JPH07106097A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 基板を高速度でエッチングすることが出来、
かつ基板にチャージアップやそれに伴うダメージを招か
ないプラズマ処理装置を提供すること。 ［構成］ 真空槽２０に配置した平行平板電極１１、１
２にそれぞれＲＦ電源１５、１９を接続し、かつ一方の
電極１１には基板１６を載置し、更にそれぞれの電極１
１、１２に印加されるＲＦ電力が互いに１８０度の位相
差を持つように移相器４０をＲＦ電源１５、１９に接続
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置に関す
るものであり、更に詳しくは金属、半導体、絶縁物な
ど、半導体製品やその他の電子部品を構成する材料をプ
ラズマ処理する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】本発明は半導体製品のみ
に関するものではないが、一例として半導体製品の集積
回路を取り上げれば、その集積度の飛躍的な向上と共
に、基板への成膜前にその表面をクリーニングするため
のエッチング方法も溶液によるウエットエッチングから
エッチングガスによるドライエッチングに急速に転換さ
れ、技術的改良も精力的に進められている。例えば当初
使用された円筒形電極プラズマ処理装置は基板の置かれ
た位置によって処理速度が異なり、同一基板内の均一性
も十分でなかったことから、現在は、均一性に優れる平
行平板電極プラズマ処理装置が主流となっている。

【０００３】更にはその平行平板電極によるプラズマ処
理装置も、当初は基板を載置しない電極に高周波を印加
するものであったが、最近では、バイアス電圧を発生し
易くするために、基板を載置した電極に高周波を印加す
るものとなっている。この種の平行平板電極プラズマ処
理装置を第１従来例として、その概略図を図６に示し
た。図６において、真空槽１０内に平行平板電極として
の電極１と電極２とが平行に対向して配置されている。
電極２はアースに接続され、電極１にはクリーニングさ
れるべき基板６が載置され、かつ真空槽１０とは絶縁体
４によって絶縁されてＲＦ電極５が接続されている。ま
た、真空槽１０の内壁部を接地電極３としている。

【０００４】この作用を説明するに、真空槽１０を真空
とし、エッチングガスを導入した後に、ＲＦ電極５から
電極１にＲＦ電力を印加すると、電極１と電極２との間
にプラズマが発生し、プラズマ中のイオンが電極１にお
けるバイアス電圧によって加速されて基板６に衝突し、
そのスパッタ効果によって基板６がエッチングされるの
である。

【０００５】しかし、この第１従来例によるプラズマ処
理装置は一般にエッチング速度が低く、生産手段として
は適していない。これに対し、エッチング速度を高める
べくプラズマ密度を高くすることが考えられるが、その
ために印加するＲＦ電力を大にすると、高密度プラズマ
が得られると共に電極１に必要以上のバイアス電圧が発
生し、電極１に載置されている基板６がチャージアップ
（静電荷集積）するようになる。

【０００６】チャージアップが発生する機構については
未だ十分に解明されていないものの、基板のチャージア
ップ自体は集積回路を製造する上で深刻な問題となって
いる。すなわち、集積回路の集積度の向上と共にゲート
酸化膜の厚さもｎｍ単位に薄くなっており、多数の集積
回路が形成されている基板がチャージアップすると、こ
のチャージによってゲート酸化膜が破壊されて、集積回
路の収率が極度に低下するからであり、このことはチャ
ージアップ・ダメージと称されている。

【０００７】上記の印加ＲＦ電力を大とする以外の高密
度プラズマを発生させるプラズマ処理装置としては、磁
場を重畳させる第２従来例がありその概略図を図７に示
した。この装置は第１従来例と全く同様に構成されてい
る以外に真空槽１０の外部において電極２に近接して、
電極１と電極２とは平行に、平板磁石７がその回転機構
８と共に配設されている。この平板磁石７は電極１と電
極２との間の電場に直交する磁場を形成させるものであ
り、両磁極の偏心位置で回転されるものが多い。そし
て、この平板磁石７によって基板６内では磁場強度はほ
ぼ均一になっている。

【０００８】この第２従来例の作用を説明するに、真空
槽１０を真空としてエッチングガスを導入し電極１にＲ
Ｆ電力を印加すると、電極１と電極２との間にプラズマ
が発生し、プラズマ中のイオンが電極１におけるバイア
ス電圧によって加速されて基板６に衝突することは第１
従来例と同様であるが、プラズマ中の電子は電極１と電
極２との間の電場Ｅと平板磁石７による磁場Ｂとのベク
トル積（ベクトルＥ×ベクトルＢ）の方向にサイクロイ
ド曲線を描きながらドリフト運動し、更にそのドリフト
運動が閉じた軌跡を形成するので、電子とエッチングガ
ス分子との電離衝突の頻度が高まり、密度の高いプラズ
マが形成されるのである。そして高密度プラズマの分布
が偏ることを防ぐために、回転機構８によって平板磁石
７が回転される。

【０００９】しかし、この第２従来例においては、電極
１と電極２の中心軸近辺が常に高密度プラズマとなり易
く、従って基板６は不均一なエッチングを受け易く、ま
た不均一なプラズマ密度によると思われるチャージアッ
プを伴い易い。

【００１０】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は上記の問題
に鑑みてなされ、高いエッチング速度が得られ、かつ基
板にチャージアップ・ダメージを招かないプラズマ処理
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、真空槽
内にプラズマ発生用の気体が導入され、かつ一対の平行
平板電極が配設されたプラズマ処理装置において、一方
の第１電極には基板が載置されると共に前記基板にバイ
アスをかけるための高周波電源が接続され、他方の第２
電極にはプラズマ発生用の高周波電源が接続されてお
り、前記基板をプラズマ処理するに当っては、前記第１
電極と前記第２電極において互いに１８０度の位相差を
持つように高周波電力が印加されることを特徴とするプ
ラズマ処理装置、によって達成される。

【００１２】

【作用】一対の平行平板電極を配置したプラズマ処理装
置において、第１電極（基板を載置）と第２電極とに高
周波電力を互いに１８０度の位相差を持つように印加し
ているので、電極間に高密度プラズマが均一に発生し、
高いエッチング速度が得られる。一方、基板を載置する
第１電極には、エッチングに必要なバイアス電圧以上の
バイアス電圧が発生しないように、制御して高周波電力
を印加し得るので、基板にチャージアップが発生しな
い。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例によるプラズマ処理装
置について、図面を参照して説明する。

【００１４】すなわち、図１は第１実施例によるプラズ
マ処理装置の概略図であるが、真空槽２０内に平行平板
電極としての電極１１と電極１２とが平行し対向して配
置されており、かつ電極１２の面積は電極１１の面積の
２．５倍としている。これはカソードカップリングとす
ることによって、発生するプラズマ中のイオンが電極１
１のバイアス電圧によって加速されるようにするためで
ある。そして、真空槽２０の内壁部を接地電極１３とし
ているが、このことは従来例と同様である。

【００１５】また、電極１２にはプラズマ発生用のＲＦ
電源１９（周波数１３．５６ＭＨｚ）が真空槽２０とは
絶縁体１７を介して接続され、基板１６が載置されてい
る電極１１には基板１６にバイアスをかけるためのＲＦ
電源１５（周波数１３．５６ＭＨｚ）が真空槽２０とは
絶縁体１４を介して接続されている。そして印加される
ＲＦ電力が電極１１と電極１２とにおいて１８０度の位
相差を持つように、ＲＦ電源１５及びＲＦ電源１９は移
相器４０と接続されており、移相器４０からの信号を各
電源で増幅使用するようにしている。なお、位相差を１
８０度とした時にエッチング速度とエッチングの均一性
が最良となるので、位相差は１８０度に固定されてい
る。

【００１６】更には、基板１６にかかるバイアスを均一
化するためと、金属である電極１１による基板１６の金
属汚染を避けるために、電極１１と基板１６との間に誘
電体の石英（ＳｉＯ₂ ）板１８を介在させている。

【００１７】本発明の第１実施例によるプラズマ処理装
置は以上のように構成されるが、次にこの作用について
説明する。

【００１８】真空槽２０内を図示しない真空ポンプで排
気した後、エッチングガスとしてのアルゴン（Ａｒ）を
図示しない導入管から流入させる。アルゴンガスの流入
量と排気速度を調整して、真空槽２０内のガス圧力を７
Ｐａとする。ガス圧力を７Ｐａと低圧にするのは、発生
するプラズマ中のイオンが基板１６面に存在する小孔
（例えば直径５μｍφ）内にも十分に到達して、完全な
エッチングを可能とするためである。そして、ガス圧７
Ｐａを維持しつつＲＦ電力を印加する。この時移相器４
０によって、電極１１と電極１２には互いに１８０度の
位相差を持ってＲＦ電力が印加されるが、基板１６を載
置する電極１１には必要以上のバイアス電圧が発生しな
いようにＲＦ電力はＲＦ電源１５によって制御して印加
される。

【００１９】電極１１と電極１２との間の位相差１８０
度の印加ＲＦ電力によって、両電極間には高密度のアル
ゴンプラズマが均一に発生し、プラズマ中のアルゴンイ
オン（Ａｒ⁺ ）は電極１１のバイアス電圧によって加速
されて基板１６に衝突し、基板１６は高いエッチング速
度でエッチングされる。なお、エッチングによる生成物
はガスとなって排気される。もしくは、真空槽２０内の
壁面等に付着する。

【００２０】一方、電極１１上の制御されたバイアス電
圧のほか、電極１１と基板１６との間に介在させたアル
ミナ板１８の効果もあって、基板１６には適切なバイア
スが均一にかかることもあり、基板１６にはチャージア
ップやそれに伴うダメージが発生しない。

【００２１】図４は直径２００ｍｍφの基板についての
エッチング速度を本実施例によるプラズマ処理装置と第
１従来例によるプラズマ処理装置について比較した図で
あり、両者の基板載置電極１、１１に印加するＲＦ電力
を同一にして比較している。図４において縦軸はエッチ
ング速度、横軸は直径に沿う基板内位置であり、図中の
実線Ａは本実施例のエッチング速度、破線Ｂは第１従来
例のエッチング速度である。図４で明らかなように、本
実施例によるプラズマ処理装置は第１従来例によるもの
に比較して約３倍のエッチング速度を示す。

【００２２】また、図５は同じく直径２００ｍｍφの基
板をプラズマ処理した時の基板へのチャージアップの度
合いを、本実施例と第１従来例、第２従来例について比
較した図である。ほぼ同じエッチング速度が得られる場
合について比較したものであり、図５において縦軸はチ
ャージアップの度合い、横軸は直径に沿う基板内の位置
である。図中の実線Ａは本実施例、破線Ｂは第１従来
例、二点鎖線Ｃは第２従来例のチャージアップである。
図５で明らかなように、第１従来例、第２従来例ではチ
ャージアップが認められるに対し、本実施例ではチャー
ジアップは全く認められない。

【００２３】図２は本発明の第２実施例によるプラズマ
処理装置の概略図である。本実施例は第１実施例と殆ど
同様に構成されているので、第１実施例と共通する部分
については同一の符号を付し、その説明は省略する。

【００２４】本実施例が第１実施例と異なるところは、
平行平板電極である電極１１と電極１２の周囲に間隙を
あけて円筒状の接地電極２２が矢印で示すように上下動
可能に設置されていることにある。その作用を説明する
に、エッチングによって生成する物質の大部分は排気さ
れるが、排気されないものがこの円筒状接地電極２２に
よって捕捉されるので、真空槽２０の内壁がエッチング
生成物質の付着によって汚れるのを防ぐことが出来る。

【００２５】また、図３は本発明の第３実施例によるプ
ラズマ処理装置の概略図である。本実施例も第１実施例
と殆ど同様に構成されているので、第１実施例と共通す
る部分については同一の符号を付し、その説明は省略す
る。

【００２６】本実施例が第１実施例と異なるところは、
第１実施例において電極１１と基板１６との間に介在さ
せたアルミナ板１８の中に一対の電極３１、３２を埋め
込んで、これを真空槽２０外の直流電源３３に接続して
静電チャックを構成させていることにある。

【００２７】この作用を説明するに、電極３１、３２に
より生じる直流電界により、アルミナ板１８の表面に誘
起された電荷により基板１６とアルミナ板１８間でクー
ロン力が働き基板１６とアルミナ板１８が密着する。直
流電源をＲＦに対して浮遊電位とすることでプラズマ処
理になんらの影響を与えることはない。

【００２８】以上、本発明の各実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００２９】例えば、以上の各実施例においては、エッ
チングガスにアルゴンを使用したが、エッチングに適し
たアルゴン以外の稀ガス、例えばネオン、クリプトンや
キセノンを使用することが出来るし、それら以外にＣＦ
₄ やＣＣｌ₄ のような反応性のエッチングガスも使用し
得る。

【００３０】また、各実施例においては、平行平板電極
に印加する高周波電力に、常用されている周波数１３．
５６ＭＨｚの高周波を採用したが、エッチングに使用す
るに適した高周波であればよく、１３．５６ＭＨｚに限
られないことは言うまでもない。

【００３１】また、各実施例においては、電極１１と基
板１６との間に介在させる誘電体として石英板１８を採
用したが、これを他の公知の誘電体、例えばアルミナ
（Ａｌ ₂ Ｏ₃ ）板としてもよい。

【００３２】また、第２実施例においてはエッチング生
成物を捕捉するものとして円筒状の接地電極２２を採用
したが、これを円筒状のメッシュ電極としてもよい。

【００３３】また、各実施例においては、本発明のプラ
ズマ処理装置を、基板のクリーニングのためのエッチン
グプロセスに使用するものとして説明したが、これ以外
のプラズマ処理、例えば同じくチャージアップ・ダメー
ジが深刻な基板上の各種レジスト膜のアッシング（灰
化）プロセスにも適用し得る。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のプラズマ処
理装置は一対の平行平板電極のそれぞれに互いに１８０
度の位相差を有する高周波電力を印加し、かつ基板を載
置する電極には必要以上のバイアス電圧が発生しないよ
うに制御して高周波電力を印加し得るので、本発明のプ
ラズマ処理装置によれば高密度のプラズマが得られて基
板を高速でエッチング出来るほか、基板にはチャージア
ップやそれに伴うダメージを招かない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるプラズマ処理装置の
概略図である。

【図２】本発明の第２実施例によるプラズマ処理装置の
概略図である。

【図３】本発明の第３実施例によるプラズマ処理装置の
概略図である。

【図４】本発明の第１実施例と第１従来例とのエッチン
グ速度を比較した図である。

【図５】本発明の第１実施例と第１従来例、第２従来例
とのチャージアップの度合いを比較した図である。

【図６】第１従来例のプラズマ処理装置の概略図であ
る。

【図７】第２従来例のプラズマ処理装置の概略図であ
る。

【符号の説明】

１１ 平行平板電極 １２ 平行平板電極 １４ 絶縁体 １５ ＲＦ電源 １６ 基板 １７ 絶縁体 １８ 誘電体 １９ ＲＦ電源 ２０ 真空槽 ４０ 移相器 ２２ 円筒状接地電極 ３１ 静電チャック電極 ３２ 静電チャック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 太郎 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空槽内にプラズマ発生用の気体が導入
   され、かつ一対の平行平板電極が配設されたプラズマ処
   理装置において、一方の第１電極には基板が載置される
   と共に前記基板にバイアスをかけるための高周波電源が
   接続され、他方の第２電極にはプラズマ発生用の高周波
   電源が接続されており、前記基板をプラズマ処理するに
   当っては、前記第１電極と前記第２電極において互いに
   １８０度の位相差を持つように高周波電力が印加される
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記第１電極に接続されている高周波電
   源及び前記第２電極に接続されている高周波電源の周波
   数が共に１３．５６ＭＨｚである請求項１に記載のプラ
   ズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記第１電極に接続されている高周波電
   源と前記第２電極に接続されている高周波電源とに移相
   器が接続されている請求項１又は請求項２に記載のプラ
   ズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記第２電極の面積が前記第１電極の面
   積の１〜２．５倍である請求項１乃至請求項３のいづれ
   かに記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記第１電極とそれに載置される前記基
   板との間に誘電体を介在させた請求項１乃至請求項４の
   いづれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 前記誘電体がアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）で
   ある請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】前記誘電体が石英（ＳｉＯ₂ ）である請求
   項５に記載のプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 前記誘電体が前記真空槽外の直流電源と
   接続された一対の電極を埋蔵している請求項５に記載の
   プラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 前記真空槽内において、前記第１電極と
   前記第２電極とに挟まれた空間とは間隙をあけて、円筒
   状の接地電極が上下動可能に配設されている請求項１乃
   至請求項５のいづれかに記載のプラズマ処理装置。
10. 【請求項１０】 前記プラズマ発生用の気体の圧力が７
    Ｐａ以下である請求項１乃至請求項８のいづれかに記載
    のプラズマ処理装置。
11. 【請求項１１】 前記プラズマ発生用の気体がアルゴン
    （Ａｒ）である請求項１乃至請求項９のいづれかに記載
    のプラズマ処理装置。