JP2023016557A - プラズマ源及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマの着火を容易にするプラズマ源を提供する。【解決手段】扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、前記第１チャンバ内にて前記誘電体窓に対向する前記第２壁の内壁から突出し、前記誘電体窓から離間して設けられたプラズマ着火源と、を有するプラズマ源が提供される。【選択図】図１
Description
本開示は、プラズマ源及びプラズマ処理装置に関する。
低温で高品質な膜を得るためにプラズマを使用して成膜を行うことは重要である。また、近年成膜において薄膜化が進んできており、プラズマＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法による成膜が取り入れられている。プラズマを用いることで、低温で高品質の薄膜が得られる一方、膜への電気的なダメージや物理的なダメージが課題となる場合がある。これを解決するために、リモートソースを用いたＡＬＤ法による成膜が提案されている。
例えば、特許文献１、２は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）タイプのリモートプラズマ源を有したリモートプラズマ処理装置の構成を開示している。このようにリモートソースにＩＣＰ型のリモートソースを使用する場合、プラズマの安定範囲が狭く、プラズマ着火が容易ではない場合がある。
本開示は、プラズマ着火を容易にするプラズマ源を提供する。
本開示の一の態様によれば、扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、前記第１チャンバ内にて前記誘電体窓に対向する前記第２壁の内壁から突出し、前記誘電体窓から離間して設けられたプラズマ着火源と、を有するプラズマ源が提供される。
一の側面によれば、プラズマ着火を容易にするプラズマ源を提供できる。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置］
最初に、第１実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図１～図３を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面斜視図である。図２は、第１実施形態に係るプラズマ源１（リモートプラズマ源）を示す図である。図３は、第１実施形態に係るプラズマ源１の一部を拡大した図である。
［プラズマ処理装置］
最初に、第１実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図１～図３を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面斜視図である。図２は、第１実施形態に係るプラズマ源１（リモートプラズマ源）を示す図である。図３は、第１実施形態に係るプラズマ源１の一部を拡大した図である。
図１に示すプラズマ処理装置２は、プラズマ源１を有する。プラズマ源１は、電磁波の電界によりガスからプラズマを生成する。電磁波はマイクロ波を含む。マイクロ波の周波数帯域は３００ＭＨｚ～３ＴＨｚである。電磁波は周波数帯域が１５０ＭＨｚ～３００ＭＨｚのＶＨＦ波を含んでもよい。生成されたプラズマ中のラジカルはプラズマ処理装置２の第３プラズマ生成空間３０ｅ内に供給され、基板の処理に使用される。プラズマ源１から移送されたラジカルは、プラズマ処理装置２内に印加される高周波電力により再解離され、基板の処理に使用される。
プラズマ処理装置２は、第３チャンバ１０を備えている。第３チャンバ１０は、基板を処理する第３プラズマ生成空間３０ｅを画成している。基板Ｗは第３プラズマ生成空間３０ｅにおいて処理される。第３チャンバ１０は、その中心線として軸線ＡＸを有している。軸線ＡＸは、鉛直方向に延びる軸線である。
実施形態においては、第３チャンバ１０は、チャンバ本体１２を含んでいる。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有しており、その上部において開口している。チャンバ本体１２は、第３チャンバ１０の側壁及び底部を提供している。チャンバ本体１２は、アルミニウム等の金属から形成されている。チャンバ本体１２は、接地されている。
チャンバ本体１２の側壁は、通路１２ｐを提供している。基板Ｗは、第３チャンバ１０の内部と外部との間で搬送されるときに、通路１２ｐを通過する。通路１２ｐは、ゲートバルブ１２ｖによって開閉可能である。ゲートバルブ１２ｖは、チャンバ本体１２の側壁に沿って設けられている。
第３チャンバ１０は、上壁１４を更に含んでいる。上壁１４は、アルミニウム等の金属から形成されている。上壁１４は、チャンバ本体１２の上部の開口を閉じている。上壁１４は、チャンバ本体１２と共に接地されている。
第３チャンバ１０の底部は、排気口１６ａを提供している。排気口１６ａは、排気装置１６に接続されている。排気装置１６は、自動圧力制御弁のような圧力制御器及びターボ分子ポンプのような真空ポンプを含んでいる。
プラズマ処理装置２は、載置台１８を更に備える。載置台１８は、第３チャンバ１０内に設けられている。載置台１８は、その上に載置される基板Ｗを支持するように構成されている。基板Ｗは、略水平な状態で載置台１８上に載置される。載置台１８は、支持部材１９によって支持されていてもよい。支持部材１９は、第３チャンバ１０の底部から上方に延びている。載置台１８及び支持部材１９は、窒化アルミニウム等の誘電体から形成され得る。
プラズマ処理装置２は、シャワーヘッド２０を更に備える。シャワーヘッド２０は、アルミニウム等の金属から形成されている。シャワーヘッド２０は、略円盤形状を有しており、中空構造を有する。シャワーヘッド２０は、その中心軸線として軸線ＡＸを共有している。シャワーヘッド２０は、載置台１８の上方、且つ、上壁１４の下部に設けられている。シャワーヘッド２０は、第３チャンバ１０の内部空間を画成する天部を構成する。
シャワーヘッド２０は、内部に拡散室３０ｄを更に提供している。シャワーヘッド２０は、拡散室３０ｄの下部からシャワーヘッド２０を厚さ方向に貫通する複数のガス孔２０ｉを提供している。複数のガス孔２０ｉは、シャワーヘッド２０の下面に開口し、シャワーヘッド２０は、ガスを拡散室３０ｄから複数のガス孔２０ｉに通して第３プラズマ生成空間３０ｅに導入するガス経路を形成する。これにより、第３チャンバ１０内のシャワーヘッド２０と載置台１８との間の第３プラズマ生成空間３０ｅに向けてガスが導入される。載置台１８は下部電極として機能し、シャワーヘッド２０は上部電極として機能する。
シャワーヘッド２０の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３３で覆われている。載置台１８の外周は、酸化アルミニウム等の誘電体の部材３４で覆われている。シャワーヘッド２０に高周波を印可しない場合、誘電体の部材３３はなくてもよい。ただし、載置台１８の対向電極として機能させるシャワーヘッド２０の領域を確定するために誘電体の部材３３は配置した方がよい。また、電極のアノードとカソードの比をなるべく均等にするためにも誘電体の部材３３は配置した方がよい。
載置台１８には、整合器６１を介して高周波電源６０が接続されている。整合器６１は、インピーダンス整合回路を有する。インピーダンス整合回路は、高周波電源６０の負荷のインピーダンスを、高周波電源６０の出力インピーダンスに整合させるように構成される。高周波電源６０から供給される高周波の周波数は、後述のプラズマ源１に供給されるＶＨＦ波及びマイクロ波の周波数よりも低く、６０ＭＨｚ以下の周波数である。高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚであってもよい。なお、高周波電源６０は、シャワーヘッド２０に供給されてもよい。
プラズマ処理装置２は、上壁１４の上部にプラズマ源１を有する。図１には、第３チャンバ１０内の断面斜視図とともに、プラズマ源１の断面斜視図が示されている。プラズマ源１は、プラズマを供給するプラズマ供給部２３を有し、プラズマ供給部２３が上壁１４に固定される。プラズマ供給部２３は、アルミニウム等の金属から形成された略円筒形状の中空部材であり、ラジカル及びガスの活性種を供給する構造になっている。プラズマ供給部２３は、その中心軸線として軸線ＡＸを共有している。プラズマ供給部２３の下端は、第３チャンバ１０の上壁１４の中央に形成された開口に連通している。
第１チャンバ２２は、軸線ＡＸを中心として扁平な矩形導波管である。プラズマ供給部２３の上端は扁平な第１チャンバ２２の幅方向に拡張され、第１チャンバ２２の下端に連結する。第１チャンバ２２は、内部に扁平な第１プラズマ生成空間２２ｄを形成するように構成される。第１チャンバ２２及びプラズマ供給部２３は、アルミニウム等の導体により構成され、グランド電位を有する。更に、プラズマ源１は、第１チャンバ２２の第１壁２２ａ（図２参照）に接続された電磁波供給部３６を有する。
図１及び図２を参照すると、第１チャンバ２２は、第１チャンバ２２を構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂを有する。第１壁２２ａには、第１チャンバ２２の長手方向（縦方向）に軸線ＡＸを中心として２つの電磁波供給部３６が縦方向に並んで配置されている。２つの電磁波供給部３６の構成は同一である。
電磁波供給部３６は、第１壁２２ａに設けられた開口２２ｅ（図１，図３参照）に第１プラズマ生成空間２２ｄに面して設けられた誘電体窓３８を有し、誘電体窓３８を介して第１チャンバ２２内に電磁波を供給するように構成されている。電磁波としては周波数が１５０ＭＨｚ以上のＶＨＦ波又はマイクロ波が供給される。本実施形態では、マイクロ波発振器４０（図２参照）から入力ポートを介して電磁波供給部３６にマイクロ波が伝搬する。電磁波供給部３６は、同軸導波管構造を有し、略円筒形状の内導体３６ａ及び内導体３６ａの周囲に同心円状に配置された略円筒形状の外導体３６ｂを有する。マイクロ波は、内導体３６ａと外導体３６ｂとの間を伝搬して略円盤形状の石英部材３７を透過し、石英部材３７と誘電体窓３８との間の隙間Ｕ（図３参照）に設けられたアンテナ２６のスロットＳを介して誘電体窓３８に伝搬する。なお、内導体３６ａと外導体３６ｂとの間は、空間であってもよいし、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等が配置されてもよい。マイクロ波は、誘電体窓３８を透過し、第１チャンバ２２の第１壁２２ａの開口２２ｅから第１チャンバ２２内に放射される。なお、内導体３６ａ、石英部材３７及び誘電体窓３８は、外導体３６ｂにより覆われている。
図３（ａ）は、図２のＡ－Ａ断面を示し、第１壁２２ａの開口２２ｅ付近を第１壁２２ａの内壁側から平面視した図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す開口２２ｅの中心を通るＢ－Ｂ断面を示す図である。図３（ａ）に示すように、開口２２ｅから露出する誘電体窓３８の面の反対面には導体のアンテナ２６が接触し、ドーナッツ状のスロットＳが形成されている。
また、図３（ｂ）に示すように、開口２２ｅから露出する誘電体窓３８の面は、誘電体窓３８の中央領域３８ａにて円形に凹み、中央領域３８ａが誘電体窓３８の外周領域３８ｂよりも薄くなっている。これにより、プラズマ着火の特性を良くすることができる。
図１に戻り、プラズマ源１は、更にガス供給部２２ｃとプラズマ着火源２４とを有する。ガス供給部２２ｃは、ガス供給源５０に接続され、ガス供給源５０から供給されるガスを第１チャンバ２２内に供給する。ガス供給部２２ｃから第１チャンバ２２内にガスを供給するように構成される。図２に示すように、ガス供給部２２ｃは、第１チャンバ２２を構成する複数の壁のうち面積が最も小さい第３壁２２ｆに設けられている。ガス供給部２２ｃは、第３壁２２ｆの中央であって、電磁波供給部３６の誘電体窓３８の上方に設けられている。電磁波供給部３６は、ガス供給部２２ｃから下に向かって第１チャンバ２２内を流れるガスの流れの方向（縦方向）に２つ設置されている。これにより、電磁波供給部３６から供給するマイクロ波により開口２２ｅ付近に形成される電界によってガス供給部２２ｃから供給するガスが下方に向けて流れる際に当該ガスを分解し、効率的にプラズマを生成することができる。なお、本実施形態では、電磁波供給部３６は第１壁２２ａにガスが流れる方向（縦方向）に２つ配置されているが、３つまたはそれ以上配置されてもよいし、１つだけ配置されてもよい。電磁波供給部３６の本数が多くなるほど、ラジカル生成効率及びプラズマ生成効率が高くなる。また、第２壁２２ｂ側にも電磁波供給部３６を設けてもよい。
プラズマ供給部２３は、第１プラズマ生成空間２２ｄに供給されたマイクロ波により第１チャンバ２２内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを第１チャンバ２２の外部へ供給する。本実施形態では、第１チャンバ２２の外部は、第３チャンバ１０である。プラズマに含まれるラジカルは、ガスの活性種である。電磁波供給部３６は、扁平の第１チャンバ２２の中心線となる軸線ＡＸに沿って縦方向に並べられる。また、ガス供給部２２ｃは、第１チャンバ２２を構成する複数の壁のうち第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂに垂直な第３壁２２ｆに設けられている。第３壁２２ｆは、第１チャンバ２２を構成する複数の壁のうち面積が最も小さい壁である。更に、ガス供給部２２ｃは、第３壁２２ｆであって電磁波供給部３６が取り付けられる第１壁２２ａの上方に形成される。
これにより、電磁波供給部３６の誘電体窓３８を透過して供給されるマイクロ波により、扁平の第１チャンバ２２の中心付近が最もプラズマ密度が高くなる。加えて、ガス及びラジカルが扁平の第１チャンバ２２の中心を上から下へ拡散しながら通流する。
プラズマ供給部２３は、第１チャンバ２２の第３壁２２ｆに対向する位置に設けられる。係る構成により、ガスの流れの方向である縦方向に配置された電磁波供給部３６のうち上段の電磁波供給部３６の付近はガスの解離が促進される第１解離エリアとなる。また、下段の電磁波供給部３６の付近はガスの解離が促進される第２解離エリアとなる。第１解離エリアで解離したガスは、第２解離エリアで更に解離されるため、第１チャンバ２２内の第１プラズマ生成空間２２ｄにおいて縦方向に下に行くほどガスの解離度が高くなる。このため、第１チャンバ２２にて高密度のプラズマが生成される。これにより、プラズマ供給部２３は、充分なラジカルを第３チャンバ１０に供給できる。
このようにして下部電極（載置台１８）及び上部電極（シャワーヘッド２０）の間の第３プラズマ生成空間３０ｅにプラズマ源１からラジカルを供給し、下部電極に載置された基板Ｗを処理する。このとき、プラズマ源１からシャワーヘッド２０に設けられた複数のガス孔２０ｉを介してラジカルが、シャワーヘッド２０を通って流れ、第３プラズマ生成空間３０ｅへ供給される。第３プラズマ生成空間３０ｅへ供給されたラジカルは移送中に再結合してガスになっている場合がある。ラジカル及び再結合したガスを高周波電源６０の高周波電力により分解させ、これにより生成されたプラズマによって基板Ｗに成膜等の処理が施される。プラズマ源１からラジカルを供給することによって、高周波電源６０から供給する高周波電力が小さく、また、周波数が比較的に低くても、充分に解離させることができる。これにより、ダメージの少ない基板の成膜を実行できる。なお、図示は省略するが、高周波電源６０のみで十分に解離させることが可能なガスは、プラズマ源１を経由せずに直接シャワーヘッド２０へ供給してもよい。
制御部（制御装置）９０は、プロセッサ９１、メモリ９２を有するコンピュータであり得る。制御部９０は、演算部、記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備える。制御部９０は、プラズマ源１を含むプラズマ処理装置２の各部を制御する。制御部９０では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置２を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御部９０では、表示装置により、プラズマ処理装置２の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、制御部９０のメモリ９２には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置２で各種処理を実行するために、制御部９０のプロセッサ９１によって実行される。プロセッサ９１が、制御プログラムを実行し、レシピデータに従ってプラズマ処理装置２の各部を制御することにより、種々のプロセス、例えばプラズマ処理方法がプラズマ処理装置２で実行される。
以上の構成により、本実施形態に係るプラズマ処理装置２によれば、比較的に高い周波数の電磁波によりプラズマを生成してガスを活性化するプラズマ源１を使用して充分なラジカルを第３チャンバ１０に供給できる。これにより、マイクロ波を使用したリモートプラズマ源を使用して基板Ｗへのダメージの少ないプロセスを実行できる。
更に、本実施形態に係るプラズマ源１は、プラズマ着火源２４を有する。プラズマ着火源２４は、第１チャンバ２２内にて誘電体窓３８に対向する第２壁２２ｂの内壁から突出し、誘電体窓３８から離間して設けられる。
ここで、プラズマ着火源２４によるプラズマの着火について説明する。プラズマ源１のようにマイクロ波を使用したプラズマ着火では、式（１）に示す放電電界Ｅｂｄにより着火性能が決定される。
これに対して、第３チャンバ１０のように平行平板型のプラズマ処理装置では、下部電極及び上部電極間における高周波電力による放電によって、パッシェンの法則に従い、式（２）に示す放電電圧Ｖｂｄにより着火性能が決定される。
なお、式（１）のＤ及びＫは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｆは電磁波の周波数である。ｍは、ガス種によって定まる定数（概ね０．５）である。また、式（２）のＡ及びＢは、ガス種によって定まる係数であり、ｐはチャンバ内の圧力であり、ｄは、下部電極及び上部電極の電極間距離であり、γｓｅは、２次電子放出係数である。２次電子放出係数は、下部電極及び上部電極の材料と表面状態によって定まる係数である。
つまり、プラズマ源１では、プラズマ着火にパッシェンの法則は成立しない。よって、プラズマ源１では、式（２）に示す放電電圧Ｖｂｄにより着火性能は決定されない。プラズマ源１では、式（１）に示す放電電界Ｅｂｄを強くすれば着火し易くなる。そこで、プラズマ源１が有するプラズマ着火源２４は、マイクロ波および１５０ＭＨｚ以上のＶＨＦ波に特有の着火し易い形状及び配置を有し、第１チャンバ２２においてプラズマの着火を容易にする。
具体的には、プラズマ着火源２４は、第１チャンバ２２内にて誘電体窓３８に対向する第２壁２２ｂの内壁から突出し、誘電体窓３８から離間して設けられている。第１チャンバ２２内にプラズマが生成されていないとき、マイクロ波が扁平の第１チャンバ２２内に放射されると、放射されたマイクロ波が対向面から突出するプラズマ着火源２４の棒状の導体で反射して、マイクロ波（反射波）が第１壁２２ａの内壁側に戻る。そうすると、誘電体窓３８から出力されるマイクロ波の入射波とプラズマ着火源２４で反射した反射波との間で定在波が生じる。第１チャンバ２２は扁平であり第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの間が狭いため、第１チャンバ２２内で高電界が生じ、プラズマの着火が容易になる。一方、プラズマ着火後は、プラズマ着火源２４と第１壁２２ａの内壁との間の電界は高くならない。
プラズマ着火源２４は、導電性の棒状部材を有し、例えば先端がキノコの先端のような形状（先端の断面が略台形）を有する。プラズマ着火源２４の全体又は先端部分を絶縁体で覆ってもよい。なお、プラズマ着火源２４の棒状部材の設置形態としては、例えば図４（ａ）～（ｃ）の３パターンがある。
図４（ａ）は、プラズマ着火源２４は導体の棒状部材２４ｂ（先端部分２４ａを含む）を有し、その表面はセラミックス等の絶縁部材２４ｃでコーティングされている。内部の棒状部材２４ｂは第１チャンバ２２と同電位であり、グランド電位である。
図４（ｂ）は、第１壁２２ａの対向壁である第２壁２２ｂの内壁と棒状部材２４ｂ（先端部分２４ａを含む）との間に絶縁部材２４ｄを挟むことで棒状部材２４ｂ自体をフローティング電位とする。
図４（ｃ）は、棒状部材２４ｂ（先端部分２４ａを含む）自体をセラミックス等の絶縁部材で作り、その内部にパッシブ着火源として機能する電極２４ｅを配置する。
プラズマ着火源２４はパッシブ着火源であり、それ自体には電圧を印加しない。プラズマ着火源２４はマイクロ波を反射するための電極（導体）を有する必要がある。よって、プラズマ着火源２４は図４（ａ）～図４（ｃ）の形態にとどまらず、パッシブ着火源として機能するための電極（導体）を誘電体窓３８の近傍に設けた形態であればよい。なお、プラズマ着火源２４の棒状部材の導体部分は、グランド電位であってもフローティング電位であってもよいが、グランド電位よりもフローティング電位の方が望ましい。プラズマ着火源２４の棒状部材の導体部分がグランド電位でもパッシブ着火源として機能する。ただし、コンタミネーション、パーティクル、ダメージを考慮するとプラズマ着火源２４の棒状部材（電極、導体部分）がフローティング電位であることが好ましい。その理由について図５を参照しながら説明する。
図５は、プラズマ電位とフローティング電位との関係の一例を示すグラフである。図５のグラフの横軸Ｚは、誘電体窓３８の表面からプラズマ着火源２４の電極（導体）先端までの距離（Ｚ）を示し、縦軸は、プラズマ電位及びフローティング電位を示す。線Ｐは、距離（Ｚ）に応じたプラズマ電位であり、線ｆは、距離（Ｚ）に応じたフローティング電位である。線ｆは、プラズマ着火源２４がフローティング電位を有するように構成された場合を示す。本実験では、第１チャンバ２２内の圧力を０．５Ｔｏｒｒ（６７Ｐａ）に制御し、Ａｒガスを第１チャンバ２２内に供給し、Ａｒガスのプラズマを生成した。
これによれば、プラズマ着火源２４の棒状部材がグランド電位であると、プラズマ電位自体が棒状部材へイオンが入射するときの力を示す入射電位になる。この結果、Ｚが１０ｍｍ程度のとき１７ｅＶ程度の電圧が棒状部材へかかる。これに対して、棒状部材がフローティング電位であると、Ｚが１０ｍｍ程度のとき１０ｅＶ程度の電圧が棒状部材へかかり、線Ｐのプラズマ電位と線ｆのフローティング電位との電位差分だけ棒状部材へかかる電圧を軽減できる。１０ｅＶ程度の電圧であれば棒状部材がセラミックスでコーティングされている場合、プラズマ着火源２４の表面にダメージはほとんど生じない。
以上から、プラズマ着火源２４の先端と誘電体窓３８の底面との間は水平方向（軸線ＡＸに垂直な方向）に３ｍｍ～１０ｍｍ程度離間されていればよい。ただし、プラズマ着火源２４の先端と誘電体窓３８の底面との間は５ｍｍ～１０ｍｍ程度離間すればコンタミネーション、パーティクル、ダメージをより抑制でき、より好ましい。
プラズマ着火源２４は、プラズマをオンする時間を短縮できる。この理由について説明する。通常の整合器では、まず、プラズマ着火位置に整合器内の整合位置を合わせる。プラズマ着火後、整合位置を次の整合位置（プラズマ着火後の整合位置）に機械的に移動させる。この整合位置の機械的な移動に時間を要する。
これに対して、プラズマ源１は、プラズマ着火後の整合位置に予め設定されて構成されている。通常はプラズマ着火後の整合位置ではプラズマは着火しないが、プラズマ源１ではプラズマ着火源２４を設けることにより、プラズマ着火後の整合位置でも容易にプラズマ着火するように構成されている。よって、プラズマが着火した後に整合位置の移動が不要になる。
このため、プラズマ着火源２４は、整合位置の移動を不要とし、プラズマをオンする時間を短縮できる。これにより、ガスを入れ替えて素早くプラズマ着火できるため、ＡＬＤ（atomic layer deposition）プロセスにより適した構成であり、生産性を高めることができる。ただし、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による成膜にも適用できる。
第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離は、プラズマのスキンデプス（表皮深さ）の１０倍～１００倍である。当該距離が１０倍～１００倍の範囲になるのは、以下に示すプラズマ導電率がプラズマ密度で大きく変化するためである。本実施形態の場合、第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離は、約２０ｍｍである（図１参照）。
スキンデプスは、（１）周波数、（２）電子密度、（３）電子及び中性粒子の衝突周波数により値が変化する。ここで、（３）の電子及び中性粒子の衝突周波数についてはガス種及び電子温度により決定される。スキンデプスδは、式（３）により算出される。
スキンデプスδ＝［２／（ωμ０σｄｃ）］１／２・・・（３）
ここで、ωは電源周波数、μ０は真空の透磁率、σｄｃはプラズマ導電率である。プラズマ導電率は式（４）により算出される。
プラズマ導電率σｄｃ＝ｅ２ｎｅ／（ｍνｍ）・・・（４）
ここでｅは素電荷、ｎｅは電子密度、ｍは電子の質量、νｍは電子－中性粒子の衝突周波数である。
スキンデプスδ＝［２／（ωμ０σｄｃ）］１／２・・・（３）
ここで、ωは電源周波数、μ０は真空の透磁率、σｄｃはプラズマ導電率である。プラズマ導電率は式（４）により算出される。
プラズマ導電率σｄｃ＝ｅ２ｎｅ／（ｍνｍ）・・・（４）
ここでｅは素電荷、ｎｅは電子密度、ｍは電子の質量、νｍは電子－中性粒子の衝突周波数である。
第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂの内壁間の距離をスキンデプスの１０倍としたときに、マイクロ波の周波数が８００ＭＨｚの場合、その距離は約２０ｍｍとなり、４００ＭＨｚの場合約２８ｍｍとなり、２．４５ＧＨｚの場合約１２ｍｍとなる。これにより、プラズマの電子温度を低く、また、電子密度が高いプラズマ源１を実現できる。なお、第１チャンバ２２内の圧力は０．５Ｔｏｒｒ以上で使用する。
以上に説明したプラズマ源１によれば、第１チャンバ２２の厚みを薄くし、電磁波供給部３６をガスの流れる方向に並べて配置することでガスの分解効率とラジカル生成効率を向上させることができる。また、プラズマ着火源２４を電磁波供給部３６に対応して配置することで、上述したマイクロ波特有の着火原理に基づき、安定してプラズマ着火を容易にするプラズマ源１を提供することができる。また、プラズマ着火源２４によりプラズマのオン時間を短縮できる。これにより、特にＡＬＤプロセスにおいて生産性を向上させることができる。ＡＬＤプロセスでは、例えばＳｉＮ膜の成膜の場合、ガス供給源５０から例えばシランガス（ＳｉＨ４）等の原料ガスを供給し、次に例えば窒素ガス（Ｎ２）等の還元ガスを供給することを繰り返す。ＣＶＤプロセスではガス供給源５０から例えばシランガス（ＳｉＨ４）及び窒素ガス（Ｎ２）を供給する。クリーニングの場合、ガス供給源５０から例えばＮＦ３ガス等のクリーニングガスを供給する。
＜第２実施形態＞
［プラズマ処理装置］
次に、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図６を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面斜視図である。第２実施形態に係るプラズマ処理装置２の第３チャンバ１０の構成は第１実施形態と同じであるため、説明を省略し、第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂについて説明する。
［プラズマ処理装置］
次に、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２について、図６を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置２を示す断面斜視図である。第２実施形態に係るプラズマ処理装置２の第３チャンバ１０の構成は第１実施形態と同じであるため、説明を省略し、第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂについて説明する。
第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂは、第１実施形態に係るプラズマ源１の第１チャンバ２２及び電磁波供給部３６等の構成に加えて、対向する位置に第２チャンバ２８及び電磁波供給部１３６等の構成を有する。第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂに含まれる第１チャンバ２２及び電磁波供給部３６等の構成は第１実施形態に係るプラズマ源１と同じであるため説明を省略する。
第２チャンバ２８は、第１チャンバ２２と同一形状を有し、扁平な第２プラズマ生成空間２８ｄを形成するように構成される。第２チャンバ２８は、第１チャンバ２２の第２壁２２ｂに隣接する第４壁２８ａ及び第４壁２８ａに対向する第５壁２８ｂを有する。
ガス供給部２２ｃは、第１チャンバ２２と同様に、第２チャンバ２８の上部壁の中央であって、電磁波供給部１３６の誘電体窓１３８の上方に設けられている。ガス供給部２２ｃは、第１チャンバ２２内に供給するガスと異なるガスを第２チャンバ２８内に供給する。例えば、ガス供給部２２ｃは、第１チャンバ２２内にシランガス及びＮ２ガスを交互に供給し、第２チャンバ２８内にクリーニングガスを供給してもよい。
電磁波供給部１３６は、電磁波供給部３６と同一の構成を有し、内導体１３６ａ及び外導体１３６ｂを有する。電磁波供給部１３６は、電磁波供給部３６と対向して同じ高さに設けられている。ただし、これに限られず、電磁波供給部１３６は、電磁波供給部３６と対向して段違いの高さに設けられてもよい。この場合、電磁波供給部３６の間に電磁波供給部１３６の一つが配置される。電磁波供給部１３６は、ガス供給部２２ｃから下に向かって第２チャンバ２８内を流れるガスの流れの方向（縦方向）に２つ設置されている。
電磁波供給部１３６は、第５壁２８ｂに設けられた図示しない開口に第２プラズマ生成空間２８ｄに面して設けられた誘電体窓１３８を有し、誘電体窓１３８を介して第２チャンバ２８内にマイクロ波を供給するように構成される。
第２チャンバ２８内に供給したガスは、マイクロ波により第２プラズマ生成空間２８ｄにおいて分解され、プラズマを生成する。プラズマ供給部２３は、プラズマに含まれるラジカルを第２チャンバ２８の外部の第３チャンバ１０へ供給する。例えば、プラズマ供給部２３は、第１プラズマ生成空間２２ｄにおいて生成したシランガス及び還元ガス（例えばＮ２ガス）のプラズマに含まれるラジカルを第３チャンバ１０に供給する。また、第２プラズマ生成空間２８ｄにおいて生成したクリーニングガス（例えばＮＦ３ガス）のプラズマに含まれるラジカルを第３チャンバ１０に供給する。
図６では第２プラズマ生成空間２８ｄ内に配置された図示しないプラズマ着火源は、第２チャンバ２８内にて誘電体窓１３８の反対側の第４壁２８ａの内壁から突出し、誘電体窓１３８から離間して設けられる。プラズマ着火源２４の構成は図４に示すいずれかであってよい。
さらに第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂは、第１チャンバ２２から第３チャンバ１０へ供給するラジカル（ガス）及び第２チャンバ２８から第３チャンバ１０へ供給するラジカル（ガス）のそれぞれ異なるラジカル（ガス）の供給（オン）及び供給停止（オフ）を制御する開閉ガスバルブ２２ｈを有する。
２種類の異なるラジカル（ガス）を供給する場合、別々のチャンバで別々に励起させてから第３チャンバ１０へ供給することが好ましい。例えば、ＮＦ３ガスを流したチャンバと同じチャンバ内にＮ２ガスやシランガス等のプロセスガスを流すと、ＮＦ３ガスに起因するチャンバ内に残留したフッ素の影響で基板に施されるプロセスの精度が低下する場合がある。そこで、本実施形態のプラズマ源１Ｂでは２つのチャンバを有し、それぞれのチャンバに異なるガスを別々に供給する。プラズマ源１Ｂは、第１チャンバ２２及び第２チャンバ２８の出口付近に板状の開閉ガスバルブ２２ｈを有する。開閉ガスバルブ２２ｈは、第１チャンバ２２内の第１プラズマ処理空間２２ｄ（還元ガス励起部）と第３プラズマ処理空間３０ｅ（基板処理空間）との開閉を行う。また、開閉ガスバルブ２２ｈは、第２チャンバ２８内の第２プラズマ処理空間２２ｄ（クリーニングガス励起部）と第３プラズマ処理空間３０ｅ（基板処理空間）との開閉を行う。開閉ガスバルブ２２ｈは、ゲートバルブのような形式で、スライド移動して開閉を制御するようにしてもよい。なお、シランガス等の原料ガス（反応ガス）は、第３チャンバ１０に直接供給してもよい。
第２実施形態に係るプラズマ源１Ｂにおいても、第１チャンバ２２及び第２チャンバ２８の厚みを薄くすることでガスの分解効率及びラジカルの生成効率を向上させることができる。また、プラズマ着火を容易にすることができる。また、２種類のガスを混合させない構成とし、更に開閉ガスバルブ２２ｈを設置することにより互いのチャンバ２２，２８へ異なるガスの励起種の混入を防ぐ構成とする。これにより、異なるガス種を同じチャンバに流すことで生じる基板処理プロセスへの影響をなくすことができる。また、第１チャンバ２２及び第２チャンバ２８の両側に電磁波供給部３６，１３６を設けることで、電磁波供給部３６，１３６の数を増やしラジカル生成効率をより高めることができる。
なお、プラズマ着火源２４は、絶縁プローブとしてプラズマの状態を検出するように構成することができる。これにより、絶縁プローブから取得した信号をプラズマ着火源２４に接続されたコンピュータにより解析することで、第１チャンバ２２及び第２チャンバ２８内の電子密度と電子温度をモニタでき、プラズマの状態を解析できる。
この場合、第１チャンバ２２及び第２チャンバ２８に計測用の窓を開け、プラズマ計測のモニタ（ＯＥＳ（Optical Emission Spectrometer：発光分光分析器）、絶縁プローブ等）を取り付け、プラズマの状態を検出するようにしてもよい。
以上に説明した各実施形態に係るプラズマ処理装置２では、ガスをマイクロ波又はＶＨＦ波の電界によりプラズマ化するリモートプラズマとして機能するプラズマ源１、１Ｂを有し、ガスの分解効率及びラジカルの生成効率を高め、生成されたラジカル（ガスの活性種）を第３チャンバ１０に移送する。プラズマ源１、１Ｂで生成されたラジカルを第３チャンバ１０に移送させることでより第３チャンバ１０内でより小さなパワーでプラズマ化を可能とし、ＡＬＤ法によりよりダメージの少ない成膜を行うことができる。
今回開示された各実施形態に係るプラズマ源及びプラズマ処理装置は、すべての点において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。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、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
なお、プラズマ源１およびプラズマ源１Ｂは第１チャンバ２２及び／又は第２チャンバ２８にプラズマ着火源２４を有しなくてもよい。この場合、扁平な第１プラズマ生成空間２２ｄを形成するように構成された第１チャンバ２２であって、前記第１チャンバ２２を構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁２２ａ及び第２壁２２ｂを有する第１チャンバ２２と、第１チャンバ２２内にガスを供給するように構成されたガス供給部２２ｃと、第１壁２２ａに設けられた開口に第１プラズマ生成空間２２ｄに面して設けられた誘電体窓３８を有し、誘電体窓３８を介して第１チャンバ２２内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部３６と、電磁波により第１チャンバ２２内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを第１チャンバ２２の外部へ供給するプラズマ供給部２３と、を有し、電磁波供給部３６は、ガス供給部２２ｃから第１チャンバ２２の外部へ向けて第１プラズマ生成空間２２ｄを流れるガスの流れの方向に複数設置されている、プラズマ源１及び／又はプラズマ源１Ｂが提供される。
１、１Ｂ プラズマ源
２ プラズマ処理装置
１０ 第３チャンバ
２０ シャワーヘッド
２２ 第１チャンバ
２２ｃ ガス供給部
２２ｄ 第１プラズマ生成空間
２３ プラズマ供給部
２４ プラズマ着火源
２８ 第２チャンバ
２８ｄ 第２プラズマ生成空間
３０ｅ 第３プラズマ生成空間
３６、１３６ 電磁波供給部
３８、１３８ 誘電体窓
９０ 制御部
９１ プロセッサ
９２ メモリ
２ プラズマ処理装置
１０ 第３チャンバ
２０ シャワーヘッド
２２ 第１チャンバ
２２ｃ ガス供給部
２２ｄ 第１プラズマ生成空間
２３ プラズマ供給部
２４ プラズマ着火源
２８ 第２チャンバ
２８ｄ 第２プラズマ生成空間
３０ｅ 第３プラズマ生成空間
３６、１３６ 電磁波供給部
３８、１３８ 誘電体窓
９０ 制御部
９１ プロセッサ
９２ メモリ
Claims (20)
- 扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、
前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、
前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、
前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、
前記第１チャンバ内にて前記誘電体窓に対向する前記第２壁の内壁から突出し、前記誘電体窓から離間して設けられたプラズマ着火源と、
を有するプラズマ源。 - 扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、
前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、
前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、
前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、を有し、
前記電磁波供給部は、前記ガス供給部から前記プラズマ供給部へ向けて前記第１プラズマ生成空間を流れるガスの流れの方向に複数設置されている、プラズマ源。 - 扁平な第２プラズマ生成空間を形成するように構成された第２チャンバであって、前記第２壁に隣接する第４壁及び前記第４壁に対向する第５壁を有する前記第２チャンバを有し、
前記ガス供給部は、前記第１チャンバ内に供給する前記ガスと異なるガスを前記第２チャンバ内に供給し、
前記電磁波供給部は、更に前記第５壁に設けられた開口に前記第２プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第２チャンバ内に電磁波を供給するように構成され、
前記プラズマ供給部は、更に前記電磁波により前記第２プラズマ生成空間において前記第２チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第２チャンバの外部へ供給し、
前記プラズマ着火源は、更に前記第２チャンバ内にて前記誘電体窓に対向する前記第４壁の内壁から突出し、前記誘電体窓から離間して設けられる、
請求項１に記載のプラズマ源。 - 前記ガス供給部は、前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの一方に還元ガスを供給し、前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの他方にクリーニングガスを供給する、
請求項３に記載のプラズマ源。 - 更に前記第１チャンバ及び前記第２チャンバ毎に設けられ、前記プラズマ供給部へ供給する前記還元ガス及び前記クリーニングガスのラジカルの供給及び供給停止を制御する開閉バルブを有する、
請求項３又は４に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ着火源は、導電性の棒状部材を有し、前記棒状部材の表面は絶縁部材によりコーティングされ、前記棒状部材はグランド電位である、
請求項１、３～５のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ着火源は、導電性の棒状部材を有し、前記棒状部材と前記第２壁の内壁との間には絶縁部材が挟まれ、前記棒状部材はフローティング電位である、
請求項１、３～５のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ着火源は、導電性の棒状部材を有し、前記棒状部材と前記第４壁の内壁との間には絶縁部材が挟まれ、前記棒状部材はフローティング電位である、
請求項３～５のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ着火源は、絶縁性の棒状部材であり、前記棒状部材の内部に電極が設けられている、
請求項１、３～５のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ着火源は、絶縁プローブとしてプラズマの状態を検出するように構成される、
請求項１、３～９のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記電磁波供給部は、周波数帯域が１５０ＭＨｚ以上のＶＨＦ波又はマイクロ波を前記電磁波として供給する、
請求項１～１０のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記ガス供給部は、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち前記第１壁及び前記第２壁に垂直な第３壁に設けられている、
請求項１～１１のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記ガス供給部は、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も小さい第３壁に設けられている、
請求項１～１２のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記プラズマ供給部は、前記第１チャンバの前記第３壁に対向する位置に設けられる、
請求項１２又は１３に記載のプラズマ源。 - 前記誘電体窓の中央領域は、前記誘電体窓の外周領域よりも薄くなっている、
請求項１～１４のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - 前記第１壁及び前記第２壁の内壁間の距離は、表皮深さの１０倍～１００倍である、
請求項１～１５のいずれか一項に記載のプラズマ源。 - プラズマ源と、前記プラズマ源に接続される第３チャンバと、を有するプラズマ処理装置であって、
前記第３チャンバは、基板を処理する第３プラズマ生成空間を有し、
前記プラズマ源は、
扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、
前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、
前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、
前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、
前記第１チャンバ内にて前記誘電体窓に対向する前記第２壁の内壁から突出し、前記誘電体窓から離間して設けられたプラズマ着火源と、を有する、プラズマ処理装置。 - プラズマ源と、前記プラズマ源に接続される第３チャンバと、を有するプラズマ処理装置であって、
前記第３チャンバは、基板を処理する第３プラズマ生成空間を有し、
前記プラズマ源は、
扁平な第１プラズマ生成空間を形成するように構成された第１チャンバであって、前記第１チャンバを構成する複数の壁のうち面積が最も大きく、対向する第１壁及び第２壁を有する前記第１チャンバと、
前記第１チャンバ内にガスを供給するように構成されたガス供給部と、
前記第１壁に設けられた開口に前記第１プラズマ生成空間に面して設けられた誘電体窓を有し、前記誘電体窓を介して前記第１チャンバ内に電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、
前記電磁波により前記第１チャンバ内に供給したガスから生成されたプラズマに含まれるラジカルを前記第１チャンバの外部へ供給するプラズマ供給部と、を有し、
前記電磁波供給部は、前記ガス供給部から前記プラズマ供給部へ向けて前記第１プラズマ生成空間を流れるガスの流れの方向に複数設置されている、プラズマ処理装置。 - 前記第３チャンバ内の基板を載置する下部電極又は前記下部電極に対向する上部電極に高周波を供給する高周波供給部を有し、
前記下部電極及び前記上部電極の間の第３プラズマ生成空間に前記プラズマ源から前記ラジカルを供給し、前記下部電極に載置された基板を処理する、
請求項１７又は１８に記載のプラズマ処理装置。 - 前記上部電極は複数のガス孔を有するシャワーヘッドとして機能し、
前記プラズマ源から前記シャワーヘッドに設けられた前記複数のガス孔を介して前記第３プラズマ生成空間へ前記ラジカルを供給する、
請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
Priority Applications (4)
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| JP2021120961A JP2023016557A (ja) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | プラズマ源及びプラズマ処理装置 |
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