JP3999774B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は，プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置にかかり，特に圧力制御に関する。

従来より，半導体ウェハやＬＣＤ用基板などの被処理体に対してエッチング処理などのプラズマ処理をするにあたり，図４に示すように，気密な処理容器１０内に設けられた処理室１２内に，上部電極１４と下部電極１６を対向配置し，少なくとも上部電極１４と下部電極１６のいずれか一方に高周波電源１８から整合器２０を介して，所定の高周波電力を印加し，処理ガスをプラズマ化するプラズマ処理方法が提案されている。

かかるプラズマ処理方法では，上部電極１４の下面（すなわち，被処理体に対する対向面。）に複数の処理ガス供給孔２２を設け，そのガス供給孔２２から処理室１２内に均一に供給される処理ガスを，高周波電力によりプラズマ化して被処理体Ｗに対して処理を施すとともに，その排ガスを下部電極１６の周辺に設けられたバッフル板２４の排気孔２４ａを介して，処理室１２の下方に連通する１つの真空排気系２６により真空排気している。

近年，被処理体の大型化や薄型化が進み，さらに一層の超微細加工が求められるに至り，処理室内で発生したプラズマをより均一に，かつより効率的に被処理体の被処理面に供給するとともに，処理後の排ガスについても，より均一にかつ効率的に処理室外に排気する必要が生じている。そこで，処理室内に供給する処理ガスの流量の調整や，ガス供給孔の径及びガス供給領域の拡大及び縮小，排気孔の数の拡大及び縮小，あるいは排ガスの排気量の調整などにより，処理室内での処理ガス，プラズマ，排ガスを含む各ガスの流れをそれぞれ別々に調整し，プロセスの最適化が図られている。

また，処理室の上部及び下部にそれぞれ排気室を設けて真空排気系を接続し，各真空排気系をそれぞれ調整することにより，上部排気室と下部排気室との間に圧力差を生じさせ，処理室内のプラズマ等のガスの流れを最適な状態に維持あるいは調整することも試みられている。

しかしながら，各プロセスごとに処理装置の最適設計を行い，ガス供給孔の径やガス供給領域を拡大あるいは縮小したり，排気孔の数を調整し，処理室内でのガス流れを最適に調整することは，非常に煩雑であり，イニシャルコストを引き上げる原因であり，実際上は採用が困難である。

また，処理室の上部及び下部に排気室を設けて，それらの圧力差により処理室内のプラズマ等のガスの流れを調整する場合には，流量調節手段や真空引き手段などの制御プロセスが複雑になり，所望の状態に正確に調整することが非常に困難であった。

本発明は，従来のプラズマ処理方法が有する，上記のような問題点に鑑みて成されたものであり，排ガスの排気量の調整を圧力調整弁のみで行うことで，制御プロセスが容易になり，且つ処理室内に最適なガス流を生成することにより，被処理体に対して均一かつ効率的にプラズマを導いて所望のプラズマ処理を施すことが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は，処理室内に対向配置された上部電極と下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し，下部電極上に載置された被処理体に対して処理を施すプラズマ処理方法であって，処理室の上部には上記処理室に連通するとともに少なくとも１の上部真空排気系を有する上部排気室が設けられ，処理室の下部には処理室に連通するとともに少なくとも１の下部真空排気系を有する下部排気室が設けられており，処理室の上部に配置される上部排気室を介して処理室内を排気する少なくとも１つの上部真空排気系の排気量と，処理室の下部に配置される下部排気室を介して処理室内を排気する少なくとも１つの下部真空排気系の排気量との差を所定の範囲内に維持することを特徴としている。

また，請求項２に記載の発明は，上部真空排気系及び下部真空排気系にそれぞれ上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁を介装し，上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁の開度を調節することにより，上部及び下部真空排気系の排気量の差を所定の範囲内に維持することを特徴としている。また，請求項６に記載の発明は，処理室内に対向配置された上部電極と下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し，下部電極上に載置された被処理体に対して処理を施すプラズマ処理装置であって，処理室の上部に配置される上部排気室と，その上部排気室を介して処理室内を排気する上部真空排気系と，処理室の下部に配置される下部排気室と，下部排気室を介して処理室内を排気する下部真空排気系と，上部真空排気系の排気量と，下部真空排気系の排気量との差を所定の範囲内に維持する制御器と，を備えたことを特徴としている。また，請求項７に記載の発明は，処理室と上部排気室とを連通する多数の上部排気孔が穿設された上部バッフル板と，処理室と下部排気室とを連通する多数の下部排気孔が穿設された下部バッフル板と，をさらに備えたことを特徴としている。

かかる構成によれば，上部排気室と上部真空排気系及び下部排気室と下部真空排気系との間にそれぞれ備えられた上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁の開度を調節することにより，上部排気室と下部排気室との間に所定の圧力差を生じさせ，この圧力差により処理室内においてプラズマを所望の状態で被処理体に導入することができる。従って，プラズマ処理装置自体，例えばガス供給孔の径，ガス供給領域及び排気孔の径の拡大・縮小などの変更を伴うことなく，容易な制御プロセスで敏速に処理室内のプラズマ流を最適な状態にすることができる。従って，被処理体に対して，高選択比及び高エッチングレートで，均一なプラズマ処理を施すことができる。

さらに，請求項３あるいは請求項９に記載の発明は，上部圧力調整弁と下部圧力調整弁との開度差を一定に維持することを特徴としている。従って，あらかじめ設定した所定の圧力差に変化が生じた場合でも，処理ガスの流量調節器や真空引き手段などの操作を伴うことなく，上部圧力調整弁及び／または下部圧力調整弁の開度差を調整するだけで，敏速に所定の圧力差に修正ことができる。

さらにまた，請求項４あるいは請求項１０に記載の発明は，処理室，上部排気室，及び下部排気室の少なくとも１つの室内に圧力を検出する圧力検出器を備え，その圧力検出器により検出された圧力に応じて，上部及び真空排気系の排気量の差を所定の範囲内に維持することを特徴としている。従って，プラズマ処理中において，処理室内の圧力があらかじめ設定した値から外れた場合であっても，排気量の差を所定値に調整することにより，簡単な制御系により，処理室内の圧力を所定値に迅速に制御することができる。

以上説明したように，本発明によれば，上部排気室と上部真空排気系及び下部排気室と下部真空排気系にそれぞれ備えられた上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁の少なくとも一方の開度を調節することにより，上部排気室と下部排気室との間に所定の圧力差を生じさせ，この圧力差により処理室内に最適なガス流を形成することができる。また，処理室，上部排気室，及び下部排気室の少なくとも１つの室内の圧力を検出し，その圧力が最適値になるように，上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁の開度を調整すれば，処理室内に最適なガス流を形成することができるので，外乱の少ない応答性の迅速な制御系を提供することができる。従って，被処理体に対して，高選択比及び高エッチングレートで，均一なプラズマ処理を施すことができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理方法を，平行平板型プラズマエッチング装置に適用した，実施の一形態について詳細に説明する。なお，以下の説明において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略することにする。

図１に示したプラズマエッチング装置１００は，処理室ＰＣを中心に，その上部に上部排気室ＵＣ，その下部に下部排気室ＤＣを備えている。処理室ＰＣを形成する処理容器ＰＣａは，例えばアルミニウムなどの導電性材料を略円筒形状に一体成形して成り，その内壁面はアルマイト処理が施されている。

処理室ＰＣの天井部１０２は，上部電極を成すとともに，処理ガスの供給部を成すもので，その略中央部表面（被処理体Ｗの対向面。）には，多数のガス供給孔１０４が穿設されている。このガス供給孔１０４は，上部排気室ＵＣの略中央を貫通するガス供給管１０
６と連通し，ガス供給源１０８からマスフローコントローラＭＦＣ１１０により流量調節された所定の処理ガスを，処理室ＰＣ内に均一に吹き出すことができる。処理ガスとしては，被処理体Ｗに応じて各種ガスを使用することが可能であり，例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）のエッチングを行う場合は，ＣＦ系のガス，例えばＣＦ4 やＣＨＦ3 などのエッチングガスを使用することができる。

さらに天井部１０２の外周部には，処理室ＰＣと上部排気室ＵＣとを連通する多数の上部排気孔１１２ａが穿設された上部バッフル板１１２が設けられている。上部バッフル板１１２は，上部排気室ＵＣへのプラズマの回り込みを防止するとともに，排ガス等の流れを調節している。

また，処理室ＰＣの底部中央には，下部電極となるサセプタ１１４が設けられており，このサセプタ１１４上に，例えば半導体ウェハやＬＣＤ用基板などの被処理体Ｗを載置することが可能なように構成されている。サセプタ１１４は，セラミックなどの絶縁性材料から成る絶縁板１１６を介して，後述する下部排気室ＤＣの中央部を貫通する昇降軸１１８によって支持されており，この昇降軸１１８は不図示の外部モータにより，上下動自在となっている。

従って，被処理体Ｗを処理室ＰＣに搬入及び搬出する際には，サセプタ１１４は下部排気室ＤＣの側壁に設けられたゲートバルブ１２０の位置まで下降し，処理時には，後述する下部バッフル板１２２の上面と，略同一面を成す処理位置まで上昇する。

なお，処理室ＰＣ及び下部排気室ＤＣの気密性を確保するため，サセプタ１１４と下部排気室ＤＣの底部との間には，昇降軸１１８の外方を囲むように伸縮自在な気密部材，例えばベローズ１２４が設けられている。

また，昇降軸１１８の内部には，サセプタ１１４に連通する給電経路が設けられており，処理時には，高周波電源１２６から整合器１２８及び給電棒１３０を介して高周波電力，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をサセプタ１１４に印加し，処理室ＰＣ内に導入された処理ガスをプラズマ化し，被処理体Ｗに対して所定のプラズマ処理を施すことができる。

サセプタ１１４は，表面がアルマイト処理されたアルミニウムから成り，その内部には，不図示の温度調節手段，例えばセラミックヒータなどの加熱手段や，不図示の外部冷媒源との間で冷媒を循環させるための不図示の冷媒循環路が設けられており，サセプタ１１４上に載置される被処理体Ｗを所定の温度に維持することが可能なように構成されている。また，かかる温度は，不図示の温度センサや温度調節機構によって，自動的に制御される構成となっている。さらに，サセプタ１１４上の載置面には，被処理体Ｗを固定するための不図示の静電チャックや機械的クランプが設けられている。

さらに，サセプタ１１４の周囲には，処理室ＰＣと下部排気室ＤＣとを連通する，多数の下部排気孔１２２ａが穿設された下部バッフル板１２２が設けられている。この下部排気孔１２２ａ及び下部バッフル板１２２は，上部排気孔１１２及び１１２ａと同様に，下部排気室ＤＣへのプラズマの回り込みを防止するとともに，排ガス等の流れを調節している。

次に，上部排気室ＵＣの構成について説明すると，この上部排気室ＵＣは，処理室ＰＣと同様に略円筒形状をしており，導電性素材，例えばアルミニウムから成り，その内壁面にはアルマイト処理が施されている。

そして，上部排気室ＵＣには，本実施の形態にかかる制御方法を実施するための上部圧力調整弁１３４が接続されている。さらに，この上部圧力調整弁１３４には，例えばターボ分子ポンプなどから成る上部真空排気系１３６が接続されており，上部排気孔１１２ａを介して処理室ＰＣ内を排気することができる。なお，上部圧力調整弁１３４の駆動タイミング及び開量の調整は，後述するように，上部排気室ＵＣ内に設けられている上部圧力検出器１３８及び下部排気室ＤＣ内に設けられている下部圧力検出器１４０からの信号を受けた制御器１４２により制御される。

一方，下部排気室ＤＣは，上部排気室ＵＣと同様に，導電性材料，例えばアルミニウムから成り，その内壁面はアルマイト処理が施されている。また，下部排気室ＤＣの上部形状は，処理室ＰＣと同様に略円筒形となっている。

そして，下部排気室ＤＣには，本実施の形態にかかる制御方法を行うための下部圧力調整弁１４６が接続されている。さらに，この下部圧力調整弁１４６には，例えばターボ分子ポンプから成る下部真空排気系１４８が接続されており，下部排気孔１２２ａを介して処理室ＰＣ内を排気することができる。なお，下部圧力調整弁１４６の駆動タイミング及び開量の調整は，後述するように，下部排気室ＤＣ内に設けられている下部圧力検出器１４０及び上部排気室ＵＣ内に設けられている上部圧力検出器１３８からの信号を受けた制御器１４２により制御される。

ここで，本実施の形態にかかる上部圧力調整弁１３４及び下部圧力調整弁１４６の開度の調整方法，すなわち上部排気室ＵＣと下部排気室ＤＣとの圧力差の調整方法を，図２に示したフローチャート（ステップＳ２００〜２８０）を用いて説明する。

まず，被処理体Ｗを処理室ＰＣ内のサセプタ１１４上に載置する（ステップＳ２００）。次に，シミュレーションやダミーウェハなどを用いた実験により求めた処理室ＰＣ内に所望のガス流を形成させるための最適な上部排気室ＵＣ内と下部排気室ＤＣ内との排気量の差を生じさせるための上部圧力調整弁１３４と下部圧力調整弁１４６との開度と圧力を制御器１４２に設定する（ステップＳ２１０）。

そして，制御器１４２からの電気信号により，上部圧力調整弁１３４及び下部圧力調整弁１４６が所定の開量に調整されると，あらかじめ作動している上部真空排気系１３６及び下部真空排気系１４８の真空引きによって，処理室ＰＣ内，上部排気室ＵＣ内及び下部排気室ＤＣ内は，あらかじめ設定した所定の圧力にまで減圧され，その後処理が開始される（ステップＳ２２０）。

ところで，上部排気室ＵＣ内及び下部排気室ＤＣ内には，前述したように，それぞれ上部圧力検出器１３８及び下部圧力検出器１４０が設けられており，上記各排気室内の圧力を測定し，その信号が制御器１４２に伝達される。従って，制御器１４２は，処理室内に最適なガス流を生じさせる圧力が上部排気室ＵＣ内および下部排気室ＤＣ内にそれぞれ達成されるように常時監視している。なお本実施の形態にかかる制御方法の最終的な制御対象は処理室内の圧力なので，処理室ＰＣ内に直接圧力検出器を設けて，この圧力が所定値になるように，上部排気系及び下部排気系の制御を行っても良い。また，本実施の形態にかかる制御方法のように，圧力検出器の設置条件が比較的厳しくない上部排気室ＵＣ及び下部排気室ＤＣにそれぞれ圧力検出器を設けて，各圧力が予め求めた最適値になるように制御を行っても良い。特に，本実施の形態によれば，上部排気系と下部排気系の排気量の差が一定になるように制御が行われるので，予め処理室ＰＣ内の圧力の最適値と上部排気室ＵＣ内の圧力と下部排気室ＤＣ内の圧力との差を関連づけておき，圧力の差が最適値になるように制御を行っても良い。

例えば，上部排気室ＵＣ内の圧力と下部排気室ＤＣ内の圧力の差の変化から，処理室ＰＣ内の圧力が上昇したと判断される場合（ステップＳ２３０）には，制御器１４２は設定されている上部圧力調整弁１３４と下部圧力調整弁１４６との開度差，すなわち排気量の差を一定に維持しながら，上部圧力調整弁１３４及び下部圧力調整弁１４６の開量を増加させて，外乱の少ない簡単な制御系により敏速に所定の圧力にまで低下させることができる（ステップＳ２４０）。

また同様に，上部排気室ＵＣ内の圧力と下部排気室ＤＣ内の圧力の差の変化から，処理室ＰＣ内の圧力が低下したと判断される場合（ステップＳ２５０）には，制御器１４２は設定されている上部圧力調整弁１３４と下部圧力調整弁１４６との開度差，すなわち圧力
差を維持しながら，上部圧力調整弁１３４及び下部圧力調整弁１４６の開量を減少させて，敏速に所定の圧力にまで上昇させることができる（ステップＳ２６０）。

もちろん，上部排気室ＵＣ内の圧力と下部排気室ＤＣ内の圧力の差が所定値内にあり，したがって，処理室ＰＣ内の圧力も設定値内にあると判断される場合には，そのまま処理が継続される（ステップＳ２７０）。このようにして，処理室ＰＣ内に所望のガス流を形成し，したがって均一なプラズマを生成し，そのプラズマ流により被処理体Ｗに対して所定の処理が施された後に，処理が終了する（ステップＳ２８０）。

ここで，本実施の形態かかる，処理室ＰＣ内でのガス流の制御，したがって，プラズマ流の制御の一例について，図３を参照しながら説明する。例えば，上部圧力調整弁１３４を所定の開量に設定し，下部圧力調整弁１４６の開量を上部圧力調整弁１３４の開量よりも増加させた場合，または下部圧力調整弁１４６を所定の開量に設定し，上部圧力調整弁１３４の開量を下部圧力調整弁１４６よりも減少させた場合について説明する。この場合，処理室ＰＣ内のプラズマ流は，図３（ａ）に示したように，下部排気室ＤＣ方向に流れる割合が，上部排気室ＵＣ方向に流れる割合よりも大きくなる。

また，上部圧力調整弁１３４を所定の開量に設定したままで，下部圧力調整弁１４６の開量を上部圧力調整弁１３４の開量よりも減少させる，または下部圧力調整弁１４６を所定の開量に設定したままで，上部圧力調整弁１３４の開量を下部圧力調整弁１４６よりも増加させる。その結果，ガス流（プラズマ流）は，図３（ｂ）に示したように，上部排気室ＵＣ方向に流れる割合が増加する。

従って，本実施の形態にかかるプラズマエッチング装置においては，被処理体Ｗに対して均一なプラズマ処理を施すため，あらかじめ試験的にあるいはシミュレーションにより上部圧力調整弁１３４及び下部圧力調整弁１４６の最適な開量を求めておき，その値を制御器１４２に設定するだけで，外乱の少ない簡単な制御系により，処理室内のガス流を最適に制御することができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例を想定し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

上記実施の形態において，上部排気室及び下部排気室にそれぞれ１つの真空排気系を接続した構成を示したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，１つの真空排気系を上部排気室及び下部排気室に接続する構成としてもよく，あるいは上部排気室及び下部排気室に複数の真空排気系を接続した構成としてもよい。

上記実施の形態において，上部排気室内及び下部排気室内にそれぞれ圧力検出器を設けた構成を示したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，さらに処理室内にも圧力検出器を設けた構成としてもよく，あるいは上部排気室内，処理室内及び下部排気室内のいずれか１ヶ所に圧力検出器を設けた構成としてもよい。そして，上部排気室内，処理室内及び下部排気室内のいずれか２ヶ所に圧力検出器を設けた構成としてもよい。要するに，本発明によれば，処理室内のガス流の最適化を図ることなので，処理室内のガス流と圧力検出器との検出値との関連づけができていれば，圧力検出器を処理装置のいかなる場所に設置してもかまわない。

上記実施の形態において，プラズマエッチング装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，プラズマにより被処理体に対して処理を行う各種プロセス，例えばアッシング，スパッタリング，ＣＶＤ処理などを行う装置に対しても適用することが可能である。そして，被処理体としては半導体ウェハに限らず，ＬＣＤ用ガラス基板の加工にも当然に適用することが可能である。

本発明を適用可能なプラズマエッチング装置の実施の一形態を示す概略的な断面図である。 図１に示したプラズマエッチング装置における圧力制御方法を表したフローチャートである。 図１に示したプラズマエッチング装置におけるプラズマ流の調整を説明するための概略的な断面図である。 従来のプラズマ処理装置を示した概略的な断面図である。

符号の説明

１０２ 天井部（上部電極）
１０４ ガス給気孔
１１２ 上部バッフル板
１１４ サセプタ
１２２ 下部バッフル板
１３４ 上部圧力調整弁
１３６ 上部真空排気系
１３８ 上部圧力検出器
１４０ 下部圧力検出器
１４２ 制御器
１４６ 下部圧力調整弁
１４８ 下部真空排気系
ＵＣ 上部排気室
ＰＣ 処理室
ＤＣ 下部排気室
Ｓ ステップ
Ｗ 被処理体

Claims (6)

1. 処理室内に対向配置された上部電極と下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し，前記下部電極上に載置された被処理体に対して処理を施すプラズマ処理方法であって，
   前記処理室の上部には前記処理室に連通するとともに少なくとも１の上部真空排気系を有する上部排気室が設けられ，
   前記処理室の下部には前記処理室に連通するとともに少なくとも１の下部真空排気系を有する下部排気室が設けられており，
   前記処理室の上部に配置される上部排気室を介して前記処理室内を排気する上部真空排気系の排気量と，前記処理室の下部に配置される下部排気室を介して前記処理室内を排気する下部真空排気系の排気量との差を、前記上部真空排気系に介装された上部圧力調整弁と前記下部真空排気系に介装された下部圧力調整弁との開度差を一定に保つことにより所定の範囲内に維持することを特徴とする，プラズマ処理方法。
2. 前記処理室，前記上部排気室，および前記下部排気室の少なくとも１つの室内に圧力を検出する圧力検出器を備え，その圧力検出器により検出された圧力に応じて，前記上部真空排気系及び下部真空排気系の排気量の差を所定の範囲内に維持することを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 前記処理室の上部には前記処理室と前記上部排気室とを連通する１又は２以上の排気孔を有する上部バッフル板がさらに設けられ，
   前記処理室の下部には前記処理室と前記下部排気室とを連通する１又は２以上の排気孔を有する下部バッフル板が設けられることを特徴とする，請求項１または２のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
4. 処理室内に対向配置された上部電極と下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し，前記下部電極上に載置された被処理体に対して処理を施すプラズマ処理装置であって，
   前記処理室の上部に配置される上部排気室と；
   前記上部排気室を介して前記処理室内を排気する上部真空排気系と；
   前記処理室の下部に配置される下部排気室と；
   前記下部排気室を介して前記処理室内を排気する下部真空排気系と；
   前記上部真空排気系の排気量と，前記下部真空排気系の排気量との差を所定の範囲内に維持する制御器とを備え、
   前記上部真空排気系及び前記下部真空排気系には各々上部圧力調整弁及び下部圧力調整弁が介装されており，前記上部圧力調整弁と前記下部圧力調整弁との開度差を一定に保つことにより，前記上部真空排気系及び前記下部真空排気系の排気量の差を所定の範囲内に維持することを特徴とする，プラズマ処理装置。
5. 前記プラズマ処理装置は，前記処理室と前記上部排気室とを連通する１又は２以上の上部排気孔が穿設された上部バッフル板と；
   前記処理室と前記下部排気室とを連通する１又は２以上の下部排気孔が穿設された下部バッフル板とをさらに備えることを特徴とする，請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記処理室，前記上部排気室，および前記下部排気室の少なくとも１つの室内に圧力を検出する圧力検出器を備え，
   前記制御器は，その圧力検出器により検出された圧力に応じて，前記上部真空排気系及び下部真空排気系の排気量の差を所定の範囲内に維持することを特徴とする，請求項４または５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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