特表 2023-540213 基板を化学的に処理するためのプラズマ処理システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-22

(54)【発明の名称】基板を化学的に処理するためのプラズマ処理システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20230914BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20230914BHJP

   C23C 16/507 20060101ALI20230914BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 L

H01L21/302 101C

C23C16/507

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023513304

(86)(22)【出願日】2021-08-17

(85)【翻訳文提出日】2023-04-20

(86)【国際出願番号】 US2021046224

(87)【国際公開番号】W WO2022046461

(87)【国際公開日】2022-03-03

(31)【優先権主張番号】17/003,734

(32)【優先日】2020-08-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】514028776

【氏名又は名称】トーキョー エレクトロン ユーエス ホールディングス，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】ヴェンツェク，ピーター

(72)【発明者】

【氏名】ランジャン，アロック

(72)【発明者】

【氏名】大秦 充敬

【テーマコード（参考）】

2G084

4K030

5F004

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084AA05

2G084AA13

2G084BB02

2G084CC03

2G084CC05

2G084CC06

2G084CC12

2G084CC13

2G084CC14

2G084CC33

2G084DD03

2G084DD13

2G084FF02

2G084FF04

2G084FF33

2G084FF38

2G084FF39

4K030EA05

4K030EA11

4K030FA04

4K030KA02

4K030KA30

4K030KA47

5F004BA03

5F004BA20

5F004BB13

5F004BB28

5F004DA01

5F004DA17

5F004DA18

5F004DA23

5F004DA26

(57)【要約】

プラズマ処理システムは、ラジカル源チャンバであって、気体入口、無線周波数（ＲＦ）電源に連結された電極であって、ラジカル源チャンバ内でラジカルを生成するように構成された電極、及びラジカル源チャンバ内で生成されたラジカルのための出口を含むラジカル源チャンバと、ラジカル源チャンパの出口に取り付けられたプレナムであって、第一の熱伝導体で製作され、その壁が気体流のための開口を含むプレナムと、ラジカル源チャンバにプレナムを通じて接続されるプロセスチャンバと、を含む。プロセスチャンバは、プレナムの下に配置された基板ホルダと、基板ホルダの下の気体出口と、第二の熱伝導体を含むプロセスチャンバ壁と、を含み、プロセスチャンバのプロセスチャンバ壁はプレナムの壁に熱的に結合される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマ処理システムであって、
ラジカル源チャンバであって、
気体入口と、
無線周波数（ＲＦ）電源に結合された電極であって、
前記ラジカル源チャンバ内でラジカルを生成するように構成された電極と、
前記ラジカル源チャンバ内で生成されたラジカルのための出口と、を含む、ラジカル源チャンバと、
前記ラジカル源チャンバの前記出口に取り付けられたプレナムであって、
前記プレナムは、第一の熱伝導体で製作され、
前記プレナムの壁は、気体流のための開口を含む、プレナムと、
前記プレナムを通じて前記ラジカル源チャンバに接続されたプロセスチャンバであって、
前記プレナムの下に配置された基板ホルダと、
前記基板ホルダの下の気体出口と、
第二の熱伝導体を含むプロセスチャンバ壁であって、前記プレナムの前記壁に熱的に結合している、プロセスチャンバ壁と、を含む、プロセスチャンバと、を含む、プラズマ処理システム。

【請求項2】

前記第一の熱伝導体は紫外線を透過させない材料を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記プレナムは、前記ラジカル源チャンバと前記基板ホルダとの間に介在し、前記プレナムは、前記ラジカル源チャンバから前記基板ホルダまでの直接見通し線の中で、前記ラジカル源チャンバ内から発せられる紫外線をブロックするように構成される、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記第一の熱伝導体は、片面がアルミナ又はイットリアで被覆されたアルミニウムを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記第一の熱伝導体と前記第二の熱伝導体は同じ熱伝導体を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記電極は、前記ラジカル源チャンバの外部で誘電材料を含む上カバーの上に配置された平面コイルのような形状の導電体である、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記電極は、前記ラジカル源チャンバの外部で誘電材料を含む円筒形側壁の周囲に配置された螺旋のような形状の導電体であり、前記導電体の長さは前記ＲＦ電源により電源供給された前記電極内のＲＦ電磁振動の波長の４分の１の倍数である、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

プラズマ処理システムであって、
プレナムであって、
底壁と、
前記底壁の縁に沿った側壁と、
前記側壁から外側へと延びるリムと、
前記側壁と前記底壁との間のラジカルバラスト領域と、を含み、熱伝導構造である、プレナムと、
気体入口と、無線周波数（ＲＦ）電極と、前記プレナムの前記リムに取り付けられた底部出口と、を含む、ラジカル源チャンバと、
前記リムにおいて前記プレナムに物理的に取り付けられた熱伝導壁を含むプロセスチャンバであって、前記プレナムは、前記ラジカルバラスト領域を通じて前記プロセスチャンバを前記ラジカル源チャンバに接続する開口を含む、プロセスチャンバと、
前記プレナムの前記底壁の下に配置された基板ホルダと、を含む、プラズマ処理システム。

【請求項9】

前記プレナムはリングのような形状のリムを有する帽子を逆さにしたような形状である、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記リムの前記開口の幅は前記ラジカル源チャンバの前記出口の幅より小さいか、それと等しく、
前記ラジカルバラスト領域の幅は前記ラジカル源チャンバの前記出口の幅より大きいか、それと等しく、
前記ラジカルバラスト領域の幅は前記基板ホルダの幅より大きいか、それと等しく、
前記ラジカルバラスト領域の深さは５ｃｍ～１５ｃｍであり、
前記ラジカルバラスト領域の幅対深さの比は３～１０である、請求項８に記載のシステム。

【請求項11】

前記開口は前記プレナムの前記側壁において、前記基板ホルダを通る軸の周囲に対称に配置される、請求項８に記載のシステム。

【請求項12】

前記開口は前記プレナムの前記側壁において、前記基板ホルダを通る鏡面の片側に対称に配置される、請求項８に記載のシステム。

【請求項13】

前記ラジカルバラスト領域は長方形の空洞のような形状であり、前記開口は前記プレナムの前記側壁の４つの長方形の面のうちの１つに配置される、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記開口は前記プレナムの前記底壁に配置される、請求項８に記載のシステム。

【請求項15】

前記プレナムの前記底壁の前記開口は、前記開口を通過する紫外線エネルギを前記底壁の上面に入射する紫外線エネルギの１％未満に限定するように構成される、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記プロセスチャンバの１つの面のみに配置された気体出口をさらに含み、前記気体出口は、気体流を前記プロセスチャンバの、前記プレナムの１つの面のみに隣接する領域に案内して、前記基板ホルダの上方に直交流を生じさせるように構成される、請求項８に記載のシステム。

【請求項17】

プラズマ処理方法であって、
基板をプロセスチャンバの底の付近に配置された基板ホルダ上にのせるステップと、
気体入口を介して、プロセスガスとキャリアガスをラジカル源チャンバの中へと導入するステップであって、前記ラジカル源チャンバは、前記ラジカル源チャンバの下に配置されたプレナムに取り付けられた出口を含む、ステップと、
プラズマをラジカル源チャンバ内に保持するステップであって、前記プラズマはラジカルを含む、ステップと、
前記ラジカルを前記プレナムの壁の開口を通る気体流の中で前記基板へ輸送するステップと、
前記基板の表面を前記ラジカルで化学的に処理するステップと、
前記基板ホルダの下に配置された気体出口を介して余剰の反応物質及び気体副生成物を前記プロセスチャンバから排除するステップと、を含む、方法。

【請求項18】

前記輸送するステップは、前記気体流を、前記プレナムの側壁を通って前記基板ホルダを通る軸の周囲に対称に案内するステップを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記輸送するステップは、前記気体流を、前記プレナムの側壁を通じて前記プレナムの片側のみに案内するステップを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項20】

前記基板の上方に前記ラジカルの直交流を生じさせるステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年８月２６日に出願された米国特許出願第１７／００３，７３４号の優先権及び出願日の利益を主張するものであり、同出願の全体を参照により本願に援用する。

【0002】

本発明は一般に、基板を処理するためのシステム及び方法に関し、特定の実施形態において、基板を化学的に処理するためのプラズマ処理システム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

一般に、集積回路（ＩＣ）等の半導体装置は、半導体基板上に誘電体、導電体、及び半導体材料の層を連続的に堆積させ、パターニングして、電子コンポーネント及び相互接続素子（例えば、トランジスタ、レジスタ、コンデンサ、金属線、コンタクト、ビア）をモノリシック構造に集積させたネットワークを形成することにより製作される。半導体装置の構成素構造を形成するために使用される堆積及びエッチ工程の多くは、プラズマ援用処理を含む。プラズマ処理技術には、化学的ドライエッチング（ＣＤＥ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ）（例えば、プラズマ灰化）、プラズマ又はスパッタエッチング、物理的及び化学的ドライエッチングの組合せ（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ））、及びプラズマ強化ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＤＶ）、プラズマ強化原子層エッチ（ＰＥＡＬＥ：ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｅｔｃｈ）、及びプラズマ強化原子層エッチ、及びプラズマ強化原子層堆積法（ＰＥＡＬＤ：ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が含まれる。

【0004】

テクノロジノードが進化するたびに、最小加工寸法は、低コスト化のためにコンポーネントパッキング密度をほぼ二倍にすることで縮小されている。高機能で低コストの電子部品に対する需要から、加工寸法は数ナノメートルまで微細化され、半導体製造技術における課題の軟度がより高まっている。特に、プラズマ処理技術では、多くの場合、寸法が原子レベルで精密に制御されたナノ構造を、幅広の（例えば、３００ｍｍ）のウェハに全体に均一に製造することが必要となる。より小型化される半導体装置の製造における精密さ、均一性、安定性、及び繰り返し性に対する厳しい要求を満たすためには、プラズマ設備及びプロセス設計のさらなる革新が必要かもしれない。

【発明の概要】

【0005】

プラズマ処理システムは、ラジカル源チャンバであって、気体入口、無線周波数（ＲＦ）電源に連結された電極であって、ラジカル源チャンバ内でラジカルを生成するように構成された電極、及びラジカル源チャンバ内で生成されたラジカルのための出口を含むラジカル源チャンバと、ラジカル源チャンパの出口に取り付けられたプレナムであって、第一の熱伝導体で製作され、その壁は、気体流のための開口を含むプレナムと、ラジカル源チャンバにプレナムを通じて接続されるプロセスチャンバと、を含む。プロセスチャンバは、プレナムの下に配置された基板ホルダ、基板ホルダの下の気体出口、及び第二の熱伝導体を含むプロセスチャンバ壁を含み、プロセスチャンバのプロセスチャンバ壁はプレナムの壁に熱的に結合される。

【0006】

プラズマ処理システムは、プレナムを含み、これは、底壁、底壁の縁に沿った側壁、側壁から外側へと延びるリム、及び側壁と底壁との間のラジカルバラスト領域を含む。プレナムは、熱伝導構造である。システムは、気体入口、無線周波数（ＲＦ）電極、及びプレナムのリムに取り付けられた底部出口を含むラジカル源チャンバと、リムにおいてプレナムに物理的に取り付けられた熱伝導壁を含むプロセスチャンバであって、プレナムは、プロセスチャンバをラジカル源チャンバにラジカルバラスト領域を通じて接続する開口を含むプロセスチャンバと、プレナムの底壁の下に配置された基板ホルダと、をさらに含む。

【0007】

プラズマ処理方法は、基板をプロセスチャンバの底の付近に配置された基板ホルダ上にのせるステップと、気体入口を介して、プロセスガスとキャリアガスをラジカル源チャンバの中へと導入するステップであって、ラジカル源チャンバは、ラジカル源チャンバの下に配置されたプレナムに取り付けられた出口を含む、ステップと、プラズマをラジカル源チャンバ内に保持するステップであって、プラズマはラジカルを含む、ステップと、ラジカルをプレナムの壁の開口を通る気体流の中で基板へ輸送するステップと、基板の表面をラジカルで化学的に処理するステップと、基板ホルダの下に配置された気体出口を介して余剰の反応物質及び気体副生成物をプロセスチャンバから排除するステップと、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

本発明及びその利点をより完全に理解するために、ここで、以下の説明が添付の図面と併せて参照される。

【0009】

【図1A】ある実施形態による、基板の表面を化学的に処理するためのプラズマシステムの断面図を示す。

【図1B】ある実施形態による、図１Ａの断面図に示されるプラズマシステムの一部の斜視図を示す。

【図1C】ある実施形態による、図１Ａの断面図に示されるプラズマシステムの部分の側面図を示す。

【図2A】ある実施形態による、基板の表面を化学的に処理するためのプラズマシステムの断面図を示す。

【図2B】ある実施形態による、図２Ａの断面図に示されるプラズマシステムの一部の斜視図を示す。

【図3A】ある実施形態による、基板の表面を化学的に処理するためのプラズマシステムの断面図を示す。

【図3B】ある実施形態による、図３Ａの断面図に示されるプラズマシステムの一部の斜視図を示す。

【図4】ある実施形態による、基板の表面を化学的に処理するためのプラズマシステムの断面図を示す。

【図5】ある実施形態による、基板の表面を化学的に処理する方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示では、プラズマラジカル源から抽出されたラジカルを含む気体反応物質に基板を暴露させることにより、基板の表面を比較的低い基板温度で化学的に処理するプラズマシステム及び方法の実施形態を説明する。本開示によるプラズマシステムをそのために使用し得るプラズマ処理方式では、基板をプラズマに直接暴露させない。これらの手法において、基板は、基板から離れた位置にあるプラズマから抽出され、その後、気体流の中で化学的処理のために基板の表面へと輸送されるエネルギラジカルを使って化学反応を起こさせることにより処理される。本開示において説明される実施形態によって、以下により詳しく説明するような、効率的な熱放散のための設備設計により実現される、効率的なラジカル輸送、プラズマ誘導放射による損傷の少なさ、及び安定な処理環境といった幾つかの利点が提供される。

【0011】

比較的低い基板温度での表面の化学的処理は多くの場合、比較的高いラジカル対イオン比で存在する高いエネルギラジカルを含む気体に表面を暴露させることによって行われる。一般に、化学処理には、イオン衝撃からの基板への物理的損傷を軽減させ、プラズマ放電で生成される高いエネルギ電磁放射（例えば、紫外線）からのプラズマ誘導放射損傷を軽減させるために間接的プラズマシステムが好まれる。典型的に、間接的プラズマシステムには３つの区間がある：基板から物理的に分離されたラジカル源を含む第一の区間、そこを通ってラジカルが気体流中で輸送され得る第二の区間、及び第二区間と接し、その中で基板が基板ホルダ上に載せられ得て、その表面がラジカルで化学的に処理され、余剰の反応物質及び気体副生成物が気体出口を介して排除される第三の区間。

【0012】

本開示に記載の間接的プラズマシステムにおいて、第一の区間はラジカル源チャンバと呼ばれ、プラズマを保持するように構成され得て、第二の区間はプレナムと呼ばれ、ラジカルバラスト領域を含み、第三の区間はプロセスチャンバと呼ばれ、基板が化学処理のためにラジカルに到達できるように、プレナムを通じてラジカル源チャンバに接続され得る。本開示の例示的実施形態は、ラジカル源チャンバ内の、純粋に誘導結合されたプラズマを保持するように構成された無線周波数（ＲＦ）電極を使用することにより、気体流内のより高いラジカルフラックス対イオンフラックスの比を提供し得る。図１Ａ～図３Ｂに関して説明する実施形態は、ラジカル源チャンバのＲＦ電極として螺旋共振器を使用し、それに対して図４に示される例示的実施形態ではプラズマコイルが使用されている。輸送中のラジカル損失は、遠隔プラズマ設計の代わりに隣接プラズマ設計を使用することによって軽減されていた。例示的実施形態の隣接プラズマ設計では、短いラジカルバラスト領域だけでラジカル源チャンバがプロセスチャンバから分離されている。プラズマ誘導損傷は、プレナムをそれらの間に介在させることによってプラズマをプロセスチャンバ内の基板から物理的分離することによってだけでなく、プレナムの壁を、ラジカル源チャンバから基板ホルダまでの直接的な見通し線内の紫外線を、紫外線不透過の材料を使ってブロックするように構成することによっても軽減されている。処理環境の不安定性は、プレナムの材料及び形状を効率的な熱放散のために設計することによって軽減されており、これは処理中の安定な低温を保持するのに役立つ。さらに、処理中の温度過渡に伴う表面の膨張と収縮が、堆積物の剥離の原因となり得て、それによってプロセスチャンバ内に不要な粒子が生成されることになる。

【0013】

プレナムの壁を貫通する気体流のための開口の位置は、プレナムの壁を通ってプロセスチャンバに入る気体を、プロセスチャンバ内の基板ホルダの上にのせられている基板の表面の上に所望のパターンで流れるように方向付ける構成で設計され得る。図１Ａ～１Ｃは、気体流が基板の周辺から横方向に案内されるある実施形態の間接的プラズマシステム１００を示している。図２Ａ～２Ｂに示される実施形態では、プラズマシステム２００内の気体流は上から縦方向に案内され、図３Ａ～３Ｂに示される他の実施形態のプラズマシステム３００では、気体は片側から、基板上で直交流を生成するように案内される。

【0014】

ここで図１Ａを参照すると、プラズマシステム１００は、ラジカル源チャンバ１１０と、ラジカル源チャンバ１１０の出口に取り付けられたプレナム１２０と、ラジカル源チャンバ１１０にプレナム１２０を通じて接続されるプロセスチャンバ１３０と、を含む。

【0015】

プラズマシステム１００のラジカル源チャンバ１１０は、上カバー１０８内の気体入口１０２と側壁１０６の外側に配置された無線周波数（ＲＦ）電極１０４とを有する、逆さにした開放円筒体のような形状であり得る。ＲＦ電極１０４は、誘電体（例えば、セラミック材料）を含む側壁１０６の周囲に縦方向に巻かれた導電性螺旋であり得る。上カバーは、ラジカル源チャンバ１１０の内側向きの面に誘電体コーティングを有する導電性材料、例えばアルミナ又はイットリアで被覆されたアルミニウムを含む。各種の気体（例えば、アルゴン、酸素、六フッ化硫黄、及びテトラフルオロメタン、三フッ化窒素、その他）がチャンバ内に導入され得て、制御された気体放電プラズマがラジカル源として形成される。

【0016】

電極１０４は、ＲＦ電源（図示せず）に結合される。導体の長さは、ＲＦ電源により電源供給される電極のＲＦ電磁振動の４分の１波長（λ／４）又は２分の１波長（λ／２）となるように設計され得る。各種の実施形態において、振動周波数ｆは、約１５ＭＨｚ～約５００ＭＨｚ、１つの実施形態においては約１５ＭＨｚ～約２００ＭＨｚであり得る。電極１０４は、純粋に誘導結合されたモードで動作して、ラジカル源チャンバ１１０内で約０．０１Ｗ／ｃｍ^３～約１Ｗ／ｃｍ^３のＲＦ電力密度でプラズマを保持するように構成され得る。

【0017】

本開示のこの例示的実施形態において、幅ｄのラジカル源チャンバ１１０は、図１Ａに示されるように、ラジカルがラジカル源チャンバ１１０から出る気体流の中で出口に取り付けられたプレナム１２０のラジカルバラスト領域１２８へと輸送されるようにする開放底部を有する。プレナム１２０は、底壁１２２、底壁１２２の縁に沿った側壁１２６、側壁から外側へと延びるリム１２４、及び側壁１２６と底壁１２２との間のラジカルバラスト領域１２８を含む。プレナム１２０は、図１Ｂの斜視図においてわかるように、側壁１２６及び底壁１２２により区切られるラジカルバラスト領域１２８へと続く中心開口を有するリング状のリム１２４のある、逆さにした帽子のような形状であり得る。リム１２４の中心開口の幅は、ラジカル源チャンバ１１０の幅ｄより小さいか、それと等しくなるように設計される。（図１Ａにおいて、リム１２４の開口の幅は、あくまでも例としてｄと等しく示されている。これによって、図１Ａに示されているように、ラジカル源チャンバ１１０の底部出口をプレナム１２０のリム１２４に物理的に取り付けることができる。ラジカルはそれゆえ、リム１２４の中心開口を使ってラジカル源チャンバ１１０から出て、ラジカルバラスト領域１２８に入ることができる。

【0018】

また、リム１２４には、図１Ａに示されるように、リム１２４の下に配置されたプロセスチャンバ１３０も取り付けられる。図１Ａに示されるプラズマシステム１００のような本願に記載の実施形態では、リム１２４は側壁１２６から外側に延びてプロセスチャンバ１３０の上部を覆い、プロセスチャンバ１３０の壁１３４の縦方向の部分に取り付けられる。その他の各種の実施形態において、リム１２４はプロセスチャンバ１３０の縁に向かって途中まで延び、プロセスチャンバ１３０の上カバーに取り付けられても、リム１２４及び壁１３４が１つのモノリシックな構造であってもよい。

【0019】

図１Ａに示されるプロセスチャンバ１３０は、側壁１２６に隣接する環状領域を含み、さらに下に、底壁１２２に隣接する円筒形領域へと延びる。基板ホルダ１３２は、プレナムの底壁１２２の下の隣接領域に配置され得る。基材１４０は、基板ホルダ１３２上にのせられているように示されている。気体出口１３６は、基板ホルダ１３２の下に配置され得て、そこを介して余剰の反応物質及び気体副生成物がプロセスチャンバ１３０から排除され得る。使用されたプロセスチャンバ設計は本開示の全ての実施形態に共通であるが、気体出口１３６は、基板ホルダ１３２の上に所望の非対称の気体流パターンを生じさせやすくするために、プラズマシステム３００（図３Ａ参照）等の実施形態では非対称に配置され得る点が異なる。本開示の例示的なプラズマシステムの各々は１つの気体入口及び１つの気体出口を示しているが、複数の気体入口及び複数の気体出口も使用され得ると理解されたい。

【0020】

本開示に記載のプラズマシステムの設計の１つの態様は、効率的な熱放散である。その目的のために、プレナム１２０の壁、例えば底壁１２２、リム１２４、及び側壁１２６並びにプロセスチャンバ１３０の壁１３４は、アルミニウム、銅、又はその他等の熱伝導材料を含み、物理的且つ熱的に相互に結合される。当業者の間で知られているように、プラズマシステム１００等のプラズマシステムの導電性の壁は、システムアース（基準電位）に電気的に接続され得る。プラズマシステム１００では、プレナム１２０の接地壁と非弾性衝突する気体流中の正に帯電したエネルギイオンにより熱が生成され得て、壁にそのエネルギが熱として伝わる。エネルギを有するラジカルによるラジカルバラスト領域１２８の周囲の壁へのランダムな衝突も、熱生成に寄与する。生成された熱の迅速な排除は、高い熱伝導率を有する材料を使用することによってだけでなく、構造の機械的設計における部品間の接続数を減らすことによっても容易にされ得る。金属ジョイントの熱接触は、例えばラップジョイント、Ｔジョイント、又はコーナジョイント等のジョイントにより接続される吊り下げ部品の機械的応力によって経時的に溝内に広がるギャップにより劣化され得る。

【0021】

熱伝導材料を使用することに加えて、図１Ｂに示されるプレナム１２０の帽子を逆さにした構造は、プロセスチャンバ壁１３４への効率的な熱の流れを実現するために熱抵抗を減らすように、モノリシック構造として設計され得る。１つの実施形態において、プレナム１２０及びプロセスチャンバ壁１３４は、例えば鋳造又は他の何れかの金属成形プロセスにより、モノリシック構造として一体に形成できる。

【0022】

プロセスチャンバ壁１３４は、ヒートシンクとして動作する熱容量を有し得るか、又は外部ヒートシンクに熱的に接続され得る。上で説明したように、効率的な熱の除去は、安定な処理環境を保持するのに役立つという利点を提供する。プロセスチャンバ１３０の壁１３４及び、プレナム１２０の、隣接するプロセスチャンバに面する壁のコンディショニング及び／又は表面のアルミナ又はイットリア等の材料の薄層による被覆もまた、処理環境を安定化するに役立つ。

【0023】

図１Ａに示される被覆層１２１は、様々な手法を使って提供され得て、例えば陽極酸化されたアルミニウム、イットリアでの被覆、又はプロセスチャンバ１３０のコンディショニングが用いられる。被覆層１２１は、プレナム１２０の壁のための１つの材料とプロセスチャンバ１３０の壁１３４のための異なる材料を含み得る。一般に、プラズマプロセスチャンバの化学的状態は、処理中に、イオン衝撃並びに各種のラジカル及び気体副生成物との化学反応により変化する。被覆層１２１は、壁の化学的状態のこのような可変性を減少させ、したがってプラズマ処理環境をさらに安定化させるという追加の利点を提供する。

【0024】

プロセスチャンバ１３０は、プレナム１２０のラジカルバラスト領域１２８を通じてラジカル源チャンバ１１０に接続される。ラジカルバラスト領域１２８の幅Ｄは、前述のように、ラジカルのための出口としても設計されているリム１２４の開口の幅より大きいか、それと等しい。したがって、本開示に記載の実施形態では、ラジカル源チャンバ１１０内でプラズマから抽出されたラジカルは、プレナムの壁の穴のみを通じて気体流の中で基板１４０へと輸送され得る。それゆえ、プレナム１２０の設計における開口の構成は、気体流をプレナム１２０を通じて、及びプロセスチャンバ１３０内で所望のパターンで案内するために使用され得る。図１Ａ～４に示される実施形態では、ラジカルバラスト領域１２８及び３２８のラジカルバラスト領域の幅Ｄはまた、それぞれの基板ホルダ１３２の幅より大きいか、それと等しい。

【0025】

図１Ａにおいて、リム１２４の中心開口の幅はラジカル源チャンバ１１０の幅ｄと等しく示されている。しかしながら、リム１２４内の中心開口の幅は、例えばリム１２４がさらに内側へと延びてラジカル源チャンバ１１０をラジカルバラスト領域１２８に接続する開口を収縮させるような設計において、より小さくてもよいと理解されたい。

【0026】

図１Ａにおいて、気体入口１０２と気体出口１３６との間の気体流は、次のような３つの連続する区間を含むチャネルを通って流れるように示されている：図１Ａにおいてブロック矢印で示されるように、ラジカル源チャンバ１１０、プレナム１２０、及びプロセスチャンバ１３０。気体出口１３６において接続された真空ポンプを含む気体流システム（図示せず）は、安定した気体流を保持するために制御された圧力勾配を生じさせるのに使用され得る。プラズマシステム１００において、基板ホルダ１３２（及び基板１４０）はプロセスチャンバの周辺から半径方向に内側に案内されている。プラズマシステム１００の設計の各種の開口の構成は、図１Ａ～１Ｃに関して理解されるように、流れを導くために使用されている。

【0027】

気体混合物、例えば酸素とアルゴンの混合物は、ラジカル源チャンバ１１０の上カバー１０８にある気体入口１０２を通じて導入され得る。気体はイオン化され得て、酸素ラジカルを含むプラズマは、ＲＦ電源に結合された電極１０４からの電磁エネルギを使ってラジカル源チャンバ１１０の内側に保持され得る。プラズマシステム１００では、電極１０４はセラミック側壁１０６の外側に配置され、プラズマに誘導結合された螺旋共振器である。ラジカル源チャンバ１１０の寸法は、ラジカル源チャンバ１１０の指定された容積内で気体放電プラズマを着火させ、そこに閉じ込めるように設計される。例えば、ラジカル源チャンバの高さｈ及び幅ｄは少なくとも表皮深さの数倍である。各種の実施形態において、ｈは約５ｃｍ～約２０ｃｍであり、ｄは約１０ｃｍ～約２０ｃｍである。

【0028】

ラジカル（例えば、酸素ラジカル）は、気体流中でラジカル源チャンバ１１０から底部出口を通ってプレナム１２０のラジカルバラスト領域１２８へと輸送され得る。図１Ｂの斜視図に記されているように、ラジカルバラスト領域１２８は帽子を逆さにした形状のプレナム１２０の空洞である。ラジカルバラスト領域は、幅Ｄと深さＬの円柱形状を有する。プラズマシステム１００において、中実の底壁１２２（開口がない）は縦方向の流れをブロックし、それによって、図１Ａ及び１Ｂでブロック矢印により示されているように、気体を半径方向に外側に円筒形のラジカルバラスト領域１２８の縦方向の側壁１２６へと流れるように案内する。気体がプレナム１２０から出てプロセスチャンバ１３０へと流れるようにするための開口は、ラジカルバラスト領域１２８の側壁１２６内に対称に位置付けられる。気体をプロセスチャンバの壁１３４に向かって半径方向の外側に導くことは、気体中のラジカル対イオンの比を大きくするのに役立つ。バラスト領域１２８の周囲の環状領域の表面積対体積の比を大きくすることにより、プロセスチャンバの壁１３４との衝突が増える。壁１３４との衝突では、イオンの付着係数はラジカルのそれより高い。したがって、衝突速度が速くなると、ラジカル対イオンの比が上昇する。基板ホルダ１３２及び基板１４０は、プレナム１２０の直下に配置され、気体出口１３６は基板ホルダ１３２の直下に位置付けられる。この構成により、構造は基板１４０の表面に垂直な軸の周囲でほぼ軸対称となり、基板１４０の上に気体の方位角的に対称な流れが生成される。

【0029】

図１Ｃは、プレナム１２０の幅Ｗと深さＬとほぼ等しい長さの長方形の開口１２７を有する側壁１２６の側面図を示している。側壁１２６は、円形底壁１２２の縁に沿って配置され、円周の長さπＤを有する。ラジカルバラスト領域１２８及び側壁１２６の開口１２７の寸法のための設計では、プレナムから出る気体流と熱の流れの両方に関する要求事項が考慮される。ＷとＬがより小さいと、気体流は制約されるが、プレナムから出る熱の流れは改善される。

【0030】

ラジカルバラスト領域１２８の寸法は、気体がプロセスチャンバ１３０に入る前にほぼ安定で均一な密度を実現でき、また、ラジカル源チャンバ１１０への逆流を防止するのに十分な圧力勾配を提供するように設計され得る。一般に、深さＬは拡散長さの数倍であり、それぞれの幅Ｄは所望の圧力勾配及び体積流量を実現するように設計される。様々な形状のコンジットの体積流量、圧力勾配、及び幾何学パラメータの間の既知の関係は、ラジカルバラスト領域の設計において利用され得る。図１Ｃに示される実施形態のラジカルバラスト領域１２８は円筒形状を有する。他の実施形態では、ラジカルバラスト領域は異なる形状を有し得る。例えば、図３Ａ及び３Ｂのラジカルバラスト領域３２８は長方形の形状を有する。各種の実施形態において、深さＬは約５ｃｍ～約１５ｃｍであり、比Ｄ／Ｌは約３～約１０である。各種の実施形態において、長方形の開口１２７の幅Ｗは約０．１ｃｍ～約５ｃｍであり得る。プロセスチャンバ１３０の圧力はプロセスレシピの仕様により制約され得て、様々な実施形態において約０．０１Ｔｏｒｒ～約０．２５Ｔｏｒｒであり得る。ラジカル対イオン比を増大させ、望ましくないスパッタリングを回避し、逆流を防止するのを助けるために、ラジカル源チャンバ１１０内の圧力は比較的高く、典型的にはプレナム１２０内のチョーク流れ状態のそれの２倍である。各種の実施形態において、ラジカル源チャンバ１１０内の圧力は約０．５Ｔｏｒｒ～約１Ｔｏｒｒであり得る。

【0031】

プラズマシステム１００のプレナム１２０の中実底壁１２２は、有害な電磁波、例えば紫外線を基板に届かないようにブロックするという追加の利点を提供し得る。前述し、図１Ａに示すように、プレナム１２０の幅Ｄは、底壁１２２の幅でもあるが、基板ホルダ１３２（及び基板１４０）の幅より大きく、また、その中にプラズマが閉じ込められ得るラジカル源チャンバ１１０の幅より大きくなるように設計されてよい。同じく前述したように、プレナムの壁（底壁１２２を含む）は、アルミニウムや銅等の金属を含み得る。当業者の間で知られているように、アルミニウムや銅等の金属は、あらゆる実践的目的のために、これらの材料の自由電子密度が非常に高いため、電磁放射を透過させない。したがって、プラズマシステム１００の設計において、寸法は、底壁１２２がプラズマと基板との間の見通し線内にあるように調整され得て、したがって、基板１４０はプラズマ誘導放射による損傷から適切に遮蔽され得る。

【0032】

図２Ａ及び２Ｂは、プラズマシステム２００を示す。プラズマシステム１００とプラズマシステム２００との１つの相違点は、プラズマシステム２００では、図２Ａ及び２Ｂでブロック矢印により示されているように、プレナム２２０を通るプロセスチャンバ１３０への気体流がプレナム２２０の底壁２２２の開口２２７を通って縦方向に案内されることである。図２Ａ及び２Ｂに示されているように、気体流のための開口２２７は、プロセスチャンバ１３０内のプレナム２２０の直下に位置付けられた基板ホルダ１３２及び基板１４０の表面に垂直な軸の周囲に対称に構成される。プラズマシステム１００と同様に、基板ホルダ１３２の直下に気体出口１３６がある。したがって、気体は基板１４０の上で基板１４０の周辺で対称に外側へと流れ、気体出口１３６を通ってプロセスチャンバ１３０から出る。

【0033】

プレナム２２０の底壁２２２には開口２２７があるため、プラズマシステム２００内のプラズマから発せられる電磁放射をブロックする能力は、プラズマシステム１００と比べて縮小されるかもしれない。しかしながら、開口２２７は、ブロックする能力をほぼ同じに保持するように設計され得る。例えば、底壁２２２の穴（開口２２７）の幅は、高いアスペクト比を提供するために狭くなるように設計され得る。アスペクト比が高いと、プラズマの見通し線内で基板１４０が紫外線に暴露された状態を保つ全立体角は大幅に減少し、それによって、例えばラジカル源チャンバ内でプラズマにより発せられる紫外線エネルギのうち基板１４０に到達するのは１％未満であり得る。

【0034】

図３Ａ～３Ｂは、プラズマシステム３００の壁の開口の非対称構成により非対称の気体流が生成されるプラズマシステム３００を示す。プラズマシステム１００とプラズマシステム３００との１つの相違点は、プラズマシステム３００では、図３Ａ～３Ｂでブロック矢印により示されるように、ラジカルバラスト領域３２８を通るプロセスチャンバ３３０への気体流がプレナム３２０の片側（例えば、図３Ａ～３Ｂでは左側）に向かって非対称に案内され、プレナム３２０から出ると、気体は基板ホルダ１３２（及び基板１４０）の上でプロセスチャンバ３３０の中でプレナム３２０の反対側（例えば、図３Ａ～３Ｂでは右側）への直交流として流れる点である。

【0035】

図３Ａ～３Ｂに示される例では、ラジカルバラスト領域３２８内で一方向の直線流が望まれる。このような流れのパターンを生成するためには、プレナム３２０のために長方形の帽子を逆さにした形状を使用することが好ましい。図３Ｂの斜視図に示されているように、ラジカルバラスト領域３２８は側壁３２６の４つの長方形の縦方向の面間で横方向に延び、リム３２４から下方に長方形の底壁３２２に向かって縦に延びるように設計され得る。リム３２４の形状は、プラズマシステム１００のリム１２４と同じのままであり得る。一方向の直線流パターンは、プレナム３２０を側壁３２６の１つの長方形の面に開口を有するように構成することによって生成され得て、プレナム３２０の側壁３２６の残りの３つの面と長方形の底壁３２２は中実で（開口がない）気体流をブロックするように設計される。側壁３２６の開口は非対称に片側に、例えば図３では左側に位置付けられているため、図３に示されるように、ラジカル化バラスト領域３２８内部の気体流は、左側へと案内される。基板１４０上の気体流パターンは、プロセスチャンバ３３０を、側壁３２６の開口が位置付けられている側の反対側であるプレナム３２０の右側に配置された気体出口３３６を有するように構成することによって案内され得る。プロセスチャンバ３３０内の基板ホルダ１３２の位置は、プレナム３２０の直下のままであり得る。

【0036】

プラズマシステム１００、２００、及び３００のラジカル源チャンバは電極１０４を含み、これはＲＦ電源をプラズマに結合するための螺旋共振器として構成され得る。図４はプラズマシステム４００を示しており、ここではラジカル源チャンバ４１０が平面コイルのような形状の電極４０４を備えている。電極４０４はＲＦ電源に結合され得る。図４に示されるように、電極４０４は誘電体（例えば、セラミック）上カバー４０８の上に配置されて、ＲＦ電源をプラズマへと誘導結合により供給するように構成され得る。ラジカル源チャンバ４１０の側壁４０６は、アルミニウム又は銅等の導電性材料を含み得て、気体入口４０２は気体（例えば、アルゴン、酸素、六フッ化硫黄、テトラフルオロメタン、三フッ化窒素、及びその他）を導入するように位置付けられ得る。

【0037】

処理方法のフロー図が図５に示されている。図５のブロック５１０に示されているように、基板は、プロセレスチャンバ内部、例えばプロセスチャンバの底の付近に位置付けられた基板ホルダ上にのせられ得る。ブロック５２０で、プロセスガスとキャリアガスの気体混合物は、例えばプロセスチャンバの上方に配置されたラジカル源チャンバの中へと導入され得る。ラジカル源チャンバは、ラジカルバラスト領域を含むプレナムに取り付けられる底部出口を有し得る。ブロック５３０に示されているように、プラズマはラジカル源チャンバ内で着火され、保持され得る。プラズマはラジカルを含み得て、したがって基板の表面を化学的に処理するために下流で使用されることになるラジカルの生成減であり得る。ブロック５４０に示されているように、ラジカル源チャンバを出てプレナムに入ったラジカルは、プレナムの壁の開口を通ってプロセスチャンバ内の基板へと輸送され得る。ラジカルは、基板の上で気体流の中で移動され得る。ブロック５５０で、基板の露出表面がラジカルで化学的に処理され得る。ブロック５６０に示されているように、気体流は、プロセスチャンバの気体出口を介して余剰な反応物質と気体副生成物を排除し得る。気体出口は、基板ホルダの下に位置付けられ得る。

【0038】

本発明の例示的な実施形態をここで要約する。他の実施形態も、本明細書の全体及び本明細書で出願される特許請求の範囲から理解することができる。

【実施例】

【0039】

実施例１．プラズマ処理システムは：ラジカル源チャンバであって、気体入口、無線周波数（ＲＦ）電源に結合された電極であって、ラジカル源チャンバ内でラジカルを生成するように構成された電源、及びラジカル源チャンバ内で生成されたラジカルのための出口を含むラジカル源チャンバと、ラジカル源チャンバの出口に取り付けられたプレナムであって、第一の熱電導体で製作され、その壁が気体流のための開口を有するプレナムと、ラジカルは源チャンバにプレナムを通じて接続されたプロセスチャンバであって、プレナムの下に配置された基板ホルダと、基板ホルダの下の気体出口と、第二の熱伝導体を含むプロセスチャンバ壁を含み、そのプロセスチャンバ壁はプレナムの壁に熱的に結合されるプロセスチャンバと、
と、を含む。

【0040】

実施例２．実施例１によるシステムにおいて、第一の熱伝導体は紫外線を透過させない材料を含む。

【0041】

実施例３．実施例１又は２のうちの１つによるシステムにおいて、プレナムはラジカル源チャンバと基板ホルダとの間に介在し、プレナムは、ラジカル源チャンバから基板ホルダまでの直接見通し線の中で、ラジカル源チャンバ内から発せられる紫外線をブロックするように構成される。

【0042】

実施例４．実施例１～３のうちの１つによるシステムにおいて、第一の熱伝導体は、片面がアルミナ又はイットリアで被覆されたアルミニウムを含む。

【0043】

実施例５．実施例１～４のうちの１つによるシステムにおいて、第一の根さ伝導体及び第二の熱伝導体は同じ熱伝導体を含む。

【0044】

実施例６．実施例１～５のうちの１つによるシステムにおいて、電極は、ラジカル源チャンバの外部の誘電材料を含む上カバーの上方に配置された平面コイルのような形状の導電体である。

【0045】

実施例７．実施例１～６のうちの１つによるシステムにおいて、電極はラジカル源チャンバの外部の、誘電材料を含む円筒形側壁の周囲に配置された螺旋のような形状の導電体であり、導電体の長さはＲＦ電源により電源供給される電極内のＲＦ電磁振動の波長の４分の１の倍数である。

【0046】

実施例８．プラズマ処理システムは：底壁、底壁の縁に沿った側壁、側壁から外側へと延びるリム、及び側壁と底壁との間のラジカルバラスト領域を含むプレナムであって、熱伝導構造であるプレナムと、気体入口、無線周波数（ＲＦ）電極、及びプレナムのリムに取り付けられた底部出口を含むラジカル源チャンバと、リムにおいてプレナムに物理的に取り付けられた熱伝導壁を含むプロセスチャンバであって、プレナムがプロセスチャンバをラジカル源チャンバにラジカルバラスト領域を通じて接続する開口を有するようなプロセスチャンバと、プレナムの底壁の下に配置された基板ホルダと、を含む。

【0047】

実施例９．実施例８によるシステムにおいて、プレナムはリングのような形状のリムを有する帽子を逆さにしたような形状である。

【0048】

実施例１０．実施例８又は９のうちの１つによるシステムにおいて、リムの開口の幅はラジカル源チャンバの出口の幅より小さいか、それと等しく、ラジカルバラスト領域の幅はラジカル源チャンバの出口の幅より大きいか、それと等しく、ラジカルバラスト領域の幅は基板ホルダの幅より大きいか、それと等しく、ラジカルバラスト領域の深さは５ｃｍ～１５ｃｍであり、ラジカルバラスト領域の幅対深さの比は３～１０である。

【0049】

実施例１１．実施例８～１０のうちの１つによるシステムにおいて、開口はプレナムの側壁において、基板ホルダを通る軸の周囲で対称に位置付けられる。

【0050】

実施例１２．実施例８～１１のうちの１つによるシステムにおいて、開口はプレナムの側壁において、基板ホルダを通る鏡面の片側に非対称に位置付けられる。

【0051】

実施例１３．実施例８～１２のうちの１つによるシステムにおいて、ラジカルバラスト領域は長方形の空洞のような形状であり、開口はプレナムの側壁の４つの長方形の面のうちの１つに位置付けられる。

【0052】

実施例１４．実施例８～１３のうちの１つによるシステムにおいて、開口はプレナムの底壁に位置付けられる。

【0053】

実施例１５．実施例８～１４のうちの１つによるシステムにおいて、プレナムの底壁の開口は、開口をと通過する紫外線エネルギを、底壁の上面に入射する紫外線エネルギの１％未満に限定するように構成される。

【0054】

実施例１６．実施例８～１５のうちの１つによるシステムにおいて、プロセスチャンバの１つの面のみに配置された気体出口をさらに含み、気体出口は、気体流をプロセスチャンバの、プレナムの１つの面のみに隣接する領域に案内して、基板ホルダの上方に直交流を生じさせるように構成される。

【0055】

実施例１７．プラズマ処理方法は：基板をプロセスチャンバの底の付近に配置された基板ホルダ上にのせるステップと、気体入口を介して、プロセスガスとキャリアガスをラジカル源チャンバの中へと導入するステップであって、ラジカル源チャンバは、ラジカル源チャンバの下に配置されたプレナムに取り付けられた出口を含むようなステップと、プラズマをラジカル源チャンバ内に保持するステップであって、プラズマはラジカルを含むようなステップと、ラジカルをプレナムの壁の開口を通る気体流の中で基板へと輸送するステップと、基板の表面をラジカルで化学的に処理するステップと、基板ホルダの下に配置された気体出口を介して、余剰な反応物質及び気体副生成物をプロセスチャンバから排除するステップと、を含む。

【0056】

実施例１８．実施例１７による方法において、輸送するステップは、気体流を、プレナムの側壁を通じて基板ホルダを通る軸の周囲で対称に案内するステップを含む。

【0057】

実施例１９．実施例１７又は１８のうちの１つによる法補において、輸送するステップは、気体流を、プレナムの側壁を通じてプレナムの片側のみで案内するステップを含む。

【0058】

実施例２０．実施例１７～１９のうちの１つによる方法において、基板の上方にラジカルの直交流を生じさせるステップをさらに含む。

【0059】

以上、基板の表面を化学的に処理するためのプラズマシステム及び方法の各種の実施形態を説明した。説明した実施形態は幾つかの利点を提供し、これには、低いラジカル損失と高いラジカル対イオン比、プラズマ誘導放射による損傷の軽減又は排除、処理中に安定した温度を提供する効率的な熱放散が含まれる。プラズマシステムには設計の多くのバリエーションがあり得、そのうちのいくつかを本開示において説明した。しかしながら、当業者であれば説明された例示的な実施形態から他の多くのバリエーションも考案し得ると理解されたい。例えば、ＲＦ電源は容量結合又はマイクロ波源からも提供され得る、プレナム内の気体流のための開口は異なる形状、例えば円形の穴若しくは長方形の穴の２次元配列でもあり得る、熱伝導体の幾何学設計を変更できる、プラズマシステムの構造の設計に異なる寸法や材料を使用できる。

【0060】

本発明は、例示的実施形態を参照して説明されているが、本明細書は、限定的な意味で解釈されることを意図するものではない。当業者であれば、本明細書を参照することにより、それらの例示的実施形態の様々な修正形態及び組み合わせ並びに本発明の別の実施形態が明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなあらゆる修正形態又は実施形態を包含することが意図される。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】