JP6182375B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、誘導結合型プラズマ源を備えるプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイス製造分野においては、試料のエッチングや表面処理に誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）のプラズマ装置が利用されている。

従来の誘導結合型プラズマ処理装置として特許文献１には、真空処理室２の一部を構成するとともに処理ガスの吹き出し口を備えたガスリングと、前記ガスリングの上部を被覆して真空処理室を形成するベルジャ１２と、前記ベルジャ１２上部に配置し、前記真空処理室内に高周波電界を供給してプラズマを生成するアンテナ１ａ，１ｂと、前記真空処理室内に試料１３を載置する載置台５と、前記アンテナ１ａ，１ｂとベルジャ１２間に配置するとともに高周波バイアス電圧が付与されるファラデーシールド８と、前記処理ガスの吹き出し口を除く前記ガスリング内面に着脱自在に取り付けた防着板からなり、前記試料面から見込むことのできる防着板を含むガスリング内面の面積を前記試料の面積の略１／２以上に設定したプラズマ処理装置が開示されている。

上記のプラズマ処理装置では、エッチングを施す試料の膜種により、塩素やフッ素等の腐食性の強い処理ガスを用いることが多い。このため、上記の真空処理室２及び上記のベルジャ１２の材質には、腐食性ガスに対する耐食性が求められ、誘電特性の良いアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックスが一般的に用いられている。

特開２００４−２３５５４５号公報

図８に示すような誘電体の真空窓の外周をステンレス製の真空容器で支持される構造を有する誘導結合型プラズマエッチング装置において、プラズマ入熱が高いエッチング条件でエッチングした場合に誘電体の真空窓が破損する現象が見られた。この現象を解明するためにプラズマ入熱がある場合の誘電体の真空窓の温度を調べた。

図８は、アルミナ製の真空窓（以下、誘電体窓と称する）に５００Ｗ相当のプラズマ入熱を与えた場合に誘電体窓２の面内に発生する温度分布を示す。ここで、図中の横軸は、誘電体窓２の半径を、縦軸は誘電体窓２の温度を示す。尚、横軸の０ｍｍは、誘電体窓２の中心を示し、２００ｍｍは、誘電体窓２の最外周を示す。

誘電体窓２に高パワーのプラズマ入熱が加えられた場合、図８に示すように誘電体窓２の中央部の温度は高く、誘電体窓２の外周部へと近づくにつれて温度が徐々に低くなるような温度分布が誘電体窓２に発生していた。この誘電体窓２の温度分布は、誘電体窓２の外周部がステンレス製のチャンバ１に支持され、チャンバ１の熱伝導率が高く、アルミナの熱伝導率が低いことに起因しているものと考えられる。

さらにこの温度分布による誘電体窓２の面内の温度差により、誘電体窓２の中心部の円周方向に圧縮応力が発生し、この中心部の圧縮応力により誘電体窓２の外周部の円周方向に引張応力が誘発されることが考えられる。また、一般的にアルミナは、耐熱衝撃性に弱い。これらのことから、プラズマ入熱が大きい場合の誘電体窓２の破損は、誘電体窓２の外周部の円周方向に発生した引張応力によるものと考えられる。

また、上述のような誘導結合型プラズマ処理装置では、一般的に、容量結合型(Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＣＣＰ）などのプラズマ処理装置に比べて高密度なプラズマを生成しやすいため、上述のようなプラズマの入熱による温度分布が生じやすく、誘電体窓２がより破損しやすいことも予想される。

そこで、上記の引張応力による誘電体窓２の破損を防ぐには、誘電体窓２の面内で発生する温度分布を均一化すること、すなわち、誘電体窓２の面内の温度差を低減しなければならない。現状、誘電体窓２の面内の温度差を低減する手段として以下の２つが挙げられる。

１つ目は、誘導アンテナに供給する高周波電力の低パワー化である。これによりプラズマ密度が低下するため、入熱を抑えることが可能となるが、プラズマ密度も低下するため、エッチング速度の低下が懸念される。特に近年では、ウエハの大口径化に伴い、生成されるプラズマも相応して大口径化が必要であり、より均一でより高密度なプラズマを生成しなければならない。このため、上述の通り高周波電力を低パワーに制限することは困難である。

２つ目は、誘電体窓２の材料変更である。この場合、アルミナより耐熱衝撃性に強く且つ熱伝導率が高い絶縁材料でなければならない。更に、プラズマの生成能力も考慮した場合、材料の比誘電率は、アルミナと同等（ε_r：１０）、またはそれ以上でなければならない。上記を満たす絶縁材料として、例えばサファイアなどがあるが、サファイアは非常に高価であり、上記誘電体窓２のように大口径で製作した場合、数百万程度のコストがかかる。因みにアルミナの場合は数十万程度である。このため、上述のような量産装置においては、コストの面から実現不可能である。また、その他の絶縁材料で上記を満たすものは現状、見あたらず、材料の最適化による対策は非常に困難である。

そこで本発明は、プラズマ入熱による誘電体窓の破損を抑制できるプラズマ処理装置を提供する。

本発明は、試料がプラズマ処理される金属製のプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室の上方を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、前記プラズマ処理室内に誘導磁場を形成し前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記誘電体窓が前記プラズマ処理室により支持された箇所の上方に配置され、電気的に浮遊状態であるリング状の導体をさらに備え、前記導体の中心軸と前記誘電体窓の中心軸は、概ね一致していることを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ入熱による誘電体窓の破損を抑制できる。

実施例１に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。 本発明の導体９の上面図である。 本発明の導体９を配置した箇所を拡大した断面図である。 本発明の導体９の発熱温度に対する材料依存性を示す図である。 本発明の導体９の配置箇所を示す図である。 実施例２に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。 実施例３に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。 誘電体窓にプラズマ入熱を与えた場合の誘電体窓の面内に発生する温度分布を示す図である。

本発明は、プラズマ入熱時の誘電体窓の面内の温度差を低減する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置である。まず最初にプラズマ入熱時に誘電体窓の外周部を加熱する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置の実施形態について図面を参照しながら、以下、説明する。

図１は、誘導結合型プラズマ処理装置の縦断面図を示す。円筒状のチャンバ１の上部開口部にはチャンバ１を気密に封止できる天板である誘電体窓２が取付けられ、真空処理室を構成する。真空処理室の下方には、ウエハ等の試料３を載置するための試料台５が設置される。尚、チャンバ１は、ステンレス、アルミニウム等の金属からなる。試料３には、第２の高周波電源１０からの数１０ＭＨｚ以下の高周波を印加することで、試料３に入射するプラズマ１１からのイオンエネルギーを制御する。本実施例では、試料３は、例えば、半導体デバイス用の３００ｍｍ径のウエハであり、第２の高周波電源１０は周波数８００ＫＨｚ電源を用いた。

また、チャンバ１との間に排気口１２が設けられている。排気口１２の下流の排気装置(図示せず)によって、真空処理室内の圧力を０.１Ｐａから数１０Ｐａの範囲で制御される。プラズマを生成するためのガスは、真空処理室を形成するチャンバ１に設けたガス供給装置１３から導入され、チャンバ１側面の円形の開口部より処理ガスが供給される。

誘電体窓２は、電磁波を透過可能な誘電性の材料、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミック、石英等からなり、本実施例では、アルミナの誘電体窓２を使用した。誘電体窓２の上方にはコイル状の誘導アンテナ４が配置されている。この場合、誘導アンテナ４は、図１に示すように内径が異なり、１ターンの第１の誘導アンテナ４ａないし第４の誘導アンテナ４ｄが同心上に配置されている。第１の誘導アンテナ４ａないし第４の誘導アンテナ４ｄの内径は、第１の誘導アンテナ４ａ、第２の誘導アンテナ４ｂ、第３の誘導アンテナ４ｃ、第４の誘導アンテナ４ｄの順番で大きくなっている。

また、誘導アンテナ４は、整合器６を介して第１の高周波電源７に接続されている。第１の高周波電源７は、例えば、１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの高周波電力を発生させる。誘導アンテナ４と誘電体窓２との間にはファラデーシールド８が配置される。この場合、ファラデーシールド８は、誘電体窓２の上面に配置されている。ファラデーシールド８は、導体であり、図２に示すように中央部に円状の開口を有し、円状の開口を中心にして放射状に複数のスリットを有している。また、ファラデーシールド８は、整合器６を介して第１の高周波電源７に接続され、プラズマ１１と容量結合する平板状のアンテナとなる。さらに誘電体窓２とファラデーシールド８と誘導アンテナ４とは同心上で且つ垂直方向に所定の間隔で平行に配置されている。

図３に示すように誘電体窓２の外周部の上面にはリング状の導体９が配置される。この時、導体９とファラデーシールド８は非接触であり、これらが電気的に繋がらないように設置されていることを特徴とする。つまり、導体９を誘電体窓２の上面に配置されている場合は、ファラデーシールド８の外側に配置され、誘電体窓２の最外周より内側に配置されることになる。また、この時、導体９は電気的に浮遊状態であり、言い換えると、接地されていない。

これらのことから、導体９表面には誘導アンテナ４より発生する誘導磁場を打ち消す方向に誘導電流が発生し、この誘導電流と導体９のもつ電気抵抗によりジュール熱が発生する。この現象は一般的に誘導加熱と呼ばれており、本実施例では、誘電体窓２の外周部上面に設置させた導体９をこの誘導加熱により加熱させることにより、誘電体窓２の外周部を加熱させることができる。このため、誘電体窓２の面内で生じた温度分布を緩和させることができ、課題の欄で上述した引張応力による誘電体窓２の破損を防ぐことができる。

次に、５〜１００Ａの電流を流した時の導体９の発熱温度に対する材料依存性を調べ、結果を図４に示す。各材料としては、アルミニウム、鉄、ステンレス、水銀、ニッケルとクロムの合金であるニクロム(登録商標)を用いて発熱温度を比較した。因みに各材料の持つ電気抵抗率は、アルミニウム：２．８×１０^-8Ω・ｍ、鉄：１０．２×１０^-8Ω・ｍ、ステンレス：６２．２×１０^-8Ω・ｍ、水銀：９０．０×１０^-8Ω・ｍ、ニッケルとクロムの合金：１００．０×１０^-8Ω・ｍとなっている。

図４に示すように、導体９から発熱する温度は、電気抵抗率の高いものほど高くなっていることが分かる。一般的に、導体から発生するジュール熱は、電流 ^２ ×導体の抵抗×電流が導体に流れている時間として求められ、導体の抵抗は、導体の電気抵抗率×導体長さ÷導体の断面積で求められる。
このため、導体の電気抵抗率が大きいものほどジュール熱が大きくなり、発熱する温度も大きくなる。このようなことから、本実施例では、１００.０×１０^-8Ω・ｍのニッケルとクロムの合金製の導体９を誘電体窓２の上面に配置している。

また、図８に示す誘電体窓２の温度分布結果によると、特に誘電体窓２の半径１００〜２００ｍｍの間で温度が著しく低下していることが分かる。このため、導体９を設置する範囲は、誘電体窓２の中心から２００ｍｍから４００ｍｍ（最外周）の間に配置すれば良い。しかし、導体９を図３に示すように誘電体窓２の上面に配置する場合は、ファラデーシールド８の位置も考慮して導体９の配置箇所を決める必要がある。

以上の通り、本実施例によれば、電気抵抗率の高いニクロム(登録商標)、もしくは電気抵抗率が１００.０×１０^-8Ω・ｍ以上の金属材料からなる導体９を用いることにより、引張応力による誘電体窓の破損を防ぐことができる。更に、本実施例の構成は、誘電体窓２の外周部上面に電気抵抗率の高い導体９を配置するだけであり、以下で説明するような他の実施例と違って実装面やコスト面における大幅な設計変更はなく、プラズマ処理性能面における影響もほとんど見られない。つまり、本実施例によれば、所望の課題を解決することができ、且つ量産性に優れたプラズマ処理装置を提供することができる。

また、本実施例では、図３に示すように誘電体窓２の上面に導体９を置いた構造であったが、本発明の導体９は、誘電体窓２の外周部の上面に溶射により形成されたものであっても良い。さらに、本実施例では、図３に示すように誘電体窓２の上面に導体９を配置したが、本発明は、図５に示すように誘電体窓２の外周部の内部に導体９を配置しても良い。この場合は、導体９の配置箇所がファラデーシールド８の位置に制約を受けることがない。

また、本実施例では、導体９の加熱がプラズマ生成のタイミングと同期しているため、無駄な加熱期間を極力減らすことができ、省エネの観点から実用的な実施形態である。さらに、導体９の加熱は、誘導加熱であるため、導体９を加熱するための専用のエネルギー供給源を必ずしも必要としない。

次に、プラズマ入熱時に誘電体窓の中心部を冷却する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置の実施形態について図面を参照しながら以下、説明する。

図６にプラズマ入熱時に誘電体窓の中心部を冷却する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置の概略断面図を示す。尚、実施例１と同じ符号のものは、実施例１と同様の構成および機能を有するため、説明を省略する。プラズマ入熱時に誘電体窓２の中心部を冷却する冷却機構１４は、少なくともプラズマ入熱時に誘電体窓２の上方から誘電体窓２の中心部を冷却する機構である。冷却機構１４は、例えば、２０度のエアーを送風する機構(図示せず)を有する。

制御装置１５は、誘電体窓２の中心部の温度が所定の温度となるように冷却機構１４を制御する。ここで、所定の温度とは、誘電体窓２の破損を防止できる誘電体窓２の面内の温度差とするための誘電体窓２の中心部の温度である。例えば、誘電体窓２が直径４００ｍｍのアルミナの場合、限界の応力は、約１２０ＭＰａであるため、計算上は、４５度の温度差でアルミナが破壊されることになり、安全率を考慮すると誘電体窓２の温度差を２５度以下にする必要がある。これを図８の誘電体窓２の温度データに反映させると所定温度は、プラズマ入熱がない場合における誘電体窓２の中心部の温度に１０度減じた温度以下とすればよい。

また、制御装置１５は、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始する時点より第一の所定の時間だけ前から冷却を開始する、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始するとともに冷却を開始する、または、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始する時点より第二の所定の時間だけ後から冷却を開始するように冷却機構１４を制御する。尚、第一の所定の時間とは、冷却機構１４の冷却速度と冷却機構１４の消費電力考慮して予め求められた許容できる時間であり、第二の所定の時間とは、プラズマ入熱による誘電体窓２の温度上昇に十分に追従でき予め求められた許容できる時間である。

さらに、チャンバ１の外周にはヒータ１６が巻かれ、ヒータ１６によりチャンバ１を所定の温度に加熱している。例えば、ヒータ１６によりチャンバ１を１００度に温調した場合、冷却機構１４により２０度のエアーを誘電体窓２の中心部に送風しても誘電体窓２が破損しない誘電体窓２の面内の温度差に低減できる。つまり、ヒータ１６を備えることにより、冷却機構１４の冷却能力は、あまり高い冷却能力を必要としないで済む。このため、冷却機構１４の冷却能力が誘電体窓２が破損しない誘電体窓２の面内の温度差に低減できる程の冷却能力であれば、ヒータ１６は必ずしも必要ではない。

また、本実施例は、実施例１と組み合わせれば効率的に誘電体窓２の面内の温度差を低減できる。次に実施例１とは異なる、プラズマ入熱時に誘電体窓の外周部を加熱する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置の実施形態について図面を参照しながら、以下、説明する。

図７にプラズマ入熱時に誘電体窓の外周部を加熱する機構を備える誘導結合型プラズマ処理装置の概略断面図を示す。尚、実施例１と同じ符号のものは、実施例１と同様の構成および機能を有するため、説明を省略する。図７に示すように誘電体窓２の外周部の上面にラバーヒータ等のヒータ１７が配置され、電源１８により所定の温度に加熱される。また、制御装置１９は、誘電体窓２の外周部の温度が所定の温度となるように電源１８を制御する。ここで、所定の温度とは、誘電体窓２の破損を防止できる誘電体窓２の面内の温度差とするための誘電体窓２の外周部の温度である。

例えば、誘電体窓２が直径４００ｍｍのアルミナの場合、限界の応力は、約１２０ＭＰａであるため、計算上は、４５度の温度差でアルミナが破壊されることになり、安全率を考慮すると誘電体窓２の温度差を２５度以下にする必要がある。これを図８の誘電体窓２の温度データに反映させると所定温度は、プラズマ入熱がない場合における誘電体窓２の外周部の温度に１０度足した温度以上とすればよい。

また、制御装置１９は、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始する時点より第一の所定の時間だけ前から加熱を開始する、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始するとともに加熱を開始する、または、第１の高周波電源７が高周波電力の供給を開始する時点より第二の所定の時間だけ後から加熱を開始するように電源１８を制御する。尚、第一の所定の時間とは、ヒータ１７の加熱速度と電源１８の消費電力考慮して予め求められた許容できる時間であり、第二の所定の時間とは、プラズマ入熱による誘電体窓２の温度上昇に十分に追従でき予め求められた許容できる時間である。

以上、本発明は、実施例１ないし３で説明したものであるが、本発明は、上述したこれらの実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ チャンバ
２ 誘電体窓
３ 試料
４ 誘導アンテナ
４ａ 第１の誘導アンテナ
４ｂ 第２の誘導アンテナ
４ｃ 第３の誘導アンテナ
４ｄ 第４の誘導アンテナ
５ 試料台
６ 整合器
７ 第１の高周波電源
８ ファラデーシールド
９ 導体
１０ 第２の高周波電源
１１ プラズマ
１２ 排気口
１３ ガス供給装置
１４ 冷却機構
１５ 制御装置
１６ ヒータ
１７ ヒータ
１８ 電源
１９ 制御装置

Claims (6)

1. 試料がプラズマ処理される金属製のプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室の上方を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、前記プラズマ処理室内に誘導磁場を形成し前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記誘電体窓が前記プラズマ処理室により支持された箇所の上方に配置され、電気的に浮遊状態であるリング状の導体をさらに備え、
   前記導体の中心軸と前記誘電体窓の中心軸は、概ね一致していることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 試料がプラズマ処理される金属製のプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室の上方を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、前記プラズマ処理室内に誘導磁場を形成し前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記誘電体窓は、電気的に浮遊状態であるリング状の導体が内部に配置され、
   前記導体は、前記誘電体窓が前記プラズマ処理室により支持された箇所の上方に配置され、
   前記導体の中心軸と前記誘電体窓の中心軸は、概ね一致していることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘電体窓の中心部の温度を冷却する冷却機構をさらに備えること特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記プラズマと容量結合し前記誘電体窓の上方に配置されたファラデーシールドをさらに備え、
   前記導体は、ニッケルとクロムの合金であり、前記ファラデーシールドより外側に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記冷却機構を制御する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記高周波電源が前記高周波電力の供給を開始した後、前記誘電体窓の面内の温度差が所定の温度差となるように前記冷却機構を制御し、
   前記所定の温度差は、前記誘電体窓が破損し難いような温度差であることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 試料がプラズマ処理される金属製のプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室の上方を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、前記プラズマ処理室内に誘導磁場を形成し前記誘電体窓の上方に配置された誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記誘電体窓が前記プラズマ処理室により支持された箇所の上方の前記誘電体窓表面に溶射により形成され、電気的に浮遊状態であるリング状の導体をさらに備え、
   前記導体の中心軸と前記誘電体窓の中心軸は、概ね一致していることを特徴とするプラズマ処理装置。