JP5229995B2 - アンテナ、交流回路、及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバ内にプラズマを作り出すためのアンテナ、このアンテナを含む交流回路、及びプラズマ処理装置に関する。

従来から、処理対象物のエッチングやアッシングなどに、プラズマ処理装置が用いられている。このプラズマ処理装置が有するチャンバ内にプラズマを作り出すためのアンテナとして、例えば特許文献１には、１重のコイルからなるアンテナが記載されている。このアンテナは、チャンバの側壁の外側に設けられ、高周波電源からの高周波電力が印加されることで、チャンバ内に導入された気体を分解し、プラズマを作り出す。

また、特許文献１には、並列２重巻きのアンテナが記載されている。この並列２重巻きのアンテナは、１重のコイルからなるアンテナに比して、より遠方まで誘導電場成分を形成することができることが開示されている。
特許第３７５２３５８号公報（段落[０００２]、[００１７]、図２〜図５）

現在、エッチングやアッシング、その他様々な用途に用いられるプラズマ処理装置では、チャンバ内の所望の位置に、所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すことが要請されている。しかし、例えば、特許文献１に記載の並列２重巻きのアンテナでは、アンテナ間隔が等間隔で固定されており、チャンバ内の所望の位置に、所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すには不十分である。また、１重のコイルからなるアンテナ、あるいは、２重巻きのアンテナでは、インピーダンスが高いので、高周波数の交流電圧を印加することができず、プラズマ密度を上昇させることができないという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、チャンバ内の所望の位置に、所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すことができるアンテナ、交流回路、及びプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るアンテナは、電源が作り出す交流電圧が印加されることで、チャンバ内にプラズマを作り出すアンテナであって、前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す第１の経路と、前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第３の経路とを具備する。

本発明では、第１の経路及び第２の経路で形成される第１の間隙形状と、第１の経路及び第３の経路で形成される第２の間隙形状が異なるため、チャンバ内の所望の位置に所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すための、様々な形状のアンテナを提供することができる。さらに、本発明に係るアンテナは、並列３重巻きのアンテナであるため、並列２重巻きのアンテナよりもインピーダンスが減少し、並列２重巻きアンテナよりも高周波数の交流電圧を印加することができる。

本発明に係る交流回路は、チャンバ内にプラズマを作り出すための交流回路であって、交流電圧を作り出す電源と、前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す第１の経路と、前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第３の経路とを具備する。

本発明に係るプラズマ処理装置は、チャンバと、交流電圧を作り出す電源と、前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す第１の経路と、前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する第３の経路とを具備する。

本発明の他の観点に係るアンテナは、電源が作り出す交流電圧が印加されることで、チャンバ内にプラズマを作り出すアンテナであって、前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す、伸縮可能な第１の経路と、前記第１の経路と並列的に前記電源に接続された、伸縮可能な第２の経路と、前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続された、伸縮可能な第３の経路とを具備する。

このように、第１乃至第３の経路が伸縮することで、チャンバ内の所望の位置に所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すための、様々なアンテナの形状を任意に選択することができる。

以上のように、本発明によれば、チャンバ内の所望の位置に、所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すことができるアンテナ、交流回路、及びプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す模式図である。図１に示すように、プラズマ処理装置１００は、真空チャンバ５０と、この真空チャンバ５０内にプラズマを作り出すためのアンテナ１を有する交流回路１０とを備えている。

真空チャンバ５０は、基板処理部５０ｂと、この基板処理部５０ｂの上部に位置するプラズマ発生部５０ａとで形成されている。

基板処理部５０ｂの下部には、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）などの真空ポンプ５４が接続される。この真空ポンプ５４により、真空チャンバ５０内部が所定の真空度に真空排気される。基板処理部５０ｂの内部には、半導体ウェハやガラス基板などの被処理基板（図示せず）を支持するステージ５５が設置される。このステージ５５は、導電体で構成されており、コンデンサ６１を介して、アースされたステージ用高周波電源６２に接続されている。ステージ５５には、被処理基板を加熱するためのヒータなどの加熱源が内蔵されていてもよい。

プラズマ発生部５０ａは、円筒状の筒状壁５１と、この筒状壁５１の上部に設けられた天板５２とで形成される。

天板５２近傍には、真空チャンバ５０内部にエッチングガスなどのプロセスガスを導入するためのガス導入部５３が設けられる。このガス導入部５３から導入されるプロセスガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスや、ＳＦ系、ＣＦ系、ＣＨＦ系などのハロゲン系ガス、Ｏ２、これらの混合ガスが挙げられるが、これらに限定されない。

筒状壁５１の外周側には、高周波電源３に接続されたプラズマ発生用のアンテナ１が配置される。

図２は、このアンテナ１及び高周波電源３を含む交流回路１０を示す模式的な展開図である。図２に示すように、アンテナ１は、第１の導線４ａ、及び第２の導線４ｂを介して、第１の分岐点５ａ、及び第２の分岐点５ｂにおいて高周波電源３と接続されている。

アンテナ１は、第１の分岐点５ａからアンテナ１の中央を通り、第２の分岐点５ｂまでの経路である第１の経路１ａと、この第１の経路１ａに隣接し、第１の経路の上方を通る第２の経路１ｂと、第１の経路１ａに隣接し、第１の経路の下方を通る第３の経路１ｃとで形成されている。この第１の経路１ａ、第２の経路１ｂ、及び第３の経路１ｃは、それぞれ相互に並列接続されている。つまり、アンテナ１は、並列３重巻きのアンテナコイルである。

また、図２に示すように、第１の経路１ａと第２の経路１ｂとの間で第１の間隙形状２ａが形成され、第１の経路１ａと第３の経路１ｃとの間で第２の間隙形状２ｂが形成される。第１の経路１ａと第２の経路１ｂとの第１の幅ｗ_１は、第１の経路１ａと第３の経路１ｃとの第２の幅ｗ_２よりも狭く形成されており、第１の間隙形状２ａと、第２の間隙形状２ｂとは、異なるように形成されている。

第１の幅ｗ_１、第２の幅ｗ_２はそれぞれ５ｍｍ〜２０ｍｍ、１５ｍｍ〜６０ｍｍとされるが、これに限られない。アンテナ１の水平方向の長さlは、例えば、８００ｍｍ〜１２００ｍｍとされる。一つの基準として、第１及び第２の幅ｗ_１、ｗ_２は、筒状壁５１の内壁への不必要な重合物又は反応物を防ぐことができる間隔とされる。

なお、第１の導線４ａ、及び第２の導線４ｂのうち少なくとも一方に可変コンデンサが設けられていてもよい。これにより、アンテナ１のインピーダンスを調整することができる。図３に第１の導線４ａと第２の導線４ｂの両方に可変コンデンサが設けられた場合の交流回路１０の例を示す。後述する各実施形態に係るアンテナも同様に、第１の導線４ａ及び第２の導線４ｂのうち少なくとも一方に可変コンデンサが設けられてもよい。

図４は、アンテナ１、第１の導線４ａ、第２の導線４ｂの断面斜視図である。

図４に示すように、アンテナ１、第１の導線４ａ、及び第２の導線４ｂは、それぞれパイプ８と、このパイプ８内部に通された導線本体９とで形成されている。パイプ８は、例えば塩素系樹脂や、フッ素系樹脂などで構成され、導線本体９は、例えばＣｕなどで構成されるが、特に限定されない。パイプ８の直径は、例えば５ｍｍから１５ｍｍとされる。

導線本体９は、パイプの内壁８ａと所定の距離を隔てるようにパイプ８内部に保持されている。導線本体９とパイプの内壁８ａとの間の空間１１には、導線本体９を冷却する冷却媒体として、例えば水などが流される。この冷却媒体により高周波電圧が印加されることで発熱するアンテナ１を冷却することができる。図３では、パイプ８、及び導線本体９の断面形状が、円形であるとして説明したが、これに限られず、断面形状は、楕円形、または矩形であってもよく、その他の形状であってもよい。

図２、図３及び図４に示すアンテナ１が真空チャンバ５０の筒状壁５１の外周側に巻き付けられ、このアンテナ１に高周波電源３からの高周波電圧が印加される。

ここで、並列巻きコイルと、螺旋巻き（直列巻き）コイルとの比較について説明する。図５は、並列巻きコイルと螺旋巻きコイルの自己インダクタンスを比較したシミュレーション結果の一例を示す図である。図５では、並列巻きコイル及び螺旋巻きコイルは、それぞれ、アンテナの内径が３４０ｍｍとされ、アンテナの外形が３５０ｍｍとされた。また、パイプの直径は、１０ｍｍとされ、経路と経路との間隔は、２０ｍｍとされた。

図５に示すように、螺旋巻きのコイルは、巻き数を多くするに従い、自己インダクタンスが上昇する。一方で、並列巻きのコイルは、巻き数を多くするに従い自己インダクタンスが減少し、その結果、アンテナのインピーダンスが減少する。これにより、並列多重巻きのコイルでは、１３．５６ＭＨｚ以上の高周波をアンテナに印加することができる。

アンテナ１に高周波電圧が印加されると、第１乃至第３の経路１ａ、１ｂ、１ｃにより、誘導電場が生成され、真空チャンバ５０内に導入されたプロセスガスがプラズマ発生部５０ａの内部においてプラズマ化する。この場合、上述のように、アンテナ１の第１の幅ｗ_１が第２の幅ｗ_２よりも狭く形成されているため、天板５２付近は、プラズマ密度の濃い領域となる。一方で、アンテナ１の第２の幅ｗ_２が第１の幅ｗ_１よりも広く形成されているため、ステージ５５近傍は、プラズマ密度が薄い領域となる。このようにチャンバ内の所望の位置に、所望のプラズマ密度のプラズマを作り出すことができるため、例えば、ステージ５５上の被処理基板に対するプラズマダメージの低減を図ることができる。

また、本実施形態に係るアンテナ１（並列３重巻きコイル）は、１３．５６ＭＨｚ以上の高周波電圧として例えば４０ＭＨｚの高周波電圧を印加することができるため、プラズマ密度の高い領域の、プラズマ密度をさらに上昇させることができる。これにより、例えば、被処理基板をエッチングする際のエッチングレートを向上させることができる。なお、本実施形態に係る並列３重巻きのアンテナ１は、並列２重巻きのアンテナよりもインピーダンスが減少するため、並列２重巻きアンテナよりも高周波数の交流電圧を印加することが可能である。

さらに、本実施形態に係るアンテナ１の第１の幅、及び第２の幅は、所定の幅よりも小さく構成されているため、筒状壁５１の内壁に、不必要な重合物又は反応物が堆積することを防止することができる。

本実施形態では、第１の幅ｗ_１が第２の幅ｗ_２よりも狭い場合について説明したが、第１の幅ｗ_１が第２の幅ｗ_２よりも広い場合も考えられる。第１の分岐点５ａ、及び第２の分岐点５ｂのうち少なくとも１つを、図２に示す位置から上方、あるいは下方にずらしてアンテナ１を形成してもよい。

（アンテナの第２実施形態）
次に、アンテナの他の実施形態について説明する。以降の説明では、上述の実施形態と同様の構成、及び機能を有する部分については同一符号を付し、説明を省略し、又は簡略化する。

図６は、本実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。図６に示すように、本実施形態に係るアンテナ２０は、第１の経路２１ａと、第２の経路２１ｂと、第３の経路２１ｃとで形成され、第１の経路２１ａは、第２の経路２１ｂ及び第３の経路２１ｃに対して、角度θ分、傾いている。つまり、アンテナ２０の第１の経路２１ａは、第２の経路２１ｂ及び第３の経路２１ｃとは非平行であるように形成されている。なお、第１の経路２１ａ及び第２の経路２１ｂで形成される第１の間隙形状２２ａと、第２の経路及び第３の経路で形成される第２の間隙形状２２ｂとは、異なる形状をしている。

角度θは、第１の経路２１ａと、第２の経路２１ｂまたは第３の経路２１ｃとが交わらない範囲で変更されてもよい。

アンテナ２０は、上述の第１実施形態と同様に並列３重巻きのアンテナコイルであり、１３．５６ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加することができるため、プラズマ密度の高い領域の、プラズマ密度をさらに上昇させることができる。

本実施形態では、第１の経路２１ａが、第２及び第３の経路２１ｂ、２１ｃと非平行である場合について説明したが、第２の経路２１ｂが、第１の経路２１ａ及び第３の経路２１ｃと非平行であってもよく、第３の経路２１ｃが、第１及び第２の経路２１ａ、２１ｂと非平行であってもよい。あるいは、第１の経路２１ａ、第２の経路２１ｂ、及び第３の経路２１ｃのうち２つの経路が他の経路に対して非平行であってもよく、第１、第２及び第３の経路２１ａ、２１ｂ、２１ｃがそれぞれ相互に非平行であってもよい。

（アンテナの第３実施形態）
次に、アンテナのさらに別の実施形態について説明する。上述の各実施形態では、並列３重巻きのアンテナコイルについて説明したが、本実施形態では、並列４重巻きのアンテナコイルについて説明する。

図７は、本実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。図７に示すように、本実施形態に係るアンテナ３０は、上述の第１実施形態に係るアンテナ１の上方に、第４の経路１ｄが並列接続されて形成される。第４の経路２１ｄと、第２の経路２１ｂとの幅である第３の幅Ｗ_３は、例えば１０ｍｍ〜６０ｍｍとされるが、１０ｍｍ以下であってもよく、６０ｍｍ以上であってもよい。この第３の幅Ｗ_３は、第１の幅Ｗ_１または第２の幅Ｗ_２と同じであってもよく、異なっていてもよい。

アンテナ３０は、並列４重巻きのアンテナコイルであるため、並列２重巻き及び並列３重巻きアンテナコイルよりも自己インダクタンスが減少し（図５参照）、インピーダンスが減少する。したがって、さらに高周波数の交流電圧を印加することができるため、例えばプラズマ密度の高い領域の、プラズマ密度をさらに上昇させることができる。

本実施形態では、第２の経路１ｂの上方に第４の経路１ｄが並列接続される場合について説明したが、第４の経路１ｄは、第３の経路１ｃの下方に並列接続されてもよい。第４の経路１ｄの上方、あるいは第３の経路１ｃの下方に第５の経路が並列接続されることで、アンテナ３０は、並列５重巻きのアンテナコイルとされてもよく、さらにそれ以上の経路が並列接続されることで、並列６重巻き以上のアンテナコイルとされてもよい。

図６に示すアンテナ２０に第４の経路、第５の経路、あるいはそれ以上の経路が並列接続されることで、並列多重巻きコイルとされてもよい。この場合、第４の経路、またはそれ以上の経路は、第２及び第３の経路２１ｂ、２１ｃと平行であってもよく、非平行であってもよい。

（アンテナの第４実施形態）
次に、アンテナのさらに別の実施の形態について説明する。本実施形態では、アンテナが伸縮する場合について説明する。図８は、本実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。図８（Ａ）は、アンテナが伸縮していない状態を示す図であり、図８（Ｂ）及び図８（Ｂ）は、アンテナが伸縮している状態を示す図である。

図８に示すように、アンテナ４０は、アンテナ４０の中央を通る第１の経路４１ａと、この第１の経路の上方を通る第２の経路４１ｂと、第１の経路の下方を通る第３の経路４１ｃとで形成される。これらの各経路４１ａ、４１ｂ、４１ｃを形成するパイプは、蛇腹状に構成されており、これにより、各経路は伸縮する。

図８（Ａ）に示すように、アンテナ４０が伸縮していない状態（以下、基本状態）では、第１の経路４１ａと第２の経路４１ｂとの幅である第１の幅Ｗ_１と、第１の経路４１ａと第３の経路４１ｃとの幅である第２の幅Ｗ_２とは、典型的には、同様の幅間隔とされる。しかし、これに限られず、アンテナ４０が基本状態の場合に、第１の幅Ｗ_１と、第２の幅Ｗ_２が異なっていてもよい。

図８（Ａ）に示す基本状態から、第２の経路を下方に距離ｄ_１移動させ、第３の経路を下方に距離ｄ_２移動させることで、アンテナ４０を、図２に示すアンテナ１と同様の形状とすることができる（図８（Ｂ）参照）。このアンテナ４０に高周波電源３からの高周波電圧が印加されると、上述の第１実施形態に係るアンテナ１と同様の作用効果を奏する。

図８（Ａ）に示す基本状態から、第１の分岐点５ａを距離ｄ_３下方に移動させ、第２の分岐点５ｂを距離ｄ_４上方に移動させることで、アンテナ４０を、図６に示すアンテナ２０と同様の形状とすることができる（図８（Ｃ）参照）。このアンテナ４０に高周波電圧が印加されると、上述の第２実施形態に係るアンテナ２０と同様の作用効果を奏する。

このように、本実施形態に係るアンテナ４０は、第１乃至第３の経路が伸縮することで、アンテナ４０の形状を任意に選択することができる。

アンテナ４０は、第２の経路４１ｂの上方、あるいは、第３の経路４１ｃの下方に蛇腹状の第４の経路が並列接続されることで、並列４重巻きのアンテナコイルとされてもよい。アンテナ４０は、並列５重巻き、あるいはそれ以上の巻き数のアンテナコイルとされてもよい。これにより、さらに高周波数の交流電圧をアンテナ４０に印加することができ、高密度プラズマを作り出すことができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す模式図である。 アンテナ及び高周波電源を含む交流回路を示す模式的な展開図である。 第１の導線と第２の導線の両方に可変コンデンサが設けられた場合の交流回路の例を示す図である。 アンテナ、第１の導線、第２の導線の断面斜視図である。 並列巻きコイルと螺旋巻きコイルの自己インダクタンスを比較したシミュレーション結果の一例を示す図である。 他の本実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。 さらに別の実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。 さらに別の実施形態に係るアンテナを示す模式的な展開図である。

符号の説明

１、２０、３０、４０・・・アンテナ
１ａ、２１ａ、４１ａ・・・第１の経路
１ｂ、２１ｂ、４１ｂ・・・第２の経路
１ｃ、２１ｃ、４１ｃ・・・第３の経路
１ｄ、２１ｄ・・・第４の経路
２ａ、２２ａ・・・第１の間隙形状
２ｂ、２２ｂ・・・第２の間隙形状
３・・・高周波電源
１０・・・交流回路
５０・・・真空チャンバ
１００・・・プラズマ処理装置

Claims (3)

1. 電源が作り出す交流電圧が印加されることで、チャンバ内にプラズマを作り出すアンテナであって、
   前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す伸縮可能な第１の経路と、
   前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第２の経路と、
   前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第３の経路と
   を具備するアンテナ。
2. チャンバ内にプラズマを作り出すための交流回路であって、
   交流電圧を作り出す電源と、
   前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す伸縮可能な第１の経路と、
   前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第２の経路と、
   前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第３の経路と
   を具備する交流回路。
3. チャンバと、
   交流電圧を作り出す電源と、
   前記交流電圧が印加されることで、前記チャンバ内にプラズマを作り出す伸縮可能な第１の経路と、
   前記第１の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で第１の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第２の経路と、
   前記第１の経路及び前記第２の経路と並列的に前記電源に接続され、前記第１の経路との間で前記第１の間隙形状とは異なる第２の間隙形状を形成する、前記第１の経路に隣接する伸縮可能な第３の経路と
   を具備するプラズマ処理装置。

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