JP4615464B2 - プラズマ処理装置用電極アッセンブリ及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、プラズマエッチング等のプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置用電極アッセンブリ及びプラズマ処理装置に関する。

半導体装置や液晶表示装置等の製造工程においては、プラズマを用いて各種の処理を行うプラズマ処理が多用されている。このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置としては、例えば、処理チャンバー内に、対向配置された一対の対向電極の間に高周波電界を形成してプラズマを発生させる所謂平行平板型のプラズマ処理装置が知られている。

近年の半導体装置の製造工程等においては、生産性の向上等を図るため、被処理基板である半導体ウエハが次第に大径化されている。このため、上記のような平行平板型のプラズマ処理装置では、広い面積範囲において、プラズマ密度の均一なプラズマを発生させてプラズマ処理の面内均一性を高める必要が生じている。

上記のようなプラズマ密度は、電極の中央部で高くなり、周辺部で低くなる傾向がある。このため、プラズマ処理装置用電極アッセンブリにおいては、処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材（例えば、シリコン等から構成される）と、その裏面側に配置される部材であるスペーサ等との間に、電極の中央部付近のみ間隙が形成されるようにして、プラズマ密度の均一化を図ることが行われている。また、電極表面部材等を、中央部と周辺部と電気抵抗の異なる別部材で構成してプラズマ密度の均一化を図る技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−３２３４５６号公報

上記の従来技術のうち、電極表面部材とその裏面側に配置されるスペーサ等の間に間隙を設ける技術では、この間隙内で異常放電が発生する場合があるという課題がある。また、電極表面部材等を、中央部と周辺部と電気抵抗の異なる別部材で構成する技術では、構成部材の数が多くなるため、プラズマ処理装置用電極アッセンブリの組み立てやメンテナンスが煩雑になるという課題がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、異常放電の発生や、組み立て及びメンテナンスの煩雑さを招くことなく、プラズマ密度の均一化を図ることができ、面内均一性の良好なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理装置用電極アッセンブリ及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

請求項１のプラズマ処理装置用電極アッセンブリは、被処理基板が収容される処理チャンバー内に高周波電界を形成してプラズマを発生させるためのプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材を具備したことを特徴とする。

請求項２のプラズマ処理装置用電極アッセンブリは、請求項１記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、前記板状部材が、前記処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材であることを特徴とする。

請求項３のプラズマ処理装置用電極アッセンブリは、請求項１記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、前記板状部材が、前記処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材の裏面側に配置される部材であることを特徴とする。

請求項４のプラズマ処理装置用電極アッセンブリは、請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、前記板状部材が、前記中央部と前記周辺部との間に位置し、前記中央部の電気抵抗値と前記周辺部の電気抵抗値との中間の電気抵抗値を有する中間部を有することを特徴とする。

請求項５のプラズマ処理装置は、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリを具備し、当該プラズマ処理装置用電極アッセンブリに高周波電力を供給するよう構成されたことを特徴とする。

請求項６のプラズマ処理装置は、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリを具備し、当該プラズマ処理装置用電極アッセンブリが接地電位とされるよう構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、異常放電の発生や、組み立て及びメンテナンスの煩雑さを招くことなく、プラズマ密度の均一化を図ることができ、面内均一性の良好なプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理装置用電極アッセンブリ及びプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本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全体の断面構成を示すものであり、図２は、その要部断面構成示すものである。

プラズマエッチング装置１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１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成形された処理チャンバー（処理容器）１０を有しており、この処理チャンバー１０は接地されている。処理チャンバー１０内の底部にはセラミックなどの絶縁板１１を介して、被処理物、例えば半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台１２が設けられている。さらに、このサセプタ支持台１２の上には、下部電極を構成するサセプタ１３が設けられている。このサセプタ１３には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６２が接続されている。

サセプタ支持台１２の内部には、冷媒室１９が設けられており、この冷媒室１９には、冷媒が冷媒配管２０ａ，２０ｂを介して導入されて循環し、その冷熱がサセプタ１３を介して半導体ウエハ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１３の上には、半導体ウエハＷと略同形の静電チャック１４が設けられている。静電チャック１４は、導電膜からなる電極板１５と、この電極板１５を挟持する一対の絶縁層又は絶縁シートからなり、電極板１５には直流電源１６が後述する接続端子５８及び可動給電棒６７を介して電気的に接続されている。この静電チャック１４は、直流電源１６によって印加された直流電圧に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によって半導体ウエハＷを吸着保持する。

サセプタ１３の内部には、静電チャック１４の上面から突出自在に複数のプッシャーピン５６が設けられている。これらのプッシャーピン５６は、例えば、モータとボールねじ等からなる駆動機構によって駆動され、半導体ウエハＷを搬送ロボット等との間で受け渡しする際に、半導体ウエハＷを静電チャック上に持ち上げた状態で支持する。

サセプタ１３の上には、静電チャック１４の周囲を囲むように、環状のフォーカスリング１７が配置されている。このフォーカスリング１７は、シリコン等から構成され、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。フォーカスリング１７の周囲には、フォーカスリング１７の側部を保護するカバーリング５４が配置されている。また、サセプタ１３及びサセプタ支持台１２の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材１８が設けられている。

絶縁板１１、サセプタ支持台１２、サセプタ１３、静電チャック１４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２１が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ１３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１３の上方には、このサセプタ１３と平行に対向して上部電極２２が設けられている。サセプタ１３と上部電極２２との間は、プラズマ生成空間Ｓとして機能する。上部電極２２は、環状の外側上部電極２３と、この外側上部電極２３の内側に配置された円板形状の内側上部電極２４とで構成されている。内側上部電極２４と、外側上部電極２３との間には、例えば石英等からなる誘電体２５が配置され、これらは絶縁されている。内側上部電極２４と、外側上部電極２３との間に誘電体２５を挿むことによってコンデンサが形成される。このコンデンサのキャパシタンスは、内側上部電極２４と、外側上部電極２３との間のギャップの大きさと誘電体２５の誘電率とに応じて所望の値にされる。外側上部電極２３と処理チャンバー１０の側壁との間には、例えば、アルミナ又はイットリア等からなる環状の絶縁性遮蔽部材２６が気密に配置されている。

外側上部電極２３は、例えば、シリコン等から構成される。この外側上部電極２３には、図２に示すように、整合器２７、給電棒２８、コネクタ２９及び給電筒３０を介して第１の高周波電源３１が電気的に接続されている。第１の高周波電源３１は、１３．５ＭＨｚ以上の高周波、例えば６０ＭＨｚの高周波電圧を出力する。給電筒３０は、略円筒状又は円錐状の導電板、例えば、アルミニウム板又は銅板からなり、下端が周方向で連続的に外側上部電極２３に接続され、上端がコネクタ２９を介して給電棒２８に電気的に接続されている。給電筒３０の外側では、処理チャンバー１０の側壁が上部電極２２の高さ位置よりも上方に延出して円筒状接地導体１０ａを構成している。この円筒状接地導体１０ａの上端部は筒状の絶縁部材６３によって給電棒２８から電気的に絶縁されている。本構成においては、コネクタ２９からみた負荷回路において、給電筒３０、外側上部電極２３及び円筒状接地導体１０ａによって、給電筒３０及び外側上部電極２３を導波路とする同軸線路が形成される。

内側上部電極２４は、多数のガス孔３２ａを有し、処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材３２を有する。電極表面部材３２の裏面側には、同じく多数のガス孔３４ａを有するクーリングプレート３４が設けられ、このクーリングプレート３４と電極表面部材３２との間には、同じく多数のガス孔３７ａを有するスペーサ３７が設けられている。クーリングプレート３４には、図示しない冷媒循環機構が設けられ、所望温度に設定可能とされている。

上記の電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４は、電極支持体３３によって一体的に支持されている。電極表面部材３２は、図示しないボルトによって電極支持体３３に締結されており、このボルトの頭部は、電極表面部材３４の下部に配置された環状のシールドリング５３によって保護されている。

電極支持体３３の内部には、後述する処理ガスが導入されるバッファ室が形成され、このバッファ室は、Ｏリング等からなる環状隔壁部材４３で分離された中心バッファ室３５及び周辺バッファ室３６からなる。

本実施形態では、電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４及び電極支持体３３によって、プラズマ処理装置用電極アッセンブリが構成されており、プラズマエッチング装置１のメンテナンス等において、これらを一体的に交換可能となっている。そして、上記の電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４のうちの少なくとも１つが、金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材とされている。このような金属基複合材（ＭＭＣ（Metal Matrix Composites））としては、例えば、株式会社日本セラテック社製の金属基複合材を使用することができる。

このような金属基複合材では、金属に対してセラミックの含有割合を調整することによって、電気抵抗値の異なる領域を有する一体の部材を構成することが可能であり、これによって、電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４を、中央部が周辺部より高い抵抗値を有する一体の板状部材として製作することができる。なお、電極表面部材３２を金属基複合材から構成する場合は、シリコンを基材とするものから構成することが好ましい。また、スペーサ３７、クーリングプレート３４を金属基複合材から構成する場合は、アルミニウム合金等を基材とするものから構成することができる。

上記のように、プラズマ処理装置用電極アッセンブリを構成する電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４の少なくとも１つを、金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材とすることにより、例えば、電極表面部材３２とスペーサ３７との間に、中央部のみ間隙を設けた場合と同様な効果、つまり、中央部分のプラズマ密度が高くなることを抑制することができ、面内均一性の良好なプラズマ処理を行うことができる。又、間隙を形成することがないので、間隙部分で異常放電が生じることを防止することができる。さらに、一体の板状部材から構成することによって、複数の部材から構成した場合のように、構造が複雑になったり、組み立てやメンテナンス等が煩雑化することを防止することができる。なお、電気抵抗値の分布は、図３に模式的に示すように中央部１００ａと周辺部１００ｂの２つの領域に分けても良く、図４に模式的に示すように、中央部１００ａと周辺部１００ｂの間に、これらの中間の抵抗値を有する中間領域１００ｃを設け３つの領域に分けても良い。また、さらに多数の領域に分けても良い。

なお、上記のような金属基複合材は、プラズマエッチング装置１の他の構成部材にも使用することができる。例えば、処理チャンバー１０を金属基複合材から構成し、内部にヒータ層とこのヒータ層の周囲を囲む絶縁層を設け、表面層を導体層とすることによって、ヒータが内蔵された一体型のチャンバーを構成することもできる。このような構成とすれば、処理チャンバー１０の壁面の温度を制御できるとともに、別途にヒータやペルチエ素子を取り付けた場合に比べて洗浄時等の取り扱いを容易に行うことが可能となる。

内側上部電極２４の電極支持体３３には、整合器２７、給電棒２８、コネクタ２９及び上部給電筒４４を介して第１の高周波電源３１が電気的に接続されている。上部給電筒４４の途中には、キャパシタンスを可変調節できる可変コンンデンサ４５が配置されている。

図１に示すように、処理チャンバー１０の外部には、処理ガス供給源３８が配置されている。この処理ガス供給源３８からは、中心バッファ室３５及び周辺バッファ室３６に所望の流量比で処理ガスを供給できるようになっている。すなわち、処理ガス供給源３８からのガス供給管３９が途中で分岐管３９ａ，３９ｂに分岐し、流量制御弁４０ａ，４０ｂを介して中心バッファ室３５及び周辺バッファ室３６に接続されている。さらに、ガス供給管３９には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４１及び開閉弁４２が介挿されている。

処理チャンバー１０の底部には排気口４６が設けられ、この排気口４６に排気マニフォールド４７を介して自動圧力制御弁（ＡＰＣバルブ）４８及びターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）４９が接続されている。これらの自動圧力制御弁４８及びターボ分子ポンプ４９が協働して、処理チャンバー１０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、排気口４６とプラズマ生成空間Ｓとの間には、複数の通気孔を有する環状のバッフル板５０が、サセプタ支持台１２を取り巻くように配置されている。このバッフル板５０は、プラズマ生成空間Ｓから排気口４６へのプラズマの漏洩を防止する。

また、処理チャンバー１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口５１が設けられ、ここには、ゲートバルブ５２が設けられている。そして、このゲートバルブ５２を開にした状態で、搬入出口５１を通じて、半導体ウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。また、搬入出口５１及びプラズマ生成空間Ｓの間には、空気圧によって上下動するスライドバルブとしてのシャッタ５５が配置されている。このシャッタ５５は、半導体ウエハＷのプラズマ生成空間Ｓへの搬入出においてゲートバルブ５２が開いた時に、搬入出口５１をプラズマ生成空間Ｓから遮断し、プラズマが搬入出口５１を介して漏洩するのを防止する。

下部電極としてのサセプタ１３には、下部給電筒５７及び整合器５８を介して第２の高周波電源５９が接続されている。この第２の高周波電源５９の周波数は２〜２７ＭＨｚの範囲が好ましい。下部給電筒５７の内側空間には、静電チャック１４の電極板１５に接続され、かつ、サセプタ１３を貫通する接続端子５８の端部が露出し、内部空間において上下動する可動給電棒６７が配置されている。直流電源１６が電極板１５に直流電圧を印加する場合、可動給電棒６７が上昇して接続端子５８に接触し、直流電源１６が電極板１５に直流電圧を印加しない場合、可動給電棒６７が下降して接続端子５８から離れる。

可動給電棒６７は底部にフランジを有し、また、下部給電筒５７も内側空間に向けて突出するフランジを有する。可動給電棒６７のフランジ及び下部給電筒５７のフランジの間には可動給電棒６７の上下動を規制する、絶縁体である窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなるバネ６０が配置されている。このようにバネ６０を絶縁体から構成することにより、高周波電力に起因する電磁誘導が発生せず、バネ６０が高温になることがないのでその劣化を防止することができる。

内側上部電極２４には、第１の高周波電源３１からの高周波電力をグランドに通さず、第２の高周波電源５９からの高周波電力をグランドへ通すローパスフィルタ（ＬＰＦ）６１が接続されている。一方、サセプタ１３には、第１の高周波電源３１からの高周波電力をグランドへ通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６２が接続されている。

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Ｗのプラズマエッチングを行う場合、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ５２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー１０内へと搬入され、静電チャック１４上に載置される。そして、直流電源１６から静電チャック１４の電極板１５に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１４上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ５２が閉じられ、ＡＰＣバルブ４８及びＴＭＰ４９によって、処理チャンバー１０内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、開閉弁４２が開放されて、処理ガス供給源３８から所定の処理ガス（エッチングガス）が、マスフローコントローラ４１によってその流量を調整されつつ、中心バッファ室３５及び周辺バッファ室３６を通じて処理チャンバー１０内のプラズマ生成空間Ｓ内に導入される。

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る。その後、第１の高周波電源３１から所定の周波数の高周波電力が上部電極２２に印加される。これにより、上部電極２２と下部電極としてのサセプタ１３との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。

他方、第２の高周波電源５９から、上記の第１の高周波電源３１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１３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１３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。

この時、内側上部電極２４において、サセプタ１３上の半導体ウエハＷに対向する中心シャワーヘッド及び周辺シャワーヘッドで処理ガス噴出流量の比率を任意に調整できるので、ガス分子又はラジカル密度の空間分布を半導体ウエハＷの径方向で制御し、ラジカルベースによるエッチング特性の空間的な分布を任意に制御することができる。

また、上部電極２２においては、プラズマ生成のための高周波電極として外側上部電極２３を主、内側上部電極２４を副とし、第１の高周波電源３１、第２の高周波電源５９によって上部電極２２の直下の電子に与える電界強度の比率を調整可能にしている。したがって、イオン密度の空間分布を径方向で制御し、反応性イオンエッチングの空間的な特性を任意かつ精細に制御することができる。

さらに、内側上部電極２４においては、電極表面部材３２、スペーサ３７、クーリングプレート３４のうちの少なくとも１つが、金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材とされている。これによって、中央部分の高周波電界が強くなり、この部分のプラズマ密度が高くなることを抑制することができ、面内均一性の良好なプラズマ処理を行うことができる。

そして、プラズマエッチングが終了すると、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１０内から搬出される。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、異常放電の発生や、組み立て及びメンテナンスの煩雑さを招くことなく、プラズマ密度の均一化を図ることができ、面内均一性の良好なプラズマ処理を行うことができる。

なお、本発明は上記の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。例えば、プラズマエッチング装置は、図１，２に示した平行平板型の上下部高周波印加型に限らず、例えば、図５に示すように、下部電極（サセプタ１３）に、第１の高周波電源３１と、第２の高周波電源５９が接続された、下部２周波印加型のプラズマエッチング装置１ａ等にも同様にして適用することができる。

なお、図５のプラズマエッチング装置１ａについては、図１，２に示したプラズマエッチング装置１と対応する部分に対応する符号を付して重複した説明は省略するが、この場合、上部電極２２は、グランドに電気的に接続され、接地電位とされている。この上部電極を構成する電極表面部材３２等を、金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材とすることによって上記の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、図５のプラズマエッチング装置１ａでは、処理チャンバー１０の外側に、回転可能な磁石７０が設けられており、処理チャンバー１０内に磁場を形成してプラズマの制御を行えるようになっている。

本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の全体の構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 抵抗値の分布の状態を説明するための図。 抵抗値の他の分布の状態を説明するための図。 他の実施形態に係るプラズマエッチング装置の全体の構成を示す図。

符号の説明

１……プラズマエッチング装置、１０……処理チャンバー、２２……上部電極、３２……電極表面部材、３３……電極支持体、３４……クーリングプレート、３７……スペーサ、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (6)

1. 被処理基板が収容される処理チャンバー内に高周波電界を形成してプラズマを発生させるためのプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、
   金属基複合材からなり、中央部が周辺部より高い電気抵抗値を有する電気抵抗値の分布を有する板状部材を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置用電極アッセンブリ。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、
   前記板状部材が、前記処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材であることを特徴とするプラズマ処理装置用電極アッセンブリ。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、
   前記板状部材が、前記処理チャンバー内に露出する露出面を構成する電極表面部材の裏面側に配置される部材であることを特徴とするプラズマ処理装置用電極アッセンブリ。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリであって、
   前記板状部材が、前記中央部と前記周辺部との間に位置し、前記中央部の電気抵抗値と前記周辺部の電気抵抗値との中間の電気抵抗値を有する中間部を有することを特徴とするプラズマ処理装置用電極アッセンブリ。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリを具備し、
   当該プラズマ処理装置用電極アッセンブリに高周波電力を供給するよう構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置用電極アッセンブリを具備し、
   当該プラズマ処理装置用電極アッセンブリが接地電位とされるよう構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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