(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバー内に設けられ、基板を載置するための載置台を兼ねた下部電極と、
前記下部電極と対向するように前記処理チャンバー内に設けられ、前記下部電極と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドとしての機能を備え、かつ、上下動可能とされ前記下部電極との間隔を変更可能とされた上部電極と、
前記上部電極の上側に設けられ前記処理チャンバーの上部開口を気密に閉塞する蓋体と、
前記対向面に形成された複数の排気孔と、
前記上部電極の周縁部に沿って下方に突出するように設けられ前記上部電極と連動して上下動可能とされた環状部材であって、下降位置において前記下部電極と前記上部電極と当該環状部材とによって囲まれた処理空間を形成する環状部材と、
前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内にガスを供給するための複数の環状部材側ガス吐出孔と、
前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内を排気するための複数の環状部材側排気孔と、
を具備し、
前記環状部材側ガス吐出孔の少なくとも一部が、水平方向に対して所定角度を設けて形成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
前記処理チャンバー側壁の、前記下部電極と前記上部電極との間の位置に前記基板を搬入・搬出するための開閉自在な開口部が設けられ、前記環状部材を上昇させた状態で前記基板の搬入・搬出を行う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。
【請求項３】
請求項１又は２記載のプラズマ処理装置であって、
前記環状部材が絶縁性の被膜に覆われたアルミニウムから構成されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記環状部材と前記上部電極は電気的に導通した状態で固定され、前記環状部材は、表面が絶縁層で覆われた金属シートからなり可撓性を有するシートケーブルで接地電位に接続されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記環状部材と前記上部電極の上下動を行う駆動手段は、電動シリンダーによる多軸駆動である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドが用いられている。すなわち、例えば半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング処理を施すプラズマ処理装置では、処理チャンバー内に、基板を載置するための載置台が設けられており、この載置台と対向するように、シャワーヘッドが設けられている。このシャワーヘッドには、載置台と対向する対向面に、ガス吐出孔が複数設けられており、これらのガス吐出孔から基板に向けてガスをシャワー状に供給する。
【０００３】
上記したプラズマ処理装置では、処理チャンバー内のガスの流れを均一化するため、載置台の周囲から下方に排気を行う構成としたものが知られている。また、プラズマ処理の面内均一性を向上させるため、上記のシャワーヘッドに加えて、載置台の基板の周囲の部分に、基板に向けてガスを供給するガス吐出部を設けたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、シャワーヘッドの周囲から処理チャンバーの上方に向けて排気を行うよう構成されたプラズマ処理装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、上部電極としてのシャワーヘッドを上下動可能として、下部電極としての載置台との間隔を変更可能としたプラズマ処理装置も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４４７０１公報
【特許文献２】特許第２６６２３６５号公報
【特許文献３】特開２００５−９３８４３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の従来の技術では、載置台（基板）の周囲から処理チャンバーの下方へ排気するか、又はシャワーヘッドの周囲から処理チャンバーの上方に向けて排気する構成となっている。このため、シャワーヘッドから供給されたガスが基板の中央部から周辺部に向けて流れる流れが形成され、基板の中央部と周辺部とで処理の状態に差が生じ易く、処理の面内均一性が低下するという問題があった。また、載置台（基板）の周囲又はシャワーヘッドの周囲に排気流路を設ける必要があるため、処理チャンバー内部の容積が、収容する基板よりもかなり大型になり、無駄な空間が多くなり装置全体の小型化を図ることが難しいという問題があった。
【０００６】
さらに、シャワーヘッドが上部電極、載置台が下部電極を兼ねた容量結合型のプラズマ処理装置では、この上部電極（シャワーヘッド）と下部電極（載置台）との間隔を可変とすることが望まれる。しかし、処理チャンバー内が減圧雰囲気とされるため、処理チャンバー内外の圧力差に抗して、上部電極（シャワーヘッド）又はと下部電極（載置台）を上下動させるには、駆動源に大きな力が必要となり、駆動に要するエネルギーも多くなるという問題があった。
【０００７】
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ができるとともに、処理チャンバー内の無駄な空間を削減して装置の小型化を図ることができ、かつ、上部電極と下部電極との間隔を容易に変更す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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマ処理装置は、処理チャンバー内に設けられ、基板を載置するための載置台を兼ねた下部電極と、前記下部電極と対向するように前記処理チャンバー内に設けられ、前記下部電極と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドとしての機能を備え、かつ、上下動可能とされ前記下部電極との間隔を変更可能とされた上部電極と、前記上部電極の上側に設けられ前記処理チャンバーの上部開口を気密に閉塞する蓋体と、前記対向面に形成された複数の排気孔と、前記上部電極の周縁部に沿って下方に突出するように設けられ前記上部電極と連動して上下動可能とされた環状部材であって、下降位置において前記下部電極と前記上部電極と当該環状部材とによって囲まれた処理空間を形成する環状部材と、前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内にガスを供給するための複数の環状部材側ガス吐出孔と、前記環状部材の内壁部分に開口し、前記処理空間内を排気するための複数の環状部材側排気孔と、を具備し、前記環状部材側ガス吐出孔の少なくとも一部が、水平方向に対して所定角度を設けて形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
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ができるとともに、処理チャンバー内の無駄な空間を削減して装置の小型化を図ることができ、かつ、上部電極と下部電極との間隔を容易に変更す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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図。
【図２】図１のプラズマ処理装置の要部構成を拡大して示す縦断面図。
【図３】図１のプラズマ処理装置のシャワーヘッドを上昇させた状態を示す縦断面図。
【図４】図１のプラズマ処理装置のシートケーブルの構成を示す上面図。
【図５】図１のプラズマ処理装置の等価回路を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の断面構成を模式的に示す図であり、図２は、図１のプラズマエッチング装置２００に設けられたシャワーヘッド１００の構成を模式的に示す断面図である。このプラズマエッチング装置２００は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源（図示せず。）が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。
【００１３】
図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材１の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。これらの下側部材１及び上側部材２は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。このシャワーヘッド１００は、図１に示すように、プラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に、半導体ウエハ（基板）が載置される載置台２０２と対向するように配設される。すなわち、図２に示す下側部材１側が図１に示す載置台２０２と対向する対向面１４を形成するように配設される。
【００１４】
上記積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図２中に矢印で示すように、基板（図２中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部（図示せず。）が設けられている。
【００１５】
また、上記積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、多数の排気孔１３が形成されている。これらの排気孔１３は、図２中に点線の矢印で示すように、基板側（図２中下側）から基板と反対側（図２中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。
【００１６】
これらの排気孔１３は、直径が例えば１．２ｍｍ程度とされており、シャワーヘッド１００の周縁部（後述する環状部材２２０を固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１２インチ（３００ｍｍ）径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、２０００〜２５００個程度である。排気孔１３の形状は、円形に限らず例えば楕円形状等としてもよく、これらの排気孔１３は、反応生成物を排出する役目も果たす。なお、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。
【００１７】
図１に示されるプラズマエッチング装置２００の処理チャンバー（処理容器）２０１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円筒形状に形成されており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、図示しない高周波電源等の高周波電力印加装置が接続されている。
【００１８】
載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路（図示せず。）が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、図３に示すように、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２１５が形成されている。
【００１９】
載置台２０２の上方に、載置台２０２と間隔を隔てて対向するように、図２に示したシャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。シャワーヘッド１００のガス流路１２内には、図示しないガス供給源から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。
【００２０】
また、シャワーヘッド１００の上部には、処理チャンバー２０１の上部開口を気密に閉塞し、処理チャンバー２０１の天井部を構成する蓋体２０５が設けられており、この蓋体２０５の中央部には、筒状の排気管２１０が配設されている。この排気管２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。
【００２１】
シャワーヘッド１００の下面には、その周縁部に沿って下方に突出するように円環状（円筒状）に形成された環状部材２２０が設けられている。この環状部材２２０は、例えば絶縁性の被膜（陽極酸化被膜等）で覆われたアルミニウム等から構成されており、上部電極としてのシャワーヘッド１００と電気的に導通した状態で固定されている。
【００２２】
環状部材２２０は、昇降機構２２１に接続されており、シャワーヘッド１００と共に上下動可能とされている。この環状部材２２０の内径は、載置台２０２の外径より僅かに大きく設定されており、その下側部分が載置台２０２の周囲を囲む状態となる位置に下降させることができるようになっている。図１は、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００を下降位置とした状態を示している。この下降位置では、載置台２０２の上方には、載置台（下部電極）２０２と、シャワーヘッド（上部電極）１００と、環状部材２２０とによって囲まれた処理空間２２２が形成されるようになっている。このように、上下動可能な環状部材２２０によって処理空間２２２を仕切ることにより、処理空間２２２を載置台２０２の上方のみに形成し、載置台２０２の周縁部から外側に向かって水平方向に拡がった無駄な空間が形成されることを抑制することができる。
【００２３】
一方、図３は、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００を上昇位置とした状態を示している。この上昇位置では、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２１５が開いた状態となっており、この状態で半導体ウエハの処理チャンバー２０１への搬入、搬出が行われるようになっている。この開口２１５は、図１に示すように、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００を下降位置とした際には、環状部材２２０によって覆われ閉塞した状態となっている。
【００２４】
昇降機構２２１の駆動源として、本実施形態では電動シリンダー２６０を用いている。そして、複数の昇降機構２２１を処理チャンバー２０１の周方向に沿って等間隔で設けた多軸駆動方式とされている。このように、電動シリンダー２６０を用いた多軸駆動方式とすることにより、例えば、空気圧駆動の駆動機構とした場合に比べて環状部材２２０及びシャワーヘッド１００の位置を精度よく制御することができる。また、多軸駆動方式としても、その協調制御を電気的に容易に行うことができる。
【００２５】
図１に示すように、電動シリンダー２６０の駆動軸は昇降軸２６１に接続されており、この昇降軸２６１は、処理チャンバー２０１の底部から処理チャンバー２０１内の上部に向けて延在するように立設された円筒状の固定軸２６２内を貫通するように配設されている。そして、気密封止部２６３において、例えば２重のＯリング等によって昇降軸２６１の駆動部分の気密封止がなされている。
【００２６】
本実施形態では、シャワーヘッド１００が、処理チャンバー２０１の上部開口を気密に閉塞する蓋体２０５の内側の減圧雰囲気内に配置されており、シャワーヘッド１００自体に減圧雰囲気と大気雰囲気との間の圧力差が加わることがなく、昇降軸２６１の部分のみに圧力差が加わる。このため、シャワーヘッド１００を少ない駆動力で、容易に上下動させることができ、省エネルギー化を図ることができる。また、駆動機構の機械的強度を軽減することができるので、装置コストの低減を図ることができる。
【００２７】
環状部材２２０には、その内周面に開口する複数の環状部材側排気孔２３０と、複数の環状部材側吐出孔２４０が設けられている。本実施形態では、環状部材側排気孔２３０は、上下方向に沿って直線上に３つずつ設けられ、環状部材２２０の円周方向に沿って所定間隔で均一に形成されている。また、環状部材側吐出孔２４０は上下方向に沿って直線上に４つずつ設けられ、環状部材２２０の円周方向に沿って所定間隔で均一に形成されている。なお、環状部材側排気孔２３０、環状部材側吐出孔２４０の数は、上記の数に限定されるものではない。
【００２８】
環状部材側排気孔２３０は、処理空間２２２内を排気するためのものであり、環状部材２２０の内部に円周方向に沿って設けられた図示しない排気路と連通されている。これらの環状部材側排気孔２３０の形状は、円形に限らず例えば楕円形状等としてもよい。これらの、環状部材側排気孔２３０は、反応生成物を排出する役目も果たす。
【００２９】
また、環状部材側吐出孔２４０は、図示しないガス供給源から処理空間２２２内に処理ガスを供給するためのものであり、環状部材２２０の内部に円周方向に沿って設けられた図示しない処理ガス流路と連通されている。なお、環状部材側吐出孔２４０は、略水平に形成して水平に処理ガスを吐出する構成としてもよく、水平方向から所定角度を持つように形成して、例えば、上方から下方に向けて、つまり基板の表面に向けて処理ガスを供給する構成としてもよい。
【００３０】
環状部材２２０と、載置台２０２下部の高周波側ラインの接地側には、これらの間を電気的に接続するためのシートケーブル２５０が設けられている。このシートケーブル２５０は、環状部材２２０の周方向に沿って、等間隔で複数設けられている。図４に示すように、シートケーブル２５０は、銅等からなるシート状の導体２５１の表面を絶縁層２５２で被覆して構成され、その両側端部近傍には、導体が露出しねじ止め用の貫通孔が形成された接続部２５３が設けられている。このシートケーブル２５０は、厚さが例えば数百ミクロン程度とされており、可撓性を有し、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００の上下動に応じて自在に変形するよう構成されている。
【００３１】
シートケーブル２５０は、環状部材２２０及び上部電極としてのシャワーヘッド１００の高周波のリターンを目的としたものである。この等価回路を図５に示す。図５に示されるように、上部電極としてのシャワーヘッド１００と環状部材２２０が電気的に接続され、高周波側ラインの接地側に電気的に接続されている。
【００３２】
このように、本実施形態では、処理チャンバー壁等ではなく、シートケーブル２５０によって、短い経路で環状部材２２０及び上部電極としてのシャワーヘッド１００が高周波側ラインの接地側に電気的に接続されている。これによってプラズマによる各部位の電位差を極めて低く抑えることができるようになっている。
【００３３】
また、環状部材２２０及び上部電極としてのシャワーヘッド１００が上下動する構成でありながら、これらがシートケーブル２５０によって常に高周波側ラインの接地側に電気的に接続された構成となっており、電気的にフローティング状態となることがないように構成されている。
【００３４】
上記の通り、プラズマエッチング装置２００では、上下動可能とされた環状部材２２０を具備しているので、処理空間２２２を載置台２０２の上方のみに形成することができ、水平方向外側に拡がった無駄な空間が形成されることを抑制することができる。これによって消費される処理ガスの削減等を図ることができる。また、環状部材２２０から処理ガスの供給及び排気を行うので、処理空間２２２内の処理ガスの状態を、より細かく制御することができ、均一な処理を行うことができる。さらに、上部電極としてのシャワーヘッド１００と載置台２０２との間の距離を、処理の条件等によって変更することができる。
【００３５】
さらに、処理空間２２２の物理的な形状が対称となり、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２１５が存在することによる非対称な形状の影響がプラズマに加わることを抑制することができるので、より均一な処理を行うことができる。
【００３６】
上記構成のプラズマエッチング装置２００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、まず、図３に示すように、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００を上昇させ、開口２１５を開ける。この状態で、半導体ウエハを、開口２１５から処理チャンバー２０１内へと搬入し、半導体ウエハを静電チャック２０３上に載置して、静電チャック２０３上に静電吸着する。
【００３７】
次いで、環状部材２２０及びシャワーヘッド１００を下降させるとともに、開口２１５を閉じ、半導体ウエハの上方に処理空間２２２を形成した状態とする。そして、真空ポンプ等によって、排気孔１３及び環状部材側排気孔２３０を介して処理チャンバー２０１内の処理空間２２２を所定の真空度まで真空引する。
【００３８】
その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）を、図示しないガス供給源から供給する。この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。これとともに、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、環状部材側ガス吐出孔２４０から載置台２０２上の半導体ウエハに向けて供給される。
【００３９】
そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２に所定の周波数，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２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。このプラズマによって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。
【００４０】
上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１及び環状部材２２０の環状部材側ガス吐出孔２４０から供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３及び環状部材２２０に形成された環状部材側排気孔２３０から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。これによって、プラズマの状態を均一化することができ、半導体ウエハ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。
【００４１】
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、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。
【００４２】
上記したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、シャワーヘッド１００及び環状部材２２０から処理ガスの供給及び排気を行う構成となっているので、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。これによって、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。
【００４３】
また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３及び環状部材２２０に設けた環状部材側排気孔２３０から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けることができ、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気することができるので、効率良く排気することができる。さらに、２つの排気系を設けているので、１つの真空ポンプの容量を少なくすることができ、さらに小型化を図ることができる。
【００４４】
また、シャワーヘッド（上部電極）１００と載置台（下部電極）２０２との間隔を処理に応じて変更することができ、かつ、シャワーヘッド１００を少ない駆動力で容易に上下動させることができるので、省エネルギー化や装置コストの低減を図ることができる。
【００４５】
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、上記実施形態では、載置台（下部電極）に１つの周波数の高周波電力を供給する場合について説明したが、下部電極に周波数の異なった複数の高周波電力を印加するタイプの装置等に対しても同様にして適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１００……シャワーヘッド（上部電極）、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台（下部電極）、２０５……蓋体、２２０……環状部材、２２１……昇降機構、２２２……処理空間、２３０……環状部材側排気孔、２４０……環状部材側供給孔。
【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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