JPWO2006001253A1

JPWO2006001253A1 - プラズマ処理装置

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Publication number: JPWO2006001253A1
Application number: JP2006528518A
Authority: JP
Inventors: 斧　高一; 高一斧; 上坂　裕之; 裕之上坂; 石橋　清隆; 清隆石橋; 沢田　郁夫; 郁夫沢田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Kyoto University
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Kyoto University
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2008-07-31
Also published as: US20090194236A1; CN1998272A; WO2006001253A1; KR100796867B1; KR20070053168A

Abstract

平面アンテナ部材３に複数の同心円でリング状のスロット３００〜３０４を形成し、中心部の導体３１０，３１１の厚みを相対的に薄く形成し、周辺部の導体３１２〜３１５の厚みを相対的に厚く形成することにより、スロット３００〜３０４でマイクロ波が減衰することがなく通過し易くなり、均一な電界分布が得られ処理空間内に平均的に均一な高密度のプラズマを生じさせることができるので、被処理体をアンテナ部材３に近付けることができ、被処理体を高速かつ均一に処理することが可能になる。

Description

この発明はプラズマ処理装置に関し、特に、マイクロ波を平面アンテナ部材に供給してプラズマを発生して半導体装置などを処理するプラズマ処理装置に関する。

図９は特許第３１３６０５４号公報に記載されたプラズマ処理装置の断面図であり、図１０は平面アンテナ部材を示す平面図である。

図９において、プラズマ処理装置２は、全体が筒状に形成された処理容器４を有している。処理容器４の天井部は開放され、シール部材５を介して石英板８が機密に設けられ、処理容器４内部に密閉された処理空間Ｓが形成されている。

処理容器４内には、上面に被処理体としての半導体ウェハＷを載置する載置台１０が収納されている。載置台１０は支持台１２によって処理容器４内の底部に絶縁材１４を介して設置されている。載置台１０にはバイアス用高周波電源２０から例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス電圧が供給されている。

処理容器４の上部を密閉する石英板８の上部には、平面アンテナ部材３が設けられている。この平面アンテナ部材３は高さの低い中空円筒状容器よりなるラジアル導波箱４０の底板として構成され、石英板８の上面に取付けられている。平面アンテナ部材３の上部には誘電体５０が設けられている。

平面アンテナ部材３は、例えば直径５０ｃｍ、厚み１ｍｍ以下の銅板で形成されている。この銅板には図１０に示すように、中心部より少し外側へ例えば数ｃｍ程度離れた位置から開始されて多数のスリット３１が渦巻き状に、次第に周縁部に向けて２回渦巻かれて形成されている。平面アンテナ部材３の中心部には、マイクロ波発生器４２から同軸導波管４４の内側ケーブル４４Ｂを介してマイクロ波が供給されており、スリット３１は、マイクロ波を受けて下方に位置する処理空間Ｓに対して均一な電界分布を形成する。なお、図１０において、略１ターンの放射素子３２が、その端部を相互に半径方向に異ならせて形成されているが、これはアンテナ効率を上げるためである。

特許第３１３６０５４号公報に記載されたプラズマ処理装置によって行われるプラズマＣＶＤ，エッチング，酸化，窒化などのプラズマプロセスでは、大口径基板を一括して高速かつ均一に処理することが求められる。

一般に、プラズマによる処理を高速化するためには、半導体ウエハＷ上でのプラズマ密度を高くする必要がある。そして、マイクロ波励起による高密度プラズマにおいては、プラズマ密度は石英板８から遠ざかる程低くなるため、平面アンテナ部材３に接する石英板８になるべく近いところで均一なプラズマを形成し、そこに半導体ウエハＷを設置するようにする必要がある。

ところで、マイクロ波は誘電体５０の中を中心から外に向かって広がるように伝播して行くので、中心に近いスロット程、スロットから放射する電界が強い。このため、従来装置では、石英板８とプラズマとの境界に形成される電界強度も、中心の方が高くなるのに対して、周辺部では電界強度が弱くなる傾向にある。その結果、石英板８近傍ではプラズマ分布は不均一になってしまい、平面アンテナ部材３と半導体ウエハＷとの間隔Ｄを所定距離以上離さなければ、半導体ウエハＷに作用するプラズマ分布を均一にできなかった。

しかしながら、効率をよくするためには、半導体ウエハＷを平面アンテナ部材３に接近させることが求められている。

そこで、この発明の目的は、被処理体を接近させても高速かつ均一に処理できるアンテナ部材を備えるプラズマ処理装置を提供することである。

この発明は、被処理体を載置する載置台を内部に設けた処理容器と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波を処理容器に導くための導波管と、導波管に接続されて載置台と対向して配置された平面アンテナ部材とを備え、平面アンテナ部材は、実質的に閉鎖したループ溝によって内導体領域と外導体領域とに区分していることを特徴とする。

この発明によれば、平面アンテナ部材に閉鎖したループ溝によって内導体と外導体とに区分しているので、平面アンテナ部材の厚みを厚くしてもマイクロ波が減衰することがなく通過しやすくなり、均一な電界分布が得られるので平面的に均一なプラズマ分布が得られ、被処理体をアンテナ部材に近付けることができ、被処理体を高速かつ均一に処理することが可能になる。

一実施形態では、ループ溝は複数設けられていて、それらは同心円で配置されており、より具体的には、ループ溝は複数設けられていて、それらは同心の矩形で配置されている。

好ましくは、ループ溝は平面アンテナ部材の厚み方向に貫通したスロットである。

他の実施形態では、内導体と外導体とがループ溝を横切る接続部材によって接続されている。接続部材で内導体領域と外導体領域とを接続することにより、内導体領域と外導体領域とを同一電位にすることで不必要な異常放電が生じるおそれをなくすことができる。

好ましくは、接続部材は、ループ溝内の高さ方向で内導体領域と外導体領域とを接続している。

平面アンテナ部材は、ループ溝で区分された絶縁部材と、絶縁部材の表面をコーティングしてループ溝で区切られた内導体領域と外導体領域とを構成する導電性部材とを含む。

好ましくは、平面アンテナ部材は、周辺部の厚みが相対的に厚く形成され、中心部が相対的に薄く形成されている。

一実施形態では、平面アンテナ部材は、ループ溝で区分された内導体領域と外導体領域を構成する金属部材と、金属部材を覆う絶縁部材とを含み、他の実施形態では、平面アンテナ部材は、ループ溝で区分された絶縁部材と、絶縁部材の表面をコーティングしてループ溝で区切られた内導体領域と外導体領域とを構成する導電性部材とを含む。

好ましくは、ループ溝を境にして内導体が相対的に薄く形成され、外導体が相対的に厚く形成されている。内導体を薄くし、外導体を厚くすることにより、アンテナ部材の中心における電子密度を小さくし、周辺部の電子密度を大きくすることができ、被処理体を均一に処理することが可能になる。

好ましくは、周辺部の厚く形成された部分に冷却路が形成される。冷却路を形成することで、アンテナ部材の温度を制御することが可能になる。

この発明の一実施形態のプラズマ処理装置に使用されるアンテナ部材の平面図である。図１に示す線ＩＩ−ＩＩに沿う縦断面図である。この発明の一実施形態のプラズマ処理装置に使用されるアンテナ部材の他の例の半径部分を示す断面図である。この発明の一実施形態のプラズマ処理装置に使用されるアンテナ部材のさらに他の例の半径部分を示す断面図である。全体を薄く形成したアンテナ部材の半径部分を示す断面図である。周辺部の厚みが厚く、中心部の厚みが薄く形成されているアンテナ部材の半径部分を示す断面図である。全体の厚みを厚く形成したアンテナ部材の半径部分を示す断面図である。周辺部を薄く、中心部を厚く形成したアンテナ部材の半径部分を示す断面図である。図４Ａ〜図４Ｄに示したアンテナ部材３ａ〜３ｄをアンテナ面からＺ＝７０ｍｍの位置に配置したときの電子密度分布を示した図である。図４Ａ〜図４Ｄに示したアンテナ部材３ａ〜３ｄをアンテナ面からＺ＝８０ｍｍの位置に配置したときの電子密度分布を示した図である。図４Ａ〜図４Ｄに示したアンテナ部材３ａ〜３ｄをアンテナ面からＺ＝１００ｍｍの位置に配置したときの電子密度分布を示した図である。図４Ａ〜図４Ｄに示したアンテナ部材３ａ〜３ｄをアンテナ面からＺ＝１５０ｍｍの位置に配置したときの電子密度分布を示した図である。アンテナ部材の他の例を示す図である。アンテナ部材の各導体間を導電体で接続した例を示す、平面図である。アンテナ部材の各導体間を導電体で接続した例を示す、図７Ａの線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。アンテナ部材の各導体間を導電体で接続した他の例を示す断面図である。アンテナ部材の平面図である。アンテナ部材の各スロット間の結合部分を拡大した断面図である。アンテナ部材の各スロット間の結合部分の他の例を拡大した断面である。特許第３１３６０５４号公報に記載されたプラズマ処理装置の断面図である。平面アンテナ部材を示す平面図である。

図１はこの発明の一実施形態のプラズマ処理装置に使用されるアンテナ部材の平面図であり、図２は図１に示す線ＩＩ−ＩＩに沿う縦断面図である。

図１において、アンテナ部材３は、銅などの導電材料で形成されており、複数の同心円でループ状の閉鎖した溝としてのスロット３００〜３０４が形成されて内導体領域と外導体領域に区分されている。これらのスロット３００〜３０４はアンテナ部材３の厚み方向の一方面から他方面に、例えばほぼ１ｍｍの幅で貫通して形成されている。各スロット３００，３０１，３０２，３０３のそれぞれの間隔Ｌは、マイクロ波の管内波長の整数倍に選ばれ、より好ましくはマイクロ波の管内波長の長さに選ばれており、最外周のスロット３０４とアンテナ部材３の外周縁との間隔はほぼＬ／２に選ばれている。スロット３０４とアンテナ部材３の外周縁との間隔をほぼＬ／２に選んだのは、最外周のスロットに到達したマイクロ波と、該スロットを通過して壁で反射した後戻ってきたマイクロ波の位相が同じになる（往復距離がＬであるから）ので、双方のマイクロ波が共鳴して強い電界を形成することができるからである。

アンテナ部材３はスロット３００〜３０４によって、導体３１０〜３１５に分離されている。中心側の導体３１０，３１１の厚みは相対的に薄く、例えば２ｍｍの厚さで形成されているのに対して、周りの導体３１２〜３１５の厚みは相対的に厚く、管内波長のλ／８以上、より好ましくはλ／４以上で具体的には、例えば２０ｍｍの厚さで形成されている。このようにアンテナ部材３の厚みを変えることで、厚みの厚い導体３１２〜３１５間に形成されたスロット３０２〜３０４の先端とプラズマとの距離を接近できるので、局所的にプラズマ密度を調整することが可能となる。したがって、電界の均一性を改善でき、所望のプラズマ分布が得られる。

前述の図９に示したスリット３１は、アンテナ部材３の厚みを厚くするとマイクロ波が減衰してしまい、処理効率が悪くなってしまうため、厚みを薄くせざるを得なかった。これに対して、この実施形態では、アンテナ部材３の厚みを厚くしても、複数のスロット３００〜３０４が形成されており、例えばスロット３０１に着目すると、導体３１１は同軸導波管の内導体となり、導体３１２は外導体となってウエブガイドとして作用するのでマイクロ波が通過しやすくなる。その結果、アンテナ部材３の下部における処理空間Ｓの電界分布を均一にできる。なお、図１では複数のスロット３００〜３０４を同心状に形成しているが、１つのスロットのみを形成してもよい。

また、周辺部の導体３１２〜３１４の厚みを厚くすることで、この部分に冷媒を流すための冷却路を形成して、スロット３００〜３０４自身およびアンテナ部材３の温度を制御することも可能になるという副次的な効果も得られる。

図３Ａ〜図３Ｂはこの発明の一実施形態のプラズマ処理装置に使用されるアンテナ部材の他の例の半径部分を示す断面図である。図２に示したアンテナ部材３は銅などの導電材料で形成したのに対して、図３Ａに示したアンテナ部材３ｅは、例えばセラミックスなどの絶縁部材３５１の表面に導電性材料３５２をコーティングし、さらにその上を絶縁部材３５３で覆ったものである。

金属は熱膨張率が大きいため、温度上昇した場合に寸法変化の影響があるのに対して、絶縁部材３５１は相対的に熱膨張率が小さいので、導電性材料３５２を絶縁部材３５１の表面にコーティングさえしておけば平面アンテナ部材として使用可能となる。また、導電性材料３５２の表面に絶縁部材３５３をコーティングすることで異常放電耐性が改善される。

また、図３Ｂに示したアンテナ部材３ｆは、セラミックスなどの絶縁部材３５１の表面に導電性材料３５２をコーティングし、上部および下部を絶縁部材３５３に代えて誘電体３０で覆ったものである。

図４Ａ〜図４Ｄには厚みの異なる種々のアンテナ部材の半径部分を示す断面図である。図４Ａ〜図４Ｄに示したいずれのアンテナ部材３ａ〜３ｄも複数の同心円でリング状のスロットが形成されているが、厚みが異なるように形成されている。

すなわち、図４Ａに示したアンテナ部材３ａは全体を薄く形成したものである。図４Ｂに示したアンテナ部材３ｂは、この発明の一実施形態に適用されるものであって、周辺部の厚みが厚く、中心部の厚みが薄く形成されている。図４Ｃに示したアンテナ部材３ｃは、この発明の他の実施形態に適用されるものであって、全体の厚みを厚く形成したものであり、その厚みは管内波長のλ／８以上、より好ましくはλ／４以上である。ここで、複数のリング状スロットがある場合、内導体および外導体を区分するスロットはいずれでもよく、選ばれた１つのスロットに対して内側にある導体を内導体とし、外側にある導体を外導体とすることができる。図４Ｄに示したアンテナ部材３ｄは周辺部を薄く、中心部を厚く形成したものである。

図５Ａ〜図５Ｄは、アンテナ部材３ａ〜３ｄの処理空間Ｓ側の下方向（Ｚ方向）において、アンテナ面の上面をＺ＝０としたとき、Ｚ＝７０ｍｍ，８０ｍｍ，１００ｍｍ，１５０ｍｍの位置におけるそれぞれの電子密度分布を示したものであり、縦軸に電子密度ｎｅ（ｃｍ^−３）を示し、横軸に半径方向の距離（ｒ）を示している。なお、図５Ａ〜図５Ｄはいずれも処理空間Ｓ内の圧力を０．５Ｔｏｒｒとし、マイクロ波の入射電力を３０００Ｗとしたときの電子密度分布を示している。

図５Ａ〜図５Ｄの波形ａは図４Ａのアンテナ部材３ａによる電子密度分布を示し、波形ｂは図４Ｂのアンテナ部材３ｂによる電子密度分布を示し、波形ｃは図４Ｃのアンテナ部材３ｃによる電子密度分布を示し、波形ｄは図４Ｄのアンテナ部材３ｄによる電子密度分布を示している。

図５Ａ〜図５Ｄの各波形を対比すれば明らかなように、図５Ａに示すＺ＝７０ｍｍ付近では、波形ｄは中心付近の電子密度分布が大きく周辺との差が大きい。これはアンテナ部材３ｄの中心部付近の厚みが厚く形成されているのに対して周辺部の厚みを薄く形成したことによるものである。波形ａは、アンテナ部材３ｄの波形ｄよりも中心における電子密度は小さいがやはり周辺部の電子密度に比べて大きくなっている。これはアンテナ部材ａが全体が薄く形成されていることによる。これに対して、波形ｂ，ｃは中心部分と周辺部分との電子密度の差が小さく均一な電界が得られることがわかる。これはアンテナ部材３ｂ，３ｃの周辺部を厚く形成したことによるものである。

図５Ｂに示すＺ＝８０ｍｍ付近では、アンテナ部材３ａ，３ｄによる波形ａ，ｄは中心部付近と周辺部付近における電子密度分布の差が大きく、アンテナ部材３ｂ，３ｃによる波形ｂ，ｃは中心部と周辺部との電子密度分布の差が小さく均一にすることができる。図５Ｃに示すＺ＝１００ｍｍ付近および図５Ｄに示すＺ＝１５０ｍｍのようにＺ方向の距離が大きくなるほど波形ａ〜ｄの電子密度の絶対値は低下する。

これらの特性により、ｒ＝０〜１５０ｍｍで例えば電子密度差が±１０％程度の均一性が得られるのはアンテナ部材３ａ，３ｄでは１５０ｍｍ付近であり、アンテナ部材３ｂでは８０ｍｍ付近であり、アンテナ部材３ｃではＺ＝１００ｍｍ付近という結果になった。したがって、高密度かつ均一なプラズマ分布を実現するためには図４Ｂに示すアンテナ部材３ｂが最も優れていることになる。

図６はアンテナ部材の他の例を示す図である。この例は、アンテナ部材３０を全体が矩形状となるように形成したものであり、複数の同心の矩形でループ状の閉鎖した溝としてのスロット３３０〜３３４が形成されていて、これらのスロット３３０〜３３４により導体３４０〜３４５に分離されている。この例においても、図１に示したアンテナ部材３と同様にして、中心側の導体３４０，３４１の厚みは相対的に薄く、周りの導体３４２〜３４５の厚みが相対的に厚く形成されている。その他の条件などは図１と同様に選ばれている。

図７Ａ〜図７Ｃはアンテナ部材の各導体間を導電体で接続した例を示し、図７Ａは平面図であり、図７Ｂは図７Ａの線Ｂ−Ｂに沿う断面図であり、図７Ｃは導電体の他の例を示す図である。

図１に示したアンテナ部材３において、各導体３１０〜３１５は各スロット３００〜３０４で電気的に分離されているので、マイクロ波は各スロットを通過する際に減衰することがないという利点がある。しかし、各導体３１０〜３１５で電荷がチャージされてしまい、不必要な異常放電が生じるおそれがある。

そこで、図７Ａに示した例は、各導体３１０〜３１５間を複数の接続部材としての導電体３２０で電気的に接続し、各導体３１０〜３１５のそれぞれを同一電位にすることで不必要な異常放電が生じるおそれをなくすことができる。

導電体３２０は、図７Ｂに示すように高さ方向の下半分が導体３１４と３１５とを接続し、上半分が導体３１４，３１５の表面から突出している。あるいは、図７Ｃに示すように、導電体３２０の高さ方向の全ての部分が導体３１４と３１５とを接続するようにしてもよい。要するに、各導体３１０〜３１５の間に設けられているスロット３００〜３０４の高さ方向の全部ではなく、その一部が導電体３２０で接続されていればよく、導電体３２０の厚みは可能な限り薄くするのが好ましい。

なお、図６に示したアンテナ部材３０においても、図７に示した導電体３２０を設けるようにしてもよい。

図８Ａ〜図８Ｃはアンテナ部材の各スロット間に結合部分を形成した例を示す図である。図８Ａはアンテナ部材の平面図であり、図８Ｂは結合部分の拡大した断面図であり、図８Ｃは結合部分の他の例を示す断面図である。

図８Ａに示した例は、各導体３１１〜３１５のそれぞれの電位を同一にするために、各スロット３００〜３０４の一部を貫通させることなく一部分を残すように接続部材としての結合部分３２１を形成したものである。この例でも、各導体３１０〜３１５間で不必要な異常放電が生じるおそれをなくすことができる。また、結合部分３２１は図６に示したアンテナ部材３０に適用してもよい。

図８Ｂに示した例は、スロット３０１により厚みの薄い導体３１１と厚みの厚い導体３１２とに区分されているが、これに限ることなく、図８Ｃに示すように、高さ方向で厚みの薄い部分と厚みの厚い部分とからなる段差部を有する導体３１６を設けるようにしてもよい。すなわち、スロットを境にして厚みの薄い導体と、厚みの厚い導体を設ける必要はなく、また、図８Ｃにおける内導体としては、導体３１０，３１１，３１６に相当する。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明のプラズマ処理装置は、マイクロ波を供給することでアンテナ部材近傍に均一な電界を形成し、処理空間内に平面的に均一な高密度プラズマを生じさせることができるので、半導体ウエハなどをプラズマＣＶＤ，エッチング，酸化，窒化などのプラズマプロセス処理するのに利用できる。

Claims

被処理体を載置する載置台を内部に設けた処理容器と、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波を前記処理容器に導くための導波管と、
前記導波管に接続されて前記載置台と対向して配置された平面アンテナ部材とを備え、前記平面アンテナ部材は、実質的に閉鎖したループ溝によって内導体領域と外導体領域とに区分していることを特徴とする、プラズマ処理装置。
前記ループ溝は複数設けられていて、それらは同心円で配置されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記ループ溝は複数設けられていて、それらは同心の矩形で配置されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記ループ溝は、前記平面アンテナ部材の厚み方向に貫通したスロットである、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記内導体領域と前記外導体領域とが前記ループ溝を横切る接続部材によって接続されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記接続部材は、前記ループ溝内の高さ方向で前記内導体領域と前記外導体領域とを接続している、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
前記平面アンテナ部材は、周辺部の厚みが相対的に厚く形成され、中心部が相対的に薄く形成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記平面アンテナ部材は、
前記ループ溝で区分された前記内導体領域と前記外導体領域を構成する金属部材と、
前記金属部材を覆う絶縁部材とを含む、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記平面アンテナ部材は、
前記ループ溝で区分された絶縁部材と、
前記絶縁部材の表面をコーティングして前記ループ溝で区切られた前記内導体領域と前記外導体領域とを構成する導電性部材とを含む、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記ループ溝を境にして前記内導領域体が相対的に薄く形成され、前記外導体領域が相対的に厚く形成されている、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
前記ループ溝に隣接する内導体領域は、厚み方向に薄い部分と厚い部分とが形成された段差部を含む、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
前記周辺部の厚く形成された部分に冷却路が形成される、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
前記平面アンテナ部材は、その厚みがλ／８以上で形成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。