JP7079947B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本開示の例示的実施形態は、プラズマ処理装置及び下部ステージに関する。

従来のプラズマ処理装置は、特許文献１～２に記載されている。同文献では、上部電極と下部電極との間の距離を、両電極間に形成される電界の強度分布が、被処理部材の処理面に平行な面内で、より均一となるよう、面内で部分的に異ならせている。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。一般的には、電磁波をウェハの表面に対して垂直に放射する構造が知られている。

特開平９－３１２２６８号公報 特開２０１４－５３３０９号公報

プラズマの面内均一性を向上可能なプラズマ処理装置及びこれに用いる下部ステージが期待されている。

一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置において、下部ステージは、上部電極との間にプラズマを発生させる。下部ステージは、セラミックスからなる下部誘電体と、下部誘電体内に埋設された下部電極と、下部誘電体内に埋設された発熱体と、を備えている。下部誘電体の中央領域の上部表面と下部電極との間の離隔距離ｄ_{ｃｅｎｔｅｒ}よりも、下部誘電体の外縁位置の上部表面と下部電極との間の離隔距離ｄ_ｅｄｇｅは小さい。下部電極は、上記外縁位置と上記中央領域との間に、上記上部表面に対して傾斜した傾斜領域を有している。上部電極と下部電極との間には、ＶＨＦ電力が供給される。下部電極の中心における厚み方向の法線の下向き方向をＺ軸、このＺ軸に垂直なＸ軸、このＺ軸とＸ軸の双方に垂直なＹ軸を有する三次元直交座標系を設定し、座標系の原点を下部誘電体の上部表面の重心位置とした場合、下部誘電体の比誘電率をε _ｒ 、光速をｃ、ＶＨＦ電力の周波数をｆ、円周率をπ、ＶＨＦ電力の誘電体中の波数をｋ（＝（ε _ｒ ） ^０．５ ・２πｆ／ｃ）、とすると、ＸＺ平面内における前記下部電極の上部表面の位置（ｘ、ｚ）は、以下の方程式：ｄｘ／ｄｚ＝－２／ｘｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）を満たすように設定される。

一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置及びこれに用いる下部ステージによれば、プラズマの面内均一性を向上可能である。

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、メッシュ形状の下部電極の平面図である。 図３は、中心からの径方向の距離ｒ（ｍｍ）と位置ｚ（ｍｍ）との関係を示すグラフである。

以下、種々の例示的実施形態について説明する。

一つの例示的実施形態において、下部ステージは、上部電極との間にプラズマを発生させるための下部ステージを対象とする。下部ステージは、セラミックスからなる下部誘電体と、下部誘電体内に埋設された下部電極と、下部誘電体内に埋設された発熱体と、を備えている。下部誘電体の中央領域の上部表面と下部電極との間の離隔距離ｄ_{ｃｅｎｔｅｒ}よりも、下部誘電体の外縁位置の上部表面と下部電極との間の離隔距離ｄ_ｅｄｇｅは小さい。下部電極は、上記外縁位置と上記中央領域との間に、上記上部表面に対して傾斜した傾斜領域を有している。

下部電極はメッシュ状、薄膜状、または印刷法により形成されたものであり、セラミックス内に埋設されている。この場合、下部誘電体が、下部電極と共に、面内における電界ベクトル群を、下部ステージ表面に対して、垂直になるように、曲げる傾向がある。したがって、下部ステージ上にＶＨＦ波を導入して、プラズマの発生させる場合には、プラズマの面内での均一性が向上する。

一つの例示的実施形態において、下部ステージを備えたプラズマ処理装置は、上部電極と下部電極との間には、ＶＨＦ電力が供給されることができる。ＶＨＦ波により、上部電極と下部電極との間に、プラズマが発生する。

一つの例示的実施形態において、プラズマ処理装置は、下部電極の中心における厚み方向の法線の下向き方向をＺ軸、このＺ軸に垂直なＸ軸、このＺ軸とＸ軸の双方に垂直なＹ軸を有する三次元直交座標系を設定する。座標系の原点を下部誘電体の上部表面の重心位置とした場合、下部誘電体の比誘電率をε_ｒ、光速をｃ、ＶＨＦ電力の周波数をｆ、円周率をπ、ＶＨＦ電力の誘電体中の波数をｋ（＝（ε_ｒ）^０．５・２πｆ／ｃ）とする。ＸＺ平面内における下部電極の上部表面の位置（ｘ、ｚ）は、以下の方程式：ｄｘ／ｄｚ＝－２／ｘｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）を満たすように設定される。この場合、導体としての下部電極の表面に対して、電界が発生するが、この電界が、プラズマ発生空間内における電界の横方向成分を相殺することができる。

また、一つの例示的実施形態において、セラミックスの材料は、ＡｌＮであることができる。ＡｌＮは、耐熱性が高いため、プラズマに対して耐性が高いという利点がある。

また、一つの例示的実施形態において、ＶＨＦ電力は、ＶＨＦ波として処理容器の側方から上部電極と下部ステージとの間の空間内に導入されることができる。ＶＨＦ波は、導波管を介して、処理容器内に導入することができ、ＶＨＦ波により、上部電極と下部電極との間に、プラズマが発生する。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。

一つの例示的実施形態において、下部ステージは、上下方向に移動できるように駆動されることができる。

すなわち、下部ステージの位置を移動させることで、プラズマの分布状態を変化させることができるので、最も均一で安定してプラズマが発生するように下部ステージを移動させることで、プラズマの面内均一性を高めることができる。
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、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置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。

プラズマ処理装置１００は、下部ステージＬＳを備えている。下部ステージＬＳは、上部電極５との間にプラズマを発生させるための下部ステージである。下部ステージＬＳは、セラミックスからなる下部誘電体８と、下部誘電体８内に埋設された下部電極６と、下部誘電体８内に埋設された温度調節装置ＴＥＭＰ（発熱体を含む）とを備えている。

なお、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。上部電極５には、下面に凹部を設け、この凹部内には、上部誘電体を配置することとしてもよい。一例として、空間ＳＰの横方向端部には、ＶＨＦ波導入部９を設けることができる。

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。

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。メッシュ状の下部電極６は、ＶＨＦ波に対して影響を与える下部誘電体８の実効的な形状を変形するために用いられている。すなわち、下部誘電体８の中央領域の上部表面と、下部電極６との間の離隔距離ｄ_{ｃｅｎｔｅｒ}よりも、下部誘電体８の外縁位置の上部表面と下部電極との間の離隔距離ｄ_ｅｄｇｅは小さい。また、下部電極６は、外縁位置と中央領域との間に、上部表面（ＸＹ平面）に対して傾斜した傾斜領域を有している。本例では、下に窪んだ形状を有しており、中央を除く全体が傾斜領域である。ＶＨＦ波に対しては、下部誘電体８は、実効的には、中央部では厚みが厚く、外周部では厚みが薄いものと同様に作用する。

図２は、メッシュ形状の下部電極の平面図である。図２に示すように、下部電極６はメッシュ状であり、導電体からなる外枠部分６Ａと、外枠部分６Ａ内に指示された導体からなるメッシュ本体６Ｂを備えている。メッシュにおける１つの開口の大きさは、１ｍｍ程度であり、電磁波遮蔽という観点から、０．５ｍｍ～３ｍｍが好ましい。換言すれば、開口が円形の場合は、１つの開口の面積は０．７８５ｍｍ^２程度（例：±２０％）が好ましく、電磁波遮蔽という観点からは０．１９６ｍｍ^２～２８．３ｍｍ^２が好ましい。開口が正方形の場合は、１つの開口の面積は１ｍｍ^２程度（例：±２０％）が好ましく、電磁波遮蔽という観点からは、０．２５ｍｍ^２～９ｍｍ^２が好ましい。下部電極６は、セラミックス内に埋設されている。下部電極６の材料は、下部誘電体８の焼結形成時にも耐えられる材料であることが好ましく、Ｔａ又はＭｏを用いることができる。下部誘電体８が、メッシュ状の下部電極６と共に、面内における電界ベクトル群を、下部ステージ表面に対して、垂直になるように、曲げる傾向がある。したがって、下部ステージ上にＶＨＦ波を導入して、プラズマの発生させる場合には、プラズマが面内で均一性が向上する。

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。

また、ＶＨＦ電力は、ＶＨＦ波として処理容器の側方から上部電極と下部ステージとの間の空間内に導入される。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。下部電極６には、電界ベクトルを曲げる下部誘電体８が設けられているので、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。すなわち、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。

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、発熱体（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。ここで、温度調節装置ＴＥＭＰとしての発熱体は、下部誘電体８内に埋設されていることが好ましく、上述の高融点金属や、カーボンなどの材料から構成することができる。なお、発熱体には、給電用の配線を接続する。

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。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。すなわち、下部誘電体８を構成するセラミックスの材料は、ＡｌＮである。ＡｌＮは、耐熱性が高いため、プラズマに対して耐性が高いという利点がある。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加算したり、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。

なお、ＶＨＦ波の導入において、上部電極５と下部電極６との間には、ＶＨＦ電力を供給することができる。このＶＨＦ波により、上部電極と下部電極との間に、プラズマが発生する。

また、プラズマ処理装置は、前記下部電極の中心における厚み方向の法線の下向き方向をＺ軸、このＺ軸に垂直なＸ軸、このＺ軸とＸ軸の双方に垂直なＹ軸を有する三次元直交座標系を設定する。座標系の原点を下部誘電体の上部表面の重心位置とした場合、下部電極は以下のように設定される。下部誘電体の比誘電率ε_ｒ、光速をｃ、ＶＨＦ電力の周波数をｆ、円周率をπ、ＶＨＦ電力の誘電体中の波数をｋ（＝（ε_ｒ）^０．５・２πｆ／ｃ）とする。ＸＺ平面内における下部電極の上部表面の位置（ｘ、ｚ）は、以下の方程式：（式１）を満たすように設定される。

ｄｘ／ｄｚ＝－２／ｘｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）・・・（式１）

この場合、導体としての下部電極の表面に対して、電界が発生するが、この電界が、プラズマ発生空間内における電界の横方向成分を相殺することができる。なお、ＸＺ断面ではなく、Ｚ軸に平行であり且つＺ軸を含む任意の縦断面内において、上記の関係は成立するので、ｘに代えて、下部電極の径方向位置として、ｒを用いると、ｄｒ／ｄｚ＝－２／ｒｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）を満たすことになる。なお、波数ｋ＝（ε_ｒ）^０．５・ｋ_０＝（ε_ｒ）^０．５・ω／ｃ＝（ε_ｒ）^０．５・２πｆ／ｃを満たしている。ｋ_０は基準の波数である。

前記ＶＨＦ電力の誘電体中の波数ｋと、径方向の距離ｒ（ｍｍ）と、下部誘電体表面から下部電極までの距離ｚは、上記の関係式を満たし、傾斜領域の形状を構成している。（式１）は、プラズマ発生空間における電界ベクトルを求め、この電界ベクトルの径方向成分を相殺する電界が、下部電極の表面に発生するように設定したものである。すなわち、プラズマ発生空間における電界Ｅは、径方向成分（下記（式２））と、Ｚ軸方向成分（下記（式３））を有している。導体表面における電界は表面に垂直であるため、ｄｒ／ｄｚ＝Ｅ_ｚ／（－Ｅ_ｒ）として、Ｅｒを相殺するように設定することで、（式１）として、ｄｒ／ｄｚ＝Ｅ_ｚ／（－Ｅ_ｒ）＝－２／ｒｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）を求めることができる。

・電界の径方向成分：Ｅ_ｒ（ｒ，ｚ）＝（Ｅ_０ｋ／２）・ｒ・ｓｉｎ（ｋｚ）・・・（式２）
・電界のＺ軸方向成分：Ｅ_ｚ（ｒ，ｚ）＝Ｅ_０・ｃｏｓ（ｋｚ）・・・（式３）
なお、(式１)の微分方程式を満たす場合、下部電極の形状は、以下の（式４）又は(式５)の形状となる。ａ、ａ_０は適当な定数、Ｅ_０はプラズマ発生空間内で発生する基準の電界である。
・ｓｉｎ（ｋｚ）＝ａ・ｅｘｐ（－ｋ^２ｒ^２／４）・・・（式４）
・ｚ＝ａ_０・ｅｘｐ（－ｋ^２ｒ^２／４）、（ｋ・ｒ＜＜１の場合）・・・（式５）、なお、ｒはｘに読み替えることができる。

図３は中心からの径方向の距離ｒ（ｍｍ）とＺ軸上の位置ｚ（ｍｍ）との関係を示すグラフである。なお、ｚは下部誘電体表面から下部電極までの距離である。Ｚ軸は下向きが正方向であるため、グラフに示されるように、下部電極の形状は任意の縦断面において、下に凸の形状となる。

同図には、下部誘電体としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いた場合、石英(Quartz)を用いた場合、空気（Air）を用いた場合が示されているが、誘電率の高い材料ほど、下部電極は大きく傾斜している。下部電極及び下部誘電体の直径として２００ｍｍのものを用いた場合、下部誘電体のＺ軸方向の厚みは７０ｍｍ以下であっても、上述の効果を奏して、電界ベクトルの横方向成分を相殺し、プラズマの面内均一性を高めることができる。

また、下部ステージＬＳは、駆動ステージＤＲＶにより、上下方向に移動できるように駆動される。すなわち、下部ステージＬＳの位置を移動させることで、プラズマの分布状態を変化させることができるので、最も均一で安定してプラズマが発生するように下部ステージを移動させることで、プラズマの面内均一性を高めることができる。

また、ガスの導入方法は、様々なものが考えられる。例えば、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、ガス導入路とすることができる。また、上部電極の下面に上部誘電体を設け、上部誘電体を複数の貫通孔を有するシャワー構造とすることもできる。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。

また、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を、固体の誘電体導波路に代えて形成することができる。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を配置することができる。これにより、絶縁体ブロックの上部から導入されたＶＨＦ波は、水平方向の導波路を介して、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。

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、３…蓋部材、３ａ…外側導体、３ｂ…内側導体、４…排気通路、５…上部電極、６…下部電極、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. 上部電極との間にプラズマを発生させるための下部ステージを備えたプラズマ処理装置において、
   前記下部ステージは、
   セラミックスからなる下部誘電体と、
   前記下部誘電体内に埋設された下部電極と、
   前記下部誘電体内に埋設された発熱体と、
   を備え、
   前記下部誘電体の中央領域の上部表面と前記下部電極との間の離隔距離ｄ_{ｃｅｎｔｅｒ}よりも、
   前記下部誘電体の外縁位置の上部表面と前記下部電極との間の離隔距離ｄ_ｅｄｇｅは小さく、
   前記下部電極は、前記外縁位置と前記中央領域との間に、前記上部表面に対して傾斜した傾斜領域を有しており、
   前記上部電極と前記下部電極との間には、ＶＨＦ電力が供給され、
   前記下部電極の中心における厚み方向の法線の下向き方向をＺ軸、このＺ軸に垂直なＸ軸、このＺ軸とＸ軸の双方に垂直なＹ軸を有する三次元直交座標系を設定し、座標系の原点を前記下部誘電体の上部表面の重心位置とした場合、
   前記下部誘電体の比誘電率をε _ｒ 、
   光速をｃ、
   前記ＶＨＦ電力の周波数をｆ、
   円周率をπ、
   前記ＶＨＦ電力の誘電体中の波数をｋ（＝（ε _ｒ ） ^０．５ ・２πｆ／ｃ）、
   とすると、
   ＸＺ平面内における前記下部電極の上部表面の位置（ｘ、ｚ）は、以下の方程式：
   ｄｘ／ｄｚ＝－２／ｘｋ・ｃｏｔ（ｋｚ）
   を満たすように設定される、
   プラズマ処理装置。
2. 前記セラミックスの材料は、ＡｌＮである、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記ＶＨＦ電力は、ＶＨＦ波として処理容器の側方から前記上部電極と前記下部ステージとの間の空間内に導入される、
   請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記下部ステージは、上下方向に移動できるように駆動される、
   請求項１～３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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