JP5069427B2 - シャワープレート、並びにそれを用いたプラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び電子装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置、とくにマイクロ波プラズマ処理装置に使用するシャワープレート、並びにそれを用いたプラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び電子装置の製造方法に関する。
プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍ、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって不可欠のものである。
これらの半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマの励起方式が使われているが、とくに平行平板型高周波励起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装置が一般的である。
プラズマ処理装置は電子密度の高く、均一なプラズマ形成が望ましい。しかしながら、これら従来のプラズマ処理装置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領域が限定されているため大きな処理速度、すなわちスループットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行うのが困難である問題を有している。
この問題は、とくに大径の基板を処理する場合に深刻な欠点となり、しかも、従来のプラズマ処理装置は電子温度が高く、被処理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、また、処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいなど、いくつかの重大な問題を有し、半導体装置や液晶表示装置のさらなる微細化と生産性の向上の要求を満たすことが困難になりつつある。
これに対して、直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。これは、特許文献１に開示されているように、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理室内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により処理室内のガスを電離してプラズマを励起させる構成を有するものである。
このプラズマ処理装置によって励起されたマイクロ波プラズマは、アンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかも、マイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらには、大面積基板上にも均一なプラズマを励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型液晶表示装置の製造にも容易に対応できる。
これらのプラズマ処理装置においては、通常、処理室内にプラズマ励起用ガスを均一に供給するためにシャワープレートが使用されている。
従来のシャワープレートは、特許文献２に記載されているように、シャワープレート本体とカバープレートで構成されており、この二つをシール用のＯリングを介して密着させ、カバープレートもしくはシャワープレート本体に設けられた溝によりガス充填空間を形成し、このガス充填空間に連通するガス放出孔よりガスを放出するようにしている。
しかし、このような構成のシャワープレートには以下のような問題がある。
まず、シャワープレートのメンテナンス性およびプラズマの安定維持性に問題がある。すなわち、シャワープレートをクリーニング等のメンテナンスのために取り外すには、シャワープレート本体とカバープレートとを別々に吊り上げるか、もしくは同時に吊り上げるには特殊な治具で一体化する必要があるので、その吊り上げ作業や治具の取り付けに手間がかかる。また、シャワープレート本体とカバープレートの一体化のために予め治具を取り付けて処理室内に配置すると、治具の存在によりプラズマの安定維持性が損なわれる。
また、シャワープレート本体とカバープレートを予め一体化せずに特殊な吊り治具を使用して一緒に吊り上げようとしても、シャワープレート本体とカバープレートには吊り治具を係止するために切欠き等の加工が必要となり、切欠き等の加工に手間がかかる共に、その切欠き等の存在により破損したりプラズマの安定維持性が損なわれる。加えて、吊り上げの作業も困難であり、吊り上げの作業時に、シャワーププレートの変形を招くおそれが高い。シャワーププレートが変形すると、やはりプラズマの安定維持性が損なわれる。
また、従来のシャワープレートでは、シャワープレート本体とカバープレートとの位置合わせの必要性があり、メンテナンスの際に位置合わせの作業に手間がかかる。位置合わせが不十分であると生成するプラズマの安定維持性が損なわれる。
さらに、従来のシャワープレートは、シャワープレート本体とカバープレートを密着するため、上述のようにシール用のＯリングを使用している。このシール用のＯリングとしては、マイクロ波損失の低いものを用いているものの、シャワープレート内のマイクロ波電界が強いためシール用のＯリング部分で異常放電が発生したり、シャワープレートが過熱した際にはＯリングが焼け焦げる場合があった。当然のことながらＯリングが焼け焦げた場合は、シール性が損なわれるために、その都度メンテナンスが必要となる。また、シャワープレート内での異常放電は、シャワープレートの損傷をもたらす。
特開平９−６３７９３号公報 特開２００２−２９９２４０号公報
本発明は、総括的には、上記問題点を解消したシャワープレートを提供することにある。具体的には、カバープレートが不要なシャワープレートを提供することにある。
他の課題は、メンテナンス性およびプラズマの安定維持性に優れたシャワープレートを提供することにある。
さらに他の課題は、シャワープレート内での異常放電の発生を防止することにある。
またさらには、シール用のＯリングの焼け焦げに伴うメンテナンスの必要性を無くすことにある。
本発明は、プラズマ処理装置の処理室に配置され、処理室にプラズマを発生させるためにプラズマ励起用ガスを放出するシャワープレートにおいて、シャワープレート本体とカバープレートを一体化したものである。すなわち、シャワープレートを一体物とし、このシャワープレートに、プラズマ処理装置のガス導入ポートからのプラズマ励起用ガスを導入する横孔と、この横孔に連通してプラズマ励起用ガスを放出するための縦孔とを設け、前記横孔はシャワープレートの側面から中心部に向けて設けられていることを特徴とするものである。
このように、プラズマ処理装置のガス導入ポートからのプラズマ励起用ガスを導入する横孔を一体物のシャワープレートに設けたことで、従来のシャワープレートのような別体のカバープレートが不要となる。したがって、カバープレートとシャワープレート本体との正確な位置合わせ作業が不要となるとともに、クリーニング作業時の取り外しや吊り上げが容易となり、メンテナンス性も向上する。さらに、取り外しや吊り上げのための特殊な治具が必要ないので、これらの治具によってプラズマの安定性が損なわれることもない。
そして、取り外しや吊り上げ作業が容易となることから、その作業時にシャワープレートが変形するといった事態の発生を防止でき、この点からもプラズマの安定性が損なわれるのを防止できる。加えて、シャワープレート本体とカバープレートとを密着させるためのシール用のＯリングも不要となり、このシール用のＯリングに起因する異常放電をなくすことができる。当然、シール用のＯリングの焼け焦げの問題もなくなる。
本発明のシャワープレートにおいて、横孔は、シャワープレートの周方向に沿って略等間隔で複数設けることが好ましい。
本発明によれば、従来のシャワープレートにおける別体のカバープレートが不要となり、クリーニング作業時の取り外しや吊り上げも容易となるので、メンテナンス性およびプラズマの安定維持性を向上させることができる。
また、シャワープレート内での異常放電の発生を防止することができ、これにより、シャワープレートの損傷が防止され、プラズマ処理の品質や歩留まりが向上する。
以下、実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。
図１に、本発明を適用したマイクロ波プラズマ処理装置を示す。図示されたマイクロ波プラズマ処理装置は複数の排気ポート１０１を介して排気される処理室１０２を有し、処理室１０２中には被処理基板１０３を保持する保持台１０４が配置されている。処理室１０２を均一に排気するため、処理室１０２は保持台１０４の周囲にリング状の空間を規定しており、複数の排気ポート１０１は空間に連通するように等間隔で、すなわち、被処理基板１０３に対して軸対称に配列されている。この排気ポート１０１の配列により、処理室１０２を排気ポート１０１より均一に排気することができる。
処理室１０２の上部には、保持台１０４上の被処理基板１０３に対応する位置に、処理室１０２の外壁の一部として、直径が４０８ｍｍ、比誘電率が９．８で、かつ低マイクロ波誘電損失（誘電損失が１×１０−３以下より好ましくは１×１０−４以下）である誘電体のアルミナからなるシャワープレート１０５が、シール用のＯリング１０６を介して取り付けられている。また、処理室１０２を構成する壁面１０７において、シャワープレート１０５の側面に対応する位置に、２本のシール用のＯリング１０８とシャワープレート１０５の側面とにより囲まれたリング状空間１０９が設けられている。リング状空間１０９はプラズマ励起用ガスを導入するガス導入ポート１１０と連通している。
一方、シャワープレート１０５の側面、すなわち一体物のシャワープレート本体には横方向に直径１ｍｍの多数の横孔１１１がシャワープレート１０５の中心方向に向かって開けられている。同時に、この横孔１１１と連通するように多数（２３０個）の縦孔１１２が処理室１０２へ連通して開けられている。
図２は、シャワープレート１０５を上面からみた横孔１１１と縦孔１１２の配置を示す。図３は、横孔１１１と縦孔１１２の配置を示す斜視模式図である。横孔１１１は、シャワープレート１０５の側面から中心部に向かって設けられ、この横孔１１１がシャワープレート１０５の周方向に沿って略等間隔で複数設けらて、全体として放射状の形態をなしている。
また、図４は、縦孔１１２の詳細を示す。縦孔１１２は、処理室１０２側に設けられた直径１０ｍｍ、深さ１０ｍｍの第一の縦孔１１２ａと、さらにその先（ガス導入側）に設けられた直径１ｍｍの第二の縦孔１１２ｂとからなり、横孔１１１に連通している。さらに、第一の縦孔１１２ａには、処理室１０２側からみてアルミナ押し出し成型品からなり複数の直径５０μｍのガス放出孔１１３ａが開けられた高さ５ｍｍのセラミックス部材１１３と、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱状の、ガス流通方向に連通した気孔を有する多孔質セラミックスガス流通体１１４が順番に装着されている。
横孔１１１および縦孔１１２の形成は、例えば以下の要領で行う。
まず、横孔１１１の形成にあたっては、焼結用原料粉末を圧粉成型して得たグリーン成形体の段階で、焼結収縮後の直径寸法がφ１ｍｍになる寸法の長尺ドリルを準備する。横孔１１１の長さ寸法は図２に示すように長短様々であり、中でも最長の孔は約２５０ｍｍに達するため、長尺ドリルには同等以上の長さが必要となることから、ヤング率が５００ＧＰａ以上の剛性を有する超硬合金材料を用いるのが好適である。横孔の長さが短い場合は前記材料からなる短尺ドリルで孔加工し、長尺の場合は短尺ドリルで下孔を加工した後、この下孔に沿って長尺ドリルで加工することにより、同心度と真直度を２μｍ以内に形成加工することができる。
縦孔１１２については、同様に焼結収縮後の寸法がφ１ｍｍになる寸法の超硬合金製の短尺ドリルで第二の縦孔１１２ｂを加工した後、焼結収縮後の寸法がφ１０ｍｍになる寸法の超硬工具で第一の縦孔１１２ａの孔加工を行う。
図１を参照してプラズマ励起用ガスの処理室への導入方法を示す。ガス導入ポート１１０より導入されたプラズマ励起用ガスは、リング状空間１０９へ導入され、さらには横孔１１１、縦孔１１２を介して、最終的には縦孔１１２の先端部分に設けられたガス放出孔１１３ａから処理室１０２へ導入される。
シャワープレート１０５の上面には、マイクロ波を放射するための、スリットが多数開いたラジアルラインスロットアンテナのスロット板１１５、マイクロ波を径方向に伝播させるための遅波板１１６、およびマイクロ波をアンテナヘ導入するための同軸導波管１１７が設置されている。また、遅波板１１６は、スロット板１１５と金属板１１８により挟みこまれている。金属板１１８には冷却用流路１１９が設けられている。
このような構成において、スロット板１１５から放射されたマイクロ波により、シャワープレート１０５から供給されたプラズマ励起用ガスを電離させることで、シャワープレート１０５の直下数ミリメートルの領域で高密度プラズマが生成される。生成されたプラズマは拡散により被処理基板１０３へ到達する。シャワープレート１０５からは、プラズマ励起用ガスのほかに、積極的にラジカルを生成させるガスとして、酸素ガスやアンモニアガスを導入しても良い。
図示されたプラズマ処理装置では、処理室１０２中、シャワープレート１０５と被処理基板１０３との間にアルミニウムやステンレス等の導体からなる下段シャワープレート１２０が配置されている。この下段シャワープレート１２０は、プロセスガス供給ポート１２１から供給されるプロセスガスを処理室１０２内の被処理基板１０３へ導入するための複数のガス流路１２０ａを備え、プロセスガスはガス流路１２０ａの被処理基板１０３に対応する面に形成された多数のノズル１２０ｂにより、下段シャワープレート１２０と被処理基板１０３との間の空間に放出される。ここでプロセスガスとしては、Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)プロセスの場合、シリコン系の薄膜形成を行う場合はシランガスやジシランガス、低誘電率膜を形成する場合はＣ５Ｆ８ガスが導入される。またプロセスガスとして有機金属ガスを導入したＣＶＤも可能である。また、Reactive Ion Etching(RIE)プロセスの場合、シリコン酸化膜エッチングの場合はＣ５Ｆ８ガスと酸素ガス、金属膜やシリコンのエッチングの場合は塩素ガスやＨＢｒガスが導入される。エッチングする際にイオンエネルギーが必要な場合には前記保持台１０４内部に設置された電極にＲＦ電源１２２をコンデンサを介して接続して、ＲＦ電力を印加することで自己バイアス電圧を被処理基板１０３上に発生させる。流すプロセスガスのガス種は上記に限定されることなく、プロセスにより流すガス、圧力を設定する。
下段シャワープレート１２０には、隣接するガス流路１２０ａどうしの間に、下段シャワープレート１２０の上部でマイクロ波により励起されたプラズマを被処理基板１０３と下段シャワープレート１２０との間の空間に拡散により効率よく通過させるような大きさの開口部１２０ｃが形成されている。
また、高密度プラズマに晒されることでシャワープレート１０５へ流れ込む熱流は、スロット板１１５、遅波板１１６、及び金属板１１８を介して冷却用流路１１９に流されている水等の冷媒により排熱される。
図４を参照すると、本実施例におけるアルミナ材料からなる円柱状のセラミックス部材１１３に開けられた複数のガス放出孔１１３ａは、直径５０μｍとしている。この数値は、１０１２ｃｍ−３の高密度プラズマのシース厚である４０μｍの２倍よりは小さいが、１０１３ｃｍ−３の高密度プラズマのシース厚である１０μｍの２倍よりは大きい。
なお、プラズマに接している物体表面に形成されるシースの厚みｄは次式で与えられる。
Figure 0005069427
ここで、Ｖ０はプラズマと物体の電位差（単位はＶ）、Ｔｅは電子温度（単位はｅＶ）であり、λＤは次式で与えられるデバイ長である。
Figure 0005069427
ここで、ε０は真空の透磁率、ｋはボルツマン定数、ｎｅはプラズマの電子密度である。
表１に示すとおり、プラズマの電子密度が上昇するとデバイ長は減少するため、プラズマの逆流を防ぐという観点からは、ガス放出孔１１３ａの孔径はより小さいことが望ましいといえる。
Figure 0005069427
さらに、ガス放出孔１１３ａの長さを電子が散乱されるまでの平均距離である平均自由行程より長くすることにより、プラズマの逆流を劇的に低減することが可能となる。表２に、電子の平均自由行程を示す。平均自由行程は圧力に反比例し、０．１Ｔｏｒｒの時に４ｍｍとなっている。実際にはガス放出孔１１３ａのガス導入側は圧力が高いので平均自由行程は４ｍｍよりも短くなるが、本実施例においては、５０μｍ径のガス放出孔１１３ａの長さを５ｍｍとして、平均自由行程よりも長い値としている。
Figure 0005069427
ただし、平均自由行程はあくまで平均距離であるので、統計的にみるとさらに長い距離を散乱されずに進む電子がある。よって、本実施例では、ガス放出孔１１３ａのガス導入側にガス流通方向に連通した気孔を有する多孔質セラミックスガス流通体１１４を設置する。
この多孔質セラミックス流通体１１４は、平均結晶粒子径が１０μｍ以下より好ましくは５μｍ以下で気孔率が２０〜７５％で最大気孔径が７５μｍ以下、曲げ強さが３０ＭＰａ以上の材料を用いる。
気孔径の大きさは、気孔の中にプラズマが逆流し、第二の縦孔１１２ｂでの異常放電を抑制するために、シャワープレート１０５直下に形成される高密度プラズマのシース厚の２倍以下、望ましくはシース厚以下であることが好ましい。本実施例における多孔質セラミックスガス流通体１１４は、連通した気孔によりガスの流通性が確保されており、その流通経路はジグザグ状に曲折し、しかも５μｍ以下、大きくとも１０μｍ以下の隘路が多数介在しており、その隘路の大きさは１０μｍ以下であり、１０１３ｃｍ−３の高密度プラズマのシース厚である１０μｍと同程度以下である。このようにすることによって、１０１３ｃｍ−３の高密度プラズマに対しても、本シャワープレートを用いることができる。
以上の構成を有するシャワープレート１０５によれば、ガス導入ポート１１０からのガスを導入する横孔１１１をシャワープレート本体に設けたことで、従来のシャワープレートにおける別体のカバープレートが不要となる。したがって、クリーニング作業時の取り外しや吊り上げが容易となり、メンテナンス性も向上した。さらに、取り外しや吊り上げのための特殊な治具が必要ないので、これらの治具によってプラズマの安定性が損なわれることもなかった。そして、取り外しや吊り上げ作業が容易となることから、その作業時にシャワープレートが変形するといった事態の発生を防止でき、この点からもプラズマの安定性が損なわれるのを防止できた。加えて、シャワープレート本体とカバープレートとを密着させるためのシール用のＯリングも不要となり、このシール用のＯリングに起因する異常放電をなくすことができた。
また、本実施例では、ガス放出孔１１３ａの上流側に多孔質セラミックスガス流通体１１４を設けたことで、縦孔１１２のガス導入側にプラズマが逆流することを防止でき、シャワープレート１０５内部での異常放電やガスの堆積の発生を抑えることができるので、プラズマを励起するためのマイクロ波の伝送効率や歩留まりの劣化を防止することができるようになった。また、プラズマに接する面の平坦度を阻害することがなく、効率の良いプラズマ励起が可能となった。加えて、ガス放出孔１１３ａは、シャワープレート１０５とは別体のセラミックス部材１１３に押し出し成型法等により形成されるので、シャワープレートに孔加工によりガス放出孔を形成する場合に比べ、直径が０．１ｍｍ以下の微細で長いガス放出孔を容易に形成することができるようになった。
なお、多孔質セラミックス流通体１１４とセラミックス部材１１３は、誘電損失が１×１０−３以下より好ましくは１×１０−４以下の高純度セラミックス材料で形成した。
また、被処理基板１０３へ均一にプラズマ励起用ガス供給を行ない、さらに下段シャワープレート１２０からノズル１２０ｂを介してプロセスガスを被処理基板１０３へ放出するようにした結果、下段シャワープレート１２０に設けられたノズル１２０ｂから被処理基板１０３へ向かうプロセスガスの流れが均一に形成され、プロセスガスがシャワープレート１０５の上部へ戻る成分が少なくなった。結果として、高密度プラズマに晒されることによる過剰解離によるプロセスガス分子の分解が減少し、かつプロセスガスが堆積性ガスであってもシャワープレート１０５への堆積によるマイクロ波導入効率の劣化などが起こりづらくなったため、クリーニング時間の短縮とプロセス安定性と再現性を高めて生産性を向上させるとともに、高品質な基板処理が可能となった。
なお、第一の縦孔１１２ａおよび第二の縦孔１１２ｂの個数、直径および長さ、セラミックス部材１１３に開けられるガス放出孔１１３ａの個数、直径および長さ等は、本実施例の数値に限られることは無い。
本発明のシャワープレートは、マイクロ波プラズマ処理装置のほか、平行平板型高周波励起プラズマ処理装置、誘導結合型プラズマ処理装置等、各種のプラズマ処理装置に利用可能である。
本発明を適用したマイクロ波プラズマ処理装置を示す。 図１に示したシャワープレートを上面からみた横孔と縦孔の配置を示す。 図１に示したシャワープレートの横孔と縦孔の配置を示す斜視模式図である。 図１に示したシャワープレートの縦孔の詳細を示す。
符号の説明
１０１ 排気ポート
１０２ 処理室
１０３ 被処理基板
１０４ 保持台
１０５ シャワープレート
１０６ シール用のＯリング
１０７ 壁面
１０８ シール用のＯリング
１０９ リング状空間
１１０ ガス導入ポート
１１１ 横孔
１１２ 縦孔
１１２ａ 第一の縦孔
１１２ｂ 第二の縦孔
１１３ セラミックス部材
１１３ａ ガス放出孔
１１４ 多孔質セラミックスガス流通体
１１５ スロット板
１１６ 遅波板
１１７ 同軸導波管
１１８ 金属板
１１９ 冷却用流路
１２０ 下段シャワープレート
１２０ａ ガス流路
１２０ｂ ノズル
１２０ｃ 開口部
１２１ プロセスガス供給ポート
１２２ ＲＦ電源

Claims (5)

  1. プラズマ処理装置の処理室に配置され、前記処理室にプラズマを発生させるためにプラズマ励起用ガスを放出するシャワープレートにおいて、
    シャワープレートを一体物とし、このシャワープレートに、プラズマ処理装置のガス導入ポートからのプラズマ励起用ガスを導入する横孔と、この横孔に連通してプラズマ励起用ガスを放出するための縦孔とを設け、前記横孔はシャワープレートの側面から中心部に向けて設けられていることを特徴とするシャワープレート。
  2. 横孔がシャワープレートの周方向に沿って複数設けられている請求項１に記載のシャワープレート。
  3. 請求項１または請求項２に記載のシャワープレートを処理室に配置したプラズマ処理装置。
  4. 請求項１または請求項２に記載のシャワープレートを用いてプラズマ励起用ガスをプラズマ処理装置内に供給し、供給されたプラズマ励起用ガスをマイクロ波で励起してプラズマを発生させ、該プラズマを用いて酸化、窒化、酸窒化、ＣＶＤ、エッチング、またはプラズマ照射を基板に対して施すプラズマ処理方法。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理方法によって基板を処理する工程を含む電子装置の製造方法。
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