JP2011040461A - バッフル板及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンダクタンスを確保しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めることのできるバッフル板及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】内部でプラズマを発生させて基板を処理する処理チャンバー内に配置され、前記処理チャンバー内を、前記基板を処理する処理空間と、前記処理チャンバー内から排気するための排気空間とに隔てるバッフル板９０である。バッフル板９０は、排気を行うための複数の開口部９１，９２，９３を有し、かつ、前記開口部の周縁部の高さに高低差が形成されるように、前記処理空間側の面に凹凸が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッフル板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、密閉可能とされた処理チャンバー内にプラズマを発生させて半導体ウエハ等の被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このようなプラズマ処理装置の１つとして、プラズマエッチング装置が知られている。

上記のプラズマエッチング装置等では、半導体ウエハ等の被処理基板が載置される載置台の周囲の下部から排気を行うようにし、被処理基板の周囲に均一なガスの流れを形成するよう構成した装置が知られている。また、このようなプラズマエッチング装置等では、処理チャンバー内を、被処理基板が配置されプラズマが形成される処理空間と、排気を行うための排気空間とを分離するために、バッフル板を配置した構成とすることが知られている。

上記のバッフル板は、例えば、金属製の板材等から構成されており、半導体ウエハ等の被処理基板が載置される載置台の周囲を囲むように円環状に形成されている。そして、排気を行うための多数の透孔又はスリット等の開口部が形成されている。

このようなバッフル板では、十分なコンダクタンスを確保しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めることが必要とされる。プラズマの閉じ込め効果を高めるためには、個々の開口部の孔径を小さくする、又は板厚を厚くするなどしてイオンや電子が排気空間に流れ込まないようにすればよい。しかし、この場合コンダクタンスが低下し、ガス流量を確保できなくなってしまう。そのため、従来はバッフル板の面積を増やし、開口部の数を増やして排気コンダクタンスを確保することが行われている。しかし、かかる構成とすると、処理チャンバーが大型化し、フットプリントが増大するとともに装置の製造コストが増大するという問題があった。

そこで、バッフル板の表面に対して、排気のための開口を斜めに形成し、コンダクタンスの低下を抑制しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めたバッフル板が知られている。また、斜めに形成した開口に付着物が付着してコンダクタンスが低下することを抑制するため、バッフル板の表面に凹形状の部分を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−２１４１９５号公報

しかしながら、バッフル板においては、さらに、十分なコンダクタンスを確保しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めることが求められている。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、コンダクタンスを確保しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めることのできるバッフル板及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。

本発明にかかるバッフル板は、内部でプラズマを発生させて基板を処理する処理チャンバー内に配置され、前記処理チャンバー内を、前記基板を処理する処理空間と、前記処理チャンバー内から排気するための排気空間とに隔てるバッフル板であって、排気を行うための複数の開口部を有し、かつ、前記開口部の周縁部の高さに高低差が形成されるように、前記処理空間側の面に凹凸が形成されていることを特徴とする。

本発明にかかるプラズマ処理装置は、内部でプラズマを発生させて基板を処理する処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配置され、前記処理チャンバー内を、前記基板を処理する処理空間と、前記処理チャンバー内から排気するための排気空間とに隔てるバッフル板とを具備したプラズマ処理装置であって、前記バッフル板は、排気を行うための複数の開口部を有し、かつ、前記開口部の周縁部の高さに高低差が形成されるように、前記処理空間側の面に凹凸が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、コンダクタンスを確保しつつ、プラズマの閉じ込め効果を高めることのできるバッフル板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エッチング装置の構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係るバッフル板の要部構成を模式的に示す図。 バッフル板への電圧印加のタイミングを説明するための図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。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の概略構成を模式的に示す図である。同図に示すように、このプラズマエッチング装置は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状の処理チャンバー２を具備しており、この処理チャンバー２は接地されている。

処理チャンバー２内の底部には、セラミックスなどの絶縁板３を介して、略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。さらに、このサセプタ支持台４の上には、下部電極を兼ねたサセプタ（載置台）５が設けられている。このサセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。

サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し冷媒排出管９から排出される。そして、その冷熱がサセプタ５を介してサセプタ５上に載置された半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。

サセプタ５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に円形で、半導体ウエハＷと略同径の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２を配置して構成されている。そして、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷを静電吸着する。

絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されており、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。

サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、例えば、ＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ５との対向面を形成する。

上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のためのエッチングガスが供給される。

処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開いた状態で、半導体ウエハＷを隣接するロードロックチャンバ（図示せず。）との間で搬送する。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、２７〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数の高周波電力を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。

下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数の高周波電力を印加することにより、被処理基板である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば１〜２０ＭＨｚの範囲が好ましい。

また、処理チャンバー２の内壁に沿って処理チャンバー２にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド８０が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド８０が処理チャンバー壁を構成している。また、デポシールド８０は、サセプタ支持台４、サセプタ５の外周にも設けられている。処理チャンバー２の底部近傍の処理チャンバー壁側のデポシールド８０とサセプタ支持台４側のデポシールド８０との間には環状に形成されたバッフル板（排気プレート）９０が設けられている。デポシールド８０およびバッフル板９０としては、アルミニウム材に、アルミナ、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。

バッフル板９０には、排気のための透孔又はスリット等からなる開口部が設けられている。このバッフル板９０は、サセプタ５の周囲の円環状の領域から均一に排気を行えるようにするとともに、処理チャンバー２内を、半導体ウエハＷを配置して処理するための処理空間と、処理空間の下側の排気を行うための排気空間とに分離し、バッフル板９０の下流側の排気空間にプラズマが侵入することを抑制するためのものである。

本実施形態において、バッフル板９０は、図２に示すように、その径方向に沿って形成された多数のスリット状の開口部９１，９２，９３……を具備している。従って、これらの各スリット状の開口部９１，９２，９３……の両側には、側壁部を構成するバッフル板基材１０１，１０２，１０３，１０４……が配置されている。

ここで、例えば１つの開口部９１の周囲の形状に着目して見ると、図２中開口部９１の左側に位置するバッフル板基材１０１の処理空間側の面（図２中上側の面）と、開口部９１の右側に位置するバッフル板基材１０２の処理空間側の面とに、バッフル板基材１０１側が高くバッフル板基材１０２側が低くなる高低差が形成されるように、バッフル板９０の処理空間側の面に凹凸が形成されている。また、他の開口部９２，９３についても、一方が高く、他方が低くなるように同様な高低差が形成された構成となっている。

したがって、プラズマ処理中には、バッフル板９０の処理空間側の面に形成されるプラズマシースにも凹凸が発生し、平坦な形状のプラズマシースではなくなる。すなわち、図２中点線で示すように、凹凸形状を有する等電位面が形成された状態のプラズマシースとなる。イオン等の荷電粒子は、等電位面に対して垂直方向に進行するため、図２中矢印で示すように、例えば開口部９１の部分では、バッフル板基材１０１側に曲がるように荷電粒子が進行し、開口部９１を荷電粒子が通り抜けてプラズマが排気空間側にリークすることを抑制することができる。

また、この場合、開口部９１の開口径やスリット幅を小さくしたり、バッフル板９０の板厚を厚くしてプラズマのリークを抑制するのではないため、コンダクタンスが低下することも抑制することができる。なお、図２に示すように、本実施形態では、バッフル板基材１０１，１０２，１０３，１０４の上面及び下面の角部（開口部９１，９２，９３……の縁部）が面取りされた形状とされている。

上記の開口部９１，９２，９３の幅は、数ｍｍから１０ｍｍ程度、例えば５ｍｍ程度とすることが好ましい。この場合、例えばバッフル板９０の板厚が１０ｍｍ程度の場合、上記した高低差は、数ｍｍ、例えば５ｍｍ程度とすることが好ましい。

上記構成のプラズマエッチング装置は、図１に示す制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能な記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

上記構成のプラズマエッチング装置によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、ロードロックチャンバ（図示せず。）から処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定のエッチングガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。

そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５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。

他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。このプラズマエッチング処理が進行する際に、本実施形態では、バッフル板９０の作用により、排気のための十分なコンダクタンスが確保され、かつ、プラズマが排気空間内に漏洩する可能性を低減することができる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給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Ｗが処理チャンバー２内から搬出される。

次に、図３〜７を参照して他の実施形態に係るバッフル板の構成について説明する。なお、図３〜７において、図２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。

図３は、他の実施形態に係るバッフル板９０ａの構成を示すものである。この実施形態では、上記したバッフル板９０と同様に処理空間側の面に凹凸が形成されており、そのうち、凸部の表面に夫々電極１１０が形成されている。そして、直流電源１１１からこれらの電極１１０に、負の直流電圧を印加するよう構成されている。すなわち、バッフル板９０ａでは、処理空間側の面のうち凸部に選択的に負の直流電圧を印加できるよう構成されている。なお、バッフル板９０ａの他の部分は、接地電位とされている。

かかる構成のバッフル板９０ａとすれば、負の直流電圧を印加しない場合に比べてさらにバッフル板９０ａの処理空間側の面に形成されるプラズマシースに発生する凹凸、つまり、図３中破線で示すように、等電位面の凹凸の度合い及び電位の勾配を急峻にすることができる。これによって、荷電粒子の曲がり具合を大きくすることができ、より一層プラズマが排気空間側にリークすることを抑制することができる。なお、図３中に負電圧を印加しない場合の等電位面の形状を、上記した破線より線の長さ及び間隔が小さな点線で示してある。

上記のバッフル板９０ａのように電極１１０を形成する場合、例えば、バッフル板基材１０１，１０２，１０３，１０４……をアルミニウム等の金属から構成し、その表面にアルミナ、イットリア、樹脂等からなる絶縁膜を形成し、その絶縁膜の上にＳｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｃ、ＡＩ等からなる電極１１０を形成することができる。また、このような場合、電極１１０の部分の絶縁膜をなくし、下地の基材を露出させることによって電極１１０を形成することもできる。さらに、バッフル板基材１０１，１０２，１０３，１０４……をクォーツ等から構成し、その上に上記した材料の電極１１０を形成してもよい。

図４は、他の実施形態に係るバッフル板９０ｂの構成を示すものである。この実施形態では、前述したバッフル板９０と同様に処理空間側の面に凹凸が形成されており、そのうち、凹部の表面に夫々電極１１０が形成されている。そして、直流電源１１１からこれらの電極１１０に、負の直流電圧を印加するよう構成されている。なお、バッフル板９０ｂの他の部分は、接地電位とされている。このように、凹部の表面に電極１１０を設けてもよい。かかる構成のバッフル板９０ｂの場合、プラズマシースに発生する凹凸を緩和する方向に作用する。しかしながら、これによって、負の直流電圧を印加しない場合と荷電粒子の衝突位置を変更することができ、バッフル板９０ｂの寿命の長期化を図ることができる。なお、上記の実施形態では、凸部又は凹部に電極１１０を設けた場合について説明したが、凸部と凹部の両方に電極１１０を設けてもよい。

また、図５に示すバッフル板９０ｃのように、バッフル板基材１０１，１０２，１０３，１０４……の角部の面取りのない形状とすることもできる。さらに、図６に示すバッフル板９０ｄのように、凹凸の周期を長くして、１つの傾斜部分の中に複数の開口部９１，９２及び開口部９３，９４を設けるようにしてもよい。さらに、図７に示すバッフル板９０ｅのように、凹凸を設けた上で開口部９１，９２，９３等を垂直方向から傾斜させた形状としてもよい。

次に、縦軸を電位、横軸を時間とした図８を参照して、負の直流電圧の印加方法について説明する。負の直流電圧は、一定の電圧で連続的に印加してもよいが、第２の高周波電源５０からサセプタ５に印加される高周波電力（バイアス）の周波数に応じて変化させてもよい。図８に示すように、第２の高周波電源５０からサセプタ５に印加される高周波電力（バイアス）が負となると、壁やバッフル板の接地電位（ＧＮＤ）から見たプラズマ電位（図８中点線で示す。）は低い状態となり、電位差がもっとも減少するために、電子がバッフル板を通過しやすくなる。そこで、図８中実線で示すように、このプラズマ電位が低い状態となるタイミングに同期して、間欠的に絶対値の大きな負の電圧を印加する。これによって、プラズマ電位とバッフル板の電位印加部との差が増加し、電位差が減少するのを防止することができ、電子がバッフル板を通過することによるプラズマリークが発生することを効率的に防止することができる。なお、図８中の一点鎖線は、半導体ウエハ（サセプタ）の電位を示している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、プラズマエッチング装置は、図１に示した平行平板型の上下部２周波印加型に限らず、例えば、下部電極に２つの周波数の高周波を印加するタイプの装置や、下部電極に１つの周波数の高周波電力を印加するタイプ等、各種のプラズマエッチング装置やその他のプラズマ処理装置にも適用することができる。

２……処理チャンバー、５……サセプタ（下部電極）、２１……上部電極、３０……処理ガス供給源、３５……排気装置、４０……第１の高周波電源、５０……第２の高周波電源、９０……バッフル板、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (7)

1. 内部でプラズマを発生させて基板を処理する処理チャンバー内に配置され、前記処理チャンバー内を、前記基板を処理する処理空間と、前記処理チャンバー内から排気するための排気空間とに隔てるバッフル板であって、
   排気を行うための複数の開口部を有し、かつ、
   前記開口部の周縁部の高さに高低差が形成されるように、前記処理空間側の面に凹凸が形成されている
   ことを特徴とするバッフル板。
2. 請求項１記載のバッフル板であって、
   前記処理空間側の面のうち、所定部位に選択的に直流電圧を印加するための電極が設けられていることを特徴とするバッフル板。
3. 請求項２記載のバッフル板であって、
   前記電極が、前記凹凸のうち凸部に設けられていることを特徴とするバッフル板。
4. 請求項２記載のバッフル板であって、
   前記電極が、前記凹凸のうち凹部に設けられていることを特徴とするバッフル板。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のバッフル板であって、
   前記開口部が、垂直方向から傾斜して形成されていることを特徴とするバッフル板。
6. 内部でプラズマを発生させて基板を処理する処理チャンバーと、
   前記処理チャンバー内に配置され、前記処理チャンバー内を、前記基板を処理する処理空間と、前記処理チャンバー内から排気するための排気空間とに隔てるバッフル板とを具備したプラズマ処理装置であって、
   前記バッフル板は、
   排気を行うための複数の開口部を有し、かつ、
   前記開口部の周縁部の高さに高低差が形成されるように、前記処理空間側の面に凹凸が形成されている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バッフル板は、前記処理空間側の面のうち、所定部位に選択的に電圧を印加するための電極を具備し、
   前記基板に所定周波数のバイアスを印加するための高周波電源の周波数に応じて、前記電極に負の直流電圧を印加するよう構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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