JP2005142368A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で腐蝕もないプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 プラズマ処理装置は、環状をなす内側の電界印加電極１１と、外側の接地電極２１と、絶縁性のホルダ３０と、金属製のフレーム４０とを備えている。ホルダ３０は、ワーク側被覆部３１と、反対側の被覆部３２と、内周側の被覆部３３とを有している。フレームはワーク側の被覆部４１と、反対側の被覆部４２と、内周側被覆部４３と、外周側被覆部４４とを有している。外周側被覆部４４は絶縁材料を介さずに電極２１と対向し、軸方向に貫通する耐腐蝕樹脂製の排気チューブ８３を有している。電極１１，２１のガス通路５０を流れる処理ガスがプラズマ化されて、被覆部３１の環状吹き出し口７１から、ワークＷの外縁部に向けて吹き出す。副生成物と処理ガスは被覆部４１の環状の吸い込み口８１から排気通路８２，排気チューブ８３を介して排気される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ワークに対して環状に表面処理を行なうプラズマ処理装置に関する。

例えば、スピンコーターで原料塗布により円盤形状の半導体ウエハー（ワーク）に膜（例えばフォトレジスト）を形成する場合、半導体ウエハーを回転させながら中心部に原料液を滴下し、遠心力で上面の全域に行き渡らせる。これによって、ウエハーの上面の外縁部にまで膜が形成される。この膜を外縁部まで残しておくと、その後の工程で外縁部の把持の際にパーティクル発生の原因となる。そこで、上記成膜工程の後で除去する工程が実行される。

上記のようなウエハーの膜の外縁部を除去するために、例えば特許文献１のプラズマ処理装置が提案されている。このプラズマ処理装置は、環状をなす電極間に電界を印加して電極間を通る処理ガスをプラズマ化し、このプラズマ化された処理ガスをウエハーの外縁部に吹き付け、エッチングにより膜の外縁部を除去していた。

ところで、処理ガスおよびエッチングにより生じた副生成物膜は、滞留するとウエハーの他の領域に悪影響を起こすため、速やかに排除する必要がある。そこで、特許文献１の装置では、上述した処理ガス吹き付け手段とは別体をなして排気手段を装備している。この排気手段は、ウエハーの外周縁に近接して設けられた環状の吸い込み口を有し、この吸い込み口から上記処理ガスや副生成物を吸引排気している。
特開平８−２７９４９４号公報

しかし、上記特許文献１の装置は、プラズマ化された処理ガスを吹き付ける手段と、排気を行なう手段が、別々に装備されているため、装置が複雑かつ大型化する欠点があった。

そこで、本出願人は、上記２つの手段を１つのユニットに組み込んだプラズマ処理装置を開発した（特願２００２−３５２８４７）。この装置は、環状の内側電極と、この内側電極の径方向外側に同心をなして配置された環状の外側電極と、これら電極を全周にわたって覆う絶縁性のホルダと、このホルダを全周にわたって覆う金属製フレームとを有している。この金属製フレームは電極およびホルダを収容，保持するとともに、漏電を防止する役割も担っている。

上記内側電極の外周面と外側電極の内周面との環状の隙間がガス通路として提供され、これら電極間に印加される電界により、上記ガス通路を流れる処理ガスがプラズマ化される。上記ホルダのワーク側の被覆部には、上記ガス通路に連なる環状の吹き出し口が形成されており、この吹き出し口からワークに向かって上記プラズマ化した処理ガスが吹き出す。上記フレームのワーク側の被覆部には、この吹き出し口に対応した位置において環状の吸い込み口が形成されている。また、上記ホルダおよびフレームには上記吸い込み口を吸引手段に連ねる排気通路が形成されている。そして、ワーク表面処理に伴って生成された副生成物と処理ガスは、吸い込み口から排気通路を経て吸引手段へと排気されるようになっている。

しかし、上記出願中の装置では、吸い込まれた処理ガスおよび副生成物がフレームの貫通孔からなる排気通路を通る際にその内周を腐蝕させる不都合があった。この不都合を防ぐために耐腐蝕性の金属を用いるとコスト高となってしまい、改良の余地があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、環状をなす内側電極と、この内側電極と同心をなして径方向外側に配置された環状の外側電極と、これら内側電極と外側電極をその全周にわたって覆う絶縁性のホルダと、このホルダをその全周にわたって覆う金属製のフレームとを備え、
上記内側電極の外周面と外側電極の内周面との環状の隙間がガス通路として提供され、これら電極間に印加される電界により、上記ガス通路を流れる処理ガスがプラズマ化されるようになっており、
上記ホルダのワーク側の被覆部には、上記ガス通路に連なる環状の吹き出し口が形成され、この吹き出し口からワークに向かって上記プラズマ化した処理ガスが吹き出すようになっており、
上記フレームのワーク側の被覆部には、この吹き出し口に対応した位置において環状の吸い込み口が形成され、少なくとも上記フレームには上記吸い込み口を吸引手段に連ねる排気通路が形成され、これにより、上記プラズマ化された処理ガスによるワーク表面処理に伴って生成された副生成物と処理ガスが吸い込み口から排気通路を経て吸引手段へと排気されるようになっており、
上記排気通路が、上記フレームを挿通する耐腐蝕樹脂製の排気チューブを有していることを特徴とする。

上記構成によれば、処理ガスをプラズマ化して吹き出す手段と、副生成物および処理ガスを吸引して排気する手段を１つのユニットに組み込むことができるので、構成が簡単である。また、耐腐蝕樹脂製の排気チューブで金属製フレームにおける排気通路を形成しているので、低コストでフレームの腐蝕を回避することができる。

好ましくは、上記フレームは筒状をなす外周側の被覆部を有し、この外周側被覆部に、上記排気チューブが軸方向に貫通している。これによれば、排気をワークとは反対側に導くことができる。しかも、フレームの外周側の被覆部は金属製であるので比較的薄肉であっても排気チューブを貫通して排気通路を形成することができるので、装置の小径化を図ることができる。

好ましくは、上記内側電極が電界印加電極となり外側電極が接地電極となり、上記ホルダはさらに、ワークの反対側の被覆部と、上記内側電極を覆う筒状の被覆部とを有し、上記フレームはさらに、ワークの反対側の被覆部と、ホルダの筒状の被覆部を覆う筒状の内周側被覆部とを有し、上記フレームの外周側被覆部は、絶縁材料を介さずに上記外側電極と対向していることを特徴とする。これによれば、外側電極とプレームの間に絶縁材料を介在させないので、より一層装置の小径化を図ることができる。なお外側電極は接地電極であるので、漏電等の不都合が生じることはない。

好ましくは、上記フレームのワーク側被覆部は耐腐蝕性の金属からなり、この被覆部と上記ホルダのワーク側被覆部との間には隙間が形成され、この隙間が上記吸い込み口と上記排気チューブとを連ねる排気通路として提供される。これによれば、上記外周側の排気チューブと吸い込み口とを簡単な構成で連ねることができる。

本発明によれば、環状に表面処理するプラズマ処理装置の構成を簡略化することができ、しかも排気通路を形成した金属製フレームの腐蝕を低コストで回避することができる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１および図２は、半導体ウェハーＷ（ワーク）を処理対象とする常圧プラズマエッチング装置Ｍ（プラズマ処理装置）を示す。はじめにウェハーＷについて説明する。ウェハーＷは、シリコンなどの半導体によって円盤形状に形成されている。ウェハーＷの上面には、例えばスピンコーターによってフォトレジストなどの膜Ｗａが形成されている。この膜Ｗａは、ウェハーＷの上面の全体を覆い、外縁にまで及んでいる。この膜Ｗａの外縁部Ｗａ’を残しておくと、その後の研磨工程で邪魔になったり外縁を把持する工程でパーティクル発生の原因になったりする。そこで、ウェハーＷは、上記成膜工程の次に常圧プラズマエッチング装置へ送られ、外縁部Ｗａ’のエッチング工程に付される。

図１および図２に示すように、常圧プラズマエッチング装置Ｍは、平面視環状のノズルヘッド１と、パルス電源６０（電界印加手段）と、処理ガス源７０と、吸引ポンプ８０（吸引手段）と、冷媒源９０（温調媒体源）と、を備えている。ノズルヘッド１は、内側電極構造１０と、外側電極構造２０と、これら電極構造１０，２０を覆う絶縁性のホルダ３０と、このホルダ３０を覆う金属製（導電性）のフレーム４０とを備えている。これら構成要素１０，２０，３０，４０は全て環状をなしている。

内側電極構造１０は、環状の電極１１（内側電極）と、この電極１１の径方向内側に同心をなして配置された環状の金属製の通路形成部材１５を備えており、両者の間に媒体通路１７が形成されている。外側電極構造２０は、内側電極構造１０より大径をなし、その径方向外側に同心をなして配置されている。外側電極構造２０も環状の電極２１（外側電極）と、この電極２１の径方向内側に同心をなして配置された環状の金属製の通路形成部材２５を備えており、両者の間に媒体通路２７が形成されている。電極２１の内周面と電極１１の外周面との間には環状の隙間５０が形成されている。この隙間５０は処理ガスのためのガス通路となる。なお、電極１１の外周面と電極２１の内周面には、それぞれ固体誘電体が溶射にて被膜されている。

上記ホルダ３０は、略水平をなす底板３１（ワーク側の被覆部）と、略水平をなす天板３２（ワークの反対側の被覆部）と、それらの内周部間に挟まれた筒３３（筒状の被覆部）と、環状のリング部材３４とを有している。これら部材は例えばポリテトラフルオロエチレン（耐腐蝕性樹脂）等の絶縁材料からなる。リング部材３４は、電極１１，２１の上端面と通路形成部材１５，２５の段差により形成された空間に嵌っている。底板３１と天板３２とで電極構造１０，２０およびリング部材３４を挟んでいる。筒３３は内側電極構造１０の通路形成部材１５の内周に接してこれを支持している。底板３１は外側と内側に分割されている。

上記ホルダ３０を囲んで支持するフレーム４０は、略水平をなす底板４１（ワーク側被覆部）と、略水平をなす天板４２（ワークの反対側の被覆部）と、それらの間に挟まれてボルト等で連結された内筒４３（筒状をなす内周側の被覆部）および外筒４４（筒状をなす外周側の被覆部）とを有している。これら部材４１〜４４はアルミ，ステンレス等の金属からなる。底板４１はホルダ３０の底板３１を放射状に等間隔に配置されたスペーサ４９を介して押さえている。天板４２はホルダ３０の天板３２を押さえている。内筒４３は、ホルダ３０の筒３３および天板３２の内周を押さえている。外筒４４は、電極２１，通路形成部材２５，天板３２の外周に接し、これを押さえている。外筒４４と電極２１との間には、絶縁材料からなる部材が介在されていない。天板４２は図示しない架台に固定されており、これによりノズルヘッド１が支持されている。なお、底板４１は耐腐食性金属（例えば商品名ハステロイ）からなり、内側と外側に分割されており、その下面には絶縁材料からなる薄いプレート４５がそれぞれ取り付けられている。

図２に示すように、フレーム４０の天板４２には、絶縁筒６１を介して接続端子６２が貫通して設けられており、この接続端子６２の下端は通路形成部材１５の上端に接続されている。接続端子６２には給電線６３を介してパルス電源６０が接続されている。これにより、電極１１がパルス電源６０に接続されて電界印加電極（ホット電極）となる。また、電極２１は通路形成部材２５およびフレーム４０を介して接地されており、これにより接地電極（アース電極）となっている。

図１に示すように、底板３１の外側と内側に分割された部材間には、環状の吹き出し口７１が形成されている。この吹き出し口７１の上端は電極１１，２１間のガス通路５０に連なり、その下端は底板３１の下面に形成された山形の環状凸部３１ａで開口している。他方、フレーム４０の天板４２には周方向に等間隔をおいて複数の継手７２が取り付けられている。継手７２は天板３２，４２およびリング部材３４に形成された孔７３（供給通路）およびリング部材３４に形成された環状のスリット７４（供給通路）を介して電極１１，２１間のガス通路５０の上端に連なっている。この継手７２には供給管７５を介して処理ガス源７０が接続されている。処理ガス源７０には、エッチング用ガスとして例えばＣＦ_４が貯えられている。

図３に最も良く示されているように、上記底板４１の内側と外側に分割された部材間には、上記環状凸部３１ａの斜面に対応したテーパをなす環状の吸い込み口８１が形成されている。この吸い込み口８１は、前述した吹き出し口７１の真下に位置してこれより幅広をなしており、底板３１，４１間の隙間からなる排気通路８２に連なっている。また、フレーム４０の外筒４４には周方向に等間隔をおいて複数のポリテトラフルオロエチレン等の耐腐蝕性樹脂からなる排気チューブ８３（排気通路）が貫通している。これら排気チューブ８３の下端は底板３１に形成された貫通孔８４を介して上記排気通路８２に連なっている。この排気チューブ８３の上端部は天板４２に設置された継手８５に挿入接続されている。

また、ホルダ３０の筒３３および天板３２には、周方向に等間隔をおいて複数のポリテトラフルオロエチレン等の耐腐蝕性樹脂からなる排気チューブ８６（排気通路）が貫通している。これら排気チューブ８６の下端は底板３１に形成された貫通孔８７を介して上記排気通路８２に連なっている。この排気チューブ８６の上端部は天板４２に設置された継手８８に挿入接続されている。上記継手８５，８８は、耐腐蝕製樹脂からなる吸引管８９を介して吸引ポンプ８０に接続されている。

上記天板４２には入口側継手９１と出口側継手９２が取り付けられている。入口側継手９１は冷媒供給管９３を介して冷媒源９０（温調媒体源）に接続されている。冷媒（温調媒体）としては例えば水が用いられ、冷媒源９０は給水ポンプからなる。入口側継手９１は天板４２，３２および通路形成部材１５に形成された貫通孔９４を介して内側電極構造１０の媒体通路１７に連なっている。また、出口側継手９２には排水チューブ９５が接続されている。出口側継手９２は、天板４２，３２および通路形成部材２５に形成された貫通孔９６を介して外側電極構造２０の媒体通路２７に連なっている。さらに天板４２には、上記継手９１，９２とほぼ１８０°離れた位置において、２つの中継継手（図示しない）が取り付けられている。これら中継継手同士は中継チューブ（図示しない）により接続されている。これら中継継手は、上記継手９１，９２と同様にして、内側電極構造１０の媒体通路１７と外側電極構造２０の媒体通路２７にそれぞれ連なっている。

上記のように構成された常圧プラズマエッチング装置Ｍの動作を説明する。ノズルヘッド１の下方に処理対象のウェハーＷをセットする。このとき、ノズルヘッド１の中心軸線とウェハーＷの中心が一致するようにする。これによって、環状吹き出し口７１の真下に、ウェハーＷの外縁部が位置されることになる。

次に、処理ガス源７０からの処理ガスを、供給管７５，継手７２，孔７３，環状スリット７４を介してガス通路５０（環状プラズマ化空間）の全周に均一に導入する。併行して、パルス電源６０からパルス電圧を所定周波数で出力する。このパルス電圧は、給電線６３，接続端子６２および通路形成部材１５を介して電極１１に印加される。これにより、電極１１，２１間のガス通路５０にパルス電界が形成され、この電界によってガス通路１０ａを通る処理ガスをプラズマ化することができる。このプラズマ化された処理ガスが、環状吹き出し口７１の全周から吹出され、ウェハーＷの外縁の全周に吹き付けられる。これによって、ウェハーＷの膜Ｗａの外縁部Ｗａ’を全周にわたって一度にエッチングすることができる。

上記処理ガスの吹き出しと同時に吸引ポンプ８０を駆動する。これによって上記吹き出し流を囲むようにしてその直近に上向きの吸い込み流が形成され、処理ガスやエッチングにより生じた副生成物が、ウエハーＷに沿って外縁部Ｗａ’より内側に流れるのを防止でき、処理対象外の膜Ｗａを保護することができる。エッチング後の処理ガスや副生成物は、吸い込み口８１に吸い込まれ、排気通路８２，排気チューブ８３，８６，吸引チューブ８９を経て排気される。

また、冷媒源９０の冷媒を供給管９３，入口側継手９１，貫通孔９４を経て内側電極構造１０の媒体通路１７に送り込む。この冷媒は２手に分かれて媒体通路１７内を流れ、ほぼ１８０°離れた中継継手および中継チューブを経て外側電極構造２０の媒体通路２７に流れ込み、さらに２手に分かれて媒体通路２７を流れ、最後に貫通孔９６，出口側継手９２を経、排水チューブ９５から排出される。上記のように、媒体通路１７，２７内を流れる過程で、放電により発熱した電極１１，２１を冷却し、所定の温度範囲になるように調節する。

上記処理ガスおよび副生成物は、金属を腐蝕させる性質を有するが、排気通路８２を形成する金属製の底板４１は、耐腐蝕性の金属からなるので、腐蝕を免れる。また、外筒部４４の排気通路は耐腐蝕樹脂製の排気チューブ８３により形成されているので、外筒部４４の腐蝕も回避することができる。外筒部４４の排気通路は軸方向に延びる貫通孔に排気チューブ８３を挿通させるだけであるから、低コストで耐腐蝕性を得ることができる。

本実施形態では、接続端子６１，継手７２，８５，８８，９１，９２をフレーム４０の天板４２に設置しており、電源８０，処理ガス源７０，吸引ポンプ８０，冷媒源９０への接続構造を簡略化することができる。
また、上記フレーム４０の外筒４４と外側電極構造２０との間には絶縁材料からなる構成部材（ホルダ３０の外筒に相当する部材）が介在されていないので、ヘッド１の外径を小さくすることができる。上記のように継手８５が天板４２にあるので、外周側の排気通路を外筒４４に形成することを余儀なくされるが、上記のように排気チューブ８３を用いることにより不都合は生じない。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。例えば、本発明は、エッチングに限られず、洗浄や成膜などの他のプラズマ表面処理にも適用できる。また、常圧下に限らず、減圧下でのプラズマ表面処理にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る常圧プラズマエッチング装置のノズルヘッドの縦断面図である。 上記ノズルヘッドを図１とは異なる位置で縦断面にした図である。 同ノズルヘッドの排気通路の構造を示す拡大縦断面図である。

符号の説明

１１ 内側構造（電界印加電極）
２１ 外側電極（接地電極）
３０ ホルダ
３１ 底板（ワーク側被覆部）
３２ 天板（ワークの反対側の被覆部）
３３ 筒（筒状の被覆部）
４０ フレーム
４１ 底板（ワーク側被覆部）
４２ 天板（ワークの反対側の被覆部）
４３ 内筒（筒状の内周側被覆部）
４４ 外筒（筒状の外周側被覆部）
５０ ガス通路
７１ 吹き出し口
８１ 吸い込み口
８２ 排気通路
８３ 排気チューブ（排気通路）
８０ 吸引ポンプ（吸引手段）

Claims (4)

1. 環状をなす内側電極と、この内側電極と同心をなして径方向外側に配置された環状の外側電極と、これら内側電極と外側電極をその全周にわたって覆う絶縁性のホルダと、このホルダをその全周にわたって覆う金属製のフレームとを備え、
   上記内側電極の外周面と外側電極の内周面との環状の隙間がガス通路として提供され、これら電極間に印加される電界により、上記ガス通路を流れる処理ガスがプラズマ化されるようになっており、
   上記ホルダのワーク側の被覆部には、上記ガス通路に連なる環状の吹き出し口が形成され、この吹き出し口からワークに向かって上記プラズマ化した処理ガスが吹き出すようになっており、
   上記フレームのワーク側の被覆部には、この吹き出し口に対応した位置において環状の吸い込み口が形成され、少なくとも上記フレームには上記吸い込み口を吸引手段に連ねる排気通路が形成され、これにより、上記プラズマ化された処理ガスによるワーク表面処理に伴って生成された副生成物と処理ガスが吸い込み口から排気通路を経て吸引手段へと排気されるようになっており、
   上記排気通路が、上記フレームを挿通する耐腐蝕樹脂製の排気チューブを有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 上記フレームは筒状をなす外周側の被覆部を有し、この外周側被覆部に、上記排気チューブが軸方向に貫通していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 上記内側電極が電界印加電極となり外側電極が接地電極となり、上記ホルダはさらに、ワークの反対側の被覆部と、上記内側電極を覆う筒状の被覆部とを有し、上記フレームはさらに、ワークの反対側の被覆部と、ホルダの筒状の被覆部を覆う筒状の内周側被覆部とを有し、上記フレームの外周側被覆部は、絶縁材料を介さずに上記外側電極と対向していることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 上記フレームのワーク側被覆部は耐腐蝕性の金属からなり、この被覆部と上記ホルダのワーク側被覆部との間には隙間が形成され、この隙間が上記吸い込み口と上記排気チューブとを連ねる排気通路として提供されることを特徴とする請求項２または３に記載のプラズマ処理装置。

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