JP4873718B2

JP4873718B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Publication number: JP4873718B2
Application number: JP2007037810A
Authority: JP
Inventors: 克尚加茂
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008202079A

Description

本発明は、放電空間内に生起されたプラズマを用いて、成膜、エッチング、表面改質等の処理を行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来より、プラズマ処理装置において放電空間内に生起されるプラズマの密度分布を制御して成膜レート分布等を所望に調整する技術が種々知られている。

例えば、マグネトロンスパッタリング装置においては、磁気回路の設計やターゲット・基板間距離の変更によって、大幅で自由な分布変更が可能であるが、装置の構成部品を移動もしくは交換する必要があり、新規設計においては比較的満足いく制御が可能である反面、既存装置への適用や、設計上の分布と実際の処理で得られる分布との微妙なズレの補正は困難であった。

また、装置構成には手を加えず、プロセスガス圧の変更によって成膜レート分布を変える場合、プロセスガス圧変更の影響が膜質などへもおよぶため安易には変更し得ず、むしろ膜質等の改善のため、レート分布を犠牲にしたプロセスガス圧変更を余儀なくされる場合があった。

特許文献１には、複数の分割ＲＦ電極を備えた電極部を設け、電気的に相互に独立したＲＦ放電により、複数の部分プラズマを発生させることで、全体プラズマの密度を制御することが開示されている。各々の分割電極に、別々に電力を供給することにより、分割電極に印加された電力に応じた密度を有する複数の部分プラズマが発生する。この複数の部分プラズマが集合して全体プラズマが形成される。

しかし、本発明者の検討によれば、プラズマ処理時におけるプラズマ密度分布は、外部からカソードに印加される電力だけでなく、プラズマ中の電子が、グランドに接続されたチャンバー壁や、別途設けられたアノード体に飛び込むことで流れる電流にも依存する傾向があるとの知見を得るに至った。

したがって、プラズマ処理の条件や、装置構成、設計等によっては、カソード体に印加する電力を制御するだけでは所望の処理レートに制御し難い場合があり、別なアプローチが求められる。
特開２００６−５４３３４号公報

本発明は、大幅な装置構成の変更や、処理条件の変更を要することなく、処理レート分布を制御可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。

本発明の一態様によれば、電源と、放電空間に臨んで設けられ、前記電源から電力が印加されるカソード体と、互いに分離されて前記放電空間に臨んで設けられたセンターアノードと外周アノードとを有するアノード体と、を備え、前記センターアノードは、前記カソード体に対して分離されて前記カソード体の中央に設けられ、前記外周アノードは、前記カソード体に対して分離されて前記カソード体の外周側にリング状に設けられ、前記センターアノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路と、前記外周アノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路との間でコンダクタンスを異ならせたことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、電源からの電力が印加されるカソード体と、前記カソード体に対向して設けられグランドに接続された被処理物との間の放電空間に放電を生じさせて前記放電空間内にプラズマを生起して前記被処理物に処理を行うプラズマ処理方法であって、前記カソード体に対して分離されて前記放電空間に臨んで前記カソード体の中央に設けられたセンターアノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路と、前記カソード体及び前記センターアノードに対して分離されて前記放電空間に臨んで前記カソード体の外周側にリング状に設けられた外周アノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路との間のコンダクタンスの比率を制御することを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、電源からの電力が印加されるカソード体と、前記カソード体に対向して設けられグランドに接続された被処理物との間の放電空間に放電を生じさせて前記放電空間内にプラズマを生起して前記被処理物に処理を行うプラズマ処理方法であって、前記被処理物の処理レートを測定し、この測定結果に基づいて、互いに分離されて前記放電空間に臨んで設けられた複数のアノード体を介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路のコンダクタンスの比率を制御することを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。

本発明によれば、大幅な装置構成の変更や、処理条件の変更を要することなく、処理レート分布を制御可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法が提供される。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では、プラズマ処理装置としてスパッタ成膜装置を一例に挙げて説明する。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置全体の概略構成を表す模式図である。図１は、同プラズマ処理装置における要部構成の模式図である。なお、図２では、図１に示すアノード体５、６の図示は省略している。

本実施形態に係るプラズマ処理装置は、チャンバー壁５０の内部に設けられる構成要素と、チャンバー壁５０の外部に設けられる構成要素とに大別される。

チャンバー壁５０の内部には、ターゲット３と、図示しない支持部に支持された被処理物（成膜対象物）６０とが対向配置され、それら間のチャンバー内空間は放電空間１０として機能する。図１においてはターゲット３の上方に図示しない支持部（被処理物）が対向配置され、ターゲット３と支持部（被処理物）との間に放電空間１０が形成される。

ターゲット３は、図示しないバッキングプレートなどに保持されて、本実施形態におけるカソード体の一構成要素として機能する。カソード体は電気的に分割されておらず、ひとつの電源１からの電力がカソード体に対して一体に印加される単一の電極として機能する。ターゲット３の被スパッタ面は放電空間１０に臨んでいる。

本実施形態に係るプラズマ処理装置は、例えば被処理物としてディスク状記録媒体の基板に対してスパッタ成膜を行う装置であり、ターゲット３は、ディスク状記録媒体の形状に合わせてリング状（ドーナツ状）に形成されている。

ターゲット３の中央孔には、ターゲット３に対して離間して（絶縁分離されて）、例えば円形状のアノード体（センターアノード）６が設けられている。ターゲット３の外周側には、ターゲット３に対して離間して（絶縁分離されて）、例えばリング状のアノード体（外周アノード）５が設けられている。これらアノード体５、６は、互いに絶縁分離されて放電空間１０に臨んでいる。

チャンバー壁の外部には、電源（本実施形態では例えば直流電源）１が配設されている。カソード体として機能するターゲット３には、プラズマ処理時（スパッタ成膜時）、電源１から負電圧が印加される。これにより、被処理物６０とターゲット３との間の放電空間１０内にガス導入管８（図２）を介して導入されたプロセスガスが電離してプラズマが生成される。

プラズマ処理時（スパッタ成膜時）、ターゲット３から飛び出した電子がアノード体５、６に飛び込むことで、アノード体５、６を介して放電空間１０の外部に電流が流れる。本実施形態では、各々のアノード体５、６を介して放電空間１０の外部に流れる電流の複数（本実施形態では２つ）の経路１２、１３間でコンダクタンスが異なるようにしている。

具体的には、アノード体（外周アノード）５はそのままグランドに接続されるのに対して、アノード体（センターアノード）６とグランドとの間にはスイッチ１１が介在されている。スイッチ１１は放電空間１０（真空チャンバー）の外部に設けられている。スイッチ１１の開閉制御によって、アノード体６を介して経路１２に流れる電流量を可変できる。

本実施形態の構成において、スイッチ１１を閉じてアノード体（センターアノード）６を介して経路１２に電流を流す場合と、スイッチ１１を開いてアノード体（センターアノード）６及び経路１２を電気的に浮遊させた場合とで、それぞれスパッタ成膜を行い、被処理物に形成される膜の成膜レートを測定した。この測定では、シリコンからなるターゲット３と、Ｏ_２ガスとを用いた反応性スパッタにより、被処理物にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を成膜した。

その測定結果を図３に示す。図３において、横軸は被処理物における径方向位置を表し、０（ゼロ）は被処理物の中心位置を表す。図３において縦軸は、成膜レート（オングストローム／秒）を表す。グラフ中、黒丸はスイッチ１１を閉じてアノード体（センターアノード）６を接地させた場合（経路１２に６アンペアの通電）を表し、白丸スイッチ１１を開いてアノード体（センターアノード）６を浮遊させた場合（経路１２に電流が流れない）を表す。

シリコンターゲット３は、外径４５０（ｍｍ）のリング状（ドーナツ状）のものを用いた。電源１からの印加パワーは６（ｋＷ）、放電電圧は３３０（Ｖ）、放電電流は１８（Ａ）とした。放電空間１０内には、アノード体（センターアノード）６部分から、Ｏ_２ガスとアルゴンガスとを５０％：５０％の割合で導入し、放電空間１０内圧力を１（Ｐａ）に維持した。

図３の結果より、アノード体（センターアノード）６接地時には、中央付近が大きく盛り上がる分布を示していたものが、アノード体（センターアノード）６浮遊時にはその傾向が変化し、逆に中央がくぼんだ分布を示した。

この結果について考察すると、スイッチ１１の開閉によって、放電空間１０内のプラズマ中からアノード体（センターアノード）６に飛び込む電子の量が変化し、したがって、スイッチ１１が閉じているときと開いているときとでプラズマ密度の分布が変化し、このプラズマ密度の変化に起因して成膜レートの面内分布が図３に示すように変化したものと考えられる。

スイッチ１１は、アノード体（外周アノード）５とグランドとの間の経路１３に設け、アノード体５を介して経路１３に流れる電流量を制御するようにしてもよい。アノード体５、６にそれぞれ接続された経路１３、１２に流れる電流量のバランス（比率）を制御することで、アノード体６が設けられた放電空間１０の中心付近と、アノード体５が設けられた外周側とで、プラズマ中の電子がアノード体５、６に飛び込む量を変動させることができ、結果として、排気、スパッタ用ガス、反応用ガス等の流れの影響を補正することができ、放電空間１０内におけるプラズマ密度の分布、および成膜レートの面内分布を制御することが可能となる。

本実施形態によれば、真空チャンバー（放電空間１０）の外部から、電気的な切り替え（スイッチ１１の開閉）を行うのみで成膜レート分布の傾向を変化させることができ、既存装置の構成部品の配置位置を変えたり交換するなどの設計変更が不要であり、汎用性が高い。

また、処理中に成膜レート分布を測定する測定手段を設け、例えば本実施形態の場合ではスイッチ１１の開閉時間を制御して成膜レート分布がどのように変化するかを測定し、その測定結果のフィードバックを受けつつスイッチ１１の開閉制御を行うことで、処理中における成膜レート分布の変動に対して補正がリアルタイムで可能となり、処理品質及び生産効率を高められる。なお、成膜レート分布の測定は、成膜処理中に限らず、装置を停止（処理を停止）させた状態で行ってもよい。この場合でも、チャンバー外部からの簡単な操作により成膜レート分布の変更が可能となり、またチャンバー内の真空（減圧雰囲気）を破らず、速やかに処理を再開できる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図である。

本実施形態では、上記第１の実施形態におけるスイッチ１１に代えて、アノード体６とグランドとの間の経路１２に抵抗２１を設けることで、グランドにそのまま接続された経路１３に対してコンダクタンスを異ならせている。経路１２に抵抗２１を設けた分、経路１３に比べて電流が流れにくくなっている。

抵抗２１の抵抗値を変えることで、アノード体５、６にそれぞれ接続された経路１３、１２に流れる電流量の比率を変えることが可能となり、アノード体６が設けられた放電空間１０の中心付近と、アノード体５が設けられた外周側とで、プラズマ中の電子がアノード体５、６に飛び込む量を変動させることができ、結果として、排気、スパッタ用ガス、反応用ガス等の流れの影響を補正することができ、放電空間１０内におけるプラズマ密度の分布、および成膜レートの面内分布を制御することが可能となる。

また、抵抗２１として可変抵抗を用いれば、その可変抵抗の抵抗値を制御して成膜レート分布がどのように変化するかを測定し、その測定結果のフィードバックを受けつつ可変抵抗の抵抗値制御を行うことで、処理中における成膜レート分布の変動に対して補正がリアルタイムで可能となり、処理品質及び生産効率を高められる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図である。

本実施形態では、経路１２を補助電源３１に接続させ、アノード体６に補助電源３１から正電圧が印加されることで、グランドにそのまま接続された経路１３とのコンダクタンスを異ならせている。補助電源３１からの印加電圧を変えることで、すなわちカソード体であるターゲット３と、アノード体６との電位差を変えることで、アノード体６を介して経路１２に流れる電流量を可変できる。

本実施形態においても、アノード体５、６にそれぞれ接続された経路１３、１２に流れる電流量の比率を変えることが可能となり、アノード体６が設けられた放電空間１０の中心付近と、アノード体５が設けられた外周側とで、プラズマ中の電子がアノード体５、６に飛び込む量を変動させることができ、結果として、排気、スパッタ用ガス、反応用ガス等の流れの影響を補正することができ、放電空間１０内におけるプラズマ密度の分布、および成膜レートの面内分布を制御することが可能となる。

また、補助電源３１からの印加電圧を制御して成膜レート分布がどのように変化するかを測定し、その測定結果のフィードバックを受けつつ補助電源３１の印加電圧制御を行うことで、処理中における成膜レート分布の変動に対して補正がリアルタイムで可能となり、処理品質及び生産効率を高められる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明の第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図である。

本実施形態では、前述した実施形態においてターゲット３の中央に設けられたアノード体（センターアノード）６に対応するものを設けずに、ターゲット３の外周側に設けられたアノード体（外周アノード）を複数に分割している。本実施形態では、前述した実施形態におけるリング状のアノード体５を周方向に例えば４分割し、図６にはそのうちの２つのアノード体５ａ、５ｂを図示している。

本実施形態においても、各アノード体５ａ、５ｂを介して放電空間１０の外部に流れる電流経路間でコンダクタンスを異ならせている。具体的には、各アノード体５ａ、５ｂは、前述した実施形態におけるスイッチ１１、抵抗２１、補助電源３１等の電流量可変手段４０を介してグランドに接続されている。

そして、電流量可変手段４０の制御により、アノード体５ａ、５ｂにそれぞれ接続された経路に流れる電流量の比率を変えることが可能となり、よって、放電空間１０においてアノード体５ａ近傍領域とアノード体５ｂ近傍領域とで、プラズマ中の電子がアノード体５ａ、５ｂに飛び込む量を変動させることができ、結果として、排気、スパッタ用ガス、反応用ガス等の流れの影響を補正することができ、放電空間１０内におけるプラズマ密度の分布、および成膜レートの面内分布を制御することが可能となる。

［第５の実施形態］
図７は、本発明の第５の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図である。

前述した実施形態では、チャンバー壁の内部にチャンバー壁とは別に複数に分割（絶縁分離）されたアノード体を設けていたが、本実施形態では、チャンバー壁自体を複数に分割（絶縁分離）されたアノード体として機能させている。

チャンバー壁は、例えば４つのチャンバー壁（アノード体）５０ａ〜５０ｄに分割され、各チャンバー壁（アノード体）５０ａ〜５０ｄの間には絶縁体５１が介在されて、全体として筒状をなし、内側に処理空間（放電空間）を画成している。

そして、本実施形態においても、各チャンバー壁５０ａ〜５０ｄを介して放電空間の外部に流れる各電流経路５５ａ〜５５ｄに前述した電流量可変手段４０を設けるなどして、各電流経路５５ａ〜５５ｄ間でコンダクタンスを異ならせている。これにより、本実施形態においても、各チャンバー壁５０ａ〜５０ｄそれぞれ接続された経路５５ａ〜５５ｄに流れる電流量のバランス（比率）を変えることが可能となり、よって、放電空間において各チャンバー壁５０ａ〜５０ｄ近傍領域で、プラズマ中の電子が各チャンバー壁５０ａ〜５０ｄに飛び込む量を変動させることができ、結果として、排気、スパッタ用ガス、反応用ガス等の流れの影響を補正することができ、放電空間内におけるプラズマ密度の分布、および成膜レートの面内分布を制御することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

本発明は、スパッタ成膜処理に限らず、スパッタエッチング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）成膜、表面改質など他のプラズマ処理にも適用可能である。

複数のアノード体は、放電空間内において径方向や周方向など平面方向で分割されていることに限らず、上下方向で分割された構成であってもよい。また、前述した実施形態では、カソード体（ターゲット）の中央に１つのアノード体（センターアノード）６を配置したが、カソード体（ターゲット）配置領域内に複数のアノード体を散在させるように配置してもよい。

また、アノード体は１つであっても、そのアノード体を介してチャンバー（放電空間）外部に流れる電流経路に、放電空間の外部からの操作により、その経路のコンダクタンスを可変できる手段（スイッチ、可変抵抗、補助電源等）を設ければ、その手段の制御により、前記経路にどれくらい電流が流れるか（電流ゼロも含む）を調整でき、結果として、放電空間内のプラズマ密度の分布および被処理物に対する処理レートの面内分布の制御を行うことが可能となる。

アノード体を介して放電空間の外部に電流を流す経路が複数ある場合、それぞれの経路ごとにコンダクタンスを可変できるようにしてもよいし、あるいは、少なくとも一つの経路のコンダクタンスだけを可変できるようにしてもよい。一つの経路のコンダクタンスだけを変えることができる場合でも、各経路間に流れる電流量のバランス（比率）を変えることができ、これにより処理レート分布の傾向を変動させることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図。同実施形態に係るプラズマ処理装置全体の概略構成を表す模式図。同第１の実施形態においてスイッチを閉じた場合と開いた場合とで成膜レートを測定した結果を表すグラフ図。本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図。本発明の第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図。本発明の第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図。本発明の第５の実施形態に係るプラズマ処理装置の要部構成の模式図。

符号の説明

１…電源、３…カソード体（ターゲット）、５…アノード体、６…アノード体、１０…放電空間、１１…スイッチ、２１…抵抗、３１…補助電源

Claims

電源と、
放電空間に臨んで設けられ、前記電源から電力が印加されるカソード体と、
互いに分離されて前記放電空間に臨んで設けられたセンターアノードと外周アノードとを有するアノード体と、
を備え、
前記センターアノードは、前記カソード体に対して分離されて前記カソード体の中央に設けられ、
前記外周アノードは、前記カソード体に対して分離されて前記カソード体の外周側にリング状に設けられ、
前記センターアノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路と、前記外周アノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路との間でコンダクタンスを異ならせたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記アノード体とグランドとの間に設けられ、前記アノード体を介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路のコンダクタンスを可変する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
電源からの電力が印加されるカソード体と、前記カソード体に対向して設けられグランドに接続された被処理物との間の放電空間に放電を生じさせて前記放電空間内にプラズマを生起して前記被処理物に処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記カソード体に対して分離されて前記放電空間に臨んで前記カソード体の中央に設けられたセンターアノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路と、前記カソード体及び前記センターアノードに対して分離されて前記放電空間に臨んで前記カソード体の外周側にリング状に設けられた外周アノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路との間のコンダクタンスの比率を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記被処理物の処理レートを測定し、この測定結果に基づいて、前記センターアノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路と、前記外周アノードを介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路との間のコンダクタンスの比率を制御することを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理方法。
電源からの電力が印加されるカソード体と、前記カソード体に対向して設けられグランドに接続された被処理物との間の放電空間に放電を生じさせて前記放電空間内にプラズマを生起して前記被処理物に処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記被処理物の処理レートを測定し、この測定結果に基づいて、互いに分離されて前記放電空間に臨んで設けられた複数のアノード体を介して前記放電空間の外部に流れる電流の経路のコンダクタンスの比率を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。