JP2006005060A - Vacuum plasma apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、真空プラズマ処理装置における反応処理室、排気系、処理ガス供給系の異常昇温の防止方法に関する。 The present invention relates to a method for preventing abnormal temperature rise in a reaction processing chamber, an exhaust system, and a processing gas supply system in a vacuum plasma processing apparatus.
現在、真空プラズマ処理装置は、金属材料加工や半導体デバイス製造など様々な産業上の分野で利用されており、真空チャンバに処理ガスを導入し放電等を行うことによって発生するプラズマを用いて成膜処理、改質処理などの表面処理が行われている。 Currently, vacuum plasma processing apparatuses are used in various industrial fields such as metal material processing and semiconductor device manufacturing, and film formation is performed using plasma generated by introducing a processing gas into a vacuum chamber and performing discharge or the like. Surface treatments such as treatment and modification treatment are performed.
特に、半導体デバイスの製造においては、近年エッチング、CVD、アッシングなど真空プラズマ装置を用いる工程が多用されており、使用する処理ガス及び排気されるプラズマ処理後の反応生成ガス中には、酸化力を持つものや還元性ガス、自己分解性ガスなど様々な分子種が含まれる。 In particular, in the manufacture of semiconductor devices, processes using a vacuum plasma apparatus such as etching, CVD, and ashing have been frequently used in recent years, and oxidizing power is present in the processing gas used and the reaction product gas after the plasma processing to be exhausted. Various molecular species such as possessed, reducing gas, self-decomposing gas are included.
その一方で、配管、バルブ等に使用されるステンレス等の金属部材は、前記処理ガス及びプラズマ処理後の排ガス中の成分に対して反応性や触媒能を持っている場合があり、プラズマ処理室、排気系、処理ガス供給系のガス接触面で発熱反応が進行することにより前記部材の異常昇温に繋がる恐れがある。 On the other hand, metal members such as stainless steel used for piping, valves, etc. may have reactivity and catalytic activity with respect to components in the processing gas and exhaust gas after plasma processing, and plasma processing chambers. Further, an exothermic reaction proceeds on the gas contact surface of the exhaust system and the processing gas supply system, which may lead to abnormal temperature rise of the member.
特に、ガスとの接触面積が大きいベローズ部や、比較的周囲への熱伝導が低い部材において上述したような発熱反応が発生した場合には、前記部材の異常昇温がより顕著になり、ベローズ部の消耗や使用しているOリングの劣化を加速させる恐れがある。 In particular, when an exothermic reaction as described above occurs in a bellows portion having a large contact area with gas or a member having relatively low heat conduction to the surroundings, the abnormal temperature rise of the member becomes more prominent. There is a risk of accelerating the wear of parts and the deterioration of the O-ring used.
例えば特許第3110465号公報では、電解研磨処理を施したSUS-316L配管を水素ガスと酸素ガスから水分を発生させる反応の触媒として用いる水分発生法(特開平6−115903号公報)が従来技術として取りあげられており、反応に伴ってステンレス配管のガス入り口付近が発熱することによる危険性が指摘されている。 For example, in Japanese Patent No. 3110465, a moisture generation method (Japanese Patent Laid-Open No. 6-115903) using a SUS-316L pipe subjected to electrolytic polishing treatment as a catalyst for generating moisture from hydrogen gas and oxygen gas is a conventional technique. It has been pointed out that there is a danger that heat is generated near the gas inlet of the stainless steel piping during the reaction.
その他にも、ステンレス表面においてはステンレス中に含まれるクロム酸化物や鉄のフッ化、シリコン系材料の成膜の際に処理ガスとして使用するモノシランの分解反応など様々な反応が進行することが知られており、処理ガス又は排気ガスとの接触部における発熱反応に伴う反応熱によって発熱を引き起こす危険性が高い。 In addition, it is known that various reactions such as fluorination of chromium oxide and iron contained in stainless steel and decomposition reaction of monosilane used as a processing gas during film formation of silicon-based materials progress on the stainless steel surface. Therefore, there is a high risk of causing heat generation by the reaction heat accompanying the exothermic reaction in the contact portion with the processing gas or the exhaust gas.
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、真空プラズマ装置においてステンレスなどの金属部材とガスとの接触部における発熱反応を抑制し、異常昇温を防止することにより装置の耐久性および安全性の向上をはかることを目的とする。
本発明は、真空プラズマ処理装置中の反応処理室、排気系、処理ガス供給系において、ステンレス等の金属部材とガス種との接触部位における発熱反応を抑制し部材の異常昇温を防止することにより、装置の安全性及び耐久性を向上させることを目的とする。 The present invention suppresses an exothermic reaction at a contact portion between a metal member such as stainless steel and a gas type in a reaction processing chamber, an exhaust system, and a processing gas supply system in a vacuum plasma processing apparatus, and prevents an abnormal temperature rise of the member. Therefore, it aims at improving the safety | security and durability of an apparatus.
上記課題を解決するため、本発明の昇温防止方法は、真空プラズマ処理装置中の反応処理室、排気系、処理ガス供給系において、ステンレス等の金属部材のガス接触部をアルミニウム又は金属フッ化物の不動態によって被覆することで構成される。 In order to solve the above-mentioned problems, the temperature rise prevention method of the present invention is such that a gas contact portion of a metal member such as stainless steel is made of aluminum or metal fluoride in a reaction processing chamber, an exhaust system, and a processing gas supply system in a vacuum plasma processing apparatus. It is comprised by covering with the passive state of.
ステンレスなど活性ガスに対して反応性又は触媒能を持つ金属材料と、処理ガス又は排気ガス中に含まれる発熱反応種との接触を遮断し、前記金属材料表面での発熱反応を抑制する。これにより、前記金属材料の昇温を最低限にとどめ、真空プラズマ装置の安全性及び耐久性を向上させることができる。 The contact between the metal material having reactivity or catalytic ability with respect to the active gas such as stainless steel and the exothermic reactive species contained in the processing gas or the exhaust gas is blocked, and the exothermic reaction on the surface of the metal material is suppressed. As a result, the temperature rise of the metal material can be minimized, and the safety and durability of the vacuum plasma apparatus can be improved.
以下に本発明の実施例を、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例に係わる真空プラズマ装置の構成例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a vacuum plasma apparatus according to an embodiment of the present invention.
図1に示す 真空プラズマ装置は、マイクロ波プラズマ処理装置であり、処理チャンバ6は処理チャンバを真空に引くための排気装置10及び排気バルブ9を含む排気ライン4、プラズマ処理に用いる処理ガスを導入するためのガス導入装置8及びガス導入口3、プラズマ放電を行うためのマイクロ波を前記処理チャンバ内へと供給するマイクロ波導波管1、マイクロ波透過窓2及びマイクロ波電源7が備えられている。また、排気ライン4の途中にはステンレス製のベローズ5が接続されている。
The vacuum plasma apparatus shown in FIG. 1 is a microwave plasma processing apparatus. The processing chamber 6 introduces a processing gas used for plasma processing, an
前記ガス導入装置8には図示されないマスフローコントローラーに代表される流量制御装置が備えられ、複数の処理ガスをそれぞれ所望の流量で混合し前記処理チャンバ3へ導入することができる。
The
また、前記真空バルブ9と前記排気装置10との間には、図示されない圧力コントローラーが備えられ、前記処理チャンバ3を所望の圧力に調整することができる。
Further, a pressure controller (not shown) is provided between the
プラズマチャンバー材料は、壁材料及び壁の接地、浮遊によって左右される電位状態が処理プラズマのポテンシャル分布や荷電粒子の消滅時間に大きな影響を与える。そのため、壁材の選択によりラジカル/イオン等の活性種との反応性が変化しその損失/吸着の確立が異なるためプラズマ中の活性種が存在する割合に影響を及ぼすと言われている。 In the plasma chamber material, the potential state affected by the wall material and the grounding / floating of the wall greatly affects the potential distribution of the processing plasma and the disappearance time of the charged particles. For this reason, it is said that the reactivity with active species such as radicals / ions changes depending on the selection of the wall material, and the loss / adsorption establishment differs, thereby affecting the ratio of active species in the plasma.
また、半導体デバイス製造工程では、Cr/Ni/Fe等の重金属による処理基板への汚染がデバイス性能に悪影響を及ぼすことが多い。以上の理由からプラズマ処理チャンバ壁材はCr/Ni/Fe等の重金属を主成分とするステンレスを使用せず、純アルミニウム材もしくは、微量の重金属を含む5000番系のアルミニウム材を使用するのが主流である。 In the semiconductor device manufacturing process, contamination of the processing substrate with heavy metals such as Cr / Ni / Fe often adversely affects device performance. For the above reasons, the plasma processing chamber wall material should not be made of stainless steel with heavy metals such as Cr / Ni / Fe as the main component, but should be made of pure aluminum material or # 5000 series aluminum material containing a small amount of heavy metal. Mainstream.
ただし、基板処理を行った後のプロセスチャンバーより下流側の排気ラインに使用されるベローズ、及びベローズ構造を有する排気バルブ中のベローズは、繰り返し強度等の理由でステンレスを使用する事が多い。 However, the bellows used in the exhaust line downstream of the process chamber after the substrate processing and the bellows in the exhaust valve having the bellows structure often use stainless steel for reasons of repeated strength.
このように構成された真空プラズマ装置を用いて以下のようなガス組成でプラズマ放電を行った。 Plasma discharge was performed with the following gas composition using the vacuum plasma apparatus configured as described above.
処理ガス:O2 3SLM + SF6 5sccm + H2 40sccm + Ar 1SLM
上述したプラズマは半導体デバイスの製造工程において、エッチングやイオン注入処理のマスク材として用いるレジストの除去工程において特に照射されたイオン成分により表面が変質、硬化し、高温のヒーター上に処理基板を戴置して酸素ガスのプラズマのみで処理を行う通常のアッシングでは除去が困難な場合に用いられる。
Process gas: O2 3SLM + SF6 5sccm + H2 40sccm + Ar 1SLM
The above-mentioned plasma is altered and hardened by the irradiated ion component, especially in the process of removing resist used as a mask material for etching and ion implantation in the semiconductor device manufacturing process, and the processing substrate is placed on a high-temperature heater. Thus, it is used when it is difficult to remove by ordinary ashing in which processing is performed only with oxygen gas plasma.
以下に、上記プラズマ処理の役割を具体的に述べる。 Hereinafter, the role of the plasma treatment will be specifically described.
まず最初にCF4/SF6/NF3等のハロゲン系ガス供給を施すプラズマチャンバーを有する高ドーズイオンインプラレジストアッシング装置でのプロセスについて説明する。 First, a process in a high dose ion implantation resist ashing apparatus having a plasma chamber for supplying a halogen-based gas such as CF4 / SF6 / NF3 will be described.
基板上にはレジストのパターンが形成されており、燐、砒素、及びボロン等の不純物を拡散させる目的でこのレジストパターンをマスクとして基板にイオン注入がなされる。このイオン注入時にイオンの運動エネルギーが熱エネルギーに変換されレジストは加熱されて熱的変質を起こし硬化層と呼ばれる変質部が生成される。このように変質硬化層が形成されたレジストパターンを除去する場合、従来は酸素プラズマのみで変質硬化層を除去すると供に下部に残る通常レジストもアッシング除去を行っていた。 A resist pattern is formed on the substrate, and ions are implanted into the substrate using the resist pattern as a mask for the purpose of diffusing impurities such as phosphorus, arsenic, and boron. At the time of this ion implantation, the kinetic energy of ions is converted into thermal energy, and the resist is heated to cause thermal alteration, and an altered portion called a hardened layer is generated. In the case of removing the resist pattern in which the altered hardened layer is formed in this way, conventionally, when the altered hardened layer is removed only by oxygen plasma, the normal resist remaining in the lower portion is also removed by ashing.
しかしながら、特にイオン加速エネルギーが100keV以上、イオン注入量1xE16 ions/cm2以上の高ドーズイオン注入されたプロセス、例えばDRAM製造工程でのp_MOS/n_MOS形成後イオン注入後レジストアッシング工程での高ドーズイオン注入された変質硬化層レジストは、通常のレジストより活性化エネルギーが大きく、従来の酸素ラジカル主体のアッシング方法では反応速度が小さいためアッシング時間を要する問題があった。 However, in particular, a high dose ion implantation process in which ion acceleration energy is 100 keV or more and an ion implantation amount is 1 × E16 ions / cm 2 or more, for example, p_MOS / n_MOS formation in the DRAM manufacturing process and ion ashing process after the ion implantation. The implanted modified hardened layer resist has a larger activation energy than a normal resist, and the conventional oxygen radical-based ashing method has a problem of requiring an ashing time because of a low reaction rate.
また、アッシング速度は温度依存性が大きいため、処理温度を上げてアッシング速度を速める事が考えられる。しかし、この場合変質硬化層と非硬化レジスト層との熱膨張が異なりかつ高温アッシングにより変質していない下層部のレジスト中のN2その他の脱ガスが発生する。また変質硬化層は、イオン注入種が熱で架橋反応を起こすとの報告もあり、特にノボラック系レジストと燐などは非常に硬質な膜に変質しているためアッシング処理時に変質硬化層がバースト(ポッピングとも呼ぶ)と呼ばれる現象が発生し、飛び散った表面変質層が基板表面に再付着し、後の洗浄工程においても剥離不能となり半導体デバイスの歩留まり低下を引き起こす原因となる。 In addition, since the ashing speed is highly temperature dependent, it is conceivable to increase the ashing speed by increasing the processing temperature. However, in this case, the N2 and other degassing occurs in the lower layer resist that is different in thermal expansion between the altered hardened layer and the non-hardened resist layer and is not altered by high temperature ashing. There is also a report that the modified hardened layer causes a cross-linking reaction when the ion-implanted species is heated. Especially, the novolak resist and phosphorus are transformed into a very hard film. A phenomenon called “popping” occurs, and the scattered surface altered layer is reattached to the substrate surface, which makes it impossible to peel off in the subsequent cleaning process and causes a reduction in the yield of semiconductor devices.
そこで、現在このような高ドーズのイオン注入処理をされたレジストアッシングには、CF4/SF6/NF3等のハロゲン系ガスを添加する事により前述の変質硬化層の活性化エネルギーを下げバーストが起きない低温度にてアッシング速度を上げる方法が一般的となりつつ有る。 Therefore, in resist ashing that has undergone such high-dose ion implantation treatment, the activation energy of the above-mentioned altered hardened layer is lowered by adding a halogen-based gas such as CF4 / SF6 / NF3 and no burst occurs. A method of increasing the ashing speed at a low temperature is becoming common.
上記のようなプラズマ放電を処理チャンバ3にて行い、排気バルブ9のケーシング外側及びステンレス製ベローズ5外側の温度を 熱電対にて測定した。実際には、3.0kw、2.45GHzのマイクロ波発振装置を使用し処理圧力を146Pa(1.1Torr)、マイクロ波発振時間を200秒間、60秒OFF のサイクル発振条件にてプラズマ放電を行った。ステンレス製ベローズ部構成排気バルブ9のケーシング温度測定箇所を図2の12に、ベローズ部5外表面の温度測定個所を図2の14にそれぞれ示す。
The plasma discharge as described above was performed in the
ステンレス製ベローズ部構成排気バルブ9のケーシング温度推移を測定した結果を図3に示す。この計測では、6サイクルのマイクロ波発振により 32℃から42℃まで約10℃の昇温が確認された。また、図4に示すようにSF6を添加せずに同様の条件にてプラズマ放電を行った場合温度上昇が明らかに低減された(約1.0℃/6サイクル)ことから、図3にて観測された昇温は、排気ガスからの熱伝導によるものでないことが示された。
FIG. 3 shows the results of measuring the casing temperature transition of the stainless steel bellows
さらに、同様のプラズマ放電条件におけるステンレス製溶接ベローズ5の昇温は排気バルブ9外側よりも遙かに大きく、図5に示す様に200secのプラズマ放電2サイクルで約40℃(33℃→73℃)の昇温が観測された。また、この異常昇温は、放電サイクルを繰り返すことで約170℃に達することも確認された。
Further, the temperature rise of the stainless steel welded bellows 5 under the same plasma discharge conditions is much larger than the outside of the
次に、本発明により発熱反応を抑制する目的で排気バルブ9のステンレス製ベローズ部11に円柱状の厚み0.5 mmのアルミニウム(材質;A5052)カバー15を装着した状態を図6に示す。この排気バルブを用い前述の処理条件(図3を参照)にて排気バルブケーシング表面の温度を測定しプロットしたグラフを図7に示す。
Next, FIG. 6 shows a state in which a cylindrical aluminum (material: A5052)
6サイクルのマイクロ波発振による昇温は約1.5℃に抑制され、アルミニウムカバーの発熱抑制効果が確認された。 The temperature rise by 6 cycles of microwave oscillation was suppressed to about 1.5 ° C, confirming the heat generation suppressing effect of the aluminum cover.
また、同様に配管ベローズ部にステンレス材を用いている個所5に円柱状のアルミニウム(材質;A5052)カバー16を装着した状態を図8に示す。この配管ベローズを用い前述の処理条件(図7を参照)にて配管ベローズ外表面の温度を測定しプロットしたグラフを図9に示す。 Similarly, FIG. 8 shows a state in which a cylindrical aluminum (material: A5052) cover 16 is attached to a location 5 where a stainless steel material is used for the pipe bellows portion. The graph which measured and plotted the temperature of the pipe bellows outer surface on the above-mentioned process conditions (refer FIG. 7) using this pipe bellows is shown in FIG.
2サイクルのマイクロ波発振によりアルミニウムカバー無し(図7)では33℃から73℃まで40℃の昇温が発生したのに比べ、アルミニウムカバー有りでは、28℃から31℃まで1/13の3℃しか昇温しておらず、アルミニウムカバーの発熱抑制効果が確認された。 Two cycles of microwave oscillation caused the temperature to rise from 40 ° C from 33 ° C to 73 ° C without the aluminum cover (Figure 7), compared with 3 ° C at 1/13 from 28 ° C to 31 ° C with the aluminum cover. However, only the temperature was raised, and the heat generation suppressing effect of the aluminum cover was confirmed.
本実施例においては、被覆する材質としてアルミニウム(A5052)を使用したが、本発明の効果はこれに制限されるものではなく、他のアルミニウム合金、純アルミ材、ガスとの接触表面にフッ素不動態化処理を施した金属材料も同様に使用することができる。 In this example, aluminum (A5052) was used as the material to be coated. However, the effect of the present invention is not limited to this, and fluorine-free surfaces are in contact with other aluminum alloys, pure aluminum materials, and gases. A metal material subjected to a kinetic treatment can be used in the same manner.
また、被覆方法においても筒状のカバーに限らず、発熱反応種と金属材料との接触を遮断できる形態で有れば成膜による被覆処理、表面の不動態化処理など他の形態でも同様の効果を得ることができる。 Also, the coating method is not limited to the cylindrical cover, and the same applies to other forms such as coating treatment by film formation and surface passivation treatment as long as the contact between the exothermic reactive species and the metal material can be blocked. An effect can be obtained.
1 マイクロ波導波管
2 マイクロ波透過窓
3 処理ガス導入口
4 排気ライン
5 ステンレス製配管ベローズ部品
6 プラズマ処理チャンバ
7 排気バルブケーシング下面温度測定個所
8 マイクロ波電源
9 ステンレスベローズ構成部品を有する排気バルブ
10 排気装置
11 排気バルブ内ステンレス製ベローズ
12 排気バルブケーシング温度計測箇所
13 排気バルブケーシング
14 ステンレス製配管ベローズ温度計測箇所
15 排気バルブ内ステンレス製ベローズ部用アルミニウムカバー
16 ステンレス製配管ベローズ用アルミニウムカバー
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