JP6759167B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマエッチングなどのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus that performs plasma processing such as plasma etching.
近年、半導体デバイスは微細化が進んでおり、加工寸法は10nm以下の領域に至っている。また半導体デバイスの構造も、プレーナ型の構造から3次元構造へと変化している。このような変化を受け、近年の半導体デバイスの形状加工においては原子レベルの制御が要求されている。例えば、基板や基板上に成膜された材料を垂直方向にエッチングする工程では、エッチングが水平方向に進むことによるアンダーエッチを抑えつつ、エッチ深さと開口幅の比であるアスペクト比が大きく、エッチングにより形成される壁が垂直かつ滑らかであることが、原子レベルのスケールで求められる。 In recent years, semiconductor devices have been miniaturized, and the processing dimensions have reached the region of 10 nm or less. The structure of the semiconductor device has also changed from a planar type structure to a three-dimensional structure. In response to these changes, control at the atomic level is required in the shape processing of semiconductor devices in recent years. For example, in the process of vertically etching a substrate or a material formed on a substrate, the aspect ratio, which is the ratio of the etching depth to the opening width, is large while suppressing under-etching due to the etching proceeding in the horizontal direction. The walls formed by the etching are required to be vertical and smooth on an atomic level scale.
このような微細加工を実現するため、使用するガス種(ガス種類)・流量・処理室内圧力・処理時間といった処理条件の組み合わせ(ステップ)を複数用意し、それら異なる特性を持つステップを周期的に処理することで、被エッチング側壁への保護膜形成とエッチングの進行などを各々独立に制御する、サイクルエッチという手法が用いられる場合がある。サイクルエッチではエッチングで形成される垂直方向の壁に周期的な凹凸(スキャロッピング)が見られる場合があるが、各ステップの時間短縮が実現可能であれば、一般にスキャロッピング振幅は低減できる。 In order to realize such microfabrication, multiple combinations (steps) of processing conditions such as gas type (gas type), flow rate, processing chamber pressure, and processing time to be used are prepared, and steps having different characteristics are periodically performed. In some cases, a method called cycle etching is used in which the formation of a protective film on the side wall to be etched and the progress of etching are independently controlled by the treatment. In cycle etching, periodic irregularities (scalloping) may be seen on the vertical wall formed by etching, but if the time for each step can be shortened, the scalloping amplitude can generally be reduced.
一方、ステップの切り替え直後においては、処理室内に所望の種類のガスが導入されておらず、また圧力などの条件も一時的に不安定になる遷移時間が存在する場合があり、原子レベルの精密な形状加工性を求めて各ステップ時間を短縮する場合、プラズマ処理全体に占めるこの遷移時間の割合が大きいためその影響が特に顕著に現れる虞がある。以下にこの遷移時間による課題を述べる。 On the other hand, immediately after the step is switched, the desired type of gas is not introduced into the processing chamber, and there may be a transition time in which conditions such as pressure are temporarily unstable, so that the precision at the atomic level is high. When each step time is shortened in order to obtain a good shape processability, the effect may be particularly remarkable because the ratio of this transition time to the entire plasma processing is large. The issues due to this transition time will be described below.
この遷移時間の間は処理条件が不安定でありエッチングの再現性を低下させる要因となり得る。あるステップが終了したら一度プラズマ放電を中断し、その状態で次のステップのガスを処理室に導入し、処理室内の圧力などの条件が整定されてからプラズマを再び放電するという手法を用いることも可能である。しかしながら、ステップ切り替えのたびにプラズマ放電を中断すると、放電を中断している間エッチングが行われないことによるスループットの低下に加え、放電中にシースにトラップされていたパーティクルがウェハ上に落下し、パーティクルの下部がエッチングされないことによる加工不良を起こしてしまうという問題があった。 During this transition time, the processing conditions are unstable and can be a factor that reduces the reproducibility of etching. It is also possible to use a method in which the plasma discharge is interrupted once when a certain step is completed, the gas of the next step is introduced into the treatment chamber in that state, and the plasma is discharged again after the conditions such as the pressure in the treatment chamber are set. It is possible. However, if the plasma discharge is interrupted each time the step is switched, in addition to the decrease in throughput due to the etching not being performed while the discharge is interrupted, the particles trapped in the sheath during the discharge fall onto the wafer. There is a problem that processing defects occur because the lower part of the particles is not etched.
このような問題を回避するため、プラズマを維持したままステップを切り替える手法が用いられることがある。しかし、上述したようにステップ切り替えに伴う遷移状態は、エッチングの再現性の低下に加えて、所望のレートでエッチングされないことによるスループットの低下を招く。 In order to avoid such a problem, a method of switching steps while maintaining the plasma may be used. However, as described above, the transition state associated with the step switching causes a decrease in throughput due to not being etched at a desired rate, in addition to a decrease in etching reproducibility.
以上に述べたような遷移時間の課題は、原子レベルの精密な形状加工性を求めて各ステップ時間を短縮する場合、プラズマ処理全体に占める遷移時間の割合が大きいが故に特に顕著に現れる。そのため、ステップ切り替え後に処理室内の条件が整定されるまでの時間を短縮することで、この遷移時間の影響を抑えることが要求されている。 The problem of transition time as described above appears particularly prominently when the step time is shortened in order to obtain precise shape processability at the atomic level, because the ratio of the transition time to the entire plasma processing is large. Therefore, it is required to suppress the influence of this transition time by shortening the time until the conditions in the processing chamber are set after the step switching.
ステップ切り替えに伴う遷移時間を短縮する手法としては、例えば特許文献1(特開2008−91651号公報)がある。上記特許文献1には、処理室内にガスを導入するために用いられるマスフローコントローラの遅延を解消する手法が記載されている。処理室内へのガスの導入では、マスフローコントローラによるガス流量の制御が広く行われているが、マスフローコントローラに、所望の流量のガスを流すよう指示してから実際に流量がその値になるまでには時間差がある。この立ち上がりの時間差によって処理室に導入されるガス流量が一時的に不安定になり、処理室内の条件の不安定化につながる。そこで次のステップに用いるマスフローコントローラを予め立ち上げて次のステップのガスを排気ラインに流し、ステップが切り替わった瞬間に排気ラインに流していたガスを処理室に流すように切り替えることで、マスフローコントローラの立ち上がり遅延を解消する。 As a method for shortening the transition time associated with step switching, there is, for example, Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-91651). Patent Document 1 describes a method for eliminating a delay in a mass flow controller used for introducing a gas into a processing chamber. In the introduction of gas into the processing chamber, the gas flow rate is widely controlled by the mass flow controller, but from the time when the mass flow controller is instructed to flow the gas of the desired flow rate until the actual flow rate reaches that value. Has a time lag. Due to this rise time difference, the gas flow rate introduced into the treatment chamber becomes unstable temporarily, leading to instability of the conditions in the treatment chamber. Therefore, the mass flow controller used for the next step is started up in advance to let the gas of the next step flow to the exhaust line, and at the moment when the step is switched, the gas flowing to the exhaust line is switched to flow to the processing chamber. Eliminates the rise delay of.
以上に述べたように、複数のステップを切り替えながらプラズマ処理を行う時、ステップ切り替え直後の不安定な遷移時間を短縮することは、特に原子層レベルのエッチングが求められる技術において、高精度な加工形状の制御ために重要である。 As described above, when performing plasma processing while switching between multiple steps, shortening the unstable transition time immediately after switching steps is a highly accurate process, especially in technologies that require atomic layer level etching. It is important for shape control.
このステップ切り替えに時間を要する原因のひとつは、マスフローコントローラから処理室までの配管の距離である。配管が長いと、マスフローコントローラによって制御されたガスが処理室に到達するまでに時間を要するため、ステップ切り替えによる遷移時間が長くなってしまう。 One of the reasons why this step switching takes time is the distance of the piping from the mass flow controller to the processing chamber. If the piping is long, it takes time for the gas controlled by the mass flow controller to reach the processing chamber, so that the transition time due to step switching becomes long.
また、複数のガス種を混合する場合、混合の手法によってはガス種ごとに真空処理室までの距離が異なることがある。この場合、ガス種ごとにガスの真空処理室までの到達時間が異なることになり、処理室内の条件の整定における不安定要因となることが課題である。 Further, when a plurality of gas types are mixed, the distance to the vacuum processing chamber may differ depending on the mixing method. In this case, the time of arrival of the gas to the vacuum processing chamber differs depending on the gas type, which is a problem that causes instability in setting the conditions in the processing chamber.
本発明の目的は、プラズマ処理においてステップ切り替えから処理室内の条件が安定するまでの時間を短縮させて、プラズマ処理における被処理材の形状制御性を向上させることができる技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique capable of shortening the time from step switching to stabilization of conditions in the processing chamber in plasma processing and improving the shape controllability of the material to be processed in plasma processing. ..
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The aforementioned object and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings herein.
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief overview of typical embodiments disclosed in the present application is as follows.
一実施の形態におけるプラズマ処理装置は、プラズマ処理が行われる処理室と、上記処理室に設けられ、シャワープレートによって仕切られたガス溜めと、上記処理室に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御部と、上記複数のガス制御部からガス導入経路を介して上記複数の処理ガスのそれぞれを上記処理室に供給するガス供給機構と、を有する。さらに、上記ガス導入経路は、一端が上記処理室に連通するガス導入口と接続されたガス混合用の第1配管と、上記第1配管の他端に接続され、かつ上記第1配管の他端との接続箇所から放射状に配置された複数の第2配管と、を有する。さらに、上記複数の第2配管は、上記複数のガス制御部と同数設けられ、かつ上記複数の第2配管のそれぞれは上記複数のガス制御部と連通し、上記第1配管の長さは、上記複数の処理ガスからなる混合ガスが上記第1配管を通過するのに要する第1時間と、上記混合ガスが上記第1配管の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第2時間と、が等しくなる長さである。 The plasma processing apparatus according to the embodiment has a processing chamber in which plasma processing is performed, a gas reservoir provided in the processing chamber and partitioned by a shower plate, and a flow rate of a plurality of processing gases introduced into the processing chamber. Each has a plurality of adjustable gas control units and a gas supply mechanism for supplying each of the plurality of processed gases from the plurality of gas control units to the processing chamber via a gas introduction path. Further, the gas introduction path includes a first pipe for gas mixing, one end of which is connected to a gas introduction port communicating with the treatment chamber, and the other of the first pipe, which is connected to the other end of the first pipe. It has a plurality of second pipes arranged radially from the connection point with the end. Further, the plurality of second pipes are provided in the same number as the plurality of gas control units, and each of the plurality of second pipes communicates with the plurality of gas control units, and the length of the first pipe is set. The first time required for the mixed gas composed of the plurality of processing gases to pass through the first pipe, and the second time required for the mixed gas to diffuse to a distance corresponding to the radius of the first pipe. Are the lengths that are equal.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, the effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
ステップ切り替えから処理室内の条件が安定するまでに要する時間を短縮することができる。その結果、サイクルエッチの短周期化に伴うスループット低下を抑制することができ、プラズマ処理における形状制御性を向上させることができる。 The time required from step switching to stabilization of the conditions in the processing chamber can be shortened. As a result, it is possible to suppress a decrease in throughput due to a shortened cycle etch, and it is possible to improve shape controllability in plasma processing.
以下、本実施の形態を、図1を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態に係わるプラズマ処理装置の模式的な構造の一例を示す概略図である。図1に示すプラズマ処理装置100は、その一例であるマイクロ波ECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマエッチング装置である。ここでは、真空処理室102の内部に設置された電極、真空処理室102の外部に設置された電界、磁界の供給装置、および電源などが模式的に示されている。
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a schematic structure of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. The
図1に示す本実施の形態のプラズマ処理装置100の概略について説明すると、プラズマ処理装置100は、被処理材であるシリコンウェハ(以降、単にウェハ101ともいう)に対してプラズマエッチング処理が行われ、かつ上部が開放された真空処理室(処理室)102を備えている。この真空処理室102の開放上部には、エッチングガスを導入するための複数の細孔132が形成された円板形状のシャワープレート106および誘電体窓105が設置されている。すなわち、プラズマエッチングを実施する際の処理ガスはシャワープレート106に設けられた複数の細孔132を介して導入される。
Explaining the outline of the
また、真空処理室102の上部に設けられた誘電体窓105によって真空処理室102内は気密に封止されている。さらに、真空処理室102内には、シャワープレート106に対向して、試料台である下部電極103が設置されている。そして、下部電極103の上にロボットアームなどの搬送装置(図示せず)により、プラズマエッチング処理されるウェハ101が搬送される。
Further, the inside of the
次に、プラズマ処理装置100について詳細に説明する。プラズマソース用電源、例えばマイクロ波源119から発振されたマイクロ波は、方形導波管121、方形円形導波管変換機129、円形導波管130を介して真空処理室102に導入される。そして、自動整合器120により反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源119としては、例えば、発振周波数2.45GHzのマグネトロンを用いた。
Next, the
円形導波管130は、空洞共振部111に接続される。空洞共振部111は、マイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。
The
空洞共振部111の下部には、マイクロ波導入窓である誘電体窓105やシャワープレート106を介して、真空処理室102が設けられている。つまり、空洞共振部111と真空処理室102との間にシャワープレート106が設けられ、さらにシャワープレート106によって仕切られたガス溜め107が設けられている。そして、真空処理室102に導入されたマイクロ波と、ソレノイドコイル122、123、124によって形成される磁界による電子サイクロトロン共鳴(以下ECRともいう)とによって、真空処理室102内に反応性ガスのプラズマが形成される。
A
なお、ECRとは、ソレノイドコイル122、123、124が生成する磁界の磁力線に沿って電子が回転しながら移動するところに、その回転周期に対応した周波数のマイクロ波がプラズマに入射することで電子を選択的に加熱することを言い、プラズマの効果的な加熱方法である。また、静磁界を用いる他の利点として、静磁界の分布を変化させることでECRが発生する位置を制御することができ、プラズマ発生領域を制御することができる。静磁界の分布は、3つのソレノイドコイルに流す電流を変えることで制御することができる。さらにプラズマは磁力線に対して垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、プラズマの拡散を制御し、プラズマの損失を低減することができる。これらの効果により、プラズマの分布を制御することができ、したがって、プラズマ処理の均一性を高めることができる。 The ECR is a place where electrons move while rotating along the magnetic field lines of the magnetic fields generated by the solenoid coils 122, 123, 124, and microwaves having a frequency corresponding to the rotation cycle are incident on the plasma to cause electrons. It is an effective heating method of plasma. Further, as another advantage of using the static magnetic field, the position where the ECR is generated can be controlled by changing the distribution of the static magnetic field, and the plasma generation region can be controlled. The distribution of the static magnetic field can be controlled by changing the currents flowing through the three solenoid coils. Further, it is known that the diffusion of plasma is suppressed in the direction perpendicular to the magnetic field line, and the diffusion of plasma can be controlled and the loss of plasma can be reduced. Due to these effects, the distribution of plasma can be controlled, and therefore the uniformity of plasma processing can be improved.
また、真空処理室102の外部には、真空処理室102に導入される複数の処理ガスの流量をそれぞれに調整可能な複数のガス制御装置(ガス制御部)113が設けられている。詳細には、複数のガス源114から供給される反応性ガス(処理ガス)は、ガス制御装置113内でそれぞれ流量が制御され、真空処理室102に連通する配管(第1配管)135および配管(第2配管)112を介して、さらに試料台である下部電極103に対向する面に設置されたシャワープレート106を介して真空処理室102に導入される。また、真空処理室102内のガスは、排気装置であるターボ分子ポンプ(以降、TMP)108から排気される。また、TMP108の上流部に設けられた排気コンダクタンス調整弁109は、圧力計128の測定値が所望の値となるようにフィードバック制御され、その開度が調整される。
Further, outside the
また、プラズマ処理装置100には、複数のガス制御装置113からガス導入経路を介して複数の処理ガスのそれぞれを真空処理室102に供給するガス供給ユニット(ガス供給機構)104が設けられている。
Further, the
なお、被処理材であるウェハ101は、静電吸着によって下部電極103に吸着保持可能である。そして、下部電極103に、高周波電源126よりプラズマソース用電源の周波数より低い、例えば周波数400kHzの高周波が整合器を介して印加されることにより処理性能の制御を向上できるとともに処理速度の向上を図ることができる。
The
また、真空処理室102、下部電極103およびTMP108は、それぞれ略円筒形であり、その円筒の軸が同一となっている。下部電極103は、真空処理室102内で梁によって支持されている。
Further, the
以上の構成は、すべて制御用コンピュータに接続され、適切なシーケンスで動作するようそのタイミング、動作量がコントロールされている。動作シーケンスの詳細パラメータはレシピと呼ばれ、予め設定されたレシピに基づいた動作がなされる。 All of the above configurations are connected to a control computer, and the timing and amount of operation are controlled so that they operate in an appropriate sequence. The detailed parameters of the operation sequence are called recipes, and the operations are performed based on the preset recipes.
レシピは通常、複数のステップから構成されている。ステップ毎にガス種・ガス流量をはじめとする処理条件が設定されており、各ステップは予め設定された時間、順番に実行される。またステップ切り替えの際には、プラズマ形成を中断する方式とプラズマを維持する方式がある。 A recipe usually consists of multiple steps. Processing conditions such as gas type and gas flow rate are set for each step, and each step is executed in order for a preset time. Further, when switching steps, there are a method of interrupting plasma formation and a method of maintaining plasma.
次に、本実施の形態のプラズマ処理装置100のガス供給系について説明する。
Next, the gas supply system of the
本実施の形態では、特にステップ間でプラズマを維持しながら処理ガスを切り替える場合において、真空処理室102内の処理ガスを高速に置換可能とする、最適な装置構成の例を、図1、図2および図3を用いて説明する。既に説明した図1に示されたものと同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図2は図1に示すプラズマ処理装置をガス溜めにおいて上方から眺めた構造の一例を示す平面図、図3は図1に示すプラズマ処理装置におけるガス供給ユニットの内部の部品の配置の一例を示す斜視図である。
In the present embodiment, an example of an optimum apparatus configuration capable of replacing the processing gas in the
図2に示すように、ガス供給ユニット(ガス供給機構)104は、同一構成のものが2台、略円筒形のコイルケース127の外周側に密接し、かつ真空処理室102の中心軸に対して略対称になるように配置されている。
As shown in FIG. 2, two gas supply units (gas supply mechanisms) 104 having the same configuration are in close contact with the outer peripheral side of the substantially
各ガス供給ユニット104内には、ガス種毎にガス制御装置113とこのガス制御装置113に接続された配管112とが、配管135の、ガス流れに対する上流側(以下、入口という)の端(図3のS部)を中心として図3に示すように略放射状に配置されている。さらに、図1に示す真空処理室102とガス制御装置113とは、誘電体窓105およびシャワープレート106によって構成されるガス溜め107と略同一平面内に配置される図2に示すガス導入口110と、配管135および配管112並びにガス供給の開始・停止を制御するためのバルブ(第1バルブ)115とを介して連通されている。
In each
また、図2に示すように、各ガス供給ユニット104と連通する各ガス導入口110は、ガス溜め107内において対向するように配置される。さらに、図1に示すように、配管135は、ソレノイドコイル123とソレノイドコイル124の間を通り、真空処理室102の周囲に沿って配置され、図2に示すガス導入口110と連通されている。そして、図1に示すように、コイルケース127は、ソレノイドコイル123とソレノイドコイル124の間で上下に分離できるようになっている。
Further, as shown in FIG. 2, each
また、真空処理室102に処理ガスを導入するガス導入経路は、一端が真空処理室102に連通するガス導入口110と接続されたガス混合用の配管(第1配管)135と、配管135の他端に接続され、かつ配管135の上記他端との接続箇所S(図3参照)から放射状に配置された複数の配管(第2配管)112と、を有している。そして、これら複数の配管112は、図3に示すように、複数のガス制御装置113と同数設けられ、かつ複数の配管112のそれぞれはガス制御装置113と連通している。
Further, the gas introduction path for introducing the processing gas into the
ここで、図2に示す配管135の最適な長さL1は、後述するように、エッチング処理で用いるガスの流量をQ、配管135内の平均圧力、平均自由行程、ガス分子の速度をそれぞれp、λ、vで表すとき、L1=3Q/(πpλv)で表される。そして、エッチング処理に用いる処理条件が複数あるときは、上記のL1が最も大きくなる処理条件を用いて計算した値が配管135の最適な長さである。
Here, the optimum length L 1 of the
また、配管135の最適な直径d1は、後述するように、配管112の直径、長さ、および内部のガス圧力をそれぞれd2、L2、p2とするとき、(3d1 2/λv+p2πd2 2L2/4Q)が最小になるようなd1である。エッチング処理に用いる処理条件が複数あるときは、上記のd1が最も小さくなる処理条件を用いて計算した値が配管135の最適な直径である。
Further, the optimum diameter d 1 of the
一方、後述する図5に示す配管112の最適な長さL2は、ガス種によって異なる。図5に示すバルブ115における図5に示した寸法wと、ガス種の数Nを用いて、L2=w/2tan(360°/2N)のように表される。
On the other hand, the optimum length L 2 of the
そして、プラズマ処理装置100では、図2に示すように、複数の配管112のそれぞれの長さは、配管135の長さより短い(L2<L1)。
Then, in the
以上の構成により各々のガス制御装置113は、真空処理室102の極近傍に配置され、各々のガス制御装置113とガス溜め107とを接続する部分(配管135と配管112)の容積およびある同一ガスの流量に対するコンダクタンスを等しくし、かつガスを混合させるという条件下で配管長を最小にすることが可能である。
With the above configuration, each
また、それぞれの配管112には、図1に示すように、粗引きポンプ(排気装置)118に連通するガスの配管117と、ガスの経路を選択するためのバルブ(第2バルブ)116とが備えられており、ガス制御装置113の動作開始に伴う応答遅れがガス置換の応答性に影響しないように動作させることが可能である。その動作手順については後述する。
Further, as shown in FIG. 1, each of the
つまり、図1および図2に示すように、複数のガス制御装置113のそれぞれは、ガス溜め107に連通する第1経路137から分岐して粗引きポンプ118に連通する第2経路138に繋がっており、第1経路137と第2経路138の分岐箇所Tと、配管135のガス導入口110と接続されていない他方の端(接続箇所S)と、の間にはバルブ(第1バルブ)115が配置されている。さらに、分岐箇所Tと粗引きポンプ118との間、すなわち第2経路138にはバルブ(第2バルブ)116が配置されている。なお、粗引きポンプ118と連通する第2経路138は、バルブ125を介してTMP(排気装置)108とも連通している。
That is, as shown in FIGS. 1 and 2, each of the plurality of
次に、配管135の長さおよび直径、並びに配管112の長さについて説明する。一般に、円形断面のガス配管をガスが通過するのに必要な時間Tは、流量をQ、配管長をL、配管の直径をd、配管内の圧力をpとすれば、T=pπd2L/4Qと表される。ここで典型的な値、例えばQ=100ccm、p=3kPa、d=4.35mmを用いた場合、配管1mにつきガスの導入が0.26s遅れる。このことから、ガス制御装置113より、バルブ115、配管112および配管135、さらにガス導入口110を介してガス溜め107まで通じる経路のガス配管を短くすれば、ガス導入時間を短縮できることが分かる。
Next, the length and diameter of the
その一方で、同一のウェハ内において加工形状が一様になるようにするには、ガス導入時にガス溜め107の内部において各ガス種が均一に混合されていることが求められる。それには、ガス溜め107より上流に一定長さの配管を配置し、その中でガスを混合する必要がある。ガス配管の内部では数千Pa程度と低圧となるため、レイノルズ数が50〜200程度と小さい、すなわちガス流れは層流である。そのため、混合は主に気体の熱運動に伴う拡散に依るところとなる。そして、平均自由行程をλ、気体分子の平均速度をvとすると、拡散における速度を表す拡散定数Dは、D=λv/3で表され、気体が長さxだけ離れた場所まで拡散するのに必要な時間はTD=x2/Dと表される。ガス混合用のガス配管を設ける場合、その内部をガスが通過する時間と、ガスが配管の直径方向に十分拡散する時間と、が等しい時にガスの配管長さが最短となり,ガスを混合しつつガス導入時間を短縮することができる。言い換えると、配管135の長さは、複数の処理ガスからなる混合ガスが配管135を通過するのに要する第1時間と、上記混合ガスが配管135の半径に相当する距離まで拡散するのに要する第2時間と、が等しくなる長さである。
On the other hand, in order to make the processed shape uniform in the same wafer, it is required that each gas type is uniformly mixed inside the
上述のことを考慮すると、上記TDの式のxをガス配管の半径としたとき、配管135の最短の長さL1minは、先に記した通りL1min=3Q/(πpλv)となる。例えば常温のアルゴン分子を用いる場合は、λ=0.007/p〔m〕、v=432m/sなので、Qの単位をccmとすれば、L1min=0.053Q〔cm〕となるから、例えば比較的大流量となるアルゴン500ccmのプロセスではL1minが約30cmとなる。すなわち、配管135の長さは、30cm以下であることが好ましい。
Considering the above, when x in the above TD equation is the radius of the gas pipe, the shortest length L 1 min of the
ただし、一般的にプラズマ処理装置は複数の処理条件を用いるため、これら処理条件によってL1minの長さが異なる。そのため、配管135の最適な長さL1は、使用する処理条件の中から最もL1minが長くなるものを選び、そのときのL1minの値をL1とする。
However, since the plasma processing apparatus generally uses a plurality of processing conditions, the length of L 1 min differs depending on these processing conditions. Therefore, for the optimum length L 1 of the
一方、配管135の直径について考えると、直径が小さければ小さいほど、ガスの拡散にかかる時間が短くなるため、配管135の中をガスが通過するのに費やす時間は短くて済む。しかしながら、配管135の直径を小さくするとコンダクタンスが小さくなるため、配管入口の圧力が大きくなってしまう。配管135の入口の圧力が大きくなるとそれに接続されている配管112の内部の圧力も大きくなるが、先に述べたようにガス配管を通過するのに必要な時間Tは圧力に比例するため、配管112をガスが通過するのに必要な時間はかえって長くなってしまう。
On the other hand, considering the diameter of the
そして、配管135と配管112にガスを導入する時間は、先に述べたTDおよびTの和である(3d1 2/λv+p2πd2 2L2/4Q)によって計算でき、例えば図4に示すような、配管135の直径とガス導入時間のグラフをプロットすることができる。ここからガス導入に必要な時間が最も短くなる配管135の直径の最適値を求めることが可能である。なお、図4から分かるように、ガス配管の直径が最適な直径より小さくなるとガス導入時間が急激に伸びるが、直径が大きくなる場合にはガス導入時間はそれほど変化しない。よって、複数のエッチング処理条件を用いる場合は、配管135の直径の最適値が最も小さくなる処理条件を見つけ、その処理条件で計算される最適値を直径とすればよい。
The time for introducing gas into the
ガス導入時間を短縮するには、配管135の入口からガス制御装置113までの経路についても配管長さを最小にすることが求められる。どのガス種についても配管の長さを同じように短くするには、配管135の入口から各ガス種のバルブ115までの配管を放射状に配置すればよい。このとき各ガス種のバルブ115が互いに干渉せず、かつ配管112の長さが最小になるようにするには、図5に示すように配管112の長さを半径とする円と外接するようにバルブ115を配置すればよい。ここで、図5は、図1に示すプラズマ処理装置における複数のガス配管とバルブの配置構造の一例を示す部分側面図である。なお、図3に示すように、バルブ(第1バルブ)115は、ガス制御装置113の設置数に対応して複数配置されている。そして、複数のバルブ115のそれぞれは、図2に示す配管135のガス導入口110と接続されていない他方の端(接続箇所S)を中心として形成される図5に示す仮想円136に外接するように配置されており、その際、仮想円136の直径は、仮想円136と外接する複数のバルブ115のそれぞれが互いに重ならないように配置される最小の直径である。
In order to shorten the gas introduction time, it is required to minimize the pipe length also for the path from the inlet of the
また、図5に示すように、複数のバルブ115のそれぞれの仮想円136に外接する辺の長さをwとし、ガス種の数をNとすると、バルブ115は一辺の長さがwの正N角形を形成することから、配管112の長さL2は、L2=w/2tan(360°/2N)で表される。そして、放射状に設置された複数の配管112のそれぞれの長さは、お互いに等しくなっている。
Further, as shown in FIG. 5, assuming that the length of the side circumscribing each of the
なお、図2に示すガス溜め107においては、すべてのガス種が均一に混合しているだけではなく、混合したガスの圧力分布が均一であることも求められる。なぜなら、ガス溜め107の内部の圧力分布が均一でないと、場所によってシャワープレート106の細孔132から流出するガスの流量が異なり、図1に示すウェハ101の加工形状の均一性に影響が出るためである。仮に、図2に示すガス導入口110がガス溜め107に一箇所しか設置されていない場合、図6に示すようにガス導入口110から離れるほどガスの圧力が小さくなるという分布になってしまう。ここで、図6は、本発明者が検討したガス導入口の設置箇所が1箇所の場合のガス溜めにおけるガスの圧力分布を示す平面図である。したがって、本実施の形態のプラズマ処理装置100では、ガス溜め107において、ガス導入口110が2箇所に設置されている。すなわち、平面視でガス溜め107において、お互いに対向する位置にガス導入口110が配置されている。このようにすることで、ガス溜め107におけるガスの圧力分布を均一にすることが可能になる。
In the
また、図1に示すガス制御装置113、バルブ115およびバルブ116は、以下に示す手順で動作を行う。その動作手順を説明すると、処理前は、すべてのガス制御装置113がその流量は0に設定され、また、バルブ115およびバルブ116は共に閉じている。
Further, the
次に、処理が開始され、あるガス種が次のステップで必要になると、制御コンピュータは次のステップで設定された流量でガスを流すようにそのガスに対応するガス制御装置113に要求を送る。同時にそのガスに対応するバルブ116を開き、もう一方のバルブ115は閉じることで、ガス制御装置113と排気ポンプであるTMP108を連通させる(バルブ125も開ける)。そして次のステップに切り替わると、バルブ116を閉じ、もう一方のバルブ115を開くことで、真空処理室102にガスを供給する。
Then, when processing is initiated and a gas type is needed in the next step, the control computer sends a request to the
本来、ガス制御装置113は、ある流量でガスを流すよう要求してから実際にその流量で流れるようになるまでに時間がかかる。その結果、ステップが切り替わってから実際に真空処理室102に所望のガスが所望の流量で導入されるまでには時間差が生じる。しかし、本実施の形態のプラズマ処理装置100では、上述のようなバルブ115およびバルブ116の動作によって事前にガス制御装置113に次のステップの準備させることができ、これにより、処理ステップが切り替わってから短時間で真空処理室102に所望のガスを所望の流量で導入することが可能になる。
Originally, the
以上の構成により、ステップを切り替えてからガスが導入されるまでの時間を短縮することができ、プラズマ処理装置100の被処理材の形状制御性を向上することができる。つまり、配管135および配管112からなるガス配管の短縮化およびガス種ごとの配管長さの統一化により、ステップ切り替えから真空処理室102内の処理条件が安定するまでに要する時間を短縮化することができる。その結果、サイクルエッチの短周期化に伴うスループット低下を抑制することができ、プラズマ処理における被処理材の形状制御性を向上させることができる。
With the above configuration, the time from switching the steps until the gas is introduced can be shortened, and the shape controllability of the material to be processed of the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態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、上記した実施の形態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。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態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。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。 It is also possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. .. Further, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration. It should be noted that each member and the relative size described in the drawings have been simplified and idealized in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and have a more complicated shape in terms of mounting.
なお、上記実施の形態で説明した構造や方法については、上記実施の形態のものに限定されるものではなく、様々な応用例が含まれる。例えば、上記実施の形態では、プラズマ処理装置の一例として、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング装置(ECR)に関して説明したが、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)や容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)等のプラズマ処理装置においても同様の効果を得ることができる。 The structure and method described in the above embodiment are not limited to those in the above embodiment, and include various application examples. For example, in the above embodiment, the electron cyclotron resonance plasma etching apparatus (ECR) has been described as an example of the plasma processing apparatus, but inductively coupled plasma (ICP: Inductively Coupled Plasma) and capacitively coupled plasma (CCP: Capacitively Coupled) have been described. The same effect can be obtained in a plasma processing apparatus such as Plasma).
100 プラズマエッチング処理装置(プラズマ処理装置)
101 ウェハ
102 真空処理室(処理室)
103 下部電極
104 ガス供給ユニット(ガス供給ユニット)
105 誘電体窓
106 シャワープレート
107 ガス溜め
108 TMP(排気装置)
109 排気コンダクタンス調整弁
110 ガス導入口
111 空洞共振部
112 配管(第2配管)
113 ガス制御装置(ガス制御部)
114 ガス源
115 バルブ(第1バルブ)
116 バルブ(第2バルブ)
117 配管
118 粗引きポンプ(排気装置)
119 マイクロ波源
120 自動整合器
121 方形導波管
122、123、124 ソレノイドコイル
125 バルブ
126 高周波電源
127 コイルケース
128 圧力計
129 方形円形導波管変換機
130 円形導波管
132 細孔
135 配管(第1配管)
136 仮想円
137 第1経路
138 第2経路
100 Plasma etching processing equipment (plasma processing equipment)
101
103
105
109 Exhaust
113 Gas control device (gas control unit)
114
116 valve (second valve)
117 Piping 118 Roughing pump (exhaust device)
119
136
Claims (10)
前記処理室の上方に配置され高周波を透過させる誘電体窓と、
前記誘電体窓の下方に配置され前記処理室内へガスを供給するガス供給板と、
前記誘電体窓と前記ガス供給板により構成されたガス溜めと、
ガス供給経路を介して前記処理室に供給される複数のガスの流量を各々に制御する複数のガス制御部と、
を備え、
前記ガス供給経路は、前記処理室に連通するガス供給口に一端が接続された第1配管と、前記第1配管の他端に接続され前記他端に接続された箇所から放射状に配置された複数の第2配管とを具備し、
前記第2配管の数は、前記複数のガス制御部の数と同数であり、
前記第2配管の各々は前記ガス制御部の各々と連通し、
前記第1配管の長さは、前記ガスが前記第1配管を通過するのに要する時間と、前記ガスが前記第1配管の半径に相当する距離まで拡散するのに要する時間とが概ね等しくなる長さであることを特徴とするプラズマ処理装置。 The processing room where plasma processing is performed and
A dielectric window located above the processing chamber and transmitting high frequencies,
A gas supply plate arranged below the dielectric window and supplying gas to the processing chamber,
A gas reservoir composed of the dielectric window and the gas supply plate,
A plurality of gas control units that control the flow rates of a plurality of gases supplied to the processing chamber via the gas supply path, and a plurality of gas control units.
With
The gas supply path was arranged radially from a first pipe having one end connected to a gas supply port communicating with the processing chamber and a portion connected to the other end of the first pipe and connected to the other end . Equipped with multiple second pipes ,
The number of the second pipes is the same as the number of the plurality of gas control units.
Each of the second pipes communicates with each of the gas control units,
The length of the first pipe is approximately equal to the time required for the gas to pass through the first pipe and the time required for the gas to diffuse to a distance corresponding to the radius of the first pipe. A plasma processing device characterized by its length.
前記第1配管の長さは、30cm以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
A plasma processing apparatus characterized in that the length of the first pipe is 30 cm or less.
前記ガスの流量をQ、前記第1配管内での前記ガスの平均圧力をp、前記第1配管内での前記ガスの平均自由行程をλ、前記第1配管内での前記ガスの速度をvとするとき、前記第1配管の長さは、3Q/(πpλv)の数式により求められることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
The flow rate of the gas is Q, the mean pressure of the gas in the first pipe is p, the mean free path of the gas in the first pipe is λ, and the velocity of the gas in the first pipe is λ. A plasma processing apparatus characterized in that the length of the first pipe is obtained by a mathematical formula of 3 Q / (πpλv) , where v is used.
前記プラズマ処理の処理条件が複数あるとき、前記数式の値が最も大きくなる場合の値を前記第1配管の長さとすることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 3,
A plasma processing apparatus characterized in that when there are a plurality of processing conditions for the plasma processing , the value when the value of the mathematical formula becomes the largest is set as the length of the first pipe.
前記ガスの流量をQ、前記第1配管内での前記ガスの平均自由行程をλ、前記第1配管内での前記ガスの速度をv、前記第1配管の直径をd 1 、前記第2配管の直径をd 2 、前記第2配管の長さをL 2 、前記第2配管の内部のガス圧力をp 2 とするとき、前記プラズマ処理の処理条件における前記ガスの種類および流量は、(3d1 2/λv+p2πd2 2L2/4Q)の数式の値が最小となるように設定されることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1 or 2 .
The flow rate of the gas is Q, the average free stroke of the gas in the first pipe is λ, the velocity of the gas in the first pipe is v, the diameter of the first pipe is d 1 , and the second When the diameter of the pipe is d 2 , the length of the second pipe is L 2 , and the gas pressure inside the second pipe is p 2 , the type and flow rate of the gas under the processing conditions of the plasma treatment are (1). 3d 1 2 / λv + p 2 πd 2 2 L 2 / 4Q) plasma processing apparatus the value of the formula is characterized in that it is set to be the minimum.
前記プラズマ処理の処理条件が複数あるとき、前記数式の値が最も小さくなる場合の前記d1 を前記第1配管の直径とすることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 5.
Wherein when the processing conditions of the plasma treatment are a plurality of plasma processing apparatus characterized by values of the formulas and wherein d 1 of the first pipe diameter when minimized.
前記ガス制御部の各々は、前記ガス溜めに連通する第1経路から分岐して排気装置に連通する第2経路に接続され、
前記第1経路から前記第2経路に分岐する分岐箇所と前記他端との間に第1バルブが配置され、
前記分岐箇所と前記排気装置との間に第2バルブが配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
Before each outs scan control unit is connected to the second path which communicates with the exhaust system branched from the first passage communicating with said reservoir gas,
The first valve is disposed between the first path and the branch point and the previous SL other end branches into the second path,
The plasma processing apparatus, wherein a second valve is disposed between the branch point and the previous SL exhaust system.
前記第1バルブは、複数配置されるとともに前記他端を中心とする仮想円に沿って配置され、
前記仮想円の直径は、前記第1バルブが互いに重ならないように配置される場合の直径であることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 7.
The first valve is disposed along a virtual circle around the plurality disposed Rutotomoni the other end,
The diameter of an imaginary circle, a plasma processing apparatus which is a diameter when the previous SL first valve is arranged so as not to overlap each other.
平面図における前記ガス供給口の一対は、一方と他方が互いに対向する位置に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
A pair of the gas supply port in plan view, a plasma processing apparatus characterized by one and the other is placed at a position facing each other.
前記第2配管の長さをL2 、側面図における前記第1バルブの幅をW、前記ガスの種類数をNとするとき、前記第2配管の長さは、L2=W/2tan(360°/2N)の数式により求められることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 8,
Wherein the length of the second pipe L 2, W the width of said first valve in a side view, when the number of types of the gas is N, the length of the second pipe, L 2 = W / 2tan ( A plasma processing apparatus characterized in that it is obtained by a mathematical formula of 360 ° / 2N).
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