JP2023137355A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ生成部で電極に高周波電力を供給してプラズマを生成し、プラズマを基板に導いてプラズマ処理する際に、均一なプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置は、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、これらの間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、第１電極と第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電源と、プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、プラズマ生成空間に生成されたプラズマを処理空間に導入するプラズマ導入部と、第１電極と第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材とを有し、処理空間に導入されたプラズマにより基板にプラズマ処理が施される。【選択図】図１
Description
本開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、基板である半導体ウエハに対しプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が用いられている。特許文献１には、処理容器を被処理体が載置される反応室とプラズマ生成室に仕切り、上部電極に高周波電力を印加してプラズマ生成室でプラズマを生成し、プラズマ中の活性種を反応室に導いてプラズマ処理するリモートタイプのプラズマ処理装置が開示されている。
本開示は、プラズマ生成部で電極に高周波電力を供給してプラズマを生成し、プラズマを基板に導いてプラズマ処理する際に、均一なプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
本開示の一態様に係るプラズマ処理装置は、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材と、を有し、前記処理空間に導入されたプラズマにより前記基板にプラズマ処理が施される。
本開示によれば、プラズマ生成部で電極に高周波電力を供給してプラズマを生成し、プラズマを基板に導いてプラズマ処理する際に、均一なプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
＜第１の実施形態＞
最初に第１の実施形態について説明する。
図１は第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図、図２はその要部を詳細に示す断面図である。
＜第１の実施形態＞
最初に第１の実施形態について説明する。
図１は第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図、図２はその要部を詳細に示す断面図である。
本実施形態のプラズマ処理装置１００は、基板Ｗに対してプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理は特に限定されないが、ＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理が例示される。
プラズマ処理装置１００は、略円筒状をなし、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属で構成された処理容器１０を有している。処理容器１０内は、下部空間１１と上部空間１２に分かれており、下部空間１１が処理空間として機能する。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマ生成部３０を有している。
下部空間１１内には基板Ｗを載置するステージ２０が設けられている。ステージ２０は支持部材２１に支持されている。支持部材２１は処理容器１０の底壁を貫通して下方に延び、昇降機構（図示せず）により昇降可能となっている。支持部材２１と処理容器１０の底壁との間にはシール機構（図示せず）が設けられている。ステージ２０および支持部材２１は、例えば、金属、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の金属で構成されている。ステージ２０には、基板Ｗを搬送するためにステージ２０の表面に対して突没するように昇降する昇降ピン（図示せず）が設けられている。また、ステージ２０には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、ヒータ等の温調機構が設けられていてもよい。
処理容器１０の底部には、排気口２２が形成されており、排気口２２には排気管２３が接続されている。排気管２３には真空ポンプや圧力制御バルブ等を含む排気装置２４が接続されている。そして、この排気装置２４を作動させることにより、処理空間である下部空間１１が排気され、下部空間１１が所定の真空度に保持されるようになっている。また、処理容器１０の側壁には、基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口２５が形成されており、この搬入出口２５はゲートバルブ２６により開閉可能となっている。
プラズマ生成部３０は、上部空間１２に設けられ、下部電極としての下部シャワープレート４１と、上部電極としての上部シャワープレート４２と、上部シャワープレート４２の上に設けられた封止板４３とを有し、シャワーヘッドとして構成される。下部電極としての下部シャワープレート４１と上部電極としての上部シャワープレート４２は平行平板電極を構成し、これらの間の空間はプラズマ生成空間４５となる。
下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２は、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼等の金属で構成され、円板状をなし、外周部に設けられた絶縁リング４４を介して間隔をおいて積層されている。絶縁リング４４は、アルミナ、石英、イットリア、テフロン（登録商標）等の絶縁体で構成されており、絶縁リング４４と下部シャワープレート４１との間、および上部シャワープレート４２との間は、シールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されている。
下部シャワープレート４１には上下に貫通する複数のガス孔４１ａが形成され、上部シャワープレート４２には上下に貫通する複数のガス孔４２ａが形成されている。下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間隔、すなわち平行平板電極の間隔（電極間隔）は、後述するように、周波数に応じて準ＴＥＭ波が得られるように設定することができる。
下部シャワープレート４１は、処理容器１０内を下部空間１１と上部空間１２とに分ける機能を有しており、処理容器１０の側壁に取り付けられている。下部シャワープレート４１の下面と処理容器１０の側壁との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されており、処理空間である下部空間１１内が気密に保持される。
封止板４３は、アルミニウム合金、チタン、ステンレス鋼等の金属で構成され、上部シャワープレート４２を封止し、大気雰囲気と真空雰囲気とを画成する機能を有する。封止板４３の外縁部は下方に突出しており、封止板４３の外縁部と上部シャワープレート４２との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材により封止されている。封止板４３と上部シャワープレート４２との間の空間は、ガス拡散空間４６となっている。
プラズマ処理装置１００は、さらに、高周波電源５０およびガス供給部６０を有している。
高周波電源５０は、下部電極である下部シャワープレート４１と上部電極である上部シャワープレート４２との間に高周波電界を形成するものである。高周波電源５０から延びる給電線５２は、処理容器１０の天壁１０ａに設けられた高周波導入部２７を経て封止板４３に接続されている。給電線５２には整合器５１が介装されている。高周波電源５０からの高周波は、封止板４３を経て上部電極である上部シャワープレート４２に印加され、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間のプラズマ生成空間４５に高周波電界が形成される。高周波電源５０の周波数はプラズマが生成できれば特に限定はないが、ＶＨＦ～ＵＨＦ帯（数百ｋＨｚ～数百ＭＨｚの範囲）が好適である。処理容器１０の天壁と封止板４３との間の給電線５２の周囲の空間は高周波伝搬部５３となっている。
ガス供給部６０は、プラズマ処理を行うための処理ガス、調圧やパージのための不活性ガス等を供給する。プラズマ処理がＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理の場合、処理ガスとして、成膜原料ガスと反応ガスが用いられる。成膜原料ガスの熱分解反応で成膜される場合には、処理ガスとして成膜原料ガスのみを供給してもよい。ガス供給部６０からガス供給配管６１が延びており、ガス供給配管６１はガス導入路６２に接続されている。ガス導入路６２は、処理容器１０の天壁１０ａ、天壁１０ａと封止板４３との間に設けられたスペーサ６３、および封止板４３を経てガス拡散空間４６に接続されている。したがって、ガス供給部６０から供給された処理ガスは、ガス供給配管６１、ガス導入路６２、ガス拡散空間４６、ガス孔４２ａを経てプラズマ生成空間４５に至る。そして、上部シャワープレート４２と下部シャワープレート４１との間に形成された高周波電界によりプラズマ生成空間４５に容量結合プラズマが生成される。プラズマ生成空間４５で生成されたプラズマは、活性種や荷電粒子で構成され、ガス孔４１ａから活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子が処理空間である下部空間１１に導入される。すなわち、ガス孔４１ａは、プラズマ生成空間４５の活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子を処理空間である下部空間１１に導入するプラズマ導入部として機能する。
上部シャワープレート４２と下部シャワープレート４１との間には、これらを熱的に接続するように絶縁体で構成された下部伝熱部材７１が設けられている。図１の例では下部伝熱部材７１は複数（例えば６個）設けられている。複数の下部伝熱部材７１は、好適には軸対称の位置に設けることができる。下部伝熱部材７１は例えば中央に１個設けられていてもよい。下部伝熱部材７１は、プラズマから下部シャワープレート４１に及ぼされた熱を伝熱により逃がす機能を有する。
下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間には容量結合プラズマが生成されるため、下部伝熱部材７１は絶縁体である必要がある。下部伝熱部材７１を構成する絶縁体としては、伝熱により有効に熱を逃がすことが可能なように、熱伝導率が高い絶縁体を用いることができる。このような熱伝導率が高い絶縁体としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、石英ガラス、イットリア（Ｙ２Ｏ３）等を挙げることができる。これらの中では特に熱伝導率が高いＡｌＮを好適に用いることができる。下部伝熱部材７１を構成する絶縁体としては樹脂であってもよく、例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンのような熱伝導率が高い樹脂を用いることができる。下部伝熱部材７１の熱伝導率は、使用温度に合わせて選択してよく、例えば、使用温度が２０～２００℃の範囲で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上の熱伝導率を有する材料が好ましい。このような高い熱伝導率は、上述したＡｌＮにより達成することができる。
図２に詳細に示すように、下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１の上面に形成された凹部４８および上部シャワープレート４２の下面に形成された凹部４９に嵌合されている。そして、下部伝熱部材７１は、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ等の絶縁体からなるネジ７４により、上部シャワープレート７２の上方から下部伝熱部材７１を介して下部シャワープレート４１に螺合することにより締結される。
上部シャワープレート４２と封止板４３との間には、これらを熱的に接続するように金属製の上部伝熱部材７２が設けられている。図１の例では上部伝熱部材７２は複数（例えば６個）設けられている。複数の上部伝熱部材７２は、好適には軸対称の位置に設けられている。上部伝熱部材７２は例えば中央に１個設けられていてもよい。上部伝熱部材７２は、上部シャワープレート４２に伝熱された熱を封止板４３へ導く機能を有している。封止板４３の上部の空間は大気雰囲気であり、上部伝熱部材７２から封止板４３に伝熱された熱は、熱対流等により除去される。
上部伝熱部材７２は、例えば上部シャワープレート４２と同じ材料で上部シャワープレート４２と一体に構成されている。図２に詳細に示すように、上部伝熱部材７２と封止板４３とは金属製のネジ７５で締結されており、上部伝熱部材７２と封止部材４３との間はシールリング（Ｏリング）のような封止部材７６で封止されていてよい。なお、上部伝熱部材７２は上部シャワープレート４２と別体であってもよい。
プラズマ処理装置１００は、さらに制御部８０を有している。制御部８０は、プラズマ処理装置１００の構成部である排気装置２４、高周波電源５０、ガス供給部６０のバルブ類等を制御する。制御部８０は、ＣＰＵを有する主制御部と、入力装置、出力装置、表示装置、および記憶装置とを有している。そして、記憶装置の記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいてプラズマ処理１００の処理が制御される。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１００による処理動作について説明する。
まず、基板Ｗを処理容器１０の処理空間である下部空間１１に搬入し、ステージ２０上に載置する。次いで、ガス供給部６０から不活性ガスをシャワーヘッドを構成するプラズマ生成部３０を介して下部空間１１に供給しつつ排気装置２４により下部空間１１を排気して調圧し、所望の真空雰囲気とする。
まず、基板Ｗを処理容器１０の処理空間である下部空間１１に搬入し、ステージ２０上に載置する。次いで、ガス供給部６０から不活性ガスをシャワーヘッドを構成するプラズマ生成部３０を介して下部空間１１に供給しつつ排気装置２４により下部空間１１を排気して調圧し、所望の真空雰囲気とする。
この状態で、ガス供給部６０から処理ガスをシャワーヘッドを構成するプラズマ生成部３０に供給するとともに、高周波電源５０から封止板４３を経て上部電極である上部シャワープレート４２に高周波電力を印加する。
具体的には、上部シャワープレート４２に高周波電力を印加することにより、下部電極である下部シャワープレート４１と上部電極である上部シャワープレート４２との間のプラズマ生成空間４５に高周波電界が形成される。また、処理ガスをプラズマ生成部３０に供給することにより、処理ガスはガス拡散空間４６からガス孔４２ａを経てプラズマ生成空間４５に至り、高周波電界によりプラズマ生成空間４５に容量結合プラズマが生成される。生成されたプラズマは、活性種や荷電粒子で構成され、プラズマ導入部として機能するガス孔４１ａから活性種のみ、もしくは活性種と荷電粒子が処理空間である下部空間１１に導入され、基板Ｗに供給されて基板Ｗに処理が施される。
このとき、プラズマ生成空間４５にプラズマが生成されると、プラズマ中のイオン、電子が下部シャワープレート４１の上面および上部シャワープレート４２の下面に入射する。入射するイオン、電子は運動エネルギーを持っており、これらの面に衝突する際、これらの面に熱を与える。また、ステージ２０上の基板Ｗが加熱される場合は、基板Ｗからも下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２に熱が与えられる。
ところで、半導体製造技術の高度化にともない、プラズマ処理装置の高性能化が求められており、特に、ＣＶＤやＡＬＤ等の成膜用プラズマ処理装置においては、気相中の活性種密度やプラズマ密度の増大による生産性向上が求められている。本実施形態のようなリモートタイプのプラズマ処理装置において、生産性向上のため大電力が投入されると、投入電力に比例して上部シャワープレート４２の下面および下部シャワープレート４１の上面に与えられる熱量が大きくなる。このため、下部シャワープレート４１の上面および上部シャワープレート４２の下面の温度が高くなり、下部伝熱部材７１が存在しない場合には、熱膨張差により、上部シャワープレート４２は下に凸に反り、下部シャワープレート４１は上に凸に反るおそれがある。このように下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２に反りが生じると、これらの間の距離（電極間隔）が一定に保たれず、生成されるプラズマが不均一となってしまう。
特に、活性種密度やプラズマ密度を増加させてプラズマ処理の効率化を図るために高周波電力の周波数を例えば１８０ＭＨｚ以上と高くすると、後述するように、均一なプラズマを生成するために必要な準ＴＥＭ波が得られる電極間隔が小さくなり、例えば２～３ｍｍとなる。このように電極間隔が小さくなると、下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２で発生する反りによる電極間隔の変動割合が相対的に大きくなり、プラズマの均一性に与える影響は大きいものとなる。
このような電極の反りを抑制するためには、下部電極および上部電極の奪熱を効果的に行うことが有効であり、そのためには、下部電極および上部電極を厚くしてこれらの径方向の熱抵抗を低下させることが有効であると考えられる。また、電極内部に冷媒流路を設けて冷媒により奪熱することも有効であると考えられる。いずれにしても、効果的に奪熱しようとすると、従来の技術常識では、下部電極および上部電極を厚くせざるを得なかった。
しかし、リモートタイプのプラズマ処理装置では、プラズマ生成空間で生成されたプラズマ中の活性種や荷電粒子が下部電極である下部シャワープレートのガス孔を経て処理空間に吐出されるため、下部電極が厚いとガス孔が長くなり、活性種や荷電粒子が失活しやすくなる。このため、大電流を投入しても生産性を向上させることが困難である。
そこで、本実施形態では、下部電極である下部シャワープレート４１および上部電極である上部シャワープレート４２の間に、これらを熱的に接続するように、絶縁体で構成された下部伝熱部材７１を設ける。これにより、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間の絶縁性を維持しつつ、下部伝熱部材７１を介して熱を逃がすことができる。
具体的には、下部シャワープレート４１に流入した熱は、下部伝熱部材７１を介して上部シャワープレート４２に伝熱する。そして、上部シャワープレート４２に流入した熱を、上部伝熱部材７２を介して封止板４３に伝熱する。封止板４３の上部の空間は大気雰囲気となっているため、封止板４３に流入した熱は熱対流等により除去される。
このようにして下部伝熱部材７１を設けて奪熱を行うので、大電力が投入された場合でも下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の熱を有効に除去することができる。このため、下部電極および上部電極である下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の反りを抑制することができる。これにより、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間の距離（電極間隔）を極力一定に保持でき、プラズマの不均一を抑制して、基板Ｗに対し均一なプラズマ処理を行うことができる。特に、高周波電力の周波数が高い場合、上述したように電極間隔を小さくすることが有利であるが、電極間隔の変動影響が大きい場合でも下部伝熱部材７１により有効に熱を逃がすことにより、電極間隔の変動を抑制し、均一なプラズマの処理を行うことができる。このように下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の熱を有効に除去できるため、これらを薄くしても反りを抑制でき、ガス孔４１ａを通過する活性種の失活も抑制できる。
また、プラズマ生成空間４５のプラズマ中のイオンおよび電子の入射により下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の温度が上昇してこれらが多少反った場合でも、反りは下部伝熱部材７１を挟み込む方向に作用する。このため、下部伝熱部材７１と下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２とが密着してこれらの間の接触熱抵抗を減少させ、より効果的に熱を散逸させて、それ以上の反りを防止することができる。さらに、下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２の間隔を物理的に一定になるように保持することができる。このため、下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２に変形しようとする力が作用しても、下部伝熱部材７１によりこれらの間隔が変化することが抑制され、プラズマ生成空間４５に均一かつ安定したプラズマを生成しやすくなる。
さらにまた、下部伝熱部材７１としてＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、石英ガラス、Ｙ２Ｏ３等の熱伝導率の高い絶縁体を用いることにより、伝熱により熱を逃がす効果を高めることができる。また、下部伝熱部材７１を構成する絶縁体の熱伝導率は使用温度に合わせて選択することができ、特に、例えば、２０～２００℃の範囲の使用温度で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上という高い熱伝導率を有する材料が好ましい。このような高い熱伝導率を有する絶縁体としてＡｌＮを好適に用いることができる。
下部伝熱部材７１の個数および配置は特に限定されず、プラズマの均一性と伝熱効果を考慮して設定すればよく、単体であっても複数であってもよい。下部伝熱部材７１が複数の場合は、これらを軸対称の位置に配置することにより均一に熱を逃がすことができる。
次に、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２の間隔について説明する。
均一なプラズマを生成する観点から、高周波を準ＴＥＭ波として伝搬させることが好ましい。準ＴＥＭ波以外のモードが出るとプラズマの均一性が悪くなる。高周波電力を準ＴＥＭ波として伝搬させるためには、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２の間隔（電極間隔）ｄをプラズマ表皮深さより小さくする必要がある。電極間隔ｄがプラズマ表皮深さより大きくなると準ＴＥＭ波以外のモードが出てしまう。また、より高いプラズマ均一性を得るためには準ＴＥＭ波の波長が長いことが有効であり、そのような観点から電極間隔ｄをプラズマ表皮深さより十分に小さくすることが好ましい。
均一なプラズマを生成する観点から、高周波を準ＴＥＭ波として伝搬させることが好ましい。準ＴＥＭ波以外のモードが出るとプラズマの均一性が悪くなる。高周波電力を準ＴＥＭ波として伝搬させるためには、平行平板電極を構成する下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２の間隔（電極間隔）ｄをプラズマ表皮深さより小さくする必要がある。電極間隔ｄがプラズマ表皮深さより大きくなると準ＴＥＭ波以外のモードが出てしまう。また、より高いプラズマ均一性を得るためには準ＴＥＭ波の波長が長いことが有効であり、そのような観点から電極間隔ｄをプラズマ表皮深さより十分に小さくすることが好ましい。
この点についてより詳しく説明する。
準ＴＥＭ波の波長λは、近似的に以下の（１）式で表される（P. Chabert, J.-L. Raimbault, J.-M. Rax, and A. Perret, “Suppression of the standing wave effect in high frequency capacitive discharges using a shaped electrode and dielectric lens: Self-consistent approach,” PHYSICS OF PLASMAS, 11, 8(2004). ）。
λ＝４０λ０Ｖ０ １／１０ｄ－１／２ｆ－２／５ （１）
ここで、λ０は真空中の波長（ｍ）、Ｖ０は高周波の振幅（Ｖ）、ｆは周波数（Ｈｚ）である。円形の電極の場合、電極間には、電極中心を腹とする定在波が形成される。径方向位置ｒにおける電極間電圧Ｖ（ｒ）は、以下の（２）式で表される。
Ｖ（ｒ）＝Ｖ０Ｊ０（ｋｒ） （２）
ここで、Ｊ０は、０次の第１種Ｂｅｓｓｅｌ関数であり、ｋは波数である。基板の半径をＲとした場合に、例えば０．８Ｖ（０）＜Ｖ（Ｒ）とするには、上記（２）式より、λ＞９．８Ｒが得られる。これを（１）式に代入すると、以下の（３）式が得られる。
ｄ＜１７（λ０／Ｒ）２Ｖ０ １／５ｆ－４／５ （３）
（３）式から、周波数が高いほど、電極間隔ｄを小さく設定する必要があることが導かれ、例えばｆ＝１００ＭＨｚでは、十分に均一なプラズマを得るために電極間隔ｄを７ｍｍより小さくすることが好ましいことが導かれる。
準ＴＥＭ波の波長λは、近似的に以下の（１）式で表される（P. Chabert, J.-L. Raimbault, J.-M. Rax, and A. Perret, “Suppression of the standing wave effect in high frequency capacitive discharges using a shaped electrode and dielectric lens: Self-consistent approach,” PHYSICS OF PLASMAS, 11, 8(2004). ）。
λ＝４０λ０Ｖ０ １／１０ｄ－１／２ｆ－２／５ （１）
ここで、λ０は真空中の波長（ｍ）、Ｖ０は高周波の振幅（Ｖ）、ｆは周波数（Ｈｚ）である。円形の電極の場合、電極間には、電極中心を腹とする定在波が形成される。径方向位置ｒにおける電極間電圧Ｖ（ｒ）は、以下の（２）式で表される。
Ｖ（ｒ）＝Ｖ０Ｊ０（ｋｒ） （２）
ここで、Ｊ０は、０次の第１種Ｂｅｓｓｅｌ関数であり、ｋは波数である。基板の半径をＲとした場合に、例えば０．８Ｖ（０）＜Ｖ（Ｒ）とするには、上記（２）式より、λ＞９．８Ｒが得られる。これを（１）式に代入すると、以下の（３）式が得られる。
ｄ＜１７（λ０／Ｒ）２Ｖ０ １／５ｆ－４／５ （３）
（３）式から、周波数が高いほど、電極間隔ｄを小さく設定する必要があることが導かれ、例えばｆ＝１００ＭＨｚでは、十分に均一なプラズマを得るために電極間隔ｄを７ｍｍより小さくすることが好ましいことが導かれる。
＜第２の実施形態＞
次に第２の実施形態について説明する。
図３は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
次に第２の実施形態について説明する。
図３は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
本実施形態では、図３に示すように、下部シャワープレート４１の下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔４１ｂの直径を、他の通常のガス孔４１ａよりも大きく形成している。他の構成は第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。
プラズマ生成空間に絶縁体が存在する場合、絶縁体の周辺部分においてプラズマ中の荷電粒子が消失する。したがって、プラズマ生成空間に存在する絶縁体の周辺部分ではプラズマ密度が他の部分よりも低くなる。このため、ガス孔の直径が均一であると、絶縁体の周辺のガス孔からの活性種の放出量が他のガス孔からの活性種の放出量よりも少なくなり、処理空間である下部空間１１において活性種の分布の均一性が不十分となる場合がある。この場合には、基板Ｗに対して必ずしも均一なプラズマ処理を行えない。
そこで、本実施形態では、下部シャワープレート４１において、絶縁体である下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔４１ｂの直径を、他のガス孔４１ａよりも大きくする。これにより、ガス孔４１ｂ内での活性種の失活を抑制し、下部伝熱部材７１の周辺部分のガス孔からの活性種放出量の低下を補うことができ、下部空間１１における活性種の分布を均一にして基板Ｗに対して均一なプラズマ処理を行うことができる。
＜第３の実施形態＞
次に第３の実施形態について説明する。
図４は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
次に第３の実施形態について説明する。
図４は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。
本実施形態では、図４に示すように、上部シャワープレート４２は、内部にガス流路９１を有する構成となっている。上部シャワープレート４２の下部には、ガス流路９１から延び、プラズマ生成空間４５に開口する複数のガス孔４２ｂが形成されている。また、軸方向に貫通する孔７８を有する絶縁体からなるネジ７７を、上部シャワープレート４２の上方から下部伝熱部材７１を経て下部シャワープレート４１に螺合することにより、下部伝熱部材７１が締結される。下部プレート４１には、ネジ７７の孔７８に連通するガス孔４１ｃが形成されている。また、上部伝熱部材７２は、軸方向に貫通する孔９３を有する金属製のネジ９２で締結されている。上部伝熱部材７２にはガス流路９１に開口するガス孔７２ａが形成されている。
本実施形態では、処理ガスのうちプラズマ化したいものを、孔９３、ガス孔７２ａ、ガス流路９１、ガス孔４２ｂを経てプラズマ生成空間４５に供給することができる。一方、処理ガスのうちプラズマ化したくないものを、ガス流路６２、ガス拡散空間４６、孔７８、ガス孔４１ｃを介してプラズマ生成空間４５を経ることなく処理空間である下部空間１１へ供給することができる。
例えば、ＣＶＤやＡＬＤの成膜処理では、原料ガスはプラズマ化したくなくが、反応ガスはプラズマ化したい場合があり、その場合は、本実施形態により、反応ガスはプラズマ生成空間４５でプラズマ励起し、原料ガスはプラズマ生成空間４５を経ることなく下部空間１１に供給することができる。
なお、上記説明では、プラズマ化したいガスを上部伝熱部材７２に設けられたガス孔７２ａを介してプラズマ生成空間４５に連通するガス流路９１に供給する例を示したが、これに限定されない。
＜第４の実施形態＞
次に第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、下部伝熱部材７１に関する形状ファクターの好ましい範囲を規定するものである。図５は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。なお、図５は便宜上、第３の実施形態の図４を基準としているが、本実施形態は第１の実施形態や第２の実施形態の図１～３を基準としても変わりはない。
次に第４の実施形態について説明する。
本実施形態では、下部伝熱部材７１に関する形状ファクターの好ましい範囲を規定するものである。図５は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部を示す断面図である。なお、図５は便宜上、第３の実施形態の図４を基準としているが、本実施形態は第１の実施形態や第２の実施形態の図１～３を基準としても変わりはない。
下部伝熱部材７１は、下部シャワープレート４１に設けられた凹部４８および上部シャワープレート４２に設けられた凹部４９に嵌合しており、下部伝熱部材７１の長さが下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間隔（電極間距離）より長くなっている。また、下部伝熱部材７１の側面と凹部４８および凹部４９の側面との間には隙間ｇが形成されている。このように、下部伝熱部材７１の長さが電極間距離より長いこと、嵌合部に隙間ｇが設けられていることにより、絶縁体の下部伝熱部材７１の設置による寄生容量の増加を抑制することができ、プラズマ生成空間４５において高周波電流の偏りによるプラズマ分布の悪化を回避しやすい。
下部伝熱部材７１の側面と凹部４８および凹部４９の側面との間の隙間ｇは、プラズマのシース厚さ（０．１～１ｍｍ）よりも小さいことが望ましい。すなわち、隙間ｇ内にプラズマが入り込むとプラズマの分布が悪化することがあるため、隙間ｇをシース厚さよりも小さくして隙間ｇへのプラズマの侵入を抑制する。
図５に示すように、下部伝熱部材７１の下部シャワープレート４１および上部シャワープレート４２への嵌合深さをｈ、下部シャワープレート４１と上部シャワープレート４２との間隔（電極間距離）をｄとした場合に、ｈ＞０．１ｄが好ましい。この関係を満たすことにより、嵌合部を設けることによる寄生容量を減らす効果をより高めることができる。
また、下部伝熱部材７１の直径をｐとした場合に、ｈ＜３ｐが好ましい。嵌合部の深さｈが３ｐよりも大きくなると、嵌合部の深さｈを変えても寄生容量がほとんど変化しない一方、下部伝熱部材７１の熱抵抗が大きくなってしまう。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全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。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およ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。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全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。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およ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。
例えば上記実施形態では、下部シャワープレートを下部電極とし、上部シャワープレートを上部電極として、プラズマ生成空間へ処理ガスをシャワー状に供給するとともに、プラズマ中の活性種をシャワー状に処理空間に導く例を示した。しかし、平行平板電極間にプラズマを励起し、プラズマを処理空間に導入するリモートタイプのプラズマ処理装置であれば上記実施形態に限るものではない。また、上記実施形態では、上部シャワープレートの上にガス拡散空間を介して封止板を設け、上部シャワープレートと封止板との間に上部伝熱部材を設けて上部シャワープレートの熱を上部伝熱部材に伝熱する構造としたが、これに限るものではない。さらに、プラズマ処理としてＣＶＤやＡＬＤ等の成膜処理を例にとって説明したが、これに限るものでなく、例えばプラズマエッチング等の他のプラズマ処理であってもよい。
１０；処理容器
１１；下部空間（処理空間）
２０；ステージ
２４；排気装置
３０；プラズマ生成部
４１；下部シャワープレート（下部電極）
４２；上部シャワープレート（上部電極）
５０；高周波電源
６０；ガス供給部
７１；下部伝熱部材（伝熱部材）
７２；上部伝熱部材
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；基板
１１；下部空間（処理空間）
２０；ステージ
２４；排気装置
３０；プラズマ生成部
４１；下部シャワープレート（下部電極）
４２；上部シャワープレート（上部電極）
５０；高周波電源
６０；ガス供給部
７１；下部伝熱部材（伝熱部材）
７２；上部伝熱部材
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；基板
Claims (20)
- 基板が配置される処理空間を有する処理容器と、
互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、
前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、
前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、
前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、
前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた、絶縁体からなる伝熱部材と、
を有し、前記処理空間に導入されたプラズマにより前記基板にプラズマ処理が施される、プラズマ処理装置。 - 前記伝熱部材は、前記第１電極と前記第２電極との間隔を一定に保持するように設けられる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は複数設けられ、複数の前記伝熱部材は軸対称の位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化珪素、石英ガラス、イットリアから選択された材料で構成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材の熱伝導率は、使用温度に応じて選択される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材の熱伝導率は、使用温度が２０～２００℃の範囲で１００Ｗ／Ｋ・ｍ以上である、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は窒化アルミニウムで構成される、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は、寄生容量の発生が抑制されるように設けられる、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は、前記第１電極および前記第２電極に形成された凹部に嵌合されている、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材の側面と前記凹部との隙間は、プラズマのシース厚さよりも小さい、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
- 前記凹部の深さをｈ、前記第１電極と前記第２電極の間隔をｄとした場合に、ｈ＞０．１ｄを満たす、請求項９または請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
- 前記凹部の深さをｈ、前記伝熱部材の直径をｐとした場合に、ｈ＜３ｐを満たす、請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記プラズマ生成部は、シャワーヘッドを構成し、前記第１電極は複数の第１のガス孔を有する下部シャワープレートであり、前記第２電極は複数の第２のガス孔を有する上部シャワープレートであり、前記第１のガス孔が前記プラズマ導入部として機能し、前記上部シャワープレートとの間にガス拡散空間を有するように前記上部シャワープレートを封止する封止部材と、前記上部シャワープレートと前記封止部材との間に、これらを熱的に接続するように設けられた第２伝熱部材と、をさらに有し、
前記ガス供給部からプラズマを生成するための処理ガスが前記ガス拡散空間および前記第２のガス孔を経て前記プラズマ生成空間に供給され、
前記プラズマ生成空間で生成された前記プラズマが、前記プラズマ導入部としての前記第１のガス孔を通過して前記処理空間に導入される、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 複数の前記第１のガス孔のうち、前記伝熱部材の周辺部分に存在するものは、他のものよりも大きく形成される、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記伝熱部材は、貫通孔を有し、絶縁体からなるネジで前記下部シャワープレートおよび前記上部シャワープレートに締結され、前記処理ガスの一部が前記ネジの前記貫通孔を通過して前記プラズマ生成空間を経ずに前記処理空間に供給され、前記処理ガスの残部が前記プラズマ生成空間でプラズマ化された後、前記プラズマ導入部としての前記第１のガス孔を通過して前記処理空間に導入される、請求項１３または請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
- 前記プラズマ処理が成膜原料ガスと反応ガスとの反応により基板上に膜を形成する成膜処理であり、前記プラズマ生成空間を経ずに前記処理空間に供給される前記処理ガスの一部が前記成膜原料ガスであり、前記プラズマ生成空間でプラズマ化される前記処理ガスの残部が前記反応ガスである、請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第１電極と前記第２電極との間隔は、前記高周波電力が準ＴＥＭ波として伝搬されるように、プラズマ表皮深さよりも小さく設定される、請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第１電極と前記第２電極との間隔ｄは、以下の式を満たすように設定される、請求項１７に記載のプラズマ処理装置。
ｄ＜１７（λ０／Ｒ）２Ｖ０ １／５ｆ－４／５
ただし、λ０は真空中の波長（ｍ）、Ｖ０は高周波の振幅（Ｖ）、ｆは周波数（Ｈｚ）、Ｒは基板の半径である。 - 前記高周波電力供給手段が供給する高周波電力の周波数は、ＶＨＦ～ＵＨＦ帯である、請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- プラズマ処理装置により基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ処理装置として、基板が配置される処理空間を有する処理容器と、互いに対向して設けられ、平行平板電極として構成される第１電極および第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極との間にプラズマ生成空間が形成されるプラズマ生成部と、前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成する高周波電力供給手段と、前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための処理ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ生成空間に生成されたプラズマを前記処理空間に導入するプラズマ導入部と、前記第１電極と前記第２電極との間に、これらを熱的に接続するように設けられた絶縁体からなる伝熱部材と、を有するものを用いることと、
前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電界を形成することと、
前記プラズマ生成空間に前記処理ガスを供給して前記高周波電界によりプラズマを生成することと、
前記プラズマ導入部を介して前記プラズマを前記処理空間に導入し、前記基板にプラズマ処理を施すことと、
前記プラズマ処理の際に前記伝熱部材により前記第１電極および前記第２電極に生じた熱を逃がすことと、
を有する、プラズマ処理方法。
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