JP3478266B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等に
対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処
理を施す際に使用されるプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体製品の高密度化及び高微細
化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチ
ング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が
使用される場合があり、特に、0.1〜数10mTor
r程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラ
ズマを立てることができることからマイクロ波を用い
て、或いはマイクロ波とリング状のコイルからの磁場と
を組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波
プラズマ装置が使用される傾向にある。このようなプラ
ズマ処理装置は、特開平3−191073号公報、特開
平5−343334号公報や本出願人による特開平9−
181052号公報等に開示されている。ここで、マイ
クロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図4及び図
5を参照して概略的に説明する。図4は従来の一般的な
プラズマ処理装置を示す構成図、図5は絶縁板の支持部
を示す拡大図である。
【0003】図4において、このプラズマ処理装置2
は、真空引き可能になされた処理容器4内に半導体ウエ
ハWを載置する載置台6を設けており、この載置台6に
対向する天井部にマイクロ波を透過する例えば円板状の
窒化アルミ等よりなる絶縁板8を気密に設けている。具
体的には、この絶縁板8は、図5にも示すように上記処
理容器4の上端に設けた例えばアルミニウム製のリング
状の支持枠部材10より半径方向内方へ突出させた支持
棚部12にOリング等のシール部材14を介して気密に
取り付けられている。そして、この絶縁板8の上面に厚
さ数mm程度の円板状の平面アンテナ部材16と、必要
に応じてこの平面アンテナ部材16の半径方向における
マイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりな
る遅波材18を設置している。この遅波材18の上方に
は、内部に冷却水を流す冷却水流路20が形成された天
井冷却ジャケット22が設けられており、遅波材18等
を冷却するようになっている。そして、アンテナ部材1
6には多数の略円形の、或いはスリット状の貫通孔より
なるマイクロ波放射孔24が形成されている。そして、
平面アンテナ部材16の中心部に同軸導波管26の内部
ケーブル28を接続して図示しないマイクロ波発生器よ
り発生した、例えば2.45GHzのマイクロ波を導く
ようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材
16の半径方向へ放射状に伝播させつつアンテナ部材1
6に設けたマイクロ波放射孔24からマイクロ波を放出
させてこれを絶縁板8に透過させて、下方の処理容器4
内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容
器4内にプラズマを立てて半導体ウエハWにエッチング
や成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになってい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記平面ア
ンテナ部材16から放射されたマイクロ波の多くはこの
下方の絶縁板8を透過して処理容器4へ導入されること
になるが、一部のマイクロ波はこの絶縁板8内を半径方
向へ伝播することになり、この現象を回避することは困
難である。この場合、上記絶縁板8の周辺部を保持する
支持枠部材10は、接地されてグランド電位になってい
ることから、絶縁板8内には、その外周端を節(ノー
ド)とする定在波30(図5中に模式的に示す)が半径
方向に沿って発生することになる。このため、絶縁板8
の外周端よりも半径方向内方へ僅かな距離だけ内側に位
置する部分には高電圧が発生し、この高電圧部分と上記
支持棚部12との間で局部的に異常放電32が発生し、
これによって支持棚部12の材料であるアルミニウム母
材が削られてしまい、アルミニウム母材中に含まれる他
の金属により半導体ウエハWが金属汚染されたり、或い
はパーティクルの発生原因にもなっていた。特に、上記
した異常放電32は、支持棚部12の内周側の上側角部
P1や下側角部P2のように直角や鈍角のようにある角
度でもって曲がっている部分に電界の集中が生ずること
から、これらの角部P1、P2において集中的に生ず
る、といった問題があった。本発明は、以上のような問
題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの
である。本発明の目的は、絶縁板とこれを支持する支持
枠部材との間の異常放電の発生を抑制することができる
プラズマ処理装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は、
天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理
容器と、前記開口の周縁部に沿って設けられると共に前
記処理容器の中心方向へ突出されたリング状の支持棚部
を有する支持枠部材と、前記支持棚部にその周縁部を支
持させて前記開口を気密に覆うように設けた絶縁板と、
被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた
載置台と、前記絶縁板の上方に設けられて複数のマイク
ロ波放射孔からプラズマ発生用のマイクロ波を前記絶縁
板を透過させて前記処理容器内へ導入する平面アンテナ
部材と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス供
給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記支持
棚部の内周側の角部は、曲面状に成形されていることを
特徴とするプラズマ処理装置である。これにより、絶縁
板を支持する支持棚部における角部は曲面状になされて
いるので、この部分における電界の集中は緩和されるこ
とになり、結果的に、この角部に集中放電が発生するこ
とを抑制することが可能となる。
【0006】この場合、例えば請求項2に規定するよう
に、前記角部は、前記支持棚部の内周側の上端の角部
と、下端の角部の内の少なくとも一方である。また、例
えば請求項3に規定するように、前記支持棚部の支持面
には、シール部材を収容するためのシール溝が形成され
ると共に、前記シール溝部の角部は曲面状に成形されて
いるいる。この場合には、シール部材を収容するための
シール溝部の角部を曲面状に成形しているので、この部
分での異常放電の発生も抑制することが可能となる。
【0007】また、例えば請求項4に規定するように、
前記支持棚部の内周端は、前記絶縁板内をその半径方向
に沿って伝播するマイクロ波の節の部分に位置されるよ
うにしてもよい。これによれば、角部が位置する支持棚
部の内周端と絶縁板との間にはほとんど電位差が生じな
いので、この部分における異常放電の発生を一層抑制す
ることが可能となる。この場合、例えば請求項5に規定
するように、前記支持棚部の内周端は、前記絶縁板の外
周端より前記マイクロ波の前記絶縁板中における波長の
1/2波長の長さの所に位置するように設定されてい
る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の係るプラズマ処
理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図1
は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図、
図2は図1に示すプラズマ処理装置の絶縁板の支持部の
近傍を示す部分拡大図である。図示するようにこのプラ
ズマ処理装置34は、例えば側壁や底部がアルミニウム
等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された
処理容器36を有しており、この処理容器36は接地さ
れると共に内部は密閉された処理空間Sとして構成され
ている。
【0009】この処理容器36内には、上面に被処理体
としての例えば半導体ウエハWを載置する載置台38が
収容される。この載置台38は、例えばアルマイト処理
したアルミニウム等により凸状に平坦になされた略円柱
状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等
により円柱状になされた支持台40により支持されると
共にこの支持台40は処理容器36内の底部に絶縁材4
2を介して設置されている。上記載置台38の上面に
は、ここにウエハを保持するための静電チャック或いは
クランプ機構(図示せず)が設けられ、この載置台38
は給電線44によりマッチングボックス46を介して例
えば13.56MHzのバイアス用高周波電源48に接
続されている。尚、このバイアス用高周波電源48を設
けない場合もある。
【0010】上記載置台38を支持する支持台40に
は、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等
を流す冷却ジャケット50が設けられる。尚、必要に応
じてこの載置台40中に加熱用ヒータを設けてもよい。
上記処理容器36の側壁には、ガス供給手段として、容
器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する
石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル52や処理ガ
ス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石
英パイプ製の処理ガス供給ノズル54が設けられ、これ
らのノズル52、54はそれぞれガス供給路56、58
によりマスフローコントローラ60、62及び開閉弁6
4、66を介してそれぞれプラズマガス源68及び処理
ガス源70に接続されている。処理ガスとしてのデポジ
ションガスは、SiH4 、O2 、N2 ガス等を用いるこ
とができる。
【0011】また、容器側壁には、この内部に対してウ
エハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ72が
設けられると共に、この側壁を冷却する冷却ジャケット
74が設けられる。また、容器底部には、図示されない
真空ポンプに接続された排気口76が設けられており、
必要に応じて処理容器36内を所定の圧力まで真空引き
できるようになっている。そして、処理容器36の天井
部は開口されて、この開口の周縁部に沿って円形リング
状の本発明の特徴とする支持枠部材78がOリング等の
シール部材84を介して設けられており、この支持枠部
材78に、誘電体として例えばAlNなどのセラミック
材よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する厚さが
20mm程度の絶縁板80がOリング等のシール部材8
2を介して気密に設けられる。尚、上記支持枠部材78
の絶縁板80に対する支持構造については後述する。
【0012】そして、この絶縁板80の上方に円板状の
平面アンテナ部材86と高誘電率特性を有する遅波材8
8とが設けられる。具体的にはこの平面アンテナ部材8
6は、上記処理容器36と一体的に成形されている中空
円筒状容器よりなる導波箱90の底板として構成され、
前記処理容器36内の上記載置台38に対向させて設け
られる。この導波箱90の上部の中心には、同軸導波管
92の外管92Aが接続され、内部の内部ケーブル92
Bは上記平面アンテナ部材86の中心部に接続される。
そして、この同軸導波管92は、モード変換器94及び
導波管96を介して例えば2.45GHzのマイクロ波
発生器98に接続されており、上記平面アンテナ部材8
6へマイクロ波を伝播するようになっている。この周波
数は2.45GHzに限定されず、他の周波数、例えば
8.35GHz等を用いてもよい。この導波管として
は、断面円形或いは矩形の導波管や同軸導波管を用いる
ことができ、本実施例では同軸導波管が用いられる。上
記導波箱90の上部には、内部に冷却水を流す冷却水流
路100が形成された天井冷却ジャケット102が設け
られており、上記遅波材88等を冷却するようになって
いる。そして、上記導波箱90内であって、平面アンテ
ナ部材86の上面には、上記高誘電率特性を有する遅波
材88を設けて、この波長短縮効果により、マイクロ波
の管内波長を短くしている。この遅波材88としては、
例えば窒化アルミ等を用いることができる。
【0013】また、上記平面アンテナ部材86は、8イ
ンチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が30
〜40mm、厚みが1〜数mm、例えば5mmの導電性
材料よりなる円板、例えば表面が銀メッキされた銅板或
いはアルミ板よりなり、この円板には例えば長溝のスリ
ット形状、或いは円形状の貫通孔よりなる多数のマイク
ロ波放射孔104を同心円状、或いは螺旋状に形成して
いる。また、この平面アンテナ部材86の周縁部は上記
導波箱90に接続されて、この周縁部は接地されてい
る。そして、本発明の特徴とする上記支持枠部材78
は、例えばアルミニウム等により前述のように円形状に
成形されて、この全体は接地されている。この支持枠部
材78の内周側には、処理容器36の中心方向へ水平に
突出させたリング状の或いは鍔状の支持棚部106が設
けられている。そして、図2にも示すように、この支持
棚部106の上面である支持面106Aには、断面凹部
状のシール溝部108が処理容器36の周方向に沿って
リング状に形成されている。そして、このシール溝部1
08内に、Oリング等よりなるシール部材110を収容
した状態で上記支持面106Aに上記絶縁板80の下面
の周縁部を当接させて支持することにより、処理容器3
6の天井部の開口を気密に閉じるようになっている。そ
して、特に、本実施例ではこの支持棚部106の内周側
の上端の角部P3と下端の角部P4は、共に曲面状に成
形されており、ここに電界集中が生じないようになされ
ている。具体的には、上記各角部P3、P4は、半径が
1mm以上の曲率の曲面に形成するのが良く、その上限
は、この支持棚部106の厚さH1を考慮すると、10
mm程度である。本実施例では、上端の角部P3の曲率
は3mm程度に、下端の角部P4の曲率は5mm程度に
それぞれ設定されている。また、上記支持棚部106の
厚さH1は20mm程度に設定されている。
【0014】更に、本実施例では、上記シール部材11
0を収容するシール溝部108の上端の内周側の角部P
5も曲面状に成形されており、この部分に電界集中が生
じないようにしている。この角部P5の曲率は、このシ
ール溝部108の深さにもよるが、ここでは1mm程度
である。尚、ここでこのシール溝部108の深さは3〜
6mm程度であり、また、これに収容されるシール部材
110の直径は、3〜6mm程度である。この実施例で
は、各角部P3、P4、P5をそれぞれ曲面状に成形し
たが、これらの内、少なくとも1つの角部を曲面状に成
形することにより、その部分における電界集中を抑制し
て異常放電の発生を抑えることが可能となる。また、本
実施例では、上記支持棚部106の内周端106Bは、
上記絶縁板80内をその半径方向に沿って伝播するマイ
クロ波の節(ノード)の部分に位置するように設定され
ている。図2においては、このマイクロ波の伝播状態を
模式的に併記しており、接地されている支持枠部材78
と接する絶縁板80の外周端を節とする定在波112が
立っており、上記支持棚部106の内周端106Bは、
上記絶縁板80の外周端よりも、マイクロ波の絶縁板8
0中における波長λの1/2波長の長さの所に位置され
ており、ここは上記定在波112の節N1に対応する部
分である。この場合、本実施例では、絶縁板80の外周
端から節N1までの距離、すなわち支持棚部106の長
さH2は、2.45GHzのマイクロ波が誘電率が約
8.5の絶縁板80中を伝播する時の波長λの1/2の
長さであることから、20mm程度に設定されている。
これにより、各角部P3〜P5と絶縁板80との間に生
ずる電位差を極力抑制するようになっている。
【0015】次に、以上のように構成されたプラズマ処
理装置を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ72を介して半導体ウエハWを搬送
アーム(図示せず)により処理容器36内に収容し、リ
フタピン(図示せず)を上下動させることによりウエハ
Wを載置台38の上面の載置面に載置する。そして、処
理容器36内を所定のプロセス圧力に維持して、プラズ
マガス供給ノズル52から例えばアルゴンガスを流量制
御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル54から例
えばSiH4 、O2 、N2 等のデポジションガスを流量
制御しつつ供給する。同時にマイクロ波発生器98から
のマイクロ波を、導波管96及び同軸導波管92を介し
て平面アンテナ部材86に供給して処理空間Sに、遅波
材88によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、
これによりプラズマを発生させて所定のプラズマ処理、
例えばプラズマCVDによる成膜処理を行う。
【0016】ここで、上記平面アンテナ部材86から放
射されたマイクロ波の多くはこの下方の絶縁板80を透
過して処理空間Sへ導入されることになるが、一部のマ
イクロ波はこの絶縁板80内を半径方向へ伝播すること
になる。この場合、上記絶縁板80の周辺部を保持する
支持枠部材78は、接地されてグランド電位になってい
ることから、絶縁板80内には、図2にも示すようにそ
の外周端を節(ノード)とする定在波112が半径方向
に沿って発生することになる。従来装置にあっては、支
持棚部側の角部に電界集中が生じて、この部分と絶縁板
との間で異常放電が発生していたが、本発明の場合に
は、この支持棚部106の各角部P3、P4、P5は、
それぞれ所定の曲率を持った曲面状に成形されているの
で、電界の集中が抑制されて緩和されることになり、従
って、各角部P3、P4、P5と絶縁板80との間で局
部的に異常放電が発生することを防止することができ
る。このような異常放電発生防止の効果は、上記各角部
P3、P4、P5の全てを曲面状に成形するのが最も良
好であるが、絶縁板80との間の距離がより小さい角部
P3や角部P5だけを曲面状に成形するようにしても、
十分な効果を発揮することができる。尚、ちなみに、支
持棚部106の内周端106Bとシール溝部108との
間の距離H3は5mm程度である。
【0017】更に、本実施例では、上記支持棚部106
の内周端106Bの位置するところを、絶縁板80中を
伝播するマイクロ波の定在波112の電位がゼロとなる
節N1の所に略一致するように設定しているので、上記
各角部P2〜P5と絶縁板80との間の電位差は非常に
小さくなり、この点よりもこの絶縁板80と上記各角部
P2〜P5との間で局部的に異常放電が発生することを
一層抑制することが可能となる。そして、上述のよう
に、局部的に異常放電が発生することを抑制することに
より、支持棚部106の材料であるアルミニウムがスパ
ッタされることがなくなり、パーティクルの発生を抑制
できるのみならず、これに含まれる不純物金属による汚
染の発生も防止することができる。
【0018】ちなみに、本実施例では絶縁板80の材料
として窒化アルミを使用していることから、伝播するマ
イクロ波の1/2λ(波長)は約20mm(正確には2
0.9mm)であるが、材料としてアルミナを用いた場
合には1/2λは18.5mm、材料として石英を用い
た場合は1/2λは33.5mm程度にそれぞれなり、
支持棚部106の長さH2を、その長さに設定する。以
上のような構成の本発明のプラズマ処理装置を用いて実
際に処理を行って評価をしたところ、従来装置の場合に
は、半導体ウエハ表面におけるアルミニウム原子の個数
は1×1012個/cm2 程度であったが、本発明装置の
場合には9×109 個/cm2 程度であり、2桁以上本
発明装置の場合の方が少なく、異常放電によるスパッタ
の発生を大幅に抑制できたことが判明した。
【0019】また、処理後に装置を分解して目視で観察
したところ、従来装置の場合には局部的な異常放電の痕
跡が見られたが、本発明装置の場合にはこのような痕跡
は見られず、良好な結果を得られることが判明した。更
に、上記実施例では支持枠部材78の構造を、図5に示
す支持枠部材とはかなり異なる構造にしたが、これに限
定されず、図5に示した構造の支持枠部材78の角部を
曲面状に成形するようにしてもよい。図3は、このよう
な本発明のプラズマ処理装置の変形例を示す部分拡大図
である。ここでは支持枠部材120の全体は、角部を曲
面状に成形した点を除いて図5に示す構造と全く同様に
形成されている。すなわち、この支持枠部材120は処
理容器36の中心側へ突出させて設けた支持棚部122
を有しており、その下面122Cはテーパ状に傾斜させ
て形成されている。そして、この支持棚部122の上面
である支持面122Aに凹部状のシール溝124を形成
して、この中にOリング等のシール部材110を収容し
ている。
【0020】また、絶縁板80の周縁部の下面側には、
断面矩形状に切り欠いて形成した係合段部80Aが設け
られており、この係合段部80Aを、上記シール部材1
10を介して上記支持棚部122の支持面122Aに当
接して気密に支持するようになっている。そして、この
支持棚部122の各角部P6、P7、P8も先の実施例
と同様に曲面上に成形されており、ここに電界の集中が
発生しないようにしている。この場合、上記支持棚部1
22の容器半径方向への長さH5は、図5に示す場合と
同じでもよいが、異常放電の発生をより完全に抑制する
ためには、この長さH5をマイクロ波の絶縁板80中に
おける波長の1/2波長の長さに設定するのがよい。こ
の実施例の場合にも、先の実施例と同様に、電界の集中
を抑制して異常放電が発生することを大幅に抑制するこ
とが可能となる。尚、本実施例では、半導体ウエハに成
膜処理する場合を例にとって説明したが、これに限定さ
れず、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処
理等の他のプラズマ処理にも適用することができる。ま
た、被処理体としても半導体ウエハに限定されず、ガラ
ス基板、LCD基板等に対しても適用することができ
る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮す
ることができる。請求項1、2に係る発明によれば、絶
縁板を支持する支持棚部における角部は曲面状になされ
ているので、この部分における電界の集中は緩和される
ことになり、結果的に、この角部に集中放電が発生する
ことを抑制することができる。請求項3に係る発明によ
れば、シール部材を収容するためのシール溝部の角部を
曲面状に成形しているので、この部分での異常放電の発
生も抑制することができる。請求項4、5に係る発明に
よれば、角部が位置する支持棚部の内周端と絶縁板との
間にはほとんど電位差が生じないので、この部分におけ
る異常放電の発生を一層抑制することができる。
【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一例を示す構
成図である。
【図2】図1に示すプラズマ処理装置の絶縁板の支持部
の近傍を示す部分拡大図である。
【図3】本発明のプラズマ処理装置の変形例を示す部分
拡大図である。
【図4】従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図
である。
【図5】絶縁板の支持部を示す拡大図である。
【符号の説明】
34 プラズマ処理装置 36 処理容器 38 載置台 52,54 ガス供給ノズル 78 支持枠部材 80 絶縁板 84 シール部材 86 平面アンテナ部材 98 マイクロ波発生器 104 マイクロ波放射孔 106 支持棚部 106A 支持面 108 シール溝部 W 半導体ウエハ(被処理体)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−268996(JP,A) 特開 平8−167595(JP,A) 特開 平3−140469(JP,A) 特開2000−306890(JP,A) 特開2000−260747(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/31 B01J 19/08 C23C 16/511 H01L 21/3065 H05H 1/46

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 天井部が開口されて内部が真空引き可能
    になされた処理容器と、前記開口の周縁部に沿って設け
    られると共に前記処理容器の中心方向へ突出されたリン
    グ状の支持棚部を有する支持枠部材と、前記支持棚部に
    その周縁部を支持させて前記開口を気密に覆うように設
    けた絶縁板と、被処理体を載置するために前記処理容器
    内に設けられた載置台と、前記絶縁板の上方に設けられ
    て複数のマイクロ波放射孔からプラズマ発生用のマイク
    ロ波を前記絶縁板を透過させて前記処理容器内へ導入す
    る平面アンテナ部材と、前記処理容器内へ所定のガスを
    導入するガス供給手段とを有するプラズマ処理装置にお
    いて、 前記支持棚部の内周側の角部は、曲面状に成形されてい
    ることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】 前記角部は、前記支持棚部の内周側の上
    端の角部と、下端の角部の内の少なくとも一方であるこ
    とを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置。
  3. 【請求項3】 前記支持棚部の支持面には、シール部材
    を収容するためのシール溝が形成されると共に、前記シ
    ール溝部の角部は曲面状に成形されていることを特徴と
    する請求項1または2記載のプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】 前記支持棚部の内周端は、前記絶縁板内
    をその半径方向に沿って伝播するマイクロ波の節の部分
    に位置されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれ
    かに記載のプラズマ処理装置。
  5. 【請求項5】 前記支持棚部の内周端は、前記絶縁板の
    外周端より前記マイクロ波の前記絶縁板中における波長
    の1/2波長の長さの所に位置するように設定されてい
    ることを特徴とする請求項4記載のプラズマ処理装置。
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