(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台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を備えたプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、
前記シャワーヘッドの前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能な複数のトリガー孔と、
前記シャワーヘッドの前記反対側の面側の排気空間内に設けられ、当該排気空間を、少なくとも１つの前記トリガー孔が連通する複数の領域に仕切る仕切り壁と、
を具備した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、
前記トリガー孔が、夫々独立に開閉可能とされている
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、
前記トリガー孔が、１秒以下の時間で開閉動作可能な開閉機構を具備する
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、
前記仕切り壁は、前記排気空間を３〜６の領域に仕切るよう配設されている
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、
前記仕切り壁は、絶縁体、半導体、導体のいずれかから構成され、同心円状の領域を形成するように設けられている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
前記排気空間内に、開口部を有する部材から構成され、前記領域の上部を覆うプラズマ閉じ込め用電極が設けられている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理装置であって、
前記プラズマ閉じ込め用電極は、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８】
内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台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であって、
前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、
前記シャワーヘッドの前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能な複数のトリガー孔と、
前記シャワーヘッドの前記反対側の面側の排気空間内に設けられ、当該排気空間を、少なくとも１つの前記トリガー孔が連通する複数の領域に仕切る仕切り壁と、
を具備したことを特徴とするシャワーヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置及びシャワーヘッドに関する。
【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等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】
このようなプラズマ処理装置では、半導体ウエハの大径化に伴い、プラズマを均一化して大径の半導体ウエハ全面に均一に処理を施すことが困難になりつつある。このため、処理チャンバー内の半導体基板が搭載されたカソード電極を、メッシュ状のアノード電極で覆うことによって、プラズマを電極間に閉じ込めるようにすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１７３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したとおり、プラズマ処理装置では、半導体ウエハの大径化に伴い大径の半導体ウエハ全面に均一に処理を施すことが困難になりつつあり、処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置の開発が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、処理空間内のプラズマ密度分布を制御することができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置及びシャワーヘッド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】
【０００７】
本発明に係るプラズマ処理装置の一態様は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台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を備えたプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドの前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、前記シャワーヘッドの前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能な複数のトリガー孔と、前記シャワーヘッドの前記反対側の面側の排気空間内に設けられ、当該排気空間を、少なくとも１つの前記トリガー孔が連通する複数の領域に仕切る仕切り壁と、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るシャワーヘッドの一態様は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台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であって、前記対向面と反対側の面とを貫通する複数の排気孔と、前記シャワーヘッドの前記対向面と前記反対側の面とを貫通し、前記対向面側から前記反対側の面側にプラズマの漏洩を許容する開閉可能な複数のトリガー孔と、前記シャワーヘッドの前記反対側の面側の排気空間内に設けられ、当該排気空間を、少なくとも１つの前記トリガー孔が連通する複数の領域に仕切る仕切り壁と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、処理空間内のプラズマ密度分布を制御することができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることのできるプラズマ処理装置及びシャワーヘッド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】本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの要部構成を示す縦断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係るシャワーヘッドの上面図。
【図４】本発明の他の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。
【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の要部断面構成を示すものであり、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の要部構成を示す断面図、図３はシャワーヘッド１００の上面図である。
【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】
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（図２には１つのみ示す。）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１中に矢印で示すように、基板（図１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１２ａが設けられている。
【００１５】
また、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、排気孔１３が多数（図２には１つのみ示す。）形成されている。これらの排気孔１３は、図１，２中に点線の矢印で示すように、基板側（図中下側）から基板と反対側（図中上側）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。排気孔１３は、図２に示す下側部材１部分に形成された細径部分１３ａの直径が例えば０．５〜１．５ｍｍ程度とされており、上側部材２部分に形成された大径部分１３ｂの直径が例えば２．０〜５．０ｍｍ程度とされている。
【００１６】
排気孔１３は、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に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。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】
さらに、図１及び図３に示すように、積層体１０の上側部材２側、すなわち、載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面（裏面）１５側には、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設けられている。これらの仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、石英から構成されており、同心円状の領域を仕切るように、夫々が円筒状に形成されている。そして、これらの仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって仕切られた夫々の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄには、夫々少なくとも１つのトリガー孔１８が設けられている。なお、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、石英以外の絶縁体から構成してもよく、半導体、導体等から構成してもよい。
【００１８】
図２に示すように、トリガー孔１８は、シャワーヘッド１００の載置台２０２との対向面１４と、裏面１５とを貫通し、対向面１４側から裏面１５側にプラズマのリークを許容するものである。そして、夫々のトリガー孔１８には、このトリガー孔１８を開閉自在とするための開閉機構が設けられている。
【００１９】
このトリガー孔１８は、排気孔１３の細径部分１３ａより大径（例えば直径２ｍｍ程度）とされており、回転弁１９等の開閉機構によって夫々独立に開閉自在とされている。なお、回転弁１９は、トリガー孔１８より大径の回転軸１９ａを、側部からトリガー孔１８を貫通するように挿入して構成されており、回転軸１９ａを回転させて、回転軸１９ａに形成された貫通孔１９ｂの位置を、トリガー孔１８に合わせることによって開状態とし、貫通孔１９ｂの位置をずらすことによって閉状態とすることができるようになっている。
【００２０】
上記のように、トリガー孔１８は排気孔１３の細径部分１３ａより大径とされており、排気孔１３よりプラズマを処理空間側から排気空間側にリークさせ易い性質を有している。従って、排気孔１３からプラズマが処理空間側から排気空間側にリークしていない状態において、このトリガー孔１８を開くことによって、積極的にプラズマのリークを生じさせることができる。
【００２１】
ここで、トリガー孔１８を開閉させるための上記開閉機構として、開閉動作に要する時間の短い、例えば１秒以下、数十ミリ秒程度のものを使用すれば、このような短時間のサイクルで、プラズマのリーク状態を制御することができる。この場合、短時間で開閉を繰り返して行い、パルス状に制御を行うことができる。なお、このような開閉動作を行うための開閉機構としては、上記した弁の回転運動によるものの他、往復運動や隔膜の歪み運動によるものを使用してもよい。
【００２２】
図３に示すように、トリガー孔１８は、複数設けられており、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって仕切られた夫々の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに、夫々少なくとも１つのトリガー孔１８が位置するように配設されている。図３に示す例では、最内周の領域１７ａに１つ、それ以外の領域１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに夫々４つずつ円周上に等間隔（９０°間隔）でトリガー孔１８が配設されており、領域１７ｃに配設されたトリガー孔１８は、領域１７ｂ，１７ｄに配設されたトリガー孔１８と円周方向に４５°ずれた位置に設けられている。なお、トリガー孔１８の数及び位置は、図３に示されるものに限定されるものではなく、どのようにしてもよい。
【００２３】
これらのトリガー孔１８は、例えば、処理空間における周縁部のプラズマ密度が、中央部に比べて低下する傾向になる場合、例えば、周縁部におけるプラズマのリークを生じさせ、中央部におけるプラズマのリークを生じさせないようにして、処理空間内の中央部の電子やイオンを周縁部方向に移動させ、処理空間内におけるプラズマ密度等の均一化を図るものである。また、プラズマ密度に、積極的に勾配を持たせるように制御することもできる。さらに、例えばトリガー孔１８を全部閉じた場合に、プラズマがシャワーヘッド１００（処理チャンバー２０１）の中央ではなく、いずれかの方向に偏芯して形成されてしまうような場合に、トリガー孔１８を開くことによって、プラズマが中央部に形成されるように位置調整することもできる。
【００２４】
このようにトリガー孔１８を開いてプラズマをシャワーヘッド１００の裏面１５側にリークさせた場合、例えば、中央部のトリガー孔１８からリークしたプラズマと、周辺部のトリガー孔１８からリークしたプラズマとが、シャワーヘッド１００の裏面１５側で繋がってしまう可能性がある。仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、このようにシャワーヘッド１００の裏面１５側にリークさせたプラズマが不所望に繋がることを防止するためのものである。なお、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって仕切られた各領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ内においては、異なるトリガー孔１８からリークしたプラズマ同士が繋がる可能性はある。
【００２５】
このため、図１に示す例では、同心円状の４つの領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄに仕切るように３つの仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設けられており、これらの対称的な領域毎にプラズマの密度を制御できるようになっている。なお、これらの領域の仕切り方は、同心円状に限られるものではなく、例えば、中心の回りの扇形の対称的な領域に仕切ったり、非対称な領域に仕切ってもよい。また、仕切り壁によって仕切られる領域の数は、２つ以上であれば幾つでもよいが、プラズマを部分的に制御して半導体ウエハの全面に均一な処理を施すためには、３つ以上とすることが好ましい。一方、必要以上に数を増やすと、装置構成が複雑になり、排気のコンダクタンスの低下を招くことにもなるため６つ以下程度とすることが好ましい。すなわち、仕切り壁によって仕切られる領域の数は、３〜６程度とすることが好ましい。
【００２６】
また、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃの高さは、夫々の仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃの間にリークしたプラズマが、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃを超えて隣接する領域内に侵入し、繋がることのない高さであればよい。図１に示す例では、内周部の仕切り壁１６ａの高さが高く、中間部の仕切り壁１６ｂ，外周部の仕切り壁１６ｃと次第に高さが低くなるように構成されている。
【００２７】
この場合、図４に示すプラズマエッチング装置２００ａのように、夫々の仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃの高さに合わせて、その頂部に各領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃの上部を覆うようにプラズマ閉じ込め用電極２０を設けてもよい。図４に示すプラズマエッチング装置２００ａでは、このプラズマ閉じ込め用電極２０は、接地電位に接続されているが、プラズマ閉じ込め用電極２０に所望の電圧を印加するようにしてもよい。
【００２８】
このように、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃの頂部にプラズマ閉じ込め用電極２０を設けることにより、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃを超えて、他の領域１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄのプラズマ同士が繋がることを確実に防止することができる。なお、プラズマ閉じ込め用電極２０は、排気のコンダクタンスを確保するため、メッシュ状部材、パンチングメタル、エキスパンドメタル等の開口を有する形状の部材から構成することが好ましい。
【００２９】
図１に示すように、上記構成のシャワーヘッド１００を具備した基板処理装置として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。
【００３０】
プラズマエッチング装置２００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形成された処理チャンバー（処理容器）２０１を有しており、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、図示しないプラズマ形成用電源が接続されている。
【００３１】
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２０４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、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２０５が形成されており、ここには、開口２０５を気密に閉塞するための開閉機構２０６が設けられている。
【００３２】
載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、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。
【００３３】
シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給機構から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。
【００３４】
また、シャワーヘッド１００の上部には、筒状体２１０が設けられており、この筒状体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。このように、筒状体２１０の内側が排気路となっており、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、筒状体２１０の内側の排気路内に配設されている。
【００３５】
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、半導体ウエハは、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入され、静電チャック２０３上に載置される。そして、半導体ウエハが静電チャック２０３上に静電吸着される。次いで、開口２０５が閉じられ、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００３６】
その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給され、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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からシャワー状に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。
【００３９】
また、前述したとおり、トリガー孔１８の開閉によって、処理チャンバー２０１の処理空間内のプラズマを、筒状体２１０の内側の排気空間内にリークさせ、処理空間内のプラズマの状態を制御することができる。ここで、トリガー孔１８から排気空間内にリークしたプラズマが不所望に繋がると、この影響が処理空間内のプラズマに及びトリガー孔１８の開閉による処理空間内のプラズマの制御が困難になってしまう。これに対して本実施形態では、前述したとおり、仕切り壁１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって、トリガー孔１８から排気空間内にリークしたプラズマが不所望に繋がることを防止することができる。これによって、処理空間内のプラズマの制御性が向上し、処理空間内のプラズマ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。
【００４０】
このようなプラズマの制御は、処理チャンバー２０１内のプラズマの状態を計測する計測手段、例えば、プラズマの発光状態からプラズマの状態を検知するプラズマモニターによる計測結果に基づいて、回転弁１９等によるトリガー孔１８の開閉を制御する制御機構を設けることによって、自動的に行うこともできる。
【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】
以上説明したとおり、実施形態のプラズマエッチング装置２００及びプラズマエッチング装置２００ａによれば、処理空間内の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。
【００４３】
また、上記のプラズマエッチング装置２００及びプラズマエッチング装置２００ａでは、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３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の上方に設けており、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ので、効率良く排気することができ、真空ポンプの容量を少なくしてさらに小型化を図ることができる。
【００４４】
以上、本発明を、実施形態について説明したが、本発明はかかる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。
【符号の説明】
【００４５】
１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１６ａ〜１６ｃ……仕切り壁、１７ａ〜１７ｄ……領域、１８……トリガー孔、１００……シャワーヘッド、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台。
【図１】
0005444044.tif 000002
【図２】
0005444044.tif 000003
【図３】
0005444044.tif 000004
【図４】
0005444044.tif 000005