JP2011054764A - プラズマ処理装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空容器内及び処理ガス供給配管内の残留ガスを確実に除去することにより、次の工程への悪影響と混合させてはならないガス同士の混合を防止し、加工精度と信頼性の高いプラズマ処理装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【解決手段】真空容器内部の処理室内部を減圧する排気手段と、前記処理室内に処理用ガスを供給する供給口とを有し、前記処理用ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより、この処理室内に保持されたウエハを処理するプラズマ処理装置であって、前記処理用ガスの供給を停止後、前記供給口に連通した供給用配管内を排気した後に前記処理用ガスの供給を再開する。
【選択図】図２

Description

本発明は真空容器内に配置された処理室に処理ガスを供給してプラズマを形成し、処理室内のウエハを処理するプラズマ処理装置及びその運転方法に関する。

半導体ウエハ処理装置などのプラズマ処理装置は、真空状態に減圧した処理容器（以下、真空容器とする）内に処理ガスを供給してプラズマを形成し、被処理対象であるウエハに処理を施す。

上記の処理に使用される処理ガスはガス供給元からマスフローコントローラー（以下、ＭＦＣ）によって流量を調整され、処理ガス供給配管を介して真空容器内に導入される。その後、処理ガスは多数の小さな孔が開いたシャワープレートによって、処理室内に均等に分散して供給される。

上記処理ガスは、上記処理ガス供給配管内や処理室内に残留してしまう可能性がある。残留したガスは次工程の処理に悪影響を与え、さらには残留ガスがある配管内に次工程の処理ガスが流れることにより、混合させてはならないガス同士が混合してしまう危険性がある。そこで従来技術では、処理完了後、残留ガスや処理によって生成された反応生成物を真空容器に接続された排気ポンプにて排気することで、次工程への影響やガスの混合を防止していた。

上記のような残留した処理ガスを配管等から除去する従来技術としては、特許文献１がある。この従来技術は、処理ガス用ＭＦＣ内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給用配管と、ＭＦＣと排気ポンプを直結する排気配管を備える構造であり、処理ガス用ＭＦＣ内部に残留した処理ガスを不活性ガスによってパージし、排気配管によって排気することで、ＭＦＣ内の残留ガスを除去し、ＭＦＣの故障を防止することを目的としたものである。

特許文献１と同様の構造のもので、特許文献２及び特許文献３がある。特許文献２は特許文献１と同様に処理ガス用ＭＦＣと排気ポンプを直結する排気配管を設けている。この従来技術は、複数のステップに分けて処理を行う場合、事前に次のステップで使用する流量に設定した処理ガスを、排気配管を介して排気ポンプに流して流量を安定させておき、現在のステップで処理室内に供給されている処理ガスの供給が停止すると同時に、次ステップで使用する処理ガスを処理室内に供給するというものであり、このガス切換方法において排気配管の容積を、処理室に処理ガスを供給するための処理ガス供給経路の容積より十分に小さくすることでステップ間の処理ガス切換え時の、処理ガス供給圧力の変動を防止し、プラズマ放電不安定の問題を解決することを目的としたものである。

また、特許文献３は特許文献１と同様の処理ガス用ＭＦＣと排気ポンプを直結する排気配管にガス流量検定器を備えた構造となっており、処理ガス用ＭＦＣのガス流量検定を、処理を中断せずに行うことで、装置の稼働時間の低下を最小とすることを目的としたものである。

特開平２−５０４２１号公報 特開２００８−９１６５１号公報 特開２００８−２５１９６９号公報

しかしながら、前述した従来のプラズマ処理装置およびその残留ガスの除去方法には、以下のような問題があった。

前述したように、プラズマ処理装置は処理室内に処理ガスを均等に分散させるためにシャワープレートを備えているが、このシャワープレートの処理ガス供給用の多数の小孔はコンダクタンスが小さいため、処理ガス供給配管内の残留ガスを除去しようとしたとき、前述したような真空容器に接続された排気ポンプでの排気ではシャワープレートの小孔を介しての排気となるため、残留ガスが除去されにくい。この除去されなかった処理ガス供給配管内の残留ガスによって、加工形状に異常が現れる等の次工程への悪影響やガスの混合により腐食性のガスが発生する等の危険性があった。

本発明は、真空容器内及び処理ガス供給配管内の残留ガスを確実に除去することにより、次の工程への悪影響と混合させてはならないガス同士の混合を防止し、加工精度と信頼性の高いプラズマ処理装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内部の処理室内部を減圧する排気手段と、前記処理室内に処理用ガスを供給する供給口とを有し、前記処理用ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより、この処理室内に保持されたウエハを処理するプラズマ処理装置であって、前記処理用ガスの供給を停止後、前記供給口に連通した供給用配管内を排気する処理ガス供給経路内排気配管を備えていることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理装置の運転方法は、真空容器内部の処理室内部を減圧する排気手段と、前記処理室内に処理用ガスを供給する供給口とを有し、前記処理用ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより、この処理室内に保持されたウエハを処理するプラズマ処理装置の運転方法であって、前記処理用ガスの供給を停止後、前記供給口に連通した供給用配管内を排気した後に前記処理用ガスの供給を再開することを特徴とする。

本発明によれば、真空容器内及び処理ガス供給配管内の残留ガスを確実に除去することにより、次の工程への悪影響と混合させてはならないガス同士の混合を防止し、プラズマ処理の加工精度と信頼性の向上を図ることができる。

図１はプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 図２はプラズマ処理装置の処理ガス供給配管内に残留している処理ガスの除去構造を示す図面である。 図３はプラズマ処理後の残留処理ガス排気作業の動作流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施に係るプラズマエッチング装置の構成の概略を示す縦断面図である。図中の高周波電源１１１、直流電源１１４、ＲＦバイアス電源１１７、排気ゲートプレート１１８、コンダクタンス可変バルブ１１９、ターボ分子ポンプ１２０、排気ポンプ１２２、ゲートバルブ１２７、搬送用ロボット１２８は、それぞれ図示しないコントローラーによって動作を制御されている。

真空容器１００の内部には、処理室１０１が配置され、その上部には処理室１０１内に電磁波を放射して電界を供給する円板状の形状を備えたアンテナ１０８が、下部にはウエハなどの被処理対象である基板状の試料がその上面に載置される試料台１１３が備えられている。

さらに真空容器１００は、処理室１０１と、ウエハ１２９を真空容器１００内に搬送する搬送用ロボット１２８を有する搬送室１２６とを開放あるいは閉鎖して、両者間を連通、遮断するゲートバルブ１２７を備えている。

処理室１０１の上部には放電室１０２が形成される。また、放電室１０２の上方には、真空容器の蓋を構成する蓋部材１０９、蓋部材１０９の内側に配置されたアンテナ１０８、該アンテナ１０８の側方および上方で前記放電室を囲むように配置したソレノイドコイル１１０、およびアンテナ１０８の下方に配置した天井部材を備える。

ソレノイドコイル１１０の上方には、アンテナ１０８にＵＨＦ帯あるいはＶＨＦ帯の高周波を供給する高周波電源１１１が配置されている。アンテナ１０８は導電性部材で構成された蓋部材１０９の内側に配置される。また、アンテナ１０８と蓋部材１０９との間には誘電体１０７を配置する。誘電体１０７はアンテナ１０８と蓋部材１０９間を絶縁するとともにアンテナ１０８から放出された電磁波を下方の天井部材に伝播する。

天井部材は、石英等の誘電体で構成された石英プレート１０６およびシャワープレート１０３を備え、石英プレート１０６とシャワープレート１０３の間には微小隙間１０４がある。この微小隙間１０４は円筒形状の空間であり、この空間の下方にシャワープレート１０３が配置されている。このシャワープレート１０３には多数の小孔が円形状に配置して設けられている。

蓋部材１０９の下方で石英プレート１０６および、シャワープレート１０３の外周側には下部リング１０５が配置される。下部リング１０５には、前記微小隙間１０４に処理ガスを供給するためのガス通路が設けられており、処理ガスは、処理ガス供給元１２４から、処理ガス供給配管１２５および下部リング１０５のガス通路を介して、前記微小隙間１０４に供給される。

シャワープレート１０３の多数の小孔はコンダクタンスが小さいため、微小隙間１０４に供給された処理ガスは微小隙間１０４内に充填される。その後、微小隙間１０４内に充填された処理ガスは、シャワープレート１０３に設けられた多数の小孔を介して処理室１０１内に均等に分散して供給される。

シャワープレート１０３の下方には、放電室内側壁部材１１２が備えられる。放電室内側壁部材１１２は、下部リング１０５およびシャワープレート１０３の下面に接して配置され、真空容器内に生成するプラズマに面して放電室１０２を区画する。

処理室１０１下方にある試料台１１３は円筒形状を有しており、試料台１１３上面上方は誘電体膜に被覆されている。試料台１１３内部には、同心円状またはら旋状に図示しない流路が配置されており、この流路に温調ユニット１１５により温度または流量（流速）を調節された冷媒が導入され、試料台１１３の温度が調節されている。

ウエハ１２９は試料台１１３上面に載置された状態で、プラズマからの入熱を受けるが、試料台１１３の温度を調節することで、試料台１１３に載置されたウエハ１２９の温度を調節する。また、試料台１１３とウエハ１２９との熱伝導を向上するために、試料台１１３上面の誘電体膜とウエハ１２９裏面との間には熱伝達性ガス供給元１１６よりＨｅ等の熱伝達性を有するガスが供給される。

さらに、試料台１１３は、ウエハ１２９を試料台１１３に静電気にて吸着させるための直流電源１１４および処理中に試料台１１３に載置されたウエハ１３３表面にイオンを加速させるためのＲＦバイアス電源１１７を備えている。

試料台１１３の下方には、真空容器１００内を真空状態にするため、またはガスやプラズマ、反応生成物を排気するための排気装置を備えている。この排気装置は、排気用開口を開閉する排気ゲートプレート１１８、排気用開口に連通する通路上のコンダクタンス可変バルブ１１９およびターボ分子ポンプ１２０からなる。

さらに、ターボ分子ポンプ１２０には排気ポンプ１２２が接続されており、ターボ分子ポンプ１２０によって処理室１０１から排気された反応生成物等は排気配管１２１を通って排気ポンプ１２２に送られる。また、処理室１０１内の圧力は、処理室用圧力計１２３にて検知している。

このような、プラズマエッチング装置に対して、所定の処理を施される対象のウエハ１２９は、ゲートバルブ１２７開の状態で搬送用ロボット１２８上に載せられて、搬送室１２６から真空容器１００内に搬送され、試料台１１３上面に載置される。

搬送用ロボット１２８が真空容器１００外に移動した後、ゲートバルブ１２７を閉鎖し、次に、直流電源１１４からの直流電圧により、試料台１１３上面の載置面上に載置されているウエハ１２９を静電気で吸着し、保持する。

この状態で、熱伝達性ガス供給元１１６より試料台１１３上面の誘電体膜とウエハ１２９裏面との間にＨｅガスを供給してウエハ１２９を冷却する。

次に、処理ガスが処理ガス供給元１２４より処理ガス供給配管１２５を介して、微小隙間１０４に導入され、シャワープレート１０３に形成された多数の小孔を通して処理室１０１内へ供給され、アンテナ１０８およびソレノイドコイル１１０から供給される電界、磁界により、処理ガスがプラズマ化されプラズマがウエハ１２９上方に形成される。

さらに、ＲＦバイアス電源１１７により、試料台に高周波電力が印加され、ウエハ１２９上面上方に形成されたＲＦバイアスによるバイアス電位とプラズマ電位との電位差によりプラズマ中のイオンをウエハ１２９上に引き込み、エッチング反応をアシストしつつ、処理が開始される。尚、処理中は、排気ゲートプレート１１８は常に開いており、コンダクタンス可変バルブ１１９の開度を変えることで排気速度を変化させ、処理室１０１内の圧力を調整している。

エッチング処理の終了後、プラズマおよびＲＦバイアスが停止され、直流電源１１４からの直流電圧の供給が停止され、静電気力が低下、除去される。

次に、前述したようにコンダクタンス可変バルブ１１９、ターボ分子ポンプ１２０及び排気ポンプ１２２の働きにより、処理室１０１内の反応生成物や残留した処理ガスを排気する。

その後ゲートバルブ１２７を開き、搬送用ロボット１２８により処理済みウエハ１２９を真空容器１００外に搬出し、搬出完了後、ゲートバルブ１２７を再び閉鎖する。

図２は図１で示す実施例における処理ガス供給配管内に残留している処理ガスの除去構造を示す。図中のＭＦＣ２１０、２１１、２１２、・・・、バルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)、２１７(Ｇ１)、２２０(Ｖ１)、排気ゲートプレート２２８、コンダクタンス可変バルブ２２９、ターボ分子ポンプ２３０、排気ポンプ２３２は、それぞれ図示しないコントローラーによって動作を制御されている。

処理ガス供給経路は各処理ガス供給元２１３、２１４、２１５、・・・を備え、さらに供給元より供給された処理ガスの流量を調節するＭＦＣ２１０、２１１、２１２、・・・およびバルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)を備えている。バルブ２１７（Ｇ１）が設けられている処理ガス供給配管２１６は、バルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)を介して流れてきた処理ガスを真空容器２００内に供給する。

真空容器２００内に設置されている下部リング２２１にはガス通路が備えられており、処理ガス供給配管２１６より導入された処理ガスを、シャワープレート２２４と石英プレート２２２の間の微小隙間２２３に供給する。

処理ガス供給配管２１６には処理ガス供給経路内排気配管２１８が接続されており、この配管には、処理ガス供給配管２１６内の圧力を検知する配管用圧力計２１９、バルブ２２０（Ｖ１）が備えられている。処理ガス供給経路内排気配管２１８は、ターボ分子ポンプ２３０によって処理室２２５から排気された反応生成物等を排気ポンプ２３２に送るための配管である排気配管２３１に接続されている。

処理ガスの真空容器２００内への供給は、前述したようにウエハ２３３が試料台２２６上に載置された状態で行われる。処理ガス供給元２１３、２１４、２１５、・・・から供給された処理ガスは、ＭＦＣ２１０、２１１、２１２、・・・により、流量を調整され、バルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)およびバルブ２１７（Ｇ１）が開の状態で、処理ガス供給配管２１６内を通過し、真空容器２００内の下部リング２２１のガス通路に導入される。

この時、バルブ２２０（Ｖ１）は閉とし、排気ポンプ２３２と処理ガス供給経路内排気配管２１８は切り離されている。処理ガスは下部リング２２１のガス通路から、微小隙間２２３に導入され、その後シャワープレート２２４の多数の小孔を介して、処理室２２５内に、均等に分散して供給される。処理室２２５に供給された処理ガスはプラズマ化され、エッチング処理が実施される。

エッチング処理完了後、真空容器２００内の反応生成物や残留ガスを除去するために、真空容器２００内を排気する。まず、エッチング処理中に処理ガス供給のために開いていたバルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)を閉じ、真空容器２００内への処理ガスの供給を停止する。バルブ２１７（Ｇ１）は開いたままとする。この時、処理室２２５内はコンダクタンス可変バルブ２２９の開度を全開にすることでターボ分子ポンプ２３０によって処理室２２５内の排気が開始されている。

次にバルブ２２０（Ｖ１）を開き、処理ガス供給経路内排気配管２１８と排気ポンプ２３２を接続し、排気ポンプ２３２によって処理ガス供給配管２１６内を排気する。

排気を続け、処理室２２５内圧力Ｐ２が真空状態（本実施例では０．０５Ｐａ以下とする）となり、且つ処理ガス供給経路内排気配管２１８及び処理ガス供給配管２１６内の圧力Ｐ２が低圧力（本実施例では５００Ｐａ以下とする）であることを検出した時点で、バルブ２１７（Ｇ１）、２２０（Ｖ１）を閉じ、処理ガス供給配管内の排気を終了する。

尚、コンダクタンス可変バルブ２２９は、処理室２２５内の真空度を保つために開度全開のままとし、次の処理まで排気を続けておく。尚、処理室２２５内の圧力は処理室用圧力計２２７にて、処理ガス供給経路内排気配管２１８及び処理ガス供給配管２１６内の圧力は、配管用圧力計２１９にて検出し、設定圧力は処理室や配管内の容積によって設定する。

従来はコンダクタンス可変バルブ２２９及びターボ分子ポンプ２３０による排気のみであり、微小隙間２２３や処理ガス供給配管２１６内は、シャワープレート２２４の小孔のコンダクタンスが小さいことによって排気が十分にできていなかった。

しかし、本実施例の排気作業によれば、従来通りのコンダクタンス可変バルブ２２９及びターボ分子ポンプ２３０による排気に加えて、処理ガス供給経路内排気配管２１８によって処理ガス供給配管２１６内を直接排気するため、微小隙間２２３や処理ガス供給配管２１６への処理ガスの残留を防止することができる。

図３は、図１及び図２の構造での動作の流れを示すフローチャートである。エッチング処理終了（ステップ３０１）後、ＲＦバイアス電源１１７による高周波電力、高周波電源１１１からアンテナ１０８に供給される高周波およびウエハ１２８を試料台１１３表面に静電吸着させる直流電圧１１４を停止させる。（ステップ３０２）

ＭＦＣ２１０、２１１、２１２、・・・後段のバルブ２０１(Ｇ１１)、２０２(Ｇ１２)、２０３(Ｇ１３)、・・・２０Ｘ(Ｇ１Ｘ)を閉じ、処理室２２５内への処理ガスの供給を停止する。この時、処理ガス供給配管２１６に設けられているバルブ２１７（Ｇ１）は開のままとする。（ステップ３０３）

コンダクタンス可変バルブ２２９の開度を全開とし、処理室２２５内の排気を開始する。（ステップ３０４）
処理ガス供給経路内排気配管２１８に設けられているバルブ２２０（Ｖ１）を開とし、処理ガス供給配管２１６内の排気を開始する。（ステップ３０５）
処理室２２５内及び処理ガス供給配管２１６内の排気開始後、ｔ秒間排気を続ける（ステップ３０６）。この時間ｔ秒は、排気待ち時間であり、処理室２２５の容積及びターボ分子ポンプや排気ポンプ等の排気装置の排気能力によって設定する。

処理室２２５内の圧力Ｐ１が０．０５Ｐａ以下でない場合（ステップ３０７）、圧力Ｐ１が０．０５Ｐａ以下になるまで、処理室２２５内及び処理ガス供給配管２１６内の排気を続行する（ステップ３０８、３０９）。

処理室２２５内の圧力Ｐ１が０．０５Ｐａ以下であり（ステップ３０７、３０９）且つ、処理ガス供給配管２１６内の圧力Ｐ２が５００Ｐａ以下となったら（ステップ３１０）、バルブ２１７（Ｇ１）及びバルブ２２０（Ｖ１）を閉じ、処理ガス供給配管２１６内の排気を終了する（ステップ３１１）。

処理ガス供給配管２１６内の圧力Ｐ２が５００Ｐａ以下でない場合（ステップ３１０）は、処理室２２５内の圧力Ｐ１が０．０５Ｐａ以下であり且つ、処理ガス供給配管２１６内の圧力Ｐ２が５００Ｐａ以下となるまで、処理室２２５内及び処理ガス供給配管２１６内の排気を続行する（ステップ３０８、３０９、３１０）。

尚、前述したように処理室２２５内の真空度を保つために、処理ガス供給配管２１６内の排気が終了した後も、処理室２２５内は排気を続ける。

１００ 真空容器
１０１ 処理室
１０２ 放電室
１０３ シャワープレート
１０４ 石英プレート１０６とシャワープレート１０３間の微小隙間
１０５ 下部リング
１０６ 石英プレート
１０７ 誘電体
１０８ アンテナ
１０９ 蓋部材
１１０ ソレノイドコイル
１１１ 高周波電源
１１２ 放電室内側壁部材
１１３ 試料台
１１４ 直流電源
１１５ 温調ユニット
１１６ 熱伝達性ガス供給元
１１７ ＲＦバイアス電源
１１８ 排気ゲートプレート
１１９ コンダクタンス可変バルブ
１２０ ターボ分子ポンプ
１２１ 排気配管
１２２ 排気ポンプ
１２３ 処理室用圧力計
１２４ 処理ガス供給元
１２５ 処理ガス供給配管
１２６ 搬送室
１２７ ゲートバルブ
１２８ 搬送用ロボット
１２９ ウエハ
２０１、２０２、２０３ バルブＧ１Ｘ
２１０、２１１、２１２ ＭＦＣ
２１３、２１４、２１５ 処理ガス供給元
２１６ 処理ガス供給配管
２１７ バルブＧ１
２１８ 処理ガス供給経路内排気配管
２１９ 配管用圧力計
２２０ バルブＶ１
２２１ 下部リング
２２２ 石英プレート
２２３ シャワープレート２２４と石英プレート２２２間の微小隙間
２２４ シャワープレート
２２５ 処理室
２２６ 試料台
２２７ 処理室用圧力計
２２８ 排気ゲートプレート
２２９ コンダクタンス可変バルブ
２３０ ターボ分子ポンプ
２３１ 排気配管
２３２ 排気ポンプ
２３３ ウエハ

Claims (6)

1. 真空容器内部の処理室内部を減圧する排気手段と、前記処理室内に処理用ガスを供給する供給口とを有し、前記処理用ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより、この処理室内に保持されたウエハを処理するプラズマ処理装置であって、前記処理用ガスの供給を停止後、前記供給口に連通した供給用配管内を排気する処理ガス供給経路内排気配管を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記供給用経路内の排気により、その内部の圧力が前記処理室内部の圧力より小さくされる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に記載のプラズマ処理装置であって、前記処置室の上方に配置され前記供給口を有するプレートと、このプレートの上方に配置され前記処理用ガスが内部に充填される空間とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 真空容器内部の処理室内部を減圧する排気手段と、前記処理室内に処理用ガスを供給する供給口とを有し、前記処理用ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより、この処理室内に保持されたウエハを処理するプラズマ処理装置の運転方法であって、前記処理用ガスの供給を停止後、前記供給口に連通した供給用配管内を排気した後に前記処理用ガスの供給を再開することを特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、前記供給用経路内の排気により、その内部の圧力が前記処理室内部の圧力より小さくされることを特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。
6. 請求項４または５に記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、前記処置室の上方に配置され前記供給口を有するプレートと、このプレートの上方に配置され前記処理用ガスが内部に充填される空間とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。

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