特許 6351458 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6351458

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20180625BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101D

   H05H1/46 C

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-191306(P2014-191306)

(22)【出願日】2014年9月19日

(65)【公開番号】特開2016-63131(P2016-63131A)

(43)【公開日】2016年4月25日

【審査請求日】2017年1月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】伊東 亨

(72)【発明者】

【氏名】田村 仁

(72)【発明者】

【氏名】大越 康雄

【審査官】 高橋 宣博

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０７９６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１４６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８３１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１９０５０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波を発振する発振器と、前記マイクロ波の電力を導波管を介して前記処理室へ供給する第一の高周波電源と、整合器を介して高周波電力を前記試料が載置される試料台に供給する第二の高周波電源と、前記試料を前記試料台へ静電吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源と、前記処理室内に磁場を形成するための磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記第一の高周波電源と前記導波管との間に配置され磁場を遮蔽する遮蔽板をさらに備え、
前記磁場形成手段は、コイルにより形成された磁場が前記処理室外へ漏洩することを防止し前記コイルが内部に配置された円筒形状のコイルケースを具備し、
前記第一の高周波電源と前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器と前記遮蔽板は、前記コイルケースの上方に配置され、
前記第一の高周波電源は、前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器の各々より前記導波管の近くに配置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に記載のプラズマ処理装置において、
平面図における前記第一の高周波電源と前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器のそれぞれの長手方向が前記平面図における前記導波管の長手方向と平行となるように前記第一の高周波電源と前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器のそれぞれが配置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または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記遮蔽板は、平板であり、
前記遮蔽板の材質は、鉄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または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記遮蔽板の比透磁率は、２５０ないし５０００の範囲内の値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ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
前記試料は、直径がφ４５０ｍｍ以上のウエハ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、磁場コイルを備えたプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体メーカーの低コスト化においては、半導体製品におけるデザインルール（設計基準）を微細化して、一つのウエハから取れるチップ数を増加される方法を取っていたが、それに加えウエハ径の大口径化も検討されている。

【0003】

このことから、例えばプラズマ処理装置の一つであるエッチング装置においてもウエハ径の大口径化に向けて、直径がφ３００ｍｍのウエハから直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応した装置の開発が開始されており、磁場コイルを有するマイクロ波プラズマエッチング装置においても、直径がφ３００ｍｍのウエハに対応した装置から直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応した装置の開発が開始されている。

【0004】

ウエハ径の大口径化によって、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置の磁場コイルと磁場コイルを覆うコイルケースも直径がφ３００ｍｍのウエハに対応したエッチング装置に比べて大きくなっている。

【0005】

コイルケースは、従来のマイクロ波プラズマエッチング装置から磁場コイルを覆う構成となっており、磁場コイルによる磁力線を覆うように形成することができるため、コイルケースから外周部への磁場の漏れを減少させることができる。

【0006】

なお、プラズマ処理室に高密度かつ均一なプラズマを生成し、高速且つ均一にプラズマ処理するために、磁場コイルを備えたマイクロ波プラズマ処理装置において、プラズマ生成室に遅波回路を設け、プラズマ処理室に平均極小磁場を生成するように構成する技術が特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平６−０８４８３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

コイルケースは磁場コイルを覆うことによりコイルケースから外周部への磁場の漏れを減少させることが可能であり、また、直径がφ３００ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置で実績があったため、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置への適用を試みた。しかしながら、単に、直径がφ３００ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置を直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置とすると、装置が大きくなり過ぎてしまうことが分かった。そこで、高周波電源および直流電源、整合器等をコイルケース上に配置した。これにより、装置のコンパクト化を図ることができた。しかしながら、このようにコンパクト化を図ったところ、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置では、コイルケース上部に設置された各種電源が試料のエッチング処理中に落ちる場合の有ることが判明した。

【0009】

本発明の第１の目的は、磁場コイルを覆うコイルケースを備え、直径がφ４５０ｍｍ以上のウエハに対応したプラズマ処理装置であっても、コンパクト化が可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

【0010】

本発明の第２の目的は、上記コンパクト化を図った場合であっても、コイルケース上に設置された各種電源が試料の処理中に落ちるのを抑制することが可能な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】

【0011】

上記第１の目的を達成するための一実施形態として、試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波を発振する発振器と、導波管を介して前記マイクロ波の電力を前記処理室へ供給する第一の高周波電源と、整合器を介して高周波電力を前記試料を載置する試料台に供給する第二の高周波電源と、前記試料を前記試料台へ静電吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源と、前記処理室内へ磁場を生成するための磁場生成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記磁場生成手段は、磁場を生成するコイルと前記コイルにより生成された磁場を前記処理室外へ漏洩することを防止する円筒形状のコイルケースを具備し、
前記第一の高周波電源と前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器は、前記コイルケースの上方に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置とする。

【0012】

また、上記第２の目的を達成するための一実施形態として、上記プラズマ処理装置において、
前記第一の高周波電源は、前記第二の高周波電源と前記直流電源と前記整合器より前記導波管の近くに配置され、
前記第一の高周波電源と前記導波管との間には、磁場を遮蔽する遮蔽板が配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置とする。

【発明の効果】

【0013】

各種電源等をコイルケースの上方に配置することにより、コンパクト化が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

【0014】

また、導波管と、導波管に最も近い第一の高周波電源との間に、磁場を遮蔽する遮蔽板を配置することにより、コイルケース上に設置された各種電源が試料の処理中に落ちるのを抑制することが可能な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】

【0015】

【図1】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置の概略縦断面図である。

【図2】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置の上面図である。

【図3】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置におけるコイルケース近傍の縦断面図（図２のＣ−Ｃライン断面図）である。

【図4】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置におけるコイルケース上部近傍の横断面図である。

【図5】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置のコイルケース中央部近傍の横断面図である。

【図6】本発明の実施例に係る他のプラズマエッチング装置の上面図である。

【図7】本発明の実施例に係る他のプラズマエッチング装置の要部縦断面図（図６のＤ−Ｄライン断面図）である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

発明者等は、磁場コイルを覆うコイルケースを備え、その上に各種電源等を配置し、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置において、コイルケース上部に設置された各種電源が試料のエッチング処理中に落ちる原因について検討した。その結果、磁場コイルを覆うコイルケースの厚さを、直径がφ３００ｍｍのウエハに対応したエッチング装置と同じ仕様を採用したため各種電源の内部にある基板上の回路が誤動作していることが判明した。この対策、即ちコイルケースからの磁場の漏えいを抑えるために、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応するエッチング装置において、大型化された磁場コイルを覆うコイルケースの厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら、大型化による総重量制限やコイルケース幅を厚く加工する技術の不足、およびコストの抑制等の観点から、コイルケースの厚さについては直径がφ３００ｍｍのウエハに対応したエッチング装置と同じ厚さにすることが望ましい。そこで、発明者等は、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したマイクロ波プラズマエッチング装置において、コイルケース上に設置された各種電源と導波管の間に遮蔽版を設置することとした。これにより、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応し、コンパクト化を図ったマイクロ波プラズマエッチング装置であっても、エッチング処理中にコイルケース漏えいした磁場が遮蔽され各種電源への影響が低減され、コイルケース上に設置された各種電源の内部にある基板の誤動作が抑制され、装置の動作が安定する。

【0017】

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。なお、実施例ではマイクロ波プラズマエッチング装置を用いて説明するが、エッチング装置に限定されない。図面に示された符号において、同一符号は同一の要素を示す。

【実施例】

【0018】

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。図１は本実施例で使用する、ＥＣＲ（Electoron Cycrotron Rezonance）マイクロ波プラズマエッチング装置を示す概略縦断面図である。上部が開放された真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内に処理ガスを導入するためのシャワープレート１０５（例えば石英製）、誘電体窓１０６（例えば石英製）を設置し、密封することにより処理室１０７を形成する。シャワープレート１０５には処理ガスを流すための複数の孔が配置されており、ガス供給装置１０８から供給されたガスは複数の孔を通り処理室１０７に導入される。また、真空容器１０１には真空排気口１０９を介し真空排気装置（図示せず）が接続されている。

【0019】

プラズマを生成するための電力を処理室１０７に伝送するため、誘電体窓１０６の上方には電磁波を伝送する導波管１１０を設けている。導波管１１０へ伝送される高周波（プラズマ生成用高周波）は第一の高周波電源１０４の制御により発振器１０３から発振される。また、第一の高周波電源１０４はパルス発振器を備えるため、時間変調された間欠的な高周波または、連続的な高周波を発振することができる。

【0020】

高周波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波（プラズマ生成用高周波）を使用する。処理室１０７の外周部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１１が設けてあり、発振器１０３より発振された電力は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０７内に高密度プラズマを生成する。尚、磁場発生用コイル１１１はコイルケース１１２により覆われている。

【0021】

また、シャワープレート１０５に対向して真空容器１０１の下部には試料台１０２を設けている。試料台１０２は電極表面が溶射膜（図示せず）で被覆されており、高周波フィルタ１１６を介して直流電源１１７が接続されている。さらに、試料台１０２には、マッチング回路（整合器）１１４を介してバイアス用高周波電源である第二の高周波電源１１５が接続される。試料台１０２には、温度調節器（図示せず）も接続されている。

【0022】

搬送手段(図示せず)により、ウエハ１１３を真空容器１０１の処理室１０７に搬送し、試料台１０２に載置する。処理室１０７内に搬送された試料であるウエハ１１３は、直流電源１１７から印加される直流電圧の静電気力で試料台１０２上に吸着、温度調節される。ガス供給装置１０８によって所望の処理ガスを処理室１０７へ供給した後、真空排気装置を介して真空容器１０１内を所定の圧力に制御し、発振器１０３から高周波を処理室１０７内に供給して処理室１０７内にプラズマを発生させる。試料台１０２に接続された第二の高周波電源１１５から高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１３がプラズマ処理（エッチング）される。また、第二の高周波電源１１５は、パルス発振器を備えるため、試料台１０２に時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な高周波電力を印加することができる。

【0023】

本実施例に係るプラズマエッチング装置では、図２に示すように、コイルケース１１２の上部に、直流電源１１７とマッチング回路１１４、および第一の高周波電源１０４と第二の高周波電源１１５が導波管１１０の両側に配置されている。このようにコイルケース１１２の上部に各種電源を搭載することは、大きくなり過ぎた装置をコンパクトにするためであり、各種電源の配列についても限られた設置場所を考慮したためである。特に、鉛直上方から見て外形寸法の大きな第一の高周波電源１０４やマッチング回路１１４を、広い領域が確保できるコイルケース１１２の中央部付近、即ち導波管１１０の近傍に配置し、外形寸法の小さな第二の高周波電源１１５や直流電源１１７をコイルケース１１２の周辺部、即ち第一の高周波電源１０４やマッチング回路１１４の更に外側に配置した。又、各部品の長手方向が、導波管１１０の長手方向と平行に配置することによりスペースを有効に利用することができ、より小スペース内に配置することができる。

【0024】

コイルケース１１２の上部に、直流電源１１７とマッチング回路１１４、および第一の高周波電源１０４と第二の高周波電源１１５が導波管１１０の両側に配置された、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したエッチング装置を用いて、エッチング処理を実施したところ、特定条件でのエッチング処理中に、コイルケース１１２の上部に設置されている第一の高周波電源１０４が落ちることが判明した。この第一の高周波電源１０４が落ちる要因の一つとして、第一の高周波電源１０４の内部にある基板の過温検知（８０℃以上で検知）の作動が挙げられる。通常の過温検知の作動であれば、第一の高周波電源１０４の復旧には時間を要しないが、今回の過温検知の作動後は復旧するまでに時間を要した。また、第一の高周波電源１０４の復旧後に再度特定条件でエッチング処理をすると、再度第一の高周波電源１０４が落ちることが確認された。そこで第一の高周波電源１０４の内部にある基板の過温検知器の状態を確認したが、過温検出時に見られる過温検知器の変色は見られなかった。

【0025】

そこで次にエッチング処理を実施する条件について確認した。エッチング処理中において、第一の高周波電源１０４が落ちない条件もあり、処理条件を調べていくと磁場発生用コイル１１１の使用領域によって第一の高周波電源１０４がエッチング処理中に落ちることが判明した。図３にコイルケース１１２部の概略拡大断面図（図２のＣ−Ｃライン断面図、シャワープレート等未記載）を示す。コイルケース１１２の内側に設置された磁場発生用コイル１１１は、上コイル１１１ａ、中コイル１１１ｂ、下コイル１１１ｃに分かれている。エッチング処理中は、磁力線１１８が下コイル１１１ｃから上コイル１１１ａに沿って形成されており、処理室１０７を通り下コイル１１１ｃに繋がっている。

【0026】

この時に下コイル１１１ｃの電流の大きさを調整することにより、磁力線１１８に沿ってプラズマを処理室１０７内に拡散できることが可能である。このため、高密度で高均一のプラズマを処理室１０７内に生成することが可能であり、ウエハ１１３を高速かつ均一にエッチングすることができる。

【0027】

図４は、図１に示したマイクロ波プラズマエッチング装置のＡ−Ａ断面図であり、上コイル１１１ａとコイルケース１１２の横断面図である。上コイル１１１ａは内側および外側をコイルケース１１２に覆われている。上コイル１１１ａの内側をコイルケース１１２で覆うことで磁力線１１８に沿ってプラズマを処理室１０７内へ導くことができる。

【0028】

図５は、図１のＢ−Ｂ断面を示す。中コイル１１１ｂの内側にはコイルケース１１２で覆われていないので、磁力線１１８の影響を受けずにプラズマは処理室１０７内に拡散することができる。下コイル１１１ｃも中コイル１１１ｂと同様な構造となっている。（図示せず）
このことから、エッチング処理中に第一の高周波電源１０４が落ちる要因として、下コイル１１１ｃの電流を大きくした場合にコイルケース１１２から磁場が漏れ、第一の高周波電源１０４の内部にある基板の誤動作を誘発していると推定された。即ち、第一の高周波電源１０４の設置箇所は、電源内にある基板の向きが導波管１１０寄りになっており、上コイル１１１ａに沿っている磁力線１１８の影響を受けやすい構造となっている。また、第一の高周波電源１０４の内部にある基板を覆う蓋の材質はアルミ製であり、コイルケース内の磁力線１１８から漏れた磁場が、比透磁率が１と低い材質のアルミを突き抜けることで第一の高周波電源１０４の内部にある基板の誤動作を誘発しているものと推定された。

【0029】

この対策として、第一の高周波電源１０４の設置箇所を移動することが考えられるが、コイルケース１１２から各種電源が極力はみ出さないように配置されており、鉛直上方から見て外形寸法（特に、長辺寸法）の大きな第一の高周波電源の設置箇所を変更することは難しい。

【0030】

そこで本発明者等は、図６に示すようにコイルケース１１２の上部にある第一の高周波電源１０４の横に遮蔽板１１９を設置した。その結果、下コイル１１１ｃの電流を大きくした特定条件であっても、磁場の漏えいを抑制することができた。この遮蔽板１１９の材質は鉄製であり、透磁率の低いアルミ製に比べ透磁率が高くなっているので、コイルケース１１２から磁場が漏れた場合でも第一の高周波電源１０４の内部へは磁場が到達しないものと考えられる。

【0031】

一般に透磁率が低い材質としてアルミや銅があり、透磁率が高い材質として鉄やＳＵＳがある。

【0032】

透磁率とは磁界の強さがどれだけ空間に及ぼしているかを示す指標であるが、真空の透磁率との比である比透磁率で表すとアルミは１であり、鉄は５０００である。比透磁率が小さいと磁力線１１８が材質を突き抜けるのに対して、比透磁率が高いと磁力線１１８が材料を磁化しやすくなることで物質を突き抜けることを抑制できる。原子自体で磁気を帯びえている物質としては、鉄（比透磁率５０００）、ニッケル（比透磁６００）、コバルト（比透磁率２５０）の三つがあり、どれも磁力線１１８が物質を突き抜けることを抑制することが可能である。即ち、比透磁率が１を越える材料を用いることにより遮蔽板としての効果が表れ、比透磁率が２５０〜５０００の範囲の材料が実用的である。その中でも鉄はコスト面や性能面から見て遮蔽板の材質として最も優れている。

【0033】

図７はコイルケース１１２の上部に各種電源が設置された状態（図６のＤ−Ｄライン断面図、シャワープレート等未記載）を示す。導波管１１０を正面に見た図であり、第一の高周波電源１０４と導波管１１０の間も狭いため、薄い遮蔽板１１９を採用した。本実施例では、鉄製の遮蔽板１１９の寸法は高さ４２０ｍｍ、横６２０ｍｍ、厚さ２ｍｍとした。比透磁率が高いほど、遮蔽板を薄くすることができる。また、コイルケース１１２の上部に配置する構成要素は可能な限り導波管１１０から距離を離して配置することが好ましい。遮蔽板は第一の高周波電源１０４だけでなく、他の構成要素に取り付けることもできる。

【0034】

図１、図６、図７に示すような構成を有するＥＣＲマイクロ波エッチング装置を用い、下コイル１１１ｃの電流を大きくした特定条件でウエハ（試料）にエッチング処理を実施した結果、エッチング処理中に第一の高周波電源１０４の内部にある基板の誤動作が抑制され、装置の動作が安定し、良好なエッチングを安定して行うことができた。これは、コイルケース１１２を通る磁力線１１８から漏れた磁場が、鉄製の遮蔽板１１９によって第一の高周波電源１０４の内部への進入を遮断できたためである。

【0035】

以上、本実施例によれば、磁場コイルを覆うコイルケースを備え、直径がφ４５０ｍｍのウエハに対応したプラズマ処理装置であっても、コンパクト化が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。また、上記コンパクト化を図った場合であっても、コイルケース上に設置された各種電源が試料の処理中に落ちるのを抑制することが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

【0036】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0037】

１０１…真空容器、１０２…試料台、１０３…発振器、１０４…第一の高周波電源、１０５…シャワープレート、１０６…誘電体窓、１０７…処理室、１０８…ガス供給装置、１０９…真空排気口、１１０…導波管、１１１…磁場発生用コイル、１１１ａ…上コイル、１１１ｂ…中コイル、１１１ｃ…下コイル、１１２…コイルケース、１１３…ウエハ、１１４…マッチング回路（整合器）、１１５…第二の高周波電源、１１６…高周波フィルタ、１１７…直流電源、１１８…磁力線、１１９…遮蔽板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】