JP5361457B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置用の電極 - Google Patents
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Description
〔1〕プラズマ処理装置の全体構成
〔2〕抵抗体と電界強度分布との関係
〔2−1〕誘電体及び抵抗体がない場合
〔2−2〕抵抗体がない場合
〔2−3〕抵抗体が低抵抗の場合
〔2−4〕抵抗体が中抵抗の場合
〔2−5〕抵抗体が高抵抗の場合
〔3〕抵抗体の形状や組合せと電界強度分布との関係
〔3−1〕第1の抵抗体(パターン化された抵抗体)の場合
〔3−2〕第1の抵抗体と第2の抵抗体(一体型抵抗体)の場合
〔3−3〕第1の抵抗体と第3の抵抗体(継ぎ目抵抗体)の場合
〔3−3−1〕周波数を変化させた場合の電界強度分布
〔3−3−2〕厚み違い抵抗体(第1及び第3の抵抗体)の電界強度分布
〔3−4〕中央が開口された第1の抵抗体の場合
〔4〕誘電体の形状と抵抗体と電界強度分布との関係
まず、本発明の一実施形態に係る電極を有するプラズマ処理装置の全体構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電極を上部電極に用いたRIEプラズマエッチング装置(平行平板型プラズマ処理装置)を示す。RIEプラズマエッチング装置10は、高周波のエネルギーによりプラズマを生成し、ウエハWをプラズマ処理するプラズマ処理装置に相当する。
次に、上部電極105に設けられた第1の誘電体105b及び第1の抵抗体105dの機能について説明する。前述したように、第1の抵抗体105dは、第1の誘電体105bのプラズマ側の面の近傍にて絶縁層105c(第2の誘電体に相当)に埋設されている。第1の抵抗体105dは、上部電極105の下部の電界強度分布に次のような影響を及ぼす。これを証明するために発明者が行ったシミュレーションの結果を図3に示す。なお、シミュレーション条件としては、全てのシミュレーションに対してプラズマの抵抗ρを1.5Ωmに設定した。また、特に言及がない限り、供給される高周波電力の周波数を100MHzに設定した。また、以下において抵抗体のシート抵抗は、シート状の抵抗体の単位面積当たりの抵抗値(Ω/□)にて表わされる。
本実施形態に係る上部電極105の構成の作用及び効果について説明する前に、第1の誘電体105b及び第1の抵抗体105dが存在しない従来の電極の場合(図17A)の電界強度分布について説明する。以下では、各条件での電界強度の最大値をEmaxとしたときの電界強度分布をE/Emaxで示す。図3のAグループに属する誘電体なし/抵抗体なしの場合のシミュレーション結果からも明らかなように、上部電極900の端部側から中心側に流れる高周波の電流に対して上部電極の下部の電界強度分布E/Emaxは中心部で強くなる。
誘電体915のみが設けられ、抵抗体が存在しない従来の電極の場合(図17B)、誘電体なし/抵抗体なしの場合に比べて上部電極900の中央部の電界強度分布E/Emaxは低くなった。これによれば、高周波の電流が上部電極900の金属表面を流れる際、上部電極900の中心部に設けられた誘電体915の容積に応じたキャパシタンス成分とシースのキャパシタンス成分とにより分圧が生じ、誘電体下部にて高周波の電界強度に分散が生じたためである。
第1の抵抗体105dが低抵抗(0.02Ω/□、2Ω/□)の場合、図3のシミュレーション結果では、誘電体及び抵抗体がない場合と同じAグループの結果となった。この場合、図4Aに示したように、高周波の電流Iは、上部電極105の基材105aの金属表面を端部から中心部に向かって流れる。これと同時に、高周波の電流Iは、第1の抵抗体105dの金属表面を端部から中心部に向かって流れる。
δ=(2/ωσμ)1/2
ただし、ω=2πf(f:周波数)、σ:導電率、μ:透磁率
一方、第1の抵抗体105dが中抵抗(200Ω/□)の場合、図3のシミュレーション結果では、テーパ状の誘電体が存在する場合(図17C)と同じBグループの結果となった。この場合、図4Bに示したように、高周波の電流Iは、上部電極105の基材105aの金属表面を端部から中心部に向かって流れる。これと同時に、高周波の電流Iは、第1の抵抗体105dの金属表面を端部から中心部に向かって流れる。
第1の抵抗体105dが高抵抗(20,000Ω/□)の場合、図3のシミュレーション結果では、誘電体があって抵抗体が存在しない場合(図17B)と同じCグループの結果となった。この場合、図4Cに示したように、高周波の電流Iは、上部電極105の基材105aの金属表面を端部から中心部に向かって流れる。しかし、第1の抵抗体105dが高抵抗であるため、第1の抵抗体105dは絶縁物と同様に作用し、高周波の電流Iは、第1の抵抗体105dの金属表面を流れない。この結果、プラズマ側からは、図17Bの誘電体のみが存在する場合と同様に第1の誘電体105bのキャパシタンス成分Cだけが見え、電界強度分布E/Emaxは電極中央にて低くなり、誘電体端部にて不均一になる。
次に、発明者は、抵抗体の形状や組合せの適正化を図るために、抵抗体の形状や組合せが電界強度分布にどのように影響を与えるかのシミュレーションを実行した。
初めに、発明者は、第1の抵抗体105dを図5及び図6(a)に示したようにパターン化した。図5の1−1断面は、図6(a)の右半分を示す。第1の抵抗体105dは、リング状に3分割されている。外側のリング状部材105d1の直径φは240mmであり、中央のリング状部材105d2の直径φは160mmであり、内側の円形部材105d3の直径φは80mmである。各部材は、所定の間隔だけ等間隔に離隔されている。所定の間隔は、該間隔のインピーダンス1/Cωが第1の抵抗体105dの抵抗Rより大きくなるように設定される。
次に、発明者は、図7に示したように、リング状に三分割した第1の抵抗体105dに加え、第1の誘電体105bとプラズマの間に一体型(シート状)の第2の抵抗体105fを設けた。図7では、第2の抵抗体105fは、第1の抵抗体105dの下方にて絶縁層105cに埋設されているが、第1の抵抗体105dの上方にて絶縁層105cに埋設されていてもよい。第2の抵抗体105fは、絶縁層105cから露出した状態で絶縁層105cのプラズマ側の面に密着して設けられていてもよい。
〔3−3−1〕周波数を変化させた場合の電界強度分布
つぎに、第1の抵抗体と第3の抵抗体(継ぎ目抵抗体)との組合せ電極において周波数を変化させた場合の電界強度分布E/Emaxの変化について説明する。発明者は、図8(a)に示したように、リング状に三分割した第1の抵抗体105dに加え、三分割された第1の誘電体105bのギャップに第3の抵抗体105gを嵌入した。つまり、第3の抵抗体105gは、第1の抵抗体105dの継ぎ目に設けられ、隣接する第1の抵抗体105d同士を連結する。
次に、発明者は、図9(a)に示したように、リング状に三分割した第1の抵抗体105dの幅L(ギャップ)を変化させるとともに、第3の抵抗体105gの厚さD2を変化させてシミュレーションを行った。このときの条件としては、第1の抵抗体105dは、幅D1=200μm、直径φ=160,240mmのリング状及び直径φ=80の円形状であって、その抵抗値を0.5Ω/□に設定した。高周波電力の周波数は、100MHzである。第3の抵抗体105gの厚さは、0.1mm、0.05mm、0.01mmと可変に設定した。
次に、発明者は、図14(a)に示したように、第1の抵抗体105dを中央にて開口した1つのリング状部材とした場合についてシミュレーションを行った。このときの条件としては、最初に、第1の抵抗体105dの中央開口をφ=160mmに設定し、その抵抗値を0.002Ω/□、2Ω/□、200Ω/□、20,000Ω/□に設定した。また、高周波電力の周波数を100MHzに設定した。その結果を、図14(b)に示す。これによれば、第1の抵抗体105dの開口径に応じて開口した部分近傍の上部電極の電界強度分布E/Emaxが低下した。
最後に、第1の誘電体105bのテーパ部分の角度を変えた場合、一体型の第1の抵抗体105dがある場合とない場合で電界強度分布E/Emaxの低下にどの程度の効果の違いがあるかをシミュレーションした。
105 上部電極
105a,110a 基材
105b 第1の誘電体
105c、110b 絶縁層
105d 第1の抵抗体
105f 第2の抵抗体
105g 第3の抵抗体
110 下部電極
150 第1の高周波電源
165 第2の高周波電源
W ウエハ
Claims (13)
- 内部にて被処理体をプラズマ処理する処理容器と、前記処理容器の内部にて互いに対向し、その間に処理空間を形成する上部電極及び下部電極と、前記上部電極及び前記下部電極の少なくとも上部電極に接続され、前記処理容器内に高周波電力を出力する高周波電源と、を備えるプラズマ処理装置であって、
前記上部電極及び前記下部電極の少なくとも上部電極は、
金属により形成された基材と、
前記基材のプラズマ側の中央部に設けられ、縦断面形状が矩形状の第1の誘電体と、
前記第1の誘電体とプラズマとの間に設けられ、金属により所定のパターンに形成された第1の抵抗体と、を含み、
前記第1の抵抗体は、前記第1の誘電体のプラズマ側の面に密着して設けられた第2の誘電体に埋設されているプラズマ処理装置。 - 前記第1の誘電体は、板状である請求項1に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第1の抵抗体のシート抵抗値は、20Ω/□〜2000Ω/□の範囲の値である請求項1又は請求項2のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第1の抵抗体は、所定の間隔に離隔された複数のリング状の部材又は所定の間隔に離隔された複数の島状の部材を有する請求項1〜3のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記所定の間隔は、該間隔のインピーダンス1/Cωが前記第1の抵抗体の抵抗Rより大きくなるように設定される請求項4に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第1の誘電体とプラズマとの間に金属の第2の抵抗体をさらに備え、
前記第2の抵抗体は、前記第2の誘電体から露出した状態で該第2の誘電体のプラズマ側の面に設置されるか、または前記第1の誘電体と前記第2の誘電体のプラズマ側の面との間に設置される請求項1〜5のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。 - 前記第1の抵抗体と前記第2の抵抗体とのシート抵抗値の総和は、20Ω/□〜2000Ω/□の範囲の値である請求項6に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記離隔された第1の抵抗体の間には、前記第1の抵抗体の厚さより薄い第3の抵抗体が嵌入されている請求項4〜7のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 前記上部電極及び前記下部電極の少なくとも上部電極に13MHz〜100MHzの範囲内のプラズマ生成用の高周波電力を供給する請求項8に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記第1の抵抗体の離隔された部分にガス供給管を通す請求項4〜7のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
- 印加された高周波電力によりガスからプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置用の電極であって、
前記電極は、互いに対向し、その間にプラズマ処理空間を形成する上部電極及び下部電極の少なくとも上部電極であり、
金属により形成された基材と、
前記基材のプラズマ側の中央部に設けられ、縦断面形状が矩形状の第1の誘電体と、
前記第1の誘電体とプラズマとの間に設けられ、金属により所定のパターンに形成された第1の抵抗体と、を有し、
前記第1の抵抗体は、前記第1の誘電体のプラズマ側の面に密着して設けられた第2の誘電体に埋設されているプラズマ処理装置用の電極。 - 前記第1の誘電体とプラズマとの間に設けられ、前記第2の誘電体と一体化して形成された第2の抵抗体をさらに備え、
前記第2の抵抗体は、前記第2の誘電体から露出した状態で該第2の誘電体のプラズマ側の面に設置されるか、または前記第1の誘電体と前記第2の誘電体のプラズマ側の面との間に設置される請求項11に記載されたプラズマ処理装置用の電極。 - 前記プラズマ処理装置用の電極は、前記上部電極及び前記下部電極であり、
前記下部電極の前記第2の抵抗体は、静電チャックとしても機能する請求項12に記載されたプラズマ処理装置用の電極。
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