JP2007012724A - プラズマ処理装置および処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ゲートバルブ部分のプラズマによる劣化を防止し、その劣化によって発生するパーティクルを低減する。またゲートバルブ部分の機械的劣化やウェハ処理中に堆積するデポ物に起因して、ゲートバルブ駆動時等に発塵するパーティクルのウェハへの付着を防止する。
【解決手段】 内部のウェハステージ４に設置された被処理体たるウェハＷをプラズマ処理するプロセスチャンバー１と、このプロセスチャンバー１のゲート部たるウェハ搬送経路部201 を開閉するゲートバルブ301 とを備えたプラズマ処理装置に、ウェハ搬送経路部201 からステージ４を遮蔽する移動自在な保護部材としてのライナー15を設ける。これにより、ライナー15によって、ゲートバルブ301 、特にゲートバルブＯリング302のプラズマによる劣化、ウェハ近傍へのデポ物堆積を防止できる。またライナー15によって、ゲートバルブＯリング302 の機械的劣化やデポ物堆積によってゲートバルブ駆動時に発生するパーティクルがウェハＷに付着するのを防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置を製造するウェハ処理の前工程でエッチングやアッシングなどを行なうプラズマ処理装置及び処理方法に関する。

近年、半導体集積回路装置の微細化に伴って、パーティクルが半導体集積回路装置、それを用いたデバイスに及ぼす影響が大きくなりつつある。製品歩留りを向上させるためには、半導体製造装置からのパーティクル発塵を低減する必要があり、種々の技術が提案されている。

半導体製造装置の一つであるプラズマ処理装置を図３に示す。プラズマ処理を行うプロセスチャンバー１とウェハ搬送チャンバー１０１とがウェハ搬送経路部２０１で連通され、プロセスチャンバー１からのプラズマ雰囲気を遮断するようにウェハ搬送経路部２０１を開閉するゲートバルブ３０１が設けられている。ゲートバルブ３０１は、ウェハ搬送チャンバー１０１側に設置されており、ウェハ搬送チャンバー１０１の内面と接する面にゲートバルブＯリング３０２が固定されている。

プラズマ処理の際の一連の動作を説明する。プロセスチャンバー１にウェハがないスタンバイ状態では、ゲートバルブ３０１は閉じられている。この状態から、まずゲートバルブ３０１を開き、ウェハＷをウェハ搬送チャンバー１０１から取り出して、プロセスチャンバー１内に搬送し、ウェハステージ１０３上に設置し、ゲートバルブ３０１を閉じる。そしてプロセスチャンバー１内でプラズマを発生させてウェハＷを加工する。加工終了後に、ゲートバルブ３０１を開け、プロセスチャンバー１からウェハＷを取り出し、ゲートバルブ３０１を閉じる。

プラズマ処理装置におけるパーティクル発生原因は複数考えられる。その内の一つは、デポ物が堆積し、それが剥がれてパーティクルになることである。もう一つは、装置の部材自体が劣化等によってパーティクルとなることである。たとえば上記したゲートバルブ３０１は、デポ物の堆積や、機械的劣化が起こるだけでなく、プラズマに接することによる劣化も起こるため、パーティクルを発塵しやすい。ゲートバルブ３０１のなかでも、ゲートバルブＯリング３０２のプラズマによる劣化がパーティクル発生の大きな原因となっている。発生したパーティクルは、ウェハＷを搬入搬出する際のゲートバルブ３０１の開閉時に巻き上がって、ウェハＷに付着しやすく、歩留り低下の要因となる。

ゲートバルブＯリングのプラズマ劣化に起因するパーティクルを低減するために、ゲートバルブを２段に設置し、プラズマ領域により近いゲートバルブに金属メッシュ状のＯリングを用いたもの（例えば、特許文献１参照）や、ゲートバルブの内側に保護部材を用いるラビリンス構造を採用したもの（例えば、特許文献２参照）がある。
特開２００４−１４１８０３号公報 特開２００３−１６３２０６号公報

しかしながら、上記した従来のプラズマ処理装置は、ゲートバルブＯリングのプラズマによる劣化で発生するパーティクルは低減できるものの、機械的劣化については考慮されていないので、ゲートバルブＯリングをある程度の長い期間にわたって使用すると、パーティクルが発生し、ウェハに付着するという問題がある。また、ゲートバルブ部分を含むチャンバー内のデポ物堆積によるパーティクルの問題は依然として存在している。

本発明は、上記問題に鑑み、ゲートバルブ部分のプラズマによる劣化を防止し、その劣化によって発生するパーティクルを低減する。またゲートバルブ部分の機械的劣化やウェハ処理中に堆積するデポ物によってゲートバルブ駆動時等に発塵するパーティクルのウェハへの付着を防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、内部のステージに設置された被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室のゲート部を開閉するゲートバルブとを備えたプラズマ処理装置において、前記ゲート部からステージを遮蔽する保護部材が前記処理室内に移動自在に設けられたことを特徴とする。これにより、ゲートバルブ部分（特に圧接部材たるゲートバルブＯリング）のプラズマによる劣化を防止できるとともに、これら部材の機械的劣化、デポ物堆積によってゲートバルブ駆動時に発生するパーティクルがウェハに付着するのを防止することができる。

保護部材はステージおよびその周囲に形成されるプラズマ領域を囲む円筒状部を有することを特徴とする。これにより、ゲートバルブ部分のプラズマによる劣化、機械的劣化、デポ物堆積によってゲートバルブ駆動時に発生するパーティクルがウェハに付着するのをより確実に防止することができる。またステージに設置されるウェハの軸心に対して対称なプラズマを生成して、ウェハの面内の均一性を向上させることが可能になる。

保護部材の内部に温度制御流体の循環路が形成されるのが好ましい。温度制御流体によって保護部材の温度を制御することで、プラズマ処理中にウェハ近傍に堆積するデポ物の量を低減し、デポ物が剥がれて発塵するパーティクルを低減できるからである。

保護部材は、ゲート側の表面がパーティクルやデポ物をより吸着し易い表面粗さとされ、ステージ側の表面がパーティクルやデポ物をより吸着し難い表面粗さとされるのが好ましい。

ステージの内部に、設置される被処理体を所望温度に制御する中央領域温度制御部と、ステージ外周部の表面温度を制御する外周温度制御部とが設けられるのが好ましい。ステージ外周部を高温化することで、この部分へのデポ物などの堆積を防止できるからである。

本発明のプラズマ処理方法は、被処理体をゲート部より処理室内に搬入してステージ上に設置する工程と、前記ゲート部からステージを遮蔽可能に処理室内に設けられた保護部材をゲート部とステージとの間を遮断する位置に移動させる工程と、前記ステージ上の被処理体にプラズマ処理を施す工程と、前記保護部材をゲート部とステージとの間が遮断されない位置に移動させる工程と、プラズマ処理された被処理体をゲート部より処理室外に搬出する工程とをこの順に行なうことを特徴とする。つまり、被処理体を搬入搬出する時には保護部材をゲート部とステージとの間から退避させ、被処理体にプラズマ処理を施す間は保護部材によってステージとゲート部との間を遮断するもので、ゲートバルブ部分のプラズマによる劣化、機械的劣化、デポ物堆積によってゲートバルブ駆動時に発生するパーティクルがウェハに付着するのを防止することができる。

保護部材のゲート側の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し易いより低い温度に制御し、ステージ側の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し難いより高い温度に制御するのが好ましい。これにより、プラズマ処理中にウェハ近傍に堆積するデポ物の量を低減し、デポ物が剥がれて発塵するパーティクルを低減することができる。

ステージの中央領域の表面温度を、設置される被処理体を所望温度に維持する温度に制御し、ステージ外周部の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し難いより高い温度に制御するのが好ましい。ステージ外周部を高温化することで、この部分にデポ物などが堆積するのを防止できるからである。

本発明のプラズマ処理装置及び処理方法は以下の効果を奏する。
（１）ゲートバルブ部分（特にそのゲートバルブＯリング）のプラズマによる劣化を防止し、劣化によって発生するパーティクルを低減する。
（２）ゲートバルブ部分（特にそのゲートバルブＯリング）の機械的劣化によって発生するパーティクルがウェハに付着するのを防止する。
（３）ゲートバルブに付着したデポ物がゲートバルブの駆動時に剥がれて発生するパーティクルがウェハに付着するのを防止する。
（４）処理室内におけるウェハ近傍のデポ物の堆積量を低減し、デポ物が剥がれて発生するパーティクルを低減する。
（５）ウェハ軸心（ウェハの中心から垂直の軸）に対して対称なプラズマを生成し、ウェハの面内の均一性を向上させる。

よって、微細化が進む半導体集積回路装置などの高歩留りを実現することが可能となり、価格高騰も抑えられる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。

プラズマ処理を行うプロセスチャンバー１とウェハ搬送チャンバー１０１とがウェハ搬送経路部２０１で連通され、プロセスチャンバー１からのプラズマ雰囲気を遮断するようにウェハ搬送経路部２０１を開閉するゲートバルブ３０１が設けられている。

ウェハ搬送チャンバー１０１は、ウェハＷをプロセスチャンバー１に搬入搬出する搬送機構（図示せず）を備えている。ゲートバルブ３０１は、ウェハ搬送チャンバー１０１側に設置されており、ウェハ搬送チャンバー１０１の内面と接する面にゲートバルブＯリング３０２が固定されている。

プロセスチャンバー１は、電源２に接続する上部電極３が天部に埋設されるとともに、ウェハＷを設置するためのウェハステージ４に電源５が接続されていて、ウェハステージ４が下部電極として機能する２周波型装置として構成されている。ただしマイクロ波プラズマ処理装置、ＩＣＰプラズマ処理装置、平行平板プラズマ処理装置など、プラズマ源に依存せず構成可能である。

プロセスチャンバー１には、ガス源６などのガス供給系７が上部電極３内に連通するように接続されていて、ガス供給系７によって供給されるガスは上部電極３に形成された複数の孔３ａから噴出する。またウェハ搬送経路部２０１に対向する側壁の下部の排気部８ａから外方に突出した排気領域８が設けられ、排気領域８の底部に排気口９が形成され、排気口９を開閉する排気用ゲートバルブ１０と、排気口９に連通するターボ分子ポンプ１１などの排気系１２とが設置されていて、プロセスチャンバー１内のガスは排気部８ａ，排気領域８，排気口９を通るように整流されて外部へ排気される。

ウェハステージ４上にはフォーカスリング１３が配置されており、ウェハステージ４内には、ステージ上のウェハＷを温度制御するための冷媒循環路１４が形成されている。
このプラズマ処理装置が従来のものと相違するのは、プロセスチャンバー１内に上下方向に移動可能な２重構造のライナー１５が設けられている点である。またウェハステージ４内の冷媒循環路１４が３系統に分けられ、さらに温度制御のためのヒーター１６が設けられている点である。

ライナー１５は、上部電極３よりも大きく開口してウェハステージ４を同心状に囲んだ有底円筒状部と、この有底円筒状部の下方に延びてプロセスチャンバー１の底部を貫通している脚部とからなり、ウェハステージ４の脚部は有底円筒状部の底部を貫通している。

このライナー１５は、内側ライナー１７と外側ライナー１８とがその間に配置された断熱体１９を介して固定された構造であり、上下移動が駆動された際にはこれらが一体となって動く。内側ライナー１７，外側ライナー１８はともに接地されている。内側ライナー１７，外側ライナー１８はそれぞれ、内部に冷媒循環路１７ａ，１８ａが形成され、底部に通気口１７ｂ，１８ｂが形成されている。通気口１７ｂ，通気口１８ｂは互いに上下に重なっている。

ウェハステージ４内の冷媒循環路１４は環状であり、ウェハ中央部に対応する第１循環路１４ａと、ウェハエッジ部に対応する第２循環路１４ｂと、その中間に位置する第３循環路１４ｃとよりなる。

ヒーター１６は、ウェハステージ４の外周領域に配置されており、冷媒循環路１４との間には断熱体２０が設けられている。
上記プラズマ処理装置におけるプラズマ処理の際の一連の動作を説明する。

プロセスチャンバー１にウェハがないスタンバイ状態では、ゲートバルブ３０１は閉じられており、ライナー１５は図示した位置に上昇している。
この状態から、まずゲートバルブ３０１を開き、ライナー１５を下降させ、ウェハＷをウェハ搬送チャンバー１０１から取り出して、プロセスチャンバー１内に搬送し、ウェハステージ１０３上に設置し、ライナー１５を再び上昇させ、ゲートバルブ３０１を閉じる。これにより図示した状態となる。その後にプロセスチャンバー１内でプラズマを発生させてウェハＷを加工する。

加工終了後に、ゲートバルブ３０１を開け、ライナー１５を下降させ、プロセスチャンバー１からウェハＷを取り出し、ライナー１５を上昇させ、ゲートバルブ３０１を閉じる。

この際のウェハステージ４，ライナー１５の温度制御について、コンタクトホールや配線溝を形成するために酸化膜をドライエッチングするものとして、プロセスガスにＣ_５Ｆ_８、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２、Ｏ_２等を用いる場合を例にとって説明する。発生するパーティクルの成分として、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、その他にゲートバルブＯリングの成分であるＣａ、Ｓ、Ｆなどが含まれ、パーティクルの粒径サイズは０.１〜１.０μm程度となることが多い。

２重構造のライナー１５の内、外側ライナー１８は内側ライナー１７よりも低温化させて、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物を積極的に吸着させる。具体的には１０℃以下に温度設定する。外側ライナー１８の表面粗さはＲａ＝１０．０以上として、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物をより吸着しやすくする。

内側ライナー１７は外側ライナー１８よりも高温化させて、デポ物などが堆積しないようにする。具体的には６０℃以上に温度設定する。内側ライナー１７の表面粗さはＲａ＝０．２以下として、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物をより吸着しにくくする。

ウェハステージ４の外周部はヒーター１６により高温化させて、デポ物などが堆積しないようにする。具体的には６０℃以上に温度設定する。ウェハステージ４の外周部の表面粗さはＲａ＝０．２以下として、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物をより吸着しにくくする。

このようにライナー１５の内周部およびウェハステージ４の外周部を高温化することにより、ウェハＷの近傍にデポ物の堆積をなくし、ウェハＷへのパーティクルの付着を防止するのである。この高温領域の温度がウェハＷの温度制御に影響することは、ヒーター１６の内側に配置した断熱体２０によって防止する。

しかしウェハＷの温度設定によっては、断熱体２０によってもこの高温領域の温度の影響を０にできない場合もあるので、３系統の冷媒循環路１４（第１循環路１４ａ，第２循環路１４ｂ，第３循環路１４ｃ）で温度制御することにより、ウェハＷの面内の温度分布を均一にする。

以上のようにライナー１５を上下移動させ、且つウェハステージ４，ライナー１５を温度制御することによる効果は次の通りである。
プラズマ処理中は、ライナー１５が上昇しているため、ゲートバルブＯリング３０２はプラズマに接しにくく、プラズマによるゲートバルブＯリング３０２の劣化を防止することができる。またライナー１５の内周部（内側ライナー１７）やウェハステージ４の外周部を高温化しているので、ウェハＷの近傍にデポ物の堆積をなくすことができる。

さらに、上昇したライナー１５の有底円筒状部がウェハステージ４の外周を囲むため、ウェハＷの軸心に対して対称なプラズマを生成することができ、且つウェハＷの面内の温度分布も冷媒循環路１４，ヒーター１６によって均一に制御されるので、プラズマ加工の面内の均一性を向上させることができる。ライナーがない従来装置では（図３参照）、ウェハ搬送経路部２０１の凹形状の影響でプラズマがウェハＷの軸心に対して非軸対称になってしまう。

ウェハＷの搬入時にゲートバルブ３０１を開閉する際には、ゲートバルブＯリング３０２の機械的磨耗やデポ物の剥がれによってパーティクルが発生することがあるが、ゲートバルブ３０１が閉じる前にライナー１５が上昇してウェハＷを囲むため、発生したパーティクルがウェハＷに接触することはない。またライナー１５の外周部（外側ライナー１８）を低温化しているので、この低温部分に、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物は吸着される。

ウェハＷの搬出にあたってゲートバルブ３０１を開く際も、ゲートバルブＯリング３０２の機械的磨耗やデポ物の剥がれによってパーティクルが発生することがあるが、ライナー１５はまだ上昇状態にありウェハＷを囲んでいるため、発生したパーティクルがウェハＷに接触することはない。またライナー１５の外周部（外側ライナー１８）を低温化しているので、この低温部分に、パーティクルやパーティクルの原因となるデポ物は吸着される。
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。

このプラズマ処理装置が第１実施形態のものと相違するのは、プロセスチャンバー１内に上下方向に移動可能に設けられたライナー１５は単層構造であり、冷媒循環路は存在しない点である。またウェハステージ４内の冷媒循環路１４は１系統であり、ヒーターも設けられていない点である。

このプラズマ処理装置におけるプラズマ処理の際の一連の動作を説明する。
プロセスチャンバー１にウェハがないスタンバイ状態では、ゲートバルブ３０１は閉じられており、ライナー１５は図示した位置に上昇している。

この状態から、まずゲートバルブ３０１を開き、１０sec後にライナー１５を下降させ、ウェハＷをウェハ搬送チャンバー１０１から取り出して、プロセスチャンバー１内に搬送し、ウェハステージ１０３上に設置し、ライナー１５を再び上昇させ、ゲートバルブ３０１を閉じる。これにより図示した状態となる。その後にプロセスチャンバー１内でプラズマを発生させてウェハＷを加工する。

加工終了後に、ゲートバルブ３０１を開け、１０sec後にライナー１５を下降させ、プロセスチャンバー１からウェハＷを取り出し、ライナー１５を上昇させ、ゲートバルブ３０１を閉じる。

以上のようにすることにより、プラズマ処理中は、ライナー１５が上昇しているため、ゲートバルブＯリング３０２はプラズマに接しにくく、プラズマによるゲートバルブＯリング３０２の劣化を防止することができる。

また上昇したライナー１５の有底円筒状部分がウェハステージ４の外周を囲むため、ウェハＷの軸心に対して対称のプラズマを生成することができ、且つウェハＷの面内の温度分布も冷媒循環路１４によって均一に制御されるので、プラズマ加工の面内の均一性を向上させることができる。

ウェハＷの搬入時にゲートバルブ３０１を開閉する際には、ゲートバルブＯリング３０２の機械的磨耗やデポ物の剥がれによってパーティクルが発生することがあるが、ゲートバルブ３０１を閉じる前にライナー１５が上昇してウェハＷを囲むため、発生したパーティクルがウェハＷに接触することはない。

ウェハＷの搬出にあたってゲートバルブ３０１を開く際も、ゲートバルブＯリング３０２の機械的磨耗やデポ物の剥がれによってパーティクルが発生することがあるが、ライナー１５はまだ上昇状態にありウェハＷを囲んでいるため、発生したパーティクルがウェハＷに接触することはない。

なお、ウェハＷへのパーティクルの付着防止を確実にするために、ここではゲートバルブ３０１を開けてから１０sec後にライナー１４０を下降させるようにしたが、チャンバー容量を考慮して適宜に時間を変更する必要がある。

この第２実施形態のプラズマ処理装置は、第１実施形態のプラズマ処理装置がライナー１５を２重構造としてそれぞれ温度制御し且つウェハステージ４の４箇所を温度制御するのに比べて、装置構造、制御方法が簡素であり、装置コスト、運転コストを低減できる。この第２実施形態のプラズマ処理装置は、デポ性の低いプロセスで、ウェハ外周を囲んだ壁（ここで言うライナー１５やプロセスチャンバー１の側壁）の温度を制御する必要がない場合に有効である。

本発明のプラズマ処理装置及び処理方法は、パーティクルの発生およびウェハへの付着を防止できるだけでなく、プラズマ加工のウェハ面内均一性をも向上できるので、微細化された半導体集積回路装置などの製造に特に有用である。

本発明の第１実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図 本発明の第２実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図 従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図

符号の説明

１ プロセスチャンバー
４ ウェハステージ
14 冷媒循環路
14a 第１循環路
14b 第２循環路
14c 第３循環路
15 ライナー
17 内側ライナー
17a 冷媒循環路
18 外側ライナー
18a 冷媒循環路
16 温度制御部（ヒーター）
101 ウェハ搬送チャンバー
201 ウェハ搬送経路部
301 ゲートバルブ
302 ゲートバルブＯリング
Ｗ ウェハ

Claims (8)

1. 内部のステージに設置された被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室のゲート部を開閉するゲートバルブとを備えたプラズマ処理装置において、
   前記ゲート部からステージを遮蔽する保護部材が前記処理室内に移動自在に設けられたプラズマ処理装置。
2. 保護部材はステージおよびその周囲に形成されるプラズマ領域を囲む円筒状部を有した請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 保護部材の内部に温度制御流体の循環路が形成された請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 保護部材は、ゲート側の表面がパーティクルやデポ物をより吸着し易い表面粗さとされ、ステージ側の表面がパーティクルやデポ物をより吸着し難い表面粗さとされた請求項１記載のプラズマ処理装置。
5. ステージの内部に、設置される被処理体を所望温度に制御する中央領域温度制御部と、ステージ外周部の表面温度を制御する外周温度制御部とが設けられた請求項１記載のプラズマ処理装置。
6. 被処理体をゲート部より処理室内に搬入してステージ上に設置する工程と、
   前記ゲート部からステージを遮蔽可能に処理室内に設けられた保護部材をゲート部とステージとの間を遮断する位置に移動させる工程と、
   前記ステージ上の被処理体にプラズマ処理を施す工程と、
   前記保護部材をゲート部とステージとの間が遮断されない位置に移動させる工程と、
   プラズマ処理された被処理体をゲート部より処理室外に搬出する工程と
   をこの順に行なうプラズマ処理方法。
7. 保護部材のゲート側の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し易いより低い温度に制御し、ステージ側の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し難いより高い温度に制御する請求項６記載のプラズマ処理方法。
8. ステージの中央領域の表面温度を、設置される被処理体を所望温度に維持する温度に制御し、ステージ外周部の表面温度をパーティクルやデポ物が吸着し難いより高い温度に制御する請求項６記載のプラズマ処理方法。

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