JP2014096297A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空チャンバ内で異常放電を発生させることなく、真空チャンバの内壁面の全面に亘って付着物を除去可能な簡単な構成のプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバの一の外壁に沿って配置された電極と、真空チャンバ内にプラズマを発生させた状態で、プラズマ中のイオンが真空チャンバの内壁面に引き込まれるように電極６に電圧を印加する電源とを備える。電極６は、基部６１と、この基部を起点に点対称となるように当該基部から径方向にのびる複数本の主枝部６２と、互いに隣接する主枝部で区画される空間を複数に分割する、主枝部に突設された従枝部６３とを有し、電源より電極に電圧印加したとき、当該電極に対向する真空チャンバの内壁面全面に亘ってイオンが引き込まれるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、詳しくは、真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバの一の外壁に沿って配置された電極と、真空チャンバ内にプラズマを発生させた状態で、プラズマ中のイオンが真空チャンバの内壁面に引き込まれるように電極に電圧を印加する電源とを備えたものに関する。

従来、上記種のプラズマ処理装置は例えば特許文献１で知られている。このものでは、真空チャンバの一の外壁に沿って平面状の電極を配置している。この電極は、円盤形状の基部と、この基部から径方向にのびる複数の枝部とを有し、各枝部の先端が二股に分かれている。このような電極に電圧印加すると、プラズマ中のイオンが真空チャンバの内壁面に引き込まれ、引き込まれたイオンにより内壁面の付着物がスパッタエッチングされて除去される。

ところで、電極に対向する真空チャンバの内壁面の全面に亘って付着物を除去するためには、この内壁面の全面に亘ってイオンを引き込むことが必要である。上記特許文献１記載のものでは、モータで構成した移動手段を更に備え、この移動手段の回転軸に電極を取り付けている。そして、移動手段の作動により電極を一定速度で回転させて、電極の枝部を真空チャンバの外壁全体に亘って走査するようにしている。

然し、上記のような移動手段を設けると、装置構成が複雑になり、コストアップを招来するという問題がある。しかも、移動手段により電極を回転させると、真空チャンバ内で異常放電が発生することが本発明者らによって確認された。

特開平１０−１５２７８４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、真空チャンバ内で異常放電を発生させることなく、真空チャンバの内壁面の全面に亘って付着物を除去可能な簡単な構成のプラズマ処理装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバの一の外壁に沿って配置された電極と、真空チャンバ内にプラズマを発生させた状態で、プラズマ中のイオンが真空チャンバの内壁面に引き込まれるように電極に電圧を印加する電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記電極は、基部と、この基部を起点に点対称となるように当該基部から径方向にのびる複数本の主枝部と、互いに隣接する主枝部で区画される空間を複数に分割する、主枝部に突設された従枝部とを有し、前記電源より電極に電圧印加したとき、当該電極に対向する真空チャンバの内壁面の全面に亘ってイオンが引き込まれるように構成したこと特徴とする。

本発明によれば、互いに隣接する主枝部で画成される空間を従枝部により細分化したため、電極の主枝部及び従枝部に電圧印加すると、これら主枝部及び従枝部に対向する真空チャンバの内壁面の全面に亘ってイオンを引き込むことができ、この内壁面の全面に亘って付着物を除去することができる。この場合、従来例の如く移動手段を設ける必要がないため、装置構成を簡単にでき、しかも、真空チャンバ内で異常放電が発生することを防止できる。

前記電極が平面視円形の輪郭を備える本発明のプラズマ処理装置においては、前記主枝部は周方向に４５°または６０°の間隔で基部に設けられ、前記従枝部は、主枝部の一側に径方向に等間隔で且つ他の主枝部と平行に設けられることが好ましい。これによれば、互いに隣接する主枝部で区画される空間を従枝部により均等に分割できる。この場合、隣接する従枝部の相互の間隔が、従枝部の平面視の幅と同等以上であることが好ましい。尚、本発明において、同等とは、厳密な一致を意味するものではなく、実質的に等しいことを意味する。従枝部の間隔が幅よりも短いと、誘導電界が遮蔽されてしまい、誘導結合放電が発生しなくなる。例えば、従枝部の幅は３〜１０ｍｍの範囲に設定され、従枝部の間隔は３〜２５ｍｍの範囲に設定されることが好ましい。従枝部の幅が１０ｍｍよりも長い場合や、従枝部の間隔が２５ｍｍよりも長い場合には、内壁面の全面に亘ってイオンが引き込まれず、内壁面に付着物が残存する箇所が生じる。

本発明において、前記外壁を介して基板表面に光を照射し、基板表面からの反射光を受光し、受光した反射光に基づき処理の終点を検出する終点検出手段を更に備える場合、前記電極の基部に、終点検出用の光の透過を許容する透孔が開設されていることが好ましい。この場合、透孔に対向する真空チャンバ内壁面の付着物を除去できるため、付着物による終点検出用の光の散乱や吸収を抑えることができるので、終点検出を精度良く行うことができる。

本発明において、前記透孔は、周方向に所定間隔で径方向内側に向けて突出する突起部を備えることが好ましい。これによれば、透孔の径が大きくても（例えば、φ５ｍｍ以上）、透孔に対向する真空チャンバ内壁面の付着物を除去できる。

本発明において、前記内壁面と前記基板との間に透孔を有する石英板を設け、この透孔にサファイア板を設置して終点検出用の光が通るように構成することが好ましい。サファイア板は、石英板に比べてイオン照射による耐性が高い（表面荒れが少ない）。このようなサファイア板を光が通るように構成したため、石英板を光が通る場合に比べて、表面荒れによる終点検出用の光の散乱や吸収をより一層抑えることができる。そして、これらの石英板及びサファイア板は、付着物が所定量に達した時点で交換すればよいため、内壁面に付着物が付着する場合に比べてメンテナンス性を向上できる。

本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式図。 図１に示す電極の平面図。 本発明の第２実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式図。 図３に示す電極の平面図。 本発明の実験結果を示す写真。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置について、ドライエッチング装置を例に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１を参照して、Ｍ１は、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型のエッチング装置であり、エッチング装置Ｍ１は、底付き円筒状の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の上部開口は、石英等の誘電体で形成される天板１１で塞がれている。天板１１は、真空チャンバ１の一の外壁を構成し、その下面１１ａが、真空チャンバ１の内壁面を構成する。真空チャンバ１の側壁上部にはフランジ１ａが設けられ、フランジ上面には凹溝１ｂが形成され、この凹溝１ｂに嵌め込まれたＯリング１２によりフランジ１ａと天板１１との間がシールされている。

真空チャンバ１内の底部には、基板ステージ２が設けられ、図示省略の公知の静電チャック等により、処理すべき基板Ｓをその処理面を上側にして位置決め保持できるようになっている。基板ステージ２には、高周波電源Ｅ１からの出力が接続されており、基板Ｓにバイアス電位を印加できるようになっている。尚、基板ステージ２にヒータや冷媒流路を組み込み、基板Ｓを所定温度に加熱または冷却できるようにしてもよい。

真空チャンバ１の底部には、図示省略の真空ポンプなどの真空排気手段に通じる排気管３が接続され、真空チャンバ１内を真空引きできるようになっている。また、真空チャンバ１の側壁には、図示省略の流量制御手段（マスフローコントローラ）を介してガス源に通じるガス管４が接続され、真空チャンバ１内にエッチングガスを所定流量で導入できるようになっている。

天板１１の外側には、複数段（本実施形態では２段）のループ状のアンテナコイル５が設けられ、このアンテナコイル５には、高周波電源Ｅ２からの出力が接続され、プラズマ発生用の高周波電力を投入できるようになっている。これらのアンテナコイル５及び高周波電源Ｅ２は、本発明の「プラズマ発生手段」を構成する。

天板１１とアンテナコイル５との間には、天板１１に沿って電極６が配置されている。電極６には、高周波電源Ｅ２からの出力が可変容量コンデンサ（例えば、１０ｐＦ〜１００ｐＦ）７を介して接続されており、真空チャンバ１内にプラズマが発生した状態で、電極６に電圧印加すると、電極６に対向する天板１１の下面１１ａの全面に亘ってイオンが引き込まれるようになっている。

図２を参照して、電極６は、基部６１と、この基部６１を起点に点対称となるように基部６１から径方向にのびる複数本（本実施形態では６本）の主枝部６２と、互いに隣接する主枝部６２で区画される空間を複数に分割する、主枝部６２に突設された従枝部６３とで構成される。本実施形態では、電極６は平面視円形の輪郭を有し、主枝部６２は周方向に６０°の間隔で基部６１に設けられ、従枝部６３は主枝部６２の一側に径方向に等間隔で且つ隣接する主枝部６２と平行に設けられている。この場合、隣接する従枝部６３の相互の間隔ｄは、従枝部６３の平面視の幅ｗと同等以上であることが好ましい。ここで、従枝部６３の断面形状は特に限定されることがなく、従枝部６３の断面形状として例えば矩形または円形に形成することができ、また、上記幅ｗは従枝部６３を平面視でみたときの最大幅とする。また、従枝部６３は、主枝部６２の一側との接続端から先端まで幅が一定に形成されたものに限定されず、幅が変化するものであってもよい。従枝部６３の幅が変化する場合には、上記幅ｗは、変化する幅の最大値とする。従枝部６３の間隔ｄが幅ｗよりも短いと、誘導電界が遮蔽されてしまい、誘導結合放電が発生しなくなる。従枝部６３の幅ｗは３〜１０ｍｍの範囲で設定され、間隔ｄは３〜２５ｍｍの範囲で設定されることが好ましい。例えば、幅ｗが４ｍｍに設定されると、間隔ｄは４〜２５ｍｍの範囲で設定される。幅ｗが１０ｍｍよりも長い場合や、間隔ｄが２５ｍｍよりも長い場合には、天板下面１０ａの全面に亘ってイオンが引き込まれず、天板下面１０ａに付着物が残存する箇所が生じる。以下、上記エッチング装置Ｍ１を用いたエッチング方法について説明する。

先ず、真空排気手段を作動させて真空チャンバ１内を所望の真空度まで真空引きした状態で、図外の搬送ロボットを用いて基板Ｓを搬送して基板ステージ２上に載置する。ガス管４から真空チャンバ１内に、Ａｒガスを２０〜１００ｓｃｃｍの流量で導入する。次いで、高周波電源Ｅ２からアンテナコイル５に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を５００Ｗ〜２０００Ｗ投入することで、真空チャンバ１内にプラズマが発生する。これと併せて、基板Ｓに例えば１２．５ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗ〜１０００Ｗ投入することで、イオンが基板に引き込まれてエッチングが行われる。このとき、電極６に電圧を１０００Ｖ〜５０００Ｖ印加することで、天板１１の内面１１ａにその全面に亘ってイオンが引き込まれ、その内面１１ａの全面に亘って付着物が除去される。

以上説明した第１実施形態によれば、互いに隣接する主枝部６２で画成される空間を従枝部６３により細分化したため、電極６の主枝部６２及び従枝部６３に電圧印加すると、これら主枝部６２及び従枝部６３に対向する天板１１の下面１１ａの全面に亘ってイオンを引き込むことができ、この下面１１ａの全面に亘って付着物を除去することができる。この場合、従来例の如く移動手段を設ける必要がないため、装置構成を簡単にでき、しかも、真空チャンバ１内で異常放電が発生することを防止できる。

次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態のプラズマ処理装置について、エッチング装置Ｍ２を例に説明する。エッチング装置Ｍ２は、終点検出手段８として、例えば、干渉式の膜厚測定手段を備えている。干渉式の膜厚測定手段８としては、図示省略のレーザ光源、受光部、光学系等で構成される公知のものを用いることができるため、ここではその詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の上部開口には径方向に窪む段差１ｃが凹設され、この段差１ｃに石英板１３を落とし込むことで、天板１１と基板Ｓとの間に石英板１３が配置される。石英板１３は、その中央付近に透孔１３ａを有し、この透孔１３ａにサファイア板１４を設置して、終点検出用の光が通るようにしている。

即ち、上記膜厚測定手段８のレーザ光源から発せられたレーザ光は、天板１１及びサファイア板１４を介して基板Ｓ表面に照射される。レーザ光は基板Ｓ表面で反射されるが、このとき、薄膜の膜厚等に応じた光路長差により干渉を起こす。このように干渉した反射光は受光部により受光され、受光された反射光の干渉強度が求められる。この干渉強度を後述する制御手段によりモニタすることで、エッチングの終点を検出することができる。

図４を参照して、電極６０の基部６４には、終点検出用の光の透過を許容する透孔が開設されている。ここで、透孔の径がφ３ｍｍを超えると、電極６０に電圧印加したときに、天板下面１１ａの基部６４に対向する部分引き込まれるイオンが減少するため、当該部分に付着物が残存するという不具合が生じ得る。そこで、基部６４の透孔に、その周方向に所定間隔（例えば、６０°）で径方向内側に向けて突出する突起部６４ａを設けることにより、天板下面１１ａの基部６４に対向する部分にイオンを引き込むことができる。

上記エッチング装置Ｍ２は、コンピュータ、シーケンサーやドライバー等を備えた制御手段Ｃを備え、上述した部品や終点検出手段８等の動作が統括制御されるようになっている。

以上説明した第２実施形態によれば、電極６０の基部６４に終点検出用の光の透過を許容する透孔を開設し、この透孔に対向する天板１１及びサファイア板１４の付着物を除去するようにしたため、付着物による終点検出用の光の散乱や吸収を抑えることができるので、終点検出を精度良く行うことができる。サファイア板１４は、石英板１３に比べてイオン照射による耐性が高い（表面荒れが少ない）ため、表面荒れによる光の散乱や吸収を抑えることができて有利である。

その上、天板１１と基板Ｓとの間に石英板１３及びサファイア板１４を配置したため、天板１１の付着物を大幅に減らすことができる。そして、これらの石英板１３及びサファイア板１４は、付着物が所定量に達した時点で交換すればよいため、天板１１に付着物が付着する場合に比べてメンテナンス性を向上できる。

上記実施形態の効果を確認するために、以下の実験を行った。本実験では、処理すべき基板を、表面にＡｕ膜が形成されたシリコン基板とし、上記エッチング装置Ｍ１を用いてＡｕ膜をエッチングした。ここで、電極６の従枝部６３の幅ｗは４ｍｍ、間隔ｄは２２ｍｍとし、エッチング条件は、エッチングガスたるＡｒガスの流量：５０ｓｃｃｍ、プロセス圧力：０．５Ｐａ、高周波電力（バイアス）：１２．５ＭＨｚ，５００Ｗ、高周波電力（アンテナ）：１３．５６ＭＨｚ，５００Ｗとした。エッチング後に天板１１の下面１１ａの状態を確認した。その結果、図５に示すように、下面１１ａの全面に亘って付着物が除去されており、下面１１ａの全面に亘ってイオンを引き込めることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、エッチング装置を例に説明したが、プラズマ処理装置はこれに限られず、例えばスパッタリング装置に対しても本発明を適用することができる。この場合、膜厚測定手段８により基板表面に成膜された薄膜の膜厚をモニタすることで、終点を検出するようにしてもよい。また、上記エッチング装置Ｍ１，Ｍ２において、電極６とアンテナコイル５との間に永久磁石を配置することもできる。

上記実施形態では、基部６１に主枝部６２を周方向に６０°の間隔で６本設ける場合を例に説明したが、その周方向に４５°の間隔で８本設ける場合にも本発明を適用することができ、この場合も同様の効果を奏する。

上記第２実施形態では、天板１１と基板Ｓとの間に、石英板１３及びサファイア板１４を設けたが、これらを設けなくてもよい。この場合、天板１１を石英製のものとし、その中央付近に透孔を形成し、サファイア板を設置して終点検出用の光が通るように構成することが好ましい。これによれば、天板１１を光が通る場合に比べて、終点検出用の光の散乱や吸収をより一層抑えることができる。

Ｍ…エッチング装置（プラズマ処理装置）、１…真空チャンバ、６…電極、８…膜厚測定手段（終点検出手段）、１１…天板（一の外壁）、１１ａ…下面（内壁面）、１３…石英板、１４…サファイア板、６１，６４…基部、６２…主枝部、６３…従枝部、６４ａ…突起部。

Claims (6)

1. 真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバの一の外壁に沿って配置された電極と、真空チャンバ内にプラズマを発生させた状態で、プラズマ中のイオンが真空チャンバの内壁面に引き込まれるように電極に電圧を印加する電源とを備えたプラズマ処理装置において、
   前記電極は、基部と、この基部を起点に点対称となるように当該基部から径方向にのびる複数本の主枝部と、互いに隣接する主枝部で区画される空間を複数に分割する、主枝部に突設された従枝部とを有し、前記電源より電極に電圧印加したとき、当該電極に対向する真空チャンバの内壁面の全面に亘ってイオンが引き込まれるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記電極が平面視円形の輪郭を有するものにおいて、
   前記主枝部は周方向に４５°または６０°の間隔で基部に設けられ、前記従枝部は、主枝部の一側に径方向に等間隔で且つ他の主枝部と平行に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 隣接する従枝部の相互の間隔は、前記従枝部の平面視の幅と同等以上にすることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記外壁を介して基板表面に光を照射し、基板表面からの反射光を受光し、受光した反射光に基づき処理の終点を検出する終点検出手段を更に備え、
   前記電極の基部に、終点検出用の光の透過を許容する透孔が開設されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   前記透孔は、周方向に所定間隔で径方向内側に向けて突出する突起部を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項４または５記載のプラズマ処理装置において、
   前記内壁面と前記基板との間に透孔を有する石英板を設け、この透孔にサファイア板を設置して終点検出用の光が通るように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。