JP4127488B2

JP4127488B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4127488B2
Application number: JP2002194431A
Authority: JP
Inventors: 勉東浦
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
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Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2008-07-30
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板、液晶基板等の製造プロセスには、プラズマを用いてこれらの基板に表面処理を施すプラズマ処理装置が使用されている。プラズマ処理装置としては、例えば、基板にエッチング処理を施すプラズマエッチング装置や、化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ)処理を施すプラズマＣＶＤ装置等が挙げられる。プラズマ処理装置の中でも、平行平板型のプラズマ処理装置は、処理の均一性に優れ、また、装置構成も比較的簡易であることから、広く使用されている。
【０００３】
平行平板型のプラズマ処理装置は、互いに平行に対向する２つの電極平板をチャンバの上下に備えた構成を有する。２つの電極のうち、下部電極は載置台を備え、被処理体を載置可能に構成されている。一方、上部電極は下部電極との対向面に、多数のガス穴を有する電極板を備える。上部電極は処理ガスの供給源に接続されており、処理の際には、電極板のガス穴を介して、処理ガスが上部電極側から上下電極の間の空間（プラズマ発生空間）に供給される。ガス穴から供給された処理ガスは、上部電極への高周波電力の印加によりプラズマ化され、このプラズマは、上部電極に印加される高周波電力より低周波の交流電力を印加される下部電極付近に引き込まれる。そして、引き込まれたプラズマによって、下部電極付近に位置する被処理体に所定の表面処理が施される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなプラズマ処理装置では、上部電極を支持する電極筐体が、真空容器の上に配置される。この電極筐体は、高周波電力が接地へと帰還する外導体ともなるものである。さらに、電極筐体の上には、インピーダンス整合器も配置される。電極筐体と整合器とは、それぞれ金属製の筐体として独立し、それぞれの金属筐体の主極部で開口している。この開口部には、給電棒が配置され、高周波発振装置から供給された高周波電力はこの給電棒を通って上部電極に給電される。
【０００５】
また、電極筐体の内部には、ガス供給路、冷媒の供給管と排出管とが配管される。さらに、電極筐体には、高周波電極の直流バイアスのモニタ用の低周波濾波器や、対向する電極に印加される周波数を仮想接地するためのトラップ等の高周波回路も収納される。
このように、電極筐体に複数の構造物が収納されたプラズマ処理装置では、種々の問題点がある。
【０００６】
まず、電極筐体の内部に構造物があると外導体内部の高周波電磁界が乱される。これらの構造物によって高周波電磁界が乱されると、発生するプラズマの対称性が損なわれ、真空容器内で発生するプラズマが不均一に分布してしまう。そして、プラズマが不均一に分布すると、１枚のウェハに形成される各素子の品質にばらつきが生じる。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ウェハの品質を向上させること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。
また、本発明は、発生するプラズマを均一に分布させること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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るプラズマ処理装置は、
プラズマを閉じこめるための真空容器と、プラズマを発生させる電力を前記真空容器内に印加するための電極と、前記電極にプラズマ生成用の電力を供給するための内導体と、前記内導体を囲む外導体と、を備えたプラズマ処理装置において、
前記電極と前記内導体と前記外導体との中心を通る軸を中心軸とし、前記電極を支持する電極筐体の内部に収納された管及びインピーダンス整合を行う整合器の内部に収納された整合回路の各構造物が前記中心軸を中心に対称となるように配置されたものである。
【００１４】
前記電極筐体の内部に収納された構造物は、同一形状の模擬構造物を含むものであってもよい。
前記電極筐体の内部に収納された構造物は、同一材質で構成されたものであってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置について、以下図面を参照して説明する。本実施の形態においては、プラズマ処理装置として、プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置を例にとって説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、高周波電磁界が、上部電極筐体内の構造物によって乱されないように、上部電極筐体の内部構造が構成されたものである。
【００２６】
第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１の構成を図１に示す。
第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１は、上下平行に対向する電極を有する、いわゆる平行平板型プラズマ処理装置として構成され、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」と記す。）の表面にＳｉＯＦ膜等を成膜するための装置である。
【００２７】
プラズマＣＶＤ装置１は、真空容器１１と、ポンプ１２と、を備える。
ポンプ１２には、ターボ分子ポンプ等が用いられ、真空容器１１内を所定の減圧雰囲気、例えば、０．０１Ｐａ以下の所定の圧力まで排気する。
【００２８】
真空容器１１の側部には、シャッター１３が設けられている。
真空容器１１の内部には、上部電極１４と、下部電極１５と、が配置される。
【００２９】
下部電極１５は、高融点の導体、たとえばモリブデン等より構成されている。ウェハは、この下部電極１５の上に絶縁材等（図示せず）を介して載置される。下部電極１５の下部には、たとえばニクロム線より構成されているヒータ（図示せず）が配置される。また、下部電極１５には、温度制御用冷媒を送るための流路（図示せず）が設けられている。
【００３０】
上部電極１４は、下部電極１５と平行に対向するように配置され、絶縁材１６を介して、円柱形の電極筐体１７によって支持されている。電極筐体１７の上には、上蓋１８が被せられている。尚、この電極筐体１７は、高周波電力が接地へと帰還するための外導体としても機能する。
【００３１】
このプラズマＣＶＤ装置１は、２周波励起方式のものであり、上部電極１４、下部電極１５に、それぞれ、高周波電力を供給するための高周波発振装置２３，２４を備える。
【００３２】
高周波発振装置２３は、１３〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数の高周波電力を出力する装置である。この高周波電力は、上部電極１４と下部電極１５との間に高周波電界を生じさせ、上部電極１４から供給された処理ガスをプラズマ化するために用いられる。高周波発振装置２４は、０．１〜１３ＭＨｚの範囲の周波数の高周波電力を出力する装置である。この高周波電力は、プラズマ中のイオンを下部電極１５側へ引き込み、ウェハ表面近傍のイオンエネルギーを制御するために用いられる。尚、高周波発振装置２３，２４は、プラズマＣＶＤ装置１の接地に接続されている。但し、プラズマＣＶＤ装置１の接地を大地接地に接続することもできる。
【００３３】
上蓋１８の上と真空容器１１の側部とには、それぞれ、整合器１９，２０が配置されている。整合器１９，２０は、反射波による定在波の発生を防止するために負荷と伝送線とのインピーダンス整合を行うものである。
【００３４】
上蓋１８は一部開口し、この開口部に給電棒２１が配置される。また、下部電極１５と整合器２０との間にも給電棒２２が介挿されている。給電棒２１，２２は、それぞれ、上部電極１４、下部電極１５に高周波電力を供給する内導体となる。
【００３５】
整合器１９は、図２に示すように、整合回路２５を内蔵している。尚、整合器２０にも、同じような整合回路が内蔵されている。給電棒２１の一端は、出極部２６を介して整合回路２５に接続されている。そして、整合回路２５、給電棒２１を介して上部電極１４に、高周波発振装置２３からの高周波電力が供給される。
【００３６】
上部電極１４の内部には、処理ガスを拡散するための中空部（図示せず）が形成されている。また、上部電極１４の下部電極１５との対向面には、アルミニウム等からなる電極板２７が備えられている。電極板２７には、上部電極１４の中空部とつながるガス穴２７ａが形成されている。
【００３７】
電極筐体１７の内部には、ガス供給管２８と、模擬管２９と、が配管されている。ガス供給管２８は、外部の処理ガス供給源（図示せず）からの処理ガスを、上部電極１４の中空部に供給するための管である。
【００３８】
処理ガス供給源からの処理ガスは、ガス供給管２８を介して上部電極１４の中空部に供給され、中空部で拡散され、ガス穴２７ａからウェハに向けて吐出される。処理ガスとしては種々のものを採用することができ、たとえばＳｉＯＦ膜の成膜を行う場合であれば、従来用いられているＳｉＦ_４、ＳｉＨ_４、Ｏ_２、ＮＦ_３、ＮＨ_３ガスと希釈ガスとしてのＡｒガスを用いることができる。
【００３９】
模擬管２９は、発生したプラズマが均一に分布するように設けられたものであり、ガス供給管２８と同じ形状を有している。但し、処理ガス等が通るといったガス供給管２８の機能は模擬管２９にはない。
【００４０】
この電極筐体１７の内部を図３に示す。この図３は、整合器１９と整合回路２５と出極部２６とを取り外して電極筐体１７の内部を上から目視した図である。図３に示すように、電極筐体１７の内部には、さらに、冷媒供給管３０と、冷媒排出管３１と、が配管されている。
【００４１】
冷媒供給管３０は、上部電極１４の温度を制御する冷媒を送るための管であり、冷媒排出管３１は、冷媒供給管３０と連通して冷媒を排出するための管である。
【００４２】
冷媒供給管３０と冷媒排出管３１とは、同じ形状を有し、ガス供給管２８と模擬管２９と冷媒供給管３０と冷媒排出管３１とは、中心点Ｏを中心にして対称となるように配置されている。この中心点Ｏは、前記真空容器１１と、上部電極１４と、下部電極１５との中心を通る対称中心軸上の点でもある。また、これらの構造物について、表面処理、固定方法等も同じようにしておく。さらに、電極筐体１７内に配置される高周波回路等も中心点Ｏを中心にして対称となるように配置され、真空容器１１も中心点Ｏを中心とする対称性を有する形状、例えば円柱状にする。このように真空容器１１、電極筐体１７、整合器１９、そしてこれらに内蔵されたすべての構造物を中心点Ｏを中心として対称となるように構成する。
【００４３】
次に第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の動作を説明する。
ウェハが下部電極１５上に載置されると、ウェハは、高温静電チャック（図示せず）により静電吸着される。次いで、シャッター１３が閉じ、ポンプ１２によって排気され、真空容器１１内は所定の真空度になる。
【００４４】
この状態で、下部電極１５に設けられた流路に冷媒を通流させ、下部電極１５の温度を、例えば、５０℃に制御する。一方、ポンプ１２により真空容器１１内の空気を排気し、真空容器１１内を高真空状態、例えば、０．０１Ｐａとする。
【００４５】
その後、処理ガス供給源から処理ガス、例えば、ＳｉＦ_４、ＳｉＨ_４、Ｏ_２、ＮＦ_３、ＮＨ_３ガス、希釈ガスとしてのＡｒガスが、ガス供給管２８によって所定の流量に制御され、上部電極１４内の中空部、電極板２７のガス穴２７ａを経由して、真空容器１１内に供給される。上部電極１４に供給された処理ガス及びキャリアガスは、電極板２７のガス穴２７ａからウェハに向けて均一に吐出される。
【００４６】
その後、高周波発振装置２３からの高周波電力が、整合器１９、給電棒２１を介して上部電極１４に印加される。これにより、上部電極１４と下部電極１５との間に高周波電界が生じ、上部電極１４から供給された処理ガスがプラズマ化する。
【００４７】
他方、高周波発振装置２４からの高周波電力は、整合器２０、給電棒２２を介して下部電極１５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンが下部電極１５側へ引き込まれ、ウェハ表面近傍のイオンエネルギーが制御される。このような上下の電極１４、１５への高周波電力の印加により、処理ガスのプラズマが生成され、このプラズマによるウェハの表面での化学反応により、ウェハの表面にＳｉＯＦ膜が形成される。
【００４８】
高周波発振装置２３からの高周波電力による電流は、電極筐体１７の内壁、整合器１９の内壁を通って、高周波発振装置２３の接地へと流れる。この電流の帰還経路が、中心点Ｏを中心にして非対称であると、真空容器１１内で発生するプラズマの分布も不均一になる。即ち、プラズマが偏って分布してしまう。
【００４９】
しかし、このプラズマＣＶＤ装置１においては、ガス供給管２８と模擬管２９と冷媒供給管３０と冷媒排出管３１とが、中心点Ｏを中心にして対称となるように電極筐体１７の内部に配置されている。そして、これらの管を含め、真空容器１１、電極筐体１７、整合器１９、そしてこれらに内蔵されたすべての構造物も中心点Ｏを中心として対称性を有している。このため、発生したプラズマは一個所に偏らず、プラズマの分布も中心点Ｏを中心にして対称性を有するようになり、真空容器１１内で均一に分布する。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電極筐体１７の内部に、ガス供給管２８と同じ形状、同じ材質の模擬管２９が備えられ、電極筐体１７の内部の構造物が中心点Ｏを中心にして対称となるように配置されている。このため、真空容器１１内に発生するプラズマを均一に分布させることができ、ウェハ上に形成される各チップの品質も均一にすることができる。
【００５１】
尚、本実施の形態では、模擬管を１つだけ備えるようにした。しかし、１つには限定されず、電極筐体内の構造物の数に応じて模擬管を備えることができる。また、模擬管を配置せずに、同一形状、同一材質で形成されたガス供給管と冷媒供給管と冷媒排出管とを、中心点Ｏを中心にして対称となるように３方向に配置することもできる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、電力損失を少なくするため、上部電極の電極筐体と整合器との内部における高周波電力の帰還経路が短くなるように構成されたものである。
【００５３】
第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１の構成を図４に示す。
第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１は、整合器１９の底板４１が電極筐体１７の上蓋１８を兼用する構成を有する。
【００５４】
図５に示すように、電極筐体１７の上蓋１８と密着する端面には、溝が設けられ、この溝に弾性を有する高周波漏洩防止用のガスケット４２が配置される。電極筐体１７と上蓋１８とがネジ等によって締結される。これにより、ガスケット４２が変形し、電極筐体１７と整合器１９との隙間を塞ぐ。
【００５５】
また、上蓋１８の整合器１９と密着する端面にも溝が設けられ、この溝に弾性を有する高周波漏洩防止用のガスケット４３が配置される。そして、上蓋１８と整合器１９とをネジ等で締結することにより、ガスケット４３が変形し、上蓋１８と整合器１９との隙間を塞ぐ。
【００５６】
このようにして、電極筐体１７と上蓋１８との内部が密閉される。高周波電力は、図中、矢印で示すように、この密閉された電極筐体１７、上蓋１８、整合器１９の内壁を経由して高周波発振装置２３へと帰還する。
【００５７】
従来のプラズマＣＶＤ装置は、図６に示すように、整合器１９の底板４１が、電極筐体１７の上蓋１８とは別に設けられている。従来のプラズマＣＶＤ装置では、図７の矢印で示すように、高周波電力は、電極筐体１７、上蓋１８を通った後、整合器１９の底板４１を経由して高周波発振装置２３に帰還する。このため、従来のプラズマＣＶＤ装置では、整合器１９の底板４１の分だけ帰還経路が長くなる。
【００５８】
しかし、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１では、整合器１９の底板４１が電極筐体１７の上蓋１８を兼用しているので、その帰還経路は従来のものよりも短くなる。高周波電力の帰還経路が短くなると、インピーダンスは減少し、高周波電力の損失が小さくなる。従って、プラズマＣＶＤ装置１の動作が安定する。
【００５９】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、電極筐体内部での設置場所の確保を容易にするため、電極筐体内の構造物としてのガス供給管を高周波電力回路のコイル素子として用いるようにしたものである。
【００６０】
第３の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を図８に示す。
高周波発振装置２３は、直流でバイアスされているものとして、高周波発振装置２３から上部電極１４に電力が供給される。
【００６１】
高周波電力回路としてガス供給管２８と誘電体５１とでローパスフィルタが構成される。ガス供給管２８はコイル状に巻かれる。このガス供給管２８は、通常、金属製の管であり、高周波電力回路のコイル素子に用いるのには望ましい。但し、前述の冷媒供給管３０、冷媒排出管３１をコイル状に巻いてコイル素子として用いることもできる。
【００６２】
また、ガス供給管２８の他端と電極筐体１７との間には、誘電体５１を介挿し、接地電位から絶縁する。ガス供給管２８の他端には、絶縁物で形成された被覆線５２を接続し、この被覆線５２を電極筐体１７の外部まで延ばし、外部の直流検出回路に接続する。尚、被覆線５２の被覆材には、ポリテトラフルオロエチレン等が用いられる。被覆線５２と電極筐体１７との間には、電極筐体１７の内部が密閉されるように絶縁材５３を介挿し、絶縁材５３で被覆線５２を支持する。
【００６３】
このように構成されたものの等価回路を図９に示す。
ガス供給管２８、誘電体５１は、それぞれ、インダクタンス、コンデンサとして作用し、ガス供給管２８と誘電体５１とでローパスフィルタが構成される。このローパスフィルタは、上部電極１４の上に形成され、高周波発振装置２３から上部電極１４に高周波電力が供給される。高周波電力の直流成分はローパスフィルタを通過し、被覆線５２を介して直流検出回路に出力される。
【００６４】
このように、容積、寸法の大きなコイルをガス供給管２８と兼用することが出来るので、電極筐体１７内部での設置場所の確保が容易となり、しかも他の構造物の設置場所も確保できる。
【００６５】
尚、このガス供給管２８を、ローパスフィルタだけでなく、下部電極１５に印加される高周波電力の周波数に対して上部電極１４を仮想接地へと誘導するためのトラップ回路等に用いることもできる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、発生する反射波によって高周波発振装置の動作が不安定にならないように、高周波発振装置と整合器との間にサーキュレータ（Circulator）を介挿するようにしたものである。
【００６７】
第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を図１０に示す。
第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置では、高周波発振装置２３と整合器１９との間にサーキュレータ６１が介挿される。
【００６８】
サーキュレータ６１は、ある入出力ポートからの入力を、他の入出力ポートが整合されている場合に、一定方向のポートへのみ出力する特性を有するものである。サーキュレータ６１には、フェライト素子等が内蔵され、このフェライト素子に磁界が印加されることにより、サーキュレータ６１は、このような特性を有することになる。
【００６９】
サーキュレータ６１の一端には、整合させるための疑似負荷６２が接続されている。この疑似負荷６２の他端は接地される。また、整合器１９とサーキュレータ６１との間には、実効値モニタ６３も介挿される。この実効値モニタ６３は入射波と反射波との差分を検出するものであり、入射波と反射波との差分をモニタしたモニタ信号を高周波発振装置２３に供給する。高周波発振装置２３は、このモニタ信号をフィードバックして入射波と反射波との差分が一定となるように制御する。
尚、このサーキュレータを高周波発振装置２４と整合器２０との間にも介挿することもできる。
【００７０】
次に第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１の動作を説明する。
高周波発振装置２３からの入射波は、サーキュレータ６１に入力される。サーキュレータ６１は、入射波を整合器１９へ出力する。上部電極１４側の負荷６４と伝送線との間で整合がとれていないと、整合器１９から高周波発振装置２３へ向けて反射波が伝送される。
【００７１】
図１１に示すように、サーキュレータ６１を備えていないと、整合器１９からの反射波が高周波発振装置２３へと伝送され、高周波発振装置２３に大きな影響を及ぼす。
【００７２】
しかし、図１０に示すようにサーキュレータ６１が高周波発振装置２３と整合器１９との間に設けられていると、整合器１９からの反射波は、サーキュレータ６１に入力され、入射波と分離される。サーキュレータ６１は、この反射波を疑似負荷６２に供給する。反射波は疑似負荷６２を介して接地へと伝送される。また、実効値モニタ６３は、この入射波と反射波との差分をモニタする。高周波発振装置２３は、実効値モニタ６３のモニタ信号に基づいて入射波と反射波との差分が一定となるように制御する。
【００７３】
このように、高周波発振装置２３と整合器１９との間にサーキュレータ６１が介挿されることにより、高周波発振装置２３の反射波に対する保護手段を新たに設ける必要もなく、反射波は高周波発振装置２３には戻らなくなる。このため、高周波電力を垂下させたり、一時停止させたりすることもなく、高周波発振装置２３の動作は安定する。従って、プラズマは安定して発生し、ウェハの品質を維持することができる。
【００７４】
尚、入射波の負荷６４への送出量を一定にして実効値モニタ６３を省くこともできる。
【００７５】
本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、被処理体は半導体ウェハに限らず、液晶表示装置等に用いてもよい。また、成膜される膜はＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＣＦ膜等どのようなものであってもよい。
【００７６】
また、被処理体に施されるプラズマ処理は、成膜処理に限らず、エッチング処理等にも用いることができる。さらにまた、プラズマ処理装置としては、平行平板型に限らず、マグネトロン型等、チャンバ内に電極を備えるプラズマ処理装置ならばいかなるものであってもよい。
【００７７】
また、第１〜第４の実施の形態を適宜、組み合わせてプラズマＣＶＤ装置を構成することもできる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウェハの品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す部分断面図である。
【図２】図１の電極筐体等の内部を示す断面図である。
【図３】電極筐体の内部を示す平面図である。
【図４】第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の電極筐体等の内部を示す断面図である。
【図５】図４の拡大断面図である。
【図６】従来のプラズマＣＶＤ装置の電極筐体等の内部を示す断面図である。
【図７】図６の拡大断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の電極筐体の内部を示す断面図である。
【図９】図８の等価回路を示す回路図である。
【図１０】第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す説明図である。
【図１１】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１プラズマＣＶＤ装置
１１真空容器
１２ポンプ
１３シャッター
１４上部電極
１７電極筐体
１８上蓋
１９整合器
２８ガス供給管
６１サーキュレータ

Claims

プラズマを閉じこめるための真空容器と、プラズマを発生させる電力を前記真空容器内に印加するための電極と、前記電極にプラズマ生成用の電力を供給するための内導体と、前記内導体を囲む外導体と、を備えたプラズマ処理装置において、
前記電極と前記内導体と前記外導体との中心を通る軸を中心軸とし、前記電極を支持する電極筐体の内部に収納された管及びインピーダンス整合を行う整合器の内部に収納された整合回路の各構造物が前記中心軸を中心に対称となるように配置された、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記電極筐体の内部に収納された構造物は、同一形状の模擬構造物を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記電極筐体の内部に収納された構造物は、同一材質で構成されたものである、
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。