(57)【要約】  【課題】プラズマ処理室へシャワー状にガスを供給するシャワープレートのガス供給孔内での放電を防止し、装置の安定稼動を実現する。  【解決手段】プラズマ処理室内に導入される電磁界のシャワープレート面内における電磁界分布に従い、所定の電界強度以下となる電界の弱い領域にシャワープレートのガス供給孔を配置する。【選択図】  図１
2006080550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記基板電極に対向して設けられ前記処理室内に処理ガスを供給するための複数のガス供給孔を備えたシャワープレートとを有するプラズマ処理装置において、
前記シャワープレートは、中央部に、前記ガス供給孔が未形成な領域を備え、
該未形成領域は、当該シャワープレートの直径に対し、３０％の径で形成され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において、
前記未形成領域は、前記シャワープレート中心から半径９０ｍｍ以下の領域に形成されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極を有するプラズマ処理装置で用いられる前記基板電極に対向して設けられ前記空処理室内に処理ガスを供給するための複数のガス供給孔を備えたシャワープレートにおいて、
当該記シャワープレートは、中央部に、前記ガス供給孔が未形成な領域を備え、
該未形成領域は、当該シャワープレートの直径に対し、３０％の径で形成されることを特徴とするシャワープレート。
【請求項４】
請求項３において、
前記未形成領域は、前記シャワープレート中心から半径９０ｍｍ以下の領域に形成されることを特徴とするシャワープレート。
【請求項５】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極を有するプラズマ処理装置で用いられる前記基板電極に対向して設けられ前記空処理室内に処理ガスを供給するための複数のガス供給孔を備えた誘電体からなるシャワープレートにおいて、
前記シャワープレート内の電界分布を求める第１のステップと、
前記ガス供給孔内で放電を起こさない電界強度を求める第２のステップと、
前記第１のステップで得られたデータから電界強度の等高線を求める第３のステップと、
前記第２のステップで求めた電界強度以上の電界となる領域を前記ガス供給孔の未形成領域とする第４のステップを備えた製造工程によって形成されたことを特徴とするシャワープレート。
【請求項６】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極を有するプラズマ処理装置で用いられる前記基板電極に対向して設けられ前記空処理室内に処理ガスを供給するための複数のガス供給孔を備えた導電性材料からなるシャワープレートにおいて、
前記シャワープレートとプラズマ界面とのシース領域内の電界分布を求める第１のステップと、
前記ガス供給孔内で放電を起こさない電界強度を求める第２のステップと、
前記第１のステップで得られたデータから電界強度の等高線を求める第３のステップと、
前記第２のステップで求めた電界強度以上の電界となる領域を前記ガス供給孔の未形成領域とする第４のステップを備えた製造工程によって形成されたことを特徴とするシャワープレート。
【請求項７】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記基板電極に対向して設けたアンテナの前記基板電極側に取り付けられ前記処理室内に生成されるプラズマに接する面内に複数のガス供給孔を有し前記真空処理室内にガス流れを形成するシャワープレートとを有し、前記アンテナを介して前記真空処理室内にＵＨＦ帯の電磁波を導入してプラズマを生成し、前記プラズマを用いて前記被処理基板を処理するプラズマ処理装置において用いられるシャワープレートであって、
前記シャワープレートは、
該シャワープレートの直径の３０％を超えた外側の領域に前記ガス供給孔が配置され、該シャワープレートの直径の３０％の内側領域は前記ガス供給孔の未形成領域としたことを特徴とするシャワープレート。
【請求項８】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記真空処理室内で前記基板電極に対向して設けられ前記真空処理室内に生成されるプラズマに接する面内に複数のガス供給孔を有し前記真空処理室内にガス流れを形成するシャワープレートと、前記シャワープレートの反基板電極側に対向して配置される電磁波放射手段とを有し、前記電磁波放射手段により前記真空処理室内にＵＨＦ帯の電磁波を導入してプラズマを生成し、前記プラズマを用いて前記被処理基板を処理するプラズマ処理装置において用いられるシャワープレートであって、
前記シャワープレートは、
該シャワープレートの直径の３０％を超えた外側の領域に前記ガス供給孔が配置され、該シャワープレートの直径の３０％の内側領域は前記ガス供給孔の未形成領域としたことを特徴とするシャワープレート。
【請求項９】
内部が減圧排気される真空処理室と、該真空処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記真空処理室内に設けられ前記基板電極に対向して設けられた平板状アンテナと、前記平板状アンテナの前記基板電極側面に取り付けられ前記真空処理室内に生成されるプラズマに接する面内に複数のガス供給孔を有する導電性のシャワープレートとを有し、前記平板状アンテナにより前記真空処理室内にＵＨＦ帯の電磁波を導入してプラズマを生成し、前記プラズマを用いて前記被処理基板を処理するプラズマ処理装置において用いられるシャワープレートであって、
前記シャワープレートは、
該シャワープレートの直径の３０％を超えた外側の領域に前記ガス供給孔が配置され、該シャワープレートの直径の３０％の内側領域は前記ガス供給孔の未形成領域としたことを特徴とするシャワープレート。
【請求項１０】
真空処理室と、該真空処理室内に設けられウェハが載置される基板電極と、該基板電極に対向して配置され前記真空処理室内にガスを供給するためのガス供給孔を備えたシャワープレートと、前記真空処理室内に設けられ前記基板電極に対向して設けられた平板状アンテナと、該平板状アンテナと前記シャワープレートの反基板電極側の間に処理ガスを導入するガス供給装置と、前記アンテナに接続されたプラズマ生成用の電磁波を供給する高周波電源と、前記真空処理室内にプラズマ生成用の磁場を形成する磁場形成手段とを備えたプラズマエッチング装置に対して用いられるシャワープレートであって、
前記シャワープレートは、
該シャワープレートの直径の３０％を超えた外側の領域に前記ガス供給孔が配置され、該シャワープレートの直径の３０％の内側領域は前記ガス供給孔の未形成領域としたことを特徴とするシャワープレート。
【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係り、特に直径３００mm以上の被処理基板を処理するのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のプラズマ処理装置としては、例えば、特許文献１に記載のようにマイクロ波，ＵＨＦあるいはＶＨＦの電磁波を同軸線路を利用して処理室に伝送しプラズマを生成するプラズマ処理装置において、処理室の上部を石英窓で仕切り、石英窓の反処理室側に同軸線路の内部導体の端につながる円板状アンテナを設け、円板状アンテナの外径を処理室内径よりも小さくし、円板状アンテナの外周部より石英窓を介して電磁波を処理室内に導入可能とし、さらに円板状アンテナにスロットアンテナを設け、円板状アンテナ内部からも処理室内に電磁波を導入して、プラズマ分布を制御し均一なプラズマ処理を行うようにしたプラズマ処理装置が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６０５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術は、処理ガスの導入位置について配慮されておらず、処理室を形成する石英窓部にガス供給板であるシャワープレートを設け処理室内にシャワー状にガスを供給するようにした場合、長期間のプラズマ処理の繰り返しによりシャワープレートが劣化し、シャワープレートに設けたガス供給孔内で放電が発生する恐れがある。シャワープレートのガス供給孔内で放電が生じると、プラズマの特性が変化しプラズマ処理特性が劣化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、ガス供給板のガス供給孔内での放電を防止し、安定なプラズマ処理が行えるプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内で基板電極に対向して設けられ面内に複数のガス供給孔を有するガス供給板とを有し、処理室内に電磁波を導入してプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内に導入される電磁波のガス供給板面内の電界強度分布に従い、電界強度が所定の電界強度以上である領域のガス供給板面内にガス供給孔の未形成領域を設けることにより、達成される。
【０００７】
また、上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内で基板電極に対向して設けられ面内に複数のガス供給孔を有するガス供給板と、ガス供給板に対向して配置される電磁波放射手段とを有し、電磁波放射手段により処理室内に電磁波を導入してプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内に導入される電磁波のガス供給板面内の電界強度分布に従い、電界強度が所定の電界強度以下となる領域にガス供給板のガス供給孔を配置することにより、達成される。
【０００８】
さらに、所定の電界強度が最大値の１／２である。  
また、所定の電界強度が５０ｋＶ／ｍである。
【０００９】
また、上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内で基板電極に対向して設けられ面内に複数のガス供給孔を有するガス供給板と、ガス供給板に対向して配置される電磁波放射手段とを有し、電磁波放射手段により処理室内に電磁波を導入してプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内に導入される電磁波の前記ガス供給板面内の電界強度分布が複数の極大値を有し、第１の極大値よりも電界絶対値が小さい第２の極大値の値以下の領域にガス供給板のガス供給孔を配置することにより、達成される。
【００１０】
また、上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内で基板電極に対向して設けられ面内に複数のガス供給孔を有するガス供給板と、ガス供給板に対向して配置される電磁波放射手段とを有し、電磁波放射手段により処理室内に電磁波を導入するとともに処理室内に磁場を形成し相互の作用によるプラズマを生成して、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内径の３０％以下のガス供給板中央部の領域にガス供給孔の未形成領域を設けることにより、達成される。
【００１１】
また、上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内で基板電極に対向して設けられ面内に複数のガス供給孔を有する誘電体のガス供給板と、ガス供給板に対向し処理室を形成する誘電体窓を介して配置される平板状アンテナとを有し、平板状アンテナにより処理室内に電磁波を導入してプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内に導入される電磁波のガス供給板内の電界強度分布に従い、電界強度が所定の電界強度以下となる領域にガス供給板のガス供給孔を配置することにより、達成される。
【００１２】
また、上記目的は、内部が減圧排気される処理室と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、処理室内に設けられ基板電極に対向して設けられた平板状アンテナと、平板状アンテナの基板電極側面に取り付けられ面内に複数のガス供給孔を有する導電性のガス供給板とを有し、平板状アンテナにより処理室内に電磁波を導入してプラズマを生成し、該プラズマを用いて被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、処理室内に導入される電磁波のガス供給板面内の電界強度分布に従い、電界強度が所定の電界強度以下となる領域にガス供給板のガス供給孔を配置することにより、達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、処理室内にシャワー状のガスを供給するためのガス供給板を有するプラズマ処理装置において、ガス供給板に設ける複数のガス供給孔内での放電の発生を防ぐことができ、安定したプラズマ処理を実施することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
処理室内で試料台である基板電極に対向して設けられ電磁波放射手段である電磁波供給用のアンテナの下方に位置するガス供給板であるシャワープレートが誘電体製の場合、シャワープレート内部においてプラズマ発生用として処理室内に供給する電磁波が周囲の境界条件，投入電磁波の電力等によって定まるあるパターンに分布する。また、電磁波供給用のアンテナの下方に位置するガス供給板であるシャワープレートが導電性材料で形成されアンテナ下面に取り付けられている場合は、シャワープレートと処理室内に発生させるプラズマの界面に形成されるシース領域に投入電磁波の電磁界が分布する。
【００１５】
一方、処理室の圧力やガス種，シャワープレートのガス供給孔形状等によってガス供給孔内に生じる放電の電界強度の閾値が決まると考えられている。その閾値を超えた電界強度となる領域がシャワープレート内またはシャワープレートに接したシース領域に存在し、その領域にガス供給孔があると、そのガス供給孔内で放電が起きることになる。そこでシャワープレート内の電界分布に応じて、電界の強い領域を避けてガス供給孔を配置することで、シャワープレートのガス供給孔での放電を防止することができる。
【００１６】
以下、本発明のプラズマ処理装置の一実施例を図１から図５を用いて説明する。図１は本発明のプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置を示す。処理室７の上部には誘電体窓５が気密に取り付けられ、真空排気装置（図示省略）によって内部を減圧可能になっている。誘電体窓５の上面には電磁波放射手段である円板状の平板状アンテナ１が設けてあり、同軸線路２および整合器３を介して、この場合、周波数４５０ＭＨｚの高周波電源４に接続されている。誘電体窓５の下面、言い換えると、誘電体窓５と処理室７の間にガス供給板であるシャワープレート６が設けられ、ガス供給装置８によって処理ガスが供給され、処理室内へ導入可能になっている。シャワープレート６は誘電体でできており、図２に示すように中央部を除き面内にガス供給孔９を有する。ガス供給孔９は直径0.5mmの穴を複数個設けたものである。処理室７の下部には誘電体窓５に対向して被処理基板１０を載置可能な基板電極１１が取り付けられ、基板電極１１には整合器１２を介してバイアス電源１３が接続されている。処理室７の周囲には電磁石１４が設けられ、処理室７内部に静磁界を形成可能になっている。
【００１７】
なお、この場合、被処理基板として１２インチウエハに対応可能なように、処理室７は内径約５００mmの円柱状となっている。誘電体窓５およびシャワープレート６の材質として石英を用いているが、プラズマ処理に悪影響を与えず、電磁波に対する損失が大きくなければ他の材質、例えば、アルミナセラミックなどを用いても良い。また、シャワープレート６と誘電体窓５は必ずしも同じ材質とする必要もない。例えば、一方を石英、他方をアルミナセラミックとしても良い。ガス供給孔９の直径は０.５mm としたが、ガス供給孔内の放電を防止する立場からはより小さいほうが望ましい。
【００１８】
上述のように構成した装置において、ガス供給装置８によって処理ガスがシャワープレート６と誘電体窓５の間に設けたガス流路からガス供給孔９にもたらされ、処理室７に供給される。一方、平板状アンテナ１直下に設けた誘電体窓５を介して高周波電源４からの電磁波を処理室７に放射するとともに、電磁石１４によって磁場を形成し、電界と磁界との作用を利用して処理室７内にプラズマを発生させる。また、静磁界によりプラズマの拡散を制御し、プラズマ分布の調整が可能となる。さらにプラズマ中の電子のサイクロトロン運動の周波数と、投入する電磁波の周波数（４５０ＭＨｚ）を一致させる静磁界(０.０１６テスラ）を発生させることで、電磁波のエネルギーが効率よく電子に供給されるＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance電子サイクロトロン共鳴）現象を起こすこともできる。これによりプラズマの発生を安定に行うことができ、プラズマ密度の向上も可能となる。バイアス電源１３からは整合器１２を介してバイアス電力を被処理基板１０に供給できる。バイアス電力の印加により被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込みエッチング処理の効率化，エッチング形状の制御等を行うことができる。
【００１９】
本発明者等はシャワープレートの中心部にガス供給孔が無い領域の半径を変えて、ガス供給孔での放電が起きるかどうかについてシミュレーションを行った。以下に説明する。
【００２０】
図３にシャワープレート６内のプラズマ発生用に供給した４５０ＭＨｚの電磁波の電界強度分布を示す。なお、このときの条件は、電力：１２００Ｗ，プラズマ密度：９×１０16／ｍ3 とし、シャワープレート６の半径を処理室内径と同じ約５００mmとし、誘電体窓５およびシャワープレート６の材質をそれぞれ石英とした場合について、処理室内に均一なプラズマが存在する場合のシミュレーション結果である。シミュレーションはマックスウェルの方程式を有限要素法により解くことで行ったものである。
【００２１】
本実施例では、同軸線路によって中心から電磁波を供給しており、電磁界分布は軸対称で方位角方向に均一であって、中心からの距離により電界強度分布が決まる。中心で最大値となり、中心から遠ざかるに従い電界強度は波打ちながら全体として低下する傾向にある。石英を誘電体窓とすると中心に第１の極大値である第１のピーク、半径約１６０mmの位置に第２の極大値である第２のピーク（以下第２ピークと呼ぶ。）が存在する。シャワープレート６および誘電体窓５として比誘電率の高い材質を使用すると材質内の波長が短くなるため、シャワープレート６内のピークの数が増加する。例えば、誘電体窓５としてアルミナセラミック（比誘電率９.８）を用いると、シャワープレート６が石英（比誘電率３.８）またはアルミナセラミックいずれの場合でもシャワープレート６内の電界ピークは３つに増加する。
【００２２】
電界強度の高い場所にガス供給孔９を配置すると、ガス供給孔９内で放電する可能性が高くなる。図４にガス供給孔９が存在しない領域をシャワープレート６の中央付近に円形に設け、その外側に均一にガス供給孔９の存在する領域を設けた場合であって、ガス供給孔９のない領域の半径とガス供給孔９の存在する領域での最大電界の関係を示す。これによると、ガス供給孔９の無い領域を中心部から円周方向に拡大していくと、ガス供給孔９の存在する領域での最大値が徐々に下がっていく。しかしながら、半径約９０mm程度までガス供給孔９の無い領域を拡大するとそれ以降は、半径１６０mm付近の第２ピークが電界の最大値となるため、ガス供給孔９の存在しない領域を拡大しても電界の最大値は下がらない。さらに、ガス供給孔９の無い領域を拡大し半径が約１６０mmを超えるようになると第２ピークの極大値を含まなくなるため、再び電界強度が下がり始める。一方、処理室内のガス流れを制御する立場からは、ガス供給孔９をシャワープレート６内に自由に配置できることが望ましい。従って、ガス供給孔９の存在する領域の電界強度を下げたい場合、中心から半径約９０mm以下の領域にガス供給孔の無い領域を設定することが望ましい。
【００２３】
以上の結果より、本実施例の場合、半径約７５mmの領域にガス供給孔の無い領域を設定することで、ＵＨＦ電力が１２００Ｗまでのプロセス条件でガス供給孔９内の放電を防止することができる。図５に種々のプラズマ密度における、シャワープレート６の中心から半径７５mm位置での電界強度のＵＨＦ投入電力依存性をシミュレーションした結果を示す。なお、本装置におけるシャワープレート６直下のプラズマ密度は９×１０16／ｍ3 程度であることが測定されている。したがって、図５から本発明者等はガス供給孔９で放電を起こす電界強度の閾値は５０ｋＶ／ｍ程度と推測する。ここで、ガス供給孔の無い領域の大きさはシャワープレート内電界分布に大きく依存し、処理室７またはシャワープレート６の直径によっても規定される。処理室７またはシャワープレート６の径が縮小または拡大した場合、ガス供給孔の無い領域の直径は処理室７またはシャワープレート６の直径との比率で決めれば良い。本実施例の場合、処理室７またはシャワープレート６の直径５００mmに対し、ガス供給孔の無い領域は直径１５０mm（半径７５mm）となり、比率は３０％となる。また、ガス供給孔の無い領域の直径150mm位置でのＵＨＦ電界は図３より最大値をとる中心位置のおよそ半分の電界強度となっている。
【００２４】
以上、本実施例によれば、シャワープレートのガス供給孔内での放電を防止でき、安定なプラズマ処理が行えるという効果がある。
【００２５】
なお、本実施例によれば、シャワープレート６内の電界分布が軸対称な場合を例に説明したが、他の分布に関しても同様に以下のように考えてガス供給孔を設けない領域を求めることができる。
（１）誘電体製シャワープレートの場合、シャワープレート内の電界分布を求める。これは、電界測定部分に感熱紙を設ける方法や、処理室内にプローブを設けた測定用の装置を用いることにより実施できる。  
（２）ガス供給孔内で放電を起こさない電界強度を定める。  
（３）上記（１）のデータから電界強度の等高線図を求め、上記（２）で定めた電界強度以上の電界となる領域にガス供給孔を設けない。
【００２６】
また、シャワープレートが導電性材料でなり、図６に示すように平板状アンテナに直接取り付けられているような装置の場合には、上記（１）のステップとしてシャワープレートとプラズマ界面とのシース領域内の電界分布を求める。なお、図６に示す装置において、図１に示す装置と同符号は同一部材を示し説明を省略し、異なる点を述べる。平板状アンテナ１ａ内には処理ガスの供給路が形成され、平板状アンテナ１ａの下部にシャワープレート６ａが取り付けられ、シャワープレート６ａもアンテナとして作用する。
【００２７】
また、本実施例では、周波数４５０ＭＨｚのＵＨＦ帯の電磁波によりプラズマを発生させるエッチング装置を例に説明したが、シャワープレート部の電界強度分布において局部的に強い電界強度が発生する構造のものでは、本実施例に限らず周波数の異なるものやプラズマＣＶＤ装置，スパッタ装置等の他のプラズマ処理装置にも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の装置のシャワープレート詳細を示す平面図である。
【図３】シャワープレート内の電界強度分布を示す図である。
【図４】シャワープレートのガス供給孔の存在しない領域の半径とガス供給孔領域の最大電界強度との関係を示す図である。
【図５】ＵＨＦ投入電力と電界強度との関係を示す図である。
【図６】本発明のプラズマ処理装置の他の実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１，１ａ…平板状アンテナ、２…同軸線路、３…整合器、４…高周波電源、５，５ａ…誘電体窓、６，６ａ…シャワープレート、７…処理室、８…処理ガス供給装置、９…ガス供給孔、１０…被処理基板、１１…基板電極、１２…整合器、１３…バイアス電源。
【図１】
2006080550.tif 000003
【図２】
2006080550.tif 000004
【図３】
2006080550.tif 000005
【図４】
2006080550.tif 000006
【図５】
2006080550.tif 000007
【図６】
2006080550.tif 000008