JP2024034737A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板面内に印加される電磁界強度分布を調整することが可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】処理容器と、前記処理容器に挿入され、多数枚の基板を多段に載置する基板保持具と、前記基板保持具を回転可能な回転軸と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を排気する排気部と、前記処理容器の外側に配置され、前記処理容器の周方向に配置される複数の電極と、前記複数の電極に高周波電力を印加して前記処理容器内に容量結合プラズマを生成する高周波電源と、を備える、プラズマ処理装置。【選択図】図２

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

特許文献１には、基板を処理する処理室を形成する反応管と、前記反応管の外側に設置され前記処理室内にプラズマを形成する電極を固定する電極固定治具と、前記電極固定治具の外側に設けられ、前記反応管を加熱する加熱装置を有し、前記電極は、任意の電位が印加される電極と、基準電位が与えられる電極と、を有し、前記任意の電位が印加される電極の表面積は、前記基準電位が与えられる電極の表面積の２倍以上である基板処理装置が開示されている。

特開２０２０－４３２２１号公報

一の側面では、本開示は、基板面内に印加される電磁界強度分布を調整することが可能なプラズマ処理装置を提供する。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、処理容器と、前記処理容器に挿入され、多数枚の基板を多段に載置する基板保持具と、前記基板保持具を回転可能な回転軸と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器内を排気する排気部と、前記処理容器の外側に配置され、前記処理容器の周方向に配置される複数の電極と、前記複数の電極に高周波電力を印加して前記処理容器内に容量結合プラズマを生成する高周波電源と、を備える、プラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、基板面内に印加される電磁界強度分布を調整することが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

プラズマ処理装置の構成例を示す概略図。 処理容器を水平に切断したプラズマ処理装置の構成例を示す概略図。 処理容器を水平に切断したプラズマ処理装置の他の構成例を示す概略図。 処理容器を水平に切断したプラズマ処理装置の更に他の構成例を示す概略図。 Ｙ軸方向における電界強度を示すグラフの一例。 Ｘ軸方向における電界強度を示すグラフの一例。 各電極に印加する高周波電力を示すグラフの一例。 Ｙ軸方向における電界強度を示すグラフの一例。 周方向における電界強度を示すグラフの一例。 各電極に印加する高周波電力を示すグラフの他の一例。 各電極に印加する高周波電力を示すグラフの更に他の一例。

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。

〔プラズマ処理装置〕
本実施形態に係るプラズマ処理装置（基板処理装置）について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、プラズマ処理装置の構成例を示す概略図である。図２は、処理容器１を水平に切断したプラズマ処理装置の構成例を示す概略図である。なお、図２（及び後述する図３，図４）において、ロッド４及びガス供給管２４を省略して図示している。

プラズマ処理装置は、下端が開口された有天井の円筒体状の処理容器１を有する。処理容器１の全体は、例えば石英により形成されている。処理容器１内の上端近傍には、石英により形成された天井板２が設けられており、天井板２の下側の領域が封止されている。

処理容器１の下方は開口しており、処理容器１の下方から基板として多数枚（例えば２５～１５０枚）の半導体ウエハ（以下「基板Ｗ」という。）を多段に載置したウエハボート（基板保持具）３が処理容器１内に挿入される。このように処理容器１内には、上下方向に沿って間隔を有して多数枚の基板Ｗが略水平に収容される。ウエハボート３は、例えば石英により形成されている。ウエハボート３は、３本のロッド４を有し（図１では２本を図示する。）、ロッド４に形成された溝（図示せず）により多数枚の基板Ｗが支持される。

ウエハボート３は、石英により形成された保温筒５を介してテーブル６上に載置されている。テーブル６は、処理容器１の下端の開口を開閉する金属（ステンレス）製の蓋体７を貫通する回転軸８上に支持される。

回転軸８の貫通部には、磁性流体シール９が設けられており、回転軸８を気密に封止し、且つ回転可能に支持している。蓋体７の周辺部と処理容器１の下端との間には、処理容器１内の気密性を保持するためのシール部材１０が設けられている。

回転軸８は、例えばボートエレベータ等の昇降機構（図示せず）に支持されたアーム１１の先端に取り付けられており、ウエハボート３と蓋体７とは一体として昇降し、処理容器１内に対して挿脱される。なお、テーブル６を蓋体７側へ固定して設け、ウエハボート３を回転させることなく基板Ｗの処理を行うようにしてもよい。

また、プラズマ処理装置は、処理容器１内へ処理ガス、パージガス等の所定のガスを供給するガス供給部を有する。

ガス供給部は、ガス供給管２４を有する。ガス供給管２４は、例えば石英により形成されており、処理容器１の側壁を内側へ貫通して上方へ屈曲されて垂直に延びる。ガス供給管２４の垂直部分には、ウエハボート３のウエハ支持範囲に対応する上下方向の長さに亘って、複数のガス孔２４ｇが所定間隔で形成されている。各ガス孔２４ｇは、水平方向にガスを吐出する。ガス供給管２４には、ガス配管を介してガス供給源２１から処理ガスが供給される。ガス配管には、流量制御器２２及び開閉弁２３が設けられている。これにより、ガス供給源２１からの処理ガスは、ガス配管及びガス供給管２４を介して処理容器１内に供給される。流量制御器２２は、ガス供給管２４から処理容器１内に供給されるガスの流量を制御可能に構成されている。開閉弁２３は、ガス供給管２４から処理容器１内に供給されるガスの供給・停止を制御可能に構成されている。

処理容器１の外側には、複数の電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）が設けられている。図１及び図２に示す例において、電極（第１の電極）３１Ａ、電極（第２の電極）３１Ｂ及び電極（第３の電極）３１Ｃの３本の電極を有する。また、電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）は、処理容器１の周方向に等間隔（１２０°ピッチ）に配置されている。電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）は、金属等の良導体により形成される。各電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）には、高周波電源３２（３２Ａ～３２Ｃ）に接続され、各電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）ごとに印加する高周波電力の電圧及び位相を可変可能に構成されている。即ち、電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）ごとに印加される高周波電力の電圧と位相を可変することができる。

処理容器１の内側は、後述する排気装置４２によって排気され、減圧（真空雰囲気）されている。また、処理容器１の内側には、ガス供給管２４から処理ガスが供給される。一方、処理容器１の外側は、大気雰囲気となっている。電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）は、処理容器１の外側の大気雰囲気の空間に配置されている。

各高周波電源３２（３２Ａ～３２Ｃ）から各電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）に高周波電力を印加することにより、処理容器１内に電場を形成し、処理容器１内に容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）を生成する。

図１に示すように、電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）は、高さ方向において、ウエハボート３に載置される多数枚の基板Ｗの高さ方向の範囲よりも広い範囲に配置される。即ち、ウエハボート３に載置される最上段の基板Ｗよりも高い位置まで電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）が形成され、ウエハボート３に載置される最下段の基板Ｗよりも低い位置まで電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）が形成されている。

処理容器１の側壁部分には、処理容器１内を真空排気するための排気口１２が設けられている。排気口１２には、処理容器１内の圧力を制御する圧力制御バルブ４１及び真空ポンプ等を含む排気装置（排気部）４２が接続されており、排気装置４２により排気管を介して処理容器１内が排気される。

処理容器１の周囲には、円筒体状の加熱機構５０が設けられている。加熱機構５０は、処理容器１及び複数の電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）を囲むように配置される。なお、加熱機構５０と処理容器１との間の空間は、大気雰囲気となっており、この空間に複数の電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）が配置される。加熱機構５０は、処理容器１及びその内部の基板Ｗを加熱する。加熱機構５０は、処理容器１の温度が所望の温度（例えば６００℃）となるように制御する。これにより、処理容器１内の基板Ｗは、処理容器１の壁面からの輻射熱等で加熱される。

また、加熱機構５０の外側には、シールド６０が設けられている。即ち、シールド６０は、処理容器１、複数の電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）及び加熱機構５０を囲むように配置される。シールド６０は、例えば金属等の良導体により形成され、接地される。

また、プラズマ処理装置は、制御部７０を有する。制御部７０は、例えばプラズマ処理装置の各部の動作の制御、例えば開閉弁２３の開閉による各ガスの供給・停止、流量制御器２２によるガス流量の制御、排気装置４２による排気制御を行う。また、制御部７０は、例えば高周波電源３２（３２Ａ～３２Ｃ）による高周波電力のオン・オフ制御、加熱機構５０による処理容器１及びその内部の基板Ｗの温度の制御を行う。

制御部７０は、例えばコンピュータ等であってよい。また、プラズマ処理装置の各部の動作を行うコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。

このような構成により、プラズマ処理装置は、排気装置４２によって処理容器１内を減圧し、ガス供給管２４から処理容器１内に処理ガスを供給し、電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）に高周波電力を印加することにより、処理容器１内に容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を生成し、基板Ｗに処理（エッチング処理、成膜処理等）を施すことができる。また、基板Ｗにプラズマ処理を施す際、ウエハボート３を回転軸８で回転させることにより、基板Ｗの周方向におけるプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

なお、図１及び図２に示す例において、プラズマ処理装置は、処理容器１の外側に３本の電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）が配置され、各電極３１（３１Ａ～３１Ｃ）に接続される３つの高周波電源３２（３２Ａ～３２Ｃ）を有するものとして説明したが、これに限られるものではない。

図３は、処理容器１を水平に切断したプラズマ処理装置の他の構成例を示す概略図である。図３に示すように、プラズマ処理装置は、処理容器１の外側に２本の電極３１（３１Ａ，３１Ｂ）が等間隔（１８０°ピッチ）に配置され、各電極３１（３１Ａ，３１Ｂ）に接続される２つの高周波電源３２（３２Ａ，３２Ｂ）を有する構成であってもよい。

図４は、処理容器１を水平に切断したプラズマ処理装置の更に他の構成例を示す概略図である。図４に示すように、プラズマ処理装置は、処理容器１の外側に４本の電極３１（３１Ａ～３１Ｄ）が等間隔（９０°ピッチ）に配置され、各電極３１（３１Ａ～３１Ｄ）に接続される４つの高周波電源３２（３２Ａ～３２Ｄ）を有する構成であってもよい。また、プラズマ処理装置は、電極３１及び高周波電源３２を、それぞれ５つ以上有する構成であってもよい。

また、図２から図４では、複数の電極３１は、処理容器１の周方向に等間隔に設けられるものとして説明したが、これに限られるものではない。複数の電極３１は、等間隔に配置されていなくてもよい。

また、電極３１の数と高周波電源３２の数は、等しいものとして説明したがこれに限られるものではなく、異なっていてもよい。例えば、１つの高周波電源３２に対して、２以上の電極３１が接続される構成であってもよい。

図５は、Ｙ軸方向における電界強度を示すグラフの一例である。図６は、Ｘ軸方向における電界強度を示すグラフの一例である。ここで、電極３１Ａと基板Ｗの中心を結ぶ軸をＹ軸（図２から図４において紙面の上下方向）とし、Ｙ軸と直交する方向をＸ軸（図２から図４において紙面の左右方向）とする。図５の横軸は、基板Ｗの中心をＹ軸方向の０［ｍｍ］とし、電極３１Ａの側をＹ軸のプラスとして、基板Ｗの中心からの距離を示す。図５の縦軸は、その電界強度を示す。図６の横軸は、基板Ｗの中心をＸ軸方向の０［ｍｍ］とし、基板Ｗの中心からの距離を示す。図６の縦軸は、その電界強度を示す。

実線で示すグラフ（２Ｐｏｌｅ）は、図３に示す２本の電極３１Ａ，３１Ｂに０°、１８０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。破線で示すグラフ（３Ｐｏｌｅ）は、図２に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、１２０°、２４０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。一点鎖線で示すグラフ（４Ｐｏｌｅ）は、図４に示す４本の電極３１Ａ～３１Ｄに０°、９０°、１８０°、２７０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。

図５及び図６に示すように、電極３１の数及び配置を変更することにより、基板Ｗの面内に印加される電界強度の分布を調整することができる。よって、基板Ｗに施されるプラズマ処理の面内均一性を制御することができる。

例えば、一点鎖線で示すグラフ（４Ｐｏｌｅ）に示すように、電界強度を基板Ｗの中心から径方向外側に向かって、平坦にすることができる。これにより、基板Ｗにプラズマ処理を施す際、ウエハボート３を回転軸８で回転させることにより、基板Ｗの径方向におけるプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

図７は、各電極３１Ａ～３１Ｃに印加する高周波電力を示すグラフの一例である。ここでは、電極３１Ａに印加する高周波電力と電極３１Ｂに印加する高周波電力の位相差と、電極３１Ｂに印加する高周波電力と電極３１Ｃに印加する高周波電力の位相差とが等しい。具体的には、電極３１Ａ～３１Ｃに０°、１２０°、２４０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合を示す。図８は、Ｙ軸方向における電界強度を示すグラフの一例である。図９は、周方向における電界強度を示すグラフの一例である。図８の横軸は、基板Ｗの中心をＹ軸方向の０［ｍｍ］とし、電極３１Ａの側をＹ軸のプラスとして、基板Ｗの中心からの距離を示す。図８の縦軸は、その電界強度を示す。図９の横軸は、基板Ｗの中心から１５０ｍｍ離れた位置における周方向の電界強度を示す。図９の縦軸は、その電界強度を示す。

実線で示すグラフ（０，０，０）は、図２に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、０°、０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。破線で示すグラフ（０，３０，６０）は、図３に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、３０°、６０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。一点鎖線で示すグラフ（０，６０，１２０）は、図３に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、６０°、１２０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。二点鎖線で示すグラフ（０，９０，１８０）は、図３に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、９０°、１８０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。点線で示すグラフ（０，１２０，２４０）は、図３に示す３本の電極３１Ａ～３１Ｃに０°、１２０°、２４０°の位相差で同じ電圧の高周波電力を印加した場合の電界強度を示す。なお、図７は、点線で示すグラフ（０，１２０，２４０）に対応する。

図８及び図９に示すように、各電極３１に印加する高周波電力の位相を変更することにより、基板Ｗの面内における電界強度の分布を可変することができる。よって、基板Ｗに施されるプラズマ処理の面内均一性を制御することができる。

図１０は、各電極３１Ａ～３１Ｃに印加する高周波電力を示すグラフの他の一例である。複数の電極３１のうち、いずれかの電極には、高周波電力を印加せず、他の電極に高周波電力を印加してもよい。例えば、図１０に示す例において、高周波電源３２は、電極３１Ａ及び電極３１Ｂに高周波電力を印加し、電極３１Ｃに高周波電力を印加しない制御であってもよい。また、電極３１Ａに印加する高周波電力と電極３１Ｂに印加する高周波電力との位相差は、１８０°である制御であってもよい。

図１１は、各電極３１Ａ～３１Ｃに印加する高周波電力を示すグラフの更に他の一例である。複数の電極３１のうち、いずれかの電極に印加する高周波電力の位相を同じにしてもよい。これにより、基板Ｗの面内における電界強度の分布を可変することができる。例えば、図１１に示す例において、電極３１Ｂに印加する高周波電力と電極３１Ｃに印加する高周波電力とは、位相が等しい制御であってもよい。また、電極３１Ａに印加する高周波電力と電極３１Ｂに印加する高周波電力との位相差は、１８０°である制御であってもよい。

以上のように、各電極３１Ａ～３１Ｃに印加する高周波電力の電圧及び位相を可変することができる。これにより、基板Ｗの半径方向における電界強度を調整することができる。これにより、例えば、基板Ｗの中心部と基板Ｗの外周部における電界強度の平均値を等しくすることができる。これにより、基板処理の面内均一性を向上させることができる。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせ等、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

Ｗ 基板
１ 処理容器
２ 天井板
３ ウエハボート（基板保持具）
４ ロッド
５ 保温筒
６ テーブル
７ 蓋体
８ 回転軸
９ 磁性流体シール
１０ シール部材
１１ アーム
１２ 排気口
２１ ガス供給源
２２ 流量制御器
２３ 開閉弁
２４ ガス供給管
２４ｇ ガス孔
３１，３１Ａ～３１Ｄ 電極
３２，３２Ａ～３２Ｄ 高周波電源
４１ 圧力制御バルブ
４２ 排気装置
４２ 排気装置（排気部）
５０ 加熱機構
６０ シールド
７０ 制御部

Claims (13)

1. 処理容器と、
   前記処理容器に挿入され、多数枚の基板を多段に載置する基板保持具と、
   前記基板保持具を回転可能な回転軸と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理容器内を排気する排気部と、
   前記処理容器の外側に配置され、前記処理容器の周方向に配置される複数の電極と、
   前記複数の電極に高周波電力を印加して前記処理容器内に容量結合プラズマを生成する高周波電源と、を備える、
   プラズマ処理装置。
2. 前記高周波電源は、
   前記複数の電極ごとに印加する高周波電力の電圧及び位相を可変可能に構成される、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数の電極は、前記基板保持具に載置される多数枚の前記基板の高さ方向の範囲よりも広い範囲に配置される、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記複数の電極は、
   前記処理容器の周方向に等間隔に配置される、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記処理容器及び前記複数の電極を囲む加熱機構をさらに有する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記処理容器、前記複数の電極及び前記加熱機構を囲むシールドをさらに有する、
   請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記シールドは接地される、
   請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記複数の電極は、第１の電極、第２の電極及び第３の電極を有する、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記高周波電源は、
   前記第１の電極に印加する高周波電力と前記第２の電極に印加する高周波電力の位相差と、前記第２の電極に印加する高周波電力と前記第３の電極に印加する高周波電力の位相差とが等しい、
   請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記高周波電源は、
    前記第１の電極及び前記第２の電極に高周波電力を印加し、
    前記第３の電極に高周波電力を印加しない、
    請求項８に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第１の電極に印加する高周波電力と前記第２の電極に印加する高周波電力との位相差は、１８０°である、
    請求項８に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記第２の電極に印加する高周波電力と前記第３の電極に印加する高周波電力とは、位相が等しい、
    請求項８に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記第１の電極に印加する高周波電力と前記第２の電極に印加する高周波電力との位相差は、１８０°である、
    請求項１２に記載のプラズマ処理装置。

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