JP2006260857A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プラズマ処理装置の寿命を延ばし、従来のプラズマ処理装置より高精度にプラズマの電子温度を制御することが実現できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】
プラズマの電子温度を制御しつつ、プラズマ発生用電源８の負担を減らすため、（ａ），（ｂ）に示すように高周波電界の電界強度を連続的に変化させて急激な出力の変化をさせない方法を用いる。
また、（ｃ）に示すように電界強度を多段的に変化させる方法でもよい。また、（ｄ）に示すように電界強度の変調波形を複数組み合わせてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は表面処理に関し、特にパルス変調された高周波電界を利用して生成したプラズマを用いて被照射物質の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

高速で微細なプラズマ処理を行うプラズマ処理装置として、従来より低圧力下で高密度のプラズマを発生させる技術が知られている。しかし、従来の高密度プラズマを用いる加工処理はそのプラズマの電子温度が高いため、電荷蓄積によるダメージを被照射物質に与えるという問題があった。このような問題点を解決するために、例えば特許第３０４２４５０号によればプラズマを生成させる高周波電界をパルス変調にすることにより、プラズマ中の電子温度の低下が報告されており、改善が見られている。
特許第３０４２４５０号

しかしながら、従来の高周波電界をパルス変調させる手法は例えば図６に示すように高周波電界をハイパワーでかつ高速にＯＮ／ＯＦＦを繰り返しているため、急激な出力の変化により電源装置、特に電源装置を構成する半導体素子に負荷がかかり装置の寿命を縮めてしまう問題点があった。また、図５に示すように処理ガスとして用いるガスの条件によっては、従来のパルス変調ではプラズマの電子温度の制御領域が狭く、高精度にプラズマの電子温度制御することが困難な場合があった。

本発明はプラズマの電子温度を制御するプラズマ処理装置において、プラズマ処理装置の寿命を延ばし、従来のプラズマ処理装置より高精度にプラズマの電子温度を制御することが実現できるプラズマ処理装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のプラズマ処理装置は、プラズマ生成室内で高周波電界を利用して処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマを被照射物質に照射して前記被照射物質の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を連続的または多段的な変化をさせることにより前記処理ガスのプラズマ電子温度を調整することを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項２記載のプラズマ処理装置は、プラズマ生成室内で高周波電界を利用して処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマを被照射物質に照射して前記被照射物質の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を振幅変調器により変化かつ常に電界強度が一定レベル以上出力されるように制御することにより前記処理ガスのプラズマ電子温度を調整することを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を一定に制御する制御回路を備えたことを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求項１〜３記載のプラズマ処理装置において、前記処理ガスの整合条件を所定条件で保持したまま前記高周波電界を加えたことを特徴とする。

上記目的を達成すべく請求項５記載のプラズマ処理装置は、請求項１〜４記載のプラズマ処理装置において、前記高周波電界を発生させる増幅器を保護するためのアイソレータを備えたことを特徴とする

請求項１記載の発明により、プラズマ発生用電源の出力を急激に変化させることなく、プラズマの電子温度を制御することが可能となるため、プラズマ発生用電源の負荷を減少させ、プラズマ処理装置の寿命を延ばせる。また、プラズマの電子温度の制御性の向上が実現できる。

請求項２記載の発明により、プラズマ発生用電源の出力は常にヒートラン状態となりＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス動作に比べプラズマ発生用電源への負担が減少する。このことから、プラズマ処理装置の寿命を延ばせる。

請求項３に記載の発明により、プラズマ処理装置に高周波電界の電界強度制御回路を設け、高周波電界の電界強度を制御回路にフィードバックさせることで高周波電界の電界強度を一定に保つことができる。また、所望の高周波電界強度に変更することができる。また、プラズマの電子温度を制御するため高周波電界を変化させることができる。

請求項４記載の発明により、高周波電界強度を変化させる前にプラズマの着火、高周波電界を処理空間へ照射するためのアンテナと高周波電界を発生させるプラズマ発生用電源との間の整合動作を行うことで、安定してプラズマの着火、アンテナとプラズマ発生用電源との整合動作を行うことができる。

請求項５記載の発明により、上記プラズマ処理装置の高周波電界を増幅する増幅器の後段にアイソレータを設けることにより、高周波電界を変化させた際に発生する反射波による増幅器の破壊から増幅器を保護することができる。

本発明に係る好適な実施例を挙げ図面に基づき詳細に説明する。

まず、本発明の理解を容易にするためプラズマ処理装置の概要について図３および図４を参照して説明する。図３は本実施例で用いたプラズマ処理装置の概略図であり、図４はプラズマ処理装置１に備えられているプラズマ発生用電源８のより詳細な構成を示す説明図である。なお図４中の矢印は高周波電界を一定に保つためのフィードバック信号の向きを示している。ここで、プラズマ処理装置1のプラズマ被照射物質Ｗの一例として半導体ウエハを用いた。

この被照射物質Ｗは半導体ウエハに限定されない。例えばＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板あるいは官能基を有する有機化合物等プラズマを用いて表面処理される物質であれば何でもよい。

プラズマ処理装置１は被照射物質Ｗを収容するチャンバ２を有しており、チャンバ２にはプラズマ生成用の処理ガスを導入する不図示のガス系とチャンバ２内部に高周波電界を導入するアンテナ５を有している。
使用する処理ガスは例として、塩素等のハロゲン系ガス、アルゴン等の希ガス、酸素、窒素あるいはそれらの混合ガスを用いるがそれらに限定されない。

高周波電界のアンテナ５には所定電力の例えば２.４５ＧＨｚの高周波電界を発信するプラズマ発生用電源８と、必要に応じプラズマ発生用電源８から放出された高周波電界のうちプラズマ発生用電源８へ戻る反射波を防止するアイソレータ７と、チャンバ２内部に設けられたプラズマ発生用電源８から供給される高周波電界をチャンバ２の処理空間に向けて照射するアンテナ５と、必要に応じアンテナ５からの反射波を低減するようにアンテナ５に対する整合を行うマッチャー６を有している。

マッチャー６にはプラズマ発生用電源８から出力された高周波電界とアンテナ５からの反射波をモニタする検波部を有しており、高周波電界と反射波の電界の比が一定以下にするように制御される。また、プラズマ発生用電源８から制御または情報の伝達が可能であり、高周波電界を変化させる際、整合動作を停止させる等の制御を行うことができる。

プラズマ発生用電源８には導入高周波電界を連続的又は多段的に変化させるための出力制御部１３を有している。所望の処理ガス条件、プラズマ条件によってこの出力制御部１３の設定を変更することで、電子温度制御、ラジカル制御が可能となる。この出力制御部１３には方向性結合器１２からの信号を入力することで、出力パワーを一定に保つように制御させることもできる。また、特定の出力パワーに変更させる制御をすることもできる。

プラズマ着火時や高周波出力を変化させる際、アンテナ５からみたチャンバ２のインピーダンスが大きく変化するため、一時的に反射高周波が大きくなる。このため必要に応じプラズマ発生用電源８の後段にハイパワーアンプ１１の保護用にアイソレータ７を設ける。また、このアイソレータ７は方向性結合器１２の誤差要因である反射波の影響を無くせるため、高周波電界を一定に保つフィードバック信号への誤差がなくなり、高精度に高周波電界の電界強度を制御するためにも有効である。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマの電子温度を制御するために高周波電界の電界強度を連続的又は多段的に変化させる。プラズマは高周波電界の供給がなくなってから数十μｓｅｃはプラズマの状態が維持される。しかし、プラズマの電子温度はこの時間でも減少が見られる。このため数〜数十μｓｅｃの間、高周波電界をプラズマ維持電力未満の値に下げる変調を繰り返すと、プラズマは維持されたまま高周波電界が下がる際にプラズマの電子温度を下げられる。このようにすることによって、プラズマ密度を維持しながらプラズマの電子温度を一定の高周波電界としたときより下げられる。このようにプラズマ密度を保ったままプラズマの電子温度を下げられるため、電荷堆積によるダメージを減少させながら高速にプラズマ処理を行うことが可能となる。

また、処理ガス条件によって効率よくラジカル化されたガスが発生する電子温度が固有に存在するためプラズマの電子温度を制御することでラジカル化されたガスを効率よく発生させることができる。このことより効率のよいプラズマ処理が可能となる。

以上述べてきた内容の具体例を図１を用いて詳細に説明する。

プラズマの電子温度を制御しつつ、プラズマ発生用電源８の負担を減らすためには、例えば図１.（ａ），（ｂ）に示すように高周波電界の電界強度を連続的に変化させて急激な出力の変化をさせない方法が有効である。
また、図１.（ｃ）に示すように電界強度を多段的に変化させる方法でもよい。また、図１.（ｄ）に示すように電界強度の変調波形を複数組み合わせてもよい。

同様にプラズマ発生用電源８の負担を減らす方法として図２のように電界強度を下げる際一定の電界強度より下げず、プラズマ発生用電源８の出力をＯＦＦさせない方法も有効である。
このとき電界強度の下限はプラズマ維持に必要な電界強度未満かつできるだけ大きい電界強度であることが望ましい。これは電子温度を下げるためにプラズマ発生用電源８の出力パワーを下げるとき、下げる出力限界パワーをプラズマに影響しない小パワーとすることで、プラズマ発生用電源８の出力は完全にＯＦＦにせず、プラズマの電子温度は下げられることによる。この手法は電界強度を変化させるどの手法と組み合わせてもよい。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、細部の構成、形状、数量、素材等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更、追加、削除することができる。

本発明のプラズマ処理装置における高周波電界の変化の形態を示す図である。 本発明のプラズマ処理装置における高周波電界の変化の形態を示す図である。 本発明のプラズマ処理装置の概略図である。 プラズマ処理装置に備えられたプラズマ発生用電源の構成を示す説明図である。 ガスの種類とプラズマの電子温度制御の条件の関係の一例を示す図である。 従来のプラズマ処理装置における高周波電界の変化の形態を示す図である。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ チャンバ
３ プラズマ
４ 基板保持ステージ
５ アンテナ
６ マッチャー
７ アイソレータ
８ プラズマ発生用電源
９ 高周波発生器
１０ ゲインコントロールアンプ
１１ ハイパワーアンプ
１２ 方向性結合器
１３ 出力制御部
Ｗ 被照射物質

Claims (5)

1. プラズマ生成室内で高周波電界を利用して処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマを被照射物質に照射して前記被照射物質の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を連続的または多段的な変化をさせることにより前記処理ガスのプラズマ電子温度を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. プラズマ生成室内で高周波電界を利用して処理ガスをプラズマ化し、前記プラズマを被照射物質に照射して前記被照射物質の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を振幅変調器により変化かつ常に電界強度が一定レベル以上出力されるように制御することにより前記処理ガスのプラズマ電子温度を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、前記高周波電界の電界強度を一定に制御する制御回路を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３記載のプラズマ処理装置において、前記処理ガスの整合条件を所定条件で保持したまま前記高周波電界を加えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４記載のプラズマ処理装置において、前記高周波電界を発生させる増幅器を保護するためのアイソレータを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
   
   
   

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