特許 7499079 同軸導波管を用いたプラズマ装置、基板処理方法

(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】

(24)【登録日】2024-06-05

(45)【発行日】2024-06-13

(54)【発明の名称】同軸導波管を用いたプラズマ装置、基板処理方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240606BHJP

   C23C 16/511 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 B

C23C16/511

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020105204

(22)【出願日】2020-06-18

(65)【公開番号】P2021015791

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2023-06-05

(31)【優先権主張番号】62/872,135

(32)【優先日】2019-07-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】519237203

【氏名又は名称】エーエスエム・アイピー・ホールディング・ベー・フェー

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】吉川 潤

(72)【発明者】

【氏名】野沢 俊久

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０２１２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０５５６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１４９７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／００７８３２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－２４３０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－５５６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１６２９５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／００ － １／５４

Ｃ２３Ｃ １６／５１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内導体と、前記内導体との間に第１間隙を設けて前記内導体を囲む外導体と、を有し、複数の分岐部で分岐した形状となっている同軸導波管と、
導体と、前記導体との間に第２間隙を設けて前記導体を囲む誘電体と、を有し、前記分岐部で分岐した前記同軸導波管の２つの端部をつなげることで前記第１間隙と前記第２間隙がつながる複数のロッドと、
前記同軸導波管のうち前記分岐部によって分岐した部分に設けられ、前記第１間隙に出したり入れたりできる導体のスタブと、を備えたことを特徴とするプラズマ装置。

【請求項2】

前記同軸導波管は、マイクロ波投入部と、前記複数の分岐部で分岐された複数の端部と、を有し、
前記複数の分岐部のうち最も前記マイクロ波投入部に近い分岐部である第１分岐部に、前記スタブを設けたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ装置。

【請求項3】

前記第１分岐部は、前記マイクロ波投入部から前記同軸導波管に投入されたマイクロ波を３方向に分岐させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ装置。

【請求項4】

前記複数のロッドは、略平行に配置されることで、センターロッドと、前記センターロッドを挟む２本のエッジロッドに分類され、
前記第１分岐部は、前記マイクロ波投入部が前記センターロッドにつながるか、前記マイクロ波投入部が前記エッジロッドにつながるかを決める分岐部であることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ装置。

【請求項5】

前記複数のロッドの下方に設けられたサセプタを備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ装置。

【請求項6】

前記スタブは、複数設けられたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ装置。

【請求項7】

複数の前記スタブは平面視で前記内導体を囲むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ装置。

【請求項8】

前記スタブは、円柱状又は角柱状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ装置。

【請求項9】

前記スタブのうち前記内導体に対向する面は、前記内導体の表面形状に一致したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ装置。

【請求項10】

チャンバの中にガスを提供することと、
マイクロ波投入部から投入されたマイクロ波を、同軸導波管の分岐部にスタブを挿入することでパワー分配してから、複数のロッドの誘電体で覆われた空間に提供し、前記誘電体の外の前記チャンバに覆われた空間にプラズマを生じさせることと、
前記プラズマで基板に処理を施すことと、を備えた基板処理方法。

【請求項11】

前記複数のロッドの電界強度は不均一であることを特徴とする請求項１０に記載の基板処理方法。

【請求項12】

前記複数のロッドは略平行に配置されることで、センターロッドと、前記センターロッドを挟む２本のエッジロッドに分類されることを特徴とする請求項１１に記載の基板処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は同軸導波管を用いたプラズマ装置と、それを用いた基板処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、プラズマ源としてマイクロ波を用いたプラズマ装置が開示されている。このプラズマ装置は、外導体側から内導体側に延出可能なスタブ部材を有する。内導体は外導体の中央に対して位置ずれするので、内導体と外導体の間の径方向の隙間の不均一に起因してマイクロ波強度が不均一になる。スタブ部材の提供によって、当該位置ずれによる弊害を緩和する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２０１１／０２１６０７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１とは基本構造の異なるプラズマ装置がある。具体的には、分岐した形状を有する同軸導波管を、誘電体で覆われたロッドでつなぎ、同軸導波管から当該誘電体の中にマイクロ波を提供する。すなわち、同軸導波管のマイクロ波投入部から投入されたマイクロ波は、同軸導波管の分岐構造を伝搬し、最終的に複数本のロッドまで到達する。ロッドの誘電体を介して生成された電界によりプラズマを生成させる。このような複数のロッドでプラズマを生成するプラズマ装置では、複数のロッドに提供されるマイクロ波パワーの比率をコントロールすることができない。

【0005】

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、プラズマ分布を制御し得るプラズマ装置と基板処理方法提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願の発明に係るプラズマ装置は、内導体と、該内導体との間に第１間隙を設けて該内導体を囲む外導体と、を有し、複数の分岐部で分岐した形状となっている同軸導波管と、導体と、該導体との間に第２間隙を設けて該導体を囲む誘電体と、を有し、該分岐部で分岐した該同軸導波管の２つの端部をつなげることで該第１間隙と該第２間隙がつながる複数のロッドと、該同軸導波管のうち該分岐部によって分岐した部分に設けられ、該第１間隙に出したり入れたりできる導体のスタブと、を備えたことを特徴とする。

【0007】

本願の発明に係る基板処理方法は、チャンバの中にガスを提供することと、マイクロ波投入部から投入されたマイクロ波を、同軸導波管の分岐部にスタブを挿入することでパワー分配してから、複数のロッドの誘電体で覆われた空間に提供し、該誘電体の外の該チャンバに覆われた空間にプラズマを生じさせることと、該プラズマで基板に処理を施すことと、を備える。

【0008】

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、スタブの出し入れによりプラズマ分布を制御し得る。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】プラズマ装置の構成例を示す斜視図である。

【図2】図２Ａはプラズマ装置の一部断面図であり、図２Ｂは同軸導波管の断面図であり、図２Ｃはロッドの断面図である。

【図3】プラズマ装置の平面図である。

【図4】分岐部の斜視図である。

【図5】同軸導波管のうちスタブが設けられた部分の断面図である。

【図6】別の例に係るスタブを示す図である。

【図7】別の例に係るスタブを示す図である。

【図8】図７のスタブの平面図である。

【図9】スタブの配置例を示す図である。

【図10】電磁界シミュレーションの結果を示すグラフである。

【図11】ロッドの電界強度を表す図である。

【図12】ロッドの電界強度を表す図である。

【図13】ロッドの電界強度を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

プラズマ装置と基板処理方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0012】

実施の形態．
図１は、プラズマ装置の構成例を示す斜視図である。このプラズマ装置はマイクロ波投入部１０を備えている。マイクロ波投入部１０には同軸導波管１２が接続されている。プラズマ装置の外部にあるマイクロ波発生器から、マイクロ波投入部１０を介して同軸導波管１２にマイクロ波が提供される。マイクロ波投入部１０の近傍にはチューナー１１が設けられている。チューナー１１は、マイクロ波投入部１０の中の反射波を再び同軸導波管１２に進行させる。

【0013】

同軸導波管１２は、投入導波管１２Ａ、センター導波管１２Ｂ及びエッジ導波管１２Ｃを備えている。投入導波管１２Ａはｚ方向に伸びる導波管である。この投入導波管１２Ａには投入導波管１２Ａからｘ正負方向に分岐するエッジ導波管１２Ｃがつながっている。エッジ導波管１２Ｃは、分岐部１２Ｄで投入導波管１２Ａから分岐し、その後もう一度分岐することで筐体１４の側面につながっている。分岐部１２Ｄは、マイクロ波投入部１０から同軸導波管１２に投入されたマイクロ波を３方向に分岐させる第１分岐部として機能する。

【0014】

投入導波管１２Ａの分岐部１２Ｄより下方には別の分岐部があり、その別の分岐部にｘ正負方向に分岐するセンター導波管１２Ｂがつながっている。センター導波管１２Ｂは複数回分岐した後に筐体１４の側面につながる。

【0015】

図１には筐体１４の左側に同軸導波管１２の端部１２Ｅが６つつながることが図示されている。筐体１４の右側にも同軸導波管１２の端部１２Ｅが６つつながる。このように、同軸導波管１２は、マイクロ波投入部１０と、複数の分岐部で分岐された複数の端部１２Ｅとを有している。複数の分岐部のうち最もマイクロ波投入部１０に近い分岐部が第１分岐部、すなわち分岐部１２Ｄである。別の例によれば、同軸導波管１２の分岐部の数を増減させて端部の数を増減させることができる。筐体１４の下方にはチャンバ１６が設けられている。

【0016】

図２Ａは、プラズマ装置の一部断面図である。この図は、同軸導波管１２とロッドの断面を説明するものであり、装置の一部を省略又は簡素化している。投入導波管１２Ａは、内導体１２a´と、内導体１２a´との間に第１間隙１３を設けて内導体１２a´を囲む外導体１２a´´とを有している。センター導波管１２Ｂは、内導体１２ｂ´と、内導体１２ｂ´との間に第１間隙１３を設けて内導体１２ｂ´を囲む外導体１２ｂ´´とを有している。エッジ導波管１２Ｃについても、内導体と、内導体との間に第１間隙を設けて内導体を囲む外導体とを有している。したがって、この例では、複数の分岐部で分岐した形状となっている同軸導波管１２の全体が内導体と外導体を有する。内導体、外導体及び筐体１４は金属である。

【0017】

図２Ａには、チャンバ１６の中に設けられたサセプタ２６が図示されている。サセプタ２６の上に被処理物である基板が乗せられる。一例によれば、複数のロッド２４の下方にサセプタ２６を設けることができる。処理内容に応じたガス源２７からチャンバ１６の中にガスが提供される。チャンバ１６内のガスは、例えばサセプタ２６の下方の排気口を通じて排気され得る。

【0018】

図２Ｂは、同軸導波管１２の断面図である。同軸導波管１２のどの部分についても、内導体と環状の外導体との間に第１間隙１３がある。

【0019】

図２Ａに示されるように、筐体１４の内部にはロッド２４が提供されている。ロッド２４は、導体２０と、導体２０との間に第２間隙２１を設けて導体２０を囲む誘電体２２と、を有している。ロッド２４は、分岐部で分岐した同軸導波管の２つの端部をつなげることで、第１間隙１３と第２間隙２１がつながる。

【0020】

図２Ｃは、ロッド２４の断面図である。誘電体２２の材料は例えばアルミナ（Al₂O₃）又は窒化アルミニウム（AlN）などのセラミックとすることができる。

【0021】

図３は、プラズマ装置の平面図である。筐体１４の中のロッド２４は破線で示されている。複数のロッド２４は、略平行に配置されることで、センターロッドと、センターロッドを挟む２本のエッジロッドに分類される。具体的には、６本のロッド２４のうち中央の４本のロッド２４は、センター導波管１２Ｂ同士をつなぐセンターロッドである。６本のロッド２４のうち両端の２本のロッド２４は、エッジ導波管１２Ｃ同士をつなぐエッジロッドである。この例では、すべてのロッド２４は図２Ｃで例示された断面と同じ構成を有する。

【0022】

同軸導波管１２の内導体と、ロッド２４の導体は、金属であれば特に限定されないが、例えば銀で表面コートされた銅である。同軸導波管１２の外導体も金属であれば特に限定されないが、例えばアルミニウムである。

【0023】

図３には、一点鎖線でサセプタ２６の外縁が描かれている。この例では、すべてのロッド２４がサセプタ２６の直上に位置している。

【0024】

図１に示される例では、センター導波管１２Ｂがｘ正負方向の両方で２回づつ分岐することで、４本のセンターロッドの提供を可能としている。しかしながらセンター導波管１２Ｂの分岐部の数を変更することで任意の数のセンターロッドを提供することもできる。

【0025】

図１に示される例では、エッジ導波管１２Ｃがｘ正負方向の両方で１回づつ分岐することで、２本のエッジロッドの提供を可能としている。しかしながら、エッジ導波管１２Ｃの分岐部の数を変更することで任意の数のエッジロッドを提供することもできる。

【0026】

図４は、分岐部１２Ｄの斜視図である。エッジ導波管１２Ｃは、内導体１２ｃ´と、外導体１２ｃ´´を備えている。図４では、外導体１２ａ´´、１２ｃ´´の内側が可視化されている。第１分岐部である分岐部１２Ｄにスタブ３０が設けられている。スタブ３０は例えば金属などの導体で形成されている。図４の例では、複数の円柱状のスタブ３０が図示されている。スタブ３０は、第１間隙１３に入れたり、第１間隙１３から出したりできるものである。スタブ３０は、例えば外導体１２ａ´´の穴に隙間無くはめ込むことができる。

【0027】

図５は、同軸導波管１２のうちスタブ３０が設けられた部分の断面図である。図５の例では、スタブ３０は環状に６個設けられている。スタブ３０の数は１つでもよいが、複数設けることができる。複数のスタブ３０は、平面視で内導体１２ａ´を囲み得る。スタブ３０の内導体１２ａ´の方向への突出量ｄは、スタブ３０のうち最も内導体１２ａ´に近い位置と、外導体１２ａ´´の内壁との距離によって定義される。

【0028】

図４のｘ正負方向の矢印はエッジ導波管１２Ｃに供給されるマイクロ波を表す。図４のｚ負方向の矢印は分岐部１２Ｄで分岐されずセンター導波管１２Ｂに供給されるマイクロ波を表す。したがって、分岐部１２Ｄは、マイクロ波投入部１０から提供されたマイクロ波パワーを３方向に分岐させる。そして、第１分岐部である分岐部１２Ｄは、マイクロ波投入部１０がセンターロッドにつながるか、マイクロ波投入部１０がエッジロッドにつながるかを決める分岐部である。前述のスタブ３０の突出量ｄに応じて、センターロッドへのマイクロ波パワーとエッジロッドへのマイクロ波パワーの比率を調整することができる。スタブ３０の突出量ｄの連続的変化は、当該比率の連続的変化をもたらす。センターロッドへのマイクロ波パワーとエッジロッドへのマイクロ波パワーの比率を調整することは、ロッドの外側におけるプラズマ生成率をセンターとエッジで制御できるということである。したがってスタブの突出量ｄを変化させることは、プラズマの分布を変化させる。

【0029】

図６は、別の例に係るスタブを示す図である。この例では、スタブ３２は角柱状となっている。図７は、別の例に係るスタブを示す図である。この例では、２個のスタブ３４が提供される。スタブ３４のうち内導体１２ａ´に対向する面は、内導体１２ａ´の表面形状に一致している。図８は、図７のスタブ３４の平面図である。スタブ３４は矢印方向に移動することで、その突出量を変化させる。スタブ３４のうち内導体１２ａ´に対向する面３４Ａの形状を、内導体１２ａ´の表面形状に一致又は類似させることは、スタブ３４によって第１間隙１３の大部分を塞ぐことを可能とする。

【0030】

このように、様々な形状のスタブを利用することができる。例えば、製造容易性、第１間隙１３への出し入れの容易性、第１間隙１３の遮蔽面積などを考慮して、スタブの形状を任意に設定することができる。

【0031】

図９は、スタブの配置例を示す図である。この例では、前述したスタブ３０に加えて、エッジ導波管１２Ｃにスタブ３６、３８が提供されている。スタブ３６、３８は、エッジ導波管１２Ｃにおける第１間隙１３に対して出し入れされる。この構成例では、スタブ３０、３６、３８の第１間隙１３への突出量を調整することで、プラズマの分布を変化させることができる。別の例によれば、スタブ３６、３８を提供し、スタブ３０を省略することができる。

【0032】

上述の例では、マイクロ波投入部１０から見て最初の分岐部である分岐部１２Ｄにスタブを提供することで、センターロッドとエッジロッドのマイクロ波パワーの比率を調整し得る構成とした。しかしながら、同軸導波管１２のうち分岐部によって分岐した任意の部分にスタブを設けることができる。例えば、マイクロ波投入部１０から見て２つ目又は３つ目の分岐部にスタブを設けることもできる。

【0033】

上述のプラズマ装置を用いた基板処理方法について説明する。例えば図２Ａに例示されるガス源２７からチャンバ１６の中にガスを提供する。チャンバ１６にガスが提供された状態で、又はチャンバ１６にガスを提供しながら、チャンバ１６内にプラズマを生成する。具体的には、マイクロ波投入部１０から投入されたマイクロ波を、同軸導波管１２の分岐部にスタブを挿入することでパワー分配してから、複数のロッド２４の誘電体２２で覆われた空間に提供する。そうすると、誘電体２２の外側に染み出たマイクロ波が誘電体２２の外側にプラズマを生じさせる。このプラズマがチャンバ１６の中に広がり、誘電体２２の外のチャンバ１６に覆われた空間にプラズマを生じさせる。そのプラズマでサセプタ２６の上の基板に処理を施す。基板処理は例えば、成膜、エッチング又は膜の改質である。

【0034】

スタブの突出量ｄが０であれば、基本的にはプラズマが不均一になる。プラズマ不均一の度合いはプロセスによる。第１間隙１３にスタブを挿入しないと、プラズマが不均一に分布し、図１０に示されるように電界強度が不均一になり得る。スタブはこのようなケースにおいてパワーの比率を制御し、プラズマ不均一性を調整するために用いることができる。スタブを外導体の内壁から内導体の方向へ突出させることで、複数のロッドへのパワーの分配比が変動し、複数のロッドの電界強度を不均一とすることができる。ロッドの電界強度を不均一とすることは、例えばプラズマ密度の不均一性などのプロセスの不均一性を補償し、プロセス均一性を向上させ得る。言いかえれば、不均一なプラズマ分布がプロセス均一性をもたらすことがある。このような目的を実現するために、センターロッドの電界強度をエッジロッドの電界強度より大きくしたり、センターロッドの電界強度をエッジロッドの電界強度より小さくしたりすることができる。

【0035】

図１０は、電磁界シミュレーションの結果を示すグラフである。横軸はスタブの突出量ｄであり、縦軸はセンターロッドとエッジロッドのパワー吸収量の比である。シミュレーションのモデルは、上述のプラズマ装置を採用し、チャンバ１６の内部のプラズマ密度は均一であることを仮定した、比較的簡易なものとした。スタブの構造として図７のスタブ３４を採用して計算した。このシミュレーションは、プラズマ密度、即ち電子密度が５．００Ｅ＋１７（１／ｍ^３）のときと、プラズマ密度が７．００Ｅ＋１７（１／ｍ^３）のときについて行った。

【0036】

このシミュレーションでは、どちらのプラズマ密度についても、スタブ突出量が大きくなるほどセンターロッドでのパワー吸収量が大きくなる傾向が見られた。より具体的には、スタブの突出量を増加させていくことで、センターロッドよりもエッジロッドのパワー吸収量が多い状態から、センターロッドよりもエッジロッドのパワー吸収量が少ない状態へシフトさせることができる。したがって、初期のプロセス結果が「エッジでプラズマ密度が高い」ことを示唆した場合、スタブの突出量を大きくすることでセンターロッドのパワー吸収量を増加させ、プラズマを均一に近付けることができる。発明者は、図４、６のスタブ形状でも、これと同じ傾向が得られることを確認した。図１１－１３は、スタブの突出量を変化させたときのロッドの電界強度を表す図である。ロッドにおいて濃い青色の部分が赤色の部分よりも電界強度が低い。赤色の部分は最も高い電界強度を有する。濃い青色の部分は最も低い電界強度を有する。

【0037】

上述のプラズマ装置と基板処理方法は様々な変形が可能である。例えば、同軸導波管内の分岐部にスタブを出し入れする手段は手動でもよいし、電気制御でもよいし、ねじ式でもよい。手動でスタブを出し入れする場合はスタブの側面に目盛りを設けておくことで、スタブの突出量を正確に把握できる。ねじ式のスタブの場合、ねじの回転量からスタブの突出量を正確に把握できる。

【符号の説明】

【0038】

１０ マイクロ波投入部、 １２ 同軸導波管、 １２Ａ 投入導波管、 １２Ｂ センター導波管、 １２Ｃ エッジ導波管、 １２Ｅ 端部、 １３ 第１間隙、 １４ 筐体、 ２１ 第２間隙、 ２４ ロッド、 ３０ スタブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】