JP3813741B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波によりアンテナ表面からプラズマ発生用のエネルギを投入して、これによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、0.1〜数10mTorr程度の比較的圧力が低い真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波とリング状のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
【0003】
従来、この種のマイクロ波プラズマ装置としては、特開平3−17273号公報に示すような装置が知られている。この装置にあっては、磁場形成手段を有するプラズマ発生室にマイクロ波を導入する導波管を接続し、この導波管より導入したマイクロ波により電子サイクロトロン共鳴を生ぜしめて高密度のプラズマを生成するようになっている。
図5はこの種の従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図であり、処理容器2の天井部にマイクロ波透過窓4を設け、マイクロ波発生器6にて発生した例えば2.45GHzのマイクロ波を例えば矩形状の矩形導波管8を介して多数のスリットを有する円板状のアンテナ部材10へ導き、このアンテナ部材10よりマイクロ波を放射させることにより、このマイクロ波をマイクロ波透過窓4を介して処理容器2内へ導入するようになっている。このアンテナ部材10の上面には、マイクロ波の波長を短くしてエネルギ投入効率を向上させるために例えばセラミック等の誘電体材料よりなる遅波材12が接着剤等により接合させて配置されている。そして、処理容器2内へ導入されたマイクロ波は、処理容器2の上部外側に設けた磁石14により発生される磁界とECR(Electron Cyclotron Resonance)を生じ、高密度のプラズマを発生することになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、導波管8及び矩形・同軸変換器9を介して同軸線16を伝播してきたマイクロ波は、円板状のアンテナ部材10の中心部から周辺部に広がりながら処理容器2内へエネルギとして放射されるが、処理容器2内へのエネルギ投入方法には、平面アンテナ部材10に形成されたスリットの形態によって2つの方式がある。その1つはスリットを管内波長(遅波材12によって短くなされた波長)の略1波長分のピッチで半径方向に形成する場合と、他の1つはスリットを管内波長よりも遥かに小さい微細ピッチ、例えば管内波長の略1/20〜1/30のピッチで半径方向に形成する場合がある。前者の波長ピッチのスリットの場合には、マイクロ波が円板状のアンテナ部材の中心部から周辺部に広がりながら、各スリットから下方へ向けて位相の揃った電磁波が投入され、これによりプラズマが生成される。
【0005】
これに対して、後者の微細ピッチのスリットの場合には、マイクロ波が円板状のアンテナ部材の中心部から広がりながら微細ピッチで設けたスリットから少しずつマイクロ波がリークし、このリークマイクロ波は、下方向ではなく半径方向へ向かうような電磁波となり、このリーク電磁波により、プラズマを生成するようになっている。このようなリーク電磁波は、ウエハ方向、すなわち処理容器の下方向に対しては、指数関数的に減衰するような特性となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、後者の微細ピッチのスリットを有するアンテナ部材を用いたプラズマ処理装置は、前者の波長ピッチのスリットを有するアンテナ部材を用いたプラズマ処理装置に対して、より圧力の低い状態でも、例えば1mTorr前後において外部磁場を用いたECR現象を利用しなくても適当な電力(φ500mm口径で1〜2KW)でプラズマを生成して維持することができる、という利点を有するので、最近注目されてきている。
【0007】
しかしながら、この後者の微細ピッチのスリットを有するアンテナ部材の場合には、この中心部から放射状に半径方向へ伝播させたマイクロ波は、アンテナ部材の周辺部で反射させてアンテナ中心方向へ戻すようになっており、これにより、電力効率を高めるように一般的に設計されている。このような場合は、アンテナ部材の中心部における電磁界強度が強くなる傾向にある。
その結果、図6に示すようにウエハ面上において、その周辺部よりも中心部の電磁界強度が特に大きくなり、そのため、プラズマ分布の不均一性が大きくなってプラズマ処理の面内均一性が確保できなくなる、といった問題が生じた。特開平3−224225号公報に開示されたように、マイクロ波の電磁界強度分布を均一化する目的で、導波管内にマイクロ波吸収体を設けることも提案されてはいるが、この公報の開示例は、アンテナ部材を用いることなく導波管より放電管に直接マイクロ波を投入する方式の装置であるために、アンテナ方式にそのまま採用することができないのみならず、マイクロ波の吸収量の微妙なコントロールも行なうことができない。
【0008】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、平面アンテナ部材の最外周部における反射電力をある程度低減させることによってマイクロ波の電磁界分布を均一化させることができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、マイクロ波発生器にて発生したマイクロ波を、導波管を介して平面アンテナ部材に導き、これよりマイクロ波透過窓を介して被処理体をプラズマ処理する処理容器内に指数関数的に減衰するマイクロ波を導入するプラズマ処理装置において、前記平面アンテナ部材の周縁部に、前記平面アンテナ部材を伝搬してくるマイクロ波を吸収してこの反射量を抑制するためのマイクロ波吸収手段を設け、前記マイクロ波吸収手段は、前記平面アンテナ部材の周縁部に同心円状に配置されたリング状の複数の流体収容部と、この流体収容部内に導入される誘電損失を有するマイクロ波吸収液体とよりなり、前記マイクロ波吸収液体で満たされる前記流体収容部の数をコントロールすることによりマイクロ波の反射量を制御するように構成したものである。
【0010】
これにより、平面アンテナ部材を中心部よりその周縁部へ向かって伝播されたマイクロ波は、マイクロ波吸収手段によりある程度吸収された状態で中心方向へ反射するので、平面アンテナ部材の中心部近傍におけるマイクロ波電磁界の強度が抑制され、結果的に処理容器内における電磁界の強度分布を均一化させることが可能となる。
上記液体収容部内に、マイクロ波吸収液体を選択的に導入することにより、マイクロ波の吸収量を適切にコントロールすることができ、処理容器内の電磁界の分布を一層均一化させるようにコントロールすることが可能となる。
【0011】
また、前記液体収容部内に選択的に収容されるマイクロ波吸収液体を、循環しつつ冷却することにより、マイクロ波吸収液体の昇温を防いで温度を一定にしてこの誘電損失が変動することを防止でき、電磁界の均一分布を更に安定化することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図2は図1に示す装置中の平面アンテナ部材を示す平面図、図3は図1に示す装置中のマイクロ波吸収手段を示す横断面図である。
【0013】
本実施例においてはプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した場合について説明する。図示するようにプラズマ処理装置としてのこのプラズマエッチング装置20は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形されると共に上部が段部状に縮径された処理容器22を有しており、内部は密閉された処理空間Sとして構成されている。また、この処理空間Sの上方が、プラズマ生成空間S1として形成される。
【0014】
この処理容器22内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハWを載置する載置台24が収容される。この載置台24は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により中央部が凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支持台26により支持されると共にこの支持台26は処理容器22内の底部に絶縁材28を介して設置されている。
【0015】
上記載置台24の上面には、ここにウエハを吸着保持するための静電チャックやクランプ機構(図示せず)が設けられ、この載置台24は給電線30を介してマッチングボックス32及び例えば13.56MHzのバイアス用高周波電源34に接続されている。載置台24を支持する支持台26には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット36が設けられる。
上記処理容器22の側壁であって、処理空間Sを区画する部分には、容器内に例えばエッチングガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル38が設けられ、このノズル38はガス供給路40によりマスフローコントローラ42及び開閉弁44を介して処理ガス源46に接続されている。処理ガスとしてのエッチングガスは、、CHF3 、CF4 、C4 F8 ガス等を単ガスとして或いはこれらと水素ガスとの混合ガスを用いることができる。また、プラズマ生成空間S1の部分に臨ませて、プラズマガスとしてアルゴン等の不活性ガスを供給するための同じく石英製のガスノズル48が設けられており、流量制御されたArガスをここに供給するようになっている。
【0016】
そして、処理容器22の段部の外側には、ECR用のリング状の磁石50が設けられており、プラズマ生成空間S1にECR発生用の磁界を印加するようになっている。また、容器側壁の外周には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ52が設けられる。
また、容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口54が設けられており、必要に応じて処理容器22内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
【0017】
一方、処理容器22の天井部には、この容器内にマイクロ波を導入するために、被処理体Wの直径と略同じ大きさの、或いはこれより大きい開口56が形成されており、この開口56に、Oリング等のシール部材58を介して例えば石英製のマイクロ波透過窓60が気密に設けられている。そして、このマイクロ波透過窓60の上面側に、円板状の平面アンテナ部材62が設置される。
具体的には、このアンテナ部材62は、マイクロ波透過窓60の上方に設置されており、このマイクロ波透過窓60と平面アンテナ部材62の接合部には、シール性を保つシール部材66が介在されている。
【0018】
また、平面アンテナ部材62の上面には、薄い略円板状に成形された誘電体材料、例えばセラミックよりなる遅波材72が接着剤等により接合されて配置されている。この遅波材72の中央部には、後述する同軸線を通すための貫通孔73が形成されている。この遅波材72は、これに作用するマイクロ波の伝播速度を低下させることにより波長を短くして平面アンテナ部材62より放射されるマイクロ波の放射効率を向上させるものである。そして、この遅波材72を覆うようにしてアンテナ箱74が設置されている。このアンテナ箱74は、例えばアルミニウム等の金属よりなる。
【0019】
上記平面アンテナ部材62は、例えば銅やアルミニウム等の導伝性材料よりなり、図2にも示すようにこのアンテナ部材62には、この周方向に延びる多数のスリット80が形成されている(図2では同心円状に配列されている場合を示す)。ここで各スリット80の長さ及び半径方向へのピッチは、マイクロ波の管内波長(遅波材72によって短くなった波長)に依存して設定する。
特に、本実施例の場合には、従来装置において前述したような微細ピッチのスリットを採用しており、平面アンテナ部材62の半径方向における隣接スリット間のピッチL1はマイクロ波の管内波長よりも遥かに小さく設定されており、例えば管内波長の略1/20〜1/30の長さのピッチに設定されている。このように微細ピッチのスリット80を多数形成することにより、マイクロ波が平面アンテナ部材62の中心から半径方向へ広がりながら微細ピッチで設けたスリットから少しずつマイクロ波がリークするようになっている。
【0020】
一方、上記平面アンテナ部材62に対してマイクロ波を供給するマイクロ波発生器86は例えば2.45GHzのマイクロ波を発生するものであり、これからは、矩形状の矩形導波管88を介してマイクロ波を伝送し、内部の同軸線90をアンテナ箱74の中心に設けた開口92及び遅波材72の貫通孔73に挿通させて、その先端を上記平面アンテナ部材62の中心部に接続している。このマイクロ波の周波数は2.45GHzに限定されず、1GHz〜10数GHzの範囲内のものを用いることができる。
また、矩形導波管88の途中には、インピーダンスのマッチングを行なうマッチング回路93及び矩形・同軸変換器95が介設されている。
【0021】
そして、上記平面アンテナ部材62の周縁部であって、上記遅波材72の外周側には、本発明の特徴とするマイクロ波吸収手段96が設けられており、平面アンテナ部材62に沿って伝播してくるマイクロ波の一部を吸収して反射量を抑制するようになっている。具体的には、このマイクロ波吸収手段96は、図1及び図3にも示すように、遅波材72の外周に、アンテナ箱74の側壁74Aに沿って形成されたリング状の複数、図示例では3つの流体収容部98A、98B、98Cを有しており、各流体収容部98A、98B、98Cは、アンテナ部材62の半径方向に重ね合わせて3層構造になっている。これらの流体収容部98A、98B、98Cの各厚さは後述するマイクロ波吸収液体が所定のマイクロ波を吸収するように所定の値に設定される。各流体収容部98A、98B、98Cを区画して上記収容部を形成する区画壁100A、100B、100Cは、マイクロ波を効率的に透過する誘電体材料、例えばテフロンにより形成されている。これに対して、各流体収容部98A、98B、98C内へは、誘電損失の大きなマイクロ波吸収液体102を選択的に導入し得るようになっている。このマイクロ波吸収液体102としては安価な水を用いることができる。
【0022】
具体的には、各リング状の流体収容部98A、98B、98Cには、流体導入口104A、104B、104Cが設けられると共に、その反対側には流体排出口106A、106B、106Cが形成されており、そして、流体導入口104A、104B、104Cには開閉弁110A、110B、110Cを介設した分岐循環通路108A、108B、108Cがそれぞれ連結されている。また、各流体排出口106A、106B、106Cにも分岐排出通路112A、112B、112Cがそれぞれ連結され、各分岐排出通路112A、112B、112Cは、それぞれマイクロ波吸収液体102を貯留する貯槽114に連結されている。この貯槽114からは途中にポンプ116及び冷却機構118を介設した循環通路108が引き出されており、この通路108が途中で複数に分岐されて上記分岐循環通路108A、108B、108Cとなっている。
【0023】
更に、各分岐循環通路108A、108B、108Cには、途中に開閉弁120A、120B、120Cを介設したブロワ通路122A、122B、122Cがそれぞれ接続されており、これに圧縮ガスを流すことにより、流体収容部98A、98B、98C内に収容されているマイクロ波吸収液体102を選択的に排出して空にできるようになっている。
【0024】
次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ52を介して半導体ウエハWを搬送アームにより処理容器22内に収容し、リフタピン(図示せず)を上下動させることによりウエハWを載置台24の上面の載置面に載置する。
そして、処理ガス供給ノズル38から例えばCF4 等のエッチングガスを流量制御しつつ供給し、また、ガスノズル48からプラズマガスとしてArガスを供給する。そして、処理容器22内を所定のプロセス圧力、例えば0.1〜数10mTorrの範囲内に維持する。尚、このArガスを供給しない場合もある。同時にマイクロ波発生器86からのマイクロ波を、矩形導波管88及び矩形・同軸変換器95を介して平面アンテナ部材62に供給してプラズマ生成空間S1及び処理空間Sに電界を形成し、プラズマ放電によりガスを電離させてプラズマを発生させ、エッチング処理を行う。
【0025】
ここで、マイクロ波発生器86にて発生した例えば2.45GHzのマイクロ波は、矩形導波管88及び矩形・同軸変換器95を介して伝播されて同軸線90により平面アンテナ部材62とアンテナ箱74で囲まれた空間に供給され、更に、半径方向へ伝播しながら、微細ピッチで設けた多数のスリット80から少しずつマイクロ波がリークする。また、アンテナ部材62の周辺部に至ったマイクロ波は、金属製のアンテナ箱74の側壁74Aで反射されて、アンテナ部材62の中心方向へ向けて戻ることになる。このように、マイクロ波は、アンテナ部材62の中心と側壁74Aとの間を往復伝播しながら微細ピッチのスリット80から少しずつリークして行くことになる。このリークしたマイクロ波はマイクロ波透過窓60を透過してプラズマ生成空間S1側へ導入されることになり、磁石50により印加される磁界により電子サイクロトロン共鳴を生ずる。
【0026】
このように、上述のようにアンテナ箱74の側壁74Aにおいてマイクロ波を反射させてアンテナ中心側へ戻す構造となっているので、アンテナ部材62の中心部におけるマイクロ波の電磁界強度が高くなる傾向にある。しかしながら、本実施例の場合には、アンテナ部材62の周縁部にマイクロ波吸収手段96を設けて適度にマイクロ波を吸収するようにして、ここで反射する量を抑制しているので、アンテナ部材62の中心部における電磁界の強度は抑制され、その結果、全体的にマイクロ波の電磁界の強度分布をよりフラットな形態にして均一化することが可能となる。
マイクロ波を吸収するためには、図3にも示したように、各流体収容部98A、98B、98Cにマイクロ波吸収液体102を充填させればよい。尚、図3においては、本発明の理解を容易にするために、各流体収容部98A、98B、98Cの幅を大きく記載している。
【0027】
各流体収容部98A、98B、98Cに収容されたマイクロ波吸収液体をマイクロ波が横切って行く際、その通過する距離の長さに応じてマイクロ波は減衰することになる。各流体収容部98A、98B、98Cに対してマイクロ波吸収液体を収容するか否かは、各分岐循環通路108A、108B、108Cに介設した開閉弁110A、110B、110Cの開閉制御により選択できる。また、一度収容したマイクロ波吸収液体は、ブロワ通路122A、122B、122Cから選択的に圧縮ガスを流すことにより、流体収容部98A、98B、98Cから選択的に液体を排出してこれを空にすることができる。
従って、3層構造の流体収容部98A、98B、98Cの内、マイクロ波吸収液体で満たされた流体収容部の数をコントロールすることにより、マイクロ波がマイクロ波吸収液体中を通過する距離を変化させてマイクロ波の吸収量、すなわち反射量を適量にコントロールすることができる。図示例のように流体収容部98A、98B、98Cが3層構造の場合には、マイクロ波の吸収量を4段階にコントロールすることができる。
【0028】
図4は水で満たした流体収容部98A、98B、98Cの数を変えることによって、マイクロ波の吸収量を変化させた時のプラズマ分布を示すグラフである。グラフに示すように、曲線Aに示すように水を流体収容部内に全く満たさない場合には(図6に示す場合と同じ)、マイクロ波の吸収は行なわれていないので、マイクロ波の反射量が多過ぎて、ウエハ中心部における電磁界強度分布が特に大きくなって、プラズマの均一性が劣っている。これは従来装置において図6を参照して説明した通りである。また、曲線Cに示すように水を満たした流体収容部が多過ぎる場合には、逆にマイクロ波の吸収量が多過ぎて反射量が少なくなり過ぎ、この結果、ウエハ中心部における電磁界強度が周囲よりも小さくなり過ぎ、この場合にもプラズマ分布の均一性が劣ってしまう。これに対して、曲線Bに示すように水を満たした流体収容部が適当数の場合には、マイクロ波の吸収量が適切な状態となり、この結果、ウエハ全面におけるプラズマ分布の均一性を大幅に向上させることができる。
【0029】
ここで2.45GHzのマイクロ波が水を通過する時の半減深度(強度が半分になる深さ)は1.3cm程度なので流体収容部全体の厚さはそれ程大きくなくて済む。尚、マイクロ波はアンテナ箱74の側壁74Aで反射するので、マイクロ波の吸収量は流体収容部の厚さの2倍となって効いてくる。
また、流体収容部の層数は3層に限定されず、スペースが許す限り、何層設けてもよいし、また、各流体収容部の幅(厚み)を異ならせてマイクロ波吸収量のコントロール性を向上させてより精度の高い微細なコントロールを行なうようにしてもよい。
【0030】
また、マイクロ波吸収液体102としては、誘電損失の大きな液体、例えば安価な水を用いることができるが、これに限定されないのは勿論である。
更に、流体収容部98A、98B、98C内のマイクロ波吸収液体102がマイクロ波を吸収することにより、これが昇温するが、このマイクロ波吸収液体を貯槽114へ戻して循環使用しつつこれを冷却機構118で冷却すれば、温度上昇を抑制できる。従って、温度上昇に伴う誘電損失の変化も防止できるので、マイクロ波の電磁界の分布を更に安定的に制御することができる。
また、流体収容部98A、98B、98Cを区画する区画壁100A、100B、100Cは、テフロンに限定されず、他の誘電損失の小さな絶縁材、例えば石英ガラスやポリイミド等を用いることもできる。
【0031】
尚、以上の各実施例では、プラズマ処理装置としてECRプラズマ処理装置を例にとって説明したが、この方式のプラズマ処理装置に限定されず、マイクロ波を平面アンテナ部材により処理容器内へ放射させるようにした構造ならば、本発明は全てのプラズマ処理装置に適用することができる。
また、ここではプラズマエッチング処理を例にとって説明したが、プラズマ成膜処理、プラズマスパッタ処理、プラズマアッシング処理等にも適用できるのは勿論である。更には、被処理体として半導体ウエハに限定されず、LCD基板、ガラス基板等にも適用し得る。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
平面アンテナ部材の周縁部にマイクロ波吸収手段を設けて適当量のマイクロ波を吸収するようにしたので、中心部に向けて反射するマイクロ波が低減されて最適量となり、従って、マイクロ波の電磁界の分布及びプラズマ分布の均一性を大幅に向上させることができる。
また、マイクロ波吸収手段を複数の液体収容部で形成してこれに選択的にマイクロ波吸収液体を流すようにしたので、マイクロ波の吸収量を制御でき、このためマイクロ波の電磁界の分布の均一性を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図2】図1に示す装置中の平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図3】図1に示す装置中のマイクロ波吸収手段を示す横断面図である。
【図4】水で満たした流体収容部の数を変えることによってマイクロ波の吸収量を変化させた時の電磁界強度分布(プラズマ分布)を示すグラフである。
【図5】従来のプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
【図6】従来のプラズマ処理装置を示す電磁界強度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
20 プラズマエッチング装置(プラズマ処理装置)
22 処理容器
24 載置台
60 マイクロ波透過窓
62 平面アンテナ部材
72 遅波材
74 アンテナ箱
80 スリット
86 マイクロ波発生器
88 矩形導波管
90 同軸線
96 マイクロ波吸収手段
98A〜98C 流体収容部
100A〜100C 区画壁
102 マイクロ波吸収液体
104A〜104C 流体導入口
106A〜106C 流体排出口
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (4)
- マイクロ波発生器にて発生したマイクロ波を、導波管を介して平面アンテナ部材に導き、これよりマイクロ波透過窓を介して被処理体をプラズマ処理する処理容器内に指数関数的に減衰するマイクロ波を導入するプラズマ処理装置において、
前記平面アンテナ部材の周縁部に、前記平面アンテナ部材を伝搬してくるマイクロ波を吸収してこの反射量を抑制するためのマイクロ波吸収手段を設け、前記マイクロ波吸収手段は、前記平面アンテナ部材の周縁部に同心円状に配置されたリング状の複数の流体収容部と、この流体収容部内に導入される誘電損失を有するマイクロ波吸収液体とよりなり、前記マイクロ波吸収液体で満たされる前記流体収容部の数をコントロールすることによりマイクロ波の反射量を制御するように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記流体収容部は、そのリング状の半径を異ならせて3つ形成され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。
- 前記液体収容部内に収容されるマイクロ波吸収液体は、循環されつつ冷却されていることを特徴とする請求項1又は2記載のプラズマ処理装置。
- 前記平面アンテナ部材の上面には、誘電体材料よりなる遅波材が接合させて設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
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