JP4120561B2

JP4120561B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4120561B2
Application number: JP2003367071A
Authority: JP
Inventors: 智洋奥村; 幸弘前川; 出松田; 隆行甲斐
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2004146838A

Description

この発明は、半導体等の電子デバイスやマイクロマシンの製造に利用されるプラズマ処理方法及び装置に関するものである。

以下、従来のプラズマ処理方法の一例として、パッチアンテナ方式プラズマ源を用いたプラズマ処理について、図６を参照して説明する。図６において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により１００ＭＨｚの高周波電力を真空容器１内に突出して設けられたアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してプラズマ処理を行うことができる。

また、基板電極６に高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面１’とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を介してそれぞれアンテナ５とアンテナ用高周波電源４、アンテナ５と真空容器１’とを接続している。また、アンテナ５の表面は、カバー１２により覆われている。

また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるプラズマトラップ１５が設けられている。

ターボ分子ポンプ３及び排気口１６は、基板電極６の直下に配置されており、また、真空容器１を所定の圧力に制御するための調圧弁１７は、基板電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。

また、インナチャンバ１８によって真空容器１の内壁面が覆われており、プラズマ処理によって真空容器１が汚れるのを防止している。所定数の基板７を処理した後、汚れたインナチャンバ１８をローテーションパーツと交換することで、速やかにメンテナンス作業を実施することができるように考慮されている。
特開平１０−１２５９７号公報特開平７−２９８９４号公報特開２０００−９１３１５号公報特開２０００−１９５８４３号公報特開平４−２２５２２６号公報

しかしながら、従来例で述べたプラズマ処理においては、処理条件によっては基板電極６よりも下流（図６のハッチング部分）にまでプラズマが拡がるという問題点がある。

下流にまで拡がったプラズマは、基板７を処理するのに全く不要であるため、処理チャンバとしての真空容器１に投入されたパワーに対する処理効率の悪化を招く。また、処理による真空容器１の汚れも下流まで拡がり、メンテナンス作業の増大をもたらす。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、基板電極よりも下流の領域へのプラズマの拡がりが起きにくく、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離された状態で基板を処理することを特徴とする。

また、本願の第２発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離されていることを特徴とする。

このとき、真空容器とアンテナとの間に誘電板を有し、前記アンテナ及び前記誘電板が真空容器内に突出した構造をなし、かつ、この誘電板の中心付近に設けられた貫通穴を介してアンテナに高周波電圧を給電し、誘電板の中心とも周辺とも異なる一部位に設けられ、かつ、アンテナの中心に対してほぼ等配置されている貫通穴を介して、真空容器とアンテナとをショートピンによって短絡すると好適である。

以上の説明から明らかなように、本願の第１発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離された状態で基板を処理するため、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理方法を実現できる。

また、本願の第２発明のプラズマ処理装置によれば、真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離された状態で基板を処理するため、基板電極よりも下流の領域へのプラズマの拡がりが起きにくく、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理装置を実現できる。

図１に、本発明の実施形態において用いたプラズマ処理装置の断面図を示す。

図１において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により１００ＭＨｚの高周波電力を真空容器１内に突出して設けられたアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してプラズマ処理を行うことができる。

また、基板電極６に高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面１’とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を介してそれぞれアンテナ５とアンテナ用高周波電源４、アンテナ５と真空容器１’とを接続している。

また、アンテナ５の表面は、カバー１２により覆われている。また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるプラズマトラップ１５が設けられている。

ターボ分子ポンプ３及び排気口１６は、基板電極６の直下に配置されており、また、真空容器１を所定の圧力に制御するための調圧弁１７は、基板電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。また、インナチャンバ１８によって真空容器１の内壁面が覆われており、プラズマ処理によって真空容器１が汚れるのを防止している。所定数の基板７を処理した後、汚れたインナチャンバ１８をローテーションパーツと交換することで、速やかにメンテナンス作業を実施することができるよう、考慮されている。基板電極６は、４本の支柱１９により、真空容器１に固定されている。

真空容器１は接地され、かつ、電波吸収体２３によって真空容器１が基板７のある側と基板７の無い側（図１のハッチング部分）に分離されている。電波吸収体２３として、フェライトなどの渦電流損失を用いるものを利用することができる。

また、図２のプラズマ処理装置の平面図に示すように、電波吸収体２３に設けられた穴のピッチは１２ｍｍである。なお、簡単のため、図２では穴の大きさを大きめに描いており、実際には穴の数はもっと多い。典型的には、基板電極６の直径は２２０ｍｍ、インナチャンバ１８の内径は４５０ｍｍであり、電波吸収体２３に設けられた穴は半径方向に（４５０−２２０）／（２×１２）≒９個設けられている。

また、インナチャンバ１８の開口部２１（真空容器１内へのウエハの出し入れを行うためのゲートや、プラズマ発光を観察するためのビューイングポートなど）から、２つの領域に分離された真空容器１の基板７の無い側に電磁波が漏れないよう、インナチャンバ１８の開口部２１より下流側の接地点２２（図１）にて接地している。

ここでアンテナ５の平面図を図３に示す。

図３において、ショートピン１０は３ヶ所に設けられており、それぞれのショートピン１０がアンテナ５の中心に対して等配置されている。

図１乃至図２に示すプラズマ処理装置において、白金膜付き基板をエッチングした。エッチング条件は、アルゴン／塩素＝２６０／２０ｓｃｃｍ、圧力＝０．３Ｐａ、アンテナ電力＝１５００Ｗ、基板電極電力＝４００Ｗである。このような条件でエッチング処理したところ、基板電極６よりも下流の領域（図１のハッチング部分）へのプラズマの拡がりが起きず、良好な放電状態を得ることができた。

このように、下流での放電が抑制できた理由は、電波吸収体２３によって高周波電磁波が遮蔽（電磁波が吸収・減衰）され、下流へ電磁波が到達しなくなったためであると考えられる。本発明の第２実施形態においては、電波吸収体２３の外周部を接地する必要が無く、設計上の自由度が増すという利点がある。

本発明の実施形態では、下流までプラズマが拡がらなくなったため、従来例に比べて処理チャンバとしての真空容器１に投入されたパワーに対する処理効率が向上し、同一のエッチング条件で比較すると、エッチレートが４％向上した（従来例：８２ｎｍ／ｍｉｎ、本発明の第２実施形態：８５ｎｍ／ｍｉｎ）。また、処理による真空容器１の汚れも下流まで拡がらず、メンテナンス作業の負担が軽減できた。

また、本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、アンテナの形状及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは言うまでもない。

また、本発明の実施形態においては、誘電板の中心付近に設けられた貫通穴を介してアンテナに高周波電圧を給電し、誘電板の中心とも周辺とも異なる一部位に設けられ、かつ、アンテナの中心に対してほぼ等配置されている貫通穴を介して、アンテナと真空容器とをショートピンによって短絡する場合について説明したが、このような構成とすることでプラズマの等方性をより高めることができる。基板が小さい場合などは、ショートピンを用いなくても、十分に高い面内均一性が得られることは、いうまでもない。

また、本発明の実施形態において、アンテナと真空容器との間に設けられた環状でかつ溝状のプラズマトラップによって、基板上のプラズマ分布が制御された状態で基板を処理する場合について説明したが、このような構成とすることでプラズマの均一性をより高めることができる。基板が小さい場合などは、プラズマトラップを用いなくても、十分に高い面内均一性が得られることは言うまでもない。

また、アンテナとして図４に示した誘導結合プラズマ源におけるコイル２４や、図５に示す表面波プラズマ源における電磁波放射アンテナ２５などを用いる場合にも、本発明は有効である。

また、本発明の実施形態において、真空容器を排気するためのターボ分子ポンプが、基板電極の直下に配置されており、かつ、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に、排気口が位置しており、真空容器を所定の圧力に制御するための調圧弁が、基板電極の直下で、かつ、ターボ分子ポンプの直上に位置する昇降弁であり、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に、調圧弁が位置している場合について説明したが、図６に示すように、ターボ分子ポンプ３が基板電極６の直下に配置されておらず、調圧弁１７が基板電極６の直下に配置されておらず、調圧弁１７が昇降弁でない場合においても、本発明は有効である。

また、真空容器内の圧力が、０．３Ｐａである場合について説明したが、真空容器内の圧力が低いほど下流でのプラズマが発生し易いので、本発明は、真空容器内の圧力が１０Ｐａ以下である場合に、有効な方法である。さらに、真空容器内の圧力が、１Ｐａ以下である場合に、特に有効な方法である。

また、アンテナに印加する高周波電力の周波数が、１００ＭＨｚである場合について説明したが、低圧力化でのプラズマ処理には、１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を用いることができ、そのすべての領域において本発明は有効である。しかし、高周波電力の周波数が高いほど、電磁波が広い範囲に拡がっていく傾向があるので、下流でのプラズマが発生しやすい。したがって、本発明は、高周波電力の周波数が高い場合、とくに、５０ＭＨｚ乃至３ＧＨｚである場合に有効な方法である。

更に、本発明の実施形態において、電波吸収体に設けられた穴のピッチが１２ｍｍである場合について説明したが、電磁波の透過を抑制するには、電磁波の波長よりも十分に小さい穴ピッチとする必要がある。パンチングメタルや導体メッシュを用いる場合と異なり、電波吸収体を用いる場合には、電磁波が穴よりも電波吸収体自体の内部に浸透していき、電波吸収体内部で減衰することから、電波吸収体に設けられた穴のピッチは、パンチングメタルや導体メッシュを用いる場合よりも大きくてよい。穴のピッチが大きいほど、排気特性上有利である。我々の実験によれば、電波吸収体に設けられた穴のピッチをｐ、アンテナに印加する高周波電力の周波数をｆ、光速をｃとしたとき、
ｐ＜０．０２×ｃ／ｆ
なる関係式を満たすとき、かなり広範な放電条件において下流でのプラズマ発生を抑制することができることがわかっている。しかし、より確実に下流でのプラズマ発生を抑制するには、電波吸収体に設けられた穴のピッチをｐ、アンテナに印加する高周波電力の周波数をｆ、光速をｃとしたとき、
ｐ＜０．００５×ｃ／ｆ
なる関係式を満たすことが望ましい。

また、本発明の実施形態において、インナチャンバによって真空容器の内壁面が覆われ、かつ、インナチャンバの開口部から、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に電磁波が漏れないよう、インナチャンバの開口部より下流側を接地した場合について説明したが、このような構造とすることにより、下流でのプラズマ発生をより効果的に防止することができる。しかし、場合によっては、このような構造としなくても下流でのプラズマ発生を防止することもできる。

本発明の実施形態で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図本発明の実施形態で用いたプラズマ処理装置の構成を示す平面図本発明の実施形態で用いたアンテナの平面図本発明を誘導結合プラズマ源方式プラズマ処理装置に適用した場合の構成を示す断面図本発明を表面波プラズマ源方式プラズマ処理装置に適用した場合の構成を示す断面図従来例で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図

符号の説明

１真空容器
２ガス供給装置
３ターボ分子ポンプ
４アンテナ用高周波電源
５アンテナ
６基板電極
７基板
８基板電極用高周波電源
９給電棒
１０ショートピン
１１誘電板
１２カバー
１３誘電体リング
１４導体リング
１５プラズマトラップ
１６排気口
１７調圧弁
１８インナチャンバ
１９支柱
２１開口部
２２接地点
２３電波吸収体

Claims

真空容器内にガスを供給しつつ排気し、真空容器内を所定に圧力に制御しながら、真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させ、基板を処理するプラズマ処理方法であって、
前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離された状態で基板を処理すること
を特徴とするプラズマ処理方法。
真空容器と、真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定に圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに周波数１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を印加する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記真空容器は接地され、かつ、多数の穴が設けられた電波吸収体によって真空容器が基板のある側と基板の無い側に分離されていること
を特徴とするプラズマ処理装置。
真空容器とアンテナとの間に誘電体を有し、前記アンテナ及び前記誘電体が真空容器内に突出した構造をなし、かつ、この誘電体の中心付近に設けられた貫通穴を介してアンテナに高周波電圧を給電し、誘電体の中心とも周辺とも異なる一部位に設けられ、かつ、アンテナの中心に対してほぼ等配置されている貫通穴を介して、真空容器とアンテナとをショートピンによって短絡したことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。