JP2016225050A

JP2016225050A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2016225050A
Application number: JP2015108071A
Authority: JP
Inventors: 良司西尾; Ryoji Nishio
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2035-05-28
Also published as: JP6594664B2

Abstract

【課題】プラズマ入熱による誘電体窓の破損を抑制できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】試料３がプラズマ処理される金属製のチャンバ１と、チャンバ１の上部を気密に封止する誘電体の誘電体窓２と、円板状の誘電体窓２の上方に配置され誘導磁場を発生させる誘導アンテナ４と、誘導アンテナ４に高周波電力を供給する高周波電源７とを備えるプラズマ処理装置において、誘導体窓２の外側に配置され誘電体窓２に圧着された金属製の圧縮リング９をさらに備え、圧縮リング９の線膨張率は、誘電体窓２の線膨張率より大きい。【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、特に誘導結合型プラズマ源を備えるプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイス製造分野においては、試料のエッチングや表面処理に誘導結合型（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ：ＩＣＰ）のプラズマ装置が利用されている。

従来の誘導結合型プラズマ処理装置として特許文献１には、真空処理室２の一部を構成するとともに処理ガスの吹き出し口を備えたガスリングと、前記ガスリングの上部を被覆して真空処理室を形成するベルジャ１２と、前記ベルジャ１２上部に配置し、前記真空処理室内に高周波電界を供給してプラズマを生成するアンテナ１ａ，１ｂと、前記真空処理室内に試料１３を載置する載置台５と、前記アンテナ１ａ，１ｂとベルジャ１２間に配置するとともに高周波バイアス電圧が付与されるファラデーシールド８と、前記処理ガスの吹き出し口を除く前記ガスリング内面に着脱自在に取り付けた防着板からなり、前記試料面から見込むことのできる防着板を含むガスリング内面の面積を前記試料の面積の略１／２以上に設定したプラズマ処理装置が開示されている。

上記のプラズマ処理装置では、エッチングが施される試料の膜種により塩素やフッ素等の腐食性の強い処理ガスを用いることが多い。このため、上記の真空処理室２及び上記のベルジャ１２の材質には、腐食性ガスに対する耐食性が求められ、誘電特性の良いアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックスが一般的に用いられている。

特開２００４−２３５５４５号公報特開２０１５−０２２８５５号公報特開２００３−２８２７５４号公報特開２００５−１９１３１４号公報

図８に示すような誘電体の真空窓の外周をステンレス製の真空容器で支持される構造を有する誘導結合型プラズマエッチング装置において、プラズマ入熱が高いエッチング条件でエッチングした場合に誘電体の真空窓が破損する現象が見られた。この現象を解明するためにプラズマ入熱がある場合の誘電体の真空窓の温度を調べた。

図８は、アルミナ製の真空窓（以下、誘電体窓と称する）に５００Ｗ相当のプラズマ入熱を与えた場合に誘電体窓２の面内に発生する温度分布を示す。ここで、図中の横軸は、誘電体窓２の半径を、縦軸は誘電体窓２の温度を示す。尚、横軸の０ｍｍは、誘電体窓２の中心を示し、２００ｍｍは、誘電体窓２の最外周を示す。

誘電体窓２に高パワーのプラズマ入熱が加えられた場合、図８に示すように誘電体窓２の中央部の温度は高く、誘電体窓２の外周部へと近づくにつれて温度が徐々に低くなるような温度分布が誘電体窓２に発生していた。この誘電体窓２の温度分布は、誘電体窓２の外周部がステンレス製のチャンバ１に支持され、チャンバ１の熱伝導率が高く、アルミナの熱伝導率が低いことに起因しているものと考えられる。

さらにこの温度分布による誘電体窓２の面内の温度差により、温度の高い誘電体窓２の中心部は温度の低い外周部に比べてより膨張しようとするため、誘電体窓２の中心部の円周方向に圧縮応力が発生し、この中心部の圧縮応力により誘電体窓２の外周部の円周方向に引張応力が誘発される。この応力分布を図８に定性的に示す。また、一般的にアルミナは、圧縮応力に強く、引張り応力に弱い。これらのことから、プラズマ入熱が大きい場合の誘電体窓２の破損は、誘電体窓２の外周部の円周方向に発生した過大な引張応力が原因である。

そこで、上記の過大な引張応力による誘電体窓２の破損を防ぐには、誘電体窓２の面内で発生する温度分布を均一化することが必要である。すなわち、誘電体窓２の面内の温度差を低減しなければならない。この方法としては、誘電体窓２全体を温調する必要があり、例えば、特許文献２に記載されているように
（１）誘電体窓２の温度上昇部＝圧縮応力発生部（誘電体窓２の中央部）に冷却エアーを吹き付けて冷却する。
（２）誘電体窓２の外周部＝引張り応力発生部をヒータで直接・間接的に加熱する。
ことが考えられる。

両者とも温度分布の均一化には有効な方法であるが、（２）のヒータ加熱に関しては、ヒータを構成する部材が硬い場合(金属やセラミックスなど)、ヒータと誘電体窓２の熱的な接触が悪く、効率的に加熱することが難しいという問題がある。この原因は二つあり、一つは誘電体窓２もヒータを構成する部材も硬いので、マクロに接触しているように構成してもミクロには点接触しかしていないことである。残る一つは、温度が変化したときの線膨張率が異なるため、望ましい温度範囲で常に良好な接触状態を保つように構成することが難しいことである。

そこで本発明は、上記の問題を克服したプラズマ入熱による誘電体窓の破損を抑制できるプラズマ処理装置を提供する。

本発明は、試料がプラズマ処理される金属製の処理室と、前記処理室の上部を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、円板状の前記誘電体窓の上方に配置され誘導磁場を発生させる誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記誘導体窓の外側に配置され前記誘電体窓に圧着された金属製のリング状部材をさらに備え、前記リング状部材の線膨張率は、前記誘電体窓の線膨張率より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ入熱による誘電体窓の破損を抑制できる。

本発明に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。本発明の圧縮リング９の上面図である。本発明の圧縮リング９の側面図である。本発明の圧縮リング９の内径と誘電体窓２の外径の関係を示す図である。圧縮リング９と誘電体窓２の内部応力を示す図である。圧縮リング９の内部応力の温度依存性を示す図である。圧縮リング９を冷媒で温調する実施形態の概略を示す図である。誘電体窓にプラズマ入熱を与えた場合の誘電体窓の面内に発生する温度分布と定性的な応力分布を示す図である。

図１は、本発明に係る誘導結合型プラズマ処理装置の縦断面図である。円筒状のチャンバ１の上部開口部にはチャンバ１を気密に封止する天板の誘電体窓２が取付けられ、真空処理室を構成する。真空処理室の下方には、ウエハ等の試料３を載置するための試料台５が設置される。尚、チャンバ１は、ステンレス、アルミニウム等の金属からなる。

試料３には、第２の高周波電源１０から高周波を印加することで、試料３に入射するプラズマ１１からのイオンエネルギーを制御する。本実施例では、試料３は、例えば、半導体デバイス用の３００ｍｍ径のウエハであり、第２の高周波電源１０は周波数８００ＫＨｚ電源を用いた。

また、チャンバ１との間に排気口１２が設けられている。排気口１２の下流の排気装置(図示せず)によって真空処理室内の圧力を０.１Ｐａから数１０Ｐａの範囲で制御することができる。プラズマを生成するためのガスは、真空処理室を形成するチャンバ１に設けられたガス供給装置１３から導入され、チャンバ１側面の円形の開口部より処理ガスが供給される。

誘電体窓２は、電磁波を透過可能な誘電性の材料、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック、石英等からなり、本実施例では、アルミナの誘電体窓２を使用した。誘電体窓２の上方にはコイル状の誘導アンテナ４が配置されている。この場合、誘導アンテナ４は、図１に示すように内径がそれぞれ異なる、１ターンの第１の誘導アンテナ４ａないし第４の誘導アンテナ４ｄが同心上に配置されている。第１の誘導アンテナ４ａないし第４の誘導アンテナ４ｄの内径は、第１の誘導アンテナ４ａ、第２の誘導アンテナ４ｂ、第３の誘導アンテナ４ｃ、第４の誘導アンテナ４ｄの順番で大きくなっている。

また、誘導アンテナ４は、整合器６を介して第１の高周波電源７に接続されている。第１の高周波電源７は、例えば、１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの高周波電力を誘導アンテナ４に供給する。誘導アンテナ４と誘電体窓２との間にはファラデーシールド８が配置される。この場合、ファラデーシールド８は、誘電体窓２の上面に配置されている。ファラデーシールド８は、導体であり、図２に示すように中央部に円状の開口を有し、円状の開口を中心にして放射状に複数のスリットを有している。また、ファラデーシールド８は、整合器６を介して第１の高周波電源７に接続され、プラズマ１１と容量結合する平板状のアンテナとなる。さらに誘電体窓２とファラデーシールド８と誘導アンテナ４とは同心上、且つ垂直方向に所定の間隔で平行に配置されている。

図２及び３に示すように誘電体窓２の外周部の側面にはリング状の圧縮リング９が配置される。誘電体窓２に対して圧縮リング９が満たすべき条件を以下に示す。先ず、図４(１)に示すように誘電体窓２と圧縮リング９の使用温度範囲Ｔ_Ｌ〜Ｔ_Ｕにおいて、応力の無い状態におかれた圧縮リング９の内径φ_ｒ０と誘電体窓２の外径φ_Ｗ０の関係は、φ_ｒ０＜φ_Ｗ０である。ここでＴ_Ｌを誘電体窓２と圧縮リング９の使用温度範囲の下限値とし、Ｔ_Ｕを誘電体窓２と圧縮リング９の使用温度範囲の上限値とする。

次に図４(２)に示すようにＴｕより高い温度であるＴ_１において、応力の無い状態におかれた圧縮リング９の内径φ_ｒ１と誘電体窓２の外径φ_Ｗ１の関係は、φ_ｒ１＝φ_Ｗ１である。この条件を満たすためには、誘電体窓２の材料の線膨張率よりも圧縮リング９の材料の線膨張率が大きいことが必要である。このため、圧縮リング９の材料として、ステンレス鋼などの金属材料、特に高張力鋼が適切である。

そして、これらの圧縮リング９と誘電体窓２をＴ_１より高い温度であるＴ_２にまで上昇させると、図４(３)に示すように応力の無い状態におかれた圧縮リング９の内径φ_ｒ２と誘電体窓２の外径φ_Ｗ２の関係は、φ_ｒ２＞φ_Ｗ２となる。

次に誘電体窓２への圧縮リング９の装着方法を説明する。先ず、誘電体窓２と圧縮リング９を温度Ｔ_２に加熱し、熱膨張係数の大きい圧縮リング９の寸法を拡大した後、誘電体窓２を圧縮リング９に内包させ、全体を徐冷する。温度Ｔ_１以下になると、図２及び３に示すように圧縮リング９が誘電体窓２の外周に圧着する。これにより使用温度範囲Ｔ_Ｌ〜Ｔ_Ｕにおいて、引張り応力を打ち消す圧縮応力を予め誘電体窓２内部に均一に印加できる。

次に、図５を用いて本発明の効果を説明する。図５(１)は、圧縮リング９が無いときの応力分布である。温度分布が無いときは、誘電体窓２の内部に応力は発生していない。しかし、プラズマを点火して誘電体窓２の中心部の温度が上昇すると、この中心部は熱膨張しようとする。しかし、中心部は誘電体窓２の外周部（温度が低いために熱膨張しようとしない）によって拘束されているため、十分に膨張できない。

このため、拘束された中心部には圧縮応力が発生し、拘束されている外周部には引張り応力が発生する。これが図５(１)の応力分布σ_ｗである。ただし、誘電体窓２内部の応力分布σ_ｗの総和(体積積分)は0である。

図５(２)は、使用温度範囲Ｔ_Ｌ〜Ｔ_Ｕにおける誘電体窓２の外周に圧縮リング９を圧着したときの応力分布である。誘電体窓２に温度分布が無い場合、圧縮リング９と誘電体窓２には、それぞれ均一な引張り応力σ_ｔと均一な圧縮応力σ_ｐが発生する。ここで、誘電体窓２に温度分布が発生すると、やはり応力分布σ_ｗが発生する。この場合、これらの応力分布の関係は以下の通りである。

ここで、Ｖ_ｗとＶ_ｒはそれぞれ誘電体窓２と圧縮リング９の体積である。

この式が意味しているのは、応力分布σ_ｗにはσ_ｐだけのオフセットの圧縮応力がかかるということである。このσ_ｐ分だけ誘電体窓２の引張り応力は小さくなり、誘電体窓２の引張り応力による破損を防止できる。

特許文献３および４に透過窓のガラスを金属の枠で焼き嵌めすることが開示されている。しかし、本発明は、誘電体窓2と圧縮リング９の線膨張率の違いを利用するものであるとともに使用温度範囲における誘電体窓の温度分布による引張り応力に基づいて圧縮リング９の内径の寸法を規定していることを特徴とする。次に圧縮リング９に発生する引張り応力と温度の関係を図６に示す。

温度Ｔ_１以上では圧縮リング9には引張り応力が発生しなくなる。つまり、密着した後に昇温すると緩んで密着しなくなり、圧縮応力を印加できなくなる。これは、図４に示したように誘電体窓２と圧縮リング９の温度がＴ_１以上になると、圧縮リング9の内径φ_ｒ１が誘電体窓２の外径φ_ｗ１より大きくなるためである。これを防ぐには、温度Ｔ_ｕあるいは応力σ_ｔｕを監視してアラームを出すか、またはプラズマ放電を停止させると良い。図１の監視装置１４は、温度Ｔ_ｕあるいは応力σ_ｔｕを監視した上で、温度が設定以上になるか、あるいは引張り応力が設定以下になると、放電用電源である第１の高周波電源7を停止させる制御を行う。

本発明においては、圧縮リング９は金属材料で構成されているため、圧縮リング９に溝を掘り、温度制御装置であるサーキュレータ１５により冷媒を通すことが容易にできる。そこで、圧縮リング９を冷媒により温調することがさらに望ましいことになる。これを図７に示す。このように温調することによって、圧縮リング９が望ましくない温度領域に達することを防ぐことができる。この場合、誘電体窓２の外周の側面(圧縮リング９に圧着される面)をメタライズ処理するとさらに良い。

このメタライズ層１６は、誘電体窓にぬれる金属材料で構成されなければならず、メタライズ層１６は、誘電体窓２と良好な熱伝達特性を有する。さらにメタライズ層１６は、誘電体窓２より軟らかいので、金属製の圧縮リング９と密着する。結果として、圧縮リング９は誘電体窓２と良好な熱伝達特性を有することになり、冷媒による温度調整がより有効に働くことになる。この場合、監視装置１４は、圧縮リング９の応力σ_ｔｕを監視するのが良い。

また、上述した通り、誘電体窓２の外周の側面をメタライズ処理することによって誘電体窓２の熱伝達特性が改善するため、誘電体窓２の温度分布が改善する。この効果によりメタライズ処理しない場合の圧縮リング９より圧縮リング９を薄くできる。また、通常、アルミナの誘電体窓の真円度は必ずしも良くない。このため、誘電体窓２の外周の側面をメタライズ処理することにより誘電体窓２の真円度が向上し、誘電体窓２の応力が緩和される。このようなことから圧縮リング９に冷媒を通すこと無く、誘電体窓２の外周の側面をメタライズ処理した後、誘電体窓２の外周に圧縮リング９を圧着させる本発明は、プラズマ入熱による誘電体窓の破損に対して非常に実用的で有効な解決手段と言える。

１チャンバ
２誘電体窓
３試料
４誘導アンテナ
５試料台
６整合器
７第１の高周波電源
８ファラデーシールド
９圧縮リング
１０第２の高周波電源
１１プラズマ
１２排気口
１３ガス供給装置
１４監視装置
１５サーキュレータ
１６メタライズ層

Claims

試料がプラズマ処理される金属製の処理室と、前記処理室の上部を気密に封止する誘電体の誘電体窓と、円板状の前記誘電体窓の上方に配置され誘導磁場を発生させる誘導アンテナと、前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記誘導体窓の外側に配置され前記誘電体窓に圧着された金属製のリング状部材をさらに備え、
前記リング状部材の線膨張率は、前記誘電体窓の線膨張率より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記誘電体窓の温度が予め設定された所定の温度範囲内の場合、前記リング状部材の内径は、前記誘電体窓の直径より小さいとともに前記プラズマ処理時の前記誘電体窓の温度分布による引張り応力に基づいて規定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に記載のプラズマ処理装置において、
前記誘電体窓の温度が前記所定の温度範囲の上限値より高い場合、前記リング状部材の内径は、前記誘電体窓の直径以上の値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状部材を温度調整するための冷媒の流路が前記リング状部材に形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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、
前記誘電体窓の外周がメタライズ処理されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
モニタされた前記誘電体窓の温度およびモニタされた前記リング状部材の温度またはモニタされた前記リング状部材の応力に基づいて前記高周波電源を停止させる監視装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項４または請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
モニタされた前記リング状部材の応力に基づいて前記高周波電源を停止させる監視装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。