JP2020167380A - 基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、基板の一部に対してプラズマ処理を施す基板処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】サセプタと、該サセプタを支持するシャフトと、該サセプタの側面との間に間隙を設けつつ該サセプタを囲むフローコントロールリングと、該フローコントロールリングの直上にある排気ダクトと、該サセプタの上方にあるプレートと、該サセプタ、該フローコントロールリング、該排気ダクト及び該プレートを囲むチャンバと、該シャフトを該チャンバにつなぎ、少なくとも一部が絶縁体である接続部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は基板処理装置に関する。
容量結合プラズマ（Capacitively Coupled Plasma(CCP))はプラズマ処理で広く用いられている。
米国特許第8262923号明細書
しかし、装置内で寄生容量が発生し、意図しないところに電圧がかかり得る。そのような意図しない電圧の印加は電力損失の原因となる。例えばベベルの周囲以外の部分に強い電界が生じると、プラズマの均一性が悪くなったり、ベベルのエッチレートが低下したりする。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、基板の一部に対してプラズマ処理を施す基板処理装置を提供することを目的とする。
本願の発明に係る基板処理装置は、サセプタと、該サセプタを支持するシャフトと、該サセプタの側面との間に間隙を設けつつ該サセプタを囲むフローコントロールリングと、該フローコントロールリングの直上にある排気ダクトと、該サセプタの上方にあるプレートと、該サセプタ、該フローコントロールリング、該排気ダクト及び該プレートを囲むチャンバと、該シャフトを該チャンバにつなぎ、少なくとも一部が絶縁体である接続部と、を備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明によれば、基板の一部に対してプラズマ処理を施すことができる。
基板処理装置の構成例を示す図である。 包囲部の拡大図である。 図３Ａは電気接続の例を示す回路図である。図３Ｂは電気接続の別の例を示す回路図である。 電磁界シミュレーション結果を示す図である。 別の電磁界シミュレーション結果を示す図である。 別の例に係る基板処理装置の断面図である。 さらに別の例に係る基板処理装置の断面図である。
基板処理装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態．
図１は、基板処理装置１０の構成例を示す図である。この基板処理装置１０は基板のベベル処理装置として提供し得る。ベベル処理は、ベベルのエッチング、ベベルの成膜、ベベルの膜の改質を含む。この基板処理装置１０は、接地電極として機能するチャンバ１２を備えている。チャンバ１２の材料は金属である。チャンバ１２の中で、処理対象となる基板はサセプタ１４にのせられる。サセプタ１４は、基板よりも小さい形状を有することで、ベベルがサセプタ１４から突出する。つまりベベルの全体が露出する。サセプタ１４の材料は例えばＡｌ又はＴｉである。
サセプタ１４はシャフト１６によって支持されている。一例によれば、シャフト１６につながりシャフト１６よりも幅が大きい幅広部１８が提供される。幅広部１８はチャンバ１２の外に位置させ得る。チャンバ１２のうちシャフト１６を囲む部分は包囲部１２ａという。包囲部１２ａと幅広部１８との間にベローズ２０が設けられている。このベローズ２０が外部からの力で伸縮することで、サセプタ１４を昇降させ得る。
図２は、包囲部１２ａとその近傍の拡大図である。ベローズ２０はチャンバ１２内の真空を保つ。
幅広部１８とベローズ２０は、シャフト１６をチャンバ１２につなぐ接続部として機能する。例えば、この接続部の少なくとも一部を絶縁体とすることができる。一例によれば幅広部１８を絶縁体とすることができる。別の例によればベローズ２０を絶縁体とすることができる。そのような絶縁体の材料は、誘電率が１０未満の低誘電率材料とすることができる。例えば絶縁体は、石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂である。幅広部１８とベローズ２０は接続部の一例である。別の例では、サセプタ１４を昇降可能としつつ、シャフト１６をチャンバ１２につなぐ、任意の構成の接続部を提供し得る。
図３Ａ、図３Ｂは、チャンバ１２とシャフト１６の間の電気的接続態様の一例を示す回路図である。包囲部１２ａとシャフト１６を離すことでキャパシタＣ１が生じる。シャフト１６とチャンバ１２を接続部でつなぐことで接触抵抗などに起因する第１抵抗Ｒ１が生じる。図３ＡはキャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１を含む回路図である。図３Ｂは接続部の少なくとも一部が絶縁体である場合の回路図である。
このように、包囲部１２ａとシャフト１６を離し、接続部の少なくとも一部を絶縁体にすることで、サセプタ１４をフローティングとすることができる。いいかえれば、サセプタ１４とチャンバ１２の間のインピーダンスを十分高くすることで、サセプタ１４はチャンバ１２と電気的に接しない。
図１の構成の説明に戻る。サセプタ１４の横にはフローコントロールリング（ＦＣＲ）３０が設けられている。ＦＣＲ３０は、サセプタ１４の側面との間に間隙を設けつつサセプタ１４を囲む。ＦＣＲ３０は例えばＡｌ又はＴｉなどの金属とすることができる。一例によれば、ＦＣＲ３０の下面がチャンバ１２に接することで、ＦＣＲ３０は接地させる。
ＦＣＲ３０の直上には排気ダクト３２がある。排気ダクト３２は、ＦＣＲ３０と同様、平面視で環状に形成され得る。排気ダクト３２は、プロセスに用いられたガスをチャンバ１２の外部に排気する流路を提供する。排気ダクト３２の材料は例えばセラミック又はアルミナとし得る。
排気ダクト３２の上には外側プレート４０が乗せられている。外側プレート４０の上には内側プレート４２が乗せられている。一例によれば、外側プレート４０は内側プレート４２を囲みＦＣＲ３０の直上にある。一例によれば、内側プレート４２はサセプタ１４の直上にある。内側プレート４２の中央には貫通穴を設けることができる。外側プレート４０と内側プレート４２をまとめてプレートということがある。
外側プレート４０と内側プレート４２が１つのプレートを構成している。これらは分離可能としてもよいし、一体不可分としてよい。例えば、内側プレート４２は絶縁体であり、外側プレート４０は金属である。内側プレート４２は低誘電率材料とすることができる。低誘電率材料とは、例えば石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂である。外側プレート４０は高周波を印加する電極とすることができる。
チャンバ１２は、サセプタ１４、ＦＣＲ３０、排気ダクト３２、外側プレート４０及び内側プレート４２を囲む。チャンバ１２の外部にはガス源５０、５２が提供されている。一例によれば、ガス源５０は内側プレート４２の貫通孔に不活性ガスを供給することで、内側プレート４２とサセプタ１４の間に平面視で放射状のガス流を生じさせる。このガス流は内側プレート４２とサセプタ１４の間に有意なプラズマが生じることを抑制する。また、ガス源５２は、サセプタ１４とＦＣＲ３０の間に下側から反応ガスを供給する。反応ガスの供給によって、基板のベベル近傍のエッチングを可能とする。
このようなガス流は一例である。別の例によれば、ベベル近傍にプラズマの生成を可能とするガスを供給し得るあらゆるガス源とガス流を採用し得る。したがって、ガスは基板の上側から提供してもよいし、基板の下側から提供してもよい。
図４は、サセプタをフローティングとしたモデルにおける電磁界シミュレーション結果を示す図である。赤い部分で電界強度が高く、青い部分は電界強度が低い。このシミュレーションでは基板処理装置に基板を設けるモデルを採用した。外側プレート４０に高周波電力を印加すると、外側プレート４０とＦＣＲ３０のあいだの空間における電界強度を高めることができる。他方、サセプタ１４をフローティングとしたので、サセプタ１４へのＲＦロスが減り、サセプタ１４と内側プレート４２の間の電界強度を抑制できる。内側プレート４２を低誘電率材料としたことも、サセプタ１４と内側プレート４２の間の電界強度の抑制に貢献する。プレートから、サセプタ１４、シャフト及び接続部を経由して、チャンバ１２に至る経路の合成インピーダンスを５００Ω以上とすることは、異常放電の抑制に貢献する。
図５は、図４のモデルを基本としつつ、内側プレート４２を金属とし、サセプタ１４を接地された金属とした場合における電磁界シミュレーション結果を示す図である。この場合、内側プレート４２とサセプタ１４の間に強い電界が発生しているので、異常放電が懸念される。
このように、プラズマの生成を意図しない部分においてインピーダンスを高めるハード構成を採用することで、電界強度を緩和し、プラズマを生成したいエリアに効率良くＲＦを給電する。電界強度の緩和の方法としては、低誘電率材料を用いることと、該当部分をフローティング電位とすることを挙げた。図１−３の構成は例示であり、図１−３とは異なる構成の基板処理装置についても、同様の考え方で、異常放電を抑制し安定した放電を得る事ができる。
図６は別の例に係る基板処理装置の断面図である。この例では、サセプタ１４をフローティングにするために、包囲部１２ａを絶縁体で構成した。包囲部１２ａは例えば石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂である。この場合、包囲部１２ａは金属のチャンバ１２とは区別される。包囲部１２ａを低誘電率材料とすることは、金属のチャンバ１２とシャフト１６の電気距離を増大させるとともに、金属のチャンバ１２とシャフト１６を電気的に絶縁することを可能とする。よって、サセプタ１４を経由してチャンバ１２に至る経路のインピーダンスをさらに高めることができる。
図７は、さらに別の例に係る基板処理装置の断面図である。ＦＣＲ３０は、チャンバ１２に接する金属部分３０ａと、排気ダクト３２の直下にある絶縁体部分３０ｂと、を有する。一例によれば、ＦＣＲ３０の上面には金属部分３０ａと絶縁体部分３０ｂが露出し、ＦＣＲ３０の下面には金属部分３０ａだけが露出する。ＦＣＲ３０の上面は、排気ダクト３２に向かうガス流を妨げないように、平面とし得る。例えば、絶縁体部分３０ｂは石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂である。
排気ダクト３２は絶縁体である。排気ダクト３２の材料は例えば石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂である。
外側プレート４０とＦＣＲ３０を低いインピーダンスで結合することで、この経路に効率的に高周波エネルギが提供される。しかし、ＦＣＲ３０と排気ダクト３２の間に高い電界が生じるとこの部分に濃度の高いプラズマが生じてしまう。そこで、上述のとおり、ＦＣＲ３０に絶縁体部分３０ｂを設けることで、外側プレート４０とＦＣＲ３０を低いインピーダンスで結合しつつ、排気ダクト３２とＦＣＲ３０のインピーダンスを高めることができる。これにより、排気ダクト３２の直下における放電を抑制し得る。
プレートがサセプタ１４とＦＣＲ３０の上方にある場合、以下のインピーダンスを定義することができる。
（１）プレートとサセプタ１４をとおる経路のインピーダンスである第１インピーダンス
（２）プレートとＦＣＲ３０をとおる経路のインピーダンスである第２インピーダンス
（３）排気ダクト３２をとおる経路のインピーダンスである第３インピーダンス
一例によれば、第１〜第３インピーダンスのうち第２インピーダンスを最小にし得る。これにより、外側プレート４０とＦＣＲ３０の間に局所的なプラズマを生じさせて基板のベベルにプラズマ処理を施すことができる。
例えば、内側プレート４２とサセプタ１４の間の距離をｄ１、内側プレート４２とサセプタ１４が対向する面積をＳ１、内側プレート４２とサセプタ１４の間にある物質の誘電率をε１、外側プレート４０に印加するプラズマ励起周波数をｆ１としたときの第１インピーダンスｄ１／２πｆ１ε１Ｓ１を５０Ωより大きくすることができる。これを実現するためには、例えば内側プレート４２として石英などを採用したり、ｄ１、Ｓ１を調整したりする。なお、ｆ１は１３．５６ＭＨｚであり、ε１を空気の誘電率であるとした場合にはｄ１／Ｓ１を０．３７７７より大きくする。
例えば、排気ダクト３２とＦＣＲ３０の間の距離をｄ２、排気ダクト３２とＦＣＲ３０が対向する面積をＳ２、排気ダクト３２とＦＣＲ３０の間にある物質の誘電率をε２、外側プレート４０に印加するプラズマ励起周波数をｆ２としたときの第３インピーダンスｄ２／２πｆ２ε２Ｓ２を５０Ωより大きくすることができる。これを実現するためには、例えば排気ダクト３２として石英を採用したり、ｄ２、Ｓ２を調整したり、図７の絶縁体部分３０ｂとして石英を採用したりする。なお、ｆ２は１３．５６ＭＨｚであり、ε２を空気の誘電率であるとした場合にはｄ２／Ｓ２を０．３７７７より大きくする。排気ダクト３２とチャンバ１２をとおる経路のインピーダンスである別の第３インピーダンスは、５０Ωより大きくすることができる。
別の例によれば、ｄ１／２πｆ１ε１Ｓ１は５００Ωより大きくし、ｄ２／２πｆ２ε２Ｓ２を５００Ωより大きくし、別の第３インピーダンスを５００Ωより大きくすることができる。他の例では他の数値とし得る。
このように、第１インピーダンスと第３インピーダンスを高い値としつつ、第２インピーダンスは例えば５０Ω未満とすることで、外側プレート４０とＦＣＲ３０の間に十分なプラズマを生成しうる。異常放電の懸念がある場所は装置構成によって変わる。よって、ベベルが位置する空間でインピーダンスを小さくし、それ以外の場所でインピーダンスを高くする任意の構成を採用し得る。
１２ チャンバ、 １２ａ 包囲部、 １４ サセプタ、 １６ シャフト、 １８ 幅広部、 ２０ ベローズ、 ３０ ＦＣＲ、 ３２ 排気ダクト、 ４０ 外側プレート、 ４２ 内側プレート、 ５０，５２ ガス源

Claims (13)

  1. サセプタと、
    前記サセプタを支持するシャフトと、
    前記サセプタの側面との間に間隙を設けつつ前記サセプタを囲むフローコントロールリングと、
    前記フローコントロールリングの直上にある排気ダクトと、
    前記サセプタの上方にあるプレートと、
    前記サセプタ、前記フローコントロールリング、前記排気ダクト及び前記プレートを囲むチャンバと、
    前記シャフトを前記チャンバにつなぎ、少なくとも一部が絶縁体である接続部と、を備えたことを特徴とする基板処理装置。
  2. 前記接続部は、前記シャフトにつながり前記シャフトよりも幅が大きく前記チャンバの外に位置する幅広部と、前記チャンバのうち前記シャフトを囲む部分である包囲部と前記幅広部との間に設けられたベローズと、を有することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記絶縁体は、石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板処理装置。
  4. 前記プレートは、前記サセプタの直上にある内側プレートと、前記内側プレートを囲み前記フローコントロールリングの直上にある外側プレートと、を有し、
    前記内側プレートは絶縁体であり、前記外側プレートは金属であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 前記プレートから、前記サセプタ、前記シャフト及び前記接続部を経由して、前記チャンバに至る経路の合成インピーダンスを５００Ω以上としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  6. 前記絶縁体は、前記シャフトを囲み、前記チャンバと前記シャフトの間に位置することを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  7. サセプタと、
    前記サセプタの側面との間に間隙を設けつつ前記サセプタを囲む、フローコントロールリングと、
    前記フローコントロールリングの直上にある排気ダクトと、
    前記サセプタの上方にあるプレートと、
    前記サセプタ、前記フローコントロールリング、前記排気ダクト及び前記プレートを囲むチャンバと、を備え、
    前記フローコントロールリングは、前記チャンバに接する金属部分と、前記排気ダクトの直下にある絶縁体部分と、を有することを特徴とする基板処理装置。
  8. 前記フローコントロールリングの上面には前記金属部分と前記絶縁体部分が露出し、前記フローコントロールリングの下面には前記金属部分だけが露出したこと特徴とする請求項７に記載の基板処理装置。
  9. 前記排気ダクトは絶縁体であることを特徴とする請求項７又は８に記載の基板処理装置。
  10. 前記絶縁体部分は石英、アルミナ又はフッ素含有樹脂であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  11. サセプタと、
    前記サセプタの側面との間に間隙を設けつつ前記サセプタを囲むフローコントロールリングと、
    前記フローコントロールリングの直上にある排気ダクトと、
    前記サセプタと前記フローコントロールリングの上方にあるプレートと、
    前記サセプタ、前記フローコントロールリング、前記排気ダクト及び前記プレートを囲むチャンバと、を備え、
    前記プレートと前記サセプタをとおる経路のインピーダンスである第１インピーダンス、前記プレートと前記フローコントロールリングをとおる経路のインピーダンスである第２インピーダンス、前記排気ダクトと前記フローコントロールリングをとおる経路のインピーダンスである第３インピーダンスのうち、前記第２インピーダンスを最小にしたことを特徴とする基板処理装置。
  12. 前記プレートと前記サセプタの間の距離をｄ１、前記プレートと前記サセプタが対向する面積をＳ１、前記プレートと前記サセプタの間にある物質の誘電率をε１、前記プレートに印加するプラズマ励起周波数をｆ１としたときのｄ１／２πｆ１ε１Ｓ１を５０Ωより大きくし、
    前記排気ダクトと前記フローコントロールリングの間の距離をｄ２、前記排気ダクトと前記フローコントロールリングが対向する面積をＳ２、前記排気ダクトと前記フローコントロールリングの間にある物質の誘電率をε２、前記プレートに印加するプラズマ励起周波数をｆ２としたときのｄ２／２πｆ２ε２Ｓ２を５０Ωより大きくしたことを特徴とする請求項１１に記載の基板処理装置。
  13. 前記ｄ１／２πｆ１ε１Ｓ１は５００Ωより大きくし、前記ｄ２／２πｆ２ε２Ｓ２を５００Ωより大きくしたことを特徴とする請求項１２に記載の基板処理装置。
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