JP6279498B2

JP6279498B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Publication number: JP6279498B2
Application number: JP2015019147A
Authority: JP
Inventors: 利泰速水; 俊也宮▲崎▼
Original assignee: SPP Technologies Co Ltd
Current assignee: SPP Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015198083A

Description

本発明は、処理チャンバ内に所定の処理ガスを供給してプラズマ化し、プラズマ化した処理ガスによって処理チャンバ内の基板を処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関し、特に、１インチ以下の基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

上記プラズマ処理としては、プラズマ化した処理ガスに含まれるイオンやラジカルによって、基板（シリコン基板や炭化ケイ素基板など）をエッチングするプラズマエッチング処理や基板に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ処理などがあり、これらの処理を行う具体的な方法については、様々な方法が提案されており、本出願人も、例えばプラズマエッチング装置を用いて炭化ケイ素基板にプラズマエッチング処理を施す方法を提案している（特開２０１３−６９８４８号公報）。

図１５に示すように、上記プラズマエッチング方法に用いられるプラズマエッチング装置１００は、内部の下部領域に処理空間１０２が設定され、当該処理空間１０２の上方に、処理空間１０２と連通したプラズマ生成空間１０３が設定された円筒状の処理チャンバ１０１、当該処理チャンバ１０１の、プラズマ生成空間１０２が設定された部分の外方に配設されたコイル１０４、処理空間１０２に配設された基台１０５、コイル１０４に高周波電力を供給する機構１０６、プラズマ生成空間１０３にエッチングガスや保護膜形成ガスなどの処理ガスを供給する機構１０７、処理チャンバ１０１内の気体を排気する機構１０８などを備えており、所定の周波数且つ大きさの高周波電力をコイル１０４に供給して誘導電界を生じさせるとともに、プラズマ生成空間１０２に処理ガスを供給して、この処理ガスを誘導電界によってプラズマ化し、プラズマ化された処理ガスによって基板Ｋ’の表面にエッチングを施す装置である。

特開２０１３−６９８４８号公報

ところで、従来は、大径の基板（主に直径２インチから１２インチ）に対して、プラズマエッチング処理などプラズマ処理を施し、一枚の基板からできるだけ多くの半導体チップを得られるようにして、生産性の向上を図ってきた。

しかしながら、近年、多品種少量生産への対応が求められるようになっており、直径が１インチ以下の小径の基板に対してプラズマ処理を施す技術の開発が進められている。

ここで、上記従来のプラズマエッチング装置１００などにおいては、大径の基板に対する処理に対応するために、プラズマ生成空間１０３に対応する処理チャンバ１０１の内径Ｄ’を１００ｍｍ〜３５０ｍｍ程度にし、周波数が１３．５６ＭＨｚ、大きさが１０００Ｗ程度の高周波電力をコイル１０４に供給するようにして、大径の基板に対応可能なプラズマ源となるようにしている。したがって、従来のプラズマエッチング装置１００を用いて小径の基板へのプラズマ処理を行うと、基板のサイズに対してプラズマ源が大きすぎるため、その分だけ無駄な用力（処理ガスの量やコイルに供給する高周波電力の大きさなどのプラズマ処理を行うために必要なあらゆるもの）が必要になってしまう。

また、基板のサイズに対してプラズマ源が大きすぎると、プラズマ処理の条件を調整するためにガス流量などを調整する際に、コイルに供給する高周波電力のインピーダンス整合を広い範囲で行わなければならなるという問題がある。また、インピーダンス整合を広い範囲で調整するためには、インピーダンス整合器に大きなコンデンサを用いらなければならないため、当該インピーダンス整合器の大型化を避けることができない。

そこで、本発明者らは、小径の基板に見合ったサイズのプラズマ源の設計を目的として鋭意研究を行ったところ、単に処理チャンバ１０１の内径Ｄ’を小さくし、従来と同じ周波数且つ大きさの高周波電力をコイル１０４に供給しても、プラズマ生成空間１０３内にプラズマが発生しない、或いは、プラズマは発生するがそれが安定な状態で維持されないことを見出した。そして、本発明者らは、更に研究を行った結果、コイル１０４に供給する高周波電力の周波数及び大きさを適切に設定することにより、処理チャンバ１０１の内径Ｄ’を小さくしてもプラズマ生成空間１０３内に均一なプラズマを維持でき、プラズマ化された処理ガスによって基板にプラズマ処理を施すことができるようになることを知見するに至った。

本発明は上記新たな知見に基づきなされたものであり、従来よりもプラズマ源を小さくし、用力を削減した状態で、インピーダンス整合を広い範囲で行うことなく、直径１インチ以下の基板に対してプラズマ処理を施すことができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施す装置であって、
下部領域に処理空間が設定され、該処理空間の上方に該処理空間と連通したプラズマ生成空間が設定された処理チャンバと、
前記処理チャンバの、前記プラズマ生成空間に対応する部分の外方に配設され、巻き数が１以上５以下のコイルと、
前記処理チャンバ内の処理空間に配設され、前記基板を載置する基台と、
前記処理チャンバ内のプラズマ生成空間に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理チャンバ内の気体を排気する排気機構と、
前記コイルに高周波電力を供給するコイル電力供給機構とを備えたプラズマ処理装置において、
前記処理チャンバの、プラズマ生成空間が設定された部分の内径は、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、
前記コイル電力供給機構は、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電力を前記コイルに供給するように構成されているプラズマ処理装置に係る。

また、本発明は、
直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施す方法であって、
処理チャンバ内の下部領域に設定された処理空間内に配設される基台上に前記基板を載置した後、
前記処理チャンバ内の、前記処理空間の上方に設定される、該処理空間と連通したプラズマ生成空間であって、外径が２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されたプラズマ生成空間内に処理ガスを供給するとともに、
該プラズマ生成空間に対応する前記処理チャンバの外方に配設され、巻き数が１以上５以下のコイルに、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電力を供給して、前記プラズマ生成空間に供給された処理ガスをプラズマ化し、
プラズマ化された処理ガスによって、前記基板にプラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理方法に係る。

本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法においては、処理チャンバの、プラズマ生成空間が設定された部分の内径を２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下にして、従来よりも径を小さくしているにも関わらず、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電力を供給することで、プラズマ生成空間に供給された処理ガスがプラズマ化され、プラズマ化された処理ガスによって基板にプラズマ処理が施される。即ち、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、従来よりもプラズマ源を小さくし、用力を削減した状態で、直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施すことができる。尚、前記プラズマ処理装置における処理ガス供給機構は、エッチングガスを供給するエッチングガス供給部と、保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給部とを備えていても良く、前記プラズマ処理は、エッチング工程と保護膜形成工程とを順次繰り返し行い、基板にエッチング構造を形成する処理であっても良い。

また、従来よりもプラズマ源を小さくしているため、プラズマ処理の条件変更を行った際のプラズマインピーダンスの変化が小さくなる。したがって、インピーダンス整合を広い範囲で行う必要もなくなり、インピーダンス整合器を小型化することができる。

尚、本発明者らの研究の結果、周波数を４０ＭＨｚより小さくし、大きさを２Ｗよりも小さくすると、プラズマ生成空間にプラズマが生成しなくなる、或いは、生成したとしても安定な状態で維持されなくなる可能性があることを見出されたため、上記プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法においては、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０ＭＨｚ以上とし、大きさを２Ｗ以上とすることが好ましい。

また、用力を極力小さくするために、コイル電力供給機構によってコイルに供給する高周波電力は、その周波数が１００ＭＨｚ以下であり、且つその大きさが５０Ｗ以下とすることが好ましい。

尚、処理チャンバの、プラズマ生成空間に対応する部分の外面とコイルとの間の隙間が大きいと、高周波エネルギーが遮断されプラズマ生成空間内に印加される電圧が低くなるためプラズマが着火し難くなり、また、高周波電力による電磁界が拡散してしまいプラズマに吸収されるパワー効率が低下するため、当該プラズマ生成空間に対応する部分の外面とコイルとの間には、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間を設けることが好ましい。

また、上記プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法においては、プラズマ生成空間内に供給される処理ガスの量が少なすぎると、高い放電開始電圧が必要となり、プラズマが着火し難くなるとともに、衝突確率が下がり安定したプラズマが生成し難くなる。これに対して、処理ガスを供給し過ぎることは、プラズマ生成空間内でのガス解離が飽和状態になり無駄な用力が増加することになるため、処理ガス供給機構によってプラズマ生成空間内に供給される処理ガスの流量は、０．１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下とすることが好ましく、１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下とすることがより好ましい。

更に、処理チャンバ内の設定圧力を低くし過ぎると、生成されるプラズマ中の衝突確率が下がり放電が維持できなくなって、設定圧力を必要以上に高くすることは、プラズマ生成空間内に供給する処理ガスの量を増やすことになり、プラズマ生成空間内でのガス解離が飽和状態になることで無駄な用力が増加することになるため、処理チャンバ内の圧力は、０．１Ｐａ以上３０Ｐａ以下に設定することが好ましく、３Ｐａ以上３０Ｐａ以下に設定することがより好ましい。

また、本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法において、前記コイルの巻き数は、１以上５以下としている。これは、巻き数が１よりも少ないと、電圧と高周波の変動磁場がプラズマ生成空間内に供給された処理ガスの一部に作用することになり、プラズマ生成空間内に発生するプラズマが不均一なものとなり、巻き数が５よりも大きくなると、コイルのインピーダンスが大きくなり電流による誘導結合成分が減少し、プラズマ生成空間内にプラズマを維持し難くなるためである。尚、コイルの巻き数は、１以上３以下とすることがより好ましい。

尚、本願における「基板」としては、シリコンや、炭化ケイ素、サファイア、化合物半導体、ガラス、樹脂などからなる基板を例示することができる。

以上のように、本発明のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、基板に見合ったプラズマ源を構成し、用力を削減した状態で、直径１インチ以下の基板に対してプラズマ処理を施すことができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置を示した正断面図である。プラズマの状態確認試験の結果をまとめた表である。種々の条件下におけるプラズマ維持に必要な高周波電力の下限パワーを測定した結果をまとめた表である。エッチングレートの測定結果をまとめた表である。プラズマ密度の測定結果をまとめた表である。エッチングレートの測定結果をまとめた表である。プラズマ密度の測定結果をまとめた表である。プラズマ密度の測定結果をまとめた表である。プラズマ密度の測定結果をまとめた表である。デポジションレートの測定結果をまとめた表である。デポジションレートの測定結果をまとめた表である。エッチングレート及びデポジションレートの測定結果をまとめた表である。一実施形態に係るプラズマエッチング装置を用いて基板にエッチング処理を施すことにより形成されたエッチング構造の写真である。コイルに高周波電力を供給した際の進行波及び反射波の測定結果をまとめた表である。従来のプラズマエッチング装置を示した正断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面に基づき説明する。尚、本例プラズマ処理装置はプラズマエッチング装置であり、直径１インチ以下の基板に対してプラズマエッチング処理を行う。

図１に示すように、本例のプラズマエッチング装置１は、内部空間の下方に処理空間３が設定されるとともに、この処理空間３の上方にプラズマ生成空間４が設定される円筒状の処理チャンバ２と、前記プラズマ生成空間４に処理ガスを供給する処理ガス供給機構１５と、処理チャンバ２の、プラズマ生成空間４が設定される部分の外方に配設されたコイル２０と、このコイル２０に高周波電力を供給するコイル電力供給機構２５と、前記処理空間３に配設され、基板Ｋを載置するための基台３０と、この基台３０に高周波電力を供給する基台電力供給機構４０と、前記処理チャンバ２内の気体を排気する排気装置４５とを備えている。

前記処理チャンバ２は、下胴部５，上胴部６，底板７，中間板８，天板９及び支柱１０から構成されており、下胴部５は、その下端部に底板７が固設されるとともに、上端部に中間板８が固設され、これら下胴部５，底板７及び中間板８によって前記処理空間３が形成されている。また、上胴部６は、その下端部が中間板８の上面に固設されるとともに、上端部に天板９が固設され、これら上胴部６，中間板８及び天板９によってプラズマ生成空間４が形成されている。尚、前記中間板８には開口部８ａが形成されており、当該開口部８ａを介して処理空間３とプラズマ生成空間４とが連通している。また、前記中間板８と天板９との間には、複数の支柱１０が設けられている。

前記上胴部６は、石英からなり、その内径Ｄ（言い換えれば、プラズマ生成空間の外径）が、直径１インチ以下の基板Ｋに見合った寸法である２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように成形されている。

前記下胴部５には、処理空間３内の気体を排気するための排気口５ａが形成されており、当該排気口５ａには、前記排気装置４５が接続され、この排気装置４５によって処理チャンバ２内の気体が排気されるようになっている。

前記処理ガス供給機構１５は、ＳＦ_６ガスなどのエッチングガスを供給するエッチングガス供給部１６と、Ｃ_４Ｆ_８ガスなどの保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給部１７と、一端が前記天板９の下面に環状に設けられた複数の吐出口に接続され、他端が分岐して前記エッチングガス供給部１６及び保護膜形成ガス供給部１７にそれぞれ接続された供給管１９とを備え、各供給部１６，１７から供給管１９を介してプラズマ生成空間４内に各ガスを供給する。尚、エッチングガスとしては、ＳＦ_６ガスに限られるものではなく、他のフッ素系ガス、例えば、ＣＦ_４やＣ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、ＳｉＦ_４、ＮＦ_３、ＩＦ_５などを用いることができる。また、保護膜形成ガスとしては、Ｃ_４Ｆ_８ガスに限られるものではなく、Ｃ_５Ｆ_８などの他のパーフルオロカーボンガス、又はＣＨＦ_３やＣＨ_２Ｆ_２などのハイドロフルオロカーボンガスを用いることができる。

前記コイル２０は、上胴部６の外周面との間に隙間Ｓをあけた状態で、上胴部６の外方に、これを捲回するように配設されており、後述するコイル電力供給機構２５によって高周波電力が供給されるようになっている。また、コイル２０は、中間板８の上面に取り付けられた複数の支持部材２１によって、上胴部６の略中間に位置するように支持されている。尚、前記コイル２０の巻き数は、１以上３以下であることが好ましい。また、前記隙間Ｓは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定することが好ましい。

前記コイル電力供給機構２５は、前記コイル２０に接続されたインピーダンス整合器２６と、このインピーダンス整合器２６に接続された高周波電源２７とからなり、上述したように、コイル２０に高周波電力を供給する機構である。

前記基台３０は、基板Ｋが載置される上部材３１と、昇降シリンダ３３が接続される下部材３２とから構成され、支持台３４によって上下方向に進退自在に支持された状態で前記処理空間３内に配設されており、前記昇降シリンダ３２によって昇降されるようになっている。尚、前記下部材３２における下面の外周縁部と支持台３３の上面との間は、べローズ３５によって覆われており、処理空間３の気密性が確保されるようになっている。

前記基台電力供給機構４０は、前記基台３０に接続されたインピーダンス整合器４１と、このインピーダンス整合器４１に接続された高周波電源４２とからなり、前記基台３０に高周波電力を供給する機構である。

前記排気装置４５は、気体を排気する真空ポンプ４６と、一端が真空ポンプ４６に接続され、他端が前記下胴部５の排気口５ａに接続された排気管４７からなり、当該排気装置４５は、排気管４７を介して真空ポンプ４６により処理チャンバ２内の気体を排気し、処理チャンバ２の内部を所定の圧力に維持する。

次に、以上の構成を備えたプラズマエッチング装置１を用いて、直径１インチ以下の基板Ｋ（例えば、シリコン基板）にエッチング構造を形成する過程について説明する。尚、以下においては、エッチング工程と保護膜形成工程とを順次繰り返し行う、所謂スイッチングプロセスにより、エッチング構造を形成する態様を例にとって説明する。

下降位置にある基台３０上に、表面に所定パターンのマスクが形成された基板Ｋを載置し、ついで、基台３０を昇降シリンダ３３によって処理位置まで上昇させた後、排気装置４５によって処理チャンバ２内（処理空間３及びプラズマ生成空間４）の気体を排気して、当該処理チャンバ２内を負圧にする。

本例においては、まず、エッチング工程を行う。具体的には、前記エッチングガス供給部１６からプラズマ生成空間４内にエッチングガスを供給するとともに、周波数が４０ＭＨｚ以上、大きさが２Ｗ以上である高周波電力をコイル電力供給機構２５によってコイル２０に供給し、プラズマ生成空間４内に誘導電界を発生させ、また、処理チャンバ２内の圧力が０．１Ｐａ以上３０Ｐａ以下となるように、排気装置４５によって処理チャンバ２内の気体を排気する。これにより、プラズマ生成空間４内に供給されたエッチングガスがプラズマ化される。しかる後、基台電力供給機構４０によって、基台３０に高周波電力を供給する。尚、コイル２０に供給する高周波電力は、周波数が１００ＭＨｚ以下、大きさが５０Ｗ以下とすることがより好ましく、また、エッチングガスの供給流量は、０．１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。

そして、上記のようにしてプラズマ生成空間４内でプラズマ化されたエッチングガスは、前記中間板８の開口部８ａを介して処理空間３に降下して基板Ｋ上に至る。これにより、基板Ｋの表面がエッチングされ、当該基板Ｋの表面にエッチング構造が形成される。尚、本例のエッチング工程においては、基台３０に高周波電力を供給し、基板Ｋにバイアス電位を与えているため、プラズマ中のイオンが基板Ｋに向けて照射され、所謂イオンアシストエッチングが行われる。

次に、保護膜形成工程を行う。具体的には、保護膜形成ガス供給部１７からプラズマ生成空間４内に保護膜形成ガスを供給するとともに、コイル電力供給機構２５によって、周波数が４０ＭＨｚ以上、大きさが２Ｗ以上の高周波電力をコイル２０に供給し、また、処理チャンバ２内の圧力が０．１Ｐａ以上３０Ｐａ以下となるように、排気装置４５によって処理チャンバ２内の気体を排気する。これにより、プラズマ生成空間４内の保護膜形成ガスがプラズマ化される。尚、当該保護膜形成工程においても、コイル２０に供給する高周波電力は、周波数が１００ＭＨｚ以下、大きさが５０Ｗ以下とすることがより好ましく、また、保護膜形成ガスの供給流量は、０．１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。

そして、プラズマ化された保護膜形成ガスが基板Ｋの表面に至り、前記エッチング工程で形成されたエッチング構造の内壁に保護膜が形成される。

ついで、前記エッチング工程を再度実施し、プラズマ中のイオンによってエッチング構造底部の保護膜を除去しつつ、深さ方向にエッチングを進行させる。

以下、エッチング工程と保護膜形成工程とを順次繰り返すことにより、基板Ｋの表面に、所定の深さのエッチング構造が形成される。

尚、一般的に、エッチング工程と保護膜形成工程とではその処理条件が異なるが、従来よりもプラズマ源を小さくしているため、プラズマインピーダンスの変化が小さくなっており、処理条件を変えた際のインピーダンス整合を広い範囲で行うことなく、各工程を実施することができ、インピーダンス整合器２６を小型化することができるようになっている。

このように、本例のプラズマエッチング装置１によれば、エッチング処理及び保護膜形成処理の用力を従来よりも削減した上で、直径１インチ以下の基板に対して、各処理を施して、所謂スイッチングプロセスにより、エッチング構造を形成することができる。

因みに、本発明者らは、上胴部の内径が５０ｍｍ、コイルの内径が６０ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用い、処理ガスとしてＡｒガスを使用して、処理チャンバ内の圧力を５Ｐａ、Ａｒガスの流量を３ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の大きさを５０Ｗに固定した上で、コイルに供給する高周波電力の周波数を変化させ、各周波数におけるプラズマの状態を確認する試験を行った。尚、図２は、その結果をまとめた表である。

図２から分かるように、４０．６８ＭＨｚ，８０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚの場合には、プラズマ生成空間内にプラズマが発生（着火）し、発生したプラズマが拡散した状態（プラズマ生成空間のほぼ全域に広がった状態）で安定に維持された。これに対して、２７．１２ＭＨｚの場合には、プラズマが発生し、発生したプラズマは維持されたが、プラズマの拡散が不十分、言い換えれば、プラズマ生成空間の一部の領域のみでしかプラズマが維持されなかった。また、１３．５６ＭＨｚの場合には、プラズマが発生しなかった。このことから、直径１インチ以下の基板に見合ったプラズマ源を構築するために、上胴部の内径（プラズマ生成空間の外径）を小さくした場合には、通常用いられる１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給しても、良好なプラズマを生成することはできず、良好なプラズマを生成し、これを安定に維持するためには、適切な周波数の高周波電力を供給しなければならないことが分かる。上胴部の内径を小さくした場合に、４０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給することによって良好なプラズマが得られるようになったのは、以下の理由によるものと考えられる。前記プラズマ生成空間の処理チャンバ内壁寄りの所謂表皮層は、コイルに高周波電力を供給した際に表皮効果によってプラズマが生成されない領域となり、前記表皮層は、高周波電力の周波数が高くなるほど径方向の厚さが薄くなり、逆に、高周波電力の周波数が低くなるほどその厚さが厚くなる。そのため、４０ＭＨｚよりも小さい高周波電力を供給した場合には、前記表皮層が厚くなり過ぎて、プラズマが生成される領域が十分に確保されなかったために、良好なプラズマを生成することができなかったが、４０ＭＨｚ以上の高周波電力を供給した場合には、前記表皮層が十分に薄く、プラズマが生成される領域が確保されたためだと考えられる。

また、本発明者らは、安定なプラズマを維持することが可能な高周波電力の大きさの最小値を確認するために、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、処理チャンバ内の圧力を５Ｐａ、処理ガスの流量を３ｓｃｃｍとし、上胴部の内径、コイルの内径、コイルの巻き数、処理ガスの種類を変えて、種々の条件下におけるプラズマが維持される高周波電力の大きさを測定した。その結果、プラズマが維持される高周波電力の大きさの最小値は２Ｗであることがわかった。尚、図３の各図は測定結果をまとめた表であり、（ａ）は上胴部の内径を２０ｍｍ、コイルの内径を３０ｍｍ、コイルの巻き数を１とした場合、（ｂ）は上胴部の内径を２０ｍｍ、コイルの内径を３０ｍｍ、コイルの巻き数を２とした場合、（ｃ）は上胴部の内径を３０ｍｍ、コイルの内径を３６ｍｍ、コイルの巻き数を１とした場合における各処理ガスごとの、プラズマの維持に必要な高周波電力の大きさ（放電維持下限高周波電力）をまとめた表である。従来装置では、高周波電力が小さいとプラズマを解離するための十分なエネルギーが得られないが、周波数を高くすることで、高周波電力が小さい場合でもプラズマ生成空間内にプラズマを解離するための十分なエネルギーを与えることができる。

次に、本発明者らは、異なる条件下におけるエッチングレートの変化を調べるために、上胴部の内径が５０ｍｍ、コイルの内径が６０ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用い、処理ガスとしてＳＦ_６ガスを使用して、コイルに供給する高周波電力の大きさを５０Ｗ、ＳＦ_６ガスの流量を３ｓｃｃｍに固定した上で、処理チャンバ内の圧力を５〜１０Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０．６８〜１００ＭＨｚに変化させ、それぞれの場合におけるシリコン基板のエッチングレートを測定した。尚、図４は、その結果をまとめた表である。

図４から分かるように、どの周波数の場合でも、圧力を低くすることにより、エッチングレートが増加する傾向にある。また、圧力が同条件である場合には、周波数が８０ＭＨｚの場合に最もエッチングレートが高くなっている。

更に、本発明者らは、上胴部の内径（プラズマ生成空間の外径）を小さくした際のエッチングレートの変化を観察するために、上胴部の内径が３０ｍｍ、コイルの内径が３６ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用い、処理ガスの種類、コイルに供給する高周波電力の大きさ及び処理ガスの流量を図４の場合と同じ条件に固定し、処理チャンバ内の圧力及びコイルに供給する高周波電力の周波数を変化させ、プラズマ吸収プローブを用いてそれぞれの場合における処理チャンバ内のプラズマ密度を測定した結果、エッチングを行うために必要となるプラズマ密度を確認することができた。また、それぞれの場合におけるシリコン基板のエッチングレートについても測定した。尚、図５はプラズマ密度の測定結果をまとめた表であり、同図に示した結果は、処理チャンバ内の圧力を３〜１０Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０．６８〜１００ＭＨｚに変化させて行った測定の結果である。また、図６はエッチングレートの測定結果をまとめた表であり、同図に示した結果は、処理チャンバ内の圧力を５〜１０Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の周波数を８０〜１００ＭＨｚに変化させて行った測定の結果である。

図５から見てとれるように、ＳＦ_６ガスを使用した場合、周波数が同じ場合には、圧力が低くなるほどプラズマ密度が増加する傾向にある。また、圧力が３Ｐａ及び５Ｐａの場合には、周波数が大きくなるほどプラズマ密度が増加しているが、圧力が１０Ｐａの場合には、周波数が８０ＭＨｚの場合に最もプラズマ密度が高くなっている。また、図４及び図６から分かるように、圧力が５Ｐａの場合には、上胴部の内径を小さくすることによって、周波数が８０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚいずれの場合もエッチングレートが増加し、また、８０ＭＨｚの場合よりも１００ＭＨｚの場合の方がエッチングレートが高くなっている。このことから、上胴部の内径を小さくし、周波数を高くすることによって、エッチングレートが高まる傾向にあると考えられる。尚、圧力が１０Ｐａ、周波数が１００ＭＨｚである場合に、上胴部の内径が小さい場合の方がエッチングレートが低くなっているが、上胴部の内径を小さくした場合の方が、圧力の増加によって反応が飽和状態となりエッチングレートが低下する傾向が強まるからであると推測される。

尚、本発明者らは、Ａｒガスを用いた場合についても処理チャンバ内のプラズマ密度をプラズマ吸収プローブを用いて測定を行った。図７及び図８は、上胴部の内径が５０ｍｍ、コイルの内径が６０ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用いて行った測定の結果をまとめた表であり、図７の結果は、処理チャンバ内の圧力５Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の大きさを５０Ｗ、Ａｒガスの流量を３ｓｃｃｍに固定した上で、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０．６８〜１００ＭＨｚまで変化させて行ったものであり、図８の結果は、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０．６８ＭＨｚ、大きさを５０Ｗ、Ａｒガスの流量を３ｓｃｃｍに固定した上で、処理チャンバ内の圧力を３〜１２Ｐａまで変化させて行ったものである。また、図９は、上胴部の内径が３０ｍｍ、コイルの内径が３６ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用い、コイルに供給する高周波電力の周波数を４０．６８ＭＨｚ、大きさを５０Ｗ、Ａｒガスの流量を３ｓｃｃｍに固定した上で、処理チャンバ内の圧力を５〜１０Ｐａまで変化させて行った測定の結果をまとめた表である。

図７〜図９示すように、Ａｒガスについても、種々の条件下において十分な密度のプラズマが生成されることを確認することができた。

次に、本発明者らは、処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスを用いた場合における、種々の条件下でのデポジションレートの測定を行った。尚、図１０は、上胴部の内径が２０ｍｍ、コイルの内径が３０ｍｍ、コイルの巻き数が２又は３であるプラズマエッチング装置を用い、処理チャンバ内の圧力を５Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、大きさを５０Ｗに固定するとともに、ガス流量を１．５〜３ｓｃｃｍに変化させて行った測定の結果をまとめた表である。また、図１１は、上胴部の内径が２０ｍｍ、コイルの内径が３０ｍｍ、コイルの巻き数が２であるプラズマエッチング装置を用い、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに固定した上で、処理チャンバ内の圧力を５〜１０Ｐａ、ガス流量を１〜３ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の大きさを１０〜５０Ｗに変化させて行った測定の結果をまとめた表である。

図１０から分かるように、ガス流量が１．５〜３ｓｃｃｍである場合には、コイルの巻き数が２又は３のいずれであっても、十分なデポジションレートを得ることができる。また、図１１から見てとれるように、ガス流量が１〜３ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の大きさが１０〜５０Ｗ、処理チャンバ内の圧力が５〜１０Ｐａの条件下においても、十分なデポジションレートを得ることができる。

次に、本発明者らは、シリコン基板に対するエッチングレート及びデポジションレートの測定を行った。具体的には、エッチングレートの測定は、処理ガスとしてＳＦ_６ガスを使用し、ガス流量を３ｓｃｃｍ、処理チャンバ内の圧力を５Ｐａ、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、大きさを５０Ｗ、バイアス電力を２Ｗに固定し、また、デポジションレートの測定は、処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスを使用し、ガス流量を１．５ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、大きさを５０Ｗに固定し、上胴部の内径を２０〜３０ｍｍ、コイルの内径を３０〜３６ｍｍまで変化させるとともに、コイルの巻き数を２又は３に変化させて行った。尚、図１２は、その結果をまとめた表である。

図１２から分かるように、種々の条件を変化させても、シリコン基板に対して、所定のレートでエッチング処理を施すことができ、また同様に、所定のレートで保護膜形成処理を施すことができている。更に、コイルの巻き数を増加させることで、エッチングレート及びデポジションレートが増加することもわかった。これは、コイルの巻き数を増加させることにより、コイルに掛かる電圧が増えることで、プラズマ生成空間内の処理ガスに作用する面積及び容量結合成分が増え、プラズマの解離が促進されて、レートが増加するためだと考えられる。

因みに、本発明者らが、上胴部の内径が３０ｍｍ、コイルの内径が３６ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置を用い、開口幅が３μｍであるマスクが形成された８．５ｍｍ角のシリコン基板に、エッチング工程と保護膜形成工程とを順次繰り返し行ったところ、図１３に示すように、深さが１３．８μｍであるエッチング構造が形成され、直径１インチ以下の基板に対して実用的なエッチング処理を施すことができることが明らかとなった。尚、エッチング工程は、エッチングガスとしてＳＦ_６ガスを用い、圧力を５Ｐａ、ガス流量を３ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、大きさを５０Ｗ、バイアス電力の大きさを３Ｗの条件により行い、保護膜形成工程は、保護膜形成ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスを使用し、圧力を５Ｐａ、ガス流量を３ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ、大きさを５０Ｗの条件により行った。

更に、本発明者らは、上胴部の内径が２０ｍｍ、コイルの内径が３０ｍｍ、コイルの巻き数が１であるプラズマエッチング装置において、コイルに供給する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに固定するとともに、インピーダンス整合器のマッチングポジションを固定した状態で、処理チャンバ内の圧力を３〜１０Ｐａ、処理ガスの流量を１．５〜５ｓｃｃｍ、コイルに供給する高周波電力の大きさを２０〜５０Ｗに変化させて、コイルに高周波電力を供給した際の進行波及び反射波の大きさを測定した。図１４の各図は、その測定結果をまとめた表であり、（ａ）は処理ガスとしてＳＦ_６ガスを用いた場合、（ｂ）は処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスを用いた場合、（ｃ）は処理ガスとしてＯ_２ガスを用いた際の結果をそれぞれまとめたものである。尚、図中の分子が進行波（Ｗ）、分母が反射波（Ｗ）である。

図１４から分かるように、高周波電力の大きさが２０Ｗ，３０Ｗ及び５０Ｗの各場合において、処理チャンバ内の圧力及びガス流量を上記の範囲内において変化させたとしても、進行波及び反射波の大きさに大きな変化が見られない。したがって、インピーダンス整合を調整することなく、処理条件を変化させて連続的に処理を行う、例えば、エッチング工程と保護膜形成工程とを繰り返し行うことができ、また、従来のように、インピーダンス整合器に大きなコンデンサを用いる必要もなく、装置の小型化が実現される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る態様は何らこれらに限定されるものではない。

上例では、プラズマエッチング装置１を用い、スイッチングプロセスによってエッチング構造を形成する過程を説明したが、これは一例に過ぎず、上記プラズマエッチング装置１は、あらゆる種類のエッチング処理に用いることができる。

また、上例においては、本発明に係るプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置として具現化したものを例示したが、これに限られるものではなく、例えば、基板に薄膜を形成する際に用いるプラズマＣＶＤ装置や、レジストを除去する際に用いられるプラズマアッシング装置として具現化しても良い。

１プラズマエッチング装置
２処理チャンバ
３処理空間
４プラズマ生成空間
５下胴部
６上胴部
１５処理ガス供給機構
２０コイル
２５コイル電力供給機構
３０基台
４０基台電力供給機構
４５排気装置

Claims

直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施す装置であって、
下部領域に処理空間が設定され、該処理空間の上方に該処理空間と連通したプラズマ生成空間が一つのみ設定された処理チャンバと、
前記処理チャンバの、前記プラズマ生成空間に対応する部分の外方に配設され、巻き数が１以上５以下のコイルと、
前記処理チャンバ内の処理空間に配設され、前記基板を載置する基台と、
前記処理チャンバ内のプラズマ生成空間に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理チャンバ内の気体を排気する排気機構と、
前記コイルに高周波電力を供給するコイル電力供給機構とを備えたプラズマ処理装置において、
前記処理チャンバの、プラズマ生成空間が設定された部分の内径は、２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、
前記コイル電力供給機構は、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電力を前記コイルに供給するように構成されていること特徴とするプラズマ処理装置。
前記コイル電力供給機構は、周波数が４０ＭＨｚ以上であり、且つ大きさが２Ｗ以上の高周波電力を前記コイルに供給するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記コイル電力供給機構は、周波数が１００ＭＨｚ以下であり、且つ大きさが５０Ｗ以下の高周波電力を前記コイルに供給するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
前記処理チャンバの、プラズマ生成空間に対応する部分の外面と、前記コイルとの間に、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間を設けたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかのプラズマ処理装置。
前記処理ガス供給機構は、０．１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下の流量でプラズマ生成空間内に処理ガスを供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかのプラズマ処理装置。
前記処理チャンバ内の圧力は、０．１Ｐａ以上３０Ｐａ以下に設定されることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかのプラズマ処理装置。
前記処理ガス供給機構は、エッチングガスを供給するエッチングガス供給部と、保護膜形成ガスを供給する保護膜形成ガス供給部とを備えることを特徴とする請求項１乃至６記載のプラズマ処理装置。
直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施す方法であって、
処理チャンバ内の下部領域に設定された処理空間内に配設される基台上に前記基板を載置した後、
前記処理チャンバ内の、前記処理空間の上方に設定される、該処理空間と連通したプラズマ生成空間であって、外径が２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されたプラズマ生成空間内に処理ガスを供給するとともに、
該プラズマ生成空間に対応する前記処理チャンバの外方に配設され、巻き数が１以上５以下のコイルに、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下であり、且つ大きさが５０Ｗ以下の高周波電力を供給して、前記プラズマ生成空間に供給された処理ガスをプラズマ化し、
プラズマ化された処理ガスによって、前記基板にプラズマ処理を施すようにし、
前記プラズマ処理は、エッチング工程と保護膜形成工程とを順次繰り返し行い、基板にエッチング構造を形成する処理であることを特徴とするプラズマ処理方法。
直径１インチ以下の基板にプラズマ処理を施す方法であって、
処理チャンバ内の下部領域に設定された処理空間内に配設される基台上に前記基板を載置した後、
前記処理チャンバ内の、前記処理空間の上方に一つのみ設定される、該処理空間と連通したプラズマ生成空間であって、外径が２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されたプラズマ生成空間内に処理ガスを供給するとともに、
該プラズマ生成空間に対応する前記処理チャンバの外方に配設され、巻き数が１以上５以下のコイルに、周波数が２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電力を供給して、前記プラズマ生成空間に供給された処理ガスをプラズマ化し、
プラズマ化された処理ガスによって、前記基板にプラズマ処理を施すようにしたことを特徴とするプラズマ処理方法。
周波数が１００ＭＨｚ以下であり、且つ大きさが５０Ｗ以下の高周波電力を前記コイルに供給するようにしたことを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理方法。
周波数が４０ＭＨｚ以上であり、且つ大きさが２Ｗ以上の高周波電力を前記コイルに供給するようにしたことを特徴とする請求項８乃至１０記載のいずれかのプラズマ処理方法。
前記処理チャンバの、プラズマ生成空間が設定された部分の外周面と、前記コイルとの間には、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間が設けられていることを特徴とする請求項８乃至１１記載のいずれかのプラズマ処理方法。
０．１ｓｃｃｍ以上２０ｓｃｃｍ以下の流量で前記プラズマ生成空間に処理ガスを供給するようにしたことを特徴とする請求項８乃至１２記載のいずれかのプラズマ処理方法。
前記処理チャンバ内の圧力を、０．１Ｐａ以上３０Ｐａ以下に設定するようにしたことを特徴とする請求項８乃至１３記載のいずれかのプラズマ処理方法。