JP2014017129A - Plasma processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波による表面波プラズマにより処理を行うプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing processing by surface wave plasma using microwaves.
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、LSIの高集積化、高速化の要請からLSIを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。 Plasma processing is an indispensable technology for the manufacture of semiconductor devices. Recently, the design rules of semiconductor elements constituting LSIs have been increasingly miniaturized due to the demand for higher integration and higher speed of LSIs, and semiconductor wafers Along with this, there is a demand for plasma processing apparatuses that can cope with such miniaturization and enlargement.
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージが生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。 However, in parallel plate type and inductively coupled plasma processing apparatuses that have been widely used in the past, plasma damage is generated in fine elements due to the high electron temperature of the generated plasma, and the region where the plasma density is high is limited. Therefore, it is difficult to uniformly and rapidly perform plasma processing on a large semiconductor wafer.
そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるRLSA(Radial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている(例えば特許文献1)。 Therefore, an RLSA (Radial Line Slot Antenna) microwave plasma processing apparatus that can uniformly form a high-density, low electron temperature surface wave plasma has attracted attention (for example, Patent Document 1).
RLSAマイクロ波プラズマ処理装置は、表面波プラズマ発生用のアンテナとしてチャンバの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面スロットアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ(Radial Line Slot Antenna)を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。 The RLSA microwave plasma processing apparatus is provided with a radial line slot antenna (Radial Line Slot Antenna), which is a planar slot antenna having a plurality of slots formed in a predetermined pattern at the top of a chamber as an antenna for generating surface wave plasma. A microwave guided from a wave generation source is radiated from a slot of the antenna, and is radiated into a chamber held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric provided below the microwave. Surface wave plasma is generated in the chamber by an electric field, thereby processing an object to be processed such as a semiconductor wafer.
しかし、このようなRLSAマイクロ波プラズマ装置において、プラズマ分布を調整する場合、スロット形状およびパターン等が異なる複数のアンテナを用意しておき、アンテナを交換する必要があり、極めて煩雑である。 However, in such an RLSA microwave plasma apparatus, when adjusting the plasma distribution, it is necessary to prepare a plurality of antennas having different slot shapes, patterns, etc., and to exchange the antennas, which is extremely complicated.
これに対し、特許文献2には、マイクロ波を複数に分配し、複数のマイクロ波放射部を介してマイクロ波をチャンバ内に放射し、チャンバ内空間でマイクロ波を合成するマイクロ波プラズマ源が開示されている。
On the other hand,
このように複数のマイクロ波放射部を用いてマイクロ波を空間合成することにより、各マイクロ波放射部のアンテナから放射されるマイクロ波の位相や強度を独立して制御してプラズマ分布を調整することができる。 In this way, by combining the microwaves using a plurality of microwave radiation units, the plasma distribution is adjusted by independently controlling the phase and intensity of the microwaves radiated from the antenna of each microwave radiation unit. be able to.
ところで、特許文献2では、チャンバの天壁に各マイクロ波放射部毎に誘電体からなるマイクロ波透過窓を設け、このマイクロ波透過窓を介してチャンバ内にマイクロ波を放射しているが、このような構成の場合、プラズマが十分に広がらず、プラズマの均一性が不十分になる可能性があることが判明した。
By the way, in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数のマイクロ波放射部からマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成する際に、プラズマの広がりを確保して均一な表面波プラズマを形成することができるプラズマ処理装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when generating surface wave plasma by radiating microwaves from a plurality of microwave radiating units, the spread of the plasma is ensured and uniform surface wave plasma is generated. It is an object to provide a plasma processing apparatus that can be formed.
上記課題を解決するため、本発明は、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、それぞれ、前記チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有し、該誘電体部材を透過して前記チャンバ内へマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部と、前記天壁の下面側に、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように設けられた誘電体板と、前記チャンバ内を排気する排気機構とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention is provided so as to constitute a part of a top wall of the chamber, a chamber for accommodating a substrate to be processed, a gas supply mechanism for supplying gas into the chamber, and the chamber. A plurality of microwave radiating portions that transmit microwaves into the chamber through the dielectric member, and a plurality of the microwave radiating portions that radiate microwaves into the chamber. A plasma processing apparatus comprising: a dielectric plate provided so as to cover the top wall including the arrangement region of the microwave radiation portion; and an exhaust mechanism for exhausting the inside of the chamber. .
本発明において、前記天壁は、前記マイクロ波放射部の誘電体部材と、誘電体部材が嵌め込まれる金属部材とを有する構成とすることができる。また、前記誘電体板は、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域の全体を覆う一枚板として構成されていてもよいし、前記誘電体部材に対応する位置に、前記誘電体部材の下面が前記チャンバに露出するように誘電体部材挿入孔が形成されていてもよい。 In the present invention, the top wall may include a dielectric member of the microwave radiating portion and a metal member into which the dielectric member is fitted. In addition, the dielectric plate may be configured as a single plate that covers the entire arrangement region of the plurality of microwave radiating portions, or a lower surface of the dielectric member at a position corresponding to the dielectric member. A dielectric member insertion hole may be formed so as to be exposed to the chamber.
また、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλgとしたとき、前記マイクロ波放射部の中心どうしの間隔がλg/2の整数倍であり、前記マイクロ波放射部の中心と前記誘電体板の端部との距離がλg/2またはそれ以上である構成とすることが好ましい。また、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλgとしたとき、前記マイクロ波放射部が、それらの中心どうしの間隔がλg/2の整数倍の位置にあり、かつ、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心と前記誘電体板の端部との距離がλg/2より小さい場合に、前記誘電体板の端部に、その下端と、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心との距離がλg/2またはそれ以上となるように下方へ折り曲げてなる折り曲げ部を形成する構成とすることができる。 When the effective wavelength of the microwave in the dielectric plate is λg, the distance between the centers of the microwave radiating portions is an integral multiple of λg / 2, and the center of the microwave radiating portion and the dielectric It is preferable that the distance from the end of the plate is λg / 2 or more. Further, when the effective wavelength of the microwave in the dielectric plate is λg, the microwave radiating portion is at a position where the distance between the centers is an integral multiple of λg / 2, and the microwave radiation is When the distance between the center of the portion near the end of the dielectric plate and the end of the dielectric plate is smaller than λg / 2, the lower end of the dielectric plate, the micro Of the wave radiating portion, a portion near the end of the dielectric plate may be bent to form a bent portion that is bent downward so that the distance from the center is λg / 2 or more.
さらに、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλgとしたとき、前記誘電体板の厚さは、λg/200〜λg/20であることが好ましい。 Furthermore, when the effective wavelength of the microwave in the dielectric plate is λg, the thickness of the dielectric plate is preferably λg / 200 to λg / 20.
本発明によれば、チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有する複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように誘電体板を設けるので、天壁の金属部分に相当する領域へも表面波プラズマを広げることができ、均一なプラズマを形成することができる。 According to the present invention, the ceiling wall includes a plurality of microwave radiating portion arrangement regions having a dielectric member functioning as a microwave transmission window provided so as to constitute a part of the ceiling wall of the chamber. Since the dielectric plate is provided so as to cover the surface wave plasma, the surface wave plasma can be spread to a region corresponding to the metal portion of the top wall, and uniform plasma can be formed.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<プラズマ処理装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図2は図1のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図、図3はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図、図4はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図、図5はマイクロ波放射機構の給電機構を示す図4のAA′線による横断面図、図6はチューナにおけるスラグと滑り部材を示す図4のBB′線による横断面図である。
<Configuration of plasma processing apparatus>
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a microwave plasma source used in the plasma processing apparatus of FIG. Is a plan view schematically showing a microwave supply section in the microwave plasma source, FIG. 4 is a cross-sectional view showing a microwave radiation mechanism in the microwave plasma source, and FIG. 5 is a power supply mechanism of the microwave radiation mechanism in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 4 showing the slag and the sliding member in the tuner.
プラズマ処理装置100は、ウエハに対してプラズマ処理、例えばプラズマエッチング処理を施すものである。プラズマ処理としては他に、プラズマ酸化処理やプラズマ窒化処理、さらにはプラズマCVDや改質処理を挙げることができる。
The
プラズマ処理装置100は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状をなす接地されたチャンバ1と、チャンバ1内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源2とを有している。チャンバ1の上部には開口部1aが形成されており、この開口部1aには円板状をなす蓋体10を介してチャンバ1の内部に臨むようにマイクロ波プラズマ源2が設けられている。蓋体10は、アルミニウム等の金属製であり、チャンバ1の上部に設けられた支持リング29により支持されており、支持リング29と蓋体10との間はシールリング(図示せず)により気密にシールされている。
The
チャンバ1内には被処理体である半導体ウエハW(以下ウエハWと記述する)を水平に支持するためのサセプタ11が、チャンバ1の底部中央に絶縁部材12aを介して立設された筒状の支持部材12により支持された状態で設けられている。サセプタ11および支持部材12を構成する材料としては、表面をアルマイト処理(陽極酸化処理)したアルミニウム等が例示される。
In the
また、図示はしていないが、サセプタ11には、ウエハWを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハWの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハWを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ11には、整合器13を介して高周波バイアス電源14が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源14からサセプタ11に高周波電力が供給されることにより、ウエハW側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。
Although not shown, the
チャンバ1の底部には排気管15が接続されており、この排気管15には真空ポンプを含む排気装置16が接続されている。そしてこの排気装置16を作動させることによりチャンバ1内が排気され、チャンバ1内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ1の側壁には、ウエハWの搬入出を行うための搬入出口17と、この搬入出口17を開閉するゲートバルブ18とが設けられている。
An
チャンバ1内のサセプタ11の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハWに向けて吐出するシャワープレート20が水平に設けられている。このシャワープレート20は、格子状に形成されたガス流路21と、このガス流路21に形成された多数のガス吐出孔22とを有しており、格子状のガス流路21の間は空間部23となっている。このシャワープレート20のガス流路21にはチャンバ1の外側に延びる配管24が接続されており、この配管24には処理ガス供給源25が接続されており、シャワープレート20、配管24、および処理ガス供給源25は処理ガス用のガス供給機構を構成している。
A
一方、チャンバ1のシャワープレート20の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材26がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材26には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材26には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源27が配管28を介して接続されており、プラズマガス導入部材26、配管28、およびプラズマガス供給源27はプラズマガス用のガス供給機構を構成している。プラズマ生成ガスとしてはArガスなどが好適に用いられる。処理ガスとしては、通常用いられるエッチングガス、例えばCl2ガス等を用いることができる。
On the other hand, a ring-shaped plasma
プラズマガス導入部材26からチャンバ1内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源2からチャンバ1内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマがシャワープレート20の空間部23を通過しシャワープレート20のガス吐出孔22から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。なお、プラズマガスと処理ガスとを同一の供給部材で供給してもよい。また、処理ガスにプラズマガスの機能をもたせてもよい。
The plasma gas introduced into the
マイクロ波プラズマ源2は、図2に示すように、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部30と、マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ1内に放射するためのマイクロ波供給部40とを有している。
As shown in FIG. 2, the
マイクロ波出力部30は、マイクロ波電源31と、マイクロ波発振器32と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ33と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器34とを有している。
The
マイクロ波発振器32は、所定周波数(例えば、915MHz)のマイクロ波を例えばPLL発振させる。分配器34では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ33で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、915MHzの他に、700MHzから3GHzを用いることができる。
The
マイクロ波供給部40は、分配器34にて分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部42と、各アンプ部42で増幅されたマイクロ波をそれぞれチャンバ1内へ導く複数のマイクロ波放射機構41とを有している。また、マイクロ波放射機構41は、インピーダンスを整合させるためのチューナ60と、増幅されたマイクロ波をチャンバ1内に放射するアンテナ部45とを有している。そして、各マイクロ波放射機構41のアンテナ部45からチャンバ1内へマイクロ波が放射されるようになっている。
The
マイクロ波供給部40のアンプ部42は、位相器46と、可変ゲインアンプ47と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48と、アイソレータ49とを有している。
The
位相器46は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うアンテナモジュールにおいて90°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器46は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器46は設ける必要はない。
The
可変ゲインアンプ47は、メインアンプ48へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ47を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。
The
ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Q共振回路とを有する構成とすることができる。
The
アイソレータ49は、アンテナ部45で反射してメインアンプ48に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード(同軸終端器)とを有している。サーキュレータは、アンテナ部45で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。
The
図1に示すように、蓋体10のマイクロ波放射機構41に対応する部分には孔10aが形成されており、孔10aには、マイクロ波放射機構41の一部をなす、マイクロ波を透過させるマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材110が嵌め込まれている。したがって、蓋体10および誘電体部材110によりチャンバ1の天壁112が形成されている。また、天壁112の下面には、マイクロ波放射機構41の配置領域を包含し天壁112を覆うように薄い誘電体板111が設けられている。誘電体板111は誘電体部材110および蓋体10の両方を覆う一枚板として構成されている。
As shown in FIG. 1, a
本例では、マイクロ波供給部40は、アンプ部42およびマイクロ波照射機構41を7個ずつ有しており、図3に示すように、マイクロ波放射機構41は、円板状の蓋体10に対し、円周状に6個および中心に1個配置されている。
In this example, the
次に、マイクロ波放射機構41について説明する。
図4に示すように、マイクロ波放射機構41は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路(マイクロ波伝送路)44と、導波路44を伝送されたマイクロ波をチャンバ1内に放射するアンテナ部45とを有している。そして、複数のマイクロ波放射機構41からチャンバ1内に放射されたマイクロ波がチャンバ1内の空間で合成され、チャンバ1内で表面波プラズマが形成されるようになっている。
Next, the
As shown in FIG. 4, the
導波路44は、筒状の外側導体52およびその中心に設けられた棒状の内側導体53が同軸状に配置されて構成されており、導波路44の先端にアンテナ部45が設けられている。導波路44は、内側導体53が給電側、外側導体52が接地側となっている。外側導体52および内側導体53の上端は反射板58となっている。
The
導波路44の基端側にはマイクロ波(電磁波)を給電する給電機構54が設けられている。給電機構54は、導波路44(外側導体52)の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート55を有している。マイクロ波電力導入ポート55には、アンプ部42から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体56aおよび外側導体56bからなる同軸線路56が接続されている。そして、同軸線路56の内側導体56aの先端には、外側導体52の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ90が接続されている。
A
給電アンテナ90は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン(登録商標)等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板58から給電アンテナ90までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン(登録商標)等の誘電体からなる遅波材59が設けられている。なお、2.45GHz等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材59は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ90から反射板58までの距離を最適化し、給電アンテナ90から放射される電磁波を反射板58で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路44内に伝送させる。
The
給電アンテナ90は、図5に示すように、マイクロ波電力導入ポート55において同軸線路56の内側導体56aに接続され、電磁波が供給される第1の極92および供給された電磁波を放射する第2の極93を有するアンテナ本体91と、アンテナ本体91の両側から、内側導体53の外側に沿って延び、リング状をなす反射部94とを有し、アンテナ本体91に入射された電磁波と反射部94で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体91の第2の極93は内側導体53に接触している。
As shown in FIG. 5, the feeding
給電アンテナ90がマイクロ波(電磁波)を放射することにより、外側導体52と内側導体53との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構54に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部45に向かって伝播する。
When the feeding
また、導波路44にはチューナ60が設けられている。チューナ60は、チャンバ1内の負荷(プラズマ)のインピーダンスをマイクロ波出力部30におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体52と内側導体53との間を上下に移動する2つのスラグ61a,61bと、反射板58の外側(上側)に設けられたスラグ駆動部70とを有している。
The
これらスラグのうち、スラグ61aはスラグ駆動部70側に設けられ、スラグ61bはアンテナ部45側に設けられている。また、内側導体53の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の2本のスラグ移動軸64a,64bが設けられている。
Among these slags, the
図6に示すように、スラグ61aは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材63が嵌め込まれている。滑り部材63にはスラグ移動軸64aが螺合するねじ穴65aとスラグ移動軸64bが挿通される通し穴65bが設けられている。一方、スラグ61bは、スラグ61aと同様、ねじ穴65aと通し穴65bとを有しているが、スラグ61aとは逆に、ねじ穴65aはスラグ移動軸64bに螺合され、通し穴65bにはスラグ移動軸64aが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸64aを回転させることによりスラグ61aが昇降移動し、スラグ移動軸64bを回転させることによりスラグ61bが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸64a,64bと滑り部材63とからなるねじ機構によりスラグ61a,61bが昇降移動される。
As shown in FIG. 6, the
内側導体53には長手方向に沿って等間隔に3つのスリット53aが形成されている。一方、滑り部材63は、これらスリット53aに対応するように3つの突出部63aが等間隔に設けられている。そして、これら突出部63aがスラグ61a,61bの内周に当接した状態で滑り部材63がスラグ61a,61bの内部に嵌め込まれる。滑り部材63の外周面は、内側導体53の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸64a,64bが回転されることにより、滑り部材63が内側導体53を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体53の内周面がスラグ61a,61bの滑りガイドとして機能する。
Three
滑り部材63を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂を好適なものとして挙げることができる。
As a resin material constituting the sliding
上記スラグ移動軸64a,64bは、反射板58を貫通してスラグ駆動部70に延びている。スラグ移動軸64a,64bと反射板58との間にはベアリング(図示せず)が設けられている。また、内側導体53の下端には、導体からなる底板67が設けられている。スラグ移動軸64a,64bの下端は、駆動時の振動を吸収するために、通常は開放端となっており、これらスラグ移動軸64a,64bの下端から2〜5mm程度離隔して底板67が設けられている。なお、この底板67を軸受け部としてスラグ移動軸64a,64bの下端をこの軸受け部にて軸支させてもよい。
The
スラグ駆動部70は筐体71を有し、スラグ移動軸64aおよび64bは筐体71内に延びており、スラグ移動軸64aおよび64bの上端には、それぞれ歯車72aおよび72bが取り付けられている。また、スラグ駆動部70には、スラグ移動軸64aを回転させるモータ73aと、スラグ移動軸64bを回転させるモータ73bが設けられている。モータ73aの軸には歯車74aが取り付けられ、モータ73bの軸には歯車74bが取り付けられており、歯車74aが歯車72aに噛合し、歯車74bが歯車72bに噛合するようになっている。したがって、モータ73aにより歯車74aおよび72aを介してスラグ移動軸64aが回転され、モータ73bにより歯車74bおよび72bを介してスラグ移動軸64bが回転される。なお、モータ73a,73bは例えばステッピングモータである。
The
なお、スラグ移動軸64bはスラグ移動軸64aよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車72aおよび72bの位置が上下にオフセットしており、モータ73aおよび73bも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体71が外側導体52と同じ径となっている。
The
モータ73aおよび73bの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ61aおよび61bの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ75aおよび75bが設けられている。
スラグ61aおよび61bの位置は、スラグコントローラ68により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ75aおよび75bにより検知されたスラグ61aおよび61bの位置情報に基づいて、スラグコントローラ68がモータ73aおよび73bに制御信号を送り、スラグ61aおよび61bの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ68は、終端が例えば50Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。2つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。
The positions of the
図4に示すように、アンテナ部45は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット131を有する平面スロットアンテナ81と、平面スロットアンテナ81の上面に設けられた遅波材82と、平面スロットアンテナ81の先端側に設けられたマイクロ波透過窓となる誘電体部材110とを有している。遅波材82の中心には導体からなる円柱部材82aが貫通しており、底板67と平面スロットアンテナ81とを接続している。したがって、内側導体53が底板67および円柱部材82aを介して平面スロットアンテナ81に接続されている。なお、外側導体52の下端は平面スロットアンテナ81まで延びており、遅波材82の周囲は外側導体52で覆われている。また、平面スロットアンテナ81の周囲は被覆導体84により覆われている。マイクロ波は平面スロットアンテナ81のスロット131から放射される。スロット131は、マイクロ波が均一に放射されるように、その形状、個数および配置が設定される。スロット131は空間であってもよいし、真空より大きい誘電率を有する誘電体が充填されていてもよい。スロット131に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット全体の厚さ(平面スロットアンテナ81の厚さ)を薄くすることができる。
As shown in FIG. 4, the
遅波材82および誘電体部材110は、平面スロットアンテナ81の面に接するように設けられ、真空よりも大きい誘電率を有する材料、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材82は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、誘電体部材110と平面スロットアンテナ81の接合部が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ81の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。
The
上述したように、誘電体部材110は蓋体10の孔10aに嵌め込まれるが、孔10aは段付き形状となっており、誘電体部材110の上部にはフランジ部110aが形成されていて、誘電体部材110が孔10aに嵌め込まれた際に、フランジ部110aが段部10bに支持されるようになっている。
As described above, the
このようなアンテナ部45では、メインアンプ48で増幅され内側導体53と外側導体52の周壁の間の導波路44を通って到達したマイクロ波が表面波として遅波材82を透過し、平面スロットアンテナ81のスロット131を伝送され、さらに誘電体部材110を透過し、さらに誘電体板111を透過して、プラズマに接する誘電体板111の表面を伝送され、この表面波によりチャンバ1内の空間に表面波プラズマを生成する。
In such an
本実施形態において、メインアンプ48と、チューナ60と、平面スロットアンテナ81とは近接配置している。そして、チューナ60と平面スロットアンテナ81とは1/2波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ81、遅波材82、誘電体部材110、誘電体板111は合成抵抗が50Ωに設定されているので、チューナ60はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。
In the present embodiment, the
上記誘電体板111は、上述したように天壁112を覆うように設けられており、耐プラズマ性の良好な誘電体、例えば石英で構成されている。この誘電体板111は、誘電体部材110を透過してきたマイクロ波を透過し、その表面を伝送させて、表面波を広げる機能を有する。これにより表面波プラズマが均一に広がる。
The
本実施形態では、マイクロ波放射機構41を複数(本例では7本)配置してプラズマの均一化を図っているが、金属製の蓋体10が露出してプラズマと接していると、平面スロットアンテナ81のスロット131から放射して誘電体部材110を透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマが蓋体10の部分では広がりにくくなる。このため、より高いプラズマの均一性を確保するために、天壁112下面のマイクロ波放射機構41の配置領域を包含して天壁112を覆うように誘電体板111を設けてプラズマの広がりを確保する。
In this embodiment, a plurality of microwave radiation mechanisms 41 (seven in this example) are arranged to equalize the plasma. However, if the
誘電体板111は薄板として形成され、その厚さは、照射されるマイクロ波のその中での実効波長をλgとすると、λg/200〜λg/20の範囲であることが好ましい。誘電体板111の厚さがλg/200より小さいとプラズマを広げる効果が不十分になるおそれがあり、一方、λg/20を超えるとプラズマのモードが多くなりすぎて好ましくない。
The
また、このように誘電体板111を、複数のマイクロ波放射機構41の配置領域を包含するように設けると、複数のマイクロ波放射機構41から放射されたマイクロ波は、共通の誘電体板111の表面に表面波を形成するためこれらが干渉する場合があり、各マイクロ波放射機構41からのマイクロ波の位相や強度の独立制御性が低下してプラズマの安定性が悪化するおそれがある。そして、このような干渉は、誘電体板111が厚くなるほど顕著になる傾向にある。したがって、本実施形態では、このような干渉の問題を解消するため、隣接するマイクロ波放射機構41の中心(平面スロットアンテナ81の中心)間の距離をn×λg/2(ただし、λgは誘電体板111内のマイクロ波の実効波長、nは正の整数である)とし、マイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離をλg/2またはそれ以上とする。なお、部品加工の際には必ず誤差が存在し、0.5mm程度の公差内の精度で加工されるが、上記n×λg/2にはこのような加工誤差は含まれるものとする。
Further, when the
表面波プラズマ処理装置100における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部120により制御されるようになっている。制御部120は表面波プラズマ処理装置100のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。
Each component in the surface wave
<表面波プラズマ処理装置の動作>
次に、以上のように構成される表面波プラズマ処理装置100における動作について説明する。
まず、ウエハWをチャンバ1内に搬入し、サセプタ11上に載置する。そして、プラズマガス供給源27から配管28およびプラズマガス導入部材26を介してチャンバ1内にプラズマガス、例えばArガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源2からマイクロ波をチャンバ1内に伝送して表面波プラズマを生成する。
<Operation of surface wave plasma processing apparatus>
Next, the operation in the surface wave
First, the wafer W is loaded into the
そして、処理ガス供給源25から配管24およびシャワープレート20を介してチャンバ1内に処理ガス、例えばCl2ガス等のエッチングガスが吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート20の空間部23を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハWにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。
Then, a processing gas, for example, an etching gas such as Cl 2 gas is discharged from the processing
上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源2では、マイクロ波出力部30のマイクロ波発振器32から発振されたマイクロ波電力はアンプ33で増幅された後、分配器34により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部40へ導かれる。マイクロ波供給部40においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力が、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ48で個別に増幅され、マイクロ波放射機構41の導波路44に給電され、導波路44を通ってアンテナ部に至る。アンテナ部45では、マイクロ波が表面波として遅波材82を透過し、平面スロットアンテナ81のスロット131を伝送され、さらに誘電体透過窓である誘電体部材110、誘電体板111を透過し、プラズマに接する誘電体板111の表面を伝送され、この表面波によりチャンバ1内の空間に表面波プラズマを生成する。
When generating the surface wave plasma, in the
従来は、誘電体板111を用いておらず、金属製の蓋体10が露出して直接プラズマと接するようになっていた。金属表面では誘電体表面に比較してプラズマシースが薄いため、このように金属製の蓋体10がプラズマと接していると、平面スロットアンテナ81のスロット131から放射して誘電体部材110を透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマが蓋体10の部分では広がりにくくなる。すなわち、図7(a)に示すように、誘電体部材110は誘電体であり、浮遊電位となるため、誘電体部材110とプラズマとの電位差は大きくなり、シースの厚さはプラズマ状態に応じた厚さ(自己バイアス電圧Vdcの1/2乗に比例)となるが、図7(b)に示すように、蓋体10は金属であり、接地されているため、プラズマとの電位差が小さくなり、シースが薄くなる。このようにシースが薄くなった領域では、マイクロ波の反射および減衰が生じ、表面波は遮断される。このため金属製の蓋体10の表面では表面波プラズマが十分に生成されず発光が弱くなる。したがって、誘電体板111を設けない場合には、蓋体10の直下位置への表面波プラズマの広がりが不十分になる可能性がある。
Conventionally, the
そこで、本実施形態では、マイクロ波放射機構41の配置領域を包含して天壁112を覆うように誘電体板111を設け、プラズマと接する面の全面をプラズマに対して浮遊電位となるようにする。これにより、図8に示すように、蓋体10に対応する部分のシースも厚くなり、プラズマを径方向に広げてプラズマの径方向の均一性を高めることができる。
Therefore, in this embodiment, the
ところで、このように誘電体板111を、複数のマイクロ波放射機構41の配置領域を包含するように設けると、複数のマイクロ波放射機構41から放射されたマイクロ波は、共通の誘電体板111の表面に表面波を形成するためこれらが干渉する場合がある。マイクロ波の干渉が生じると、一つのマイクロ波放射機構41の平面スロットアンテナ81から放射されてプラズマで反射された反射波が、隣接するマイクロ波放射機構41にも入ることとなり、隣接するマイクロ波放射機構41からの反射波は調整することが困難であるため、各マイクロ波放射機構41からのマイクロ波の位相や強度の独立制御性が低下してプラズマの安定性が悪化するおそれがある。
By the way, when the
このような干渉は、マイクロ波放射機構41の配置と密接に関係している。すなわち、本実施形態では一つのマイクロ波電源31からマイクロ波を分岐していることから、位相は完全に同期しているため、隣接するマイクロ波放射機構41の中心どうしの距離D1がn×λg/2(nは正の整数)であれば、隣接するマイクロ波放射機構41の一方から放射されたマイクロ波の山と、他方から放射されたマイクロ波の谷とが重なってマイクロ波は弱め合うことになる。逆に、λg/4+n×λg/2であればマイクロ波は強め合うことになる。すなわち、D1がλg/4+n×λg/2のときに干渉が最大となり、D1がn×λg/2のときに干渉が起こらないことになる。また、D1がn×λg/2とλg/4+n×λg/2の間でも干渉が生じる。したがって、干渉が起こらないようにするためには、隣接するマイクロ波放射機構41どうしの距離D1をn×λg/2とする必要がある。また、マイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離D2については、λg/2またはそれ以上であれば干渉が起こらないが、λg/2よりも小さい範囲では干渉が起こる。
Such interference is closely related to the arrangement of the
このため、本実施形態では、図9に示すように、隣接するマイクロ波放射機構41の中心(平面スロットアンテナ81の中心)間の距離D1をn×λg/2とし、マイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離D2をD2≧λg/2とする。このように距離を設定することにより、各マイクロ波放射機構41から放射されたマイクロ波が弱め合い、干渉を実質的になくすことができる。
For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 9, the distance D1 between the centers of adjacent microwave radiation mechanisms 41 (centers of the planar slot antenna 81) is n × λg / 2, and the
例えば、誘電体板111として石英を用い、マイクロ波の周波数を860MHzとすると、真空中のマイクロ波の波長λは348.6mmであり、石英の誘電率εは3.8であるから、誘電体板111中でのマイクロ波の実効波長λgは、λg=λ/εs 1/2=178.8mmとなり、λg/2は89.4mmとなる。したがって、この場合には、マイクロ波放射機構41の中心間の距離D1を89.4mmの整数倍とし、マイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離D2を89.4mmまたはそれよりも大きくすればよい。
For example, if quartz is used as the
干渉の有無は、有限要素法を用いた電磁波解析を用いたシミュレーションにおいて、Sパラメータを用いることにより把握することができる。具体的には、図10に示すように、中央のマイクロ波放射機構をP1とし、その周囲のマイクロ波放射機構をP2〜P7としたとき、P1〜P7に入力する電力の電力波ベクトルをそれぞれa1,a2,・・・a7とし、出力する電力の出力波ベクトルをb1,b2,・・・b7とすると、
b1=S11a1+S12a2・・・S17a7
b2=S21a1+S22a2・・・S27a7
・ ・
・ ・
・ ・
b7=S71a1+S72a2・・・S77a7
となり、これらの式を行列を用いて表すと、
となる。
The presence or absence of interference can be grasped by using S parameters in a simulation using electromagnetic wave analysis using a finite element method. Specifically, as shown in FIG. 10, when the central microwave radiation mechanism is P1, and the surrounding microwave radiation mechanisms are P2 to P7, the power wave vectors of power input to P1 to P7 are respectively a 1, a 2, and · · · a 7, the output wave vectors of the output power b 1, b 2, when a · · · b 7,
b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 ... S 17 a 7
b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 ... S 27 a 7
・ ・
・ ・
・ ・
b 7 = S 71 a 1 + S 72 a 2 ... S 77 a 7
When these equations are expressed using a matrix,
It becomes.
なお、入力波ベクトル、出力波ベクトルは、
このS11・・・S77を要素とする行列が散乱行列であり、これら要素S11・・・S77がSパラメータである。ここで、Smnは、mが出力ポートの信号、nが入力ポートの信号であり、例えばS12は、P2からマイクロ波を放射した場合に、P1へ透過するマイクロ波の割合(透過係数)を表す。したがって、この値が大きいほど干渉が大きいことになり、ここでは、透過係数(Sパラメータの値の絶対値)が0.10以上のときに干渉が生じているとする。逆に透過係数(Sパラメータの値の絶対値)が0.10より小さいときには干渉が生じていないとする。
A matrix having S 11 ... S 77 as elements is a scattering matrix, and these elements S 11 ... S 77 are S parameters. Here, S mn is a signal of an output port and m is a signal of an input port. For example, S 12 is a ratio (transmission coefficient) of a microwave that is transmitted to
実際に、隣接するマイクロ波放射機構41どうしの距離D1およびマイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離D2がいずれもn×λg/2の場合には、中心のマイクロ波放射機構P1と周囲のマイクロ波放射機構P2〜P7との間の干渉を示す、例えばS12,S13・・・S17や、S21,S31,・・・S71も、周囲のマイクロ波放射機構P2〜P7間の干渉を示す、例えばS23,S34、S45等も、絶対値はいずれも0.10よりも小さいことが確認された。
Actually, when the distance D1 between the adjacent
誘電体板111の大きさによっては、隣接するマイクロ波放射機構41どうしの距離D1およびマイクロ波放射機構41の中心と誘電体板111の端部との距離D2の両方が同時にはn×λg/2とならない場合があるが、この場合には、全てのマイクロ波放射機構の間で干渉がなくなるマイクロ波放射機構の配置が存在しないこととなる。例えば、マイクロ波の周波数を860MHz(λg=178.8mm)で、図11(a)のように誘電体板111の半径を242mm、P1とP7の中心間の距離をXmmとした場合には、図11(b)のように|S21|、|S23|の値がともに0.10より小さくなることはなく、どの範囲でも0.10以上となっているため、マイクロ波放射機構の配置を変えても干渉をなくすことができない。
Depending on the size of the
このような場合には、誘電体板111の大きさを拡大することにより、対応することが可能である。例えば、マイクロ波の周波数を860MHz(λg=178.8mm)の場合、図12(a)のように誘電体板111の半径を242+ΔL1(mm)とし、P1とP7の中心間の距離を2×λg/2≒175mmとすると、図12(b)のように、ΔL1=19mm以上で|S21|、|S23|のいずれもが0.10より小さくなり、干渉をなくすことが可能である。
Such a case can be dealt with by enlarging the size of the
チャンバ1の大きさに制限がある場合には誘電体板111を拡大できないが、そのような場合には、図13に示すように、誘電体板111の端部を折り曲げて、折り曲げ部111aを形成することにより誘電体板111を拡大させたのと同じ効果を得ることができる。
When the size of the
例えば、マイクロ波の周波数を860MHz(λg=178.8mm)、誘電体板の半径を242mm、折り曲げ部111aの長さをΔL2(mm)、隣接するマイクロ波放射機構41の中心間の距離を2×λg/2≒175mmとすると、図14のように、ΔL2=17.5mm以上で|S21|、|S23|のいずれもが0.10より小さくなり、干渉をなくすことが可能である。
For example, the microwave frequency is 860 MHz (λg = 178.8 mm), the radius of the dielectric plate is 242 mm, the length of the
<誘電体板の他の例>
次に、誘電体板の他の例について説明する。
上記実施形態ではマイクロ波放射機構41の誘電体部材110および蓋体10を覆う一枚板として構成される誘電体板111を用いたが、本例では、図15に示すように、誘電体部材110に対応する部分に孔111bを有する誘電体板111′を用いる。
<Other examples of dielectric plates>
Next, another example of the dielectric plate will be described.
In the above embodiment, the
上記例では、一枚板の誘電体板111を設けたが、その場合には、誘電体部材110と誘電体板111が重なり、これらの間には不可避的に隙間が生じるため、これらの間で異常放電が生じる可能性がある。そこで、誘電体板111の代わりに誘電体部材110を挿入する孔111bを有する誘電体板111′を用い、誘電体部材110の下面をチャンバ1内に露出するようにしている。このようにしても、プラズマに接触するのが誘電体部材110および誘電体板111′であり、いずれも誘電体であるため、プラズマに対して浮遊電位となり、一枚板の誘電体板111を設けた場合と同じ効果を奏する。また、表面波が均一に広がるように誘電体部材110の下面と誘電体板111の下面の高さを一致させている。
In the above example, the
蓋体10と誘電体部材110との間の電界は高いため、これらの間にプラズマが入り込んで異常放電を生じさせないように、誘電体板111′に蓋体10から誘電体部材110側に突出する突出部111cを形成し、誘電体部材110の周縁部に突出部111cとオーバーラップする段部110bを形成する。このとき、蓋体10の下面と段部110bの下面との高さが一致すると、その部分で電界が高くなって異常放電のリスクが高まるので、図15に示すように、突出部111cを段差形状とし、段部110bの下面位置を蓋体10の下面位置よりも低い位置になるようにしている。これにより、この部分での異常放電のリスクを低下させることができる。
Since the electric field between the
<本発明の他の適用>
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部30やマイクロ波供給部40の構成等は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、マイクロ波出力部30から出力されたマイクロ波を、アンプ部42で増幅し、スラグチューナ60と平面スロットアンテナ81を有するアンテナ部45とを備えた7本のマイクロ波放射機構41から放射するようにしたが、マイクロ波放射部の構造はこのようなマイクロ波放射機構41に限るものではなく、また、その数も7本に限定されるものではない。
<Other applications of the present invention>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. For example, the configuration of the
さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、上述したように、プラズマ酸化処理やプラズマ窒化処理、さらにはプラズマCVDや改質処理等、他の種々のプラズマ処理に適用することができる。さらに、被処理基板は半導体ウエハWに限定されず、LCD(液晶ディスプレイ)用基板に代表されるFPD(フラットパネルディスプレイ)基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus. It can be applied to various plasma treatments. Furthermore, the substrate to be processed is not limited to the semiconductor wafer W, and may be another substrate such as an FPD (flat panel display) substrate typified by an LCD (liquid crystal display) substrate or a ceramic substrate.
1;チャンバ
2;マイクロ波プラズマ源
10;蓋体
11;サセプタ
12;支持部材
15;排気管
16;排気装置
17;搬入出口
20;シャワープレート
30;マイクロ波出力部
31;マイクロ波電源
32;マイクロ波発振器
40;マイクロ波供給部
41;マイクロ波放射機構
42;アンプ部
44;導波路
45;アンテナ部
60;チューナ
81;平面スロットアンテナ
82;遅波材
100;プラズマ処理装置
110;誘電体部材
111、111′;誘電体板
111a;折り曲げ部
120;制御部
131;スロット
W;半導体ウエハ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、
それぞれ、前記チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有し、該誘電体部材を透過して前記チャンバ内へマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部と、
前記天壁の下面側に、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように設けられた誘電体板と、
前記チャンバ内を排気する排気機構と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 A chamber for accommodating a substrate to be processed;
A gas supply mechanism for supplying gas into the chamber;
A plurality of dielectric members each functioning as a microwave transmission window provided so as to constitute a part of the top wall of the chamber, and radiate microwaves into the chamber through the dielectric member The microwave radiation part of
On the lower surface side of the top wall, a dielectric plate provided so as to cover the top wall including the arrangement region of the plurality of microwave radiation portions,
A plasma processing apparatus comprising an exhaust mechanism for exhausting the inside of the chamber.
7. The thickness of the dielectric plate is λg / 200 to λg / 20, where λg is an effective wavelength of the microwave in the dielectric plate. 7. 2. The plasma processing apparatus according to item 1.
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