JP6034655B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
プラズマ処理装置では、処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行う。ガス供給方法としては、プラズマ処理装置の上部電極をガスシャワーヘッド構造とし、上部電極から処理容器内にシャワー状にガスを供給する方法がある。更に、この場合、上部電極内に、例えばエッジ側とセンタ側に複数のガス室(ガス供給ゾーン)を設け、各ガス室から処理容器内に異なるガス種の混合ガスを供給することが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1では、各ガスは、混合配管で混合され、分岐配管で分流して各ガス室に供給される。その際、分岐配管のいずれかに、例えばエッチングレートを高める調整ガスを添加することにより、あるガス室には調整ガスが添加された処理ガスを供給し、別のガス室には調整ガスが添加されていない処理ガスを供給することができる。
このようにして、各ガス室から処理容器内に導入されるガス中の調整ガスの量を調整することで、ガス供給ゾーン毎のエッチングレートのバラツキを抑え、基板面内におけるエッチングの均一性を高めることができる。
特開2006−165399号公報
しかしながら、分子量の小さいガスを主ガスとした処理ガスに分子量の大きな調整ガスを添加すると、分子量の違いから主ガスと調整ガスとが混合されにくい状態になる。このため、各ガスが十分に混合される前にガスシャワーヘッドから処理容器内へ導入され、導入ガスの混合比率にバラツキが生じる。その結果、被処理体のプラズマ処理において、ガス濃度が不均一なために均一なプロセス特性が得られないという課題があった。
これに対して、処理容器内へ導入される前に各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得るために、調整ガスが付加された分岐配管の長さを長くすることも考えられる。しかしながら、流量調整装置(フロースプリッター)は、ガスを分流した後の分岐配管内部の圧力をモニタすることで、分岐配管により分流させるガスの流量制御を行っている。よって、流量調整装置が分岐後の分岐配管内の圧力変動を迅速にモニタし、ガスの流量制御に反映させるために、調整ガスが添加される分岐配管の長さはできるだけ短くする必要がある。よって、流量調整装置による流量制御の精度を考慮すると、分岐配管を各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間が得られる程長くすることはできない。更に、配管の長さを単純に直線上に長くすることは、装置全体をコンパクトに設計し、省スペース化を図る観点からも得策ではない。
上記課題に対して、本発明の一実施形態では、主ガスと調整ガスとが混合されるガス配管に屈曲部を設け、ガス配管内の経路を長くすることで、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑えることが可能な、プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、
処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記処理容器に設けられ、内部に複数のガス供給ゾーンを有し、各ガス供給ゾーンから主ガスを含む処理ガスを該処理容器内にそれぞれ導入する上部電極と、
複数に分岐し、前記処理ガスを所定の流量比に分けて前記複数のガス供給ゾーンに供給するための分岐配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、前記処理ガスに調整ガスを添加するための付加配管と、
前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部と前記複数のガス供給ゾーンとを連結する複数のガス配管とを有し、
前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路には、前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部が形成されているプラズマ処理装置が提供される。
本発明によれば、主ガスと調整ガスとが混合されるガス配管に屈曲部を設け、ガス配管内の経路を長くすることで、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑えることができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図。 一実施形態に係るガス供給機構の構成図。 一実施形態に係る流量調整装置、分岐配管、付加配管及びガス配管の配置図。 一実施形態に係るガス配管の断面図。 一実施形態に係る処理ガス及び調整ガスの導入方向とガス濃度の偏りを説明するための図。 一実施形態に係る調整ガスの流量とガス濃度の均一性との関係を示した図。 一実施形態に係るエッジ/センタ側流量比とガス濃度の均一性との関係を示した図。 一実施形態に係る配管長とガス濃度の均一性との関係を示した図。 一実施形態に係る理想混合ガス時のガス濃度に到達するまでに必要な配管長について説明するための図。 一実施形態の変形例に係るガス配管の断面図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。また、複数の実施形態が存在する場合において、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
[プラズマ処理装置の構成]
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。
本実施形態では、プラズマ処理装置1として平行平板型のプラズマエッチング処理装置を例に挙げて説明する。プラズマ処理装置1は、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成された円筒状のチャンバ10(処理容器)を有している。処理容器10は接地されている。チャンバ10内には、ウエハWを載置する載置台12が設けられている。載置台12は、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成され、下部電極としても機能する。載置台12は、導体の支持台14に支持されたい状態で絶縁板13を介してチャンバ10の底部に配設されている。載置台12の上面には、基板Wを静電吸着するための静電チャック16が設けられている。静電チャック16は、絶縁体16bの間に電極16aを介在している。電極16aには直流電圧源18が接続されている。直流電圧源18から電極16aに直流電圧が印加されるとクーロン力が発生し、基板Wが吸着される。
載置台12の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング20が設けられている。また、載置台12及び支持台14の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材21が設けられている。
載置台12には、第1の整合器31を介して第1の高周波電源30が接続されている。第1の高周波電源30は、例えば、27MHz〜100MHzの周波数、本実施形態では、例えば40MHzのプラズマ生成用の高周波電力を出力する。また、載置台12には、第2の整合器36を介して第2の高周波電源35が接続されている。第2の高周波電源35は、例えば、400kHz〜13.56MHzの周波数、本実施形態では、例えば3.2MHzのバイアス用の高周波電力を出力する。
載置台12の上方には、チャンバ10の天井部の載置台12と対向する位置に上部電極40が設けられている。上部電極40は、ガスシャワーヘッドとしても機能する。上部電極40は、絶縁性部材42を介してチャンバ10の天井部に支持されている。上部電極40は、電極板44と電極支持体46とを有している。電極板44は、載置台12と対向面を形成する。電極支持体46は、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に電極板44を着脱可能に支持する。
電極支持体46の内部には、外周側と内周側に仕切られたエッジ側ガス供給ゾーン48及びセンタ側ガス供給ゾーン49が設けられている。エッジ側ガス供給ゾーン48及びセンタ側ガス供給ゾーン49は、電極板44内に形成された多数のガス導入孔50及びガス導入孔51とそれぞれ連通している。
かかる構成により、エッジ側ガス供給ゾーン48に供給されたガスは、ガス導入孔50を介して周縁側からチャンバ10内のプラズマ処理空間Uにシャワー状に導入される。また、センタ側ガス供給ゾーン49に供給されたガスは、ガス導入孔51を介して中心側からプラズマ処理空間Uにシャワー状に導入される。
なお、電極支持体46等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられ、上部電極40を冷却して所望の温度に調整する。また、電極支持体46等には、図示しないヒータが埋設され、上部電極40を加熱して所望の温度に調整する。
本実施形態では、上部電極40内のガス室を2つに分け、中心側を円形状のセンタ側ガス供給ゾーン49、外周側を環状のエッジ側ガス供給ゾーン48とした。しかしながら、上部電極40内のガス室は2つ以上のガス供給ゾーンに分割されてもよく、また、径方向に分割しても、周方向に分割してもよい。たとえば、複数のガス供給ゾーンは、上部電極40の径方向に向けて最外周のゾーンと内周側の1又は複数のゾーンに分けられ、各ガス供給ゾーンから処理ガスをチャンバ10内にそれぞれ導入してもよい。
電極支持体46上には、ガス配管53、54を介して、電極支持体46に対向した位置に略円盤状の接地部材70が設けられている。接地部材70は、導電体により構成され、本実施形態においては例えばアルミニウムが用いられる。
エッジ側ガス供給ゾーン48は、複数のガス配管53の一端と連結されている。センタ側ガス供給ゾーン49には、ガス配管54の一端と連結されている。複数のガス配管53の他端は、第2の分岐部123と連結されている。ガス配管54の他端は、第1の分岐部122と連結されている。なお、ガス配管53,54の構造については、後程詳述する。
分岐配管60は、1つの配管が第1の分岐部122及び第2の分岐部123に分岐し、処理ガスを所定の流量比に分流して各複数のガス供給ゾーン48,49に供給する。流量調整装置67は、分岐配管60に取り付けられ、ガス供給源68から供給され、混合配管で混合された処理ガスを所定流量比に分けて分岐配管60の第1の分岐部122及び第2の分岐部123に分配する。流量調整装置67は、ガスを分流した後の各分岐部122,123内部の圧力をモニタすることで、分岐配管60にて分流させるガスの流量制御を行う。
付加配管130は、分岐配管60の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、処理ガスに調整ガスを添加する。本実施形態では、付加配管130は、分岐配管60の第2の分岐部123に接続され、調整ガスとしてCガスを流入させる。しかし、これに限らず、付加配管130は、少なくとも最外周のゾーンと連通する分岐配管60の分岐部に接続されてもよいし、内周側の少なくともいずれかのゾーンと連通する分岐配管60の分岐部に接続されてもよいし、全てのゾーンと連通する分岐配管60の分岐部に接続されてもよい。
支持台14の内部には、冷媒流路14aが形成され、冷媒流路14aに適宜冷媒として例えば冷却水等を循環させることにより、基板Wを所定の温度に制御する。基板Wの裏面側には、ヘリウムガス(He)等の冷熱伝達用ガス(バックサイドガス)を供給するための配管22が設けられている。
チャンバ10の底部には、排気口80が形成されている。排気口80には、排気管81を介して排気装置82が接続されている。排気装置82は、真空ポンプを有し、真空ポンプを作動させることによりチャンバ10内を所定の真空雰囲気に保持する。
チャンバ10の内壁は、表面に耐プラズマ性の材料からなる溶射被膜が形成されたライナ83により覆われている。チャンバ10の側壁には、開閉により基板Wを搬入又は搬出するための図示しないゲートバルブが設けられている。
制御部100は、レシピに従いプラズマ処理装置1を制御する。制御部100は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)を有し、CPUはこれらの記憶領域に格納された各種レシピに従って、第1の高周波電源30、第1の整合器31、第2の高周波電源35、第2の整合器36、ガス供給源68、流量調整装置67等の各部の動作を制御し、これにより、プラズマ処理を実行する。例えば、レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報である各種プロセスガス流量、プロセス時間、処理室内温度(上部電極温度、処理室の側壁温度、ESC温度など)、圧力(ガスの排気)、高周波電力や電圧、伝熱ガス流量などが記載されている。なお、制御部100の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
制御部100の制御により、プラズマ処理装置1内では、第1の高周波電源30から出力されたプラズマ生成用の高周波電力により、上部電極40から導入されたガスを電離又は解離させ、プラズマ処理空間Uにプラズマを生成する。載置台12に載置されたウエハWは、生成されたプラズマにより、例えばエッチング等の所望のプラズマ処理を施される。
以上、本実施形態に係るプラズマ処理装置1の全体構成について説明した。次に、本実施形態に係るガス供給機構について、図2を参照しながら説明する。図2は、一実施形態に係るガス供給機構の構成図である。
[ガス供給機構]
ガス供給機構GMは、第1のガスボックス68aと第2のガスボックス68bとからなるガス供給源68を有している。ガス供給源68は、例えば4つのガス源110a、110b、110c、110dが収容された第1のガスボックス68aと、例えば1つの調整ガス源112aが収容された第2のガスボックス68bを有する。
第1のガスボックス68aのガス源110a、ガス源110bのそれぞれには、エッチングガスとしてフロロカーボン系のフッ素化合物、例えばCガス、Cガスが封入されている。Cガスとしては、C、C、Cなどが挙げられる。ガス源110cには、キャリアガスとしての希ガス、例えばArガスが封入されている。ガス源110dには、例えばCF系の反応生成物のデポをコントロールするガスとしてOガスが封入されている。第2のガスボックス68bの調整ガス源112aには、例えばエッチングを促進可能なCガスとしてCガスが封入されている。
第1のガスボックス68aの各ガス源110a〜110dには、各ガス源110a〜110dからの各種ガスが合流され混合される混合配管120が接続されている。混合配管120には、各ガス源110a〜110dからのガスの流量を調整するマスフローコントローラ121がガス源毎に設けられている。
混合配管120には、混合配管120で混合された混合ガスを分流する分岐配管60が接続されている。分配配管60は、第1の分岐部122と第2の分岐部123に分岐している。第1の分岐部122は、ガス配管54を介して上部電極40のセンタ側ガス供給ゾーン49に接続されている。第2の分岐部123はさらに複数に分岐し、複数のガス配管53を介して上部電極40のエッジ側ガス供給ゾーン48に接続されている。
流量調整装置67は、圧力調整部124,125を有している。第1の分岐部122には圧力調整部124が接続され、第2の分岐部123には圧力調整部125が接続されている。圧力調整部124は、圧力計124aとバルブ124bを備え、圧力調整部125は、圧力計125aとバルブ125bを備えている。圧力調整部124の圧力計124aによる計測結果と、圧力調整部125の圧力計125aによる計測結果は、圧力比制御装置126に出力される。圧力比制御装置126は、圧力計124a、125aの計測結果に基づいて、各バルブ124b、125bの開閉度を調整し、第1の分岐部122と第2の分岐部123に分流される混合ガスの圧力比を制御し、流量比を制御する。
第2のガスボックス68bの調整ガス源112aには、第2の分岐部123に連結する付加配管130が接続されている。付加配管130は、圧力調整部125の下流側にて第2の分岐部123に接続されている。つまり、付加配管130は、流量調整装置67とガス配管53との間の第2の分岐部123に接続され、流量調整装置67により流量調整された処理ガスに調整ガスを添加する。付加配管130には、調整ガス源112aからの調整ガスの流量を調整するマスフローコントローラ131が設けられている。かかる構成により、第2のガスボックス68bの調整ガスを第2の分岐部123に供給可能とする。
第1のガスボックス68aにおけるマスフローコントローラ121と、第2のガスボックス68bにおけるマスフローコントローラ131の動作は、流量調整装置67及び圧力比制御装置126を介して制御部100により制御される。したがって、制御部100により、第1のガスボックス68a及び第2のガスボックス68bからの各種ガスの供給の開始と停止、各種ガスのガス流量が制御される。
次に、かかる構成のガス供給機構GMの動作について、図2及び図3を参照して説明する。図3は、一実施形態に係る流量調整装置と分岐配管と付加配管とガス配管の配置図である。
まず、制御部100の指示信号により、第1のガスボックス68a内の予め設定されているガスが所定流量で混合配管120に出力される。例えば、ガス源110a〜110dからCガス、Cガス、Arガス及びOガスがそれぞれ所定流量で供給され、混合配管120において混合されて、所定の混合比のCガス、Cガス、Arガス及びOガスからなる混合ガスが生成される。
続いて、図2に示した圧力計124a、125aの計測結果に基づいて、圧力比制御装置126によりバルブ124b、125bの開閉度が調整され、第1の分岐部122及び第2の分岐部123に流れる混合ガスの圧力比が目標圧力比に調整される。これにより、第1の分岐部122からセンタ側ガス供給ゾーン49に供給される混合ガスのガス成分(混合比)と流量が設定される。また、第2の分岐部123からエッジ側ガス供給ゾーン48には、この時点で、少なくともセンタ側ガス供給ゾーン49と同じ混合ガス、つまりエッチング処理が可能な混合ガスが供給される。
第1の分岐部122及び第2の分岐部123に流れる混合ガスが目標圧力比に調整され安定すると、圧力比制御装置126により、圧力調整部124、125のバルブ124b、125bの開閉度が固定される。バルブ124b、125bの開閉度が固定されるタイミングに制御部100の指示信号により、第2のガスボックス68b内の予め設定されている調整ガスが所定流量で付加配管130に流される。第2のガスボックス68bからの調整ガスの供給を開始させるための指示信号は、レシピに基づき制御部100から出力される。例えば調整ガス源112aからエッチングを促進可能なCガスが所定の流量で供給され、付加配管130を介して第2の分岐部123に合流される。これにより、第2の分岐部123が連通するエッジ側ガス供給ゾーン48には、ガス配管53を介してセンタ側ガス供給ゾーン49に供給されるガスに含まれるCガス量よりもCガスの多い混合ガスが供給される。こうして、エッジ側ガス供給ゾーン48に供給される混合ガスのガス成分及び流量が設定される。なお、この第2の分岐部123への調整ガスの添加により第1の分岐部122と第2の分岐部123の圧力比は変動するが、バルブ124b、125bが固定されているので、センタ側ガス供給ゾーン49には、ガス配管54を介して当初の流量の混合ガスが供給される。
プラズマ処理装置1では、減圧雰囲気の下、プラズマ処理空間Uの中心部付近には、センタ側ガス供給ゾーン49からの混合ガスが供給される。また、ウエハWの外周部には、エッジ側ガス供給ゾーン48から、センタ側ガス供給ゾーン49からの混合ガスよりCガスの多い混合ガスが供給される。これにより、ウエハWの外周部におけるエッチングレート特性がウエハWの中心部に対して相対的に促進され、ウエハW面内のエッチング特性が均一になる。
以上の実施形態によれば、第1のガスボックス68aからの複数種類のガスが混合配管120で混合され、その混合ガスが第1の分岐部122と第2の分岐部123に分流してセンタ側ガス供給ゾーン49とエッジ側ガス供給ゾーン48に供給される。第2の分岐部123を流れる処理ガスには、エッチング特性を調整するための調整ガスが添加され、エッジ側ガス供給ゾーン48bには、センタ側ガス供給ゾーン49と異なる成分、流量の混合ガスが供給される。このように、センタ側ガス供給ゾーン49とエッジ側ガス供給ゾーン48に供給される混合ガスのガス成分や流量を、簡単な配管構成で任意に調整できる。
[ガス配管]
かかる構成のガス供給機構GMを利用して、分岐配管の第2の分岐部123に連結された付加配管130から調整ガスが付加される場合の課題及び課題解決について説明する。
第1のガスボックス68aから供給された第2の分岐部123を流れる分子量の小さいガスを主ガスとした処理ガスに、分子量の大きい調整ガスを混合させる場合を考える。分子量が大きく異なるガス同士を混合させる場合、分子量が近いガス同士を混合させる場合に比べてガスは混合されにくい。つまり、ガスが完全に混合されるまでの時間は、分子量が大きく異なるガス同士を混合させる場合の方が、分子量が近いガス同士を混合させる場合に比べて長くなる。このため、これらのガスは、十分に混合される前にガスシャワーヘッド(上部電極40)のガス導入孔50からチャンバ10内のプラズマ処理空間Uへ導入されてしまう。このため、ガスシャワーヘッドから導入されるガスの混合比率(ガス濃度)にバラツキが生じる。その結果、ウエハWのプラズマ処理において、ガス濃度が不均一なために均一なプロセス特性が得られないという課題がある。
これに対して、処理容器内へ導入される前に各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得るために、調整ガスが付加された分岐配管の長さを長くすることも考えられる。しかしながら、流量調整装置67は、ガスを分流した後の第1の分岐部122及び第2の分岐部123内の圧力をモニタすることで、分岐配管60により第1の分岐部122及び第2の分岐部123に分流するガスの流量制御を行っている。よって、分岐後の第1の分岐部122及び第2の分岐部123内の圧力変動を迅速にモニタし、ガス流量制御に反映させるために、第1の分岐部122及び第2の分岐部123の配管長はできるだけ短くする必要がある。よって、流量調整装置67による流量制御の精度を考慮すると、分岐配管を各ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間が得られる程長くすることはできない。
第2の分岐部123内にオリフィスを設けることにより、ガスを第2の分岐部123内で一時滞留させ、ガスが第2の分岐部123を出て行くまでに遅延を生じさせ、これにより、ガスを混合させることも考えられる。しかしながら、これによれば、コンダクタンスが変動するため、管内の圧力にも影響を与える。その結果、配管内のオリフィスにより流量調整装置67内の圧力計により検出される圧力値も変動し、流量調整装置67によるガスの流量制御の精度が悪化するおそれがある。よって、第2の分岐部123内にコンダクタンスを大きく変化させるような部材を設けることはできない。更に、配管の長さを単純に直線上に長くすることは、装置全体をコンパクトに設計し、省スペース化を図る観点からも得策ではない。
そこで、本実施形態では、付加配管130が接続された第2の分岐部123に連結するガス配管53に、主ガスと調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部を形成する。これにより、ガス配管53は、図3の第2の分岐部123と付加配管130との連結部Aからガス配管53のガス出口Bまでの距離を長くし、混合ガスがチャンバ10内に供給される前に、ガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得ることができるように機能する。以下では、ガス配管53の具体的構成について、図4を参照しながら説明する。
本実施形態に係るガス配管53、54は、前述したように、チャンバ10外の上部電極40との対向位置に設けられた接地部材70と上部電極40との間に配置されている。図4では、複数のガス配管53は、ガス配管54と内部構造が異なっている例を示す。
ガス配管53は、分子量が小さい主ガスのArガス含む処理ガスと分子量が大きい調整ガスのCガスとの混合ガスを流す配管であり、絶縁体で形成された円筒状の部材53aにドリル状の部材53bが嵌め込まれた構造となっている。これにより、ガス配管53の内部には、スパイラル状のガス経路が形成される。このガス配管53内のスパイラル状のガス経路は、ガス配管53に形成された屈曲部の一例である。
円筒状の部材53aの上端には幅広な開口部が形成されている。この開口部に接地部材70の凹部に勘合した係合部材55を嵌め込むことにより、ガス配管53は接地部材70に支持される。ガス配管53の下端は、電極支持体46の凹部に勘合している。電極支持体46の凹部はエッジ側ガス供給ゾーン48につながっている。これにより、ガス配管53のガス経路は、第2の分岐部123とエッジ側ガス供給ゾーン48に連通する。ガス配管53は、チャンバ10内の真空雰囲気を気密に保持するためにOリング59でシールされている。
通常、分子量が大きく異なるガス同士は混ざりにくい。しかしながら、ガス配管53は、機械加工と機械的強度を考慮した範囲で、配管の鉛直方向の長さに対してできるだけガスの経路長が長く、かつコンダクタンスを良好にするために容積が大きくなるようなスパイラル形状を有している。かかる構成によれば、第2の分岐部123から流入する処理ガスと付加配管130から流入する調整ガスとの混合ガスは、コンダクタンスを所定以上に保ちながら、ガス配管53内のスパイラル形状のガス経路を通る間に拡散していき、ガス配管53の内壁やガス同士で分子衝突を繰り返し、混合されていく。混合ガスは、エッジ側ガス供給ゾーン48に導入され、ガス導入孔50からチャンバ10内へ導入される時点で完全に混ざり合い、濃度が均一な状態、つまり、処理ガスと調整ガスの理想混合ガス時の濃度に到達することができる。なお、上部電極40等に埋設される図示しないヒータによりガス配管53を高温環境に制御し、これによりガスの分子運動を活発にして分子衝突回数を増やすことによって、スパイラル構造のガス配管53という小スペース空間内であってもガスの混合を更に促進してもよい。これにより、チャンバ10内へ導入される時点での処理ガスと調整ガスをより効果的に完全混合ガスとすることができる。
このように、分子量が大きく異なる主ガスを含む処理ガスと調整ガスが、完全に混ざり合い、理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間を得るためには、ガス配管53の経路長は、150mm以上であることが好ましい。その理由、根拠ついては後述する。
本実施形態では、ガス配管54は、調整ガスが添加されていない処理ガスを流す配管であり、絶縁体からなる円筒状の部材54aに貫通口を有する管状部材54bが嵌め込まれた構造となっている。ガス配管54は、チャンバ10内の真空雰囲気を気密に保持するためにOリング59でシールされている。
第1の分岐部122から流入する処理ガスは、ガス配管54内を通り、センタ側ガス供給ゾーン49に導入され、ガス導入孔51からチャンバ10内へ導入される。ガス配管54を通る処理ガスには、主ガスと大きく異なる分子量の調整ガスは含まれない。通常、分子量が近いガス同士は混ざり易い。よって、ガス配管54内の経路がガス配管53内の経路のように長くなくても、処理ガスは、ガス導入孔51からチャンバ10内へ導入される時点で完全に混ざり合い、濃度が均一な状態となる。
[複数のガス供給ゾーンにおける混合ガス濃度の均一性]
次に、複数のガス供給ゾーンに、分子量が大きく異なるガスを供給する際のガス濃度の均一性について、図5〜図8の実験結果に基づき説明する。
最初に、次のガス条件の場合、図5に示したガスの合流部Mの構造上、エッジ側ガス供給ゾーン48にてガス濃度がどのように偏るかについて概念的に説明する。ガスの合流部Mは、図3のガス配管53での処理ガスと調整ガスとが合流する部分を概念的に示したものである。図5の場合、ガス配管53のガス経路には屈曲部は形成されていない。また、そのガス経路の長さも150mm以下としている。
ガス流量比条件(調整ガスCの流量を1としたときの流量比で示す。)
・処理ガス C/C/Ar/O=0/0/100/4.2
・調整ガス C=1
上記ガス条件では、処理ガスのうち、ガス流量比が100と圧倒的に多いArガスが主ガスとなり、処理ガスは実質的にArガスの分子量44で決定されるといえる。これに対して、調整ガスのCガスの分子量は200であり、Arガスの分子量44の4.54倍と圧倒的に重い。このように、主ガスのArガスと調整ガスのCガスの分子量が大きく異なると、これらのガスは混ざりにくい。
図5の実験では、センタ側ガス供給ゾーン49を閉じ、エッジ側ガス供給ゾーン48のみに、上記条件のガスを供給した。図3の連結部Aに示したように、第2の分岐部123と付加配管130とはほぼ直角に連結されている。かかる連結部Aの構造によれば、図5に示したように、第2の分岐部123から主ガスのArガスを含む処理ガスがエッジ側ガス供給ゾーン48の径方向に向けて供給されるのに対して、調整ガスのCガスは、処理ガスの流入方向とほぼ直角な方向、つまりエッジ側ガス供給ゾーン48の周方向に向けて供給される。
各種ガスの合流点Mでは、分子量が大きい調整ガスにより、分子量が小さい主ガスが調整ガスが導入される周方向(PA方向)に押し出される。また、調整ガスが導入される方向と逆方向(PB方向)の領域Cでは調整ガスの濃度が高まり、反応速度が速まる。このようにしてエッジ側ガス供給ゾーン48の周方向にガスの偏る領域Cが生じる。
このようなエッジ側ガス供給ゾーン48の周方向のガス濃度の不均一を是正するために、プロセス条件を変えて実験した結果を図6〜図8に示す。各図において、エッジ側ガス供給ゾーン48の周方向のガス濃度の均一性は、エッジ側ガス供給ゾーン48の周方向のエッチングレートERのバラツキの差として、次式で表される。
ガス濃度の均一性(%)=(Max−Min)/(Max+Min)×100
Max:周方向のエッチングレートERの最大値
Min:周方向のエッチングレートERの最小値
つまり、ガス濃度の均一性をウエハWのプラズマによるエッチングレートの面内の均一性に換算して評価する。ガス濃度が均一であればその値に相関してウエハWのプラズマによるエッチングレートの分布も均一になり、上述したガス濃度の均一性(%)も小さい値となる。
以下に、プロセス条件を変えて、エッジ側ガス供給ゾーン48の周方向のガス濃度の均一性を測定した結果について説明する。なお、以下では、エッジ側ガス供給ゾーン48をエッジ側、センタ側ガス供給ゾーン49をセンタ側と略して呼ぶ。
エッジ側のエッチングレートがセンタ側より低いため、エッジ側のエッチングレートを上げるためにエッジ側ガス供給ゾーン48に供給される処理ガスに調整ガスを添加する。なお、ガス濃度の均一性は1%であることが理想であるが、ガス濃度の均一性が1.3%以下であればエッジ側の周方向のガス濃度の均一性が維持され、良好なエッチング特性が得られることがわかっている。
[ガス濃度の均一性]
(調整ガスの添加)
図6は、ガス濃度の均一性が調整ガスの流量によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。図6〜図8のプロセス条件において、いずれも同じ所定の圧力条件において、第1の高周波電源及び第2の高周波電源から同じ所定の高周波電力を印加して行った。
<プロセス条件>
・条件A
調整ガスのCガスを添加しない場合
・条件B(調整ガスCの流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C/C/Ar/O=3/0.8/100/4.2
調整ガス C=1(エッジ側に添加、センタ側には添加しない)
・条件C(調整ガスCの流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C/C/Ar/O=1.5/0.4/50/2.1
調整ガス C=1(エッジ側に添加、センタ側には添加しない)
条件A〜条件Cにおいてエッジ側/センタ側の流量比=80/20とした。
図6(a)の条件Aは、主ガスをArガスとする上記処理ガスに対して調整ガスのCガスを添加しない場合、図6(a)の条件Bは、Cガスを上記のガス流量比で添加する場合、図6(a)の条件Cは、Cガスを上記のガス流量比で添加する場合を示す。
実験の結果、条件A、B、Cの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「0.9%」、「5.8%」、「7.4%」であった。この結果を図6(b)のグラフに示す。これによれば、条件AのCガスを添加しない場合、ガス濃度の均一性は1.3%以下でありガス濃度の均一性が保持されているが、条件B、CのCガスを添加した場合には、1.3%より顕著に大きな値となり、ガス濃度の均一性が保持されていないことがわかる。また、Cガスの添加量が多いほど、ガス濃度のバラツキが大きく、エッジ側でのガス濃度の均一性が悪いことがわかる。
(エッジ側/センタ側の流量比)
図7は、ガス濃度の均一性がエッジ側とセンタ側に分流するガスの流量比によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。
<プロセス条件>
・条件D(調整ガスCの流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C/C/Ar/O=3/0.8/100/4.2
調整ガス C=1(エッジ側に添加、センタ側には添加しない)
エッジ側/センタ側の流量比=80/20
・条件E
エッジ側/センタ側の流量比=50/50(この条件以外は条件Dと同一とした。)
・条件F
エッジ側/センタ側の流量比=20/80(この条件以外は条件Dと同一とした。)
図7(a)の条件Dは、エッジ側/センタ側の流量比が80/20の場合、条件Eは、エッジ側/センタ側の流量比が50/50の場合、条件Fは、エッジ側/センタ側の流量比が20/80の場合を示す。実験の結果、条件D、E、Fの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「5.8%」、「3.0%」、「1.4%」であった。この結果を図7(b)のグラフに示す。これによれば、条件Dのセンタ側よりエッジ側の流量比が高い場合、ガス濃度の均一性が最も悪く、条件E、Fのように、センタ側に対するエッジ側の流量比の割合が下がる程ガス濃度の均一性が高くなり、条件Fのエッジ側/センタ側の流量比が20/80の場合、ガス濃度は1.3%に近くなりほぼ均一性が保持されていることがわかる。このようにエッジ側のガス流量を増やすとガス濃度の偏りが増す理由は、エッジ側には、主ガスのArガスと分子量が大きく異なる調整ガスのC4F8ガスを添加しており、これらのガスが混ざり合いにくいためである。特に、エッジ側のガス流量が多いと、エッジ側の流速が速くなるため、更に混ざりにくくなる。一方、エッジ側のガス流量が少ないと、エッジ側の流速が遅くなるため、混ざりやすくなる。
(配管長)
図8は、ガス濃度の均一性がガスの配管長によりどのように変化するかを実験した結果である。プロセス条件は次の通りである。
<プロセス条件>
・条件G(調整ガスCの流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C/C/Ar/O=3/0.8/100/4.2
調整ガス C=1(エッジ側に添加、センタ側には添加しない)
エッジ側/センタ側の流量比=80/20
ガス配管長が52.5mmで流路は直線
・条件H
ガス配管長が150mmで流路は直線(この条件以外は条件Gと同一とした。)
・条件I
ガス配管長が500mmで流路は直線(この条件以外は条件Gと同一とした。)
・条件J
ガス配管長が275mmで流路はスパイラル(この条件以外は条件Gと同一とした。)
図8(a)の条件Gは、ガス配管長が52.5mmの場合、条件Hは、ガス配管長が150mmの場合、条件Iは、ガス配管長が500mmの場合を示す。実験の結果、条件G、H、Iの場合、ガス濃度の均一性はそれぞれ「5.8%」、「1.2%」、「1.0%」であった。この結果を図8(b)のグラフに示す。これによれば、条件Gのガス配管長が52.5mmの場合、ガス濃度の均一性が最も悪く、条件H、Iのガス配管長が150mm以上の場合、ガス濃度は1%に近くなりガス濃度の均一性が保持されていることがわかる。以上から、ガス配管長が150mm以上の場合、上記ガス条件のガスが完全に混ざり合うまでの反応時間を得ることができることがわかる。
ただし、条件Iのように、ガス配管長を500mmまで長くすると、ガス濃度は完全に均一になる。しかし、チャンバ上の蓋部分の限りあるスペースには、多くの外付け機器を配置する必要があることと、メンテナンス時にはチャンバ上の蓋を取り外す必要があることから、500mmの長さのガス配管をチャンバ上に配置することは現実には難しい。
図8(b)に示した実験結果に基づき、ガス配管長は150mm以上であればよいことが実証されている。以上から、発明者は更なる実験を重ね、条件Jとしてガス配管53内の流路をスパイラル形状にした。このような流路の構造により、コンダクタンスを悪化させずに、実現可能な最大長Lが275mmであること、そして、このときのガス濃度の均一性は1.3%であり均一性が保たれていることを確認できた。また、この流路がスパイラル形状としたガス配管53の入口から出口までの直線距離が60mmであったことから、ガス配管53内の流路をスパイラル形状とすることでチャンバ10上のスペースとしては約1/4(60/275)まで縮小することができた。
[ArガスとCガスが完全混合するまでの反応時間を得るための距離L]
次に、処理ガス中の主ガスのArガスと調整ガスのCガスがガス配管の入口から流入され、出口から流出するときに完全混合するまでの反応時間τを得るための距離Lを算出する。
物質が反応により増減する場合、式(1)が成り立つ。
蓄積速度=流入速度−流出速度+生成速度 ・・・(1)
ガス配管内をArガスとCガスの混合ガスが流れる場合のガスの混合状態について、図9を参照しながら説明する。図9に示したように各変数は以下のように定義される。
Ain :ガス配管入口でのガス濃度(M)
Aout :ガス配管出口でのガス濃度(M)
Q :ガス配管出入口でのガス流量(一定)
S :ガス配管の断面積(cm
L :ガス配管長(mm)
なお、図9のx=0で示されたガス配管の入口は、ArガスとCガスとを流入する位置である。ガス配管の入口では、ArガスとCガスとはまったく混合されていないため、濃度差がある。
ガス配管の入口から流入したArガスとCガスは、ガス配管内で拡散していき、ガス配管の内壁やガス同士で分子衝突を繰り返す。そして、ガス配管の出口では、ArガスとCガスは完全に混ざり合い、濃度が均一な状態、つまり、ArガスとCガスの理想混合ガス時の濃度に到達する。このときのガス配管長(長手方向の距離)をLとする。
このように、0≦x<Lでは、ガス配管内のガスの濃度は均一ではない。このため、図9に示したように、ガス配管の入口から任意の距離xと、その距離から微少距離進んだx+dxとの微少体積内で濃度が均一と仮定して説明を続けると、この微少体積内では定常状態であり、各点の濃度変化はない。よって、式(1)の蓄積速度は0となる。微少体積内での式(1)の各速度を求めると以下のようになる。
蓄積速度=0
流入速度=CA|x
流出速度=CA|x+dx
生成速度=rSdx
ここで、rは、反応速度(M/s)である。
これを式(1)に代入し、両辺をdxQで除すると次式(2)が得られる。
(CA|x+dx−CA|x)/dx=dC/dx=rS/Q ・・・(2)
x=0のとき、C=CAin、x=Lのとき、C=CAoutであるから、式(2)を積分すると次式(3)が導き出される。
Figure 0006034655
ここで、τは、ArガスとCガスの混合ガスが理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間(一定)である。
一般的に、反応速度は多くの場合、対象物質Aの濃度のn乗に依存する形をとり、式(4)で表される。
=dC/dt=±kC ・・・(4)
ここで、kは、拡散係数である。
対象物質Aが一次反応で減少している場合で考えてみると、一次反応であるから、式(4)のnは1、対象物質Aは減少するから式(4)の右辺は−になり、式(5)が得られる。
==−kC ・・・(5)
式(5)を式(3)に代入すると、次式(6)が得られる。
Ln(CAin/CAout)=−kτ ・・・(6)
式(3)のSL/Q=V/Q=τを用いれば、ガス配管の体積Vと流量Qとにより理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間τが算出できる。算出された反応時間τ及び式(6)に基づき、ArガスとCガスとのガス配管の入口と出口におけるガスの濃度比CAin/CAoutを求めることができる。
上記実験結果から、距離Lは150mm以上であればよいことがわかっている。よって、例えば、L=150mmとしたときの許容される濃度比CAin/CAoutを求めることにより、混合するガス種とガス流量とを定めることができる。
また、ArガスとCガスとが混ざり合う前と混ざり合った後、つまり、ガス配管の入口と出口におけるガスの濃度比CAin/CAoutを算出できれば、算出された濃度比CAin/CAoutを式(6)に代入することにより、ArガスとCガスの理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間τを算出できる。算出された反応時間τを式(3)に代入することにより、ArガスとCガスの混合ガスが理想混合ガス時の濃度に到達するまでのガス配管の距離Lを求めることができる。
以上から、付加配管130が接続された第2の分岐部123に連結するガス配管53のガス経路は、ガス配管53の入口から流入された調整ガスと主ガスとの混合ガスがガス配管53の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間τが経過したとき又はその後、混合ガスがガス配管53の出口に到達する距離Lであればよい。
あるいは、150mm以上の距離をもつガス配管53を用いて、該ガス配管53の入口から流入した調整ガスと主ガスとの混合ガスが該ガス配管53の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間τを算出し、制御部100は、反応時間τに基づき、主ガスと調整ガスとの濃度比を算出することにより、主ガスと調整ガスとの濃度比を前記算出された濃度比以内に制御するようにしてもよい。
以上に説明したように、本実施形態によれば、複数のガス供給ゾーン48,49にガスを供給する複数のガス配管53,54のうち、少なくとも付加配管130が接続された第2の分岐部123に連結するガス配管53には、スパイラル形状の屈曲部が形成される。これにより、ガス経路長を伸ばし、ArガスとCガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制することができる。
「変形例」
上記実施形態では、第2の分岐部123にエッチングを促進可能なCガスを供給したが、例えばウエハWのエッジ側よりもセンタ側にCF系の反応生成物の堆積が多く、センタ側のエッチングが遅れるような場合も考えられる。その場合には、第1の分岐部122にエッチングを促進可能なCガスを供給し、経路長を伸ばすためのガス配管53を第1の分岐部122に連結してもよい。また、第1の分岐部122及び第2の分岐部123に所定量のCガスを供給し、経路長を伸ばすためのガス配管53を第1の分岐部122及び第2の分岐部123のいずれにも連結するようにしてもよい。これにより、センタ側及びエッジ側の少なくともいずれかのエッチングレートを調整する際、ガス配管53を用いてガス経路長を伸ばし、ArガスとCガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制することができる。
また、上記実施形態では、コンダクタンスを変化させずにガス経路長を伸ばすために、ガス配管53の屈曲部の一例としてスパイラル形状を挙げたが、ガス配管53の屈曲部はこれに限られず、図10に示したように、ガス配管53に、縦断面形状がU字状53cの屈曲部を形成したり、図示しないV字状にしたりしてもよい。
また、上記実施形態では、調整ガスとして分子量200のCガスを導入したが、他のCF系ガスとして、例えば分子量162のCガス、分子量212のCガスを使用することができる。また、上記実施形態では、処理ガスの主ガスとして希釈ガスである分子量44のArガスを導入したが、例えば分子量4のHeガス等を使用してもよい。これらのガス種を組み合わせて使用した場合の調整ガスと主ガスとの分子量比の範囲は、調整ガスに分子量162のCガスを用い、主ガスに分子量44のArガスを用いた場合の3.68(=162/44)が最小値となり、調整ガスに分子量212のCガスを用い、主ガスに分子量4のHeガスを用いた場合の53(=212/4)が最大値となる。すなわち、本実施形態で適用可能な主ガスと調整ガスとの分子量比は、3.68〜53の範囲であってもよい。
以上、本発明のプラズマ処理装置を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記実施形態及び変形例が複数存在する場合、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、本発明に係るプラズマを発生させる手段としては、容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)発生手段、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)発生手段、RLSA(Radial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマやSPA(Slot Plane Antenna)プラズマを含むマイクロ波励起表面波プラズマ発生手段等を用いることができる。
また、本発明においてプラズマ処理を施される被処理体は、半導体ウエハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ(FPD:Flat Panel Display)用の大型基板、EL素子又は太陽電池用の基板であってもよい。
1:プラズマ処理装置、10:チャンバ、12:載置台(下部電極)、40:上部電極(ガスシャワーヘッド)、48:エッジ側ガス供給ゾーン、49:センタ側ガス供給ゾーン、50,51:ガス導入孔、53,54:ガス配管、60:分岐配管、67:流量調整装置、68:ガス供給源、68a:第1のガスボックス、68b:第2のガスボックス、100:制御部、120:混合配管、122:第1の分配部、123:第2の分配部、130:付加配管、GM:ガス供給機構

Claims (6)

  1. 処理容器内に供給されるガスを高周波電力によりプラズマ化し、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
    前記処理容器に設けられ、内部に複数のガス供給ゾーンを有し、各ガス供給ゾーンから主ガスを含む処理ガスを該処理容器内にそれぞれ導入する上部電極と、
    複数に分岐し、前記処理ガスを所定の流量比に分けて前記複数のガス供給ゾーンに供給するための分岐配管と、
    前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部の少なくともいずれかに接続され、前記処理ガスに調整ガスを添加するための付加配管と、
    前記分岐配管の分岐後の複数の分岐部と前記複数のガス供給ゾーンとを連結する複数のガス配管とを有し、
    前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路には、前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比に応じた濃度のバラツキを抑制するための屈曲部が形成され、
    前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路は、該ガス配管の入口から流入した前記調整ガスと前記主ガスとの混合ガスが該ガス配管の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間が経過したとき又はその後、該混合ガスが該ガス配管の出口に到達する距離であり、
    以下の式(3)及び式(6)を用いて、前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路を定めるか、又は、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を、前記ガス配管の距離を150mm以上に限定したときに算出される前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比以内に制御する、
    SL/Q=V/Q=τ ・・・(3)
    Ln(C Ain /C Aout )=−kτ ・・・(6)
    S :ガス配管の断面積(cm
    L :ガス配管長(mm)
    Q :ガス配管出入口でのガス流量
    τ :主ガスと調整ガスの理想混合ガス時の濃度に到達するまでの反応時間
    Ain :ガス配管入口でのガス濃度(M)
    Aout :ガス配管出口でのガス濃度(M)
    k :拡散係数
    プラズマ処理装置。
  2. 前記複数のガス供給ゾーンは、前記上部電極の径方向に向けて最外周のゾーンと内周側の1又は複数のゾーンに分けられ、
    前記付加配管は、少なくとも最外周のゾーンと連通する前記分岐配管の分岐部に接続される請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記処理容器の外に前記上部電極と対向して接地部材を設け、
    前記複数のガス配管は、前記上部電極と前記接地部材との間に設けられる請求項1又は2に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記複数のガス配管のうち、少なくとも前記付加配管が接続された分岐配管の分岐部に連結するガス配管のガス経路は、150mm以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 150mm以上の距離をもつガス配管を用いて、該ガス配管の入口から流入した前記調整ガスと前記主ガスとの混合ガスが該ガス配管の出口において均一な濃度になるために必要な反応時間を算出し、該算出された反応時間に基づき、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を算出することにより、前記主ガスと前記調整ガスとの濃度比を、算出された濃度比以内に制御する制御部を更に有する請求項1〜のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記主ガスと前記調整ガスとの分子量比は、3.68〜53である請求項1〜のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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