CN117373887A - 等离子体处理装置和等离子体处理方法 - Google Patents

等离子体处理装置和等离子体处理方法 Download PDF

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CN117373887A CN202310746605.4A CN202310746605A CN117373887A CN 117373887 A CN117373887 A CN 117373887A CN 202310746605 A CN202310746605 A CN 202310746605A CN 117373887 A CN117373887 A CN 117373887A
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Abstract

本公开提供一种等离子体处理装置和等离子体处理方法，能够抑制划分壁的损伤。本公开的一个方式的等离子体处理装置具备：处理容器，在所述处理容器的侧壁具有开口；划分壁，其覆盖所述开口，并且形成与所述处理容器的内部连通的内部空间；内部电极，其以能够装卸且气密的方式贯通所述划分壁插入到所述内部空间，所述内部电极被供给RF电力；以及外部电极，其设置于所述划分壁的外部。

Description

等离子体处理装置和等离子体处理方法
技术领域
本公开涉及一种等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术
已知有以下技术：在立式的等离子体处理装置中，以覆盖形成于处理容器的侧壁的开口的方式设置有等离子体划分壁，在由等离子体划分壁覆盖而得到的内部空间中生成等离子体(例如，参照专利文献1)。在专利文献1中，在等离子体划分壁的相向的一对侧壁配设有平行平板型的等离子体电极，等离子体划分壁的至少与等离子体电极对应的区域由合成石英形成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-207913号公报
发明内容
发明要解决的问题
本公开提供一种能够抑制划分壁的损伤的技术。
用于解决问题的方案
本公开的一个方式的等离子体处理装置具备：处理容器，在所述处理容器的侧壁具有开口；划分壁，其覆盖所述开口，并且形成与所述处理容器的内部贯通的内部空间；内部电极，其以能够装卸且气密的方式贯通所述划分壁插入到所述内部空间，所述内部电极被供给射频电力；以及外部电极，其设置于所述划分壁的外部。
发明的效果
根据本公开，能够抑制划分壁的损伤。
附图说明
图1是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置的概要图。
图2是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置的水平截面图。
图3是示出等离子体生成部的一例的截面图。
图4是示出内部电极和外部电极的一例的概要图。
图5是示出实施方式所涉及的等离子体处理方法的流程图。
图6是示出实施方式的变形例所涉及的等离子体处理装置的水平截面图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本公开的非限定性的例示的实施方式。在所附的全部图中，对相同或对应的构件或部件标注相同或对应的附图标记，并省略重复的说明。
〔等离子体处理装置〕
参照图1～图4，来说明实施方式所涉及的等离子体处理装置1。下面，“合成石英”是指将高纯度的四氯化硅(SiCl4)氧化合成得到的合成二氧化硅玻璃。另外，“天然石英”是指将天然的石英粉熔融而得到的熔融石英玻璃(电熔和焰熔)。另外，将合成石英和天然石英合在一起称为二氧化硅玻璃。
等离子体处理装置1是对多个(例如50张～200张)基板W一次性地进行处理的批量式的装置。基板W例如是硅晶圆等半导体晶圆。等离子体处理装置1具备反应器10、气体供给部30、等离子体生成部40、排气部50、加热部60以及控制部90。
反应器10具有下端开放的有顶的圆筒形形状。反应器10的内部能够被减压。反应器10作为内部收容多层地排列的多个基板W的处理容器发挥功能。反应器10例如由天然石英形成。
在反应器10的下端形成有底凸缘11。底凸缘11由金属凸缘21支承。金属凸缘21设置为隔着O型环等密封构件22夹入底凸缘11的外缘。金属凸缘21例如由不锈钢形成。在底凸缘11的下表面，隔着O型环等密封构件13气密地安装有盖体12。由此，反应器10的下端的开口被气密地堵塞。盖体12例如由不锈钢形成。在盖体12的中央部，经由磁流体密封件14贯通地设置有旋转轴15。旋转轴15能够相对于盖体12相对地进行旋转。盖体12和旋转轴15能够相对于反应器10相对地进行升降。在旋转轴15的上端设置有旋转台16。在旋转台16上，隔着保温筒17载置有晶圆舟18。保温筒17和晶圆舟18例如由天然石英形成。保温筒17防止从反应器10的下端的开口散热。晶圆舟18与盖体12成为一体而能够进行升降。晶圆舟18与旋转轴15成为一体而能够进行旋转。晶圆舟18将多个基板W以沿上下方向排列成多层的方式进行保持。
在反应器10的侧壁，沿着其长边方向(上下方向)设置有矩形形状的开口19。开口19的上下方向上的长度形成为与晶圆舟18的长度相同，或比晶圆舟18的长度长且向上下方向分别延长。开口19被后述的划分壁41覆盖。划分壁41形成内部空间P。内部空间P经由开口19来与反应器10的内部连通。
在反应器10的侧壁的下部设置有排气口20。经由排气口20由后述的排气部50对反应器10的内部进行排气。
气体供给部30包括原料气体供给部31和反应气体供给部32。
原料气体供给部31具备插通到反应器10内的原料气体供给管31a，并且在反应器10的外部具备原料气体供给路径31b。在原料气体供给路径31b，从气体的流通方向的上游侧去向下游侧依次设置有原料气体源31c、质量流量控制器31d以及阀31e。由此，原料气体源31c的原料气体通过阀31e被控制供给定时，并且通过质量流量控制器31d被调整为规定的流量。原料气体从原料气体供给路径31b流入到原料气体供给管31a，并从原料气体供给管31a喷出到反应器10内。原料气体例如可以是含金属气体、含硅气体。作为含金属气体，例如能够举出四氯化钛(TiCl4)气体。作为含硅气体，例如能够举出二氯硅烷(DCS)气体。
反应气体供给部32具备插通于内部空间P的反应气体供给管32a，并且在反应器10的外部具备反应气体供给路径32b。在反应气体供给路径32b，从气体的流通方向的上游侧去向下游侧依次设置有反应气体源32c、质量流量控制器32d以及阀32e。由此，反应气体源32c的反应气体通过阀32e被控制供给定时，并且通过质量流量控制器32d被调整为规定的流量。反应气体从反应气体供给路径32b流入到反应气体供给管32a，并从反应气体供给管32a喷出到内部空间P。反应气体是与原料气体发生反应来生成反应生成物的气体，例如可以是氮化气体。作为氮化气体，例如能够举出氨(NH3)气体。
各气体供给管(原料气体供给管31a、反应气体供给管32a)例如由天然石英形成。原料气体供给管31a在反应器10的内表面的近旁沿着上下方向呈直线状地延伸，并且在反应器10的下部处弯曲为L字状来贯通反应器10的侧面而延长到反应器10的外部。反应气体供给管32a在划分壁41的内表面的近旁沿着上下方向呈直线状地延伸，并且贯通划分壁41的底面而延长到反应器10的外部。
在原料气体供给管31a中的位于反应器10的内部的部位设置有多个原料气体喷出口31f。在反应气体供给管32a中的位于内部空间P的部位设置有多个反应气体喷出口32f。各喷出口(原料气体喷出口31f、反应气体喷出口32f)沿着各自的气体供给管的延伸方向每隔规定的间隔地形成。各喷出口朝向水平方向喷出气体。各喷出口彼此的间隔例如设定为与保持于晶圆舟18的基板W的间隔相同。各喷出口的高度方向上的位置设定为在上下方向上相邻的基板W间的中间位置。由此，各喷出口能够向相邻的基板W间的相向面高效地供给气体。
气体供给部30也可以将多种气体混合而从一个供给管喷出混合的气体。例如，原料气体供给管31a也可以以能够向反应器10的内部喷出非活性气体的方式构成。例如，反应气体供给管32a也可以以能够向内部空间P喷出非活性气体的方式构成。气体供给部30也可以除了具备原料气体供给管31a和反应气体供给管32aa以外，还具备供给其它气体的供给管。
等离子体生成部40具有划分壁41、导入管42、内部电极43、外部电极44、密封部45以及RF电源46。
划分壁41设置于反应器10的侧壁的一部分。划分壁41沿着多个基板W的排列方向延伸。划分壁41被气密地焊接于反应器10的侧壁。划分壁41的水平截面具有凹状。划分壁41覆盖开口19，并且形成与反应器10的内部连通的内部空间P。在内部空间P设置有反应气体供给管32a。划分壁41例如由天然石英形成。在划分壁41的底面设置有用于插入内部电极43的导入开口41a。
导入管42气密地焊接于划分壁41的底面。导入管42例如由天然石英形成。导入管42具有圆筒形形状，导入管42覆盖导入开口41a，并且导入管42的内部经由导入开口41a来与内部空间P连通。
内部电极43以能够装卸且气密的方式贯通划分壁41插入到内部空间P。内部电极43具有绝缘管43a和棒状电极43b。
绝缘管43a具有上端封闭的细长的圆筒形形状。绝缘管43a贯通划分壁气密地插入到内部空间P，并沿着多个基板W的排列方向延伸。绝缘管43a的内部的气氛例如可以是大气或非活性气体。绝缘管43a的内部的压力例如可以是大气压。绝缘管43a的外径比导入开口41a的内径及导入管42的内径小。在该情况下，绝缘管43a能够在与划分壁41之间隔开间隙地插入到内部空间P，并且能够隔开间隙地插入到导入管42的内部。
绝缘管43a的材质例如可以是氧化铝等陶瓷、天然石英。从抑制针对基板W进行等离子体处理时由等离子体引起的离子损伤(ion damage)、对反应器10的内部进行干式清洁时由氟系气体引起的腐蚀的观点出发，绝缘管43a的材质优选为天然石英。
绝缘管43a的材质尤其优选为合成石英。由于设置于内部空间P的绝缘管43a暴露于等离子体中，因此会由于因等离子体中的离子引起的溅射、蚀刻而受到损伤。特别是，在从不包含氧而包含氢的气体(例如氨气体、氢气体)生成等离子体的情况下，除了因等离子体中的离子引起的损伤以外，还会因二氧化硅玻璃中的氧被氢夺取而在二氧化硅玻璃的表层产生结构变化。由此，有时在二氧化硅玻璃中产生大的应变，其应力导致绝缘管43a损伤。因此，作为绝缘管43a的材质，使用细微构造比天然石英致密且能期待更高的耐蚀刻性的合成石英，由此能够抑制绝缘管43a的损伤。另外，优选合成石英的OH基的浓度为200ppm以上。在该情况下，在合成石英中产生的应力降低，容易抑制绝缘管43a的损伤。并且，优选绝缘管43a的与管轴正交的截面为圆形形状或椭圆形形状，以缓和在二氧化硅玻璃中产生的应力。
棒状电极43b具有细长的圆柱状，棒状电极43b插入到绝缘管43a的内部。棒状电极43b的下端从绝缘管43a的下端引出到大气中，并经由未图示的供电线及匹配器来与RF电源46连接。从RF电源46向棒状电极43b供给RF电力。由于棒状电极43b设置于内部空间P，因此被在等离子体处理温度(例如400℃)以上的温度下使用。棒状电极43b的材质优选为低电阻率的金属，能够使用铜、铁，但是由于铜、铁在天然石英中的扩散系数大，因此从避免对反应器10的内部的金属污染的观点出发，优选耐热性及抗氧化性高的镍合金。
外部电极44具有第一外部电极44a和第二外部电极44b。第一外部电极44a和第二外部电极44b分别具有以上下方向为长边方向的细长的矩形板状。第一外部电极44a和第二外部电极44b固定于划分壁41的侧壁的外表面。第一外部电极44a与第二外部电极44b相向配置。在该情况下，当向内部电极43供给RF电力时，在内部电极43与第一外部电极44a之间、以及内部电极43与第二外部电极44b之间生成电容耦合型等离子体(capacitivelycoupled plasma：CCP)。因此，能够在内部空间P的广范围内生成等离子体。但是，外部电极44也可以仅具有第一外部电极44a和第二外部电极44b中的任一方。第一外部电极44a和第二外部电极44b例如接地。在该情况下，能够抑制由等离子体对划分壁41的侧壁的内表面造成损伤。
密封部45在导入管42的下端将第二间隙G2气密地密封。密封部45具有内筒构件45a、密封构件45b、套筒45c以及外筒构件45d。
内筒构件45a贯通金属凸缘21的底壁地设置。内筒构件45a例如与金属凸缘21一体地形成。内筒构件45a在外周面具有外螺纹部。
密封构件45b设置于绝缘管43a、套筒45c以及底凸缘11之间。密封构件45b例如是O型环。
套筒45c插入到内筒构件45a的内部。套筒45c通过向上方移动来以上端将密封构件45b压扁。由此，将密封构件45b按压于绝缘管43a、套筒45c以及底凸缘11这三点，由此将第二间隙G2气密地密封。
外筒构件45d在内周面具有与内筒构件45a的外螺纹部旋合的内螺纹部。通过使外筒构件45d的内螺纹部与内筒构件45a的外螺纹部旋合，来使套筒45c向上方移动。外筒构件45d例如是螺母。
RF电源46向棒状电极43b供给RF电力。由此，从供给到内部空间P的反应气体生成等离子体。RF电力的频率例如为13.56MHz。
排气部50具有排气通路51、压力调整阀52以及真空泵53。排气通路51与排气口20连接。排气部50一边通过真空泵53对反应器10的内部进行排气，一边通过压力调整阀52来调整反应器10的内部的压力。
加热部60设置于反应器10的周围。加热部60具有有顶的圆筒形形状的加热器腔室61以及呈螺旋状地设置于加热器腔室61的内表面的加热器线62。加热部60通过加热器线62的发热来对收容于反应器10的内部的各基板W进行加热。
控制部90例如通过控制等离子体处理装置1的各部的动作来实施后述的等离子体处理方法。控制部90例如可以是计算机。用于进行等离子体处理装置1的各部的动作的计算机的程序存储于存储介质。存储介质例如可以是软盘、光盘、硬盘、闪速存储器、DVD等。
参照图5，来说明使用实施方式所涉及的等离子体处理装置1进行的等离子体处理方法。实施方式所涉及的等离子体处理方法通过由控制部90控制等离子体处理装置1的各部的动作来进行。以下，作为等离子体处理，以通过等离子体ALD(plasma-enhanced atomiclayer deposition(PEALD)：等离子体增强原子层沉积)来在基板W上形成氮化硅(SiN)膜的情况为例进行说明。
首先，使保持有多个基板W的晶圆舟18从预先被进行了规定的温度的调整后的反应器10的下方上升来将该晶圆舟18搬入到反应器10的内部，并由盖体12将反应器10的下端的开口关闭，由此将反应器10的内部密闭。接下来，由排气部50对反应器10的内部进行抽真空并维持为工艺压力，并且由加热部60使基板温度上升并维持为工艺温度，并通过旋转轴15的旋转来使晶圆舟18旋转。
接着，控制部90实施图5所示的步骤S1～S5来在各基板W上形成SiN膜。
在步骤S1中，从原料气体供给部31向反应器10的内部供给DCS气体，来在各基板W上吸附DCS气体。在步骤S1中，也可以从反应气体供给部32向内部空间P供给非活性气体。在该情况下，能够抑制供给到反应器10的内部的DCS气体向内部空间P侵入。
步骤S2在步骤S1后实施。在步骤S2中，一边由排气部50对反应器10的内部进行抽真空，一边从原料气体供给部31向反应器10的内部供给非活性气体，并且从反应气体供给部32向内部空间P供给非活性气体。由此，将残留于反应器10的内部和内部空间P的DCS气体排出。在步骤S2中，也可以交替地进行由排气部50进行的反应器10的内部的抽真空、和从原料气体供给部31向反应器10的内部的非活性气体的供给及从反应气体供给部32向内部空间P的非活性气体的供给。在步骤S2中，也可以仅从原料气体供给部31和反应气体供给部32中的任一方供给非活性气体。
步骤S3在步骤S2后实施。在步骤S3中，从反应气体供给部32向内部空间P供给NH3气体，并且从RF电源46向内部电极43施加RF电力，由此在内部空间P从NH3气体生成等离子体。所生成的等离子体中包含的活性种从内部空间P扩散到反应器10的内部，使吸附于各基板W上的DCS气体氮化而形成SiN膜。在步骤S3中，也可以从原料气体供给部31向反应器10的内部供给非活性气体。在该情况下，能够抑制向原料气体供给管31a的内部的活性种的侵入。因此，能够抑制在原料气体供给管31a的内部沉积SiN膜。
步骤S4在步骤S3后实施。在步骤S4中，一边由排气部50对反应器10的内部进行抽真空，一边从原料气体供给部31向反应器10的内部供给非活性气体，并且从反应气体供给部32向内部空间P供给非活性气体。由此，将残留于反应器10的内部及内部空间P的NH3气体排出。在步骤S4中，也可以交替地进行由排气部50进行的反应器10的内部的抽真空、和从原料气体供给部31向反应器10的内部的非活性气体的供给及从反应气体供给部32向内部空间P的非活性气体的供给。在步骤S4中，也可以仅从原料气体供给部31和反应气体供给部32中的任一方供给非活性气体。
步骤S5在步骤S4后实施。在步骤S5中，判定是否将步骤S1～S4实施了设定次数。在实施次数未达到设定次数的情况下(步骤S5：“否”)，再次实施步骤S1～S4。另一方面，在实施次数达到设定次数的情况下(步骤S5：“是”)，SiN膜的膜厚达到目标膜厚，因此结束处理。通过像这样重复步骤S1～S4直到实施次数达到设定次数为止，来在各基板W上形成SiN膜。步骤S5的设定次数例如根据SiN膜的目标膜厚来设定。步骤S5的设定次数可以是1次，也可以是多次。
如以上说明的那样，根据实施方式的等离子体处理装置1，具备：内部电极43，其以能够装卸且气密的方式贯通划分壁41插入到内部空间P，所述内部电极43被供给RF电力；以及外部电极44，其设置于划分壁41的外部。通过像这样将被供给RF电力的电极设置于内部空间P，能够使容易受到由等离子体引起的损伤的部位不是划分壁41的侧壁的内表面，而为能够装卸的内部电极43的表面。由此，能够抑制划分壁41因产生应变而损伤，因此，能够延长划分壁41和被焊接划分壁41的反应器10的寿命。另外，构成内部电极43的绝缘管43a虽然容易因等离子体而受到损伤，但是内部电极43能够相对于划分壁41进行装卸。因此，仅定期地更换绝缘管43a即可，能够降低维护成本和环境负荷。
与此相对，考虑以下情况：在形成内部空间P的划分壁41的两个侧壁的外表面设置有相向配置的一对电极(以下称为“平行平板电极”。)，对平行平板电极间供给RF电力来在内部空间P中生成等离子体。在该情况下，划分壁41的侧壁的内表面会由于因等离子体中的离子引起的溅射、蚀刻而受到损伤。特别是，在从不包含氧而包含氢的气体(例如氨气体、氢气体)生成等离子体的情况下，除了因等离子体中的离子引起的损伤以外，还会因二氧化硅玻璃中的氧被氢夺取而在二氧化硅玻璃的表层产生结构变化。由此，有时在二氧化硅玻璃中产生大的应变，其应力导致绝缘管43a损伤。像这样，划分壁41和被焊接划分壁41的反应器10的寿命短。
〔等离子体处理装置的变形例〕
参照图6来说明实施方式的变形例所涉及的等离子体处理装置1A。图6所示的等离子体处理装置1A与等离子体处理装置1的不同点在于，生成等离子体的内部空间P有两个。此外，关于其它结构，可以与等离子体处理装置1相同。下面，以与等离子体处理装置1的不同点为中心进行说明。
两个内部空间P分别由划分壁41形成。两个划分壁41设置于反应器10的周向上的不同位置。例如两个划分壁41设置为在反应器10的周向上将原料气体供给管31a夹在中间。
在等离子体处理装置1A中也得到与等离子体处理装置1同样的作用效果。此外，内部空间P也可以设置有三个以上。
应该认为，本次公开的实施方式的所有点均为例示性而非限制性的。也可以不脱离所附的权利要求书及其主旨地将上述的实施方式以各种方式进行省略、置换、变更。
附图标记说明
1、1A：等离子体处理装置；10：反应器；19：开口；41：划分壁；43：内部电极；44：外部电极；P：内部空间。

Claims (12)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备：
处理容器，在所述处理容器的侧壁具有开口；
划分壁，其覆盖所述开口，并且形成与所述处理容器的内部连通的内部空间；
内部电极，其以能够装卸且气密的方式贯通所述划分壁插入到所述内部空间，所述内部电极被供给射频电力；以及
外部电极，其设置于所述划分壁的外部。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述划分壁具有用于插入所述内部电极的导入开口，
所述等离子体处理装置还具备筒形形状的导入管，所述导入管固定于所述划分壁，所述导入管的内部与所述导入开口连通，
所述内部电极插入到所述导入管的内部。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述内部电极具有筒形形状的绝缘管和插入到所述绝缘管的内部的棒状电极。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述绝缘管由合成石英形成。
5.根据权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述合成石英的羟基的浓度为200ppm以上。
6.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述绝缘管的与管轴正交的截面为圆形形状或椭圆形形状。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述外部电极接地。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述外部电极设置于所述划分壁的相向的两个侧面。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，还具备：
原料气体供给部，其向所述处理容器的内部供给原料气体；以及
反应气体供给部，其向所述内部空间供给用于与所述原料气体发生反应的反应气体。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述处理容器构成为收容多层地排列的多个基板，
所述划分壁和所述内部电极沿着所述多个基板的排列方向延伸。
11.一种等离子体处理方法，用于在等离子体处理装置中对收容于处理容器的内部的基板进行等离子体处理，所述等离子体处理装置具备：所述处理容器，在所述处理容器的侧壁具有开口；划分壁，其覆盖所述开口，并且形成与所述处理容器的内部连通的内部空间；内部电极，其以能够装卸且气密的方式贯通所述划分壁插入到所述内部空间，所述内部电极被供给射频电力；以及外部电极，其设置于所述划分壁的外部，所述等离子体处理方法的特征在于：
所述等离子体处理包括：通过向所述内部电极施加所述射频电力来从供给到所述内部空间的气体生成等离子体。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述气体包含氢。
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