JP2012119500A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極を縮みにくくし、パーティクルの発生を抑制して、処理される基板の品質を均一なものとすることができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】複数の基板を積層して収容する処理室と、前記処理室の外周に設けられ、前記基板が積層された高さ領域を加熱する加熱ユニットと、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、を備え、前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域に対応する位置に設けられた第一の管体と、前記芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域より低い位置に設けられた石英からなる第二の管体と、から構成される。
【選択図】図９

Description

本発明は、例えばバッチ式プラズマ処理装置等の半導体製造装置等として用いられる基板処理装置に関する。

半導体製造工程の１つに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて基板上に所定の薄膜を堆積する成膜工程がある。ＣＶＤ法のなかで、薄膜堆積が原子層レベルで制御されているものはＡＬＤ法、或いはサイクリックＣＶＤ法と呼ばれている。このＡＬＤ法やサイクリックＣＶＤ法により、プラズマにより励起された処理ガスを利用して基板に成膜が行われている。プラズマにより励起された処理ガスを利用して基板に成膜を行う基板処理装置として、プラズマを発生させる電極を保護管内に収容するものがある。

特許文献１は、少なくとも一つの基板を収容する処理室と、前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給系と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気系と、前記処理ガスを活性な状態とするため、保護管内に挿抜可能に収容された、少なくとも一対の電極と、を有し、前記電極は、少なくとも一箇所が屈曲した状態で前記保護管内に収容され、さらに、前記電極は可撓性の部材で構成した基板処理装置を開示する。

再公表特許 ＷＯ２００５／０８３７６６

しかしながら、従来の技術では、可撓性部材で構成した電極が、例えば、熱や重力によって保護管内で縮むことがあり、電極が縮むことで、例えばプラズマの分布状況等の処理室内における状況が不均一となり、処理される基板の品質が不均一になるといった問題が生じることがあった。

また、ＡＬＤ法やサイクリックＣＶＤ法による成膜では、プラズマを発生させることで、基板だけでなく、反応管下方の低温領域においても薄膜が形成されてしまう。しかしながら、反応管下方に堆積される膜は、セルフクリーニングで除去することは難しい。また、成膜とクリーニングを繰り返し行うことで、反応管下方の累積膜の膜厚は増大し、これによりマイクロクラッキング（ＭＣ）が発生してしまう。このマイクロクラッキングは、パーティクルを発生させクリーニング周期を短くするだけでなく、反応管に損傷を与え破損事故等にもつながってしまう。

本発明の目的は、電極を縮みにくくし、パーティクルの発生を抑制して、処理される基板の品質を均一なものとすることができる基板処理装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、複数の基板を積層して収容する処理室と、前記処理室の外周に設けられ、前記基板が積層された高さ領域を加熱する加熱ユニットと、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、を備え、前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域に対応する位置に設けられた第一の管体と、前記芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域より低い位置に設けられた石英からなる第二の管体と、から構成される基板処理装置が提供される。

本発明の他の一態様によれば、複数の基板を積層して収容する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、を備え、前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、高周波電力を処理室内に導入する高周波電力導入部の電力密度が前記基板の積層された領域の電力密度より低くなるように設けられた石英からなる管体と、から構成される基板処理装置が提供される。

本発明によれば、電極を縮みにくくし、パーティクルの発生を抑制して、処理される基板の品質を均一なものとすることができる基板処理装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置を示す側面透視図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置が有する処理炉を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置が有する処理炉を示し、図３におけるＡ−Ａ線断面を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるプロセスを説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係る電極が収納管に収納されている様子を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置が有する電極の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置が有する電極の湾曲した状態を示す側面図である。 （ａ）は比較例に係る電極が収納管に収納された様子を示す側面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る電極が収納管に収納された様子を示す側面図である。 （ａ）は比較例に係る処理炉の構成を示す側面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る処理炉の構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置が有する電極の変形例を示す斜視図である。 比較例に係る電極を示し、（ａ）は収納管に挿入された状態の電極を示す側面図であり、（ｂ）は収納管に挿入された状態で重力の作用を受けて縮んだ状態の電極を示す側面図であり、（ｃ）は収納管の内壁との間の摩擦で縮んだ状態の電極を示す側面図である。 本発明の他の比較例に係る電極を示し、（ａ）は他の比較例に係る電極の構成を示す側面図であり、（ｂ）は他の比較例に係る電極に縮みと歪みが生じた状態を説明する側面図である。 サイクリックＣＶＤ法における成膜レートと温度の関係を示す図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２には、本発明の実施形態に係る基板処理装置１が示されている。基板処理装置１は、半導体製造装置として構成されていて、筐体１０１を有する。

筐体１０１の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で、基板収納容器として用いられるカセット１００の授受を行う保持具授受部材として用いられるカセットステージ１０５が設けられている。カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、該カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取り付けられている。また、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段として用いられるカセット棚１０９が設けられるとともに、カセットステージ１０５の上方にも、予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられ、クリーンエアを前記筐体１０１の内部に流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板として用いられるウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段として用いられるボートエレベータ１２１が設けられている。ボートエレベータ１２１に取り付けられた昇降部材１２２の先端部には、蓋体としてのシールキャップ２１９が取り付けられ、ボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には、昇降手段として用いられる移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には基板搬送手段として用いられるウエハ移載機１１２が取り付けられている。また、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち前記処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材として用いられる炉口シャッタ１１６が設けられている。

ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向きの姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平の姿勢になるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。さらに、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働により前記カセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。

カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。

カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。

ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されると、ボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内では、ウエハ２００が加熱されるとともに処理ガスが処理炉２０２に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。

ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上述した動作と逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。なお、炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

カセット移載機１１４等の搬送動作は、制御手段として用いられるコントローラ２８０により制御される。

図３及び図４には、処理炉２０２が示されている。
処理炉２０２の周辺には、加熱装置（加熱ユニット）として用いられるヒータ２０７が設けられ、ヒータ２０７の内側に、ウエハ２００を処理する反応容器として用いられる反応管２０３が設けられ、反応管２０３の下端開口は蓋体として用いられるシールキャップ２１９により、気密部材として用いられるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により、ウエハ２００を収納する処理室２０１を形成している。

シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介してボート２１７が立設され、ボート支持台２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

処理室２０１へは複数種類、ここでは３種類のガスを供給する供給経路として用いられる３本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃが設けられる。第１のガス供給管２３２ａからは流量制御装置（流量制御手段）である第１のマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁である第１のバルブ２４３ａを介し、さらに後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。第２のガス供給管２３２ｂからは、流量制御装置（流量制御手段）である第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁である第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁である第３のバルブ２４３ｃを介し、後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。第３のガス供給管２３２ｃからは、流量制御装置（流量制御手段）である第３のマスフローコントローラ２４１ｃ及び開閉弁である第４のバルブ２４３ｅを介して第２のガス供給管２３２ｂの第３のバルブ２４３ｃの下流側に接続されて、後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１にクリーニングガスが供給される。

３本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂ、２３２ｃ、第１のマスフローコントローラ２４１ａ、第１のバルブ２４３ａ、第２のマスフローコントローラ２４１ｂ、第２のバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、第３のバルブ２４３ｃ、及びガス供給部２４９、第３のマスフローコントローラ２４１ｃ、第４のバルブ２４３ｅ等は、処理室２０１に処理ガス又はクリーニングガスを供給するガス供給ユニットとして用いられている。

処理室２０１は、ガスを排気するガス排気管２３１によりＡＰＣバルブ２４３ｄを介して真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。また、このＡＰＣバルブ２４３ｄは、弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、さらに弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。ガス排気管２３１、ＡＰＣバルブ２４３ｄ、真空ポンプ２４６等が、処理室２０１内の雰囲気を排気するガス排気ユニットして用いられている。

処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられている。バッファ室２３７のウエハ２００と隣接する壁の端部には、ガスを供給する供給孔である第１のガス供給孔２４８ａが設けられている。第１のガス供給孔２４８ａは、反応管２０３の中心へ向けて開口している。第１のガス供給孔２４８ａは、下部から上部にわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、さらに同じ開口ピッチで設けられている。

バッファ室２３７の第１のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部には、ノズル２３３が、反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。ノズル２３３には、ガスを供給する複数の供給孔である第２のガス供給孔２４８ｂが設けられている。第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。

本実施の形態においては、第２のガス供給孔２４８ｂの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。このように構成することで、第２の各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量は略同量であるガスをバッファ室２３７に噴出させている。そして、バッファ室２３７内において、それぞれの第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスの粒子速度差が緩和された後、第１のガス供給孔２４８ａより処理室２０１に噴出させている。よって、各第２のガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各第１のガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。

さらに、バッファ室２３７には、第１の電極２６９、及び第２の電極２７０が設けられている。第１の電極２６９と第２の電極２７０とは、処理室２０１内のガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される一対の電極として用いられ、ともに棒状であって、上部より下部にわたって、それぞれが収納管２７５、２７５内に収納されている。第１の電極２６９、及び第２の電極２７０のいずれか一方は、整合器２７２を介して高周波電源２７３に接続され、他方は基準電位であるアースに接続されている。この結果、第１の電極２６９及び第２の電極２７０間のプラズマ生成領域２２４にプラズマが生成される。

２つの収納管２７５は、それぞれが第１の電極２６９、第２の電極２７０を保護する保護管として用いられるとともに、第１の電極２６９、第２の電極２７０のそれぞれを、少なくとも一箇所が屈曲した状態で収納する収納管として用いられ、第１の電極２６９及び第２の電極２７０のそれぞれをバッファ室２３７の雰囲気と隔離した状態でバッファ室２３７に挿入できる構造となっている。ここで、収納管２７５の内部が外気（大気）と同一雰囲気であると、収納管２７５にそれぞれ挿入された第１の電極２６９及び第２の電極２７０はヒータ２０７の加熱で酸化されてしまう。そこで、収納管２７５の内部は窒素などの不活性ガスを充填あるいはパージし、酸素濃度を充分低く抑えて第１の電極２６９又は第２の電極２７０の酸化を防止するための不活性ガスパージ機構が設けられる。

さらに、第１のガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を、例えば１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。ガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。

ガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔である第３のガス供給孔２４８ｃを有し、下部では第２のガス供給管２３２ｂが接続されている。

第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積は、ガス供給部２４９内と処理室２０１内の差圧が小さい場合には、ガスの上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
本実施の形態においては、第３のガス供給孔２４８ｃの開口面積を上流側から下流側にかけて徐々に大きくしている。

反応管２０３内の中央部には、複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられており、ボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また、処理の均一性を向上するためにボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）として用いられるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

コントローラ２８０は、第１、第２、第３のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃ、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、及び２４３ｅ、ＡＰＣバルブ２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、図中省略のボート昇降機構、高周波電源２７３、整合器２７２等に接続されており、第１、第２、第３のマスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃの流量調整、第１〜第４のバルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｅの開閉動作、ＡＰＣバルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボート昇降機構の昇降動作制御、高周波電源２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御等が、コントローラ２８０によって行われる。

基板処理装置１においては、例えば、ＡＬＤ法による成膜がなされ、例えば、半導体デバイスの製造工程の一つとして、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＤＣＳ）及びアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いてシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）の成膜がなされる。

利用する化学反応は、例えばＳｉＮ膜形成の場合、ＡＬＤ法ではＤＣＳとＮＨ₃ガスを用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御し、例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。

図５には、本発明の実施形態におけるプロセスを説明するフローチャートが示されている。
まず、複数枚のウエハ２００がボート２１７に装填（ウエハチャージ、ステップＳ１）されると、図１、図２及び図４に示されているように、複数枚のウエハ２００を支持したボート２１７は、ボートエレベータ１２１によって持ち上げられて処理室２０１内に搬入（ボートロード、ステップＳ２）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０を介して反応管２０３の下端をシールした状態となる。

次に、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づきＡＰＣバルブ２４３ｄが、フィードバック制御される。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電具合がフィードバック制御される（圧力・温度調整、ステップＳ３）。続いて、回転機構２６７により、ボート２１７が回転されることで、ウエハ２００が回転される。次に、ＤＣＳガスとＮＨ₃ガスを処理室２０１内に供給することによりＳｉＮ膜を成膜する成膜工程Ｓ４を行う。成膜工程Ｓ４では次の４つのステップを順次実行する。

（成膜工程）
まず、ＤＣＳガスとＮＨ₃ガスを処理室２０１内に供給することによりＳｉＮ膜を成膜する。成膜工程では次の４つのステップを順次実行する。

＜ステップＳ４ａ＞
ステップＳ４ａでは、まずＤＣＳガスを流す。第２のガス供給管２３２ｂの第２のバルブ２４３ｂを開き、第２のガス供給管２３２ｂ内にＤＣＳガスを流す。第２のガス供給管２３２ｂ内を流れたＤＣＳガスは、マスフローコントローラ２４１ｂにより流量調整される。流量調整されたＤＣＳガスはガス供給部２４９の第３のガス供給孔２４８ｃから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。

このとき、ＡＰＣバルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば２０〜９００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ｂで制御するＤＣＳガスの供給流量は、例えば２００〜２０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＤＣＳガスをウエハ２００に晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば２〜１０秒間の範囲内の時間とする。このときヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が、例えば３００〜６５０℃の範囲内の温度となるよう設定する。

＜ステップＳ４ｂ＞
ステップＳ４ｂでは、シリコン含有層が形成された後、第３のバルブ２４３ｃを閉じ、ＤＣＳガスの供給を停止する。このとき、引き続きガス溜め２４７への供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側の第２のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３ｄは開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくはシリコン含有層形成に寄与した後のＤＣＳガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時、Ｎ₂ガス等の不活性ガスを処理室２０１内に供給すると、さらに残留ＤＣＳガスを排除する効果が高まる。不活性ガスとしては、Ｎ₂ガスの他、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いてもよい。

＜ステップＳ４ｃ＞
ステップＳ４ｃでは、処理室２０１内の残留ガスを除去した後、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを開き、第１のガス供給管２３２ａ内にＮＨ₃ガスを流す。第１のガス供給管２３２ａ内を流れたＮＨ₃ガスは、マスフローコントローラ２４１ａにより流量調整される。流量調整されたＮＨ₃ガスは第１のノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７内に供給される。このとき、第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加することで、バッファ室２３７内に供給されたＮＨ₃ガスはプラズマ励起され、活性種としてガス供給孔２４８ａから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。

ＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、ＡＰＣバルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内の圧力を、例えば２０〜２００Ｐａの範囲内の圧力とする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ₃ガスの供給流量は、例えば２０００〜９０００ｓｃｃｍの範囲内の流量とする。ＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間、すなわちガス供給時間（照射時間）は、例えば６〜６０秒間の範囲内の時間とする。このときのヒータ２０７の温度は、ウエハ２００の温度が３００〜６５０℃の範囲内の温度となるような温度に設定する。なお、高周波電源２７３から第１の棒状電極２６９及び第２の棒状電極２７０間に印加する高周波電力は、例えば２０〜６００Ｗの範囲内の電力となるように設定する。ＮＨ₃ガスは反応温度が高く、上記のようなウエハ温度、処理室内圧力では反応しづらいので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ２００の温度は上述のように設定した低い温度範囲のままでよい。

このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ₃ガスをプラズマ励起することにより得られた活性種、もしくは処理室２０１内圧力を高くすることで熱的に活性化されたＮＨ₃ガスであり、処理室２０１内にはＤＣＳガスは流していない。したがって、ＮＨ₃ガスは気相反応を起こすことはなく、活性種となった、もしくは活性化されたＮＨ₃ガスは、ステップＳ４ａでウエハ２００上に形成された第１の層としてのシリコン含有層の一部と反応する。これによりシリコン含有層は窒化されて、シリコン（第１の元素）及び窒素（第２の元素）を含む第２の層、すなわち、シリコン窒化層（ＳｉＮ層）へと改質される。

＜ステップＳ４ｄ＞
その後、第１のガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉じて、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。このとき、ガス排気管２３１のＡＰＣバルブ２４３ｄは開いたままとして、真空ポンプ２４６により処理室２０１内を真空排気し、処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ₃ガスを処理室２０１内から排除する。なお、この時、Ｎ₂ガス等の不活性ガスを処理室２０１内に供給すると、さらに処理室２０１内に残留する未反応もしくは窒化に寄与した後のＮＨ₃ガスを排除する効果が高まる。不活性ガスとしては、Ｎ₂ガスの他、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｘｅガス等の希ガスを用いてもよい。

上述したステップＳ４ａ〜Ｓ４ｄを１サイクルとして、このサイクルを少なくとも１回以上行うことにより、ウエハ２００上に所定膜厚のシリコン（第１の元素）および窒素（第２の元素）を含む薄膜、すなわち、ＳｉＮ膜を成膜することができる。なお、上述のサイクルは、複数回繰り返すのが好ましい。

所定膜厚のＳｉＮ膜を形成する成膜処理がなされると、Ｎ₂ガス等の不活性ガスが処理室２０１内へ供給されつつ排気されることで処理室２０１内が不活性ガスでパージされる（ガスパージ、ステップＳ５）。その後、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気される。この際、処理室２０１内の圧力は、圧力センサ２４５で測定され、この測定された圧力に基づきＡＰＣバルブ２４３ｄが、フィードバック制御される。また、処理室２０１内が所望の温度となるようにヒータ２０７によって加熱される。この際、処理室２０１内が所望の温度分布となるように、温度センサ２６３が検出した温度情報に基づきヒータ２０７への通電具合がフィードバック制御される（圧力・温度調整、ステップＳ６）。

その後、ボートエレベータ１２１によりシールキャップ２１９が下降されて、反応管２０３の下端が開口されるとともに、処理済ウエハ２００がボート２１７に支持された状態で反応管２０３の下端から反応管２０３の外部に搬出（ボートアンロード、ステップＳ７）される。その後、処理済ウエハ２００はボート２１７より取出される（ウエハディスチャージ、ステップＳ８）。

そして、空のボート２１７がボートエレベータ１２１によって持ち上げられて反応管２０３の内部に搬入（ボートロード、ステップＳ９）される。この状態で、シールキャップ２１９はＯリング２２０を介して反応管２０３の下端をシールした状態となる。そして、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気され、処理室２０１内が所望の圧力及び温度となるように、フィードバック制御される（圧力・温度調整、ステップＳ１０）。

次に、クリーニングガス供給管としての第３のガス供給管２３２ｃの第４のバルブ２４３ｅを開き、第３のガス供給管２３２ｃ内に例えば三弗化窒素（ＮＦ₃）ガス等のクリーニングガスを流す。第３のガス供給管２３２ｃ内を流れたクリーニングガスは、マスフローコントローラ２４１ｃにより流量調整される。流量調整されたクリーニングガスは第２のガス供給管２３２ｂを介して、ガス供給部２４９の第３のガス供給孔２４８ｃから処理室２０１内に供給されつつガス排気管２３１から排気される。このとき、同時にバルブＡＰＣバルブ２４３ｄを開き、Ｎ₂ガス等の不活性ガスを流してもよい（クリーニング、ステップＳ１１）。

クリーニングがなされると、Ｎ₂ガス等の不活性ガスが処理室２０１内へ供給されつつ排気されることで処理室２０１内が不活性ガスでパージされる（ガスパージ、ステップＳ１２）。その後、処理室２０１内が所望の圧力（真空度）となるように真空ポンプ２４６によって真空排気され、処理室２０１内が所望の圧力及び温度となるように、フィードバック制御される（圧力・温度調整、ステップＳ１３）。その後、ボートエレベータ１２１によりシールキャップ２１９が下降されて、反応管２０３の下端が開口されるとともに、空のボート２１７が反応管２０３の下端から反応管２０３の外部に搬出（ボートアンロード、ステップＳ１４）される。

これにより、ウエハ２００上にＤＣＳガスとＮＨ₃ガスとを用いてＳｉＮ膜を成膜し、反応管内及びボート２１７等をセルフクリーニングすることができる。

図６には、第１の電極２６９が収納管２７５に収納されている様子が示され、図７及び図８には、第１の電極２６９が示されている。
以下、第１の電極２６９について説明をするが、第２の電極２７０の構成は、第１の電極２６９と同一である。

図６に示されるように、第１の電極２６９は、第１の電極２６９の上方に配置される複数の第１の管体である第１の短管２９０と、第１の電極２６９の下方に配置される複数の第２の管体である第２の短管３００と、芯線２９２と、編組部材２９４とから構成される。

第１の短管２９０は、ウエハ２００が積層される領域（プロダクト領域）Ａに配置され、芯線２９２により折曲可能であるように複数個が連結され、芯線２９２よりも熱による変形が少ない管体として用いられているとともに、金属、又は絶縁材からなる内部材として用いられていて、芯線２９２と比較して熱変形しにくく、且つ一定の断熱性と剛性とを有する材料からなり、具体的な材料としては、例えば高純度のアルミナ、Ｎｉ（ニッケル）等が用いられる。また、第１の短管２９０は、略円筒形状を有し、長手方向に貫通するように貫通孔２９６が形成されている。

また、第２の短管３００は、ウエハ２００が積層される領域（プロダクト領域）Ａより低い領域に配置され、芯線２９２により折曲可能であるように複数個が連結され、芯線２９２よりも熱による変形が少ない管体として用いられ、具体的な材料としては、例えば石英が用いられる。また、第２の短管３００も第１の短管２９０同様、略円筒形状を有し、長手方向に貫通するように貫通孔２９６が形成されている。

芯線２９２は、複数の第１の短管２９０及び第２の短管３００のそれぞれを互いに連結する金属からなる芯線として用いられていて、複数の第１の短管２９０に形成された貫通孔２９６と第２の短管３００に形成された貫通孔２９６を貫通することにより複数の第１の短管２９０と複数の第２の短管３００を折曲可能であるように連結している。芯線２９２は、曲げの確保できる塑性変形可能であり、より具体的には、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を主成分とした針金が用いられる。芯線２９２を用いて、複数の第１の短管２９０を連結する際には、互いに隣り合う第１の短管２９０と第１の短管２９０との間に、一定の隙間ｄ１が設けられる。また、複数の第２の短管３００を連結する際にも、互いに隣り合う第２の短管３００と第２の短管３００との間に、一定の隙間ｄ１が設けられる。また、第１の短管２９０と第２の短管３００との間にも、一定の隙間ｄ１が設けられる。

編組部材２９４は、複数の第１の短管２９０の外表面を覆うように設けられる金属からなる網状の外部材として用いられていて、例えばＮｉを主成分とする細線が編みこまれるようにして形成されている。編組部材２９４は細線からなり可撓性を有するため変形可能であり、変形することにより複数の第１の短管２９０の外表面を覆うように配置されている。図７においては、編組部材２９４は、説明の便宜上、上から２番目に位置する第１の短管２９０と、上から３番目に位置する第１の短管２９０との外周面のみを覆うかのように示されているが、編組部材２９４は、一端部側に位置する第１の短管２９０から他端部側に位置する第１の短管２９０まで、すべての第１の短管２９０の外周面を覆うように設けられている。

以上ように、第１の電極２６９は、複数の第１の短管２９０と複数の第２の短管３００とがそれぞれ間隔ｄ１を有するように芯線２９２で連結され、複数の第１の短管２９０に外周面を覆う編組部材が、細線が編みこまれた変形可能なものであるため、図８に示されるように折曲した状態とすることが可能である。このため、収納管２７５が屈曲した形状であっても、折曲した収納管２７５の内壁に沿うように変形することが可能である。また、第１の電極２６９の一端部側を、収納管２７５に挿入し、第１の電極２６９の他端部側を押圧することで、第１の電極２６９を、折曲した収納管２７５に倣って、収納管２７５内に挿入することができる。

また、第１の電極２６９を構成する複数の第１の短管２９０及び第２の短管３００は、芯線２９２よりも熱による熱による変形が少なく、且つ一定の剛性を有するため、互いに隣り合う第１の短管２９０及び第２の短管３００の間に形成された隙間ｄ１が詰まることはあっても、それぞれの第１の短管２９０及び第２の短管３００の長さは変わらないため、例えば、収納管２７５に挿入する際等に、大きく長手方向の長さが縮むことがない。このため、収納管２７５の先端側等の本来は第１の電極２６９が配置される場所に、第１の電極２６９が縮むことにより第１の電極２６９が到達しなくなることがなく、該場所で発生するプラズマの濃度が本来よりも低くなるとの問題が生じにくい。

図９（ａ）には、比較例に係る第１の電極２６９が、収納管２７５に収納された様子が示されている。また、図９（ｂ）には、本発明の実施形態に係る第１の電極２６９が、収納管２７５に収納された様子が示されている。また、図１０（ａ）には、比較例に係る処理炉の構成が示され、（ｂ）には、本発明の実施形態に係る処理炉の構成が示されている。
図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示されているように、本発明の実施形態に係る第１の電極２６９は、ウエハ２００が積層される高さ領域（プロダクト領域）Ａに対応する位置に、金属もしくは絶縁材からなる第１の短管２９０を用い、反応管２０３下方のプロダクト領域Ａより低い位置に、石英からなる第２の短管３００を用いる。これにより、比較例に係る第１の電極２６９を用いた場合と比較して、プラズマ発生領域Ｂが狭くなり、反応管２０３下方において高周波（ＲＦ）放電を抑制し、高周波電力導入部の電力密度を弱めて、プロダクト領域Ａ以外で膜が堆積されないようにすることができる。プロダクト領域Ａは、ヒータ２０７により温度制御されるので、この領域に堆積される膜は、三弗化窒素（ＮＦ₃）、フッ素（Ｆ₂）などによりセルフクリーニングされる。したがって、長期間の成膜とクリーニング処理が可能となり、パーティクルの発生を抑制し、反応管２０３内のフルメンテナンスに至るまでの時間を大幅に延長できる。

図１１には、第１の電極２６９の変形例が示されている。
以下、第１の電極２６９について説明をするが、第２電極２７０としても、以下で説明をする変形例に係る電極を利用することができる。

先述の第１の電極２６９では、複数の第１の短管２９０及び第２の短管３００として略円筒形状のものを用いたが、この変形例では、略球状の第１の短管２９０及び略球状の第２の短管３００を用いる。この変形例に係る第１の電極２６９でも、第１の短管２９０及び第２の短管３００には管通孔が形成されていて、貫通孔２９６に芯線２９２が挿入され、複数の第１の短管２９０及び複数の第２の短管３００が連結される。また、複数の第１の短管２９０の外周を覆うように編組部材２９４が設けられている。

変形例に係る第１の電極２６９においても、プロダクト領域Ａに対応する位置に、金属もしくは絶縁材からなる略球状の第１の短管２９０を用いる。そして、反応管２０３下方のプロダクト領域Ａより低い位置に、石英からなる略球状の第２の短管３００を用いる。プロダクト領域Ａより低い位置に、石英製の略球状の短管を用いても、高周波（ＲＦ）放電を抑制し、高周波電力導入部の放電密度を弱めて、プロダクト領域Ａ以外で膜が堆積されないようにすることができる。

なお、第１の電極２６９について、略円筒形状の第１の短管２９０及び略円筒形状の第２の短管３００、略球状の第１の短管２９０及び略球状の第２の短管３００を用いる例について説明したが、これに限らず、略円筒形状の第１の短管２９０及び略球状の第２の短管３００或いは略球状の第１の短管２９０及び略円筒形状の第２の短管３００を用いてもよい。

第１の電極２６９は、芯線２９２と、芯線２９２により折曲可能であるように複数個が連結され、芯線２９２よりも熱による変形が少ない第１の短管２９０及び電力密度を抑える部材からなる第２の短管３００とを有し、芯線２９２の熱の影響による形状変化を抑えるものであれば良い。よって、先述の実施形態に係る第１の電極２６９や、先述の変形例に係る第１の電極２６９のように、第１の短管２９０に芯線２９２を通し、第１の短管２９０に導電性のある編組部材２９４を巻きつける構成に替えて、第１の短管２９０そのものを金属等の導電性材料から構成し、編組部材２９４を設けないようにしても良い。

[比較例]
図１２には、比較例に係る一対の電極のうちの一つである第１の電極２６９が、収納管２７５に収納された様子が示されている。本来であれば、図１２（ａ）に示されるように、収納管２７５の上端部近傍まで第１の電極２６９が到達する。しかしながら、編組構造の場合、熱の影響や長期使用で、弾性の低下もしくは自重によって、図１２（ｂ）に示されるように、第１の電極２６９が縮んでしまう。これにより、本来は第１の電極２６９が配置されるべき場所に、第１の電極２６９が存在しない空間３１０が形成されてしまう。この場合、空間３１０で生成されるプラズマの濃度は、空間３１０に第１の電極２６９が存在する場合と比較して低くなる。

また、図１２（ｃ）に示されるように、編組構造の場合、例えば、収納管２７５内に第１の電極２６９を挿入する際に、位置Ｐ、Ｐ等で第１の電極２６９が収納管２７５の内壁に接触し、摩擦により第１の電極２６９が縮んでしまったり、伸縮可能で、長さに固体ばらつきが発生してしまう。この場合も、収納管２７５の端部に、第１の電極が存在しない空間３１０が形成される。

また、図１３には、他の比較例に係る一対の電極のうちの一つである第１の電極２６９が示されている。この他の比較例に係る第１の電極は、図１３（ａ）に示すように、芯線２９２が直接に編組部材２９４で覆われている。図１３（ｂ）は、芯線２９２が熱によって縮み歪むことによって、第１の電極が長さｄ２だけ短くなった状態を示している。すなわち、本従来例では、加熱される際に、直接に芯線２９２が加熱されるため、図１３（ｂ）の右側に示されるように、芯線２９２が熱の影響で縮んだり歪んだりしやすい。

図１４は、サイクリックＣＶＤ法における成膜レートと温度の関係を示している。
図１４に示されているように、例えば、ＡＬＤ法やサイクリックＣＶＤ法によるシリコン窒化（ＳｉＮ）膜成膜では、プラズマを発生させることで、プロダクト領域（基板の積層された高さ領域）下方の低温領域においてもＳｉＮ膜が成膜されてしまう。しかしながら、反応管下方に堆積される膜は、例えば三弗化窒素（ＮＦ₃）ガスでのセルフクリーニングで除去することは難しい。また、成膜とクリーニングを繰り返し行うことで、反応管下方の累積膜の膜厚は増大し、これによりマイクロクラッキング（ＭＣ）が発生してしまう。

本発明によれば、芯線２９２の曲げを確保でき、第１の短管２９０及び第２の短管３００によって芯線２９２の歪を抑え、電極２６９、２７０全体の縮みを抑制して、処理室２０１内のプラズマの分布を均一とし、処理されるウエハ２００の品質を均一なものとすることができる。また、パーティクルの発生を抑制し、クリーニング周期やフルメンテナンスに至るまでの時間を延長することができる。さらには、反応管２０３の破損事故を防止することができる。

本発明は、特許請求の範囲に記載した事項を特徴とするが、さらに以下に付記した事項も含まれる。

［付記１］
本発明の一態様によれば、複数の基板を積層して収容する処理室と、前記処理室の外周に設けられ、前記基板が積層された高さ領域を加熱する加熱ユニットと、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、を備え、前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域に対応する位置に設けられた第一の管体と、前記芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域より低い位置に設けられた石英からなる第二の管体と、から構成される基板処理装置が提供される。

［付記２］
本発明の他の一態様によれば、複数の基板を積層して収容する処理室と、前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、を備え、前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、高周波電力を処理室内に導入する高周波電力導入部の電力密度が前記基板の積層された領域の電力密度より低くなるように設けられた石英からなる管体と、から構成される基板処理装置が提供される。

［付記３］
本発明の他の一態様によれば、編組で編み込まれたロープ状であって、芯線と、前記芯線の歪みを抑えるための短管と、から構成される縦型半導体処理装置のプラズマ電極が提供される。これにより、自由度を備えた構造となり、また、縮み等の形状変化が防止される。さらに、耐熱性の高い材料を使用することで、プラズマ生成室を反応炉内部もしくは近傍に設置でき、プラズマ効率の高い高性能の基板処理装置が提供される。

［付記４］
好ましくは、前記プラズマ電極は、前記処理室への導入部における電場を弱めることで、前記高周波電力導入部における電力密度が上がらないようにする。

１ 基板処理装置
２００ ウエハ
２０１ 処理室
２２４ プラズマ生成領域
２３１ ガス排気管
２３２ ガス供給管
２６９ 第１の電極
２７０ 第２の電極
２７３ 高周波電源
２７５ 収納管
２９０ 第１の短管
３００ 第２の短管
２９２ 芯線
２９４ 編組部材
２９６ 貫通孔

Claims (2)

1. 複数の基板を積層して収容する処理室と、
   前記処理室の外周に設けられ、前記基板が積層された高さ領域を加熱する加熱ユニットと、
   前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、
   前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、
   前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、
   前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、
   を備え、
   前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域に対応する位置に設けられた第一の管体と、前記芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、前記基板が積層された高さ領域より低い位置に設けられた石英からなる第二の管体と、
   から構成される基板処理装置。
2. 複数の基板を積層して収容する処理室と、
   前記処理室に処理ガスを供給するガス供給ユニットと、
   前記処理室内の雰囲気を排気するガス排気ユニットと、
   前記処理ガスを活性な状態とするため、高周波電力が印加される少なくとも一対の電極と、
   前記一対の電極のそれぞれを、少なくとも一箇所が曲がった状態で収納する収納管と、
   を備え、
   前記電極は、金属からなる芯線と、該芯線により折曲可能であるように複数個が連結され、高周波電力を処理室内に導入する高周波電力導入部の電力密度が前記基板の積層された領域の電力密度より低くなるように設けられた石英からなる管体と、
   から構成される基板処理装置。

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