JP6034655B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
・処理ガス C4F8/C4F6/Ar/O2=0/0/100/4.2
・調整ガス C4F8=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C4F8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C4F8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。
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。
(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。
・条件A
調整ガスのC4F8ガスを添加しない場合
・条件B(調整ガスC4F8の流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C4F8/C4F6/Ar/O2=3/0.8/100/4.2
調整ガス C4F8=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C4F8の流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C4F8/C4F6/Ar/O2=1.5/0.4/50/2.1
調整ガス C4F8=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。
・条件D(調整ガスC4F8の流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C4F8/C4F6/Ar/O2=3/0.8/100/4.2
調整ガス C4F8=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。
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。
・条件G(調整ガスC4F8の流量を1としたときの流量比で示す。)
処理ガス C4F8/C4F6/Ar/O2=3/0.8/100/4.2
調整ガス C4F8=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。
次に、処理ガス中の主ガスのArガスと調整ガスのC4F8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。
ガス配管内をArガスとC4F8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。
CAout :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(cm2)
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C4F8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C4F8ガスとはまったく混合されていないため、濃度差がある。
流入速度=CA|xQ
流出速度=CA|x+dxQ
生成速度=rASdx
ここで、rAは、反応速度(M/s)である。
x=0のとき、CA=CAin、x=Lのとき、CA=CAoutであるから、式(2)を積分すると次式(3)が導き出される。
ここで、kは、拡散係数である。
式(5)を式(3)に代入すると、次式(6)が得られる。
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C4F8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。
上記実施形態では、第2の分岐部123にエッチングを促進可能なC4F8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C4F8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C4F8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C4F8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。
Claims (6)
- 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 2 )
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
C Ain :ガス配管入口でのガス濃度(M)
C 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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1〜4のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 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1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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