JPH08241887A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマ中の電子の捕集効率の変動を抑制し
て、高密度かつ安定で均一なプラズマの生成を維持し、
被処理体の歩留りを向上することができるプラズマ処理
装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。 【構成】内部を絶縁膜で被覆された気密構造の処理室４
内に被処理体Ｗを載置し、プラズマを発生させ、前記被
処理体Ｗを処理するプラズマ処理装置１において、前記
被処理体Ｗの周囲にプラズマ中の電子を捕集する少なく
とも一部に絶縁膜を施さない電子捕集手段３７を備えた
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はプラズマ処理装置及び
プラズマ処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば半導体製造プロセスに
おいては、半導体ウエハ等の被処理体のプラズマ処理を
行うために、処理室内に処理ガスを導入してプラズマを
発生させ、処理室内のウエハに対して所定の処理、例え
ばエッチングやスパッタリング等を施すプラズマ処理装
置が知られている。このようなプラズマ処理装置とし
て、例えば、平行平板状の電極の一方を接地し、他方に
高周波電力を印加するＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）方式のプラズマ処理装置や、プラズマ中から電子を
引出し、加速して照射することにより所定の処理ガスを
プラズマ化する、ＥＢＥＰ（電子ビーム励起プラズマ）
方式のプラズマ処理装置等の開発が試みられている。こ
の種の装置は、特開平２−２９８０２４号、特開平５−
１９０４９８号等、多くの公報に開示されている。とこ
ろで、これらのプラズマ処理装置の処理室は、通常接地
された構造となっており、従ってプラズマ中の電子は処
理室の壁に回収され、所定の処理が行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
プラズマ処理装置の処理室内には、様々な構造物や開口
部、例えば電極や排気口等が設けられており、プラズマ
が発生する周囲の電位面の分布は均等にならないので、
発生するプラズマも不均一となり、被処理体の処理を均
一に行えなくなってしまい、歩留りを低下させるという
問題が生じていた。さらに、プラズマ処理を行う際、各
種所定の処理ガス、例えばＣｌ₂ 、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃ 、
Ｃ₄ Ｆ₈ 等を用いており、この処理中に発生する活性粒
子や反応生成物等が、処理室内壁に損傷や付着等を引き
起こし、経時的に電子の回収効率を変動させ、安定で高
密度なプラズマの生成の維持を困難としていた。

【０００４】本発明の目的は、プラズマ中の電子の回収
効率の変動を抑制して、高密度かつ安定で均一なプラズ
マの生成を維持し、被処理体の歩留りを向上することが
できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、気密
構造の処理室内に被処理体を載置し、プラズマを発生さ
せこの被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
この被処理体の周囲にプラズマ中の電子を捕集する、少
なくとも一部に絶縁膜を施さない電子捕集手段を備えた
ことを特徴とする。

【０００６】請求項２の発明は、プラズマから電子を引
出し加速して、この電子によって処理室内に供給される
所定のガスを励起してプラズマを発生し、このプラズマ
により載置台に載置された被処理体の処理を行うプラズ
マ処理装置において、この載置台の周囲かつ、被処理体
の処理面軸と異なる位置に設けられ、この電子を捕集す
る電子捕集手段と、この電子捕集手段の少なくとも一部
に磁場が形成されるよう構成された磁場形成手段とを具
備したことを特徴とする。

【０００７】請求項３の発明は、電子捕集手段が被処理
体と略同形状に形成され、かつ、被処理体の周囲に設け
られることを特徴とする。

【０００８】請求項４の発明は、処理室内にプラズマを
生起させ、この処理室内の被検査体に対して所定の処理
を施すプラズマ処理方法において、予め検出されたプラ
ズマ中の電子を捕集する電子捕集手段への電流値及び／
又は抵抗値に基づいて、プラズマの生成条件及び／又は
処理条件を所定の条件に設定することを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明は、プラズマ中の電子を捕集するため
の、少なくとも一部に絶縁膜を施さない電子捕集手段を
設けたので、処理室内の構成によらず、プラズマ中の電
子を有効に取り込むことができ、さらにプラズマの電位
の変動を抑制できるので、高密度で、安定かつ均一なプ
ラズマの生成を維持することができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明のプラズマ処理装置を実施し
た一実施例としてのプラズマエッチング装置に適用した
場合について説明する。

【００１１】まず、図１に示すように、プラズマエッチ
ング装置１は、不活性ガスをプラズマ化する領域として
のプラズマ生成室２と、このプラズマから電子を引出す
と共に引出された電子を加速する電子加速室３と、電子
加速室３により加速された電子の照射により処理ガスを
プラズマ化して被処理体、例えば半導体ウエハＷを処理
する処理室４とで主要部が構成され、それぞれの室は円
筒状でかつ導電性部材、例えばステンレス鋼等の材質で
形成され、さらに所定の範囲に絶縁膜、例えばアルミア
ルマイト等が形成され、同じ線０上に連設されている。

【００１２】前記のプラズマ生成室２内の一方の端部に
は、中央部にプラズマ生起用の放電ガス、例えば不活性
ガスとしてのＡｒガスを導入するための流路を形成した
中空棒状の高融点金属、例えばＴａよりなる補助電極１
０が設けられている。この補助電極１０の先端部近傍に
は、熱電子を多量に発生する材料、例えばＬａＢ₆ から
なる環状の熱陰極１１が設けられている。また、補助電
極１０の外側には材質、例えばモリブデンからなる筒状
の熱シールド部材１２が、補助電極１０の周囲を囲むご
とく設けられている。

【００１３】そして、前記補助電極１０の処理室４側に
は、中間電極１３と更にアノード電極１４が例配置され
ている。これらの電極１３，１４はリング形状であっ
て、内側に内径が２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にされ、電極
１３の内径は好ましくは２８ｍｍの径、また電極１４の
内径は好ましくは８ｍｍの径の開口部を有し高融点の金
属、例えばモリブデンよりなる部材、又は、導電性セラ
ミック、例えば、コンポジットＥＣにより形成されてい
る。

【００１４】そして、前記中間電極１３とアノード電極
１４とにより中間室２ａが形成され、この中間室２ａの
側壁には、中間室２ａ内を１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏ
ｒｒの範囲の所定圧力、例えば１０ｍＴｏｒｒに設定す
るとともに、前記カソード電極１２近傍の圧力を、例え
ば０．１Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ以下の所定圧力、例え
ば１．０Ｔｏｒｒに設定するために、圧力調節手段、例
えばバタフライバルブ１６と、排気手段、例えば真空ポ
ンプ１７が排気管１８を介して接続されている。

【００１５】また、前記中間電極１３の外周には、内径
の中心点を前記同心線０上に配置するリング状の第１の
磁界発生手段、例えば電磁コイル１９が設けられ、前記
アノード電極１４の外周には、内径の中心点を前記同心
線０上に配置するリング状の第２の磁界発生手段、例え
ば電磁コイル２０が設けられている。

【００１６】そして、前記電子加速室３内には、前記処
理室４側に電子加速電極２１が設けられており、この電
子加速電極２１には、リング形状であって内側に内径が
２ｍｍ〜１５ｍｍの範囲、好ましくは１０ｍｍの径の開
口部を有し、高融点の金属、例えばモリブデンよりなる
部材、又は、導電性セラミック、例えばコンポジットＥ
Ｃにより形成されている。そして、この電子加速電極２
１の外周には、内径の中心点を前記同心線０上の位置に
配置するリング状の第３の磁界発生手段、例えば電磁コ
イル２２が設けられている。

【００１７】また、前記処理室４内には、被処理体、例
えば半導体ウエハＷを載置する載置台２３が設けられて
おり、半導体ウエハＷの処理面の中心点、前記同心線０
上に配置されるよう構成されている。さらに、この処理
室４には、ユニットホルダ２４が、支持部材としても機
能するガス導入管２５により、前記ウエハＷと対面した
構成となるよう支持固定されている。

【００１８】前記ユニットホルダ２４には、電子ビーム
を拡散させるための磁場を形成するよう、リング状の第
４の磁界発生手段、例えば電磁コイル２６が備えられて
おり、さらに、ウエハＷ上に所定のガスを供給できるよ
うガスシャワーユニット２７が備えられている。

【００１９】このガスシャワーユニット２７には、前記
ガス導入管２５を介して、開閉機構、例えばバルブ２
８、マスフローコントローラ（図示せず）、ガス供給源
２９が接続され、所定のガスを所定の流量供給すること
が可能な構成となっている。

【００２０】また、前記処理室４の側壁には、圧力調整
手段、例えばバタフライバルブ３２が設けられており、
このバタフライバルブ３２を介して、この処理室４内の
圧力を所定の圧力、例えば１００ｍＴｏｒｒ以下の圧
力、好ましくは０．５〜５ｍＴｏｒｒの圧力に設定する
ために排気する排気手段、例えば真空ポンプ３０と、排
気管３１とが接続されている。さらに、前記処理室４
内、例えば側壁には、開閉機構、例えばゲートバルブ３
３を介して、前記処理室４内に半導体ウエハＷを搬入出
する搬送機構（図示せず）を内蔵し、減圧可能に構成さ
れた減圧室、例えばロードロック室３４が併設されてい
る。

【００２１】そして、前記載置台２３上には、ウエハＷ
を吸着保持可能なよう静電チャック３５が設けられ、さ
らにこのウエハＷを囲むように環状のフォーカスリング
３６が配置されている。このフォーカスリング３６は、
反応性イオンを引き寄せない絶縁材料からなり、プラズ
マ中の反応性イオンを内側に設置されたウエハＷに対し
てのみ入射させ、エッチング処理の効率化を図ってい
る。

【００２２】さらに、前記載置台２３は、図示しない中
空に形成された導電体よりなるパイプリードが貫通して
接続されており、このパイプリードには配線４０を介し
て直流分を制限するためのブロッキングコンデンサ４１
及び高周波、例えば３８０ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ等
の高周波電源４２に順次接続されており、下部電極とし
て機能することになる。

【００２３】また、前記静電チャック３５上の被処理体
であるウエハＷの処理面にある被処理体処理面軸Ｋと異
なる位置には、導電性部材、例えば耐食性を有するイン
コネル、又は導電性セラミック、例えばコンポジットＥ
Ｃにより形成された、前記処理室４内中の電子を有効に
捕集するための電子捕集手段３７が、前記ウエハＷと略
同状に形成され、ウエハＷの周囲に配置されている。こ
のように配置したので、ウエハＷの周囲に安定なプラズ
マを生成することができ、かつ、ウエハＷへの電子捕集
手段３７からのスパッタ物の付着や、電子捕集手段３７
へのウエハＷからのスパッタ物の付着も抑制することが
できる。

【００２４】また、図２に示すように、この電子捕集手
段３７は、電子を拡散させるための前記電磁コイル２６
と、電子をウエハＷ周縁部に引き込むための電磁コイル
３８ａ、３８ｂとで形成された磁界Ｂが、少なくともこ
の電子捕集手段３７の一部、好ましくは、導電性部材が
露出している部分を通るように配置され、プラズマ中の
電子を積極的に引き込むように構成されている。このよ
うに構成したので、ウエハＷの周囲に強度の強い磁場領
域が形成され、ウエハＷ上には高密度で偏りのないプラ
ズマを封じ込めることができ、安定なプラズマの生成の
維持に寄与することができる。

【００２５】そして、この電子捕集手段３７の少なくと
も一部、例えば前記磁界Ｂが通る部分には、この電子捕
集手段３７からウエハＷへのスパッタ物の付着がさらに
抑制できるように、ウエハＷの外周方向へテーパを有し
た構造であることが好ましい。

【００２６】さらに、この電子捕集手段３７は、前述の
ように導電性部材で形成されているが、処理室４内中へ
の金属汚染や、パーティクルの飛散を抑制できるよう
に、前記磁界Ｂの通過しない部分に、絶縁層、例えばア
ルミアルマイト等を形成された構成であることが好まし
い。

【００２７】また、この電子捕集手段３７は、電流値及
び／又は抵抗値を検出する検出手段４３が接続され、ウ
エハＷの処理時における電子捕集手段３７の状態をモニ
タ可能な構成となっている。

【００２８】さらに、前記検出手段４３は、制御手段で
ある、例えば中央演算処理装置（以下ＣＰＵという）４
４にも接続されており、このＣＰＵ４４は、検出手段４
３が検知した測定値に基づいて、例えばフィードバック
制御によりプラズマの生成条件及び／又は処理条件を所
定の条件に設定可能な構成となっている。

【００２９】ここで、プラズマの生成条件とは、前記プ
ラズマ生成室２内における各種の制御条件であり、例え
ば、圧力、磁場等である。すなわち、前記処理室４内の
様々な状態に応じて、前記処理室４内へ有効に電子を移
送するための条件である。また、さらに、プラズマの処
理条件とは、前記電子加速室３及び前記処理室４におけ
る各種の制御条件であり、例えば、圧力、磁場、後述す
る電子加速電圧、ガス流量、載置台高さ位置、高周波電
力等である。すなわち、前記処理室４内の様々な状態に
応じて、最適な処理を行うための条件である。

【００３０】次に、前述のように構成されるプラズマエ
ッチング装置の作用について、図１及び図２を用いて説
明する。

【００３１】まず、電磁コイル１９，２０，２１を励磁
して、中間室２ａから電子加速室３にかけての軸方向磁
界を形成する。さらに、Ａｒガスをプラズマ生成室２内
に所定流量、例えば４０ＳＣＣＭで噴出させると共に、
プラズマ発生室２と電子加速室３と処理室４内とを、そ
れぞれ前述の所定圧力に真空ポンプ１７，３０を稼動し
て設定する。

【００３２】そして、電磁スイッチＳ１をＯＮし、放電
電源Ｖ１を起動する。この起動時の電圧は、数百ボルト
とする。ここで、前記補助電極１０と前記中間電極１３
との間に初期放電が生じ、この初期放電により前記熱陰
極１１が、次第に温度上昇（例えば１０００℃以上、好
ましくは１３００〜１６００℃の範囲）していき、この
熱陰極１１と、前記アノード電極１４との放電に移行し
ていく。そして、熱陰極１１とアノード電極１４との間
で安定した放電が形成された後は、中間電極１３の電流
径路の電磁スイッチＳ１を開放する。

【００３３】こうして生成されたプラズマ内の電子は、
電子加速領域である電子加速室３の電子加速電極２１に
加速電圧Ｖ２を印加することにより、該電子加速室３に
引き出されて加速され、処理室４内に引き込まれる。こ
の際、処理室４内に予め励磁された電磁コイル２２，２
６，３８ａ、３８ｂにより形成された磁界によって、加
速された電子は同心線０より外方に向けて散乱し、さら
に、ウエハＷ周縁部に集束するよう導かれ、前記電子捕
集手段３７に引き込まれる。この時、処理室４内には、
導入管２５を介して所定の反応ガス、例えばＣｌ₂ ガス
が導入されると共に、真空ポンプ３０を稼動することに
より、この処理室４内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ以下の
圧力、好ましくは０．５〜５ｍＴｏｒｒの圧力に設定さ
れているので、加速された電子は、処理室内のＣｌ₂ ガ
スに照射され、その反応ガスが励起して高密度のプラズ
マが発生する。

【００３４】また、前記処理室４内の載置台２３上の静
電チャック３５上の所定の位置に、ロードロック３４中
の図示しない搬送装置により、前記半導体ウエハＷを予
め搬入、載置し、これを静電チャック３５のクーロン力
により吸着保持しておく。そして、前述のプラズマが生
起したと同時又は所定時間経過後、前記高周波電源４２
で、高周波を印加することにより、被検査体のエッチン
グ処理を行う。

【００３５】この処理中に、前記検出手段４３によっ
て、前記電子捕集手段３７の電流値及び／又は抵抗値
は、リアルタイムで知覚できる。例えば、被処理体のエ
ッチング処理中に、前記ＣＰＵ４４が、前記検出手段４
３のモニタ結果と、予めこのＣＰＵ４４に記憶されたデ
−タを比較することにより、例えば、前記高周波電源４
２の出力を調整する。これにより、万が一、前記捕集手
段３７に副生成物の付着等が発生した場合でも、最適な
被処理体の処理が可能となる。

【００３６】次に前述のように、構成されるプラズマエ
ッチング装置の効果について説明する。

【００３７】絶縁膜で覆われた処理室内に、少なくとも
一部に絶縁膜を有しない電子捕集手段３７を設けたの
で、プラズマ中の電子を有効に捕集することができ、安
定な放電の生成及び高密度なプラズマの生成に寄与する
ことが可能となるので、被処理体の歩留りを向上するこ
とができる。

【００３８】さらに、電子捕集手段３７は、処理面軸Ｋ
と異なる位置に配置したので、電子捕集手段３７からの
スパッタ物等の被処理体への付着を抑制することができ
る。また、被処理体の処理中に発生する反応副生成物等
の電子捕集手段３７への付着を抑制することができるの
で、プラズマ中の電子を常時効率良く捕集でき、経時的
なプラズマの電位変動も抑制でき、安定で高密度なプラ
ズマを維持することが可能となる。こうしたことから、
被処理体を処理する上で、微細加工、歩留りの点で高性
能化を図ることができる。

【００３９】また、電子捕集手段３７の少なくとも一部
に磁場Ｂが形成されるように磁場形成手段を配置したの
で、より効率良く電子を回収することができ、さらに安
定な放電の維持が可能となるので、被処理体の歩留りの
向上を図ることができる。

【００４０】また、電子捕集手段３７の電流値及び／又
は抵抗値に基づいて、プラズマの生成条件及び／又は処
理条件を最適な条件に設定制御するので、被処理体の処
理を円滑かつ均一な処理で行うことができ、歩留りを向
上することができる。

【００４１】次に第２の実施例について説明を行うが、
第１の実施例同一部分については、同一符号を付けて説
明を省略する。図３に示すように、電子捕集手段３７を
被処理体処理面軸Ｋより上方へ設けたものである。この
ように構成したことにより、電子捕集手段３７からのス
パッタ物がウエハＷに付着するのを抑制でき、かつ、処
理中に生成した反応副生成物が電子捕集手段３７に付着
することも抑制できる。これにより、電子の回収も有効
に行うことができるので、安定なプラズマの生成維持で
も、被検査体の歩留りも向上することができる。

【００４２】次に、第３の実施例について説明を行う
が、第１の実施例同一部分については同一符号を付けて
説明を省略する。図４に示すように、電子捕集手段３７
を、絶縁性部材、例えば石英ガラスから成る凹型の覆い
体４５中に、設けたものである。このように構成したこ
とにより、電子捕集手段３７からのスパッタ物がウエハ
Ｗ上に付着するのを抑制できるので、歩留りの向上に寄
与することができる。

【００４３】次に第４の実施例について説明を行うが、
第１の実施例と同一部分については同一符号を付けて説
明を省略する。図５に示すように、電子捕集手段３７
を、絶縁性部材、例えば石英ガラスから成り、上部に開
口部４８がウエハＷ中心方向に傾斜した構成の覆い体４
６中に設けたものである。このように構成したので、電
子捕集手段３７からのスパッタ物がウエハＷ上に付着す
るのを抑制できるので、歩留りの向上に寄与することが
できる。

【００４４】次に第５の実施例について説明を行うが、
第１の実施例と同一部分については同一符号を付けて説
明を省略する。図６に示すように、電子捕集手段３７に
電源、例えば可変直流電圧源４７が接続され、所定の電
圧を印加できるよう構成されている。このような構成に
したことにより、電子捕集手段３７に対し、前記ＣＰＵ
４４が所定の電位を与えて電子の取込量を調節し、最適
な処理条件でウエハＷを処理することができ、また、こ
の電子捕集手段３７に反応生成物等の付着が生じた際に
は、電子捕集手段３７にイオンを引き込む電位を与え
て、付着物を除去することも可能となる。さらに、上述
の電子捕集手段は均等に分割され、各々に電源、例えば
可変直流電圧源４７が接続された構成としてもよい。こ
のような構成にしたことにより、それぞれの電子捕集手
段３７に適当な電位をそれぞれ与えることができ、電子
の取込量を微調整できるので、より好適な処理条件でウ
エハＷの処理が可能となる。

【００４５】尚、実施例では、本発明のプラズマ処理装
置をプラズマエッチング装置に適用した場合について説
明したが、プラズマエッチング装置以外にも、例えばＣ
ＶＤ装置やスパッタ装置等、その他の電子ビーム励起式
プラズマ処理装置にも適用できることは勿論である。ま
た、実施例では、被処理体が半導体ウエハの場合につい
て説明したが、被処理体は半導体ウエハに限られるもの
ではなく、例えばＬＣＤ基板、レチクル基板等について
も同様に処理することができる。また、初期放電発生の
ためにカソード電極を用いて説明したが、この手段以外
にも、ヘリコン波やＥＣＲ等のプラズマ発生手段につい
ても適用することができる。

【００４６】さらに、実施例では、本発明を電子ビーム
励起式プラズマ処理装置に適用した例を示したが、これ
以外にもプラズマを利用して各種処理を行うプラズマ処
理装置にも同様に適用することが可能である。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、プラズマの電位の変動を抑制
できるので、高密度で安定かつ均一なプラズマの生成を
維持することができ、被処理体の歩留りを向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例が適用されるプラズ
マエッチング装置の概略断面図である。

【図２】図１の磁場発生手段と電子捕集手段を示す概略
要部断面図である。

【図３】第２の実施例を説明する電子捕集手段を示す概
略要部断面図である。

【図４】第３の実施例を説明する電子捕集手段の部分拡
大断面図である。

【図５】第４の実施例を説明する電子捕集手段の部分拡
大断面図である。

【図６】第５の実施例を説明する電子捕集手段の部分拡
大断面図である。

【符号の説明】

１ プラズマエッチング装置 ４ 処理室 23 載置台 26、38ａ、38ｂ 磁場形成手段 37 電子捕集手段 Ｗ 被処理体（半導体ウエハ） Ｋ 被処理体処理面軸 Ｂ 磁場

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密構造の処理室内に被処理体を載置
   し、プラズマを発生させ前記被処理体を処理するプラズ
   マ処理装置において、 前記被処理体の周囲にプラズマ中の電子を捕集する、少
   なくとも一部に絶縁膜を施さない電子捕集手段を備えた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 プラズマから電子を引出し加速して、こ
   の電子によって処理室内に供給される所定のガスを励起
   してプラズマを発生させ、このプラズマにより載置台に
   載置された被処理体の処理を行うプラズマ処理装置にお
   いて、 前記載置台の周囲かつ、被処理体の処理面軸と異なる位
   置に設けられ、前記電子を捕集電子捕集する手段と、 この電子捕集手段の少なくとも一部に磁場が形成させる
   よう構成された磁場形成手段と、を具備したことを特徴
   とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記電子捕集手段は、前記被処理体と略
   同形状に形成され、かつ、前記被処理体の周囲に設けら
   れたことを特徴とする請求項１又は２のプラズマ処理装
   置。
4. 【請求項４】 処理室内にプラズマを生起させ、この処
   理室内の被処理体に対して所定の処理を施すプラズマ処
   理方法において、予め検出された、プラズマ中の電子を
   捕集する電子捕集手段への電流値及び／又は抵抗値に基
   づいて、プラズマの生成条件及び／又は処理条件を所定
   の条件に設定することを特徴とするプラズマ処理方法。