JP5248370B2 - シャワーヘッド及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部で基板を処理する処理チャンバーに設けられ、基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッド及びプラズマ処理装置に関する。

従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドが用いられている。すなわち、例えば半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング処理を施すプラズマ処理装置では、処理チャンバー内に、基板を載置するための載置台が設けられており、この載置台と対向するように、シャワーヘッドが設けられている。このシャワーヘッドには、載置台と対向する対向面に、ガス吐出孔が複数設けられており、これらのガス吐出孔から基板に向けてガスをシャワー状に供給する。

また、上記したプラズマ処理装置では、処理チャンバー内で発生させたプラズマを一定の処理空間内に閉じ込める必要がある。このため、処理チャンバー内の処理空間に、プラズマ閉じ込め用のバッフル板を設けたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−１６５４６０号公報

上記したプラズマ処理装置では、処理チャンバーの下部から処理チャンバー内の排気を行うよう構成され、シャワーヘッドから供給されたガスが、載置台の下方へ向けて流れる構成とされたものが一般的である。このため、処理チャンバー内で発生させたプラズマは、このガスの流れに沿って、載置台の周囲へ、そして、載置台の周囲から下方へ向けて拡散する傾向があり、上記のプラズマの閉じ込め技術もこのようなプラズマの拡散を防止するためのものである。

一方、本発明者は、従来からシャワーヘッドからガスを供給するとともに、このシャワーヘッドに設けた複数の排気孔から排気し、ガス流の均一化を図ることのできるシャワーヘッドを開発している。このようなシャワーヘッドでは、処理チャンバー内におけるガスの流れが、載置台とシャワーヘッドの間の空間において、上部から下部へ、そして、下部から上部への流れとなり、従来のプラズマ処理装置とは、全く異なったガスの流れとなる。したがって、上記した従来のようなプラズマの閉じ込め技術を採用することができない。

このため、排気孔を有し、上部に排気するよう構成されたシャワーヘッド及びこのようなシャワーヘッドを具備したプラズマ処理装置において、プラズマの拡散を防止することのできる技術の開発が望まれていた。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、シャワーヘッドからガスを供給し、シャワーヘッドから排気する構成の場合であっても、プラズマの拡散を防止することができ、効率良く均一なプラズマ処理を行うことのできるシャワーヘッド及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。

請求項１のシャワーヘッドは、内部で基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドであって、前記対向面と、前記対向面とは反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための複数の排気孔と、前記反対側の面に設けられ、イオン閉じ込め用の電圧が印加される複数の電極と、を具備し、前記電極は、２つで一対とされ、これらの一対の電極の間に、前記イオン閉じ込め用の電圧として、高周波電圧又は直流電圧が印加され、又は、前記イオン閉じ込め用の電圧として、同一の空間を挟んで十字状に配列された４つの電極のうち、夫々対向する２対の電極の１方の電極間に高周波電圧とマイナスの直流電圧とを重畳した電圧が印加され、他方の電極間に高周波電圧とプラスの直流電圧とを重畳した電圧が印加されることを特徴とする。

請求項２のシャワーヘッドは、請求項１記載のシャワーヘッドであって、前記電極が、棒状又は筒状とされていることを特徴とする。

請求項３のプラズマ処理装置は、内部で基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ前記載置台と対向する対向電極を構成し、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドが、前記対向面と、前記対向面とは反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための複数の排気孔と、前記反対側の面に設けられ、イオン閉じ込め用の電圧が印加される複数の電極と、を具備し、前記電極は、２つで一対とされ、これらの一対の電極の間に、前記イオン閉じ込め用の電圧として、高周波電圧又は直流電圧が印加され、又は、前記イオン閉じ込め用の電圧として、同一の空間を挟んで十字状に配列された４つの電極のうち、夫々対向する２対の電極の１方の電極間に高周波電圧とマイナスの直流電圧とを重畳した電圧が印加され、他方の電極間に高周波電圧とプラスの直流電圧とを重畳した電圧が印加されることを特徴とする。

本発明によれば、シャワーヘッドからガスを供給し、シャワーヘッドから排気する構成の場合であっても、プラズマの拡散を防止することができ、効率良く均一なプラズマ処理を行うことのできるシャワーヘッド及びプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの構成を示す縦断面図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの斜視図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの要部構成を説明するための斜視図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの上面図。 本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの底面図。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の要部断面構成を示すものであり、図２は、図１のプラズマエッチング装置２００に設けられたシャワーヘッド１００の構成を示す断面図、図３はシャワーヘッド１００の構成を示す斜視図、図４はシャワーヘッド１００の要部構成を説明するための斜視図。図５はシャワーヘッド１００の上面図、図６はシャワーヘッド１００の底面図である。

図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。この板状部材は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。このシャワーヘッド１００は、図１に示すように、プラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に、半導体ウエハ（基板）が載置される載置台２０２と対向するように配設される。すなわち、図２に示す下側部材１側が図１に示す載置台２０２と対向する対向面１４を形成するように配設される。

上記積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図２中に矢印で示すように、基板（図２中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部１２ａが設けられている。

また、上記積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、多数の排気孔１３が形成されている。これらの排気孔１３は、図２中に点線の矢印で示すように、基板側（図中下側）から基板と反対側（図中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。これらの排気孔１３は、直径が例えば３ｍｍ程度とされており、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１０インチ径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、７００〜１０００個程度である。なお、図３に示すように、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。

さらに、上記積層体１０の上側部材２側、すなわち、載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面１５には、棒状（柱状）に構成された複数の電極１６が、積層体１０とは電気的に絶縁された状態で立設されている。これらの電極１６は、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。なお、電極１６は、棒状のものに限定されるものではなく、例えば筒状、板状であってもよい。

上記電極１６は、導電性の金属材料、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム等から構成することができる。なおアルミニウム、銅には、他の元素を少量添加して機械的特性や熱伝導性を改善したこれらの金属の合金を包含する。電極１６の材料として銅を使用する場合は、表面から銅が飛散して半導体ウエハＷに悪影響を与えることを防止するため、表面処理を施すことが好ましい。これらの電極１６は、１０インチ径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、例えば数十本から百数十本程度設けることができる。

上記電極１６は、隣接する２つの電極１６によって、一対の電極が構成されるようになっており、これらの一対の電極に、イオン閉じ込め用の電圧が印加される。イオン閉じ込め用の電圧としては、図２に示すように直流電圧、又は高周波電圧、あるいは、図４に示すように高周波電圧と直流電圧を重畳した電圧が印加される。このように電極１６間に電圧を印加することによって形成される電場により、図２、図４中に点線で示すように、イオンが蛇行するように進行し、電極１６の下部近傍にイオンが停滞、若しくは電極１６に衝突して消滅する。

また、図４に示す例では、同一の空間を挟んで十字状に配列された４つの電極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄのうち、夫々対向する電極１６ａと電極１６ｂとの間に高周波電圧と−の直流電圧とを重畳した電圧を印加し、対向する電極１６ｃと電極１６ｄとの間に高周波電圧と＋の直流電圧とを重畳した電圧を印加することができる。これによってＱＭＳ（４重極型質量分析計）の場合と同様に、イオンを振動させ、又は消滅させることができる。

上記のように、本実施形態では、シャワーヘッド１００の載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面１５には、棒状（柱状）に構成された複数の電極１６が設けられており、これらの電極１６にイオン閉じ込め用の電圧を印加することにより、イオンが排気路の下流側に拡散して漏洩することを防止することができる。また、シャワーヘッド１００の対向面１４とは反対側の面１５の近傍にイオンを停滞させることによって、プラズマ中のイオンが新たに対向面１４側から排気孔１３を通って反対側の面１５側に漏洩することを抑制することができる。これによって、局所的にイオンが排気側に漏洩し、プラズマ密度が不均一になることを抑制することができ、処理に供するプラズマを均一な状態に維持することができる。

次に、図１を参照して上記構成のシャワーヘッド１００を具備した基板処理装置としてのプラズマエッチング装置２００の構成を説明する。このプラズマエッチング装置２００は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。

プラズマエッチング装置２００は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に形成された処理チャンバー（処理容器）２０１を有しており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、図示しない高周波電源等の高周波電力印加装置が接続されている。

載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路２０４が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成されており、ここには、開口２０５を気密に閉塞するための開閉機構２０６が設けられている。

載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、図２に示したシャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。

シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給機構から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。

また、シャワーヘッド１００の上部には、上方に向けて径小となる筒状（ラッパ状）の筒状体２１０が設けられており、この筒状体２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。このように、筒状体２１０の内側が排気路となっており、電極１６は、筒状体２１０の内側の排気路内に配設されている。また、筒状体２１０の外側には、温度調節媒体を循環させて温度調節を行うための温度調節機構２１１が設けられている。

上記構成のプラズマエッチング装置２００によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハは、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入され、静電チャック２０３上に載置される。そして、半導体ウエハが静電チャック２０３上に静電吸着される。次いで、開口２０５が閉じられ、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給され、この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。

そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２に所定の周波数，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。このプラズマによって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。

上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１からシャワー状に供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。

また、前述したとおり、電極１６にイオン閉じ込め用の電圧を印加することによって、処理チャンバー２０１内の処理空間中のプラズマＰからイオンがシャワーヘッド１００の排気孔１３を通って、拡散することを抑制することができ、プラズマＰの状態を一定に維持することができる。すなわち、プラズマＰ中の一部から局所的にイオンが排気側に拡散してプラズマＰが不均一になることがなく、均一なプラズマＰで処理を行うことができる。これによって、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができ、処理の面内均一性を向上させることができる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。

上記したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、シャワーヘッド１００から上部に排気する構成となっているので、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。また、処理空間内のプラズマＰが排気側に漏洩することを抑制することができ、プラズマＰの状態を均一化することができる。これによって、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。さらに、排気側へのイオンの拡散を抑制するために、排気孔１３の径を小さくする必要がなく、排気コンダクタンスの確保のためシャワーヘッド１００が大型化し、処理チャンバー２０１の小型化が困難になることもない。

また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けており、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気するので、効率良く排気することができ、真空ポンプの容量を少なくしてさらに小型化を図ることができる。

１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１６……電極、１００……シャワーヘッド、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台。

Claims (3)

1. 内部で基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドであって、
   前記対向面と、前記対向面とは反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための複数の排気孔と、
   前記反対側の面に設けられ、イオン閉じ込め用の電圧が印加される複数の電極と、
   を具備し、
   前記電極は、２つで一対とされ、これらの一対の電極の間に、前記イオン閉じ込め用の電圧として、高周波電圧又は直流電圧が印加され、又は、
   前記イオン閉じ込め用の電圧として、同一の空間を挟んで十字状に配列された４つの電極のうち、夫々対向する２対の電極の１方の電極間に高周波電圧とマイナスの直流電圧とを重畳した電圧が印加され、他方の電極間に高周波電圧とプラスの直流電圧とを重畳した電圧が印加される
   ことを特徴とするシャワーヘッド。
2. 請求項１記載のシャワーヘッドであって、
   前記電極が、棒状又は筒状とされている
   ことを特徴とするシャワーヘッド。
3. 内部で基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ前記載置台と対向する対向電極を構成し、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記シャワーヘッドが、
   前記対向面と、前記対向面とは反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための複数の排気孔と、
   前記反対側の面に設けられ、イオン閉じ込め用の電圧が印加される複数の電極と、
   を具備し、
   前記電極は、２つで一対とされ、これらの一対の電極の間に、前記イオン閉じ込め用の電圧として、高周波電圧又は直流電圧が印加され、又は、
   前記イオン閉じ込め用の電圧として、同一の空間を挟んで十字状に配列された４つの電極のうち、夫々対向する２対の電極の１方の電極間に高周波電圧とマイナスの直流電圧とを重畳した電圧が印加され、他方の電極間に高周波電圧とプラスの直流電圧とを重畳した電圧が印加される
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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