JP3337288B2

JP3337288B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3337288B2
Application number: JP28420893A
Authority: JP
Inventors: 信雄石井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH07122545A

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
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被処理体、例えば半導体ウェ
ハなどを処理室内においてプラズマ処理するための装置
として、高周波（ＲＦ）を用いた平行平板形のプラズマ
処理装置が広く採用されている。処理室内に平行平板型
の２枚の電極が配置された反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）装置を例にとってみると、いずれか一方の電極又
は両方の電極に高周波を印加することにより、両電極間
にプラズマを発生させ、このプラズマと被処理体との間
の自己バイアス電位差により、被処理体の処理面にプラ
ズマ流を入射させ、エッチング処理を行うように構成さ
れている。

【０００３】しかしながら、上記の平行平板型プラズマ
処理装置の如き従来型のプラズマ処理装置では、半導体
ウェハの超高集積化に伴い要求されるようなサブミクロ
ン単位、さらにサブハーフミクロン単位の超微細加工を
実施することは困難である。すなわち、かかるプロセス
をプラズマ処理装置により実施するためには、低圧雰囲
気において、高密度のプラズマを高い精度で制御するこ
とが重要であり、しかも、そのプラズマは大口径ウェハ
にも対応できる大面積で高均一なものであることが必要
である。また電極を用いたプラズマ処理装置では、プラ
ズマ発生時に電極自体が重金属汚染の発生源となってし
まい、特に超微細加工が要求される場合には問題となっ
ていた。

【０００４】このような技術的要求に対して、新しいプ
ラズマソースを確立するべく、これまでにも多くのアプ
ローチが様々な角度からなされてきており、たとえば欧
州特許公開明細書第３７９８２８号には、高周波アンテ
ナを用いる高周波誘導プラズマ発生装置が開示されてい
る。この高周波誘導プラズマ発生装置は、ウェハ載置台
と対向する処理室の一面を石英ガラスなどの絶縁体で構
成して、その外壁面にたとえば渦巻きコイルからなる高
周波アンテナを取り付け、この高周波アンテナに高周波
電力を印加することにより処理室内に高周波電磁場を形
成し、この電磁場空間内を流れる電子を処理ガスの中性
粒子に衝突させ、ガスを電離させ、プラズマを生成する
ように構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な高周波誘導方式のプラズマ処理装置を用いてたとえば
エッチングなどのプラズマ処理を行った場合には、高周
波エネルギが印加される高周波アンテナと処理容器の壁
面との間に生じる電位差のために、プラズマ流の一部
が、エッチング対象である被処理体の処理面ではなく、
処理容器の壁面に衝突し、エッチング効率の低下を招く
ばかりでなく、処理装置を損傷するおそれがあり問題と
なっていた。また従来のプラズマ処理装置では、プラズ
マの着火が遅く何らかの対策が希求されていた。

【０００６】本発明は、従来の高周波誘導方式のプラズ
マ処理装置の有する上記のような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とすることろは、プラズマ流の
処理容器の壁面に対する衝突を効果的に防止することが
可能であり、さらにプラズマの着火を迅速に行うことが
可能な新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば、処理室の外部に絶縁体を介して配
置された平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナ
に高周波電力を印加することにより処理室内に誘導プラ
ズマを励起して，処理室内に配置された被処理体に所定
の処理を施すプラズマ処理装置であって，処理室内に備
えられた被処理体を載置する載置台に，被処理体の裏面
及びや載置台の各接合部に伝熱用のバッククーリング用
ガスを供給する手段が設けられていることを特徴とする
プラズマ処理装置が提供される。また，処理室の外部に
絶縁体を介して配置された平面渦巻きコイル状に形成し
た高周波アンテナに高周波電力を印加することにより処
理室内に誘導プラズマを励起して，処理室内に配置され
た被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理装置であっ
て，処理室内に備えられた被処理体を載置する載置台
に，冷却ジャケットが設けられていることを特徴とする
プラズマ処理装置も提供される。更に，処理室の外部に
絶縁体を介して配置された平面渦巻きコイル状に形成し
た高周波アンテナに高周波電力を印加することにより処
理室内に誘導プラズマを励起して，処理室内に配置され
た被処理体に所定の処理を施すプラズマ処理装置であっ
て，高周波アンテナと絶縁体との間に導電性材料でメッ
シュ状に編まれた静電遮蔽手段を介在させることを特徴
とするプラズマ処理装置も提供される。

【０００８】

【作用】本発明によれば、高周波アンテナと絶縁材との
間を、たとえば接地された導電性材料からなる静電遮蔽
手段により遮蔽し、高周波アンテナの静電作用が処理容
器に与える影響を防止することが可能なので、高周波ア
ンテナと処理容器の側壁との間に電位差が生ぜず、発生
したプラズマ流を効果的に被処理体の処理面に向けるこ
とができる。さらにまた、高周波アンテナの静電作用の
影響を回避することにより、処理容器内におけるプラズ
マの着火が促進されるので、装置の効率が高まり、また
着火手段のような付属装置が不要となる。なお、静電遮
蔽手段を設けた場合であっても、磁力線は通過可能であ
るため、プラズマの生成には影響が及ばない。

【０００９】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら本発明に基づ
いて構成されたプラズマ処理装置の好適な実施例につい
て詳細に説明する。

【００１０】図１に示すプラズマ処理装置１は、導電性
材料、たとえばアルミニウムなどからなる円筒あるいは
矩形状に成形された処理容器２を有しており、この処理
容器２の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、
被処理体、たとえば半導体ウェハＷを載置するための略
円柱状の載置台４が収容されている。また載置台４の載
置面とほぼ対向する処理容器の頂部は絶縁材５、たとえ
ば石英ガラスやセラミックなどが取り付けられている。
さらにこの絶縁材の５の上面には、接地された銅板６な
どの導電性材料を２枚のポリイミド樹脂７ａ、７ｂなど
の絶縁材で挟持した静電遮蔽手段８が取り付けられてい
る。さらにこの静電遮蔽手段８の上に導体、たとえば銅
板、アルミニウム、ステンレスなどを渦巻きコイル状に
形成した高周波アンテナ９が配置されている。この高周
波アンテナ９の両端子（内側端子９ａおよび外側端子９
ｂ）間には、プラズマ生成用の高周波電源１０よりマッ
チング回路１１を介して、たとえば１３．５６ＭＨｚの
高周波エネルギを印加することが可能なように構成され
ている。

【００１１】静電遮蔽手段８が設けられていない従来の
装置の場合には、高周波アンテナ９と処理容器２の側壁
との間に電位差が生じ、その電位差により、処理容器２
内に生じたプラズマ流の一部が、載置台４に載置された
被処理体Ｗの処理面ではなく、処理容器２の側壁に向か
って流れるため、処理容器２の側壁および絶縁材５に損
傷が生じるとともに、たとえばエッチングなどのプラズ
マ処理の効率が低下するという問題が生じていた。しか
しながら、本発明によれば、上記高周波アンテナ９と上
記絶縁材５との間に静電遮蔽手段８が介挿され、上記高
周波アンテナ９の静電作用が防止されるので、上記高周
波アンテナ９と上記処理容器２の側壁との間に電位差が
生じるのが回避され、処理容器２内に生じたプラズマ流
をバイアス電位がかけられたサセプタ４ｃ方向に、すな
わち被処理体Ｗの処理面に向け、効率的にエッチングを
行うことが可能である。

【００１２】さらに従来の装置構成では、高周波電力を
高周波アンテナ９に印加した場合であっても、プラズマ
が立つまでに時間を要し、プラズマを迅速に立てるため
には、何らかの着火装置を設ける必要があったが、本発
明に基づいて、高周波アンテナ９と絶縁材５との間に、
静電遮蔽手段８を介在させることにより、プラズマの着
火が促進され、着火手段を用いずともプラズマ処理を迅
速に開始することが判明した。

【００１３】半導体ウェハなどの被処理体Ｗを載置する
ための載置台４は、アルミニウムなどにより円柱状に成
形されたサセプタ支持台４ａと、この上にボルト４ｂな
どにより着脱自在に設けられたアルミニウムなどよりな
るサセプタ４ｃとから主に構成されている。このように
サセプタ４ｃを着脱自在に構成することにより、メンテ
ナンスなどを容易に実施することができる。

【００１４】上記サセプタ支持台４ａには、冷却手段、
たとえば冷却ジャケット１２が設けられており、このジ
ャケット１２にはたとえば液体窒素などの冷媒が冷媒源
１３より冷媒導入管１４を介して導入される。さらにジ
ャケット内を循環し熱交換作用により気化した液体窒素
は冷媒排出管１５より容器外へ排出される。かかる構成
により、たとえば−１９６℃の液体窒素の冷熱が冷却ジ
ャケット１２からサセプタ４ｃを介して半導体ウェハＷ
にまで伝熱され、その処理面を所望する温度まで冷却す
ることが可能である。

【００１５】また略円柱形状に成形された上記サセプタ
４ｃ上面のウェハ載置部には、静電チャック１６がウェ
ハ面積と略同面積で形成されている。この静電チャック
１６は、例えば２枚の高分子ポリイミドフィルム間に銅
箔などの導電膜１７を絶縁状態で挟み込むことにより形
成され、この導電膜１７はリード線により可変直流高圧
電源１８に接続されている。したがってこの導電膜１７
に高電圧を印加することによって、上記静電チャック１
６の上面に半導体ウェハＷをクーロン力により吸着保持
することが可能なように構成されている。

【００１６】上記サセプタ支持台４ａおよびサセプタ４
ｃには、これらを貫通してＨｅなどの熱伝達ガス（バッ
ククーリングガス）をガス源１９から半導体ウェハＷの
裏面やサセプタ４ｃを構成する各部材の接合部などに供
給するためのガス通路１６が形成されている。また上記
サセプタ４ｃの上端周縁部には、半導体ウェハＷを囲む
ように環状のフォーカスリング２０が配置されている。
このフォーカスリング２０は反応性イオンを引き寄せな
い高抵抗体、たとえばセラミックや石英ガラスなどから
なり、反応性イオンを内側の半導体ウェハＷにだけ効果
的に入射せしめるように作用する。

【００１７】さらに上記サセプタ４ｃには、マッチング
用コンデンサ２１を介して高周波電源２２が接続されて
おり、処理時にはたとえば２ＭＨｚの高周波電力をサセ
プタ４ｃに印加することにより、プラズマとの間にバイ
アス電位を生じさせ、プラズマ流を効果的に被処理体Ｗ
の処理面に入射させることが可能である。

【００１８】上記処理容器２の一方の壁面にはガス源２
３よりマスフローコントローラ２４を介して処理ガス、
たとえばＣＨＦ₃ガスを処理容器２内に供給するための
ガス供給管路２５が設けられている。また、上記処理容
器２の底部壁には排気管２６が接続されて、この処理容
器２内の雰囲気を図示しない排気ポンプにより排出し得
るように構成されるとともに、中央部側壁には図示しな
いゲートバルブが設けられており、このゲートバルブを
介して半導体ウェハＷの搬入搬出を行うように構成され
ている。

【００１９】さらに、上記静電チャック１６と冷却ジャ
ケット１２との間のサセプタ下部にはヒータ固定台２７
に収容された温調用ヒータ２８が設けられており、この
温調用ヒータ２８へ電力源２９より供給される電力を調
整することにより、上記冷却ジャケット１６からの冷熱
の伝導を制御して、半導体ウェハＷの被処理面の温度調
節を行うことができるように構成されている。

【００２０】次に、上記のように構成された処理装置の
制御系の構成について説明する。上記処理容器２の一方
の側壁には石英ガラスなどの透明な材料から構成される
透過窓３０が取り付けられており、処理室内の光を光学
系３１を介して光学センサ３２に送り、処理室内から発
生する発光スペクトルに関する信号を制御器３３に送る
ことができるように構成されている。また上記処理容器
２には処理室内の圧力などを検出するためのセンサ３４
が取り付けられており、処理室内の圧力に関する信号を
制御器３３に送ることができるように構成されている。
制御器３３は、これらのセンサからのフィードバック信
号あるいは予め設定された設定値に基づいて、制御信号
を、プラズマ発生用高周波電源１０、バイアス用高周波
電源２２、冷媒源１３、温調用電源２９、バッククーリ
ング用ガス源１９、処理ガス用マスフローコントローラ
２４などに送り、プラズマ処理装置の動作環境を最適に
調整することが可能である。

【００２１】つぎに図２に基づいて、上記プラズマ処理
装置の製造工程における構成およびその動作について説
明する。なお、すでに説明したプラズマエッチング装置
と同じ構成については同一番号を付することによりその
詳細な説明は省略する。

【００２２】図示のように、本発明を適用可能な高周波
誘導プラズマ処理装置１の処理容器２の一方の側壁に
は、開閉自在に設けられたゲートバルブ３５を介して隣
接するロードロック室３６が接続されている。このロー
ドロック室３６には、搬送装置３７、たとえばアルミニ
ウム製のアームを導電性テフロンによりコーティングし
て静電対策が施された搬送アームが設けられている。ま
た上記ロードロック室３６には、底面に設けられた排気
口より排気管３７が接続され、真空排気弁３８を介して
真空ポンプ３９により真空引きが可能なように構成され
ている。

【００２３】上記ロードロック室３６の側壁には、開閉
自在に設けられたゲートバルブ４０を介して隣接するカ
セット室４１が接続されている。このカセット室４１に
は、カセット４２を載置する載置台４３が設けられてお
り、このカセット４２は、たとえば被処理体である半導
体ウェハＷ２５枚を１つのロットとして収納することが
できるように構成されている。また上記カセット室４１
には、底面に設けられた排気口より排気管４４が接続さ
れ、真空排気弁４５を介して真空ポンプ３９により室内
を真空引きが可能なように構成されている。また上記カ
セット室４１の他方の側壁は、開閉自在に設けられたゲ
ートバルブ４６を介して大気に接するように構成されて
いる。

【００２４】次に上記のように構成されたプラズマ処理
装置１の動作について簡単に説明する。まず、大気との
間に設けられたゲートバルブ４６を開口して、被処理体
Ｗを収納したカセット４２が図示しない搬送ロボットに
より、カセット室４１の載置台４３の上に載置され、上
記ゲートバルブ４６が閉口する。上記カセット室４１に
接続された真空排気弁４５が開口して、真空ポンプ３９
により上記カセット室４１が真空雰囲気、たとえば１０
^-1Ｔｏｒｒに排気される。

【００２５】ついで、ロードロック室３６とカセット室
４１の間のゲートバルブ４０が開口して、搬送アーム３
７により被処理体Ｗが上記カセット室４１に載置された
カセット４２より取り出され、保持されて上記ロードロ
ック室３６へ搬送され、上記ゲートバルブ４０が閉口す
る。上記ロードロック室３６に接続された真空排気弁３
８が開口して、真空ポンプ３９により上記ロードロック
室３６が真空雰囲気、たとえば１０^-3Ｔｏｒｒに排気さ
れる。

【００２６】ついで、ロードロック室３６と処理容器２
との間のゲートバルブ３５が開口して、上記搬送アーム
３７により被処理体Ｗが上記処理容器２へ搬送され、サ
セプタ４ｃ上の図示しないプッシャーピンに受け渡さ
れ、上記搬送アーム４１がロードロック室３７に戻った
後、ゲートバルブ３５が閉口する。その後、静電チャッ
ク１６に高圧直流電圧を印加し、プッシャーピンを下げ
て被処理体Ｗを静電チャック１６上に載置することによ
り半導体ウェハＷがサセプタ４ｃ上に載置固定される。
この間上記処理容器２内は、真空排気弁４７を開口する
ことにより、真空ポンプ３９を介して真空雰囲気、たと
えば１０^-5Ｔｏｒｒに排気されている。

【００２７】ついで、ガス供給手段２５を介してＣＨＦ
₃などの処理ガスを処理容器２内に導入した後、高周波
電源１０よりマッチング回路１１を介してたとえば１
３．３５ＭＨｚの高周波エネルギが高周波アンテナ９に
印加され、処理容器２内に高周波プラズマが励起され
る。この際、本発明構成によれば、高周波アンテナ９の
静電作用が静電遮蔽手段８により軽減されるので、発生
したプラズマ流が処理容器２の側壁にそれることなく、
半導体ウェハＷの処理面に対して向けられることにな
る。また同時に本発明構成によれば、プラズマが従来装
置よりも立ちやすいので、着火手段などの装置を別途設
ける必要がない。

【００２８】このようにして処理準備が完了した半導体
ウェハＷの裏面および載置台４の各接合部に伝熱用のバ
ッククーリング用ガスの供給が行われる。同時に冷却ジ
ャケット９から冷熱を供給し、半導体ウェハＷの処理面
を所望の温度にまで冷却する。しかる後、載置台４に高
周波電源１９よりバイアス電位をかけることにより、被
処理体Ｗに対してたとえばエッチングなどのプラズマ処
理が施される。なお処理時には、処理室の内壁の温度を
５０℃ないし１００℃、好ましくは６０℃ないし８０℃
に加熱することにより、反応生成物が内壁に付着するこ
とを防止することができる。

【００２９】プラズマ処理中は、透過窓３０を介して光
学系３１、さらには光学センサ３２により処理容器２内
の発光スペクトルが観測されるとともに、センサ３８に
より処理容器２内の圧力などの諸条件の変化が観測さ
れ、観測信号が制御器３３に送られる。制御器３３はこ
れらの信号あるいは予め設定された値に基づいて、プラ
ズマ処理装置２の各構成機器に指令を出して、プラズマ
処理を最適に制御することが可能なように構成されてい
る。

【００３０】所定の処理が終了すると、サセプタ４ｃに
対するバイアス電位の印加が停止され、処理ガスの供給
が停止されるとともに、被処理体Ｗの裏面に対する伝熱
ガス供給が停止され、さらに、高周波電源７から高周波
アンテナ６に対する高周波エネルギの供給が停止され
る。ついで静電チャック１２の電源３３が切られ、静電
チャック１２による被処理体Ｗの吸着力が解放される。
ただし処理によっては、静電チャック１２の電源３３を
切った後に、高周波電源７から高周波アンテナ６に対す
る高周波エネルギの供給を停止して、静電チャック１２
による被処理体Ｗの吸着力を解放することも可能であ
る。

【００３１】なお図１に示す実施例においては、図３に
示すように渦巻きコイルの内側端９ａおよび外側端９ｂ
の間に高周波電源１０およびマッチング回路１１を接続
しているが、本発明はかかる構成に限定されない。たと
えば図４に示すように、渦巻きコイルの外側端９ｂにの
み高周波電源１０およびマッチング回路１１を接続する
構成を採用することも可能である。かかる構成により、
より低圧雰囲気であっても、良好な高周波誘導プラズマ
を処理容器２内に発生させることが可能となる。

【００３２】また、図１に示す実施例においては、絶縁
材７ａ、７ｂに銅板６を挟持した構造の静電遮蔽手段を
用いているが、本発明装置はかかる構成に限定されな
い。たとえば図５に示すように、メッシュ状に編んだ導
線４８を絶縁材５の上面に配置し、その導線４８に接触
しないように高周波アンテナ９を配置する構成を採用す
ることも可能である。かかる構成により装置構成をより
簡略化することが可能となる。

【００３３】以上本発明の好適な実施例について、プラ
ズマエッチング装置を例に挙げて説明したが、本発明は
かかる実施例に限定されることなく、プラズマＣＶＤ装
置、プラズマアッシング装置、プラズマスパッタ装置な
どの他のプラズマ処理装置にも適用することが可能であ
り、被処理体についても半導体ウェハに限らずＬＣＤ基
板その他の被処理体にも適用することが可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明装置によれ
ば、高周波アンテナと絶縁材との間に静電遮蔽手段を介
在させることにより、高周波アンテナの静電作用の影響
を軽減することができるので、処理容器２内に発生した
プラズマ流を処理容器２の側壁方向に逸らすことなく被
処理体の処理面に向けることが可能なので、エッチング
効率の向上を図ることができるとともに、処理容器２の
側壁および絶縁材５の損傷を回避できる。さらにまた本
発明装置によれば、着火装置を設けずとも、プラズマの
着火を促進することができるので、効率よいシステムを
構築できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて構成されたプラズマ処理装置
の一実施例に関する概略的な断面図である。

【図２】図１に示すプラズマ処理装置を組み込んだ製造
システムの構成図である。

【図３】図１の処理装置に適用可能な高周波アンテナ部
分の他の実施例を示す平面図である。

【図４】図１の処理装置に適用可能な高周波アンテナ部
分の一実施例を示す平面図である。

【図５】本発明に基づいて構成されたプラズマ処理装置
の他の実施例に関する概略的な断面図である。

【符号の説明】

１プラズマ処理装置２処理容器４載置台５絶縁材６銅板７絶縁材８静電遮蔽手段９高周波アンテナ１０高周波電源１１マッチング回路２５ガス供給手段Ｗ半導体ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23C 16/50 H01L 21/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室の外部に絶縁体を介して配置され
た平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナに高周
波電力を印加することにより前記処理室内に誘導プラズ
マを励起して，前記処理室内に配置された被処理体に所
定の処理を施すプラズマ処理装置であって，前記処理室内に備えられた被処理体を載置する載置台
に，前記被処理体の裏面及び前記載置台の各接合部に伝
熱用のバッククーリング用ガスを供給する手段が設けら
れていることを特徴とする，プラズマ処理装置。
【請求項２】処理室の外部に絶縁体を介して配置され
た平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナに高周
波電力を印加することにより前記処理室内に誘導プラズ
マを励起して，前記処理室内に配置された被処理体に所
定の処理を施すプラズマ処理装置であって，前記処理室内に備えられた被処理体を載置する載置台
に，冷却ジャケットが設けられていることを特徴とす
る，プラズマ処理装置。
【請求項３】処理室の外部に絶縁体を介して配置され
た平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナに高周
波電力を印加することにより前記処理室内に誘導プラズ
マを励起して，前記処理室内に配置された被処理体に所
定の処理を施すプラズマ処理装置であって，前記高周波
アンテナと前記絶縁体との間に導電性材料でメッシュ状
に編まれた静電遮蔽手段を介在させることを特徴とす
る、プラズマ処理装置。