JP6645921B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
(比較例)
まず、本発明の実施形態を述べるために比較例として、一般的なプラズマ処理装置について説明する。
図1は、比較例に係るプラズマ処理装置10xの概略構成図である。プラズマ処理装置10xは、平行平板型のRIE(Reactive Ion Etching)装置であり、チャンバ11、排気口12、プロセスガス導入管13、サセプタ14x、基板電極15、対向電極16、RF高周波電源21a、RF低周波電源21b、整合器22a、22b、フィルタ23a、23bを有する。
排気口12は、図示しない圧力調整バルブ、排気ポンプに接続されている。チャンバ11内の気体は、排気口12から排気され、チャンバ11内が高真空に保たれる。また、プロセスガス導入管13からプロセスガスが導入される場合、プロセスガス導入管13から流入するガスの流量と排気口12から流出するガスの流量が釣り合い、チャンバ11の圧力が一定に保たれる。
また、デポジション系ガスとして、C2F6、C4F6、C4F8、C5F8や、 SF6、Cl2、HBrなどが挙げられる。
これらの中間のガスとして、N2、O2、CO、CF4が挙げられる。
第1の実施形態について説明する。
図2は、第1の実施形態に係るプラズマ処理装置10の概略構成図である。
サセプタ14は、ウエハWを回転する回転機構を有してもよい。この理由は後述するが、ウエハWを引き込み電極31に対して相対的に回転することによって、ウエハWのトレンチの方向と引き込み電極31の方向を一致させたり、角度をもたせたりすることで、効率的な処理が可能となる。
ここで、Va、Vb、Vcともに、一般には高周波と呼ばれるが、それぞれの周波数の違いを説明するため、便宜上Vb、VcをRF低周波電圧と称した。
フィルタ23b(LPF:Low Pass Filter)は、RF高周波電源21aからのRF高周波電圧VaがRF低周波電源21bに入力するのを防止する。
RF低周波電源21cには、他の電源が接続されないため、フィルタの接続は不要である。但し、安全の観点から、フィルタを加えてもよい。
すなわち、スイッチ24b、24cは、基板電極15および引き込み電極31のいずれかを選択して、RF高周波電圧Vb、Vc(第2の高周波電圧)を印加する選択部として機能する。
また、これら曲面、平面の適宜の組み合わせからウエハWに対して非平行な面を構成できる。
以上のように、引き込み電極31がウエハWの側に、ウエハWの主面と平行でない面を有すればよい。
このとき、引き込み電極31の幅(直径)は、0.5〜7mm程度が好ましく、より好ましくは2mm〜5mm程度である。これは、通常のシースSの厚さ0.5mm〜7mm程度と対応している。シースSの形状に影響を与えるには、引き込み電極31の大きさがシースSの厚みと同程度であることが好ましい。
また、引き込み電極31の長さは、ウエハWの直径よりも大きい方が好ましい。ウエハWへ全域へのイオンの斜入射が容易となる。
半円柱とした場合、斜入射を促進する観点から、その球面をウエハWと対向させることが好ましい。
四角柱とした場合、その上面とウエハWが平行であれば、上面自体は斜め電界の発生には事実上寄与しないが、側面部分が斜め電界の発生に寄与する。
短い円柱とした場合、その上面とウエハWが平行であれば、上面自体は斜め電界の発生には事実上寄与しないが、側面部分が斜め電界の発生に寄与する。
図3は、二次元的な格子状の引き込み電極31の一例を表す上面図である。ウエハWの下方から見た状態を表している。
棒状(例えば、円柱形状)の導電性部材311が縦横に一体的に形成されて引き込み電極31となる。
引き込み電極31の全ての領域で、斜め電界を発生するのは困難である。例えば、円棒状の引き込み電極31の中心直上では、その対称性から、シースSとウエハWが平行になる。すなわち、引き込み電極31の直上ではイオンは垂直入射となり、特異点が発生する(図2参照)。
ウエハWの処理(例えば、エッチング)では、面内均一性が重要であり、特異点の存在は好ましくない。この特異点を解消するため、本実施形態では、引き込み電極31を移動機構32によって移動させる。
引き込み電極31をウエハWに沿って動かすと、シースS、ひいては特異点(引き込み電極31の直上であり、斜め成分の電界が発生しない箇所)も追随して動き、ウエハWの全面を特異点が通過する。この結果、ウエハW上での処理が均一化する。
すなわち、引き込み電極31の移動速度は、実用上特に注意する必要はない。この移動速度は、例えば、移動時間10秒で、300mmのウエハWの端から端まで動かすとすると、300mm/10s=30mm/s程度となる。移動速度が30秒だと、移動速度は、300mm/30s=10mm/s程度となる。移動速度は、これら10〜30mm/sより、速くても遅くてもよい。
ただし、MHzオーダーの非常に速いスピードで電極を動かす際には影響が出るので配慮が必要となる。
ウエハWの面内のすべての位置を電極中心(特異点)が等しい回数あるいは時間だけ通過すれば、どのような動作方式でも特異点は解消される。
図4は、引き込み電極31の向きおよび移動方向をウエハWに対して、角度θ変化させた状態を表す模式図である。ウエハWの下方から見た状態を表している。
この角度θの回転は、移動機構32による引き込み電極31の回転を基本として、サセプタ14上でのウエハWの回転(既述のサセプタ14の回転機構による回転)、あるいはこれら双方の回転のいずれでも実現できる。
このようにすることで、360°方向での処理の均一性を確保できる。このような動作は、全方向からの斜め成分を必要とする穴を形成するのに有用である。
また、角度θの刻み幅は、15°以外に、1°など、適宜の値を採用できる。
ここでは、角度θを変えてからスイープし、スイープ中は角度θを一定としたが、角度θの変化とスイープを同時とし、引き込み電極31をウエハWに対して相対的に回転しながら、移動させてもよい。
待避部34への移動に替えて、引き込み電極31を下方に移動させ、基板電極15に接触し同電位としてもよい(図6参照)。すなわち、移動機構32が、適宜に引き込み電極31を基板電極15と接触、離間させる。
ここで、プラズマ処理装置とイオンビーム装置は使用目的や装置構成が大きく異なることに言及しておく。本実施形態にかかるプラズマ処理装置は、プラズマ処理装置に特有のシースSを制御することによりイオンIIの角度制御を行う。一方、同じくプラズマを用いてウエハWなどの基板を処理する装置として、イオンビーム装置がある。このイオンビーム装置でもイオンの入射角度制御は重要であり、例えば、イオンビームの出射角度を制御する方法が提案されている。
最も大きな相違はプラズマと基板の距離である。上述したように、プラズマ処理装置10では、プラズマと処理対象の基板(ウエハW)は接しており、直接処理を行っている。一方、イオンビーム装置では、プラズマの発生位置がウエハと離れている。よって、イオンビーム装置では、出射角度と基板の角度を独立に制御することにより、イオンIIの基板への角度制御が可能である。これに対して、プラズマ処理装置10は、プラズマがウエハに接しており、イオンの角度を制御する際には、プラズマへも同時に影響を与える必要がある。
また、従来のプラズマ処理装置との違いに言及する。従来のプラズマ処理装置において、電極を追加したり、分割したりすることがある。例えば、チャンバの端に電極を追加したり、基板電極を分割したりすることがある。
しかし、これらの電極の追加、分割は、基本的にプロセスの均一性を向上するためのものであり、局所的な電界分布の発生を図る本実施形態の引き込み電極31と目的、追加位置等が大きく異なる。
真空引きされ所定の圧力(例えば、0.01Pa以下)に達したチャンバ11内に、図示しない搬送機構によりウエハWが搬送される。次に、チャックにより、サセプタ14にウエハWが保持される。このとき、基板電極15はウエハWに近接または接触する。
RF低周波電源21cからのRF低周波電圧Vcにより、プラズマPL中のイオンIIが引き込み電極31(ウエハW)に引き込まれる。そして、ウエハWのエッチング処理のしきい値以上のエネルギーを持ったイオンIIにより、ウエハWがエッチングされる。
このとき、引き込み電極31の形状に対応して、ウエハWの面に斜めな方向の電界(斜電界)が生成される。
引き込み電極31は、一軸方向に往復運動しても良いし、図4に示したように、引き込み電極31を回転させて、移動することで、ウエハWへの処理の均一化をさらに向上し、深い穴を効率的に作成できる。
例えば、垂直入射イオンでウエハWにトレンチやビアホールHを形成し(図7(a))、その後に、斜入射イオンで形状(特に、底面の形状)を補正する(図7(b))。その後に、垂直入射、斜入射加工を繰り返してもよい(図7(c)、(d))。
第2の実施形態について説明する。
図8は、第2の実施形態に係るプラズマ処理装置10aの概略構成図である。
ここでは、複数の引き込み電極31は、形状およびサイズが略同一であるが、異なる形状および/または異なるサイズとしてもよい。
複数の引き込み電極31を用いることで、単一の引き込み電極31を用いる場合と比べて、ウエハWの全面をスイープする時間を短縮できる。
複数の引き込み電極31は、所定の間隔で配置される。この間隔は、引き込み電極31の間の空間をいう。この間隔は、シースSの厚さと同程度、すなわち、引き込み電極31の幅と同程度の2mm〜5mmが好ましい。引き込み電極31の間隔を調整することにより、イオンIIの斜め成分の分布を変更できる。
例えば、円柱状の引き込み電極31を11本用いたとする。このとき、各引き込み電極31の受け持つ範囲の幅は300mm/(11−1)=30mmである。各引き込み電極31をその間隔の半分の距離15mmだけ速さ30mm/sで動かせば、各引き込み電極31の受け持つ範囲を処理できる。これは、引き込み電極31を1本用いた場合の1/10の処理時間となる。
このとき、すべての引き込み電極31がウエハWと平行に同じ動きとすることができる。但し、引き込み電極31の全てが、同じ動きでなくてもよい。
全ての引き込み電極31の電圧を同一にしなくともよい。例えば、引き込み電極31を一個おきにアース電位とすることができる。これによりウエハWに平行な方向の電界成分を調整できる。
引き込み電極31の移動と共に印加電圧を変化させてもよい。
また、引き込み電極31を上下に移動させる場合、ウエハWとの距離を引き込み電極31ごとに変えてもよい。
第3の実施形態について説明する。
図9は、第3の実施形態に係るプラズマ処理装置10bの概略構成図である。
切替機構25(複数のスイッチの切り替え)によって、RF低周波電圧Vcが印加される引き込み電極31を選択できる。
ここでは、12本の引き込み電極31に順に電極番号E1〜E12を付与している。ここで、電極番号Ei(iは、1〜12の整数)をONとし、他の電極をOFFとする。この番号iを1から順に12まで変化させ、RF低周波電圧Vcを印加する電極を変更していく。この結果、シースSおよび電界を移動することができる。すなわち、引き込み電極31を機械的に動かした場合と同様に、電界の斜め成分をウエハWに対してスイープできる。
電極番号Eiを切り替える時間(電極番号Eiへの電圧印加の継続時間)は、例えば、1秒である。切り替え時間は、1秒より短くてもよい。
電極番号E1〜E12の引き込み電極31の切替は、複数回繰り返してもよい。また、電極番号E1〜E12の切替の後に、電極番号E12〜E1の逆順で切り替え、往復させてもよい。
図13は、第4の実施形態に係るプラズマ処理装置10cの概略構成図である。このプラズマ処理装置10cは、チャンバ11、排気口12、プロセスガス導入管13、サセプタ14、RF高周波電源21a、RF低周波電源21c、整合器22a、22c、スイッチ24c、窓111、誘導コイル27、引き込み電極31、移動機構32、接続部33、待避部34を有する。
窓111は、チャンバ11内を大気から遮断し、かつ誘導コイル27からの磁界を通過させる。窓111には、例えば、石英等の非磁性体の板が用いられる。誘導コイル27は、チャンバ11の外に配置される。誘導コイル27にRF高周波電源21aからの高周波電圧が印加されることで、変動する磁界が発生し、チャンバ11内のプロセスガスがイオン化し、プラズマPLが発生する。なお、チャンバ11の壁面は、接地されている。
引き込み電極31の個数、形状、動かし方は第1〜第3の実施形態と同様に考えてよい。
トータルIADFは、左右それぞれに同程度のピークを持つ。この2つのピークはそれぞれ左右からの斜め入射に対応する。
なお、左右のピークに若干差異があるが、これは一種の誤差である。均一なプロセスでは本来対称な分布となる。
0度にある弱いピークは特異点による垂直入射成分であり、引き込み電極31を繰り返し、評価点Pを通過させることで相対的に低下できる。
11 チャンバ
111 窓
12 排気口
13 プロセスガス導入管
14 サセプタ
15 基板電極
16 対向電極
21a 高周波電源
21b 低周波電源
21c 低周波電源
22a−22c 整合器
23a−23b フィルタ
24b スイッチ
24c スイッチ
25 切替機構
27 誘導コイル
31 電極
32 移動機構
33 接続部
34 待避部
Claims (16)
- チャンバと、
前記チャンバ内にガスを導入する導入部と、
前記ガスからイオンを発生させるための第1の電圧を出力する第1の電源と、
基板を保持する保持部と、
前記基板を挟んで、前記イオンと対向するように配置され、前記基板に対して非平行な面を有する電極と、
前記電極を挟んで、前記基板と対向するように配置される基板電極と、
前記イオンを引き込むための、前記第1の電圧より周波数の低い、第2の電圧を前記電極に印加する第2の電源と、
前記電極を前記基板の主面に沿って移動させる移動機構と、を具備し、
前記移動機構は、前記電極を前記基板電極と接触、離間させる、
プラズマ処理装置。 - チャンバと、
前記チャンバ内にガスを導入する導入部と、
前記ガスからイオンを発生させるための第1の電圧を出力する第1の電源と、
基板を保持する保持部と、
前記基板を挟んで、前記イオンと対向するように配置される電極と、
前記電極を挟んで、前記基板と対向するように配置される基板電極と、
前記第1の電圧より周波数の低い、第2の電圧を前記電極に印加する第2の電源と、
前記電極を前記基板の主面に沿って移動させる移動機構と、を具備し、
前記移動機構は、前記電極を前記基板電極と接触、離間させる、
プラズマ処理装置。 - 前記電極が、棒状である、
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極が0.5mm以上の幅、前記基板の直径より大きな長さを有する、
請求項3に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極が、前記基板上方から見て円形である、
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。 - 前記移動機構が、前記電極を直線運動あるいは往復運動させる、
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。 - 前記基板を挟んで、前記イオンと対向するように、前記電極と並んで配置され、前記第2の電圧が印加される第2の電極をさらに具備する、
請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極および前記第2の電極の形状およびサイズが略同一である
請求項7に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極と前記第2の電極の間隔が5mm以下である
請求項7または8に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極および前記第2の電極に電圧が交互に印加される
請求項7乃至9のいずれか1項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電極と前記第2の電極に印加される電圧が異なる、
請求項10に記載のプラズマ処理装置。 - 前記第2の電極の電圧がアース電位である、
請求項11に記載のプラズマ処理装置。 - 前記イオンを挟んで、前記基板と対向するように配置され、前記第1の電圧が印加される対向電極と、をさらに具備する
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。 - 前記基板電極および前記電極のいずれかを選択して、前記第2の電圧を印加する選択部
をさらに具備する請求項13に記載のプラズマ処理装置。 - 前記第1の電圧が印加されて、前記ガスをイオン化するコイルをさらに具備する
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置。 - 基板と、この基板に対して非平行な面を有する電極と、前記電極を挟んで、前記基板と対向するように配置される基板電極と、が内部に配置されるチャンバを用意する工程と、
前記チャンバ内にガスを導入する工程と、
第1の電圧によって前記ガスからイオンを発生させる工程と、
前記第1の電圧より周波数の低い、第2の電圧を前記電極に印加して、前記イオンを前記基板に対して斜入射させる工程と、
前記電極を前記基板の主面に沿って移動させる工程と、
前記電極を前記基板電極と接触させる工程と、
を具備するプラズマ処理方法。
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