JP4642046B2 - 基板処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、基板処理装置に関するもので、一層詳しくは、フェライトコアを用いてプラズマ発生効率を向上させた基板処理装置に関するものである。
半導体ウェハーまたは各種の表示装置の基板（以下、‘基板’という）は、薄膜蒸着及び薄膜エッチングなどの基板処理工程を繰り返して行うことで製造される。
図１は、従来のフェライトコアを用いた基板処理装置を示す断面図で、図２は、その平面図である。
従来の基板処理装置１００は、上部容器１１１と下部容器１１２とが互いに結合されてなる。両側の容器１１１，１１２が形成する空間は、仕切り１２１，１２２によって上部反応空間１１３と下部反応空間１１４とに分けられる。注入された反応ガスは、反応空間１１３，１１４内でイオン化されてプラズマを形成する。上部反応空間１１３及び下部反応空間１１４には、上部チャック１３１及び下部チャック１３２がそれぞれ位置し、通常、処理対象である基板は、下部チャック１３２のみに位置する。両側の反応空間１１３，１１４の中間部には、６個の環状フェライトコア１４１が同一平面上で円状をなして等間隔で配置される。各フェライトコア１４１には、コイル１４２が巻かれており、各コイル１４２は、隣接した各フェライトコア１４１にそれぞれ反対方向に巻かれる。この理由は、隣接した各フェライトコア１４１によって発生する誘導起電力の相を反対にするためである。
両側の反応空間１１３，１１４は、フェライトコア１４１の中心部を貫通するチューブ１５１に形成された貫通孔１５２を通して連結される。貫通孔１５２を通して反応ガスが通過し、貫通孔１５２は放電電流のパスとなる。基板処理時、フェライトコア１４１を巻いたコイル１４２が１次側として機能し、プラズマが２次側として機能することで、コイル１４２に印加された高周波数電力が２次側プラズマに伝達される。隣接したフェライトコア１４１によって発生する誘導起電力は、互いに１８０°の位相差を有し、プラズマによって誘導された電流パスは、２個の隣接した貫通孔１５２を通して閉経路を形成する。図２の矢印は、隣接した各貫通孔１５２の間に形成された６個の誘導電流を示す。
プラズマ発生効率を高めるためには、プラズマによって誘導された２次側電流のパスを閉回路として形成すべきである。このために、従来の基板処理装置１００は、二つの反応空間１１３，１１４を形成する。
しかしながら、従来の基板処理装置１００では、基板処理が基板の一面のみで行われる反面、プラズマは基板の両面に発生するので、プラズマ密度及びプラズマ発生効率が減少するという問題があった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、プラズマ発生効率を向上できる基板処理装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、プラズマ発生効率を向上させるとともに、プラズマ点火を安定的に行える基板処理装置を提供することにある。
上述した目的を達成するための本発明の基板処理装置は、処理対象基板が位置し、プラズマが発生する反応空間を有する真空チャンバーと、前記真空チャンバー上面の外周に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる低周波アンテナ部と、前記低周波アンテナ部に低周波電圧を印加する低周波電源装置と、前記真空チャンバー上面の中央部に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる高周波アンテナ部と、前記高周波アンテナ部に高周波電圧を印加する高周波電源装置と、を含み、前記高周波アンテナ部は、並列に連結された複数のアンテナコイルをそれぞれ含んで同心状に配置される複数のアンテナコイル群が互いに直列に連結されてなり、前記低周波アンテナ部は、前記反応空間の外部に設けられた複数のポールと、前記複数のポールを互いに連結する連結部とを有するフェライトコアと；前記複数のポールに巻かれたアンテナコイルと；を含むことを特徴とする。
隣接した前記各ポールには、前記アンテナコイルがそれぞれ反対方向に巻かれることを特徴とする。
前記連結部は、環状に形成されることを特徴とする。
また、上述した目的を達成するための本発明の基板処理装置は、処理対象基板が位置し、プラズマが発生する反応空間を有する真空チャンバーと、前記真空チャンバー上面の外周に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる低周波アンテナ部と、前記低周波アンテナ部に低周波電圧を印加する低周波電源装置と、前記真空チャンバー上面の中央部に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる高周波アンテナ部と、前記高周波アンテナ部に高周波電圧を印加する高周波電源装置と、を含み、前記高周波アンテナ部は、並列に連結された複数のアンテナコイルをそれぞれ含んで同心状に配置される複数のアンテナコイル群が互いに直列に連結されてなり、前記低周波アンテナ部は、前記反応空間の外部に設けられ、スパイラル状の挿入溝を有する環状のフェライトコアと、前記挿入溝に挿入されるアンテナコイルと、を含むことを特徴とする。
前記スパイラル状の挿入溝は、前記環状のフェライトコアの外周から内周に円周方向に形成されることを特徴とする。
本発明に係る基板処理装置は、低周波アンテナシステム及び高周波アンテナシステムを備えることで、多様な圧力条件でもプラズマ点火に有利な高周波電源を用いる高周波アンテナシステムを通してプラズマ点火を効果的に行えるとともに、透磁率の高いフェライトコアを有する低周波アンテナシステムを通して低周波アンテナとプラズマとの間の誘導結合効率を向上させることで、プラズマ発生効率を向上させることができる。したがって、本発明に係る基板処理装置は、プラズマ均一度の高い大面積基板のプラズマ生成に適している。
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面に基づいて詳しく説明する。
最近、プラズマを用いた基板処理装置の生産性を向上させるために、基板の大型化が進んでおり、優れた均一度を有する高密度プラズマを生成させるプラズマソースが要求されている。
アンテナシステムにおいて、13.56ＭＨｚ以上のソース周波数を有する高周波電源を用いると、プラズマソースの大きさが増加するにつれて、伝送線効果（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｅｆｆｅｃｔ）のためにプラズマ均一度が悪くなる。一方、１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの相対的に低い低周波帯域の電源は、伝送線効果をなくす役割をするので、高密度プラズマソースの開発に適している。
しかしながら、プラズマ生成のためにアンテナによって生成される誘導起電力Ｅは、アンテナの磁場Ｂと電源の周波数ωに比例するので、相対的に低い周波数の電源を用いると、プラズマ発生効率が低下するという問題がある。
また、通常、各ステップで真空チャンバー内に供給される反応ガスの種類が異なり、各ステップにおける真空チャンバー内の圧力条件が多様であるため、相対的に低い周波数の電源を用いると、プラズマ点火段階でプラズマを安定的に発生させにくくなり、プラズマ点火が効果的に行われないという問題がある。
したがって、本発明では、低周波アンテナシステム及び高周波アンテナシステムを備えることで、多様な圧力条件でもプラズマ点火に有利な高周波電源を用いる高周波アンテナシステムを通してプラズマ点火を効果的に行えるとともに、透磁率の高いフェライトコアを有する低周波アンテナシステムを通して低周波アンテナとプラズマとの間の誘導結合効率を向上させることで、プラズマ発生効率を向上させることができる。
図３は、本発明の第１実施例に係る基板処理装置を示す断面図で、図４は、図３の低周波アンテナ部と高周波アンテナ部を示す平面図で、図５は、図４の高周波アンテナ部の他の実施例を示す平面図である。
図３に示すように、本発明の第１実施例に係る基板処理装置２００は、反応空間を形成する真空チャンバー２０５と、真空チャンバー２０５上面の外周に位置する低周波アンテナ部２１５と、真空チャンバー２０５上面の中央部に位置する高周波アンテナ部２０７と、低周波アンテナ部２１５に電源を供給する低周波電源装置２１８と、高周波アンテナ部２０７に電源を供給する高周波電源装置２１１と、を含む。
真空チャンバー２０５は、プラズマが形成されて基板２０３処理が行われる反応空間をなすもので、反応空間を真空及び所定温度に維持させる機能を行う。
真空チャンバー２０５と高周波／低周波アンテナ部２０７，２１５との間には、ウィンドウプレート２０１が設けられる。ウィンドウプレート２０１は、アルミナやクォーツなどの絶縁体からなる。真空チャンバー２０５の側壁には、外部から反応ガスを導入するためのガスノズル２０２が設けられる。反応空間内には、処理対象基板２０３を載置するためのチャック２０４が位置する。真空チャンバー２０５の下部には、真空ポート２０６が設けられ、この真空ポート２０６を通して反応空間を真空状態にしながら未反応ガス及び副産物などを外部に排出する。図示していないが、真空ポート２０６は、真空ポンプに連結される。
真空チャンバー２０５の上部に位置し、ウィンドウプレート２０１を挟んで反応空間と対向する低周波アンテナ部２１５は、フェライトコア２１２，２１３と、このフェライトコア２１２，２１３に巻かれた低周波アンテナコイル２１４とを含む。
フェライトコア２１２，２１３は、複数のポール２１３と、隣接した各ポール２１３を互いに連結する連結部２１２とから構成される。ポール２１３は、真空チャンバー２０５の上部に接しており、連結部２１２は、ポール２１３の上部に位置して各ポール２１３を互いに連結する。
図４に示すように、連結部２１２は、環状に形成される。ポール２１３は、連結部２１２に所定間隔を有して一列に配置される。各ポール２１３は、円筒状に形成されており、その直径が連結部２１３の幅より大きい。連結部２１２には、偶数個のポール２１３が連結されるが、例えば、６個のポール２１３が設置される。
連結部２１２に連結されたポール２１３の数を偶数にした理由は、隣接した各ポール２１３に巻かれる低周波アンテナコイル２１４の巻き方向を反対にするためである。低周波アンテナコイル２１４の一端部は、低周波電源装置２１８に連結されており、他端部は接地される。低周波アンテナコイル２１４は、連結部２１２に連結された各ポール２１３に順次巻かれる。隣接した各ポール２１３には、低周波アンテナコイル２１４がそれぞれ反対方向に巻かれており、連結部２１２に連結されたポール２１３の数が偶数であるので、全ての隣接したポール２１３には、低周波アンテナコイル２１４が互いに反対方向に巻かれる。
低周波電源装置２１８は、インピーダンス整合部２１６及び低周波電源部２１７を含む。低周波電源装置２１８は、１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの電源を低周波アンテナコイル２１４に印加する。インピーダンス整合部２１６は、低周波電源部２１７と低周波アンテナコイル２１４との間に設けられ、低周波電源部２１７の電源を低周波アンテナコイル２１４に損失なしに伝達する。
低周波アンテナコイル２１４は、キャパシタ２２０を通して接地される。このキャパシタ２２０は、容量の調節によって電源印加地点及び接地地点に印加される電圧を分配する。
図４に示すように、高周波アンテナ部２０７は、低周波アンテナ部２１５のフェライトコア２１２，２１３内に設けられる。高周波アンテナ部２０７は、高周波アンテナコイル２０８を含む。高周波アンテナコイル２０８は、並列に連結された二つの高周波アンテナコイルをそれぞれ含む二つの高周波アンテナコイル群（２０８ｃ，２０８ｄ）（２０８ｅ，２０８ｆ）が互いに直列に連結されてなる。
このとき、二つの高周波アンテナコイル群（２０８ｃ，２０８ｄ）（２０８ｅ，２０８ｆ）は、同心状に配置される。二つの高周波アンテナコイル群（２０８ｃ，２０８ｄ）（２０８ｅ，２０８ｆ）が互いに直列に連結される一方、各高周波アンテナコイル２０８は、並列に連結されて電源供給を受ける。そのため、直列に連結された場合に比べて高周波アンテナコイル２０８のインダクタンスを大幅に減少させ、高周波アンテナコイル２０８に印加される電圧を低下させることで、アーク発生可能性を減少させることができる。
また、図５に示すように、高周波アンテナ部２０７’は、一個の高周波アンテナコイル２０８’がスパイラル状に巻かれた構成も可能である。
高周波電源装置２１１は、インピーダンス整合部２０９及び高周波電源部２１０を含む。高周波電源装置２１１は、１３．５６ＭＨｚ以上の電源を高周波アンテナコイル２０８に印加する。インピーダンス整合部２０９は、高周波電源部２１０と高周波アンテナコイル２０８との間に設けられ、高周波電源部２１０の電源を高周波アンテナコイル２０８に損失なしに伝達する。
高周波アンテナコイル２０８は、キャパシタ２１９を通して接地される。このキャパシタ２１９は、容量の調節によって電源印加地点及び接地地点に印加される電圧を分配する。
以下、上記のような構成を有する基板処理装置の動作を説明する。まず、プラズマ点火段階で高周波アンテナ部２０７の高周波アンテナコイル２０８に１３．５６ＭＨｚの高周波電源を印加すると、高周波アンテナコイル２０８に流れる電流によって正弦波状の磁場が発生し、真空チャンバー２０５内の反応空間には、高周波アンテナコイル２０８に流れる電流と反対方向の誘導起電力が発生する。また、誘導起電力によって真空チャンバー２０５内の反応空間に反応ガスが励起及びイオン化され、プラズマが点火されることで、真空チャンバー２０５の中心部にプラズマが発生する。このとき、真空チャンバー２０５の外周に沿ってプラズマを発生させるためには、高周波アンテナを用いてプラズマを点火させた後、低周波アンテナに低周波電源を印加すべきである。
また、低周波アンテナ部２１５の低周波アンテナコイル２１４に１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの低周波電源を印加すると、高周波アンテナコイル２０８と同一の方式で、低周波アンテナコイル２１４に流れる電流によって正弦波状の磁場が発生し、真空チャンバー２０５内の反応空間には、低周波アンテナコイル２１４に流れる電流と反対方向に誘導起電力が発生する。また、誘導起電力によって真空チャンバー２０５内の反応ガスが励起及びイオン化され、プラズマが点火されることで、真空チャンバー２０５の外周に沿ってプラズマが発生する。その結果、基板２０３は、プラズマによって薄膜蒸着またはエッチング処理される。このとき、各ポール２１３の低周波アンテナコイル２１４に流れるコイル電流と、各ポール２１３による誘導電流とは、互いに反対方向である。磁場は、隣接した各ポール２１３の間に形成され、隣接した磁場の方向は互いに反対である。また、隣接した各ポール２１３間の連結部２１２を通して磁路が集束されることで、連結部２１２の上部への電源伝達が防止される。その結果、連結部２１２の上部の周辺構造物による磁場損失が防止され、反応空間の磁場が増加し、低周波電源を用いる場合もプラズマ発生効率が高くなる。
したがって、前記低周波アンテナシステムにおいては、１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの相対的に低い低周波帯域の電源を用いることで、伝送線効果をなくすことができ、均一な高密度プラズマ発生が可能である。また、透磁率の高いフェライトコアを用いることで、低周波アンテナとプラズマとの間の誘導結合効率を向上させ、相対的に低い周波数の電源を用いる場合もプラズマ発生効率を向上させることができる。
しかしながら、通常、各ステップで真空チャンバー２５０内に供給される反応ガスの種類が異なり、各ステップにおける真空チャンバー２０５内の圧力条件が多様であるため、相対的に低い周波数の電源を用いる低周波アンテナシステムのみでは、プラズマ点火段階でプラズマを安定的に発生させにくくなり、プラズマ点火が効果的に行われないという問題がある。
本発明によると、プラズマ点火に有利な高周波電源を用いる高周波アンテナシステムを通して、各ステップにおける真空チャンバー２０５内の圧力条件が異なる場合も、プラズマ点火を反応チャンバー２０５内の多様な圧力条件で安定的に行うことができる。さらに、本発明によると、二つのアンテナシステムの入力パワーを調節することで、プラズマ均一度を向上させることができる。
上記の実施例において、ポール２１３の大きさが連結部２１２の幅より小さく、各ポール２１３間の大きさが異なることもある。また、連結部２１２は、環状、すなわち、円形ループ状であるが、この形状に限定されることなく、プラズマの均一性などを勘案した上で、四角形ループ状、三角形ループ状、または、これら形状の組み合わせなども可能である。
一方、上記の実施例では、低周波アンテナ部２１５のフェライトコア２１２，２１３が複数のポール２１３を備えた場合を説明した。
しかしながら、フェライトコア２１２，２１３が複数のポール２１３を備える場合、フェライトコア２１２，２１の厚さが増加し、基板処理装置の小型化が困難であるだけでなく、低周波アンテナコイル２１４を各ポール２１３に巻くべきであり、製造工程が困難であり、製造時間が多く要されるという問題点がある。
したがって、複数のポール２１３及び連結部２１２を有するフェライトコア２１２，２１３は、図６〜図８に示すように、低周波アンテナコイル３０２を挿入するために、外周から内周方向にスパイラル状の挿入溝３０１が形成された連結部３００を有するフェライトコア３００，３０１に取り替えることができる。
これによって、フェライトコア３００，３０１の厚さを減少させることができ、基板処理装置の小型化に有利なだけでなく、フェライトコア３００，３０１の連結部３００に低周波アンテナコイル３０２を容易に装着することができ、製造工程が容易であり、製造時間を大幅に減少させることができる。
この場合も、図７に示すように、高周波アンテナ部２０７は、二つのアンテナコイルが並列に連結され、同心状に配置された二つのアンテナコイル群（２０８ａ，２０８ｂ）（２０８ｃ，２０８ｄ）が互いに直列に連結されて構成される。また、図８に示すように、高周波アンテナ部２０７’は、一個のアンテナコイル２０８’がスパイラル状に巻かれて構成される。
従来の基板処理装置を示す断面図である。 従来の基板処理装置を示す平面図である。 本発明の第１実施例に係る基板処理装置を示す断面図である。 図３の低周波アンテナ部と高周波アンテナ部を示す平面図である。 図４の高周波アンテナ部の他の実施例を示す平面図である。 本発明の第２実施例に係る基板処理装置を示す断面図である。 図６の低周波アンテナ部と高周波アンテナ部を示す平面図である。 図７の高周波アンテナ部の他の実施例を示す平面図である。
符号の説明
２０１ ウィンドウプレート
２０２ ガスノズル
２０３ 基板
２０４ チャック
２０５ 真空チャンバー
２０６ 真空ポート
２０７ 高周波アンテナ部
２０８ 高周波アンテナコイル
２１１ 高周波電源装置
２１２ 連結部
２１３ ポール
２１４ 低周波アンテナコイル
２１５ 低周波アンテナ部
２１８ 低周波電源装置

Claims (5)

  1. 処理対象基板が位置し、プラズマが発生する反応空間を有する真空チャンバーと、
    前記真空チャンバー上面の外周に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる低周波アンテナ部と、
    前記低周波アンテナ部に低周波電圧を印加する低周波電源装置と、
    前記真空チャンバー上面の中央部に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる高周波アンテナ部と、
    前記高周波アンテナ部に高周波電圧を印加する高周波電源装置と、
    を含み、
    前記高周波アンテナ部は、並列に連結された複数のアンテナコイルをそれぞれ含んで同心状に配置される複数のアンテナコイル群が互いに直列に連結されてなり、
    前記低周波アンテナ部は、前記反応空間の外部に設けられた複数のポールと、前記複数のポールを互いに連結する連結部とを有するフェライトコアと；前記複数のポールに巻かれたアンテナコイルと；を含むことを特徴とする基板処理装置。
  2. 隣接した前記各ポールには、前記アンテナコイルがそれぞれ反対方向に巻かれることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記連結部は、環状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
  4. 処理対象基板が位置し、プラズマが発生する反応空間を有する真空チャンバーと、
    前記真空チャンバー上面の外周に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる低周波アンテナ部と、
    前記低周波アンテナ部に低周波電圧を印加する低周波電源装置と、
    前記真空チャンバー上面の中央部に設けられ、前記反応空間にプラズマを発生させる高周波アンテナ部と、
    前記高周波アンテナ部に高周波電圧を印加する高周波電源装置と、
    を含み、
    前記高周波アンテナ部は、並列に連結された複数のアンテナコイルをそれぞれ含んで同心状に配置される複数のアンテナコイル群が互いに直列に連結されてなり、
    前記低周波アンテナ部は、前記反応空間の外部に設けられ、スパイラル状の挿入溝を有する環状のフェライトコアと、前記挿入溝に挿入されるアンテナコイルと、を含むことを特徴とする基板処理装置。
  5. 前記スパイラル状の挿入溝は、前記環状のフェライトコアの外周から内周に円周方向に形成されることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。
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