JP3662212B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【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(RIE)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プラズマを用いて、たとえばシリコン酸化膜をCF系の処理ガスによりエッチング処理する場合には、高いエッチングレートでエッチング対象物を除去するとともに、エッチング形状を垂直ないし略テーパ形状に正確に形成する必要があり、そのためにはエッチングの始点および終点を高い精度で制御する技術の確立が必須である。
【0006】
本発明は、高周波誘導方式のプラズマ処理装置により特にエッチング処理を行うに際して生じる上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高周波誘導方式のプラズマ処理装置によりエッチング処理を行うに際して、高いエッチングレートで良好なエッチング形状を確保するための新規かつ改良された制御方法を有する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,本発明のある観点によれば,導電性材料からなる処理容器と,上記処理容器内を排気するための排気ポンプと,上記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,上記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナと,上記被処理体を下方から支持するための支持機構と,から構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,上記載置台は,被処理体を載置する面が下を向いたフェイスダウン方式で構成され,上記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,上記処理容器の外部に複数設けられ,上記プラズマ処理装置は,さらに,上記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,プラズマ発生時における上記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,上記各高周波電源は,上記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,上記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置が提供される。
【0008】
本発明の別の観点によれば,導電性材料からなる処理容器と,上記処理容器内を排気するための排気ポンプと,上記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,上記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して配置された対向する平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナとから構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,上記載置台は被処理体を載置する面が鉛直方向に対して平行に構成され,上記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,上記処理容器の外部に複数設けられ,上記プラズマ処理装置は,さらに,上記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,プラズマ発生時における上記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,上記各高周波電源は,上記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,上記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置が提供される。
【0009】
本発明の観点によれば,導電性材料からなる処理容器と,上記処理容器内を排気するための排気ポンプと,上記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,上記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナと,上記被処理体を下方から支持するための支持機構と,から構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,上記載置台は,被処理体を載置する面が下を向いたフェイスダウン方式で構成され,上記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,上記処理容器の外部に複数設けられ,上記プラズマ処理装置は,さらに,上記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,プラズマ発生時における上記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,上記各高周波電源は,上記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,上記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置によって,比較的大面積の被処理体を処理する大型の処理容器であっても高密度で均一な高周波プラズマを励起することができる。
【0010】
本発明の別の観点によれば,導電性材料からなる処理容器と,上記処理容器内を排気するための排気ポンプと,上記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,上記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して配置された対向する平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナとから構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,上記載置台は被処理体を載置する面が鉛直方向に対して平行に構成され,上記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,上記処理容器の外部に複数設けられ,上記プラズマ処理装置は,さらに,上記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,プラズマ発生時における上記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,上記各高周波電源は,上記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,上記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置によって,比較的大面積の被処理体を処理する大型の処理容器であっても高密度で均一な高周波プラズマを励起することができる。
【0011】
さらに本発明の別の観点によれば、エッチング処理時に処理室内に存在する量が相対的に大きく変動する第1のガス成分、たとえばエッチング時に酸化膜などのエッチング対象と反応し処理室内での消費が進み、したがって検出される発光強度が低い水準に止まっているが、エッチングが終了すると消費されなくなりその存在量が増加し、したがって検出される発光強度が増加するような処理ガス活性種、たとえばCFやCF2などのCF系処理ガスや、これとは逆に、エッチング時には酸化膜などのエッチング対象と反応して盛んに生成され、したがって検出される発光強度が増加するが、エッチングが終了すると生成されなくなり、したがって検出される発光強度が減少するような反応生成物、たとえばCOガスと、エッチング処理時であっても処理室内に存在する量が相対的に変動しない第2のガス成分、たとえばプラズマ安定用に混入されるアルゴンや窒素などの不活性ガスとの発光強度比を観測するが、この発光強度比はリアルタイムで処理室内のプラズマ状態を反映するので、この発光強度比の変動に応じて、高周波アンテナに印加する高周波エネルギをフィードバック制御することにより、処理室内プラズマ状態を最適に維持し、特にエッチングの終了時点を正確に制御することが可能である。なお、高周波エネルギの制御方法としては、高周波電力自体を増減させる方法、あるいはマッチングボックスなどを介して高周波エネルギの大きさ、周波数、位相、振幅を調整する方法などを採用することが可能である。
【0012】
また本発明の別の観点によれば、処理室内のガス圧力とエッチング速度との相関関係を観測した結果、所定の圧力範囲において高いエッチング速度で安定することに着目し、予めダミーウェハにて最適のエッチング速度を得られる処理圧力範囲を決定し、実際の処理にあたっては、処理室内の圧力変動のみを観測し、予め求めた圧力範囲にあるように制御し、エッチング処理を実施することにより、高いエッチング速度で安定したエッチングを実施することが可能となる。
【0013】
【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。
【0014】
図1に示すプラズマエッチング装置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からなり、その絶縁材5の外壁面に導体、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6が配置されている。この高周波アンテナ6の両端子(内側端子6aおよび外側端子6b)間には、プラズマ生成用の高周波電源7よりマッチング回路8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。
【0015】
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。
【0016】
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9が設けられており、このジャケット9にはたとえば液体窒素などの冷媒が冷媒源10より冷媒導入管11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12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9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。
【0017】
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12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12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13を絶縁状態で挟み込むことにより形成され、この導電膜13はリード線により可変直流高圧電源14に接続されている。したがってこの導電膜13に高電圧を印加することによって、上記静電チャック12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。
【0018】
上記サセプタ支持台4aおよびサセプタ4c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15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17が配置されている。このフォーカスリング17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。
【0019】
さらに上記サセプタ4cには、マッチング用コンデンサ18を介して高周波電源19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被処理体の処理面に効果的に照射させることが可能である。上記サセプタ4cの上方には、石英ガラスまたはセラミックスなどからなるガス供給手段20が配置されている。このガス供給手段20は、上記サセプタ4cの載置面と略同面積の中空円板形状をしており、その上部には上記絶縁材5の略中央を貫通してガス供給手段20の中空部に連通するガス供給管21が取り付けられている。ガス供給手段20の下面22には多数の小孔23が穿設されており、エッチングガスを下方の処理空間に均一に吹き出すように構成されている。また上記ガス供給手段20の中空部には、中央部にガス供給管21に向かって突出する突起部25が設けられたバッファ円板26が設けられており、ガス源27a、27bよりマスフローコントローラ28を介して供給されるエッチングガスの混合を促進するとともに、より均一な流量で処理室内にガスが吹き出すように構成されている。さらにまた、上記ガス供給手段20の下面22の周囲にはガスを被処理体の処理面に集中させるように作用する環状突起29が下方に向けて取り付けられている。
【0020】
また、上記処理容器2の底部壁には排気管30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。
【0021】
さらに、上記静電チャック12と冷却ジャケット9との間のサセプタ下部にはヒータ固定台31に収容された温調用ヒータ32が設けられており、この温調用ヒータ32へ電力源33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9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。
【0022】
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34が取り付けられており、処理室内の光を光学系35を介して光学センサ36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37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を検出するための圧力センサ38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37に送ることができるように構成されている。制御器37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7、バイアス用高周波電源15、冷媒源10、温調用電源33、バッククーリング用ガス源15、処理ガス用マスフローコントローラ28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。
【0023】
次に、上記のような制御系に対して本発明に基づいて構成されたプラズマエッチング装置の制御方法を適用した実施例について説明する。
【0024】
まず本発明の観点によれば、プラズマ発生時に処理室内から透過窓34を介して検出される各波長の発光スペクトルを、分光器を含む光学系35により処理し、光学センサ36により、エッチング処理時に処理室内に存在する量が相対的に大きく変動する第1のガス成分、たとえばエッチング時に酸化膜などのエッチング対象と反応し処理室内での消費が進み、したがって検出される発光強度が低い水準に止まっているが、エッチングが終了すると消費されなくなりその存在量が増加し、したがって検出される発光強度が増加するような処理ガス活性種、たとえばCFやCF2などのCF系処理ガスに関する発光スペクトルを表す信号、ならびに、これとは逆に、エッチング時には酸化膜などのエッチング対象と反応して盛んに生成され、したがって検出される発光強度が増加するが、エッチングが終了すると生成されなくなり、したがって検出される発光強度が減少するような反応生成物、たとえばCOガスと、エッチング処理時であっても処理室内に存在する量が相対的に変動しない第2のガス成分、たとえばプラズマ安定用に混入されるアルゴンや窒素などの不活性ガスに関する発光スペクトルを表す信号とが観測され、これらの発光スペクトルに関する信号が制御器37に送られる。制御器37においては、これらの2種類のガス成分の発光スペクトルに関する発光強度比が求められる。
【0025】
なお、発光スペクトルを求めるにあたっては、観測対象のガス成分のピーク波長を適当な干渉フィルタを介して検出して演算処理をすることも可能であり、あるいは発光スペクトルのS/N比が低い場合には、ある波長範囲の発光スペクトルの総和平均をとり、その総和平均値に基づいて演算処理をすることによりノイズの影響を軽減し精度の高い測定値を得ることも可能である。
【0026】
このようにして観測された発光スペクトルから求められた発光強度比は、リアルタイムで処理室内のプラズマ状態を反映するので、この発光強度比の変動に応じて、高周波アンテナに印加する高周波エネルギをフィードバック制御することにより、処理室内のプラズマ状態を最適に維持し、特にエッチングの終了時点を正確に制御することが可能である。なお、高周波エネルギの制御方法としては、後述するように、高周波電力自体を増減させる方法、あるいはマッチングボックスなどを介して高周波エネルギの周波数、位相、振幅を調整する方法などを採用することが可能である。
【0027】
また本発明の別の観点によれば、処理室内のガス圧力とエッチング速度との相関関係を観測した結果、図2に示すように、エッチング速度はガス圧力が所定範囲にある場合に高い値で安定するので、エッチング速度が所定範囲(たとえば、b範囲やc範囲ではなくa範囲)に収まる場合の圧力範囲(a1ないしa2)を予めダミーウェハを用いたエッチング処理により求めておき、実際の処理にあたっては、処理室内の圧力変動を圧力センサ38により観測し、その圧力センサ38から制御器37に送られた圧力信号がa1ないしa2にあるように、制御器37から各装置に制御信号を送り、エッチング処理を実施することにより、高いエッチング速度で安定したエッチングを実施することが可能となる。
【0028】
次に、図3に基づいて、上記プラズマエッチング装置の製造工程における構成について説明する。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。
【0029】
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39を介して隣接するロードロック室40が接続されている。このロードロック室40には、搬送装置41、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40には、底面に設けられた排気口より排気管42が接続され、真空排気弁43を介して真空ポンプ44により真空引きが可能なように構成されている。
【0030】
上記ロードロック室40の側壁には、開閉自在に設けられたゲートバルブ45を介して隣接するカセット室46が接続されている。このカセット室46には、カセット47を載置する載置台48が設けられており、このカセット47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46には、底面に設けられた排気口より排気管49が接続され、真空排気弁50を介して真空ポンプ44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46の他方の側壁は、開閉自在に設けられたゲートバルブ51を介して大気に接するように構成されている。
【0031】
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51を開口して、被処理体Wを収納したカセット47が図示しない搬送ロボットにより、カセット室46の載置台48の上に載置され、上記ゲートバルブ51が閉口する。上記カセット室46に接続された真空排気弁50が開口して、真空ポンプ44により上記カセット室46が真空雰囲気、たとえば10−1Torrに排気される。
【0032】
ついで、ロードロック室40とカセット室46の間のゲートバルブ45が開口して、搬送アーム41により被処理体Wが上記カセット室46に載置されたカセット47より取り出され、保持されて上記ロードロック室40へ搬送され、上記ゲートバルブ45が閉口する。上記ロードロック室40に接続された真空排気弁43が開口して、真空ポンプ44により上記ロードロック室40が真空雰囲気、たとえば10−3Torrに排気される。
【0033】
ついで、ロードロック室40と処理容器2との間のゲートバルブ39が開口して、上記搬送アーム41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40に戻った後、ゲートバルブ39が閉口する。その後、静電チャック12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が静電チャック12上に載置すると、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52を開口することにより、真空ポンプ44を介して真空雰囲気、たとえば10−5Torrに排気されている。
【0034】
さらに、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、ガス供給手段20を介してHF3などの処理ガスを処理容器2内に導入し、本発明に基づいてダミーウェハを用いて予め求められた最適なエッチング速度を得るために最適な圧力雰囲気に到達したことが圧力センサ38により検出された後、高周波電源7からマッチング回路8を介して高周波アンテナに、たとえば13.56MHzの高周波電力が印加されることにより処理容器2内にプラズマを励起し、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を供給し、さらに載置台4に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。なおこの間、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。
【0035】
さらに本発明によれば、エッチング時に処理容器2内から発生する発光スペクトルは透過窓34を介して、光学センサ36により検出されており、本発明に基づいて、プラズマ反応により存在量が相対的に大きく変化する第1のガス成分とプラズマ反応によっても存在量が相対的に変化しない第2のガス成分との発光強度比が最適な値になるように、高周波アンテナに印加される高周波エネルギの周波数、位相、振幅などが適宜制御される。また、検出される発光強度比が所定値に到達した場合には、エッチングが終了したと判断され、高周波エネルギの印加が停止されるとともに処理ガスの供給も停止され、プラズマ処理動作が終了する。
【0036】
ついで、上記処理容器2内の処理ガスや反応生成物を置換するために、窒素などの不活性ガスを上記処理容器2内に導入するとともに、真空ポンプ44による排気が行われる。上記処理容器2内の残留処理ガスや反応生成物が十分に排気された後に、上記処理容器2の側面に設けられたゲートバルブ39が開口され、隣接するロードロック室40より搬送アーム41が処理容器2内の被処理体Wの位置まで移動し、プッシャーピンにより載置台4から持ち上げられた被処理体Wを受け取り、上記ロードロック室40に搬送し、上記ゲートバルブ39を閉口する。このロードロック室40において、必要ならば被処理体Wはヒータにより室温、たとえば18℃まで昇温され、その後上記ロードロック室40よりカセット室46を介して大気に搬出されることにより一連の動作を終了する。
【0037】
なお図1に示す実施例においては、図4に示すように渦巻きコイルの内側端6aおよび外側端6bの間に高周波電源7およびマッチング回路8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5に示すように、渦巻きコイルの外側端6bにのみ高周波電源7およびマッチング回路8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。
【0038】
次に図6ないし図15を参照しながら、処理容器2内に高周波アンテナ6を介して励起されるプラズマの状態を最適に制御するための様々な装置構成に関する実施例について説明する。なお本明細書に添付される各図面において、同一の機能を有する構成要素については同一の参照番号を付することにより詳細な説明は省略することにする。
【0039】
図6には、絶縁材5の外壁面に取り付けられる高周波アンテナ6の他の実施例が示されている。この実施例においては、渦巻きコイルからなる高周波アンテナ6の一部6cが2重巻きにされ、その重複部分6bおよび6cからより強い電磁場を形成することが可能なように構成されている。このように渦巻きコイルの巻き数を部分的に可変にすることにより、処理容器2内に励起されるプラズマの密度分布を調整することができる。なお図示の例では、高周波アンテナ6の重複部分を外周部分に設定したが、重複部分は必要なプラズマの密度分布に応じて高周波アンテナ6の任意の部分に設定することが可能である。また図示の例では、高周波アンテナ6の重複部分を単に2重巻きに構成したが、必要なプラズマの密度分布に応じて任意の巻き数に設定することが可能である。
【0040】
図7には、処理容器2の内部に、載置台4を囲むように同間隔で放射状にたとえばアルミニウム製の第2の電極53a、53bを配置した実施例が示されている。これらの電極53a、53bにはそれぞれマッチング回路54a、54bを介して高周波電源55a、55bが接続されている。かかる構成により、載置台4に印加されるバイアス用高周波エネルギに加えて、被処理体Wの被処理面を半径方向外周から同間隔で放射状に囲む第2の電極53a、53bにもバイアス用高周波エネルギを印加することが可能なので、各高周波エネルギの大きさ、振幅、位相、周波数などを調整することにより、処理容器2内に励起されるプラズマの状態を最適に制御することが可能である。
【0041】
図8には、処理容器2の内部に、ガス供給手段20のガス吹き出し面の下方かつ載置台4の上方にたとえばシリコンまたはアルミニウムからなるメッシュ状の電極56が配置された実施例が示されている。この電極56には可変電源57が接続されており、適当な電流をこの電極56に流すことにより、処理容器2内に高周波アンテナ6の作用により形成された電界の分布を制御し、処理容器2内に所望の密度分布を有するプラズマを励起することが可能となる。
【0042】
また図1に示す実施例においては、処理容器2の上面に石英ガラスなどの絶縁材5を介して高周波アンテナ6を配しているが、本発明はかかる実施例に限定されない。たとえば図9に示すように、処理容器2の側壁の一部を石英ガラスやセラミックスなどの絶縁材58から構成し、その絶縁材58の外壁面に第2の高周波アンテナ59を取り付けた構成を採用することも可能である。これらの第2の高周波アンテナ59は好ましくはコイル状に配置され、マッチング回路60を介して接続された高周波電源61より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。かかる構成により処理容器2の側壁部分からもプラズマを励起することが可能となるので、各アンテナに印加される高周波エネルギを調整することにより、高密度で均一なプラズマを所望の密度分布で処理容器2内に発生させることが可能となり、より精度の高いプラズマ処理が可能となる。
【0043】
また図10に示すように載置台4の一部を石英ガラスなどの絶縁材62から構成し、その下面に高周波アンテナ63を配し、マッチング回路67を介して接続された高周波電源68より高周波エネルギを高周波アンテナ63に印加する構成とすることも可能である。かかる構成によって処理容器2の載置台4の下面からもプラズマを励起することが可能となるので、各アンテナに印加される高周波エネルギを調整することにより、高密度で均一なプラズマを所望の密度分布で処理容器2内に発生させることが可能となり、より精度の高いプラズマ処理が可能となる。
【0044】
また図11に示すように載置台4の上面周囲に配置されるフォーカスリングを石英ガラスやセラミックスなどの絶縁材69から構成し、その周囲に高周波アンテナ70を配し、その高周波アンテナ70にマッチング回路71を介して接続された高周波電源72より高周波エネルギを印加する構成とすることも可能である。かかる構成によって処理容器2の載置台4の周囲からもプラズマを励起することが可能となるので、各アンテナに印加される高周波エネルギを調整することにより、高密度で均一なプラズマを所望の密度分布で処理容器2内に発生させることが可能となり、より精度の高いプラズマ処理が可能となる。
【0045】
またLCDなどの比較的大面積の被処理体をプラズマ処理する場合には、図12に示すように複数の高周波アンテナ74a、74b、74c、74dを処理容器2の上面に配置された絶縁材5の外壁部に取り付け、それぞれの高周波アンテナにマッチング回路75a、75b、75c、75dを介して接続された高周波電源76a、76b、76c、76dより高周波エネルギを印加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、比較的大面積の被処理体を処理する大型の処理容器2であっても高密度で均一な高周波プラズマを励起することが可能となる。
【0046】
また上記実施例においては、被処理体Wを載置台4の上面に載置して、処理容器2の上面に配置された高周波アンテナ6によりプラズマを励起する構成を採用しているが、本発明はかかる構成に限定されない。たとえば、図13に示すようなフェイスダウン方式を採用することも可能である。この装置構成は、図1に示す処理装置の各構成要素をほぼ天地逆転して配置したものであり、図1に示す各構成要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付するとともに、図1の構成要素と識別するために「’」を付して示すことにする。ただし図13に示すフェイスダウン方式の装置の場合には、被処理体Wを下方から支持するための上下動可能な支持機構76および被処理体Wを静電チャック12より外すための上下動可能なプッシャーピン機構77を設けることが好ましい。かかる構成を採用することにより、被処理体Wの処理面を微粒子などの汚染から保護することが可能なので、歩留まりおよびスループットのより一層の向上を図ることができる。
【0047】
あるいは図14に示すように、略円筒形状の処理容器2”を垂直方向に配置し、その両面に絶縁材5”を配し、各絶縁材5”の外壁面にそれぞれ高周波アンテナ6”を取り付ける構成とし、処理容器2”の中央に略垂直に配置された載置台4”の両面に静電チャック12”を介して被処理体Wを吸着固定する構成を採用することも可能である。なお図14に示す装置の各構成要素は、図1に示す処理装置の各構成要素とほぼ同様のものであり、図1に示す各構成要素と同一の機能を有するものについては同一の参照番号を付するとともに、図1の構成要素と識別するために「”」を付して示すことにする。かかる構成を採用することにより、複数の被処理体Wを同時に処理することが可能となるとともに、被処理体Wの被処理面が垂直に配されるので、被処理面が微粒子などの汚染から保護され、歩留まりおよびスループットのより一層の向上を図ることができる。
【0048】
図15には、本発明に基づくプラズマ処理装置のさらに別の実施例が示されている。この実施例においては、サセプタ4が処理容器2の壁面とは完全に別体として、すなわち上下動可能な昇降機構78の上に載置され、サセプタ4に冷熱源や伝熱ガスを供給する管路または各種電気的回線はこの昇降機構78の内部に配置されている。かかる構成を採用することにより、サセプタ4の被処理面をプラズマ発生源である高周波アンテナ6に対して上下動させ調整することにより、最適なプラズマ密度分布を有する空間に被処理面を移動させて処理を行うことが可能となる。
【0049】
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。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の観点によれば、被処理体の処理面を微粒子などの汚染から保護することが可能なので、歩留まりおよびスループットのより一層の向上を図ることがすることが可能となる。
【0051】
本発明の別の観点によれば,複数の被処理体Wを同時に処理することが可能となるとともに、被処理体Wの被処理面が垂直に配されるので、被処理面が微粒子などの汚染から保護され、歩留まりおよびスループットのより一層の向上を図ることが実現される。
【0052】
さらに本発明の別の観点によれば,処理容器内のプラズマ状態をリアルタイムで反映する、エッチング処理時に処理室内に存在する量が相対的に大きく変動する第1のガス成分と、これとは逆に、エッチング処理時であっても処理室内に存在する量が相対的に変動しない第2のガス成分との発光強度比を観測し、この発光強度比の変動に応じて、高周波アンテナに印加する高周波エネルギをフィードバック制御することにより、高い精度で処理室内のプラズマ状態を最適に維持し、特にエッチングの終了時点を正確に制御することが可能となるので、精度の高いプラズマエッチングを実施できる。
【0053】
また本発明の別の観点によれば、処理容器内のガス圧力を観測し、ガス圧力に応じて処理容器内のプラズマの状態をフィードバック制御するのみで、安定した高いエッチング速度で被処理体のプラズマ処理を行うことが可能なので、制御システムを簡略することが可能となる。
【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エッチング処理装置の制御方法を適用可能なプラズマ処理装置の概略的な断面図である。
【図2】ダミーウェハにより求められるエッチング速度と処理容器内のガス圧力との関係を示すグラフである。
【図3】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】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6】さらに別の構成の高周波アンテナを取り付けた処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図7】処理容器内に第2の電極を取り付けた処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図8】処理容器内に第2の電極を取り付けた処理装置の他の実施例を示す概略的な断面図である。
【図9】処理容器の側壁に第2の高周波アンテナを取り付けた処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図10】処理容器の載置台内に第2の高周波アンテナを取り付けた処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図11】処理容器の載置台のフォーカスリングの周囲に第2の高周波アンテナを取り付けた処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図12】処理容器の絶縁材の外壁面に複数の高周波アンテナを配した処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図13】フェイスダウン方式処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図14】被処理体を垂直に配した処理装置の実施例を示す概略的な断面図である。
【図15】載置台を処理容器と別体に構成した処理装置の実施例を示す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 高周波アンテナ
7 高周波電源
8 マッチング回路
20 ガス供給手段
34 透過窓
36 光学センサ
37 制御器
38 圧力センサ
W 半導体ウェハ
Claims (12)
- 導電性材料からなる処理容器と,前記処理容器内を排気するための排気ポンプと,前記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,前記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナと,前記被処理体を下方から支持するための支持機構と,から構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,
前記載置台は,被処理体を載置する面が下を向いたフェイスダウン方式で構成され,
前記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,前記処理容器の外部に複数設けられ,
前記プラズマ処理装置は,さらに,前記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,
プラズマ発生時における前記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,
前記各高周波電源は,前記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,前記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置。 - 導電性材料からなる処理容器と,前記処理容器内を排気するための排気ポンプと,前記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,前記処理容器内に設けられ被処理体を載置する載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して配置された対向する平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナとから構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,
前記載置台は被処理体を載置する面が鉛直方向に対して平行に構成され,
前記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,前記処理容器の外部に複数設けられ,
前記プラズマ処理装置は,さらに,前記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,
プラズマ発生時における前記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,
前記各高周波電源は,前記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,前記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置。 - 前記処理容器は,接地されていることを特徴とする請求項1に記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記複数の高周波電源は,前記複数の高周波アンテナの両端子間に高周波エネルギをそれぞれ印加することを特徴とする,請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記複数の高周波電源は,前記複数の高周波アンテナの一方の端部にのみ前記高周波エネルギをそれぞれ印加することを特徴とする,請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記載置台には、コンデンサを介してバイアス用高周波電源が接続されることを特徴とする,請求項1乃至請求項5のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記載置台は,サセプタ支持台と、該サセプタ支持台上に着脱自在に設けられたサセプタから構成されていることを特徴とする,請求項1乃至請求項6のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記載置台は,前記被処理体を載置する面に静電チャックが備えられていることを特徴とする,請求項1乃至請求項7のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記載置台に,冷却手段および温調用ヒータのうち少なくとも一つを備えることを特徴とする,請求項1乃至請求項8のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記被処理体の裏面と前記載置台の接合部に熱伝達ガスを供給するための手段を設けたことを特徴とする請求項9に記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 前記載置台には,前記被処理体を囲むようにフォーカスリングを備えたことを特徴とする,請求項1乃至請求項10のいずれか一つに記載の誘導結合のプラズマ処理装置。
- 導電性材料からなる処理容器と,前記処理容器内を排気するための排気ポンプと,前記処理容器内にガスを導入するためのガス供給手段と,前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する複数の載置台と,処理室の外部に絶縁材を介して配置された対向する複数の平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナとから構成されることを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置において,
前記複数の載置台は被処理体を載置する面が鉛直方向に対して平行に構成され,
前記平面渦巻きコイル状に形成した高周波アンテナは,前記処理容器の外部に複数設けられ,
前記プラズマ処理装置は,さらに,前記複数の高周波アンテナにそれぞれ接続された複数の高周波電源と,
プラズマ発生時における前記処理容器内の各波長の発光スペクトルを検出する光学センサと,を備え,
前記各高周波電源は,前記光学センサにより検出された各波長の発光スペクトルの変動に基づいて,前記各高周波電源にそれぞれ接続された各高周波アンテナに印加する高周波エネルギをそれぞれフィードバック制御することを特徴とする誘導結合のプラズマ処理装置。
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