JP4664119B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理装置に関するものである。

従来から，例えば成膜処理やエッチング処理においては，例えばマイクロ波を用いたプラズマ処理装置が使用されている。さらにマイクロ波を用いたプラズマ処理装置においては，処理容器内を上部のプラズマ生成空間と下部の処理空間とに分けるように，処理容器内に水平に配置された，シャワープレートと呼ばれるガス供給板を有するものが提案されている（特許文献１）。

前記従来技術のシャワープレートには，処理空間側に処理ガスを供給するためのガス供給孔が多数形成され，またプラズマ生成空間側と処理空間側とを連通する開口が多数形成されている。かかるシャワープレートを有するプラズマ処理装置によれば，高い処理効率の下で基板に対するダメージを軽減して，好適なプラズマ処理が可能であった。

特許第３３８４７９５号

このような装置を用いて，例えばプラズマＣＶＤ処理を行う場合，シャワープレートに反応生成物が付着するのを防止するため，シャワープレート自体の温度を一定に制御することが望ましい。

しかしながらプラズマ処理中は，プラズマ発生に伴う熱によってシャワープレートの特に中心領域が高温となり，面内全体として不均一な温度分布となっていた。シャワープレート自体は，熱伝導性が良好な金属，例えばアルミニウムで構成されているが，プラズマ生成空間側と処理空間側とを連通する開口が多数形成されており，しかも当該開口を通じてプラズマによって生成された活性種を通過させる関係上，シャワープレート断面の面積はなるべく小さくなるように設計されている。その結果，シャワープレートにおける中心から周辺部への熱抵抗が大きくなってしまい，シャワープレートの面内温度を均一にすることは非常に困難であり，またシャワープレートの温度を所望の温度に維持することも困難であった。

シャワープレートの面内温度が不均一になったり，所望の温度に維持できなくなると，熱応力が増大し，シャワープレートの変形，歪みが発生する。その結果，シャワープレート自体を頻繁に交換する必要に迫られたり，場合によっては処理の均一性まで阻害されるおそれが生ずる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，前記したシャワープレートの温度を所望の温度に維持すると共に面内温度の均一性を向上させて，シャワープレートの変形，歪みが発生を抑えることを目的としている。

前記目的を達成するため，本発明のプラズマ処理装置においては，前記したシャワープレートのようなガス供給板に，ガス供給板を構成する材質よりも熱伝導性が高い熱伝達部材を，ガス供給板の中心領域と周辺領域とにまたがるように設け，前記ガス供給板における少なくとも基板と対向する領域は，縦桟部材と横桟部材とが格子状に配置された形状を有し，前記ガス供給板における基板と対向する領域は，４つの扇形の領域に区画されており，２つの扇形の領域内では，前記熱伝達部材が少なくとも前記縦桟部材の内部に設けられ，他の2つの扇形の領域では，前記熱伝達部材が少なくとも前記横桟部材の内部に設けられていることを特徴としている。

本発明によれば，このようにガス供給板を構成する材質よりも熱伝導性が高い熱伝達部材を，ガス供給板の中心領域と周辺領域とにまたがるように設けたので，ガス供給板の中心領域と周辺領域との間での熱の移動が，従来より向上し，その結果ガス供給板の温度を所望の温度に維持すると共に面内の温度分布が改善される。

前記ガス供給板は，格子状に配置された形状の周囲に円環部を有し，当該ガス供給板の円環部は，前記処理容器の側壁に支持されていてもよい。前記処理容器の側壁には，熱媒流路が設けられ，当該熱媒流路を流れる熱媒が前記熱伝達部材と熱交換するようになっていてもよい。前記ガス供給板における処理ガスの流路は，これら縦桟部材又は横桟部材の内部に設けられているのがよい。

ガス供給板には，プラズマ生成空間に向けてプラズマ生成用ガス（プラズマ励起用のガス）を供給するガス供給孔をさらに有していてもよい。また前記した格子状の構造を有するガス供給板の場合には，プラズマ生成用ガスを供給するガスの流路は，前記した縦桟部材又は横桟部材の内部に設けられているのがよい。

前記処理ガスの流路とプラズマ生成用ガスの流路は，ガス供給板の上下方向からみて，重なるように配置されていることが好ましい。これによって２つの流路を形成したものであっても，プラズマ生成空間と処理空間とを連通する複数の開口の面積に影響を与えない。さらに前記熱伝達部材も，少なくともその一部が，前記処理ガスの流路とプラズマ生成用ガスの流路との間に位置するように配置されていてもよい。

ガス供給板の周辺領域における熱伝達部材との間で，熱交換を行う熱媒流路をさらに有する構成としてもよい。これによって熱媒流路を流れる熱媒に基づいた，ガス供給板全体の温度を所望の温度に維持すると共に均一な温度制御が可能になる。

熱伝達部材の例としては，例えばヒートパイプを挙げることができる。

本発明によれば，ガス供給板の温度を所望の温度に維持すると共に面内温度の均一性を向上させて，処理の際の変形，歪みの発生を抑えることが可能である。

以下本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１の縦断面の様子を示しており，このプラズマ処理装置１は例えばアルミニウムからなる，上部が開口した有底円筒状の処理容器２を備えている。処理容器２は接地されている。この処理容器２の底部には，基板として例えば半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを載置するための載置台としてのサセプタ３が設けられている。このサセプタ３は例えばアルミニウムからなり，その内部には，外部電源４からの電力の供給によって発熱するヒータ５が設けられている。これによって，サセプタ３上のウエハＷを所定温度に加熱することが可能である。

処理容器２の底部には，真空ポンプなどの排気装置１１によって処理容器２内の雰囲気を排気するための排気管１２が設けられている。

処理容器２の上部開口には，気密性を確保するためのＯリングなどのシール材２１を介して，たとえば誘電体の石英部材からなる透過窓２２が設けられている。透過窓２２は平面形態が円形である。石英部材に代えて，他の誘電体材料，たとえばＡｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ等のセラミックスを使用してもよい。

透過窓２２の上方には，平面状のアンテナ部材，例えば円板状のラジアルラインスロットアンテナ２３が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ２３は，導電性を有する材質，たとえばＡｇ，Ａｕ等でメッキやコーティングされた銅の薄い円板からなり，多数のスリット２４が，例えば渦巻状や同心円状に整列して形成されている。

ラジアルラインスロットアンテナ２３の上面には後述するマイクロ波の波長を短縮するための遅波板２５が配置されている。遅波板２５は導電性のカバー２６によって覆われている。カバー２６には円環状の熱媒流路２７が設けられ，この熱媒流路２７を流れる熱媒によって，カバー２６と透過窓２２を所定温度に維持するようになっている。処理容器２の側壁における透過窓２２の外側にも，円環状の熱媒流路２８が形成されている。

カバー２６には同軸導波管２９が接続されており，この同軸導波管２９は，内側導体２９ａと外管２９ｂとによって構成されている。内側導体２９ａは，ラジアルラインスロットアンテナ２３と接続されている。内側導体２９ａのラジアルラインスロットアンテナ２３側は円錐形を有し，ラジアルラインスロットアンテナ２３に対してマイクロ波を効率よく伝播するようになっている。

同軸導波管２９は，マイクロ波供給装置３１で発生させた，たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を，矩形導波管３２，モード変換器３３，同軸導波管２９，遅波板２５，ラジアルラインスロットアンテナ２３を介して，透過窓２２に放射させる。そしてその際のマイクロ波エネルギーによって透過窓２２の下面に電界が形成され，プラズマ生成空間Ｐ内のガスがプラズマ化される。

処理容器２内には，図２にも示したようなガス供給板としてのシャワープレート４１が，処理容器２内を上部のプラズマ生成空間Ｐと下部の処理空間Ｓとに分けるように水平に配置されている。

このシャワープレート４１は，略円盤形状をなし，サセプタ３上のウエハＷと対面する領域は，図２に示したように，複数の縦桟４２と複数の横桟４３とが格子状に配置された形状を有し，その外側には円環部４４が設けられている。これらの材質はアルミニウムからなっている。そして縦桟４２と横桟４３とによって，複数の四角形の開口４５が創出されている。開口４５は，プラズマ生成空間Ｐと下部の処理空間Ｓとを連通している。

縦桟４２と横桟４３の内部におけるプラズマ生成空間Ｐ側には，プラズマ励起用のガスが流通するガス流路５１が形成されている。このガス流路５１は，ガス供給管５２，バルブ５３，マスフローコントローラ５４，バルブ５５介して，プラズマ励起用のガス供給源５６に通じている。そして縦桟４２と横桟４３のプラズマ生成空間Ｐ側には，ガス流路５１を流れるプラズマ励起用のガスを，プラズマ生成空間Ｐに向けて均一に供給するように，複数のガス供給孔５７が形成されている。

一方，縦桟４２と横桟４３の内部における処理空間Ｓ側には，処理ガスが流通する処理ガス流路６１が形成されている。この処理ガス流路６１は，処理ガス供給管６２，バルブ６３，マスフローコントローラ６４，バルブ６５介して，処理ガス供給源６６に通じている。そして縦桟４２と横桟４３の処理空間Ｓ側には，処理ガス流路６１を流れる処理ガスを，処理空間Ｓに向けて均一に供給するように，複数の処理ガス供給孔６７が形成されている。

縦桟４２と横桟４３の内部には，ヒートパイプ７１が設けられている。このヒートパイプは中空円柱形状を有し，その内部には熱媒体として水が封入されている。もちろんシャワープレート４１を温度制御する温度帯によっては，各種のヒートパイプ用の液体を封入したヒートパイプを使用できる。
かかる構成のヒートパイプ７１の熱伝導性は，シャワープレート４１の構成材料であるアルミニウムよりも極めて高い。

ヒートパイプ４１は，シャワープレート４１中心領域と周辺領域とにまたがるように縦桟４２と横桟４３の内部に設けられているが，その配設状況について詳述すると，図４に示したように，シャワープレート４１の中心を通る縦桟４２ｃについては，各々外側から，ほぼシャワープレート４１の半径に相当する長さのヒートパイプ７１，７１が対向するように縦桟４２ｃの内部に挿入されている。またシャワープレート４１の中心を通る横桟４３ｃについても，各々外側からほぼシャワープレート４１の半径に相当する長さのヒートパイプ７１，７１が，対向するように横桟４３ｃの内部に挿入されている。

そしてこれら縦桟４２ｃ，横桟４３ｃによって四分割されたシャワープレート４１のいわゆる第１象限（図２，図４におけるシャワープレート４１の右上の四半円部分），第３象限（図２，図４におけるシャワープレート４１の左下の四半円部分）の領域については，外側から縦桟４２の内部にヒートパイプ７１が挿入され，シャワープレート４１のいわゆる第２象限（図２，図４におけるシャワープレート４１の左上の四半円部分），第４象限（図２，図４におけるシャワープレート４１の右下の四半円部分）の領域については，外側から横桟４３の内部にヒートパイプ７１が挿入されている。これら各ヒートパイプ７１の外側の端部は，いずれもシャワープレート４１の外側端部まで達している。このようにして，シャワープレート４１における特に格子状領域の部分に，ヒートパイプ７１ほぼ均等となるように配置されている。

そして縦桟４２，横桟４３において，ガス流路５１，処理ガス流路６１と重なる部分については，図３，図５に示したように，ヒートパイプ７１は，これらガス流路５１，処理ガス流路６１と上下に重なるように，これらの流路の間に位置している。

処理容器２の側壁における，シャワープレート４１の円環部４４の上側には，円環状の熱媒流路８１が設けられている。したがってこの熱媒流路を流れる熱媒と，ヒートパイプ７１の周辺部との間で熱交換が行われる。そしてこの熱媒流路８１を流れる熱媒と，既述の熱媒流路２７，２８を流れる熱媒は，ある実施の形態では同一の熱媒供給源８２から供給されるが，熱媒により温度制御される対象領域の温度が異なるときには，各々独立した熱媒供給源（例えばチラー等）が用いられる。

円環部４４の内側の下面には，円環状のヒータ８３が設けられていてもよい。特にシャワープレートにおける中心から周辺部への熱抵抗が大きい従来のシャワープレートにおいては，既述したようにシャワープレートの面内温度の均一性が悪いことから，シャワープレート周辺の温度を中心部の温度と近似させるために，ヒータ８３は必須であるが，本実施の形態におけるシャワープレート４１においては，温度均一性が著しく向上することから，ヒータ８３は無くともよい。

本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は，以上のように構成されており，サセプタ上に載置されたウエハＷに対して，例えばプラズマ成膜処理を実施する場合，シャワープレート４１のガス供給孔５７からプラズマ生成空間Ｐに向けて，プラズマ励起用のガス，例えばアルゴンガスが供給された状態で，マイクロ波供給装置３１を作動させる。そうすると透過窓２２の下面に電界が発生し，当該プラズマ励起用のガスがプラズマ化され，シャワープレート４１の開口４５を通してプラズマが下方の処理空間Ｓに流入する。そしてシャワープレート４１下面の処理ガス供給孔６７から処理空間プラズマ生成空間Ｓに向けて，成膜用の処理ガスを供給すると，このプラズマによって処理ガスが解離し，その際に発生した活性種によって，ウエハＷ上に成膜処理がなされる。

かかるプラズマ処理中，プラズマに伴う熱によって，シャワープレート４１における特に中心領域の温度が上昇する。しかしながら本実施の形態においては，シャワープレート４１における中心領域と周辺領域，さらにはその外側に位置する円環部４４にまたがるように，縦桟４２，横桟４３の内部にヒートパイプ７１が設けられているので，シャワープレート４１の中心領域の熱は，すばやくシャワープレート４１の周辺領域，さらには円環部４４へと伝達される。したがってシャワープレート４１の温度は全体として均一化される。

しかも本実施の形態では，格子状に配置されている縦桟４２，横桟４３に対して，ほぼ均等となるようにその内部にヒートパイプ７１が配置されているので，シャワープレート４１全体との均一性はさらに向上している。

さらに本実施の形態では円環部４４の上方に熱媒流路８１が位置しており，ヒートパイプ７１の端部とこの熱媒流路８１との間で熱交換が行われるので，この熱媒を一種の恒温源として，シャワープレート４１を所望の温度に維持することが可能である。

そして本実施の形態では，熱伝達部材としてヒートパイプ７１を採用したので，取り扱いが容易で，しかも電源等外部のエネルギー源も不要である。

つまり熱媒による温度制御においては，プラズマ処理装置がアイドリング中（プラズマが生成されていない状態）は，熱媒の熱がヒートパイプ７１を通じてシャワープレート４１に与えられ，プラズマ処理中においてはシャワープレート４１の熱がヒートパイプ７１を通じて熱媒に与えられ，いずれの状態においてもシャワープレート４１は一定の温度を維持することができる。一方熱媒によらない，例えば従来のヒータによる温度制御においては，アイドリング中はヒータによりシャワープレートは一定の温度に制御されるが，プラズマ処理中はシャワープレートの温度がさらに上昇するため，ヒータ用の電源及びそのコントローラに加えて，シャワープレートを冷却する機構が必要となり，装置が複雑で，その制御も難しいものとなる。

さらにまたヒートパイプ７１が設けられた縦桟４２，横桟４３においては，図５にも示したように，ガス流路５１，ヒートパイプ７１，処理ガス流路６１が上下に重なって配置されているので，開口４５の大きさに影響を与えない。

次に本実施の形態にかかるプラズマ装置１で採用したシャープレート４１と，熱伝達部材を持たない従来のシャワープレートとの面内温度の均一性について，実際に測定した結果を図６に示す。

図６は，シャワープレートの中心から外部までの距離を横軸に，温度を縦軸にとり，処理容器２内の圧力が６６６．５Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ），マイクロ波のパワーが３ｋＷ，励起用のアルゴンガスの流量が１７００ｓｃｃｍ，熱媒流路８１を流れる熱媒の温度が８０℃，ヒータ８３の温度を８０℃にしてプラズマ処理した場合の，本実施の形態にかかるプラズマ装置１で採用したシャープレート４１と，従来のような特に熱伝達部材を持たないシャワープレートとの面内温度の比較をしたものである。

また図７は，熱伝達部材を持たない従来のシャワープレートにおけるプラズマＯＮ後の時間経過に伴う３つのポジションごとの温度変化を示し，図８は本実施の形態にかかるプラズマ装置１で採用したシャープレート４１におけるプラズマＯＮ時間経過に伴う，３つのポジションごとの温度変化を示している。プラズマは１５分経過後にＯＦＦにした。ポジションについては，図７，図８とも，「シャワー１」がエッジ（中心から１５０ｍｍの位置），「シャワー２」が（中心から１００ｍｍの位置），「シャワー３」が中心を意味している。
またこれらの測定の際のプラズマ処理条件は，処理容器２内の圧力が６６６．５Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ），マイクロ波のパワーが３ｋＷ，励起用のアルゴンガスの流量が１７００ｓｃｃｍである。

かかる結果からわかるように，本実施の形態にかかるプラズマ装置１で採用したシャープレート４１においては，その温度が所望の温度に維持されると共に面内温度もほぼ均一になっていることがわかる。したがって，シャープレート４１にかかる熱応力が従来よりはるかに抑えられ，その変形，歪みが小さくなっていることがわかる。

しかも本実施の形態の方が従来よりも面内温度均一性のみならず，温度レスポンスにもすぐれていることがわかる。すなわち従来タイプ（図７）ではプラズマをＯＮした後１５分経っても（ＯＦＦ直前），まだ温度が上昇し続けているが，本実施の形態（図８）では，プラズマをＯＮした後，５分経てば既に温度が安定したものとなっている。このことはプラズマをＯＦＦした後も同様である。
したがって，本実施の形態によれば，プロセス中の条件変動が少なくなり，安定性が従来よりも向上する。すなわち，例えば複数枚の基板を連続して処理する場合，最初の１枚目と，温度が安定した後に処理を行う後続の基板との間であっても，処理結果の差がない。また基板１枚に対して長時間の処理を要する場合であっても，シャワープレートの温度変動が少なく，またシャワープレートへのガスの吸着，脱離が変動しないことから，長時間処理の間も安定した処理が可能になる。また前記したように温度レスポンスが良好なことから，処理に入るまでの時間も従来より短縮できる。

なお前記実施の形態は，マイクロ波を利用したプラズマ処理装置として説明したが，本発明はこれに限らず他のプラズマソースを利用したプラズマ処理装置に対しても適用できる。

本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 図１のプラズマ処理装置で用いたシャワープレートの平面図である。 図２のシャワープレートの横桟の縦断面図である。 図２のシャワープレートの縦桟，横桟の配置を示す平面の説明図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 実施の形態にかかるプラズマ装置に使用したシャワープレートと従来のシャワープレートとの面内温度の分布を示すグラフである。 従来のシャワープレートの時間の経過に伴う温度変化を示すグラフである。 実施の形態にかかるシャワープレートの時間の経過に伴う温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ サセプタ
２２ 透過窓
３１ マイクロ波供給装置
４１ シャワープレート
４２ 縦桟
４３ 横桟
４５ 開口
５１ ガス流路
５７ ガス供給孔
６１ 処理ガス流路
６７ 処理ガス供給孔
７１ ヒートパイプ
Ｐ プラズマ生成空間
Ｓ 処理空間
Ｗ ウエハ

Claims (10)

1. 処理容器内をプラズマ生成空間と処理空間とに分けるように，処理容器内に配置されたガス供給板を有し，処理ガスをプラズマ化して処理容器内の基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において，
   前記ガス供給板には，プラズマ生成空間と処理空間とを連通する複数の開口と，処理空間に向けて処理ガスを供給する処理ガス供給孔が形成され，
   さらにこのガス供給板には，ガス供給板を構成する材質よりも熱伝導性が高い熱伝達部材が，ガス供給板の中心領域と周辺領域とにまたがるように設けられ，
   前記ガス供給板における少なくとも基板と対向する領域は，縦桟部材と横桟部材とが格子状に配置された形状を有し，
   前記ガス供給板における基板と対向する領域は，４つの扇形の領域に区画されており，
   ２つの扇形の領域内では，前記熱伝達部材が少なくとも前記縦桟部材の内部に設けられ，
   他の2つの扇形の領域では，前記熱伝達部材が少なくとも前記横桟部材の内部に設けられていることを特徴とする，プラズマ処理装置。
2. 前記ガス供給板は，格子状に配置された形状の周囲に円環部を有し，当該ガス供給板の円環部は，前記処理容器の側壁に支持されていることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記処理容器の側壁には，熱媒流路が設けられ，当該熱媒流路を流れる熱媒が前記熱伝達部材と熱交換するようになっていることを特徴とする，請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ガス供給板における処理ガスの流路は，少なくとも前記縦桟部材又は横桟部材の内部に設けられていることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ガス供給板は，プラズマ生成空間に向けてプラズマ生成用ガスを供給するガス供給孔をさらに有することを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス供給板は，プラズマ生成空間に向けてプラズマ生成用ガスを供給するガス供給孔をさらに有し，前記ガス供給板におけるプラズマ生成用ガスの流路は，少なくとも前記縦桟部材又は横桟部材の内部に設けられていることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記処理ガスの流路とプラズマ生成用ガスの流路は，ガス供給板の上下方向からみて，重なるように配置されていることを特徴とする，請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記熱伝達部材は，少なくともその一部が，前記処理ガスの流路とプラズマ生成用ガスの流路との間に位置するように配置されていることを特徴とする，請求項５〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記周辺領域における熱伝達部材との間で，熱交換を行う熱媒流路をさらに有することを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
10. 前記熱伝達部材はヒートパイプであることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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