JP3923323B2

JP3923323B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3923323B2
Application number: JP2002022323A
Authority: JP
Inventors: 陽仲野; 忠弘大見
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003224112A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係るもので、さらに詳しくは、プラズマ空間で消費される実効的な電力を安定させることができる、高性能なプラズマ処理装置及びそれを用いたプラズマ処理方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマ処理装置としては図３に示す一周波励起タイプのプラズマ処理装置が知られている。
図３に示すプラズマ処理装置において、プラズマチャンバ７６は、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理が可能な、一周波励起タイプのプラズマ処理室ユニットである。図に示すように、平行平板からなるプラズマを励起するためのプラズマ励起電極４とサセプタ電極８が設けられ、このプラズマ励起電極４に配電体３を介して接続された高周波電源１と、前記プラズマチャンバ７６と前記高周波電源１とのインピー−ダンス整合を得るための整合回路２Ａとを具備する構成となっている。
【０００３】
さらに詳細に説明すると、プラズマチャンバ７６にはチャンバ６０の上部位置に高周波電源１に接続されたプラズマ励起電極（カソード電極）４及びシャワープレート５が設けられ、チャンバ６０の下部には、シャワープレート５に対向して被処理基板１６を載置するサセプタ（支持台）を兼ねたサセプタ電極（対向電極）８が設けられている。プラズマ励起電極４は、配電体３及び整合回路２Ａを介して高周波電源１に接続されている。これらプラズマ励起電極４及び配電体３は、シャーシ（遮蔽導体）２１に覆われていると共に、整合回路２Ａは導電体からなるマッチングボックス２の内部に収納されている。これらシャーシ２１，マッチングボックス２は互いに接続されると共に、マッチングボックス２は同軸ケーブルからなる給電線１Ａのシールド線（外導体）に接続されている。
【０００４】
図３に示すプラズマ処理装置の場合は、プラズマ励起電極４は、輪郭形状が直径３０ｃｍ程度の円形となっており、このプラズマ励起電極面方向の断面が円形のチャンバ６０に対応している。またプラズマ励起電極４の下側には、環状の凸部４ａが設けられており、このプラズマ励起電極４の下には多数の孔７が形成されたシャワープレート５が凸部４ａに接して設けられている。これらプラズマ励起電極４とシャワープレート５の間には、空間６が形成されている。この空間６には、シャーシ２１の側壁を貫通すると共に、プラズマ励起電極４を貫通してガス導入管１７が接続されている。
【０００５】
このガス導入管１７は、導体からなると共にガス導入管１７の途中には、絶縁体１７ａがシャーシ２１の内側位置に挿入されていて、プラズマ励起電極４とガス供給源とが絶縁されている。
ガス導入管１７から導入されたガスは、シャワープレート５の多数の孔７を通してチャンバ壁１０により構成されたチャンバ６０内に供給される。チャンバ壁１０とプラズマ励起電極４とは、絶縁体９により互いに絶縁されている。
一方、チャンバ６０内には板状の基板１６を載置するウエハサセプタとなるサセプタ電極８が設けられている。
【０００６】
サセプタ電極８の下部中央には、シャフト１３が接続され、このシャフト１３がチャンバ底部１０Ａを貫通して設けられていると共に、シャフト１３の下端部とチャンバ底部１０Ａの中心部とがベローズ１１により密封接続されている。
これらサセプタ電極８とシャフト１３は、ベローズ１１により上下動が可能となっており、プラズマ励起電極４とサセプタ電極８との距離が自由に調節できるようになっている。サセプタ電極８、シャフト１３、ベローズ１１、チャンバ底部１０Ａ及びチャンバ壁１０は直流的に同電位となっている。さらに、チャンバ壁１０とシャーシ２１とは接続されているため、チャンバ壁１０、とシャーシ２１、マッチングボックス２とは、いずれも直流的に同電位となっている。
【０００７】
このプラズマ処理装置では、高周波電力はプラズマ励起電極４にのみ供給されており、サセプタ電極８は接地されている。また、サセプタ電極８とチャンバ壁１０とは直流的に同電位となっている。また、排気系の図示は省略してある。
【０００８】
整合回路２Ａは、高周波電源１と給電板３との間に設けられ、チャンバ６０内のプラズマ状態の変化に対応して、高周波電源１とプラズマ励起電極４との間のインピーダンス整合を得るよう調整するために、その多くは複数の受動素子を備えた構成となっている。具体的には図３の例では、真空バリコンからなるロードコンデンサ２２と、チューニングコイル２３と、エアバリコンからなるチューニングコンデンサ２４の３種の受動素子から構成されている。ここで図３の例では１個のチューニングコイル２３がロードコンデンサ２２とチューニングコンデンサ２４の間に接続されている。
【０００９】
上記のようなプラズマ処理装置を使用してエッチング処理や成膜処理をする場合において、処理の均一性を保つことが重要である。そのためには発生するプラズマを安定させる必要がある。プラズマを安定させる手段としては、例えば特開平７−３０２６９６公報に示されるように、接地状態を積極的に制御し、電気特性に依存するイオン量を制御して処理特性を向上させることができるように、接地ラインをモニターしてプラズマ処理する方法が開示されている。図４に接地ラインをモニターしてプラズマ処理をする方法を例示する。
【００１０】
図４のプラズマ処理装置は、エッチング装置本体１０１と、このエッチング装置本体１０１における真空排気やエッチングガスの供給状態、さらにはプラズマ形成のための高周波電力などを制御するプロセス制御部１０２とから構成されている。エッチング装置本体１０１は、マイクロ波を通すために誘電体の放電管で真空封止された処理室１０３と、この処理室１０３の下部に設けられた試料台１０５とからなり、試料台１０５には試料としての半導体ウェハ１０４が電気的に絶縁された状態で載置されている。
【００１１】
また、処理室１０３から半導体ウェハ１０４にかけては、ソレノイドコイルと永久磁石（いずれも図示省略）によりミラー磁場が印加され、この状態において処理室１０３は高真空に排気され、続いてプロセスガスが所定のガス圧力で導入される。さらに、マグネトロンで発生したマイクロ波は、導波管（図示省略）を通って処理室１０３内に導入され、プラズマ励起電極（カソード電極、図示省略）に印加される。これによってマイクロ波放電が発生し、プラズマ状態がもたらされる。このマイクロ波放電には磁場中での電子のサイクロトロン運動とマイクロ波との共鳴現象が用いられている。
【００１２】
さらに、エッチング装置本体１０１において被接地対象物としての処理室１０３を可変抵抗器（電流制御手段）１１１、電流計（測定手段）１１２を介してアースに積極的に落とすようになっている。これにより、電流計１１２からは処理室１０３における接地ラインの測定値の出力があり、この出力がコンピュータ１１３に接続されている。このコンピュータ１１３は、電流計１１２によって採取された測定値を基に可変抵抗器１１１の抵抗値を所望の値に制御する動作をするようにプログラミングされている。
【００１３】
この場合に、接地ラインの電流値に依存するプラズマ中のイオンは、接地された処理室１０３の壁面や処理室１０３内の部品表面で消滅して接地ラインに電流が流れ、従って接地ラインに流れる電流を制御することにより、イオン消滅量、すなわちプラズマ中のイオン量を制御することができるとされている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、図３の場合と同様に、プラズマ励起電極に印加され高周波電力は、高周波電源の出力が高周波電源に出口で所定の値になるように制御されている。また、プラズマ励起電流の測定には、接地ライン側の電流の一部をバイパス回路に導いているので、全体の電流の一部、例えば、２〜３％を使用してプラズマ励起電流を測定しているに過ぎず、測定誤差が大きい難点がある。
また、上記の方法では、電流測定のために抵抗器を使用してバイパス回路を形成しているので、このバイパス回路のインピーダンスによる電流ロスが発生し、プラズマ励起に使用された電力を正確に把握することができない難点がある。
【００１５】
さらに、従来の方法では、高周波電源の出力が電源出力部で所定の値になるように調整されているので、高周波電流を流したときの導体の温度上昇等に起因して整合回路の電力損失が変動し、プラズマ空間で実際に消費される実効的な電力が変動する欠点を有していた。例えば導体の温度が上昇すると高周波電力回路のインピーダンスが上昇し、プラズマ空間で消費される実効的な電力が減少する結果となる。さらに、複数のプラズマ室を連ねた装置では、複数のプラズマ空間で消費される実効的な電力に差が生じる難点があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、プラズマ励起電極（カソード電極）に印加される高周波電力を直接正確に把握して、設定された所定の値の電力に制御して、安定した均質なプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマを励起するための電力が供給されるプラズマ励起電極と、該プラズマ励起電極と対向するサセプタ電極とを内部に有するプラズマ処理室と、前記プラズマ励起電極に高周波電力を供給するための高周波電源と、前記プラズマ処理室と前記高周波電源とのインピーダンス整合を得るための、整合回路とを具備し、前記サセプタ電極上の被処理基板をプラズマにて処理するプラズマ処理装置であって、記整合回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子に、前記高周波電力を前記高周波電源から前記整合回路に供給する高周波電力給電体を介して前記高周波電源が接続され、記出力端子に、前記高周波電力を前記整合回路から前記プラズマ励起電極に供給する高周波電力配電体を介して前記プラズマ励起電極が接続され、これら入出力端子の間にコイルとコンデンサがそれぞれ１又は複数配置され、前記プラズマ処理室のチャンバ壁と導通している接地電位部分が前記コンデンサのうちの１つを介して接続されており、前記電力配電体に取り付けられた、前記電力配電体を流れる電流をモニターするための電流検出手段と、該電流検出手段によって検出した電流値とあらかじめ設定した設定値との差を検出し、その差がゼロとなる前記整合回路中の１つのコンデンサの容量の変化を演算するとともに、前記整合回路へのフィードバック回路を介して、前記変化量を変化させて、前記回路にフィードバックし、該制御信号に基づいて当該コンデンサの容量を変化させて、前記電極に印加される実効的な電力が所定の値になるように制御する手段とを具備してなることを特徴とする。
【００１７】
このようなプラズマ処理装置とすることにより、プラズマ励起電極に印加される高周波電力を直接正確に把握して、所定の電力に制御して安定した均質なプラズマ処理が可能となる。
【００１８】
本発明のプラズマ処理装置では、電流検出手段が、前記配電体を囲む第１のコイルと、該第１のコイルの電流を変換する第２のコイル及び該第２のコイルから電流が供給されるブリッジ回路を利用することができる。
これにより、第１と第２のコイルに流れる電流を変換して取り出し、ブリッジ回路にて検知できるのでプラズマ励起電極に印加する実効的な電力を制御することができる。
【００１９】
また、本発明のプラズマ処理方法は、プラズマを励起するための電力が供給されるプラズマ励起電極と、該プラズマ励起電極と対向するサセプタ電極とを内部に有するプラズマ処理室と、前記プラズマ励起電極に高周波電力を供給するための高周波電源と、前記プラズマ処理室と前記高周波電源とのインピーダンス整合を得るための、整合回路とを具備し、前記サセプタ電極上の被処理基板をプラズマにて処理するプラズマ装置であって、前記整合回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子に、前記高周波電力を前記高周波電源から前記整合回路に供給する高周波電力給電体を介して前記高周波電源が接続され、前記出力端子に、前記高周波電力を前記整合回路から前記プラズマ励起電極に供給する高周波電力配電体を介して前記プラズマ励起電極が接続され、これら入出力端子の間にコイルとコンデンサがそれぞれ１又は複数配置され、前記プラズマ処理室のチャンバ壁と導通している接地電位部分が前記コンデンサのうちの１つを介して接続され、前記電力配電体に取り付けられた、前記電力配電体を流れる電流をモニターするための電流検出手段を備えたプラズマ処理装置を用い、該電流検出手段によって検出した電流値とあらかじめ設定した設定値との差を検出し、その差がゼロとなる前記整合回路中の１つのコンデンサの容量の変化を演算するとともに、前記整合回路へのフィードバック回路を介して、前記変化量を変化させて、前記回路にフィードバックし、該制御信号に基づいて当該コンデンサの容量を変化させて、前記電極に印加される実効的な電力が所定の値になるように制御しながら前記被処理基板をプラズマ処理する方法を採用した。
【００２０】
このようなプラズマ処理方法によれば、エッチング処理や成膜処理、スパッタ処理等をする場合において、処理の均一性を保つことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に図面を使用して本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置の第１の実施形態の概略構成を示す断面図である。
本発明のプラズマ処理装置の主要構成は、図３に示した従来のプラズマ処理装置と同様である。よって同じ機能の部品には図３と同じ番号を付してある。本発明のプラズマ処理装置が図３に示す従来のプラズマ処理装置と異なる点は、配電体に電流検出手段を取りつけて高周波電流を検出し、これを利用してプラズマ励起電極に印加される高周波電力を所定の値になるよう制御するようにした点である。従って、この制御回路を中心に説明する。
【００２２】
図１に示すように本発明のプラズマ処理装置では、プラズマを励起するためのプラズマ励起電極４に高周波電流を印加するための配電体３にクランプメーター１２を取りつけ、配電体３を流れる電流の大きさを検知し、検知した電流を制御回路１５に入力する。
制御回路１５では、検知した電流とあらかじめ入力しておいた設定値との差異を演算し、差異が零（０）となるまで高周波電源１の出力を増減させる信号を発生して、これを高周波電源１又は整合回路２Ａにフィードバックする。一つの方法は、高周波電源１にフィードバックされた信号に基づいて、高周波電源１の出力を増減させる。もう一つの方法は、整合回路２Ａにフィードバックされた信号に基づいて整合回路２Ａのロードコンデンサ２２又はチューニングコンデンサ２４の容量を変化させて、プラズマ励起電極４に印加する高周波電力を調整する。
このように電流検知と制御信号のフィードバックとを繰り返し、検知電流とあらかじめ設定した電流値との差異が零（０）となるように制御する。
【００２３】
制御回路１５の構成の一例を図２に示す。図２に示す例では、配電体３にコイル１２ａからなるクランプメーター１２を取りつけてある。クランプメーター１２はあらかじめ取りつけた固定式であっても、あるいはコイル１２ａを開閉式として必要時点で取りつける可動式であっても良い。
コイル１２ａに巻き数の異なるコイル１２ｂを取り付け、コイル１２ａの電流を変換して取り出してブリッジ回路１８で検知する。ブリッジ回路１８の電流計１９が零（０）となるように制御する。電流計１９の指示に従って制御信号を発する制御回路を設けておき、制御信号を高周波電源又は整合回路にフィードバックする。
【００２４】
次に、本発明のプラズマ処理装置を使用してプラズマ処理を行う方法について説明する。
本発明のプラズマ処理方法は、プラズマを励起するための電極に印加する電力を所定の値に維持するように制御しつつ処理する方法を採用した。具体的には、プラズマを励起するための電極に印加する高周波電力の配電体を流れる電流を電流検出手段によってモニターし、該検電流検出手段によって検出した電流が所定の値になるようにしてプラズマをする。
本発明のプラズマ処理方法では、プラズマ励起電極に印加される高周波電力を直接検知して設定値になるよう制御するので、例えば高周波電流を流したときの導体の温度上昇等に起因して整合回路の電力損失が変動し、プラズマ空間で実際に消費される実効的な電力が変動しても逐一追随した補償が可能となる。さらに、複数のプラズマ室を連ねた装置であっても、複数のプラズマ処理空間で消費される実効的な電力を均一に保持することができるようになる。
このようなプラズマ処理方法によれば、エッチング処理や成膜処理、スパッタ処理等をする場合において、処理の均一性を保つことが可能となる。
【００２５】
【作用】
本発明は、プラズマ励起電極（カソード電極）に印加される高周波電力を直接正確に把握して安定した電力制御をすることにより、安定で均質なプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置としたものである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によればプラズマ空間で消費される実効的な電力を一定に保つことができるので、エッチング処理や成膜処理、スパッタ処理等の処理をする場合において均一で安定した処理をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置における制御方法の概要を説明する図である。
【図３】従来のプラズマ処理装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【図４】従来のプラズマ処理装置の他の例の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・高周波電源、２・・・・・マッチングボックス、２Ａ・・・・・・整合回路、３・・・・・配電体、４・・・・・プラズマ励起電極、５・・・・・・シャワープレート、６・・・・・・空間、７・・・・・・孔、８・・・・・・サセプタ電極、９・・・・・・絶縁体、１０・・・・・・チャンバ壁、１１・・・・・・ベローズ、１２・・・・・・クランプメーター、１３・・・・・・シャフト、１５・・・・・・制御回路、１６・・・・・・基板、１７・・・・・・ガス導入管、１８・・・・・・ブリッジ回路、１９・・・・・・電流計、２２・・・・・・ロードコンデンサ、２３・・・・・・チューニングコイル、２４・・・・・・チューニングコンデンサ、６０・・・・・・チャンバ、７５，７６・・・・・・プラズマチャンバ、１０１・・・・・・エッチング装置本体、１０２・・・・・・プロセス制御部、１０３・・・・・・処理室、１０４・・・・・・半導体ウェハ、１１１・・・・・・可変抵抗器、１１２・・・・・・電流計。

Claims

プラズマを励起するための電力が供給されるプラズマ励起電極と、
該プラズマ励起電極と対向するサセプタ電極とを内部に有するプラズマ処理室と、前記プラズマ励起電極に高周波電力を供給するための高周波電源と、前記プラズマ処理室と前記高周波電源とのインピーダンス整合を得るための、整合回路とを具備し、前記サセプタ電極上の被処理基板をプラズマにて処理するプラズマ処理装置であって、
前記整合回路は、入力端子と出力端子とを有し、
前記入力端子に、前記高周波電力を前記高周波電源から前記整合回路に供給する高周波電力給電体を介して前記高周波電源が接続され、
前記出力端子に、前記高周波電力を前記整合回路から前記プラズマ励起電極に供給する高周波電力配電体を介して前記プラズマ励起電極が接続され、
これら入出力端子の間にコイルとコンデンサがそれぞれ１又は複数配置され、前記プラズマ処理室のチャンバ壁と導通している接地電位部分が前記コンデンサのうちの１つを介して接続されており、
前記電力配電体に取り付けられた、前記電力配電体を流れる電流をモニターするための電流検出手段と、
該電流検出手段によって検出した電流値とあらかじめ設定した設定値との差を検出し、その差がゼロとなる前記整合回路中の１つのコンデンサの容量の変化を演算するとともに、
前記整合回路へのフィードバック回路を介して、前記変化量を変化させて、前記回路にフィードバックし、該制御信号に基づいて当該コンデンサの容量を変化させて、前記電極に印加される実効的な電力が所定の値になるように制御する手段、とを具備してなることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記電流検出手段が、前記配電体を囲む第１のコイルと、該第１のコイルの電流を変換する第２のコイル及び該第２のコイルから電流が供給されるブリッジ回路とからな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。
プラズマを励起するための電力が供給されるプラズマ励起電極と、該プラズマ励起電極と対向するサセプタ電極とを内部に有するプラズマ処理室と、前記プラズマ励起電極に高周波電力を供給するための高周波電源と、前記プラズマ処理室と前記高周波電源とのインピーダンス整合を得るための、整合回路とを具備し、前記サセプタ電極上の被処理基板をプラズマにて処理するプラズマ装置であって、前記整合回路は、入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子に、前記高周波電力を前記高周波電源から前記整合回路に供給する高周波電力給電体を介して前記高周波電源が接続され、前記出力端子に、前記高周波電力を前記整合回路から前記プラズマ励起電極に供給する高周波電力配電体を介して前記プラズマ励起電極が接続され、これら入出力端子の間にコイルとコンデンサがそれぞれ１又は複数配置され、前記プラズマ処理室のチャンバ壁と導通している接地電位部分が前記コンデンサのうちの１つを介して接続され、前記電力配電体に取り付けられた、前記電力配電体を流れる電流をモニターするための電流検出手段を具備したプラズマ処理装置を用い、該電流検出手段によって検出した電流値とあらかじめ設定した設定値との差を検出し、その差がゼロとなる前記整合回路中の１つのコンデンサの容量の変化を演算するとともに、前記整合回路へのフィードバック回路を介して、前記変化量を変化させて、前記回路にフィードバックし、該制御信号に基づいて当該コンデンサの容量を変化させて、前記電極に印加される実効的な電力が所定の値になるように制御しながら前記被処理基板をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理方法。