JP3815868B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体素子基板,液晶ディスプレイ用ガラス基板等にエッチング,アッシング又はCVD等の処理を施す装置及び方法に関し、特にマイクロ波の導入によりプラズマを生ぜしめる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て生じるプラズマは、LSI,LCD等の製造プロセスにおいて広く用いられている。特に、ドライエッチングプロセスにおいて、プラズマの利用は不可欠の基本技術となっている。
【0003】
図7は、本願出願人により特開平6−104098号公報にて提案された従来のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。図に示すように、プラズマ処理装置は、直方体殻形状を有するアルミニウム又はステンレス鋼製の反応容器1、該反応容器1の上側に連結された金属製のマイクロ波導入容器2、該マイクロ波導入容器2のマイクロ波導入端に連結された導波管3、該導波管3のマイクロ波導入側に接続されたマイクロ波発振器4、マイクロ波導入容器2内に間隙を有して対向配置された誘電体線路5及びマイクロ波導入窓6、マイクロ波導入窓6の下側周縁部に配された対向電極17、並びに反応容器1内に配設された試料台8とを備えて構成されている。マイクロ波導入窓6は、その下面を反応容器1の内側に形成される反応室9に臨ませて配しており、反応室9を封止している。対向電極17はスリット状の透過孔17a,17a…を複数有しており、電気的に接地されている。
【0004】
反応室9内の試料台8はマイクロ波導入窓6と対向して配設され、試料台8上に試料Sが載置される。試料台8には高周波電源10が接続されている。また、反応室9には、ガスを導入するための導入口11及び図示しない排気装置に接続される排気口12が形成されている。
【0005】
このようなプラズマ装置の誘電体線路5は、誘電損失が小さい材質、例えばテフロン(登録商標)のようなフッ素樹脂で形成され、マイクロ波導入窓6は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有し、且つ誘電損失が小さい材質、例えば石英ガラス又はアルミナ(Al2 O3 )のような誘電体を用いて形成されている。また、対向電極17はアルミニウム製であり、試料Sの表面にバイアス電圧を安定して発生させるために設けられている。
【0006】
以上の如き構成のプラズマ処理装置にあっては、対向電極17を設けてあるので、試料台8に高周波電界を印加した際に、試料Sの表面に安定したバイアス電圧を生ぜしめることができる。しかしながら、この対向電極17は、マイクロ波を反応室9内へ導入するためのスリット状の透過孔17a,17a…を対向電極7の中央に設けており、試料Sの直上には対向電極17の下面が存在する。そのために、対向電極17に付着した堆積物又は対向電極自体がプラズマによりスパッタされて落下し、試料Sに付着する。このようなパーティクルの試料Sへの付着、金属汚染等の問題が生じ易い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この問題を解決するプラズマ処理装置を、本願出願人は特願平8−73467 号にて提案している。図8は、上述した本願出願人の提案によるプラズマ処理装置が備える対向電極の平面図であり、図9は図8のIX−IX線から見たプラズマ処理装置の部分断面図である。マイクロ波導入窓6の下側に配された対向電極27は、中央部分に平面視で円形状を有する1つの開口部27aを備えている。開口部27aは試料台8上に載置された試料Sの直上に設けられているので、対向電極27から落下するパーティクルが試料Sに付着することを防止できる。
【0008】
しかしながらこのプラズマ処理装置にあっては、対向電極27の開口部27aが円形状であるために、電界がマイクロ波導入窓6を透過する際に、図8に示すように、導波管3に最も近い開口部27aの周縁に電界が集中する。図8中、誘電体線路を伝搬する定在波の節を対向電極27上に破線で示し、マイクロ波の伝搬の状態を矢符で示している。これは、マイクロ波が誘電体線路5を伝搬する際に、導波管3から導入されて互いに平行に伝搬しているマイクロ波が、誘電体線路5に導入されてから最も早く電界を反応室9内に導入する位置、即ち、入り側に最も近い周縁の上方に寄り合って集中するからであり、誘電体線路5のマイクロ波の入り側領域に対応する反応室9の領域(以下、単に入り側領域という)内のさらに一部領域に、プラズマが集中して発生する(図9参照)。これにより、反応室9内の入り側領域を含む面内でのプラズマ密度分布が不均一になり、試料Sへのプラズマ処理が試料面内において不均一になるという問題があった。
【0009】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、矩形状の1つの開口部を有する対向電極を備えることにより、また開口部の2辺の寸法が夫々マイクロ波の半波長の整数倍であることにより、反応室内の入り側領域でプラズマ密度が均一化されるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【0010】
さらに、本発明は、加えてマイクロ波導入窓の誘電体線路側にプラズマ調整板を配することにより、反応室内の入り側領域とその他の領域とでプラズマ密度を均一にするプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
第1発明に係るプラズマ処理装置は、試料台と該試料台に対向配置された対向電極とを反応室内に設けており、導波管を経て供給されたマイクロ波が、誘電体線路を伝搬し、該誘電体線路に対向して配置されたマイクロ波導入窓と前記対向電極とを介して前記反応室に導入され、前記試料台上の試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記対向電極は、略矩形状を有する1つの開口部を備え、該開口部の2辺が夫々、n 1 ×(λ/2)及びn 2 ×(λ/2)の寸法を有し、λは、前記誘電体線路でのマイクロ波の波長であり、n 1 ,n 2 は、正の整数であることを特徴とする。
【0012】
第1発明にあっては、矩形状の一辺が、マイクロ波の伝搬方向に略垂直な方向にあるように対向電極を配した場合に、反応室内の入り側の領域において導入されるマイクロ波の電界が均一であるので、発生するプラズマの密度が入り側領域を含む面内で均一化される上、電界が反応室内へ導入される入口となる開口部の辺の寸法が、誘電体線路内でのマイクロ波の半波長の整数倍であるので、誘電体線路で定在波を形成して伝搬するマイクロ波が、開口部からの導入の影響を受けてその波長を変化させることがない。
【0015】
第2発明に係るプラズマ処理装置は、第1発明において、前記マイクロ波導入窓の前記誘電体線路側に、マイクロ波の前記反応室への導入量を調整するマイクロ波調整板をさらに備えることを特徴とする。
【0016】
第2発明にあっては、反応室の入り側領域でマイクロ波の電界を均一に導入し、さらにマイクロ波調整板を備えることにより反応室内に導入されるマイクロ波の電界の分布を、マイクロ波の入り側とその逆側とを含む領域で調整する。これにより、プラズマを反応室全体で均一に発生させる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。図に示すように、本実施の形態のプラズマ処理装置は、直方体殻形状を有するアルミニウム製の反応容器1の上側に、蓋形状の金属製のマイクロ波導入容器2を連結している。マイクロ波導入容器2は、マイクロ波導入のための導波管3をマイクロ波導入側である一端側に連結しており、他端側は閉塞されている。導波管3のマイクロ波導入側にはマイクロ波発振器4が接続されている。
【0018】
マイクロ波導入容器2内には、板状の誘電体線路5がマイクロ波導入容器2及び導波管3の上壁内側に接触せしめて配されている。誘電体線路5はマイクロ波が誘電体線路5内に均一に伝搬されるように導波管3内にテーパ部を設けており、テーパ部の最大厚み寸法が導波管3と同程度になっている。これにより、導波管3から導入されたマイクロ波は誘電体線路5内を長さ方向に伝搬する。誘電体線路5はテフロン(登録商標)のようなフッ素樹脂で形成されている。
【0019】
誘電体線路5と所定間隔を有してその下側に、マイクロ波導入窓6が対向配置されている。マイクロ波導入窓6により、反応容器1の内側に形成される反応室10が封止されている。マイクロ波導入窓6は矩形板状を有し、石英ガラス又はアルミナ(Al2 O3 )のような誘電体を用いて形成されている。
【0020】
マイクロ波導入窓6の下側には、本発明の特徴となる対向電極7をマイクロ波導入窓6の下面に接触させて設けてある。図2は対向電極7の平面図である。対向電極7はアルミニウム製で、図2に示すように、その中央に略矩形状の開口部7aを有し、開口部7aの二辺の寸法は夫々L1 ,L2 である。辺の寸法L1 ,L2 は、L1 =n1 ×(λ/2),L2 =n2 ×(λ/2)を有することにより、誘電体線路5を伝搬するマイクロ波が、開口部7aの影響を受けて波長を変化させることを防止する。また、開口部7aの四隅は丸みを有する形状に整形してあり、角部に電界が集中することにより異常放電が起こることを防止している。なお、本実施の形態の開口部の寸法は、例えばL1 =L2 =110mm,角部のアールが5mmであり、これはテフロン製の誘電体線路5を伝搬するマイクロ波の半波長(λ/2)が略55mmの場合である。
【0021】
また、図1に示すように、反応室9の底部にはマイクロ波導入窓6に対面させて試料台8が配されており、試料台8上に例えば半導体基板のような試料Sを載置してプラズマ処理するようになっている。反応容器1の側壁には、反応ガスを導入するための供給口11と、反応室9内を真空排気するための排気口12が形成されている。排気口12には図示しない排気装置が接続されている。
【0022】
このプラズマ処理装置の反応室9内に発生するプラズマの状態について説明する。上述した図2に示す矢符は、誘電体線路5でのマイクロ波の伝搬方向である。また、図3は図2の III−III 線から見たプラズマ処理装置の部分拡大断面図である。マイクロ波が誘電体線路5を伝搬して電界がマイクロ波導入窓6を透過し、対向電極7の開口部7aから反応室9内に導入される。本実施の形態において、マイクロ波が誘電体線路5に導入されてから最も早く電界を反応室9内に導入する領域は、図2に示すように、マイクロ波の入り側に最も近い開口部7aの一辺の全長にわたる領域である。マイクロ波はこの一辺に略垂直な方向に伝搬するので、寄り合うことなく互いに平行に伝搬する。この結果、この一辺の全長にわたる領域から電界が反応室9内に導入され、図3に示すように、反応室の入り側領域を含む面内で密度を均一にしてプラズマが発生する。
【0023】
以上の如きプラズマ処理装置を用いて、試料Sにエッチング処理を施した場合のエッチングレートを測定した。40sccmでCHF3 ガスを供給し、圧力は20mTorr 、マイクロ波消費電力1.6kWでプラズマを発生させた。結果を図4に示す。図4は本実施の形態のプラズマ処理装置を用いた試料Sのエッチングレートの分布図であり、光学式膜厚計を用いて測定した結果である。図5は、従来のプラズマ処理装置を用いた試料Sのエッチングレートの分布図である。図中、エッチングレートの同値を線で結んで示した。また、図中の太線はエッチングレートの平均を示している。
【0024】
図から明らかなように、本実施の形態では試料S上でのプラズマの密度パターンが、点対称、即ち同心円状であることが判る。これに対して従来例では、プラズマの密度パターンは非対称形である。これにより、本実施の形態のプラズマ処理装置を用いることにより、反応室9内の一部領域に高密度のプラズマが発生することがなく、試料Sに均一なエッチングを施すことができると言える。
【0025】
上述した構成の対向電極7を備えることにより、反応室9内のプラズマの密度は従来と比較して均一化されるが、反応室9には誘電体線路5のマイクロ波の入り側から電界が導入されるために、入り側のプラズマ密度が若干高くなる。以下に、この入り側の領域と他の領域とのプラズマ密度を均一にできる構成のプラズマ処理装置を説明する。
【0026】
図6は、本発明の第2の実施の形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。マイクロ波導入窓6の上面にマイクロ波調整板13が載置されている。マイクロ波調整板13はアルミニウム製であり、略中央に平面視で円形状の開口部を有している。マイクロ波調整板13の開口部と対向電極7の開口部7aとは対面位置に配されており、いずれも試料台8の真上に位置する。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であり、同部分に同符号を付してその説明を省略する。
【0027】
以上の如き構成のプラズマ処理装置の反応室9内に発生するプラズマの状態について説明する。マイクロ波が誘電体線路5を伝搬して電界がマイクロ波導入窓6を透過するとき、マイクロ波調整板13により、マイクロ波の入り側と逆側との電界が同程度になるように電界分布が調整される。これにより、電界が対向電極7の入り側に最も近い一辺の全長にわたる領域から反応室9内に導入され、且つ、入り側とその逆側との電界の強度が同程度になる。この結果、反応室9の入り側領域を含む面内での密度分布、及び入り側と逆側とを含む面内での密度分布がいずれも均一になるように、プラズマが発生する。これにより、反応室9全体でのプラズマの密度が均一になる。
【0028】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、矩形状の1つの開口部を有する対向電極をマイクロ波導入窓の反応室側に備えており、この開口部の2辺の寸法が夫々マイクロ波の半波長の整数倍であるので、誘電体線路を伝搬するマイクロ波の波長を変化させることなく、反応室内の入り側の領域でプラズマ密度を均一化することができる。また、マイクロ波調整板をマイクロ波導入窓の誘電体線路側にさらに備えているので、反応室全体でプラズマ密度が均一化される等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。
【図2】第1の実施の形態の対向電極の平面図である。
【図3】図2の III−III 線から見たプラズマ処理装置の部分拡大断面図である。
【図4】第1の実施の形態のエッチングレートの分布図である。
【図5】従来のプラズマ処理装置を用いたエッチングレートの分布図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。
【図7】従来のプラズマ処理装置の構成を示す模式的縦断面図である。
【図8】従来の対向電極の平面図である。
【図9】図8のIX−IX線から見たプラズマ処理装置の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
1 反応容器
3 導波管
5 誘電体線路
6 マイクロ波導入窓
7 対向電極
7a 開口部
8 試料台
9 反応室
13 マイクロ波調整板
S 試料
Claims (2)
- 試料台と該試料台に対向配置された対向電極とを反応室内に設けており、導波管を経て供給されたマイクロ波が、誘電体線路を伝搬し、該誘電体線路に対向して配置されたマイクロ波導入窓と前記対向電極とを介して前記反応室に導入され、前記試料台上の試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記対向電極は、略矩形状を有する1つの開口部を備え、該開口部の2辺が夫々、n 1 ×(λ/2)及びn 2 ×(λ/2)の寸法を有することを特徴とするプラズマ処理装置。 但し、λは、前記誘電体線路でのマイクロ波の波長であり、n 1 ,n 2 は、正の整数である。 - 前記マイクロ波導入窓の前記誘電体線路側に、マイクロ波の前記反応室への導入量を調整するマイクロ波調整板をさらに備える請求項1記載のプラズマ処理装置。
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