(57)【要約】【課題】低圧力雰囲気ではガスによる熱伝達が少ないため、温度の制御が困難である。プラズマ処理装置において、被処理基板等の温度制御対象と温度制御手段の間の熱抵抗が大きく、素早い温度制御が困難であった。【解決手段】被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、を備えたプラズマ処理装置において、被処理基板の温度を制御するため赤外線等の電磁波を被処理基板の表面または処理室に供給する電磁波供給機構を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、
該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、
該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、
該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板の表面に供給する電磁波供給機構を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、
該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、
該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、
該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記被処理室の内面の温度を制御するための電磁波を前記被処理室に供給する電磁波供給機構を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波が赤外線を含む光であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板に供給する電磁波供給機構がランプであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板に供給する電磁波供給機構が円形導波管の周囲に同心状に配置された複数のランプヒータであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板に供給する電磁波供給機構が円形導波管の周囲に同心状に多重に配置された複数のランプヒータであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板に供給する電磁波供給機構が円形導波管の周囲に線状のランプユニットを円形に曲げて配置されたランプヒータであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ発生用の電磁波を処理室内に供給するための電磁波透過窓と同一の電磁波透過窓を介して前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板に供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記被処理基板の温度を制御するための電磁波が前記被処理基板に照射される面と反対の面に接して基板電極が設けられたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、
該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、
該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、
該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、
該被処理基板または基板電極表面の温度を制御するための電磁波を該被処理基板に供給する機構と
を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記被処理基板または基板電極に温度制御用の電磁波を照射して前記被処理基板の表面温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】
被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、
該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、
該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、
該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、
処理室内面の温度を制御するための電磁波を処理室内面に供給する電磁波供給機構と
を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記処理室の内面に温度制御用の電磁波を照射して前記被処理基板の表面温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載のプラズマ処理方法において、
被処理基板を基板電極上に戴置する前に、事前に被温度制御面の温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載のプラズマ処理方法において、
被温度制御面にプラズマから入射する熱による温度上昇または下降を補償するように、温度制御用電磁波の電力を増減することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載のプラズマ処理方法において、
マルチステップエッチングを行い、
各ステップ毎に所定の温度に被温度制御面の温度を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理基板をプラズマエッチング処理するプラズマエッチング装置およびエッチング処理方法に関わり、プラズマエッチング特性を向上させる処理装置および処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に化学反応は温度の影響を強く受けることが知られている。プラズマ処理装置においては、被処理基板の温度や処理室内面の温度を適切に制御することがプラズマ処理特性の向上に重要である。例えば、プラズマエッチング処理の場合、被処理基板には処理室に供給する処理ガスの分子やプラズマにより発生した化学的な活性種、イオン、さらに、処理室内壁や被処理基板との反応で生じた反応生成物等が接触する。これらの物質は被処理基板のエッチング反応を促進したり、阻害したりすることでエッチング速度やエッチング形状等を左右する要素となる。
【０００３】
被処理基板の温度を調整することにより、エッチングを阻害する物質の被処理基板への吸着確率、被処理基板表面の材質と化学的な活性種の反応確率等を制御して、エッチング特性を最適化することが出来る。同様に処理室内壁にもプラズマ処理室内の気相中に存在する種々の物質が接触し、処理室内壁で消費されたり、処理室内壁から反応生成物を発生させたりすることで、エッチング特性に影響を与える。そのため処理室内壁面の温度もエッチング特性に重要な要素となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に低圧力雰囲気ではガスによる熱伝達が少ないため、温度の制御が困難である。プラズマ処理装置において、被処理基板等の温度制御対象と温度制御手段の間の熱抵抗が大きく、素早い温度制御が困難となる課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
プラズマエッチング処理において、被処理基板や処理室壁面等の温度制御対象の加熱に赤外線等の電磁波を用いることで上記課題は解決できる。
【０００６】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、を備えたプラズマ処理装置において、前記被処理基板の温度を制御するための電磁波を前記被処理基板の表面に供給する電磁波供給機構を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のプラズマ処理方法は、被処理基板を戴置する基板電極を備えた処理室と、該処理室に所定量のガスを供給するガス供給機構と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気系と、該処理室内に電磁波を供給してプラズマを発生する機構と、該電磁波を該処理室内に供給するための電磁波透過窓と、該被処理基板または基板電極表面の温度を制御するための電磁波を該被処理基板に供給する機構とを備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記被処理基板または基板電極に温度制御用の電磁波を照射して前記被処理基板の表面温度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、被処理基板等の温度制御対象を素早く温度制御することが可能となり、プラズマ処理特性を向上させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明のプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の実施例１のプラズマエッチング装置のエッチング処理部を示す。マイクロ波源１０１により発振された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は方形導波管１０２を用いて伝送され、アイソレータ１０３、自動整合機１０４を介して方形−円形導波管変換機１０５にもたらされる。マイクロ波源１０１としてマグネトロンを用いた。さらにマイクロ波は方形−円形導波管変換機１０５から円形導波管１０６を介して円柱状の空洞共振器１０８に伝送される。空洞共振器１０８内でマイクロ波電力をプラズマ処理に適した分布に整形し、誘電体窓１１１、シャワープレート１１２を介して処理室１１３にマイクロ波電力を投入してプラズマを発生させる。
【００１１】
処理室１１３には図示しない処理ガスの供給系と真空排気系が接続され、真空排気速度や処理ガスの供給量を所定の値に調整して処理室１１３内の圧力やガス種の密度とガス雰囲気を制御することができる。処理ガスは誘電体窓１１１とシャワープレート１１２の間の微小な間隙を介して導入され、シャワープレート１１２に設けた複数の微細な穴から処理室１１３内にシャワー状に供給する。
【００１２】
処理室１１３内には被処理基板１１５を戴置するための基板電極１１４が設置されている。被処理基板１１５の材質はシリコンを用いた。基板電極１１４には被処理基板１１５を保持するための機構として例えば静電チャック機構が設けられている。さらに基板電極１１４には被処理基板１１４の加熱、冷却を行うための冷却機構やヒータ等の温度調整機構が設けられている。さらに被処理基板１１５の温度をモニタする温度計が接続されている。また、基板電極１１４には被処理基板に高周波バイアス電力を加えるために、高周波バイアス電源１１７が自動整合機１１６を介して接続されている。
【００１３】
処理室１１３の周囲には静磁界の発生機構として電磁石１０７が設けられている。電磁石１０７は複数の電磁石で構成され、各電磁石の励磁電流を調整することで発生する静磁界の分布と強度を制御することが出来る。処理室１１３に投入するマイクロ波によりプラズマを発生させるが、処理室１１３内に電子サイクロトロン共鳴を起こす０．０８７５テスラの静磁界を用いることで、通常ではプラズマ発生が困難な低い圧力域でもプラズマの発生が容易になる効果がある。
【００１４】
一般にプラズマは静磁界により静磁界に垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、プラズマの分布を調整することが出来る他、プラズマの損失を低減し効率よいプラズマ発生を行うことが出来る。また前述の電子サイクロトロン共鳴を起こす０．０８７５テスラの位置を制御することにより、プラズマの発生領域を制御することが出来る。これらの静磁界によるプラズマ拡散とプラズマ発生領域制御によりプラズマの分布を制御することが出来、プラズマ処理の均一性を制御することができる。
【００１５】
電磁波供給機構であるランプヒータ１０９がメッシュ１１０を介して空洞共振器１０８上部に設置されている。ランプヒータ１０９は円形導波管１０６の周囲に同心状に配置されている。メッシュ１１０は導電率の高い金属製であり、マイクロ波が透過しないよう開口部はマイクロ波の波長に対して短いサイズとなっている。同時にランプヒータの出射光を透過するように全体の開口面積の割合が大きくなっている。ランプヒータ１０９の出射光はメッシュ１１０、空洞共振器１０８、誘電体窓１１１、シャワープレート１１２を介して処理室１１３内に投入される。
【００１６】
ランプヒータ１０９として、波長１μｍ付近の近赤外領域で発光強度のピークを取るハロゲンランプを用いた。誘電体窓１１１とシャワープレート１１２の材質として用いた石英での損失が小さく、被加熱対象である被処理基板１１５の材質であるシリコンで比較的吸収しやすい波長を用いた。図１の一点鎖線の矢印で示すように、ランプヒータ１０９の出射光が加熱対象である被処理基板１１５近辺のみを均一に加熱するよう、ランプヒータ１０９を配置した。ランプヒータ１０９の出射光の方向を制御するのに反射板やレンズ等を用いても良い。本実施例ではランプヒータ１０９の出射光の制御に略放物面状の金コーティングした反射鏡を用いた。
【００１７】
誘電体窓１１１、シャワープレート１１２の材質として、マイクロ波に対して損失が小さい物質を用いることが望ましい。さらにシャワープレート１１２はプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性を有しプラズマ処理に悪影響を及ぼさない物質とすることが望ましい。同時にランプヒータ１０９の出射光に対する透過率が高いことが望ましい。これらの観点から本実施例では誘電体窓１１１、シャワープレート１１２の材質として石英を用いた。
【００１８】
市販のハロゲンランプとして可視領域、近赤外領域、遠赤外領域等で発光する製品が入手可能である。誘電体窓１１１、シャワープレート１１２の材質として用いた石英は可視光から近赤外領域の光を透過する。本実施例では、波長１μｍ程度の近赤外領域で発光するハロゲンランプを用いたが、窓材の透過率と被加熱物の吸収特性を考慮して、ハロゲンランプの発光波長を決定すればよい。即ち、窓材の透過率が高く、被加熱物に対して吸収しやすい波長を選択することが望ましい。また、ランプとしてはハロゲンランプ以外にも種々の光源が利用可能であり、アーク光源等を用いても良い。
【実施例２】
【００１９】
図２は、本発明の実施例２のプラズマエッチング装置のエッチング処理部を示す。図１の実施例１と共通する部分の説明を省略し、相違点のみについて説明する。実施例２の構成は、図１に示す実施例１と同様であるが、ランプヒータ１０９の出射光が、一点鎖線の矢印で示すように、主に処理室１１３の内面を照射し、被処理基板１１５を直接照射しない構成となっている。上記構成により、ランプヒータ１０９により処理室１１３の内壁表面の温度を制御することができる。また、処理室１１３の内面温度をモニタして、ランプヒータ１０９の出力を制御する制御機構が設けられている。
【００２０】
前述の様にプラズマ処理を繰り返すと、処理室内面を含む装置全体の温度はプラズマからの入熱等により加熱され、温度が上昇する傾向にある。装置の温度は前述の通り、プラズマ処理特性を左右する重要なパラメータの一つであり、温度が安定または飽和した状態でプラズマ処理を行うことがプラズマ処理特性安定化の面から望ましい。
【００２１】
しかし、装置の温度が安定するまでの時間が長いと、装置の実効的な稼働時間が低下して処理効率を低下させる。装置の停止期間が長い場合等、装置の温度が低下した場合に、ランプヒータ１０９を用いて処理室内面の温度を制御して、早期に温度の安定化を図ることが出来る。
【実施例３】
【００２２】
図３は、本発明の実施例３のプラズマエッチング装置のエッチング処理部を示す。図１の実施例１、図２の実施例２と共通する部分の説明を省略し、相違点のみについて説明する。実施例３の構成は、実施例１、実施例２と同様であるが、実施例１と実施例２を組み合わせて用いた構成になっている。即ち、一点鎖線の矢印で示すように、被処理基板の温度制御用ランプヒータと処理室内面温度の制御用ランプヒータを同時に備えた構成を採用している。またランプヒータ出射光の出射方向を制御する機構を付加したランプヒータを用いることで、被処理基板、処理室内面の温度制御を時間的に切り替えて行っても良い。
【００２３】
図４〜図６に、ランプヒータ１０９の配置例を示す。図４〜図６のランプヒータ１０９の配置例は、図１〜図３の実施例１〜３のＡ−Ａ断面の断面を示す図となっている。
【００２４】
図４は、円形導波管１０６の周囲に同心状にランプヒータ１０９を配置した例である。各ランプヒータに供給する電力を制御して加熱対象である被処理基板の角度方向温度分布を制御することもできる。
【００２５】
図５は、ランプヒータを二重に配置した例である。内周側と外周側のランプヒータに供給する電力を調整して加熱対象である被処理基板の径方向温度分布を制御することが出来る。
【００２６】
図６は、線状のランプユニットを円形に曲げて配置した例である。このようにハロゲンランプの形状は比較的自由度が高く、円形に限らず被加熱対象物の形状に応じて変形しても良い。図６は、略円形のランプユニットを１重に配置したが、２重または３重以上としても良い。２重以上に配置した場合、各ランプユニットに供給する電力を調整することで被処理基板の径方向温度分布を制御することができる。
【００２７】
被処理基板は基板電極に静電チャック機構により吸着されることで、基板電極との熱抵抗を小さくしている。被処理基板と基板電極の熱抵抗をさらに小さくするために、被処理基板と基板電極の間に伝熱用のガスを導入しても良い。基板電極には加熱機構、冷却機構があり、被処理基板を間接的に加熱または冷却することができる。また、被処理基板には処理室内に発生するプラズマからの入熱がある。被処理基板の温度分布は主にランプヒータからの入熱と前記基板電極との熱伝達、プラズマからの入熱により決まる。
【００２８】
被処理基板の温度は前述の様にエッチング特性を左右する重要なパラメータである。被処理基板全面に渡って均一なエッチング特性を得るために必要な温度分布に制御することが重要である。エッチング特性の不均一をもたらす要因の一つに反応生成物分布がある。
【００２９】
一般に被処理基板をエッチング処理することで被処理基板より発生する反応生成物の密度分布は、被処理基板中心付近で高く、外周付近で低くなる傾向にある。被処理基板外で反応生成物の発生がないことによる。そのため反応生成物が被処理基板に再入射する頻度も中心付近で高くなりやすく、エッチング特性の面内不均一要因の一つである。被処理基板の中心付近での反応生成物の再付着抑制に、中心付近の温度を外周付近と比べて高く制御することが有効である。各ランプヒータの配置と各ランプヒータに供給する電力を調整して被処理基板の温度分布を、中心で高い分布に調整することが出来る。その他、プラズマからの入熱や基板電極への熱伝達による影響を補正して、ランプヒータにより被処理基板に供給する熱量の分布を調整して最適な温度分布に調整することが出来る。
【００３０】
被処理基板の温度は、基板電極に設けた温度計のセンサ部を被処理基板に接触させて、温度を測定した。接触式の温度計以外に非接触式の温度計を用いても良い。
【００３１】
図７に、プラズマエッチング装置の全体構成を示す。ローダ３０３より被処理基板が装置に搬入され、搬送室３０２を介してエッチング処理部３０１に搬送される。図１〜図３に、本発明の実施例１〜３として示したエッチング処理装置は、エッチング処理部３０１に対応する。
【００３２】
図７のエッチング処理部３０１でエッチング処理された被処理基板は、搬送室３０２よりアンローダ３０４に搬送され、装置外に取り出される。ローダ３０３、アンローダ３０４は容量の小さな真空容器となっており、被処理基板の搬入、搬出時に大気圧から真空、真空から大気圧へと高速に圧力を変化させることが出来る。搬送室３０２、エッチング処理部３０１は通常は常に真空に排気されている。ローダ３０３、アンローダ３０４、搬送室３０２、エッチング処理部３０１の各部はそれぞれゲートバルブにより、気密に閉じることが可能なほか、被処理基板の搬送時等に各部間を接続することが出来る。また、図３にはエッチング処理部３０１が１個の構成を示したが、複数の処理部等を搬送室に接続しても良い。
【００３３】
複数のエッチング条件を時間的に切り替えて用いるマルチステップエッチングを行うことが多い。これにより多層膜のエッチング処理や被エッチング層の表面に変質層等がある場合等にも高品質なエッチング処理を行うこと等に有効である。エッチング条件の切替はエッチング処理の進行状況をプラズマ発光や被処理基板の反射率変化等をモニタすることで検知して行う場合や、膜厚とエッチング速度を考慮して所定の時間処理後に行う場合等がある。また、プラズマを一度消して処理室内のガスを完全に排気した後、次のエッチング条件に切り替える場合や、プラズマを消さないでエッチング条件のみを切り替える場合等がある。
【００３４】
マルチステップエッチングの各ステップに対応して、被処理基板の処理に最適な温度が異なることが多く、エッチング条件の切り替えに応じて、ランプヒータに供給する電力を変更しても良い。また、各ステップ間または最初のステップの前にランプヒータで予備加熱しても良い。
【００３５】
通常、所定のエッチング条件でエッチング処理を続けると、被処理基板の温度はプラズマからの入熱により、徐々に上昇する傾向がある。この温度上昇を補償して最適温度を保持するように、ランプヒータにより被処理基板に供給する熱量を制御しても良い。このランプヒータ出力の時間的な制御は、マルチステップエッチングのあるステップ内という短い時間スケール内で行ってもよいし、複数枚の被処理基板の処理に渡る長い時間スケールで行っても良い。
【００３６】
被処理基板をエッチング処理部に搬送する前に、被処理基板を戴置する基板電極表面をランプヒータにより所定の温度に加熱することができる。これにより被処理基板の加熱に必要な時間を短縮できるほか、エッチング処理の極初期から最適な温度に制御することが出来る効果がある。
【００３７】
本発明は図１〜図３に示すプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他のプラズマ発生方法によるプラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明の電磁波供給機構は、実施例に示されたハロゲンランプを用いて赤外線を照射する手段に限定されず、種々の光源が利用可能でありアーク光源等を用いても良い。また、被処理基板、非処理室を加熱できる電磁波を供給するための種々の手段を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の実施例１のエッチング装置の構成を説明する概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施例２のエッチング装置の構成を説明する概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施例３のエッチング装置の構成を説明する概略図である。
【図４】図４は、円形導波管の周囲にランプヒータを配置した配置例である。
【図５】図５は、円形導波管の周囲にランプヒータを二重に配置した配置例である。
【図６】図６は、円形導波管の周囲に線状のランプユニットを円形に曲げて配置した配置例である。
【図７】図７は、プラズマエッチング装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１    マイクロ波源
１０２    方形導波管
１０３    アイソレータ
１０４    自動整合機
１０５    方形−円形導波管変換機
１０６    円形導波管
１０７    電磁石
１０８    空洞共振器
１０９    ランプヒータ
１１０    メッシュ
１１１    誘電体窓
１１２    シャワープレート
１１３    処理室 
１１４    基板電極
１１５    被処理基板
１１６    自動整合機
１１７    高周波バイアス電源
３０１    エッチング処理部
３０２    搬送室
３０３    ローダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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