JP4972327B2

JP4972327B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4972327B2
Application number: JP2006079639A
Authority: JP
Inventors: 昌伸本田; 裕松井
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: JP2007258379A; CN100570818C; KR100889433B1; CN101042989A; KR20070095830A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特に、直流電源に接続された電極を有するプラズマ処理装置に関する。

基板としてのウエハが搬入される処理空間を有する基板処理室と、該基板処理室内に配置され且つ高周波電源に接続された下部電極と、該下部電極と対向するように配置された上部電極とを備える平行平板型のプラズマ処理装置が知られている。このプラズマ処理装置では、処理空間に処理ガスが導入され、上部電極及び下部電極の間の処理空間に高周波電力が印加される。また、ウエハが処理空間に搬入されて下部電極に載置されたときに、導入された処理ガスを高周波電力によってプラズマにしてイオン等を発生させ、該イオン等によってウエハにプラズマ処理、例えば、エッチング処理を施す。

近年、プラズマ処理性能向上を目的として、上部電極を直流電源に接続して処理空間に直流電圧を印加するプラズマ処理装置が開発されている。処理空間に直流電圧を印加するためには、処理空間に導電性の表面が露出する接地電位の電極（以下、「接地電極」という）を設ける必要がある。ところが、デポ性の処理ガスを用いてプラズマ処理を行う場合、接地電極の表面にデポが付着してデポ膜が形成されることがある。また、処理ガスの種類によっては、接地電極の表面が酸化膜や窒化膜で覆われることがある。デポ膜、酸化膜や窒化膜は絶縁性であるため、上部電極から接地電極への直流電流が阻害されて処理空間に直流電圧を印加することが不可能となる。したがって、デポ膜等を除去する必要がある。

従来、電極表面のデポ膜等の除去方法として、処理空間に酸素（O_２）ガスを導入し、酸素ガスから酸素イオンや酸素ラジカルを発生させ、デポ膜等を酸素イオンや酸素ラジカルと反応させて除去する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、上述したデポ膜等の除去方法はウエハのプラズマ処理とは別の処理を実行する必要があり、ウエハからの半導体デバイスの生産性が低下することから、ウエハのプラズマ処理中にデポ膜等を除去する方法、具体的には、接地電極を含む基板処理室内部品に比較的低い周波数、例えば、２MHｚの高周波電力を伝達するデポ膜除去方法が開発されている。このデポ膜除去方法では、２MHｚの高周波電力に起因して接地電極の表面に変動電位が発生する。このとき、陽イオンは比較的低い周波数の変動電位に追随可能であるため、該変動電位によって陽イオンが接地電極に引き込まれて該表面をスパッタする。これにより、デポ膜等が除去される。
特開昭６２−４０７２８号公報

しかしながら、ラジカルのみをウエハに接触させたい場合等、プラズマ処理において比較的低い周波数の高周波電力を供給することが不可能な場合がある。この場合、比較的高い周波数の高周波電力が接地電極等に伝達されるが、陽イオンは比較的高い周波数の変動電位には追随不可能であり、比較的高い周波数の高周波電力に起因して生ずる変動電位の電位差は小さいため、陽イオンが接地電極に低いエネルギーで引き込まれ、その結果、デポ膜等が除去されないことがある。

本発明の目的は、接地電極の絶縁性膜を除去することができるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のプラズマ処理装置は、基板にプラズマ処理を施す処理空間を有する基板処理室と、前記処理空間に直流電圧を印加する板状の上部電極と、前記基板処理室内において前記上部電極と対向し、前記基板が載置され且つ前記処理空間に高周波電力を印加する台状の下部電極と、前記処理空間に露出する接地電極とを備えるプラズマ処理装置であって、前記基板処理室内において前記下部電極上に載置される基板を囲む環状のフォーカスリングをさらに備え、前記下部電極及び前記上部電極は間に前記処理空間を挟んで互いに平行に配置され、前記接地電極は前記基板処理室内において前記下部電極側に配置され、前記接地電極及び前記フォーカスリングは絶縁部を挟んで隣接し、前記下部電極に供給された高周波電力の電界漏洩効果によって発生する漏洩電界に前記接地電極が対向するように、前記接地電極及び前記フォーカスリングの間の距離は０ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定され、前記下部電極には高周波電力が印加されるが、前記接地電極には高周波電力が印加されないことを特徴とする。

請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求項1記載のプラズマ処理装置において、前記漏洩電界の強度は、前記下部電極の周縁部に対向する電界の強度の２割以上であることを特徴とする。

請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、前記距離は、０ｍｍよりも大きく、且つ５ｍｍ以下に設定されることを特徴とする。

請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、前記距離は、０．５ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定されることを特徴とする。

請求項５記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記絶縁部は絶縁体又は真空空間からなることを特徴とする。

請求項１記載のプラズマ処理装置によれば、直流電圧が印加される処理空間に露出する接地電極は絶縁部を挟んで高周波電極と隣接し、接地電極及び高周波電極の間の距離は０ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定される。高周波電極が処理空間に印加する高周波電力は、高周波電極に対向する処理空間の部分だけでなく高周波電極の近傍における処理空間の部分にも所定の強度を有する電界を発生させる。また、該電界は高周波電極から１０ｍｍ以上離れるとほぼ消滅する。したがって、接地電極に対向する処理空間の部分には所定の強度を有する電界が発生し、該電界の電位差に起因してイオンが接地電極に衝突する。その結果、接地電極の絶縁性膜を除去することができる。

請求項３記載のプラズマ処理装置によれば、接地電極及び高周波電極の間の距離が０ｍｍよりも大きく、且つ５ｍｍ以下に設定されるので、接地電極に対向する処理空間の部分に所定の強度を有する電界を確実に発生させることができ、もって、接地電極の絶縁性膜を確実に除去することができる。

請求項４記載のプラズマ処理装置によれば、接地電極及び高周波電極の間の距離が０．５ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定されるので、接地電極に高周波電力が印加されるのを余裕を持って防止することができる。その結果、接地電極を接地電位のまま維持することができ、もって、処理空間に直流電圧を確実に印加することができる。

請求項５記載のプラズマ処理装置によれば、接地電極及び高周波電極の間の絶縁部は絶縁体又は真空空間からなるので、接地電極に高周波電力が印加されるのを確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。このプラズマ処理装置は基板としての半導体ウエハＷにＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理を施すように構成されている。

図１において、プラズマ処理装置１０は円筒形状の基板処理室１１を有し、該基板処理室１１は内部に処理空間Ｓを有する。また、基板処理室１１内には、例えば、直径が３００ｍｍの半導体ウエハＷ（以下、単に「ウエハＷ」という。）を載置する載置台としての円柱状のサセプタ１２（高周波電極）が配置されている。基板処理室１１の内壁面は側壁部材１３で覆われる。該側壁部材１３はアルミニウムからなり、その処理空間Ｓに面する面はイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）でコーティングされている。基板処理室１１は電気的に接地するため、側壁部材１３の電位は接地電位である。また、サセプタ１２は、導電性材料、例えば、アルミニウムからなる導電体部２９と、該導電体部２９の側面を覆う、絶縁性材料からなるサセプタ側面被覆部材１４とを有する。

プラズマ処理装置１０では、基板処理室１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって、サセプタ１２上方の気体分子を基板処理室１１の外へ排出する流路として機能する排気路１５が形成される。この排気路１５の途中にはバッフル板１６が配置される。

バッフル板１６は多数の孔を有する板状部材であり、基板処理室１１を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。バッフル板１６によって仕切られた基板処理室１１の上部（以下、「反応室」という。）１７には、後述するプラズマが発生する。また、基板処理室１１の下部（以下、「排気室（マニホールド）」という。）１８には基板処理室１１内のガスを排出する粗引き排気管１９及び本排気管２０が開口する。粗引き排気管１９にはＤＰ（Dry Pump）（図示しない）が接続され、本排気管２０にはＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）（図示しない）が接続される。また、バッフル板１６は処理空間Ｓにおいて発生するイオンやラジカルを捕捉又は反射してこれらのマニホールド１８への漏洩を防止する。

粗引き排気管１９、本排気管２０、ＤＰ及びＴＭＰ等は排気装置を構成し、粗引き排気管１９及び本排気管２０は反応室１７のガスをマニホールド１８を介して基板処理室１１の外部へ排出する。具体的には、粗引き排気管１９は基板処理室１１内を大気圧から低真空状態まで減圧し、本排気管２０は粗引き排気管１９と協働して基板処理室１１内を大気圧から低真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。

サセプタ１２の導電体部２９には高周波電源２１が整合器（Matcher）２２を介して接続されており、該高周波電源２１は、比較的高い周波数、例えば、４０ＭＨｚの高周波電力を導電体部２９に供給する。これにより、サセプタ１２の導電体部２９は高周波電極として機能する。また、整合器２２は、導電体部２９からの高周波電力の反射を低減して高周波電力の導電体部２９への供給効率を最大にする。サセプタ１２は高周波電源２１から供給された４０ＭＨｚの高周波電力を処理空間Ｓに印加する。

ＲＩＥ処理中においてサセプタ側面被覆部材１４の表面や、後述するシリコン電極２７の露出部等にはデポ膜、酸化膜又は窒化膜等の絶縁性膜が形成されることがある。ここで、サセプタ側面被覆部材１４の表面には導電体部２９へ供給された４０ＭＨｚの高周波電力に起因して高周波（４０ＭＨｚ）の変動電位が発生するが、陽イオンは４０ＭＨｚで変動する電位差に追随不可能であり、４０ＭＨｚの高周波電力に起因して生ずる電位差は小さいため、サセプタ側面被覆部材１４に衝突する陽イオンのエネルギーは低く、４０ＭＨｚの変動電位によってサセプタ側面被覆部材１４の表面に形成された絶縁性膜は除去されることがない。

サセプタ１２の上方には、電極板２３を内部に有する円板状の静電チャック２４が配置されている。サセプタ１２がウエハＷを載置するとき、該ウエハＷは静電チャック２４上に配される。電極板２３には直流電源２５が電気的に接続されている。電極板２３に負の直流電圧が印加されると、ウエハＷの裏面には正電位が発生するため、電極板２３及びウエハＷの裏面の間に電位差が生じ、該電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック(Johnsen-Rahbek)力によってウエハＷは静電チャック２４の上面に吸着保持される。

サセプタ１２の上方には、サセプタ１２の上面に吸着保持されたウエハＷの周りを囲うように環状のフォーカスリング２６が配設される。このフォーカスリング２６はシリコン（Ｓｉ）又はシリカ（ＳｉＯ_２）からなり、処理空間Ｓに露出し、該処理空間ＳのプラズマをウエハＷの表面に向けて収束し、ＲＩＥ処理の効率を向上させる。また、フォーカスリング２６には静電チャック２４を介して導電体部２９へ供給された４０ＭＨｚの高周波電力が伝達される。このとき、フォーカスリング２６は４０ＭＨｚの高周波電力を処理空間Ｓに印加する。したがって、フォーカスリング２６も高周波電極として機能する。

フォーカスリング２６の周りには、該フォーカスリング２６に隣接するようにシリコンからなる環状のシリコン電極２７が配置されている。該シリコン電極２７は処理空間Ｓに露出する露出部を有すると共に、電気的に接地し、接地電極として機能する。また、シリコン電極２７は後述する上部電極板３９が処理空間Ｓに印加する直流電圧に起因する直流電流の経路の一部を構成する。

フォーカスリング２６及びシリコン電極２７の間には絶縁性材料、例えば、クォーツ（Ｑｚ）からなる環状のインシュレーターリング２８（絶縁部）が配置されている。また、シリコン電極２７及びサセプタ１２の導電体部２９の間にはサセプタ側面被覆部材１４が介在する。したがって、シリコン電極２７は導電体部２９やフォーカスリング２６から電気的に絶縁され、インシュレーターリング２８及びサセプタ側面被覆部材１４は導電体部２９やフォーカスリング２６に供給される高周波電力がシリコン電極２７に印加されるのを確実に防止する。

また、シリコン電極２７の周りには、該シリコン電極２７の側面を保護する、クォーツからなる環状のカバーリング３０が配置されている。

サセプタ１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室３１が設けられる。この冷媒室３１には、チラーユニット（図示せず）から冷媒用配管３２を介して所定温度の冷媒、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）液が循環供給され、当該冷媒の温度によってサセプタ１２上面に吸着保持されたウエハＷの処理温度が制御される。

さらに、サセプタ１２の上面のウエハＷが吸着保持される部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔３３が開口している。これら複数の伝熱ガス供給孔３３は、サセプタ１２内部に配置された伝熱ガス供給ライン３４を介して伝熱ガス供給部（図示せず）に接続され、該伝熱ガス供給部は伝熱ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）ガスを伝熱ガス供給孔３３を介して吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給する。

また、サセプタ１２の吸着面には、サセプタ１２の上面から突出自在なリフトピンとしての複数のプッシャーピン３５が配置されている。これらのプッシャーピン３５は、モータ（図示せず）とボールねじ（図示せず）を介して接続され、ボールねじによって直線運動に変換されたモータの回転運動に起因して吸着面から自在に突出する。ウエハＷにＲＩＥ処理を施すためにウエハＷを吸着面に吸着保持するときには、プッシャーピン３５はサセプタ１２に収容され、ＲＩＥ処理が施されたウエハＷを基板処理室１１から搬出するときには、プッシャーピン３５はサセプタ１２の上面から突出してウエハＷをサセプタ１２から離間させて上方へ持ち上げる。

基板処理室１１の天井部には、サセプタ１２と対向するようにガス導入シャワーヘッド３６が配置されている。ガス導入シャワーヘッド３６はバッファ室３７が内部に形成された、絶縁性材料からなる電極板支持体３８と、該電極板支持体３８に釣支される上部電極板３９とを備える。上部電極板３９は処理空間Ｓにその下面が露出する。また、上部電極板３９は導電性材料、例えば、シリコンからなる円板状の部材である。上部電極板３９の周縁部は絶縁性材料からなる環状のシールドリング４０によって覆われる。すなわち、上部電極板３９は、接地電位である基板処理室１１の壁部から電極板支持体３８及びシールドリング４０によって電気的に絶縁されている。

また、上部電極板３９は直流電源４１と電気的に接続されており、上部電極板３９には負の直流電圧が印加されている。したがって、上部電極板３９は処理空間Ｓに直流電圧を印加する。上部電極板３９には直流電圧が印加されるため、上部電極板３９及び直流電源４１の間に整合器を配置する必要がなく、従来のプラズマ処理装置のように上部電極板に整合器を介して高周波電源を接続する場合に比べて、プラズマ処理装置１０の構造を簡素化することができる。また、上部電極板３９は負の電位のまま変動することがないので、陽イオンのみを引き込む状態を維持することができ、処理空間Ｓから電子が消失することがない。したがって、処理空間Ｓにおいて電子が減少することがなく、その結果、ＲＩＥ処理等のプラズマ処理の効率を向上することができる。

電極板支持体３８のバッファ室３７には処理ガス供給部（図示せず）からの処理ガス導入管４２が接続されている。また、ガス導入シャワーヘッド３６は、バッファ室３７を処理空間Ｓに導通させる複数のガス穴４３を有する。ガス導入シャワーヘッド３６は、処理ガス導入管４２からバッファ室３７へ供給された処理ガスをガス穴４３を経由して処理空間Ｓへ供給する。

また、基板処理室１１の側壁には、プッシャーピン３５によってサセプタ１２から上方へ持ち上げられたウエハＷの高さに対応する位置にウエハＷの搬出入口４４が設けられ、搬出入口４４には、該搬出入口４４を開閉するゲートバルブ４５が取り付けられている。

このプラズマ処理装置１０の基板処理室１１内では、上述したように、サセプタ１２の導電体部２９がサセプタ１２及び上部電極板３９の間の空間である処理空間Ｓに高周波電力を印加することにより、該処理空間Ｓにおいてガス導入シャワーヘッド３６から供給された処理ガスを高密度のプラズマにして陽イオンやラジカルを発生させ、さらに、上部電極板３９が処理空間Ｓに直流電圧を印加することによってプラズマを所望の状態に保ち、陽イオンやラジカルによってウエハＷにＲＩＥ処理を施す。

ところで、本発明者は、本発明に先立ち、下記に示す従来のプラズマ処理装置４６において比較的高い周波数の高周波電力のみを高周波電極に供給した場合における基板処理室１１内のデポ付着状況を観察した。

図２は、従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。従来のプラズマ処理装置は、その構成や作用が上述したプラズマ処理装置１０と基本的に同じであり、上部電極板３９に高周波電力が供給される点、及びインシュレーターリング２８やシリコン電極２７を有さない点で、プラズマ処理装置１０と異なるのみである。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

図２において、プラズマ処理装置４６は整合器４９を介して上部電極板３９に接続された高周波電源４７を有する。したがって、上部電極板３９は処理空間Ｓに高周波電力を印加する。また、サセプタ１２上のフォーカスリング２６の周りには、該フォーカスリング２６に隣接するようにクォーツからなる環状のカバーリング４８が配置されている。なお、フォーカスリング２６及びカバーリング４８は互いに直接接触する。

本発明者は、プラズマ処理装置４６において、高周波電源２１からサセプタ１２の導電体部２９に高周波電力を供給することなく、高周波電源４７から上部電極板３９に６０ＭＨｚの高周波電力を２２００Ｗで供給した場合における上部電極板３９の近傍、具体的には、シールドリング４０及び該シールドリング４０に隣接する側壁部材１３の部分におけるデポ付着速度（デポレート）を計測した。なお、このときプラズマ処理装置４６では、
処理空間Ｓの圧力が２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）に設定され、Ｃ_４Ｆ_８ガス及びＡｒガスがそれぞれの流量を１４ｓｃｃｍ及び７００ｓｃｃｍに設定されて処理空間Ｓに供給され、プラズマが生成された。そして、ＲＩＥ処理は５分間継続された。

図３は、６０ＭＨｚの高周波電力のみを上部電極板に供給した場合におけるデポレートと各部品の配設場所との関係を示すグラフである。このグラフでは、横軸は上部電極板３９に対する各部品の相対位置を示し、右に行くほど上部電極板３９に近くなることを示す。

図３のグラフに示すように、側壁部材１３ではデポレートが正であり、側壁部材１３にデポが付着していくことが分かったが、シールドリング４０ではデポレートが負であり、シールドリング４０からデポ膜が除去されていくことが分かった。

プラズマ処理装置４６では、イオンが追随可能な周波数、例えば、２ＭＨｚの高周波電力が上部電極板３９やサセプタ１２の導電体部２９には供給されることはなく、また、シールドリング４０は絶縁性材料からなるため、シールドリング４０の表面に変動電位が発生することがなく、該変動電位に起因するイオンの引き込み（スパッタ）によってデポ膜が除去されることはない。

そこで、本発明者は、シールドリング４０におけるデポ膜除去のメカニズムを探るべく、上部電極板３９に６０ＭＨｚの高周波電力を供給した場合における、シールドリング４０及び上記側壁部材１３の部分に対向する処理空間Ｓの部分における電界強度をシミュレーションによって算出した。なお、以下において「対向する処理空間Ｓの部分における電界」を単に「対向電界」と称する。

図４は、６０ＭＨｚの高周波電力のみを上部電極板に供給した場合においてシミュレーションによって算出された電界強度と各部品の配設場所との関係を示すグラフである。このグラフでも、横軸は上部電極板３９に対する各部品の相対位置を示し、右に行くほど上部電極板３９に近くなることを示す。また、縦軸は上部電極板３９の周縁部における対向電界の強度を「１」とした場合の強度比を示す。

図４のグラフに示すように、該シールドリング４０に隣接する側壁部材１３の部分における対向電界の強度はほぼ０であるのに対して、シールドリング４０における上部電極板３９から１０ｍｍの範囲における対向電界の強度は、上部電極板３９の周縁部における対向電界の強度の２割以上であり、特に、シールドリング４０における上部電極板３９から５ｍｍの範囲における対向電界の強度は、上部電極板３９の周縁部における対向電界の強度の４割以上であることが確認された。また、シールドリング４０における上部電極板３９から１０ｍｍを越えた範囲では対向電界がほぼ消滅する。

以上のシミュレーションの結果より、本発明者は、シールドリング４０におけるデポ膜除去のメカニズムに関して以下の知見を得た。

すなわち、上部電極板３９が処理空間Ｓに６０ＭＨｚの高周波電力を処理空間Ｓに印加すると、上部電極板３９の対向電界が発生するが、該高周波電力は上部電極板３９に対向する処理空間Ｓの部分だけでなく、上部電極板３９の近傍、すなわち、シールドリング４０に対向する処理空間Ｓの部分にも上部電極板３９の対向電界より若干弱い対向電界が発生させる（電界漏洩効果）。そして、シールドリング４０の対向電界の電位差に応じたエネルギーを有するイオンがシールドリング４０に衝突し、該イオンの衝突によってシールドリング４０からデポ膜が除去される。

本実施の形態では、接地電位のシリコン電極２７の露出部に形成された絶縁性膜を除去するために、上述した電界漏洩効果を利用する。具体的には、シリコン電極２７及び４０ＭＨｚの高周波電力が伝達されるフォーカスリング２６の間の距離を０．５ｍｍ乃至１０ｍｍのいずれか、好ましくは０．５ｍｍ乃至５ｍｍのいずれかに設定する。このとき、フォーカスリング２６が処理空間Ｓに印加する４０ＭＨｚの高周波電力の電界漏洩効果により、シリコン電極２７に対向する処理空間Ｓの部分にも、フォーカスリング２６の対向電界より若干弱い対向電界、具体的には、フォーカスリング２６の周縁部における対向電界の強度に対して２割以上の強度を有する電界が発生する。そして、シリコン電極２７の対向電界の電位差に応じたエネルギーを有するイオンがシリコン電極２７に衝突し、該イオンの衝突によってシリコン電極２７から絶縁性膜が除去される。なお、シリコン電極２７をフォーカスリング２６から０．５ｍｍに配置する場合は、シリコン電極２７及びフォーカスリング２６の間にインシュレーターリング２８を配置する代わりに真空空間（空間キャパシタ）を形成する場合が該当する。なお、シリコン電極２７及びフォーカスリング２６の間の距離は絶縁可能であれば、理論上、０ｍｍであってもよい。

プラズマ処理装置１０によれば、直流電圧が印加される処理空間Ｓに露出する露出部を有する接地電極としてのシリコン電極２７は、絶縁性のインシュレーターリング２８を挟んで、４０ＭＨｚの高周波電力を処理空間Ｓに印加するフォーカスリング２６と隣接し、シリコン電極２７及びフォーカスリング２６の間の距離は０．５ｍｍ乃至１０ｍｍのいずれか、好ましくは０．５ｍｍ乃至５ｍｍのいずれかに設定される。４０ＭＨｚの高周波電力に起因して発生する変動電位にはイオンが追随することがなく、該変動電位に起因するイオンの引き込みによってシリコン電極２７の絶縁性膜を除去することはできない。一方、シリコン電極２７に対向する処理空間Ｓの部分にはフォーカスリング２６の周縁部における対向電界の強度に対して２割以上の強度を有する電界が発生し、該電界の電位差に起因してイオンがシリコン電極２７に衝突する。その結果、プラズマ処理装置１０ではシリコン電極２７の絶縁性膜を除去することができる。すなわち、導電体部２９にイオンが追随可能な周波数である３ＭＨｚ以下の高周波電力を供給することなく、シリコン電極２７の絶縁性膜を除去することができる。

プラズマ処理装置１０において、インシュレーターリング２８はクォーツからなるので、シリコン電極２７に高周波電力が印加されるのを確実に防止することができる。その結果、シリコン電極２７を接地電位のまま維持することができ、もって、処理空間Ｓに直流電圧を確実に印加することができる。また、フォーカスリング２６及びシリコン電極２７の間にインシュレーターリング２８を配置する代わりに、真空空間を設けてもよい。この場合にも、シリコン電極２７に高周波電力が印加されるのを確実に防止することができる。

プラズマ処理装置１０では、サセプタ１２の導電体部２９（及びフォーカスリング２６）に供給される高周波電力の周波数は４０ＭＨｚであったが、該周波数は１３ＭＨｚ以上であってもよい。１３ＭＨｚ以上の高周波電力に起因して発生する変動電位にもイオンが追随することがないが、この場合であっても、シリコン電極２７に対向する処理空間Ｓの部分には電界漏洩効果によって対向電界が発生するので、該電界によってイオンをシリコン電極２７に確実に引き込むことができる。

また、プラズマ処理装置１０では、サセプタ１２の導電体部２９に高周波電源２１のみが接続されたが、該導電体部２９には複数の高周波電源が接続されてもよく、１つの高周波電源がイオンが追随可能な周波数である３ＭＨｚ以下の高周波電力を供給すれば、シリコン電極２７には、電界漏洩効果によって発生する対向電界に起因してイオンが衝突するだけでなく、イオンが追随可能な周波数の変動電位に起因してイオンが引き込まれるため、シリコン電極２７の絶縁性膜をより確実に除去することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、上部電極板に高周波電力が供給される点、上部電極板の近傍に接地電位のシリコン電極が配置される点、及びフォーカスリングの周りにインシュレーターリングやシリコン電極が配置されない点で上述した第１の実施の形態と異なるのみである。したがって、同様の構成については説明を省略し、以下に第１の実施の形態と異なる作用についてのみ説明を行う。

図５は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

図５において、プラズマ処理装置５０は、整合器５１を介して上部電極板３９に接続された高周波電源５２を有する。該高周波電源５２は比較的高い周波数、例えば、６０ＭＨｚの高周波電力を上部電極板３９に供給する。これにより、上部電極板３９は高周波電極として機能し、６０ＭＨｚの高周波電力を処理空間Ｓに印加する。また、上部電極板３９は直流電源４１と電気的に接続されて処理空間Ｓに直流電圧を印加する。

上部電極板３９の周りには、該上部電極板３９に隣接するようにシリコンからなる環状のシリコン電極５３が配置されている。該シリコン電極５３は処理空間Ｓに露出する露出部を有すると共に、電気的に接地し、接地電極として機能する。また、シリコン電極５３は上部電極板３９が処理空間Ｓに印加する直流電圧に起因する直流電流の経路の一部を構成する。

上部電極板３９及びシリコン電極５３の間には絶縁性材料、例えば、クォーツからなる環状のシールドリング５４（絶縁部）が配置されている。したがって、シリコン電極５３は上部電極板３９から電気的に絶縁され、シールドリング５４は上部電極板３９に供給される高周波電力がシリコン電極５３に印加されるのを確実に防止する。

また、プラズマ処理装置５０では、高周波電源２１が比較的低い周波数、例えば、２ＭＨｚの高周波電力をサセプタ１２の導電体部２９に供給する。さらに、サセプタ１２上のフォーカスリング２６の周りには、該フォーカスリング２６に隣接するようにクォーツからなる環状のカバーリング４８が配置されている。なお、フォーカスリング２６及びカバーリング４８は互いに直接接触する。

プラズマ処理装置５０では、シリコン電極５３及び上部電極板３９の間の距離を０．５ｍｍ乃至１０ｍｍのいずれか、好ましくは０．５ｍｍ乃至５ｍｍのいずれかに設定する。このとき、上部電極板３９が処理空間Ｓに印加する６０ＭＨｚの高周波電力の電界漏洩効果により、シリコン電極５３に対向する処理空間Ｓの部分にも、上部電極板３９の対向電界より若干弱い対向電界が発生する。そして、シリコン電極５３の対向電界の電位差に応じたエネルギーを有するイオンがシリコン電極５３に衝突し、該イオンの衝突によってシリコン電極５３から絶縁性膜を除去することができる。また、シリコン電極５３にはサセプタ１２の導電体部２９から２ＭＨｚの高周波電力が伝達されて、シリコン電極５３の露出部に２ＭＨｚで変動する変動電位が発生する。該変動電位によってイオンがシリコン電極５３に引き込まれるため、プラズマ処理装置５０では、シリコン電極５３から絶縁性膜を確実に除去することができる。

なお、上述したプラズマ処理装置５０では、高周波電源２１が２ＭＨｚの高周波電力をサセプタ１２の導電体部２９に供給したが、該導電体部２９には高周波電力が供給されなくてもよい。この場合でも、上部電極板３９が処理空間Ｓに印加する６０ＭＨｚの高周波電力の電界漏洩効果により、シリコン電極５３の対向電界が発生するので、シリコン電極５３の絶縁性膜を除去することができる。

なお、上述したプラズマ処理装置１０，５０においてＲＩＥ処理等が施される基板は半導体デバイス用の半導体ウエハに限られず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。６０ＭＨｚの高周波電力のみを上部電極板に供給した場合におけるデポレートと各部品の配設場所との関係を示すグラフである。６０ＭＨｚの高周波電力のみを上部電極板に供給した場合においてシミュレーションによって算出された電界強度と各部品の配設場所との関係を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

Ｓ処理空間
Ｗ半導体ウエハ
１０,４６，５０プラズマ処理装置
１１基板処理室
１２サセプタ
１３側壁部材
１４サセプタ側面被覆部材
２１,４７,５２高周波電源
２６フォーカスリング
２７,５３シリコン電極
２８インシュレーターリング
２９導電体部
３０，４８カバーリング
３６ガス導入シャワーヘッド
３９上部電極板
４０,５４シールドリング
４１直流電源

Claims

基板にプラズマ処理を施す処理空間を有する基板処理室と、前記処理空間に直流電圧を印加する板状の上部電極と、前記基板処理室内において前記上部電極と対向し、前記基板が載置され且つ前記処理空間に高周波電力を印加する台状の下部電極と、前記処理空間に露出する接地電極とを備えるプラズマ処理装置であって、
前記基板処理室内において前記下部電極上に載置される基板を囲む環状のフォーカスリングをさらに備え、
前記下部電極及び前記上部電極は間に前記処理空間を挟んで互いに平行に配置され、
前記接地電極は前記基板処理室内において前記下部電極側に配置され、
前記接地電極及び前記フォーカスリングは絶縁部を挟んで隣接し、
前記下部電極に供給された高周波電力の電界漏洩効果によって発生する漏洩電界に前記接地電極が対向するように、前記接地電極及び前記フォーカスリングの間の距離は０ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定され、
前記下部電極には高周波電力が印加されるが、前記接地電極には高周波電力が印加されないことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記漏洩電界の強度は、前記下部電極の周縁部に対向する電界の強度の２割以上であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記距離は、０ｍｍよりも大きく、且つ５ｍｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
前記距離は、０．５ｍｍよりも大きく、且つ１０ｍｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
前記絶縁部は絶縁体又は真空空間からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。