JP5143662B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。より詳しくは、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

集積回路や液晶、太陽電池など多くの半導体デバイスにプラズマ技術は広く用いられている。半導体製造過程の薄膜の堆積やエッチング工程などで利用されているが、より高性能かつ高機能な製品のために、例えば超微細加工技術など高度なプラズマ処理が求められる。特に、低気圧高密度プラズマを得られるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。

マイクロ波プラズマ源を用いたプラズマ処理装置は、マイクロ波放電により気体を電離させプラズマを発生させる。マイクロ波は導波管を介してアンテナのスロット部分から給電され、天板を透過してプラズマ処理室内へ放射される。

特許文献１に、被処理体を収容した処理容器内にマイクロ波発生器から導波管を介してマイクロ波を導入してプラズマを発生させて、前記被処理体に所定の処理を施すようにしたプラズマ処理装置において、前記導波管に、前記処理容器からの反射波をなくすためのマッチング手段を設けるように構成し、マイクロ波の反射電力を略なくすことができることが記載されている。
特開平０９−１９０９００号公報

プラズマ処理装置の、装置製造段階における各々の構成部材の公差や、プラズマにより発生する熱による部材の熱膨張により、マイクロ波の伝播状態は変化する。また、温度や圧力、ガスの種類などのプラズマ発生条件により、プラズマ特性は変化するため、どのような条件に対しても均一になるプラズマを生成することはむずかしい。

従来の技術では、プラズマ発生に寄与する実効電力（出力電力と反射電力の差）について対策がなされており、反射電力を少なくすることで、より実効電力を多くすることが目的である。しかし、効率よくプラズマを発生させるだけでなく、均一にプラズマ処理を行うことも必要である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、どのようなプロセス条件に対しても均一で、かつ再現性がよいプラズマを発生させることのできるプラズマ処理装置を提供する。

上記目的を達成するため、本発明に係るプラズマ処理装置は、
マイクロ波を用いてプラズマを処理容器内に発生させ、被処理対象物にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波を発生させるマイクロ波源と、
前記マイクロ波を伝送させる導波管と、
前記マイクロ波源から前記導波管を介して、前記マイクロ波を前記処理容器内に放射するアンテナと、
前記アンテナに接して前記マイクロ波を前記処理容器内に透過させる誘電体窓と、
前記導波管の位置と、前記アンテナの位置と、を相対的に変化するように移動させることができる位置調整手段と、
を備え、
前記導波管は、内側導体と外側導体を備える同軸導波管であり、
前記位置調整手段は、前記導波管に備えられており、
前記位置調整手段は、前記アンテナの面に対して水平方向に、前記アンテナに接する前記内側導体を前記外側導体に対して相対的に変位させる、ことを特徴とする。

前記位置調節手段は、ねじ送り機構であってもよい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、どのようなプロセス条件に対しても均一で、かつ再現性がよいプラズマを発生させることのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の断面図である。図２は、図１の１点鎖線の囲み部分Ｋの構成概略図である。実施の形態１に係る位置調整手段を示しており、アンテナと導波管の関係を示す。

プラズマ処理装置１は、チャンバ（プラズマ処理容器）２、天板（誘電体窓）３、アンテナ４、導波管５、マイクロ波源６、冷却ジャケット７、基板保持台８、真空ポンプ９、高周波電源１０、ガス通路１１、温度センサ１２、を備える。アンテナ４はシールド部材からなる導波部４ａ、スロット板４ａ、誘電体からなる遅波板４ｂとを備える。導波管５は外側導体５ａと内側導体５ｂからなる軸管の部分と、軸管の上部にある矩形導波部５ｃとを備える。

図５は、従来のプラズマ処理装置のアンテナと導波管の関係を表す構成概略図で、図１の１点鎖線の囲み部分Ｋに対応する部分を示す。アンテナ４と導波管５は固定され、マイクロ波が天板３を介してチャンバ２内へ導入されるときの位置は固定されたままである。現行品に対し本実施の形態１では、図２に示すように、導波管５は、内側導体５ｂを支持するねじ送り機構２０を備える。

ねじ送り機構２０は、導波管５の矩形導波部５ｃ上に、内側導体５ｂを囲うように等間隔に４つ設けられ、平面上のどの方向にも内側導体５ｂを移動させることができる。ねじ送り機構２０は、押さえ板２１、固定ネジ２２、調整ネジ２３、ストッパ２４、を備える。直接に内側導体５ｂに触れる部分を押さえ板２１で支持することができ、押さえ板２１に備えた固定ネジ２２を締めることで、内側導体５ｂの位置を固定する。調整ネジ２３を回して内側導体５ｂの位置を調整でき、内側導体５ｂを外側導体５ａに触れない範囲内で移動させることが可能である。調整ネジ２３で最も変位を大きくしたときに、内側導体５ｂが外側導体５ａに触れない位置に、ストッパ２４を備えておくことで、内側導体５ｂが外側導体５ａと接触するのを防止できる。

図３は、スロット板４ａの一例を示す平面図である。スロット板４ａは、遅波板４ｂに隣接して配置され、多数のスロット４１、４２が形成されている。スロット板４ａを遅波板４ｂの下面に備えることでマイクロ波を遅波板４ｂの面方向に広げることができる。図３に示すように、スロット４１、４２は同心円状に、かつ互いに直交するように形成されている。マイクロ波はスロット４１、４２から下方向に放射され径方向に伝播し、天板３内で反射が繰り返され、干渉して強め合い、定在波が形成される。プラズマはスロット４１、４２の長さ方向に垂直に広がるので、天板３直下にプラズマが発生する。

プラズマ処理装置１のチャンバ２は、天板３により塞がれている。このときチャンバ２内は、真空ポンプ９で真空状態としておく。天板３上には、アンテナ４が結合されている。アンテナ４には、導波管５が接続されている。

より詳しくは、スロット板４ａは内側導体５ｂに結合される。遅波板４ｂは、冷却ジャケット７とスロット板４ａとの間にあり、マイクロ波の波長を圧縮する。遅波板４ｂは例えばＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの誘電体材料から構成される。

マイクロ波源６から導波管５を通してマイクロ波を供給する。マイクロ波は遅波板４ｂの間を径方向に伝播し、スロット板４ａのスロットより放射される。マイクロ波は天板３を伝播して偏波面を有し、全体として円偏波を形成する。

アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）等のプラズマ励起用のガスがチャンバー２内に供給され、マイクロ波が給電されプラズマが生成される。図示しない下段ガス供給手段等により、成膜用のガスをチャンバー内へ供給することにより、基板保持台８に設置した被処理基板Ｗに絶縁膜などの成膜、いわゆるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等のプラズマ処理を施すことができる。被処理基板Ｗを搬入しプラズマ処理後に搬出するという一連の流れを繰り返し、所定枚数の基板に対して所定の基板処理を行う。

プラズマ生成時において、プラズマによる熱が発生し、天板３および天板３周辺部に熱が蓄積されていく。天板３および天板３周辺部の温度変化は、天板３の熱変形を誘発し、天板３内を伝播する電磁波の強度分布、およびプラズマ密度分布に影響を与える。そのため、プラズマ処理装置１に備えられた冷却ジャケット７で、天板３の冷却を行っている。具体的には、冷却ジャケット７の内部に形成された冷却流路７ａに熱媒体を流すことで、冷却を行う。さらに、天板３上部付近、特に最も高温となりやすいアンテナ４周辺の温度を温度センサ１２で測定することで、測温結果をプラズマ処理装置１を制御する制御部などにフィードバックでき、冷却流路７ａに流す熱媒体の量を調節しながら、温度を制御することも可能である。

しかし、アンテナ４の冷却を行っていても、均一に冷却することは難しいため、プラズマ密度分布の不均一の原因となることがある。また、プラズマ処理装置１の製造時に各々の構成部材の公差や、プラズマ生成条件（ガスの種類や温度、圧力など）により、プラズマ密度分布が均一とならない場合がある。さらに、天板３などに蓄積された熱により、プラズマ処理装置１の各々の構成部材が熱膨張し、天板３内の電磁界分布、従って、プラズマ密度分布に偏りが生じる原因となる。

図２に示すように、導波管５は、プラズマ処理装置１にしっかりと固定されている。導波管５の内側導体５ｂにねじ送り機構２０を備えることで、導波管５の内側導体５ｂを移動させることができる。内側導体５ｂによりマイクロ波の導入位置は決められ、内側導体５ｂを移動することで、マイクロ波の導入位置を変化させることができる。内側導体５ｂの移動は、ねじ送り機構２０の調整ネジ２３を回して行う。このとき、内側導体５ｂが外側導体５ａに触れない範囲内で支持しながら移動させる。

導波管５を介して導入されたマイクロ波は、導入された位置を中心として、所定の波長の大きさで、反射を繰り返しながら、天板３内を伝播する。マイクロ波は天板３内で粗密位置パターンを形成するため、あるプラズマ密度分布を形成して安定する。マイクロ波の導入位置により、天板３内を伝播するマイクロ波の粗密位置パターンが異なることを利用して、形成されたプラズマ密度分布を変化させることができる。さらに、プラズマ密度分布が変化した場合でも容易に調整でき、所定のプラズマ密度分布を維持することができる。

導波管５の内側導体５ｂを変位させるときの、その変位量・方向については、実際に被処理基板Ｗに処理を行い、処理状況を確認し、最適かどうかの判断を行う。例えば、プラズマ処理装置１の立ち上げ時および一定期間経過毎など、所定時間経過後の処理後の基板を抜き取り、プラズマ分布密度の確認を行う。また、プラズマの発生状態をリアルタイムで測定し、プラズマ処理装置１の制御部へ情報をフィードバックし、蓄積された情報をもとに、適切な変位量を求めもよい。ねじ送り機構２０を備えることで、最適なプラズマ分布密度となる位置へ内側導体５ｂを変位させることができる。特に後者の場合は、プラズマ密度分布の制御が随時行われており、プラズマ密度分布を短時間で、再現性よく安定させることができるので、生産性の観点からより望ましい。

ねじ送り機構２０は、プラズマ処理装置１のチャンバ２の外側に備えられているので、チャンバ２内の圧力やガスを変化させることなく、簡単に位置調整が可能である。プラズマ密度分布が変化した場合であっても、ねじ送り機構２０によりマイクロ波の導入位置を変化させることで、天板３内の電磁界分布を変化させ、対称性のよい磁界分布を形成し、均一なプラズマ密度分布を形成させることができる。また、異なる条件で連続してプラズマ処理を行う場合であっても、常に均一な電磁界分布を再現し、プラズマ密度分布を常に均一にすることも可能である。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る、プラズマ処理装置のアンテナと導波管の関係を示す構成概略図である。プラズマ処理装置１は図１と同じものを用いており、１点鎖線の囲み部分Ｋを示す。図５に示した現行品に対し本実施の形態２では、導波管５を移動でき、かつ、固定できるねじ送り機構３０を備える。

ねじ送り機構３０は、冷却ジャケット７の上に、導波管５の軸管を囲うように等間隔に４つ設けられ、平面上のどの方向にも導波管５を移動させることができるようにする。ねじ送り機構３０は、押さえ板３１、固定ネジ３２、調整ネジ３３、を備える。ねじ送り機構３０は、直接に導波管５の軸管、ここでは外側導体５ａに触れる部分を押さえ板３１で支持することができ、調整ネジ３３を回して、導波管５の位置を移動させる。そして、押さえ板３１に備えた固定ネジ３２を締め、導波管５を固定する。導波管５を移動させることで、マイクロ波の導入位置を決める内側導体５ｂも一緒に移動するので、対向する天板３の位置およびアンテナ４の位置が相対的に変化する。

導波管５を介して導入されたマイクロ波は、導入された位置を中心として、所定の波長の大きさで、反射を繰り返しながら、天板３内を伝播する。マイクロ波は天板３内で粗密位置パターンを形成するため、あるプラズマ密度分布を形成して安定する。マイクロ波の導入位置により、天板３内を伝播するマイクロ波の粗密位置パターンが異なることを利用して、形成されたプラズマ密度分布を変化させることができる。さらに、プラズマ密度分布が変化した場合でも容易に調整でき、所定のプラズマ密度分布を維持することができる。

導波管５の変位量・方向については、実際に処理を行って、被処理基板Ｗ上に施されたプラズマ処理の状態より、それらの最適値を順次求めてもよい。また、プラズマの発生状態をリアルタイムで測定できるときは、フィードバック処理を行って最適な位置への変位量を求めることも可能である。特に後者の場合は、基板を無駄にすることないので生産性の観点からより望ましい。求められた導波管５の変位量と方向に合わせて、ねじ送り機構３０で導波管５の位置を動かし、マイクロ波の導入位置を換え、安定したプラズマ密度分布を形成する。

ねじ送り機構３０は、プラズマ処理装置１のチャンバ２の外側に備えられているので、チャンバ２内の圧力やガスを変化させることなく、簡単に位置調整が可能である。プラズマ密度分布が変化した場合であっても、ねじ送り機構３０によりマイクロ波の導入位置を変化させることで、プラズマ密度分布を変化させ、常に均一な密度分布をもつプラズマを安定して発生させることができる。また、異なる条件で連続してプラズマ処理を行う場合であっても、常に均一な密度分布をもつプラズマを再現し、プラズマ密度分布を安定させることも可能である。

本発明により、プラズマ密度分布が安定し、かつ再現性がよいプラズマを発生させることができる。また、異なる条件で連続してプラズマ処理する場合であっても、マイクロ波の伝播を変化させることで、プラズマ密度分布を安定させることが可能となるので、成膜処理やエッチング処理の条件を変化させたい場合に特に有効である。プラズマ処理は、他に、アッシング処理などの全てのプラズマ処理に適用することができる。

また、被処理体としての基板は半導体基板に限定されず、ガラス基板やセラミック基板などを選ぶこともでき、様々な種類の基板のプラズマ処理に適用することができる。

なお、実施の形態で説明したプラズマ処理装置は一例であり、これらに限定されるものではない。特に、導波管とアンテナとの位置を相対的に変化するように移動させることができる位置調整手段は、上述したねじ送り機構に限らず、様々な位置調整手段を用いることが可能である。例えば、可動部と可動範囲の枠の間にすき間ゲージのような調節部材を挿入して、可動部が所定の位置になるように調節する方法を採用してもよい。または、てこを用いて、可動部の変位を拡大して調節できるように構成してもよい。さらに、位置調整を行う際は、手動で行ってもよいし、自動で行われるように構成してもよい。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係るプラズマ処理装置のアンテナと導波管の関係を表す構成概略図で、図１の１点鎖線の囲み部分Ｋを示す。 スロット板の平面図である。 本発明の実施の形態２に係るプラズマ処理装置のアンテナと導波管の関係を表す構成概略図で、図１の１点鎖線の囲み部分Ｋを示す。 従来のプラズマ処理装置のアンテナと導波管の関係を表す構成概略図で、図１の１点鎖線の囲み部分Ｋに対応する部分を示す。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ チャンバ（プラズマ処理容器）
３ 天板（誘電体窓）
４ アンテナ
５ 導波管
５ａ 外側導体
５ｂ 内側導体
５ｃ 矩形導波部
７ 冷却ジャケット
２０、３０ ねじ送り機構
２１、３１ 押さえ板
２２、３２ 固定ネジ
２３、３３ 調整ネジ
２４ ストッパ

Claims (2)

1. マイクロ波を用いてプラズマを処理容器内に発生させ、被処理対象物にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波を発生させるマイクロ波源と、
   前記マイクロ波を伝送させる導波管と、
   前記マイクロ波源から前記導波管を介して、前記マイクロ波を前記処理容器内に放射するアンテナと、
   前記アンテナに接して前記マイクロ波を前記処理容器内に透過させる誘電体窓と、
   前記導波管の位置と、前記アンテナの位置と、を相対的に変化するように移動させることができる位置調整手段と、
   を備え、
   前記導波管は、内側導体と外側導体を備える同軸導波管であり、
   前記位置調整手段は、前記導波管に備えられており、
   前記位置調整手段は、前記アンテナの面に対して水平方向に、前記アンテナに接する前記内側導体を前記外側導体に対して相対的に変位させる、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記位置調節手段は、ねじ送り機構であ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。

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