって、供給源７４からの処理ガスは、たとえば１００℃以上の所定の温度にまで加熱される。

インレットブロック７１の導入部７３におけるシールド部材６１の外側であって、導入部７３とシールド部材６１との貫通部近傍には、フランジ部９１が設けられている。フランジ部９１の材質は、インレットブロック７１の導入部７３と同じアルミ含有金属のＡ５０５２である。そしてこのフランジ部９１とシールド部材６１における貫通部の壁面との間には、導入部７３の外形に適合した方形の枠形状の密閉部材９２が設けられている。すなわち、シールド部材６１の壁体とフランジ部９１との間で密閉部材９２は挟持され、貫通部を密閉している。

密閉部材９２の材質は、導電性があり、また導入部７３、フランジ部９１、シールド部材６１よりも熱伝導率の低い材質を用いている。本実施の形態では、ステンレス鋼のＳＵＳ３０４を用いている。

インレットブロック７１の円環部７２の下側には、図１、図２に示したように、上部電極５３との間に、円環部７２と同一の内外径を有する筒状の絶縁導入部材９３が配置されている。絶縁導入部材９３は絶縁性を有する材質によって構成されている。絶縁導入部材９３の内部には、円環部の流路７６と連通するガスの流路（図示せず）が形成され、このガスの流路は、上部電極５３の貫通孔５３ａと連通している。したがって、供給源７４からの処理ガスは、導入部７３、円環部７２、絶縁導入部材９３の各ガスの流路を通って、上部電極５３とシャワープレート５４との間の空間Ｓに供給される。そして空間Ｓ内の処理ガスは、空間Ｓ内でプラズマ化され、吐出孔５４ａから、載置部２１上のウェハＷに均一に供給される。

以上の構成にかかるプラズマ処理装置１は、制御部１００によって各動作が制御される。すなわち、制御部１００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におけるウェハＷの処理、例えば処理ガスの供給、停止、加熱、載置部２１の昇降動作、静電チャック２２の動作、ウェハ昇降部材４２の昇降動作、高周波電源２３、６３の発停、出力制御などを行ない、プラズマ処理に必要なプログラムが格納されている。なお、上記プログラムは、コンピュータに読み取り可能な記憶媒体に記録されていたものであって、当該記憶媒体から制御部１００にインストールされたものであってもよい。

実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は、以上の構成を有しており、次にその動作、並びに作用効果について説明する。

処理容器１１内を所定の真空雰囲気とした状態でゲートバルブ１３を開き、処理容器１１に隣接する真空雰囲気の搬送室（図示せず）から搬送機構（図示せず）によってウェハＷを受け渡し位置に位置する載置部２１上に搬送する。次いで上昇させた支持ピン４１の上にウェハＷを受け渡し、その後搬送機構は処理容器１１から退出し、ゲートバルブ１３が閉じられる。それと共に支持ピン４１が下降し、載置部２１にウェハＷを載置させる。そして載置部２１の静電チャック２２でウェハＷを吸着させ、載置部２１の図示しないヒータによってウェハＷを所定の温度に加熱する。

その後、高周波電源２３、６３を作動させ、加熱した処理ガスをインレットブロック７１から導入し、ウェハＷ上に供給することで、プラズマを利用した処理、例えばエッチング処理によって、ウェハＷの表面に形成されている自然酸化膜や金属酸化膜が除去される。

このような成膜処理において、加熱部８１において処理ガスは所定の温度、例えば１００℃以上に加熱されるが、その際の熱が導入部７３を介して、シールド部材６１から整合器６２に伝わろうとする。

しかしながら、実施の形態にかかるプラズマ成膜処理装置１では、導入部７３とシールド部材６１との貫通部の周縁部には、これらの部材よりも熱伝導率の低い密閉部材９２が設けられているので、整合器６２への熱の伝達は抑えられる。したがって、従来よりも整合器６２の温度上昇を抑えることができる。また加熱部８１からの輻射熱も、フランジ部９１、密閉部材９２を介して抑制することができるから、この点でも整合器６２の温度上昇を抑えることができる。

ところで、前記した高周波電力によるプラズマを用いた処理を行なうにあたり、給電棒６４から発せられる高周波が、周囲に漏洩してしまうことを防止する必要がある。

この点に関し、実施の形態にかかるプラズマ処理装置１では、導入部７３とシールド部材６１との貫通部の周縁部には、密閉部材９２が設けられているので、貫通部に生ずる微小な隙間を介して貫通部から高周波が漏えいすることを防止することができる。したがって、実施の形態にかかるプラズマ処理装置１によれば、処理ガスの加熱に伴う整合器６２の温度上昇を抑えると同時に、高周波の漏えいも防止することが可能である。

より詳述すれば、インレットブロック７１における導入部７３のシールド部材６１への貫通部には、加工精度等により、微小な隙間が生ずる可能性がある。この隙間をそのまま放置すれば、当該隙間から高周波が漏えいしてしまう。そのためこの隙間を、何らかの導電性の部材で密閉する必要がある。しかしながら導入部７３やシールド部材６１と同じ材質で密閉部材を構成すると、シールド効果は得られるものの、熱伝導によってそのままシールド部材６１を介して整合器６２に伝わってしまう。
この点実施の形態では、密閉部材９２には導電性を有するが、導入部７３やシールド部材６１よりも熱伝導率の低い材質（ステンレス鋼のＳＵＳ３０４）を用いているので、シールド効果を発揮しつつ、シールド部材６１への熱伝導は抑えられている。これによって、整合器６２の適切な作動を担保しつつ、高周波の漏えいを抑えることかできる。

また導入部７３からのシールド部材６１を経由しての整合器６２への熱伝導をさらに抑えるには、密閉部材９２の形状を、いわゆるソケット形状としてもよい。すなわち、導入部７３の外周を覆い、かつ導入部７３おけるシールド部材６１との貫通部まで入り込む形状の凸部を有する形状とすることで、導入部７３とシールド部材６とが直接接する部分をなくすようにしてもよい。かかる構成によって、さらに導入部７３からシールド部材６１への熱伝導を抑えることができる。

さらに前記実施の形態では、インレットブロック７１の円環部７２の内径は、給電棒６４の外周からは距離をあけて位置しているので、当該距離に応じた適切な絶縁効果が得られている。したがって、従来この種の装置に採用されていたような、給電棒の外周をＰＴＦＥ等の絶縁部材で被覆する必要はない。したがって、前記実施の形態によれば従来より電気的ロスを減らすことができ、投入電力の効率がよい。

また前記実施の形態では、給電棒６４の周囲から発散される高周波については、給電棒６４における上部では、接地されている導入部７３と接続されている円環部７２で受け止めて、シールドするようになっている。しかしながら、接地を強化するとともに、シールド効果の均一性をより向上させるために、例えば図４に示したように、構成してもよい。

すなわち、図４に示した例では、インレットブロック７１の円環部７２に対して、導入部７３と対向する径方向の位置に、シールド部材６１と間で、接地される接地プレート１１１を設けたものである。これによって、円環部７２で受け止めた高周波は、導入部７３と対称位置からも逃がすことができる。したがって、さらに接地を強化するとともに、アース部分への高周波の流れの偏りを改善することができ、それによって処理の均一性を向上させることができる。

またこれに限らず、さらに複数の接地プレート１１１を等間隔で放射状に、シールド部材６１と円環部との間に接続するようにしてもよい。これによって、給電棒６４からの高周波をさらに均一に逃がすことができ、処理の均一性をさらに向上させることができる。

また前記した実施の形態は、プラズマ処理装置として構成されていたが、他のプラズマ処理装置、たとえばプラズマ成膜装置としても、本開示にかかる技術は具体化できる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記処理容器内の上方に配置された上部電極と、
前記処理容器の上に設けられて、整合器を支持する筒状のシールド部材と、前記整合器を介してプラズマ源からの高周波電力を、前記上部電極に供給するために前記シールド部材の内側に配置された給電棒と、前記シールド部材の外側で加熱された処理ガスを、前記上部電極の上方から前記処理容器内に供給するガス導入部材と、を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材は接地され、前記ガス導入部材と前記シールド部材との貫通部周縁には、前記ガス導入部材と前記シールド部材の材質よりも熱伝導率の低い材質からなる密閉部材が、前記シールド部材の外側に設けられているプラズマ処理装置。
（２）前記ガス導入部材は、前記シールド部材の外側において、外周にフランジ部を有し、前記密閉部材は、前記シールド部材の壁体と前記フランジ部との間で挟持されている、（１）に記載のプラズマ処理装置。
（３）前記ガス導入部材は、前記シールド部材の内側において、内部にガス流路が形成され前記給電棒を囲む形状の円環部を有している、（１）または（２）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
（４）前記シールド部材の内側で、１または２以上の接地部材が、前記円環部と前記シールド部材との間に設けられている、（３）に記載のプラズマ処理装置。
（５）前記加熱された処理ガスは１００℃以上の温度である、（１）〜（４）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
（６）前記ガス導入部材と前記シールド部材は同じ材質からなる、（１）〜（５）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
（７）前記ガス導入部材と前記シールド部材は、アルミ含有金属からなる、（１）〜（６）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
（８）前記アルミ含有金属はＡ５０５２である、（７）に記載のプラズマ処理装置。
（９）前記密閉部材はステンレス鋼である、（１）〜（８）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
（１０）前記ステンレス鋼はＳＵＳ３０４である、（９）に記載のプラズマ処理装置。
（１１）前記した（１）〜（１０）のいずれか記載したプラズマ処理装置を用いて、前記処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なう、プラズマ処理方法。

１ プラズマ処理装置
１１ 処理容器
２１ 載置部
５３ 上部電極
６１ シールド部材
６２ 整合器
６４ 給電棒
７１ インレットブロック
７２ 円環部
７３ 導入部
８１ 加熱部
８２ ヒータ
９１ フランジ部
９２ 密閉部材
１００ 制御部
１１１ 接地プレート
Ｗ ウェハ

Claims (11)

1. 処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、
   前記処理容器内の上方に配置された上部電極と、
   
   前記処理容器の上に設けられて、整合器を支持する筒状のシールド部材と、
   前記整合器を介してプラズマ源からの高周波電力を、前記上部電極に供給するために前記シールド部材の内側に配置された給電棒と、
   前記シールド部材の外側で加熱された処理ガスを、前記上部電極の上方から前記処理容器内に供給するガス導入部材と、を有し、
   前記ガス導入部材と前記シールド部材は接地され、
   前記ガス導入部材と前記シールド部材との貫通部周縁には、導電性を有し、前記ガス導入部材と前記シールド部材の材質よりも熱伝導率の低い材質からなる密閉部材が、前記シールド部材の外側に設けられているプラズマ処理装置。
2. 前記ガス導入部材は、前記シールド部材の外側において、外周にフランジ部を有し、
   前記密閉部材は、前記シールド部材の壁体と前記フランジ部との間で挟持されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記ガス導入部材は、前記シールド部材の内側において、内部にガス流路が形成され前記給電棒を囲む形状の円環部を有している、請求項１または２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記シールド部材の内側で、１または２以上の接地部材が、前記円環部と前記シールド部材との間に設けられている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記加熱された処理ガスは１００℃以上の温度である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス導入部材と前記シールド部材は同じ材質からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記ガス導入部材と前記シールド部材は、アルミ含有金属からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記アルミ含有金属はＡ５０５２である、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記密閉部材はステンレス鋼である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記ステンレス鋼はＳＵＳ３０４である、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いて、前記処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行なう、プラズマ処理方法。

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