JP4581918B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工程における微細なパターンを形成するためのプラズマ処理装置に関するもので、特に真空容器内のプラズマ発光の検出を行うための装置に関するものである。

半導体製造工程は、従来よりプラズマによるドライエッチングやスパッタリング法などの処理が広く用いられている。この処理は、真空容器内に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、真空容器内に配置された被処理物と反応させて微細な孔や溝などの加工あるいは成膜などの処理を行うと共に、被処理物から生じた反応生成物を排気することにより所定の処理を行うというものである。

従来のプラズマ処理装置におけるプラズマ処理の終点検出は、例えば、真空容器内で発生したブラズマの発光スペクトルの変化を検出することで行われる。具体的には以下の通りである。

真空容器の側壁に、例えば石英からなる透明なプラズマの発光の検出窓を設置し、その検出窓を介して真空容器の外部の終点検出器の光受容部に発光スペクトルを伝達した後、そして、伝達された発光スペクトルの変化に基づいて、終点検出器でエッチング処理の終点を検出している。しかしながら、エッチング処理時には、例えば被処理物から生じた反応生成物などが真空容器内に付着し、同様に検出窓のうち真空容器の内壁面側にも付着するため、エッチング処理を行うたびにブラズマ光の透過性が低下して、伝達する光量が低下することになる。それゆえ、エッチング処理の終点の検出が処理の頻度に応じて次第に難しくなり、検出窓の洗浄または交換を頻繁に行わなければならないという問題が生じることになる。

そこで、上記問題を解決するために、特許文献１に記載の発明（以下、「先行発明」と称す）のような提案がされている。図３は、先行発明に係るプラズマ処理装置を示すものであり、図４は、このプラズマ処理装置のうち要部Ｂを拡大した断面図である。

以下、図３及び図４を参照しながら、先行発明に係るプラズマ処理装置を詳述する。

先行発明に係るプラズマ処理装置は、処理容器３０１と、処理容器３０１内に生成したプラズマを検出するための検出窓３０２と、処理容器３０１内にガスを導入するガス供給源３０３と、処理容器３０１内のガスを排気する排気機構３０４と、基板を載置する電極３０５と、電極に高周波電力を印加する高周波電源３０６とで構成される。

検出窓３０２は、処理容器３０１の壁部に設けられ、透光性を有する第１部材４０１と、第１部材４０１の処理容器３０１の内部側に配置され、処理容器３０１内のプラズマの光を第１部材４０１に導くように形成された多数の貫通孔４０２を有し、少なくともその表面がプラズマの発光スペクトルに対して不透過性を有する第２部材４０３と、第１部材４０１と第２部材４０３との間に設けられ、第１部材４０１よりも耐プラズマ性が高い透光性材料からなる第３部材４０４とを有するというものである。

このような構成によって、先行発明は検出窓３０２の第１部材４０１が透光性を有し、第２部材４０３に貫通孔４０２が形成されており、かつ、第１部材４０１と第２部材４０３との間に、第１部材よりも耐プラズマ性が高い透光性材料からなる第３部材４０４を設けたので、第２部材４０３の貫通孔４０２の存在により、光を透過しつつ反応生成物等の侵入を妨げることができ、しかも、第３部材４０４によりプラズマによるエッチングを抑制することができるとされている。従って、検出窓３０２への反応生成物の付着やプラズマによって生じる透光性低下を生じ難くすることができるとされている。

一方、第２部材４０３の少なくとも表面がプラズマの発光スペクトルに対して不透過性を有するので、第２部材４０３の微細貫通孔内を通過した発光スペクトルのみが第３部材４０４および第１部材４０１を通過し、そのため反応生成物がたとえ第２部材４０３の表面に付着した場合でも、検出される発光スペクトルの光量が低下しないとされている。

以上のようなことから、先行発明によれば、長期間に亘ってプラズマ状態を高精度で検出することが可能となるとされている。

また、光透過性部分として第１部材４０１の処理容器３０１側部分に第３部材４０４を設けたので、プラズマにより透光性が低下したとしても、第３部材４０４のみを交換すればよいので、第１部材４０１の交換頻度を著しく少なくすることができるとされている。このような構成において、第１部材４０１と第２部材４０３とを離隔して設けることにより、第１部材４０１への反応生成物の付着を効果的に防止することができると共に、第２部材４０３の交換が容易となるとされている。

この場合、第３部材４０４を第２部材４０３の表面に密着するように設けることにより、第２部材４０３と第３部材４０４とを一体的に交換することができ、交換作業を一層容易にすることができるとされている。このように、第２部材４０３および第３部材４０４を第１部材４０１から離隔して設ける場合には、処理容器３０１の側壁の内側に設けられ、処理容器３０１内で生成された反応生成物が処理容器３０１の内壁に付着することを防止するためのシールド部材４０５に第２部材４０３を取り付け、更に、第３部材４０４を第２部材４０３に密着させれば、第２部材４０３および第３部材４０４の交換の際にはシールド部材４０５を外せばよく、これらの交換作業をより一層容易にすることができるとされている。

また、このように第１部材４０１と第２部材４０３とを離隔して設ける際に、第３部材４０４と第１部材４０１とを離隔させることにより、第２部材４０３の微細貫通孔４０２から反応生成物が侵入した場合でも、第３部材４０４への反応生成物等の付着を少なくすることができるとされている。
特開２０００−７７３９５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、プラズマ処理中に被処理物から生じる反応生成物が検出窓や貫通孔に付着することになり、プラズマの発光スペクトルの光量が低下するので、定期的な検出窓の洗浄もしくは交換するという問題を有することになり、その結果、それに関わるメンテナンス等でコストを要し、生産性が低下することになる。

本発明は、上記従来の問題点を鑑み、プラズマ処理での反応生成物の付着物が検出窓の表面に付着し難く、長期間に亘ってプラズマ状態を高精度で検出す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している。

本願の第１の発明の装置は、真空処理室内に被処理体を載置する下部電極を備え、前記真空処理室内にガスを給排気する手段と、前記下部電極と対向して誘電体が設けられ、前記誘電体上に第１電極を具備したプラズマ処理装置であって、前記誘電体の直上、かつ、前記誘電体と前記第１電極との間に第２電極を配置すると共に前記誘電体の側面にプラズマの発光を検出するための集光装置を有し、前記集光装置は、前記第１電極及び前記第２電極を覆う電極カバーの外壁面のうち、前記誘電体と前記集光装置との間の前記電極カバーに形成された穴を覆うように取り付けられ、受光素子を不透過性の樹脂で構成される部材と前記電極カバーとで囲うように構成されることを特徴とする。

このような構成により、前記検出窓をクリーニングせずにプラズマの発光を検出することができる。

本願の第２の発明の装置は、前記第１の電極は１３．５６〜１００ＭＨｚの周波数の高周波電源と整合器で構成されることを特徴とする。

このような構成により、被処理膜を処理できる。

本願の第３の発明の装置は、前記検出窓は石英もしくサファイアで構成されることを特徴とする。

このような構成により、プラズマの光を効率よく前記受光素子に伝達することできる。

本願の第４の発明の装置は、前記第２の電極は高周波電源と整合器もしくは前記第２の電極はアースとの間に１個以上のコンデンサと１個以上のコイルで構成される整合器を具備することを特徴とする。

このような構成により、被処理体による前記検出窓の付着物を除去することができる。

本願の第７の発明の装置は、前記第２の電極は、前記検出窓と隣接し、前記検出窓より大きいことを特徴とする。

このような構成により、被処理体による前記検出窓の付着物を効率よく除去することができる。

以上のように、本発明のプラズマ処理装置によれば、検出窓に高周波を印加する電極を設置したので、真空容器内のプラズマにより、検出窓は光を透過しつつ被処理物のプラズマ処理により発生する反応生成物等の付着を防ぐことができる。したがって、反応生成物の付着やプラズマによるエッチングによって生じる透過性低下を生じ難くすることができる。一方、検出窓から受光素子まで外部からのプラズマ以外の光を遮断する構造を有するので、発光スペクトルのみ受光素子に伝達され、検出される発光スペクトルの光量が低下しない。以上のことから、本発明によれば、長期間に亘って、検出窓の洗浄もしくは交換することなくプラズマ状態を高精度に検出することが可能になる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマ処理装置を示す概略断面図であり、図２は図１の要部Ａを拡大して示す断面図である。

プラズマ処理装置１００は、アルミニウム等の導電性材料からなり内部を真空保持することが可能な真空容器１０１を備えている。この真空容器１０１は、インナチャンバ１０２と誘電体１０３とで構成され、インナチャンバ１０２と誘電体１０３が取り外し可能でとなっている。また、真空容器１０１とインナチャンバ１０２は、アルミ部材に表面を酸化処理したアルマイトが被覆されており、エッチングによる悪影響等を防止するようにしている。真空容器１０１内底部には、支柱１０４を介して下部電極を構成する第３電極１０５が配置されており、真空容器１０１の天壁には誘電体１０３を介して第１電極１０６ａが第３電極１０５に対向するように設けられている。更に、誘電体１０３の直上に第２電極１０６ｂが設けられ、第１電極１０６ａと接触しないように設置されている。

第３電極１０５は、セラミック等の誘電性部材からなり、その上面に被処理体である半導体ウエハＷが載置される。第３電極１０５内には、温度調節機構（図示せず）が設けられており、これにより第３電極１０５に載置された半導体ウエハＷを所望の温度に制御可能となっている。第３電極１０５の半導体ウエハＷの載置面には静電チャック（図示せず）が配置されており、これにより半導体ウエハＷが静電吸着され、第３電極１０５上に所望の状態で保持される。

インナチャンバ１０２にあるガス導入口１０７にはガス供給装置１０８が接続されており、ガス導入口を介して第３電極１０５上の半導体ウエハＷの表面に向けて均一に吐出される。

真空容器１０１の底部には調圧弁１０９が設置され、その下方部に排気口１１０が接続され、この排気口１１０は排気機構１１１に接続されている。従って、排気機構１１１を作動されることにより、真空容器１０１が排気され、調圧弁１０９で調節することにより、その中が所定の減圧雰囲気に維持可能な構造となっている。

第１電極１０６ａにはマッチング回路１１２ａを介して第１電極用高周波電源１１３ａが接続されており、一方、第２電極１０６ｂにはマッチング回路１１２ｂを介して第２電極用高周波電源１１３ｂ接続されている。更には、下部電極である第３電極１０５にはマッチング回路１１２ｃを介して第３電極用高周波電源１１４が接続されており、所定の高周波電力が第１電極用高周波電源１１３ａからマッチング回路１１２ａを介して第１電極１０６ａに印加され、その結果、真空容器１０１内に導入されたプロセスガスが解離してプラズマ化する。

同時に、所定の高周波電力が第３電極用高周波電源１１４からマッチング回路１１２ｂを介して第３電極１０５に印加され、生成したプラズマを半導体ウエハＷに引き込み所定のエッチング処理が施される。

更に、所定の高周波電力が第２電極用高周波電源１１３ｂからマッチング回路１１２ｂを介して第２電極１０６ｂに印加され、その結果、前記上部電極ａによりプラズマ化されたガスによってプロセスガスのプラズマによるエッチング反応によって生じた反応生成物が誘電体１０３の真空容器側に付着することを防止する機能を有している。誘電体１０３の直径は、例えば４６０ｍｍであり、第２電極１０６ｂの直径は、例えば４６０ｍｍである。

このとき、第１電極１０６ａに印加される高周波電力の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚ〜１００ＭＨｚである。また、第２電極１０６ｂに印加される高周波電力の周波数は、例えば４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚである。更に、第３電極１０５に印加される高周波電力の周波数は、例えば４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚである。

また、実施の形態１のプラズマ処理装置においては、電極カバー１１７の側面に真空容器１０１内で生成しているプラズマ状態を検出するための誘電体１０３を検出窓とする。また、誘電体の側面には集光装置１１５が設けられている。

集光装置１１５は受光素子を有し、真空容器１０１内で発生したプラズマ発光を誘電体１０３を通過して、前記受光素子が発光スペクトルを検出し、終点検出器１１６に伝達し、それに基づいてエッチングの終点を把握するようになっている。

図２に示すように表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる電極カバー１１７の側面に誘電体１０３と対向するように穴２０３があけられ、第２部材２０１、第２部材２０２とで構成されている集光装置１１５が設置されている。

第１部材２０１は、厚さが例えば１０ｍｍ、直径６０ｍｍの円筒で中心を直径４０ｍｍのはめ込み穴があり、電極カバー１１７の側面の穴２０３を覆うようにはめ込まれ、第２部材２０２により電極カバー１１７に取り付けられている。そして、第１部材２０１と電極カバー１１７との間はねじ２０４により、第１部材２０１と第２部材２０２との間はねじ２０５により第１部材２０１にねじ止めされる。

第２部材２０２は、例えば、直径が６０ｍｍであり、厚さが５ｍｍである。

穴２０３は例えば直径２０ｍｍであり、受光素子と隣接している。

上記第１部材２０１および第２部材２０２を構成する樹脂は光透過性を有しておらずプラズマ光および外からの光に対して不透過性である。また、電極カバー１１７を構成するアルミニウムも、プラズマ光に対して不透過性である。

このように構成されるエッチング装置においては、まず、真空容器１０１内の第３電極１０５上に半導体ウエハＷを載置し、真空容器１０１内を排気機構１１１により所定の圧力まで減圧する。次いで、ガス供給装置１０８から配管を通ってガス導入口１０７から所定の処理ガスを半導体ウエハＷに向けて吐出させる。それと同時に第１電極用高周波電源１１３ａからマッチング回路１１２ａを通って所定の周波数および電圧の高周波を第１電極１０６ａに印加する。また、第３電極用高周波電源１１４からマッチング回路１１２ｃを通って所定の周波数および電圧の高周波を第３電極に印加する。さらに第２電極用高周波電源１１３ｂからマッチング回路１１２ｂを通って所定の周波数および電圧の高周波をｄ第２電極１０６ｂに印加する。

これにより、真空容器１０１内の第３電極１０５と誘電体１０３との間の空間には処理ガスのプラズマが生成され、半導体ウエハＷに対して所定のプラズマ処理が施され、誘電体１０３に発生したプラズマを引き込み、プロセスガスのプラズマによるエッチング反応によって生じた反応生成物がプラズマ処理により真空容器側に付着することを防止する。

この際に、半導体ウエハＷのエッチングの進行に従ってプラズマの発光スペクトルが変化する。この時、プラズマの発光スペクトルは、誘電体１０３と穴２０３を通過し、集光装置１１５の受光素子を通じて終点検出器１１６に導かれる。この終点検出器１１６において、検出された発光スペクトルの変化に基づいてエッチング処理の終点を把握し、エッチング処理を終了する。

本実施形態においては、以上のように、誘電体１０３を検出窓としたので、この第２電極１０６ｂの存在により、光を透過しつつ反応生成物等の除去をすることができ、また、第１部材２０１、第２部材２０２はプラズマの発光スペクトルに対して不透過性の樹脂で構成されているので、誘電体１０３を通過した発光スペクトルのみが受光素子に伝達され、ウエハＷの処理が進んだ場合でも、検出される発光スペクトルの光量が低下しない。

このように、本実施形態により、上部の誘電体１０３と第１電極１０６ａの間に第２電極１０６ｂを挿入することで真空容器１０１内に発生したプラズマを誘電体１０３に引き込み、反応生成物がほとんど付着することが無い。そのため、長時間に亘って終点検出器１１６によりプラズマ処理の終点等の進捗状況を正確に検出することができると共に、誘電体１０３のクリーニングは必要なく、スループットを高めることができる。

以上述べた本説明の好適な実施の形態において説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態においては、誘電体１０３の透過性の部材としては、上記石英及びサファイアに限定されるものではない。

また、誘電体１０３にプラズマを引き込み付着する反応生成物を処理する方法として、第２電極１０６ｂに高周波電源の電力印加だけでなく、第２電極１０６ｂとアースの間にコンデンサ及びコイル等で構成される回路を組み込むことで第１電極１０６ａからの高周波電力を第２電極１０６ｂに分配させる方法でもよい。

さらに、上記実施形態では、検出窓をプラズマの終点を検出するために用いたが、これに限らず他の目的でプラズマ状態を検出する場合、またはウエハの表面状態などを赤外線もしくはＣＣＤによる観察によりその状態を検出する場合にも適用することも出来る。さらにまた、検出窓の位置もプラズマ状態を検出することが出来る限り、上記位置に限定されるものではないし、その個数も１個に限らず複数設けても良い。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ処理でのエッチング終点を長期間にわたって検出することを有し、プラズマＣＶＤに成膜処理等の他のプラズマ処理の用途にも適用できる。また、被処理体として半導体ウエハを用いた例について示したが、これに限らず液晶表示装置用ガラス基板等、他の被処理体を処理する場合であっても良い。

本発明のプラズマ処理装置に係る概略断面図 本発明のプラズマ処理装置に係る要部Ａを拡大して示す断面図 従来のプラズマ処理装置に係る概略断面図 要部Ｂを拡大して示す断面図

符号の説明

１０１ 真空容器
１０２ インナチャンバ
１０３ 誘電体
１０４ 支柱
１０５ 第３電極
１０６ａ 第１電極
１０６ｂ 第２電極
１０７ ガス導入口
１０８ ガス供給装置
１０９ 調圧弁
１１０ 排気口
１１１ 排気機構
１１２ａ マッチング回路
１１２ｂ マッチング回路
１１３ａ 第１電極用高周波電源
１１３ｂ 第２電極用高周波電源
１１４ 第３電極用高周波電源
１１５ 集光装置
１１６ 終点検出器
１１７ 電極カバー
１１８ 接地点
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (4)

1. 真空処理室内に被処理体を載置する下部電極を備え、前記真空処理室内にガスを給排気する手段と、前記下部電極と対向して誘電体が設けられ、前記誘電体上に第１電極を具備したプラズマ処理装置であって、前記誘電体の直上、かつ、前記誘電体と前記第１電極との間に第２電極を配置すると共に前記誘電体の側面にプラズマの発光を検出するための集光装置を有し、前記集光装置は、前記第１電極及び前記第２電極を覆う電極カバーの外壁面のうち、前記誘電体と前記集光装置との間の前記電極カバーに形成された穴を覆うように取り付けられ、受光素子を不透過性の樹脂で構成される部材と前記電極カバーとで囲うように構成されることを特徴とするプラズマ処理装置。
   
2. 前記第１電極は、１３．５６ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の高周波電源に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体は、石英若しくはサファイアで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２電極は高周波電源と整合器もしくは前記第２電極はアースとの間に１個以上のコンデンサと１個以上のコイルで構成される整合器を具備することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。

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