JP4056144B2

JP4056144B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4056144B2
Application number: JP25615998A
Authority: JP
Inventors: 裕奥村; 貴之平野; 敏洋釘宮; 俊久野沢; 哲夫徳村; 淳宗政; 清隆石橋
Original assignee: 株式会社エフオーアイ
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: JP2000091320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＩＣやＬＣＤなど高精度の製造工程においてプラズマ処理を適切に行うのに好適なプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＶＤやエッチング，アッシング等のプラズマ処理に用いられるプラズマ処理装置の例として、対向電極となる一対の平行平板を設けておいてこれらの平行平板間にプラズマ処理空間を形成してシリコンウエハ等の基板を対象にエッチング処理を行ういわゆる平行平板形エッチャー（ＲＩＥ）や成膜処理を行う平行平板形ＰＣＶＤ等が知られている。
また、プラズマ処理に必要なプラズマの発生・形成をプラズマ処理空間で行うものの他、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）や，ＩＣＰ（インダクティブカップルプラズマ），ＴＣＰプラズマ（トランスフォームドカップルプラズマ）など、プラズマ処理空間から分離して形成されたプラズマ発生空間で行うものも知られている。
【０００３】
いずれにしても、処理対象である基板等の大小・広狭に拘わらず緻密で均一なプラズマ処理が求められることから、基板等の上面全域に亘って処理ガス分布やプラズマ状態の一様性を確保することが必要とされる。
そして、その対策として、例えば基板サイズが大きくなるの伴って、処理ガス導入口を多数設けるとともにその分布に工夫を凝らすことや、プラズマ発生を担うプラズマ用ガスとプラズマ反応を担う処理ガスとを別個に導入すること等も、行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のプラズマ処理装置では、処理ガスやプラズマ用ガスの一様な導入に基づいて均一処理が図られていた。
ところが、プラズマ処理空間内では、被処理物に処理ガスが反応して、種々の副生成物が生じ、その濃淡によって反応状態に影響が現れることもある。また、プラズマ処理空間内では、ガスの拡散に加えて、一様性を乱す種々の流れも存在する。
このため、例え処理ガスやプラズマ用ガスが一様に分布して導入されたとしても、全面的に均一な処理が達成されるとは限らない。
【０００５】
もっとも、これに対しては、プラズマ処理の不均一を補償するように、導入ガスの分布を一様分布から局所的に異ならせることも考えられる。
しかしながら、そのような補償によって巨視的・大域的に見れば所望の均一処理がなされたとしても、微視的・局所的に見ると、不均一と言わざるを得ない場合もある。例えば、シリコンウエハのエッチングでは、ウエハ全面に亘ってエッチングレートがほぼ均一になってエッチング溝の深さ等が揃ったときでも、個々の溝についての断面形状を比較すると、角部の丸まり具合や、開口部から底部にかけての径の変化などに、不揃いが見られる。
【０００６】
そこで、プラズマ処理の均一性を確保するに際し、巨視的・大域的な均一性に止まらず、微視的・局所的な均一性も得られるように工夫することが課題となる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、プラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第１乃至第４の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【０００８】
［第１の解決手段］
第１の解決手段のプラズマ処理装置は（、出願当初の請求項１に記載の如く）、真空チャンバ内にプラズマ処理空間の形成されたプラズマ処理装置において、前記プラズマ処理空間にプラズマ用ガスを導入する第１のガス導入路と、この第１のガス導入路と別個に設けられ前記プラズマ処理空間に処理ガスを導入する第２のガス導入路と、前記プラズマ処理空間に添加ガスを導入する第３のガス導入路と、前記プラズマ処理空間への導入に際して前記プラズマ用ガスと前記添加ガスとを混合するとともにその混合に際して混合割合の分布を局所的に異ならせる又は異ならせ得る混合手段とを備えたものである。
【０００９】
このような第１の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ処理空間内におかれた被処理物に対してプラズマ処理が施されるが、その処理に際して第１〜第３のガス導入路を介し、プラズマ用ガス及び処理ガスに加えて添加ガスもプラズマ処理空間に導入される。そして、プラズマ用ガスと処理ガスとは別個に導入されるのに対し、添加ガスはプラズマ用ガスに混合して導入される。しかも、混合手段により、その混合割合の分布が局所的に異なるようにされる。
【００１０】
この場合、プラズマ用ガスと処理ガスとが別個に導入されるので、それらの流量や分配状態等を独立に制御することにより、被処理物のほぼ全域に亘って処理ガス分布やプラズマ状態の一様性が確保されて、プラズマ処理における巨視的・大域的な均一性が達成される。また、プラズマ用ガスへの添加ガスの混合割合についての分布が局所的に異なるようにされるが、その分布を微視的・局所的な不均一性に対応させることにより、巨視的・大域的な均一性を損なうこと無く微視的・局所的な均一性も改善される。なお、添加ガスは、処理ガスと異なるガスが用いられ、その活性が不足しやすいが、プラズマ用ガスに混合して導入されることにより、充分に励起され、無駄なく役立つこととなる。
したがって、この発明によれば、巨視的・大域的な観点に加えて微視的・局所的な観点からもプラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することができる。
【００１１】
［第２の解決手段］
第２の解決手段のプラズマ処理装置は（、出願当初の請求項２に記載の如く）、プラズマ処理空間が形成された第１機構と、前記第１機構に取着して又はそれと一体的に設けられプラズマ発生空間が分散等して形成された第２機構とを具え、前記プラズマ発生空間が前記プラズマ処理空間に隣接し且つ連通しているプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生空間にプラズマ用ガスを導入する第１のガス導入路と、この第１のガス導入路と別個に設けられ前記プラズマ処理空間に処理ガスを導入する第２のガス導入路と、前記プラズマ発生空間に添加ガスを導入する第３のガス導入路と、前記プラズマ発生空間への導入に際して前記プラズマ用ガスと前記添加ガスとを混合するとともにその混合に際して混合割合の分布を局所的に異ならせる又は異ならせ得る混合手段とを備えたものである。
【００１２】
ここで、上記の「分散等」とは、点状に分かれて散在しているという文字通りの分散の他、密接とは言えない程度に離れるように分割されている場合や、線状，破線状，直・曲線状などで複数の又はそれらの混在するものがプラズマ処理空間との隣接部・連通部に分布している場合、さらには環状，円状，多角形状、スパイラル状のものが同心で若しくは非同心で多数が列設され又は単独で広く形成されている場合も該当する意味である。
【００１３】
このような第２の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ空間の分離および隣接連通という条件を維持することにより、プラズマダメージやチャージアップの低減、及びプラズマにおけるラジカル種の成分とイオン種の成分との比率適正化が達成される。また、プラズマ発生空間が分散等して形成されていることにより、プラズマ分布の均一性が確保されるばかりか、プラズマ処理空間との連通隣接面さらにはその面に沿ったプラズマ発生空間自身の断面積が必然的にプラズマ処理空間のそれよりも小さくなり、プラズマ処理空間からプラズマ発生空間へのガス流入が阻止されるので、反応性を持った処理ガスが高密度プラズマに曝されて不所望な汚染物等に変質するのを防止することができて、プラズマ処理に良質のプラズマが供給される。
【００１４】
そして、プラズマ処理空間内におかれた被処理物に対してプラズマ処理が施される際に、第１〜第３のガス導入路を介し、プラズマ用ガス及び処理ガスに加えて添加ガスもプラズマ処理空間に導入される。しかも、その際、プラズマ用ガスと処理ガスとは別個に導入されるのに対し、添加ガスはプラズマ用ガスに混合して導入される。さらに、添加ガスは、混合手段により、その混合割合の分布が局所的に異なるようにされる。
【００１５】
このようにプラズマ用ガスと処理ガスとが別個に導入されるので、それらの流量や分配状態等を独立に制御することにより、被処理物のほぼ全域に亘って処理ガス分布やプラズマ状態の一様性が確保されて、プラズマ処理における巨視的・大域的な均一性が達成される。また、プラズマ用ガスへの添加ガスの混合割合についての分布が局所的に異なるようにされるが、その分布を微視的・局所的な不均一性に対応させることにより、巨視的・大域的な均一性を損なうこと無く微視的・局所的な均一性も改善される。
【００１６】
なお、添加ガスは、処理ガスと異なるガスが用いられ、その活性が不足しやすいが、プラズマ用ガスに混合して導入されることにより、しかもプラズマ発生空間を経てから導入されることにより、充分に励起され、無駄なく役立つこととなる。また、処理ガスのように高密度プラズマに曝されて不所望な汚染物等に変質するということは考えられないので、プラズマの質を劣化させることも無い。
したがって、この発明によれば、巨視的・大域的な観点に加えて微視的・局所的な観点からもプラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することができる。
【００１７】
［第３の解決手段］
第３の解決手段のプラズマ処理装置は（、出願当初の請求項３に記載の如く）、上記の第１，第２の解決手段のプラズマ処理装置であって、非反応性ガスのみを前記プラズマ用ガスとして前記第１のガス導入路へ送給する手段と、反応ガス成分を含むガスを前記処理ガスとして前記第２のガス導入路へ送給する手段と、前記プラズマ処理空間内の被処理物に前記反応ガスが反応して生じる副生成物に対応した副次ガスを含むガスを前記添加ガスとして前記第３のガス導入路へ送給する手段とを備えたものである。
【００１８】
このような第３の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ処理に伴って生じる副生成物の偏在が、添加ガスによって直接的に解消される。これにより、副生成物に起因した不均一性が的確に改善されて、プラズマ用ガス及び処理ガスに基づく巨視的・大域的な均一性を損なうこと無く、微視的・局所的な均一性も得られることとなる。
【００１９】
［第４の解決手段］
第４の解決手段のプラズマ処理装置は（、出願当初の請求項４に記載の如く）、上記の第１，第２の解決手段のプラズマ処理装置であって、非反応性ガスのみを前記プラズマ用ガスとして前記第１のガス導入路へ送給する手段と、反応ガス成分を含むガスを前記処理ガスとして前記第２のガス導入路へ送給する手段と、前記プラズマ用ガスとは成分又は成分割合の異なる非反応性ガスのみを前記添加ガスとして前記第３のガス導入路へ送給する手段とを備えたものである。
【００２０】
このような第４の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、非反応性ガスが混合されてプラズマ発生空間やプラズマ処理空間に導入されるが、ガス種が異なるとプラズマ温度等に相違が見られることと、その混合割合が局所的に異なることから、プラズマ処理空間へ供給されるプラズマについての温度分布にも局所的な変動を生じる。そして、このようなプラズマの温度分布を、微視的・局所的な不均一性に対応させることによっても、プラズマ用ガス及び処理ガスに基づく巨視的・大域的な均一性を損なうこと無く、微視的・局所的な均一性を間接的に改善することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明のプラズマ処理装置について、これを実施するための形態を以下の第１〜第７実施例および変形例により説明する。
図１〜図３に示した第１実施例は、上述の第２，第３解決手段を具現化したものであり、図４に示した第２実施例は、上述の第２，第４解決手段を具現化したものであり、図５の第３実施例および図６の第４実施例も、上述の第２，第４解決手段を具現化したものである。また、図７の第５実施例および図８の第６実施例は、上述の第２，第３解決手段あるいは上述の第２，第４解決手段のいずれの具現化にも適合するものであり、図９に示した第７実施例は、上述の第２，第３，第４解決手段を具現化したものである。さらに、図示を割愛した変形例は、上述の第１解決手段を具現化したものとなっている。
【００２２】
【第１実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第１実施例としてのプラズマエッチング装置について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、一部を断面で示した全体模式図であり、図２は、そのうちプラズマ発生空間周りの縦断面斜視図であり、図３は、それにプラズマ処理空間等を加えた縦断面図である。
【００２３】
このプラズマエッチング装置は、真空チャンバ本体部２および真空チャンバ蓋部３からなる真空チャンバと、その内部にプラズマ処理空間を確保するための平行平板部（第１機構）と、プラズマ発生空間を確保するための隣接機構部（第２機構）およびその付加部と、各プラズマに電界又は磁界を印加するための印加回路部と、真空チャンバ内を真空状態に保つための圧力制御部と、プラズマ用ガス及び処理ガスに加えて添加ガスを導入するためのガス供給部とで構成されている。
【００２４】
平行平板部は、一対の平行平板となる共に金属製のアノード部１１及びカソード部１２を真空チャンバ内に有していて、アノード部１１が上方に配置され、真空チャンバ本体部２の内底でローアーサポート１２ａにて支持されたカソード部１２が下方に配置されて、これらによって挟まれたところに低温プラズマ１０用のプラズマ処理空間１３が形成されるものとなっている。このカソード部１２は、エッチング対象のウエハ等の基板１を乗載するために、上面が絶縁処理されている。また、アノード部１１は、予め、多数の連通口１４が貫通して穿孔されるとともに、プラズマ処理空間１３へ向けて開口した第２のガス導入路としての処理ガス供給口１５も形成されたものとなっている。これにより、処理ガスＢが処理ガス供給口１５を介してプラズマ処理空間１３へ供給される。この例では、連通口１４の横断面積とプラズマ処理空間１３の有効な横断面積との比すなわち第１比が０．０５になっている。
【００２５】
隣接機構部すなわち一対の平行平板のうちの一方の平板１１に隣接する機構は、絶縁物製のプラズマ発生チャンバ２１が主体となっており、このプラズマ発生チャンバ２１には、プラズマ発生空間２２となる複数の（図では４個の）環状溝が同心に彫り込まれて形成されている。これにより、プラズマ発生空間２２が分散等したものとなっている。そして、プラズマ発生チャンバ２１は、プラズマ発生空間２２の開口側（図では下面）をアノード部１１の上面に密着した状態で固設される。その際、プラズマ発生空間２２の開口がアノード部１１の連通口１４に重なるように位置合わせがなされる。これにより、プラズマ発生空間２２とプラズマ処理空間１３とが互いに隣接し且つ連通しているものとなる。この例では、連通口１４の横断面積とプラズマ発生空間２２の横断面積との比が０．５になっている。これにより、プラズマ発生空間２２がプラズマ処理空間１３に連通するところの面積がプラズマ発生空間２２の面積よりも小さくて少し絞られた状態となる。なお、これらの比の値は大小関係が逆転しない限り自由に変えてよいものである。
【００２６】
また、プラズマ発生チャンバ２１は、プラズマ発生空間２２のさらに奥に第１のガス導入路および第３のガス導入路としてのプラズマ用ガス送給路２３がやはり環状に形成され、両者が多数の***またはノズルで連通されていて、プラズマ発生空間２２は底部（図では上方）からプラズマ用ガスＡや添加ガスＣの供給を受けて高密度プラズマ２０を発生させ連通口１４を介してプラズマ処理空間１３へそれを送り込むものとなっている。
さらに、プラズマ発生チャンバ２１は、プラズマ発生空間２２を囲む側壁と底部とを残すようにしてプラズマ発生空間２２開口側の裏の面（図では上面）が削り取られる。そして、プラズマ発生空間２２の両側壁を挟むようにして、コイル２４及び永久磁石片２５が環状に付加される。
【００２７】
永久磁石片２５は、縦の長さがプラズマ発生空間２２のそれにほぼ等しくされ、且つ横のプラズマ発生空間２２方向へ磁極が向くようにされ、さらに環状の不所望な誘起電流を断つために小片に分けて形成されている。そして、多数の永久磁石片２５がプラズマ発生空間２２側壁に沿って列設されることで、プラズマ発生空間２２に対応した環状の磁気回路が構成される。これにより、磁気回路用の磁性部材２５は最外周以外のものがプラズマ発生空間２２によって挟まれたところに配置されたものとなっている。この磁気回路の磁力は、質量の小さい電子を捕捉可能な程度の強さで十分であり、質量の大きいイオンまで捕捉する程度の強さは不要である。
【００２８】
印加回路部は、ＲＦ電源３１を中心とする第１印加回路と、ＲＦ電源３２を中心とする第２印加回路とに分かれる。
ＲＦ電源３１は、その出力パワーが可変のものであり、接地されたアノード部との間に交番電界を印加するとともにバイアス電圧も発生させるために、その出力はブロッキングキャパシタを介してカソード部１２へ送給される。また、これには、周波数５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚのものがよく用いられる。これにより、第１印加回路は、低温プラズマ１０の強化に或る程度寄与する電界をプラズマ処理空間１３に印加するものとなっている。
【００２９】
ＲＦ電源３２は、やはり出力パワーが可変のものであり、プラズマ発生空間２２を挟む両コイル２４を駆動してプラズマ発生空間２２に交番磁界を印加するようになっている。その最大出力パワーは大きく、その周波数は１３ＭＨｚ〜１００ＭＨｚとされることが多い。これにより、第２印加回路は、高密度プラズマ２０の発生および強化に寄与する磁界をプラズマ発生空間２２に印加するものとなっている。
【００３０】
圧力制御部は、真空ポンプ５と、可動壁体４０及びこれを上下動させる壁体駆動機構４１〜４４とからなる。
真空ポンプ５は、ロータリポンプやメカニカルブースタ等が用いられ、真空チャンバ本体部２に貫通して形成された吸引口２ａに対しゲートバルブ４を介して連結されて、真空チャンバ内のガスを吸引排気するようになっている。
【００３１】
可動壁体４０は、金属製の筒状体からなり、内径がカソード部１２の外径より僅かに大きくて内腔にカソード部１２が緩く上下動可能に嵌合されるようになっている。その上端はアノード部１１に接近したときに全周縁のところにほぼ同一の隙間４５ができるようになっている。そして、そのときに、可動壁体４０は上部がプラズマ処理空間１３の側面周辺を塞ぐとともに下部がカソード部１２との嵌合が外れないところまで届くような長さに形成されている。これにより、可動壁体４０は、真空チャンバ２，３内に設けられ一対の平行平板１１，１２を基準としたプラズマ処理空間１３の開口部分を囲う形状のものとなっている。そして、その隙間４５を真空ポンプ５による排気の流れに対する可変絞りとして、プラズマ処理空間１３の圧力がガスＡ，Ｂ，Ｃの流量と可動壁体４０の上下位置とに応じて定まる。なお、この可動壁体４０は不所望にチャージアップしないように接地等されるようにもなっている。
【００３２】
壁体駆動機構４１〜４４は、気密性及び伸縮性を持ったベローズ４１が吸引口２ａと重ならない位置で真空チャンバ本体部２の底面と可動壁体４０とを連結し、このベローズ４１内にボールネジ４２が縦に遊挿され、その上端が可動壁体４０に連結されていて、可動壁体４０を上下動可能に支持するものである。さらに、ボールネジ４２は、サポート４３によって真空チャンバ本体部２に対して固定されたモータ４４の回転軸に対して下端が連結されている。そして、モータ４４が回転すると、これに応じてボールネジ４２が進退駆動され、それに伴って可動壁体４０が上下に駆動されて、上はアノード部１１にほぼ当接するまで下はカソード部１２の上面より低いところまで可動壁体４０が移動する。これにより、壁体駆動機構４１〜４４は、可動壁体４０がプラズマ処理空間１３の開口部分を囲う上方位置と、可動壁体４０がプラズマ処理空間１３の開口部分を解放する下方位置との両位置に亘って、可動壁体４０を上下方向に進退させるものとなっている。
【００３３】
ガス供給部は、処理ガスＢを供給する処理ガス供給ユニット７０と、プラズマ用ガスＡを供給するプラズマ用ガス供給ユニット５０と、添加ガスＣを供給する添加ガス供給ユニット６０と、各ガスＡ，Ｂ，Ｃをプラズマ処理空間１３やプラズマ発生空間２２へ導く配管等とからなり、その配管等の一部が配管等ユニット８０となっている。
【００３４】
プラズマ用ガス供給ユニット５０は、プラズマ用ガスＡを貯留するガスボンベ５１と、図示しないメインコントローラ等の制御に従ってガスボンベ５１からのガス流出量を調節するマスフローコントローラ５２と、安全や保守作業等を考慮してマスフローコントローラ５２に従属接続されガス供給時のみ開状態にされる開閉弁５３と、ここから真空チャンバ蓋部３に向けて延び途中で配管８１，８２等に分岐して最終的にプラズマ用ガス送給路２３に連通する配管５４とを具えている。そして、ガスボンベ５１にはアルゴン等の非反応性ガスが充填され、その非反応性ガスからなるプラズマ用ガスＡは、開閉弁５３が開のとき、マスフローコントローラ５２の設定に対応した流量だけ、配管５４，８１，８２を介してプラズマ用ガス送給路２３に送り込まれる。これにより、配管５４，８１，８２は、プラズマ発生空間２２にプラズマ用ガスＡを導入する第１のガス導入路となっており、また、ガスボンベ５１は、非反応性ガスのみをプラズマ用ガスＡとして第１のガス導入路へ送給するものとなっている。
【００３５】
処理ガス供給ユニット７０は、処理ガスＢを貯留するガスボンベ７１と、図示しないメインコントローラ等の制御に従ってガスボンベ７１からのガス流出量を調節するマスフローコントローラ７２と、安全や保守作業等を考慮してマスフローコントローラ７２に従属接続されガス供給時のみ開状態にされる開閉弁７３と、ここから真空チャンバ蓋部３に向けて延び適宜分岐しながら更にアノード部１１に至りその中で分配されて最終的に処理ガス供給口１５に連通する配管７４とを具えている。そして、ガスボンベ７１にはフロンガスやシランガス等の反応ガスに適量の希釈ガスを混合させたもの等が充填され、その反応ガスを含んだ処理ガスＢは、開閉弁７３が開のとき、マスフローコントローラ７２の設定に対応した流量だけ、配管７４を介して処理ガス供給口１５に送り込まれる。これにより、配管７４は、第１のガス導入路と別個に設けられプラズマ処理空間１３に処理ガスＢを導入する第２のガス導入路となっており、また、ガスボンベ７１は、反応ガス成分を含むガスを処理ガスＢとして第２のガス導入路へ送給するものとなっている。
【００３６】
添加ガス供給ユニット６０は、添加ガスＣを貯留するガスボンベ６１と、図示しないメインコントローラ等の制御に従ってガスボンベ６１からのガス流出量を調節するマスフローコントローラ６２と、安全や保守作業等を考慮してマスフローコントローラ６２に従属接続されガス供給時のみ開状態にされる開閉弁６３と、ここから真空チャンバ蓋部３に向けて延び途中で適宜分岐しながら配管８２に至りそこで合流することで最終的にはプラズマ用ガス送給路２３に連通する配管６４とを具えている。そして、添加ガスＣは、開閉弁６３が開のとき、マスフローコントローラ６２の設定に対応した流量だけ、配管６４，８２を介してプラズマ用ガス送給路２３に送り込まれる。これにより、配管６４，８２は、プラズマ発生空間２２に添加ガスＣを導入する第３のガス導入路となっている。
【００３７】
また、ガスボンベ６１には酸素ガスが充填され、これによってガスボンベ６１は、酸素ガスを添加ガスＣとして第３のガス導入路へ送給するものとなっている。そして、その酸素ガスは、プラズマ処理空間１３内の被処理物１から生じる副生成物に対応した副次ガスとなっている。すなわち、シリコンウエハ等のエッチングに際し、その表面の有機レジストから炭素や酸素等を含んだ副生成物が発生し、これがガスやイオンの状態になってプラズマ処理空間１３内の低温プラズマ１０に混入してエッチング特性に影響を及ぼすが、そのうち酸素や酸化物は、適度な濃度であればエッチング抜け性やエッチング形状の改善に寄与する。そこで、添加ガスＣとして、酸素ガスが用いられる。
【００３８】
配管等ユニット８０には、上記の配管５４が分岐してからプラズマ用ガス送給路２３に至るまでのところ即ち配管８１及び配管８２のところが該当する。配管８１は、配管５４から分岐してそのままプラズマ用ガス送給路２３の一つに連通するが、そのプラズマ用ガス送給路２３は内側から数えて２番目である。符号や詳細な図示は割愛したが、内側から数えて３番目以降の外側のプラズマ用ガス送給路２３に対しても配管５４から分岐した配管がそのまま連通する。これに対し、配管８２は、最も内側のプラズマ用ガス送給路２３に連通する。しかも、配管５４から分岐してプラズマ用ガス送給路２３に至る途中で添加ガス供給ユニット６０からの配管６４が連結されている。そして、プラズマ用ガスＡは、総てのプラズマ用ガス送給路２３に分配されるが、添加ガスＣは、配管８２のところでプラズマ用ガスＡに合流して、最内側のプラズマ用ガス送給路２３にだけ送り込まれるので、中央部分では添加ガスＣがプラズマ用ガスＡに混合されるのに対し、周辺部分では混合されない。これにより、配管等ユニット８０は、プラズマ発生空間２２への導入に際してプラズマ用ガスＡと添加ガスＣとを混合するとともにその混合に際して混合割合の分布を局所的に異ならせる混合手段となっている。
【００３９】
このような第１実施例のプラズマ処理装置について、その使用態様及び動作を説明する。
【００４０】
使用時には、真空チャンバ蓋部３が閉められて、真空チャンバ本体部２の内部さらにはプラズマ処理空間１３及びプラズマ発生空間２２も密閉される。それから、可動壁体４０がカソード部１２よりも下方へ下げられ、その状態で真空チャンバ２，３内へ図示しない基板搬入口等を介して横から水平状態の基板１が搬入され、この基板１がカソード部１２の上面に載置される。そして、基板搬入口等が閉められると同時に真空ポンプ５による真空引きが行われる。このとき、ゲートバルブ４は開状態にされたままであり、真空チャンバ２，３内は速やかに真空状態となる。
【００４１】
それから、モータ４４を回転させて可動壁体４０をアノード部１１に当接しない程度に上昇させ、プラズマ用ガス供給ユニット５０によるプラズマ用ガスＡの供給や，添加ガス供給ユニット６０による添加ガスＣの供給，処理ガス供給ユニット７０による処理ガスＢの供給などを適宜に開始すると、可動壁体４０の上端とアノード部１１の下面との間に形成される隙間４５を絞りとしてプラズマ処理空間１３内の圧力が適度に保たれる。このとき、プラズマ用ガスＡは、分散配置のプラズマ発生空間２２及び連通口１４を経由して、一様分布に近い分配状態でプラズマ処理空間１３に流入する。また、処理ガスＢも、多数の処理ガス供給口１５を介して、やはり一様分布に近い分配状態でプラズマ処理空間１３に流入する。ただし、添加ガスＣは、中央部分のプラズマ用ガスＡにだけ混合されているので、流れ込んだ中央部分では濃くなるが、隙間４５に向けて流れながら広がるので、周辺部分では外側ほど薄くなる。
【００４２】
また、隙間４５による絞り部はプラズマ処理空間１３の上部周辺にほぼ一様に展開して形成され、プラズマ処理空間１３内圧力とその外側の真空チャンバ内圧力との差に応じて、絞り部の何処でもガス等の通過流体の流れが概ね同様の状態となるので、プラズマ処理空間１３内のガス状態はほぼ対称形で均一性の高いものとなる。さらに、このような圧力状態はプラズマ処理空間１３にプラズマが形成されたときにも継続するので、以下に述べるエッチング処理における低温プラズマ１０の状態も、ほぼ対称形で均一性の高いものとなる。
これで、カソード部１２上に乗載された基板１に対するプラズマエッチング処理の準備が調う。
【００４３】
次に、ＲＦ電源３２を作動させると、プラズマ発生空間２２内にコイル２４を介してＲＦ電磁界が印加され、プラズマ用ガスＡの電子が激しく運動させられる。このとき、電子は、永久磁石片２５による磁気回路の働きによってプラズマ発生空間２２に長く留まり、環状空間内を螺旋運動しながら飛び回ってプラズマ用ガスＡ及び添加ガスＣを励起させる。こうして、高密度プラズマ２０が発生するが、プラズマ発生空間２２に封じられた電子にはイオン種生成に大きく寄与する１０〜１５ｅＶ以上の高いエネルギーのものが多く含まれているので高密度プラズマ２０はイオン種成分の比率が高い。そして、プラズマ発生空間２２で膨張した高密度プラズマ２０は、特にそのラジカル種およびイオン種成分は、膨張圧力によって速やかにプラズマ処理空間１３へ運ばれる。
【００４４】
また、ＲＦ電源３１を作動させると、プラズマ処理空間１３にもアノード部１１及びカソード部１２を介してＲＦ電界が印加される。こちらには電子を封じ込める磁気回路等がないので、処理ガスＢ等が励起されても高密度プラズマができないで、低温プラズマ１０となる。ＲＦ電源３１からのパワーだけの場合、低温プラズマ１０は、１０〜１５ｅＶ以上のエネルギーを持った電子が少ないので、ラジカル種成分の比率が高くなる。もっとも、この装置における低温プラズマ１０の場合は、上述の高密度プラズマ２０が混合されるので、実際のラジカル種成分とイオン種成分との比率は、両者の中間における何れかの比率となる。
【００４５】
そして、ＲＦ電源３１，３２の出力を適宜アップダウンさせると、それに対応して低温プラズマ１０におけるラジカル種成分とイオン種成分との比率が変化する。その可変範囲は、従来のほとんど総ての機種をカバーしうるほど広範に亘っている。
こうして、基板１の材質や処理ガスＢの特質などに基づき、そのときのエッチングにとって最適な条件の下で効率よくエッチング処理が進む。
【００４６】
しかも、プラズマ発生空間２２の断面積がプラズマ処理空間１３の断面積よりも遥かに小さくなっているので、高密度プラズマ２０がプラズマ発生空間２２からプラズマ処理空間１３へ速やかに送り出されるうえに、そもそもプラズマ処理空間１３からプラズマ発生空間２２へ逆流して入り込むガス量が少ないので、処理ガスＢが高密度プラズマ２０で直接に励起されて不所望なまで分解・電離するということがほとんど無くて、良質なプラズマによるエッチング処理が効率よく進む。そして、その際に、処理ガスＢ等がプラズマ処理空間１３内にほぼ一様に分布し、その低温プラズマ１０によって基板１の主表面では概ね全域に亘ってエッチングレート等が揃い、均一なエッチング処理がなされる。
【００４７】
また、このようなエッチングに伴い、基板１の主表面に塗布されている有機レジストから、上述したように酸素を含んだ副生成物が発生するが、その濃度分布は、中央から周辺に向かう低温プラズマ１０の流れに乗って重畳するので、中央部分では薄いが、周辺部分では外側ほど濃くなる。この分布は、上述した添加ガスＣの濃度分布と反対になる。そして、両者を併せると、酸素ガス成分も、プラズマ処理空間１３内でほぼ一様に分布し、その低温プラズマ１０によって基板１の主表面では概ね全域に亘ってエッチング抜け性や形状等も揃い、均一なエッチング処理がなされる。
こうして、副生成物の濃度分布も改善されて、巨視的・大域的な均一性に止まらず、微視的・局所的な均一性も得られる。
【００４８】
【第２実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第２実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図４は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図１に対応している。
このプラズマ処理装置が（図４参照）、第１実施例（図１参照）のと相違するのは、ガスボンベ６１に対し酸素ガスでなく例えばキセノンガスが充填される点と、配管等ユニット８０の配管接続状態が変更された点である。
【００４９】
キセノンやヘリウム等は、非反応性ガスという点でガスボンベ５１のアルゴンと共通するが、同じプラズマ発生空間２２で同様に励起されてプラズマになったときでもその温度が違ってくる。これにより、ガスボンベ６１は、プラズマ用ガスＡとは成分の異なる非反応性ガスのみを添加ガスＣとして第３のガス導入路６４へ送給する手段となっている。
また、配管等ユニット８０では、配管６４の合流先が、配管５４の分岐管のうち内側のプラズマ用ガス送給路２３に至る配管８２でなくて最も外側のプラズマ用ガス送給路２３に至る配管になっている。
【００５０】
この場合、流量制御弁６２によって添加ガスＣの流量が可変されると、プラズマ処理空間１３の周辺部分で、アルゴンに対するキセノンの混合割合が変化し、それに応じてそこの低温プラズマ１０の温度が上下する。添加ガスＣの流量はプラズマ用ガスＡや処理ガスＢに比べて少量なので、処理ガスＢ等の濃度分布は、ほとんど変わらない。
こうして、処理ガスＢの濃度分布に基づく均一処理を損なうこと無く、周辺部でのプラズマ温度の低下等に起因して生ずる異質の局所的な不均一を補償することができる。
【００５１】
【第３実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第３実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図５は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図１及び図４に対応している。
このプラズマ処理装置が（図４参照）、第１実施例（図１参照）のと相違するのは、配管等ユニット８０の配管接続状態等が変更されている点である。
【００５２】
すなわち、上述の例では配管６４の合流先が最内側のプラズマ用ガス送給路２３だけに向けられていたのに対し、この例では、配管６４が、先ず分岐してから、それぞれの分岐管が配管５４の分岐管に合流することで、最外側を除く内側の複数個のプラズマ用ガス送給路２３に向けられ、添加ガスＣが分配されるようになっている。また、配管６４が分岐する度にオリフィス８３が挿着されて、外側の分岐管ほど絞りが多段に働いて流量が絞られるが、オリフィス８３の穴径を加減したりオリフィス８３を取り外したりすることで、添加ガスＣの分配状態を調節・変更することが可能である。これにより、この配管等ユニット８０は、プラズマ発生空間２２への導入に際してプラズマ用ガスＡと添加ガスＣとを混合するとともにその混合に際して混合割合の分布を局所的に異ならせ得る混合手段となっている。
【００５３】
この場合、添加ガスＣは、やはり中央部分で濃く周辺部分で薄くなるが、中間でも幾分追加されるので、その濃度変化が緩やかになる。
こうして、副生成物の濃度分布の改善等が、上述の例の場合より、きめ細かく適切になされる。
【００５４】
【第４実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第４実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図６は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図５に対応している。
【００５５】
このプラズマ処理装置が（図６参照）、第３実施例（図５参照）のと相違するのは、処理ガス供給口１５が内周部分から外周部分へ４区分された点と、配管７４も先ず分岐してからそれぞれの分岐管が各区分の処理ガス供給口１５に連通するようになった点と、配管７４が分岐するところのうち内側２箇所にチョーク８４が介挿された点である。
この場合、処理ガスＢについても、中央寄りのところでは、その分布状態を変更することが可能である。しかも、チョーク８４を手動操作することで、装置が作動中であっても、分布状態を微調整することができる。
【００５６】
【第５実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第５実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図７は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図６に対応している。
【００５７】
このプラズマ処理装置が（図７参照）、第４実施例（図６参照）のと相違するのは、配管６４も配管５４と同数に分岐してそれぞれ合流している点と、チョーク８４が配管５４，６４，７４の分岐管それぞれに挿入された点である。
この場合、プラズマ用ガスＡと添加ガスＣとの混合割合の分布を各区分に対応した局所ごとに異ならせることが可能となる。また、各ガスＡ，Ｂ，Ｃ何れについても、濃淡双方向に調整することができる。
【００５８】
【第６実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第６実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図８は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図７に対応している。
【００５９】
このプラズマ処理装置が（図８参照）、第５実施例（図７参照）のと相違するのは、チョーク８４が何れもマスフローコントローラ８５によって置換された点である。なお、これに伴い、マスフローコントローラ５２，６２，７２は、省略されている。
この場合、各マスフローコントローラ８５の流量をいわゆるレシピとして図示しないメインコントローラ等に予め設定しておくことで、プラズマ用ガスＡの濃度分布、それに対する添加ガスＣの混合割合の分布、さらに処理ガスＢの濃度分布を、自動的に調節することができる。
【００６０】
【第７実施例】
本発明のプラズマ処理装置の第７実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図９は、一部を断面で示した全体模式図であり、上記の図８に対応している。
【００６１】
このプラズマ処理装置が（図９参照）、第６実施例（図８参照）のと相違するのは、添加ガス供給ユニット９０が追加された点である。添加ガス供給ユニット９０は、添加ガス供給ユニット６０と同様にガスボンベ９１と開閉弁９３と配管９４とからなり、添加ガスＤを供給する。そして、その配管９４も、配管６４同様に分岐してから個々にマスフローコントローラ８５を介挿され、それぞれの分岐管ごとに配管６４の分岐管に合流する。
この場合、ガスボンベ６１には酸素ガスが充填され、ガスボンベ９１にはヘリウムガスが充填されて、それぞれレシピに応じた適宜な分布でプラズマ発生空間２２そしてプラズマ処理空間１３へ導入される。
【００６２】
【変形例】
上述の実施例では、プラズマ用ガスＡと添加ガスＣ，Ｄとの混合を配管等ユニット８０にて行うようにしたが、その混合箇所は、配管部に限られるものでなく、プラズマ用ガス送給路２３や、プラズマ発生空間２２であっても良い。
また、添加ガスＣ，Ｄのうち一定分布の混合割合を担う分については、ガスボンベ６１，９１に限らず、予めガスボンベ５１やガスボンベ７１に混入されていても良い。
添加ガスＣ，Ｄとしては、酸素の他、窒素も使用され、これはエッチング及びＣＶＤの双方に役立つ。窒素酸化物（Ｎ₂Ｏ，ＮＯ₂ ）や炭素系（ＣＯ₂ ，ＣＯ）も良い。
【００６３】
さらに、上述の実施例では、プラズマ空間がプラズマ発生空間とプラズマ処理空間とに分離されているものを具体例に挙げたが、本発明の適用は、そのような場合に限定されるものでなく、プラズマ発生空間がプラズマ処理空間から分離されていない場合でも、プラズマ用ガスＡが処理ガスＢとは別個にプラズマ処理空間へ導入されるようにするとともに、その導入に際してプラズマ用ガスＡに添加ガスＣを混合させることで、可能となり、相応の効果が得られる。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ用ガスと処理ガスとを別個に導入して巨視的・大域的な均一性を確保するとともに、それでも残る微視的・局所的な不均一性に混合割合の分布を対応させて添加ガスも導入しうるようにしたことにより、巨視的・大域的な均一性を損なうこと無く微視的・局所的な均一性も改善され、その結果、プラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することができたという有利な効果が有る。
【００６５】
また、本発明の第２の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ用ガスと処理ガスとをそれぞれプラズマ発生空間とプラズマ処理空間へ別個に導入して良質性および巨視的・大域的な均一性を確保するとともに、それでも残る微視的・局所的な不均一性に混合割合の分布を対応させて添加ガスも導入しうるようにしたことにより、巨視的・大域的な均一性等を損なうこと無く微視的・局所的な均一性も改善され、その結果、プラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【００６６】
さらに、本発明の第３の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ処理に伴って生じる副生成物の偏在が添加ガスによって直接的に解消されるようにしたことにより、副生成物に起因した微視的・局所的な不均一性を的確に改善することができたという有利な効果が有る。
【００６７】
また、本発明の第４の解決手段のプラズマ処理装置にあっては、非反応性ガスの混合割合に基づくプラズマ温度分布の局所的変動を介して間接的に微視的・局所的な不均一性が改善されるようにしたことにより、巨視的・大域的な観点に加えて微視的・局所的な観点からもプラズマ処理の均一性に優れたプラズマ処理装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の第１実施例について、一部を断面で示した全体模式図である。
【図２】そのうちプラズマ発生空間周りの縦断面斜視図である。
【図３】それにプラズマ処理空間等を加えた縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施例についての全体模式図である。
【図５】本発明の第３実施例についての全体模式図である。
【図６】本発明の第４実施例についての全体模式図である。
【図７】本発明の第５実施例についての全体模式図である。
【図８】本発明の第６実施例についての全体模式図である。
【図９】本発明の第７実施例についての全体模式図である。
【符号の説明】
１基板（ウエハ、処理対象物、被処理物）
２真空チャンバ本体部（真空チャンバ）
２ａ吸引口
３真空チャンバ蓋部（真空チャンバ）
４ゲートバルブ（仕切弁）
５真空ポンプ
１０低温プラズマ
１１アノード部（平行平板の一方、第１印加回路、第１機構）
１１ａアッパーサポート
１２カソード部（平行平板の他方、第１印加回路、第１機構、基板支持体）
１２ａローアーサポート
１３プラズマ処理空間
１４連通口
１５処理ガス供給口（第２のガス導入路）
２０高密度プラズマ
２１プラズマ発生チャンバ（隣接機構部、第２機構）
２２プラズマ発生空間
２３プラズマ用ガス送給路（第１のガス導入路兼第３のガス導入路）
２４コイル（第２印加回路）
２５永久磁石片（磁気回路用の磁性部材）
３１ＲＦ電源（第１印加回路）
３２ＲＦ電源（第２印加回路）
４０可動壁体（可変絞り）
４１ベローズ（蛇腹、壁体駆動機構）
４２ボールネジ（進退駆動軸、壁体駆動機構）
４３サポート（支柱、壁体駆動機構）
４４モータ（電動機、壁体駆動機構）
４５絞り部
５０プラズマ用ガス供給ユニット（非反応ガス送給装置、第１ガス供給源）
５１ガスボンベ（ガス貯留部）
５２マスフローコントローラ（流量制御弁、流量可変部）
５３開閉弁
５４配管（第１のガス導入路）
６０添加ガス供給ユニット（副次ガス送給装置、第３ガスの供給源）
６１ガスボンベ（ガス貯留部）
６２流量制御弁（流量可変部）
６３開閉弁
６４配管（第３のガス導入路）
７０処理ガス供給ユニット（反応ガス送給装置、第２ガスの供給源）
７１ガスボンベ（ガス貯留部）
７２流量制御弁（流量可変部）
７３開閉弁
７４配管（第２のガス導入路）
８０配管等ユニット（第１ガスと第３ガスとの混合手段）
８１配管（分岐管、第１のガス導入路）
８２配管（分岐管、第１のガス導入路兼第３のガス導入路）
８３オリフィス（混合率分布調整手段）
８４チョーク（可変絞り、混合率分布調整手段）
８５マスフローコントローラ（流量制御弁、混合率分布調整手段）
９０添加ガス供給ユニット（非反応性ガス等送給装置、第３ガスの供給源）
９１ガスボンベ（ガス貯留部）
９３開閉弁
９４配管（第３のガス導入路）

Claims

対向電極となる一対の平行平板であるアノード部とカソード部間にプラズマ処理空間が形成された第１機構と、
前記第１機構のアノード部に取着して又は一体的に設けられ、プラズマ発生空間が形成された第２機構とを具え、
前記プラズマ発生空間が前記プラズマ処理空間に隣接し且つ連通しているプラズマ処理装置において、
前記第１機構には前記プラズマ発生空間と前記プラズマ処理空間との連通口および処理ガスの供給口が設けられ、
前記第２機構のプラズマ発生空間は複数の同心円状の環状溝から成り、前記環状溝の底部には少なくともプラズマ用ガスを供給する供給口が設けられ、
前記第２機構の前記プラズマ用ガスの供給口を経て前記プラズマ発生空間にプラズマ用ガスを導入する第１のガス導入路と、
前記第１機構の前記処理ガスの供給口を経て前記プラズマ処理空間に処理ガスを導入する第２のガス導入路と、
前記複数のプラズマ発生空間の内の少なくとも一部のプラズマ発生空間に前記プラズマ用ガスおよび前記処理ガスとは成分又は成分割合の異なる添加ガスを導入する第３のガス導入路と、
前記プラズマ用ガスおよび前記添加ガスの前記プラズマ発生空間への導入に際して、ガスの混合割合の分布が異なるように前記第１のガス導入路のプラズマ用ガスと前記第３のガス導入路の添加ガスとを混合する混合手段と
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記混合手段は、前記複数のプラズマ発生空間の内の内側の一部のプラズマ発生空間へ導入される前記プラズマ用ガスと前記添加ガスとを混合するように構成され、
更に、非反応性ガスのみを前記プラズマ用ガスとして前記第１のガス導入路へ送給する手段と、
反応ガス成分を含むガスを前記処理ガスとして前記第２のガス導入路へ送給する手段と、
前記プラズマ処理空間内の被処理物から生じる副生成物に対応した副次ガスを含むガスを前記添加ガスとして前記第３のガス導入路へ送給する手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
前記混合手段は、前記複数のプラズマ発生空間の内の外側の一部のプラズマ発生空間へ導入される前記プラズマ用ガスと前記添加ガスとを混合するように構成され、
更に、非反応性ガスのみを前記プラズマ用ガスとして前記第１のガス導入路へ送給する手段と、
反応ガス成分を含むガスを前記処理ガスとして前記第２のガス導入路へ送給する手段と、
前記プラズマ用ガスとは成分又は成分割合の異なる非反応性ガスのみを前記添加ガスとして前記第３のガス導入路へ送給する手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
前記連通口の断面積がプラズマ発生空間の横断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
前記カソード部が上下動可能に嵌合し、全周縁にほぼ同一の隙間ができるように、前記プラズマ処理空間の側面周辺を塞ぐ可動壁体を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。