JP2006253203A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安全かつ高速に高真空排気を行うことのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】試料にプラズマ処理を施すプロセスユニット１０５と、処理の終了した前記試料をプロセスユニット外に搬出する搬送ユニット１０４と、搬送ユニット１０４と各プロセスユニット１０５を接続する通路を開閉するゲートバルブ１０７と、搬送ユニット１０４内を搬送処理時の圧力に真空排気する高真空用排気ポンプと、少なくとも前記高真空用排気ポンプ内を粗引き排気する低真空用排気ポンプと、前記高真空用排気ポンプを接続した搬送ユニット１０４内に配置した溜め込み式の真空排気手段１０６を備え、溜め込み式の真空排気手段１０６とプロセスユニット１０５の間を接続するゲートバルブ１０７を全て閉じた状態でのみ処理ガスをプロセスユニット１０５に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、高速に高真空排気を行うことのできるプラズマ処理装置に関する。

一般にプラズマ処理装置では、処理室を高真空に排気した後、処理に適したガスを所定流量供給しつつ真空ポンプで排気して、処理室内を処理に適した圧力に保持してプラズマ処理を行う。プラズマ処理を続けると、処理室内部品の消耗、プラズマ処理により生じた反応生成物あるいは壁面のスパッタ物の堆積等の経年劣化が発生し、保守作業が必要となる。このような場合、処理室を大気に開放して部品交換や処理室内の清掃等の保守作業を行った後、再び処理室を真空排気して、プラズマ処理を再開することになる。

一般にプラズマ処理装置を構成する処理室は不純物ガスが混入しない状態でプラズマ処理を行うことが望ましい。このため、処理室内を高真空に排気して不純物となるガスを処理室から排気した後、処理ガスを導入してプラズマ処理を開始する。しかし、真空ポンプは作動に適した圧力があり、大気圧から前記高真空域まで１台のポンプで排気することができない場合が多い。このため、プラズマ処理装置の処理室を排気するための真空排気系として比較的圧力の高い領域（低真空領域）で動作する真空ポンプと圧力の低い領域（高真空領域）で動作する真空ポンプを組み合わせて用いることが多い。すなわち、高真空域で動作する真空ポンプの後段側を低真空域で動作する真空ポンプで排気することが一般的である。この場合、比較的高い圧力で動作する真空ポンプとしてロータリーポンプを用い、低い圧力で動作する真空ポンプとしてターボ分子ポンプやクライオポンプ等が用いられる。

図５は、従来の真空排気系の構成を説明する図である。図に示すように、プラズマ処理室４０１に高真空用排気のポンプ４０３が主バルブ４０２を介して接続されている。高真空用排気のポンプ４０３の排気側にはポンプ内排気バルブ４０４を介して低真空排気用のポンプ４０６が接続されている。また、低真空排気用のポンプ４０６の吸気側は粗引き用バルブ４０５を介してプラズマ処理室４０１に直接接続されており、このラインを用いてプラズマ処理室４０１を大気圧のような高い圧力から粗引きすることができる。

粗引きにより、高真空用排気のポンプ４０３が動作可能な圧力に達すると、粗引き用バルブ４０５を閉じてポンプ内排気バルブ４０４を開け、高真空用排気ポンプ４０３内を排気した後、主バルブ４０２を開けてプラズマ処理室４０１を高真空に排気することができる。

低真空用排気ポンプ４０６の排気側には除害装置４０７が接続され、プラズマ処理室から排気される成分のうち、有害な物質等を除去して排気する。排気中に有害な成分が含まれない場合は除害装置４０７は省略してもよい。

前述のように、保守作業等のため処理室を大気に開放すると、処理室壁面等に大気中の水分やガスが吸着する。このため処理室を高真空に排気するのに長時間を要することになる。

真空排気を高速に行うには、排気速度の大きい真空ポンプを用いるとよい。通常、真空排気後の残留ガス中には水の成分が多いといわれている。このため、水に対して排気速度の大きいポンプを用いれば、真空排気時間の短縮に有効である。

水に対して排気速度の大きい真空ポンプとしては、クライオポンプがある。クライオポンプは極低温に冷却した板にガスを吸着させることで真空排気するポンプである。高真空域では処理室内のガス分子は互いに衝突する頻度が低いため、それぞれ独立に運動する傾向がある。そのため高真空域での排気速度を高めるには、ガス分子を排気する面積を拡大して、排気面に到達するガス分子の量を増大させる必要がある。具体的には真空ポンプの口径を大きくしないと、高真空域での高速排気は期待できない。クライオポンプでは前述のように極低温の板の表面（クライオ吸着面）が排気面にあたり、比較的排気面の面積拡大が容易であり、排気速度向上に有利な構造である。

しかしクライオポンプは貯め込み式のポンプであるため、クライオ吸着面に過剰なガスが吸着すると排気速度が低下する。このため、吸着したガスを適宜処理室外に取り出す作業（再生作業）が必要となる。具体的にはクライオ吸着面の温度を常温程度かまたはそれ以上の温度に加熱し、吸着したガスを再びガス化して、別の真空ポンプで処理室外に排気する作業が必要となる。

一般にプラズマ処理装置では処理ガスとして腐食性や可燃性、爆発性等の化学的に活性なガスを用いることが多い。このような化学的に活性なガスを貯め込み式の真空ポンプで排気する場合、何らかの要因で真空ポンプが停止すると吸着していた化学的に活性なガスが放出されることになる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、安全かつ高速に高真空排気を行うことのできるプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

試料を載置する載置電極、ガス導入手段及びプラズマ生成手段を備え、前記載置電極に載置した試料にプラズマ処理を施すプロセスユニットと、前記試料を載置電極上に載置してプラズマ処理を施し、処理の終了した試料をプロセスユニット外に搬出する搬送ユニットと、搬送ユニットと各プロセスユニットを接続する通路を開閉するゲートバルブと、前記搬送ユニット内を搬送処理時の圧力に真空排気する高真空用排気ポンプと、少なくとも前記高真空用排気ポンプ内を粗引き排気する低真空用排気ポンプと、前記高真空用排気ポンプを接続した搬送ユニット内に配置した溜め込み式の真空排気手段を備え、溜め込み式の真空排気手段とプロセスユニットの間を接続するゲートバルブを全て閉じた状態でのみ処理ガスをプロセスユニットに供給する。

本発明は、以上の構成を備えるため、安全かつ高速に高真空排気を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置（エッチング装置）を説明する図である。図に示すように、被処理基板である試料１０２を搬送する搬送ユニット１０４の周囲には、ロード／アンロードユニット１０１、及び複数のプロセスユニット１０５が接続されている。プロセスユニット１０５は試料を載置する載置電極、処理ガスを導入する処理ガス導入手段及びプラズマ生成手段を備え、前記載置電極に載置した試料にプラズマ処理を施す。搬送ユニット１０４は、試料を前記載置電極上に載置してプラズマ処理を施し、処理の終了した試料をプロセスユニット外に搬出する。各ユニットにはそれぞれ図示しない真空排気系が接続され、個別に真空排気することができる。

搬送ユニット１０４は、真空ロボット１０３を備え、試料１０２をロード／アンロードユニットから取り込み、取り込んだ試料をプロセスユニット内に搬入する。また処理の終了した試料をプロセスユニットから搬出し、搬出した試料をロード／アンロードユニット１０１に排出する。

各プロセスユニットと搬送ユニットの間にはゲートバルブ１０７が設けられ、各プロセスユニットと搬送ユニット１０４の間を開閉して、プラズマ処理時あるいは試料の搬送時にプラズマ処理時の処理ガスが搬送ユニット１０４内に漏洩させない構造となっている。また各ユニットはそれぞれ気密を保ち、それぞれ独立に真空排気や大気開放等を行える構造となっている。なお、保守作業時等を除いて搬送ユニット１０４内は真空に保たれている。

搬送ユニット１０４内には冷却板１０６が設置されている。冷却板１０６は、その表面を１５０ケルビン（°Ｋ）以下の低温に保つことができる図示しない冷却器が接続されている。冷却板１０６は必要なときに１５０ケルビン以下の低温に保持することができる。冷却板１０６を低温にした場合、その周囲のガスは凍結、固化するため、真空排気ポンプとして機能する。冷却板の温度は低いほうが真空ポンプとしての排気能力は高くなり、１５ケルビン以下に保つことが望ましい。

一般に冷却によりガスを凍結固化して真空排気する方式の真空ポンプでは、ガスの種類によって排気しやすさが異なる。この方式の真空ポンプでは水に対する排気速度が大きいことが知られている。また、この方式のポンプはガスを外部に排出するのではなく、冷却部の周囲に凍結固化して保持する。このため、排気を続けると冷却能力が低下して排気速度が低下し、再生処理が必要となる。

再生の方法としては、冷却部を加熱して凍結固化物をガスを気化し、気化したガスを他の排気手段を用いて外部に排出する方法が知られている。冷却板の加熱の方法としては、冷却をやめて常温に戻してもよいし、また積極的に加熱機構を設けて加熱してもよい。

次に、図１に示すプラズマ処理装置の真空排気処理の過程を、プロセスユニット１０５を保守作業等のために大気に開放した後、再組み立てを行い、高真空に排気する過程を例に説明する。

一般に、プラズマエッチング装置を構成するプロセスユニットは多数の試料を処理すると、内部の部品がプラズマのスパッタ作用や処理ガスのエッチング効果等で削れたり、またはエッチング処理の結果生じる反応生成物等が堆積したりする。その結果、プラズマ処理特性が劣化し、やがて最適な処理を維持できなくなる。

最適な処理特性を維持するためには、部品の交換や清掃等の保守作業が必要とされる。このとき保守作業の頻度や時間、労力が多大にかかると、装置の稼働率の低下や運用費用の増大をもたらすため、保守作業の軽減が求められる。

装置の稼働率低下を防ぐには、プロセスユニットを極力大気開放せずに運用することが望ましい。しかし、大気開放を行うと、前述のようにプロセスユニット内面に大気中の水分やガスが吸着して、真空引き直後はこれらのガス等が徐々にプロセスユニット内に放出されるため、プロセスユニット内に処理ガス以外の不純物が比較的多量に存在することになる。このため一般に大気開放直後は最適なプラズマ処理が得られないことが多い。

従って、大気開放後は前記不純物ガス等の吸着ガスの放出量を測定して、これらのガス放出量がある基準を下回るまで真空引きを続行しなければならない。通常、大気開放後にガス放出量が基準値を下回るまでには最低でも数時間は必要で、装置の稼働率を下げる大きな要因の一つとなっている。

なお、プロセスユニットを大気開放しないで行う保守作業の例としてドライクリーニングが知られている。ドライクリーニングは、プロセスユニット内に不要な堆積物を除去するための処理ガスを流し、処理ガスをプラズマ化して不要な堆積物を除去する技術である。しかし、ドライクリーニングは、プラズマの分布や堆積物の物性等に依存して、不要な堆積物を完全に除去できない場合が発生する。すなわち、不要な堆積物除去をドライクリーニングのみで実施することは困難である。このため、不要な堆積物除去のためにプロセスユニットの大気開放を行わざるを得ない場合が多い。プロセスユニットを、処理室内部品の交換や処理室内の清掃等のために開放する場合は、ゲートバルブ１０７を閉じた状態で乾燥窒素等をプロセスユニット１０５内に注入し、雰囲気を大気圧に戻してから開放する。その後、プロセスユニット１０５の必要個所を分解し、部品交換や室内の清掃等の保守作業を施した後、再組み立てを行う。処理室内の清掃は、例えば純水やイソプロピルアルコール等のプラズマ処理に悪影響を起こしにくい溶剤を用いて、異物の発生しにくいワイパーで堆積物を除去する。一般に洗浄に用いる溶媒は堆積物等を溶解したり、界面活性剤として堆積物等と下地の間に浸透して堆積物等を容易にはがれるようにする効果、あるいは堆積物等と反応して除去する等の効果を有する。また、ワイパーと被洗浄物の摩擦を低減してワイパーや被洗浄物の削れを低減する効果を呈するものもある。

次に、洗浄が終了したのち、再組み立てが完了すると、後述するように、プロセスユニット１０５を真空排気系で排気（粗引き）した後、ゲートバルブ１０７を開けて搬送ユニット１０４を介してプロセスユニット１０５内を真空排気する。この際、冷却板１０６を低温にすることにより、この冷却板を真空排気ポンプとして動作させ、残留ガスを高速に排気することができる。なお、プロセスユニット１０５のみを排気する真空ポンプを設け、この真空ポンプと冷却板１０６を併用して真空排気することができる。

冷却板１０６は排気速度の大きい真空ポンプとして動作するため、プロセスユニット１０５を高速に真空排気することができる。また、この排気時にはプラズマ処理用の有害な処理ガスは流していないため、搬送ユニット１０４、プロセスユニット１０５内にはプラズマ処理用の処理ガスはほとんど存在しない。このため冷却板１０６には有害な処理ガスはほとんど吸着しない。

また、通常のプラズマ処理時には、ゲートバルブ１０７を閉じた状態で処理ガスをプロセスユニット１０５内に流すため、処理ガスは搬送ユニット１０４内には流入することはなく冷却板１０６に有害な処理ガスが吸着することはない。このため、冷却板の再生時に障害が発生しても冷却板から有害なガスが排出されることはない。

なお、前記プロセスユニットに供給する処理ガスとしては、プラズマエッチング処理の場合は、塩素、フッ素、臭素の原子を含むガスが用いられる。例えば塩素、三塩化ホウ素、六フッ化硫黄、臭化水素、四フッ化炭素、三フッ化メタン等である。これらの処理ガスは前述のように人体に有害である。また、処理ガスとして窒素やアルゴン、酸素等のガスを用いることもある。これらのガスは混合して用いられたり、単独で用いられたりする。また、エッチング反応の結果として生じる反応生成物も人体に有害なことが多い。すなわち、プロセスユニット１０５に接続された真空ポンプの排気中には処理ガスや反応生成物等の有害物質が含まれることになる。このため、環境に排出する前に無害化処理を行うことが必要である。このため本実施形態の装置においても、真空排気系に無害化処理用の除害装置４０７を接続する。

プロセスユニット１０５には図示しない温度調整機構が設けられ、所定の温度に保持することができる。本実施形態の例では８０℃に加熱して保持し、エッチング処理を行った。一般に装置を加熱すると、表面に吸着された水分やガスは脱離しやすくなり、脱離したガスは真空ポンプで排気され、あるいは冷却板１０６に吸着される。これにより不純物としての吸着ガスを効率よく除去することができる。なお、真空中で温度差のある場合、高温の場所から低温の場所にガスは移動しやすくなる傾向がある。このため、排気の方向に温度差を設けることは真空排気を高速化する上で効果的である。

図２，３は、本発明の他の実施形態を説明する図であり、図２は冷却板をプロセスユニット１０５に接続した排気ユニット２０１内に配置した例、図３は冷却板を搬送ユニット１０４に接続した排気ユニット３０２内に配置した例を示す図である。

図２に示す例では、排気ユニット２０１はゲートバルブ２０２を介してプロセスユニット１０５に接続する。この場合、プロセスユニット１０５は排気ユニット２０１と接続する通路を開閉する前記ゲートバルブ２０２を閉じた状態でのみ処理ガスを供給する。これにより、排気ユニット内に設けた冷却板１０６に処理ガスが吸着されるのを抑制することができる。

図３に示す例では、排気ユニット３０２はゲートバルブ３０１を介して搬送ユニット１０４に接続する。この場合、プロセスユニット１０５は排気ユニット３０２は接続する通路を開閉する前記ゲートバルブ１０７を閉じた状態でのみ作動させる。これにより、排気ユニット内に設けた冷却板１０６に処理ガスが吸着されるのを抑制することができる。

なお、図２，３に示す例では、冷却板１０６はその表面積を拡大するため、円筒状の冷却板を同心円状に組み合わせて形成する。また、図２，３に示す排気ユニット２０１、３０２は、後述するように真空排気手段を備えており、冷却板１０６を再生処理する際には、例えば冷却板１０６を加熱して吸着したガスを放出させると共に、放出したガスを前記真空排気手段で排気する。

プロセスユニット１０５を保守作業等で大気開放した後に真空排気する場合、図２の例ではゲートバルブ２０２を開け、図３の例ではゲートバルブ１０７とゲートバルブ３０１を開けて排気ユニット２０１あるいは３０２を介して高速に真空排気を行う。プロセスユニット１０５でエッチング処理を行う場合、前記ゲートバルブ１０７、３０１は閉じた状態で行う。これにより冷却板１０６に処理ガスが吸着することを防止できる。したがって冷却板１０６の再生作業中に有害な処理ガスが放出されることもない。

図４は、真空排気系の構成を説明する図である。なお、図において図４に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。図において、３０２は冷却板１０６を内蔵する排気ユニットであり、該排気ユニット３０２は、図３に示すようにゲートバルブ３０１を介して例えば搬送ユニット１０４と接続する。

排気ユニット内を真空引きするに際しては、例えば、次の手順を採用することができる。（１）低真空用排気ポンプ４０６起動する。（２）ポンプ内排気バルブ４０４を開いて、高真空用排気ポンプ内を排気する。（３）高真空用排気ポンプ４０３を起動する。（４）粗引きバルブ４０４を閉じる。（５）粗引きバルブ４０５を開いて、排気ユニット３０２内を粗引きする。（６）排気ユニット３０２内の粗引き終了後、粗引きバルブ４０５を閉じる。（７）ポンプ内排気バルブ４０４を開く。（８）主バルブ４０２を開き、排気ユニット３０２内を高真空用排気ポンプ４０３で排気する。（９）冷却板１０６を冷却してガスを吸着する。なお、冷却板１０６を再生処理する際には、冷却板１０６を加熱して吸着したガスを放出させると共に、放出したガスを前記高真空排気ポンプ等で排気する。

図４の例では、排気ユニットに高真空用排気ポンプ４０３及び低真空用排気ポンプ４０６からなる真空排気系を取り付ける例を示したが、この真空排気系は搬送ユニットに取り付けることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、高速排気可能なクライオポンプ等からなる溜め込み式の真空排気手段を専用のゲートバルブを介して処理室に接続し、高真空排気時の排気手段としてのみ使用するようにする。これによりプラズマ処理室に処理ガスを流す場合は前記専用のゲートバルブを閉じて、処理ガスがクライオポンプに触れないようにすることできる。このため、安全、高速に、かつ高真空度に排気を行うことができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 さらに真空排気系の構成を説明する図である。 従来の真空排気系の構成を説明する図である。

符号の説明

１０１ ロード／アンロードユニット
１０２ 試料
１０３ 真空ロボット
１０４ 搬送ユニット
１０５ プロセスユニット
１０６ 冷却板
１０７ ゲートバルブ
２０１ 排気ユニット
３０２ 排気ユニット
２０２ ゲートバルブ
３０１ ゲートバルブ
４０１ プラズマ処理室
４０２ 主バルブ
４０３ 高真空用排気ポンプ
４０４ ポンプ内排気バルブ
４０５ 粗引き用バルブ
４０６ 低真空用排気ポンプ
４０７ 除害装置

Claims (5)

1. 試料を載置する載置電極、ガス導入手段及びプラズマ生成手段を備え、前記載置電極に載置した試料にプラズマ処理を施すプロセスユニットと、
   前記試料を載置電極上に載置してプラズマ処理を施し、処理の終了した試料をプロセスユニット外に搬出する搬送ユニットと、
   搬送ユニットと各プロセスユニットを接続する通路を開閉するゲートバルブと、
   前記搬送ユニット内を搬送処理時の圧力に真空排気する高真空用排気ポンプと、
   少なくとも前記高真空用排気ポンプ内を粗引き排気する低真空用排気ポンプと、
   前記高真空用排気ポンプを接続した搬送ユニット内に配置した溜め込み式の真空排気手段を備え、
   溜め込み式の真空排気手段とプロセスユニットの間を接続するゲートバルブを全て閉じた状態でのみ処理ガスをプロセスユニットに供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 試料を載置する載置電極、ガス導入手段及びプラズマ生成手段を備え、前記載置電極に載置した試料にプラズマ処理を施すプロセスユニットと、
   前記試料を載置電極上に載置してプラズマ処理を施し、処理の終了した試料をプロセスユニット外に搬出する搬送ユニットと、
   前記プロセスユニットまたは搬送ユニットに独立したゲートバルブを介して接続した真空排気ユニットと、
   前記真空排気ユニット内をプラズマ処理時の圧力に真空排気する高真空用排気ポンプと、
   少なくとも前記高真空用排気ポンプ内を粗引き排気する低真空用排気ポンプを備え、
   前記プロセスユニットまたは搬送ユニットに接続した真空排気ユニット内には、溜め込み式の真空排気手段を備えた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記載のプラズマ処理装置において、
   溜め込み式の真空排気手段を冷却板で構成し、該冷却板は１５０ケルビン以下に冷却することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   プロセスユニットの温度は溜め込み式の真空排気手段を構成する冷却板の温度より高く設定したことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項２記載のプラズマ処理装置において、
   前記溜め込み式の真空排気手段とプロセスユニットと接続する通路を開閉するゲートバルブを閉じた状態でのみプロセスユニットに処理ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置。

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