JP2006278631A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
下部容器と上部容器の位置合せが作業者の勘に頼らず簡単に行え、下部容器と上部容器の組立て作業性を向上させ、又位置合せ精度を向上させた。
【解決手段】
誘電体から成り周囲にフランジ４１が形成された上部容器７と、該上部容器が設置され該上部容器と基板処理室を画成する金属製の下部容器６と、前記フランジを上方から押えて前記下部容器に固定するフランジ押え４２と、前記フランジ側面に当接して前記上部容器の位置決めを行う位置決め部と、前記下部容器に設けられ基板３を載置する基板載置台１０と、前記上部容器の周囲に設けたプラズマ発生手段２２，２６と、前記基板処理室に処理ガスを導入するガス供給管１３と、前記基板処理室から排気するガス排気管１７とを具備した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマを利用してシリコンウェーハ等の基板を処理して半導体装置を製造する半導体製造装置に関するものである。

ウェーハ等の基板を処理する方法として、プラズマを発生させることで処理ガスを活性化させ、気相反応により基板に薄膜を生成する方法、プラズマにより基板表面をエッチングする方法があり、又電界と磁界により高密度プラズマを生成する変形マグネトロン放電型の処理炉を具備したプラズマ処理装置（ＭＭＴ装置）がある。

斯かるＭＭＴ装置としては、例えば特許文献１に示されるものがあり、ＭＭＴ装置では、プラズマを発生させる反応室を形成する反応容器を具備し、該反応容器は石英等の誘電材質から成る上部容器とステンレス鋼或はアルミニウム合金等の金属から成る下部容器によって構成され、該下部容器に前記上部容器が気密に設置される。

前記上部容器は下端部にフランジを有し、該フランジに外嵌するフランジ押えを前記下部容器にボルトにより固定することで、前記上部容器を前記下部容器に固定していた。

該下部容器に前記上部容器を載置し固定する前作業として、前記下部容器と前記上部容器との位置合せ作業がある。従来の位置合せ作業では、前記下部容器に前記上部容器を載置した後、作業者の勘により前記下部容器と前記上部容器との位置合せを行い、前記フランジ押えを前記フランジに外嵌し、前記フランジ押えに設けた取付け孔と下部容器に設けた螺子穴との中心を合わせていた。

上記従来の設置作業では、前記下部容器と前記上部容器との位置合せを作業者の勘に頼っているので、一度で正確な位置合せができるとは限らず、位置合せが充分でない場合は、その都度作業者が前記上部容器を正確な位置となる迄移動調整を繰返していた。

前記上部容器は重量物であると共に石英等損傷し易いものであり、又煩雑であると共に作業者の負担が大きいものであった。

更に、処理状態では、前記下部容器と前記上部容器とが加熱されるが、材質の相違により熱膨張差が発生する。従って、前記下部容器と前記上部容器とは熱膨張が考慮された構造となっており、前記下部容器と前記上部容器との芯合せは作業者の勘に頼っている。従って、前記下部容器と前記上部容器とは偏心して取付けられる場合もあり、基板処理の均一性に影響を及す虞れもあった。

特開２００１−１９６３５４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、下部容器と上部容器の位置合せが作業者の勘に頼らず簡単に行え、下部容器と上部容器の組立て作業性を向上させ、又位置合せ精度を向上させた半導体製造装置に係るものである。

本発明は、誘電体から成り周囲にフランジが形成された上部容器と、該上部容器が設置され該上部容器と基板処理室を画成する金属製の下部容器と、前記フランジを上方から押えて前記下部容器に固定するフランジ押えと、前記フランジ側面に当接して前記上部容器の位置決めを行う位置決め部と、前記下部容器に設けられ基板を載置する基板載置台と、前記上部容器の周囲に設けたプラズマ発生手段と、前記基板処理室に処理ガスを導入するガス供給管と、前記基板処理室から排気するガス排気管とを具備した半導体製造装置に係り、又前記上部容器の周方向に対して１８０°未満となる範囲に前記位置決め部を複数設けた半導体製造装置に係るものである。

本発明によれば、誘電体から成り周囲にフランジが形成された上部容器と、該上部容器が設置され該上部容器と基板処理室を画成する金属製の下部容器と、前記フランジを上方から押えて前記下部容器に固定するフランジ押えと、前記フランジ側面に当接して前記上部容器の位置決めを行う位置決め部と、前記下部容器に設けられ基板を載置する基板載置台と、前記上部容器の周囲に設けたプラズマ発生手段と、前記基板処理室に処理ガスを導入するガス供給管と、前記基板処理室から排気するガス排気管とを具備したので、前記下部容器に対する前記上部容器の位置決め作業性が向上すると共に正確な位置決めが可能となり、前記基板載置台、処理される基板、前記上部容器との位置関係を正確に保てるので、基板処理の均一性が向上する。特に、前記上部容器の周囲にはプラズマ発生手段が設けられているので、微小な位置ずれがプラズマ発生に及す影響を解消できる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、本発明が実施される半導体製造装置の一例であるＭＭＴ装置について、図１により説明する。

ＭＭＴ装置は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｔｙｐｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）を用いてウェーハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉１を具備している。

該基板処理炉１は、気密性を確保した基板処理室２にウェーハ等の基板３を設置し、シャワープレート４を介して反応ガス５を前記基板処理室２に導入し、該基板処理室２をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成すると共に磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。前記放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回し、高密度プラズマが生成される。

前記反応ガス５が励起分解され、前記基板３の表面が酸化され、又は窒化等が拡散され、又は該基板３表面に薄膜が生成され、又は該基板３表面がエッチングされる。

以下、具体的に説明する。

第２の容器である下部容器６と、該下部容器６の上に被せられる第１の容器である上部容器７とから前記基板処理室２が形成されている。前記上部容器７はドーム型に形成されており、該上部容器７は酸化アルミニウム又は石英等の誘電材質から成り、前記下部容器６はアルミニウム等の金属で形成されている。又後述するヒータ一体型の基板載置台であるサセプタ１０をセラミックス又は石英等の誘電材質で構成することによって、処理の際に膜中に取込まれる金属汚染を低減している。

前記上部容器７の下部にはフランジ４１が形成されており、該フランジ４１にはステンレス鋼等の金属製のリング状のフランジ押え４２が外嵌し、該フランジ押え４２をボルト４９により前記下部容器６の上端フランジ４３に固着することで、前記上部容器７が前記下部容器６に気密に設置される。

前記上部容器７の上部にはガス分散空間であるバッファ室８を形成するシャワーヘッド９が設けられ、該シャワーヘッド９の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口１１が設けられ、下壁はガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔１２を有する前記シャワープレート４から成っている。前記ガス導入口１１は、ガスを供給する供給管であるガス供給管１３により反応ガスの供給源（図示せず）に接続され、ガス供給管１３には開閉弁であるバルブ１４、流量制御手段であるマスフローコントローラ１５が設けられている。

前記シャワーヘッド９から前記反応ガス５が前記基板処理室２に供給され、又、前記サセプタ１０の周囲から前記基板処理室２の底方向へ基板処理後のガスが流れる様に前記下部容器６の側壁にガスを排気するガス排気口１６が設けられている。該ガス排気口１６はガスを排気するガス排気管１７により排気装置である真空ポンプ１８に接続され、該真空ポンプ１８には圧力調整器１９、開閉弁２０が設けられている。

供給される前記反応ガス５を励起させる放電手段として、断面が筒状であり、好ましくは円筒状の第１の電極である筒状電極２２が前記上部容器７の外周に設けられる。前記筒状電極２２は前記基板処理室２内のプラズマ生成領域２３を囲んでいる。前記筒状電極２２にはインピーダンスの整合を行う整合器２４を介して高周波電力を印加する高周波電源２５が接続されている。

又、断面が筒状であり、好ましくは円筒状の磁界形成手段（永久磁石）２６を用いることができる。該磁界形成手段２６は、前記筒状電極２２の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成する様になっている。

前記基板処理室２の底側中央には、前記基板３を保持する為の基板保持手段として前記サセプタ１０が配置され、該サセプタ１０は前記基板３を加熱できる様になっている。

前記サセプタ１０の内部には、加熱手段としてのヒータ（図示せず）、バイアス電圧印加手段としての高周波電極（図示せず）が一体的に埋設されている。前記ヒータ、前記高周波電極は石英に覆われ、前記基板処理室２には露出していない状態となっている。前記ヒータにはヒータ電力フィード線２７を介してヒータ電力が供給されることで前記基板３を８００℃程度に迄加熱できる様になっている。尚、前記ヒータの材質としては、例えばＳｉＣ、又はＭｏＳｉ2 等が用いられる。

前記高周波電極は高周波フィード線２８を介してインピーダンス可変機構２９に接続され、又該インピーダンス可変機構２９を介して接地されている。該インピーダンス可変機構２９は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記高周波電極及び前記サセプタ１０を介して前記基板３のバイアス電位を制御できる様になっている。

前記筒状電極２２及び前記磁界形成手段２６の周囲には、前記筒状電極２２及び前記磁界形成手段２６で形成される電界や磁界を外部環境や他の処理炉等の装置に悪影響を及ぼさない様に、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板３１が設けられている。

前記サセプタ１０は前記下部容器６と絶縁され、該下部容器６には前記サセプタ１０を昇降させる昇降手段であるサセプタ昇降機構３２が設けられている。又前記サセプタ１０は貫通孔３３を有し、前記下部容器６底面には前記基板３を突上げる為の基板突上げ手段である基板支持ピン３４が少なくとも３箇所に設けられている。前記サセプタ昇降機構３２により前記サセプタ１０が下降させられた時には前記基板支持ピン３４が前記サセプタ１０と非接触な状態で前記貫通孔３３を挿通可能となっている。

又、前記下部容器６の側壁には仕切弁となるゲートバルブ３５が設けられ、該ゲートバルブ３５を介して図示しない搬送室が連設されており、前記ゲートバルブ３５が開いている時には図中省略の搬送手段により前記基板処理室２へ前記基板３が搬入、又は搬出され、閉まっている時には前記基板処理室２を気密に閉じることができる。

又、制御手段であるコントローラ３６は前記高周波電源２５、前記整合器２４、前記バルブ１４、前記マスフローコントローラ１５、前記圧力調整器１９、前記開閉弁２０、前記真空ポンプ１８、前記サセプタ昇降機構３２、前記ゲートバルブ３５、前記サセプタ１０に埋込まれたヒータに電力を供給する電源（図示せず）と接続され、それぞれを制御している。

以下、前記基板３表面を、又は該基板３上に生成された下地膜の表面に所定のプラズマ処理する方法について説明する。

該基板３は、前記基板処理室２の外部から搬送手段（図示せず）によって前記基板処理室２に搬入され、前記サセプタ１０上に搬送される。この搬送動作の詳細は、先ず該サセプタ１０が下った状態になっており、前記基板支持ピン３４の先端が前記サセプタ１０の貫通孔３３を通過して前記サセプタ１０表面よりも所定の高さ分だけ突出された状態で、前記下部容器６に設けられた前記ゲートバルブ３５が開き、図中省略の搬送手段によって前記基板３を前記基板支持ピン３４の先端に載置し、前記搬送手段は前記基板処理室２外へ退避すると、前記ゲートバルブ３５が閉まり、前記サセプタ１０が前記サセプタ昇降機構３２により上昇すると、前記サセプタ１０上面に前記基板３を載置することができ、更に該基板３を処理する位置迄上昇する。

前記サセプタ１０に埋込まれた前記ヒータには端子部（図示せず）、前記ヒータ電力フィード線２７を介して電力が供給され、予め加熱されており、搬入された前記基板３を室温〜８００℃の範囲内で基板処理温度に加熱する。前記真空ポンプ１８、及び前記圧力調整器１９を用いて前記基板処理室２の圧力を０．１〜２００Ｐａの範囲内に維持する。

前記基板３を処理温度に加熱し、前記ガス導入口１１から前記シャワープレート４の前記ガス噴出孔１２を介して、反応ガス（例えば、Ｎ2 ，Ｏ2 ，ＮＨ3 ，ＮＦ3 ，ＰＨ3 ）を前記基板３の上面（処理面）に向けて分散して導入する。この時のガス流量は１００〜１０００ｓｃｃｍの範囲である。同時に前記筒状電極２２に前記高周波電源２５から前記整合器２４を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１００〜５００Ｗの範囲内の出力値を投入する。前記インピーダンス可変機構２９は予め所望のインピーダンス値に制御しておく。

前記磁界形成手段２６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、前記基板３の上方空間に電荷をトラップして前記プラズマ生成領域２３に高密度プラズマが生成される。生成された高密度プラズマにより、前記サセプタ１０上の前記基板３の表面にプラズマ処理が施される。表面処理が終わった該基板３は、図示しない搬送手段を用いて、基板搬入と逆の手順で前記基板処理室２外へ搬送される。

尚、前記コントローラ３６により前記ヒータへの電流供給の制御、前記高周波電源２５の電力ＯＮ・ＯＦＦ、前記整合器２４の調整、前記バルブ１４の開閉、前記マスフローコントローラ１５の流量、前記圧力調整器１９の弁開度、前記開閉弁２０の開閉、前記真空ポンプ１８の起動・停止、前記サセプタ昇降機構３２の昇降動作、前記ゲートバルブ３５の開閉、前記サセプタ１０のヒータに電力を供給する電源（図示せず）への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれ制御している。

次に、図２、図３は図１のＡ部詳細を示しており、図２、図３、図５により前記下部容器６と前記上部容器７との取付けについて説明する。尚、図２は図５中のＢ部、Ｄ矢視相当図である。尚、図５は前記上部容器７を示し、図中シャワーヘッド９は省略している。

前記上端フランジ４３の上面には、前記下部容器６と同心に環状溝４４が形成され、該環状溝４４の底面は前記上端フランジ４３の上面と並行であり、前記環状溝４４の中心側端部はあり溝形状となっている。該環状溝４４にＯリング４５、断面が平板状のリングスペーサ４６が嵌装される。

前記上部容器７は前記フランジ４１より下方に延出する延出部４７を有し、該延出部４７は前記下部容器６に対して隙間４８を形成する様に前記下部容器６に内嵌する。前記フランジ４１は前記Ｏリング４５を圧縮した状態で前記リングスペーサ４６に当接し、該リングスペーサ４６を介して前記上端フランジ４３に載置される。

前記フランジ押え４２は隙間５１を介在して前記フランジ４１に外嵌し、又スペーサ５２を介して前記フランジ４１上面に当接し、前記フランジ押え４２に挿通したボルト４９を前記上端フランジ４３に螺着することで、前記フランジ押え４２と上端フランジ４３間に前記フランジ４１を挾持する。前記Ｏリング４５は前記フランジ４１により押圧され、前記環状溝４４の底面、内径側の斜面、前記フランジ４１の下面に圧接する。

前記隙間４８、前記隙間５１の大きさは、基板処理時に前記上部容器７、前記下部容器６が加熱された場合の前記上部容器７、前記下部容器６、前記フランジ押え４２間の熱膨張差以上に設定される。

前記環状溝４４の所要の複数箇所、例えば同一円周上の９０°の間隔で位置決めピン５３が２箇所に立設される。該位置決めピン５３は、前記フランジ４１の外周より外側に食出さない様に設けられ、好ましくは前記フランジ４１の外周より内側に設けられる。前記リングスペーサ４６は前記位置決めピン５３と干渉しない様に、該位置決めピン５３と対応する位置に逃げ孔、或は切欠が設けられる。前記位置決めピン５３の材質としては、適宜なものでよく、例えば弗素樹脂、石英、或はステンレス鋼等の金属が用いられる。

尚、前記位置決めピン５３が設けられる位置は、該位置決めピン５３が前記フランジ４１の側面に当接することで、水平２方向の移動が拘束されればよく、該フランジ４１の中心に関して（周方向に対して）１８０°未満の範囲に設けられていればよい。

該フランジ４１が２つの前記位置決めピン５３に当接して水平２方向の位置決めがなされ、前記フランジ４１の前記位置決めピン５３に当接する部分には、図５のＢ部に示される様な位置決め当接部５４が形成される。該位置決め当接部５４は前記フランジ４１の一部が直線的に半月状に切除されたものであり、切除された半月部分の高さは前記位置決めピン５３の直径よりも大きくなっている。

又、図５のＣ部に示される様に、前記位置決め当接部５４は、湾曲線で切除された湾曲凹部としてもよい。該湾曲凹部の深さは前記前記位置決めピン５３の直径よりも大きくなっている。

前記位置決め当接部５４の形状は種々考えられ、要は該位置決め当接部５４を形成することで応力集中が生じない形状となっていればよい。即ち、該位置決め当接部５４を凹部とした場合、ノッチ形状となっていないこと、或は凹部を形成する切除線に、曲率の不連続部分がないこと、或は曲率が大きく変更する部分がないこと、前記位置決めピン５３の直径に比して曲率が大きくなっていないこと等である。

前記上部容器７を設置する場合、前記位置決め当接部５４を前記位置決めピン５３の方向に向けて前記下部容器６上に載置し、前記位置決め当接部５４を前記位置決めピン５３に押付ける。前記位置決め当接部５４を前記位置決めピン５３に押付けるのみで、前記上部容器７の前記下部容器６に対する位置決めが略なされる。正確な位置決めは、前記位置決め当接部５４を前記位置決めピン５３に押付けた状態で、前記上部容器７を適宜回転させればよい。

位置決め後、前記リングスペーサ４６を介在させて、前記フランジ押え４２を前記フランジ４１に外嵌し、前記ボルト４９により前記フランジ押え４２を固定する。

前記フランジ４１は前記リングスペーサ４６と前記スペーサ５２を介在して挾持されるので、前記フランジ４１には前記ボルト４９の締付けにより局部的な荷重が発生することが防止される。

基板処理を行うことで、前記上部容器７、前記下部容器６が加熱され、又前記上部容器７、前記下部容器６と前記基板処理室２外にある前記フランジ押え４２とは温度差が生ずる。

上記した様に、前記上部容器７は石英製（熱膨張率６．８−１２．２×１０^−６）であり、前記下部容器６はアルニミウム製（熱膨張率２３．１×１０^−６）であり、前記フランジ押え４２はステンレス鋼製（熱膨張率１４．７×１０^−６）であり、それぞれの部材間で熱膨張率差、温度差により熱膨張による偏差が生じる。

前記フランジ押え４２と前記フランジ４１、前記上端フランジ４３と前記フランジ４１間に弗素樹脂等耐熱合成樹脂製の前記スペーサ５２、及び前記リングスペーサ４６が介在し、更に前記隙間４８、前記隙間５１が形成されているので、熱膨張による前記フランジ押え４２と前記フランジ４１、前記上端フランジ４３と前記フランジ４１間での相対変位が許容され、前記フランジ４１を固定した場合の熱膨張による応力発生が抑制される。

図４に示す実施の形態では、フランジ押え４２に冷却路５５を形成し、該冷却路５５に冷却水等冷媒を流すことで、フランジ４１を介してＯリング４５を冷却し、該Ｏリング４５の熱による劣化を防止したものである。

図６は他の実施の形態を示すものであり、該他の実施の形態ではフランジ４１の位置決め当接部５４について特に凹部を形成しない場合を示している。

位置決めピン５３は前記フランジ４１の外周円筒面に当接する様にしたものである。又、前記位置決めピン５３とフランジ押え４２との干渉を避ける為、該フランジ押え４２に逃げ部５６が形成される。又、前記位置決めピン５３は前記フランジ４１に当接して、該フランジ４１の変位を拘束すればよいので、形状については限定されるものではなく、上端フランジ４３の上面より突出した突部であればよい。

更に、前記下部容器６と前記上端フランジ４３とは一体である必要はなく、該上端フランジ４３は前記下部容器６とは別部材、例えば該下部容器６に設けられる上蓋等であってもよい。

本発明の実施の形態を示す概略断面図である。 図１のＡ部拡大図であり、図５のＤ矢視相当図である。 図１のＡ部拡大図であり、図５のＥ矢視相当図である。 本発明の他の実施の形態を示す図１のＡ部相当拡大図である。 本発明の実施の形態に用いられる上部容器の斜視図である。 本発明の更に他の実施の形態を示す図１のＡ部相当拡大図である。

符号の説明

１ 基板処理炉
２ 基板処理室
３ 基板
６ 下部容器
７ 上部容器
１０ サセプタ
１３ ガス供給管
１７ ガス排気管
２２ 筒状電極
２６ 磁界形成手段
４１ フランジ
４２ フランジ押え
４３ 上端フランジ
５３ 位置決めピン
５４ 位置決め当接部

Claims (2)

1. 誘電体から成り周囲にフランジが形成された上部容器と、該上部容器が設置され該上部容器と基板処理室を画成する金属製の下部容器と、前記フランジを上方から押えて前記下部容器に固定するフランジ押えと、前記フランジ側面に当接して前記上部容器の位置決めを行う位置決め部と、前記下部容器に設けられ基板を載置する基板載置台と、前記上部容器の周囲に設けたプラズマ発生手段と、前記基板処理室に処理ガスを導入するガス供給管と、前記基板処理室から排気するガス排気管とを具備したことを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記上部容器の周方向に対して１８０°未満となる範囲に前記位置決め部を複数設けた請求項１の半導体製造装置。

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