JP2009283699A - 真空処理装置および真空処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】処理対象の被処理試料の歩留まりを向上させるため、試料台表面の異物除去機能を備えた真空処理装置を提供する。
【解決手段】真空容器内に配置され内部でプラズマが形成される処理室１０４と、処理室１０４内の下部に配置されその上面に処理対象の被処理試料１０２が載置される試料台１１３と、処理室１０４の上方に配置されこの処理室内に処理ガスを導入するための導入孔を有するガス導入機構を備えた真空処理装置において、試料台１１３は被処理試料１０２との間に伝熱ガス１１８を導入する溝１１７とガス供給口１１９を備え、真空容器内の試料台１１３に載置した被処理試料１０２或いは被処理試料と略同形のダミー試料２０２と試料台１１３の間にガス供給口１１９を介して除塵ガス１２０を導入する機構を備え、除塵ガス１２０による流体力で前記試料台１１３に付着している異物２０１を除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空処理装置内に配置されたプラズマが形成される処理室内の試料台表面に付着する異物を除去する機能を備えた真空処理装置およびその真空処理装置を用いた真空処理方法に関する。さらに、本発明は、上記真空処理装置において、試料台に付着した異物を容易且つ高い確立で除去する洗浄方法が可能な真空処理装置および真空処理方法を提供することを目的とする。
半導体デバイスの製造においては、歩留まり向上が強く要求されている。歩留まり低下の大きな要因の一つとして被処理試料に付着した異物があり、これによりパターン欠陥等が発生し、不良品を発生することになる。異物が被処理試料へ付着する経路は幾つもあるが、たとえばプラズマを用いて半導体デバイスを処理するスパッタ装置やＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置などにおいては、特に処理室内の異物（プラズマ処理により処理用ガスと被処理試料材料との反応生成物が処理室内に堆積していき、圧力変化や接触等の衝撃により剥がれたもの）が問題となっている。さらに処理室内で一番被処理試料と接近する部位である試料台表面の異物は被処理試料に付着する可能性が高いため試料台表面の異物を低減する必要がある。また、被処理試料保持に静電吸着力を用いた手法が近年広く使用されているが、試料台表面に付着した異物は試料と静電吸着面の間の距離を広げてしまい、静電吸着力を減衰させるために問題となる。
試料台による試料温度制御は、試料と試料台の静電吸着面にヘリウムなどの伝熱ガスを導入したガス伝熱の活用と、試料と静電吸着面の接触熱伝導を活用して実施しているが、試料台表面に付着した異物によって静電吸着力が変化すると、後者（接触熱伝導）による熱伝導効率が低下し、試料の温度分布が不均一になる。さらに、静電吸着面の試料外周部に異物が付着すると、伝熱ガスの漏れ量が多くなるため、試料と静電吸着面間の伝熱ガス圧力が変化し、ガス伝熱による伝熱効率が不均一になる。これにより試料台の温度を被処理試料全体に効率良く均一に制御できなくなり、被処理試料の温度が不安定および不均一になるために精度の良い処理ができなくなる。したがって、試料台の静電吸着面の異物低減は、それが試料表面に付着する恐れがあるということに加えて、試料温度の安定化、均一化の観点からも重要な課題である。
一般に試料台の異物を除去する方法としては、真空容器内を一旦大気開放し、試料台表面の異物を直接拭き取ってから、あるいは試料台を交換した後に、容器内を真空排気していたが、この手法の大きな問題点として、処理装置を復旧させるまでの処理に長時間要していた。なお、真空を破らずに容易に異物を除去する方法としては、試料の裏面に粘着シートを貼付したダミー試料を通常の試料搬送と同様の動作を行うことにより試料台に載置して、静電吸着することにより異物をダミー試料裏面の粘着シートに付着させ除去する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、被処理試料の裏面異物を除去する方法として、高電圧を試料台に印加して異物を離脱させながら除塵ガスを導入し、衝撃波により異物を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、試料台異物除去の他の方法として、試料を押し上げピンで試料台から持ち上げ、伝熱用ガス穴からガスを導入し、高電圧を印加して試料台と試料の間の空間にプラズマを発生させて試料台をクリーニングする方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法は、試料台に付着している異物が有機物などの反応生成物であれば、酸素やフッ素系のプラズマクリーニングで除去することができる。
特開平１０−３２１４８８号公報 特開２００５−３１７７８２号公報
上記異物除去用の粘着シートは有機ポリマー系で作られているため耐熱性が必ずしも十分ではない。そのため、試料台の温度が高い場合にはダミー試料の粘着性が増して静電吸着の際に粘着剤が試料台表面に残留したり、ダミー試料の搬出時に試料ズレが発生したりする恐れがある。また、使用済のダミー試料を再生するには、粘着シートの除去と試料の洗浄の両者を実施した後に再び粘着シートの貼付を実施する必要があり、新たな工程を必要とする。
また、前記高電圧を試料台に印加して異物を離脱させながら除塵ガスを導入し、衝撃波により異物を除去する方法では、異物を押し流すためのガスが大流量必要となるため、基板がガス導入時の圧力により飛ばされる不具合が考えられる。
また、前記試料台と試料との間の空間にプラズマを生成させて試料台の異物を除去する方法では、例えばアルミナ系の異物に対しては、プラズマクリーニングで除去するには高バイアスを印加する必要がある。そのため、試料台表面を損傷せずに除去することは難しい。さらに、高バイアスを印加しないプラズマクリーニングであっても静電吸着面がプラズマにさらされて損傷する恐れがある。また、試料を押し上げピンで支持しているだけなので試料の位置ズレを考慮すると導入するガス圧力を高くしてガス流量を大きくすることができない。そのためガス流れの流体力による異物除去効果が抑制されるといった課題がある。
本発明の目的は、処理対象の被処理試料の歩留まりを向上させるため、試料台表面の異物除去機能を備えた真空処理装置およびその真空処理装置を用いた真空処理方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、簡単に試料台表面の異物を効率良く除去し、且つ処理装置の復旧時間を短縮することのできる機能を備えた真空処理装置およびその真空処理装置を用いた真空処理方法を提供することにある。
上記課題は、真空容器内に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の被処理試料が載置される試料台と、前記処理室の上方に配置されこの処理室内に処理ガスを導入するための導入孔を有するガス導入機構を備えた真空処理装置において、前記真空容器内の前記試料台にダミー試料を搬送して前記試料台に前記ダミー試料を載置し得る手段と、前記試料台に前記被処理試料を固定する静電吸着手段と、前記試料台と被処理試料との間に被処理試料の温度を制御するための伝熱ガスを導入する手段と、前記試料台と前記ダミー試料の間に除塵ガスを導入する手段と、前記伝熱ガスの導入と除塵ガスの導入を切替える手段を備えることによって達成される。
上記課題は、前記真空処理装置において、前記試料台の静電吸着手段はプラズマが生成されている場合に機能するモノポール型またはプラズマが生成されていない場合でも機能するダイポール型であることにより達成される。
上記課題は、前記真空処理装置において、前記静電吸着手段に印加する直流電圧を変化させる手段を設けることにより達成される。
上記課題は、前記真空処理装置において、前記試料台に載置する前記ダミー試料は、裏面に凸部を設け、前記ダミー試料の凸部を静電吸着して前記試料台に保持したときに、前記試料台から導入した除塵ガスの流路を前記凸部で形成することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理装置において、前記ダミー試料は、試料台と対向する表面に前記伝熱ガスを前記被処理試料と前記試料台の間に充填させるために設けられた溝の凹凸に対して反転させたパターンを有し、前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入した時に前記ダミー試料と前記試料台の間全体が同じコンダクタンスにすること、前記ダミー試料をシリコンなどの半導体材料から構成することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理装置において、前記試料台から導入する除塵ガス導入手段の除塵ガス供給口は前記伝熱ガス導入手段の伝熱ガス供給口であり、前記除塵ガスをヘリウム、アルゴン、窒素のいずれかとすることにより達成される。
上記課題は、真空容器内に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の被処理試料が載置される試料台と、前記処理室の上方に配置されこの処理室内に処理ガスを導入するための導入孔を有するガス導入機構を備えた真空処理装置であって、前記真空容器内の前記試料台にダミー試料を搬送して前記試料台に前記ダミー試料を載置し得る手段と、前記試料台に前記被処理試料を固定する静電吸着手段と、前記試料台と被処理試料との間に被処理試料の温度を制御するための伝熱ガスを導入する手段と、前記試料台と前記ダミー試料の間に除塵ガスを導入する手段と、前記伝熱ガスの導入と除塵ガスの導入を切替える手段を備えた真空処理装置を用いた真空処理方法において、前記試料台にダミー試料を載置して前記試料台と前記ダミー試料との間に除塵ガスを導入し、除塵ガスの流れにより前記試料台に付着している異物を除去することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記ダミー試料を静電吸着により前記試料台に固定した上で、前記試料と前記試料台との間に前記除塵ガスを導入することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記試料台の静電吸着手段はモノポール型であり、前記試料台に前記ダミー試料を載置した後、プラズマ生成ガスを前記ガス導入機構から導入してプラズマを生成し、前記静電吸着手段により前記ダミー試料を静電吸着し、次に前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記試料台の静電吸着手段はダイポール型であり、前記試料台に前記ダミー試料を載置した後、前記静電吸着機構により前記ダミー試料を静電吸着し、次に前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入するとともに、前記静電吸着手段に印加する直流電圧を変化させることにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記試料台に対向する前記ダミー試料表面に凸部を設け、前記ダミー試料の凸部を静電吸着して前記試料台に保持し、前記試料台から導入した除塵ガスの流路を前記凸部で形成することにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記試料台から導入する除塵ガスがヘリウム、アルゴン、窒素のいずれかであることにより達成される。
上記課題は、前記真空処理方法において、前記ダミー試料と試料台との間に除塵ガスを供給して試料台表面に付着している異物を除去したのち、前記ダミー試料を搬出することによりダミー試料に付着した異物を処理室から除去することにより達成される。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。本発明の実施例に係る真空処理装置の構成の概略を、図１を用いて説明する。真空処理装置は、シャワープレート１０３と、処理室１０４と、ターボ分子ポンプ１０５と、ドライポンプ１０６と、圧力制御器１０７、マイクロ波発信器１０８と、整合器１０９と、導波管１１０と、マイクロ波導入窓１１１と、磁場発生用のソレノイドコイル１１２と、試料台１１３と、圧力交換室１１４と、高周波電源１１５と、直流電源１１６と、ガス供給口１１９と、溝１１７と、を有している。ターボ分子ポンプ１０５とドライポンプ１０６と圧力制御器１０７との間にはそれぞれバルブが設けられている。伝熱ガス１０８の供給管および除塵ガス１２０の供給管にさらにはそれぞれバルブが設けられている。さらに、処理室１０４とドライポンプ１０６との間には、ターボ分子ポンプ１０５と圧力制御器１０７と並列に経路中にバルブを有するバイパス配管２０３が設けられている。
伝熱ガス１１８と除塵ガス１２０のバルブは、いずれか一方を選択して開放したほうを閉じることによって、伝熱ガス１２８または除塵ガス１２０のいずれかを選択して試料台に供給する。ガス供給口１１９は、試料台１１３の略中央部に設けられ、伝熱ガス１１８と除塵ガス１２０の双方に共通して用いられる。
この真空処理装置では、処理ガス１０１を、被処理試料１０２に対して均一良く供給することを目的とした複数の導入孔を有するシャワープレート１０３から処理室１０４に導入する。処理室１０４はターボ分子ポンプ１０５とその下流に位置するドライポンプ１０６からなる排気システムにより排気する。ターボ分子ポンプ１０５の上流側には圧力制御器１０７を備え、処理室１０４内を目標圧力に制御する。その後、マイクロ波発信器１０８で発信された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、整合器１０９→導波管１１０→マイクロ波導入窓１１１を通して処理室１０４内に輸送し、処理ガス１０１をプラズマ化する。高効率放電の為に磁場発生用のソレノイドコイル１１２を処理室１０４周辺に配置し、０．０８７５テスラの磁場を作り電子サイクロトロン共鳴を用いて高密度プラズマを発生させる。
処理室１０４には試料台１１３があり、この上にシリコン等からなる半導体材料である被処理試料１０２を圧力交換室１１４より搬送し、プラズマ処理する。なお、処理室１０４と圧力交換室１１４の間には真空シール用のバルブが設けられているが、図１では図示を省略した。さらに、圧力交換室１１４から大気中まで被処理試料１０２を搬送する真空容器及び搬送システムが設けられているが、それらの図示も省略した。被処理試料１０２を設置する試料台１１３には高周波電源１１５が接続され、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスを印加できる。また、試料台１１３には直流電源１１６も接続され、直流電圧印加により被処理試料１０２を静電吸着させて固定する。試料台１１３に印加される直流電源１１６は、印加電圧を任意に変化させる機構を備えている。
さらに、被処理試料１０２を面内均一性良く処理するため、静電吸着した被処理試料１０２と試料台１１３表面の間にヘリウムなどの伝熱ガス１１８を供給し、被処理試料１０２と試料台１１３の間の伝熱効率を高めて被処理試料１０２の温度を安定および均一あるいは所定の半径方向分布を有したものにする。伝熱ガス１１８は、試料台１１３中央のガス供給口１１９より導入する。試料台１１３の表面には溝１１７が設けられており、伝熱ガス１１８の供給や排気が速やかに行われるように工夫されている。なお、静電吸着が機能するためには、直流電源１１６から試料台１１３および被処理試料１０２を介して閉じた回路を構成し、試料台１１３の表面に形成された静電吸着膜と被処理試料１０２の間に高電圧が印加される様にする必要がある。その回路の構成方法に応じて、プラズマが生成されている場合に機能するモノポール型とプラズマが生成されていない場合でも機能するダイポール型がある。
［第１の実施例］本実施例の形態では、試料台１１３の中央に設けられたガス供給口１１９から伝熱ガス１１８を導入する他に、ヘリウム、アルゴン、窒素等いずれかの除塵ガス１２０の導入と伝熱ガス１１８の導入とをそれぞれのガスの供給経路に設けたバルブにより切り換へて選択して導入できる機構を有する。
図２と図３を用いて本発明の第一実施例の形態で試料台１１３上の異物除去方法を説明する。図２は、試料台１１３に異物除去時に使用するダミー試料２０２を搬送し載置した概略を示す図である。図３はダミー試料の裏面形状を説明する図である。図２のダミー試料２０２は、図３のＸ−Ｘ’での断面で示される。ダミー試料２０２を搬送した後、試料台１１３の中央に設けられたガス供給口１１９からヘリウム、アルゴン、窒素等いずれかの除塵ガス１２０を大流量導入して試料台１１３の外周部に向かって流れる除塵ガス１２０の流体力により試料台１１３表面に付着した異物２０１を除去する。この時、処理室１０４からの大流量のガスはターボポンプ１０５の排気能力を超えるため、ターボポンプ１０５をバイパスする配管２０３を通り、ドライポンプ１０６により排気する。
なお、ダミー試料２０２は、シリコンなどの半導体からなり搬送可能な範囲で除塵ガス１２０のガス圧により試料ズレが発生しないだけの重さを有し、できるだけ重くする。また、試料台１１３の表面には伝熱ガス１１８の分散供給用の溝１１７が設けられているため、平坦な試料を載置した場合は試料台１１３と試料裏面の間の隙間が一様ではない。そのため、除塵ガス１２０を供給した場合に、隙間の広い領域を中心にガス流れが集中する恐れがあり、除塵特性が試料台１１３の場所により異なることが起こりうる。そこで、試料台１１３の表面とダミー試料２０２の裏面間の隙間が０．５〜１．０ｍｍ程度で一定になるように、ダミー試料２０２の裏面に凹凸を持たせることも有効である。裏面が平坦なダミー試料２０２を用いた場合に、試料台１１３の除塵特性にむらが発生する場合には、上記のようにダミー試料２０２の裏面に凹凸を持たせれば良い。
すなわち、ダミー試料２０２は、図３に示すように裏面に、試料台１１３表面の溝１１７と干渉しない部分に突出部２０４が設けられ、さらに、試料台の溝１１７に対向する面には溝１１７に深さと同等の高さの凸部が設けられ、溝１１７以外の部分に対向する部分には溝１１７の同じ深さの溝２０５が設けられている。
すなわち、ダミー試料２０２は試料台１１３と対向する表面に被処理試料の温度を制御するための伝熱ガスを被処理試料と試料台の間に充填させるために設けられた溝１１７の凹凸に対して反転させたパターンを有し、ダミー試料２０２と試料台１１３との間に除塵ガス１２０を導入したときにダミー試料２０２と試料台１１３の間のガス経路全体が同じコンダクタンスになるように構成される。
なお、ダミー試料２０２の裏面の凹凸は、試料台１１３の溝１１７のパターンと完全に逆にするのではなく、一部が試料台１１３の静電吸着面に接触できるように突出させ、静電吸着面と接触した突出部２０４でダミー試料２０２を試料台１２０に静電吸着させる。静電吸着させる必要が無い場合であっても、試料台１２０とダミー試料２０２裏面の間の隙間を一定に保つための突出部２０４が必要なのは当然でのことである。
また、ダミー試料は、被処理試料と略同系の試料であってもよい。
試料台１２０の表面に付着した異物２０１を除塵ガス１２０の流体力で除塵する場合、付着異物２０１に作用する流体力Ｆは、除塵ガス１２０の流速をＵ、粘性係数をμ、付着異物２０１（球形と仮定）の直径をＤとすると、Ｆ＝１６μＵＤと表すことができる。したがって、付着異物２０１を除去するには除塵ガス１２０の流速を高速にすることが有効である。すなわち、両者の隙間を０．５〜１．０ｍｍにすることで、除塵ガス１２０の供給量に対する流速を高くするようにしている。
［第２の実施例］さらに、本発明の第２実施例を説明する。第２の実施例は、前記第１の実施例で述べた除塵方法において、除塵ガス１２０を導入しながら試料台１１３に電圧を印加および変化させて試料台１１３表面の異物２０１を離脱させることを併用する手法である。このことにより効率良く異物２０１を除去することが可能になる。本実施例は、付着微粒子２０１の付着力に比較して除塵ガス１２０の流体力が十分大きくできない場合の除塵に有効な方法である。除塵のメカニズムは、試料台１１３に高電圧（１ｋＶ以上）を印加することにより付着異物２０１が静電気力により浮き上がる現象を活用することにある。この現象は、たとえば文献（Ｔ．Ｍｏｒｉｙａ，ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１８，ｐ．４７７（２００５）．）に記載されている。付着異物２０１が浮き上がってしまえば、除塵ガス１２０の流体力により試料台１１３の外部に異物２０１を移送することは容易になる。したがって、試料台１１３への電圧印加と除塵ガス１２０の導入を併用することにより、異物除去効率を向上させることが可能になる。
［第３の実施例］本発明の第３実施例を説明する。この実施例では、前記第１の実施例で述べた除塵方法において、異物２０１除去時に使用するダミー試料２０２を静電吸着力により試料台１１３に固定しながら除塵ガス１２０を導入しても異物２０１を除去することが可能である。この時のダミー試料２０２は、静電吸着力により試料台１１３に固定されているため除塵ガス１２０導入によりガス圧でダミー試料２０２がズレルことがない。したがって、必要以上にダミー試料２０２の重量を増す必要がないため試料搬送も容易になる。例えば被処理試料と同等の重量でも試料ズレが発生せずに異物２０１を除去することが可能になる。
［第４の実施例］また、本発明の第４実施例を説明する。この実施例は、前記第３の実施例で述べた除塵方法において、除塵ガスを導入しない場合でも試料台１１３に静電吸着用の電圧を印加することにより、異物は試料台１１３表面から離脱し、試料台１１３に対面するダミー試料２０２に付着するため、異物２０１をダミー試料２０２と一緒に処理室１０４から搬出することで異物２０１を除去することが可能になる。
［第５の実施例］さらに、本発明の第５実施例を説明する。この実施例は、前記第３の実施例で述べた除塵方法において、ダミー試料２０２を試料台１１３に静電吸着させるために十分な電圧の範囲（例えば３００Ｖから３０００Ｖ）で電圧を変化させて異物を試料台１１３表面から離脱しながら除塵ガス１２０を導入することで、効率良く異物２０１を除去することが可能になる。
［第６の実施例］また、本発明の第６実施例を説明する。この実施例は、前記第５の実施例で述べた除塵方法において、除塵ガス導入をしない状態で静電吸着電圧のＯＮ−ＯＦＦを複数回繰り返す手法である。この時異物２０１は離脱−付着を繰り返すため、例えば本発明で説明した前記除塵ガス１２０のような流体力で除去し易い状態となる。その後、静電吸着電圧をＯＮにし、ダミー試料２０２を固定しながら除塵ガス１２０を導入し、除塵ガス１２０の流れによって異物を除去する。さらにこれらの動作を何回か繰り返すことで効率良く異物２０１を除去することが可能になる。
図４を用いて、本発明の第１実施例から第６実施例の形態で試料台１１３に異物が付着してから真空処理装置を復旧させるまでの通常の作業フローと、本発明の実施例による作業フローを説明する。従来の異物除去作業は、試料台１１３に異物２０１が付着すると、被処理試料１０２を正常に静電吸着することができなくなったりするので、処理室１０４を大気に開放して清掃する必要があった。それが図４の従来作業フローである。Ａ−１）最初に真空の処理室１０４を開放するために処理室１０４内を大気圧化する。Ａ−２）次に試料台１１３の表面を洗浄するため処理室１０４を密閉しているマイクロ波導入窓１１１とシャワープレート１０３等のパーツを取り外す。Ａ−３）プラズマに曝される部品を予め洗浄しておいたものに交換し、その後試料台１１３表面を洗浄するが、真空処理室１０４内は一旦大気開放すると処理室１０４内に残留している処理用ガス１０１と被処理試料１０２との反応生成物等の堆積物が大気中の水分を吸収して膨潤したり剥離して微細な異物になったりする。そこで、試料台１１３表面を純水や有機溶剤等で拭き取り、清掃する。Ａ−４）その後、Ａ−２）で取り外したパーツを組み込む。Ａ−５）処理室１０４を真空排気する。Ａ−６）所定の真空到達圧力に達し、リークが無いことを確認後、処理室１０４内を安定させて被処理試料１０２の処理ができる状態にするための慣らし放電を行う。以上が従来の試料台１１３の清掃方法であるが、清掃に要する時間が数時間以上にも及ぶため、スループットを低下させるといった問題がある。
そこで、本発明の各実施例では、図４の右図（真空保持状態）に示した方法を採用する。この方法では、Ｂ−１）ダミー試料２０２を処理室１０４内に搬送し、試料台１１３に載置する。Ｂ−２）除塵のために試料台１１３に電圧を印加あるいは電圧を変化させると同時に、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎ２ガス等の不活性ガスのいずれかの除塵ガス１２０を試料台１１３の中央部にあるガス供給口１１９より導入する。この除塵作業により試料台１１３表面を清掃できる。Ｂ−３）ダミー試料を試料台から搬出し、次に製品処理が可能となる。この手法によれば、処理室を大気開放する従来作業の場合と比較して大幅な時間短縮が図られる。
［第７の実施例］図５を用いて、本発明の第７実施例を説明する。図５は、図１に示す真空処理装置を定期的なメンテナンス実施のためにソレイドコイルおよびそれに接続されているマイクロ波発信器１０８、整合器１０９、導波管１１０等をリフトアップし、処理室１０４内を大気圧化した後に処理室１０４上部にあるマイクロ波導入窓１１１とシャワープレート１０３を取り外した時の処理室１０４の概略図を示す。この図では、ダミー試料２０２或いは試料台１１３への保持力を強くさせるために重量だけを増したダミー試料２０２を手動により試料台１１３に設置する。直流電源１１６により試料台１１３表面の電圧を変化させて試料台１１３表面の異物２０１を離脱させる。離脱した異物２０１は試料台１１３中央部のガス供給口１１９から導入されたヘリウム、アルゴン、窒素等いずれかの除塵ガス１２０といっしょに試料台１１３の外周に向かって排気され大気中に放出される。すなわち、この場合は大気中での作業であり、ダミー試料２０２の載置も手動で行うことができるので、ダミー試料２０２の重量や位置ズレの問題も軽減される。したがって、除塵ガス１２０を大量に供給しながら除塵作業を実施することができる。また、ドライな雰囲気で試料台１１３の洗浄を行うので、メンテナンス終了後の真空排気において障害となる水分の吸着なども抑制できるので、メンテナンス時間（真空排気時間）の短縮にもつながる。なお、必要に応じて、メンテナンス後の真空排気が終了した時点で、前述の除塵方法を試料台１１３の除塵のために実施することも有効である。
図６はヘリウム、アルゴン、窒素等いずれかの除塵ガス１２０導入によるガス流速と異物２０１引き剥がし力の定性的な関係を表す図である。図６では、試料台１１３の表面に付着した異物２０１が吹き付けられるガスの流速増加に伴って引き剥がされる力が増していることを示す状況Ａと、ガスの圧力が高い程その効果は増していることを示す状況Ｂが理解できる。この関係より高圧の高ガス流量であるほど異物２０１を剥がす力が強いことが解る。
試料台の付着異物をガス導入による流体力で吹き飛ばそうとした場合、ガス圧力と流速、異物の大きさ、試料台への異物の付着力などの条件が影響するので、これらの条件と異物除去効率について把握しておくことが必要である。以下、これらの関係式について簡単なモデルで説明する。
プラズマ処理装置内の異物の付着力としては、ファンデルワールス力（原子間力）と静電気力などが考えられる。ここでは、全ての異物に存在するファンデルワールス力のみと仮定して、付着力を見積もる。異物および試料台の材質はアルミナで、異物は直径Ｄの球形でとすると、ファンデルワールス力ＦＷは、次式で表わされる。
Figure 2009283699
ここで、Ｈはハマカー係数でＨ＝１５．５×１０−２０（Ｊ）、ｈは異物と試料台間の隙間であり、付着している場合はｈ≒０．４（ｎｍ）＝４×１０−１０（ｍ）である。本発明で対象にしている異物の大きさは１〜５μｍ程度なので、仮にＤ＝５μｍ＝５×１０−６（ｍ）とする。これらの数値を（１）式に代入して、ファンデルワールス力ＦＷ＝４．０×１０−７（Ｎ）を得る。
次に、ガス流れによる流体力で付着異物を吹き飛ばそうとした場合の条件を、流体力で異物を転がそうと働くモーメントＭＧと、異物を転がそうと働くモーメントＭＧに対抗して異物が吹き飛ばされるのを防いでいる付着力によるモーメントＭＦとを比較し、ＭＧ≧ＭＦで異物が吹き飛ばされると考える。（このモデルの参考文献は、Ｋ．Ｂａｋｈｔａｒｉ， ｅｔ．ａｌ.， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｖｏｌ．１５３， Ｃ６０３（２００６）．）
微粒子は種々の形状であるのと、その付着状況も一様ではないので、ここでも球形微粒子の付着状況を適宜仮定して、異物を転がそうと働くモーメントＭＧ、付着力によるモーメントＭＦを求める。その結果を次式に示す。
Figure 2009283699
ここで、ＦＤは微粒子中心に作用する流体力、Ｕは流速、ｂはダミー試料と試料台表面間の隙間、ηは粘性係数（Ｈｅの粘性係数は、１６．９×１０−６Ｐａ・ｓ）である。（２）式ではレイノルズ数が２以下のストークス域を仮定した。Ｕ＝１〜１０ｍ／ｓ、圧力１００Ｐａ程度では、レイノルズ数が５〜５０程度になり、ストークス域からアレン域に移行するが、ここでは概略を求めているので上式とした。
具体的な数値を（３）式に代入してＫを求めると、Ｋ＝５．８×１０−２６Ｕ／ｂとなる。Ｋ≧１となる条件は、Ｕ≧１．７×１０２５ｂとなり、ｂが１ｍｍ程度の場合にＫ≧１を満たすことは実際上不可能である。したがって、単にガス流れによる流体力で付着微粒子を引き剥がすのは非常に難しいといえる。そこで、別の手段を用いて付着微粒子を浮遊させ、その浮遊微粒子をガス流れの流体力で移送して排出する方法が必要になる。
一旦浮遊した微粒子がガス流れで輸送できるかを、ダミー試料と試料台の隙間ｂにおいて、浮遊微粒子が重力で隙間ｂを落下する前に、ダミー試料の半径ｒ（ｒ＝０．１５ｍ）だけ微粒子をガス流れで移送できれば良いとする簡単なモデルで試算する。落下速度をＶｂ、ガス流れの流速Ｕとすると、微粒子排出条件は次式で表される。
Figure 2009283699
ここで、ρは微粒子の密度（アルミナで３．９×１０３ｋｇ／ｍ３）、ｇは重力加速度、λはガス分子の平均自由行程（２５℃、１Ｐａのヘリウムではλ＝１９．５ｍｍ）である。微粒子はアルミナで、ガス流れの圧力を１００Ｐａとして（４）式を計算すると、微粒子排出の条件として、次式が得られる。
Figure 2009283699
たとえば、ダミー試料と試料台の隙間ｂを１ｍｍとすると、直径５μｍのアルミナ微粒子は、ガス流れの圧力１００Ｐａでは、Ｕ≧６３ｍ／ｓで排出される。微粒子の直径や圧力を変える場合は（４）式により計算すればよい。たとえば、直径５μｍのアルミナ粒子で圧力を５００Ｐａにした場合は、ｂ＝１ｍｍのときの流速はＵ≧１２．８ｍ／ｓとなり、直径１μｍで圧力が１００Ｐａの場合は、ｂ＝１ｍｍで流速をＵ≧１２．５ｍ／ｓとすれば良い。１００Ｐａ〜５００Ｐａ程度の圧力範囲で流速１０ｍ／ｓ前後のガス流れを発生させることは十分可能であり、浮遊微粒子の排出が可能であることがわかる。
一方、付着微粒子を試料台から離脱させる方法としては、試料台に高電圧を印加することが有効である。たとえば、文献（Ｔ．Ｍｏｒｉｙａ，ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１８，ｐ．４７７（２００５）．）に記載のように、試料台に高電圧を印加したところ、試料台から微粒子が離脱した例が示されている。そこで、付着微粒子を試料台から離脱させるために、ダミー試料を試料台に載置した状態で試料を吸着支持するための静電吸着電圧を試料台に印加し、試料台表面に付着している微粒子を離脱させ、ガス流れで排出する方法が効果的な試料台の洗浄方法がある。
以上述べたように、試料台への電圧印加による異物離脱現象と除塵ガスの供給による異物排出効果を併用することにより、効果的にかつドライな方法で試料台に付着した異物を除去することができるので、試料台の静電吸着面に異物が付着することにより平坦さが失われて試料温度分布が変化したり、試料の表側に異物が付着したりすることなどが抑制でき、半導体デバイスの製造における歩留低下を抑制し、効率的な生産が可能になる。なお、上記説明では、マイクロ波プラズマエッチング処理装置を例にとって説明したが、プラズマ処理はもちろんのことプラズマ以外、一般の真空処理装置についても本発明を適用可能である。
本発明の第１〜７実施例である処理装置の処理室構成図を示す。 本発明の第１〜７実施例である異物除去時の試料台にダミー試料を載置した概略図を示す（ダミー試料は図３のＸ−Ｘ’での断面）。 本発明の第１〜７実施例に使用するダミー試料の裏面図を示す。 本発明の第１〜７実施例である異物除去のための復旧作業フロー図を示す。 本発明の第８実施例である大気中での処理装置の概略図を示す。 除塵ガス導入によるガス流速と異物引き剥がし力の関係を表す概念図を示す。
符号の説明
１０１：処理ガス、
１０２：被処理試料、
１０３：シャワープレート、
１０４：処理室、
１０５：ターボ分子ポンプ
１０６：ドライポンプ
１０７：圧力制御器
１０８：マイクロ波発信器
１０９：整合器
１１０：導波管
１１１：マイクロ波導入窓
１１２：ソレイドコイル
１１３：試料台
１１４：圧力交換室
１１５：高周波電源
１１６：流電源
１１７：試料台表面溝
１１８：伝熱ガス
１１９：ガス供給口
１２０：除塵ガス
２０１：異物
２０２：ダミー試料
２０３：バイパス用配管
２０４：接触用凸部（突出部）
２０５：ダミー試料溝

Claims (17)

  1. 真空容器内に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の被処理試料が載置される試料台と、前記処理室の上方に配置されこの処理室内に処理ガスを導入するための導入孔を有するガス導入機構を備えた真空処理装置において、
    前記真空容器内の前記試料台にダミー試料を搬送して前記試料台に前記ダミー試料を載置し得る手段と、
    前記試料台に前記被処理試料を固定する静電吸着手段と、
    前記試料台と被処理試料との間に被処理試料の温度を制御するための伝熱ガスを導入する手段と、
    前記試料台と前記ダミー試料の間に除塵ガスを導入する手段と、
    前記伝熱ガスの導入と除塵ガスの導入を切替える手段を備えた
    ことを特徴とする真空処理装置。
  2. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記試料台の静電吸着手段はプラズマが生成されている場合に機能するモノポール型であることを特徴とする真空処理装置。
  3. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記試料台の静電吸着手段は、プラズマが生成されていない場合でも機能するダイポール型であることを特徴とする真空処理装置。
  4. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記静電吸着手段に印加する直流電圧を変化させる手段を設けたことを特徴とする真空処理装置。
  5. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記試料台に載置する前記ダミー試料は、裏面に凸部を設け、前記ダミー試料の凸部を静電吸着して前記試料台に保持したときに、前記試料台から導入した除塵ガスの流路を前記凸部で形成したことを特徴とする真空処理装置。
  6. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記ダミー試料は、試料台と対向する表面に前記伝熱ガスを前記被処理試料と前記試料台の間に充填させるために設けられた溝の凹凸に対して反転させたパターンを有し、前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入した時に前記ダミー試料と前記試料台の間全体が同じコンダクタンスにすることを特徴とする真空処理装置。
  7. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記除塵ガスを導入する手段は、前記試料台の略中央部に設けられることを特徴とする真空処理装置。
  8. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記試料台から導入する除塵ガスの導入手段の除塵ガスの供給口は前記伝熱ガスの導入手段の伝熱ガスの供給口であることを特徴とする真空処理装置。
  9. 請求項１に記載の真空処理装置において、
    前記試料台から導入する除塵ガスはヘリウム、アルゴン、窒素のいずれかであることを特徴とする真空処理装置。
  10. 真空容器内に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の被処理試料が載置される試料台と、前記処理室の上方に配置されこの処理室内に処理ガスを導入するための導入孔を有するガス導入機構を備えた真空処理装置であって、前記真空容器内の前記試料台にダミー試料を搬送して前記試料台に前記ダミー試料を載置し得る手段と、前記試料台に前記被処理試料を固定する静電吸着手段と、前記試料台と被処理試料との間に被処理試料の温度を制御するための伝熱ガスを導入する手段と、前記試料台と前記ダミー試料の間に除塵ガスを導入する手段と、前記伝熱ガスの導入と除塵ガスの導入を切替える手段を備えた真空処理装置を用いた真空処理方法において、
    前記試料台にダミー試料を載置し、
    前記試料台と前記ダミー試料との間に除塵ガスを導入し、除塵ガスの流れにより前記試料台に付着している異物を除去することを特徴とする真空処理方法。
  11. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記ダミー試料を静電吸着により前記試料台に固定した上で、前記試料と前記試料台との間に前記除塵ガスを導入することを特徴とする真空処理方法。
  12. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記試料台の静電吸着手段はモノポール型であり、前記試料台に前記ダミー試料を載置した後、プラズマ生成ガスを前記ガス導入機構から導入してプラズマを生成し、前記静電吸着手段により前記ダミー試料を静電吸着し、次に前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入することを特徴とする真空処理方法。
  13. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記試料台の静電吸着手段はダイポール型であり、前記試料台に前記ダミー試料を載置した後、前記静電吸着機構により前記ダミー試料を静電吸着し、次に前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入することを特徴とする真空処理方法。
  14. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記ダミー試料と前記試料台との間に除塵ガスを導入するとともに、前記静電吸着手段に印加する直流電圧を変化させることを特徴とする真空処理方法。
  15. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記試料台に対向する前記ダミー試料表面に凸部を設け、前記ダミー試料の凸部を静電吸着して前記試料台に保持し、前記試料台から導入した除塵ガスの流路を前記凸部で形成したことを特徴とする真空処理方法。
  16. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記試料台から導入する除塵ガスはヘリウム、アルゴン、窒素のいずれかであることを特徴とする真空処理方法。
  17. 請求項１０に記載の真空処理方法において、
    前記ダミー試料と試料台との間に除塵ガスを供給して試料台表面に付着している異物を除去したのち、前記ダミー試料を搬出することによりダミー試料に付着した異物を処理室から除去することを特徴とする真空処理方法。
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