【実施例1】
【0014】
まず、
図1を用いて本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の全体構成の概略を説明する。なお、本実施例では真空処理装置としてエッチング装置を例に説明するが、これに限定されない。
【0015】
本プラズマエッチング装置は、
図1に示すように処理室101の下方にはベースチャンバー11が設置されており、その中にはウエハ102を戴置するためのステージ(試料台)104が設置されている。処理室101の上方にはプラズマ源が設置されており、プラズマ源にはICP放電方式(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いている。ICPプラズマ源を構成する円筒型の石英チャンバー12が処理室101の上方に設置されており、石英チャンバー12の外側にはICPコイル34が設置されている。ICPコイルにはプラズマ生成のための高周波電源20が整合器22を介して接続されている。高周波電力の周波数は13.56MHzなど、数十MHzの周波数帯を用いた。
【0016】
石英チャンバー12の上部には天板106が設置されている。天板106の下部にはガス分散板17(17−1、17−2、17−3、17−4の部分を含む)とシャワープレート105が設置されており、処理ガスはガス分散板17とシャワープレート105を介して処理室101内に導入される。処理ガスのうち可燃性ガスは分散板17−2、及び、17−4、支援燃性ガス、及び、可燃性でも支燃性でもないガス(ここでは簡単に不活性ガスと呼ぶこととする)は分散板17−1、及び、17−3に供給する。処理ガスはガス種毎に設置されたマスフローコントローラー50によって流量が調整され、マスフローコントローラーの下流側にガス分配器51が設置されている。これにより、中心付近に供給する可燃性ガスと外周付近に供給する可燃性ガス、及び、中心付近に供給する支燃性ガスと不活性ガスの混合ガスと外周付近に供給する支燃性ガスと不活性ガスの混合ガスの量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、ラジカルの空間分布を詳細に制御できるようにしている。なお、
図1ではNH
3、H
2、CH
2F
2、CH
3OHを可燃性ガス、O
2とNF
3を支燃性ガスとして記載してあるが、他のガスを用いてもよい。また、Ar、N
2、CHF
3、N
2、H
2Oを不活性ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。また、
図1では不活性ガスは支燃性ガスと一緒に分散板へ供給するようにしているが、可燃性ガスに混合させて供給できるようにしてもよい。
【0017】
処理室101の下部には処理室を減圧するためのターボ分子ポンプやドライポンプなどの排気手段13が調圧バルブ14を介して接続されている。なお、符号10はプラズマ、符号52はバルブ、符号60は外カバーを示す。
【0018】
ステージ104とICPプラズマ源の間の高さ位置にはウエハ(試料)102を加熱するためのランプユニットとして、IRランプユニットが設置されている。IRランプユニットは主にIRランプ62、IR光を反射する反射板63、IR光透過窓74からなる。IRランプ62にはサークル型(円形状)のランプを用いる。なお、IRランプから放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光(電磁波)である。本実施例では3周分のランプ(62−1、62−2、62−3)を設置したが、2周、4周などとしてもよい。また、ランプ1周分は円環状の1つのランプで構成してもよいし、例えばおよそ90°の円弧状のランプを円環上状に4つ並べて1つの円環状ランプとして用いてもよい。IRランプの上方にはIR光を反射するための反射板63が設置されている。
【0019】
IRランプ62にはIRランプ用電源64が接続されており、その途中にはプラズマ生成用の高周波電力のノイズがIRランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルタ25が設置されている。また、IRランプ62−1、62−2、62−3に供給する電力がお互いに独立に制御できるような機能がIRランプ用の電源64には設置されており、ウエハの加熱量の径方向分布を調節できるようになっている(配線は一部図示を省略した)。
【0020】
IRランプユニットの中央には流路75が形成されている。そして、この流路75にはプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハに照射するための複数の穴の開いたスリット板78(78−1、78−2の部分を含む)が設置されている。IRランプの下方からランプの内側の側方(ガスの流路75側)にかけては石英製のIR光を通すためのIR光透過窓74が設置されている。IR光透過窓は、IRランプの下方からランプの内側の側方を含め一体の部材で構成されている。
【0021】
ステージ104にはステージを冷却するための冷媒の流路39が内部に形成されており、チラー38によって冷媒が循環供給されるようになっている。また、ウエハ102を静電吸着によって固定するため、板状の電極板(静電吸着用の電極)30がステージに埋め込まれており、それぞれにDC電源(静電吸着用の電源)31が接続されている。また、ウエハ102を効率よく冷却するため、ウエハ102の裏面とステージ104との間にHeガスを供給できるようになっている。
【0022】
次に、ランプユニットに設置されているIR光透過窓とスリット板の構成や位置関係の詳細について
図2を用いて説明する。IR光透過窓74はIR光を下方(ウエハ側)に透過するだけでなく、径方向の中心方向へ透過できるように中央には円筒状の構造が設置されており、この円筒状の構造部分がランプユニット中央の流路75の一部を構成するようになっている。円筒状の構造部分の上方には真空に封じるためのOリングシール面79−1がある。このOリングシール面79−1の高さ(
図2の位置a)は、反射板の内側の下端81−1の高さ(
図2の位置b)よりも高い位置としている。なお、符号143はスペーサーを示す。
【0023】
流路75に設置されたスリット板78は上下に2段(78−1、78−2)となっている。スリット板の概略を
図3Aから
図3Cに示す。
図3Aは上側スリット板78−1、
図3Bは下側スリット板78−2を示している。スリット板は石英製(誘電体)の板に例えば直径数ミリメートルの円形の穴(ガス穴)142(142−1、142−2の部分を含む)が数百個設けられている。中性のガスや中性のラジカルはこの穴を介してプラズマ側からウエハ側へ輸送される。スリット板の厚さは数ミリメートルから数センチメートルとした。
図3Cは、2枚のスリット板を処理室の上方から見たときのガス穴の位置関係を示す。2枚のスリット板78−1と78−2に設けられている穴はお互いに位相がずらしてあり、ウエハ側からプラズマ側が直接見えないようにすることで、イオンや電子の遮蔽効果を高めている。2枚のスリット板78−1と78−2の間隔はスリット板の間に設置したスペーサー143によって決定する(
図2)。スペーサー143によって決定されるスリット板78−1と78−2の間隔は数ミリメートルないし数センチメートルとする。なお、スリット板の複数の穴の直径や穴の数、2枚のスリット板の間隔はガスの流れのコンダクタンスによって決定する。スリット板の役割はプラズマ中で生成されたイオンと電子を遮蔽し、中性のガスとラジカルを通過させるためのものであり、穴の径が小さすぎたり、穴の数が少なすぎたり、2枚のスリット板の距離が近すぎたり、スリット板の厚さが厚すぎると、イオンや電子の遮蔽効果は高まるが、コンダクタンスが小さくなり、中性のガスやラジカルが通りにくくなってしまう。そのため、できるだけスリット板の上方の空間であるプラズマ生成領域の圧力と、スリット板より下方のウエハへラジカルを照射する領域の圧力が近い値になるように(コンダクタンスを大きくなるように)各種寸法を調整することが望ましい。例えばスリット板78−1の上方の処理ガスの圧力が50Paである場合、スリット板78−2の下方のウエハ領域の処理ガスの圧力は45Paなど両者の値が例えば2倍以上開かないようにするのが望ましい。
【0024】
図4にIRランプの光の照射方向の例を示す(装置構成は
図1と同等である)。
図4の矢印144(144−1から144−9を含む)は最も内側のランプにおいて、図上の左側の位置から放射される光の照射方向について示したものである。スリット板78の高さ位置(
図2の位置c)は、反射板63の内側の下端81−1(
図2の位置b)よりも下の位置に設置してある。これにより例えば矢印144−1ないし144−4に示すように、IRランプから放射されたIR光の一部がスリット板78に照射されてスリット板78を加熱できるようにしている。これにより堆積性のラジカルのスリット板への付着を抑制している。また、スリット板の表面に微細な凹凸をつけて光の透過度を調整するとよい。また、IR光透過窓はIR光の透過率の高い合成石英を用いるのが望ましいが、スリット板の石英には赤外光の吸収量が相対的に大きい溶融石英を用いてもよい。すなわち、IR光透過窓とスリット板にはお互いにIR光の透過率が異なる素材を用いてもよい。
【0025】
スペーサー143の材質はスリット板と同じものとした。また、上側のスリット板78−1はプラズマに曝されているため、ある程度のプラズマによる加熱が期待できるが、下側のスリット板78−2はかなりイオンが遮蔽されているため、加熱が期待できない。そのため、特に下側のスリット板はIR光によって加熱する必要性が高い。そのため、少なくとも、下方のスリット板をIR光で効率的に加熱できるように設置位置を調整するとよい。
【0026】
さらに
図4から分かるように、IR工光透過窓74がIRランプの内側、且つ、側方(
図4のX)にも設置されている構成とすることにより、矢印144−3ないし144−5で示すように、ウエハの中心から見てIRランプにおけるIR光の放射位置とは反対側のウエハ面やウエハ中心付近を加熱できるメリットもある。もし、
図4のXの部分がIR光を透過しない材質とした場合、ウエハ中心が加熱できず、また、IR光放射位置とは反対側のウエハ面も加熱できないため、ウエハの加熱力や加熱の均一性が悪化する。
【0027】
また、Oリングシール面79−1(
図2の位置a)が反射板の内側の下端81−1(
図2の位置b)よりも高い位置に設置することでOリング(シール部材)80に直接IR光をあたらなくすることができ、Oリング80の劣化を抑えることができる。さらに、IR光透過窓74の外周には段差がつけられており、外周部のOリングのシール面79−2が反射板63の外周の下端81−2よりも高い位置になるようにし、Oリング80に直接IR光が当たらないようにした。すなわち、反射板63を、Oリング(シール部材)80への電磁波を遮るカバーとしても用いた。
【0028】
このようにIRランプからのIR光が直接Oリング80に照射されないようしているが、一部の光はIR光透過窓74内で反射してOリングに到達する。そのため、可能な限りOリング80にIR光が当たらないようにするために、
図5に示すようにIR光透過窓74のOリングのシール面79−1にはアルミなどの反射層(電磁波伝達抑制部材)82を蒸着し、且つ、接合面の隙間に入射するラジカルによって反射層82が劣化するのを防ぐため、イットリア(Y
2O
3)などの対プラズマ保護層83で反射層82の周りをコーティングするとよい。この場合Oリング80は対プラズマ保護層に当たって真空を封じることになる。当然、Oリングのシール面79−2にも同様に反射層、及び、耐プラズマ層をコーティングするとよい。
【0029】
なお、装置の各種寸法については次のとおりとした。分散板17−1、17−2から供給された内側の処理ガスは概ねプラズマ10において解離、イオン化され、中性のラジカルやガスは概ねスリット板の中心を通過してウエハの中心付近へ照射されように(
図4の矢印A)、そして、分散板17−3、及び17−4から供給された外側の処理ガスはプラズマ10において解離、イオン化され、中性のラジカルやガスは概ねスリット板の外側を通過してウエハの外周付近へ照射されるように(
図4の矢印B)、流路75の径やスリット板78の径はウエハの直径の1/2以上として、内側のガスと外側のガスのお互いの拡散・混合が少なくなるようにするのが望ましい。一方で流路75の径が大きくなりすぎるとIRランプとウエハの距離が長くなりすぎ、ウエハの加熱力が低下するため、流路75または内側のランプ62−1の径はウエハの径と同程度する。したがって、ウエハの径が300mm(30cm)である場合、例えば流路75やスリット板の径(穴の開いている領域の径)は20cmないし30cmとする。また、石英チャンバー12の径はウエハ径と同程度とし、20〜30cmとする。
【0030】
IR光透過窓74とウエハ102との距離は数センチメートル以上(例えば5cm)となるようにして、処理ガスやラジカルの排気がスムーズにできるようにする。IRランプの高さ位置とウエハの高さ位置との差は10cm〜20cm程度とし、IRランプとウエハの距離が長くなりすぎないようにする。また、短寿命ラジカルをウエハに効率的に照射するため、プラズマやICPコイルとウエハの距離は数十センチメートル以内(例えば30cm)とする。
【0031】
上述のように構成した本装置の処理手順の例を
図6、
図7を用いて説明する。処理室101に設けられたウエハ搬送口(図示省略)を介してウエハを処理室101へ搬入(搬入工程、
図7の(1)、
図6のウエハ搬入)した後、静電吸着のためのDC電源31によりウエハを固定するとともに、ウエハの裏面にウエハ冷却用のHeガスを供給する。そして、複数のマスフローコントローラー50、及び、ガス分配器51によって処理室101内に供給する処理ガスの流量や処理室101内のガス組成分布を調整し、放電電源20によりプラズマ放電を開始する。そして、処理ガスはプラズマ10にてイオン化、解離し、中性のガスとラジカルはスリット板78を通過して被エッチング層95を有するウエハ102に照射される。これによりラジカルをウエハの表面に吸着させて被エッチング層95の表面に反応層96を生成する(吸着工程、
図7の(2)、
図6の高周波電力ONの領域)。ここで、被エッチング層95は、Si、SiO
2、SiN、W、TiN、TiO、Al
2O
3などの層である。
【0032】
反応層96の生成が完了したら放電電源20をOFFとしてプラズマ放電を止める。そして、ウエハ裏面のHeガスの供給を停止するとともに、バルブ52を開いてウエハの裏面の圧力を処理室内の圧力と同程度にする。そしてDC電源31をOFFとしてウエハの静電吸着を解除する。
【0033】
次に電源64の出力をONにしてIRランプ62を点灯させる。IRランプ62から放射されたIR光はIR光透過窓74を透過し、ウエハ、及び、スリット板を加熱する。
【0034】
ウエハの温度が一定値に到達したら電源64の出力を低減し、ウエハの温度を一定に保ちながら反応層96を脱離させる(脱離工程、
図7の(3)、
図6のIRランプの電力ONの領域)。
【0035】
その後、IRランプ用電源64の出力をOFFにして、ウエハの加熱を停止する。次に処理室内にArガスを供給しながらウエハ裏面にHeガスを供給しウエハの冷却を開始する(冷却工程、
図7の(4)、
図6のIRランプOFFの領域)。このとき、Arガスの圧力とHeのガス圧の差は概ね0.5kPa以下となるようにする。例えば、処理室内のArガスの圧力を0.8kPa、ウエハ裏面のHeガス圧を1kPaとする(裏面のHeガスの圧力でウエハが飛び跳ねないようにする)。そして、ウエハの温度が50〜100℃以下となったらDC電源31をONにして静電吸着によりウエハを固定し、処理室内へのArの供給は停止するか流量を少なくする。そして、ウエハの温度をステージ104の温度程度にさらに低下させる。ステージの温度は−40℃〜40℃程度とする。なお、ウエハ冷却において、最初からウエハを静電吸着しないのは、冷却過程においてウエハが縮むのに伴ってステージとウエハがこすれてウエハの裏面を傷がついたり、応力でウエハが割れたりしないようにするためである。冷却が終了したら再びラジカル照射を開始する。そして、ラジカル吸着と脱離(
図7の(2)−(4))のサイクルを繰り返してステップバイステップでエッチングを行い、エッチングが終了したら処理室101からウエハを搬出する。このサイクル数を増やすことによりエッチング量を増やすことができる。これらの処理は制御部(図示せず)により制御される。
【0036】
図2に示すIRランプユニットを備えた
図1に示すプラズマ処理装置を用い、
図6及び
図7に示す手順に従って等方性エッチング処理を行った結果、堆積ラジカル起因の異物付着が低減され、高精度のエッチングを行うことができた。
【0037】
以上、本実施例によれば、イオン遮蔽用のスリットを設置した場合であっても、スリットへの堆積性のラジカルを低減可能な、吸着・脱離方式の真空処理装置を提供することができる。
【実施例2】
【0038】
次に本発明の他の実施例を
図8や
図9を用いて説明する。なお、実施例1に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
【0039】
図8は本発明の第2の実施例に係るプラズマ処理装置(本体部)の断面図である。
図8に示すように、IRランプ62(ここでは、62−1、62−2、62−3)をウエハに並行方向の同一面に配置するのではなく、ウエハに対して傾いた面に沿って配置する方法も加熱の均一性の観点では有利であると考えられる。但し、この場合はランプユニットの高さLが
図1の構成に対して長くなってしまい、これに伴ってラジカル生成領域とウエハの距離が長くなってしまう。短寿命ラジカルの効率的なウエハへの照射という観点では
図1に示すように、IRランプはウエハに並行な面上に配列してランプユニットの高さを小さくするほうがよい。IRランプ62をウエハに並行方向の同一面に配置するかウエハに対して傾いた面に沿って配置するかは、目的に応じて使い分けることができる。
【0040】
なお、実施例1で説明したプラズマ処理装置や本実施例の
図8で示したプラズマ処理装置では透過窓74の内側下部の角部が直角形状のものであったが、IRランプによるウエハ加熱の均一性を調整する場合は
図9に示したように、IR光透過窓74のIRランプの下側の面とIRランプの内側の側面の部分が交わる部分において、IR光透過窓74の外側の湾曲部85−1と内側の湾曲部85−2の曲率をお互いに変えることによってレンズ効果により、ウエハへの加熱分布を調整するのが望ましい。
【0041】
図8に示すプラズマ処理装置を用い、
図6及び
図7に示す手順に従って等方性エッチング処理を行った結果、均一性に優れ、堆積ラジカル起因の異物付着が低減され、高精度のエッチングを行うことができた。
【0042】
以上、本実施例によれば、イオン遮蔽用のスリットを設置した場合であっても、スリットへの堆積性のラジカルを低減可能な、吸着・脱離方式の真空処理装置を提供することができる。また、IRランプ62をウエハに対して傾いた面に沿って配置することにより、より均一性に優れたエッチングを行うことができた。また、IR光透過窓のガス流路側底面角部において、外側の湾曲部85−1と内側の湾曲部85−2の曲率をお互いに変えることによりウエハへの加熱分布を調整することができる。
【0043】
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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各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。