JP2005243765A - プラズマ処理装置におけるクリーニング方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置におけるクリーニング方法及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 フッ素系ガスを用いるクリーニングにおいてフッ素によるチャンバの内周面等の損傷を可及的に低減し得るプラズマ処理装置におけるクリーニング方法を提供する。
【解決手段】 誘導結合型のプラズマCVD装置においてNF3ガスのプラズマでチャンバ11の内面に付着する堆積膜をクリーニングする際、その筒部11aの材料であるAl乃至天井板11bの材料であるAl23で形成したチャンバ内に、前記プラズマの作用でAlFが前記チャンバ11の内面に生成するのを抑制するようにプラズマ周波数及びガス圧力を調整するようにしたものである。
【選択図】 図1

Description

本発明はプラズマ処理装置におけるクリーニング方法及びプラズマ処理装置であって、フッ素系ガスのプラズマで当該プラズマ処理装置のチャンバのクリーニングを行う技術に関するものである。
プラズマCVD装置は、図3に示すように、真空引きした密閉容器であるチャンバ1内にノズル2を介して原料ガスを供給するとともに、給電アンテナ3を介してRF周波数の電磁波を入射し、前記原料ガスのプラズマ4を形成することにより基板であるウェハー5上に所定の薄膜6を形成する装置である。ここで、チャンバ1は、円筒状の筒部1aと、この筒部1aの上端部を閉塞して給電アンテナ3を載置している絶縁部である天井板1bとを有している。筒部1aは通常Alで形成してあり、天井板1bは通常Al23で形成してある。
かかるプラズマ処理装置において、例えばSiO2等のSiOx膜を形成する場合、原料ガスとしては一般にSiH4が用いられる。成膜にSH4のガスプラズマ4を用いた場合、チャンバ1の内周面等にはSiOx膜が付着する。このSiOx膜がある程度の厚さになると剥離してパーティクルとなり、ウェハー5上に落下し、成膜中の薄膜6に混入して製品膜質を劣化させる等の不都合を生起する。
そこで、一回乃至数回の成膜毎にクリーニングを行ってチャンバ1の内周面等に付着するSiOx膜を除去している。具体的には原料ガスの代わりにクリーニングガスであるフッ素系ガス(例えばNF3)をチャンバ1内に供給するとともに、これをRF周波数の電磁波でプラズマ化し、チャンバ1の内周面等に付着するSiOx膜に反応させて除去している。SiOx膜にフッ素プラズマを作用させることによりSiF4のガスとして外部に排出している。
かかるクリーニング時のプロセス条件は、RF周波数が1MHz以下の場合、チャンバ11内の処理圧力を1Torr以上としている。これはクリーニング効率(処理圧力が高い程効率が良い。)を考慮したものである。
ところが、上述の如きプラズマCVD装置のクリーニングにおいては、フッ素系ガスのプラズマを用いており、しかも製品である半導体等に対する金属汚染の影響が最も小さい点等を考慮してチャンバ1の筒部1aはAlで、また天井板1bはAl23で形成しているので、F-(フッ素の−イオン)で前記筒部1aのAl及び天井板1bのAl23がフッ化され、筒部1aの内周面乃至天井板1bの内面が部分的AlFとなってしまう。
この場合のAlFは紛状乃至薄膜状のものであるので、剥離し易く、剥離した場合には、パーティクルとなって成膜中の薄膜に混入する虞がある。
そこで、かかる不都合を未然に除去するため、AlFが数μmになった時点で、成膜を中断し、天井板1bを外して筒部1a及び天井板からAlFを除去するクリーニングを別途行っている。すなわち、分解クリーニングを行っている。
なお、この種のクリーニング技術を開示する公知技術として下記の特許文献1が存在する。
特開2002−158180号公報
上述の如き従来技術に係るプラズマCVD装置においては、チャンバのクリーニングによって発生するAlFのパーティクルを除去すべくチャンバの分解を伴う別のクリーニングを行う必要があるので、メンテナンスに伴うスループットの低下が問題となっている。ちなみに、このクリーニングは、プラズマCVD装置においての基板の処理枚数が、例えば2000乃至3000回になる毎に実施している。
本発明は、上記従来技術に鑑み、フッ素系ガスを用いるクリーニングにおいてフッ素によるチャンバの内周面等の損傷を可及的に低減し得るプラズマ処理装置におけるクリーニング方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
1) RF周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化して所定の処理を行う誘導結合型のプラズマ処理装置におけるクリーニング方法であって、
フッ素系ガスを前記チャンバ内に供給して形成するプラズマで前記チャンバの内面に付着する堆積膜をクリーニングする際、
前記RF周波数を10.0MHz乃至15.0MHz、チャンバ内の処理圧力を100mTorr乃至1Torrとしたこと。
2) 上記1)に記載するプラズマCVD装置におけるクリーニング方法において、
まず希ガスのプラズマを形成し、その後フッ素系ガスのプラズマを形成すること。
3) 上記2)に記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
RF周波数の高周波電力を1kW/sccm乃至5kW/sccmとしたこと。
4) 上記1)乃至3)の何れか一つに記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
チャンバを構成するAl部分の内面を400°C以下としたこと。
5) 上記1)乃至4)の何れか一つに記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
前記フッ素系ガスとしてNF3を用いたこと。
6) 密閉空間を形成するチャンバと、このチャンバの絶縁部に配設してあり、この絶縁部を介して前記チャンバ内にRF周波数の電磁波を入射する給電アンテナと、前記チャンバの内部にガスを供給するガス供給手段とを有し、前記RF周波数の電磁波で前記チャンバ内に供給されるガスをプラズマ化して所定の処理を行う誘導結合型のプラズマ処理装置において、
前記絶縁部を純度が99.9%以上のAl23で形成したこと。
上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
請求項1に記載する発明は、上記1)の如き構成を有するので、従来技術で使用しているRF周波数及びこの近傍の周波数で処理圧力を低下させれば良く、極めて容易にAlFの発生を防止するクリーニングを実現し得るという効果を奏する。これによりチャンバを構成するAl乃至Al23がフッ化され、AlFが形成されることはなかった。すなわち、従来の装置においてチャンバの分解を伴う別のクリーニングを行う必要があるウェハ処理枚数を上回る5,000枚のウェハーに成膜処理を行った後、チャンバを分解してAl乃至Al23部分を観察したが、AlFの発生は認められなかった。また、パーティクルカウンタで0.2μm以上のパーティクルの数をカウントしたが、数十個であり、問題にならない数であった。
これは、当該クリーニング条件では、フッ素ガスプラズマ中のフッ素イオンの運動エネルギーが低減され、筒部1aのAl及び天井板1bのAl23のフッ化が抑制されたと考えられる。
この結果、チャンバの内面に付着する堆積膜をフッ素系ガスのプラズマでクリーニングするだけで、チャンバを分解してのAl除去のためのクリーニングは実施する必要がない。このため、当該プラズマ処理装置のメンテナンスが極めて容易になるばかりてなく、その稼働効率を飛躍的に向上させることができる。
請求項2に記載する発明は、上記2)の如き構成を有するので、希ガス雰囲気中で誘導結合プラズマが発生した状態で、フッ素系ガスを供給するので、フッ素系ガスを含む雰囲気で誘導ガスプラズマを安定に発生することができるという固有の効果を奏する。ちなみに、最初からフッ素系ガスを供給した場合には、プラズマを形成するのが困難であったり、確実性がなかったりするという問題を有しており、特にこの問題点は誘導プラズマ結合(ICP)装置で誘導結合プラズマを形成する際に顕著である。本発明ではかかる問題点をも解消し得る。
請求項3に記載する発明は、上記3)の如き構成を有するので、フッ素系ガス流量に対するRFパワーが高い程、クリーニング効果は顕著になるのに対し、RFパワーが高すぎるとフッ化反応が発生し易いという背反する要件のバランスを採って両要件を同時に十分満足し得るという固有の効果を奏する。
請求項4に記載する発明は、上記4)の如き構成を有するので、チャンバの内面の温度が高い程、クリーニング効果は顕著になるが、温度が高すぎるとフッ化反応が発生し易いという背反する要件のバランスを採って両要件を同時に十分満足し得るという固有の効果を奏する。
請求項5に記載する発明は、上記5)の如き構成を有するので、CF4等に較べクリーニング速度の向上を図ることができるという固有の効果を奏する。
請求項6に記載する発明は、上記6)の如き構成を有するので、チャンバのAl23部分のフッ化反応を抑制して、この点でもAlFの発生を抑制し得るという固有の効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態に係るプラズマCVD装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、当該プラズマCVD装置は、真空引きした密閉空間であるチャンバ11内にノズル(図示せず。)を介して原料ガスを供給するとともに、給電アンテナ13を介してRF周波数の電磁波を入射し、前記原料ガスのプラズマ14を形成することにより基板であるウェハー15上に所定の薄膜を形成する装置である。ここで、チャンバ11は、円筒状の筒部11aと、この筒部11aの上端部を閉塞して給電アンテナ13を載置している絶縁部である天井板11bとを有しており、その内部が成膜室12となっている。筒部11aはAlで形成してあり、天井板11bはAl23で形成してある。
前記給電アンテナ13にはインピーダンスマッチングを行うための整合器17を介してプラズマ発生用高周波電源18が接続されている。このプラズマ発生用高周波電源18から給電アンテナ13へ高周波電力を供給することにより、給電アンテナ13から天井板11bを透過して成膜室12内に電磁波19を入射し、この電磁波19のエネルギー(高周波パワー)によって成膜室12内に供給する各種のガスをプラズマ状態にする。このプラズマを利用してウェハー15上に所定の薄膜を成膜する等の処理を行う。
成膜質12にはウェハー15の支持台である静電チャック20が配設してある。この静電チャック20はウェハー15を載置するための円盤状の部材であるテーブル20aを有しており、支持台23を介して支持軸26に支持されている。ここで、テーブル20aは、通常Al23 やAlNなどのセラミック材料(絶縁材料)で形成してある。
静電チャック20のテーブル20aの内部には、ウェハー15を静電的に吸着保持する静電チャック用電極20bが埋設してある。この静電チャック用電極20bには、ローパスフィルタ21を介して直流電源22の出力電圧である所定の直流電圧が印加され、このことにより発生するウェハー15と静電チャック用電極20bとの間の電位差に基づくクーロン力によりウェハー15を静電チャック20のテーブル20aの表面に吸着する。
また、静電チャック20を一体的に支持している支持台23の内部には、ウェハー15を所定の温度に保持するための加熱手段であるヒータ24を埋設するとともに、冷却手段として冷媒を流通させるための冷媒通路25を形成してある。ここで、ヒータ24による加熱は、当該プラズマCVD装置による成膜工程の立ち上げ時においてウェハー15の温度を所定の温度迄加熱する際に主に利用され、冷媒通路25に冷媒を流通させての冷却は、成膜中のプラズマにより加熱されるウェハー15の温度を所定の温度に維持する際に主に利用される。
かかるプラズマ処理装置においは原料ガスとしてSiH4を用いてSiOxの薄膜を形成している。このように成膜にSiH4のガスプラズマ14を用いた場合、チャンバ11の内周面等にはSiOx膜が付着するので、これをクリーニングにより除去しなければならない。このため、一回乃至数回の成膜毎にクリーニングを行ってチャンバ1の内周面等に付着するSiOx膜を除去している。
具体的には原料ガスの代わりにクリーニングガスであるフッ素系ガス(例えばNF3)をチャンバ1内に供給するとともに、これをRF周波数の電磁波でプラズマ化し、チャンバ1の内周面等に付着するSiOx膜に反応させて除去している。すなわち、SiOx膜にフッ素プラズマを作用させることによりSiF4のガスとして外部に排出する。
本形態に係るプラズマCVD装置の高周波電源の出力周波数は13.56MHzであるので、クリーニング時のRF周波数も13.56MHzとしており、フッ素ガスプラズマ中のフッ素は13.56MHzの周波数に追従できないために運動エネルギーが小さく、イオンボンバードが生じにくい。チャンバ11の内部の処理圧力は従来のクリーニング時の処理圧力(5.0Torr)よりも低圧として、フッ素系ガス(例えばNF3)のプラズマ14中のフッ素の−イオン量が減少するような圧力に調整している。
本形態にかかるクリーニングによれば、チャンバ11を構成する筒部11a及び天井板11bの内面にAlFが形成されることはなかった。すなわち、5,000枚のウェハー15に成膜処理を行い、チャンバ11を分解して筒部11a及び天井板11bの内面を観察したがAlFの発生は認められなかった。また、パーティクルカウンタで0.2μm以上のパーティクルの数をカウントしたが、数十個であり、問題にならない数であった。
これは、本形態におけるクリーニング条件では、フッ素ガスプラズマ中のフッ素イオンの運動エネルギーが小さく、しかも高周波エネルギーは励起に寄与する方向となりAlとの反応の強い−イオンよりも、Alと反応しない+イオンが多く存在し、筒部1aのAl及び天井板1bのAl23のフッ化が抑制されたと考えられる。
さらに具体的なクリーニング条件は種々考えられるが、これらを各実施例として示す。これらの各実施例の条件でも同様にAlFの発生は認められなかった。
本実施例ではRF周波数を10.0MHz乃至15.0MHz、チャンバ11内の処理圧力を100mTorr乃至1Torrとした。
本実施例によれば従来技術で使用しているRF周波数より高い周波数を用い、処理圧力を低下させることで、極めて容易にAlFの発生を防止するクリーニングを実現し得る。また、チャンバ11の構成部材等に対するプラズマダメージ(プラズマ14によるエッチング等の物理的な損傷)を抑制することもできる。
本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第1実施例と同様であるが、本実施例では、クリーニング処理の開始の際、Arガス(希ガスであれば他のガスでも良い。)をチャンバ11内に供給してこれのプラズマ14を形成し、その後クリーニングガスであるフッ素系ガスをチャンバ11内に供給してこれのプラズマ14を形成した。
本実施例によれば、Arガス雰囲気中で誘導結合プラズマが発生した状態で、フッ素系ガスを供給するので、フッ素系ガスを含む雰囲気で誘導ガスプラズマを安定に発生することができる。ちなみに、最初からフッ素系ガスを供給した場合には、プラズマ14を形成するのが困難であったり、確実性がなかったりするという問題を有しており、特にこの問題点は誘導プラズマ結合(ICP)装置で誘導結合プラズマ14を形成する際に顕著である。本実施例ではかかる問題点をも解消し得る。
さらに、本実施例によれば、先行してArプラズマ14を発生させない場合に較べてフッ素系ガスのプラズマ14による発光強度が顕著に大きくなっており、プラズマ14は励起状態となっておりフッ素の+イオンとなっているものと推定される。このことによってもAlFを発生するフッ素の−イオンを低減し得ると考えられる。
本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第1実施例又は第2実施例と同様であるが、本実施例ではさらにRF周波数の高周波電力を1W/sccm乃至5W/sccmとした。
RFパワーが低すぎると十分なクリーニク効果が得られず、高すぎると13.56MHzであってもプラズマダメージを発生させるが、本実施例によれば両者を同時に満足させることができる。
本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第1実施例乃至第3実施例と同様であるが、さらに本実施例では、チャンバ11のAl部分である筒部11aの内面温度を400°C以下に保持してクリーニングを行った。
チャンバ11の内面の温度が高い程、クリーニング効果は顕著になる一方、温度が高すぎるとフッ化反応が発生し易いが、本実施例では両者のバランスを採って両条件と同時に十分満足し得る。
本実施例における処理圧力等のクリーニング条件は、第1実施例乃至第4実施例と同様であるが、本実施例においては、フッ素系ガスとしてNF3を用いた。このことにより、CF4等に較べクリーニング速度の向上を図ることができる。
本実施例におけるプラズマCVD装置は、図1に示すプラズマCVD装置の絶縁部である天井板11bを99.9%以上の純度のAl23とした。このことにより、天井板11bのフッ化反応を抑制し得る。したがって、この点でもAlFの発生を抑制し得る。なお、この点は実験により確認した。すなわち、図2は、図1に示すプラズマ処理装置の天井板11bの材料であるAl23の純度とクリーニング時におけるパーティクルの個数との関係を示すグラフであるが、99.9以上であればパーティクルの数が十分許容範囲となるとことが分かる。
本発明はプラズマCVD装置をはじめとするプラズマ処理装置に適用して有用なものである。
本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の全体を概念的に示す説明図である。 図1に示すプラズマ処理装置の天井板の材料であるAl23の純度とクリーニング時におけるパーティクルの個数との関係を示すグラフである。 従来技術に係るプラズマ処理装置の主要部を抽出して概念的に示す説明図である。
符号の説明
11 チャンバ
11a 筒部
11b 天井板
13 給電アンテナ
14 プラズマ
15 ウェハー

Claims (6)

  1. RF周波数の電磁波を密閉空間を形成するチャンバ内に入射することにより前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化して所定の処理を行う誘導結合型のプラズマ処理装置におけるクリーニング方法であって、
    フッ素系ガスを前記チャンバ内に供給して形成するプラズマで前記チャンバの内面に付着する堆積膜をクリーニングする際、
    前記RF周波数を2MHz以上とし、チャンバ内の処理圧力を100mTorr乃至1Torrとしたことを特徴とするプラズマ処理装置におけるクリーニング方法。
  2. 請求項1に記載するプラズマCVD装置におけるクリーニング方法において、
    まず希ガスのプラズマを形成し、その後フッ素系ガスのプラズマを形成することを特徴とするプラズマ処理装置におけるクリーニング方法。
  3. 請求項1又は請求項2に記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
    RF周波数の高周波電力を1kW/sccm乃至5kW/sccmとしたことを特徴とするプラズマ処理装置におけるクリーニング方法。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか一つに記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
    チャンバを構成するAl部分の内面を400°C以下としたことを特徴とするプラズマ処理装置におけるクリーニング方法。
  5. 請求項1乃至請求項4の何れか一つに記載するプラズマ処理装置におけるクリーニング方法において、
    前記フッ素系ガスとしてNF3を用いたことを特徴とするプラズマ処理装置におけるクリーニング方法。
  6. 密閉空間を形成するチャンバと、このチャンバの絶縁部に配設してあり、この絶縁部を介して前記チャンバ内にRF周波数の電磁波を入射する給電アンテナと、前記チャンバの内部にガスを供給するガス供給手段とを有し、前記RF周波数の電磁波で前記チャンバ内に供給されるガスをプラズマ化して所定の処理を行う誘導結合型のプラズマ処理装置において、
    前記絶縁部を純度が99.9%以上のAl23で形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
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