JP6623511B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して誘電体窓を介して配置され、前記処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するための高周波アンテナを備えたプラズマ発生部と、
前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、
高周波電力を供給すると共に、前記高周波電力の周波数を変化させることが可能な高周波電源と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
両端に開放端を持つ渦巻きコイルからなり、これら開放端の間の線路の中央部に、前記高周波電源から供給される前記高周波電力の供給点と、接地点と、を備え、前記高周波電力の周波数に対応する共振周波数を持つ高周波アンテナと、
前記高周波アンテナにも前記高周波電源にも接続されることなく配置される環状コイルと、
前記高周波電力の周波数を変化させながらインピーダンス調整を行うように構成されたインピーダンス調整部と、を備え、
前記高周波アンテナは、一方の開放端から前記高周波電力の供給点までの第1の高周波アンテナ素子と、他方の開放端から前記接地点までの第2の高周波アンテナ素子とを有し、
前記環状コイルは、前記第1の高周波アンテナ素子と前記第2の高周波アンテナ素子との間に配置され、
前記インピーダンス調整部は、前記環状コイルに挿入された第1の可変コンデンサを有する。
また、他の発明に係るプラズマ処理装置は、処理容器内で被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して誘電体窓を介して配置され、前記処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するための高周波アンテナを備えたプラズマ発生部と、
前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、
高周波電力を供給すると共に、前記高周波電力の周波数を変化させることが可能な高周波電源と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
両端に開放端を持つ渦巻きコイルからなり、これら開放端の間の線路の中央部に、前記高周波電源から供給される前記高周波電力の供給点と、接地点と、を備え、前記高周波電力の周波数に対応する共振周波数を持つ高周波アンテナと、
前記高周波アンテナにも前記高周波電源にも接続されることなく配置される環状コイルと、
前記高周波電力の周波数を変化させながらインピーダンス調整を行うように構成されたインピーダンス調整部と、を備え、
前記高周波アンテナは、一方の開放端から前記高周波電力の供給点までの第1の高周波アンテナ素子と、他方の開放端から前記接地点までの第2の高周波アンテナ素子とを有し、
前記環状コイルは、前記第1の高周波アンテナ素子、前記第2の高周波アンテナ素子との相互作用によって、前記第1の高周波アンテナ素子、前記第2の高周波アンテナ素子、及び前記環状コイルに前記高周波電源から供給される前記高周波電力が分配されることが可能な位置に配置され、
前記インピーダンス調整部は、前記環状コイルに挿入された第1の可変コンデンサを有する。
(a)前記高周波電源から前記高周波アンテナ側を見たときの回路は、前記高周波電力の周波数を変えていったときに、前記第1の可変コンデンサの調整に応じた第1の共振周波数及び第2の共振周波数が現れるように構成されていること。
(b)前記第1の高周波アンテナ素子と、第2の高周波アンテナ素子とは、{λ(λは前記高周波電力の波長)/4}+{n(nは自然数)λ/2}に短縮率を乗じた線路長を有すること。
(c)前記インピーダンス調整部は、更に前記高周波電源に接続される第2の可変コンデンサを含み、前記高周波電源から前記高周波アンテナ側を見たときの回路は、前記高周波電力の周波数を変えていったときに、前記第1の可変コンデンサ及び/又は前記第2の可変コンデンサの調整に応じた第1の共振周波数及び第2の共振周波数が現れるように構成されること。
(d)前記環状コイルは、前記高周波アンテナと同じ高さ位置に配置されていること。または前記環状コイルは、前記高周波アンテナと異なる高さ位置に配置されていること。
プラズマエッチング装置は、接地されたアルミニウムやステンレスなどの導電体製の処理容器10を備え、処理容器10の側面にはゲートバルブ102によって開閉され、ウエハWの搬入出が行われる搬入出口101が設けられている。
これらに加え、サセプタ21には、サセプタ21を上下方向に貫通し、静電チャック23の上面から突没して外部の搬送アーム(不図示)との間でウエハWの受け渡しを行うための不図示の昇降ピンが設けられている。
高周波アンテナであるヘリカルアンテナ541は、同一平面内で導線を渦巻き状(図2の例では上面側から見て反時計回り)に捲回してなる面状の渦巻きコイルから構成される。
ヘリカルアンテナ541は、渦巻きコイルの内側部分を成す内側アンテナ素子541aと、上面側から見たとき内側アンテナ素子541aの外側に配置され、前記渦巻きコイルの外側部分を成す外側アンテナ素子541bとを接続した構造となっている。
また、内側アンテナ素子541aと外側アンテナ素子541bとの他端部側同士は、渦巻きコイルの一部を構成する導線である接続部541cを介して接続されている。
また、高周波電源61と接地端との間に配置される接続部541cの線路長は、反射率を調整する変数となる。従って、接続部541cは、整合回路としての役割を果たしている。
以上に説明した観点において、ヘリカルアンテナ541は本実施の形態の高周波アンテナを構成する。また内側アンテナ素子541aは、第1の高周波アンテナ素子を構成し、外側アンテナ素子541bは第2の高周波アンテナ素子を構成している。
以下、吸収アンテナ542及びインピーダンス調整用の可変コンデンサ群を備えるプラズマ発生部の構成について図2を参照しながら説明する。
以上に説明した可変コンデンサ62〜64(可変コンデンサ群)は、本実施の形態の第2の可変コンデンサを構成している。本例においては、インピーダンス調整部を構成する可変コンデンサ62〜64は、主として反射調整用の整合回路として用いられる。
以上の説明をまとめておくと、ヘリカルアンテナ541は内側と外側とに開放端を持ち、高周波電源61から供給される高周波の周波数に対応する共振周波数を持つ渦巻きコイルから構成される。そして高周波電源61からの高周波の供給点と、可変コンデンサ64を介して接地される接地点とは、2つの開放端の間の線路の中央部に設けられている。
なお、第1、第2の高周波アンテナ素子の配置は、この例に限定されるものではない。例えば、図2において高周波の供給点と接地点とを入れ替え、外側の開放端から高周波の供給点までの外側アンテナ素子541bを第1の高周波アンテナ素子、内側の開放端から接地点までの内側アンテナ素子541aを第2の高周波アンテナ素子としてもよい。
但し、本実施の形態において吸収アンテナ542として利用可能なコイルは、巻き数が1の環状コイルに限定されるものではない。巻き数が1より大きい渦巻き状(例えば上面側から見て時計回り)に導線を捲回してなる面状の渦巻きコイルを用いてもよい。
本発明における「面状の渦巻きコイル」には、巻き数が1の環状コイル及び巻き数が1より大きい渦巻きコイルの双方を含んでいる。
なお実験結果でも説明するように、2つの共振周波数のうち、いずれの共振周波数が2つのアンテナ素子541a、541bのどちらに対応するものであるかを特定することはできない。
またここで、2つの共振周波数が現れる位置を調整することが可能であれば、インピーダンス調整部の構成は上述の例に限られない。例えばヘリカルアンテナ541(内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541b)とシールドボックス51との距離を変えることで両者間の容量が変わるので、これらの距離を変化させることにより2つの共振周波数を調整してもよい。その場合には、昇降機構を含むヘリカルアンテナ541の高さ調整機構を設けてこれらの距離を変化させてもよい。また、シールドボックス51に電気的に接続された昇降機構付きのプレートを付設し、当該プレートとヘリカルアンテナ541との距離を変化させてもよい。
例えば処理容器10に隣接して設けられた真空搬送室内の搬送アームにより、搬入出口101を介して処理対象のウエハWが処理容器10内に搬入されると、不図示の昇降ピンを上昇させて、搬送アームから昇降ピンにウエハWを受け取る。処理容器10内から搬送アームが退避すると、ゲートバルブ102が閉じられ、また昇降ピンを降下させて静電チャック23にウエハWが載置される。
ヘリカルアンテナ541に高周波電力を供給すると、吸収アンテナ542の作用を受けつつ内側アンテナ素子541aと外側アンテナ素子541bとに電力が分配され、誘電体窓53を介して、これら内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541b、吸収アンテナ542の下方側にICPプラズマが形成される。
他の例を挙げると、軸線方向に伸びる、つる巻き線状の渦巻きコイルにて構成される内側アンテナ素子541aを設け、この内側アンテナ素子541aの外周側を囲むようにして、同じくつる巻き線状の外側アンテナ素子541bを二重管状に配置する。そして内側アンテナ素子541a側に設けられた高周波の供給点と、外側アンテナ素子541b側に設けられた接地点との間を接続部541cにて接続してヘリカルアンテナ541を構成する。
図1、図2を用いて説明したプラズマ発生部を用い、高周波電源61から供給する高周波電力の周波数を変化させて共振周波数を調べた。
A.実験条件
巻き数2、共振周波数が27MHzとなる線路長を有する内側アンテナ素子541aと外側アンテナ素子541bとを備えたヘリカルアンテナ541を用い、シールドボックス51内の同じ高さ位置にヘリカルアンテナ541と吸収アンテナ542とを配置した。可変コンデンサ62〜65の容量を所定の値に固定した条件下で高周波電源61から供給される高周波電力の周波数を10〜60MHzの範囲で変化させ、高周波電源61側から見た回路の反射率を観測した。
実験結果を図5に示す。図5の横軸は高周波電力の周波数、縦軸は高周波電源61側から見た高周波電力の反射率を示している。図5によれば、内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541bの共振周波数である27MHzの近傍の2箇所に、反射率が急激に小さくなる周波数が観察された。これらは内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541bを含む回路の共振周波数である。これら共振周波数が発生する位置は、各可変コンデンサ62〜65の容量によって種々、変化し、いずれの共振周波数が2つの高周波アンテナ素子541a、541bのどちらに対応するものであるか、特定することはできない。なお、30MHzより高周波領域に現れている反射率の小さな低下は、周辺回路の固定パラメータ間での共振の影響と考えられ、ヘリカルアンテナ541、吸収アンテナ542を用いたICPプラズマ形成の観点においては無視できる。
実験1と同様のプラズマ発生部を用い、可変コンデンサ65の容量を変化させたときに内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541b及び吸収アンテナ542によって形成されるICPプラズマの状態を観察した。
A.実験条件
吸収アンテナ542に設けられた可変コンデンサ65の容量を次第に大きくする一方、高周波電源61から見た反射率が小さくなるように、可変コンデンサ62〜64の容量を調節してプラズマの状態を観察した。このとき、高周波電源61から供給される高周波電力の周波数は、27±1MHz程度の範囲で変化した。プラズマの状態の観察は、プラズマ密度分布の計測、及び写真撮影(目視)により行った。
図6にウエハWの径方向に見たプラズマ密度の分布を示す。図6の横軸は、ウエハWの中心に対応する位置からの径方向の距離を示し、縦軸は電子密度Neを電子密度の最大値NeMaxで規格化した値を示している。図6において、黒塗りの丸のプロットは、吸収アンテナ542側の可変コンデンサ65の容量(C4)が最も小さく、アスタリスクのプロットの可変コンデンサ65の容量は最も大きく、バツ印のプロットの可変コンデンサ65の容量は前2条件の中間状態となっている。また、図7(a)〜(c)に示した写真においては、図7(a)は可変コンデンサ65の容量が最も小さく、図7(b)が中程度である。また、図7(c)は、他の可変コンデンサ62〜64の調整と合わせて、プラズマを広げた状態を探索した結果となっている。なお、図6と図7との間で、可変コンデンサ65の容量など、実験条件は同じではない。
このように、高周波電源61に並列に接続されたモノポールアンテナを構成する内側アンテナ素子541a、外側アンテナ素子541bの間に電気的に浮いた状態の吸収アンテナ542を配置したことにより、2つの共振周波数を持つ回路を構成するプラズマ発生部を用いることにより、高周波電源61が1つしかない場合であってもプラズマ密度分布を調整することが可能であることを確認できた。
10 処理容器
12 排気口
14 真空排気機構
21 サセプタ
44 処理ガス供給機構
51 シールドボックス
53 誘電体窓
541 ヘリカルアンテナ
541a 内側アンテナ素子
541b 外側アンテナ素子
541c 接続部
542 吸収アンテナ
61 高周波電源
62 可変コンデンサ
63 可変コンデンサ
64 可変コンデンサ
65 可変コンデンサ
7 制御部
Claims (7)
- 処理容器内で被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して誘電体窓を介して配置され、前記処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するための高周波アンテナを備えたプラズマ発生部と、
前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、
高周波電力を供給すると共に、前記高周波電力の周波数を変化させることが可能な高周波電源と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
両端に開放端を持つ渦巻きコイルからなり、これら開放端の間の線路の中央部に、前記高周波電源から供給される前記高周波電力の供給点と、接地点と、を備え、前記高周波電力の周波数に対応する共振周波数を持つ高周波アンテナと、
前記高周波アンテナにも前記高周波電源にも接続されることなく配置される環状コイルと、
前記高周波電力の周波数を変化させながらインピーダンス調整を行うように構成されたインピーダンス調整部と、を備え、
前記高周波アンテナは、一方の開放端から前記高周波電力の供給点までの第1の高周波アンテナ素子と、他方の開放端から前記接地点までの第2の高周波アンテナ素子とを有し、
前記環状コイルは、前記第1の高周波アンテナ素子と前記第2の高周波アンテナ素子との間に配置され、
前記インピーダンス調整部は、前記環状コイルに挿入された第1の可変コンデンサを有する、プラズマ処理装置。 - 処理容器内で被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して誘電体窓を介して配置され、前記処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するための高周波アンテナを備えたプラズマ発生部と、
前記高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、
高周波電力を供給すると共に、前記高周波電力の周波数を変化させることが可能な高周波電源と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
両端に開放端を持つ渦巻きコイルからなり、これら開放端の間の線路の中央部に、前記高周波電源から供給される前記高周波電力の供給点と、接地点と、を備え、前記高周波電力の周波数に対応する共振周波数を持つ高周波アンテナと、
前記高周波アンテナにも前記高周波電源にも接続されることなく配置される環状コイルと、
前記高周波電力の周波数を変化させながらインピーダンス調整を行うように構成されたインピーダンス調整部と、を備え、
前記高周波アンテナは、一方の開放端から前記高周波電力の供給点までの第1の高周波アンテナ素子と、他方の開放端から前記接地点までの第2の高周波アンテナ素子とを有し、
前記環状コイルは、前記第1の高周波アンテナ素子、前記第2の高周波アンテナ素子との相互作用によって、前記第1の高周波アンテナ素子、前記第2の高周波アンテナ素子、及び前記環状コイルに前記高周波電源から供給される前記高周波電力が分配されることが可能な位置に配置され、
前記インピーダンス調整部は、前記環状コイルに挿入された第1の可変コンデンサを有する、プラズマ処理装置。 - 前記高周波電源から前記高周波アンテナ側を見たときの回路は、前記高周波電力の周波数を変えていったときに、前記第1の可変コンデンサの調整に応じた第1の共振周波数及び第2の共振周波数が現れるように構成されている、請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第1の高周波アンテナ素子と、第2の高周波アンテナ素子とは、{λ(λは前記高周波電力の波長)/4}+{n(nは自然数)λ/2}に短縮率を乗じた線路長を有する、請求項1〜3のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記インピーダンス調整部は、更に前記高周波電源に接続される第2の可変コンデンサを含み、
前記高周波電源から前記高周波アンテナ側を見たときの回路は、前記高周波電力の周波数を変えていったときに、前記第1の可変コンデンサ及び/又は前記第2の可変コンデンサの調整に応じた第1の共振周波数及び第2の共振周波数が現れるように構成される、請求項1〜4のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記環状コイルは、前記高周波アンテナと同じ高さ位置に配置されている、請求項1〜5のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記環状コイルは、前記高周波アンテナと異なる高さ位置に配置されている、請求項1〜5のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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