JP2006244891A - Microwave plasma processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被処理体にマイクロ波プラズマによる処理を施すマイクロ波プラズマ装置に関する。 The present invention relates to a microwave plasma apparatus that performs processing using microwave plasma on an object to be processed.
プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、LSIの高集積化、高速化の要請からLSIを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。 Plasma processing is an indispensable technology for the manufacture of semiconductor devices. Recently, the design rules of semiconductor elements constituting LSIs have been increasingly miniaturized due to the demand for higher integration and higher speed of LSIs, and semiconductor wafers Along with this, there is a demand for plasma processing apparatuses that can cope with such miniaturization and enlargement.
ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。 However, in parallel plate type and inductively coupled plasma processing apparatuses that have been widely used in the past, the electron temperature is high, resulting in plasma damage to the microelements, and because the region where the plasma density is high is limited, it is large. It is difficult to uniformly and rapidly plasma-treat the semiconductor wafer.
そこで、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるRLSA(Radial Line Slot Antenna)マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている(例えば特許文献1)。 Therefore, an RLSA (Radial Line Slot Antenna) microwave plasma processing apparatus that can uniformly form a plasma with a high density and a low electron temperature has attracted attention (for example, Patent Document 1).
RLSAマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバーの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ(Radial Line Slot Antenna)を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバー内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバー内に導入されたガスをプラズマ化し、このように形成されたプラズマにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。 The RLSA microwave plasma processing apparatus is provided with a planar antenna (Radial Line Slot Antenna) in which a number of slots are formed in a predetermined pattern at the upper part of a chamber, and the microwave guided from the microwave generation source is transmitted to the slot of the planar antenna And is radiated into a chamber held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric material provided below, and the gas introduced into the chamber is converted into plasma by this microwave electric field. An object to be processed such as a semiconductor wafer is processed by the plasma thus formed.
このRLSAマイクロ波プラズマ処理装置では、アンテナ直下の広い領域に亘って高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。また、低電子温度プラズマが形成されるため、素子へのダメージ小さい。 In this RLSA microwave plasma processing apparatus, a high plasma density can be realized over a wide region directly under the antenna, and uniform plasma processing can be performed in a short time. Further, since the low electron temperature plasma is formed, the damage to the element is small.
このRLSAマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波透過板におけるマイクロ波電界分布を調整し、プラズマモードを安定させるために、平面アンテナとマイクロ波透過板との間にエアーギャップを設ける技術が知られている(非特許文献1)。 In this RLSA microwave plasma processing apparatus, a technique is known in which an air gap is provided between a planar antenna and a microwave transmission plate in order to adjust the microwave electric field distribution in the microwave transmission plate and stabilize the plasma mode. (Non-Patent Document 1).
しかしながら、このように平面アンテナとマイクロ波透過板との間にエアーギャップを設けると、マイクロ波透過板を構成する誘電体よりもエアーギャップのインピーダンスが高いため、エアーギャップでのマイクロ波パワーロスが大きい。その結果、マイクロ波パワー効率の低下や、アンテナ内部での異常放電が発生しやすくなってしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波パワーのロスが小さく、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電が発生し難いマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is intended to provide a microwave plasma processing apparatus in which a loss of microwave power is small and a decrease in microwave power efficiency and an abnormal discharge inside an antenna are unlikely to occur. Objective.
上記課題を解決するために、本発明は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔から放射したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを有し、マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは同じ材質で形成され、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention is directed to a chamber in which an object to be processed is accommodated, a microwave generation source for generating a microwave, and a microwave generated by the microwave generation source toward the chamber. A planar antenna comprising a waveguide means, a conductor having a plurality of microwave radiation holes that radiate microwaves guided to the waveguide means toward the chamber, and a top wall of the chamber, the planar antenna comprising A microwave transmitting plate made of a dielectric material that transmits microwaves radiated from the microwave radiating holes of the first and second microwaves provided on the opposite side of the planar antenna from the microwave transmitting plate and reaching the planar antenna A retardation plate made of a dielectric material and a processing gas supply means for supplying a processing gas into the chamber. A microwave plasma processing apparatus for forming a plasma of a processing gas in the chamber and performing plasma processing on the object to be processed by the plasma, wherein the planar antenna and the microwave transmitting plate substantially emit air. The slow wave plate and the microwave transmission plate are formed of the same material, and the equivalent circuit formed of the slow wave plate, the planar antenna, the microwave transmission plate, and plasma is A microwave plasma processing apparatus characterized by satisfying a resonance condition is provided.
また、本発明は、被処理体が収容されるチャンバーと、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを有し、マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が70%〜130%となるような材質で形成され、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。 The present invention also includes a chamber that accommodates an object to be processed, a microwave generation source that generates a microwave, a waveguide unit that guides the microwave generated by the microwave generation source toward the chamber, A planar antenna composed of a conductor having a plurality of microwave radiation holes for radiating microwaves guided to the waveguide means toward the chamber; and a top wall of the chamber; and a microwave radiation hole of the planar antenna A microwave transmitting plate made of a dielectric material that transmits the microwave that has passed through, and a function of shortening the wavelength of the microwave that reaches the planar antenna, provided on the opposite side of the planar antenna from the microwave transmitting plate. , A slow wave plate made of a dielectric, and a processing gas supply means for supplying a processing gas into the chamber. A microwave plasma processing apparatus that forms plasma of a processing gas and performs plasma processing on an object to be processed by the plasma, wherein the planar antenna and the microwave transmission plate are in close contact with each other substantially without air. The slow wave plate and the microwave transmission plate are formed of a material whose ratio of dielectric constants is 70% to 130%. The slow wave plate, the planar antenna, and the microwave Provided is a microwave plasma processing apparatus in which a transmission plate and an equivalent circuit formed of plasma satisfy a resonance condition.
上記いずれの発明においても前記マイクロ波透過板の厚さは、導入されるマイクロ波の波長の1/2〜1/4の範囲、より好ましくは1/2〜1/3の範囲であり、前記平面アンテナのマイクロ波反射率が0.4〜0.8の範囲である。これにより、上記等価回路が共振条件を満たし得る。 In any of the above inventions, the thickness of the microwave transmitting plate is in the range of 1/2 to 1/4 of the wavelength of the introduced microwave, more preferably in the range of 1/2 to 1/3. The microwave reflectance of the planar antenna is in the range of 0.4 to 0.8. Thereby, the equivalent circuit can satisfy the resonance condition.
前記導波手段としては、前記マイクロ波発生源から発生したマイクロ波をTEモードで伝搬する矩形導波管と、TEモードをTEMモードに変換するモード変換器と、TEMモードに変換されたマイクロ波を前記平面アンテナに向けて伝搬する同軸導波管とを有するものを採用することができる。 The waveguide means includes a rectangular waveguide that propagates the microwave generated from the microwave generation source in the TE mode, a mode converter that converts the TE mode into the TEM mode, and a microwave that is converted into the TEM mode. Having a coaxial waveguide that propagates toward the planar antenna can be employed.
また、前記平面アンテナに形成された複数マイクロ波放射孔としては、長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔同士が交差するように配置され、これら複数のマイクロ波放射孔が同心円状に配置されるものを好適に用いることができる。 Further, the plurality of microwave radiation holes formed in the planar antenna have a long groove shape and are arranged so that adjacent microwave radiation holes intersect with each other, and the plurality of microwave radiation holes are arranged concentrically. What can be used suitably.
さらに、前記遅波板および平面アンテナを覆うように設けられた蓋体をさらに具備することができ、その場合には、前記蓋体には冷媒流路が設けられており、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板を冷却することが好ましい。 Furthermore, a lid provided so as to cover the slow wave plate and the planar antenna can be further provided. In that case, the lid is provided with a refrigerant flow path, and the refrigerant flow path is provided in the refrigerant flow path. It is preferable that the slow wave plate, the planar antenna, and the microwave transmission plate are cooled by flowing a refrigerant.
さらにまた、周波数は2.45GHzであり、遅波板とマイクロ波透過板の比誘電率は3.5〜4.5であり、スロットは二重に配されている構成とすることができる。 Furthermore, the frequency is 2.45 GHz, the relative dielectric constant of the slow wave plate and the microwave transmission plate is 3.5 to 4.5, and the slot can be doubled.
さらにまた、遅波板とマイクロ波透過板が石英である場合に、マイクロ波プラズマ装置がプラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置とであることが好ましい。 Furthermore, when the slow wave plate and the microwave transmission plate are made of quartz, the microwave plasma device is preferably a plasma etching device or a plasma surface modification device.
さらにまた、遅波板とマイクロ波透過板がアルミナである場合に、マイクロ波プラズマ装置がプラズマCVD装置であることが好ましい。 Furthermore, when the slow wave plate and the microwave transmission plate are made of alumina, the microwave plasma device is preferably a plasma CVD device.
本発明によれば、平面アンテナとマイクロ波透過板との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていないため、エアーギャップでマイクロ波パワーロスが生じることがなく、マイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。 According to the present invention, the planar antenna and the microwave transmission plate are in close contact with each other, and no conventional air gap is formed, so that no microwave power loss occurs in the air gap, It is possible to make it difficult to reduce the microwave power efficiency and to generate abnormal discharge inside the antenna.
また、単にエアーギャップをなくしただけでは、マイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるおそれがあるが、本発明によれば、遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようにしてマイクロ波の反射を極小にし、かつ、遅波板とマイクロ波透過板を同じ材質、あるいはこれらの誘電率の値の比が70%〜130%となるような材質としてマイクロ波の界面反射を防止するようにしたので、プラズマを安定に維持しつつマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。 Further, simply eliminating the air gap may increase the reflection of microwaves and may deteriorate the stability of the plasma. According to the present invention, a slow wave plate, a planar antenna, a microwave transmission plate, and The equivalent circuit formed by plasma resonates to minimize the reflection of the microwave, and the slow wave plate and the microwave transmission plate are made of the same material, or the ratio of the values of these dielectric constants is 70% to 130%. Therefore, it is possible to prevent the microwave power efficiency from decreasing and abnormal discharge inside the antenna from occurring while maintaining the plasma stably.
さらに、前記遅波板および平面アンテナを覆うように蓋体を設け、この蓋体に冷媒流路を設け、この冷媒流路に冷媒を通流させることにより、前記遅波板、平面アンテナ、前記マイクロ波透過板を冷却する場合には、エアーギャップが存在しないことにより従来熱伝導性の低いエアーギャップの存在により冷却効率が悪かったマイクロ波透過板の冷却を十分行うことができる。 Furthermore, a lid is provided so as to cover the slow wave plate and the planar antenna, a coolant channel is provided in the lid, and the coolant is passed through the coolant channel, whereby the slow wave plate, the planar antenna, When the microwave transmission plate is cooled, the microwave transmission plate, which has conventionally had a poor cooling efficiency due to the presence of the air gap having low thermal conductivity due to the absence of the air gap, can be sufficiently cooled.
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a microwave plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
このマイクロ波プラズマ処理装置100は、所定のパターンで多数のスロットが形成された平面アンテナ(Radial Line Slot Antenna)を利用してマイクロ波発生源から導かれたマイクロ波をチャンバー内に放射し、プラズマを形成するRLSAマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。
The microwave
このマイクロ波プラズマ処理装置100は、気密に構成されかつ接地された略円筒状のチャンバー1を有している。チャンバー1の底壁1aの略中央部には円形の開口部10が形成されており、底壁1aにはこの開口部10と連通し、下方に向けて突出する排気室11が設けられている。チャンバー1内には被処理基板であるウエハWを水平に支持するためのAlN等のセラミックスからなるサセプタ2が設けられている。このサセプタ2は、排気室11の底部中央から上方に延びる円筒状のAlN等のセラミックスからなる支持部材3により支持されている。サセプタ2の外縁部にはウエハWをガイドするためのガイドリング4が設けられている。また、サセプタ2には抵抗加熱型のヒータ5が埋め込まれており、このヒータ5はヒータ電源6から給電されることによりサセプタ2を加熱して、その熱で被処理体であるウエハWを加熱する。チャンバー1の内周には、石英からなる円筒状のライナー7が設けられている。
The microwave
サセプタ2には、ウエハWを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン(図示せず)がサセプタ2の表面に対して突没可能に設けられている。
The
チャンバー1の側壁には環状をなすガス導入部材15が設けられており、このガス導入部材15には処理ガス供給系16が接続されている。ガス導入部材はシャワー状に配置してもよい。この処理ガス供給系16から所定の処理ガスがガス導入部材15を介してチャンバー1内に導入される。処理ガスとしては、プラズマ処理の種類に応じて適宜のものが用いられる。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、Arガス、H2ガス、O2ガス等が用いられる。
An annular
上記排気室11の側面には排気管23が接続されており、この排気管23には高速真空ポンプを含む排気装置24が接続されている。そしてこの排気装置24を作動させることによりチャンバー1内のガスが、排気室11の空間11a内へ均一に排出され、排気管23を介して排気される。これによりチャンバー1内は所定の真空度、例えば0.133Paまで高速に減圧することが可能となっている。
An
チャンバー1の側壁には、プラズマ処理装置100に隣接する搬送室(図示せず)との間でウエハWの搬入出を行うための搬入出口25と、この搬入出口25を開閉するゲートバルブ26とが設けられている。
On the side wall of the
チャンバー1の上部は開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部27が設けられており、この支持部27に誘電体、例えば石英やAl2O3等のセラミックスからなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板28がシール部材29を介して気密に設けられている。したがって、チャンバー1内は気密に保持される。
The upper portion of the
マイクロ波透過板28の上方には、サセプタ2と対向するように、円板状の平面アンテナ31が設けられている。この平面アンテナ31はチャンバー1の側壁上端に係止されている。平面アンテナ31は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔(スロット)32が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。すなわち、平面アンテナ31はRLSAアンテナを構成している。このマイクロ波放射孔32は、例えば図2に示すように長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔32同士が交差するように、典型的には図示のように直交するように(「T」字状に)配置され、これら複数のマイクロ波放射孔32が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔32の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長等に応じて決定される。なお、図2において、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔32同士の間隔Δr(中心から一番内側のマイクロ波放射孔32までの間隔も同じ)を後述する遅波板33中におけるマイクロ波の波長とし、平面アンテナ31の中心から最内周のマイクロ波放射孔32までの長さもΔrとすると、ここから強い電界が放射されることとなり好ましく、図示例では4ターンのマイクロ波放射孔が配置されている。また、マイクロ波放射孔32は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。また、マイクロ波放射孔32の配置形態は特に限定されず同心円状の他、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。
A disk-shaped
この平面アンテナ31の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体からなる遅波板33が設けられている。この遅波板33は、真空中におけるマイクロ波の波長よりも遅波板中におけるマイクロ波の波長を短くする機能を有している。
A
チャンバー1の上面には、これら平面アンテナ31および遅波板33を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材からなるシールド蓋体34が設けられている。チャンバー1の上面とシールド蓋体34とはシール部材35によりシールされている。
A
シールド蓋体34には、冷却水流路34aが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、平面アンテナ31、マイクロ波透過板28、遅波板33、シールド蓋体34を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体34は接地されている。
A cooling
シールド蓋体34の上壁の中央には開口部36が形成されており、この開口部には導波管37が接続されている。この導波管37の端部には、マッチング回路38を介してマイクロ波発生装置39が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置39で発生した例えば周波数2.45GHzのマイクロ波が導波管37を介して上記平面アンテナ部材31へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、8.35GHz、1.98GHz等を用いることもできる。
An
導波管37は、上記シールド蓋体34の開口部36から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管37aと、この同軸導波管37aの上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管37bとを有している。矩形導波管37bの同軸導波管37aとの接続部側の端部にはモード変換器40が設けられている。同軸導波管37aの中心には内導体41が延在しており、この内導体41の下端部は平面アンテナ31の中心に接続固定されている。
The
プラズマ処理装置100の各構成部は、プロセスコントローラ50に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ50には、工程管理者がプラズマ処理装置100を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置100の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインタフェース51が接続されている。
Each component of the
また、プロセスコントローラ50には、プラズマ処理装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ50の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部52が接続されている。
In addition, the
そして、必要に応じて、ユーザーインタフェース51からの指示等にて任意のレシピを記憶部52から呼び出してプロセスコントローラ50に実行させることで、プロセスコントローラ50の制御下で、プラズマ処理装置100での所望の処理が行われる。
Then, if desired, an arbitrary recipe is called from the
次に、本実施形態における遅波板33、平面アンテナ31、マイクロ波透過板28についてさらに詳細に説明する。
本実施形態においては、図1に示すように、平面アンテナ31とマイクロ波透過板28との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていない。また、遅波板33と平面アンテナ31との間も密着されている。しかし、単にエアーギャップをなくすと、モード変換器40から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるとともに、効率的にも劣るものとなる。
Next, the
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
そこで、本実施形態においては、遅波板33、平面アンテナ31、マイクロ波透過板28、およびプラズマで形成される図3に示すような等価回路が共振条件を満たすようにし、かつ、遅波板33とマイクロ波透過板28を同じ材質とする。上記等価回路が共振条件を満たすようにすることにより、マイクロ波の反射を極小にすることができ、また遅波板33とマイクロ波透過板28を同じ材質とすることによりマイクロ波の界面反射を防止することができる。これにより、プラズマの安定性を高くしつつマイクロ波パワーの効率を高く維持することができる。
Therefore, in this embodiment, the
遅波板33およびプラズマ透過板28はコンデンサーとして機能し、平面アンテナ31は抵抗として機能し、プラズマはコイルとして機能し、図3の等価回路に示すように、遅波板33のキャパシタンスをC1、プラズマ透過板28のキャパシタンスをC2、平面アンテナ31の抵抗をR、プラズマのインダクタンスをLとし、さらにマイクロ波の周波数をfとすると、共振となるためには、以下の(1)式が成り立つ必要がある。
このような共振条件を満たすためには、キャパシタンスを規定するマイクロ波透過板28の厚さが、マイクロ波透過板28中におけるマイクロ波の波長の1/2〜1/4(1/2λ〜1/4λ)の範囲であること、および平面アンテナ31のモード変換器40から見たマイクロ波反射率(パワー反射係数)が0.4〜0.8の範囲内であることが必要である。
In order to satisfy such a resonance condition, the thickness of the
マイクロ波透過板28の厚さに関しては、共振条件を規定する上記(1)式は、キャパシタンスの項が含まれており、キャパシタンスの大きさは厚さに反比例する。ここでキャパシタンスC1(遅波板33)は薄い方が効率良く平面アンテナ31、マイクロ波透過板28を冷却することができるので、キャパシタンスCの大きさに対して、より支配的となるキャパシタンスC2(マイクロ波透過板28)の厚さを共振となり得る範囲に規定する。マイクロ波透過板28の厚さが導入されるマイクロ波の波長の1/2より大きいか1/3より小さいと共振条件領域が狭くなり、さらに1/4より小さくなると共振することは困難となる。
Regarding the thickness of the
ここで、マイクロ波透過板28の厚さとしては、図4の(a)に示すように、その形状が平坦な場合には、その実際の厚さd1が用いられ、その際のマイクロ波透過板28のキャパシタンスをCF、その比誘電率をε0とし、表面積をS1とすると、以下の(2)式が成り立つ。
CF=ε0(S1/d1) …(2)
一方、マイクロ波透過板28が複雑形状の場合には、その厚さとしては、キャパシタンスの計算式から求めた相当厚さd2を用いる。すなわち、複雑形状のマイクロ波透過板28のキャパシタンスをCC、表面積をS2とすると、以下の(3)式が成り立つ。ここで表面積S2は必ず求められるから、複雑形状でd2が求めにくい場合はCCを実測した後、この式から逆算して相当厚さd2をマイクロ波透過板28の厚さとすることができる。
CC=ε0(S2/d2) …(3)
なお、この際の相当厚さd2は、図4の(b)に示すような凹凸の平均厚さに相当する。
Here, the thickness of the
C F = ε 0 (S 1 / d 1 ) (2)
On the other hand, when the
C C = ε 0 (S 2 / d 2 ) (3)
Note that equivalent thickness d 2 at this time, corresponding to an average thickness of uneven as shown in FIG. 4 (b).
平面アンテナ31のマイクロ波反射率を0.4〜0.8の範囲内としたのは、反射率が0.4より低いと周波数が変化した際の位相の変化が大きいので共振条件に調整することが困難となり、0.8を超えると本質的に共振条件を満たし難くなるからである。
The reason why the microwave reflectivity of the
なお遅波板33とマイクロ波透過板28とは、同一材質である方が好ましいが、異なる材質であってもその誘電率の比が70%から130%の範囲であれば、必ず共振させ得るということがシミュレーションにより確認されている。
The
このように構成されたプラズマ処理装置100においては、まず、ゲートバルブ26を開にして搬入出口25から被処理体であるウエハWをチャンバー1内に搬入し、サセプタ2上に載置する。
In the
そして、ガス供給系16から所定の処理ガスをガス導入部材15を介してチャンバー1内に導入し、所定の圧力に維持する。例えば、タングステン系ゲート電極の選択酸化処理のような酸化処理を行う場合には、処理ガスとしてArガス、H2ガス、O2ガス等をチャンバー1内に導入し、チャンバー1内の圧力を例えば3〜700Paとする。
Then, a predetermined processing gas is introduced from the
次いで、マイクロ波発生装置39からのマイクロ波をマッチング回路38を経て導波管37に導く。マイクロ波は、矩形導波管37b、モード変換器40、および同軸導波管37a、遅波板33を順次通って平面アンテナ部材31に供給され、平面アンテナ部材31からマイクロ波透過板28を経てチャンバー1内におけるウエハWの上方空間に放射される。マイクロ波は、矩形導波管37b内ではTEモードで伝搬し、このTEモードのマイクロ波はモード変換器40でTEMモードに変換されて、同軸導波管37a内を平面アンテナ部材31に向けて伝搬されていく。
Next, the microwave from the
平面アンテナ部材31からマイクロ波透過板28を経てチャンバー1に放射されたマイクロ波によりチャンバー1内では導入された処理ガスがプラズマ化し、このプラズマにより酸化処理等の所定の処理が行われる。
The processing gas introduced into the
本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置100は、略1012/cm3以上の高プラズマ密度でかつ略1.5eV以下の低電子温度プラズマを実現することができる。このため、低温かつ短時間でプラズマ処理を行うことができ、しかも下地膜へのイオン等のプラズマダメージが小さい等のメリットがある。
The microwave
また、本実施形態においては、図1に示すように、平面アンテナ31とマイクロ波透過板28との間が密着した状態となっており、従来のようなエアーギャップが形成されていないため、エアーギャップでマイクロ波パワーロスが生じることがない。またマイクロ波パワー効率の低下や、アンテナ内部におけるマイクロ波放射孔(スロット)32のギャップ間、遅波板33周辺にて発生しやすい異常放電を防止することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
しかし、単にエアーギャップをなくしただけでは、モード変換器40から見たマイクロ波の反射が大きくなり、プラズマの安定性が悪くなるおそれがある。これに対して、本実施形態においては、遅波板33、平面アンテナ31、マイクロ波透過板28、およびプラズマで形成される等価回路が共振するようにしてマイクロ波の反射を極小にし、かつ、遅波板33とマイクロ波透過板28を同じ材質としてマイクロ波の界面反射を防止するようにしたので、プラズマを安定に維持しつつマイクロ波パワー効率の低下やアンテナ内部での異常放電を発生し難くすることができる。なお、平面アンテナ31とマイクロ波透過板28は、その間に実質的に空気を介さずに密着していればよく、密着誤差や、熱膨張等によるわずかな隙間があっても0.1mm以下であれば許容される。
However, if the air gap is simply eliminated, the reflection of the microwave viewed from the
また、平面アンテナ31とマイクロ波透過板28との間には熱伝導性の低い、エアーギャップが存在しないので、シールド蓋体34に形成された冷却水流路34aに冷却水を通流させて、平面アンテナ31、マイクロ波透過板28、遅波板33、シールド蓋体34を冷却する際に、従来冷却効率が悪かったマイクロ波透過窓28を効率良く冷却することができる。
Further, since there is no air gap between the
次に、本発明の効果を確認した実験について説明する。
ここでは、遅波板33、平面アンテナ31、プラズマ透過板28を以下のようにした。
遅波板:石英製、径φ329mm、厚さ7mm
平面アンテナ:径φ344mm、厚さ0.3mm
プラズマ透過板:石英製、径φ362mm、厚さ31.3mm(=1/2λ)、
フラットタイプ、平面アンテナに密着した一体型
Next, an experiment for confirming the effect of the present invention will be described.
Here, the
Slow wave plate: Quartz, diameter φ329mm, thickness 7mm
Planar antenna: Diameter φ344mm, thickness 0.3mm
Plasma transmission plate: Quartz, diameter φ362mm, thickness 31.3mm (= 1 / 2λ),
Flat type, integrated type with flat antenna
また、電気特性を以下のようにした。
周波数:2.45GHz
パワー密度: 2.67W/cm2(at 2750W)、2.91W/cm2
(at 3000W)
入力インピーダンス:50Ω(2.45GHz)
パワー反射係数:0.75(2.45GHz)
The electrical characteristics were as follows.
Frequency: 2.45GHz
Power density: 2.67 W / cm 2 (at 2750 W), 2.91 W / cm 2
(At 3000W)
Input impedance: 50Ω (2.45 GHz)
Power reflection coefficient: 0.75 (2.45 GHz)
以上の条件で、プラズマ透過板の中における電界分布のシミュレーションを行った。解析条件としては、プラズマ放射孔(スロット)を図5に示すように2ターン形成し、長溝状の隣接するマイクロ波放射孔32同士が「L」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔32が同心円状に配置されたものとし、プラズマ密度は1×1012/cm3とした。その結果、図5に示すように、電界分布は比較的均一であり、3×102V/m以上の高い電界強度の部分が多く、4×102V/m以上の部分も見られ、マイクロ波パワーのロスが少ないことが確認された。
Under the above conditions, the electric field distribution in the plasma transmission plate was simulated. As analysis conditions, plasma radiation holes (slots) are formed in two turns as shown in FIG. 5 and adjacent microwave radiation holes 32 having a long groove shape are arranged in an “L” shape. The
以上の条件で実際にプラズマを形成し、電子温度分布および電子密度分布を求めた。その際の処理ガスとしてArを用い、チャンバー内圧力を1Torr(133Pa)とし、マイクロ波パワーを2750Wとした。図6に電子温度分布を示し、図7に電子密度分布を示す。 Plasma was actually formed under the above conditions, and electron temperature distribution and electron density distribution were obtained. At that time, Ar was used as a processing gas, the pressure in the chamber was 1 Torr (133 Pa), and the microwave power was 2750 W. FIG. 6 shows the electron temperature distribution, and FIG. 7 shows the electron density distribution.
図6に示すように、電子温度が1.6eV以下でかつその分布のばらつきが小さく、また、図7に示すように、電子密度がほぼ1×1012/cm3以上でかつその分布のばらつきも小さく、低電子温度かつ高密度のプラズマが安定して形成されていることが確認された。 As shown in FIG. 6, the electron temperature is 1.6 eV or less and the distribution variation is small, and as shown in FIG. 7, the electron density is approximately 1 × 10 12 / cm 3 or more and the distribution variation. It was also confirmed that a plasma with a low electron temperature and a high density was stably formed.
次に、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置と、従来のエアーギャップを設けたマイクロ波プラズマ処理装置とで、マイクロ波透過板の中におけるマイクロ波電界強度をシミュレーションした結果について説明する。条件は、本発明の場合、遅波板33、平面アンテナ31、プラズマ透過板28および電気特性を上記効果確認のための実験と同様とし、またプラズマ密度は1×1010/cm3とし、従来例の場合には、これらに加えてエアーギャップの長さを20mmとした。この際の結果を図8(a)および(b)に示す。(a)に示すように、本発明の装置では1.75×101V/m以上という高いマイクロ波電界強度の部分が見られるが、(b)に示すように、従来技術では5V/m以下の低い部分が多く、本発明により従来よりもマイクロ波電解強度が著しく高まることがわかった。また、マイクロ波電界強度の均一性は本発明と従来技術とで大きな差がみられないことが判明した。
Next, the result of simulating the microwave electric field intensity in the microwave transmission plate using the microwave plasma processing apparatus according to the present invention and the conventional microwave plasma processing apparatus provided with an air gap will be described. In the case of the present invention, the conditions are the same as in the experiment for confirming the effect of the
いままで述べてきたような本発明の思想に基づく好適な半導体製造装置として、マイクロ波透過板28と遅波板33とがアルミナ(Al2O3)により構成される装置、あるいはこれらが石英(SiO2)により構成される装置を挙げることができる。
As a suitable semiconductor manufacturing apparatus based on the idea of the present invention as described above, an apparatus in which the
マイクロ波透過板28と遅波板33とがアルミナにより構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマCVD装置を挙げることができる。これは、マイクロ波透過板28とプラズマの活性種等とが反応しマイクロ波透過板28を構成する元素を含むガスが発生した場合、これが被処理体上に成膜している膜中に取り込まれ膜質を劣化させる可能性があるが、ここでマイクロ波透過板28がアルミナ製であればアルミナは緻密であるため、例えば石英等に比べて酸素の放出量が1桁程度低くなるためである。また例えばアルミナと他の材料を積層してなる、アルミナに近い誘電率を持つ異なる材料にてマイクロ波透過板28と遅波板33を構成してもよい。この場合には、これらの誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る70%から130%の間となるように、比誘電率が7.4から9.6の材料を種々組み合わせてこれらを構成することができる。
As an example in which an apparatus in which the
一方、マイクロ波透過板28と遅波板33とが石英により構成される装置が好適に適用される例としては、プラズマエッチング装置あるいはプラズマ表面改質装置を挙げることができる。これはエッチングや表面改質用のプロセス条件では、イオン衝撃によりマイクロ波透過板28がスパッタされるため、この時マイクロ波透過板28を構成する元素が金属を含むと被処理体に金属汚染を引き起こす可能性があり、例えばアルミナ等は使用できないからである。このような場合にマイクロ波透過板28が石英製であれば、多くの場合被処理体がシリコンウエハ、ガラス基板であり、これらと石英は同じ元素Siを主成分とするものであるので金属汚染を引き起こすことはない。
On the other hand, a plasma etching apparatus or a plasma surface modification apparatus can be cited as an example in which an apparatus in which the
さらにマイクロ波透過板28と遅波板33とが石英により構成される装置において、同心円状に形成され隣接するマイクロ波放射孔32同士の間隔と、平面アンテナ31の中心から最内周のマイクロ波放射孔32までの長さをΔrとし(図2参照)、Δr=(遅波板中でのマイクロ波の波長)とすると、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合、マイクロ波放射孔32は2ターン形成される。ここで平面アンテナ31としては、現在の装置主流である300mmウエハを処理する装置を想定しており、平面アンテナ31の直径も略300mmとしている。これに対して、マイクロ波透過板28と遅波板33とがアルミナであれば、マイクロ波放射孔32は3ターン形成されることになる。この両者を比較するに、3ターンの装置は2ターンの装置に比べてスロットの設計や調整が極めて困難である。例えば3ターンの装置では、中間ターンのスロットの数を増やしたからといって、その直下のプラズマ密度が上がるわけではなく、プラズマ空間の中心の密度が減少して外周の密度が高くなる場合や、その逆もありうる。これは中間ターンのスロットから放射されるマイクロ波は、内周ターンおよび外周ターンのスロットから放射される電磁波と互いに干渉するからである。このような観点からは、マイクロ波透過板28と遅波板33とを構成する材料として、マイクロ波放射孔32が2ターン形成される石英が好ましい。また、例えば石英と他の材料を積層してなる、石英に近い誘電率を持つ異なる材料にてマイクロ波透過板28と遅波板33を構成してもよい。この場合には、これらの誘電率の値の比が共振条件を満足させ得る70%から130%の間となるように、比誘電率が3.5から4.5の材料を種々組み合わせてこれらを構成することができる。この場合にも、マイクロ波透過板28と遅波板33とが石英の場合と同様、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合、マイクロ波放射孔32は2ターン形成される。
Further, in the apparatus in which the
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。たとえば、処理装置の構成は本発明の構成要件を満たす限り上記実施形態に限るものではない。また、対象のプラズマ処理は、酸化処理に限らず、成膜処理、エッチング処理等種々の処理に適用可能である。さらに、プラズマ処理を行う被処理体としては、半導体ウエハに限らず、フラットパネルディスプレイ基板等、他のものであってもよい。 The present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment. For example, the configuration of the processing apparatus is not limited to the above embodiment as long as the configuration requirements of the present invention are satisfied. Further, the target plasma treatment is not limited to the oxidation treatment, and can be applied to various treatments such as a film formation treatment and an etching treatment. Further, the object to be processed for plasma processing is not limited to a semiconductor wafer, but may be another object such as a flat panel display substrate.
本発明は、半導体デバイスの製造工程における酸化処理、成膜処理、エッチング処理等、低電子温度および高密度のプラズマが求められるプラズマ処理に好適である。 The present invention is suitable for plasma processing that requires low electron temperature and high-density plasma, such as oxidation processing, film formation processing, and etching processing in the manufacturing process of semiconductor devices.
1…チャンバー(処理室)
2…サセプタ
3…支持部材
5…ヒータ
15…ガス導入部材
16…ガス供給系
23…排気管
24…排気装置
25…搬入出口
26…ゲートバルブ
28…マイクロ波透過板
29…シール部材
31…平面アンテナ
32…マイクロ波放射孔
33…遅波板
37…導波管
37a…同軸導波管
37b…矩形導波管
39…マイクロ波発生装置
40…モード変換器
50…プロセスコントローラ
100…プラズマ処理装置
W…半導体ウエハ(被処理体)
1 ... Chamber (Processing room)
2 ... susceptor 3 ...
Claims (10)
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、
前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、
前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を有し、
マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、
前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは同じ材質で形成され、
遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 A chamber in which an object is accommodated;
A microwave source for generating microwaves;
Waveguide means for guiding the microwave generated by the microwave source toward the chamber;
A planar antenna made of a conductor having a plurality of microwave radiation holes for radiating the microwave guided to the waveguide means toward the chamber;
A microwave transmitting plate made of a dielectric material that constitutes the top wall of the chamber and transmits microwaves that have passed through the microwave radiation holes of the planar antenna;
A slow wave plate made of a dielectric, provided on the opposite side of the planar antenna to the microwave transmitting plate, and having a function of shortening the wavelength of the microwave reaching the planar antenna;
A processing gas supply means for supplying a processing gas into the chamber;
A microwave plasma processing apparatus that forms a plasma of a processing gas in the chamber by microwaves and performs plasma processing on an object to be processed by the plasma,
The planar antenna and the microwave transmission plate are formed in close contact with each other substantially without air,
The slow wave plate and the microwave transmission plate are formed of the same material,
A microwave plasma processing apparatus, wherein an equivalent circuit formed of a slow wave plate, a planar antenna, a microwave transmission plate, and plasma satisfies a resonance condition.
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、
マイクロ波発生源で発生されたマイクロ波を前記チャンバーに向けて導く導波手段と、
前記導波手段に導かれたマイクロ波を前記チャンバーに向けて放射する複数のマイクロ波放射孔を有する導体からなる平面アンテナと、
前記チャンバーの天壁を構成し、前記平面アンテナのマイクロ波放射孔を通過したマイクロ波を透過する、誘電体からなるマイクロ波透過板と、
前記平面アンテナの前記マイクロ波透過板と反対側に設けられ、前記平面アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする機能を有する、誘電体からなる遅波板と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を有し、
マイクロ波によって前記チャンバー内に処理ガスのプラズマを形成し、そのプラズマにより被処理体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記平面アンテナと前記マイクロ波透過板とは実質的に空気を介さずに密着して形成されており、
前記遅波板と前記マイクロ波透過板とは、これらの誘電率の値の比が70%〜130%となるような材質で形成され、
遅波板、平面アンテナ、マイクロ波透過板、プラズマで形成される等価回路が、共振条件を満たすことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 A chamber in which an object is accommodated;
A microwave source for generating microwaves;
Waveguide means for guiding the microwave generated by the microwave source toward the chamber;
A planar antenna made of a conductor having a plurality of microwave radiation holes for radiating the microwave guided to the waveguide means toward the chamber;
A microwave transmitting plate made of a dielectric material that constitutes the top wall of the chamber and transmits microwaves that have passed through the microwave radiation holes of the planar antenna;
A slow wave plate made of a dielectric, provided on the opposite side of the planar antenna to the microwave transmitting plate, and having a function of shortening the wavelength of the microwave reaching the planar antenna;
A processing gas supply means for supplying a processing gas into the chamber;
A microwave plasma processing apparatus that forms a plasma of a processing gas in the chamber by microwaves and performs plasma processing on an object to be processed by the plasma,
The planar antenna and the microwave transmission plate are formed in close contact with each other substantially without air,
The slow wave plate and the microwave transmission plate are formed of a material such that a ratio of values of these dielectric constants is 70% to 130%,
A microwave plasma processing apparatus, wherein an equivalent circuit formed of a slow wave plate, a planar antenna, a microwave transmission plate, and plasma satisfies a resonance condition.
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