JP4052735B2

JP4052735B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4052735B2
Application number: JP19078898A
Authority: JP
Inventors: 武史吉田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2018-07-06
Also published as: JP2000021863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを使用してエッチング、アッシング、ＣＶＤ等の処理を行う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を与えた際に発生するプラズマはＬＳＩ、ＬＣＤの製造におけるエッチング、アッシング、ＣＶＤ等の処理において広く用いられている。特にプラズマを用いたドライエッチング技術は必要不可欠な基本技術となっている。
【０００３】
一般にプラズマを発生させるための励起手段としては、2.45ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合と、400 ｋＨｚ〜13.56 ＭＨｚのＲＦ（Radio Frequency)を用いる場合とがある。マイクロ波を用いた場合は、ＲＦを用いた場合よりも高密度のプラズマが得られる、プラズマ発生のために電極を必要としないためにコンタミネーションを防止することができる、等の利点がある。しかしながら比較的大面積の領域に均一な密度でプラズマを発生させることは困難であるという欠点を有するために、大径の半導体基板、又はＬＣＤ用のガラス基板の処理を行うには、この点を克服する必要がある。
【０００４】
そこで例えば本出願人が特開昭62−5600号公報にて提案している、誘電体線路を利用したプラズマ処理装置が知られている。この装置は、反応室の上壁をマイクロ波の透過が可能な耐熱性板で封止し、その上方にマイクロ波を導入するための誘電体線路を設けた構成を有し、大面積に均一にマイクロ波プラズマを発生させることが可能である。
【０００５】
図２はこのプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。図中１は、Ａｌ等の金属からなる円筒状の反応容器であり、その内部に反応室２が形成されている。反応室２の上部は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有しており、しかも誘電損失が小さい石英ガラス（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の誘電体からなる封止板４にて、気密状態に封止されている。反応室２内には、封止板４と対向する位置に、被処理物である、例えば半導体基板（ウエハ）Ｓを載置するためのステージ７が配設されている。反応容器１の側壁上部には、反応室２へ所要の反応ガスを導入するためのガス導入口５が形成されており、また反応容器１の側壁下部には図示しない排気装置に接続される排気口６が形成されている。
【０００６】
封止板４の上方には、所定間隔（エアギャップ20）を隔てて誘電体線路21が設けられており、その上面及び一側を除いた三側面は金属板22にて囲まれている。開放された一側にはマイクロ波導波管23が連結されており、その先端にはマイクロ波発振器26が取り付けられている。
【０００７】
このように構成されたプラズマ処理装置にて、被処理物、例えばウエハＳの表面にエッチング処理を施す場合、先ず排気口６から排気を行って反応室２内を所要の真空度、圧力に設定した後、ガス供給管５から反応ガスを供給する。次いでマイクロ波発振器26においてマイクロ波を発振させ、マイクロ波導波管23を介して誘電体線路21へ導入する。マイクロ波が誘電体線路21を伝搬する間に、誘電体線路21の下方に漏れ電界が形成され、この漏れ電界が、下面垂直方向に指数関数的に減衰しながら、封止板４を透過して反応室２内へ導かれる。この電界によって反応室２でプラズマが生成されると、そのエネルギによって反応ガスが励起され、イオン、ラジカル等の状態の活性ガスによりステージ７上のウエハＳの表面に、例えばエッチング等の処理が施される。
【０００８】
さらにドライエッチング技術、及び薄膜形成における埋め込み技術においては、プラズマの発生とプラズマ中のイオンのエネルギとを独立して制御することが重要であり、本出願人はこれを実現する装置を特開平５−144773号公報に開示している。この装置は、ステージに高周波を印加し、側壁を接地する構成となしてある。
【０００９】
この装置では、マイクロ波が誘電体層に平面的に伝搬されるため、誘電体層と封止板の面積を大きくした場合でも、反応容器内の広い面積に均一なプラズマを容易に発生させることができる。また反応容器内のステージに高周波を印加することにより、ステージと接地部材（側壁など）との間でプラズマを介して電気回路が形成され、試料表面にバイアス電圧を発生させることができる。従って、マイクロ波によって発生したプラズマ中のイオンのエネルギを、このバイアス電圧によって制御することができる。以上より、プラズマの発生と、プラズマ中のイオンのエネルギとを独立に制御することが可能である。
【００１０】
しかしながらこの装置を使用した場合、プラズマ処理条件によっては、ステージに載置された試料の表面に発生したバイアス電圧が不安定になることがあり、イオンのエネルギ制御が困難な場合がある。例えば酸化膜（ＳｉＯ₂膜）のエッチング時に再現性良くエッチングすることができなかったり、エッチングが進行せずに逆に薄膜が形成されたりする場合がある。
【００１１】
この対策として、本出願人はイオンのエネルギをさらに安定して制御することが可能な装置を特開平６−104098号公報にて提案している。図３は、このプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。この装置では、ステージ７に高周波電源９が接続されており、封止板４の反応室２側に電気的に接地された対向電極11がステージ７に対向させて設けられている。対向電極11はアルミニウム(Al)等の金属板からなり、マイクロ波を反応室２内へ導入するための開口部11a を有する。
【００１２】
この装置では対向電極11が設けられていることにより、これが接地電極として作用してステージ７に高周波を印加した際のプラズマポテンシャルが安定化する。また対向電極11はマイクロ波を反射させ、中央部に絞り込む機能も有する。これによりウエハＳの表面に安定したバイアス電圧を生じさせることができるので、プラズマ中のイオンのエネルギ制御が可能になり、エネルギが適当に制御されたイオンをウエハＳの表面に照射することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す如く、対向電極11を備えたプラズマ処理装置では、誘電体線路21から漏洩し、封止板４を透過した電界は、対向電極11を透過することができず、その開口部11a のみを限定的に透過する。従って反応室２では、開口部11a の下方におけるプラズマ密度が、その周囲のプラズマ密度よりも高くなり均一性が悪化するという現象が見られる。
【００１４】
これは、封止板４の内面と対向電極11の内面との段差が大きい場合、図３に示した如く、対向電極11の内周縁、即ち開口部11a で制限される領域にマイクロ波の定在波が発生するためであると考えられる。つまり、図３に示したプラズマ処理装置では、プラズマ処理中、反応室２内に生成されるプラズマの密度はカットオフ密度（7.45×10¹⁰ｃｍ^-3）より十分大きいため、マイクロ波はプラズマ中に進入し得ずにその表面を伝播する。
【００１５】
また、図３に示したプラズマ処理装置では、封止板４の内面と対向電極11の内面との段差は、次の（１）式及び（２）式で表されるプラズマの表皮厚さδ（ｃｍ）より大きい。
δ＝ｃ／ωｐ …（１）
ωｐ＝√｛（Ｎ・ｅ²）／（ε₀・ｍ_e）｝ …（２）
但し、ｃ：真空中の光速（2.997 ×10¹⁰ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｎ：プラズマ密度（ｃｍ^-3）
ｅ：電荷（1.602 ×10^-19Ｃ）
ε₀：真空誘電率（8.85×10^-12Ｆ／ｍ）
ｍ_e：電子質量（9.11×10^-31ｋｇ）
【００１６】
これらのことにより、マイクロ波の定在波は開口部11a 内に限定される。これによって、プラズマの生成が開口部11a の下方で顕著となり、この領域のプラズマ密度が高くなるので、プラズマ密度の均一性が悪化すると考えられる。
【００１７】
このようなプラズマ密度の均一性の悪化は、ウエハＳの面積が対向電極11の開口部11a の面積より小さい又は同等である場合はあまり問題ではないが、開口部11a より大きい面積のウエハＳを処理する場合は、処理の不均一となって現れる。
【００１８】
そこで対向電極11の開口部11a を大きくすることが考えられるが、そうすると対向電極11の表面積が小さくなり、対向電極11としての機能が充分に得られないことがある。また電界の直進性を得てプラズマポテンシャルを安定化させるためにも対向電極11がステージ７に対して対向する部分が大きいことが望ましい。
さらに開口部11a を大きくし、且つ対向電極11の外径も大きくして表面積を大きくすると、反応室２の内径を大きくする必要があり、装置が大型化するという不都合が生じる。
【００１９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、対向電極と封止板とを略面一とすることにより、装置を大型化することなく、大面積の均一処理が可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波を通過させるための開口部を有する対向電極が、容器内に配置される被処理物を載置するステージと対向するように、前記容器の一部を封止する封止部材の内面側に接設されており、前記封止部材及び対向電極の開口部を介してマイクロ波を容器内に導入し前記被処理物に対してプラズマ処理を行う装置において、前記封止部材に前記開口部に嵌合する嵌合部が設けてあり、該嵌合部の下面と前記対向電極の下面とは略面一になしてあり、前記嵌合部の下面と前記対向電極の下面との段差は、プラズマの表皮厚さよりも小さいことを特徴とする。
【００２１】
これにより、対向電極の開口部に制限されることなく、反応室の内面を固定端とする定在波を形成することが可能となり、反応室全域においてプラズマ密度を均一化することができる。従って対向電極の開口部よりも大きい面積を有する被処理物に対しても均一な処理を行うことができる。このとき対向電極の大きさを変える必要がないので、装置を大型化する必要がない。
【００２２】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記嵌合部の下面と前記対向電極の下面との段差は、略２．４ｍｍ以下になしてあることを特徴とする。
【００２３】
嵌合部の下面と対向電極の下面との段差をプラズマの表皮厚さより小さくすることによって、対向電極の開口部に制限されることなく、反応室の内面を固定端とする定在波を形成することが可能となる。プラズマ処理する場合、反応室内のプラズマ密度は略7.45×10¹⁰ｃｍ^-3以上略５×10¹²ｃｍ^-3以下の範囲であり、（１）式及び（２）式から、プラズマの表皮厚さδの最大値は略２．４ｍｍである。本発明にあっては、前記段差の寸法を略２．４ｍｍ以下になしてあるため、対向電極の開口部に制限されることなく、反応室全域においてプラズマ密度を均一化することができる。
【００２４】
【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は本発明に係るプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。図中１は、Ａｌ等の金属からなる円筒状の反応容器であり、その内部に反応室２が形成されている。反応室２の上部は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有しており、しかも誘電損失が小さい石英ガラス（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の誘電体からなる封止板12にて、気密状態に封止されている。
【００２５】
反応室２内には、封止板12と対向する位置に、被処理物、例えば半導体基板（ウエハ）Ｓを載置するためのステージ７が配設されている。ステージ７には高周波電源９が接続されており、封止板12の反応室２側には、電気的に接地された対向電極11がステージ７に対向させて設けられている。対向電極11はアルミニウム(Al)等の金属板からなり、マイクロ波を反応室２内へ導入するための開口部11a を有する。
【００２６】
封止板12は、対向電極11の開口部11a に嵌合する凸部（嵌合部）を有しており、凸部の下面と対向電極11の下面とは略面一になしてあり、開口部11a と封止板12との間に隙間はほとんどない。
【００２７】
反応容器１の側壁上部には、反応室２へ所要の反応ガスを導入するためのガス導入口５が形成されており、また反応容器１の側壁下部には図示しない排気装置に接続される排気口６が形成されている。
封止板12の上方には、所定間隔（エアギャップ20）を隔てて誘電体線路21が設けられており、その上面及び一側を除いた三側面は金属板22にて囲まれている。開放された一側にはマイクロ波導波管23が連結されている。マイクロ波導波管23の中途にはマッチング回路（図示せず）が取り付けられており、また先端には発振周波数が2.45ＧＨｚであるマイクロ波発振器26が取り付けられている。
【００２８】
このように構成されたプラズマ処理装置にて、被処理物、例えばウエハＳの表面にエッチング処理を施す場合、先ず排気口６から排気を行って反応室２内を所要の真空度、圧力に設定した後、ガス供給管５から反応ガスを供給する。次いでマイクロ波発振器26においてマイクロ波を発振させ、マッチング回路（図示せず）及びマイクロ波導波管23を介して2.45ＧＨｚのマイクロ波を誘電体線路21へ導入する。このマイクロ波によって反応室２でプラズマが生成されると、そのエネルギによって反応ガスが励起され、イオン、ラジカル等の状態に活性化された活性ガスによりステージ７上のウエハＳの表面に、例えばエッチング等の処理が施される。
【００２９】
本発明装置においては、封止板12の凸部の下面と対向電極11の下面とが略面一になしてあるので、マイクロ波は、図１に示す如く、プラズマの表皮に沿って封止板12から対向電極11の下面周縁部まで伝搬され、反応室２の側壁を固定端とする定在波が発生して、反応室２の全面に均一なプラズマを発生させることができる。
【００３０】
ここで、対向電極11の下面と封止板12の凸部の下面との段差を、プラズマの表皮厚さδより小さくしておく。反応室２にはプラズマを、略7.45×10¹⁰ｃｍ^-3以上略５×10¹²ｃｍ^-3以下の範囲のプラズマ密度になるように生成させるようになしてあり、（１）式及び（２）式から、この範囲のプラズマ密度におけるプラズマの表皮厚さδの最大値は略２．４ｍｍである。従って、前述した段差は略２．４ｍｍ以下になしておく。
【００３１】
なお、封止板12には、従来から使用されているいずれの材質（例えば石英、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、パイレックスガラス、ネオセラム等）でも使用することができ、いずれも良好な効果が得られる。
【００３２】
【実施例】
実際に以下のような条件で、ウエハ表面にＳｉＯ₂膜が形成されており、その上にフォトレジストからなるマスクが形成された８インチの（200 mm）ウエハＳと、12インチ（300 mm）のウエハＳとのエッチング処理を行った。また比較のために、図３に示した従来装置においても８インチのウエハＳと、12インチのウエハＳとのエッチング処理を行った。
【００３３】

【００３４】
８インチのウエハＳに関しては従来装置、本発明装置間で均一性に有意差は見られなかったが、12インチのウエハＳに関しては、本発明装置において処理の均一性が大幅に改善され、加工精度が向上した。
【００３５】
なお、上述の本発明装置においては、封止板12の凸部の下面と対向電極11との下面の段差はほとんど無く（0.５mm以下）、封止板12と対向電極11との隙間もほとんど無かった（１mm以下）。
また本発明装置では封止板12を部分的に厚くなしてあるが、処理に対して悪影響は認められなかった。
本実施例では大面積のウエハに対する処理を述べているが、ＬＣＤガラス基板等、他の被処理物に適用可能であることはいうまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明に係るプラズマ処理装置は、対向電極と封止板とを、反応室側において略面一に構成することにより、反応室の内面を固定端とする定在波を形成することが可能となり、反応室全域にわたるプラズマ密度を均一化することができ、装置を大型化することなく、対向電極の開口部よりも大きい面積を有する被処理物に対しても均一な処理を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。
【図２】従来のプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。
【図３】従来の他のプラズマ処理装置を示す模式的縦断面図である。
【符号の説明】
２反応室
７ステージ
11 対向電極
11a 開口部
12 封止板
Ｓウエハ

Claims

マイクロ波を通過させるための開口部を有する対向電極が、容器内に配置される被処理物を載置するステージと対向するように、前記容器の一部を封止する封止部材の内面側に接設されており、前記封止部材及び対向電極の開口部を介してマイクロ波を容器内に導入し前記被処理物に対してプラズマ処理を行う装置において、前記封止部材に前記開口部に嵌合する嵌合部が設けてあり、該嵌合部の下面と前記対向電極の下面とは略面一になしてあり、
前記嵌合部の下面と前記対向電極の下面との段差は、プラズマの表皮厚さよりも小さい
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記嵌合部の下面と前記対向電極の下面との段差は、略２．４ｍｍ以下になしてある請求項１記載のプラズマ処理装置。