JP2021026846A

JP2021026846A - プラズマ処理装置及び制御方法

Info

Publication number: JP2021026846A
Application number: JP2019142193A
Authority: JP
Inventors: 池田　太郎; Taro Ikeda; 太郎池田; 佐藤　幹夫; Mikio Sato; 幹夫佐藤; 英紀鎌田; Hideki Kamada
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-22
Also published as: KR20210015659A; KR102433474B1; CN112309817A; US20210035787A1; US11600475B2

Abstract

【課題】金属窓を用いた誘導結合型のプラズマ処理装置においてプラズマの状態を監視できる技術を提供する。【解決手段】本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、本体容器と、前記本体容器の内部のプラズマ生成領域に誘導結合プラズマを発生させる１又は複数の高周波アンテナと、前記プラズマ生成領域と前記高周波アンテナとの間に配置され、前記本体容器と絶縁されると共に互いに絶縁された複数の金属窓と、前記複数の金属窓の各々に接続され、生成されたプラズマの状態を検出するプラズマ検出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置及び制御方法に関する。

金属窓を用いた誘導結合型のプラズマ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１５３４２号公報

本開示は、金属窓を用いた誘導結合型のプラズマ処理装置においてプラズマの状態を監視できる技術を提供する。

本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、本体容器と、前記本体容器の内部のプラズマ生成領域に誘導結合プラズマを発生させる１又は複数の高周波アンテナと、前記プラズマ生成領域と前記高周波アンテナとの間に配置され、前記本体容器と絶縁されると共に互いに絶縁された複数の金属窓と、前記複数の金属窓の各々に接続され、生成されたプラズマの状態を検出するプラズマ検出部と、を備える。

本開示によれば、金属窓を用いた誘導結合型のプラズマ処理装置においてプラズマの状態を監視できる。

一実施形態の誘導結合型のプラズマ処理装置を示す断面図図１のプラズマ処理装置が備えるプラズマ検出部を説明するための図プラズマ処理装置の別の例を示す図プラズマ処理装置の更に別の例を示す図

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。

〔プラズマ処理装置〕
図１は、一実施形態の誘導結合型のプラズマ処理装置を示す断面図である。プラズマ処理装置１００は、例えばフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用ガラス基板上に薄膜トランジスタを形成する際の金属膜、ＩＴＯ膜、酸化膜等のエッチングや、レジスト膜のアッシング処理等のプラズマ処理に利用できる。ＦＰＤは、例えば液晶ディスプレイ、エレクトロルミネセンスディスプレイ、プラズマディスプレイである。また、プラズマ処理装置１００は、ＦＰＤ用ガラス基板に限らず、太陽電池パネル用ガラス基板や半導体ウエハに対してその製造過程で施される各種のプラズマ処理にも利用できる。

プラズマ処理装置１００は、本体容器１を有する。本体容器１は、導電性材料、例えば陽極酸化処理により内壁面に陽極酸化膜が形成されたアルミニウムからなる角筒形状の気密な容器である。本体容器１は、接地線２により接地されている。本体容器１の内部は、金属窓３により上方のアンテナ室４と下方の処理室５とに区画されている。

金属窓３は、支持棚６と、支持梁７と、金属窓３０ａ〜３０ｄと、を含む。支持棚６及び支持梁７は、本体容器１におけるアンテナ室４の側壁４ａと処理室５の側壁５ａとの間において本体容器１の内側に突出するように設けられている。金属窓３０ａ〜３０ｄは、支持棚６及び支持梁７に絶縁体２８により互いに絶縁されて載置されている。

処理室５の天井壁となる金属窓３の大部分は、金属窓３０ａ〜３０ｄが占める。金属窓３０ａ〜３０ｄは、それぞれ矩形状を有する。金属窓３０ａ〜３０ｄは、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属により形成されている。金属窓３０ａ〜３０ｄがアルミニウム又はアルミニウム合金である場合、耐食性を高めるために、少なくとも処理室５側の面（下面）に陽極酸化膜若しくはセラミック溶射膜、又はセラミック製若しくは石英製のカバーを形成することが好ましい。

金属窓３０ａ〜３０ｄには、生成されたプラズマの状態を検出するプラズマ検出部８０が接続されている。プラズマ検出部８０は、金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧を印加したときの金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を測定することにより、プラズマの状態を検出する。なお、プラズマ検出部８０の詳細については後述する。

支持棚６及び支持梁７は、導電性材料、例えばアルミニウム等の非磁性金属で構成され、本体容器１と電気的に接続されている。絶縁体２８は、電気的絶縁体であり、例えばセラミック、石英、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。プラズマ処理装置１００では、支持梁７は処理ガス供給用のシャワー筐体を兼ねており、支持梁７の内部に基板Ｇの処理対象の面に対して平行に伸びるガス流路８が形成されている。ガス流路８には、処理室５の内部に処理ガスを噴出する複数のガス吐出孔８ａが形成されている。ガス吐出孔８ａは、処理ガス供給機構９からガス供給管１０を介してガス流路８に供給される処理ガスを処理室５の内部に吐出する。なお、処理ガスは、金属窓３０ａ〜３０ｄをシャワーヘッドとして構成すれば、金属窓３０ａ〜３０ｄから供給することもできる。

金属窓３の上側に形成されたアンテナ室４には、金属窓３０ａ〜３０ｄに面するように高周波アンテナ１１が配置されている。高周波アンテナ１１は、絶縁部材からなるスペーサ１２を介して金属窓３０ａ〜３０ｄと一定間隔で離間して配置されている。高周波アンテナ１１には、整合器１４及び給電線１５を介して第１の高周波電源１３が接続されており、プラズマ処理の実行中には、誘導電界形成用の高周波電力が高周波アンテナ１１に導入される。高周波電力の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚである。

高周波アンテナ１１は、高周波電力が供給されることで、本体容器１の内部のプラズマ生成領域に誘導結合プラズマを発生させる。より具体的には、高周波アンテナ１１に高周波電力が供給されると、金属窓３０ａ〜３０ｄに渦電流が誘起され、この渦電流によって処理室５の内部のプラズマ生成領域に誘導電界が形成される。そして、形成された誘導電界により、ガス吐出孔８ａから供給された処理ガスが処理室５の内部のプラズマ生成領域においてプラズマ化される。

処理室５には、金属窓３０ａ〜３０ｄと対向するように基板Ｇを載置する載置台１６が、本体容器１から絶縁部材１７によって電気的に絶縁された状態で配置されている。載置台１６は、導電性材料、例えばアルミニウムで構成され、その表面は陽極酸化処理されている。載置台１６には静電チャック（図示せず）が設けられており、基板Ｇは静電チャックによって載置台１６に吸着保持される。

載置台１６には整合器１９及び給電線２０を介して第２の高周波電源１８が接続されており、プラズマ処理の実行中には、バイアス用の高周波電力が載置台１６に印加される。高周波電力の周波数は、例えば３．２ＭＨｚである。バイアス用の高周波電力が載置台１６に印加されることで、処理室５の内部で生成したプラズマに含まれるイオンを効果的に基板Ｇに引き込むことができる。

載置台１６の内部には、基板Ｇの温度を制御するためのセラミックヒータ等の加熱部や冷媒流路等からなる温度制御機構と温度センサ等が設けられる。また、基板Ｇの支持手段は、載置台１６に限定されるものではなく、バイアス用高周波電力の供給や温度調節機構が不要である場合には、基板Ｇを下部又は側部から突出したピン若しくは棒状部材で支持してもよく、或いは、搬送機構のピック等で支持してもよい。

処理室５の側壁５ａには、処理室５の内部に基板Ｇを搬入出する搬入出口２１が設けられている。搬入出口２１は、ゲートバルブ２２によって開閉される。処理室５の底壁５ｂには、処理室５の内部を排気する排気口２３が設けられている。排気口２３には、真空ポンプ等を含む排気装置２４が接続される。排気装置２４により処理室５の内部が排気され、プラズマ処理の実行中には処理室５の内部の圧力が所定の真空雰囲気（例えば１．３３Ｐａ）に設定、維持される。

プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置９０により制御される。制御装置９０は、マイクロプロセッサ９１、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３を有する。ＲＯＭ９２やＲＡＭ９３には、プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ９１は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、プラズマ処理装置１００の各部を制御する制御部の一例である。また、制御装置９０は、タッチパネル９４及びディスプレイ９５を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。

係るプラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、基板Ｇが、搬送アーム（図示せず）に保持された状態で、開口したゲートバルブ２２から搬入出口２１を通り処理室５の内部に搬入される。ゲートバルブ２２は基板Ｇが搬入された後に閉じられる。基板Ｇは、載置台１６の上方まで搬送されると、搬送アームから支持ピン（図示せず）に移され、支持ピンが降下することにより載置台１６に載置される。処理室５の内部の圧力は、排気装置２４により所定の真空度に保持される。処理ガス供給機構９からガス供給管１０を介してガス流路８に処理ガスが供給され、ガス吐出孔８ａから処理室５の内部に導入される。第１の高周波電源１３から整合器１４及び給電線１５を介して高周波アンテナ１１に供給された誘導電界形成用の高周波電力により、金属窓３０ａ〜３０ｄに渦電流が誘起され、この渦電流によって処理室５の内部のプラズマ生成領域に誘導電界が形成される。そして、形成された誘導電界により、ガス吐出孔８ａから供給された処理ガスが処理室５の内部のプラズマ生成領域においてプラズマ化され、基板Ｇにプラズマ処理が施される。

〔プラズマ検出部〕
図２は、図１のプラズマ処理装置１００が備えるプラズマ検出部８０を説明するための図であり、高周波アンテナ１１及び金属窓３０ａ〜３０ｄを上面から見た概略図である。プラズマ検出部８０は、金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧を印加したときの金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を測定することにより、プラズマの状態を検出する。

プラズマ検出部８０は、交流電源８１と、測定器８２ａ〜８２ｄと、ローパスフィルタ８３ａ〜８３ｄと、を含む。

交流電源８１は、給電線８４ａ〜８４ｄを介して金属窓３０ａ〜３０ｄと接続されている。交流電源８１は、制御装置９０の制御により、給電線８４ａ〜８４ｄを介して金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧を印加する。交流電圧の電圧値は例えば数Ｖであり、周波数は例えば数十ｋＨｚである。なお、図２では、４つの金属窓３０ａ〜３０ｄに対して１つの交流電源８１を設けている場合を示しているが、本開示はこれに限定されない。例えば、金属窓３０ａ〜３０ｄの各々に１つの交流電源８１を設けてもよい。

測定器８２ａ〜８２ｄは、金属窓３０ａ〜３０ｄの各々に対応して設けられている。測定器８２ａ〜８２ｄは、交流電源８１から給電線８４ａ〜８４ｄを介して金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧が印加されると、プラズマ処理中に金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を、給電線８４ａ〜８４ｄを介して測定する。

ローパスフィルタ８３ａ〜８３ｄは、それぞれ給電線８４ａ〜８４ｄに介設されている。ローパスフィルタ８３ａ〜８３ｄは、それぞれ給電線８４ａ〜８４ｄを流れる交流電流のうち不要な高周波成分を除去することにより、不要な高調波成分が給電線８４ａ〜８４ｄを通って測定器８２ａ〜８２ｄに流れ込むことを防止する。また、給電線８４ａ〜８４ｄのそれぞれには、コンデンサが介設されていてもよい。

係るプラズマ検出部８０では、制御装置９０の制御により交流電源８１から金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧が印加されると、測定器８２ａ〜８２ｄはプラズマ処理中に金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を、給電線８４ａ〜８４ｄを介して測定する。金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流は、処理室５の内部において生成されるプラズマに流れる電流と等価である。そのため、プラズマ処理中に金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を測定することで、処理室５の内部において生成されるプラズマの状態を検出できる。

測定器８２ａ〜８２ｄは、測定した電流の波形を示す信号を制御装置９０に送信する。信号を受信した制御装置９０のマイクロプロセッサ９１は、信号に含まれる電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの状態を算出する。プラズマの状態は、例えば電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅである。これにより、４つの金属窓３０ａ〜３０ｄの各々の下方におけるプラズマの状態をリアルタイムで監視できる。その結果、プラズマ処理中のプラズマの状態の経時変化や面内分布の変動を検知できる。

マイクロプロセッサ９１は、測定器８２ａ〜８２ｄによる測定結果に基づき算出したプラズマの状態（例えば、プラズマの電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅ）に応じて、プラズマ処理装置１００の装置パラメータを補正する。これにより、処理室５の内部において生成されるプラズマの状態の経時変化や面内分布を調整できる。なお、装置パラメータは、例えば第１の高周波電源１３の出力（高周波電力）や周波数、処理室５の内部の圧力である。

図３は、プラズマ処理装置の別の例を示す図であり、高周波アンテナ及び金属窓を上面から見た概略図である。図３に示されるプラズマ処理装置は、本体容器１が円筒形状の気密な容器であり、金属窓３０ａ〜３０ｄの各々が中心角を９０度とする扇形状である。

図３に示されるプラズマ処理装置においても、前述のプラズマ処理装置１００と同様に、プラズマ検出部８０は、金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧を印加したときの金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を測定することにより、プラズマの状態を検出する。これにより、４つの金属窓３０ａ〜３０ｄの下方における周方向のプラズマの状態の分布を監視できる。具体的には、制御装置９０の制御により交流電源８１から金属窓３０ａ〜３０ｄに交流電圧が印加されると、測定器８２ａ〜８２ｄはプラズマ処理中に金属窓３０ａ〜３０ｄに流れる電流を、給電線８４ａ〜８４ｄを介して測定する。測定器８２ａ〜８２ｄは、測定した電流の波形を示す信号を制御装置９０に送信する。信号を受信した制御装置９０のマイクロプロセッサ９１は、信号に含まれる電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの状態を算出する。これにより、４つの金属窓３０ａ〜３０ｄの各々の下方におけるプラズマの状態を監視できる。これにより、４つの金属窓３０ａ〜３０ｄの各々の下方におけるプラズマの状態をリアルタイムで監視できる。その結果、プラズマ処理中のプラズマの状態の経時変化や面内分布の変動を検知できる。

マイクロプロセッサ９１は、測定器８２ａ〜８２ｄによる測定結果に基づき算出したプラズマの状態（例えば、プラズマの電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅ）に応じて、プラズマ処理装置１００の装置パラメータを補正する。これにより、処理室５の内部において生成されるプラズマの状態の経時変化や面内分布を調整できる。

図４は、プラズマ処理装置の更に別の例を示す図であり、高周波アンテナ及び金属窓を上面から見た概略図である。図４に示されるプラズマ処理装置は、６つの金属窓３０ｅ〜３０ｊと、３つの高周波アンテナ１１ａ〜１１ｃと、プラズマ検出部８０Ａと、を有する。

高周波アンテナ１１ａは、金属窓３の上側に形成されたアンテナ室４に、平面視で金属窓３０ｅ〜３０ｇの各々の少なくとも一部と重なるように配置されている。プラズマ処理の間、高周波アンテナ１１ａには誘導電界形成用の高周波電力が、第１の高周波電源１３ａから整合器１４ａ及び給電線１５ａを介して供給される。高周波電力が高周波アンテナ１１ａに供給されることで、金属窓３０ｅ〜３０ｇに渦電流が誘起され、この渦電流によって処理室５の内部の金属窓３０ｅ〜３０ｇの下方の領域に誘導電界が形成される。そして、形成された誘導電界により、ガス吐出孔８ａから供給された処理ガスが処理室５の内部のプラズマ生成領域においてプラズマ化される。

高周波アンテナ１１ｂは、金属窓３の上側に形成されたアンテナ室４に、平面視で金属窓３０ｅ〜３０ｇ及び金属窓３０ｈ〜３０ｊの各々の少なくとも一部と重なるように配置されている。プラズマ処理の間、高周波アンテナ１１ｂには誘導電界形成用の高周波電力が、第１の高周波電源１３ｂから整合器１４ｂ及び給電線１５ｂを介して供給される。高周波電力が高周波アンテナ１１ｂに供給されることで、金属窓３０ｅ〜３０ｇ及び金属窓３０ｈ〜３０ｊに渦電流が誘起され、この渦電流によって処理室５の内部の金属窓３０ｅ〜３０ｇ及び金属窓３０ｈ〜３０ｊの下方の領域に誘導電界が形成される。そして、形成された誘導電界により、ガス吐出孔８ａから供給された処理ガスが処理室５の内部のプラズマ生成領域においてプラズマ化される。

高周波アンテナ１１ｃは、金属窓３の上側に形成されたアンテナ室４に、平面視で金属窓３０ｈ〜３０ｊの各々の少なくとも一部と重なるように配置されている。プラズマ処理の間、高周波アンテナ１１ｃには誘導電界形成用の高周波電力が、第１の高周波電源１３ｃから整合器１４ｃ及び給電線１５ｃを介して供給される。高周波電力が高周波アンテナ１１ｃに供給されることで、金属窓３０ｈ〜３０ｊに渦電流が誘起され、この渦電流によって処理室５の内部の金属窓３０ｈ〜３０ｊの下方の領域に誘導電界が形成される。そして、形成された誘導電界により、ガス吐出孔８ａから供給された処理ガスが処理室５の内部のプラズマ生成領域においてプラズマ化される。

プラズマ検出部８０Ａは、金属窓３０ｅ〜３０ｊに交流電圧を印加したときの金属窓３０ｅ〜３０ｊに流れる電流を測定することにより、プラズマの状態を検出する。これにより、６つの金属窓３０ｅ〜３０ｊの下方におけるプラズマの状態の分布を監視できる。具体的には、制御装置９０の制御により交流電源８１から金属窓３０ｅ〜３０ｊに交流電圧が印加されると、測定器８２ｅ〜８２ｊはプラズマ処理中に金属窓３０ｅ〜３０ｊに流れる電流を、給電線８４ｅ〜８４ｊを介して測定する。測定器８２ｅ〜８２ｊは、測定した電流の波形を示す信号を制御装置９０に送信する。信号を受信した制御装置９０のマイクロプロセッサ９１は、信号に含まれる電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの状態を算出する。これにより、６つの金属窓３０ｅ〜３０ｊの各々の下方におけるプラズマの状態をリアルタイムで監視できる。その結果、プラズマ処理中のプラズマの状態の経時変化や面内分布の変動を検知できる。

マイクロプロセッサ９１は、測定器８２ｅ〜８２ｊによる測定結果に基づき算出したプラズマの状態に応じて、算出に使用した８２ｅ〜８２ｊに対応する高周波アンテナ１１ａ〜１１ｃに供給される高周波電力をプラズマ処理中にリアルタイムに制御する。具体的には、マイクロプロセッサ９１は、算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに応じて、対応する高周波アンテナ１１ａ〜１１ｃに接続された第１の高周波電源１３ａ〜１３ｃが供給する高周波電力を制御する。これにより、処理室５の内部において生成されるプラズマの状態の分布を調整できる。

例えば、測定器８２ｅ〜８２ｇが測定した金属窓３０ｅ〜３０ｇに流れる電流が、測定器８２ｈ〜８２ｊが測定した金属窓３０ｈ〜３０ｊに流れる電流よりも小さい場合、マイクロプロセッサ９１は、高周波アンテナ１１ａに供給される高周波電力を大きくする。又は、マイクロプロセッサ９１は、高周波アンテナ１１ｃに供給される高周波電力を小さくする。

一方、測定器８２ｅ〜８２ｇが測定した金属窓３０ｅ〜３０ｇに流れる電流が、測定器８２ｈ〜８２ｊが測定した金属窓３０ｈ〜３０ｊに流れる電流よりも大きい場合、マイクロプロセッサ９１は、高周波アンテナ１１ａに供給される高周波電力を小さくする。又は、マイクロプロセッサ９１は、高周波アンテナ１１ｃに供給される高周波電力を大きくする。

なお、図４の例では、複数の金属窓に対応して１又は複数の高周波アンテナが配置されている場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、金属窓と高周波アンテナとが１対１に対応するように配置してもよい。この場合、処理室５の内部において生成されるプラズマの状態の分布を精度よく調整できる。

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趣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。

１本体容器
１１、１１ａ〜１１ｃ高周波アンテナ
３０ａ〜３０ｊ金属窓
８０、８０Ａプラズマ検出部
９０制御装置
１００プラズマ処理装置

Claims

本体容器と、
前記本体容器の内部のプラズマ生成領域に誘導結合プラズマを発生させる１又は複数の高周波アンテナと、
前記プラズマ生成領域と前記高周波アンテナとの間に配置され、前記本体容器と絶縁されると共に互いに絶縁された複数の金属窓と、
前記複数の金属窓の各々に接続され、生成されたプラズマの状態を検出するプラズマ検出部と、
を備える、
プラズマ処理装置。
前記プラズマ検出部は、前記金属窓に交流電圧を印加して該金属窓に流れる電流を測定することにより、前記プラズマの状態を検出する、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ検出部は、前記複数の金属窓の各々に流れる電流を測定することにより、前記複数の金属窓の各々に対応する前記プラズマの状態を検出する、
請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマの状態は、プラズマの電子密度、電子温度の少なくともいずれかを含む、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
プラズマ処理の際に前記プラズマ検出部が検出した前記プラズマの状態に基づいて、前記プラズマ処理の条件を制御する制御部を備える、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ処理の条件は、前記高周波アンテナに供給する高周波電力を含む、
請求項５に記載のプラズマ処理装置。
本体容器と、
前記本体容器の内部のプラズマ生成領域に誘導結合プラズマを発生させる１又は複数の高周波アンテナと、
前記プラズマ生成領域と前記高周波アンテナとの間に配置され、前記本体容器と絶縁されると共に互いに絶縁された複数の金属窓と、
前記複数の金属窓の各々に接続され、生成されたプラズマの状態を検出するプラズマ検出部と、
を備えるプラズマ処理装置を使用して、プラズマを制御する制御方法であって、
プラズマ処理の際に前記プラズマ検出部が検出した前記プラズマの状態に基づいて、前記プラズマ処理の条件を制御する、
制御方法。