JP5200221B2

JP5200221B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5200221B2
Application number: JP2008061856A
Authority: JP
Inventors: 浩通扇谷; 秀夫大槻
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009218453A

Description

本発明は、反応室の外部から光学測定を行うための、光透過性を有する誘電体窓を備えたプラズマ処理装置に関する。特に、その誘電体窓に付着物が徐々に堆積し、曇りが生じることを防止したプラズマ処理装置に関する。なお、本明細書において「光」には、光学測定可能な紫外光、赤外光が含まれる。

近年のマイクロマシン製造技術の高度化により、プラズマ処理装置において、処理対象物表面のエッチング深さをリアルタイムで測定することが行われている。この測定技術の一例としては、レーザ干渉等を用いた光学測定があり、反応室の一部に設けられた誘電体窓の外部からレーザを入射し、エッチング深さを測定する。また、他の技術としては、プラズマ発光分析測定があり、反応室内部で発生したプラズマから生じた光を誘電体窓の外部で測定することにより、エッチング深さをリアルタイムで測定する。これらいずれの方法でも、光学測定器が反応室の外部に設置され、レーザや光が誘電体窓を透過することによって計測が行われるため、正確な測定を行うためには、誘電体窓の光の透過率は常に高く、且つ一定であることが望ましい。

また、近年、プラズマ処理装置で窒化ガリウムなどの化合物半導体を所望の形状にエッチングしてＬＥＤやレーザ素子を製造することが行われている。レーザ素子はＬＥＤとは異なり化合物半導体の形状によってその特性が著しく異なるのでリアルタイムでエッチング量（形状）を管理することが必要となる。例えば、ＬＥＤは１０％程度の精度で形状を管理すればよいが、レーザ素子は１％以下の精度で形状を管理しなければ所定の特性を得ることができない。したがって、特に、レーザ素子の製造においてはエッチング量をリアルタイムで正確に測定することが必要とされている。

ところが、プラズマ処理装置を使用していると、エッチング処理時や成膜処理時に処理対象物等から発生する飛散物や成膜微粒子等が反応室内面に付着して堆積し、反応室内を汚染することがある。例えば、処理対象物として二酸化珪素(SiO2)をエッチングする場合、フッ化炭素系(CF)のガスが反応性ガスとして用いられるが、このようなガスはプラズマ重合反応でフッ化炭素系高分子（(CF2)n)を生じやすい。そして、これらは特にイオン衝撃の少ないアノード側電極表面や、反応室内面に堆積する。また、窒化ガリウムなどの化合物半導体をエッチングする際にも飛散物が反応室内面に付着する。

これらの飛散物は誘電体窓にも付着して堆積する。これらが堆積することに伴って、誘電体窓の光透過率は低下してゆくので、測定の初期と終期では誘電体窓の光透過率が変化する。従って光学測定を行う場合に、正確な測定を連続して行うことができなくなってしまう。

そこで、このような飛散物が反応室内部で堆積することへの対策が考えられてきた。例えば特許文献１には、励起コイルの高周波電源側端の一部を光透過性を有する誘電体窓の表面に近接して配置したプラズマ処理装置が開示されている。励起コイルの高周波電源側端の一部を誘電体窓の表面に近接させると、誘電体窓に飛散物が付着して堆積することを防止でき、誘電体窓の光透過率が経時的に低下することを抑制できる。従って、装置の複雑化やコストの上昇を回避しつつ、正確な光学的な測定を連続的に行うことが可能となる。

また、特許文献２や特許文献３には、真空チャンバの上部の天板を浮遊電極とした反応性イオンエッチング装置が開示されている。前記浮遊電極は、高周波電源から高周波アンテナコイルへの給電路の途中部にコンデンサを介して接続されている。浮遊電極に高周波電力が印加されると、天板（浮遊電極）に負のバイアスが発生し、常に上部天板が正イオンによって衝撃される。その結果、天板への膜の付着が抑制される。

特開2006-073801号公報特開2002-343775号公報特開平8-316210号公報

引用文献１の構成では、誘電体窓の曇りを防ぐ効果は優れるものの、励起補助電極(浮遊電極)に電流が流れるために磁界が発生し、その磁界によって反応室内のプラズマが不均一となることがある。
引用文献２及び３の構成では、天板全体が電極となるため、それに近接する誘導コイルとの高周波磁場の干渉を抑制しなければならない。従って、装置が複雑化してしまい、コストが上昇するという問題がある。また、電極である天板の一部に窓を形成する場合には、その窓の部分で磁場の乱れが生じてしまう恐れもある。

さらに、励起コイル（高周波アンテナコイル)への給電路の途中からコンデンサを介して励起補助電極に高周波電力を分岐すると、励起コイルと励起補助電極との間で生じた位相のずれが干渉を起こし、プラズマに影響を与える場合がある。特に、レーザ素子用の化合物半導体をエッチング処理するときは、イオンやラジカルをウエハに対してできるだけ垂直方向から進入させて、エッチング時の形状制御を容易にする必要があるので、通常よりも高真空(低圧)下で行われる。例えば、塩素ガスで窒化ガリウムをエッチング処理する場合、0.05Paから0.1Pa未満の低圧で行うことが好ましい。0.1Pa以上ではエッチング時の形状制御が困難となる傾向があり、0.05Pa未満ではエッチング速度が低下したり、プラズマが消失しやすくなる傾向がある。高真空下でプラズマを発生させる場合、反応室に導入されるガス量が少ないためプラズマが消失しやすく、コンデンサが介在することにより励起コイルと励起補助電極とが干渉すると、プラズマがさらに消失しやすくなる可能性がある。
さらにまた、コンデンサが介在することにより励起コイルと励起補助電極との間で異常放電(スパーク)が生じる可能性もある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、反応室上部に誘電体窓を有するプラズマ処理装置において、誘電体窓に飛散物が付着して堆積し、その光透過率が経時的に低下することを防止することにより、正確な光学的な測定を連続的に行うことを、装置の複雑化やコストの上昇を回避しつつ実現することである。また、反応室内のプラズマをより均一にすることである。

上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明者らは励起コイルの任意の位置に励起補助電極を直接接続し、その励起補助電極の一部である作用部を誘電体窓の近傍に配置することにより、誘電体窓の内部に飛散物が堆積することを防止することに想到した。

このような考察に基づいて成された本発明に係るプラズマ処理装置は、高周波電源に接続される励起コイルを反応室の外部に有し、光透過性を有する誘電体窓を反応室の一部に備えるプラズマ処理装置であって、一端が前記励起コイルの高電位側端に直接接続され、他端が前記誘電体窓の表面に近接して配置された閉じていない環状の作用部である、励起補助電極を備えることを特徴とする。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、励起コイルに供給される高周波電力の一部が励起補助電極に分岐される。励起補助電極の一部である作用部に高周波電力が供給されると、反応室内にスパッタ効果が生じる。このため、プラズマ処理時に反応室内部で誘電体窓に飛散物が付着し、徐々に曇りが生じてしまうことを防止することができる。従って、誘電体窓を通して光学的に処理対象物表面のエッチング深さ等の測定を行う場合に、常時正確な測定を行うことができる。

また、本発明は、高周波電力が印加される励起補助電極を設け、その一部である作用部を誘電体窓の近傍に配置するという極めて単純な構成によって実現することができるため、最小限のコストで実施することが可能である。また、反応室内のプラズマをより均一にすることが可能となる。
さらに、本発明者らは、励起コイルの任意の位置に励起補助電極を直接接続しても、すなわち、コンデンサを介さずに励起補助電極を接続しても、作用部に高周波電力が供給されたときに誘電体窓に付着した飛散物が除去するに十分なスパッタ効果が生じることを見出した。コンデンサを不要にしたことにより、本発明ではコンデンサによって励起補助電極の電圧を調整する必要がなく、作用部を上下に移動させたり、励起コイルを任意の位置で分岐させたりすることによってスパッタ効果が最適になるような電圧に調節することができる。

まず、本発明のプラズマ処理に用いられる励起コイル及び励起補助電極について説明する。励起コイルは反応室内部の気体をプラズマ化させることが可能な、一重円環状、二重又は多重コイル状等、従来よりプラズマ処理装置に用いられるものであればよいが、とりわけ特開平９−２２８０５６号に記載されているような、周辺部から中心部にかけて徐々に被処理物から離れるような渦巻形状を有するものを好適に使用することができる（図２参照）。また、同文献に記載されているような、この励起コイルと誘電体窓との距離を調節する機構を設けることもできる。更に、このコイルの中心部の高さを上下させる機構を設けることにより、励起コイルの下部の平面において磁場の均一化、すなわちプラズマ密度の均一化を容易に実現することができるようになる。

励起補助電極は励起コイルの任意の位置に直接接続され、その励起補助電極の一部が誘電体窓に近接して配置される。本明細書では、この誘電体窓に近接して配置される励起補助電極の一部を作用部と呼ぶ。この作用部に高周波電力が供給されると、反応室内でスパッタ効果が生じる。このことにより、飛散物や高分子等が誘電体窓内面に付着したとしても、その付着物が除去され、その結果、誘電体窓の曇りが防止される。このような曇り防止作用を十分に発揮させるには、好ましくは作用部は誘電体窓の表面から5mm〜30mmの距離に配置されるようにする。

この励起補助電極を構成する線材は励起コイルと同一のものを用いてもよいし、異なる形状・材料のものを用いてもよい。この励起補助電極のうち少なくとも作用部は、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すような閉じていない環状とすることが望ましい。こうすることにより、エッチング深さ等の測定のために必要な光が透過できる必要十分な曇り防止の対策を講じることが可能となる。また、励起補助電極には電場が発生しないので、密度が均一なプラズマを形成することができる。

励起補助電極は、励起コイルの任意の位置に直接接続される。このように、コンデンサを介在させずに励起補助電極と励起コイルとを直接接続したことにより、本発明では、作用部を上下に移動させたり、励起コイルを任意の位置で分岐させたりすることによって電圧を調節することができる。励起補助電極は、励起コイルの任意の位置に接続されるが、高い曇り防止効果が得られる点で、励起コイルの高電位側端で分岐されることが好ましい。また、励起補助電極の一部である作用部は、環電流が流れないので磁場が発生せずプラズマ密度に影響を与えない点で、また、励起コイルと干渉を起こさない点で環が閉じていないことが好ましい。

また、本発明に係るプラズマ処理装置では、前記誘電体窓の反応室側内面には光不透過性の保護シートを配置し、該保護シートの一部には光透過性を有する透過窓を備えるようにしてもよい。この透過窓の大きさは、エッチング深さ等の測定のために必要な光が透過できる程度であれば十分である。これにより、曇り防止の対策を講じなければならない領域を最小限とすることができる。この場合、作用部は反応室の外部において、この透過窓の近傍に配置する。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例であるプラズマエッチング装置の構成について図１に基づき詳細に説明する。

プラズマエッチング装置１０の密閉された反応室１１中には平板状の下部電極１２が設けられ、下部電極１２はバイアス用交流電源１３に接続されている。反応室１１の上面は誘電体窓１４で構成される。この誘電体窓１４を構成する材料は石英、サファイア、フッ化カルシウム等の光透過性及び電磁波透過性を有する物質から選択することができる。前記誘電体窓１４の下面（反応室側内面）には、誘電体窓１４自体がエッチングされるのを防ぐための保護シート３１が配置されている。この保護シート３１は酸化アルミニウム等の耐スパッタ性が高く、且つ酸化物が発生しにくい物質から成る。前記保護シート３１の一部には、サファイア等、光及び電磁波透過性を有する材料から成る透過窓３２が形成されている。

誘電体窓１４の直上（反応室１１の外部）には励起コイル１５が、反応室１１内に載置される被処理物２０と平行になるように配置されている。励起コイル１５は前述の渦巻形状を有する励起コイルである（図２参照）。励起コイル１５は例えば銅管により構成されており、その線形状は中空平板状である。励起コイル１５の両端は、該コイル１５に高周波電流を流すための高周波回路１７と、コイル１５内部に冷却水を流通させるための冷却水供給装置１８とに接続されている。励起コイル１５と前記誘電体窓１４の間の距離は図示せぬ位置調節機構によって調節することができ、これによって、反応室１１内におけるプラズマの密度等を適切に設定することができる。なお、図１に示した高周波回路１７は一例であり、その他種々の励起回路を用いることができる。

前記励起コイル１５の両端部のうち上側（誘電体窓１４から遠い側）の端部には励起補助電極４０が直接接続されている。前記励起補助電極４０は、釣り針状の接続部４０aとこの接続部４０aの下端部の作用部４１とから構成されている。前記励起補助電極４０は距離調整機構４０ｂによって、その位置を上下動させることができるようになっている。
作用部４１の形状について、図３により説明する。作用部４１の形状は図３（ａ）及び（ｂ）に示すように有端環状（閉じていない環状）、図３（ｃ）に示すような放射状、図３（ｄ）のような有端環状の部材と放射状の部材を組み合わせた形状とすることができる。
作用部４１を無端環状（閉じた環状）にすると、環電流が発生し磁場が生じるので励起コイルと干渉を起こす。このため、反応室１１内に均一な密度のプラズマを形成することができなくなる。
作用部４１の形状をこのようにすることにより、透過窓３２を塞いでしまうことがない。このため、誘電体窓１４の上部に設置される光学測定器１９（図１参照）からのレーザーを誘電体窓１４の内面に導入し易い。また、プラズマから発生した光を誘電体窓１４の外部で受光しやすくなる。すなわち、光学測定器１９の設置が容易になる。

誘電体窓１４が石英から成り、その厚みが20〜25mmの場合、作用部４１は誘電体窓１４から5〜30mmの距離で、当該窓に平行に配置される。作用部４１と誘電体窓１４との距離が5mmより小さいと、誘電体窓１４へのスパッタ効果が大きくなり曇り防止効果は高くなるものの、反応室１１内部で被処理物２０へのイオンの入射が減少するため、被処理物２０の処理均一性が低下する。一方、作用部４１と誘電体窓１４との距離が30mmよりも大きいと、誘電体窓１４へのスパッタ効果が減少し、曇り防止効果を十分に得ることができなくなる。

作用部４１と誘電体窓１４との距離は、距離調整機構４０ｂによって励起補助電極４０を上下動させることにより変化させることができる。前記距離は被処理物２０の種類によって適宜変化させる。例えば本実施例の構成の場合、被処理物２０が主にイオン種でエッチングするSiO2等の場合には、上記距離が近すぎるとエッチングレートが低下してしまうため15mm以上が適当である。一方、被処理物２０が主にラジカル種でエッチングするSi等の場合には、上記距離は比較的近くてもエッチングレートが低下することがないため5mm以上とする。また、誘電体窓１４の厚みが変化すれば、作用部４１の誘電体窓１４からの距離もそれに応じて変化させる必要がある。ただし、誘電体窓１４の誘電率は空気のそれよりも数倍高いため（例えば石英の比誘電率は3.8）、誘電体窓１４の厚みの変化に対する上記距離の調整量は、比較的僅かで済む。

このプラズマエッチング理装置１０を使用する方法は次の通りである。まず下部電極１２の上面に被処理物２０を載置し、反応室１１内の空気を排出する。その後、反応室１１内に、被処理物２０に対して反応性を有するガスを所定圧力となるまで入れ、コイル１５に高周波電流を流す。これにより、反応室１１内の被処理物２０の上部にシート状のプラズマ雲２１が形成され、下部電極１２に印加されたバイアス電圧により、プラズマ２１中のイオンが被処理物２０の表面に衝突する。このバイアス電圧を制御することにより、イオンの衝突エネルギーの最適化を行なう。エッチング処理中には、誘電体窓１４の上部に設置される光学測定器１９によって被処理物２０のエッチング深さ等の表面状態が常時測定されるが、作用部４１の作用であるスパッタ効果によって透過窓３２が曇ることはなく、連続的に正確な計測を行うことができる。

なお、本発明のプラズマ処理装置は本明細書中で説明したプラズマエッチング装置に限られず、プラズマＣＶＤ装置、プラズマ表面処理装置等、プラズマ処理を行うあらゆる装置に適用することが可能である。
また、励起コイルの形状や励起補助電極等の形状は上記した形状に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。

本発明の一実施例であるプラズマエッチング装置の概略構成図。渦巻形状型励起コイルの一例の概念図。本発明に係る励起補助電極の作用部の平面図。

符号の説明

１０・・・プラズマエッチング装置
１１・・・反応室
１２・・・下部電極
１３・・・バイアス用交流電源
１４・・・誘電体窓
１５・・・励起コイル
１７・・・高周波回路
１９・・・光学測定
２０・・・被処理物
２１・・・プラズマ雲
３１・・・保護シート
３２・・・透過膜
４０・・・励起補助電極
４０ｂ・・・距離調整機構
４１・・・作用部

Claims

高周波電源に接続される励起コイルを反応室の外部に有し、光透過性を有する誘電体窓を反応室の一部に備えるプラズマ処理装置であって、
一端が前記励起コイルの高電位側端に直接接続され、他端が前記誘電体窓の表面に近接して配置された閉じていない環状の作用部である、励起補助電極を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記作用部と前記誘電体窓との距離を調整する距離調整機構を備え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。
前記誘電体窓の反応室側内面に光不透過性の保護シートが配置され、該保護シートの一部に光透過性を有する透過窓が備えられてい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。