JP3787297B2

JP3787297B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3787297B2
Application number: JP2001335529A
Authority: JP
Inventors: 健資山内; 秀郎菅井
Original assignee: Toshiba Corp; Nagoya Industrial Science Research Institute
Current assignee: Toshiba Corp; Nagoya Industrial Science Research Institute
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: JP2003142457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体及び液晶の製造等におけるエッチングやアッシングに用いられるマイクロ波励起型のプラズマ処理装置に関し、特に安定したプラズマを生成できるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来のプラズマ処理装置の要部を示す図である。プラズマ処理装置は、発振器により発生したマイクロ波を伝達する断面が矩形状の導波管１０と、この導波管１０に接続されるとともに内部に収容した半導体ウエハ等の被処理物に対しマイクロ波により励起されたプラズマを用いて処理を行うための真空チャンバ２０とを備えている。
【０００３】
導波管１０の終端部には円板状の天板１１が取り付けられている。また、天板１１には真空チャンバ２０の開口部２１を閉塞する円板状の誘電体１２が取り付けられている。なお、誘電体１２の表面は平坦な形状をしている。
【０００４】
この天板１１の一部にスリット１１ａが形成され、導波管１０の内部に誘電体１２が露出しており、導波管１０の内部を伝達するマイクロ波が誘電体１２を介して真空チャンバ２０内に導入される。
【０００５】
このようなマイクロ波励起型のプラズマ処理装置においては、マイクロ波を真空チャンバ２０内に誘電体１２を介して導入することで、真空チャンバ２０内の媒質ガスが励起され、プラズマが発生する。このプラズマにより真空チャンバ２０内の被処理物に所定の処理が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したプラズマ処理装置であると次のような問題があった。すなわち、最近の液晶基板や半導体ウエハ等の被処理物の大面積化に伴い、プラズマも大面積にて発生させる必要が生じている。このため、真空チャンバ２０や誘電体１２も同様に大型化させる必要がある。誘電体１２が大面積となると、誘電体１２に対応する導波管１０の長さも長くなる。導波管１０においては、その終端側の最も端部側の反射面でマイクロ波が反射し反射波が生じるため、この反射波がマイクロ波の入射波と合成されて合成波を形成し、この合成波に基づいて真空チャンバ２０内の電界強度が決定されるようになっている。
【０００７】
このようなマイクロ波の合成波により、真空チャンバ２０内で電界強度が分布に偏りが生じている。このため、電界強度に応じて媒質ガスのプラズマ化に不均一を生じており、ひいては被処理物のエッチングやアッシングの均一性が変動するという問題が生じていた。
【０００８】
また、電子密度においても図４に示すように、マイクロ波の投入パワーにより極端に上昇する領域、いわゆる電子密度ジャンプが存在する。このためエッチングやアッシングのレート変動が引き起こされる問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、入力されるマイクロ波パワーが広い範囲に亘る場合であってもチャンバ内に安定したプラズマを発生でき、ひいてはアッシングやエッチング等のプラズマ処理の安定性を向上す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】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は次のように構成されている。
【００１１】
（１）マイクロ波導入手段を介してチャンバ内部にマイクロ波を伝達させ、チャンバ内部でプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、上記チャンバの上記マイクロ波導入手段と対向する部分に設けられ上記マイクロ波をチャンバ内部に導入するための開口部が形成され、上記チャンバ側の面に上記開口部を通過した上記マイクロ波を内面に沿って伝播させる天板と、この天板の上記チャンバ側に設けられるとともに上記マイクロ波を透過させる板状の誘電体とを備え、上記誘電体の上記チャンバ側の表面には突条からなる凹凸部が７．５〜３０ｍｍのピッチで周期的に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
（２）上記（１）に記載されたプラズマ処理装置であって、上記突条の幅と上記突条同士の間隔とは同一に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
（３）（２）上記（１）に記載されたプラズマ処理装置であって、上記マイクロ波導入手段は、導波管であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本実施の形態に係るダウンフロー型のマイクロ波励起のプラズマ処理装置３０の要部を示す断面図である。なお、図１において図６と同一機能部分には同一符号を付した。
【００１５】
プラズマ処理装置３０は、発振器（不図示）により発生したマイクロ波を伝達する導波管１０と、この導波管１０に接続されるとともに内部に収容した半導体ウエハ等の被処理物に対しマイクロ波により励起されたプラズマＲを用いて処理を行うための真空チャンバ２０とを備えている。
【００１６】
導波管１０の終端部には円板状の天板１１が取り付けられている。また、天板１１には真空チャンバ２０の開口部２１を閉塞する円板状の誘電体４０が取り付けられている。誘電体４０は例えば石英ガラスから形成されている。
【００１７】
導波管１０は、誘電体４０に対向しマイクロ波の電界方向に垂直なＨ面１０ａと、このＨ面１０ａに対して垂直方向に伸びるマイクロ波の電界方向に平行なＥ面１０ｂと、マイクロ波導入側と反対側にＨ面１０ａ及びＥ面１０ｂに対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する反射面１０ｃとを備えている。
【００１８】
天板１１の一部には２つのスリット（開口部）１１ａが形成され、導波管１０の内部に誘電体４０が露出している。すなわち、２つのスリット１１ａは、Ｅ面１０ｂ近傍のＨ面１０ａにＥ面１０ｂに沿ってそれぞれ開口されている。スリット１１ａから導波管１０の内部を伝達するマイクロ波が誘電体４０を介して真空チャンバ２０内に導入される。
【００１９】
真空チャンバ２０は、プラズマＲを生成するプラズマ生成室２２と、半導体ウエハ等の被処理物を処理する処理室２３とを備えている。プラズマ生成室２２の側壁には、外部からＯ_２ガス等の媒質ガスを導入するガス供給管２２ａが設けられている。また、処理室２３の底面には真空チャンバ２０内を減圧するための真空ポンプに接続される排気管２３ａが接続されている。さらに、処理室２３には、半導体ウエハ等の被処理物Ｗを載置する回転テーブル２４が設けられている。
【００２０】
誘電体４０の表面は図２の（ａ），（ｂ），（ｄ）に示す様に、断面矩形状の突条４１が形成されている。突条４１は一定のピッチＱで形成されている。なお、突条４１の幅と突条４１同士の間隔とは同一に形成されている。
【００２１】
このようなマイクロ波励起型のプラズマ処理装置３０においては、次のようにしてプラズマ処理を行う。予め半導体ウエハ等の被処理物Ｗをテーブル２４の上に載置する。次に、排気管２３ａから真空チャンバ２０内の空気を排気し、減圧する。また、ガス供給管２２ａから媒質ガスであるＯ_２ガスを導入する。発振器により生成されたマイクロ波が導波管１０から導入される。マイクロ波はスリット１１ａからマイクロ波透過窓である誘電体４０を透過して真空チャンバ２０内に導入される。マイクロ波によりＯ_２ガスが励起され、高電子密度（１０^１１ｃｍ^−３以上）で大面積のプラズマＲが生成される。
【００２２】
伝播するマイクロ波はプラズマＲの電子密度Ｎｅと共鳴するモードの表面波となり、そのモードによる電界パターンを誘電体４０表面で形成する。このモードパターンと同じ電子密度分布のプラズマＲが生成される。このプラズマＲにより真空チャンバ２０内の被処理物Ｗに所定の処理が行われる。
【００２３】
図３は誘電体１２を用いた場合と誘電体４０を用いた場合におけるＯ_２プラズマ発光分布の様子を示している。なお、図３の（ａ）は誘電体１２を用いた場合、図３の（ｂ）は本実施の形態に係る誘電体４０を用いた場合を示しており、図の上方が導波管１０の終端側である。
【００２４】
図３の（ａ）に示すように、マイクロ波パワーＰｉｎが低い場合には、Ｏ_２プラズマはマイクロ波の導入側に偏る分布を持っている。次第にマイクロ波パワーＰｉｎを増加するとＯ_２プラズマは誘電体１２全面に広がる。特にマイクロ波パワーＰｉｎが０．４から０．８ｋＷへ移る領域でプラズマが突然広がっている。マイクロ波パワーが０．４ｋＷから０．８ｋＷへ移る領域で、プラズマの電子密度ジャンプが発生し、非線形に変化が生じエッチングやアッシングといったプロセスのレート及び均一性が不安定になることを示している。
【００２５】
一方、図３（ｂ）に示すように、突条４１を有する誘電体４０を用いた場合には、Ｏ_２プラズマの発光分布はマイクロ波パワーＰｉｎに依存せず、ほぼ一定である。
【００２６】
図４は、電子密度Ｎｅのマイクロ波パワー依存性を示すグラフである。グラフＧ１は誘電体１２を用いた場合、グラフＧ２が誘電体４０を用いた場合を示している。
【００２７】
グラフＧ１では、マイクロ波パワーＰｉｎの増加に伴い電子密度Ｎｅは上昇していくが、マイクロ波パワー０．５から０．７ｋＷへ移る領域で突然電子密度Ｎｅが上昇することが分かる（電子密度ジャンプ）。これは図３で示したＯ_２プラズマの発光分布と同様に、電子密度Ｎｅと共鳴する表面波が生成されるためにＯ_２プラズマの分布も電子密度Ｎｅも非線形的に変化したものである。このため、エッチングやアッシングといったプロセスのレート分布及びレートの変動が発生する。
【００２８】
これに対し、グラフＧ２では、マイクロ波パワーＰｉｎの増加に伴い、なだらかに電子密度Ｎｅも上昇している。このときの突条４１のピッチＱは１６ｍｍである。これらの結果から、その表面に周期的な突条４１を設けた誘電体４０を用いることで、マイクロ波パワーＰｉｎによらず安定な分布を持ち、電子密度Ｎｅの極端な変化が少ないプラズマＲを生成できる。
【００２９】
図５は、突条４１におけるピッチＱと電子密度Ｎｅとの関係を示す図である。マイクロ波パワーＰｉｎを一定にして、ピッチＱを３０ｍｍから７．５ｍｍまで小さくさせるに伴い、電子密度Ｎｅも上昇する。これは、ピッチＱを設定することにより電子密度Ｎｅを制御することが可能であることを示している。
【００３０】
上述したように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置３０においては、誘電体４０表面に周期的な突起４２を設けることで、プラズマ分布を一定に保つことができるとともに、マイクロ波パワーＰｉｎの変化に伴う電子密度Ｎｅの極端な変化も少なくできる。このため、エッチングやアッシングの分布及びレート変動を少なく安定なプロセスを行うことが可能となる。
【００３１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。すなわち、上述した誘電体４０には突条４１を形成するようにしたが、凹部を形成するようにしてもよい。また、突条４１は、マイクロ波の入力方向に沿った方向だけではなく、入力方向に対して直角に設けることや、リング状に設けること、或いは、柱状の突起部を点在させて設けるようにしても構わない。さらに、突条４１のピッチＱを一定にしているが、一定に限られない。更に、マイクロ波導入手段を導波管として説明しているが、キャビティや、同軸型伝播路、円形導波管、マイクロストリップ、コプレーナガイド等のマイクロ波導入手段を用いることも可能である。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、入力されるマイクロ波パワーが広い範囲に亘る場合であってもチャンバ内に安定したプラズマを発生でき、ひいてはアッシングやエッチング等のプラズマ処理の安定性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るマイクロ波励起のプラズマ処理装置を示す縦断面図。
【図２】同プラズマ処理装置の要部を示す図。
【図３】同プラズマ処理装置と従来のプラズマ処理装置におけるＯ_２プラズマ発光分布を示す写真。
【図４】同プラズマ処理装置と従来のプラズマ処理装置における電子密度のマイクロ波パワー依存性を示すグラフ。
【図５】同プラズマ処理装置おける電子密度のピッチ幅依存性を示すグラフ。
【図６】従来のプラズマ処理装置の要部を示す図。
【符号の説明】
１０…導波管
１１…天板
２０…真空チャンバ
３０…プラズマ処理装置
４０…誘電体
４１…突条

Claims

マイクロ波導入手段を介してチャンバ内部にマイクロ波を伝達させ、チャンバ内部でプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
上記チャンバの上記マイクロ波導入手段と対向する部分に設けられ上記マイクロ波をチャンバ内部に導入するための開口部が形成され、上記チャンバ側の面に上記開口部を通過した上記マイクロ波を内面に沿って伝播させる天板と、
この天板の上記チャンバ側に設けられるとともに上記マイクロ波を透過させる板状の誘電体とを備え、
上記誘電体の上記チャンバ側の表面には突条からなる凹凸部が７．５〜３０ｍｍのピッチで周期的に形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
上記突条の幅と上記突条同士の間隔とは同一に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
上記マイクロ波導入手段は、導波管であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。