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JP7648307B2 - シャワーヘッド及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、シャワーヘッド及びプラズマ処理装置に関する。
プラズマ処理装置において、処理ガスを処理室内に供給するために、シャワーヘッドが用いられる（例えば、特許文献１）。
特表２０１０－５１４１６０号公報
本開示は、シャワーヘッドの内部で発生する異常放電を防止する技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理ガスを処理チャンバの内部に供給するシャワーヘッドであって、ガス拡散室と、前記ガス拡散室から前記処理チャンバ側の第１面まで貫通し、前記処理ガスが流通する複数の第１貫通孔と、を有するクーリングプレートと、前記クーリングプレートの前記第１面に接触する第２面と、前記処理チャンバの内面を形成する第３面と、を有し、前記第２面から前記第３面まで貫通する複数の第２貫通孔と、を有する上部電極と、前記第１面又は前記第２面に形成され、互いに離隔して設けられる複数の凹部と、を備え、前記複数の第１貫通孔のいずれかは、前記複数の第２貫通孔の少なくとも二つの前記第２貫通孔と、前記複数の凹部のいずれか一つを介して接続されるシャワーヘッドが提供される。
本開示は、シャワーヘッドの内部で発生する異常放電を防止する技術を提供する。
図１は、本実施形態に係るプラズマ処理システムの一例の構成例を説明する図である。 図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の上部電極の平面図である。 図３は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の断面図である。 図４は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の上部電極の平面図である。 図５は、第３実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の上部電極の平面図である。 図６は、本実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の温度分布を説明する図である。 図７は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の動作結果を示す図である。 図８は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の動作結果を示す図である。 図９は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の一例の動作結果を示す図である。 図１０は、参考例のプラズマ処理装置の動作結果を示す図である。 図１１は、参考例のプラズマ処理装置の動作結果を示す図である。
以下、本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。なお、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。
平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。
以下に、プラズマ処理システムの構成例について図１を用いて説明する。
プラズマ処理システムは、容量結合プラズマ処理装置１及び制御部２を含む。容量結合プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１及びガス導入部を含む。ガス導入部は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１０内に導入するように構成される。ガス導入部は、シャワーヘッド１３を含む。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１の上方に配置される。一実施形態において、シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の天部（ｃｅｉｌｉｎｇ）の少なくとも一部を構成する。プラズマ処理チャンバ１０は、シャワーヘッド１３、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０ａ及び基板支持部１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するための少なくとも１つのガス供給口と、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口とを有する。側壁１０ａは接地される。シャワーヘッド１３及び基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０筐体とは電気的に絶縁される。なお、後述するように、シャワーヘッド１３は、クーリングプレートと、上部電極と、を備える。
基板支持部１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、基板（ウェハ）Ｗを支持するための中央領域（基板支持面）１１１ａと、リングアセンブリ１１２を支持するための環状領域（リング支持面）１１１ｂとを有する。本体部１１１の環状領域１１１ｂは、平面視で本体部１１１の中央領域１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部１１１の中央領域１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、本体部１１１の中央領域１１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部１１１の環状領域１１１ｂ上に配置される。一実施形態において、本体部１１１は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、基板支持面１１１ａを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含む。１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２及び基板のうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持部１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面１１１ａとの間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。
シャワーヘッド１３は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓ内に導入するように構成される。シャワーヘッド１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス拡散室１３ｂ、及び複数のガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス拡散室１３ｂを通過して複数のガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓ内に導入される。また、シャワーヘッド１３は、導電性部材を含む。シャワーヘッド１３の導電性部材は上部電極として機能する。なお、ガス導入部は、シャワーヘッド１３に加えて、側壁１０ａに形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（ＳＧＩ：Ｓｉｄｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を含んでもよい。
ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してシャワーヘッド１３に供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。
電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ処理チャンバ１０において１又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を基板支持部１１の導電性部材に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオン成分を基板Ｗに引き込むことができる。
一実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に結合され、プラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給される。第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材に結合され、バイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。
また、電源３０は、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂを含む。一実施形態において、第１のＤＣ生成部３２ａは、基板支持部１１の導電性部材に接続され、第１のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第１のバイアスＤＣ信号は、基板支持部１１の導電性部材に印加される。一実施形態において、第１のＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。一実施形態において、第２のＤＣ生成部３２ｂは、シャワーヘッド１３の導電性部材に接続され、第２のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第２のＤＣ信号は、シャワーヘッド１３の導電性部材に印加される。種々の実施形態において、第１及び第２のＤＣ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。なお、第１及び第２のＤＣ生成部３２ａ，３２ｂは、ＲＦ電源３１に加えて設けられてもよく、第１のＤＣ生成部３２ａが第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて設けられてもよい。
排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間１０ｓ内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。
制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２ａ２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２ａ３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。
＜第１実施形態＞
［シャワーヘッド１３］
図２は、第１実施形態に係るシャワーヘッド１３の上部電極１３Ｂの平面図である。図３は、第１実施形態に係るシャワーヘッド１３の断面図である。図３は、具体的には、図２のＩ－Ｉ断面図である。
なお、シャワーヘッド１３は、複数の同心円のそれぞれに、複数の凹部１３Ｂｇを備える。シャワーヘッド１３は、当該凹部１３Ｂｇに対応して、貫通孔１３Ａｈ、１３Ｂｈ１及び１３Ｂｈ２をそれぞれ複数備える。図２では、同心円上に設けられる複数の凹部１３Ｂｇについて、例として、一つの同心円上に設けられる凹部１３Ｂｇについて示す。図４、図５についても同様である。
シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の内部に処理ガスを供給する。シャワーヘッド１３は、クーリングプレート１３Ａと、上部電極１３Ｂと、を備える。
クーリングプレート１３Ａは、シャワーヘッド１３全体を冷却する。クーリングプレート１３Ａは、例えば、アルミニウムで形成される。クーリングプレート１３Ａには、例えば、水や不凍液等が流れる流路が形成される。クーリングプレート１３Ａは、ガス拡散室１３ｂを有する。クーリングプレート１３Ａのプラズマ処理空間１０ｓ側の下面１３ＡＳ、すなわち、処理チャンバ側の面、は、上部電極１３Ｂに接する。
クーリングプレート１３Ａは、ガス拡散室１３ｂから下面１３ＡＳまで貫通する貫通孔１３Ａｈを有する。ガス拡散室１３ｂに導入された処理ガスは、貫通孔１３Ａｈを通って、上部電極１３Ｂ側に排出される。すなわち、処理ガスは、貫通孔１３Ａｈを流通する。
上部電極１３Ｂは、プラズマ処理空間１０ｓに高周波電力を供給する電極である。上部電極１３Ｂは、例えば、シリコンで形成される。上部電極１３Ｂの上面１３ＢＳ１は、クーリングプレート１３Ａに接触する。上部電極１３Ｂの下面１３ＢＳ２は、プラズマ処理空間１０ｓに接する。すなわち、上部電極１３Ｂの下面１３ＢＳ２は、プラズマ処理空間１０ｓの内面を形成する。
上部電極１３Ｂは、上面１３ＢＳ１に、複数の凹部１３Ｂｇを有する。複数の凹部１３Ｂｇのそれぞれは、中心ＣＴに対して周方向に円弧状に形成される。複数の凹部１３Ｂｇは、互いに離隔して設けられる。複数の凹部１３Ｂｇのそれぞれには、クーリングプレート１３Ａの複数の貫通孔１３Ａｈのいずれか一つが接続される。貫通孔１３Ａｈは、凹部１３Ｂｇの中央に接続する。
上部電極１３Ｂは、複数の凹部１３Ｂｇのそれぞれに、それぞれの凹部１３Ｂｇの底部から下面１３ＢＳ２に貫通する貫通孔１３Ｂｈ１及び貫通孔１３Ｂｈ２を有する。貫通孔１３Ｂｈ１は、凹部１３Ｂｇとの接続部分に絞り部１３Ｂｊ１を有する。貫通孔１３Ｂｈ２は、凹部１３Ｂｇとの接続部分に絞り部１３Ｂｊ２を有する。
貫通孔１３Ｂｈ１及び貫通孔１３Ｂｈ２は、それぞれ凹部１３Ｂｇの端に設けられる。
ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスは、貫通孔１３Ａｈから凹部１３Ｂｇに導入される。そして、凹部１３Ｂｇに導入されたプラズマ処理ガスは、凹部１３Ｂｇで、貫通孔１３Ｂｈ１及び貫通孔１３Ｂｈ２に分岐して、プラズマ処理空間１０ｓに導入される。すなわち、処理ガスは、凹部１３Ｂｇを経由して、貫通孔１３Ｂｈ１及び貫通孔１３Ｂｈ２を流通する。
シャワーヘッド１３は、ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスを、貫通孔１３Ａｈから凹部１３Ｂｇで分岐することによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極１３Ｂとの境界において、プラズマ処理ガスの圧力を下げることができる。プラズマ処理ガスの圧力を下げることによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極１３Ｂとの境界において、異常放電の発生を防止できる。
なお、凹部１３Ｂｇは、円弧状に限らず、直線状に設けてもよい。また、凹部１３Ｂｇは、周方向に形成されていたが、径方向に形成してもよい。
＜第２実施形態＞
［シャワーヘッド１１３］
図４は、第２実施形態に係るシャワーヘッドの上部電極１１３Ｂの平面図である。第２実施形態に係るシャワーヘッドは、第１実施形態に係るシャワーヘッド１３の上部電極１３Ｂに換えて、上部電極１１３Ｂを備える。
上部電極１１３Ｂは、上部電極１３Ｂの凹部１３Ｂｇに換えて、凹部１１３Ｂｇを有する。上部電極１１３Ｂは、上面１１３ＢＳ１に、複数の凹部１１３Ｂｇを有する。複数の凹部１１３Ｂｇのそれぞれは、十字状に形成される。すなわち、中心ＣＴに対して、周方向に形成される円弧状の溝と径方向に形成される直線状の溝が組み合わせて形成される。複数の凹部１１３Ｂｇのそれぞれには、クーリングプレート１３Ａの複数の貫通孔１３Ａｈのいずれか一つが接続される。貫通孔１３Ａｈは、凹部１１３Ｂｇの中央に接続する。
上部電極１１３Ｂは、複数の凹部１１３Ｂｇのそれぞれに、それぞれの底部からプラズマ処理空間１０ｓに接する下面に貫通する貫通孔１１３Ｂｈ１、貫通孔１１３Ｂｈ２、貫通孔１１３Ｂｈ３及び貫通孔１１３Ｂｈ４を有する。貫通孔１１３Ｂｈ１、貫通孔１１３Ｂｈ２、貫通孔１１３Ｂｈ３及び貫通孔１１３Ｂｈ４のそれぞれは、凹部１１３Ｂｇとの接続部分に絞り部を有する。
貫通孔１１３Ｂｈ１、貫通孔１１３Ｂｈ２、貫通孔１１３Ｂｈ３及び貫通孔１１３Ｂｈ４は、それぞれ凹部１１３Ｂｇの端に設けられる。
ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスは、貫通孔１３Ａｈから凹部１１３Ｂｇに導入される。そして、凹部１１３Ｂｇに導入されたプラズマ処理ガスは、凹部１１３Ｂｇで、貫通孔１１３Ｂｈ１、貫通孔１１３Ｂｈ２、貫通孔１１３Ｂｈ３及び貫通孔１１３Ｂｈ４に分岐して、プラズマ処理空間１０ｓに導入される。
第２実施形態に係るシャワーヘッドは、ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスを、貫通孔１３Ａｈから凹部１１３Ｂｇで分岐することによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極１１３Ｂとの境界において、プラズマ処理ガスの圧力を下げることができる。プラズマ処理ガスの圧力を下げることによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極１１３Ｂとの境界において、異常放電の発生を防止できる。
＜第３実施形態＞
［シャワーヘッド２１３］
図５は、第３実施形態に係るシャワーヘッドの上部電極２１３Ｂの平面図である。第３実施形態に係るシャワーヘッドのクーリングプレートは、第１実施形態に係るシャワーヘッド１３の上部電極１３Ｂに換えて、上部電極２１３Ｂを備える。
上部電極２１３Ｂは、上部電極１３Ｂの凹部１３Ｂｇに換えて、凹部２１３Ｂｇを有する。上部電極２１３Ｂは、上面２１３ＢＳ１に、中心ＣＴの円周上に複数の凹部２１３Ｂｇを有する。複数の凹部２１３Ｂｇのそれぞれは、円筒状に形成される。複数の凹部２１３Ｂｇのそれぞれには、クーリングプレート１３Ａの複数の貫通孔１３Ａｈのいずれか一つが接続される。貫通孔１３Ａｈは、凹部２１３Ｂｇの中央に接続する。
上部電極２１３Ｂは、複数の凹部２１３Ｂｇのそれぞれに、それぞれの底部からプラズマ処理空間１０ｓに接する下面に貫通する貫通孔２１３Ｂｈ１、貫通孔２１３Ｂｈ２及び貫通孔２１３Ｂｈ３を有する。貫通孔２１３Ｂｈ１、貫通孔２１３Ｂｈ２及び貫通孔２１３Ｂｈ３のそれぞれは、凹部２１３Ｂｇとの接続部分に絞り部を有する。
貫通孔２１３Ｂｈ１、貫通孔２１３Ｂｈ２及び貫通孔２１３Ｂｈ３は、貫通孔１３Ａｈから等距離に設けられる。
ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスは、貫通孔１３Ａｈから凹部２１３Ｂｇに導入される。そして、凹部２１３Ｂｇに導入されたプラズマ処理ガスは、凹部２１３Ｂｇで、貫通孔２１３Ｂｈ１、貫通孔２１３Ｂｈ２及び貫通孔２１３Ｂｈ３に分岐して、プラズマ処理空間１０ｓに導入される。
第３実施形態に係るシャワーヘッドは、ガス拡散室１３ｂに供給されたプラズマ処理ガスを、貫通孔１３Ａｈから凹部２１３Ｂｇで分岐することによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極２１３Ｂとの境界において、プラズマ処理ガスの圧力を下げることができる。プラズマ処理ガスの圧力を下げることによって、クーリングプレート１３Ａと上部電極２１３Ｂとの境界において、異常放電の発生を防止できる。
＜上部電極の凹部による温度の影響＞
プラズマ処理空間１０ｓにおいて、プラズマが発生すると、プラズマからの熱が上部電極に入熱する。上部電極にプラズマからの熱が入熱すると、上部電極の温度が上昇する。上部電極の温度が上昇すると、上部電極の劣化が進み、交換周期が短くなる。したがって、上部電極の温度上昇を抑制するために、クーリングプレートにより上部電極を冷却する。
上部電極の上面に凹部を有すると、上部電極とクーリングプレートとの間の熱抵抗が大きくなる。したがって、クーリングプレートが上部電極を冷却する性能が低下する。
上部電極の凹部が、上部電極の冷却に与える影響についてシミュレーションを行った結果を、図６に示す。
シミュレーションは、半径３８０ｍｍの円盤状の上部電極について行った。シミュレーションは、上部電極について、基準モデル、実施例モデル及び比較モデルのあわせて三つのモデルについて行った。シミュレーションは、上部電極の上面をクーリングプレートで冷却し、プラズマ処理空間側、すなわち、上部電極の下面から入熱があった場合の上部電極の温度分布を求めた。シミュレーションでは、上部電極の材質はシリコンとした。
基準モデルは、上部電極の上面に凹部のない上部電極のモデルである。
実施例モデルは、上部電極の上面に第１実施形態のシャワーヘッド１３の凹部１３Ｂｇに相当する凹部が形成された上部電極のモデルである。実施例モデルでは、１６個の同心円上に、複数の凹部が間隔を空けて設けられる。なお、１６個の同心円は、半径３００ｍｍの内側に等間隔で設けられる。
比較モデルは、上部電極の上面に、凹部が１６個の同心円状に形成された上部電極のモデルである。比較モデルでは、凹部が全周に渡って設けられる。なお、１６個の同心円は、半径３００ｍｍの内側に等間隔で設けられる。
シミュレーションを用いて、凹部を有する上部電極の放熱特性について評価する。本評価では、径方向に位置における基準モデルの温度に対する実施例モデル及び比較例モデルの上昇した温度の比率（温度比）を用いて評価を行った。図６は、本実施形態に係るプラズマ処理装置のシャワーヘッドの一例の温度分布を説明する図である。グラフの線Ｇ１は、実施例モデルでの結果である。線Ｇ２は、比較例モデルでの結果である。
比較例モデルのように、全周に凹部を備えると、上部電極とクーリングプレートとの間の熱抵抗が大きくなる。したがって、クーリングプレートによる冷却性能が低下し、上部電極の温度が上昇する。また、中心付近の温度上昇が大きく、均熱性が悪化する。
実施例モデルは、比較例モデルに対して、温度上昇が抑えられ、均熱性を高めることができる。温度上昇を抑えることにより、上部電極の寿命を長くできる。また、均熱性を高めることにより、エッチングレート等の処理性能について、場所による偏りを抑えることができる。
＜上部電極とクーリングプレートとの間の異常放電＞
クーリングプレートの一つの貫通孔に対する上部電極の貫通孔の数について、クーリングプレートと上部電極との間の異常放電について評価を行った。
図７は、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が２つ有る場合の動作状態を示す図である。図８は、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が４つ有る場合の動作状態を示す図である。図１０及び図１１は、比較のために、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合の動作状態を示す図である。なお、図７、図８、図１０及び図１１において、「Ｅｒｒｏｒ」は、異常放電の発生が検出されたことを表す。
本実施形態に係るプラズマ処理条件の例として、基板上に形成されたシリコン酸化膜のエッチングを行う条件について説明する。評価は、プラズマ処理装置１において、エッチング処理を行うことにより行った。評価は、プラズマ処理空間１０ｓの圧力を２５ミリトル（＝３．３パスカル）、基板支持部１１の設定温度を７０℃として行った。処理ガスとして、ヘキサフルオロ１，３ブタジエン、酸素、窒素及びアルゴンを用いて評価を行った。処理ガスとして用いられるヘキサフルオロ１，３ブタジエン、酸素、窒素及びアルゴンのそれぞれの流量は、７０／４０／２００／８００ｓｃｃｍ（最大流量）である。
また、評価は、電源３０から周波数４０ＭＨｚのソースＲＦ信号及び周波数４００ｋＨｚ、電力１００００ワットのバイアスＲＦ信号を、基板保持部１１６に供給して行った。
なお、条件Ａでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが２００ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ａでは、第２のＤＣ信号として、ハイレベルが－３００ボルト、ローレベルが－１０００ボルトのパルス化された信号を供給した。
条件Ｂでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｂでは、第２のＤＣ信号として、ハイレベルが－１５０ボルト、ローレベルが－１０００ボルトのパルス化された信号を供給した。
条件Ｃでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｃでは、第２のＤＣ信号として、ハイレベルが－３００ボルト、ローレベルが－１０００ボルトのパルス化された信号を供給した。
条件Ｄでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｄでは、第２のＤＣ信号として、ハイレベルが－５００ボルト、ローレベルが－１０００ボルトのパルス化された信号を供給した。
条件Ｅでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｅでは、第２のＤＣ信号として、－１５０ボルトの一定電圧の信号を供給した。
条件Ｆでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｆでは、第２のＤＣ信号として、－３００ボルトの一定電圧の信号を供給した。
条件Ｇでは、ソースＲＦ信号として、ハイレベルが４０００ワット、ローレベルが０ワットであるパルス信号を供給した。また、条件Ｇでは、第２のＤＣ信号として、－５００ボルトの一定電圧の信号を供給した。
条件Ａから条件Ｇは、パルスの条件と、印加する電圧の条件とを変更した条件である。ＴＦは処理ガスの流量（ガス流量）を表す。ガスの流量は、装置を流れる最大の流量ときを１００％として、最大の流量に対する比率（％）で表す。
図１０は、比較のために、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合に、上部電極に印加する電圧を下げた状態での異常放電の発生状態を示す。図１１は、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合に、上部電極に印加する電圧を図１０の状態より上げた状態での異常放電の発生状態を示す。
図１０に示すように、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合には、上部電極に印加する電圧を下げた状態で、ガス流量ＴＦが１００％の場合に、条件Ｃ、条件Ｄ及び条件Ｇにおいて、異常放電が発生する。なお、条件Ｄについては、ガス流量ＴＦが、６０％及び８０％の場合にも異常放電が発生する。
更に、上部電極に印加する電圧を上げると、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合には、条件Ｂ、条件Ｃ及び条件Ｄでは、ガス流量ＴＦが、６０％、８０％及び１００％の場合に異常放電が発生する（図１１）。条件Ａでは、ガス流量ＴＦが、８０％及び１００％の場合に異常放電が発生する。条件Ｇでは、ガス流量ＴＦが、１００％の場合に異常放電が発生する。
クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が２つ有る場合には、図７に示すように、上部電極に印加する電圧を上げた状態で、条件Ａ、条件Ｂ、条件Ｃ、条件Ｄ、条件Ｇでは、ガス流量ＴＦが１００％の場合に異常放電が発生する。クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔を２つにすることによって、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が１つの場合と比べて、異常放電の発生を抑えることができる。
更に、クーリングプレートの一つの貫通孔に対して上部電極の貫通孔が４つ有る場合には、図８に示すように、すべての条件で異常放電を抑制できる。
ここで、クーリングプレートの貫通孔と上部電極の貫通孔との境界における処理ガスの圧力を図９に示す。
横軸は、クーリングプレートの貫通孔一つに対する、上部電極の貫通孔の数を示す。縦軸は、クーリングプレートの貫通孔と上部電極の貫通孔との境界における処理ガスの圧力を表す。
クーリングプレートの貫通孔と上部電極の貫通孔との境界における処理ガスの圧力は、クーリングプレートの貫通孔一つに対する上部電極の貫通孔の数が増えると減少する。クーリングプレートの貫通孔と上部電極の貫通孔との境界における処理ガスの圧力が減少すると、処理ガスの密度が低下して放電が発生することを抑制できる。したがって、クーリングプレートと上部電極との間での異常放電を抑制できる。
＜作用・効果＞
本実施形態に係るシャワーヘッドは、クーリングプレートの貫通孔一つに対して、上部電極の貫通孔を少なくとも二つ備えることにより、クーリングプレートと上部電極との間の異常放電の発生を抑制できる。
更に、本実施形態に係るシャワーヘッドは、クーリングプレートの貫通孔と、上部電極の貫通孔とを、互いに離隔して設けられる凹部を介して接続する。クーリングプレートの貫通孔と、上部電極の貫通孔とを、当該凹部を介して接続することにより、クーリングプレートによる上部電極の冷却性能の低下を抑制して異常放電の発生を抑制できる。
なお、貫通孔１３Ａｈは第１貫通孔の一例、下面１３ＡＳは第１面の一例である。貫通孔１３Ｂｈ１、１３Ｂｈ２、１１３Ｂｈ１、１１３Ｂｈ２、１１３Ｂｈ３、１１３Ｂｈ４、２１３Ｂｈ１、２１３Ｂｈ２及び２１３Ｂｈ３のそれぞれは、第２貫通孔の一例である。上面１３ＢＳ１、１１３ＢＳ１及び２１３ＢＳ１のそれぞれは第２面の一例、下面１３ＢＳ２は第３面の一例である。
＜変形例＞
本実施形態では、上部電極の上面に凹部を設けたが、凹部を設ける場所については、上部電極に限らない。例えば、クーリングプレートの下面、すなわち、上部電極と接続する面、に凹部を設けてもよい。
本実施形態では、クーリングプレートの貫通孔一つに対して、上部電極の貫通孔が二つ、三つ及び四つの例を示したが、クーリングプレートの貫通孔一つに対して、上部電極の貫通孔は二つ以上であればよい。すなわち、クーリングプレートの貫通孔一つに対して、上部電極の貫通孔は少なくとも二つ以上であればよい。
今回開示された本実施形態に係るシャワーヘッド及びプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
１ プラズマ処理装置
１０ プラズマ処理チャンバ
１０ｓ プラズマ処理空間
１３、１１３、２１３ シャワーヘッド
１３Ａ クーリングプレート
１３Ａｈ 貫通孔
１３ＡＳ 下面
１３ｂ ガス拡散室
１３Ｂ、１１３Ｂ、２１３Ｂ 上部電極
１３Ｂｇ、１１３Ｂｇ、２１３Ｂｇ 凹部
１３Ｂｈ１、１３Ｂｈ２、１１３Ｂｈ１、１１３Ｂｈ２、１１３Ｂｈ３、１１３Ｂｈ４、２１３Ｂｈ１、２１３Ｂｈ２、２１３Ｂｈ３ 貫通孔
１３ＢＳ１、１１３ＢＳ１、２１３ＢＳ１ 上面
１３ＢＳ２ 下面

Claims (4)

  1. 処理ガスを処理チャンバの内部に供給するシャワーヘッドであって、
    ガス拡散室と、前記ガス拡散室から前記処理チャンバ側の第１面まで貫通し、前記処理ガスが流通する複数の第１貫通孔と、を有するクーリングプレートと、
    前記クーリングプレートの前記第１面に接触する第２面と、前記処理チャンバの内面を形成する第３面と、を有し、前記第２面から前記第３面まで貫通する複数の第２貫通孔と、を有する上部電極と、
    前記第１面又は前記第２面に形成され、互いに離隔して設けられる複数の凹部と、
    を備え、
    前記複数の第１貫通孔のいずれかは、前記複数の第２貫通孔の少なくとも二つの前記第２貫通孔と、前記複数の凹部のいずれか一つを介して接続され、
    前記複数の凹部の少なくとも一つは、円弧状に形成される、
    シャワーヘッド。
  2. 処理ガスを処理チャンバの内部に供給するシャワーヘッドであって、
    ガス拡散室と、前記ガス拡散室から前記処理チャンバ側の第１面まで貫通し、前記処理ガスが流通する複数の第１貫通孔と、を有するクーリングプレートと、
    前記クーリングプレートの前記第１面に接触する第２面と、前記処理チャンバの内面を形成する第３面と、を有し、前記第２面から前記第３面まで貫通する複数の第２貫通孔と、を有する上部電極と、
    前記第１面又は前記第２面に形成され、互いに離隔して設けられる複数の凹部と、
    を備え、
    前記複数の第１貫通孔のいずれかは、前記複数の第２貫通孔の少なくとも二つの前記第２貫通孔と、前記複数の凹部のいずれか一つを介して接続され、
    前記複数の凹部の少なくとも一つは、十字状に形成される、
    シャワーヘッド。
  3. 前記クーリングプレートは、アルミニウムで形成され、
    前記上部電極は、シリコンで形成される、
    請求項１又は請求項２のいずれかに記載のシャワーヘッド。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシャワーヘッドを備える、
    プラズマ処理装置。
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