JP5367522B2 - プラズマ処理装置及びシャワーヘッド - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びシャワーヘッドに関する。

従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドが用いられている。すなわち、例えば半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング処理等を施すプラズマ処理装置では、処理チャンバー内に、基板を載置するための載置台が設けられており、この載置台と対向するように、シャワーヘッドが設けられている。このシャワーヘッドには、載置台と対向する対向面に、ガス吐出孔が複数設けられており、これらのガス吐出孔から基板に向けてガスをシャワー状に供給する。

このようなプラズマ処理装置では、処理チャンバーの周囲に設けた磁石によって処理空間内に磁場を形成し、処理空間内のプラズマを制御することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、処理チャンバーから排気する部位に磁石によって磁場を形成し、ガスの通過を可能としつつプラズマの通過を阻止してプラズマを処理空間内に閉じ込める技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−８６５８０号公報 特表２００３−５１４３８６号公報

上述したとおり、従来のプラズマ処理装置では、処理空間内に形成した磁場によってプラズマを制御したり、プラズマを閉じ込めることが行われている。しかしながら、このようなプラズマ処理装置では、半導体ウエハ等の基板の中央部と周縁部とで処理速度等が異なり、プラズマ処理の面内均一性が低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、処理空間内のプラズマ密度分布を制御することができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置及びシャワーヘッドを提供しようとするものである。

本発明に係るプラズマ処理装置は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、前記反対側の面側の前記排気孔と連通した排気空間内に、立設状態で設けられた複数の棒状の磁石柱と、前記磁石柱の少なくとも一部を移動させて前記排気孔との距離を変更するための移動手段と、を具備し、前記磁石柱は、第1の磁石柱群と、前記第１の磁石柱群とは異なる第２の磁石柱群の少なくとも２つの異なる磁石柱群からなり、前記第1の磁石柱群と、前記第２の磁石柱群とは、独立に移動可能とされていることを特徴とする。

本発明に係るシャワーヘッドは、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドであって、前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、前記反対側の面側に立設状態で設けられた複数の棒状の磁石柱と、を具備し、前記磁石柱は、第1の磁石柱群と、前記第１の磁石柱群とは異なる第２の磁石柱群の少なくとも２つの異なる磁石柱群からなり、前記第1の磁石柱群と、前記第２の磁石柱群とは、独立に移動可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、処理空間内のプラズマ密度分布を制御することができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置及びシャワーヘッドを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの要部構成を示す縦断面図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの斜視図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの上面図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の要部断面構成を示すものであり、図２は、図１のプラズマエッチング装置２００に設けられたシャワーヘッド１００の要部構成を示す断面図、図３はシャワーヘッド１００の構成を示す斜視図、図４はシャワーヘッド１００の上面図である。

図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材１の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。これらの下側部材１及び上側部材２は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。このシャワーヘッド１００は、図１に示すように、プラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に、半導体ウエハ（基板）が載置される載置台２０２と対向するように配設される。すなわち、図２に示す下側部材１側が図１に示す載置台２０２と対向する対向面１４を形成するように配設される。

積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数（図２には１つのみ示す。）形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図１中に矢印で示すように、基板（図１中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部１２ａが設けられている。

また、積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、排気孔１３が多数（図２には１つのみ示す。）形成されている。これらの排気孔１３は、図１，２中に点線の矢印で示すように、基板側（図中下側）から基板と反対側（図中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。排気孔１３は、図２に示す下側部材１部分に形成された細径部分１３ａの直径が例えば０．５〜１．５ｍｍ程度とされており、上側部材２部分に形成された大径部分１３ｂの直径が例えば２．０〜５．０ｍｍ程度とされている。

排気孔１３は、図４に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１２インチ（３００ｍｍ）径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、２０００〜２５００個程度である。なお、図４に示すように、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。

さらに、図１に示すように、積層体１０の上側部材２側、すなわち、載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面（裏面）１５側には、棒状に構成された複数の磁石柱１６ａ，１６ｂが立設状態で配設されている。

磁石柱１６ａ，１６ｂは、シャワーヘッド１００の周縁部に設けられた長さの短い磁石柱１６ａから構成された第１磁石柱群１６０ａと、シャワーヘッド１００の中央部に設けられた長さの長い磁石柱１６ｂから構成された第２磁石柱群１６０ｂの２つの異なる磁石柱群に分けられている。

第１磁石柱群１６０ａに属する長さの短い磁石柱１６ａは、連結部材１７ａによって連結され、図１中左側に示される駆動機構１６１ａに接続されている。そして、この駆動機構１６１ａによって第２磁石柱群１６０ｂとは独立に上下動可能とされている。一方、第２磁石柱群１６０ｂに属する長さの長い磁石柱１６ｂは、連結部材１７ｂによって連結され、図１中右側に示される駆動機構１６１ｂに接続されている。そして、この駆動機構１６１ｂによって第１磁石柱群１６０ａとは独立に上下動可能とされている。

磁石柱１６ａ，１６ｂは、例えば、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。なお、図３では、磁石柱１６ａ同士を連結する連結部材１７ａ及び磁石柱１６ｂ同士を連結する連結部材１７ｂについては図示を省略している。

磁石柱１６ａ，１６ｂとしては、例えば、アルミニウム等の金属製の筒状体中に永久磁石を封入して構成したもの、例えば石英等の非金属材料からなる筒状体中に永久磁石を封入して構成したもの等を用いることができる。また、封入する磁石としては、例えば磁性体セラミックスや、磁性流体等の液体状の磁性体を封入してもよい。これらの磁石柱１６ａ，１６ｂは、１２インチ（３００ｍｍ）径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、例えば数十本から二百数十本程度設けることが好ましい。

第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂの上下動によって、これらの第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂと、シャワーヘッド１００の排気孔１３との間の距離を調節できるようになっている。これは、処理チャンバー２０１内のシャワーヘッド１００と載置台２０２との間の処理空間内から、シャワーヘッド１００の裏面１５側の排気空間へのプラズマのリーク状態を調整するための機構である。

すなわち、例えば、第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂを、図１中下方に位置させて排気孔１３に近接させた際には、排気孔１３からのプラズマのリークを抑制した状態となる。一方、第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂを、図１中上方に位置させて排気孔１３から離間させた際には、排気孔１３からのプラズマのリークを許容した状態となる。また、第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂと排気孔１３との距離が離れるほど、プラズマのリーク領域が拡大するようにプラズマの状態を制御できる。

さらに、例えば第１磁石柱群１６０ａを図１中上方に位置させて排気孔１３から離間させ、第２磁石柱群１６０ｂを図１中下方に位置させて排気孔１３に近接させた際には、シャワーヘッド１００の中央部ではプラズマのリークを抑制した状態となり、シャワーヘッド１００の周縁部ではプラズマのリークを許容した状態となる。これによって、中央部と周縁部とで夫々部分的にプラズマ密度等のプラズマの状態を制御できる。

ところで、上記のようなシャワーヘッド１００の裏面１５側へのプラズマのリークが多くなり過ぎると、プラズマ処理速度の低下を招く一因となる。このため、シャワーヘッド１００の中央部では、常時プラズマのリークを抑制した状態とし、周縁部におけるプラズマのリーク状態のみ可変とすることも可能である。この場合、第２磁石柱群１６０ｂについては、駆動機構１６１ｂを設けずに、シャワーヘッド１００に固定した状態とし、第１磁石柱群１６０ａのみを駆動機構１６１ａによって上下動可能として、シャワーヘッド１００の周辺部のみでプラズマのリークの調整を行うようにしてもよい。

さらにまた、本実施形態では、図２に示すように、シャワーヘッド１００に、載置台２０２との対向面１４と、反対側の面とを貫通し、対向面１４側から裏面１５側にプラズマのリークを許容する開閉可能なトリガー孔１８が設けられている。このトリガー孔１８は、排気孔１３の細径部分１３ａより大径（例えば直径２ｍｍ程度）とされており、回転弁１９等の開閉機構によって開閉自在とされている。なお、回転弁１９は、トリガー孔１８より大径の回転軸１９ａを、側部からトリガー孔１８を貫通するように挿入して構成されており、回転軸１９ａを回転させて、回転軸１９ａに形成された貫通孔１９ｂの位置を、トリガー孔１８に合わせることによって開状態とし、貫通孔１９ｂの位置をずらすことによって閉状態とすることができるようになっている。

上記のように、トリガー孔１８は排気孔１３の細径部分１３ａより大径とされており、排気孔１３よりプラズマを処理空間側から排気空間側にリークさせ易い性質を有している。したがって、排気孔１３からプラズマが処理空間側から排気空間側にリークしていない状態において、このトリガー孔１８を開くことによって、積極的にプラズマのリークを生じさせることができる。このトリガー孔１８は、複数設けることが好ましく、主にシャワーヘッド１００の周縁部に設けることが好ましい。例えば、処理空間における周縁部のプラズマ密度等は、中央部に比べて低下する傾向になる場合が多い。このような場合、例えば、周縁部におけるプラズマのリークを生じさせ、中央部におけるプラズマのリークを生じさせないようにすれば、処理空間内の中央部の電子やイオンが周縁部方向に移動し、処理空間内におけるプラズマ密度等の均一化を図ることができる。

このようにプラズマをシャワーヘッド１００の裏面１５側にリークさせた場合、磁石柱１６ａ，１６ｂがプラズマに晒されて高温になり磁場性能が劣化する場合がある。このため、磁石柱１６ａ，１６ｂを冷却して磁場性能を維持するための温度調整手段を設けることが好ましい。この場合、例えば温調媒体を循環して冷却する温度調整手段等を用いることができる。

図１に示すように、上記構成のシャワーヘッド１００を具備した基板処理装置としてのプラズマエッチング装置２００は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源（図示せず。）が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。

プラズマエッチング装置２００は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に形成された処理チャンバー（処理容器）２０１を有しており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、図示しないプラズマ形成用電源が接続されている。

載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路２０４が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成されており、ここには、開口２０５を気密に閉塞するための開閉機構２０６が設けられている。

載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、シャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。

シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給機構から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。

また、シャワーヘッド１００の上部には、筒状体２１０が設けられており、この筒状体２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。このように、筒状体２１０の内側が排気路となっており、磁石柱１６ａ，１６ｂは、筒状体２１０の内側の排気路内に配設されている。

プラズマエッチング装置２００によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハは、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入され、静電チャック２０３上に載置される。そして、半導体ウエハが静電チャック２０３上に静電吸着される。次いで、開口２０５が閉じられ、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給され、この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。

そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２に所定の周波数，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。このプラズマによって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。

上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１からシャワー状に供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。

また、前述したとおり、第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂの位置の調整と、トリガー孔１８の開閉によって、処理チャンバー２０１の処理空間内のプラズマを、筒状体２１０の内側の排気空間内にリークさせ、処理空間内のプラズマの状態を制御することができる。これによって、処理空間内のプラズマを均一化することができ、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、処理の面内均一性を向上させることができる。

このようなプラズマの制御は、処理チャンバー２０１内のプラズマの状態を計測する計測手段、例えば、プラズマの発光状態からプラズマの状態を検知するプラズマモニターによる計測結果に基づいて、駆動機構１６１ａ，１６１ｂによる第１磁石柱群１６０ａ及び第２磁石柱群１６０ｂの移動、及び回転弁１９によるトリガー孔１８の開閉を制御する制御機構を設けることによって、自動的に行うこともできる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。

以上説明したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、処理空間内のプラズマの状態を均一化することができ、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。

また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けており、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気するので、効率良く排気することができ、真空ポンプの容量を少なくしてさらに小型化を図ることができる。

以上、本発明を、実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１６ａ，１６ｂ……磁石柱、１７ａ，１７ｂ……連結部材、１８……トリガー孔、１００……シャワーヘッド、１６１ａ，１６１ｂ……駆動機構、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台。

Claims (8)

1. 内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、
   前記反対側の面側の前記排気孔と連通した排気空間内に、立設状態で設けられた複数の棒状の磁石柱と、
   前記磁石柱の少なくとも一部を移動させて前記排気孔との距離を変更するための移動手段と、
   を具備し、
   前記磁石柱は、第1の磁石柱群と、前記第１の磁石柱群とは異なる第２の磁石柱群の少なくとも２つの異なる磁石柱群からなり、前記第1の磁石柱群と、前記第２の磁石柱群とは、独立に移動可能とされている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
   前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能なトリガー孔を具備する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２記載のプラズマ処理装置であって、
   前記トリガー孔を複数具備し、夫々独立に開閉可能とされている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２又は３記載のプラズマ処理装置であって、
   前記処理チャンバー内のプラズマの状態を計測する計測手段と、
   前記計測手段による計測結果に基づいて、前記移動手段による前記磁石柱の移動及び前記トリガー孔の開閉を制御する制御手段と
   を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
   前記磁石柱の温度を調整するための温度調整手段を具備した
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドであって、
   前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、
   前記反対側の面側に立設状態で設けられた複数の棒状の磁石柱と、
   を具備し、
   前記磁石柱は、第1の磁石柱群と、前記第１の磁石柱群とは異なる第２の磁石柱群の少なくとも２つの異なる磁石柱群からなり、前記第1の磁石柱群と、前記第２の磁石柱群とは、独立に移動可能とされている
   ことを特徴とするシャワーヘッド。
7. 請求項６記載のシャワーヘッドであって、
   前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能なトリガー孔を具備する
   ことを特徴とするシャワーヘッド。
8. 請求項７記載のシャワーヘッドであって、
   前記トリガー孔を複数具備し、夫々独立に開閉可能とされている
   ことを特徴とするシャワーヘッド。

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