JP2005136073A

JP2005136073A - プラズマ処理装置およびそれに用いる真空容器

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Publication number: JP2005136073A
Application number: JP2003369107A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Ueki; 修三植木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: JP4383143B2

Abstract

【課題】真空容器において熱応力が集中発生しない形状を提供するとともに、真空容器内での温度差を小さくし、部分的な高温部あるいは低温部の発生によるクラックの発生を無くし、長寿命の真空容器を提供しようとするものである。
【解決手段】内部にプラズマ処理領域１９を形成する真空容器２５と、真空容器２５に対してガスを給排気する手段２６ａ、２６ｂと、真空容器２５の外側に配置され、真空容器２５内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段２７、２９とを具備してなり、真空容器２５内に配置された被処理基板ＷにＣＶＤ処理を行うプラズマ処理装置であって、上記真空容器２５が実質的に平坦な天井部２０と、外周面に上記天井部２０に連続したテーパ部２１とを有する。
【選択図】図１

Description

真空容器内でプラズマによる気相反応を利用して被処理基板の表面に薄膜を形成するプラズマ処理装置およびそれに用いる真空容器に関する。

以下に、従来より使用されている変形マグネトロン高周波放電型のプラズマ処理装置について説明する。

図４は、プラズマ処理装置の概略断面図を示すものであり、真空容器１は上容器２と下容器３とから構成される。上容器２はその下部が開口している他は継ぎ目のない一体構造をしたドーム型をしており、下容器３もその上部が開口している他は継ぎ目のない一体構造をしている。上容器２の下部開口部４は下容器３によりＯリングなどのシール部材（不図示）を介して密閉されて真空を保持され、真空容器１の内部にプラズマ処理領域５が形成される。

真空容器１の上部は給気されるガスを均一化する多数のシャワー孔６が形成され、真空容器１内へ給気されるガス流れを均一にし、被処理基板Ｗへのプラズマ処理均一性を向上するようになっている。多数のシャワー孔６が形成された真空容器１の上部は、ガス給気手段としてのガス給気口７を中央に有するカバー８で覆って、内部にガス分散室９を形成し、ガス給気口７から給気されたガスが多数のシャワー孔６に行き渡るようにしてある。

真空容器１の下部にはシリコンウェハなどの被処理基板Ｗを載置するサセプタ１０が設けられる。サセプタ１０は最下位電位とするために接地してあり、このサセプタ１０と円筒状放電用電極１１との間に高周波電力が印加される。

このサセプタ１０は上記多数のシャワー孔６と対面する位置に設ける。被処理基板Ｗを加熱するには、例えば抵抗加熱ヒーターを埋め込んだサセプタを使用したり、ランプを使用して赤外線で被処理基板Ｗを加熱したり、不活性ガスを使用してプラズマを立て、そのエネルギーを利用して被処理基板Ｗを加熱する方法などがある。

上記真空容器１のうち上容器２は、ドーム形状の天井部１２とこれに連続してつながる垂直な側壁部１３と該側壁下端にフランジ部１４を有して下部が開口４となった上容器２と、シール部材（不図示）を介して密閉されたプラズマ処理領域５を形成する該上部が開口４となっている下容器３から構成されている（特許文献1参照）。

また別の実施例としては図５に示すように、平坦な天井部９とこれに連続して角部にＲ部１８が形成され、側壁部１３を介してフランジ部１４が形成され、直接下部のフランジ部１４につながっている形状の真空容器が提案されている（引用文献２参照）。この上容器２の外周面には天井部９にＲＦ電極１５が、側壁部１３にＲＦ電極１７が設置されている。
特開２００３−２４３３６２号公報特開２００１−１９６３５４号公報

しかしながら、図４に示すような真空容器では、天井部１２と側壁部１３の境界が小さな曲面となっているため、高温となる天井部１２と低温となるフランジ部１４の温度分布によって熱応力が生じやすく、天井部１２と側壁部１３の境の部分に最大集中応力として発生し、破損の原因となっている。

また、図５に示すような真空容器１のうち上容器２も、ＲＦ電極１５および１７が上容器２の中で高温部となり、上容器２の天井部９と側壁部１３の間のＲ部１８がＲＥ電極の熱源が無くプラズマ領域から離れていることから低温部となっている。さらに下端のフランジ部１４は下容器３とつながっており、熱がこの部分から下容器３側へ逃げるため上容器２の中でもっとも低い温度部分となっている。

したがって、天井部９での熱膨張変形が大きく、フランジ部１４での熱変形が少ないことから、上容器２のＲ部１８に集中的に大きな熱応力が作用する結果、破損に至っていた。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであってその目的は、真空容器における温度差を小さくし、部分的な加熱部発生によるクラックの発生をなくすとともに、低温部の発生によるフッ化物ガスとの酸化物あるいは酸窒化物の凝着に起因するウエハーへの付着物をなくすことによって、高品質のウエハーを製造する真空容器１を提供しようとするものである。

本発明のプラズマ処理装置は、上容器と下容器からなる真空容器内でプラズマを発生させてＣＶＤ処理を行うプラズマ処理装置であり、内部にプラズマ処理領域が形成される下部開口部を有する上容器と、上容器の天井部に配設され、上容器を予熱保温する加熱手段と、シール材を挟んで上容器の開口部を閉じる下容器と、真空容器に対してガスを給排気する手段と、真空容器外側に配設される高周波電力を印加して供給されたガスを電離する電極手段と、被処理基板を載置するサセプタとを備えてなるプラズマ処理装置であって、上記上容器が平坦な天井部と該天井部からテーパによって連続した側面を有することを特徴とする。

また、上記テーパ部に連続し、上記被処理基板に対して垂直な側壁部を有することを特徴とする。

さらに、上記天井部とテーパ部およびテーパ部と側壁部との内部側の境界が曲面状であることを特徴とする。

またさらに、上記テーパ部が、天井部までの高さ方向における３０〜７０％、且つ真空容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されていることを特徴とする。

さらにまた、上記天井部およびテーパ部の外周側に凹部を設けることを特徴とする。

また、本発明の真空容器は、プラズマ処理装置に用いられ、内部にプラズマ処理領域を形成するための真空容器であって、該真空容器が実質的に平坦な天井部と、該天井部に連続し、天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ真空容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されたテーパ部とからなることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置は、内部にプラズマ処理領域を形成する真空容器と、真空容器に対してガスを給排気する手段と、真空容器の外側に配置され、真空容器内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段とを具備してなり、真空容器内に配置された被処理基板にＣＶＤ処理を行うプラズマ処理装置であって、上記真空容器が実質的に平坦な天井部と、外周面に上記天井部に連続したテーパ部とを有することから、真空容器が高温のプラズマ発生領域に近くなりテーパ部の温度が高くなるため真空容器内の温度分布の差を小さくし、低温部と高温部での温度差から発生する熱応力を分散させて熱応力の集中によって生じるクラックの発生を防止することができる。

また、本発明のプラズマ処理装置は、上記テーパ部に連続し、上記被処理基板に対して垂直な側壁部を有することから、プラズマ処理領域をコンパクトにするとともに必要とされるプラズマ処理空間を確保したまま温度分布を均一にすることができる。

さらに、本発明のプラズマ処理装置は、上記天井部とテーパ部およびテーパ部と側壁部との内部側の境界が曲面状であることから、真空容器に生じる温度分布により発生する熱応力が生じやすい境界における熱応力の集中をなくし分散化させることができ、クラックの発生をより有効に防止することができる。

またさらに、本発明のプラズマ処理装置は、上記テーパ部が、天井部までの高さ方向における３０〜７０％、且つ真空容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されていることから、テーパ部と該テーパ部に連続する天井部および側壁部と境界部での温度分布の差をより小さくすることができ、発生応力を緩和してクラック発生を防止することが可能となる。

さらにまた、本発明のプラズマ処理装置は、上記天井部およびテーパ部の外周側に凹部を設けたことから、プラズマを生成する電極手段を凹部に形成することにより、電極手段の装着性の安定化と装置自体のコンパクト化が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置を示す概略断面図であり、内部にプラズマ処理領域１９を形成する真空容器２５と、真空容器２５に対してガスを給気する手段である給気口２６ａと、ガスを排気する手段である排気口２６ｂと、真空容器２５の外側に配置され、真空容器２５内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段であるＲＦ電極２７、２９とを具備してなり、真空容器２５内に配置されたシリコンウェハなどの被処理基板ＷにＣＶＤ処理を行うものである。

また、被処理基板Ｗはサセプタ２４に載置され、サセプタ２４は最下位電位とするために接地してあり、このサセプタ２４とＲＦ電極２９との間に高周波電力が印加される。被処理基板Ｗを加熱するには、例えば抵抗加熱ヒーターを埋め込んだサセプタ２４を使用したり、ランプを使用して赤外線で被処理基板Ｗを加熱したり、不活性ガスを使用してプラズマを立て、そのエネルギーを利用して被処理基板Ｗを加熱する方法などがある。

この真空容器２５は、上容器２５ａ、下容器２５ｂに分割されており、各容器の接続部にはそれぞれフランジ部２３が形成されている。

なお、以下の実施形態における真空容器２５とは、図１の上容器にあたる部分を示すが、本発明の真空容器２５は上容器、下容器に分割されたものに限定されるものではない。

ここで、本発明のプラズマ処理装置では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上記真空容器２５が実質的に平坦な天井部２０と、外周面に上記天井部２０に連続したテーパ部２１とを有することが重要である。

上記天井部２０が実質的に平坦とは、装置内に配置される被処理基板Ｗに対して平行であることを示し、天井部２０の上面にプラズマを生成させる目的で配置されるＲＦ電極２７と被処理基板Ｗの距離が一定に保持されることから、被処理基板Ｗの上面に生成されるプラズマ状態が被処理基板Ｗ全面において一様となり、処理される被処理基板Ｗの品質のバラツキを無くすことができる。

また、真空容器２５には、平坦な天井部２０の上面に該天井部２０を均一な温度分布にするための均熱板２８と該均熱板２８を加熱するヒーター（不図示）が配置されている。また天井部２０の上面に真空容器２５内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成するＲＦ電極２７が配置され、開口部付近の外周側にも同様の目的でＲＦ電極２９が配置されている。

そのため、天井部２０に連続してテーパ部２１を設けることで、テーパ部２１を高温のプラズマ発生領域に近づけることができるため、ＲＦ電極２７、２９が形成された付近の高温部分とテーパ部２１との温度差を小さくすることができ、低温部と高温部での温度差から発生する熱応力の集中をテーパ部２１へ分散して低減させることができる。そのため、真空容器２５で発生する最大応力値を小さくすることができ、クラックの発生を防止することができる。

また、このテーパ部２１は、その傾斜角度を２０〜４０°とすることが好ましく、なだらかな傾斜とすることで高温のプラズマ発生領域により近づけることができ、テーパ部２１での温度が他の部分に比較して低温となるのを防止することができる。

また、上記真空容器２５は、テーパ部２１に連続し、上記被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有することが好ましい。

これは、側壁部２２の外側に配置されるＲＦ電極２９と被処理基板Ｗとの距離を一定に保持することができる。これに対してテーパ部２１のみの形状の外側にＲＦ電極２９を配置した場合は、該ＲＦ電極２９と被処理基板Ｗの距離が変化するため一定の印加電圧を負荷して発生させるプラズマ状態は、高さ方向で変化することになる。このことから処理される被処理基板Ｗの品質のバラツキを無くすためには、プラズマ状態を一様にすることが重要であり、被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有することが好ましい。またプラズマ処理空間を確保する場合に、テーパ部２１のみの形状で構成する場合に比べて、被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有することで容易に内部空間の容量を調整することができ、テーパ部２１のみの形状に比較して真空容器の径を小さくすることができ、装置の形状をもコンパクトに実現できる。

さらに、上記天井部２０とテーパ部２１および／またはテーパ部２１と側壁部２２との内部側の境界３０、３１が曲面状であることが好ましく、天井部２０とテーパ部２１との内側の境界３０、テーパ部２１と側壁部２２との内部側の境界３１を２０〜５０ｍｍの曲率半径を持つ曲面状とすることで、応力の集中をなくし分散化させることができ、クラックの発生を防止することができる。通常、真空容器２５の各部分に生じる温度分布により発生する熱応力が、境界部分で集中してクラックが発生することを有効に防止することができる。

またさらに、図２（ａ）に示すように、真空容器２５の天井部２０までの高さＨに対して、上記テーパ部２１の高さ方向における高さｈが３０〜７０％、且つ図３（ｂ）に示すように上容器２５の中心Ａから最外周までの径方向の寸法Ｒに対して、テーパ部２１の径方向の寸法ｒが２０〜５０％の範囲に形成されていることが好ましい。

これによって、テーパ部２１の範囲を大きく取ることができ、ＲＦ電極２７、２９が配置された天井部２やフランジ部２３との温度差を減少させることができ、温度差によって発生する応力を、テーパ部２１に分散発生させることで応力値を低減させ、破損を防止することができる。これは、低温部と高温部での温度差から発生する熱応力を局部的に集中させることなく、テーパ部２１全体に分散させることで最大応力値を小さくすることができることによる。

詳細には、真空容器２５の高さＨに対して、テーパ部２１の高さｈが３０％未満の範囲で形成されている場合、側壁部２２が狭くなりすぎ、ＲＦ電極２９の設置が困難となり、装置としての能力を発揮できなくなる。逆に、７０％を超える範囲でテーパ部２１が形成されていると、テーパ部２１が少なくなりすぎて、応力の部分的集中が発生してクラックが発生してしまう。

また、テーパ部２１の径ｒが、真空容器２５の半径Ｒに対して２０％未満の範囲となると、テーパ部２１が少なくなりすぎて、天井部２０やフランジ部２３との温度差が大きくなり、応力の部分的集中が発生してクラックが発生する。一方、５０％を越える範囲に形成された場合、天井部２０の領域が狭くなりすぎるため、この部分に設置される均熱板２８、ヒーター（不図示）、ＲＦ電極２７等の設置が制限され、装置としての必要な容量が得られない。

したがって、上述の範囲でテーパ部２１を形成することで、天井部２０での熱膨張変形が大きく、フランジ部２３での熱変形が少ないことから発生する熱応力が、テーパ部２１によって分散されることになり、熱応力の低減効果が得られ、破損を防止することができる。

また、テーパ部２１の高さｈが全体高さＨに対して５０〜６０％、且つ径Ｒに対して、テーパ部２１の径ｒが３０〜４０％の範囲に形成されていることがより好ましい。

さらに、上記真空容器２５には、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、側壁部２２の外周側に凹部３２を設けることが好ましい。

これによって、側壁部２２の肉厚を変える効化を発揮することができる。真空容器２５は形状の大型化にともない使用上あるいは制作上で一定の剛性が必要であり、４ｍｍ〜１０ｍｍの肉厚で製作されている。一方、熱的な機能上からは必ずしも前述の肉厚は必要ではなく薄い形状でもよく、肉厚の決定にあたっては両者は相反する側面を持っている。そこで、側壁部２２に凹部３２を設けることで全体の剛性を損なうことなく熱的な機能を有効に発揮する肉厚を実現できる。またこれら凹部３２はＲＦ電極２９が設置される部分に設けることによって、ＲＥ電極２９の装着性の安定化とコンパクト化も可能としている。

上記上容器２５は、アルミナセラミックスからなることが好ましく、例えばアルミナ純度９９．５％、ヤング率３７０ＧＰａ、比重３．８、曲げ強度３２０ＭＰａ、熱伝導率３２Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ原料粉末を成形圧約１．０ｔｏｎで成形して成形体を得、これに焼成段階での約８２％の収縮率を考慮して切削加工を施し、ガス炉にて約１６００℃の温度で焼成した後、ロータリー研削盤等によって加工することで得ることができる。

（実施例１）
種々の形状の真空容器を作製し、プラズマ処理装置に組み込んだ際の評価を行った。

真空容器の形状は、図２に示すように高さＨを１２０ｍｍ、径Ｒを１９０ｍｍとし、表１に示す如く範囲にテーパ部２１を形成した。

真空容器２５は、アルミナ純度９９．５％、ヤング率３７０ＧＰａ、比重３．８、曲げ強度３２０ＭＰａ、熱伝導率３２Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナ原料粉末を成形圧約１．０ｔｏｎで成形し、ガス炉にて約１６００℃の温度で焼成した後、ロータリー研削盤にて加工した。

また、比較例として図５に示すような天井部９、Ｒ部１８および側壁部１３からなり、高さＨを１２０ｍｍ、径Ｒを１９０ｍｍとした真空容器を準備した。Ｒ部１８の大きさは曲率半径１０ｍｍ、２０ｍｍとした。

これら真空容器を各１０個づつ作製し、図１に示すようなプラズマ処理装置に組み込み、ＲＦ電極を天井部、側壁部に形成し、高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加させてプラズマを発生させて真空容器の天井部における温度を１７０℃程度となる定常状態とした。なお、天井部に７ｋｗ、側壁部に３ｋｗ、テーパ部に２ｋｗの熱負荷がかかる状態でテストを行った。

そして、真空容器内の温度を熱電対を用いて天井部では中心から径方向の中央にそれぞれ２ヶ所、テーパ部、側壁部、フランジ部ではその中心の1ヶ所の各部に設置して測定しその最高温度と最低温度の差を算出した。また、上記の条件で定常状態とした後の真空容器の割れの発生を確認した。

その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、真空容器にテーパ部を設けた試料（Ｎｏ．１〜１２）は、温度差が４５℃、割れの発生は２個であった。特に、テーパ部の設ける範囲を真空容器の高さＨに対して高さｈが３０〜７０％、真空容器の半径Ｒに対して径ｒが２０〜５０％の試料（Ｎｏ．２、３、５〜８、１０、１１）は、温度差は４１℃以下として、真空容器内の温度をより均一にできることが判った。

これに対し、テーパ部を有しない試料（Ｎｏ．１３、１４）は、、温度差が５４℃〜５６℃と非常に大きく、３個以上に割れが発生した。

（実施例２）
次いで、表１に示す試料Ｎｏ．７の真空容器の側壁部２２に凹部３２を設けた真空容器、表１における試料Ｎｏ．７の真空容器、従来の真空容器を、天井部に７ｋｗ、側壁部に４ｋｗ、テーパ部に３ｋｗの熱負荷がかかる状態でテストを行った。実施例１と同様な条件下で各試料の真空容器内の温度を熱電対を用いて測定し各部の温度分布を求めた。得られた温度分布をＦＥＭモデルに適用してモデル上で実際の温度分布状態を再現した。この温度状態でＦＥＭ解析による発生熱応力を算出して発生応力最大値を求めた。

結果を表２に示す。

表２の結果より凹部を設けた試料は、温度差、発生応力の最大値も凹部を設ける試料の８０%以下に抑えられ、破損を防ぐ効果があることが判った。

本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。（ａ）は本発明のプラズマ処理装置における真空容器を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）は本発明のプラズマ処理装置における真空容器を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図であり、（ｃ）は同図（ｂ）の部分拡大断面図である。従来のプラズマ処理装置を示す断面図である。従来のプラズマ処理装置における真空容器の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１：真空容器
２：上容器
３：下容器
４：開口部
５：プラズマ処理空間
６：シャワー孔
７：ガス給気口
８：カバー
９：ガス分散室
１０：サセプタ
１１：放電用電極
１２：天井部
１３：側壁部
１４：フランジ部
１５：ＲＦ電極
１６：均熱板
１７：ＲＦ電極真空容器
１８：Ｒ部
１９：プラズマ処理領域
２０：天井部
２１：テーパ部
２２：側壁部
２３：フランジ部
２４：サセプタ
２５：真空容器
２６ａ：ガス給気口
２６ｂ：ガス排気口
２７：ＲＦ電極
２８：均熱板
２９：ＲＦ電極
３０：境界
３１：境界
３２：凹部
Ｗ：被処理基板

Claims

内部にプラズマ処理領域を形成する真空容器と、真空容器に対してガスを給排気する手段と、真空容器の外側に配置され、真空容器内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段とを具備してなり、真空容器内に配置された被処理基板にＣＶＤ処理を行うプラズマ処理装置であって、上記真空容器が実質的に平坦な天井部と、外周面に上記天井部に連続したテーパ部とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
上記テーパ部に連続し、上記被処理基板に対して垂直な側壁部を有す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。
上記天井部とテーパ部および／またはテーパ部と側壁部との内部側の境界が曲面状であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
上記テーパ部が、天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ真空容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されていることを特徴とする請求項1〜３の何れかに記載のプラズマ処理装置。
上記側壁部の外周側に凹部を設けることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のプラズマ処理装置。
プラズマ処理装置に用いられ、内部にプラズマ処理領域を形成するための真空容器であって、該真空容器が実質的に平坦な天井部と、該天井部に連続し、天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ真空容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されたテーパ部とからなることを特徴とする真空容器。