JP2005064120A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度プラズマや表面波電界等の影響を受けても、被処理物が金属汚染の発生することのないプラズマ装置とその方法を提供すること。
【解決手段】 プラズマ処理装置のチャンバ１の側壁に設けるガス供給管５Ａ、５Ｂを、チャンバ１の内部に誘電体窓９と離間して平行に設けられているガス分離板２を挟んだ位置にそれぞれ配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高密度プラズマや表面波電界等の影響を受けても、被処理物が金属汚染することのないプラズマ処理に関する。

半導体装置の製造用のシリコンウエハや液晶ディスプレイ用のガラス基板等に対して、マイクロ波プラズマを利用してドライエッチング処理やアッシング処理等を施すためにプラズマ処理装置が用いられている。

プラズマ処理装置にはいくつかの種類があり、例えば、高周波電力をマイクロ波導入手段の一例であるアンテナに供給してチャンバ（真空容器）内のプロセスガスにマイクロ波のエネルギーを印加してプラズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物にドライエッチング処理等を施すものがある。

より具体的には、内部に被処理物を載置するステージが設けられたチャンバの天井部には誘電体窓が設けられている。この誘電体窓の上部にはスロットアンテナを備えた導波管が設けられている。導波管は、マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が誘電体窓に対向し、マイクロ波の電界方向と平行な面（Ｅ面）がＨ面に対して垂直方向に伸び、かつ、マイクロ波導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する反射面を有する矩形状の形状であり、誘電体窓と接する側に、マイクロ波を誘電体窓を通してチャンバの内部に導入するための開口部（スロットアンテナ）が設けられている（例えば、特許文献１を参照）。また、チャンバの内部の誘電体窓の近傍にはプロセスガスをチャンバの内部に導入するガス導入口が設けられている。（例えば、特許文献１を参照）。

これらの構造により、チャンバ内に供給されたプロセスガスであるＯ_２を、チャンバ内で生成されたプラズマで活性化し、Ｏラジカルによって、被処理物に対してアッシング等を行っている。なお、プロセスガスにはＣＦ_４等のフッ素原子を添加して用いられている場合も多い。
特開２００２−１５８２１０号公報 （段落番号００１０）

上述のような従来のプラズマ処理装置では、図６に模式図を示すように、被処理物Ｗはチャンバ３１の内部の中央に設けられたステージ３２の上に配置され、プラズマ生成部３３は被処理物Ｗの直上となる。このような装置構成の場合、マイクロ波の導波管３４からマイクロ波が入射される誘電体窓３５の近傍に高密度のプラズマが生成されるため、チャンバ３１の内部に生成されるプラズマの密度分布は不均一になる。その結果、誘電体窓３５を支えるキャビティ部分３６が高密度プラズマに晒されてダメージを受ける。また、表面波電界によってＦイオンおよびＦラジカルによるダメージも受ける。（図６の黒丸部分）
特に、プロセスガスとしてＣＦ_４等のフッ素原子を添加したものを用いる場合は、ダメージが顕著である。

かかるダメージを受けた場合、それによりパーティクルが発生し、被処理物Ｗの金属汚染を生ずる原因となった。

通常、プラズマ処理装置は、金属汚染を防止するためにチャンバ３１の内壁（真空部分）にアルマイト等によるコーティング処理を施している。しかし、上述のような高密度プラズマや表面波電界の影響によって、キャビティ部分３６やチャンバ３１の側壁のアルマイト等が剥げて金属汚染が発生することがある。

本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、高密度プラズマや表面波電界等の影響を受けても、被処理物の金属汚染が発生することのないプラズマ装置とその方法を提供することを目的としている。

本発明によれば、導波管内を進行したマイクロ波をチャンバ内に導くマイクロ波導入手段と誘電体窓とを具備し、かつ、前記チャンバ内には前記誘電体窓と所定空間を介して対向した位置に被処理物を保持するための静電チャックが配置され、かつ、該チャンバの上部から前記チャンバ内へガスを供給するガス供給管が設けられ、該チャンバ内のガスを前記マイクロ波によりプラズマ化することにより前記被処理物を処理するプラズマ処理装置であって、
前記ガス供給管は、前記チャンバの内部に前記誘電体窓と離間して平行に設けられているガス分離板を挟んだ位置にそれぞれ配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

また本発明によれば、前記ガス分離板より上方に配置されているガス供給管からは、前記チャンバの内部にＦを含まないＯ_２ガスを供給し、一方、ガス分離板より下に配置されているガス供給管からはＦを含んだガスを、チャンバの内部に供給するようにしていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

また本発明によれば、前記ガス分離板より上方に配置されているガス供給管からは、前記チャンバの内部にＦを含まないＯ_２ガスを供給し、一方、ガス分離板より下方に配置されているガス供給管からは、ＮＦ_３を加熱して熱分解して活性化させたＦ原子をチャンバの内部に供給していることを特徴とするプラズマ処理装置である。

また本発明によれば、導波管内を進行したマイクロ波をマイクロ波導入手段を介して誘電体窓からチャンバ内に導入させ、この誘電体窓により封止されガス供給管から前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化し、該チャンバ内に前記誘電体窓と所定空間を介して対向して配置された静電チャックに保持されている被処理物に処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内へのガスの供給は、チャンバ内に配置されているガス分離板の上方に配置されているガス供給管からはＦを含まないＯ_２ガスを供給し、ガス分離板の下方に配置されているガス供給管からはＦを含んだガスを供給することを特徴とするプラズマ処理方法である。

また本発明によれば、導波管内を進行したマイクロ波をマイクロ波導入手段を介して誘電体窓からチャンバ内に導入させ、この誘電体窓により封止されガス供給管から前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化し、該チャンバ内に前記誘電体窓と所定空間を介して対向して配置された静電チャックに保持されている被処理物に処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内へのガスの供給は、チャンバ内に配置されているガス分離板の上方に配置されているガス供給管からはＦを含まないＯ_２ガスを供給し、ガス分離板の下方に配置されているガス供給管からはＮＦ_３を加熱して熱分解して活性化したＦ原子を供給することを特徴とするプラズマ処理方法である。

本発明によれば、プラズマ処理装置で被処理物Ｗの処理する際に、プロセスガスとしてＦを含んだガスを用いても、キャビティ部分のダメージをなくすことが出来るので、装置の寿命を延ばすことが可能になる。

また、プラズマ領域の中に、Ｆ素原子が存在しないようにしたので、石英やチャンバの側壁に対するダメージが小さい。その結果、金属汚染も防止しうる装置の信頼性が向上する。

また、プロセスガスとしてフッ素を利用できることにより、被処理物Ｗのレジスト剥離性が向上し、それによりプロセスの優位性も向上する。

以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、被処理物（例えば、ウエハ）上のレジストのアッシングに適用されるダウンフロー型のマイクロ波励起のプラズマ処理装置を示す模式図である。

チャンバ１の内部は、水平方向に配置したガス通過孔の孔設された金属プレートからなるガス分離板２によりプラズマ生成室３と処理室４とに上下に区画されている。また、チャンバ１の内部はフッ素樹脂で表面処理が施されている。なお、フッ素樹脂による表面処理の他には、アルマイト処理やダイヤモンドコーティングを施しても良い。

なお、ガス分離板２は、シャワープレートを兼ねており、均等にガスを流すようになっている。一例を挙げれば、図２（ａ）に平面図を示すように、複数の開口２ａが全面に分散して孔設されていたり、あるいは、図２（ｂ）に平面図を示すように、放射状にスリット２ｂが等角度で設けられている。

チャンバ１の内部にプロセスガスを供給するガス供給管５Ａ、５Ｂは２本設けられ、チャンバ１の上部の側壁を貫通する形で、ガス分離板２を挟んで上下方向に配設されたりしている。

プロセスガスとしては、例えば、被処理物Ｗの表面の薄膜に対してエッチングを行う場合には、酸素ガス（Ｏ_２）単体、或いは、酸素ガスにＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６等のフッ素系ガスを添加した混合ガス、又は、これらのガスに水素ガスを添加したガスが使用される。

プロセスガスの供給は、ガス分離板２より上方に設けられたガス供給管５Ａからは、Ｆを含まないＯ_２ガスをチャンバ１の内部に供給し、一方、ガス分離板２より下方のガス供給管５ＢからはＦを含んだ、ＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６等のフッ素系ガスを添加した混合ガス、又は、これらのガスに水素ガスを添加したガスを、チャンバ１の内部に供給するようにしている。

この場合、真空ポンプ（不図示）により吸引されている排気口６が被処理物Ｗを載置しているステージ７より下に位置しているために、チャンバ１の内部ではガスは上方から下方に向かって流れている。そのため、Ｆを含んだガスはガス分離板２より上方になるプラズマ生成部２には到達しないようになる。

被処理物Ｗを保持するステージ７は、図示しないＲＦ（ラジオ波）バイアスや冷却機構を備えており、それぞれＲＦ発振器、チラーに接続されている。排気口６は、処理室４が形成されたチャンバ１の底部に設けられ排気管８の一端が接続している。排気管８の他端は図示しない真空ポンプが連結されている。

石英ガラスあるいはアルミナ等からなる誘電体窓９は、チャンバ１の上壁部に形成された開口部（キャビティ部分）１０に設けられており、開口部１０と誘電体窓９との間は図示しないＯリングなどによりシールされる構造となっている。

マイクロ波が導入される矩形状の導波管１１は、誘電体窓９を含むチャンバ１の上壁部上に配置されている。導波管１１は、図３および図４に示すように誘電体窓９に対向し、マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）と、Ｈ面に対して垂直方向に伸びるマイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）と、マイクロ波導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する反射面（短絡面；Ｒ面）とを有する。誘電体窓９と接する側のＨ面には、２つのスロット（アンテナ手段）１２ａ、１２ｂがＥ面に沿ってそれぞれ開口されている。

次に、これらの構造によるマイクロ波励起のプラズマ処理装置によりレジストパターンが表面に形成された被処理物Ｗ（半導体ウエハや液晶用ガラス基板等）をアッシングする方法を説明する。

まず、チャンバ１の内部のステージ７の上にレジストパターンが表面に形成された被処理物Ｗである液晶用ガラス基板を設置する。図示しない真空ポンプを作動させてチャンバ１の内部のガスを排気管８を通してチャンバ１から排気する。次に、プロセスガスとして、例えば、Ｏ_２ガスを、ガス分離板２より上に設けられたガス供給管５Ａよりチャンバ１の内部に供給し、また、Ｏ_２と四フッ化炭素との混合ガスを、ガス分離板２より下に設けられたガス供給管５Ｂよりチャンバ１の内部に供給する。

チャンバ１の内部が所定圧力になった時点で、マイクロ波発生源（不図示）からマイクロ波を導波管１１の内部に導入することによって、プラズマ生成室３にプラズマが発生する。発生したプラズマはガス分離板２によりイオンが除去され、活性種がガス分離板２の開口２ａ（２ｂ）を通して処理室４に導入される。それにより、プラズマ中の活性な酸素原子を、ステージ７の上に設置された被処理物Ｗの表面のレジストパターンと反応させて、レジストパターンを剥離する。

この場合、Ｏ_２と四フッ化炭素との混合ガスを、ガス分離板２より下に設けられたガス供給管５Ｂよりチャンバ１の内部に供給しているので、誘電体窓９を支える開口部１０が延在したキャビティ部分１２は、表面波電界によってＦイオンおよびＦラジカルによるダメージを受けることはなく、それによるアルマイト等の損傷を防ぐことができる。その結果、被処理体Ｗが金属汚染を防止することができる。

次に、上述のプラズマ処理装置の変形例について説明する。

プラズマ処理装置でのプロセスガスであるドライエッチングガスあるいはクリーニングガスとして、ＮＦ_３ガスが使用される場合がある。つまり、ＮＦ_３ガス雰囲気中における放電においてイオン化したＮＦ_３ガスでＳｉウエハをエッチングすると、反応生成物は揮発性物質となるため、従来のフロロカーボンプラズマ中でのエッチングに比べ、炭素（Ｃ）あるいはイオウ（Ｓ）によるウエハの表面の反応残渣汚染がない利点がある。さらに、反応残渣汚染がないため、エッチング速度が速くなるという利点もある。このような観点から、ＮＦ_３ガスが多用されるようになってきている。ＮＦ_３ガスは常温で非常に安定しているが、加熱処理を施すことにより熱分解させてＦ_２やＨＦ等に変換することができる。

図５は、この変形例のプラズマ処理装置の概要を示す模式図である。なお、図１と同一機能部分には同一符号を付して、その個々の説明を省略する。プラズマ処理装置の基本構造自体は図１で示したプラズマ処理装置と同じであるが、この変形例の場合は、ガス分離板２、１３が２枚設けられている。

すなわち、チャンバ１の内部にプロセスガスを供給するガス供給管５Ａ、５Ｂは２本設けられ、チャンバ１の上部の側壁を貫通する形で、ガス分離板２を挟んで上下方向に配設されている。また、ガス分離板２の下に設けられたガス供給管５Ｂの下方には第２ガス分離板１３がガス分離板２と平行に設けられている。また、ガス分離板２の下に設けられたガス供給管５Ｂには、ＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）１４と加熱ヒータ１５が接続されている。

プロセスガスの供給は、ガス分離板２より上方に設けられたガス供給管５Ａより、Ｆを含まないＯ_２ガスをチャンバ１の内部に供給し、一方、ガス分離板２より下方のガス供給管５Ｂからは、加熱ヒータ１５によりＮＦ_３を３００℃〜８００℃に加熱して熱分解し、活性化したＦ原子を生成してチャンバ１の内部に供給している。つまり、Ｆラジカルの替わりに、ＮＦ_３の熱分解を用いることにより生成した活性な状態のＦ原子をプラズマ領域から隔離された位置から被処理物Ｗの表面に供給している。また、真空ポンプ（不図示）により吸引されている排気口６が、被処理物Ｗを保持しているステージ７より下に位置しているために、チャンバ１の内部では、上方から下方に向かって流れている。そのため、Ｆを含んだガスはガス分離板２より上方になるプラズマ生成部３には到達しない。つまり、ガス分離板２はガス分離の役割を果たしている。

また、２枚のガス分離板２、１３により、プラズマからのイオンをカットし、プラズマ熱分布の影響を低減することができる。また、ガス流れのコントロールができるため、被処理物Ｗのエッチング処理の均一性も向上させることができる。

そしてこの場合においても、誘電体窓９を支える開口部１０から延在したキャビティ部分１２は、表面波電界によってＦイオンおよびＦラジカルによるダメージを受けることはなく、それによるアルマイト等の損傷を防ぐことができる。その結果、被処理体Ｗが金属汚染を防止することができる。

ダウンフロー型のマイクロ波励起のプラズマ処理装置を示す模式図。 （ａ）は、ガス分離板の平面図、（ｂ）は、別のガス分離板の平面図。 導波管の説明図。 導波管の斜視図。 プラズマ処理装置の変形例の概要を示す模式図。 従来のプラズマ処理装置の要部の模式図。

符号の説明

１…チャンバ、２、１３…ガス分離板、３…プラズマ生成室、４…処理室、５Ａ、５Ｂ…ガス供給管、７…ステージ、９…誘電体窓、１１…導波管、１２…キャビティ部分

Claims (5)

1. 導波管内を進行したマイクロ波をチャンバ内に導くマイクロ波導入手段と誘電体窓とを具備し、かつ、前記チャンバ内には前記誘電体窓と所定空間を介して対向した位置に被処理物を保持するための静電チャックが配置され、かつ、該チャンバの上部から前記チャンバ内へガスを供給するガス供給管が設けられ、該チャンバ内のガスを前記マイクロ波によりプラズマ化することにより前記被処理物を処理するプラズマ処理装置であって、
   前記ガス供給管は、前記チャンバの内部に前記誘電体窓と離間して平行に設けられているガス分離板を挟んだ位置にそれぞれ配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記ガス分離板より上方に配置されているガス供給管からは、前記チャンバの内部にＦを含まないＯ_２ガスを供給し、一方、ガス分離板より下に配置されているガス供給管からはＦを含んだガスを、チャンバの内部に供給するようにしていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記ガス分離板より上方に配置されているガス供給管からは、前記チャンバの内部にＦを含まないＯ_２ガスを供給し、一方、ガス分離板より下方に配置されているガス供給管からは、ＮＦ_３を加熱して熱分解して活性化させたＦ原子をチャンバの内部に供給していることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 導波管内を進行したマイクロ波をマイクロ波導入手段を介して誘電体窓からチャンバ内に導入させ、この誘電体窓により封止されガス供給管から前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化し、該チャンバ内に前記誘電体窓と所定空間を介して対向して配置された静電チャックに保持されている被処理物に処理を施すプラズマ処理方法であって、
   前記チャンバ内へのガスの供給は、チャンバ内に配置されているガス分離板の上方に配置されているガス供給管からはＦを含まないＯ_２ガスを供給し、ガス分離板の下方に配置されているガス供給管からはＦを含んだガスを供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 導波管内を進行したマイクロ波をマイクロ波導入手段を介して誘電体窓からチャンバ内に導入させ、この誘電体窓により封止されガス供給管から前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化し、該チャンバ内に前記誘電体窓と所定空間を介して対向して配置された静電チャックに保持されている被処理物に処理を施すプラズマ処理方法であって、
   前記チャンバ内へのガスの供給は、チャンバ内に配置されているガス分離板の上方に配置されているガス供給管からはＦを含まないＯ_２ガスを供給し、ガス分離板の下方に配置されているガス供給管からはＮＦ_３を加熱して熱分解して活性化したＦ原子を供給することを特徴とするプラズマ処理方法。

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