JP2020092033A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ分布を均一にすることが可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、上部電極５及び下部電極６は、それぞれ互いに対向する面に凹部５ｄ，６ｄを備え、上部電極５及び下部電極６それぞれの凹部内には、上部誘電体７及び下部誘電体８がそれぞれ設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

従来のプラズマ処理装置は、特許文献１〜特許文献６に記載されている。プラズマの発生方式には様々なものがあるが、超短波（ＶＨＦ）帯の周波数をプラズマ発生に用いた容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置が、注目されている。ＶＨＦ帯とは、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ程度の範囲の周波数である。

特開２０００−３２３４５６号公報 特許４３６４６６７号公報 特許５３１７９９２号公報 特許５３６７０００号公報 特許５５１３１０４号公報 特開２０１１−４４４４６号公報 特開２００４−２４７４０１号公報

しかしながら、ＶＨＦ−ＣＣＰ装置では、定在波効果により、プラズマ分布を均一にすることが困難とされてきた。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、プラズマ分布を均一にすることが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１のプラズマ処理装置は、処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、前記上部電極及び前記下部電極は、それぞれ互いに対向する面に凹部を備え、前記上部電極及び前記下部電極それぞれの前記凹部内には、上部誘電体及び下部誘電体がそれぞれ設けられ、前記上部誘電体と前記下部誘電体との間の前記空間の横方向端部には、ＶＨＦ波の導入部が設けられていることを特徴とする。

上部電極と下部電極との間に、ＶＨＦ波導入部から、ＶＨＦ波が導入されると、内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波の導入部は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくい。また、上部電極と下部電極との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、上部電極及び下部電極には、それぞれ凹部が設けられ、上部誘電体及び下部誘電体が設けられているので、これらの誘電体により、電界ベクトルを面内で均一にすることができる。したがって、横方向のＶＨＦ波導入と電界ベクトル方向の均一化により、上部電極と下部電極との間に発生するプラズマ分布を均一にすることができる。

第２のプラズマ処理装置においては、前記上部誘電体及び前記下部誘電体は、それぞれ、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄いことを特徴とする。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。なお、上記誘電体において、前記プラズマ発生空間とは反対側の面は、すり鉢状に傾斜することができる。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。

第３のプラズマ処理装置においては、前記上部誘電体及び前記下部誘電体は、前記空間を挟んで同軸配置されていることを特徴とする。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができる。

第４のプラズマ処理装置においては、前記上部誘電体の下部表面から前記導入部までの鉛直方向の離間距離Δｚｕｐと、前記下部誘電体の上部表面から前記導入部までの鉛直方向の離間距離Δｚｄｏｗｎとは等しいことを特徴とする。これらの距離が、等しい場合には、ＶＨＦ波導入位置からのそれぞれの誘電体への距離が等しくなるので、ＶＨＦ波に起因したプラズマは、鉛直方向において、均一になる傾向がある。

本発明のプラズマ処理装置によれば、プラズマ分布を均一にすることができる。

図１は、プラズマ処理装置の装置構成を示す説明図である。 図２は、ガス導入構造の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。 図３は、ガス導入構造の別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。 図４は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。 図５は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。 図６は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

以下、実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は、プラズマ処理装置１００の装置構成を示す説明図である。なお、説明の便宜上、三次元直交座標系を設定する。プラズマ処理装置の鉛直方向をＺ軸方向とし、これに垂直な２方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。

このプラズマ処理装置１００は、処理容器１内に対向配置された上部電極５及び下部電極６を備え、これらの電極間の空間ＳＰにプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、上部電極５及び下部電極６は、それぞれ互いに対向する面に凹部５ｄ，６ｄを備えている。また、上部電極５及び下部電極６それぞれの凹部内には、上部誘電体７及び下部誘電体８がそれぞれ設けられ、上部誘電体７と下部誘電体８との間の空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９が設けられている。

処理容器１の上部開口端上には、誘電体板からなるＶＨＦ波導波路２が設けられており、ＶＨＦ波導波路２上には、必要に応じて、蓋部材３が設けられる。蓋部材３の中央は開口しており、開口周囲の側壁が、同軸管の外側導体３ａを構成し、軸中心には内側導体３ｂが配置されている。なお、内側導体３ｂは、上部電極５に対して一体的に構成され、電気的に接続されている。

上部電極５の下面には、すり鉢状の凹部５ｄが形成されており、この凹部５ｄ内に上部誘電体７が埋め込まれている。上部誘電体７の下部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、上部誘電体７及び上部電極５の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。上部誘電体７は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。上部誘電体７の上部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、上部から下部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。

下部電極６の上面には、すり鉢状の凹部６ｄが形成されており、この凹部６ｄ内に下部誘電体８が埋め込まれている。下部誘電体８の上部表面は平坦であり、ＸＹ平面に平行である。また、下部誘電体８及び下部電極６の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。下部誘電体８は、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄い。下部誘電体８の下部表面の中央領域は平坦でＸＹ平面に平行であり、最外領域も平坦でＸＹ平面に平行であるが、これらの間の領域は、円錐面であり、下部から上部に向けて平面形状の直径が大きくなる傾斜面からなる。

水平方向のＶＨＦ波導波路２の中央部に導入されたＶＨＦ波は、水平方向に沿って放射状に周辺部に進行する。その後、このＶＨＦ波は、処理容器１の側壁に設けられた凹部（平面形状は円リング状で、深さはＺ軸方向）からなる導波路１ｗを下方に進行し、ＶＨＦ波導入部９に導入され、外周部から中央部に向けて進行する。ＶＨＦ波導入部９の平面形状は円リング状であり、水平方向の全方位から処理容器の軸中心に向けて、ＶＨＦ波が進行する。ＶＨＦ波導入部９は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に位置している。

ＶＨＦ波発生器１３から発生したＶＨＦ波は、導波管を通って、水平方向のＶＨＦ波導波路２に導入される。その後、上述のように、上部電極５と下部電極６との間に、ＶＨＦ波導入部９から、ＶＨＦ波が導入されると、処理容器の内部のガスがプラズマ化し、プラズマが発生する。この場合、ＶＨＦ波導入部９は、横方向端部（水平方向端部）に位置しており、この空間内には、様々な横方向からＶＨＦ波が導入されるので、定在波が形成されにくいという利点がある。また、上部電極５と下部電極６との間に発生する電界ベクトルは、電極の外周領域では鉛直方向から下向き外側に向けて傾斜する傾向があるが、上部電極５及び下部電極６には、それぞれ凹部が設けられている。これらには、上部誘電体７及び下部誘電体８が設けられているので、これらの誘電体により、電界ベクトルを面内で均一にすることができる。したがって、横方向のＶＨＦ波導入と電界ベクトル方向の均一化により、上部電極５と下部電極６との間に発生するプラズマ分布を面内で均一にすることができる。

なお、上部誘電体７及び下部誘電体８は、それぞれ、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い。特に、誘電体が影響を与える電界ベクトルの向きと大きさは、その厚みにも依存するので、誘電体の外周部において、薄く設定することで、電界ベクトル強度の面内均一性を向上させることができる。また、上部誘電体７及び下部誘電体８において、プラズマ発生空間ＳＰとは反対側の面は、すり鉢状に傾斜している。この傾斜により、対応する電界ベクトルをより鉛直方向に向け、面内のプラズマ均一性を高めることができる。すなわち、上部誘電体７及び下部誘電体８には、電界ベクトルを曲げるレンズ機能がある。

また、上部誘電体７及び下部誘電体８は、空間ＳＰを挟んで同軸配置されている。すなわち、電極間の軸が一致している方が、プラズマの面内均一性を高めることができるからである。また、上部誘電体７の下部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｕｐと、下部誘電体８の上部表面からＶＨＦ波導入部９までの鉛直方向の離間距離Δｚｄｏｗｎとは等しい。これらの距離が、等しい場合には、ＶＨＦ波導入位置からのそれぞれの誘電体への距離が等しくなるので、ＶＨＦ波に起因したプラズマは、鉛直方向において、均一になる傾向がある。なお、上部誘電体７と下部誘電体８との間の距離Δｚは、均一なプラズマを発生させる観点からは、例えば、５ｍｍ〜８０ｍｍであることが好ましい。また、上部誘電体７の半径と、下部誘電体８の半径との差の距離Δｘは、０に近い値の方が好ましい。プラズマ発生条件が対称になるため、プラズマの均一性が高まるからである。

下部電極６は、駆動ステージＤＲＶによって上下方向に移動させることができる。これにより、最適な条件でプラズマを発生させることができる。また、下部電極６には、温度調節装置ＴＥＭＰが設けられている。温度調節装置ＴＥＭＰは、冷却媒体を流すための媒体通路と、ヒータと、温度センサとを含んでおり、制御装置１２によって、下部電極６が目的の温度となるように制御される。例えば、目標温度がＴ１℃であれば、温度センサの出力がＴ１℃よりも小さければ、ヒータを加熱し、Ｔ１℃よりも高ければ、ヒータを加熱しないで、冷却媒体を媒体通路に流すように、制御すればよい。

制御装置１２は、排気装置１４も制御している。排気装置１４は、処理容器１の外壁内に設けられた円環状の排気通路４内のガスを排気する。排気通路４は、プラズマ発生空間ＳＰの横方向に設けられており、処理容器の内面において周方向に沿って設けられた複数の排気孔に連通している。これにより、プラズマ発生空間ＳＰ内のガスを排気することができ、この空間における圧力を適切な値に設定することができる。この圧力は、処理内容に応じて変更すればよいが、例えば、０．１Ｐａから１００Ｐａとすることができる。排気装置１４としては、ロータリポンプ、イオンポンプ、クライオスタット、ターボ分子ポンプなど真空系の装置で通常用いられるポンプを採用することができる。

制御装置１２は、ガス源１０から発生したガスの流量を制御する流量コントローラ１１を制御している。流量コントローラ１１は、単なるバルブであってもよい。これにより、目的のガスを、処理容器１内に導入することができる。また、制御装置１２は、ＶＨＦ波発生器１３も制御している。ＶＨＦ波の周波数は、３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ程度である。

ガス源１０に使用できるガスとしては、Ａｒ等の希ガスの他、ＣＦ_４，Ｃ_４Ｆ_８などの炭素及びフッ素を含むガス、Ｎ_２，Ｏ_２などのガスなどが、一例として挙げられる。

上部電極５及び下部電極６の材料としては、アルミニウムを用いることができる。上部誘電体７及び下部誘電体８の材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いることができる。水平方向のＶＨＦ波導波路２の材料としては、石英を用いることができるが、導波路を形成することができれば、空気でもよい。

下部誘電体８上に配置される基板としては、シリコンなどを用いることができ、この基板に対して、成膜やエッチングなどの処理を行うことができる。また、必要に応じて、静電チャックを設けたり、下部誘電体８に直流バイアス電位を印加したり、場合によっては、高周波電圧を上下の電極間に印加する構成も考えられ、処理容器の周囲に磁石を配置する構成も考えられる。

また、ガスの導入方法は、様々なものが考えられる。

図２は、ガス導入構造の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

図２では、上部電極５の中央に位置していた内側導体３ｂにおいて、Ｚ軸方向に沿った貫通孔を形成し、上部誘電体７にもこれに連通する孔を形成したものである。他の構造は、上述の通りである。かかる場合、処理容器の中央部でのガス濃度が周辺に比べて高くなるという不具合がある。

図３は、ガス導入構造の別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

図３では、図２の装置において、上部誘電体７が複数の貫通孔を有するシャワー構造としたものである。これにより、ガス濃度の面内均一性を高めることができる。

図４は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

ＶＨＦ波導波路２に、貫通孔を形成する。この貫通孔の形状は、平面形状が円環状であり、この貫通孔内にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる絶縁体のリング状の菅を配置し、ガス導入通路２Ａとする。外側導体３ａは、ＶＨＦ波導波路２の中央近傍のみでよいため、蓋部材の残りの部分は、ＶＨＦ波導波路２上から除く。この場合、ガス導入通路２Ａには、適当なガス貯留空間を設け、この空間からガス導入通路２Ａ内にガスを導入する。上部電極５には、内部に、ガス通路が形成されており、このガス通路と、ガス拡散板７Ａを介して、シャワー構造の上部誘電体７に至る。ガス拡散板７Ａは、ディフューザであり、複数の貫通孔が形成されている。ガス拡散板７Ａの材料は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＯ_２などの絶縁体からなるが、メッシュ電極などから構成することも可能である。

図５は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

なお、図５に示すように、図４に示した構造において、さらに、内側導体３ｂにガス導入口を形成することも可能である。この場合、中央部と周辺部のガス流量を独立に制御することも可能であり、均一性の高いプラズマを発生させることもできる。

図６は、ガス導入構造の更に別の一例を説明するためのプラズマ処理装置の縦断面図である。

上述のＶＨＦ波導波路２は、固体の誘電体であったが、これは空気であってもよい。すなわち、処理容器１の上部構造において、処理容器１の側壁に設けられた凹部からなる導波路１ｗに連通する水平方向に延びた導波路２ｗを、固体の誘電体導波路に代えて形成する。そして、外側導体３ａと内側導体３ｂとの間に、リング状の絶縁体からなる絶縁体ブロック２Ｂを配置する。これにより、絶縁体ブロック２Ｂの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路２ｗを介して、垂直方向の導波路１ｗに至り、ＶＨＦ波導入部９を介して、処理容器内部に導入される。なお、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、ＶＨＦ波の波長λ（本例では周波数換算で１２０ＭＨｚ〜２４０ＭＨｚ）に対して、プラズマ負荷インピーダンスを変換するインピーダンス変換器として機能するように設定する。なお、インピーダンス変換部は、同軸管（３ａ，３ｂ）の特性インピーダンスと、アンテナ部（ブロック２Ｂ以降の導波路２、導入部９、上部誘電体７）のインピーダンスとを一致させている。絶縁体ブロック２ＢにおけるＶＨＦ波の実効波長をλとし、自然数Ｎを用いて、奇数を２Ｎ−１で示すと、絶縁体ブロック２ＢのＺ軸方向の厚みΔＺは、たとえば、ΔＺ＝（１／４）×λ×（２Ｎ−１）に設定することができる。

ＤＲＶ…駆動ステージ、ＳＰ…プラズマ発生空間、ＴＥＭＰ…温度調節装置、１…処理容器、１ｗ…導波路、２…ＶＨＦ波導波路、２Ａ…ガス導入通路、２Ｂ…絶縁体ブロック、２ｗ…導波路、３…蓋部材、３ａ…外側導体、３ｂ…内側導体、４…排気通路、５…上部電極、５ｄ…凹部、６ｄ…凹部、６…下部電極、７…上部誘電体、７Ａ…ガス拡散板、８…下部誘電体、９…ＶＨＦ波導入部、１０…ガス源、１１…流量コントローラ、１２…制御装置、１３…ＶＨＦ波発生器、１４…排気装置、１００…プラズマ処理装置。

Claims (4)

1. 処理容器内に対向配置された上部電極及び下部電極を備え、これらの電極間の空間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
   前記上部電極及び前記下部電極は、それぞれ互いに対向する面に凹部を備え、
   前記上部電極及び前記下部電極それぞれの前記凹部内には、上部誘電体及び下部誘電体がそれぞれ設けられ、
   前記上部誘電体と前記下部誘電体との間の前記空間の横方向端部には、ＶＨＦ波の導入部が設けられている、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記上部誘電体及び前記下部誘電体は、それぞれ、中央部の厚みよりも外周部の厚みが薄い、
   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. 前記上部誘電体及び前記下部誘電体は、前記空間を挟んで同軸配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記上部誘電体の下部表面から前記導入部までの鉛直方向の離間距離Δｚｕｐと、前記下部誘電体の上部表面から前記導入部までの鉛直方向の離間距離Δｚｄｏｗｎと、は等しい、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
   
   

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