JP3807820B2

JP3807820B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3807820B2
Application number: JP17465597A
Authority: JP
Inventors: 俊一渋木
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: JPH1126187A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用して、半導体素子基板，液晶ディスプレイ用ガラス基板等にエッチング，アッシング又はＣＶＤ等の処理を施す装置及び方法に関し、特にマイクロ波の導入によりプラズマを生ぜしめるプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反応ガスに外部からエネルギーを与えて生じるプラズマは、ＬＳＩ，ＬＣＤ等の製造プロセスにおいて広く用いられている。特に、ドライエッチングプロセスにおいて、プラズマの利用は不可欠の基本技術となっている。一般にプラズマを発生せしめるための励起手段には２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合と、１３．５６ＭＨｚのＲＦ（Radio Frequency ）を用いる場合とがある。前者は後者に比べて高密度のプラズマが得られるとともに、プラズマ発生のために電極を必要とせず、電極からのコンタミネーションを防止できるという利点がある。しかしながら、マイクロ波を用いたプラズマ処理装置にあっては、プラズマ領域面積を広くし、且つ密度が均一になるようにプラズマを発生せしることは困難であり、大口径の半導体基板，ＬＣＤ用ガラス基板等の処理を行なうのには適切ではなかった。
【０００３】
これを解決するために、本願出願人は大面積の領域に均一にマイクロ波プラズマを発生させることが可能なプラズマ処理装置を特開昭62−5600号公報において提案している。これらのプラズマ処理装置は、マイクロ波発振器を接続した導波管から導入されたマイクロ波が誘電体線路を伝搬し、誘電体線路の下側に所定間隔を有して対向配置されたマイクロ波導入窓を介してマイクロ波の表面波が反応室内に導入される構成になっている。マイクロ波導入窓から表面波電界によりマイクロ波が伝搬されることにより、反応室内に均一密度のプラズマを生ぜしめることが可能となる。
【０００４】
図４は、本願出願人により提案されたプラズマ処理装置の構成を示した縦断面図である。図に示すように、プラズマ処理装置は、直方体殻形状を有するアルミニウム製の反応容器１０と、該反応容器１０の上側に連結されたマイクロ波導入容器２３と、該マイクロ波導入容器２３のマイクロ波導入端に連結された導波管２１と、該導波管２１のマイクロ波導入側に接続されたマイクロ波発振器２２と、マイクロ波導入容器２３内に間隙を有して対向配置された誘電体線路２０及びマイクロ波導入板１２と、反応容器１０内に配設されたステージ１３とを備えて構成されている。マイクロ波導入板１２はその下面を、反応容器１０の内側で形成される反応室１１に臨ませて配しており、反応室１１を封止している。
【０００５】
導波管２１は金属製で、その管軸方向を水平に配しており、一端にマイクロ波発振器２２を接続している。導波管２１の他端には、略直方体殻形状を有する金属製のマイクロ波導入容器２３が連結されており、マイクロ波導入容器２３の内側には導入室２４が形成されている。導入室２４内には誘電体線路２０がその上面をマイクロ波導入容器２３の上壁に接触せしめて略水平に配されている。誘電体線路２０は略矩形板状を有し、マイクロ波を均一に拡げて伝搬させるためのテーパ部を導波管２１に接続されている。誘電体線路２０の下側には所定間隔を離隔して略平行にマイクロ波導入板１２が配されており、該マイクロ波導入板１２は反応室１１に臨み、反応容器１０を気密状態に封止している。また、マイクロ波導入板１２は矩形板状を有し、耐熱性及びマイクロ波透過性があり、かつ誘電損失が小さい石英ガラス又はＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）のような誘電体で形成されている。
【０００６】
反応室１１内にはマイクロ波導入板１２の下方にステージ１３が配されており、ステージ１３上に例えば半導体基板のような試料Ｓを載置してプラズマ処理するようになっている。反応容器１０の側壁には反応ガスを導入するための供給口１５が形成されており、底面には反応室１１内を真空排気するための排気口１４が形成されている。排気口１４には図示しない排気装置が接続されている。
【０００７】
このように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｓの表面にエッチング処理を施す場合は、反応室１１内を所望の圧力に調整した後、反応ガスを導入する。次いで、マイクロ波発振器２２からマイクロ波を発振させ、導波管２１を介して誘電体線路２０に導入する。マイクロ波は誘電体線路２０内を伝搬して定在波を形成し、誘電体線路２０の下方に電界を形成する。形成された電界が導入室２４及びマイクロ波導入板１２を透過して反応室１１内に導入される。反応室１１内に導入された電界によりプラズマが生成され、このプラズマにより試料Ｓの表面がエッチングされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の如き構成の従来のプラズマ処理装置にあっては、プラズマ発生による温度上昇のために、マイクロ波導入板１２の反応室１１側の面が加熱される。しかしながら、マイクロ波導入板１２の導入室２４側の面は加熱されないために、マイクロ波導入板１２内で温度差が生じる。そして長時間プラズマ処理を行なった場合には、この温度差はさらに拡大され、熱応力によりマイクロ波導入板１２が破損するという問題があった。また、これを防止する目的で薄いマイクロ波導入板１２を用いた場合は、マイクロ波導入板１２にはこのような温度差は生じ難くなる。しかしながら、マイクロ波導入板１２の反応室１１側は真空であり、導入室２４側は大気圧であるために、この圧力差に起因する応力によってマイクロ波導入板１２が破損するという問題があった。
【０００９】
さらに、大口径の試料Ｓをプラズマ処理する際には、マイクロ波導入板１２の寸法もこれに対応して大きく、圧力差に起因する応力に耐える構造とするためには、マイクロ波導入板１２の厚みを厚くする必要がある。この場合にはマイクロ波導入板１２の両面での温度差が大きくなり、熱応力による破損が起きやすくなるとともに、コストが高くなる。またマイクロ波導入板１２を厚くした場合は、誘電体線路２０が反応室１１から遠くなるために、マイクロ波の利用効率が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ波導入容器内の圧力を調整し、マイクロ波導入板のマイクロ波容器側と反応室側との圧力差を小さくすることにより、薄いマイクロ波導入板を用いても破損しないプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理方法は、導波管に連結されたマイクロ波導入容器とこれに連結された反応容器との間に、マイクロ波の透過可能な第１の封止板を配して反応室を封止し、マイクロ波が前記導波管からマイクロ波導入容器を経て前記反応室内に導入され、プラズマを発生せしめるプラズマ処理装置の、前記マイクロ波導入容器を前記導波管側で封止するための、マイクロ波の透過可能な第２の封止板を備え、前記マイクロ波導入容器は排気口を設けてあり、前記マイクロ波導入容器は、前記マイクロ波導入容器内にガスを供給するための供給口を設けてあるプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理する方法であって、前記マイクロ波導入容器に設けた排気口から排気して容器内を所定圧力に調整する過程と、前記容器内を所定圧力に調整後、前記マイクロ波導入容器に設けた供給口からプラズマ発生防止用のガスを供給する過程と、前記ガスを供給後、前記反応室内を前記容器内圧力と略同圧力に調整する過程と、前記反応室内に反応ガスを供給する過程と、前記導波管にマイクロ波を導入する過程とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、第２のマイクロ波導入板、マイクロ波導入容器に設けた排気口及びこれに接続された排気装置により圧力調整手段が構成されている。排気口からマイクロ波導入容器内を排気することにより、マイクロ波導入容器内に形成される導入室の圧力が調整可能であるので、第１のマイクロ波導入板の導入室側と反応室側との間の圧力差を小さくできる。これにより、導入室及び反応室間の温度差による熱応力を受けないために薄いマイクロ波導入板を用いた場合でも、圧力差に起因する応力が付加されることがなく、マイクロ波導入板の破損を防止できる。
【００１４】
本発明にあっては、マイクロ波導入容器の供給口から容器内にガスを供給でき、マイクロ波導入容器内でのプラズマ発生が防止できる。導入室内、即ち誘電体線路直下を真空に近い圧力にした場合はプラズマの発生が予想される。プラズマの発生により、誘電体線路及びその周囲がプラズマによりダメージを受けたり、反応室内へ導入されるマイクロ波が減少し、処理速度が低下することが考えられる。電気陰性度が酸素よりも小さい原子を含むガスは電子を発生し難く、従って電離が起こり難くプラズマが発生し難いという特徴を有しており、このようなガスを導入室内に供給することによりプラズマの発生を抑制できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面図である。図に示すように、プラズマ処理装置は、直方体殻形状を有するアルミニウム製の反応容器１０と、該反応容器１０の上側に連結されたマイクロ波導入容器３０と、該マイクロ波導入容器３０内に互いに間隙を有して対向配置された誘電体線路２０及び第１のマイクロ波導入板１２と、マイクロ波導入容器３０のマイクロ波導入端に接続された導波管２１と、該導波管２１のマイクロ波導入側に接続されたマイクロ波発振器２２と、反応容器１０内に配設されたステージ１３とを備えて構成されている。第１のマイクロ波導入板１２はその下面を、反応容器１０の内側で形成される反応室１１に臨ませて配しており、反応室１１を封止している。反応容器１０には容器内に反応ガスを供給するための第１の供給口１５が開設されている。
【００１６】
導波管２１は金属製で、管軸方向を水平に配しており、一端にマイクロ波発振器２２を接続している。導波管２１の他端には略直方体殻形状を有する金属製のマイクロ波導入容器３０が連結されている。マイクロ波導入容器３０は、導波管２１との連結部分に第２のマイクロ波導入板３２を配設しており、これによりマイクロ波導入容器３０の内側に形成される導入室２４を封止している。また、マイクロ波導入容器３０の下面には、外部に通じる第２の排気口３１が開設されており、図示しない排気装置が接続されて容器内が排気可能になっている。第２のマイクロ波導入板３２、排気口３１及びこれに接続された排気装置により圧力調整手段を構成しており、導入室２４の圧力調整が可能になっている。
【００１７】
マイクロ波導入容器３０内には、誘電体線路２０がその上面をマイクロ波導入容器２３の上壁に接触せしめて略水平に配されている。誘電体線路２０は略矩形板状で、導波管２１側にテーパ部を設けた形状を有している。テーパ部はマイクロ波を誘電体線路２０内に均一に拡げて伝搬させるために設けられており、導波管２１側が幅狭で導波管２１と同程度の幅寸法を有し、最大の厚み寸法が導波管２１と同程度に形成されている。これにより、導波管２１からマイクロ波導入容器２１内に導入されたマイクロ波は、まず、誘電体線路２０を伝搬するようになっている。
【００１８】
誘電体線路２０の下側には所定間隔を離隔して略平行に第１のマイクロ波導入板１２が配されており、該マイクロ波導入板１２は反応室１１に臨み、反応容器１０を気密状態に封止している。また、第１のマイクロ波導入板１２は矩形板状を有し、耐熱性及びマイクロ波透過性があり、かつ誘電損失が小さい石英ガラス又はＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）のような誘電体で形成されている。
【００１９】
反応室１１には第１のマイクロ波導入板１２の下方にステージ１３が配されており、ステージ１３上に例えば半導体基板のような試料Ｓを載置してプラズマ処理するようになっている。反応容器１０の側壁には、上述した如く、反応ガスを導入するための第１の供給口１５が形成されており、底面には反応室１１内を真空排気するための第１の排気口１４が形成されている。排気口１４には図示しない排気装置が接続されている。
【００２０】
以上の如き構成のマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｓの表面にエッチング処理を施す場合は、まず、第２の排気口３１からマイクロ波導入容器３０内を排気して導入室２４を所定の圧力に調整する。次いで、反応室１１を所望の圧力に調整した後、第１の供給口１５から反応ガスを導入する。このとき、導入室２４及び反応室１１の圧力は、同程度に調整することが好ましい。そして、マイクロ波発振器２２からマイクロ波を発振し、導波管２１を介して誘電体線路２０に導入する。マイクロ波は誘電体線路２０内を伝搬して定在波を形成し、誘電体線路２０の下方に電界を形成する。形成された電界は導入室２４及びマイクロ波導入板１２を透過して反応室１１内に導入される。反応室１１内に導入された電界によりプラズマが生成され、このプラズマにより試料Ｓの表面がエッチングされる。
【００２１】
なお、反応室１１及び導入室２４の圧力は、例えばキャパシタンスマノメータを用いて計測しており、プラズマ処理中の反応室１１の圧力は、反応ガスの流量制御などにより一定化している。
【００２２】
このようなプラズマ処理装置を用いて、第１のマイクロ波導入板１２の耐久性をマイクロ波導入板１２が破損するまでの時間を測定することにより調べた。図２はその結果を示すグラフであり、横軸はマイクロ波導入板１２の厚みｔを示し、縦軸は厚みｔ＝２０ｍｍのマイクロ波導入板の強度を１としたときの相対的な耐久性を示している。マイクロ波導入板１２は平面視で４００ｍｍ角の正方形を有し、厚みｔが２０ｍｍ，１０ｍｍ，５ｍｍ，２ｍｍ及び１ｍｍの５種類のものを用いた。反応容器１０内にはＡｒガスを５０ｓｃｃｍで供給し、圧力は３０ｍＴｏｒｒに調整した。マイクロ波導入容器３０の圧力は１０Ｔｏｒｒに調整した。マイクロ波パワーは１ｋＷとした。
【００２３】
グラフから、マイクロ波導入板１２の厚みｔが薄いほどその耐久性が向上していることが判る。このように、本実施の形態のプラズマ処理装置では、マイクロ波導入容器３０内の圧力を低くすることにより薄いマイクロ波導入板１２を用いることが可能となり、マイクロ波導入板１２が薄いことにより熱応力による破損を防止でき、マイクロ波導入板の寿命を飛躍的に延ばすことができる。
【００２４】
ところで、上述した実施の形態１のプラズマ処理装置を用いて試料Ｓにプラズマ処理を施した際に、例えば導入室２４内の圧力を真空近くに調整した場合は、導入室２４にプラズマが発生する虞がある。表１は、実施の形態１のマイクロ波導入容器内の圧力を異ならせてプラズマ連続処理を行い、プラズマの発生の有無を調べた結果を示している。なお、反応容器１０内にはＡｒガスを５０sccmで供給し、圧力は３０mTorr に調整した。マイクロ波パワーは１ｋＷとした。マイクロ波導入容器３０の圧力は７６０Torr，１００Torr，１０Torr，１Torr，１００mTorr ，１０mTorr ，１mTorr に調整した場合を調べた。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１から、マイクロ波導入容器３０内の圧力が１０Torr以上の場合は、導入室２４にプラズマが発生しないことが判った。導入室２４でのプラズマの発生は、誘電体線路２０及びその周囲が破損したり、処理速度の低下を招く。マイクロ波導入容器３０内の圧力を１０Torrより低くした場合でも、導入室２４のプラズマ発生を防止できるプラズマ処理装置について以下に説明する。
【００２７】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面図である。導波管２１に連結されたマイクロ波導入容器３４の構造が異なる以外は、実施の形態１のプラズマ処理装置と同様であり、同部分に同符号を付してその説明を省略する。本実施の形態のマイクロ波導入容器３４は、導波管２１との連結部分に第２のマイクロ波導入板３２を配設しており、これによりマイクロ波導入容器３４の内側に形成される導入室２４を封止している。また、マイクロ波導入容器３４の下面には外部に通じる第２の排気口３１が開設され、側面には外部に通じる第２の供給口３３が開設されている。排気口３１により導入室２４が排気可能であり、供給口３３により導入室２４にガスの供給が可能になっている。導入室２４に配された誘電体線路２０及び第１のマイクロ波導入板１２の材質，形状及び配設位置等は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００２８】
以上の如き構成のプラズマ処理装置を用いて試料Ｓの表面にエッチング処理を施す場合は、まず、第２の排気口３１からマイクロ波導入容器３４内を排気して導入室２４を所定の圧力に調整し、第２の供給口３３から例えばＳＦ₆ガスを供給する。ＳＦ₆ガスは電気陰性度が酸素よりも小さいガスであり、このようなガスを供給することにより、プラズマ発生を抑制できることが知られている。
【００２９】
次いで、反応室１１を所望の圧力に調整した後、第１の供給口１５から反応ガスを導入する。このとき、導入室２４及び反応室１１の圧力は、同程度に調整することが好ましい。そして、マイクロ波発振器２２からマイクロ波を発振し、導波管２１を介して誘電体線路２０に導入する。マイクロ波は誘電体線路２０内を伝搬して定在波を形成し、誘電体線路２０の下方に電界を形成する。形成された電界は導入室２４及びマイクロ波導入板１２を透過して反応室１１内に導入される。反応室１１内に導入された電界によりプラズマが生成され、このプラズマにより試料Ｓの表面がエッチングされる。
【００３０】
このプラズマ処理装置を用い、マイクロ波導入容器３４内の圧力異ならせてプラズマ連続処理を行い、導入室２４内のプラズマ発生の有無を調べた。表２はその結果を示している。なお、反応容器１０内にはＡｒガスを５０sccmで供給し、圧力は３０mTorr に調整した。マイクロ波パワーは１ｋＷとした。マイクロ波導入容器３４内には電気陰性度が酸素よりも小さいガスであるＳＦ₆が供給され、マイクロ波導入容器３４の圧力は７６０Torr，１００Torr，１０Torr，１Torr，１００mTorr ，１０mTorr ，１mTorr に調整した場合を調べた。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２から、マイクロ波導入容器３４内の圧力が１Torr以上の場合は、導入室２４にプラズマが発生しないことが判った。目的の処理により異なるが、一般に処理中の反応室１１の圧力は数mTorr から数百mTorr であるので、実施の形態２に係る装置を用いた場合には、導入室２４と反応室１１との圧力差をより小さくすることができる。また、マイクロ波のパワーを高くした際には特に有効であることが判った。
【００３３】
このようなプラズマ処理装置では、実施の形態１と同様の効果が得られ、さらに、導入室２４の圧力が真空に近い場合であっても導入室２４でプラズマが発生されることはなく、従って、誘電体線路及びその周囲がプラズマによりダメージを受けることがなく、また処理速度の低下も防止できる。さらに、試料Ｓのサイズの拡大に伴い、第１のマイクロ波導入板１２のサイズが拡大された場合には、厚さが同じであっても圧力に対する強度が弱くなる。この観点から、実施の形態２のプラズマ処理装置は極めて有効であると言える。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、マイクロ波導入容器内の圧力が調整可能であるので、マイクロ波導入板のマイクロ波容器側と反応室側との圧力差を小さくすることにより、第１のマイクロ波導入板の破損を防止できる。また、マイクロ波導入容器内にガスの供給が可能であるので、マイクロ波導入容器内でのプラズマの発生を抑制することができ、誘電体線路及び第１のマイクロ波導入板へのダメージ及び処理速度の低下を防止できる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面図である。
【図２】実施の形態１の第１のマイクロ波導入板の耐久性を示すグラフである。
【図３】実施の形態２のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面図である。
【図４】従来のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１１反応室
１２第１のマイクロ波導入板
１４第１の排気口
１５第１の供給口
２０誘電体線路
２１導波管
２４導入室
３０，３４マイクロ波導入容器
３１第２の排気口
３２第２のマイクロ波導入板
３３第２の供給口

Claims

導波管に連結されたマイクロ波導入容器とこれに連結された反応容器との間に、マイクロ波の透過可能な第１の封止板を配して反応室を封止し、マイクロ波が前記導波管からマイクロ波導入容器を経て前記反応室内に導入され、プラズマを発生せしめるプラズマ処理装置の、前記マイクロ波導入容器を前記導波管側で封止するための、マイクロ波の透過可能な第２の封止板を備え、前記マイクロ波導入容器は排気口を設けてあり、
前記マイクロ波導入容器は、前記マイクロ波導入容器内にガスを供給するための供給口を設けてあるプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理する方法であって、前記マイクロ波導入容器に設けた排気口から排気して容器内を所定圧力に調整する過程と、前記容器内を所定圧力に調整後、前記マイクロ波導入容器に設けた供給口からプラズマ発生防止用のガスを供給する過程と、前記ガスを供給後、前記反応室内を前記容器内圧力と略同圧力に調整する過程と、前記反応室内に反応ガスを供給する過程と、前記導波管にマイクロ波を導入する過程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。