JP4456813B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，処理容器内の電極に高周波電力を印加してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程，液晶表示装置の製造工程などで行われるプラズマ処理においては，電極が備えられた気密な処理容器内に処理ガスを導入し，電極に高周波電力を印加して，処理ガスをプラズマ化し，被処理体表面にエッチングや成膜等所定の処理を行っている。
【０００３】
上記のような処理を行うプラズマ処理装置内には，例えば処理容器内の下部に，被処理体の載置台を兼ねた電極ユニットが設けられている。電極ユニットには，その上部に被処理体を載置する載置部，および，高周波電力を印加される電極部が設けられている。電極ユニット下部に設けられるベースプレートは接地され，上記電極部とは対向電極となるような位置関係となっている。このため，電極部とベースプレートとの絶縁のため，両者の間に高絶縁耐圧の絶縁部材を配置する必要がある。
【０００４】
また，プラズマ処理中の被処理体を所望の温度に調節する必要性から，低温度変動でなければならない。このため，従来の絶縁部材は，石英またはセラミック等が材料として用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図３は，従来の電極ユニット１０の概略断面図である。図３に示すように，電極ユニット１０は，高周波電力が供給される電極部１２，被処理体としての半導体ウエハを静電チャック１５を介して載置するウエハ載置部１６，載置部１６の周囲に設けられたフォーカスリング１４，ベースプレート３０等を備える。
【０００６】
ベースプレート３０の下方に突出して，上記電極部１２に高周波電力を供給する給電手段が設けられている。給電手段は，下部電極の電極部１２に接続して高周波電力を印加するＲＦ給電棒２２と，接地された外側管２０とを備える。
また，上記電極部１２とベースプレート３０との間には，絶縁のための，例えば石英またはセラミックよりなる絶縁部材２４が設けられている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２３２０８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，上記絶縁部材２４を構成する石英またはセラミックは，概して大きく，高価で加工が難しい。このため，製造，交換時にコストがかかるという問題があった。また，絶縁部材２４の交換時には，その上部のフォーカスリング１４なども取り外さなくてはならなかった。さらに，電極部１２とベースプレート３０とは絶縁部材２４により絶縁されているものの，その絶縁の効果は十分ではなく，電極部１２に印加される高周波電力の一部が電極部１２から絶縁部材２４を通じてベースプレート３０に流出するという問題があった。
【０００９】
本発明は，従来のプラズマ処理装置および電極ユニットが有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，低コストで高周波電力の損失を十分に抑えることができる電極ユニットを備えたプラズマ処理装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明のある観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，高周波電力を印加して被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって，前記処理容器内に設けられ，前記高周波電力を印加する電極を備えた電極ユニットと，前記電極ユニット内に設けられ，前記電極と前記処理容器との間を絶縁する空間部とを備え，前記空間部は，前記処理容器外の大気と連通していることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１１】
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，高周波電力を印加して被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の処理容器内に設けられる電極ユニットであって，前記高周波電力を印加する電極と，前記電極と前記処理容器との間を絶縁する空間部とを備え，前記空間部は，前記処理容器外の大気と連通していることを特徴とする電極ユニットが提供される。
【００１２】
このような本発明のプラズマ処理装置，電極ユニットによれば，電極と処理容器との間に，従来絶縁部材として設けていた石英，セラミックなどをなくして空気層である空間部を設けたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また，大きさが大きく，加工も困難な石英およびセラミック等を絶縁部材として用いる必要がないので，絶縁部材の加工，交換に要する費用が不要となり，低コストで軽量かつ絶縁性の高い電極ユニットおよびプラズマ処理装置を提供することができる。また電極ユニット内の空間部は，処理容器外の大気と連通するようにしたので，上記空間部に溜る熱は，少なくとも自然対流により連通路を介して処理容器の外部へ排出することができる。さらに，空間部は，処理容器外の大気とほぼ同じ圧力なので，空間部で異常放電することもない。
【００１３】
なお，上記電極の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されていてもよい。上記処理容器の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されていてもよい。
【００１４】
また，上記電極ユニットの電極に高周波電力を給電する給電手段を備え，前記給電手段は，その内部に設けられ，前記電極に接続して前記高周波電力を印加する印加部材と，この印加部材の周囲を覆うように設けられ，前記処理容器と電気的に接続する接地部材とを備え，前記印加部材と前記接地部材との間には，中空部が形成され，前記中空部は，前記電極ユニット内の空間部に連通するようにしてもよい。この給電手段は，前記給電手段内の中空部が前記処理容器外の大気と連通する連通路を有していてもよい。また前記接地部材は，整合器と接続し，連通路は例えば整合器と接地部材との接続部近傍に設けてもよい。
【００１５】
これによれば，電極ユニット内の空間部や給電手段内の中空部の熱を，上記空間部の連通路，電極ユニット内の空間部，給電手段内の中空部，給電手段の連通路を通る空気の自然対流により，処理容器外へ排出することができる。これにより，特に熱が溜りやすい給電手段の内部を冷却することができる。
【００１６】
さらに，上記電極ユニットの電極に冷媒を循環させて冷却する冷媒循環手段を設けてもよい。電極部を冷却する冷却循環手段を設けた場合には，電極ユニットの空間部内における印加部材や処理容器の表面の結露が生じやすいところ，上述したように電極ユニットの空間部や給電手段の中空部では，空間部の連通路や給電手段の連通路を介して処理容器１０２外の大気への対流が生じるので，上記結露を防止することができる。
【００１７】
さらに，上記処理容器外の大気と前記電極ユニット内の空間部と前記給電手段内の中空部との間で，空気を循環させる空気循環手段を設けてもよい。これによれば，上述した給電手段の内部を冷却する効果，電極ユニットの空間部内などで生じる結露を防止する効果をより高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
次に，本発明の実施の形態を説明する。図１は，本実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００の概略断面図である。図２は，プラズマエッチング装置１００の部分断面図である。図１に示すように，プラズマエッチング装置１００は，例えば略円筒形の接地された気密な処理容器１０２を備える。この処理容器１０２内の下部には，電極ユニットの例としての下部電極ユニット１０４が設けられている。この下部電極ユニット１０４は，半導体ウエハＷを載置する載置台の機能を兼ねている。
【００２０】
半導体ウエハＷと下部電極ユニット１０４との間には，伝熱ガス供給機構（図示せず）から伝熱ガス（例えばＨｅガス）が所定の圧力で供給されるようになっている。これにより，下部電極ユニット１０４からの熱を半導体ウエハＷに伝えることができ，半導体ウエハＷの温度を制御することが可能となる。
【００２１】
処理容器１０２の上部には，下部電極ユニット１０４に対向して上部電極板１０８が設けられている。この上部電極板１０８は処理容器１０２を介して接地されている。
【００２２】
処理容器１０２の上部には，ガス導入系（図示せず）に接続されたガス導入口１０６が設けられており，上部電極板１０８には複数のガス吐出口１０９が設けられている。上記ガス導入口１０６から導入された処理ガスは，上部電極板１０８のガス吐出口１０９から処理容器１０２内に導入される。この処理ガスとしては，例えばＣ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガス等が用いられる。
【００２３】
上記処理容器１０２には，処理容器内に半導体ウエハＷを搬入又は搬出するための開口部１０２ａが設けられている。この開口部１０２ａの外側の壁には，気密に開閉可能なゲートバルブ１０２ｂが設けられている。半導体ウエハＷは，上記ゲートバルブ１０２ｂを介して例えば図示しないロードロック室の搬送装置により処理容器１０２内に搬入又は搬出される。
【００２４】
処理容器１０２の下部には，排気手段１１２に接続された排気管１１０が設けられている。この排気手段１１２により排気管１１０を介して処理容器１０２内のプラズマ処理空間１１８を真空引きすることにより，処理容器１０２内のプラズマ処理空間１１８は所定の真空度を保持することができる。なお，処理容器１０２の両側壁外部に磁石を設け，処理容器１０２内に発生する電界に対して垂直な磁場を与えるようにしてもよい。この場合，磁石の磁場の強度は可変であるように構成されることが好ましい。
【００２５】
下部電極ユニット１０４には，整合器（マッチングボックス）１１４を介して高周波電源１１６が接続されている。高周波電源１１６の周波数は例えば１３．５６ＭＨｚである。周波数は１００ＭＨｚ以上であってもよい。高周波電源１１６により与えられる電力によって，処理容器１０２のプラズマ処理空間１１８内に導入された処理ガスはプラズマ状態となり，半導体ウエハＷにエッチング処理が施される。
【００２６】
ここで，上記プラズマエッチング装置１００を用いてエッチング処理を行う際の動作を説明する。先ず，処理容器１０２内の下部電極ユニット１０４上に半導体ウエハＷを載置する。そして，排気管１１０を介して排気手段１１２により，処理容器１０２内を所定の真空度以下に排気する。その後，ガス導入口１０６から，ガス吐出口１０９を介して所定の処理ガスを所定の流量で処理容器１０２内に導入し，所定の真空度になるように調節する。
【００２７】
続いて，高周波電源１１６から整合器１１４を介して，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。この高周波電力の印加により，処理容器１０２内において下部電極ユニット１０４上のプラズマ処理空間（第１の空間部）１１８には，処理ガスによるプラズマが発生し，半導体ウエハＷの表面に所定のエッチング処理が施される。
【００２８】
次に，本実施の形態における下部電極ユニット１０４の詳細な構成を図１，図２を参照しながら説明する。下部電極ユニット１０４は，図１に示すように半導体ウエハＷを静電チャック１４２を介して載置する載置部１４４，この載置部１４４を下側から支持する電極部１４６を備える。上記載置部１４４と電極部１４６とは下部電極を構成する。
【００２９】
また，下部電極ユニット１０４は，半導体ウエハＷの周囲を囲むように設けられた環状のフォーカスリング１４８，電極部１４６を支持するとともに，載置部１４４と電極部１４６の周囲を囲むように設けられた側面絶縁部材１５０を備える。
【００３０】
上記静電チャック１４２は，導電層１４３をセラミック，ポリイミド・フィルム等の絶縁体中に挟んでなる。また導電層１４３は，リード線を介して処理容器１０２外に設けられた高圧直流電源１３０によって直流電圧が印加されるようになっている。導電層１４３に高圧直流電源１３０から直流電圧が印加されると，クーロン力によって上記半導体ウエハＷは静電チャックに吸引保持される。
【００３１】
上記フォーカスリング１４８は，載置部１４４の上部周囲に配置されている。フォーカスリング１４８は，例えばシリコンや石英からなり，プラズマ中のイオンを効果的に半導体ウエハＷに入射させる機能を有している。また，フォーカスリング１４８の内周側上面には段差が形成され，半導体ウエハを所定の位置に載置されるのを補助する。
【００３２】
上記電極部１４６は，高周波電源１１６から整合器１１４を介して，高周波電力が印加される。電極部１４６と載置部１４４とは接触しているので，電極部１４６に印加された高周波電力は，電極部１４６との接触により載置部１４４に供給される。これら載置部１４４と電極部１４６とはともに例えばアルミニウムなどで形成される。
【００３３】
このように下部電極を，載置部１４４とを電極部１４６に分離して構成したので，メンテナンス時には，電極部１４６に高周波電力を供給する後述の給電棒を接続したままで，載置部１４４だけを交換することができる。このため，メンテナンス時に給電棒の抜き差しを行う必要がない点で，メンテナンスを容易に行うことができる効果がある。なお，載置部１４４と電極部１４６とに分けることなく，一体として下部電極を構成してもよい。
【００３４】
上記電極部１４６の内部には，例えば冷却ジャケットなどの冷却室１４７が形成されている。この冷却室１４７内には，冷媒循環手段１３２を介して冷媒が冷媒導入管から導入され，かつ冷媒排出管から冷媒が排出される。こうして，冷却室１４７内は，冷媒循環手段１３２により冷媒が循環するようになっている。
【００３５】
上記側面絶縁部材１５０は，上記載置部１４４および電極部１４６と，接地された処理容器１０２の底部との間の絶縁を確保するものである。側面絶縁部材１５０は，例えば石英等で形成される。側面絶縁部材１５０は，フォーカスリング１４８，載置部１４４，電極部１４６を支持するとともに，電極部１４６と処理容器１０２との間に本発明の特徴である空間部（第２の空間部）１６０を形成する役割も有している。
【００３６】
具体的には，側面絶縁部材１５０は処理容器１０２の底部に取り付けられている。側面絶縁部材１５０の内側には段部が形成され，下段部の内径は上段部の内径よりも小さくすることによって，その段部で電極部１４６の下縁部を支持するようになっている。これにより，側面絶縁部材１５０の内側の下段部には空間部１６０が形成され，載置部１４４及び電極部１４６は，処理容器１０２から絶縁される。また，側面絶縁部材１５０により，空間部１６０は，処理容器１０２内でプラズマ処理を行うプラズマ処理空間１１８と区画される。
【００３７】
また，処理容器１０２の底部には，空間部（第２の空間部）１６０と処理容器１０２の外部の大気とを連通する連通路（第１の連通路）１６４が形成されている。これにより，空間部１６０に溜る熱は，少なくとも自然対流により連通路１６４を介して処理容器１０２の外部へ排出することができる。
【００３８】
このように，載置部１４４と電極部１４６からなる下部電極と処理容器との間に，従来絶縁部材として設けていた石英，セラミックなどをなくして空気層である空間部（第２の空間部）１６０を設けたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また，絶縁部材の加工，交換に要する費用が不要となり，低コストの電極ユニットおよびプラズマ処理装置を提供することができる。
【００３９】
特に，大気の比誘電率（約１）は，どのような低誘電素材よりも低く，高周波電力の損失を防ぐためには最適である。このため空間部（第２の空間部）１６０を大気と連通させた効果は大きい。一方，耐電圧は，石英，セラミック等が１０〜５０ｋＶ／ｍｍであるのに対し，１ｋＶ／ｍｍと及ばないが，空間部１６０にかかる電位差が数ｋＶであることを考慮して，絶縁破壊を起こさないように空間部１６０の厚さの設計を行うことで，耐電圧を十分確保することが可能である。また，下部電極ユニット１０４の静電容量は，石英，セラミックなどの絶縁部材を用いた場合と同等に設計することが可能である。
【００４０】
ここで，上記電極部１４６に高周波電力を供給する給電手段１２０について説明する。給電手段１２０は，処理容器１０２の底面から突出して設けられている。給電手段１２０は，下部電極の電極部１４６に接続して高周波電力を印加する印加部材の例としてのＲＦ給電棒１２２と，このＲＦ給電棒１２２の周囲を覆うように設けられた接地部材の例としての外側管１２４とを備える。
【００４１】
ＲＦ給電棒１２２の一端部は，下部電極ユニット１０４の空間部１６０を突抜けて電極部１４６に接続されている。ＲＦ給電棒１２２の他端部は，整合器１１４に接続されている。外側管１２４の一端部は，処理容器１０２の底部に設けられた孔の縁部に接続されることにより，接地される。外側管１２４の他端部は，整合器１１４に接続されている。このように，ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４は，整合器１１４を介して接続されており，電気的なループを形成している。
【００４２】
ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４は，高周波電力を効率よく供給するために，抵抗率の少ない導電性の材質，例えば銀製又は銅製で形成される。例えば銅製で形成する場合には，この銅の表面は銀メッキするようにしてもよい。
【００４３】
上記ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４との間は，中空部（第３の空間部）１６２が形成されている。この中空部１６２は，上記下部電極ユニット１０４の空間部（第２の空間部）１６０に連通している。中空部１６２と整合器１１４との接続部近傍には，中空部１６２を処理容器１０２外の大気と連通する連通路（第２の連通路）１６６が形成されている。
【００４４】
而して，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０や給電手段１２０内の中空部１６２に熱が溜ると，上記空間部１６０の連通路１６４，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２，給電手段１２０の連通路１６６を通る空気の自然対流により熱を処理容器１０２外へ排出することができる。これにより，特に熱が溜りやすい給電手段１２０の内部を冷却することができる。下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２を通る空気の流れは図１に示すものと逆でもよい。
【００４５】
なお，上記連通路１６６は，外側管１２４に孔を空けて設けてもよく，また，整合器１１４に処理容器１０２外の大気と連通する孔を設け，この孔を連通路１６６としてもよい。
【００４６】
また，上記連通路は，図２に示すように整合器１１４との接続部に隙間を設け，この隙間を連通路１６６としてもよい。具体的には，給電手段１２０の外側管１２４の他端部にフランジ部１７０を設け，このフランジ部１７０をねじやボルトなどの係止手段１７２で整合器１１４に係止する。このとき，フランジ部１７０と整合器１１４の表面との間に隙間が空く程度に，係止手段１７２を整合器１１４に緩めに係止する。この隙間が中空部１６２と大気との連通路１６６となる。
【００４７】
また，図２に示すように上記処理容器１０２の連通路１６４，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２，連通路１６６の間を強制対流させる空気循環手段１７４を設けてもよい。この空気循環手段１７４としては，例えば連通路１６４に空気を送込むポンプで構成してもよく，また空気を吸引するポンプで構成してもよい。これにより，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２内の冷却効率を向上させることができる。
【００４８】
また，下部電極ユニット１０４の電極部１４６を冷却する上述の冷媒循環手段１３２を設けた場合には，下部電極ユニット１０４の空間部１６０内におけるＲＦ給電棒１２２や処理容器１０２の表面は結露しやすい。この点，本実施の形態によれば，連通路１６４や連通路１６６を介して処理容器１０２外の大気への対流が生じる構成であるため，上記のような結露を防止することができる点で有利である。また空間部内で各部材表面が結露することによる高周波の沿面伝達を防止することができる。
【００４９】
特に，冷媒循環手段１３２の冷媒が循環する経路が，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０や給電手段１２０内の中空部１６２などを通る場合には特に結露が生じやすいので，この結露を防止できる効果は大きい。また空気循環手段１７４による強制対流により，結露の防止効果をより向上させることができる。
【００５０】
なお，下部電極の少なくとも空間部１６０側には，酸化被膜を設けてもよい。また，処理容器１０２の底部の少なくとも空間部１６０側には，酸化被膜を設けてもよい。例えば電極部１４６の下側に酸化被膜を設けてもよい。上記酸化被膜は，成膜処理により形成された膜であってもよく，また下部電極，処理容器などの表面を陽極酸化処理することにより形成された膜でもよい。
【００５１】
以上，添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。
【００５２】
例えば，プラズマ処理装置としては，本実施の形態で説明したプラズマエッチング装置に限られることはなく，他の平行平板型のプラズマ処理装置，ヘリコン波プラズマ装置、誘導結合型プラズマ処理装置などの様々なプラズマ処理装置に適用してもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，プラズマ処理装置の電極ユニット内に，石英またはセラミック等の絶縁部材に代えて空間を設けて絶縁を確保するようにしたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また電極ユニットの重量が軽量化でき，メンテナンスが容易になるとともに，低コストで製造可能なプラズマ処理装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本実施の形態における給電手段近傍の概略断面図である。
【図３】従来の電極ユニットの概略断面図である。
【符号の説明】
１００ プラズマエッチング装置
１０２ 処理容器
１０２ａ 開口部
１０２ｂ ゲートバルブ
１０４ 下部電極ユニット
１０６ ガス導入口
１０８ 上部電極
１０９ ガス吐出口
１１０ 排気管
１１２ 排気手段
１１４ 整合器
１１６ 高周波電源
１１８ 空間部
１２０ 給電手段
１２２ 給電棒
１２４ 外側管
１３０ 高圧直流電源
１３２ 冷媒循環手段
１４２ 静電チャック
１４３ 導電層
１４４ 載置部
１４６ 電極部
１４７ 冷却室
１４８ フォーカスリング
１５０ 側面絶縁部材
１６０ 空間部
１６２ 中空部
１６４ 連通路
１６６ 連通路
１７０ フランジ部
１７２ 係止手段
１７４ 空気循環手段
Ｗ 半導体ウエハ
【発明の属する技術分野】
本発明は，処理容器内の電極に高周波電力を印加してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程，液晶表示装置の製造工程などで行われるプラズマ処理においては，電極が備えられた気密な処理容器内に処理ガスを導入し，電極に高周波電力を印加して，処理ガスをプラズマ化し，被処理体表面にエッチングや成膜等所定の処理を行っている。
【０００３】
上記のような処理を行うプラズマ処理装置内には，例えば処理容器内の下部に，被処理体の載置台を兼ねた電極ユニットが設けられている。電極ユニットには，その上部に被処理体を載置する載置部，および，高周波電力を印加される電極部が設けられている。電極ユニット下部に設けられるベースプレートは接地され，上記電極部とは対向電極となるような位置関係となっている。このため，電極部とベースプレートとの絶縁のため，両者の間に高絶縁耐圧の絶縁部材を配置する必要がある。
【０００４】
また，プラズマ処理中の被処理体を所望の温度に調節する必要性から，低温度変動でなければならない。このため，従来の絶縁部材は，石英またはセラミック等が材料として用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図３は，従来の電極ユニット１０の概略断面図である。図３に示すように，電極ユニット１０は，高周波電力が供給される電極部１２，被処理体としての半導体ウエハを静電チャック１５を介して載置するウエハ載置部１６，載置部１６の周囲に設けられたフォーカスリング１４，ベースプレート３０等を備える。
【０００６】
ベースプレート３０の下方に突出して，上記電極部１２に高周波電力を供給する給電手段が設けられている。給電手段は，下部電極の電極部１２に接続して高周波電力を印加するＲＦ給電棒２２と，接地された外側管２０とを備える。
また，上記電極部１２とベースプレート３０との間には，絶縁のための，例えば石英またはセラミックよりなる絶縁部材２４が設けられている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２３２０８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，上記絶縁部材２４を構成する石英またはセラミックは，概して大きく，高価で加工が難しい。このため，製造，交換時にコストがかかるという問題があった。また，絶縁部材２４の交換時には，その上部のフォーカスリング１４なども取り外さなくてはならなかった。さらに，電極部１２とベースプレート３０とは絶縁部材２４により絶縁されているものの，その絶縁の効果は十分ではなく，電極部１２に印加される高周波電力の一部が電極部１２から絶縁部材２４を通じてベースプレート３０に流出するという問題があった。
【０００９】
本発明は，従来のプラズマ処理装置および電極ユニットが有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，低コストで高周波電力の損失を十分に抑えることができる電極ユニットを備えたプラズマ処理装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明のある観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，高周波電力を印加して被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって，前記処理容器内に設けられ，前記高周波電力を印加する電極を備えた電極ユニットと，前記電極ユニット内に設けられ，前記電極と前記処理容器との間を絶縁する空間部とを備え，前記空間部は，前記処理容器外の大気と連通していることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１１】
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，高周波電力を印加して被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の処理容器内に設けられる電極ユニットであって，前記高周波電力を印加する電極と，前記電極と前記処理容器との間を絶縁する空間部とを備え，前記空間部は，前記処理容器外の大気と連通していることを特徴とする電極ユニットが提供される。
【００１２】
このような本発明のプラズマ処理装置，電極ユニットによれば，電極と処理容器との間に，従来絶縁部材として設けていた石英，セラミックなどをなくして空気層である空間部を設けたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また，大きさが大きく，加工も困難な石英およびセラミック等を絶縁部材として用いる必要がないので，絶縁部材の加工，交換に要する費用が不要となり，低コストで軽量かつ絶縁性の高い電極ユニットおよびプラズマ処理装置を提供することができる。また電極ユニット内の空間部は，処理容器外の大気と連通するようにしたので，上記空間部に溜る熱は，少なくとも自然対流により連通路を介して処理容器の外部へ排出することができる。さらに，空間部は，処理容器外の大気とほぼ同じ圧力なので，空間部で異常放電することもない。
【００１３】
なお，上記電極の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されていてもよい。上記処理容器の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されていてもよい。
【００１４】
また，上記電極ユニットの電極に高周波電力を給電する給電手段を備え，前記給電手段は，その内部に設けられ，前記電極に接続して前記高周波電力を印加する印加部材と，この印加部材の周囲を覆うように設けられ，前記処理容器と電気的に接続する接地部材とを備え，前記印加部材と前記接地部材との間には，中空部が形成され，前記中空部は，前記電極ユニット内の空間部に連通するようにしてもよい。この給電手段は，前記給電手段内の中空部が前記処理容器外の大気と連通する連通路を有していてもよい。また前記接地部材は，整合器と接続し，連通路は例えば整合器と接地部材との接続部近傍に設けてもよい。
【００１５】
これによれば，電極ユニット内の空間部や給電手段内の中空部の熱を，上記空間部の連通路，電極ユニット内の空間部，給電手段内の中空部，給電手段の連通路を通る空気の自然対流により，処理容器外へ排出することができる。これにより，特に熱が溜りやすい給電手段の内部を冷却することができる。
【００１６】
さらに，上記電極ユニットの電極に冷媒を循環させて冷却する冷媒循環手段を設けてもよい。電極部を冷却する冷却循環手段を設けた場合には，電極ユニットの空間部内における印加部材や処理容器の表面の結露が生じやすいところ，上述したように電極ユニットの空間部や給電手段の中空部では，空間部の連通路や給電手段の連通路を介して処理容器１０２外の大気への対流が生じるので，上記結露を防止することができる。
【００１７】
さらに，上記処理容器外の大気と前記電極ユニット内の空間部と前記給電手段内の中空部との間で，空気を循環させる空気循環手段を設けてもよい。これによれば，上述した給電手段の内部を冷却する効果，電極ユニットの空間部内などで生じる結露を防止する効果をより高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
次に，本発明の実施の形態を説明する。図１は，本実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００の概略断面図である。図２は，プラズマエッチング装置１００の部分断面図である。図１に示すように，プラズマエッチング装置１００は，例えば略円筒形の接地された気密な処理容器１０２を備える。この処理容器１０２内の下部には，電極ユニットの例としての下部電極ユニット１０４が設けられている。この下部電極ユニット１０４は，半導体ウエハＷを載置する載置台の機能を兼ねている。
【００２０】
半導体ウエハＷと下部電極ユニット１０４との間には，伝熱ガス供給機構（図示せず）から伝熱ガス（例えばＨｅガス）が所定の圧力で供給されるようになっている。これにより，下部電極ユニット１０４からの熱を半導体ウエハＷに伝えることができ，半導体ウエハＷの温度を制御することが可能となる。
【００２１】
処理容器１０２の上部には，下部電極ユニット１０４に対向して上部電極板１０８が設けられている。この上部電極板１０８は処理容器１０２を介して接地されている。
【００２２】
処理容器１０２の上部には，ガス導入系（図示せず）に接続されたガス導入口１０６が設けられており，上部電極板１０８には複数のガス吐出口１０９が設けられている。上記ガス導入口１０６から導入された処理ガスは，上部電極板１０８のガス吐出口１０９から処理容器１０２内に導入される。この処理ガスとしては，例えばＣ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガス等が用いられる。
【００２３】
上記処理容器１０２には，処理容器内に半導体ウエハＷを搬入又は搬出するための開口部１０２ａが設けられている。この開口部１０２ａの外側の壁には，気密に開閉可能なゲートバルブ１０２ｂが設けられている。半導体ウエハＷは，上記ゲートバルブ１０２ｂを介して例えば図示しないロードロック室の搬送装置により処理容器１０２内に搬入又は搬出される。
【００２４】
処理容器１０２の下部には，排気手段１１２に接続された排気管１１０が設けられている。この排気手段１１２により排気管１１０を介して処理容器１０２内のプラズマ処理空間１１８を真空引きすることにより，処理容器１０２内のプラズマ処理空間１１８は所定の真空度を保持することができる。なお，処理容器１０２の両側壁外部に磁石を設け，処理容器１０２内に発生する電界に対して垂直な磁場を与えるようにしてもよい。この場合，磁石の磁場の強度は可変であるように構成されることが好ましい。
【００２５】
下部電極ユニット１０４には，整合器（マッチングボックス）１１４を介して高周波電源１１６が接続されている。高周波電源１１６の周波数は例えば１３．５６ＭＨｚである。周波数は１００ＭＨｚ以上であってもよい。高周波電源１１６により与えられる電力によって，処理容器１０２のプラズマ処理空間１１８内に導入された処理ガスはプラズマ状態となり，半導体ウエハＷにエッチング処理が施される。
【００２６】
ここで，上記プラズマエッチング装置１００を用いてエッチング処理を行う際の動作を説明する。先ず，処理容器１０２内の下部電極ユニット１０４上に半導体ウエハＷを載置する。そして，排気管１１０を介して排気手段１１２により，処理容器１０２内を所定の真空度以下に排気する。その後，ガス導入口１０６から，ガス吐出口１０９を介して所定の処理ガスを所定の流量で処理容器１０２内に導入し，所定の真空度になるように調節する。
【００２７】
続いて，高周波電源１１６から整合器１１４を介して，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。この高周波電力の印加により，処理容器１０２内において下部電極ユニット１０４上のプラズマ処理空間（第１の空間部）１１８には，処理ガスによるプラズマが発生し，半導体ウエハＷの表面に所定のエッチング処理が施される。
【００２８】
次に，本実施の形態における下部電極ユニット１０４の詳細な構成を図１，図２を参照しながら説明する。下部電極ユニット１０４は，図１に示すように半導体ウエハＷを静電チャック１４２を介して載置する載置部１４４，この載置部１４４を下側から支持する電極部１４６を備える。上記載置部１４４と電極部１４６とは下部電極を構成する。
【００２９】
また，下部電極ユニット１０４は，半導体ウエハＷの周囲を囲むように設けられた環状のフォーカスリング１４８，電極部１４６を支持するとともに，載置部１４４と電極部１４６の周囲を囲むように設けられた側面絶縁部材１５０を備える。
【００３０】
上記静電チャック１４２は，導電層１４３をセラミック，ポリイミド・フィルム等の絶縁体中に挟んでなる。また導電層１４３は，リード線を介して処理容器１０２外に設けられた高圧直流電源１３０によって直流電圧が印加されるようになっている。導電層１４３に高圧直流電源１３０から直流電圧が印加されると，クーロン力によって上記半導体ウエハＷは静電チャックに吸引保持される。
【００３１】
上記フォーカスリング１４８は，載置部１４４の上部周囲に配置されている。フォーカスリング１４８は，例えばシリコンや石英からなり，プラズマ中のイオンを効果的に半導体ウエハＷに入射させる機能を有している。また，フォーカスリング１４８の内周側上面には段差が形成され，半導体ウエハを所定の位置に載置されるのを補助する。
【００３２】
上記電極部１４６は，高周波電源１１６から整合器１１４を介して，高周波電力が印加される。電極部１４６と載置部１４４とは接触しているので，電極部１４６に印加された高周波電力は，電極部１４６との接触により載置部１４４に供給される。これら載置部１４４と電極部１４６とはともに例えばアルミニウムなどで形成される。
【００３３】
このように下部電極を，載置部１４４とを電極部１４６に分離して構成したので，メンテナンス時には，電極部１４６に高周波電力を供給する後述の給電棒を接続したままで，載置部１４４だけを交換することができる。このため，メンテナンス時に給電棒の抜き差しを行う必要がない点で，メンテナンスを容易に行うことができる効果がある。なお，載置部１４４と電極部１４６とに分けることなく，一体として下部電極を構成してもよい。
【００３４】
上記電極部１４６の内部には，例えば冷却ジャケットなどの冷却室１４７が形成されている。この冷却室１４７内には，冷媒循環手段１３２を介して冷媒が冷媒導入管から導入され，かつ冷媒排出管から冷媒が排出される。こうして，冷却室１４７内は，冷媒循環手段１３２により冷媒が循環するようになっている。
【００３５】
上記側面絶縁部材１５０は，上記載置部１４４および電極部１４６と，接地された処理容器１０２の底部との間の絶縁を確保するものである。側面絶縁部材１５０は，例えば石英等で形成される。側面絶縁部材１５０は，フォーカスリング１４８，載置部１４４，電極部１４６を支持するとともに，電極部１４６と処理容器１０２との間に本発明の特徴である空間部（第２の空間部）１６０を形成する役割も有している。
【００３６】
具体的には，側面絶縁部材１５０は処理容器１０２の底部に取り付けられている。側面絶縁部材１５０の内側には段部が形成され，下段部の内径は上段部の内径よりも小さくすることによって，その段部で電極部１４６の下縁部を支持するようになっている。これにより，側面絶縁部材１５０の内側の下段部には空間部１６０が形成され，載置部１４４及び電極部１４６は，処理容器１０２から絶縁される。また，側面絶縁部材１５０により，空間部１６０は，処理容器１０２内でプラズマ処理を行うプラズマ処理空間１１８と区画される。
【００３７】
また，処理容器１０２の底部には，空間部（第２の空間部）１６０と処理容器１０２の外部の大気とを連通する連通路（第１の連通路）１６４が形成されている。これにより，空間部１６０に溜る熱は，少なくとも自然対流により連通路１６４を介して処理容器１０２の外部へ排出することができる。
【００３８】
このように，載置部１４４と電極部１４６からなる下部電極と処理容器との間に，従来絶縁部材として設けていた石英，セラミックなどをなくして空気層である空間部（第２の空間部）１６０を設けたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また，絶縁部材の加工，交換に要する費用が不要となり，低コストの電極ユニットおよびプラズマ処理装置を提供することができる。
【００３９】
特に，大気の比誘電率（約１）は，どのような低誘電素材よりも低く，高周波電力の損失を防ぐためには最適である。このため空間部（第２の空間部）１６０を大気と連通させた効果は大きい。一方，耐電圧は，石英，セラミック等が１０〜５０ｋＶ／ｍｍであるのに対し，１ｋＶ／ｍｍと及ばないが，空間部１６０にかかる電位差が数ｋＶであることを考慮して，絶縁破壊を起こさないように空間部１６０の厚さの設計を行うことで，耐電圧を十分確保することが可能である。また，下部電極ユニット１０４の静電容量は，石英，セラミックなどの絶縁部材を用いた場合と同等に設計することが可能である。
【００４０】
ここで，上記電極部１４６に高周波電力を供給する給電手段１２０について説明する。給電手段１２０は，処理容器１０２の底面から突出して設けられている。給電手段１２０は，下部電極の電極部１４６に接続して高周波電力を印加する印加部材の例としてのＲＦ給電棒１２２と，このＲＦ給電棒１２２の周囲を覆うように設けられた接地部材の例としての外側管１２４とを備える。
【００４１】
ＲＦ給電棒１２２の一端部は，下部電極ユニット１０４の空間部１６０を突抜けて電極部１４６に接続されている。ＲＦ給電棒１２２の他端部は，整合器１１４に接続されている。外側管１２４の一端部は，処理容器１０２の底部に設けられた孔の縁部に接続されることにより，接地される。外側管１２４の他端部は，整合器１１４に接続されている。このように，ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４は，整合器１１４を介して接続されており，電気的なループを形成している。
【００４２】
ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４は，高周波電力を効率よく供給するために，抵抗率の少ない導電性の材質，例えば銀製又は銅製で形成される。例えば銅製で形成する場合には，この銅の表面は銀メッキするようにしてもよい。
【００４３】
上記ＲＦ給電棒１２２と外側管１２４との間は，中空部（第３の空間部）１６２が形成されている。この中空部１６２は，上記下部電極ユニット１０４の空間部（第２の空間部）１６０に連通している。中空部１６２と整合器１１４との接続部近傍には，中空部１６２を処理容器１０２外の大気と連通する連通路（第２の連通路）１６６が形成されている。
【００４４】
而して，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０や給電手段１２０内の中空部１６２に熱が溜ると，上記空間部１６０の連通路１６４，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２，給電手段１２０の連通路１６６を通る空気の自然対流により熱を処理容器１０２外へ排出することができる。これにより，特に熱が溜りやすい給電手段１２０の内部を冷却することができる。下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２を通る空気の流れは図１に示すものと逆でもよい。
【００４５】
なお，上記連通路１６６は，外側管１２４に孔を空けて設けてもよく，また，整合器１１４に処理容器１０２外の大気と連通する孔を設け，この孔を連通路１６６としてもよい。
【００４６】
また，上記連通路は，図２に示すように整合器１１４との接続部に隙間を設け，この隙間を連通路１６６としてもよい。具体的には，給電手段１２０の外側管１２４の他端部にフランジ部１７０を設け，このフランジ部１７０をねじやボルトなどの係止手段１７２で整合器１１４に係止する。このとき，フランジ部１７０と整合器１１４の表面との間に隙間が空く程度に，係止手段１７２を整合器１１４に緩めに係止する。この隙間が中空部１６２と大気との連通路１６６となる。
【００４７】
また，図２に示すように上記処理容器１０２の連通路１６４，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２，連通路１６６の間を強制対流させる空気循環手段１７４を設けてもよい。この空気循環手段１７４としては，例えば連通路１６４に空気を送込むポンプで構成してもよく，また空気を吸引するポンプで構成してもよい。これにより，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０，給電手段１２０内の中空部１６２内の冷却効率を向上させることができる。
【００４８】
また，下部電極ユニット１０４の電極部１４６を冷却する上述の冷媒循環手段１３２を設けた場合には，下部電極ユニット１０４の空間部１６０内におけるＲＦ給電棒１２２や処理容器１０２の表面は結露しやすい。この点，本実施の形態によれば，連通路１６４や連通路１６６を介して処理容器１０２外の大気への対流が生じる構成であるため，上記のような結露を防止することができる点で有利である。また空間部内で各部材表面が結露することによる高周波の沿面伝達を防止することができる。
【００４９】
特に，冷媒循環手段１３２の冷媒が循環する経路が，下部電極ユニット１０４内の空間部１６０や給電手段１２０内の中空部１６２などを通る場合には特に結露が生じやすいので，この結露を防止できる効果は大きい。また空気循環手段１７４による強制対流により，結露の防止効果をより向上させることができる。
【００５０】
なお，下部電極の少なくとも空間部１６０側には，酸化被膜を設けてもよい。また，処理容器１０２の底部の少なくとも空間部１６０側には，酸化被膜を設けてもよい。例えば電極部１４６の下側に酸化被膜を設けてもよい。上記酸化被膜は，成膜処理により形成された膜であってもよく，また下部電極，処理容器などの表面を陽極酸化処理することにより形成された膜でもよい。
【００５１】
以上，添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。
【００５２】
例えば，プラズマ処理装置としては，本実施の形態で説明したプラズマエッチング装置に限られることはなく，他の平行平板型のプラズマ処理装置，ヘリコン波プラズマ装置、誘導結合型プラズマ処理装置などの様々なプラズマ処理装置に適用してもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，プラズマ処理装置の電極ユニット内に，石英またはセラミック等の絶縁部材に代えて空間を設けて絶縁を確保するようにしたので，高周波電力のエネルギーロスを抑えることができる。また電極ユニットの重量が軽量化でき，メンテナンスが容易になるとともに，低コストで製造可能なプラズマ処理装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本実施の形態における給電手段近傍の概略断面図である。
【図３】従来の電極ユニットの概略断面図である。
【符号の説明】
１００ プラズマエッチング装置
１０２ 処理容器
１０２ａ 開口部
１０２ｂ ゲートバルブ
１０４ 下部電極ユニット
１０６ ガス導入口
１０８ 上部電極
１０９ ガス吐出口
１１０ 排気管
１１２ 排気手段
１１４ 整合器
１１６ 高周波電源
１１８ 空間部
１２０ 給電手段
１２２ 給電棒
１２４ 外側管
１３０ 高圧直流電源
１３２ 冷媒循環手段
１４２ 静電チャック
１４３ 導電層
１４４ 載置部
１４６ 電極部
１４７ 冷却室
１４８ フォーカスリング
１５０ 側面絶縁部材
１６０ 空間部
１６２ 中空部
１６４ 連通路
１６６ 連通路
１７０ フランジ部
１７２ 係止手段
１７４ 空気循環手段
Ｗ 半導体ウエハ
Claims (8)
- 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，高周波電力を印加して被処理体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって，
前記処理容器内に設けられ，前記高周波電力を印加する電極と，
前記高周波電力を出力する高周波電源と，
前記電極に接続して前記高周波電力を印加する給電棒と，該給電棒の周囲を覆うように設けられ，前記処理容器と電気的に接続される接地部材と、を有する給電手段と，
前記高周波電源及び前記接地部材に接続された整合器と，
前記処理容器内であって前記処理容器と前記電極との間に形成され，前記処理容器と前記電極との間を絶縁する空間部と，
前記処理容器外であって前記整合器と前記接地部材とにより形成され，前記空間部と連通する中空部と，を備え，
前記給電棒は、前記空間部及び前記中空部の内部に設けられ，
前記空間部及び前記中空部は，前記空間部に設けられた連通路及び前記中空部に設けられた連通路を介して大気と連通する循環経路を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記電極の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理容器の表面には，少なくとも前記空間部側に酸化被膜が形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記給電手段は，前記給電手段内の中空部が前記処理容器外の大気と連通する連通路を有することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記連通路は，前記整合器と前記接地部材との接続部近傍に設けたことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
- さらに，前記電極に冷媒を循環させて冷却する冷媒循環手段を設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- さらに，前記処理容器外の大気と前記空間部と前記給電手段内の中空部との間で，空気を循環させる空気循環手段を設けたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に載のプラズマ処理装置。
- 前記空間部は，前記処理容器と前記電極と前記処理容器の底部に取り付けられた側面絶縁部材とにより形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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