JP7716347B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本開示の例示的実施形態は、プラズマ処理装置に関するものである。

電子デバイスの製造に用いられるプラズマ処理装置では、高周波電源によって生成される超短波（ＶＨＦ）帯又は極超短波（ＵＨＦ）帯の高周波が処理空間に供給される。プラズマ処理装置についての技術は、例えば特許文献１～３に開示されている。

特開２０１８－３５４４３号公報 特開２０１９－１０６２９０号公報 国際公開第２０１３／８９００７号パンフレット

本開示は、高周波電源に電気的に接続された負荷側のインピーダンスを調整する技術を提供する。

一つの例示的実施形態において、プラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、処理容器と、高周波電源と、管部とを備える。処理容器は、プラズマ処理が行われるように構成されている。高周波電源は、処理容器に設けられた電極に高周波を供給するように構成されている。管部は、処理容器に設けられている。管部は、管状の外導体、外導体の内側において外導体から離隔して設けられた管状の内導体、及び外導体と内導体の間に設けられた誘電体部、並びに外導体及び内導体を電気的に短絡する短絡部材を含んでいる。管部は、高周波電源に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスを調整するように構成されている。外導体は、接地された導体の処理容器に電気的に接続されている。内導体は、電極に電気的に接続されている。

一つの例示的実施形態によれば、高周波電源に電気的に接続された負荷側のインピーダンスを調整し得る。

一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。 図１に示す管部の同軸フィルタによって提供されるインピーダンスを表す数式を示す図である。

以下、種々の例示的実施形態について説明する。

近年、半導体製造技術の高度化に伴い、プラズマ処理装置の高性能化が求められている。ＣＶＤやＡＬＤ等の成膜用のプラズマ処理装置においては、気相中の活性種密度の増加による生産性向上、及び、基板表面に入射するイオンの低エネルギー化によるダメージの低減、等のためにプラズマ励起にＶＨＦ～ＵＨＦ帯の高周波が用いられる。

プラズマ処理装置の電極には、ガスを導入するための配管、電極の温度を一定に保つための流体を導入するための配管、ヒータの電気配線、熱電対の電気配線等が接続されることがある。これらの配管や配線を通して高周波がプラズマ処理装置の外部に漏洩しないように、すなわちプラズマ処理装置と当該プラズマ処理装置の外部とが電気的に絶縁されるように絶縁部やローパスフィルタ等が用いられ得る。絶縁部に高い高周波電圧が印加される場合には、配管内でプラズマが発生することがある。配管内での放電は、プラズマ励起周波数が高くなると発生しやすい傾向がある。

一方、高周波電源に接続された整合器から出力された高周波は、プラズマ処理装置内の伝搬部を伝搬して高周波放出部から処理容器内に放出される。高周波放出部において、一部の高周波は反射し整合器側に戻っていくため、ＶＨＦ～ＵＨＦ帯の周波数では、伝搬部において定在波が生じる。このため、プラズマ着火に必要な電圧が、高周波放出部では数１００Ｖであっても、整合器出力部では数１０００Ｖを超えることがあり得る。この場合、整合器は高電圧の影響を受ける場合がある。このため、高周波電源に電気的に接続された負荷側のインピーダンスを調整するための技術が望まれている。

一つの例示的実施形態において、プラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、処理容器と、高周波電源と、管部とを備える。処理容器は、プラズマ処理が行われるように構成されている。高周波電源は、処理容器に設けられた電極に高周波を供給するように構成されている。管部は、処理容器に設けられている。管部は、管状の外導体、外導体の内側において外導体から離隔して設けられた管状の内導体、及び外導体と内導体の間に設けられた誘電体部、並びに外導体及び内導体を電気的に短絡する短絡部材を含んでいる。管部は、高周波電源に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスを調整するように構成されている。外導体は、接地された導体の処理容器に電気的に接続されている。内導体は、電極に電気的に接続されている。

したがって、管部の構成によって、高周波電源に電気的に接続された負荷側のインピーダンスが調整可能となる。

一つの例示的実施形態において、管部は、高周波電源に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を補助するように構成されている。

このように、リアクタンス成分を補助することによって、高周波電源から発生する高周波が高周波電源に電気的に接続された負荷側に及ぼす影響を低減し得る。

一つの例示的実施形態において、短絡部材は、導体又はキャパシタである。

一つの例示的実施形態において、高周波電源は、ＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、及びマイクロ波帯の少なくとも一つの周波数帯にある高周波を電極に供給する。

一つの例示的実施形態において、管部は、ガス、温調流体、電気配線の少なくとも一つを含む用力を導入するように構成されている。

一つの例示的実施形態において、外導体は、処理容器の上壁の上面から上方に延びている。内導体は、電極から上壁を介して上方に延びている。内導体の外側の周囲には、内導体を覆う空間が設けられている。

一つの例示的実施形態において、誘電体部は、内導体を覆う空間のうち、上壁の下面から上壁の上方に延びる領域に充填されている。

一つの例示的実施形態において、高周波電源から電極に供給される高周波の管部内における波長をλｇとし、上壁の下面から上壁の上方に延びる領域の長さをＬとすると、Ｌは、０＜Ｌ＜λｇ／２の範囲にある。

一つの例示的実施形態において、複数の電極を有している。内導体は、複数の電極のそれぞれに電気的に接続されている。

一つの例示的実施形態において、複数の管部を有している。

一つの例示的実施形態において、複数の管部は、処理容器の上壁の中心軸に対して軸対称に上壁に配置されている。

以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

プラズマ処理装置１の構成の一例が図１に示されている。図１を参照してプラズマ処理装置１の構成について説明する。

プラズマ処理装置１は、処理容器１０１、上壁１０２、電極１０３、シャワープレート１０６、ガス孔１０７、絶縁リング１０８、高周波電源１０９、及び複数の管部ＣＰを備える。

プラズマ処理装置１は、更に、整合器１１０、高周波導入部１１１、高周波伝搬部１１２、高周波放出部１１３、ガス供給器１１４、排気口１１６、封止部材１１７、処理空間１１９、基板１２０、及びステージ１２１を備える。

プラズマ処理装置１は、更に、外導体２００、内導体２０１、誘電体部２０２、短絡部材２０３、同軸フィルタ２０４、封止部材２０５、ヒータ電源２０６、ヒータ配線２０７、外側ヒータ２０８、及び内側ヒータ２０９を備える。

電極１０３は、処理容器１０１において、処理容器１０１の上壁１０２に対向して上壁１０２に沿って設けられている。電極１０３の内部には、二本のヒータ（外側ヒータ２０８、内側ヒータ２０９）が埋め込まれている。外側ヒータ２０８及び内側ヒータ２０９は、例えばシースヒータであり得る。

電極１０３には、整合器１１０及び上壁１０２の高周波導入部１１１を介して、高周波電源１０９が電気的に接続されている。一つの実施形態において、高周波導入部１１１には、図示しない同軸導波管が設けられ得る。高周波電源１０９から発生した高周波は、整合器１１０を介して電極１０３に印加される。上壁１０２及び電極１０３の間は、高周波が伝搬する空間である高周波伝搬部１１２を提供する。

電極１０３は、処理容器１０１において、絶縁リング１０８によって支持され、固定されている。絶縁リング１０８は、処理容器１０１の側壁に沿って設けられている。電極１０３と絶縁リング１０８との接合面には封止部材１１７が設けられている。封止部材１１７によって、電極１０３及び絶縁リング１０８の接合によって画成された複数の空間（高周波伝搬部１１２の空間、並びに電極１０３及びシャワープレート１０６の間の空間）それぞれの気密性が向上する。

高周波電源１０９は、処理容器１０１に設けられており、電極１０３に高周波を供給するように構成されている。高周波電源１０９は、ＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、及びマイクロ波帯の少なくとも一つの周波数帯にある高周波電圧（以下、高周波という場合がある。）を電極１０３に供給する。高周波電源１０９から出力された高周波は、整合器１１０を介して高周波導入部１１１から処理容器１０１内に導入される。高周波は、電極１０３を取り囲む高周波伝搬部１１２を伝搬し、高周波放出部１１３から処理空間１１９に放出される。高周波は、表面波としてシャワープレート１０６の下面に沿って伝搬しながらプラズマを励起する。

シャワープレート１０６は、電極１０３の下方において、電極１０３に沿って設けられている。電極１０３及びシャワープレート１０６の間には空間が設けられており、この空間は、ガス供給器１１４に接続された管部ＣＰに電極１０３を介して連通している。電極１０３及びシャワープレート１０６の間のこの空間には、ガス供給器１１４から出力されたガスが管部ＣＰを介して拡散する。そして、このガスは、更に、シャワープレート１０６に設けられた複数のガス孔１０７を介してシャワープレート１０６の下方に設けられた処理空間１１９内に供給される。高周波放出部１１３から処理空間１１９に放出された高周波によって、処理空間１１９内に放出されたガスのプラズマが生成される。このプラズマによって、ステージ１２１上に載置された基板１２０がプラズマ処理される。処理空間１１９内のガスは、排気口１１６を介して外部に排出される。

処理容器１０１は、プラズマ処理が行われるように構成されている。処理容器１０１は、電気的に接地された導体である。

処理容器１０１には、管部ＣＰが設けられている。管部ＣＰは、高周波電源１０９に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスを調整するように構成されている。管部ＣＰは、同軸フィルタ２０４を含む。同軸フィルタ２０４は、上壁１０２から上方に延びている。同軸フィルタ２０４は、管状の外導体２００、及び外導体２００の内側において外導体２００から離隔して設けられた管状の内導体２０１、外導体２００と内導体２０１の間の空間に設けられた誘電体部２０２を含んでいる。外導体２００の内径ｂは、内導体２０１の外径ａよりも大きい。誘電体部２０２は、固体状の部材や気体（例えば、空気）であり得る。

外導体２００は、処理容器（特に上壁１０２）に電気的に接続されている。外導体２００は、処理容器１０１の上壁１０２の上面から上方に延びている。内導体２０１は、電極１０３に電気的に接続されている。内導体２０１は、電極１０３から上壁１０２を介して上方に延びている。内導体２０１の外側の周囲には、内導体２０１を覆う空間が設けられている。内導体２０１及び電極１０３の接合面には、封止部材２０５が設けられている。封止部材２０５によって、内導体２０１及び電極１０３の接合によって画成された複数の空間（高周波伝搬部１１２の空間及び管部ＣＰ内の空間）それぞれの気密性が向上する。外導体２００、内導体２０１、外導体２００と内導体２０１の間の空間に設けられた誘電体部２０２、並びに、内導体２０１の外側の周囲に設けられ内導体２０１を覆う空間によって同軸フィルタ２０４が構成される。なお、封止部材２０５は、ガス等を導く同軸フィルタ２０４の場合に必要であるが、ヒータ電源２０６に電気的に接続されたヒータ配線２０７等の電気配線を導く同軸フィルタ２０４の場合には不要である。

外導体２００及び内導体２０１は、アルミニウムの合金、銅、ステンレス等の金属を用いて構成される。外導体２００及び内導体２０１は、金メッキ、銀メッキ、ニッケルメッキ等の被膜が施されていてもよい。同軸フィルタ２０４を含む管部ＣＰは、屈曲自在な管（同軸ケーブル）であってもよい。

管部ＣＰは更に、外導体２００及び内導体２０１を電気的に短絡する短絡部材２０３を含んでいる。一実施形態において、短絡部材２０３は、例えば、スパイラルリング等の導体又はキャパシタであり得る。短絡部材２０３は、外導体２００及び内導体２０１の上端付近に設けられ、外導体２００及び内導体２０１は、両者の上端付近で電気的に短絡されている。

管部ＣＰの同軸フィルタ２０４は、外導体２００及び内導体２０１の間に設けられた誘電体部２０２を更に含んでいる。誘電体部２０２は、内導体２０１を覆う空間のうち、上壁１０２の下面から上壁１０２の上方に延びる領域に充填されている。誘電体部２０２は、テトラフロロエチレン、酸化アルミニウム、石英等の絶縁体の材料であり得る。なお、内導体２０１を覆う空間のうち上壁１０２の下面から上壁１０２の上方に延びる領域には、誘電体部２０２に代えて気体が充填されていてもよい。

管部ＣＰは、ガス、温調流体、電気配線の少なくとも一つを含む用力を導入するように構成されている。図１に示す構成の場合、管部ＣＰは、ガス供給器１１４から供給されるガス、並びに、ヒータ電源２０６と外側ヒータ２０８及び内側ヒータ２０９とを電気的に接続する電気配線を導入する。また、管部ＣＰは、高周波導入部１１１に設けられる図示しない同軸導波管に用いられ得る。

一つの実施形態において、管部ＣＰは、同軸フィルタ２０４と共に、変形が困難な管であってもよいが、屈曲自在な管であってもよい。また、管部ＣＰの断面形状は、円であってもよいが、矩形などの他の形であってもよい。また外導体２００の内径、及び内導体２０１の外径を屈曲時に変更してもよい。

一つの実施形態において、プラズマ処理装置１は、複数の管部ＣＰを有していてもよい。この場合、複数の管部ＣＰ（複数の同軸フィルタ２０４）は、電極１０３の上部において、上壁１０２の中心軸に対して軸対称に上壁１０２に配置される。複数の同軸フィルタ２０４を軸対称な位置に配置することにより、同軸フィルタ２０４の導入によるプラズマの周方向分布の悪化が抑制される。

次に、管部ＣＰの形状について説明する。高周波電源１０９から電極１０３に供給される高周波の管部ＣＰ内における波長をλｇとし、上壁１０２の下面から上壁１０２の上方に延びる領域の長さをＬとする。上壁１０２の下面から上方に延びる同軸フィルタ２０４の下端（上壁１０２の下面）から見た同軸フィルタ２０４のインピーダンスＺｃは、図２に示す式ＦＭ１によって表される。

式ＦＭ１に含まれるＺ０は、同軸フィルタ２０４の特性インピーダンスであり、図２に示す式ＦＭ２によって表され、εｒは誘電体部２０２の比誘電率である。式ＦＭ１に含まれるλｇは、高周波電源１０９によって発生される電磁波の同軸フィルタ２０４内での波長であり、図２に示す式ＦＭ３によって表される。λ０は、真空中の波長である。ｊは虚数である。すなわち、同軸フィルタ２０４のインピーダンスＺｃは、リアクタンスのみとなっている。

同軸フィルタ２０４のインピーダンスＺｃは、同軸フィルタ２０４の長さＬによってλｇ／２の周期で周期的に変化する。Ｚｃは、Ｌ＜λｇ／４の場合には誘導性リアクタンスとなり、λｇ／２＞Ｌ＞λｇ／４の場合には容量性リアクタンスとなる。また、Ｚｃは、Ｌ＝λｇ／４の場合には絶縁性となる。

このように、Ｌは、０＜Ｌ＜λｇ／２の範囲にある。これにより、管部ＣＰの同軸フィルタ２０４の長さのＬを調整することによって、同軸フィルタ２０４のインピーダンスＺｃが調整され、更に、高周波電源１０９に電気的に接続された負荷側のインピーダンスも調整され得る。同軸フィルタ２０４のインピーダンスＺｃは、図２の式ＦＭ１に示されているように、リアクタンス成分のみを提供する。したがって、Ｚｃを調整することによって、高周波電源１０９に電気的に接続された負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を補助する（リアクタンス成分を調整（例えば低減）する）ことができる。より好ましくは、当該負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を消す（ゼロにする）ことが可能となる。この場合、管部ＣＰを含み高周波電源１０９に電気的に接続された負荷において交流成分が遮断され、高周波によって生じ得る管部ＣＰ内における放電や、高周波の整合器１１０への反射波が整合器１１０に及ぼす影響、等を回避し得る。プラズマ着火前の整合器１１０の出力電圧を低くしてプラズマ着火後の反射を抑制し得るものであり、これにより、プラズマ着火時に整合器１１０に生じ得る電気的負荷を低減するとともに、電力効率を向上させ得る。同軸フィルタ２０４を含む管部ＣＰを介して高周波電圧が印加される電極１０３に気体、液体、電流、信号を導入することによって、気体、液体、電流、信号を導入するための構成に設けられる絶縁材やローパスフィルタが不要になる。これにより、プラズマ処理装置１の構成が複雑になることを回避できる。また、過電圧による絶縁部内での放電やローパスフィルタへの影響も抑制し得る。

以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な追加、省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。

例えば、プラズマ処理装置１は、複数の電極１０３を有していてもよい。この場合、内導体２０１は、複数の電極１０３のそれぞれに電気的に接続されている。

以上の説明から、本開示の種々の実施形態は、説明の目的で本明細書で説明されており、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。

１…プラズマ処理装置、１０１…処理容器、１０２…上壁、１０３…電極、１０６…シャワープレート、１０７…ガス孔、１０８…絶縁リング、１０９…高周波電源、１１０…整合器、１１１…高周波導入部、１１２…高周波伝搬部、１１３…高周波放出部、１１４…ガス供給器、１１６…排気口、１１７…封止部材、１１９…処理空間、１２０…基板、１２１…ステージ、２００…外導体、２０１…内導体、２０２…誘電体部、２０３…短絡部材、２０４…同軸フィルタ、２０５…封止部材、２０６…ヒータ電源、２０７…ヒータ配線、２０８…外側ヒータ、２０９…内側ヒータ、ＣＰ…管部。

Claims (11)

1. プラズマ処理が行われるように構成された処理容器と、
   前記処理容器に設けられた電極に高周波を供給するように構成された高周波電源と、
   前記処理容器に設けられた管部と、
   を備え、
   前記管部は、管状の外導体、該外導体の内側において該外導体から離隔して設けられた管状の内導体、及び該外導体と該内導体の間に設けられた誘電体部、並びに該外導体及び該内導体を電気的に短絡する短絡部材を含んでおり、前記高周波電源に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスを調整するように構成され、
   前記外導体は、接地された導体の前記処理容器に電気的に接続され、
   前記内導体は、前記電極に電気的に接続されている、
   プラズマ処理装置。
2. 前記管部は、前記高周波電源に電気的に接続されている負荷側のインピーダンスのリアクタンス成分を補助するように構成されている、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記短絡部材は、導体又はキャパシタである、
   請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記高周波電源は、ＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯、及びマイクロ波帯の少なくとも一つの周波数帯にある高周波を前記電極に供給する、
   請求項１～３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記管部は、ガス、温調流体、電気配線の少なくとも一つを含む用力を導入するように構成されている、
   請求項１～４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記外導体は、前記処理容器の上壁の上面から上方に延びており、
   前記内導体は、前記電極から前記上壁を介して上方に延びており、
   前記内導体の外側の周囲には、該内導体を覆う空間が設けられている、
   請求項１～５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記誘電体部は、前記内導体を覆う前記空間のうち、前記上壁の下面から該上壁の上方に延びる領域に充填されている、
   請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記高周波電源から前記電極に供給される高周波の該管部内における波長をλｇとし、前記上壁の前記下面から該上壁の上方に延びる前記領域の長さをＬとすると、該Ｌは、０＜Ｌ＜λｇ／２の範囲にある、
   請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 複数の前記電極を有しており、
   前記内導体は、複数の前記電極のそれぞれに電気的に接続されている、
   請求項１～８の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 複数の前記管部を有している、
    請求項１～９の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
11. 複数の前記管部は、前記処理容器の上壁の中心軸に対して軸対称に該上壁に配置されている、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。