JP5745812B2

JP5745812B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5745812B2
Application number: JP2010240867A
Authority: JP
Inventors: 飯塚　八城; 八城飯塚
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: US20120103523A1; CN102456531A; TWI512780B; JP2012094690A; KR101287081B1; KR20120047793A; TW201237922A; CN102456531B

Description

本発明は、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、成膜処理やエッチング処理等の処理を行う装置として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いるプラズマ処理装置が知られている。

ＩＣＰを用いたプラズマ処理装置の処理ガス供給構造としては、処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置では、例えば、基板の周囲の、高周波コイルと基板の間の空間に、環状の中空管からなる処理ガス供給機構を設け、中空管の内側に設けた複数のガス吹き出し口から基板の上部の空間に処理ガスを噴出させる方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、処理室の側壁部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置では、例えば、処理室の上部中央から基板の上部の空間に処理ガスを噴出させる方式のものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、個別にガス供給機構を有する複数のチャネルを有し、複数のチャネル毎に個別に給電されるＲＦコイルを有する構成のプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

上記の処理ガス供給構造は、いずれも穴やスリットの開口によるノズル状の構造を用いた方式である。処理室の上部に高周波コイルを設けたプラズマ処理装置の場合、基板の上部にガス導入するための大きな構造物が存在すると、その構造物に遮られるように基板の処理状態が不均一になる虞がある。また、基板の上部、かつ、高周波コイルの下部にガス拡散室を設けた構成とした場合は、この空間での放電現象を防止する対策が必要となる。さらに、個別にガス供給機構を有する複数のチャネルを有する構成とした場合、処理空間の形状に、チャネルによる凹凸が形成されてしまい、その構造も複雑となる。このため、ガスを噴出させる部位は、基本的に基板の中央部および外周部に制約されていた。

特開２００１−８５４１３号公報特許第３８４５１５４号公報特開平９−２３７６９８号公報

上述したとおり、従来のプラズマ処理装置及びその処理ガス供給構造では、ガスを噴出させる部位が制約されるため、処理ガスの供給状態を制御して処理の面内均一性を向上させることが難しいという問題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供しようとするものである。

本発明のプラズマ処理装置は、処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容され基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、上部開口を有し、容器状に形成された処理チャンバー本体と、直径が異なる複数の環状の誘電体部材と金属部材とを交互に同心状に組み合わせ、前記誘電体部材と前記金属部材との間を気密封止した天板部を有し、前記上部開口を覆うように設けられた上蓋と、前記上蓋の、前記金属部材の部分に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入機構と、前記処理チャンバー外の前記誘電体部材の上部に配設された高周波コイルと、を具備し、前記天板部がドーム状の形状とされていることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて処理の面内均一性の向上を図ることのできる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エッチング装置の概略構成を示す断面図。図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す断面図。図１のプラズマエッチング装置の概略構成を示す上面図。他の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。

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、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置１の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、プラズマエッチング装置１は、処理チャンバー１０を具備している。処理チャンバー１０は、表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から略円筒状に構成されており、上部開口を有する容器状に形成された処理チャンバー本体１１と、この処理チャンバー本体１１の上部開口を覆うように配設された上蓋１２とからその主要部が構成されている。

上蓋１２は、表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成され開口部１３ａを有する枠体１３と、この枠体１３の開口部１３ａを閉塞するように配設された天板部１４とを有している。

図２，３にも示すように、天板部１４は、複数の環状の誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとを同心状に交互に積層させるように組み合わせて構成されている。金属部材１６ａ〜１６ｃのうち、金属部材１６ａ，１６ｂは、環状に形成されており、中央部に配設された金属部材１６ｃは、円板状に形成されている。

そして、中央部に配設された金属部材１６ｃの外側には誘電体部材１５ｃ、誘電体部材１５ｃの外側には金属部材１６ｂ、金属部材１６ｂの外側には誘電体部材１５ｂ、誘電体部材１５ｂの外側には金属部材１６ａ、金属部材１６ａの外側には誘電体部材１５ａが配設されている。そして、誘電体部材１５ａの外側は、枠体１３の開口部１３ａの内壁部と嵌合されている。

本実施形態では、誘電体部材１５ａ〜１５ｃは石英によって構成されているが、例えばセラミックス等の他の誘電体を用いてもよい。また、本実施形態では、金属部材１６ａ〜１６ｃは、陽極酸化処理されたアルミニウムによって構成されているが、例えばステンレス等の他の金属から構成してもよい。

上記の誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとによって構成された天板部１４は、中央部の高さが高く、周縁部に行くに従って高さが徐々に低くなる外側に向かって凸形状となったドーム状に形成されており、各誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとの間、及び、最外周に位置する誘電体部材１５ａと枠体１３との間は、気密に封止された状態となっている。

このように、天板部１４をドーム状とすることにより、減圧雰囲気とされる処理チャンバー１０内と外部との気圧差によって、天板部１４が破損することを抑制することができる。なお、誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとの気密封止は、Ｏリング等のシール材による気密封止の他、例えば、コバール等を中間材として、誘電体部材１５ａ〜１５ｃと金属部材１６ａ〜１６ｃとを接合した構成としてもよい。さらに、誘電体部材１５ａ〜１５ｃの接合面に金属膜を付着させて金属同士を接合する構成としてもよい。

誘電体部材１５ａ〜１５ｃの外側には、高周波コイル１７が配設されている。この高周波コイル１７は、図示しない高周波電源に接続されており、高周波電源から所定周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加されるようになっている。

天板部１４の上部には、枠体１３の開口部１３ａの部分を架橋するように梁部材３１が配設されている。この梁部材３１は、図３に示すように、上方から見た形状が、略十字状となるように形成されている。なお、梁部材３１の形状は、十字状に限らず、どのような形状であってもよい。

また、図１に示すように、梁部材３１の下側には、金属部材１６ａ〜１６ｃに対応して夫々下側に向けて突出する支持部３１ａ〜３１ｃが形成されている。そして、これらの支持部３１ａ〜３１ｃと金属部材１６ａ〜１６ｃとが当接され、ねじ３２によって梁部材３１と金属部材１６ａ〜１６ｃとが固定されている。このようにして、天板部１４が、梁部材３１によって支持されている。

梁部材３１には、ガス導入口１８ａ〜１８ｃが配設されている。これらのガス導入口１８ａ〜１８ｃは、夫々金属部材１６ａ〜１６ｃ中に配設されたガス流路１９ａ〜１９ｃに接続されている。

図２に示すように、金属部材１６ａ，１６ｂ中に配設されたガス流路１９ａ，１９ｂは、環状に形成された金属部材１６ａ，１６ｂ中に環状に形成された環状ガス流路１９０ａ，１９０ｂと、環状ガス流路１９０ａ，１９０ｂとガス導入口１８ａ，１８ｂとを連通する縦ガス流路１９１ａ，１９１ｂとから構成されている。ガス吐出口２０ａ，２０ｂは、環状ガス流路１９０ａ，１９０ｂに沿って円周方向に等間隔で複数配設されている（図２には１つのみ示してある。）。

また、円形の金属部材１６ｃに形成されたガス流路１９ｃは、円形に形成されガス拡散空間とされる円形ガス流路１９０ｃと、円形ガス流路１９０ｃとガス導入口１８ｃとを連通する縦ガス流路１９１ｃとから構成されている。ガス吐出口２０ｃは、円形ガス流路１９０ｃの部分に均等に複数配設されている。

そして、図示しない処理ガス供給源から梁部材３１に配設されたガス導入口１８ａ〜１８ｃに供給された処理ガスが、金属部材１６ａ〜１６ｃ中に配設されたガス流路１９ａ〜１９ｃを経由して、ガス吐出口２０ａ〜２０ｃから処理チャンバー１０内に供給されるようになっている。

図１に示すように、処理チャンバー１０の内部には、天板部１４の下方に位置するように、半導体ウエハ等の基板を載置するための載置台２１が設けられている。したがって、載置台２１の基板載置面と天板部１４とは、対向するように配置されている。載置台２１の基板載置面には、基板を吸着するための図示しない静電チャック等が設けられている。

載置台２１には、バイアス電圧印加のための図示しない高周波電源が接続されている。一方、載置台２１と対向するように配置された天板部１４の金属部材１６ａ〜１６ｃは、所定電位、本実施形態では接地電位に接続され、載置台２１に対向する対向電極としての機能を有している。

載置台２１の周囲には、下方に向けて排気するための環状の排気空間２２が設けられており、排気空間２２は、排気口を介して排気装置（いずれも図示せず。）と連通されている。また、載置台２１の周囲には、載置台２１の上方の処理空間２３と、排気空間２２とを仕切るためのバッフル板２４が配設されている。

さらに、処理チャンバー本体１１の側壁部分には、処理する基板を搬入、搬出するための搬入・搬出口２５が設けられている。この搬入・搬出口２５には、ゲートバルブ等の図示しない開閉機構が設けられている。

上記構成の本実施形態のプラズマエッチング装置１では、誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとを組み合わせて天板部１４を形成し、金属部材１６ａ〜１６ｃの部分から処理ガスを供給し、誘電体部材１５ａ〜１５ｃの部分を高周波コイル１７に対する誘電体窓として機能させるようになっている。

したがって、高周波コイル１７の直近にガス拡散室が無い構造となっているため、ガス拡散室内における放電の発生対策を行う必要がない。また、基板の中央部及び周辺部に限定されることなく、処理ガスの噴出位置を基板の径方向の任意の複数の位置に、設定することができるので、処理ガスを基板の上方の処理空間２３に均一に供給して、処理の面内均一性の向上を図ることができる。また、所望により処理ガスを処理空間２３内に不均一に供給してプラズマ処理の状態を任意に制御することもできる。さらに、金属部材１６ａ〜１６ｃの部分を対向電極として作用させることによって、プラズマ処理の制御性を向上させることができる。なお、上記のように、誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとを組み合わせて天板部１４が形成されているので、誘電体部材１５ａ〜１５ｃと、金属部材１６ａ〜１６ｃとの熱膨張率の差によって、これらの間の気密封止が損なわれる虞がある。このため、天板部１４の温度を所定範囲の温度に維持する温調機構を設けることが好ましい。

上記構成のプラズマエッチング装置１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、図示しない開閉機構を開き、搬入・搬出口２５から処理チャンバー１０内に基板を搬入し、載置台２１に載置して静電チャックにより吸着する。

次いで、搬入・搬出口２５の図示しない開閉機構を閉じ、排気空間２２から図示しない真空ポンプ等によって、処理チャンバー１０内を所定の真空度となるまで真空引する。

その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、処理チャンバー１０内に供給する。この際、ガス導入口１８ａ〜１８ｃから導入された処理ガスが、金属部材１６ａ〜１６ｃ中に配設されたガス流路１９ａ〜１９ｃを経由して、ガス吐出口２０ａ〜２０ｃから処理チャンバー１０内に供給される。

そして、処理チャンバー１０内の圧力が、所定の圧力に維持された後、高周波コイル１７に所定の周波数の高周波電力が印加される。これにより、処理チャンバー１０内の基板の上方の処理空間２３内には、エッチングガスのＩＣＰプラズマが発生する。また、必要に応じて、載置台２１に、図示しない高周波電源からバイアス用の高周波電圧が印加され、ＩＣＰプラズマによる基板のプラズマエッチングが行われる。

この時、ガス導入口１８ａ〜１８ｃ、ガス流路１９ａ〜１９ｃ、ガス吐出口２０ａ〜２０ｃから構成される処理ガス供給機構により、処理チャンバー１０内の分散された複数箇所から処理ガスを供給するので、基板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、処理ガス供給機構は、金属部材１６ａ〜１６ｃに設けられており、外部に高周波コイル１７が配設された誘電体部材１５ａ〜１５ｃの部分には、電磁場を遮るような部材が設けられていないので、高周波コイル１７によって処理空間２３に誘導される電磁場が遮られて基板の処理状態が不均一になることも抑制することができる。これによって、プラズマの状態を均一化することができ、基板の各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、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、基板が処理チャンバー１０内から搬出される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、上蓋に設けられた天板部１４の形状は、ドーム形状に限らず、図４に示すプラズマエッチング装置１０１のように、天板部１４を平板状としてもよい。この場合、梁部材３１も平板状とし、高周波コイル１７を配設するための溝４０等を設けた構成とすることができる。また、気密に閉塞される金属部材１６ａ〜１６ｃと誘電体部材１５ａ〜１５ｃとの当接面は、垂直面同士を当接させるのではなく、図４に示すように、傾斜面同士を当接させる構成とすることが好ましい。なお、図４において、図１のプラズマエッチング装置１と対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。

また、上記した実施形態では、天板部１４を構成する誘電体部材１５ａ〜１５ｃ、及び金属部材１６ａ〜１６ｃを夫々３つとした場合について説明したが、誘電体部材１５ａ〜１５ｃ、及び金属部材１６ａ〜１６ｃの数は、３つに限らず、例えば、２つ、或いは４つ以上等幾つであってもよい。

１……プラズマエッチング装置、１０……処理チャンバー、１１……処理チャンバー本体、１２……上蓋、１３……枠体、１３ａ……開口部、１４……天板部、１５ａ〜１５ｃ……誘電体部材、１６ａ〜１６ｃ……金属部材、１７……高周波コイル、１８ａ〜１８ｃ……ガス導入口、１９ａ〜１９ｃ……ガス流路、２０ａ〜２０ｃ……ガス吐出口、２１……載置台。

Claims

処理チャンバー内に誘導結合プラズマを発生させて前記処理チャンバー内に収容され基板の処理を行うプラズマ処理装置であって、
上部開口を有し、容器状に形成された処理チャンバー本体と、
直径が異なる複数の環状の誘電体部材と金属部材とを交互に同心状に組み合わせ、前記誘電体部材と前記金属部材との間を気密封止した天板部を有し、前記上部開口を覆うように設けられた上蓋と、
前記上蓋の、前記金属部材の部分に配設され、前記処理チャンバー内に処理ガスを供給するための複数のガス導入機構と、
前記処理チャンバー外の前記誘電体部材の上部に配設された高周波コイルと、
を具備し、前記天板部がドーム状の形状とされている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記上蓋は、前記天板部によって気密に閉塞される開口部を有する枠体を有し、当該枠体には、前記開口部を架橋するように梁部材が配設され、前記天板部は、前記金属部材の部分において前記梁部材に支持されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記上蓋が、温調機構を具備していることを特徴とするプラズマ処理装置。