JP2021040011A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プロセス特性の変動を抑制し、かつ、デバイスの歩留まりを向上させること。【解決手段】実施形態のプラズマ処理装置は、基板を処理する処理容器と、処理容器内に電力を供給してプラズマを生成する電源と、処理容器内に設置される上部電極と、上部電極に対向する下部電極を有し、基板が載置される基板載置台と、基板載置台の外縁部に配置され、基板の周囲を囲むエッジリングと、エッジリングの少なくとも一部を上下に駆動させる駆動機構と、を備え、エッジリングは、基板載置台の外縁部上に載置される下部リングと、下部リング上に載置され、駆動機構により上下動する上部リングと、上部リングの下面に上部リングとともに上下動可能に配置され、処理容器内へと開放する側に向いた面を有する補助リングと、を有する。【選択図】図2
Description
本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関する。
基板を処理するプラズマ処理装置では、プラズマにより処理容器内の部材が摩耗する。基板周辺に配置されるエッジリングが摩耗すると、プラズマのシース歪みが生じてプロセス特性が変動する。
1つの実施形態は、プロセス特性の変動を抑制し、かつ、デバイスの歩留まりを向上させることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
実施形態のプラズマ処理装置は、基板を処理する処理容器と、前記処理容器内に電力を供給してプラズマを生成する電源と、前記処理容器内に設置される上部電極と、前記上部電極に対向する下部電極を有し、前記基板が載置される基板載置台と、前記基板載置台の外縁部に配置され、前記基板の周囲を囲むエッジリングと、前記エッジリングの少なくとも一部を上下に駆動させる駆動機構と、を備え、前記エッジリングは、前記基板載置台の外縁部上に載置される下部リングと、前記下部リング上に載置され、前記駆動機構により上下動する上部リングと、前記上部リングの下面に前記上部リングとともに上下動可能に配置され、前記処理容器内へと開放する側に向いた面を有する補助リングと、を有する。
以下に、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により、本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
(プラズマ処理装置の構成例)
図1は、実施形態にかかるプラズマ処理装置1の構成の一例を模式的に示す断面図である。プラズマ処理装置1は、例えば基板としてのウェハ100をプラズマエッチング処理するRIE(Reactive Ion Etching)装置として構成されている。
図1は、実施形態にかかるプラズマ処理装置1の構成の一例を模式的に示す断面図である。プラズマ処理装置1は、例えば基板としてのウェハ100をプラズマエッチング処理するRIE(Reactive Ion Etching)装置として構成されている。
図1に示すように、プラズマ処理装置1は、気密に構成された、例えばアルミニウム製の処理容器としてのチャンバ11を備える。
チャンバ11の上部付近には、ガス供給口13が設けられている。ガス供給口13には、配管を通じて図示しないガス供給装置が接続され、プラズマ処理時に使用される処理ガスが供給される。
チャンバ11の上部付近であって、ガス供給口13の下方には、上部電極として機能するシャワーヘッド30が設けられている。シャワーヘッド30には、板の厚さ方向を貫通する複数のガス流路32が設けられている。ガス供給口13から供給された処理ガスは、ガス流路32を介してチャンバ11内に導入される。
シャワーヘッド30の下方には、シャワーヘッド30に対向するように、基板載置台としてのウェハステージ20が配置されている。ウェハステージ20には電極が内蔵され、ウェハステージ20は、処理対象のウェハ100を水平に支持するとともに、下部電極として機能する。ウェハステージ20が、ウェハ100を静電的に吸着させる静電チャックとして構成されていてもよい。
ウェハステージ20は、チャンバ11の中央付近の底壁から鉛直上方に筒状に突出する支持部12上に支持されている。支持部12は、シャワーヘッド30と平行に対向するようにウェハステージ20を支持する。また、支持部12は、シャワーヘッド30から所定の距離を隔てたチャンバ11の中央付近に位置するようにウェハステージ20を支持する。このような構造によって、シャワーヘッド30とウェハステージ20とは、1対の平行平板電極を構成している。
ウェハステージ20には、高周波電力を供給する給電線41が接続されている。給電線41には、ブロッキングコンデンサ42、整合器43および高周波電源44が接続されている。高周波電源44からは、プラズマ処理時に所定の周波数の高周波電力がウェハステージ20に供給される。
ウェハステージ20の外周には、ウェハステージ20の側面および周縁部の底面を覆うエッジリング50が配置されている。エッジリング50は、ウェハ100のエッチング時に、電界がウェハ100の周縁部で、ウェハ面に垂直な鉛直方向に対して偏向しないように電界を調整する。
エッジリング50は、例えば、下部リング51、中間リング52、上部リング53、及び補助リング54の複数の部材から構成されている。各部材は、例えば石英、シリコン、シリコンカーバイド、またはセラミック等から構成される。各部材が、それぞれ異なる材料から構成されていてもよい。これらの部材の詳細の構成については後述する。
エッジリング50の下方には、ウェハステージ20の周縁部を貫通して上部リング53の下面に当接するピン53pと、ウェハステージ20の周縁部を貫通して補助リング54の下面に当接するピン54pとが設置されている。
ピン53pは、エンコーダを備えるアクチュエータ等である駆動部53aに接続されている。駆動部53aによってピン53pが上下に駆動されることにより、上部リング53が上下動可能に構成される。ピン54pは、エンコーダを備えるアクチュエータ等である駆動部54aに接続されている。駆動部54aによってピン54pが上下に駆動されることにより、補助リング54が上下動可能に構成される。
なお、上部リング53は、上部リング53の周方向に沿って等間隔に配置される複数のピン53pに支持される。また、補助リング54は、補助リング54の周方向に沿って等間隔に配置される複数のピン54pに支持される。ピン53p,54pは、それぞれ3つ以上あればよく、また、それぞれが駆動部53a,54aを備える。
主に、3対以上のピン53p,54p及びこれらと対応する3対以上の駆動部53a,54aにより駆動機構が構成される。
エッジリング50とチャンバ11の側壁との間には、バッフルプレート17が設けられている。バッフルプレート17は、板の厚さ方向を貫通する複数のガス排出孔17eを有する。
バッフルプレート17よりも下部のチャンバ11にはガス排気口14が設けられている。ガス排気口14には、配管を通じて図示しない排気手段である真空ポンプが接続されている。
チャンバ11内のウェハステージ20およびバッフルプレート17と、シャワーヘッド30とで仕切られた領域は、プラズマ処理室61となる。シャワーヘッド30で仕切られたチャンバ11内の上部の領域は、ガス供給室62となる。ウェハステージ20およびバッフルプレート17で仕切られたチャンバ11内の下部の領域はガス排気室63となる。
ウェハ100のプラズマ処理時には、ウェハステージ20上に処理対象であるウェハ100が載置される。また、ガス排気口14に接続される図示しない真空ポンプでチャンバ11内が真空引きされる。チャンバ11内が所定の圧力に達すると、図示しないガス供給装置からガス供給室62に処理ガスが供給され、シャワーヘッド30のガス流路32を介してプラズマ処理室61に供給される。上部電極であるシャワーヘッド30を接地した状態で、下部電極であるウェハステージ20に高周波電圧を印加して、プラズマ処理室61内にプラズマを生成させる。下部電極側には高周波電圧による自己バイアスにより、プラズマとウェハ100との間に電位勾配が生じ、プラズマ中のイオンがウェハステージ20へと加速されることになり、異方性エッチング処理が行われる。
制御部70は、ウェハステージ20、高周波電源44、駆動部53a,54a、ガス供給装置、及び真空ポンプ等のプロセス処理装置1の各部を制御して、上記プラズマ処理を可能とする。
(エッジリングの構成例)
次に、図2を用いて、実施形態のエッジリング50の詳細構成例について説明する。図2は、実施形態にかかるエッジリング50の片側断面図である。図2の左下方には、エッジリング50がウェハステージ20に設置された状態を示す。
次に、図2を用いて、実施形態のエッジリング50の詳細構成例について説明する。図2は、実施形態にかかるエッジリング50の片側断面図である。図2の左下方には、エッジリング50がウェハステージ20に設置された状態を示す。
図2に示すように、下部リング51は、本体51bと本体51bの一端から下方へと延びる脚部51fとを有する。本体51bは、内壁面51n側の上部に凹部51rを有する。凹部51rの底面、及び本体51bの外周寄りの上面には、それぞれ貫通孔51tが配置されている。
中間リング52は、リング状の片側断面がエル字型に構成される。つまり、中間リング52は、外壁面52u側の上面が窪んだ形状を有する。
上部リング53もまた、リング状の片側断面がエル字型に構成される。上部リング53の外周側に向いたエル字型の角部53cは丸みを帯びた形状を有している。上部リング53は、エル字型の内側である下面に凹部53rを有する。
補助リング54は、リング状の片側断面が矩形に構成される。つまり、補助リング54の内壁面54nと外壁面54uとは互いに略平行する。補助リング54は、下面に凹部54rを有する。
ウェハステージ20は、下部電極23が内蔵される母材21と、ウェハ100が載置されるセラミック板22とを備える。母材21とセラミック板22とは、それぞれ周縁部に鍔状部を有する。母材21中央のメサ状部にセラミック板22が接合されることで、ウェハステージ20の周縁部は、ウェハ100が載置される中央部へ向かって高くなっていく3段の段差を備える。これらの段差に沿うように、エッジリング50の上記各部材が設置される。
下部リング51は、ウェハステージ20の母材21の鍔状部上に載置される。このとき、本体51b下面が母材21の鍔状部上に当接し、内壁面51nが母材21のメサ状部側面とセラミック板22の鍔状部側面とに対向する。また、下部リング51の脚部51fは母材21の鍔状部側面を覆う。
中間リング52は、ウェハステージ20のセラミック板22の鍔状部上に載置される。中間リング52のエル字型の底面はセラミック板22の鍔状部上に当接し、エル字型の側面はセラミック板22のメサ状部側面に対向する。
補助リング54は、下部リング51の凹部51rに収容される。このとき、補助リング54の内壁面54nは中間リング52の外壁面52uに対向し、補助リング54の外壁面54uは、下部リング51の凹部51r側面に対向する。
このように、下部リング51、中間リング52、及び補助リング54が組み合わされることで、中間リング52のエル字型の内側である上面と、補助リング54の上面と、下部リング51の本体51b上面とが、略同じ高さに並ぶ。
上部リング53は、これらの全体を覆うように上から被せられる。このとき、下部リング51、中間リング52、及び補助リング54のそれぞれの上面と、上部リング53の下面とが当接する。また、上部リング53のエル字型の内壁面は、下部リング51の本体51bの外壁面と対向し、上部リング53のエル字型の下端部は、下部リング51の脚部51fの上面に当接する。また、上部リング53の下方に延びる外壁面と、下部リング51の脚部51fの外壁面とは段差を有することなく略フラットな状態となる。つまり、上部リング53の外径と、下部リング51の脚部51fの外径とは略等しい。
駆動部53aに接続されるピン53pは、ウェハステージ20下方から、ウェハステージ20の母材21の鍔状部を貫通し、下部リング51の一方の貫通孔51tを通って上部リング53下面の凹部53rに当接する。駆動部54aに接続されるピン54pは、ウェハステージ20下方から、ウェハステージ20の母材21の鍔状部を貫通し、下部リング51の他方の貫通孔51tを通って補助リング54下面の凹部54rに当接する。
セラミック板22のメサ状部上面に載置された状態で、ウェハ100の下面と中間リング52のエル字型の上端部とは対向する。上部リング53の内壁面はウェハ100端部と対向し、ウェハ100の上面と上部リング53の上面とは略等しい高さとなる。これにより、ウェハ100外周部におけるプラズマのシース歪みを抑制し、プラズマ中のイオンをウェハ100に対して略垂直に入射することができる。
このように、エッジリング50は、複数の部材が組み合わされることで、ウェハステージ20の周縁部を略完全に覆う。これにより、ウェハステージ20の周縁部がプラズマに曝露されて摩耗してしまうことを抑制することができる。その分、エッジリング50が摩耗するものの、エッジリング50は複数の部材に分かれて構成される。よって、例えば、最も摩耗の激しい上部リング53のみを適宜交換すればよく、エッジリング50のその他の部材の交換頻度を下げることができる。
(エッジリングの使用例)
次に、図3を用いて、実施形態のエッジリング50の使用例について説明する。図3は、実施形態にかかるエッジリング50がプラズマ処理装置1内で使用される様子を示す模式図である。図3(a)は、エッジリング50がインストールされた直後の状態を示しており、図3(b)は、エッジリング50が所定時間使用された後の状態を示している。
次に、図3を用いて、実施形態のエッジリング50の使用例について説明する。図3は、実施形態にかかるエッジリング50がプラズマ処理装置1内で使用される様子を示す模式図である。図3(a)は、エッジリング50がインストールされた直後の状態を示しており、図3(b)は、エッジリング50が所定時間使用された後の状態を示している。
図3(a)に示すように、インストール直後、上部リング53と補助リング54とは下方位置にある。つまり、補助リング54の上面は、中間リング52の上面および下部リング51の上面とほぼ同じ高さ位置にある。また、上部リング53の下面は、これらの部材の上面に当接している。
図3(b)に示すように、所定時間使用された後、上部リング53の上面が摩耗して薄くなってくる。そこで、上部リング53の上面をウェハ100の高さ位置に合わせるため、上部リング53は、駆動部53a及びピン53pにより押し上げられ、上方位置に移動される。このとき、上部リング53と下部リング51との間には空間SPeが生じる。
上部リング53の上方移動に伴い、補助リング54も、駆動部54a及びピン53pにより押し上げられ、上部リング53が移動した分だけ、上方位置に移動される。補助リング54が上部リング53と同じ分だけ上方移動するので、補助リング54の上面は、上部リング53の下面に当接したままである。
また、補助リング54の一部が下部リング51の凹部51rから突出し、補助リング54の外壁面54uの上側の一部が、上部リング53と下部リング51との間の空間SPeに面することとなる。また、補助リング54の内壁面54nの上側の一部は、チャンバ11側へと開放される空間SPpに面する。空間SPpは、プラズマ生成空間でもあり、ウェハ100が処理される処理空間でもある。
換言すれば、上部リング53及び下部リング51間の空間SPeと、チャンバ11側の空間SPpとは、補助リング54により隔てられている。
この後、エッジリング50の使用時間が更に延び、上部リング53の上面が更に摩耗すると、ウェハ100上面の高さ位置に合わせて、上部リング53は更に上方位置に移動される。上部リング53の上昇分だけ補助リング54も移動される。そして、補助リング54の下端部が、中間リング52及び下部リング51の上面を超える前に、上部リング53が交換される。換言すれば、補助リング54の厚さは、上部リング53の寿命に合わせて設定されている。
上部リング53及び補助リング54の上昇位置は、予め取得したデータにより制御される。つまり、事前に、エッジリング50の使用時間に応じた上部リング53の摩耗量またはその時に処理されたウェハ100のプロセス特性を取得する。そして、取得したデータに基づき、所定の使用時間における上部リング53及び補助リング54の上昇位置が決定される。その後は、使用時間に応じて、適宜、上部リング53及び補助リング54の上昇位置が調整される。
なお、上部リング53及び補助リング54の上方への駆動は段階的に行われてよい。例えば、所定期間内は上部リング53及び補助リング54を所定位置に固定したまま使用し続け、所定の使用時間に達したら所定量だけ上昇させる、ということを繰り返す。
(比較例)
プラズマ処理装置においては、プラズマによってチャンバ内の部材が摩耗する。ウェハ外周に配置されるエッジリングが摩耗すると、プラズマのシースに歪みが生じ、プロセス特性が変動する。そこで、比較例のプラズマ処理装置では、摩耗度合いに合わせてエッジリングを上昇させていく。
プラズマ処理装置においては、プラズマによってチャンバ内の部材が摩耗する。ウェハ外周に配置されるエッジリングが摩耗すると、プラズマのシースに歪みが生じ、プロセス特性が変動する。そこで、比較例のプラズマ処理装置では、摩耗度合いに合わせてエッジリングを上昇させていく。
図4は、比較例にかかるプラズマ処理装置のエッジリングが使用される様子を示す模式図である。図4(a)に示すように、比較例のプラズマ処理装置は、ウェハステージの周縁部に配置される下部リング51’、下部リング51’上の中間リング52’、中間リング52’上の上部リング53’から構成されるエッジリングを有する。
上部リング53’には、ウェハステージ周縁部、下部リング51’、及び中間リング52’を貫通するピン53p’が当接される。ピン53p’は駆動部53a’により上下に駆動することで、上部リング53’を押し上げ、上部リング53’の上面の高さをウェハ100上面の高さと一致させる。
図4(b)に示すように、所定時間使用された後、摩耗して薄くなった上部リング53’は、ピン53p’により上方に押し上げられ、その上面高さがウェハ100高さと一致する状態を維持している。しかしながら、上部リング53’と中間リング52’との間に空間が生じ、その空間内でプラズマによる異常放電DFが発生することがある。
異常放電は、例えばウェハ100に形成される半導体装置のチャージアップダメージの原因となったり、パーティクルの発生源となったりして半導体装置に損傷を与えうる。これにより、半導体装置の歩留まりが低下してしまう。
実施形態のプラズマ処理装置1によれば、エッジリング50は、上部リング53と共に上昇し、チャンバ11内へと開放する側に向いた内壁面54nを有する補助リング54を備える。つまり、補助リング54は、上部リング53と下部リング51との間の空間SPeと、チャンバ11側の空間SPpとを隔てる。これにより、空間SPe内での異常放電が抑制される。よって、上部リング53の上昇によりプロセス特性の変動を抑制し、かつ、補助リング54の遮蔽効果によりデバイスの歩留まりを向上させることができる。
実施形態のプラズマ処理装置1によれば、下部リング51は、補助リング54を収容する凹部51rを有する。これにより、上部リング53と補助リング54とが下方位置にあるときは、補助リング54の上面高さを下部リング51と中間リング52との上面高さに合わせることができ、これらの部材上に上部リング53を載置することができる。
実施形態のプラズマ処理装置1によれば、中間リング52は、比較例の中間リング52’と比較してコンパクトに構成され、上部リング53と下部リング51との間に挿入されない。そして、補助リング54を収容する凹部51rは下部リング51の内壁面51n側上面に設けられている。これにより、補助リング54をエッジリング50全体の内径寄りに配置することができる。つまり、補助リング54により遮蔽される空間SPeを広くとり、異常放電の発生確率をよりいっそう低下させることができる。
実施形態のプラズマ処理装置1によれば、補助リング54の厚さは上部リング53の寿命に合わせて設定されている。これにより、上部リング53が交換される前に、補助リング54の全体が下部リング51の凹部51rから突出し、補助リング54の遮蔽効果が損なわれてしまうのを抑制することができる。
(変形例1)
次に、図5を用いて、実施形態の変形例1のプラズマ処理装置について説明する。変形例1においては、駆動部153aの数が削減されている点が、上述の実施形態とは異なる。図5は、実施形態の変形例1のプラズマ処理装置内でエッジリング50が使用される様子を示す模式図である。
次に、図5を用いて、実施形態の変形例1のプラズマ処理装置について説明する。変形例1においては、駆動部153aの数が削減されている点が、上述の実施形態とは異なる。図5は、実施形態の変形例1のプラズマ処理装置内でエッジリング50が使用される様子を示す模式図である。
図5に示すように、変形例1のエッジリング50も上述の実施形態と同様の構成を備える。ただし、上部リング53と補助リング54とには、1箇所につき、2つに分岐した1つのピン153pが当接される。1つのピン153pは1つの駆動部153aに接続される。
変形例1のプラズマ処理装置においては、主に、3つ以上のピン153p及びこれらと対応する3つ以上の駆動部153aにより駆動機構が構成される。
変形例1のプラズマ処理装置によれば、駆動部153aの数が削減されており、プラズマ処理装置のコストダウンを図ることができる。
(変形例2)
次に、図6を用いて、実施形態の変形例2のプラズマ処理装置について説明する。変形例2においては、上部リング253が補助突起254を備える点が、上述の実施形態とは異なる。図6は、実施形態の変形例2のプラズマ処理装置内でエッジリングが使用される様子を示す模式図である。
次に、図6を用いて、実施形態の変形例2のプラズマ処理装置について説明する。変形例2においては、上部リング253が補助突起254を備える点が、上述の実施形態とは異なる。図6は、実施形態の変形例2のプラズマ処理装置内でエッジリングが使用される様子を示す模式図である。
図6に示すように、変形例2のエッジリングは、上述の実施形態の補助リング54の代わりに補助突起254を有する上部リング253を備える。補助突起254は、上部リング253下面から下部リング51の凹部51rに向かって延び、上方位置において、チャンバ内へと開放する側に向くこととなる内壁面254nを有する。
すなわち、変形例2のエッジリングにおいては、上述の実施形態の補助リング54と同様の機能を有する補助突起254が、上部リング253と一体に成形されている。そして、変形例2のプラズマ処理装置は、上部リング253を押し上げるピン253pと、ピン253pを駆動させることで上部リング253を上下動させる駆動部253aと、のみを有する。
変形例2のプラズマ処理装置においては、主に、3つ以上のピン253p及びこれらと対応する3つ以上の駆動部253aにより駆動機構が構成される。
変形例2のプラズマ処理装置によれば、補助突起254が上部リング253と一体に構成される。これにより、エッジリングの部品点数を削減することができる。また、駆動部253aの数を削減することができる。よって、プラズマ処理装置のコストダウンを図ることができる。
(その他の変形例)
上述の実施形態および変形例1,2では、プラズマ処理装置はRIE装置として構成されることとしたがこれに限られない。プラズマ処理装置は、CDE(Chemical Dry Etching)装置、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置、アッシング装置等のエッチング以外のプラズマ処理を行う装置であってもよい。
上述の実施形態および変形例1,2では、プラズマ処理装置はRIE装置として構成されることとしたがこれに限られない。プラズマ処理装置は、CDE(Chemical Dry Etching)装置、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置、アッシング装置等のエッチング以外のプラズマ処理を行う装置であってもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…プラズマ処理装置、20…ウェハステージ、50…エッジリング、51…下部リング、52…中間リング、53,253…上部リング、53a,54a,153a,253a…駆動部、53p,54p,153p,253p…ピン、54…補助リング、54n…内壁面、100…ウェハ。
Claims (5)
- 基板を処理する処理容器と、
前記処理容器内に電力を供給してプラズマを生成する電源と、
前記処理容器内に設置される上部電極と、
前記上部電極に対向する下部電極を有し、前記基板が載置される基板載置台と、
前記基板載置台の外縁部に配置され、前記基板の周囲を囲むエッジリングと、
前記エッジリングの少なくとも一部を上下に駆動させる駆動機構と、を備え、
前記エッジリングは、
前記基板載置台の外縁部上に載置される下部リングと、
前記下部リング上に載置され、前記駆動機構により上下動する上部リングと、
前記上部リングの下面に前記上部リングとともに上下動可能に配置され、前記処理容器内へと開放する側に向いた面を有する補助リングと、を有する、
プラズマ処理装置。 - 前記駆動機構は、
前記上部リングを上下に駆動させる第1の駆動部と、
前記補助リングを上下に駆動させる第2の駆動部と、を有する、
請求項1に記載のプラズマ処理装置。 - 前記補助リングは前記上部リングと一体的に構成されている、
請求項1に記載のプラズマ処理装置。 - 前記下部リングは、前記補助リングを収容する凹部を有し、
前記補助リングは、前記上部リングが下方位置にあるときは前記凹部に収容されている、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記補助リングは、前記上部リングが上方位置にあるときは、前記下部リングと前記上部リングとの間の空間を前記処理容器側の空間から遮蔽する、
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。
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