JP2005093850A - プラズマ処理装置および真空容器の清掃方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマを用いた処理装置で内部に堆積した物質の清掃時間を短縮する。
【解決手段】 プラズマを発生させる真空容器１０３に吸引型の清掃機１０９を設置し、かつ容器内部の圧力をほぼ１気圧一定に保つようにガス導入管１１４から容器に不活性ガスを導入しながら、内部を吸引清掃する。
【選択図】 図１

Description

本発明はプラズマ処理装置および真空容器の清掃方法に係り、特に、プラズマを用いて半導体ウエハ等の試料をエッチング処理あるいは試料に膜を堆積させる装置において、真空容器内を清掃する装置及び清掃方法に関するものである。

本発明は、半導体素子の製造に用いられているプラズマを利用した処理装置に適用する。ここではECR(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれるプラズマ処理装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。

このプラズマ処理装置で試料をエッチングする場合には、プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。また、試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。この構成で半導体素子製造に必要な、試料に垂直なエッチングができる。以後、試料に印加する電力をバイアスと呼ぶ。また、試料上に膜の堆積を行う場合は、SiH４などの原料ガスを用いて試料上に多結晶Si膜を堆積できる。

このプラズマ処理装置では、ある程度の処理時間が経つと真空容器内に原料ガスや反応生成物の堆積が生じる。堆積物が生じるとプラズマの状態が変化して、エッチング特性の経時変化が生じたり、あるいは堆積物が剥がれて試料上に落ちて異物となり歩留まり低下の原因となる。したがって、ある期間経過すると真空容器内壁の清掃が必要となる。

従来から真空容器を清掃する方法としては、例えば、特許文献１と特許文献２には、Alを含む堆積物をBCl３とCl２あるいはBCl３とHClのプラズマを用いて除去する方法が述べられている。また特許文献３には、Alを含む堆積物をH２O、Cl２、O２のプラズマを順に用いて除去する方法が述べられている。他にもSiを含む堆積物はSF６やCF４などのFを含むプラズマで除去する方法が知られている。この方法は真空容器を大気に戻すことが無いので、短時間で処理が済むことが大きな利点である。また、例えば数千枚処理した後は真空を大気に戻して内部を水や酸などをもちいて湿式に清掃する。

特開平１１−１８６２２６号公報

特開２０００−１２５１５号公報 特開平９−１７１９９９号公報

近年、半導体素子の多様化に伴い、試料の材料あるいはプラズマプロセスで用いるガスも多様化してきた。すると従来のプラズマを用いた清掃では除去しにくい堆積物が生じることがわかってきた。例えば、塩素系ガスとフッ素系ガスを混合あるいは切り替えて用いると真空容器の材料として広く用いられているアルミ/アルマイトあるいはアルミナと反応して弗化アルミニウム（AlF３）が生じる。弗化アルミニウムは非常に安定でかつ蒸気圧が低く、プラズマクリーニングでは除去が困難である。

これまでは、例えば弗化アルミニウムのようなプラズマクリーニングで除去できない堆積物は、真空容器を大気開放して湿式でふき取る清掃が用いられてきた。しかし、この方法は、真空容器を再びウエハ処理できる状態まで真空度を復帰させるのに時間を要するという問題がある。

本発明の目的は、プラズマ処理装置にておいて真空容器を清掃後に短時間で製品の作成を開始できるプラズマ処理装置および清掃方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、真空容器に不活性ガスを大気圧程度あるいは大気圧よりやや低めに充填して、さらに真空容器に常備設置、あるいは外部から取り付ける真空吸引装置で容器内部を清掃する。通常に吸引したのでは、真空容器内部が減圧されて清掃できない難点がある。そこで真空容器内部の圧力を監視しながら内部に不活性ガスを充填することで解決する。
本発明の他の特徴として、真空容器の内部を吸引清掃する清掃機構の先端ノズルは磁性体部品を含んでおり、真空容器外部から磁石により先端ノズルを操作可能に構成されている。

本発明の他の特徴として、真空容器のアースが真空容器の電力導入窓以外の内壁表面全体を被う構造となっている。
また、不活性ガスの導入は真空容器内部の異物を吹き上げないよう、ガス導入管は水平あるいは上向きになるよう方向を調節した。

本発明によれば、ウエハをプラズマ処理する処理装置の真空容器内部を大気に曝すことなく清掃できるので、清掃が短時間で終了すると共に、プラズマ処理装置を真空に引いて再びウエハを処理できる状態に復帰するまでの時間を短縮できる。

以下、本発明の実施例を図により説明する。
〔実施例１〕
まず、本発明の第１の実施例を図１により説明する。図１は、プラズマエッチング装置の全体構成図である。プラズマエッチング装置は真空容器１０３を備えており、マイクロ波電源１０１から導波管１０２と導入窓１１３を介して真空容器１０３内にマイクロ波が導入される。真空容器１０３の材質は金属であり、内面に絶縁コーティングしてある。導入窓１１３の材質は石英、セラミックなど電磁波を透過する物質である。真空容器１０３中にはガスが導入される。電磁石１０４の磁場強度はマイクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されて、たとえば周波数が２.４５GHzならば磁場強度は８７５Gaussである。この磁場強度でプラズマ中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よく電磁波のエネルギーがプラズマに供給され高密度のプラズマができる。試料１０６は、試料台１０７の上に設置される。試料に入射するイオンを加速するために、バイアス電源１０５が試料台１０７に接続されている。バイアス電源の周波数に特に制限はないが、通常バイアス電源の周波数は２００kHzから２０ＭHzの範囲が実用的である。

この真空容器１０３には、本発明に従い吸引型清掃機１０９が中間室１１２を介して着脱自在に取り付けられている。吸引型清掃機１０９は常時設置している必要はなく、必要時に取り付ける構造となっている。吸引型清掃機１０９は内部チューブ１０８と外部チューブ１１０により真空容器１０３の内壁を吸引できるようになっている。外部チューブ１１０には内部チューブ１０８の先端を動かせるようにハンドル１１１がついている。

また、真空容器１０３には、清掃時の圧力を一定に保つように不活性ガス導入管１１４がついている。内部チューブ１０８は図１では導入窓１１３を清掃する位置にきているが、通常の試料処理時には試料台１０７の下部でウエハ処理の障害とならない位置に収納されている。

図２は、図１の清掃機構部の拡大図である。吸引型清掃機１０９は２個のゲートバルブ２０２と２０３を介して真空容器１０３の下部側方に取り付けられる。ゲートバルブ２０３は常時真空容器側についているが、ゲートバルブ２０２と中間室１１２は吸引型清掃機１０９側についている。

次に、真空容器内部の清掃の手順を説明する。
ウエハをある程度の枚数処理して真空容器１０３内壁の堆積物の量が多くなったら、吸引型清掃機１０９をゲートバルブ２０３に取り付ける。この時点で中間室１１２は大気圧、真空容器１０３は真空となっている。次に、吸引型清掃機１０９を動作させ、ゲートバルブ２０２を開く。これにより中間室１１２が減圧される。次に、不活性ガス導入管１１４から真空容器内に窒素あるいはアルゴンなどのガスを導入する。このガスは水分を抜いたドライ空気でもよい。真空容器内の圧力は１気圧程度で、減圧の場合は０．９気圧以上が良い。加圧の場合は容器を破損する恐れがあるので、１気圧以下で使う方が望ましい。

この状態で、ゲートバルブ２０３を開いて、真空容器１０３内部の吸引清掃を開始する。清掃時は内部の圧力をモニタして、絶えず規定の圧力になるようにガス導入管１１４から不活性ガスを導入する。内部チューブ１０８により内壁を清掃するためには駆動機構が必要であり、ここでは内部にハンドル１１１とつながったフレキシブル棒２０１が入っており、先端のノズル２０４を手動で動かせるようになっている。このような構成の内部チューブ１０８で真空容器内部の堆積物を吸引清掃していく。

清掃が終了したら、ハンドル１１１を引き内部チューブ１０８を縮ませてすなわち外部チューブ１１０を伸ばして、試料台１０７の下邪魔にならない位置まで戻す。次に、ゲートバルブ２０３を閉じて、真空容器１０３内を真空に引くとともに、吸引型清掃機１０９をゲートバルブ２０３から取り外す。以上の清掃中には、試料台１０７にはダミーウエハ１０６を置いておき、清掃後はウエハを交換する。

以上述べた手順による清掃によれば、従来のように真空容器内部を大気の水分にさらすことが無い。そのため、清掃が短時間で終了すると共に、ウエハを再び処理できる状態にプラズマエッチング装置を短時間で復帰できる。

また、そこで真空容器内部の圧力を監視しながら内部に不活性ガスを導入充填するので、真空容器内部が減圧されて清掃できなくなるということも無く、連続して清掃可能である。この清掃方法では、不活性ガスの導入方法も重要である。すなわち、下にある堆積物などの異物を巻き上げないように、不活性ガス導入管１は水平あるいは上向きになるよう方向を調節する。また、清掃中の圧力を一定に保つために多量のガスを導入するので、管径も通常のプロセスガスを導入する管よりも太くする必要がある。またデフューザ等を用いてガスを分散させても良い。

また、内部を清掃中に真空容器内に電力が供給されると危険である。これを防ぐために、真空容器に吸引清掃機を取り付けるとマイクロ波電源１０１とｒｆ電源１０５がオンにならないようなセンサとインターロックを付ける必要がある。

ノズル２０４を操作する方法は、フレキシブル棒２０１を用いる変わりにマジックハンドを用いても良い。あるいは内部を２重構造にして人間の手を入れて操作するようにしても良い。

また、操作方法としてはハンドルとフレキシブル棒によるものでだけでなく、ノズルに磁性体を付けておき真空容器１０３外部から磁石によりノズルを操作して内部を掃引してもよい。また、ノズルの先に機械的に回転するブラシなどをつけても良い。またノズル先端にラジオコントロールできる小型の移動機構を設けて、外部から操作しても良い。磁石などで壁を移動できる遠隔操作可能な機構を設ける場合、小型の吸引機構と一体化して吸引物を内部に取りこめるようにした吸引ロボット的な構造でも良い。

〔実施例２〕
次に、本発明の第２の実施例を図３により説明する。この実施例は先の実施例１の変形であり、清掃用のチューブも取り外しできるようにてある。
図３は、真空容器１０３のゲートバルブと吸引型清掃機１０９近傍の拡大図である。内部チューブ１０８と外部チューブ１１０は共に清掃機側についており、取り外しできる。

この第２の実施例になる構造の清掃手順を説明する。まず、真空容器１０３のゲートバルブ２０３に清掃機の取り付けフランジ３０１を接続する。このとき内部チューブ１０８は中間室３０２の中に縮めておく。次に、吸引型清掃機を動作させて中間室３０２内を減圧する。次に、真空容器１０３内に不活性ガスを導入して圧力を１気圧程度にする。次に、ゲートバルブ２０３を開けて、ハンドルを操作することで内部チューブ１０８を伸ばして真空容器内を吸引清掃する。

本実施例によれば、ウエハをプラズマ処理する処理装置の真空容器内部を大気に曝すことなく清掃できるので、プラズマ処理装置を真空に引いて再びウエハを処理できる状態に復帰するまでの時間を短縮できる。また、この実施例では、チューブも取り外しできるので、チューブ自身を容器から取り外して清掃できる、チューブ先端のノズル２０４をいろいろな形の物に交換できる利点がある。例えば、試料台１０７上を清掃するときは鍵型に曲がったノズルに交換して清掃する。

〔実施例３〕
次に、実施例３として、真空容器の形状を清掃し安い構造に変えた例を、図４で説明する。既に述べた実施例では、真空容器の形状が複雑な場合、ノズルが届かない場所ができて、内部を隈なく清掃することが難しくなることも考えられる。そこで、図４に示した本実施例では、真空容器のアース４０５が真空容器の電力導入窓１１３以外の内壁表面全体を被う構造とした。アース４０５はアルミ上に厚さ約２００nm以下のアルマイトを形成して、ｒｆ電源１０５の電流が流れるようにしてある。電流が流れるとイオンによるスパッタが大きくなるために堆積物が生じにくくなる。すると堆積物は主に天井の電磁波導入窓１１３に堆積するために、この部分のみ清掃すれば良く、全体として清掃部分が少なくなり、より短時間で清掃が終了する。清掃の手順は実施例１あるいは２と同じである。また、この実施例３の装置では、プラズマを発生する電磁波を４５０MHzとしている。UHF電源４０１に整合機４０２を介してアンテナ４０４が接続されている。UHF波は導入窓１１３から真空容器１０３内に放出されて、プラズマが発生する。なお、マイクロ波を用いた図１の装置で、アースを側壁全面被うようにしても差し支えない。

またこの実施例では、真空掃除機を取り付けるフランジ２０３を複数個設けて、いろいろな角度から内部の清掃ができるようにしている。
〔実施例４〕
図５は別の実施例であり、吸引型清掃機と高圧ガス噴射器を組み合わせた装置である。外部チューブ１１０にバルブ５０２を介して、高圧ガス噴出器５０１が取り付けてある。また内部チューブ１０８には切り替えバルブ５０３が取り付けてある。本装置による清掃手順を以下に説明する。

まず、本清掃機全体を真空容器１０３に取り付けて、真空容器内部を吸引清掃する。この手順は実施例２と同様である。吸引清掃時には切り替えバルブ５０３を開け、バルブ５０２を閉じておく。次に、切り替えバルブ５０３を閉じて、バルブ５０２を開ける。真空容器内を荒引きしながら高圧ガス噴出器から不活性ガスを噴出して、真空容器１０３内壁に吹き付ける。高圧ガスは吸引でとりきれなかった残留物がもしあったら、それを吹き落とす効果がある。堆積物を十分落とした後に、バルブ５０２を閉じ、切り替えバルブ５０３を開けて、再び落ちた堆積物を吸引除去する。必要ならば、本手順を繰り返してもよい。また堆積物を全て下に落とすことにより、清掃が容易になる利点がある。高圧ガスを吹き付ける代わりに、粒状のドライアイス（固形２酸化炭素）を吹き付けても良い。粒状ドライアイスは固体なのでより強力な堆積物除去効果があり、かつ短時間で気化して容易に排気できる。

〔実施例５〕
図６は、さらに別の実施例であり、ノズル２０４の先端にカメラ６０１が取り付けられている。カメラ６０１の映像は外部のモニタに映し出されるようになっており、この映像から真空容器内部が観察でき、清掃の様子がわかるようになっている。また、カメラ６０１で清掃前と後の内部の写真を撮り、清掃終了の判定に使うことができる。この判定は画像処理技術を用いて、自動で行うこともできる。またノズル２０４のカメラ６０１のレンズ部分付近に孔を空けておき、実施例４で述べたガスを吹き付ける動作でカメラのレンズを同時に清掃することもできる。

本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示す全体構成図である。 図１の装置の吸引型清掃機とその接続部分の拡大図。 本発明の第二の実施例になるプラズマ処理装置の、吸引型清掃機と真空容器の取り付け部分の拡大図。 本発明の第三の実施例になるプラズマ処理装置の、装置全体の構成図。 本発明の第四の実施例になるプラズマ処理装置の、吸引型清掃機と真空容器の取り付け部分の拡大図。 本発明の第五の実施例になるプラズマ処理装置の、吸引型清掃機と真空容器の取り付け部分の拡大図。

符号の説明

１０１…マイクロ波電源、１０２…導波管、１０３…真空容器、１０４…電磁石、１０５…ｒｆ電源、１０６…ウエハ、１０７…試料台、１０８…内部チューブ、１０９…吸引型清掃機、１１０…外部チューブ、１１１…ハンドル、１１２…中間室、１１３…電磁波導入窓、１１４…ガス導入管、１１５…アース、２０１…フレキシブル棒、２０２、２０３…ゲートバルブ、２０４…ノズル、３０１…中間室、４０１…UHF電源、４０２…整合機、４０３…アンテナ、４０４…アース、５０１…高圧ガス噴出器、５０２…バルブ、５０３…切り替えバルブ、６０１…カメラ。

Claims (10)

1. 真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理装置において、
   清掃時に該真空容器内に不活性ガスを供給して該真空容器内の圧力を高めるガス供給手段と、該真空容器の内部を吸引排気することで前記真空容器の内壁を清掃する清掃機構とを設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１において、前記真空容器の内部を吸引清掃する清掃機構は、ゲートバルブを介して該真空容器に着脱自在となっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２において、前記真空容器の内部を吸引清掃する清掃機構の先端ノズルは磁性体部品を含んでおり、前記真空容器外部から磁石により前記先端ノズルを操作可能に構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記清掃機構を前記真空容器に取り付けると、前記プラズマを発生させる電源および前記試料に高周波を印加する電源が共にオンにならないようなインターロックを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１から４のいずれかにおいて、前記清掃機構のノズル先端には外部のモニタに接続されたカメラが設置されており前記真空容器内部をモニタできるようになっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１から５のいずれかにおいて、前記真空容器のアースが前記真空容器の電力導入窓以外の内壁を被う構造となっていることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に配置された試料を処理するプラズマ処理装置における前記真空容器の清掃方法であって、該真空容器内に不活性ガスを供給して圧力を高めながら該真空容器の内部を吸引排気することにより、該容器内壁を清掃することを特徴とする真空容器の清掃方法。
8. 請求項７において、不活性ガスの圧力を０．９気圧以上、１気圧未満一定に保ちながら、真空容器内を吸引清掃することを特徴とする真空容器の清掃方法。
9. 請求項７または８において、前記ガス導入管が水平あるいは上向きになるようにして真空容器に不活性ガスを導入することを特徴とする真空容器の清掃方法。
10. 請求項７から９のいずれかにおいて、前記真空容器の内部を吸引清掃すると共に高圧の不可性ガスあるいは粒子状ドライアイスを前記真空容器内壁に噴射することを特徴とする真空容器の清掃方法。

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