JP4173389B2

JP4173389B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4173389B2
Application number: JP2003075880A
Authority: JP
Inventors: 徹治佐藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: US20040182515A1; US7815767B2; JP2004288704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板、例えば半導体ウエハや液晶表示装置用のガラス基板等に、プラズマを作用させてエッチング処理や成膜処理等の所定のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体装置の製造分野においては、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、このプラズマを被処理基板、例えば半導体ウエハや液晶表示装置用のガラス基板等に作用させて、所定の処理、例えば、エッチング処理、成膜処理等を行うプラズマ処理装置が用いられている。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置としては、真空チャンバ内に、平板型の対向電極、例えば上部電極と下部電極を平行に配置し、これらの電極間に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、一方の電極、例えば下部電極上に配置した半導体ウエハ等にこのプラズマを作用させるよう構成された所謂平行平板型のプラズマ処理装置が知られている。
【０００４】
図５は、このような平行平板型のプラズマ処理装置の構成の一例を示すもので、同図において符号１は真空チャンバを示している。この真空チャンバ１内には、半導体ウエハＷを載置するための載置台を兼ねた下部電極２と、この下部電極２に対向するように下部電極２と平行に上方に配置された上部電極３が設けられている。
【０００５】
上部電極３には、多数の細孔３ａが設けられており、これらの細孔３ａから、半導体ウエハＷに向けて所定の処理ガスをシャワー状に供給するよう構成されている。また、真空チャンバ１の底部には、図示しない排気ポートが設けられており、この排気ポートから真空チャンバ１内の排気を行うことによって、真空チャンバ１内を所定の真空雰囲気に設定できるよう構成されている。そして、図示しない高周波電源から下部電極２と上部電極３との間に所定周波数の高周波電力を供給することによって、真空チャンバ１内に処理ガスのプラズマを発生させ、このプラズマを半導体ウエハＷに作用させることにより、半導体ウエハＷのエッチング等の処理を行うよう構成されている。なお、真空チャンバ１の側壁部には、半導体ウエハＷを真空チャンバ１内に搬入・搬出するための搬入・搬出口４が設けられており、下部電極２の半導体ウエハＷ載置面には、半導体ウエハＷの周囲を囲むようにフォーカスリング５が設けられている。
【０００６】
また、このような平行平板型のプラズマ処理装置では、平行平板電極間の距離（間隔）、つまり、上記の図５に示したプラズマ処理装置の場合、下部電極２と上部電極３との距離が、実行されるプラズマ処理の状態に影響を与える。このため、これらの電極のうちの一方（図５のプラズマ処理装置では下部電極２）を上下動可能とし、電極間の距離を変更可能としたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
ところで、図５のプラズマ処理装置では、上記のように下部電極２が上下動可能とされているため、下部電極２の下側と真空チャンバ１の底部との間には、伸縮自在とされ、且つ、開口部分を気密に閉塞可能とされた蛇腹機構（ベローズ）６が設けられている。
【０００８】
しかしながら、真空チャンバ１内は、所定の真空度に保持されており、一方、真空チャンバ１の外部は、大気圧であるため、真空チャンバ１の内部と外部には圧力差が生じていて、下部電極２にはこの圧力差によって常に押し上げられる方向に力が加わっている。
【０００９】
このため、例えば、下部電極２を下降させて電極間の間隔を拡げる場合はこの圧力差に抗して下部電極２を下降させなければならず、多大な力が必要とされる。また、通常時においても、下部電極２が押し上げられないように固定するために、多大な力が必要とされる。そして、上記のような負荷に対応するため、例えば、下部電極２を駆動するためのモータ等の駆動源に駆動力の大きなものを用いる、機械的な駆動機構部分に堅牢性の高いものを用いる等の対策を行うため、結果として装置の製造コストの増大を招いたり、フットプリントの増大を招く等の問題がある。
【００１０】
さらに、近年では、半導体ウエハ等の被処理基板は、例えば１２インチ径等と次第に大型化される傾向にあるが、かかる被処理基板の大型化に対応するためには、下部電極２の径も大型化する必要がある。このため、下部電極２に加わる圧力もその面積に応じて大きくなり、およそ５０００〜１００００Ｎもの力が加わることになるため、上記の問題がより一層顕著になり、その対応が困難になっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２８６２４２号公報（第３−５頁、第１図）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来の平行平板型のプラズマ処理装置では、真空チャンバ内外の圧力差に起因して、電極間の距離を変更するための機構に加わる負荷が大きく、装置の製造コストの増大を招いたり、フットプリントの増大を招く等の問題があり、特に被処理基板の大型化を図る上でその対応が困難になっている。
【００１３】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて電極間の距離の変更を行うための機構に加わる負荷を軽減することができ、装置の製造コストの低減とフットプリントの低減を図ることができるとともに、被処理基板の大型化に容易に対応することのできるプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
被処理基板を収容し、内部を所定の真空度に維持可能とされた真空チャンバと、
前記真空チャンバ内の所定位置に固定された第１の電極と、
前記第１の電極に対向するように前記真空チャンバ内に配置され、前記第１の電極との間隔を変更する如く上下動可能とされた第２の電極と、
前記真空チャンバの外部に設けられ、前記第２の電極を上下動させるための駆動機構と、
前記駆動機構によって前記真空チャンバの外側から前記第２の電極を駆動するために前記真空チャンバに形成された開口部を、気密に閉塞するための蛇腹機構であって、上下方向の中間部分に前記駆動機構に接続された枠状部材を具備し、前記枠状部材の上下動に対し蛇腹機構全体の長さが一定となるよう構成された蛇腹機構と、
前記真空チャンバ内に設けられ、前記第２の電極と前記枠状部材とを接続する電極支持部材と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に高周波電力を供給してプラズマを発生させる高周波電力供給機構と、を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【００１５】
請求項２は、請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記第１の電極が下部電極であり、前記第２の電極が上部電極であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３は、請求項２記載のプラズマ処理装置であって、前記上部電極が、前記下部電極の下方から支持されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４は、請求項３記載のプラズマ処理装置であって、前記電極支持部材の一部に、前記真空チャンバ内から均一に排気を行うための排気リングが含まれていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５は、請求項３又は４記載のプラズマ処理装置であって、前記電極支持部材の一部に、前記真空チャンバの内壁を保護するための筒状部材が含まれていることを特徴とする。
【００１９】
請求項６は、請求項３〜５いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、前記下部電極を貫通する如く配置され、前記被処理基板を前記下部電極上に支持するための基板支持部材が、前記駆動機構によって上下動されるよう構成されたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明を、半導体ウエハのエッチングを行うプラズマエッチング装置に適用した実施の形態の構成の概略を模式的に示すものであり、同図において、符号１１は、材質が例えばアルミニウム等からなり、内部を気密に閉塞可能に構成された円筒状の真空チャンバを示している。
【００２２】
上記真空チャンバ１１は、接地電位に接続されており、真空チャンバ１１の内部には、被処理基板としての半導体ウエハＷを、被処理面を上側に向けて略水平に支持する載置台を兼ねた下部電極１２が設けられている。また、真空チャンバ１１の内部には、下部電極１２の上部に位置し、下部電極１２と平行に対向するように、上部電極１３が設けられている。この上部電極１３の下側の面には、多数の細孔１３ａが設けられており、これらの細孔１３ａから、下部電極１２上に載置された半導体ウエハＷに向けて、図示しない処理ガス供給源からの所定の処理ガスを、シャワー状に供給するよう構成されている。
【００２３】
また、真空チャンバ１１の側壁部には、半導体ウエハＷを真空チャンバ１１内に搬入・搬出するための搬入・搬出口１４が設けられており、下部電極１２の半導体ウエハＷ載置面には、半導体ウエハＷの周囲を囲むようにフォーカスリング１５が設けられている。
【００２４】
上記下部電極１２は、導電性の材料、例えばアルミニウム等から略円板状に構成されており、絶縁性の材料、例えば、セラミックス等から構成され、略円筒状に形成された下部電極支持部材１６によって、真空チャンバ１１の底部から支持されている。図２にも示すように、この下部電極支持部材１６には、円周方向に所定間隔を設けて形成された複数（本実施形態では、４つ）の開口部１６ａが設けられている。これらの開口部１６ａは、上部電極１３を、真空チャンバ１１の外部に設けられた駆動機構１７によって駆動するためのものであり、後述する接続部材が駆動機構１７によって駆動される上下方向のストロークに応じた上下方向の長さを有している。
【００２５】
また、下部電極支持部材１６と隣接してその外周側には、下部電極支持部材１６と同心状に円筒状の蛇腹機構１８が設けられており、この蛇腹機構１８によって、開口部１６ａの部分を、気密に閉塞するよう構成されている。この蛇腹機構１８の上下方向の中間部分には、環状に構成された中間リング（枠状部材）１８ａが設けられている。そして、この中間リング１８ａが上下動することによって、中間リング１８ａより上側の上側蛇腹部１８ｂと、中間リング１８ａより下側の下側蛇腹部１８ｃが、伸長・収縮状態が反対になるように伸長・収縮するよう構成されている。
【００２６】
一方、上部電極１３は、導電性の材料、例えばアルミニウム等から略円板状に構成されている。そして、上部電極支持部材１９によって支持されるとともに、この上部電極支持部材１９によって蛇腹機構１８の中間リング１８ａに接続され、駆動機構１７によって上下動自在とされている。
【００２７】
本実施形態において、上部電極支持部材１９は、上部電極１３の下部に設けられた円筒状部材（デポシールド）２０と、この円筒状部材２０の下部に設けられ多数の透孔が形成された排気リング２１とをその一部に含んでおり、上部電極１３は、これらの円筒状部材２０及び排気リング２１と一体的に上下動するよう構成されている。
【００２８】
なお、上記円筒状部材（デポシールド）２０は、プラズマが形成され処理空間とされる真空チャンバ１１の内壁部を覆うように設けられており、真空チャンバ１１の内壁部にプラズマ処理に起因する堆積物（デポ物）が付着したり、真空チャンバ１１の内壁部がプラズマによるエッチングを受けないように保護するためのものである。また、排気リング２１は、下部電極１２の周囲から均一に排気を行うためのものである。
【００２９】
上記の排気リング２１は、その上下方向の位置を変えることにより、エッチング処理の状態を変化させることができる。このため、上記のように、上部電極１３とともに排気リング２１を上下動させることにより、エッチング処理の状態を制御することができる。
【００３０】
また、円筒状部材（デポシールド）２０には、真空チャンバ１１に設けられた搬入・搬出口１４に対応して開口２０ａが形成されており、真空チャンバ１１内のプラズマが搬入・搬出口１４内に侵入しないようにするために、通常の場合、この搬入・搬出口１４の部分に開閉機構を設けている。一方、本実施形態では、上記の円筒状部材２０を上下動させることによって、搬入・搬出口１４と開口２０ａの位置をずらしたり一致させたりすることにより、このような開閉機構の代用とすることができる。
【００３１】
なお、上記の円筒状部材２０及び排気リング２１は、上部電極支持部材１９とは別体に構成し、固定したものとしても良い。
【００３２】
一方、中間リング１８ａの内周部分（真空チャンバ１１の外側）には、図２にも示すように、下部電極支持部材１６の開口部１６ａの部分を通って内周側に延在するようにスポーク状に形成された接続部材２２が設けられており、この接続部材２２によって、駆動機構１７と中間リング１８ａとが機械的に接続されている。
【００３３】
上記駆動機構１７は、例えばモータ或いはエアシリンダー等の駆動源によって、接続部材２２を上下方向に移動させ、かつ、所望位置に停止させることができるよう構成されており、これによって、接続部材２２、中間リング１８ａ、上部電極支持部材１９、上部電極１３を一体的に上下動させ、上部電極１３と下部電極１２との距離（間隔）を所望の状態に設定可能とされている。
【００３４】
ここで、図１において、左側半部は、上部電極１３を上昇させ、下部電極１２との間隔を拡げた状態を示しており、右側半部は、上部電極１３を下降させ、下部電極１２との間隔を狭めた状態を示している。
【００３５】
この図１の左側半部に示されるように、上部電極１３を上昇させた際には、蛇腹機構１８の内、中間リング部１８ａより上の上側蛇腹部１８ｂが収縮し、中間リング部１８ａより下の下側蛇腹部１８ｃが伸長する。
【００３６】
一方、図１の右側半部に示されるように、上部電極１３を下降させた際には、中間リング部１８ａより上の上側蛇腹部１８ｂが伸長し、中間リング部１８ａより下の下側蛇腹部１８ｃが収縮する。どちらの場合も、蛇腹機構１８の全体の長さは一定の状態で、中間リング部１８ａの上下動に伴い、上側蛇腹部１８ｂと下側蛇腹部１８ｃの伸長・収縮状態が反対になるように伸長・収縮するよう構成されている。
【００３７】
上記の如き構成を採用することにより、真空チャンバ１１内の容積が一定の状態で、上部電極１３と下部電極１２との間隔を変更することができ、真空チャンバ１１内の圧力と外部の圧力との差による力が可動電極である上部電極１３に全く加わらないので、上部電極１３を容易に所定位置に保持することができる。また、上部電極１３を容易に上下動させることができるので、駆動機構１７に多大な駆動力が必要とされることもなく、上部電極１３を駆動するための機構の構成を簡素化することができる。また、半導体ウエハＷの大径化のため、上部電極１３及び下部電極１２を大径化した場合でも、可動電極にその面積に応じた多大な力が加わることがないので、かかる大径化にも容易に対応することができる。
【００３８】
なお、上部電極１３内には、細孔１３ａから処理ガスを均一に供給するための処理ガス拡散用の空隙１３ｂが形成されており、円筒状部材（デポシールド）２０及び排気リング２１を含む上部電極支持部材１９と、中間リング部１８ａと、接続部材２２には、図示しない処理ガス供給源からの処理ガスを、処理ガス拡散用の空隙１３ｂ内に導入するためのガス流路２３が形成されている。
【００３９】
また、下部電極１２には、半導体ウエハＷを吸着保持するための静電チャック（図示せず）、冷媒を循環するための冷媒流路（図示せず）、冷媒からの冷熱を効率よく半導体ウエハＷに伝達するために半導体ウエハＷの裏面にＨｅガス等の冷却ガスを供給するガス導入機構（図示せず）等が設けられている。さらに、下部電極１２には、高周波電力を供給するための高周波電源（図示せず）が接続されており、マッチングボックス２４内に設けられたマッチャーを介して下部電極１２に所定周波数、例えば、１３．５６〜１５０ＭＨｚの高周波電力を下部電極１２に供給するよう構成されている。
【００４０】
さらに、真空チャンバ１１の底部には、真空ポンプ等の真空排気装置に連通する図示しない真空排気配管が接続されており、排気リング２１を介して、真空チャンバ１１内からの真空排気を行い、真空チャンバ１１内を所定の真空度に設定できるよう構成されている。
【００４１】
次に、このように構成されたプラズマエッチング装置におけるエッチング処理について説明する。
【００４２】
まず、搬入・搬出口１４に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、搬入・搬出口１４に隣接して配置されたロードロック室等を介して、図示しない搬送機構により半導体ウエハＷを真空チャンバ１１内に搬入し、下部電極１２上に載置する。下部電極１２上に載置された半導体ウエハＷは、この後、静電チャックにより、下部電極１２上に吸着保持される。
【００４３】
この後、搬送機構を真空チャンバ１１外へ退避させた後、ゲートバルブを閉じ、真空ポンプ等により真空チャンバ１１内を排気し、真空チャンバ１１内が所定の真空度になった後、真空チャンバ１１内に、ガス流路２３、処理ガス拡散用の空隙１３ｂ、細孔１３ａを介して、処理ガス供給系から所定のエッチング処理用の処理ガスを、例えば１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で導入し、真空チャンバ１１内を所定の圧力、例えば１．３３〜１３３Ｐａ（１０〜１０００ｍＴｏｒｒ）程度に保持する。
【００４４】
この状態で、高周波電源から下部電極１２に、所定周波数、例えば、１３．５６〜１５０ＭＨｚ、所定電力、例えば、１００〜３０００Ｗの高周波電力を供給する。
【００４５】
上記のように、下部電極１２に高周波電力が印加されることにより、上部電極１３と下部電極１２との間の処理空間には高周波電界が形成され、これにより処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化されて、そのプラズマにより半導体ウエハＷ上の所定の膜がエッチングされる。この際、駆動機構１７によって、予め上部電極１３と下部電極１２との間隔を所望の間隔に設定しておき、半導体ウエハＷの上の所定の膜のエッチングの状態を制御する。
【００４６】
そして、所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源からの高周波電力の供給を停止し、エッチング処理を停止して、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷを真空チャンバ１１外に搬出する。
【００４７】
上述したとおり、本実施形態によれば、従来に比べて上部電極１３と下部電極１２との距離の変更を行うための機構に加わる負荷を軽減することができ、装置の製造コストの低減とフットプリントの低減を図ることができるとともに、半導体ウエハＷの大型化に容易に対応することができる。
【００４８】
次に、図３を参照して、他の実施形態について説明する。この実施形態では、下部電極１２に設けられた透孔３０内を貫通する如くに設けられ、半導体ウエハＷを下部電極１２上に支持するためのリフターピン（基板支持部材）３１が、接続部材２２に固定されている。
【００４９】
そして、図３の左半部に示すように、上部電極１３を、通常のエッチング処理では使用しない位置にまで上昇させた際に、リフターピン３１が下部電極１２上に突出し、半導体ウエハＷを下部電極１２上に支持するよう構成され、図３の右半部に示すように、上部電極１３を、通常のエッチング処理で使用する位置にまで下降させた際に、リフターピン３１が下部電極１２内に収容され、半導体ウエハＷが下部電極１２上に載置されるよう構成されている。
【００５０】
このように、上部電極１３と下部電極１２との間隔を変更するための駆動機構１７によって、リフターピン３１も駆動する構成とすることにより、別途リフターピン３１を駆動するための駆動機構を設ける必要がなくなり、装置構成の簡略化や、装置の製造コストの削減等を図ることができる。
【００５１】
図４は、さらに他の実施形態の構成を示すもので、この実施形態では、上部電極１３が、上部から上部電極支持機構１９によって支持されており、真空チャンバ１１の天井側に、前述した開口部１６ａと同様に構成された開口部１１ａが形成されている。そして、上部電極１３を駆動するための駆動機構１７、真空チャンバ１１の開口部１１ａを気密に閉塞するための蛇腹機構１８等が、真空チャンバ１１の上側に設けられている。このように、構成された実施形態においても、図１に示した実施形態と同様な効果を奏することができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態においては、本発明を半導体ウエハのエッチングを行うプラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、本発明はかかる場合に限定されるものではない。例えば、半導体ウエハ以外の基板を処理するものであっても良く、エッチング以外の処理、例えばＣＶＤ等の成膜処理装置にも適用することができる。また、上記実施の形態においては、上部電極を駆動する場合について説明したが、下部電極を駆動する場合についても、同様にして適用することが可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、従来に比べて電極間の距離の変更を行うための機構に加わる負荷を軽減することができ、装置の製造コストの低減とフットプリントの低減を図ることができるとともに、被処理基板の大型化に容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の全体概略構成を示す図。
【図２】図１のプラズマ処理装置の要部概略構成を示す図。
【図３】本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理装置の全体概略構成を示す図。
【図４】本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理装置の全体概略構成を示す図。
【図５】従来のプラズマ処理装置の全体概略構成を示す図。
【符号の説明】
Ｗ……半導体ウエハ、１１……真空チャンバ、１２……下部電極、１３……上部電極、１６……下部電極支持機構、１６ａ……開口部、１７……駆動機構、１８……蛇腹機構、１８ａ……中間リング、１８ｂ……上側蛇腹部、１８ｃ……下側蛇腹部、１９……上部電極支持機構、２０……円筒状部材（デポシールド）、２１……排気リング。

Claims

被処理基板を収容し、内部を所定の真空度に維持可能とされた真空チャンバと、
前記真空チャンバ内の所定位置に固定された第１の電極と、
前記第１の電極に対向するように前記真空チャンバ内に配置され、前記第１の電極との間隔を変更する如く上下動可能とされた第２の電極と、
前記真空チャンバの外部に設けられ、前記第２の電極を上下動させるための駆動機構と、
前記駆動機構によって前記真空チャンバの外側から前記第２の電極を駆動するために前記真空チャンバに形成された開口部を、気密に閉塞するための蛇腹機構であって、上下方向の中間部分に前記駆動機構に接続された枠状部材を具備し、前記枠状部材の上下動に対し蛇腹機構全体の長さが一定となるよう構成された蛇腹機構と、
前記真空チャンバ内に設けられ、前記第２の電極と前記枠状部材とを接続する電極支持部材と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に高周波電力を供給してプラズマを発生させる高周波電力供給機構と、を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記第１の電極が下部電極であり、前記第２の電極が上部電極であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２記載のプラズマ処理装置であって、
前記上部電極が、前記下部電極の下方から支持されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３記載のプラズマ処理装置であって、
前記電極支持部材の一部に、前記真空チャンバ内から均一に排気を行うための排気リングが含まれていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３又は４記載のプラズマ処理装置であって、
前記電極支持部材の一部に、前記真空チャンバの内壁を保護するための筒状部材が含まれていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３〜５いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、前記下部電極を貫通する如く配置され、前記被処理基板を前記下部電極上に支持するための基板支持部材が、前記駆動機構によって上下動されるよう構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。