JP6558901B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理方法に関する。
プラズマ処理装置は、プラズマの作用により基板にエッチング等の微細加工を行う装置である。例えば、平行平板電極を有する容量結合型のプラズマ処理装置は、プラズマ処理装置の一例であり、チャンバ内の対向位置に設けられた一対の電極に高周波電力を印加して、チャンバ内に供給したガスからプラズマを発生させ、基板をプラズマ処理する。
プラズマ処理装置では、プラズマ処理中に基板の表面に雷状の異常放電、所謂アーキングが生じることがある。そこで、基板の表面に生じるアーキングの発生を抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2004−95909号公報
載置台上に基板を静電吸着する静電チャックが設けられている場合、基板を静電チャックに吸着する際に直流電圧HVを印加すると、載置台とその周辺の部材との間に電位差が生じてチャンバ内のパーティクルが電気的に基板周辺に集まり易い状態となる。この状態で、プラズマ励起用の高周波電力を載置台に印加すると、基板と静電チャックとの間の電荷がプラズマ側に放電され、基板と静電チャックとの間の電位差に起因するクーロン力が低下して吸着力が下がる。これにより、基板と静電チャックとの密着力が低下し、基板と静電チャックとの隙間が大きくなりパーティクルがより入り込み易くなる。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、直流電圧HVを印加する際の基板周辺へのパーティクルの引き込みを抑制することを目的とする。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、プラズマ処理が行われるチャンバ内に基板を搬入する工程と、基板を載置する載置台に、プラズマ励起用の高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用の高周波電力を印加する工程と、前記載置台上の基板を静電吸着する静電チャックに直流電圧を印加する工程と、を含み、前記直流電圧を印加する工程は、前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の後に実行される、プラズマ処理方法が提供される。
一の側面によれば、直流電圧HVを印加する際の基板周辺へのパーティクルの引き込みを抑制することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面を示す図。 第1実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。 第1〜第3実施形態に係るLFの印加とパーティクルの低減を説明するための図。 第2実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。 第2実施形態に係るプラズマ処理によりHVを段階的に印加した結果の一例を示す図。 第3実施形態に係るプラズマ処理の一例を示すフローチャート。 第3実施形態に係る事前LFの印加とパーティクルの低減を説明するための図。
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。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
[プラズマ処理装置の全体構成]
まず、本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置10の全体構成について、図1を参照しながら説明する。プラズマ処理装置10は、アルミニウム等からなり、内部を密閉可能な筒状のチャンバ11を有している。チャンバ11は、接地電位に接続されている。チャンバ11の内部には、導電性材料、例えばアルミニウム等から構成された載置台12が設けられている。載置台12は、半導体ウェハ(以下、「ウェハW」ともいう。)を載置する円柱状の台であり、下部電極を兼ねている。
チャンバ11の側壁と載置台12の側面との間には、載置台12の上方のガスをチャンバ11外へ排出する経路となる排気路13が形成されている。排気路13の途中には排気プレート14が配置される。排気プレート14は多数の孔を有する板状部材であり、チャンバ11を上部と下部とに仕切る仕切り板として機能する。排気プレート14によって仕切られたチャンバ11の上部は、プラズマ処理が実行される反応室17である。また、チャンバ11下部の排気室(マニホールド)18には、チャンバ11内のガスを排出する排気管15が接続されている。排気プレート14は反応室17にて生成されるプラズマを捕捉又は反射して排気室18への漏洩を防止する。排気管15は、APC(Adaptive Pressure Control:自動圧力制御)バルブ16を介して排気装置と接続されている。排気装置は、チャンバ11内を減圧し、所定の真空状態に維持する。
第1の高周波電源19は、整合器20を介して載置台12に接続され、例えば400kHz〜13.56MHzのバイアス用の高周波電力(以下、「LF」(Low Frequency)とも表記する。)を載置台12に供給する。整合器20は、載置台12からの高周波電力の反射を抑え、バイアス用の高周波電力LFの載置台12への供給効率を最大にする。
載置台12の上部には、静電電極板21を内部に有する静電チャック22が配置されている。静電チャック22は下部円板状部材の上に、下部円板状部材より直径の小さい上部円板状部材を重ねた形状を有する。なお、静電チャック22はアルミニウムからなり、上面にはセラミック等が溶射されている。載置台12にウェハWを載置するとき、ウェハWは静電チャック22の上部円板状部材の上に置かれる。
静電電極板21には、直流電源23が接続されている。静電電極板21に正の直流電圧(以下、「HV」(High Voltage)とも表記する。)が印加されると、ウェハWの裏面(静電チャック22側の面)に負電位が発生して静電電極板21とウェハWの裏面との間に電位差が生じる。ウェハWは、この電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、静電チャック22における上部円板状部材上に静電吸着され、保持される。
また、静電チャック22には、ウェハWの周縁部を囲うように、円環状のフォーカスリング24が載置される。フォーカスリング24は、導電性部材、例えば、シリコンからなり、反応室17においてプラズマをウェハWの表面に向けて収束し、エッチング処理の効率を向上させる。
また、載置台12の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室25が設けられる。この冷媒室25には、冷媒用配管26を介してチラーユニットから低温の冷媒、例えば、冷却水やガルデン(登録商標)が循環供給される。該低温の冷媒によって冷却された載置台12は静電チャック22を介してウェハW及びフォーカスリング24を冷却する。
静電チャック22における上部円板状部材上のウェハWが吸着する面(吸着面)には、複数の伝熱ガス供給孔27が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔27には、伝熱ガス供給ライン28を介してヘリウム(He)ガス等の伝熱ガスが供給される。伝熱ガスは、伝熱ガス供給孔27を介して静電チャック22の吸着面とウェハWの裏面との間隙に供給される。その間隙に供給された伝熱ガスは、ウェハWの熱を静電チャック22に伝達する。
チャンバ11の天井部には、載置台12と対向するようにシャワーヘッド29が配置されている。第2の高周波電源31は、整合器30を介してシャワーヘッド29に接続され、例えば40MHz程度のプラズマ励起用の高周波電力(以下、「HF」(High Frequency)とも表記する。)をシャワーヘッド29に供給する。このようにしてシャワーヘッド29は上部電極としても機能する。なお、整合器30は、シャワーヘッド29からの高周波電力の反射を抑え、プラズマ励起用の高周波電力HFのシャワーヘッド29への供給効率を最大にする。なお、第2の高周波電源31及び整合器30は設けられていなくてもよい。
シャワーヘッド29は、多数のガス穴32を有する天井電極板33と、天井電極板33を着脱可能に釣支するクーリングプレート34と、クーリングプレート34を覆う蓋体35とを有する。また、クーリングプレート34の内部にはバッファ室36が設けられ、バッファ室36にはガス導入管37が接続されている。シャワーヘッド29は、ガス導入管37からバッファ室36へ供給されたガスを、多数のガス穴32を介して反応室17内へ供給する。
シャワーヘッド29はチャンバ11に対して着脱自在であり、チャンバ11の蓋としても機能する。チャンバ11からシャワーヘッド29を離脱させれば、作業者はチャンバ11の壁面や構成部品に直接触れることができる。これにより、作業者はチャンバ11の壁面や構成部品の表面をクリーニングすることができ、チャンバ11の壁面等に付着した付着物を除去することができる。
プラズマ処理装置10では、バイアス用の高周波電力LFが載置台12に印加される。プラズマ励起用の高周波電力HFは印加されてもよいし、印加されなくてもよい。反応室17内に少なくともバイアス用の高周波電力を印加することにより、シャワーヘッド29から供給されたガスからプラズマが生成され、そのプラズマによってウェハWにエッチング等のプラズマ処理が施される。なお、プラズマ処理装置10の各構成部品の動作は、プラズマ処理装置10の全体を制御する制御装置によって制御される。制御装置のCPUが、プラズマ処理の手順を設定するレシピに従いエッチング等のプラズマ処理を制御する。
<第1実施形態>
[プラズマ処理方法]
次に、本発明の第1実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図2のフローチャートを参照しながら説明する。第1実施形態にかかるプラズマ処理では、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ11内にウェハWを搬入する工程が実行される(ステップS10)。
載置台12にバイアス用の高周波電力LFを印加する工程が実行される(ステップS12)。次に、静電チャック22の静電電極板21に直流電圧HVを印加する工程が実行される(ステップS14)。これにより、ウェハWは、静電チャック22に静電吸着される。
次に、エッチングガスを供給することでチャンバ11内を所定の圧力に維持しつつ、プラズマ励起用の高周波電力HFをチャンバ11内に印加する工程が実行される(ステップS16)。これにより、プラズマが発生される。次に、ウエハWの裏面と静電チャック22の表面との間に伝熱ガスが供給され(ステップS18)、その状態で生成されたプラズマによりエッチング処理工程が実行される(ステップS20)。エッチング処理後、エッチングガスの供給を停止し、プラズマ励起用の高周波電力HF及びバイアス用の高周波電力LFの印加を停止する工程が実行される(ステップS22)。
次に、直流電圧(HV)の印加を停止する工程が実行される(ステップS24)。これにより、ウェハWは、静電チャック22上に吸着されている状態から解除される。次に、ウェハWをチャンバ11外に搬出する工程が実行され(ステップS26)、本処理は終了する。以上の工程は、ウェハW毎に実行される。
ウェハWの表面に生じるアーキング(異常放電)は、直流電圧HVを印加してウェハWを静電チャック22に吸着させるとき(チャック)に生じ易い。
そこで、本実施形態にかかるプラズマ処理では、直流電圧HVを印加する前にバイアス用の高周波電力LFが印加される(LFによる「前囲い込み」とも表記する)。これにより、プラズマを生成し、そのプラズマによって直流電圧HVを印加する際にチャンバ11内のパーティクルがウエハW側へ引き込まれることをブロックすることができる。
具体的には、直流電圧HVが静電チャック22に印加される際、ウェハWの電位状態が変わる。ウェハの電位状態が変わると、高周波電力が印加されている載置台12とその周辺部材との間に電位差が発生する。この結果、電気的にウェハWの近傍にパーティクルが引き込まれ易い状態になる。
図3の(a)の上図に示すように直流電圧HVを印加してウェハWを静電吸着(Chuck On)する前に、プラズマ励起用の高周波電力HFを印加する場合と比較する(HFによる「前囲い込み」)。この場合、プラズマ励起用の高周波電力HFはバイアス用の高周波電力LFよりも高いパワーを有する。このため、バイアス用の高周波電力LFを印加した場合よりも高い密度のプラズマが生成される。これにより、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間に蓄えられた電荷がプラズマ側に放電し易くなり、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間の電荷が除電され易くなり、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との吸着力が減ってウェハWが静電チャック22から浮いた状態になる。
さらに、図3の(c)を参照すると、プラズマ励起用の高周波電力HFが0W→350W→700Wと高くなる程ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間のトルクが低下し、ウェハWが静電チャック22上により浮いた状態になることがわかる。これにより、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間にて隙間放電(アーキング)が生じ、パーティクルが発生する。また、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との隙間にパーティクルが入り込み易くなる。
これに対して、本実施形態では、図3の(a)の下図に示すように、ウェハWの静電吸着の前にバイアス用の高周波電力LFが印加される(LFによる「前囲い込み」)。この場合、生成されたプラズマの密度はプラズマ励起用の高周波電力HFを印加した場合よりも低く、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間に蓄えられた電荷は、プラズマ励起用の高周波電力HFを印加した場合よりも放電し難い。よって、ウェハWが静電チャック22に貼り付いた状態になる。この結果、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との隙間が殆ど生じないため、ウェハWの近傍にはパーティクルが引き込まれ難い。これにより、本実施形態にかかるプラズマ処理によれば、ウェハWを静電チャック22に吸着する際にウェハWの周囲にパーティクルが引き込まれることを低減することができる。
また、図3の(b)を参照すると、バイアス用の高周波電力LFが0W→350W→700Wと高くなる程ウェハW及び静電チャック22間のトルクが増大することがわかる。
この結果、バイアス用の高周波電力LFが高いパワーを有する程、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間の吸着力が増して好ましいことがわかる。これにより、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間で隙間放電(アーキング)がより生じ難くなり、パーティクルの発生がより低減される。また、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との隙間(ギャップ)が狭いため、パーティクルが隙間により引き込まれ難くなる。
以上から、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、直流電圧HVを印加する前にLFの高周波電力を印加することにより、アーキングを抑制でき、ウェハWの近傍のパーティクルを低減することができる。
<第2実施形態>
[プラズマ処理方法]
次に、本発明の第2実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図4のフローチャートを参照しながら説明する。第2実施形態にかかるプラズマ処理においても、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ11内にウェハWを搬入する工程が実行される(ステップS10)。
次に、載置台12にバイアス用の高周波電力LFを印加した後(ステップS12)、静電チャック22の静電電極板21に直流電圧HVを印加し、そのパワーを段階的に大きくする工程が実行される(ステップS30)。これにより、ウェハWは、静電チャック22に静電吸着される。
次に、エッチングガスを供給することでチャンバ11内を所定の圧力に維持しつつ、プラズマ励起用の高周波電力HFをチャンバ11内に印加する工程が実行される(ステップS16)。これにより、プラズマが発生される。次に、ウエハWの裏面と静電チャック22の表面との間に伝熱ガスが供給され(ステップS18)、その状態で生成されたプラズマによりエッチング処理工程が実行される(ステップS20)。エッチング処理後、エッチングガスの供給を停止し、プラズマ励起用の高周波電力HF及びバイアス用の高周波電力LFの印加を停止する工程が実行される(ステップS22)。
次に、直流電圧(HV)の印加を停止する工程が実行される(ステップS24)。これにより、ウェハWは、静電チャック22上に吸着されている状態から解除される。次に、ウェハWをチャンバ11外に搬出する工程が実行され(ステップS26)、本処理は終了する。
以上に説明したように、第2実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、ウェハWの静電吸着の前にバイアス用の高周波電力LFが印加される。これにより、生成されたプラズマによって直流電圧HVを印加する際にチャンバ11内のパーティクルがウエハW側へ引き込まれることをブロックすることができる。
また、本実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、直流電圧HVが段階的に大きくなるように制御される。これにより、載置台12にかかる電界の強度を徐々に高めることができる。この結果、載置台12とその周辺部材との電位差が急激に大きくならずに、直流電圧HVが段階的に印加される際に電位差を小さいまま維持することができる。この結果、直流電圧HVをオンしたことによりパーティクルがウェハWの近傍に引き込まれる力を低下させることができ、ウェハW近傍のパーティクルをより低減することができる。
例えば、図5の(a)の比較例に示すように、直流電圧HVの印加が急峻である場合、載置台12とその周辺部材との電位差が大きくなり、ウェハW周辺においてパーティクルが発生する結果となった(NG)。
図5の(b)及び(c)も同様に、直流電圧HVの印加は、図5の(a)の場合よりも緩やかであるが、尚急峻であるため、載置台12とその周辺部材との電位差が大きくなり、パーティクルが電気的にウェハW周辺に誘引され、ウェハW周辺におけるパーティクルの発生は抑制されなかった(NG)。
図5の(d)及び(f)では、直流電圧HVの印加は緩やかであるが、プラズマ励起用の高周波電力HFの印加の停止のタイミングが早く、前囲い込みが不十分であるため、ウェハW周辺におけるパーティクルの発生は抑制されなかった(NG)。
図5の(e)では、プラズマ励起用の高周波電力HFによる前囲い込みが十分であり、かつ、直流電圧HVの印加が段階的で緩やかであるため、載置台12とその周辺部材との電位差が小さくなり、ウェハW周辺にてパーティクルの発生が抑制された(OK)。
よって、第2実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、前囲い込み制御に加えて直流電圧HVを段階的に大きくするように制御することで、ウェハWのチャックの際にウェハWの周辺にて発生しやすいパーティクルをより効果的に低減することができる。
なお、図5の実験例では、プラズマ励起用の高周波電力HFによる前囲い込みを行ったが、バイアス用の高周波電力LFによる前囲い込みでも同様な効果を有することが可能である。つまり、図4のステップS12では、バイアス用の高周波電力LF及びプラズマ励起用の高周波電力HFの少なくともいずれかを印加すればよい。
<第3実施形態>
[プラズマ処理方法]
次に、本発明の第3実施形態にかかるプラズマ処理方法について、図6のフローチャートを参照しながら説明する。第3実施形態にかかるプラズマ処理においても、まず、プラズマ処理が行われるチャンバ11内にウェハWを搬入する工程が実行される(ステップS10)。
次に、載置台12にバイアス用の高周波電力LFを所定時間だけ印加し、所定時間経過後にバイアス用の高周波電力LFの印加を停止する工程が実行される(ステップS40:事前のLF印加)。
次に、再び載置台12にバイアス用の高周波電力LFを印加する工程が実行される(ステップS12)。次に、静電チャック22の静電電極板21に直流電圧HVを印加する工程が実行される(ステップS14)。高周波電力LFの印加方法は、段階的に大きくなるように印加してもよいし、急峻に印加してもよい。
次に、エッチングガスを供給することでチャンバ11内を所定の圧力に維持しつつ、プラズマ励起用の高周波電力HFをチャンバ11内に印加する工程が実行される(ステップS16)。これにより、プラズマが発生される。次に、ウエハWの裏面と静電チャック22の表面との間に伝熱ガスが供給され(ステップS18)、その状態で生成されたプラズマによりエッチング処理工程が実行される(ステップS20)。エッチング処理後、エッチングガスの供給を停止し、プラズマ励起用の高周波電力HF及びバイアス用の高周波電力LFの印加を停止する工程が実行される(ステップS22)。
次に、直流電圧(HV)の印加を停止する工程が実行される(ステップS24)。これにより、ウェハWは、静電チャック22上に吸着されている状態から解除される。次に、ウェハWをチャンバ11外に搬出する工程が実行され(ステップS26)、本処理は終了する。
以上に説明したように、第3実施形態に係るプラズマ処理方法によれば、図7の(a)に示すように、直流電圧HVを印加する前にバイアス用の高周波電力LFが印加される(前囲い込み)。これにより生成されたプラズマによって、ウェハWのチャックの際にアーキングの発生を防止することができる。これにより、生成されたプラズマによって直流電圧HVを印加する際にチャンバ11内のパーティクルがウエハW側へ引き込まれることをブロックすることができる。
これに加えて、本実施形態では、前囲い込みのバイアス用の高周波電力LFを印加する前に、ウェハWが静電吸着されていない状態で350W程度のバイアス用の高周波電力LFを所定時間印加する。図7(a)では、所定時間は数秒であるが、これに限らず、例えば数十秒であってもよい。これにより、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間にトルクがかかるため、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間の吸着力がより増大する。この結果、ウェハWと静電チャック22との隙間(ギャップG)が、プラズマ励起用の高周波電力HFを印加した場合と比較して小さくなる(図7の(b)の右図の「事前にLFを印加」)。
次に、再度前囲い込み用のバイアス用の高周波電力LFが印加されると、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間の吸着力が更に増大し、ウェハWが静電チャック22に貼りついた状態になる(図7の(b)の右図の「LFを印加」)。これにより、ウェハWの裏面と静電チャック22の表面との間で生じる隙間放電(アーキング)をより効果的に抑制することができ、パーティクルの発生をより低減することができる。
以上、プラズマ処理方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理方法は上記実施形態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。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、第1〜第3実施形態にかかるプラズマ処理方法では、囲い込みのためにバイアス用の高周波電力LFを印加した。しかしながら、本発明にかかるプラズマ処理方法では、囲い込みのためにバイアス用の高周波電力LFとプラズマ励起用の高周波電力HFとを印加してもよい。
また、本発明に係るプラズマ処理方法は、容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他のプラズマ処理装置に適用可能である。その他のプラズマ処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)装置、ヘリコン波励起型プラズマ(HWP:Helicon Wave Plasma)装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR:Electron Cyclotron Resonance Plasma)装置等であってもよい。
また、本発明にかかるプラズマ処理装置により処理される基板は、ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ(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。
10:プラズマ処理装置
11:チャンバ
12:載置台
16:APC
17:反応室
18:排気室
19:第1の高周波電源
21:静電電極板
22:静電チャック
23:直流電源
24:フォーカスリング
25:冷媒室
27:伝熱ガス供給孔
29:シャワーヘッド
31:第2の高周波電源

Claims (4)

  1. プラズマ処理が行われるチャンバ内に基板を搬入する工程と、
    基板を載置する載置台に、プラズマ励起用の高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用の高周波電力を印加する工程と、
    前記載置台の上の基板を静電吸着する静電チャックに直流電圧を印加する工程と、
    を含み、
    前記直流電圧を印加する工程は、
    前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の後に実行され、
    前記直流電圧を印加する工程の後に実行される、プラズマ励起用の高周波電力を印加する工程を含む、プラズマ処理方法。
  2. 印加する前記直流電圧を段階的に大きくする、
    請求項に記載のプラズマ処理方法。
  3. 前記バイアス用の高周波電力を印加する工程の前に該バイアス用の高周波電力を所定時間印加する、
    請求項1又は2に記載のプラズマ処理方法。
  4. 前記バイアス用の高周波電力は、400kHz以上13.56MHz以下である、
    請求項1〜のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
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