JP4491643B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に熱変形対策を施したプラズマ処理用ガス供給シャワープレートを備えたプラズマ処理装置に好適なものである。

従来、半導体装置等のプラズマ処理装置では、真空容器内の上段に誘導体で形成したシャワープレートを配置し、下段に格子状のシャワープレートを配設して、放出されるガスを切り替えることにより、一台の装置で成膜、エッチング、酸化、窒化、アッシングなど多数のプラズマ処理が行われている。この種の従来技術を開示したものとしては、特許文献１を挙げることができる。
特許第３３８４７９５号公報

しかし、近年は、例えばフラット・パネル・ディスプレイ（ＦＰＤ）等の画像表示装置を構成する基板（通常は、ガラス基板）の大型化に伴い、当該基板に、プラズマを用いた成膜、あるいはエッチング等の加工を施すためのガス供給用のシャワープレートには、一体構造とした格子状のシャワープレートが採用される。このようなシャワープレートの温度は約３５０℃にも達するため、当該シャワープレートに反りが生じ、大きく変形してしまい(クリープの発生)、上記基板（被処理基板）に均一な処理を施すことが困難になる。

本発明の目的は、シャワープレートの熱による変形を回避して、被処理基板に対して均一な処理を施すことを可能としたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、一体構造の格子状シャワープレートを複数個に分割した構造としてシャワープレートの熱変形を避け、ガスの放出を被処理基板に対して均一に行うように構成することで達成される。

上記目的を達成するための本発明の代表的な構成を記述すれば、次のとおりである。すなわち、
（１）壁の一部がマイクロ波を透過する材料からなる平板状の誘電体板で構成されて、内部が減圧可能な真空容器と、
真空容器内にガスを供給するガス供給システムと、
真空容器内に供給されるガスを排気するとともに該真空容器内を減圧するための排気システムと、
誘電体板で壁の一部を構成する誘電体板と真空容器内に励起されるプラズマの間に配置され、マイクロ波を透過する材料からなる平板状の誘電体で構成されると共に複数のガス放出孔が形成された上段シャワープレートと、
誘電体板を挟んで真空容器の外側に配置され、該誘電体板を通してプラズマ励起用のマイクロ波を供給するための平板状のスロットアンテナと、
真空容器の内側に設けられて前記被処理基体を保持するステージと、
真空容器の上段に配設された上段シャワープレートと被処理基板との間に設けられて、上段シャワープレートから放出されるガスとは異なる組成のガスを該被処理基板側に放出するための多数に分割されたプロセス用ガス供給シャワー管を均一的に展開し、並設して前記スロットアンテナから放射されたマイクロ波を反射するプロセス用ガス供給のための下段シャワープレートとを有する構成とした。

この構成で、上段シャワープレートと下段シャワープレート間の空間で生成されたプラズマは、下段シャワープレートの多数に分割された各シャワー管同士の間に形成される通気部を通して被処理基板側の空間に流し込む。

（２）下段シャワープレートを構成する各シャワー管を、長いシャワー管と短いシャワー管とから構成し、
長いシャワー管の両端を閉塞して管壁に複数のガス放出孔を設け、かつ中央部に分岐してガス導入用の第１の管を立設する。また、短いシャワー管の両端を閉塞して管壁に複数のガス放出孔を設け、かつ一端部にＬ字状に連結してガス導入用の第２の管を立設する。これらの長いシャワー管及び短いシャワー管は、それらの複数のガス放出孔を有する多数の管を行方向、列方向共に隣り同士を離し、かつ均一な間隔で展開して配置する。

（３）さらに、本発明は、上段シャワープレートと、下段シャワープレートとを互いに対向させて平行に配置し、両者の間隔をマイクロ波の真空中での波長の１/４倍に略等しく設定することができる。

処理用ガスを供給するためのシャワープレートを多数に分割し、プロセス用ガス供給シャワー管の多数個を均一的に展開し、並設したことで、プラズマ装置内における高いシャワー温度に起因するシャワープレートの変形が避され、ガスの放出を被処理基体に対し均一に行うことができる。従って、プラズマ励起部は上段部に局所化でき、さらに、プラズマプロセスにおいては、薄膜の生成が容易になり、高品質成膜が可能となる。
そして、エッチングプロセスでは、基板上に成膜する材料パターンの均一性、加工の均一性が得られる。また、処理空間での放電がし易く、基板周辺の電子密度を高くすることができ、低電力のマイクロ波で、高速プロセスが実現できる。

以下、図面に基づき本発明の最良の実施形態を説明する。図1は、本発明のプラズマ処理装置の構成を説明する縦断面図である。図１において、参照符号１は真空容器、２は誘電体板（マイクロ波透過窓）、３は誘電体で構成したシャワープレート（上段シャワープレート）、４はギャップ、５はプラズマ励起用ガス供給口、６はプラズマ励起用ガス導入路、７はプラズマ励起用のガス放出孔、８、９はＯリング、１０はスロットアンテナ、１１は下段のプロセス用ガス供給シャワープレート（下段シャワープレート）、１２は処理用ガス供給口、１３は処理用ガス放出孔、１４は被処理基体、１５はステージ、１６は排気口、１７はプラズマ生成部である。なお、参照符号１８はプラズマ処理装置の全体を指す。

真空容器１はアルミニウムで構成され、誘電体板２及び上段シャワープレート３は、比誘電率８．６３の窒化アルミニュウムで構成される。プラズマ励起用マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚで、被処理基板１４であるガラス基板は、１２００ｍｍ×ｌ０００ｍｍの長方形の大型ガラス基板である。被処理基板１４はステージ１５に載置されてプラズマ処理される。

このプラズマ処理装置は、概要、次のように動作する。すなわち、大気中に設置されたスロットアンテナ１０から放射されたマイクロ波は、誘電体板２、ギャップ４及び上段シャワープレート３を透過して真空容器１の内部に導入され、真空容器１内のガスを電離してプラズマを生成する。

また、プラズマ励起用ガスと、プラズマ処理用ガスを異なるシャワープレートから放出できるようになっている。プラズマ励起用ガスは、プラズマ励起用ガス供給口５から供給され、プラズマ励起用ガス導入路６を通って上段シャワープレート３の中央部まで導かれる。その後、ギャップ４において中央部から周辺部へ放射状に流れ、複数のプラズマ励起用ガス放出口７から真空容器1内部に放出される。一方、処理用ガスは、処理用ガス供給口１２から供給され、金属管で構成された下段シャワープレート１１の内部を通り、複数の処理用ガス放出孔１３から被処理基板１４に放出される。

次に、前記上段シャワープレート及び下段シャワープレートの構成について説明する。図２は、上段及び下段のシャワーの流れを示す装置の縦断面構造を示す模式図である。図２において、参照符号１９は誘電体窓、２０は上段のシャワー、２１は下段のシャワー、２２はガス導入用金属管、２３は金属管、２４は金属管２３の端（端部）、２５は処理用ガス導入管との接続具、２５'はプラズマ励起用ガス導入管との接続具を示す。

図２に示した構成において、例えば、上段のシャワー２０のプラズマ励起用ガスは、ＮＨ₃とＡｒ、下段のシャワー２１の処理用ガスはＳｉＨ₄,Ａｒ等が使用される。また、前記下段シャワープレートの熱対策として、図３に示したように、真空容器1の下段に特に分割型としてそれぞれ複数の長い処理用ガス供給シャワー管３１と短い処理用ガス供給シャワー管３２とが均一的に配設されている(この詳細は後述する)。図２にはその中の1単体を示している。上記のように下段シャワープレートを多数に分割された各シャワー管（３１、３２）で構成することにより、個々のシャワープレートのクリープ変形を小さくすることができ、電子温度が低くプラズマ電位の低い拡散プラズマ領域に処理ガスを供給することができる。

図３は、長いプラズマ処理用ガス供給シャワー管の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ―Ａ'断面図である。また、図４は、短いプラズマ処理用ガス供給シャワー管の説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ―Ａ'断面図である。図３および図４において、参照符号２７は取り付け用ブロック、２８は取り付けねじ穴、２９は金属管内部、３０は接ぎ手の上部、３１は長いガス供給シャワー管、３２は短いガス供給シャワー管を示す。長いガス供給シャワー管３１及び短いガス供給シャワー管３２は、使用するときは天地(上下)を逆にして使用されるため、それぞれ上下逆の形になる。

図３（ａ）に示したように、長いガス供給シャワー管３１には複数のガス放出孔１３が設けられ、両端が管終端２４で閉塞された所定の長さの金属管２３と、該金属管２３の中央部に分岐して立設されたガス導入用の金属管２２（第１の管）とからなり、該第１の管２２の一端は開口して前記ガス導入口１２となる。

また、短いプロセス用ガス供給シャワー管３２は、図４(ａ)に示したように、複数のガス放出孔１３が設けられ、管終端２４で両端が閉塞された所定の長さの金属管２３’(前記ガス供給シャワー管２３の半分の長さ)と、該金属管２３’の一端にＬ字状に連結して立設されたガス導入用の第２の管２２’とからなる。

該金属管２２、２２’の一端は開口して前記ガス導入口１２となる。そして、下段のプロセス用ガス供給シャワープレート１１は、前記長いシャワー管３１と、短いシャワー管３２とを以下に説明するように組み合わせて使用する。

図５は、下段シャワー管の底面配置の説明図である。また、図６は、下段シャワー管の配置を底面から見た外観斜視図で、前記図２ないし図５の構成を立体的に表したものである。前記長いシャワー管３１と、短いシャワー管３２は、その底面から見て、行方向（図５の左右方向、ｘ方向）では、上部の最初の一段目（図５の最上列、ｙ方向の一番目）には、真空容器1内の横軸方向に平行し、かつ、横軸の中心から割り振って、長いプロセス用ガス供給シャワー管３１を、隣接する前記誘電体の窓１９の中間の位置の間に、一つおきに前記ガス導入用の金属管２２が位置するように、隣り同士を離した状態で直列に配列する。また、真空容器1内の両端には、その位置に合致するように前記短い処理用ガス供給シャワー管３２を配設する。

そして、次の列（２段目）には、前記隣り同士が離れている中間の位置に前記ガス導入用の金属管２２が位置するように配列される。この際、真空容器1内の両端に長い処理用ガス供給シャワー管３１が充当できれば、前記短い処理用ガス供給シャワー管３２は使用されない。同様にして３段目は、最初の一段目と同じ配列になり、４段目は前記２段目と同様の配列とする。以降、長いプロセス用ガス供給シャワー管３１と短い処理用ガス供給シャワー管３２を交互に配列して、真空容器1内の縦軸の端部に到るように配置される。

従って、複数のプラズマ処理用ガス放出口１３は、総合的に見ると、行（ｘ）、列(ｙ)方向)とも同一間隔に配置され、下方に設置されるステージ１５上に配設されている被処理基板１４（図１）に対しガスが均一に放出される。また、上記の長いプ処理用ガス供給シャワー管３１と、短い処理用ガス供給シャワー管３２とを、図５に示したように、一定間隔をおいて配置された分割構造とすることにより、発熱は個々に分散されるため、高いシャワー温度に起因する下段のプロセス用ガス供給シャワー１１の反り等の変形を避けることができる。

また、前記プラズマ励起部は上段部に局所化でき、効率のよい下段シャワー１１を導入することによって、原料ガスは電子温度の低い拡散プラズマ領域に金属で構成された処理ガスを供給することができる。そして、プラズマ処理においては、原料ガスの過剰な電離が防止されることで薄膜の生成が容易になり、高品質の成膜が可能となる。さらに、エッチング処理では、基板上の材料パターンで均一性が変化せず、ダメージフリーエッチング、チャージアツプダメージフリー、コンタミレス等の効果が得られる。

本発明のプラズマ処理装置の構成を説明する縦断面図である。 上段及び下段のシャワーの流れを示す装置の縦断面構造を示す模式図である。 長いプラズマ処理用ガス供給シャワー管の説明図である。 短いプラズマ処理用ガス供給シャワー管の説明図である。 下段シャワー管の底面配置の説明図である。 下段シャワー管の配置を底面から見た斜視図である。

符号の説明

1・・・真空容器、２・・・誘電体板、３・・・誘電体シャワープレート、４・・・ギャップ、５１プラズマ励起用ガス供給口、６・・・プラズマ励起用ガス導入路、７・・・プラズマ励起用ガス放出孔、８,９・・・Ｏリング、１０:スロットアンテナ、１１・・・下段の処理用ガス供給シャワープレート、１２・・・処理用ガス供給口、１３・・・処理用ガス放出孔、１４・・・被処理基板、１５・・・ステージ、１６・・・排気口、１７・・・プラズマ生成部、１８・・・プラズマ処理装置、１９・・・誘電体の窓、２０・・・上段のシャワー、２１・・・下段のシャワー、２２・・・ガス導入用金属管、２３・・・金属管、２４・・・管終端、２５・・・処理用ガス導入管との接続具、２５'・・・プラズマ励起用ガス導入管との接続具、３１・・・長い処理用ガス供給シャワー管、３２・・・短いプロセス用ガス供給シャワー管。

Claims (1)

1. 壁の一部がマイクロ波を透過する材料からなる平板状の誘電体板で構成されて、内部が減圧可能な真空容器と、
   前記真空容器内にガスを供給するガス供給システムと、
   前記真空容器内に供給されるガスを排気するとともに該真空容器内を減圧するための排気システムと、
   前記誘電体板で壁の一部を構成する前記誘電体板と前記真空容器内に励起されるプラズマの間に配置された上段シャワープレートと、
   前記誘電体板を挟んで前記真空容器の外側に配置され、該誘電体板を通してプラズマ励起用のマイクロ波を供給するための平板状のスロットアンテナと、
   前記真空容器の内側に設けられて前記被処理基板を保持するステージと、
   前記真空容器の上段に配設された前記上段シャワープレートと前記被処理基板との間に設けられて、前記上段シャワープレートから放出されるガスとは異なる組成のガスを該被処理基板側に放出するための下段シャワープレートとを有し、
   前記下段シャワープレートは、複数のガス放出孔を有して前記被処理基板に対して前記ガスが均一に放出されるように均一的に展開し並設して前記スロットアンテナから放射されたマイクロ波を反射するプロセス用ガス供給のための長いシャワー管と短いシャワー管からなる複数のシャワー管を有し、
   前記シャワー管は、前記複数のガス放出孔を有する金属管と、該金属管に立設されたガス導入用の金属管とからなり、
   前記長いシャワー管と短いシャワー管は、その両端が閉塞されると共に、その各複数を前記被処置基板に対して行方向、列方向共に隣り同士を離し、かつ均一な間隔で組み合わせて配置してなり、
   前記上段シャワープレートと前記下段シャワープレートとは、前記真空容器内で互いに対向して平行に配置されており、
   前記上段シャワープレートと前記下段シャワープレート間の空間で生成されたプラズマを、前記下段シャワープレートの各シャワー管同士の間に形成される通気部を通して前記被処理基板側の空間に流し込むことで、前記下段シャワープレートが、前記被処理基板に対して均一なガス放出と、高いシャワー温度に起因するシャワープレートの変形を回避して前記被処理基板に対してプラズマ加工を施すことを特徴とするプラズマ処理装置。
   
   
   

Images