JP3042300B2

JP3042300B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3042300B2
Application number: JP6089476A
Authority: JP
Inventors: 隆裕吉識; 恭一小町; 克生片山; 博嗣馬渕; 浩一飯尾
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-27
Filing date: 1994-04-27
Publication date: 2000-05-15
Anticipated expiration: 2015-05-15
Also published as: JPH07296989A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置に関
し、より詳細にはプラズマを利用して半導体素子基板等
にアッシング（灰化）、エッチング、ＣＶＤ等の処理を
施すのに適したプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】反応ガスに外部からエネルギーを与えた
際に発生するプラズマはＬＳＩ製造プロセスにおいて広
く用いられており、特にプラズマを用いたドライエッチ
ング技術はかかるプロセスに不可決の基本技術となって
いる。

【０００３】一般にプラズマを発生させるための励起手
段としては、１３．５ＭＨｚのＲＦ（高周波）が用いら
れているが、マイクロ波を用いた方が低温で高密度のプ
ラズマが得られ、装置の構成及び操作も簡単となる等の
利点がある。しかし従来のマイクロ波を用いたプラズマ
処理装置では、大きい面積にプラズマを均一に発生させ
ることが困難であるため、大口径の半導体基板に均一的
なプラズマ処理を施すことが難しいという問題があっ
た。

【０００４】この問題に対処するため、広い範囲にマイ
クロ波プラズマを均一的に発生させることが可能なプラ
ズマ処理装置として、誘電体層を利用する方式のものが
知られている（特開昭６２−５６００号公報、特開昭６
２−９９４８１号公報）。

【０００５】図５は従来のこの種プラズマ処理装置を模
式的に示した断面図であり、図中１０は略中空直方体形
状の反応容器を示している。反応容器１０は上部壁を除
く全体がＡｌ（アルミニウム）等の金属を用いて形成さ
れ、この側壁は二重構造になっており、その内部は冷却
水が流通する冷却水通路１１となっている。冷却水通路
１１の内側には略直方体形状を有する処理室１２が形成
され、処理室１２の上部は耐熱性板１３により気密状態
に封止されており、耐熱性板１３はマイクロ波の透過が
可能で、かつ誘電損失が小さい石英ガラス、Ａｌ₂ Ｏ₃
（アルミナ）等を用いて略板形状に形成されている。処
理室１２内部における耐熱性板１３と対向する箇所には
試料Ｓを載置するための試料台１４が配設され、処理室
１２の下部壁には排気装置（図示せず）に接続される排
気口１５が形成されており、さらに処理室１２を構成す
る一側壁には処理室１２内に所要の反応ガスを供給する
ためのガス供給管１６が接続されている。

【０００６】一方、反応容器１０の上方には誘電体層２
０が形成され、誘電体層２０は誘電損失が小さいフッ素
樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等を用いて略直方体
形状に形成されており、また誘電体層２０の外側には誘
電体層２０を覆うＡｌ等の金属板を用いて形成された枠
体２１が配設されている。また誘電体層２０には導波管
２２が接続され、導波管２２にはマイクロ波発振器２３
が連結されており、マイクロ波発振器２３から発振され
たマイクロ波が導波管２２を介して誘電体層２０に導入
されるようになっている。

【０００７】このように構成されたプラズマ処理装置を
用い、試料Ｓとしての半導体基板表面にエッチング処理
等を施す場合、まず試料台１４上に試料Ｓを載置し、次
に冷却水通路１１内に冷却水を循環させ、排気口１５か
ら排気した後、ガス供給管１６から反応ガスを供給し、
処理室１２を所要の真空度に設定する。次いで、マイク
ロ波発振器２３においたマイクロ波を発振させ、このマ
イクロ波を導波管２２を介して誘電体層２０に導入す
る。すると誘電体層２０下方に電界が形成され、形成さ
れた電界が耐熱性板１３を透過し、処理室１２に至って
プラズマを発生させ、このプラズマにより試料Ｓ表面に
エッチング等の処理が施される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したマイクロ波を
利用したプラズマ処理装置においては、何枚もの試料Ｓ
にエッチング等のプラズマ処理を連続的に施すと、時間
の経過につれて処理速度が遅くなり、処理効率が低下し
易いという課題があった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、マイクロ波を利用してプラズマを発生させ、
このプラズマにより試料Ｓに連続的にプラズマ処理を施
す際、時間が経過するにつれて処理速度が遅くなるのを
防止することができ、処理効率を安定的に高めることが
できるプラズマ処理装置を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波導波路
を形成すべく配置された誘電体層と、該誘電体層に対向
配置されるマイクロ波を透過する耐熱性板で気密に封止
された金属製容器と、該金属製容器内に配設された試料
台とを備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体層
と前記耐熱性板との間に温風を供給するための温風供給
手段を備えていることを特徴としている（１）。

【００１１】また本発明に係るプラズマ処理装置は、マ
イクロ波導波路を形成すべく配置された誘電体層と、該
誘電体層に対向配置されるマイクロ波を透過する耐熱性
板で気密に封止された金属製容器と、該金属製容器内に
配設された試料台とを備えたプラズマ処理装置におい
て、前記耐熱性板が２層構造を有し、該２層構造の間に
空洞部が形成され、該空洞部に温風を供給するための温
風供給手段を備えていることを特徴としている（２）。

【００１２】

【作用】上記構成のプラズマ処理装置（１）によれば、
誘電体層と耐熱性板との間に温風を供給するための温風
供給手段を備えているので、前記温風により前記耐熱性
板を所定温度に維持し得ることとなり、前記耐熱性板の
下方に発生したプラズマの放電エネルギにより前記耐熱
性板の温度が変化するのを防止し得ることとなる。この
ため、前記温度の変化に伴って生じる前記耐熱性板のＱ
値の変動が抑制され、該Ｑ値の変動に伴って生じるマイ
クロ波の誘電損失の変動が抑制され、該誘電損失の変動
に伴って生じる電界強度の変動を抑制し得ることとな
る。この結果、前記電界強度の変動に伴って発生するプ
ラズマ密度の変動が抑制され、したがってプラズマ処理
速度の変動が小さくなり、プラズマ処理の効率を高め得
ることとなる。

【００１３】また上記構成のプラズマ処理装置（２）に
よれば、耐熱性板が２層構造を有し、該２層構造の間に
空洞部が形成され、該空洞部に温風を供給するための温
風供給手段を備えているので、前記空洞部に前記温風が
供給され、前記２層の耐熱性板を所定温度に効率よく、
かつ確実に維持し得ることとなり、上記したプラズマ処
理装置（１）の場合に比べてプラズマ処理の効率を一層
高め得ることとなる。また前記温風の供給量が少なくて
済み、温風温度や流量を容易に調整し得ることとなり、
調整のためのエネルギコストを削減し得ることとなる。

【００１４】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るプラズマ処理
装置の実施例を図面に基づいて説明する。なお、従来例
と同一の機能を有する構成部品には同一の符号を付すこ
ととする。図１は本発明に係るプラズマ処理装置の実施
例（１）を模式的に示した断面図であり、図中１０は反
応容器を示している。反応容器１０内には略直方体形状
を有する処理室１２が形成され、処理室１２上部は耐熱
性板１３により気密状態に封止されており、耐熱性板１
３はマイクロ波の透過が可能で、かつ誘電損失が小さい
石英ガラス、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等を用いて形成されている。ま
た反応容器１０の上方には空間部２０ａを挟んで誘電体
層２０が形成されており、誘電体層２０は誘電損失が小
さいフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等を用い
て略直方体形状に形成されている。さらに誘電体層２０
の外側には、Ａｌ等の金属板を用いて誘電体層２０を覆
う形状に形成された枠体２１が配設されている。

【００１５】枠体２１における例えば左側壁２１ａには
温風発生装置２５が接続されており、温風発生装置２５
には例えば図２に示したノンフレームトーチ：商品名が
用いられている。図中２７はノズル部を示しており、ノ
ズル部２７の中心軸上には孔２７ｂが貫通して形成さ
れ、ノズル部２７の右端部は供給管２９ａ、流量計２９
ｄ、流量調整器２９ｃ及びフィルタ２９ｂを介してコン
プレッサやブロワー等のエアー源２９に接続されてい
る。そしてエアー源２９において発生した空気は供給管
２９ａを通り、流量計２９ｄにより流量が測定され、流
量調整器２９ｃにより流量が調整されて所定流量の空気
がノズル部２７先端から左方へ噴出するようになってい
る。またノズル部２７における孔２７ｂの外周部にはヒ
ータエレメント２７ａが埋設されており、ヒータエレメ
ント２７ａの一端部側は電圧調整部２８に接続されてい
る。そして温度測定装置（図示せず）で測定された耐熱
性板１３の温度と、流量計２９ｄで測定された空気流量
とに基づき、電圧調整部２８によりヒータエレメント２
７ａへの印加電圧が調整され、前記噴出する空気が所定
温度に調節されるようになっている。一方、枠体２１の
側壁における温風発生器２５の接続部と反対側２１ｂに
はポンプ等の排風装置２６が接続されている。これら温
風発生装置２５、排風装置２６等を含んで温風供給手段
２４が構成されており、温風発生装置２５において発生
した所定温度、所定流量の温風２４ａが空間部２０ａ内
における耐熱性板１３上を通り、排風装置２６から排出
されるようになっている。その他の構成は図５に示した
従来のものと同様であるので、ここではその構成の詳細
な説明は省略するものとする。

【００１６】このように構成された装置を用い、試料Ｓ
としての半導体基板表面にレジストのアッシング処理等
を連続的に施す場合、まず試料台１４上に１枚目の試料
Ｓ₁を載置し、次に冷却水通路１１内に冷却水を循環さ
せ、排気口１５から排気して処理室１２を所要の真空度
に設定する。同時に温風供給手段２４を作動させて所定
温度、所定流量の温風２４ａを空間部２０ａ内に通流さ
せ、耐熱性板１３を所定温度に設定した後、ガス供給管
１６から反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振
器２３においてマイクロ波を発振させ、導波管２２を介
して誘電体層２０に導入する。すると誘電体層２０下方
に電界が形成され、形成された電界が耐熱性板１３を透
過し、処理室１２に至ってプラズマを発生させ、このプ
ラズマにより１枚目の試料Ｓ₁ 表面にアッシング等の処
理が施される。次に１枚目の試料Ｓ₁ と２枚目の試料Ｓ
₂ とを交換し、２枚目の試料Ｓ₂ に試料Ｓ₁ の場合と同
様のプラズマ処理を施し、さらに試料Ｓ₃ 、Ｓ₄ 、…に
も同様の処理を繰り返し施してゆく。その間、温風供給
手段２４を操作して温風２４ａの温度及び流量の調整・
制御を行ない、耐熱性板１３を所定の設定温度に維持す
る。

【００１７】以下に、実施例（１）に係るプラズマ処理
装置を使用し、各試料にレジストのアッシング処理を連
続的に施した際におけるプラズマ処理速度比の変化を測
定した結果について説明する。なおプラズマ処理速度比
は、１枚目の試料Ｓ₁ のアッシング処理速度を１とした
場合における相対値を示している。測定条件は下記の表
１に示した。また比較例として図５に示した従来の装置
を用い、温風の供給を除いては同様の条件で実験を行な
った。

【００１８】

【表１】

【００１９】図３はプラズマ処理速度比とウエハ処理枚
数との関係を示した曲線図であり、曲線Ａは実施例
（１）の場合、曲線Ｂは後に説明する実施例（２）の場
合、曲線Ｃは比較例の場合を示している。図３から明ら
かなように、温風供給手段２４を備えていない比較例に
係る装置の場合、アッシング処理速度は処理枚数が増え
るにしたがって次第に遅くなり、略１００枚以上の試料
Ｓに処理を施すと１枚目の試料Ｓ₁ における処理速度に
比べて約８０％に低下した（曲線Ｃ）。しかし温風供給
手段２４を備えている実施例（１）に係る装置の場合、
２００枚の試料Ｓに処理を施してもアッシング処理速度
は１枚目の試料Ｓ₁ における処理速度とほぼ変わらなか
った（曲線Ａ）。

【００２０】上記説明及び結果から明らかなように、実
施例（１）に係るプラズマ処理装置にあっては、誘電体
層２０と耐熱性板１３との間に温風２４ａを供給するた
めの温風供給手段２４を備えているので、温風２４ａに
より耐熱性板１３を所定温度に維持することができ、耐
熱性板１３の下方に発生したプラズマの放電エネルギに
より耐熱性板１３の温度が変化するのを防止することが
できる。このため、前記温度の変化に伴って生じる耐熱
性板１３のＱ値の変動を抑制することができ、該Ｑ値の
変動に伴って生じるマイクロ波の誘電損失の変動を抑制
することができ、該誘電損失の変動に伴って生じる電界
強度の変動を抑制することができる。この結果、前記電
界強度の変動に伴って発生するプラズマ密度の変動を抑
制することができ、したがってプラズマ処理速度の変動
を小さくすることができ、プラズマ処理の効率を高める
ことができる。

【００２１】図４は本発明の実施例（２）に係るプラズ
マ処理装置を模式的に示した断面図であり、図中１０は
反応容器を示している。反応容器１０内には略直方体形
状を有する処理室１２が形成され、処理室１２上部は耐
熱性板３３により気密状態に封止されており、耐熱性板
３３はマイクロ波の透過が可能で、かつ誘電損失が小さ
い石英ガラス、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等を用いて形成されている。
また耐熱性板３３は耐熱性板３３ａと耐熱性板３３ｂと
の２層構造を有しており、耐熱性板３３ａと耐熱性板３
３ｂとの間には空洞部３３ｃが形成されている。また反
応容器１０の上方には空間部２０ａを挟んで誘電体層２
０が形成されており、誘電体層２０は誘電損失が小さい
フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等を用いて略
直方体形状に形成されている。さらに誘電体層２０の外
側にはＡｌ等の金属板を用いて誘電体層２０を覆う形状
に形成された枠体２１が配設されている。

【００２２】枠体２１における例えば左側壁２１ａには
図２に示したものと同様の温風発生装置２５が接続され
る一方、枠体２１の側壁における温風発生器２５の接続
部と反対側２１ｂには図１に示したものと同様の排風装
置２６が接続されている。これら温風発生装置２５、排
風装置２６等を含んで温風供給手段２４が構成されてお
り、温風発生装置２５において発生した所定温度、所定
流量の温風２４ａが空洞部３３ｃを通り、排風装置２６
から排出されるようになっている。その他の構成は図５
に示した従来のものと同様であるので、ここではその構
成の詳細な説明は省略するものとする。

【００２３】このように構成された装置を用い、試料Ｓ
としての半導体基板表面にレジストのアッシング処理等
を連続的に施す場合、まず試料台１４上に１枚目の試料
Ｓ₁を載置し、次に冷却水通路１１内に冷却水を循環さ
せ、排気口１５から排気して処理室１２を所要の真空度
に設定する。同時に温風供給手段２４を作動させて所定
温度、所定流量の温風２４ａを空洞部３３ｃに通流さ
せ、耐熱性板３３ａ、３３ｂを所定温度に設定した後、
ガス供給管１６から反応ガスを供給する。次いで、マイ
クロ波発振器２３においてマイクロ波を発振させ、導波
管２２を介して誘電体層２０に導入する。すると誘電体
層２０下方に電界が形成され、形成された電界が耐熱性
板３３ａ、３３ｂを透過し、処理室１２に至ってプラズ
マを発生させ、このプラズマにより１枚目の試料Ｓ₁ 表
面にアッシング等の処理が施される。次に１枚目の試料
Ｓ₁ と２枚目の試料Ｓ₂ とを交換し、２枚目の試料Ｓ₂
に試料Ｓ₁ の場合と同様のプラズマ処理を施し、さらに
試料Ｓ₃ 、Ｓ₄ 、…にも同様の処理を繰り返し施してゆ
く。その間、温風供給手段２４を操作して温風２４ａの
温度及び流量の調整・制御を行ない、耐熱性板３３ａ、
３３ｂを所定の設定温度に維持する。

【００２４】以下に、実施例（２）に係るプラズマ処理
装置を使用し、各試料にアッシング処理を連続的に施し
た際におけるプラズマ処理速度比の変化を測定した結果
について説明する。測定条件は上記の表１に示した。

【００２５】図３から明らかなように、実施例（２）の
装置の場合、２００枚の試料Ｓに処理を施してもレジス
トのアッシング処理速度は１枚目の試料Ｓ₁ における処
理速度とほぼ変わらなかった。また処理枚数が増大する
と、実施例（１）の装置の場合に比べてさらに処理速度
の変動が減少する傾向があった。また、温風２４ａの温
度や流量を調整するのが容易であり、調整のためのエネ
ルギコストを減少させることができた。

【００２６】上記説明及び結果から明らかなように、実
施例（２）に係るプラズマ処理装置にあっては、耐熱性
板３３が２層構造３３ａ、３３ｂを有し、２層構造３３
ａ、３３ｂの間に空洞部３３ｃが形成され、空洞部３３
ｃに温風２４ａを供給するための温風供給手段２４を備
えているので、空洞部３３ｃに温風２４ａを供給するこ
とができ、２層の耐熱性板３３ａ、３３ｂを所定温度に
効率よく、かつ確実に維持することができ、上記したプ
ラズマ処理装置（１）の場合に比べてプラズマ処理の効
率を一層高めることができる。また温風２４ａの供給量
を少なくすることができ、温風温度や流量を容易に調整
することができ、調整のためのエネルギコストを削減す
ることができる。

【００２７】なお、上記実施例ではいずれも試料Ｓにレ
ジストのアッシング処理を施す場合について説明した
が、別の実施例ではエッチング処理やＣＶＤ処理を施し
てもよい。

【００２８】また、温風供給手段は上記実施例のものに
何ら限定されるものではなく、所定温度及び所定流量の
温風を発生させ得るものであれば異なる構成を有してい
ても差し支えない。

【００２９】また、上記実施例ではいずれも温風源とし
て空気を用いたが、別の実施例では空気の代わりにＡ
ｒ、Ｎ₂ 、Ｈｅ等の加圧ガスを用いてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ処理装置（１）にあっては、誘電体層と耐熱性板との
間に温風を供給するための温風供給手段を備えているの
で、前記温風により前記耐熱性板を所定温度に維持する
ことができ、前記耐熱性板の下方に発生したプラズマの
放電エネルギにより前記耐熱性板の温度が変化するのを
防止することができる。このため、前記温度の変化に伴
って生じる前記耐熱性板のＱ値の変動を抑制することが
でき、該Ｑ値の変動に伴って生じるマイクロ波の誘電損
失の変動を抑制することができ、該誘電損失の変動に伴
って生じる電界強度の変動を抑制することができる。こ
の結果、前記電界強度の変動に伴って発生するプラズマ
密度の変動を抑制することができ、したがってプラズマ
処理速度の変動を小さくすることができ、プラズマ処理
の効率を高めることができる。

【００３１】また本発明に係るプラズマ処理装置（２）
にあっては、耐熱性板が２層構造を有し、該２層構造の
間に空洞部が形成され、該空洞部に温風を供給するため
の温風供給手段を備えているので、前記空洞部に前記温
風を供給することができ、前記２層の耐熱性板を所定温
度に効率よく、かつ確実に維持することができ、上記し
たプラズマ処理装置（１）の場合に比べてプラズマ処理
の効率を一層高めることができる。また前記温風の供給
量を少なくすることができ、温風温度や流量を容易に調
整することができ、調整のためのエネルギコストを削減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施例（１）
を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例に用いられる温風供給手段の一例を模式
的に示した部分断面ブロック構成図である。

【図３】プラズマ処理速度比とウエハ処理枚数との関係
を示した曲線図であり、曲線Ａは実施例（１）の場合、
曲線Ｂは実姉例（２）の場合、曲線Ｃは比較例の場合を
それぞれ示している。

【図４】本発明に係るプラズマ処理装置の実施例（２）
を模式的に示した断面図である。

【図５】従来のプラズマ処理装置を模式的に示した断面
図である。

【符号の説明】

１０反応容器１３耐熱性板１４試料台２０誘電体層２４温風供給手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯尾浩一大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内審査官村田尚英 (56)参考文献特開昭63−130784（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−70526（ＪＰ，Ａ) 特開平６−112141（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波導波路を形成すべく配置され
た誘電体層と、該誘電体層に対向配置されるマイクロ波
を透過する耐熱性板で気密に封止された金属製容器と、
該金属製容器内に配設された試料台とを備えたプラズマ
処理装置において、前記誘電体層と前記耐熱性板との間
に温風を供給するための温風供給手段を備えていること
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】マイクロ波導波路を形成すべく配置され
た誘電体層と、該誘電体層に対向配置されるマイクロ波
を透過する耐熱性板で気密に封止された金属製容器と、
該金属製容器内に配設された試料台とを備えたプラズマ
処理装置において、前記耐熱性板が２層構造を有し、該
２層構造の間に空洞部が形成され、該空洞部に温風を供
給するための温風供給手段を備えていることを特徴とす
るプラズマ処理装置。