JP3934101B2

JP3934101B2 - プラズマ化用の電極およびプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3934101B2
Application number: JP2003377383A
Authority: JP
Inventors: 光秀野上
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: JP2005142366A

Description

この発明は、プラズマ化用の電極構造およびこの電極構造を用いて表面処理を行なうプラズマ処理装置に関する。

例えば、特許文献１に記載のプラズマ処理装置は一対の電極を備えている。これら電極は環状をなして軸方向に対向しており、電極間にはガス通路としての隙間が形成されている。そして、電極間に印加される電界により、このガス通路を流れる処理ガスをプラズマ化する。プラズマ化されたガスは、被処理物に向けて吹き出し、この被処理物を表面処理（例えばエッチング，洗浄，ＣＶＤ等）する。

上記電極は処理ガスのプラズマ化を安定して行なうために、所定温度範囲に維持する必要がある。例えば、処理ガスを比較的低い温度でプラズマ化する場合には、プラズマ放電の際に発熱する電極を冷却する必要がある。そのため、上記公報の装置では、電極に形成した環状溝にパイプを収容し、このパイプに温調媒体としての冷媒を流して電極を冷却（温度調節）するようになっている。
特開平５−８２４７８号公報

しかし、上記公報の電極構造では、冷媒（温調媒体）と電極との間にパイプが介在されており、このパイプと電極との接触面積が小さいため、効率良い冷却（温度調節）が行なえなかった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、電極と、この電極に隣接して配置された通路形成部材とを有し、これら電極と通路形成部材の対向する面により温調媒体を流すための媒体通路が画成され、これら対向面間には、上記媒体通路を挟むようにして媒体通路に沿う第１，第２のシール部材が介在されていることを特徴とするプラズマ化用の電極構造を要旨とする。この構成によれば、媒体通路が電極の対向面により画成されており、温調媒体が電極に直接接しながら流れることにより、効率良く電極の温度調節を行なうことができる。

好ましくは、上記電極，通路形成部材および第１，第２シール部材が環状をなし、上記電極および通路形成部材の周面が上記対向面の少なくとも一部として提供され、これら周面間に、上記媒体通路が形成されるとともに上記第１シール部材が介在されている。この構成のように電極が環状をなしていても、媒体通路を簡単に形成することができる。また、電極と通路形成部材は径方向の外側と内側に配置されるとので、小型化することができる。

好ましくは、上記電極と通路形成部材のうち一方の部材は径方向に突出する環状の鍔部を有し、この鍔部の平坦面が電極の周面と直交する他の対向面として提供され、他方の部材は上記周面と直交する平坦面を有し、この平坦面が他の対向面として提供され、上記第２シール部材は、これら電極と通路形成部材の平坦面間に介在されている。これによれば、第２シール部材が電極と通路形成部材を嵌め込む際に抵抗とならず、嵌め込みを容易に行なうことができる。

より好ましくは、上記一方の部材の周面は連続した円筒面をなし、他方の部材の周面はその中間部に上記媒体通路となる環状溝を有するとともにこの環状溝を挟んで配置された第１周面部および第２周面部を有し、この第１周面部には上記一方の部材の周面が隙間を介して対向するとともに、上記第１シール部材が装着され、上記平坦面と交わる上記第２周面部は上記一方の部材の周面と実質的に隙間なく対向している。これによれば、電極と通路形成部材の径方向のガタツキがなく、電極の芯出しや位置決めを容易に行なうことができる。

他の態様として、上記第１，第２シール材がともに上記電極と通路形成部材の周面間に介在されている。これによれば、周面間に第１，第２シール材が配置されるので、シール構造が簡単になり、ひいては電極と通路形成部材の構成を簡略化することができる。

さらに本発明のプラズマ装置は、上記電極構造が径方向の内側と外側に同心をなして配置され、内側の電極構造においては電極の内周面と通路形成部材の外周面とが対向し、外側の電極構造においては電極の外周面と通路形成部材の内周面とが対向し、内側電極構造の電極の外周面と外側電極構造の電極の内周面との隙間がガス通路として提供され、これら電極間に印加される電界により、上記ガス通路を流れる処理ガスをプラズマ化する。これによれば、内外の電極と通路形成部材を径方向に同心に配置することにより、装置全体を小型化することができ、全周にわたってプラズマ化された処理ガスを供給することができる。

本発明によれば、温調媒体により効率良く電極の温度調節を行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１および図２は、半導体ウェハーＷを処理対象とする常圧プラズマエッチング装置Ｍ（プラズマ処理装置）を示す。はじめにウェハーＷについて説明する。ウェハーＷは、シリコンなどの半導体によって円盤形状に形成されている。ウェハーＷの上面には、例えばスピンコーターによってフォトレジストなどの膜Ｗａが形成されている。この膜Ｗａは、ウェハーＷの上面の全体を覆い、外縁にまで及んでいる。この膜Ｗａの外縁部Ｗａ’を残しておくと、その後の研磨工程で邪魔になったり外縁を把持する工程でパーティクル発生の原因になったりする。そこで、ウェハーＷは、上記成膜工程の次に常圧プラズマエッチング装置へ送られ、外縁部Ｗａ’のエッチング工程に付される。

図１および図２に示すように、常圧プラズマエッチング装置Ｍは、平面視環状のノズルヘッド１と、パルス電源６０（電界印加手段）と、処理ガス源７０と、吸引ポンプ８０（吸引手段）と、冷媒源９０（温調媒体源）と、を備えている。ノズルヘッド１は、内側電極構造１０と、外側電極構造２０と、これら電極構造１０，２０を覆う絶縁性のホルダ３０と、このホルダ３０を覆う金属製（導電性）のフレーム４０とを備えている。これら構成要素１０，２０，３０，４０は全て環状をなしている。

図３に最も良く示されているように、内側電極構造１０は、環状の電極１１と、この電極１１の径方向内側に同心をなして配置された環状の金属製通路形成部材１５を備えている。電極１１は円筒部１２と、この円筒部１２の下端から径方向外方向に張り出す環状の平板形状の鍔部１３とを有して、断面Ｌ字形をなしている。円筒部１２の内周面１２ａおよび鍔部１３の上側の平坦面１３ａは、互いに直交しており、後述するように通路形成部材１５に対向する対向面として提供される。

通路形成部材１５の外周面１５ａは、その中間部に環状溝１５ｘを有するとともに、この環状溝１５ｘを挟んで配置された円筒面をなす第１周面部１５ｙと第２周面部１５ｚとを有している。通路形成部材１５の下面は上記第２周面部１５ｚと直交する平坦面１５ｂとなっている。これら外周面１５ａ，平坦面１５ｂは、後述するように上記電極１１に対向する対向面として提供される。

上記通路形成部材１５は、その外周面１５ａが電極１１の内周面１２ａに対向し、平坦面１５ｂが電極１１の平坦面１３ａに対向するようにして、電極１１の径方向内側に嵌めらている。電極１１の内周面１２ａと、通路形成部材１５の外周面１５ａの一部である環状溝１５ｘにより、媒体通路１７が画成されている。第１周面部１５ｙおよび平坦面１５ｂには環状の収容溝が形成され、これら収容溝にはそれぞれＯリング１８、１９（シール部材）が収容されており、これらＯリング１８，１９が弾性変形した状態で電極１１の内周面１２ａと平坦面１３ａに接することにより、媒体通路１７の上下がシールされている。なお、後述するように電極構造１０がホルダ３０に収容された状態では、電極１１の平坦面１３ａと通路形成部材１５の平坦面１５ｂは接している。

上述したように、環状溝１５ｘの下側のＯリング１９は外周面１５ａに装着されておらず、上側のＯリング１８だけが外周面１５ａに配置されている。そのため、上記通路形成部材１５を電極１１に嵌め込む際に、挿入抵抗が小さく挿入し易い。

通路形成部材１５の第１周面部１５ｙは、電極１１の内周面１２ａより若干小さく、両者の間には、Ｏリング１８の挿入のために必要な隙間（クリアランス）がある。第２周面部１５ｚは第１周面部１５ｙより若干径が大きく、電極１１の内周面１２ａと実質的に等しい。厳密には、通路形成部材１５を電極１１の円筒部１２に挿入可能なように第１周面部１５ｙと電極１１の内周面１２ａとの間に微小のクリアランスがあるが、このクリアランスは実質的にゼロであり、両者はほぼ接している。その結果、電極１１の芯出し，位置決めを正確に行なうことができる。

外側電極構造２０は、電極２１とその径方向外側に配置された金属製通路形成部材２５とを備えている。これら電極２１，通路形成部材２５の断面形状は、内側電極構造１０と左右対称であるので、重複を避けるために簡単に説明する。

電極２１は、円筒部２２と、この円筒部２２の下端から径方向，外方向に延びる環状の鍔部２３とを有している。円筒部２２の外周面２２ａおよび鍔部１３の上側の平坦面２３ａが対向面として提供される。通路形成部材２５の円筒面をなす内周面２５ａ（対向面）は、環状溝２５ｘと第１周面部２５ｙと第２周面部２５ｚとを有している。通路形成部材２５の下面は上記第２周面部２５ｘと直交する平坦面２５ｂ（対向面）となっている。

電極２１の外周面２２ａと、通路形成部材２５の環状溝２５ｘにより、媒体通路２７が画成されている。第１周面部２５ｙと平坦面２５ｂの収容溝に収容されたＯリング２８、２９（シール部材）が電極２１の内周面２２ａと平坦面２３ａに接することにより、媒体通路２７の上下がシールされている。
内側電極構造１０と同様に、通路形成部材２５の第１周面部２５ｙと電極１１の外周面２２ａとの間には、Ｏリング２８の挿入のために必要なクリアランスがあり、第２周面部２５ｚと外周面２２ａとの間のクリアランスは実質的にゼロである。

外側電極構造２０の電極２１の内径は内側電極構造１０の電極１１の外径より大きく、電極２１の内周面２２ｂと電極１１の外周面１２ｂとの間には環状の隙間５０が形成されている。この隙間５０は処理ガスのためのガス通路となる。なお、電極１１の外周面１２ｂと電極２１の内周面２２ｂには、それぞれ固体誘電体が溶射にて被膜されている。

図１，図２に戻って説明すると、上記ホルダ３０は、略水平をなす底板３１と、略水平をなす天板３２と、それらの内周部間に挟まれた筒３３と、環状のリング部材３４とを有している。これら部材は樹脂等の絶縁材料からなる。リング部材３４は、電極１１，２１の上端面と通路形成部材１５，２５の段差により形成された空間に嵌っている。底板３１と天板３２とで電極構造１０，２０およびリング部材３４を挟んでいる。筒３３は内側電極構造１０の通路形成部材１５の内周に接してこれを支持している。底板３１は外側と内側に分割されている。

上記ホルダ３０を囲んで支持するフレーム４０は、略水平をなす底板４１と、略水平をなす天板４２と、それらの間に挟まれてボルト等で連結された内筒４３および外筒４４とを有している。これら部材４１〜４４は金属からなる。底板４１はホルダ３０の底板３１を放射状に等間隔に配置されたスペーサ４９を介して押さえている。天板４２はホルダ３０の天板３２を押さえている。内筒４３は、ホルダ３０の筒３３および天板３２の内周を押さえている。外筒４４は、電極２１，通路形成部材２５，天板３２の外周を押さえている。天板４２は図示しない架台に固定されており、これによりノズルヘッド１が支持されている。なお、底板４１は耐腐食性金属からなり、内側と外側に分割されており、その下面には絶縁材料からなる薄いプレート４５がそれぞれ取り付けられている。

図２に示すように、フレーム４０の天板４２には、絶縁筒６１を介して接続端子６２が貫通して設けられており、この接続端子６２の下端は通路形成部材１５の上端に接続されている。接続端子６２には給電線６３を介してパルス電源６０が接続されている。これにより、電極１１がパルス電源６０に接続されて電界印加電極（ホット電極）となる。また、電極２１は通路形成部材２５およびフレーム４０を介して接地されており、これにより接地電極（アース電極）となっている。

図１に示すように、底板３１の外側と内側に分割された部材間には、環状の吹き出し口７１が形成されている。この吹き出し口７１の上端は電極１１，２１間のガス通路５０に連なり、その下端は底板３１の下面に形成された山形の環状凸部３１ａで開口している。他方、フレーム４０の天板４２には周方向に等間隔をおいて複数の継手７２が取り付けられている。継手７２は天板３２，４２およびリング部材３４に形成された孔７３およびリング部材３４に形成された環状のスリット７４を介して電極１１，２１間のガス通路５０の上端に連なっている。この継手７２には供給管７５を介して処理ガス源７０が接続されている。処理ガス源７０には、エッチング用ガスとして例えばＣＦ_４が貯えられている。

上記底板４１の内側と外側に分割された部材間には、上記環状凸部３１ａの斜面に対応したテーパをなす環状の吸い込み口８１が形成されている。この吸い込み口８１は、前述した吹き出し口７１の真下に位置してこれより幅広をなしており、底板３１，４１間の隙間からなる排気通路８２に連なっている。また、フレーム４０の外筒４４には周方向に等間隔をおいて複数のポリテトラフルオロエチレン等の耐腐蝕性樹脂からなる排気チューブ８３が貫通している。これら排気チューブ８３の下端は底板３１に形成された貫通孔８４を介して上記排気通路８２に連なっている。この排気チューブ８３の上端部は天板４２に設置された継手８５に挿入接続されている。また、ホルダ３０の筒３３および天板３２には、周方向に等間隔をおいて複数のポリテトラフルオロエチレン等の耐腐蝕性樹脂からなる排気チューブ８６が貫通している。これら排気チューブ８６の下端は底板３１に形成された貫通孔８７を介して上記排気通路８２に連なっている。この排気チューブ８６の上端部は天板４２に設置された継手８８に挿入接続されている。上記継手８５，８８は、耐腐蝕製樹脂からなる吸引管８９を介して吸引ポンプ８０に接続されている。

上記天板４２には入口側継手９１と出口側継手９２が取り付けられている。入口側継手９１は冷媒供給管９３を介して冷媒源９０（温調媒体源）に接続されている。冷媒（温調媒体）としては例えば水が用いられ、冷媒源９０は給水ポンプからなる。入口側継手９１は天板４２，３２および通路形成部材１５に形成された貫通孔９４を介して内側電極構造１０の媒体通路１７に連なっている。また、出口側継手９２には排水チューブ９５が接続されている。出口側継手９２は、天板４２，３２および通路形成部材２５に形成された貫通孔９６を介して外側電極構造２０の媒体通路２７に連なっている。さらに天板４２には、上記継手９１，９２とほぼ１８０°離れた位置において、２つの中継継手（図示しない）が取り付けられている。これら中継継手同士は中継チューブ（図示しない）により接続されている。これら中継継手は、上記継手９１，９２と同様にして、内側電極構造１０の媒体通路１７と外側電極構造２０の媒体通路２７にそれぞれ連なっている。

上記のように構成された常圧プラズマエッチング装置Ｍの動作を説明する。ノズルヘッド１の下方に処理対象のウェハーＷをセットする。このとき、ノズルヘッド１の中心軸線とウェハーＷの中心が一致するようにする。これによって、環状吹き出し口７１の真下に、ウェハーＷの外縁が位置されることになる。

次に、処理ガス源７０からの処理ガスを、供給管７５，継手７２，孔７３，環状スリット７４を介してガス通路５０（環状プラズマ化空間）の全周に均一に導入する。併行して、パルス電源６０からパルス電圧を所定周波数で出力する。このパルス電圧は、給電線６３，接続端子６２および通路形成部材１５を介して電極１１に印加される。これにより、電極１１，２１間のガス通路５０にパルス電界が形成され、この電界によってガス通路１０ａを通る処理ガスをプラズマ化することができる。このプラズマ化された処理ガスが、環状吹き出し口７１の全周から吹出され、ウェハーＷの外縁の全周に吹き付けられる。これによって、ウェハーＷの膜Ｗａの外縁部Ｗａ’を全周にわたって一度にエッチングすることができる。

上記処理ガスの吹き出しと同時に吸引ポンプ８０を駆動する。これによって上記吹き出し流を囲むようにしてその直近に上向きの吸い込み流が形成され、処理ガスやエッチングにより生じた副生成物が、ウエハーＷに沿って外縁部Ｗａ’より内側に流れるのを防止でき、処理対象外の膜Ｗａを保護することができる。エッチング後の処理ガスや副生成物は、吸い込み口８１に吸い込まれ、排気通路８２，排気チューブ８３，８６，吸引チューブ８９を経て排気される。

また、冷媒源９０の冷媒を供給管９３，入口側継手９１，貫通孔９４を経て内側電極構造１０の媒体通路１７に送り込む。この冷媒は２手に分かれて媒体通路１７内を流れ、ほぼ１８０°離れた中継継手および中継チューブを経て外側電極構造２０の媒体通路２７に流れ込み、さらに２手に分かれて媒体通路２７を流れ、最後に貫通孔９６，出口側継手９２を経、排水チューブ９５から排出される。上記のように、媒体通路１７，２７内を流れる過程で、放電により発熱した電極１１，２１を冷却し、所定の温度範囲になるように調節する。電極１７、２７に冷媒が直接接しながら流れるので、効率良く冷却を行なうことができる。

図４は本発明の他の実施形態を示す。図において上記実施形態に対応する構成部には同番号を付してその詳細な説明を省略する。この実施形態では、通路形成部材１５，２５の周面１５ａ，２５ａは、等しい径の円筒面からなる第１周面部１５ｙ，２５ｙと第２周面部１５ｚ，２５ｚとを有しており、これら第１，第２の周面部にＯリングからなる第１シール部材１８，２８と第２シール部材１９，２９がそれぞれ装着されており、ともに円筒面をなす電極１１，２１の周面１２ａ，２２ａに接している。この構成では、シール構造が簡単で電極１１，２１および通路形成部材１５、２５の構造も簡単にすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、温調媒体は、電極を冷却するものに限らず、電極を所定温度に維持するために加温するものであってもよい。加温する場合には常温水や冷水に代えて温水を用いてもよい。
第１，第２のシール部材は、それぞれ複数のＯリングにより構成してもよい。
電極を上記実施形態の通路形成部材に似た断面形状にし、通路形成部材を上記実施形態の電極に似た断面形状にしてもよい。
電極構造は直線的に延びるものであってもよい。
さらに本発明は、エッチングに限られず、洗浄や成膜などの他のプラズマ表面処理にも適用できる。また、常圧下に限らず、減圧下でのプラズマ表面処理にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る常圧プラズマエッチング装置のノズルヘッドの縦断面図である。上記環状ノズルを図１とは異なる位置で縦断面にした図である。同ノズルヘッドに組み込まれた内側と外側の電極構造を示す拡大縦断面図である。本発明の他の実施形態を示す電極構造の拡大縦断面図である。

符号の説明

１０内側の電極構造
２０外側の電極構造
１１，２１電極
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ電極の周面
１５，２５通路形成部材
１５ａ，２５ａ通路形成部材の周面
１５ｘ，２５ｘ環状溝
１５ｙ，２５ｙ第１周面部
１５ｚ，２５ｚ第２周面部
１７，２７媒体通路
１８，２８Ｏリング（第１シール部材）
１９，２９Ｏリング（第２シール部材）
５０ガス通路

Claims

電極と、この電極に隣接して配置された通路形成部材とを有し、これら電極と通路形成部材の対向する面により温調媒体を流すための媒体通路が画成され、これら対向面間には、上記媒体通路を挟むようにして媒体通路に沿う第１，第２のシール部材が介在され、
上記電極，通路形成部材および第１，第２シール部材が環状をなし、上記電極および通路形成部材の周面が上記対向面の少なくとも一部として提供され、これら周面間に、上記媒体通路が形成されるとともに上記第１シール部材が介在され、
上記電極と通路形成部材のうち一方の部材は径方向に突出する環状の鍔部を有し、この鍔部の平坦面が電極の周面と直交する他の対向面として提供され、他方の部材は上記周面と直交する平坦面を有し、この平坦面が他の対向面として提供され、上記第２シール部材は、これら電極と通路形成部材の平坦面間に介在されていることを特徴とするプラズマ化用の電極構造。
上記一方の部材の周面は連続した円筒面をなし、他方の部材の周面はその中間部に上記媒体通路となる環状溝を有するとともにこの環状溝を挟んで配置された第１周面部および第２周面部を有し、この第１周面部には上記一方の部材の周面が隙間を介して対向するとともに、上記第１シール部材が装着され、上記平坦面と交わる上記第２周面部は上記一方の部材の周面と隙間なく対向していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ化用の電極構造。
請求項１又は２の電極構造が径方向の内側と外側に同心をなして配置され、内側の電極構造においては電極の内周面と通路形成部材の外周面とが対向し、外側の電極構造においては電極の外周面と通路形成部材の内周面とが対向し、内側電極構造の電極の外周面と外側電極構造の電極の内周面との隙間がガス通路として提供され、これら電極間に印加される電界により、上記ガス通路を流れる処理ガスをプラズマ化することを特徴とするプラズマ処理装置。