JP2002170818A - プラズマプロセス装置 - Google Patents
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Abstract
処理物に対するイオン照射エネルギの調整が容易で、被
処理物に対するプラズマ処理が面内にわたって均一なプ
ラズマプロセス装置を提供する。 【解決手段】 チャンバ内部13内にマイクロ波を照射
するための第2の誘電体5のチャンバ内部13側にはス
ロットアンテナ板7が配置されている。スロットアンテ
ナ板7は導電体よりなり、かつマイクロ波をチャンバ内
部13に通すためのスロット7aを有している。
Description
装置に関し、より詳しくは、たとえば半導体、液晶表示
素子、太陽電池などの製造プロセスなどに使用されるエ
ッチング装置、成膜装置、アッシング装置などのプラズ
マプロセス装置に関するものである。
display)などの製造に用いられる基板の大型化によ
り、大面積の基板を処理するプラズマプロセス装置が開
発されている。特にLCDの製造装置においては基板サ
イズが1m角以上の基板を対象にした装置の開発がなさ
れており、これらの装置においては、プラズマの均一化
が課題となっている。それとともに、装置のスループッ
トを向上させるための成膜、エッチング、アッシングな
どのプラズマプロセス速度の向上も開発要素となってい
る。また、ドライエッチング装置においてはパターンの
微細化や多層膜化によりエッチング時の断面形状の制御
も課題となっている。
プラズマプロセス装置は、たとえば実開平4−1174
37号公報に記載されている。これはマイクロ波誘電体
線路の下の空気層と第2の誘電体との間にスリット孔を
有する金属板を設けてマイクロ波の強度分布を調節し、
プラズマ生成室のプラズマ密度を均一にするものであ
る。
て厚い板を用いていたが、板厚が厚い場合はマイクロ波
導延室の中央部の端で異常放電が起こる。また、板厚が
薄い場合は金属と誘電体との熱膨張係数が大きいことか
ら金属と誘電体を接触させることができなかったり、異
常放電が生じる。これらのことは、特開2000−91
097号公報で指摘されており、この公報にはその改良
の発明が記載されている。
れた発明では、図9に示す構成が採用され、かつAl
(アルミニウム)からなるマイクロ波分散板65の厚さ
が0.2mmから2mmとされている。つまり、図9を
参照して、マイクロ波はマイクロ波発振器61から、導
波管62、誘電体線路63、空気層、第1の誘電体6
4、マイクロ波分散板65、第2の誘電体66および第
3の誘電体67を通って処理室68にエネルギーを供給
する構成が採用されており、この構成とすることにより
アッシング部が均一にされている。
プロセス速度の制御やエッチングにおける被エッチング
膜の断面形状の制御をするために、被処理物に直流、交
流あるいはパルス状のバイアス電圧を印加する技術が知
られている。この被処理物へのバイアス電圧印加方法と
しては、たとえば特開2000−68227号公報に開
示された方法がある。この方法は、被処理物の処理面に
間隔をあけて対向し、かつ接地電位または正電位に固定
された多孔電極を設けておき、被処理物にパルス状また
は直流のバイアス電圧を印加する技術である。
4−117437号公報および特開2000−9109
7号公報に関しては、マイクロ波を均一にするために分
散板を用いる技術が示されているが、その設計方法が開
示されていない。また、高周波のバイアス電圧を試料台
に印加することが記載されているが、図9に示すように
基板71に対向する面をなす第3の誘電体67がセラミ
ックスからできており、その第3の誘電体67の電位を
調整することができない。このため、基板71にバイア
ス電圧を効率的に印加することができず、被処理物に対
するイオン照射エネルギーの調整範囲が拡大できないと
いう課題がある。
は、実施例に記載されている技術がICP(inductivel
y coupled plasma)装置に関するもので、プラズマ源と
して周波数がMHzオーダのRF(radio frequency)
電源が用いられており、マイクロ波電源によりプラズマ
を発生させることは記載されていない。このため、1辺
が数百mm〜1000mm程度の真空装置の長さよりも
マイクロ波の波長が短い(f=2.45GHzの場合、
真空中の自由空間波長が122mm)ことにより生じる
問題点も記載されていない。つまり、プラズマを励起す
る場合に生じる問題点であるマイクロ波の定在波分布を
考慮した設計がなされていない。
おいては、マイクロ波の立体回路を共振器として考える
必要があるが、真空チャンバへのマイクロ波導入部分が
前記共振器の一部をなしている。このため、プラズマ放
電の開始、維持および均整に関してはマイクロ波の導入
部分についてはマイクロ波の伝搬特性を考慮した設計が
必要であるが、上記公報などにはそのような設計の指針
が示されていない。
よるプラズマ励起において、被処理物に対するイオン照
射エネルギーの調整が容易で、かつ被処理物に対するプ
ラズマ処理が面内にわたって均一なプラズマプロセス装
置を提供することである。
ス装置は、プラズマを用いた処理を行なう処理室と、処
理室にマイクロ波を導くマイクロ波伝送手段と、マイク
ロ波伝送手段により伝送されたマイクロ波を処理室内に
放射するための誘電体と、誘電体の処理室に面する側の
面に配置されかつ誘電体から放射されたマイクロ波を通
すための開口部を有する導電体のスロットアンテナ板と
を備えることを特徴とする。
誘電体の処理室側に配置されるスロットアンテナ板は導
電体よりなるため、スロットアンテナ板の電位の調整が
容易である。このため、スロットアンテナ板の電位を調
整することにより、プラズマ中のイオンなどの処理基板
に対する方向性を制御することができる(バイアス効
果)。たとえば、スロットアンテナ板の接地電位を、処
理基板にバイアス電圧をそれぞれ印加することにより、
プラズマ中のイオンなどを基板表面全面に対して略垂直
に入射させることが可能となり、被処理物に対してプラ
ズマ処理を面内にわたって均一に行なうことができる。
させた場合、スロットアンテナ板と誘電体との間に空気
層がある場合よりもマイクロ波の空間波長を短くするこ
とができる。これにより、スロットアンテナ板の開口部
の間隔を短くすることができ、多数の開口部を形成する
ことが可能となる。このため、開口部を通じて処理室内
に放射されたマイクロ波の分布が均一となり、処理室内
のプラズマ分布を均一にすることが可能となる。
部の位置をマイクロ波の定在波に対して適切な位置、寸
法などに設定することにより、マイクロ波を処理室内に
効率的かつ均一に放射することができる。
しくは、スロットアンテナ板の開口部は、マイクロ波伝
送手段および誘電体から構成される共振器に立つマイク
ロ波の定在波の腹の部分の直下に位置している。
大きくなる部分に開口部を設けることにより、開口部の
まわりに電流が誘導され、この電流により開口部から磁
界が誘起される。すなわち、定在波の腹の部分直下に開
口部を設けることによりマイクロ波が処理室内に効率的
に放射されることになる。
しくは、スロットアンテナ板は、接地電位または正の電
位に調整されている。
により、プラズマ中のイオンなどの処理基板に対する方
向性を制御することが可能となる。
しくは、スロットアンテナ板に、プロセスガスの流路が
設けられている。
とが容易となり、被処理物のプラズマ処理を均一に行な
うことが容易となる。
て図に基づいて説明する。
態1におけるプラズマプロセス装置の構成を概略的に示
す断面図であり、図2は図1のII−II線に沿う概略
断面図である。また、図3は、図1の矢印III方向か
ら見た第2の誘電体とスロットアンテナ板と支持部材と
の配置状態を示す図である。
I−I線およびII−II線に沿う断面に対応してい
る。
ラズマプロセス装置は、チャンバ蓋1、プロセスチャン
バ本体2、導波管3、導入導波管3a、第1の誘電体
4、第2の誘電体5、支持部材6、スロットアンテナ板
7、および基板ホルダ8を主に有している。
対向部分に配置されており、チャンバ蓋1とプロセスチ
ャンバ2との間はガスケット10によりシールされてい
る。このチャンバ蓋1にはスリット状の開口部1aが形
成されている。その開口部1aにはSiO2、Al
2O3、AlNなどの誘電体からなり、かつ逆凸状の断面
を有する第1の誘電体4が挿入されている。チャンバ蓋
1と第1の誘電体4との間はガスケット11によりシー
ルされており、ガスケット11はガスケット10ととも
にチャンバ内部13を気密に保持している。チャンバ内
部13は図示しないターボ分子ポンプなどの真空ポンプ
により排気され、10-4Paから10-3Pa程度の真空
状態に保持される。
aが配置され、チャンバ蓋1にボルトで締結されてい
る。導入導波管3aは、その上面中央部で導波管3と締
結されている。マグネトロンから発振された周波数2.
45GHzのマイクロ波は図示しないアイソレータ、自
動整合器などと直導波管、コーナ導波管、テーパ管、分
岐導波管などのマイクロ波立体回路などを通って導波管
3に導かれた後、開口部3bから第1の誘電体4側へ放
射される。
れており、導入導波管3aとその周辺部とが所定の温度
に保たれるように保温流路3cには保温媒質が流されて
いる。また、図示していないが、チャンバ蓋1やプロセ
スチャンバ本体2も、ヒータや保温流路を有しており、
これによりチャンバ温度を均一に保つためにヒータが加
熱したり、保温流路に保温媒質を流すなどの温度調節機
能を有している。
O2、AlNなどの誘電体からなる複数(たとえば4
枚)の第2の誘電体5が第1の誘電体4に接するように
設置されている。この第2の誘電体5の下部には導電体
からなるスロットアンテナ板7が、第2の誘電体5と接
するように固定されている。
外周部には、第2の誘電体5およびスロットアンテナ板
7をチャンバ蓋1に支持するための導電体からなる支持
部材6が図3に示すようにねじなどで固定されている。
また、スロットアンテナ板7には図3のような矩形のス
ロット7aが設けられており、スロットアンテナ板7の
厚さはたとえば1〜20mmである。この矩形のスロッ
ト7aは、後述するようにスロットアンテナの役目を果
たすように設計された位置に設けられている。
えばAl、SUSなどが用いられる。また、このスロッ
トアンテナ板7をより確実に第2の誘電体5に密着させ
る場合は、スロットアンテナ板7と支持部材6との間に
ばね材を挿入するなどの構成が採られる。
板ホルダ8が、スロットアンテナ板7と対向する位置に
設置されている。
3へ反応ガスを供給するためのガス供給管12が接続さ
れている。このガス供給管12から供給された反応ガス
をチャンバ内部13へ導くために支持部材6にはガス流
路6a、6bが設けられている。
バ本体2は導電体からなっており、接地されている。ま
た、支持部材6およびスロットアンテナ板7も導電体か
らなっており、接地あるいは正の電位(図4)を印加さ
れている。そして、基板ホルダ8には、基板バイアスを
印加するために高周波のバイアス電圧(周波数=6MH
z、出力=1kW程度)が印加される構成を有してい
る。また、基板ホルダ8には、基板9を吸着するための
静電チャック機構、および基板9をHe(ヘリウム)ガ
スなどで冷却するための機構が設けられている。バイア
ス電圧に関しては、上記の他に周波数の異なるものでも
よく、直流の電圧またはパルス状の電圧でもプロセスの
目的に応じて選択することが可能である。
とに正の電位を印加する場合には、図4に示すようにチ
ャンバ蓋1と支持部材6とは、その間に絶縁体15を挟
むことにより絶縁する必要がある。図4は、図1の断面
に対応した断面を示している。
aの位置の設計について説明する。スロットアンテナ板
7のスロット7aの位置の設計は、コンピュータシミュ
レーション技術を用いて行なわれる。まずマイクロ波導
入口から導波管3、導入導波管3a、第1の誘電体4、
第2の誘電体5までのモデル形状が作成される。そし
て、このモデルの境界面での境界条件を完全導体として
電磁波解析が行なわれる。この場合、マイクロ波発振器
からスロットアンテナまでの空気と誘電体とから構成さ
れる空間部分は共振器となるので、マイクロ波の定在波
が生じる結果が得られる。この結果から第1および第2
の誘電体4、5におけるマイクロ波の定在波の腹の直下
にスロット7aが設計される。
波の電界振幅が極大になる部分のことである。実際に
は、図5に示すように第1および第2の誘電体4、5中
における定在波の電界強度は、点線21の等高線図で示
すようになり、その略円形(または楕円形)の等高線2
1の中心ほど電界強度が高くなる。このため、略円形
(または楕円形)の等高線21の中央部分の直下にスロ
ット7aが設けられる。
部分であるため、その位置にスロット7aを設けること
により、スロット7aのまわりに電流が誘導される。こ
の電流によりスロット7aから磁界が誘起される。すな
わち、定在波の腹の部分直下にスロット7aを設けるこ
とにより、マイクロ波が効率的にチャンバ内部13に放
射されることになる。
その長方形の長辺の長さが誘電体内の空間波長の半分
(たとえば、比誘電率=10の誘電体を用い、周波数
2.45GHzの場合、20mm程度)で、短辺方向は
長辺長さの半分以下の長さとなるように設計される。通
常、スロットアンテナを用いる場合、矩形状のスロット
の長辺の長さが2/λの場合にマイクロ波の放射効率が
よくなる。これにより、上述のようなスロット7aの形
状とすることにより、マイクロ波の放射効率を良好にす
ることができる。
大きさに対応させてスロット7aの形状は変化され、電
界振幅の大きいところではスロット7aの長辺の長さが
短くされる。スロット7aの配置場所によりマイクロ波
の放射量が異なる場合があるため、放射量が大きいスロ
ット7aに対してはスロット開口部の長辺の長さを短く
することにより放射量を減らし、他のスロットの放射量
と同じ大きさにして各スロット7aからの放射を均一に
することができる。
アンテナ板7はマイクロ波のスロットアンテナの役割を
なし、マイクロ波を効率的にかつ各スロット7aから均
一に放射するよう設計することができる。
状は共振器の構造によって設計されるものである。つま
り、上記のように各スロット7aで矩形の長さや幅を変
えたり、スロット7a中心軸をスロット板の長手方向に
対して傾けたりする構成でも、各スロット7aから均一
にマイクロ波が放射される設計であれば、いかなる設計
が採用されてもよい。
置をたとえばSiO2膜のドライエッチング装置として
用いた場合の動作について説明する。
真空排気手段を用いて真空状態に保持される。そして、
CF4、O2などのプロセスガスが図示しないマスフロー
コントローラにより所定の流量に制御されてガス供給管
12から導入された後、複数のガス流路に分岐され、複
数のガス導入孔6aからチャンバ内部13へ供給され
る。チャンバ内部13の圧力は、圧力調整機構により排
気系のコンダクタンスを調整することで所定の圧力(た
とえば、30Pa)に調整される。
えば2kW)で供給すると、導波管3、導入導波管3
a、第1の誘電体4、第2の誘電体5を経てスロットア
ンテナ板7の開口部7aからマイクロ波がチャンバ内部
13に放射される。被エッチング膜側壁のテーパ形状の
制御など必要に応じて基板9にバイアス電圧を印加する
と均一なプラズマが生成され、これにより基板8上の膜
(たとえばSiO2膜)に対して均一なエッチングが行
なわれる。
更し、ガス圧を所定の圧力に設定し、マイクロ波のパワ
ーを所定のパワーに設定することにより、他の絶縁膜や
Al、Tiなどの金属膜などをエッチングすることもで
きる。
プロセスチャンバ本体2、支持部材6およびスロット7
に接地電位が印加され、基板9にバイアス電圧が印加さ
れている。このバイアス電圧を調整することにより、チ
ャンバ内部13に発生するプラズマ中のイオンの基板9
に対する方向性を制御することができる。
ス装置(特開2000−91097号公報)では、誘電
体面の大半がプラズマ放電面に面している。このような
場合、第2の誘電体は絶縁体であるため基板に対向する
面の大半が浮動電位となる。
6およびスロットアンテナ板7が導電体で構成されてい
るため、この導電体の電位を接地電位にするなどして電
位の制御が可能となる。このため、基板9にバイアス電
圧を印加することによるイオンやラジカルの引込み効果
を十分に発揮することができ、エッチングレートの向上
およびエッチング形状の制御範囲を広げる効果が得られ
る。
板7は第2の誘電体5に接するように配置されている。
このため、スロットアンテナ板7と第2の誘電体5との
間に空気層がある場合よりも空間波長が短くなる(Al
2O3、AlNの場合、波長は1/3程度)。このため、
スロット7aの間隔を短くすることができ、多数のスロ
ット7aを形成できる。よって、マイクロ波の分布、す
なわちプラズマの分布を均一にすることが可能になる。
第2の誘電体5の形状は上記で示したものに限定され
ず、チャンバサイズ、チャンバ形状などに応じて最適な
形状を決定することができる。この場合、スロットアン
テナ板7のスロット7aの配置もそれに応じて設計され
る。
形態2におけるプラズマプロセス装置の構成を概略的に
示す断面図である。実施の形態1では、マイクロ波を透
過するものとして第1の誘電体と第2の誘電体とを用い
た2段の誘電体構造としていたが、本実施の形態のプラ
ズマプロセス装置は、図6に示すように第2の誘電体を
省略するとともに第1の誘電体4の形状を短辺方向(図
中左右方向)に広げた構成を有している。このため、ス
ロットアンテナ板7は第1の誘電体4に接している。ま
た支持部材6はスロットアンテナ板7のみを支持してい
る。
た実施の形態1とほぼ同じであるため、同一の部材につ
いては同一の符号を付し、その説明は省略する。
7のスロット7aの設計方法は以下のとおりである。
管3a、第1の誘電体4までのモデルが作成され、モデ
ルの境界面での境界条件を完全導体として電磁波解析が
行なわれる。そうすると、このモデルは共振器となるの
でマイクロ波の定在波が生じる結果が得られる。この結
果から、第2の誘電体5における定在波の腹の直下位置
にスロットアンテナ板7のスロット7aが位置するよう
設計される。
で、大きさは長辺の長さが誘電体内の空間波長の半分
(たとえば、比誘電率=10の誘電体を用い、周波数
2.45GHzの場合、20mm程度)、短辺方向は長
辺長さの半分以下の長さとなるように設計される。好ま
しくは、スロット7aの各寸法はこのときの定在波分布
の大きさに対応させて変化させ、電界振幅の大きいとこ
ろではスロット7aの長辺の長さは短くされる。このよ
うに設計することにより、スロットアンテナ板7はマイ
クロ波のスロットアンテナの役割をなし、マイクロ波を
効率的に放射する役割を果たす。
て第2の誘電体が省略されている。実施の形態1のよう
に第1の誘電体と第2の誘電体とを2段構造とした場
合、それらの間に隙間が生じないように設計する必要が
ある。しかし、第1および第2の誘電体、チャンバ蓋
1、支持部材6などの加工、組立、温度変化などによっ
て、数百μm程度の隙間が生じる場合もあった。本実施
の形態では、第2の誘電体を省略したことにより、この
ような隙間が生じることはない。
態3におけるプラズマプロセス装置の構成を概略的に示
す断面図であり、図8は図7の矢印VIII方向から見
た第1の誘電体とスロットアンテナ板との配置状態を示
す図である。なお、図7の断面図は図8のVII−VI
I線に沿う概略断面図を示している。
のプラズマプロセス装置は、スロットアンテナ板7にガ
ス流路7b、7cが設けられた構成を有している。また
スロットアンテナ板7は実施の形態1および2のような
支持部材で支持されておらず、直接チャンバ蓋1にねじ
などにより固定されている。
た実施の形態2とほぼ同じであるため、同一の部材につ
いて同一の符号を付し、その説明は省略する。
ナ板7にガス流路を設けているため、実施の形態1およ
び2のように支持部材にガス流路を設ける必要がない。
支持部材にガス流路を設けた場合、第1の誘電体4の下
にはガス流路を設けることができず、チャンバ内部13
におけるガス流を最適化することは困難であった。
ンテナ板7にガス流路7b、7cが設けられているた
め、第1の誘電体4の真下にもガス流路7b、7cを設
けることができ、チャンバ内部13におけるガス流を最
適化することが可能となる。また、スロットアンテナ板
7にガス流路7b、7cを設けたことにより、実施の形
態2における支持部材6は不要となる。
により、ガスの流れがエッチングに支配的なAl、T
i、TiN膜などのエッチングプロセスにおいて被処理
物のエッチング分布を向上することができた。
ロットアンテナ板7と支持部材6とが一体化された構成
が採用されてもよい。
プラズマプロセス装置を用いてAlなどの金属をエッチ
ングするプロセスにおいては、スロットアンテナ板7を
Alで構成した場合、それ自身がエッチングされるおそ
れがある。このようなプロセスに用いる場合は、スロッ
トアンテナ板7の少なくともプラズマにさらされる面に
Al2O3の被覆処理を施すことが望ましい。また、チャ
ンバ内壁面にもAl2O3の被覆処理を施すことが好まし
い。
l2O3に限るものではなく、プラズマで侵されない材料
であればいかなる材質が用いられてもよい。
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
ロセス装置によれば、誘電体の処理室側に配置されるス
ロットアンテナ板は導電体よりなるため、スロットアン
テナ板の電位の調整が容易である。このため、スロット
アンテナ板の電位を調整することにより、プラズマ中の
イオンなどの処理基板に対する方向性を制御することが
できる(バイアス効果)。たとえば、スロットアンテナ
板の接地電位を、処理基板にバイアス電圧をそれぞれ印
加することにより、プラズマ中のイオンなどを基板表面
全面に対して略垂直に入射させることが可能となり、被
処理物に対してプラズマ処理を面内にわたって均一に行
なうことができる。
させた場合、スロットアンテナ板と誘電体との間に空気
層がある場合よりもマイクロ波の空間波長を短くするこ
とができる。これにより、スロットアンテナ板の開口部
の間隔を短くすることができ、多数の開口部を形成する
ことが可能となる。このため、開口部を通じて処理室内
に放射されたマイクロ波の分布が均一となり、処理室内
のプラズマ分布を均一にすることが可能となる。
部の位置をマイクロ波の定在波に対して適切な位置、寸
法などに設定することにより、マイクロ波を処理室内に
効率的かつ均一に放射することができる。
セス装置の構成を概略的に示す断面図である。
る。
とスロットアンテナ板と支持部材との配置状態を示す図
である。
合の構成を示す概略断面図である。
めの図である。
セス装置の構成を概略的に示す断面図である。
セス装置の構成を概略的に示す断面図である。
ンテナ板と第1の誘電体との配置状態を示す図である。
に示す断面図である。
管、3a 導入導波管、3b 開口部、4 第1の誘電
体、5 第2の誘電体、6 支持部材、6aガス導入
孔、6b 溝、7 スロットアンテナ板、7a スロッ
ト、8 基板ホルダ、12 ガス供給管、14 絶縁
体。
Claims (4)
- 【請求項1】 プラズマを用いた処理を行なう処理室
と、 前記処理室にマイクロ波を導くマイクロ波伝送手段と、 前記マイクロ波伝送手段により伝送されたマイクロ波を
前記処理室内に放射するための誘電体と、 前記誘電体の前記処理室に面する側の面に配置され、か
つ前記誘電体から放射されたマイクロ波を通すための開
口部を有する導電体のスロットアンテナ板とを備えた、
プラズマプロセス装置。 - 【請求項2】 前記スロットアンテナ板の前記開口部
は、前記マイクロ波伝送手段および前記誘電体から構成
される共振器に立つマイクロ波の定在波の腹の部分の直
下に位置している、請求項1に記載のプラズマプロセス
装置。 - 【請求項3】 前記スロットアンテナ板は、接地電位ま
たは正の電位に調整されていることを特徴とする、請求
項1または2に記載のプラズマプロセス装置。 - 【請求項4】 前記スロットアンテナ板に、プロセスガ
スの流路を設けたことを特徴とする、請求項1〜3のい
ずれかに記載のプラズマプロセス装置。
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