JP2007273773A

JP2007273773A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理装置のクリーニング方法

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Publication number: JP2007273773A
Application number: JP2006098300A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Murata; 和俊村田; Yasunari Mori; 康成森; Naomasa Miyatake; 直正宮武; Kazuki Takizawa; 一樹滝澤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】１回のクリーニングに要する時間を比較的短くし、かつ確実にクリーニングすることができるプラズマ処理装置、およびプラズマ処理装置のクリーニング方法を提供する。
【解決手段】反応容器内のクリーニングの際、反応容器の内壁面に沿って配置された、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子を有して構成されたプラズマ処理装置によって、反応容器の壁面に沿った空間領域にプラズマを生成することで、反応容器の内壁面を高プラズマ領域に直接曝した状態でクリーニングする。
【選択図】図１

Description

今日、半導体装置、太陽電池あるいはフラットパネルディスプレイ等、各種基板の製作には、プラズマを用いた成膜処理を利用して精度の高い加工処理を行なっている。半導体装置においてプラズマを用いて処理（プラズマ処理）されるＳｉウエハやフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板等は大型化の一途をたどっている。これに対応してプラズマを用いた成膜処理を行なう成膜装置の減圧処理室も大型化され、この減圧処理室内において、基板の加工精度に大きな影響を与える反応性プラズマ中の反応活性種（ラジカル）やイオンを均一に生成させて基板に精度の高いプラズマ処理を行なう必要性が増大している。

例えば、大型の薄膜太陽電池を製造する装置としてＥＣＲ（ｅｒｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅａｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ装置や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ）プラズマＣＶＤ装置を用いることが考えられる。また、平行平板電極型のプラズマＣＶＤ装置を用いることも可能である。しかしながら、このようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置や、ＩＣＰプラズマ装置、平行平板型のプラズマＣＶＤ装置では、発生するプラズマの均一性は比較的低いものである。このため、成膜する基板表面に対して十分な強度のプラズマを発生させるには、空間分布が比較的大きいプラズマを発生させる必要があった。このため、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまい、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にも膜が付着してしまう。このような膜は成膜条件が制御されていないので、膜の密度も低く壁面から剥離しやすいため、成膜時におけるパーティクル発生の原因にもなっていた。このため、半導体製造工場では、所定の成膜量（成膜時間や成膜回数など）毎に、成膜装置をクリーニングする必要があり、スループットの低下、およびランニングコストの上昇の一因となっていた。

このような状況下、特許文献１に示すプラズマＣＶＤ装置において、大面積プラズマ生成用アンテナを用いたプラズマＣＶＤ装置が提案されている。具体的には、棒状のアンテナ素子を複数個平面状に配置してアレイ化したアンテナアレイを用いて、電磁波の空間分布を一様にして大面積のプラズマ生成に用いている。
特開２００３−８６５８１

このようなプラズマ生成装置は、棒状アンテナ素子の近傍に局在化させてプラズマを生成することができる。このようなプラズマＣＶＤ装置では、生成したプラズマが局在化しているので、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまうことがなく、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面への膜の付着も、非常に少ないものであった。このため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰプラズマ装置、並行平板型のプラズマＣＶＤ装置などと比べて、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数は極端に少ないものであった。

上記特許文献に記載されている、大面積プラズマ生成用アンテナを用いたプラズマＣＶＤ装置では、棒状アンテナ素子の近傍に局在化されてプラズマが生成される。このため、クリーニングガスをプラズマ化した場合も、このクリーニングガスのプラズマが広く分布しないため、１回のクリーニングに要する時間自体は、短くすることは出来なかった。

そこで、本発明は、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数が少ない、モノポールアンテナ素子を用いた成膜装置であって、１回のクリーニングに要する時間を比較的短くし、かつ確実にクリーニングすることができるプラズマ処理装置、およびプラズマ処理装置のクリーニング方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理モードと、前記反応容器内をクリーニング処理するクリーニングモードとの２つの処理モードを少なくとも有するプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理モードの際、前記反応容器内にプラズマを生成するプラズマ処理用プラズマ生成手段と、前記クリーニングモードの際、前記反応容器の壁面に沿った空間領域にプラズマを生成する、クリーニング用プラズマ生成手段と、を有し、前記クリーニング用プラズマ生成手段は、前記反応容器の壁面に沿って配置された、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子を有して構成されていることを特徴とするプラズマ成膜装置を提供する。

前記クリーニング用プラズマ生成手段は、前記アンテナ素子に給電する高周波信号の周波数を自在に変えて生成する高周波電源と、前記アンテナ素子とこのアンテナ素子へ給電する給電線との接続部分に設けられ、インピーダンス整合のための容量素子及び誘導素子のいずれか一方の調整素子を有するインピーダンス整合器と、前記高周波信号の周波数及び前記調整素子の特性パラメータの少なくとも一方を変化させて、インピーダンス整合を行う制御器と、を有することが好ましい。

前記プラズマ処理用プラズマ生成手段は、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナンアレイを有して構成されていることが好ましい。

前記クリーニング用プラズマ生成手段の前記アンテナ素子は、前記基板ステージの前記表面を含む平面と、前記アンテナンアレイの配置面との間に配置されていることが好ましい。また、前記反応活性種ガスは酸素ガス、前記原料ガスはＴＥＯＳガスであり、前記処理モードでは、前記基板ステージに載置された前記基板表面へＳｉＯ_２膜を成膜することが好ましい。

本発明は、また、反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置のクリーニング方法であって、前記プラズマ処理を施す際、前記反応容器内の前記基板ステージの前記表面に対向する空間領域にプラズマを生成し、前記反応容器内のクリーニングの際、前記反応容器の壁面に沿って配置された、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子を有して構成されたプラズマ処理装置によって、前記反応容器の壁面に沿った空間領域にプラズマを生成することを特徴とする、プラズマ成膜装置のクリーニング方法も、併せて提供する。

本願発明のプラズマ処理装置では、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数を極端に少なくするとともに、１回のクリーニングに要する時間自体も比較的短くし、かつより確実に反応容器内を清浄化することができる。本願発明によれば、長期に渡って繰り返し成膜を実施する、例えば半導体製造工場における半導体製造工程のスループットを向上させ、ランニングコストを低下させることができる。

以下、本発明のプラズマ処理装置、およびプラズマ処理装置のクリーニング方法について詳細に説明する。図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１０の構成を説明する概略断面図である。

ＣＶＤ装置１０は、ＴＥＯＳガスを原料ガス、酸素ガスを反応活性種ガス（活性種ガス）としてそれぞれ用いて、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２表面に、ＳｉＯ_２膜を成膜する装置である。

ＣＶＤ装置１０は、活性種ガス供給手段１１、クリーニングガス供給手段１２、反応容器１４、ガス流量調整手段１８、１９、制御部２１、入力手段２２、およびプラズマ生成手段２０を有して構成されている。プラズマ生成手段２０は、成膜用アンテナアレイ３０と、クリーニング用アンテナアレイ５０と、インピーダンス整合器１５、電源・調整ユニット１６、第１分配器１３、第２分配器１７とを有して構成されている。成膜用アンテナアレイ３０の各成膜用アンテナ素子３２（の各インピーダンス整合器１５）には、第１分配器１３を介して、電源・調整ユニット１６から後述の高周波電源が供給される。クリーニング用アンテナアレイ５０の各クリーニング用アンテナ素子５２（の各インピーダンス整合器１５）には、第２分配器１７を介して、電源・調整ユニット１６から後述の高周波電流が供給される。

ＣＶＤ装置１０は、成膜モードとクリーニングモードとの２つの動作モードを有している。成膜モードでの動作かクリーニングモードでの動作かの選択指示は、入力手段２２によってオペレータから入力される。入力手段２２は、制御部２１と接続されており、制御部２１は、ガス流量調整手段１８および１９、電源・調整ユニット１６などと接続されている。制御部２１は、入力手段２２が受け付けた、オペレータによる選択指示（動作モードの指示）の情報を受け取り、選択された動作モードに応じて、各手段やユニットの動作を制御して、選択された動作モードでの処理を実行させるよう構成されている。制御部２１は、特に、成膜モードの際は、電源・調整ユニット１６を制御することで、第１分配器１３を介して成膜用アンテナアレイ３０にのみ後述の高周波電流を供給させる。また、クリーニングモードの際は、電源・調整ユニット１６を制御することで、第２分配器１７を介してクリーニング用アンテナアレイ５０にのみ後述の高周波電流を供給させる。なお、クリーニングモードの際は、第２分配器１７を介してクリーニング用アンテナアレイ５０に高周波電流を供給しつつ、同時に、第１分配器１３を介して成膜用アンテナアレイ３０にも高周波電流を供給してもよい。

活性種ガス供給手段１１およびクリーニングガス供給手段１２は、ガスボンベを含む公知のガス供給手段であり、それぞれ配管を介して、ガス流量調整手段１８および１９にそれぞれ接続されている。ガス流量調整手段１８および１９は、いずれも図示しないマスフローコントローラーを備えた公知のガス流量調整手段であり、反応容器１４の上側の壁面に設けられたガス導入口２３および２４と、それぞれ配管を介して接続されている。ガス流量調整手段１８および１９は、制御部２１と接続されており、制御部２１によって動作が制御されて、活性種ガスおよびクリーニングガスのガス流量をそれぞれ調整する。反応容器１４の下側の壁には、減圧のために原料ガス等を排気するための排気口２５が設けられており、排気口２５は、図示しない真空ポンプと接続されている。

ＳｉＯ_２膜の成膜時（成膜モード時）、活性種ガス供給手段１１から配管を介して供給された活性種ガス（酸素ガス）は、制御部２１の制御の下、ガス流量調整手段１９によって流量が調整されて、ガス導入口２４から一定の流量で反応容器１４内に流入する。また。クリーニングモード時は、クリーニングガス供給手段１２から配管を介して供給されたクリーニングガス（例えば、ＮＦ_３やＣＦ_４ガスなど）は、制御部２１の制御の下、ガス流量調整手段１８によって流量が調整されて、ガス導入口２３から一定の流量で反応容器１４内に流入する。反応容器１４内に導入された活性種ガスやクリーニングガスは、反応容器１４内部を上側から下側に向けて流れ、排気口２５から排出される。反応容器１４には、この他に、制御部２１と接続された図示しない圧力センサも設けられており、制御部２１の制御の下、図示しない圧力制御ユニットによって反応容器１４内の圧力は所望の圧力に調整される。

反応容器１４の内部には、この反応容器１４の内部に、処理基板１２を載置する基板ステージ２６、ガス導入口２３および２４から導入された、活性種ガスまたはクリーニングガス、または、活性種ガスとクリーニングガスとの混合ガスを、広い面積に渡って分配するためのシャワーヘッド２８、複数のアンテナ素子３２からなる成膜用アンテナアレイ３０、成膜用アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に設置され、内部を通る原料ガス（ＴＥＯＳガス）を、成膜用アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に放出するための原料ガス放出孔３６を備えた原料ガスインジェクタ３４、反応容器１４の内壁面５６に沿って配置された、複数のアンテナ素子５２からなるクリーニング用アンテナアレイ５０、がそれぞれ設けられている。なお、反応容器１４内における、原料ガスインジェクタ３４の配置位置は、特に限定されない。

ＣＶＤ装置１０によって成膜処理される処理基板１２は、液晶基板の製作などで用いられる略四角形状の基板であり、基板ステージ２６の表面２７（図４および図５参照）は略四角形状であり、反応容器１４の、基板ステージ２６の表面２７と平行な断面形状も、四角形状となっている。

反応容器１４は金属製の容器であり、反応容器１４の壁面は接地されている。
基板ステージ２６は、成膜用アンテナアレイ３０に対向するように、処理基板１２が載置される台であり、基板ステージ２６の内部には処理基板１２を加熱する図示されない発熱体が設けられている。

反応容器１４の上側には、活性種ガス分散室３８が、シャワーヘッド２８によって下側の反応室３９と仕切られて構成される。シャワーヘッド２８は、アルマイト処理したアルミニウムからなる板状部材に０．５ｍｍ程度の貫通穴が複数あけられ、活性種ガスやクリーニングガスが下側の反応室３９に一定の流速で放射するようになっている。

図２は、シャワーヘッド２８の側から、成膜用アンテナアレイ３０、原料ガスインジェクタ３４、基板１２、基板ステージ２６を観察した状態を示す概略斜視図であり、基板１２の表面近傍の領域を拡大して示している。また、図３は、ＣＶＤ装置１０における成膜用アンテナ素子３２の配置について説明する図であり、図１に示すＡ−Ａ線で切断して成膜用アンテナアレイ３０を観察した状態を示す概略上面図である。また、図４は、ＣＶＤ装置１０における原料ガスインジェクタの形状・配置について説明する図であり、図１に示すＢ−Ｂ線で切断して原料ガスインジェクタを観察した状態を示す概略上面図である。図５は、ＣＶＤ装置１０におけるクリーニングアンテナ素子５２の配置について説明する図であり、図１に示すＣ−Ｃ線で切断してクリーニング用アンテナアレイ５０を観察した状態を示す概略上面図である。また、図６は、図５に示すＤ−Ｄ線で切断してクリーニング用アンテナアレイ５０を観察した状態を示す概略断面図である。

成膜用アンテナアレイ３０は、複数の成膜用アンテナ素子３２が、図２および図３に示すように、互いに平行にかつ平面状に配置されてなり、シャワーヘッド２８下側の、反応室３９の上側部分に設けられている。この成膜用アンテナアレイ３０は、シャワーヘッド２８及び基板ステージ２６に載置される処理基板１２に対して平行に設けられる。本発明のプラズマ反応装置は、このようなアンテナアレイを用いてプラズマを生成することを特徴の１つとしている。ここで、成膜用アンテナアレイ３０および、この成膜用アンテナアレイ３０におけるプラズマの生成について説明する。

モノポールアンテナである成膜用アンテナ素子３２は、図３に示すように隣接する成膜用アンテナ素子３２と互いに逆方向に反応容器１４内の壁面から突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらの成膜用アンテナ素子３２は、それぞれマッチングボックスであるインピーダンス整合器１５と接続されている。

各成膜用アンテナ素子３２は、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。各成膜用アンテナ素子３２の表面は、石英チューブ等の誘電体３５で被覆されている。棒状の導体を誘電体で被覆することで、成膜用アンテナ素子３２としての容量とインダクタンスが調整されており、これにより、成膜用アンテナ素子３２の突出方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。このように誘電体３５で覆われた成膜用アンテナ素子３２は、反応容器１４の内壁に開けた開口に電気的に絶縁して取り付けられており、成膜用アンテナ素子３２の高周波電流供給端の側が、インピーダンス整合器１５に接続されている。

成膜用アンテナ素子３２は、シャワーヘッド２８の近傍に設けられるので、成膜用アンテナ素子３２から放射される電磁波は、隣接する成膜用アンテナ素子３２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、シャワーヘッド２８の接地されている金属膜の作用によって鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、成膜用アンテナアレイ３０を構成する成膜用アンテナ素子３２は、隣接する成膜用アンテナ素子３２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室３９において電磁波は均一に形成される。

インピーダンス整合器１５は、後述する電源・制御ユニット１９の高周波電源が発生する高周波信号の周波数の調整とともに用いて、プラズマの生成中に成膜用アンテナ素子３２の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正するために用いられる。

電源・調整ユニット１６は、図示されない高周波発振回路や増幅器からなる高周波電源、および、図示しない電流・電圧センサの検知信号に応じて、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１５の調整を行う制御部分とを有して構成されている。電源・調整ユニット１６は、成膜用アンテナ素子３２に共通の高周波信号の周波数を制御して、すべての成膜用アンテナ素子３２をインピーダンス整合の状態に近づけ、この後、各アンテナ素子に接続されたインピーダンス整合器１５によって、インピーダンスを個別に調整する。電源調整ユニット１６は、成膜モードの際は、制御部２１によって制御されて、第１分配器１３を介して成膜用アンテナアレイ３０にのみ後述の高周波電流を供給し、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１５の調整を行う。

なお、このようなアンテナアレイを用いたプラズマ生成の原理についての詳細な説明が、本願出願人による先の出願である、特願２００１−２８０２８５号明細書に記載されている。また、アンテナアレイを用いたプラズマ生成装置における、各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法が、同じく本願出願人による先の出願である、特願２００５−０１４２５６号明細書に記載されている。本願発明におけるアンテナアレイ、および各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法として、例えば、上記各明細書記載の方法を利用すればよい。

このようなＣＶＤ装置１０では、プラズマ処理モードの際、反応容器１４内に、ガス導入口２３および２４、また、原料ガス放出孔３６から各種ガスを送り込み、一方、排出口２４に接続した図示されない真空ポンプを作動させて、通常１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この状態で成膜用アンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、成膜用アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内の成膜用アンテナ素子３２の近傍でプラズマが生成される。この際、成膜モードでは、シャワーヘッド２８から放射された活性種ガスが励起されて反応活性種が得られる。発生したプラズマは導電性を有するので、成膜用アンテナ素子３２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波は成膜用アンテナ素子３２周辺の局部領域に局在化する。このように、本願発明で用いる、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、電子密度が高くプラズマ密度の高い領域（以降、高プラズマ領域とする）が成膜用アンテナ素子３２の近傍に局在化して形成されるといった特徴を有する。

ＣＶＤ装置１０では、シャワーヘッド２８から一定の流速で放射されたガスが、成膜用アンテナアレイ３０の近傍に局在化してプラズマ化されて、放射されたガス分子が励起された反応活性種（ラジカル）が得られる。また、成膜用アンテナアレイ３０は、モノポールアンテナである成膜用アンテナ素子３２が、ある程度広い間隔を保って並べられており、活性種ガス分子が励起された反応活性種は、この広い間隙３３を容易に通過して、反応室３９の下側部分に向けて流れることができる。

原料ガスインジェクタ３４は、成膜用アンテナアレイ３０の下側部分に配置されており、図２および図４に示すように、複数の並列配管部分４０が互いに平行にかつ平面状に配置された略梯子形状となっている。図２に示すように、原料ガスインジェクタ３４は、並列配管部分４０の長さ方向が、棒状の成膜用アンテナ素子３２の長さ方向と直行するように配置されている。成膜用アンテナ素子３２の間隙３３を通り、反応室３９の下側部分に向けて降下した反応活性種は、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に供給される。

原料ガスインジェクタ３４は、反応室１４外部に設けられた図示しない原料ガス供給手段（ＴＥＯＳガス供給手段）と接続された、原料ガス導入管４４（図４参照）と接続されている。また、原料ガスインジェクタ３４の複数の並列配管部分４０それぞれには、原料ガス放出孔３６が複数設けられている。原料ガス導入管４４から導入された原料ガス（ＴＥＯＳガス）は、原料ガスインジェクタ３４の内部を通り、原料ガスインジェクタ３４の下側部分に設けられた原料ガス放出孔３６から基板１２の側に向けて放射される。

図４に示すように、原料ガスインジェクタ３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガスインジェクタ３４を見たとき、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように張り巡らされて配置されている。この原料ガス供給配管３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガスインジェクタ３４を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分３１と、この枠状配管部分３１の内部領域に配置された複数の並列配管部分４０とからなる、略梯子形状となっている。そして、原料ガスインジェクタ３４の複数の並列配管部分４０それぞれには、原料ガス放出口３６が、原料ガスインジェクタ３４の長さ方向に並んで複数設けられている。このように、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように原料ガスインジェクタ３４が張り巡らされて、この原料ガスインジェクタ３４に複数の原料ガス放出口３６が設けられていることで、原料ガス放出口３６から基板ステージ２６の表面２７全体に向けて、均一に原料ガスを放出することを可能としている。成膜モード時、複数の並列配管部分４０の間隙４２を通り、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に降下した反応活性種（酸素ラジカル）は、この原料ガス放出孔３６から放出された原料ガスと混合されて、基板１２に到達する。

原料ガスインジェクタ３４は、成膜用アンテナ素子３２と例えば３０ｍｍ離間した位置に配置される。本願発明のＣＶＤ装置１０では、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイによって、高プラズマ領域が成膜用アンテナ素子３２の近傍に局在化して生成されるので、高プラズマ領域と原料ガスインジェクタ３４とを、このように比較的近接して配置することができる。このため、成膜モード時、成膜用アンテナアレイ３０近傍で得られた反応活性種（酸素ラジカル）は、十分な励起状態を保ったまま、原料ガスと混合されて基板１２に到達することができる。

クリーニング用アンテナアレイ５０は、反応容器１４の内壁面５６の、略四角形状（基板ステージ２６の表面２７に平行な平面で切断した断面における、内壁面５６の形状）の各辺それぞれにおいて、図５および図６に示すように、複数のクリーニング用アンテナ素子５２が、互いに平行にかつ平面状に配置されてなる。本発明のプラズマ処理装置は、このようなアンテナアレイを用いて、反応容器１４の内壁面５６近傍に局在化したプラズマを生成することを特徴の１つとしている。

クリーニング用アンテナ素子５２は、成膜用アンテナアレイ３０と同様、モノポールアンテナである。図５および図６に示すように、内壁面５６の四角形状の各辺に対応するそれぞれの部分において、隣接するクリーニング用アンテナ素子５２と互いに逆方向に反応容器１４内の内壁面５６から突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらのクリーニング用アンテナ素子５２は、それぞれマッチングボックスであるインピーダンス整合器１５と接続されている。ＣＶＤ装置１０では、内壁面５６の四角形状の各辺に対応する部分それぞれに、クリーニング用アンテナ素子５２が２本ずつ配置されている。内壁面５６の四角形状の各辺に対応する部分それぞれでの、クリーニング用アンテナ素子５２の配置数は特に限定されていない。各部分それぞれにおけるアンテナ素子の数は、それぞれ１本でもよく、また、３本以上でもよい。

各クリーニング用アンテナ素子５２は、成膜用アンテナ素子３２と同様、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。各クリーニング用アンテナ素子５２の表面は、石英チューブ等の誘電体５５で被覆されている。棒状の導体を誘電体で被覆することで、クリーニング用アンテナ素子５２としての容量とインダクタンスが調整されており、これにより、クリーニング用アンテナ素子５２の突出方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。このように誘電体５５で覆われたクリーニング用アンテナ素子５２は、反応容器１４の内壁面５６に開けた開口に電気的に絶縁して取り付けられており、クリーニング用アンテナ素子５２の高周波電流供給端の側が、インピーダンス整合器１５に接続されている。

クリーニング用アンテナ素子５２は、反応容器１４の内壁面５６の近傍に設けられるので、クリーニング用アンテナ素子５２から放射される電磁波は、隣接するクリーニング用アンテナ素子５２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、反応容器１４の内壁面５６の接地されている金属膜の作用によって鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、クリーニング用アンテナアレイ５０を構成するクリーニング用アンテナ素子５２は、隣接するクリーニング用アンテナ素子５２と給電方向が逆向きとなっているので、反応容器１４の内壁面５６の近傍において電磁波は均一に形成される。

各クリーニング用アンテナ素子５２と接続したインピーダンス整合器１５は、後述する電源・制御ユニット１９の高周波電源が発生する高周波信号の周波数の調整とともに用いて、プラズマの生成中に成膜用アンテナ素子３２の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正するために用いられる。電源調整ユニット１６は、クリーニングモードの際は、制御部２１によって制御されて、第２分配器１７を介してクリーニング用プラズマアレイ５０にのみ後述の高周波電流を供給し、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１５の調整を行う。

このようなＣＶＤ装置１０では、クリーニングモードの際、ガス導入口２３および２４から各種ガスを導入し、反応容器１４内にクリーニングガスを送り込む。一方、排出口２４に接続した図示されない真空ポンプを作動させて、通常１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この状態でクリーニング用アンテナ素子５２に高周波信号を給電することで、クリーニング用アンテナ素子５２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４の内壁面５６の近傍でプラズマが生成される。クリーニングモードでは、クリーニングガスが励起されて、クリーニングガスの反応活性種が得られる。発生したプラズマは導電性を有するので、クリーニング用アンテナ素子５２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波はクリーニング用アンテナ素子５２周辺の局部領域に局在化する。このように、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、電子密度が高くプラズマ密度の高い領域（以降、高プラズマ領域とする）が、クリーニング用アンテナ素子５２の近傍に、すなわち、反応容器１４の内壁面５６の近傍で局在化して形成されるといった特徴を有する。

図７は、ＣＶＤ装置１０における成膜用アンテナアレイ３０でプラズマを生成した際の、プラズマ中の電子温度と、成膜用アンテナアレイ３０からの距離（図１中の上下方向の距離）との関係の一例を示すグラフである。図７に示す電子温度の計測は、高い分解能を有するレーザー誘起蛍光（ＬＩＦ）法によりＡｒプラズマ中の準安定状態Ａｒ原子密度を計測し、その生成消滅過程を仮定することにより評価した。Ａｒプラズマ中の準安定状態Ａｒ原子の計測はＡｒプラズマ（圧力２７Ｐａ）で行なわれ、モノポールアンテナの印加電圧は１５Ｗとした。本測定での空間分解能は、分光器のスリット幅などで決まり、図７に示す例では１ｍｍ程度である。図７に示す例では、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、電子密度が高くプラズマ密度の高い領域（以降、高プラズマ領域とする）がアンテナ素子から約２ｃｍ（２０ｍｍ）以内に局在化して形成されている。上述のように、成膜用アンテナアレイ３０とクリーニング用アンテナアレイ５０とは同様の構成となっており、アンテナアレイ５０においても、高プラズマ領域はアンテナ素子近傍に局在化して形成される。ここで、高プラズマ領域とは、具体的には、代表的なモノポールアンテナプラズマ源のプラズマ中心の電子温度である２ｅＶに対して、７割以上の電子温度を有する領域のことをいう。

成膜モード時で使用するＴＥＯＳガスは、パーティクルが比較的発生しやすいガスである。このため、成膜モード時において、高プラズマス領域にＴＥＯＳガスを直接曝さなくとも、成膜容器１４の内壁面５６には、成膜の度に多少の蒸着がおこる。この付着物（蒸着による付着物）を、なるべく短時間で効率的にクリーニングする場合は、クリーニングガスのプラズマのうち、なるべく電子温度が高くプラズマ密度の高い領域（高プラズマ領域）に、反応容器１４の内壁面５６を曝すことが望ましい。例えば、ＣＦｘガスを用いたクリーニングでは、Ｆラジカル密度が重要であり、Ｆラジカルは主に電子衝突により生成される。Ｆラジカルの生成レートは、電子温度及び電子密度に深く依存しており、数ｅＶ程度の電子温度の領域では、電子温度および電子が高い方が（すなわち、高プラズマ領域の方が）より頻繁に反応が生じるようになる。アンテナ近傍の、電子温度が高く、かつ電子密度が高い高プラズマ領域では、Ｆラジカルの生成レートが高く、クリーニングに有利である。

クリーニングモードの際は、反応容器１４の内壁面５６が高プラズマ領域に曝されるよう、クリーニング用アンテナアレイ５０と内壁面５６との距離、およびクリーニング条件（ガス流量、反応室内圧力、高周波電流の大きさなど）が調整される。例えば、クリーニング用アンテナ素子５２の外周面から１０ｍｍ以内の範囲が高プラズマ領域となるような条件でクリーニング処理を行うならば、クリーニング用アンテナ素子５２と内壁面５６との距離が１０ｍｍ以内となるよう、クリーニング素子５２の配置位置が調整されている。本願発明は、このように、クリーニングモード時は、反応容器１４の内壁面５６の近傍に配置されたアンテナ素子５２によって、このアンテナ素子５２の近傍に局在化されたプラズマを生成し、このプラズマの高プラズマ領域に内壁面５６を直接曝すことで、内壁面５６をクリーニングすることを特徴とする。

このようなＣＶＤ装置１０を用いて行なわれる、ＳｉＯ_２膜の成膜工程およびクリーニング工程について説明する。最初に、成膜モードについて説明する。まず、オペレータが、入力手段２２により成膜モードの指示を入力する。制御部２１は、各手段の動作を制御して、反応容器１４内の活性種ガス導入口２４から、活性種ガスである酸素ガスを一定流量（例えば、１０ｓｌｍ）で流入させて、シャワーヘッド２８から活性種ガスを下側の反応室３９に一定の流速で放射させる。これとともに、原料ガスであるＴＥＯＳガスを一定流量（例えば１００ｓｃｃｍ）で原料ガス導入管４４に導入し、原料ガスインジェクタ３４の原料ガス放出孔３６から基板１２の側に向けて放出させる。一方、排出口２４から真空ポンプで排気を行い、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。

この状態で、成膜用アンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、成膜用アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内で、成膜用アンテナ素子３２の近傍に局在化したプラズマが生成され、シャワーヘッド２８から放射された活性種ガス（酸素ガス）が励起された反応活性種（酸素ラジカル）が得られる。反応活性種（酸素ラジカル）は、隣り合った成膜用アンテナ素子３２の広い間隙３３を容易に通過して、反応室３９の下側部分に向けて流れる。反応活性種（酸素ラジカル）は、さらに、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の表面に供給される。この際、反応活性種（酸素ラジカル）は、原料ガス放出孔３６から放出された原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合され、基板１２に到達する。活性状態である反応活性種（酸素ラジカル）とＴＥＯＳガスとが混合されると、酸素ラジカルの活性エネルギーによって反応が進行し、基板１２の表面においてＳｉＯ_２膜が成膜される。プラズマ成膜装置１０では、このようにしてＳｉＯ_２膜が形成される。

このような成膜動作を繰り返すと、反応容器１４の内壁面５２に、少量ずつながら膜が付着してくる。このような膜は、内壁面５２のうち、成膜用アンテナアレイ３０の配置面を含む平面と、基板ステージ２６の表面２７を含む平面とで挟まれた部分、特には、原料ガスインジェクタ３４の配置面を含む平面と、基板ステージ２６の表面２７を含む平面とで挟まれた部分に、多く付着する。このような反応容器１４の内壁面５２への付着膜は、プラズマ処理の際に基板表面に付着するパーティクルの原因になる。ＣＶＤ装置１０のようなプラズマ処理装置では、一般的に、このような付着膜を除去するために、定期的にクリーニングが行なわれる。クリーニング用アンテナ素子５２は、内壁面５２のうち、このような、成膜用アンテナアレイ３０の配置面を含む平面と、基板ステージ２６の表面２７を含む平面とで挟まれた部分、特には、原料ガスインジェクタ３４の配置面を含む平面と、基板ステージ２６の表面２７を含む平面とで挟まれた部分に配置されている。なお、本発明において、クリーニング用アンテナ素子の配置位置は特に限定されない。クリーニング用アンテナ素子は、反応容器の壁面に沿った空間のうち、成膜用プラズマ源によって生成されるプラズマが届き難い（高プラズマ領域に曝され難い）領域に配置されることが好ましく、その中でも、成膜用プラズマ源によって多くの付着物が生じる部分に配置することが好ましい。

次に、クリーニングモード時における動作について説明する。まず、オペレータが、入力手段２２によりクリーニングモードの指示を入力する。制御部２１は、クリーニングモードの指示を受けて各手段の動作を制御して、反応容器１４内のクリーニングガス導入口２３から、クリーニング原料ガス（例えばＮＦ_３など）を一定流量で流入させて、また、必要に応じて、ガス導入口２４から反応活性種ガスである酸素ガスを一定流量で流入させる。これにより、シャワーヘッド２８からは、クリーニングガス（クリーニング原料ガスと反応活性種ガスとの混合ガス）を下側の反応室３９に一定の流速で放射させる。一方、排出口２４から真空ポンプで排気を行い、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。

この状態で、クリーニング用アンテナ素子５２に高周波信号を給電することで、クリーニング用アンテナ素子５２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内で、クリーニング用アンテナ素子５２の近傍に局在化した高プラズマ領域が生成される。上述のように、反応容器１４の内壁面５２は、このような高プラズマ領域に曝される程度に、クリーニング用アンテナアレイ５０と近接して配置されており、高プラズマ領域のプラズマ（すなわち、活性程度の高いプラズマ）によって、内壁面５６に付着していた付着膜が、高速かつ確実に除去される。

このように、本願発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置のクリーニング方法では、成膜時は、生成したプラズマが局在化しているので、反応容器の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまうことがなく、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面への膜の付着も、非常に少ない。加えて、クリーニングモード時は、高プラズマ領域のプラズマ（すなわち、活性程度の高いプラズマ）によって、反応容器の内壁面の付着膜を高速に除去することができる。本願発明によれば、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数を極端に少なくするとともに、１回のクリーニングに要する時間自体も比較的短くすることができ、例えば半導体製造工程でのスループットを上げ、製造コストを低下させることが可能である。

本願発明者は、ＣＶＤ装置１０を用い、ＴＥＯＳ膜の成膜後にクリーニング状態を測定する確認実験を行なった。実験は、異なる２つの状態それぞれについて、ＣＶＤ装置１０を用いて基板にＴＥＯＳ膜（ＳｉＯ_２膜）を成膜する処理を５回繰り返した後、クリーニング処理を１回行い、このクリーニング後に基板表面に観察されるパーティクルの数をカウントした。各状態の１つは、クリーニングの際、ＣＶＤ装置１０のクリーニング用アンテナアレイ５０によってプラズマを生成して、反応容器内のクリーニングを行なう状態（状態Ａ）であり、他の状態は、クリーニングの際、ＣＶＤ装置１０のクリーニング用アンテナアレイ５０は用いず、成膜用アンテナアレイ３０によってプラズマを生成して、反応容器内のクリーニングを行なう状態（状態Ｂ）である。各状態とも、クリーニングガスとして、ＮＦ_３ガスを用い、クリーニングの際の反応容器１４内の圧力は１００Ｐａ、クリーニングの際にクリーニングアンテナアレイ５０に供給する高周波電力５００Ｗ、基板温度４００℃とした。また、各状態の成膜条件も、いずれも同様とした。この確認実験の結果、成膜用アンテナアレイ３０によってプラズマを生成して、反応容器内のクリーニングを行なう状態（状態Ｂ）において、クリーニング後に５回の成膜を行なった後の、基板表面に生じた単位面積当たりのパーティクル数に対し、クリーニング用アンテナアレイ５０によってプラズマを生成して、反応容器内のクリーニングを行なう状態（状態Ａ）では、クリーニング後に５回の成膜を行なった後の、上記と同一形状・サイズの基板表面に生じた単位面積当たりのパーティクル数は約１／１０となっていた。このように、反応容器の内壁面近傍に設けられたクリーニング用アンテナアレイによってプラズマを生成して、反応容器内のクリーニングを行なうことで、パーティクルの発生を大幅に減少させることができることが確認できた。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０では、プラズマ処理モード時に用いるプラズマ生成手段として、モノポールアンテナ素子で構成されたアンテナアレイ型のプラズマ生成手段を用いている。本願発明のプラズマ処理装置は、プラズマ処理モードで用いるプラズマ生成手段は特に限定されない。例えば、平行平板型のプラズマ生成手段であってもよく、ＥＣＲ型やＩＣＰ型のプラズマ生成手段であっても構わない。本願発明のプラズマ処理装置は、クリーニングモード時に用いるプラズマ生成手段として、反応容器の内壁面に沿って配置された棒状のアンテナ素子（モノポールアンテナ素子）を有していればよい。特に、アンテナアレイ型のプラズマ生成手段を用いている場合、プラズマがアンテナアレイ近傍に局在化されて形成されるので、基板ダメージが少ないなどのメリットがある一方、反応容器内のクリーニング速度が比較的遅いといった面があったが、本願発明のクリーニング用プラズマ生成手段を備えることで、クリーニングも非常に早く確実に実施することができる。

ＣＶＤ装置１０は、基板ステージ２６の表面２７と略垂直な方向から見た際の反応容器１４の形状は、略四角形状となっている。本願発明では、反応容器の形状は特に限定されず、例えば、基板ステージの表面と略垂直な方向から見た際の形状が、略円形状となっていてもよい。この場合も、この内壁面にごく近接させて、この内壁面に沿ってクリーニング用アンテナアレイを設けることで、反応容器内のクリーニングを迅速かつ確実に行なうことができる。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０では、略梯子形状の原料ガスインジェクタを用いている。本願のプラズマ処理装置では、原料ガス放出孔の位置や、原料ガス放出孔からの原料ガスの放出の向きなどは、特に限定されない。これら、原料ガスインジェクタの形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数などは、原料ガス流量や、放出量の面内均一性、また、配管の間隙を通る反応活性種の流れ易さなどに影響する。本願のプラズマ処理装置では、原料ガスインジェクタの形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数などは、これらの条件が満足するよう、必要に応じて調整すればよい。本願のプラズマ処理装置では、原料ガスインジェクタの形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数なども、特に限定されない。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０は、酸素ガスを活性種ガス、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして用い、基板表面にＳｉＯ_２膜を成膜する装置であった。本願のプラズマ処理装置で用いる活性種ガスや原料ガスの種類は、特に限定されない。また、活性種ガスと原料ガスとを別々に供給する成膜処理工程のみでなく、例えば、同一のシャワーヘッドから、活性種ガスと原料ガスとを同時に供給する成膜処理工程であってもよい。本願発明の成膜モードにおける成膜処理工程は、特に限定されない。

以上、本発明のプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する概略断面図である。図１に示すＣＶＤ装置の、成膜用アンテナアレイ、原料ガスインジェクタ、および基板が載置された状態の基板ステージを観察した状態を示す概略斜視図である。図１に示すＣＶＤ装置における成膜用アンテナ素子の配置について説明する概略上面図である。図１に示すＣＶＤ装置における原料ガスインジェクタの形状・配置について説明する概略上面図である。図１に示すＣＶＤ装置におけるクリーニング用アンテナ素子の配置について説明する概略上面図である。図１に示すＣＶＤ装置におけるクリーニング用アンテナ素子の配置について説明する概略断面図である。図１に示すＣＶＤ装置でプラズマを生成した際の、プラズマ中の電子温度とアンテナアレイからの距離との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０ＣＶＤ装置
１１活性種ガス供給手段
１２クリーニングガス供給手段
１３第１分配器
１４反応容器
１５インピーダンス整合器
１６電源・調整ユニット
１７第２分配器
１８、１９ガス流量調整手段
２０プラズマ生成手段
２１制御部
２２入力手段
２３、２４ガス導入口
２５排気口
２６基板ステージ
２８シャワーヘッド
３０成膜用アンテナアレイ
３２アンテナ素子
３３、４２間隙
３４原料ガスインジェクタ
３５、５５誘電体
３６原料ガス放出孔
３７支持柱
３８活性種ガス分散室
３９反応室
４０並列配管部分
５０クリーニング用アンテナアレイ
５２クリーニング用アンテナ素子
５６内壁面

Claims

反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理モードと、前記反応容器内をクリーニング処理するクリーニングモードとの２つの処理モードを少なくとも有するプラズマ処理装置であって、
前記プラズマ処理モードの際、前記反応容器内にプラズマを生成するプラズマ処理用プラズマ生成手段と、
前記クリーニングモードの際、前記反応容器の壁面に沿った空間領域にプラズマを生成する、クリーニング用プラズマ生成手段と、を有し、
前記クリーニング用プラズマ生成手段は、前記反応容器の壁面に沿って配置された、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子を有して構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記クリーニング用プラズマ生成手段は、前記アンテナ素子に給電する高周波信号の周波数を自在に変えて生成する高周波電源と、
前記アンテナ素子とこのアンテナ素子へ給電する給電線との接続部分に設けられ、インピーダンス整合のための容量素子及び誘導素子のいずれか一方の調整素子を有するインピーダンス整合器と、
前記高周波信号の周波数及び前記調整素子の特性パラメータの少なくとも一方を変化させて、インピーダンス整合を行う制御器と、を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ処理用プラズマ生成手段は、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナンアレイを有して構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
前記クリーニング用プラズマ生成手段の前記アンテナ素子は、
前記基板ステージの前記表面を含む平面と、前記アンテナンアレイの配置面との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置のクリーニング方法であって、
前記プラズマ処理を施す際、前記反応容器内の前記基板ステージの前記表面に対向する空間領域にプラズマを生成し、
前記反応容器内のクリーニングの際、前記反応容器の壁面に沿って配置された、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子を有して構成されたプラズマ処理装置によって、前記反応容器の壁面に沿った空間領域にプラズマを生成することを特徴とする、プラズマ処理装置のクリーニング方法。