JP2018056248A - プラズマ処理装置の運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】運転の効率あるいは信頼性を向上させたプラズマ処理装置の運転方法を提供する。【解決手段】真空容器内部の処理室及びその上方のプラズマ形成室と、前記処理室内の試料台の上面の上方で処理室とプラズマ形成室との間でプラズマの粒子を前記処理室に導入する複数の貫通孔を備えた誘電体製の板部材と、前記板部材の外周側を囲んで配置され前記ウエハに電磁波を照射して加熱するランプ及び前記ランプからの前記電磁波を透過させるリング状の窓部材とを備えた真空処理装置で、導入孔からウエハにプラズマ形成室内に形成されたプラズマの粒子を供給して反応生成物を形成する工程の後に、プラズマを消火しウエハを加熱して反応生成物を脱離させる工程を実施した後、プラズマ形成室に形成したクリーニング用のガスのプラズマの粒子を当該プラズマ形成室及び処理室並びに窓部材に供給する工程を実施する。【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料の表面に予め配置された処理対象の膜層を含む複数の膜構造の当該処理対象の膜層の表面をエッチング処理するプラズマ処理装置の運転方法に係り、励起されて高い反応性を有した原子または分子等の粒子を照射する工程と試料を加熱してエッチングを行う工程とを行うプラズマ処理装置の運転方法に関する。
電子機器の小型化・高性能化に対応するため、半導体デバイスは微細化、薄膜化、３次元化が進んでいる。この３次元半導体デバイスの製造プロセスにおいては、高アスペクト構造、３次元立体構造の加工が必要不可欠であり、従来のウエハ面に対して垂直方向にエッチングを行う「異方性エッチング」に加え、ウエハ面に対して横方向にもエッチングが可能な「等方向エッチング」の技術、装置が要求されている。
従来、横方向の等方性エッチングは薬液を用いたウエット処理により行われてきたが、微細化の進展により、薬液の表面張力が引き起こすパターン倒壊による歩留まり低下が生じるなど、これまでにない新たな課題が顕在化しており、薬液を用いたウエット処理から薬液を用いないドライ処理への置き換えが要求されている。これに対し近年、薬液を使用しない洗浄・除去技術として、ドライエッチング技術が検討されている。
この技術は、半導体ウエハ等の試料が配置された容器内部の処理室にガスやプラズマを用いて生成したラジカル、或いはベーパー（蒸気）等のエッチャントを供給し当該エッチャントと試料表面の被エッチング材料に吸着させて反応させて反応層を形成した後、試料または反応層を加熱することにより反応層にエネルギーを付与してこれを構成する粒子を試料表面から脱離させ、処理室内から除去するものである。この反応層を形成する工程（吸着）と反応層を脱離させ除去する工程（脱離）を１サイクルとして、このサイクルを繰り返すことにより被エッチング材料の膜層のエッチングを行う。
この技術は、ドライエッチング処理であって薬液を使用しないため上記パターン倒壊という問題の生起を抑制することができる。また、１サイクルあたりに除去される被エッチング材料の量は、飽和性のある吸着プロセスで形成される反応層の厚さに支配的に影響されることから、１サイクルあたりのエッチング量を当該反応層が形成される厚さである数ｎｍレベル以下に制御することができ、サイクル数の増減により数ｎｍの寸法精度でエッチングの量を調節することができるという作用・効果がある。
このようなエッチング処理の従来技術としては、特許文献１（特開２００５−２４４２４４号公報）に開示されたものが従来から知られていた。この特許文献には、容器内のプラズマ形成用の空間に供給したＮＦ３ガスとＮＨ３のガスとをプラズマ化して得られたラジカル等反応性の高い粒子を分配プレートの複数の孔を通して反応室に導入し当該室内に配置された支持部材上に支持された基板表面に吸着させて反応生成物による膜層を形成させた後、基板を支持部材ごと分配プレートに接近させることで分配プレートから放射される熱により基板を加熱して上記反応生成物を脱離させて除去する装置が記載されている。
また、反応性の高い粒子を供給して試料表面に層として形成した反応生成物が脱離するまで試料を加熱する時間を短縮するため、ランプ等の光源から放射される紫外光を試料表面に照射して反応生成物を加熱し脱離させるものが、特許文献２（特開２０１５−１８５５９４号公報）に開示されている。
特開２００５−２４４２４４号公報 特開２０１５−１８５５９４号公報
上記従来技術は、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
すなわち、上記従来技術のエッチング処理では、吸着の工程と脱離の工程とを交互に繰り返して反応生成物の膜層の生成と当該反応生成物の膜層の除去とが、処理対象の膜の厚さが所望の値になるまで繰り返して行われる。このため、基板から脱離された反応生成物が処理室内に再度付着して残留する量を低減すること或いはその除去を効率的に行うことが、処理装置の運転の効率と信頼性とを長期間高く維持する上で重要となる。
特には、脱離工程において加熱の時間を短縮するためにＩＲランプ（赤外線ランプ）やＶＵＶランプ（真空紫外線ランプ）等の光により加熱する手段を用いた装置においては、光源とウエハとの間に反応生成物の光源への到達を防止するため透光性の部材を配置することが必須となるがこの部材の表面へ付着した反応生成物が光の透過効率を低下してしまい、加熱に要する時間を増大させスループットを損なってしまうという問題が生じる。このような問題点について、上記従来技術では考慮されていなかった。
本発明の目的は、運転の効率あるいは信頼性を向上させたプラズマ処理装置の運転方法を提供することにある。
上記目的は、内側が減圧される真空容器と、この真空容器内部に配置され処理対象のウエハが配置されて処理される処理室及びこの処理室上方に配置されその内部に供給された処理用のガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、前記処理室内側でその下部に配置され前記ウエハが上面に載せられる試料台と、この試料台の上面の上方の前記真空容器内であって前記処理室と前記プラズマ形成室との間に配置され前記プラズマの粒子が前記処理室に導入される複数の貫通孔を備えた誘電体製の板部材と、前記処理室の上方の前記板部材の外周側でこれを囲んで配置され前記ウエハに電磁波を照射して加熱するランプ及び前記処理室の内側に面して前記ランプからの前記電磁波を透過させる部材で構成されたリング状の窓部材とを備えた真空処理装置の運転方法であって、前記導入孔から前記試料台上に載せられた前記ウエハに前記処理用のガスを用いて前記プラズマ形成室内に形成されたプラズマの粒子を供給して前記ウエハの表面に反応生成物を形成する工程の後に前記電磁波により前記ウエハを加熱して前記反応生成物を脱離させる工程を実施した後、前記プラズマ形成室にクリーニング用のガスを供給して前記プラズマ形成室内に形成したプラズマの粒子を当該プラズマ形成室及び前記処理室並びに前記窓部材に供給する工程を実施することにより達成される。
本発明によれば、スループットの低下が抑制され、装置の長期安定性の効果が得られる。
本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の運転の動作の流れを示すフローチャートである。 図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図３に示す変形例に係るプラズマ処理装置の一つのガス供給口の近傍の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。 図３に示す変形例に係るプラズマ処理装置の運転の動作の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施例を図１及び２を用いて説明する。
まず、図１を用いて本発明の第一の実施例に係るプラズマ処理装置の全体構成の概略を説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
本図に示すプラズマ処理装置１００は、内部にプラズマが形成される空間と処理対象の試料が処理される空間を備えた真空容器１１７とこの真空容器１１７の外側に配置され真空容器１１７内部にプラズマを形成するための電界を供給するプラズマ形成部と、真空容器１１７下方でこれに連結されて配置され真空容器１１７内部の試料が処理される空間と連通されてその内部を排気するターボ分子ポンプまたはロータリーポンプ等の真空ポンプを備えた排気部とを備えている。
真空容器１１７は、処理対象の試料である基板状のウエハ１０４が内側に配置される処理室１０１と、この上方に配置され内側にプラズマ１０２’が形成される空間である放電室１０２とを内部に備えている。また、放電室１０２の上方には真空容器１１７を構成し放電室１０２の内部と外部との間を封止する蓋部材１１９が配置されている。
処理室１０１及び放電室１０２は円筒形を有した空間であって、その上下方向の中心軸が合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置されている。これらの間は同様に中心軸が合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置された円形の分散板１１０により区画され、分散板１１０の中央部に配置された複数の貫通孔を通して連通されている。
円筒形の放電室１０２は円筒形を有して真空容器１１７を構成する石英製の放電管１０８によりその側方の外周を囲まれ、放電管１０８の側壁外側の外周には、所定の周波数の高周波電力が供給されるコイルアンテナである高周波コイル１０９が上下方向に複数段巻かれて配置されている。放電管１０８上方には蓋部材１１９が真空容器１１７を構成した状態で円形を有した蓋部材１１９が中心を放電室に合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に載せられて配置される。
この状態で、放電管１０８の円筒形を有した側壁の上端部の上方に蓋部材１１９の外周縁部分が載せられて、その下面と放電管１０８の側壁の上端部上面との間にＯリング等のシール部材が挟まれる。これにより、放電室１０２内部と真空容器１１７外部との間が気密に封止される。
真空容器１１７は、処理室１０１の下方及び側方を囲む円筒形を有した下部ブロックと、この下部ブロックを構成しその円筒形の側壁上端上方に載せられて中央部に円形の開口を備え処理室１０１の天井面を構成する板状の外周リング部材を台座として、その台座の上方に載せられて処理室１０１の天井面を構成するリング状のランプユニット１１８と、このランプユニット１１８上方に載せられた円筒形の放電管１０８と、放電管１０８の上方に載せられて放電室１０２の上方を追覆って配置された蓋部材１１９により構成される。また、分散板１１０はリング状のランプユニット１１８の内周縁の内側に配置されており、ランプユニット１１８の円形の内周の中心軸は、処理室１０１または放電室１０２の中心軸に合致またはこれと見做せる程度に近似した位置となるように配置されている。
つまり、本実施例ではランプユニット１１８が処理室１０１と放電室１０２との間に挟まれて配置されており、ランプユニット１１８は処理室１０１の天井面及び放電室１０２の下面あるいはこれらの側壁面を構成している。また、ランプユニット１１８の上面と放電管１０８の側壁下端部との間およびランプユニット１１８とこれがその上方に載せられる真空容器１１７の下部ブロックとの間には、放電管１０８と蓋部材１１９との間と同様に、Ｏリング等のシール部材が挟まれて、これらの部材が真空容器１１７を構成した状態で、真空容器１１７内外を気密に封止するように配置される。
分散板１１０下方の処理室１０１の下部には、円筒形を有した部材であって円形のその上面上方に処理対象の基板状の試料であるウエハ１０４が載置されるステージ１０３が配置されている。ステージ１０３下方の処理室１０１の空間を挟んだ真空容器１１７の下部ブロックの底部には、排気部を構成する真空ポンプが配置され当該真空ポンプの入口と下部ブロックとを連結する排気用の管路と処理室１０１とを連通して処理室１０１内から排気される粒子が通流する排気用の円形の開口が配置されている。
本実施例では、円筒形を有したステージ１０３及び円形を有した排気用の開口の中心軸は円筒形を有した処理室１０１の中心軸と合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置されている。この構成により、プラズマ処理装置１００は、蓋部材１１９、放電管１０８または放電室１０２、ランプユニット１１８または分散板１１０、処理室１０１または下部ブロック及び排気用の開口の中心軸同士が合致するかこれと見做せる程度に近似した同軸状の位置に配置された構成を備えている。
蓋部材１１９は、放電室１０２の天井面を構成する下面中央部に複数の貫通孔を備えこれらの開口であるガス供給口１１１が放電室１０２に面している。さらに、蓋部材１１９上部は貯留部を含むガス源を備えたガス供給装置１１２と連結され、これから管路を通して供給されたガスがガス供給口１１１を通して放電室１０２内に上方から供給される。
円筒形を有した放電管１０８側壁の外周側に巻かれた高周波コイル１０９は、供給された高周波電力が放電管１０８の円筒形の内周壁面内側に形成する誘導磁界により高周波コイル１０９近傍の放電室１０２内部に形成された電流によって、放電室１０２内に供給されたガスが励起されて誘導結合型のプラズマ１０２’（ＩＣＰ）が形成される。プラズマ式は、図1示す実施例のようなＩＣＰである必要はなく、例えば、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）や表面波プラズマ等、高密度プラズマによりラジカルが効率よく生成されるものであれば良い。
高周波コイル１０９は、上記プラズマ１０２’を生成するための高周波電源１１３に整合器１１４を介して電気的に接続されている。本例において高周波電源１１３が生成して供給する電力の周波数は１３．５６ＭＨｚ，２７．１２ＭＨｚ等の数十ＭＨｚの周波数帯が用いられる
本実施例において供給されるガスのうちウエハ１０４を処理するために供給される処理用ガスは、ＮＨ３，Ｈ２，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３ＯＨ等の可燃性ガス、Ｏ２とＮＦ３等の支燃性ガス及びこれらの混合ガスが用いられ、さらにＨｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｎ２の不活性ガスにより希釈されたこれらの混合ガスでもよい。図示は省略するが本実施例のプラズマ処理装置１００において可燃性ガスや支燃性ガスを使用する場合には、安全にこれらのガスを使用してプラズマ処理装置１００を運転することができるようにするための設備が配置されている。
ウエハ１０４の上方から電磁波を放射してこれを加熱するランプユニット１１８は、ＩＲ（赤外線）ランプユニットが用いられている。本例のランプユニット１１８は、ＩＲランプ１０６、ＩＲランプ１０６の上方を覆って配置されＩＲランプ１０６が周囲に放射するＩＲ光を反射する反射板１０７及びリング状のランプユニット１１８の内周側壁及び下面を構成する石英等の透光性を有した部材から構成された光透過窓１０５を備えている。
本例のＩＲランプ１０６は、中心軸回りに同心または螺旋状に多重に配置されたサークル型（円形状）のランプが用いられる。ＩＲランプ１０６は電力を供給するランプ用電源１１５が接続され、両者の間にはプラズマ生成用の高周波電力のノイズがランプ用電源１１５に流入しないようにするための高周波カットフィルタ１１６が配置されている。
図示は省略したが、ランプ用電源１１５は、多重に配置された（図中径は３つ）ＩＲランプ１０６の中心から各々の半径に位置する各々の円弧状の部分に供給される電力の大きさを各々で独立に調節可能に構成され、ウエハ１０４の半径方向についての温度または加熱の量の分布が調節される。ランプユニット１１８の内周内側の空間は、上方に配置された放電室１０２内で形成されたプラズマ中のラジカル等が励起されて反応性の高い粒子が通流する流路であって、当該流路内に、プラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽しガスの中性の粒子やラジカルを透過させてウエハ１０４に供給する貫通孔が配置された分散板１１０が設置されている。
ランプユニット１１８の下面から内周側壁面にわたりＩＲ光を通すための石英製の光透過窓１０５が配置されている。光透過窓１０５は、処理室１０１に対してＩＲランプ１０６下方から内周側の側方を覆って配置され、ＩＲ光はＩＲランプ１０６から下向きから中央側向きに途切れなく放射される。
また、本実施例では分散板１１０も石英等の透光性部材から構成されており、その外周側に位置して分散板１１０に向けて放射されるＩＲ光は、分散板１１０により遮られることなくこれを透過して、大部分が処理室１０１内部に到達する。また、ウエハ１０４を加熱する手段として、ＩＲランプに代えてＶＵＶランプを用いても良く、この場合には光透過窓１０５を構成する部材として波長の短いＶＵＶ光を通す合成石英を用いても良い。
さらに、ステージ１０３は、内部に円筒形を有した金属製の部材及びこの内部に配置され当該部材またはステージ１０３の温度を処理に適した所期の範囲内の値にするためにチラー（冷凍機）において温度調節された冷媒が循環、供給される通流する流路が配置されている。さらにまた、金属製の部材上方には、ウエハ１０４を処理中にステージ１０３上に保持する静電気力を形成するための直流電力が供給される膜状の複数の電極が内部に配置されたセラミクス等誘電体製の膜が配置されている。
また、当該膜上面にはウエハ１０４が静電吸着された状態でウエハ１０４裏面と膜上面との間の隙間にＨｅ等の熱伝達用ガスが供給される開口が配置され、当該ガスの供給によりウエハ１０４とステージ１０３との間の熱伝達を促進して効率よく処理中のウエハ１０４の温度が処理に適した所望の範囲内の値に調節される。なお、ステージ１０３の下方の排気用の開口と真空ポンプ入口との間の排気用の経路上には、経路または開口の流路断面積を増減して排気の流量または速度を調節するための調圧バルブが配置されている。
次に、図２を用いて本実施例のプラズマ処理装置の運転の流れを説明する。図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の運転の動作の流れを示すフローチャートである。
本図に示す本実施例のプラズマ処理装置１００の運転は、処理室１０１内に処理対象の未処理であるウエハ１０４を搬入してステージ１０３上に配置する工程と、その後にウエハ１０４の表面に予め配置されたマスク層を含む複数の膜から構成された膜構造の当該処理対象の膜層に処理を施す工程と、処理済みのウエハ１０４を処理室１０４外に搬出する工程と、ウエハ１０４が搬出され密封された処理室１０１に面した部材の表面に付着した物質を取り除いて処理開始前の状態に近づけるクリーニングを行う工程とを含んでいる。ウエハ１０４の表面の膜層に処理を施す工程は、後述の用に所望の結果が得られるように複数回繰り替えされるステップを含んでいる。
なお、本実施例において、図２に示すプラズマ処理装置１００が行う動作は、図示しない制御装置からの指令信号に基づいて行われる。当該制御装置は指令信号を発信してこのような動作をさせるプラズマ処理装置１００を構成する図１に示した真空容器１１７等の各部分や部品、電源との間が指令信号及び当該部分に配置されたセンサからの信号を通信可能に接続されている。
制御装置は、マイクロプロセッサ等の半導体デバイスで構成された演算器と、プラズマ処理装置１００との間で通信される信号の授受を行うインターフェースと、信号に含まれるデータや演算器の出力した信号の値を書き込んで記憶したり演算器が動作するアルゴリズムが記載されたソフトウエアやプログラムが予め記憶されて読み出されるＲＡＭやＲＯＭ等のメモリ或いはＨＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等のドライブを含む記憶装置とを備えてこれらが通信可能に接続されて構成されている。制御装置は、プラズマ処理装置１００が設置されたクリーンルーム等の建屋内の特定のフロアの階層に設置されていても、別の階層や建屋内で当該プラズマ処理装置およびその部分と通信可能に配置されていても良い。
まず、ウエハ搬入工程２０１として、エッチング処理の対象となる膜層を含む膜構造がその表面に予め配置された未処理のウエハ１０４が、図示しない真空容器１１７の下部ブロックの外側壁に連結された別の真空容器であって減圧された内部の空間である搬送室を備えた真空搬送容器内の当該搬送室内を、この室内に配置され複数の梁状部材の両端部が関節により連結されて構成され当該関節の軸回りの梁状部材の回転により全体を伸長または収縮させるアームを備えた搬送装置であるロボットアームの当該アーム先端部のウエハ保持用のハンド部上に載せられて搬送され、ハンド部がアームの伸長によって搬送室から処理室１０１内部に進入することで処理室１０１内に搬入され、ステージ１０３に受け渡される（ステップ２０１１）。アームが処理室１０１外の搬送室に退出するとウエハ１０４がステージ１０３上部の誘電体製の膜上面に載せられて静電吸着され保持される（ステップ２０１２）。
次に、サイクル除去工程２０２が開始され、プロセスガス供給装置１１２から供給された処理用ガスは、ガス供給口１１１を介して放電室１０２内に上方から導入される。さらに、高周波電源１１３から高周波コイル１０９に高周波電力が供給され放電室１０２内に形成された誘導電流により、当該放電室１０２内に供給された処理用ガスの原子または分子が励起されプラズマ１０２’が形成される（ステップ２０２１）。
このプラズマ１０２’に含まれる、あるいはこれに含まれた荷電粒子により励起されて高い反応性を有した粒子であるラジカルは、放電室１０２を拡散しつつ下方に移動して分散板１１０の貫通孔を通り処理室１０１に進入し、処理室１０１下方のステージ１０３上面上で保持されたウエハ１０４上面に到達し、当該上面に配置され処理対象である膜層の材料と物理的あるいは化学的反応を起こし反応生成物を生成して層を形成する（ステップ２０２２）。ここで、このような反応は、飽和性のある反応であるため、反応の結果として反応層の厚さは供給されるラジカルがウエハ１０４上面へ照射される時間を増減することにより高い精度で調節することが可能となる。
一定の厚さの反応層が形成された後、高周波電源からのプラズマ形成用の高周波電力あるいはステージ１０３内に配置された電極に供給されたバイアス電位形成用の高周波電源からの電力を小さくしてプラズマを消火した後、処理室１０１はステージ１０３の下部に設置された真空ポンプの動作により処理室１０１及び放電室１０２内が高速に且つ所定の高い真空度まで排気される（ステップ２０２３）。当該真空度が図示しない真空容器１１７に取り付けられた圧力計により検知され制御装置により検出されると、ＩＲランプ１０６に電力が供給されて電磁波（赤外線帯域の光）がウエハ１０４上面に向けて放射され、ウエハ１０４は加熱され反応層の生成物にこれを構成する粒子のウエハ１０４表面からの脱離に必要なエネルギーが与えられる（ステップ２０２４）。
反応生成物の脱離とこれによる反応層の除去のためには、その材料を構成する粒子に所定の値以上のエネルギーを与えればよい。本実施例ではランプユニット１１８のＩＲランプ１０６から放射されるＩＲを受けてウエハ１０４が所定の値の温度以上に加熱されることで、反応層の表面を構成する反応生成物に均等にエネルギーが与えられてその表面から脱離する粒子の量の偏りが低減され、ウエハ１０４の表面からの反応層の除去の量の分布がより均一に近づけられる。反応層が所定の量だけ除去された後、ＩＲランプ１０６に供給された電力が停止されてＩＲの放射とこれによるウエハ１０４の加熱が停止されて、内部の流路をウエハ１０３より低い温度にされた冷媒が通流するステージ１０３との間に熱伝達ガスが供給されて熱伝達が促進されているウエハ１０４は、次にラジカル等の反応性粒子を処理対象の膜層表面に吸着させるのに適した温度まで冷却される（ステップ２０２５）。
この後、処理対象の膜層の残り膜厚さが所期の値以下に到達したか否かが図示しないプラズマ処理装置１００の制御装置により判定され、到達していないと判定された場合には、プラズマ１０２’を形成するステップ２０２１に戻ってサイクル除去工程を再度開始する。当該膜厚さが所期の値に到達したことが検出されると、ウエハ搬出工程２０３に移行する。
ウエハ搬出工程２０３では、まずウエハ１０４のステージ１０３への静電吸着が解除される（ステップ２０３１）。このステップでは、例えば誘電体製の吸着膜内の２つの膜状の電極に処理中に供給されていた直流の電力により形成れた極性と逆のものとなるように直流の電力が供給される。
この後、ウエハ１０４は吸着膜上方に図示しないステージ１０３内に収納されていた複数のプッシャピンが上方に移動することでこれらの先端上方に載せられてステージ１０３上方に持ち上げられ、処理室１０１内に進入してきた搬送室内のロボットアームのアーム先端部を構成するハンド部上に載せられて受け渡され、アームが収縮することにより処理室１０１から搬送室へ搬出される（ステップ２０３２）。
本実施例ではウエハ搬出工程２０３の後、真空容器１１７内部の表面に付着した反応生成物等の物質を除去するためのクリーニング工程２０４が実施される。この工程において、真空容器１１７の内部には、ガス供給装置１１２からガス供給口１１１を介して放電室１０２にＮＦ３，ＳＦ６ガス、或いはこれらをＯ２，Ｎ２，Ａｒ，Ｈｅ，Ｎｅ等の不活性ガスで希釈した混合ガスが導入され、高周波コイル１０９に高周波電源からの高周波電力が供給されて形成された放電室１０２内の誘導電流により混合ガスが励起されてプラズマが形成される（ステップ２０４１）。
このステップにおいて、処理室１０１内の圧力は、制御装置からの指令信号に基づいて調節された排気用の開口と真空ポンプ入口との間の調圧バルブの動作により、サイクル除去工程が実施された際の圧力の値より高い値の圧力にされる。この状態で、ステップ２０４２において、ランプユニット１１８の表面を含めた真空容器１１７内部の表面のクリーニングが実施される。
具体的には、反応生成物等真空容器１１７内部に形成されて放電管１０８、ランプユニット１１８の光透過窓１０５、処理室１０１を構成する真空容器１１７の下部ブロックの内側壁面に付着した物質が、上記混合ガスのプラズマにより形成された荷電粒子或いは反応性の高い粒子がこれら内側壁面に供給されて生起された相互作用により除去される。また、このクリーニングのステップ中に、処理室１０１の排気用の開口近傍あるいは放電管１０８側壁に配置した受光器を通して受光したプラズマからの特定の波長の発光の強度が制御装置において検出され、判定用の所定の値と比較されてクリーニングの終点が判定される。
終点が検出されるまでステップ２０４２は継続され、当該終点が検出された後は、混合ガスの供給または高周波コイルへの高周波電力の供給が停止されてプラズマが消火される。さらに、制御装置からの指令信号に応じて、真空ポンプまたは調圧バルブの動作によりステップ２０４１，２０４２あるいはサイクル除去工程２０２より高い真空度まで真空排気して減圧されてクリーニング処理が終了する（ステップ２０４３）。
クリーニング工程２０４の終了後、次に実施される処理対象である未処理のウエハ１０４が存在する場合には、ウエハ搬入工程２０１に戻ってウエハ１０４が処理室１０１に搬送される。処理対象のウエハ１０４が無い場合には、プラズマ処理装置１００によるウエハ１０４の処理が停止される。
なお、本実施例では、クリーニング工程２０４において処理室１０１内にはウエハが配置されていないが、当該工程における混合ガスのプラズマ中の粒子との相互作用によりステージ１０３表面、特にはウエハ１０４を静電吸着するため誘電体製の膜が消耗することを抑制するため、ステップ２０４１の開始前にＳｉ等のクリーニングの作用に及ぼす影響が小さいと想定される材料から構成されたクリーニング工程用のダミーウエハをステージ１０３上に載置して、ステップ２０４１，２０４２を実施しても良い。
このようなクリーニング工程２０４を実施することで、透過窓１０５の表面を含む真空容器１１７内部の表面を構成する壁表面に付着した反応生成物を効率的に除去し、ウエハ１０４のエッチング処理の歩留まり及びプラズマ処理装置１００のウエハ処理のスループットの向上が達成される。
〔変形例〕
次に図３乃至５を用いて、図１に示す実施例の変形例について説明する。図３は、図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
本図に示す変形例では、図１に示した実施例の構成に加えて、ランプユニット１１８が載せられる真空容器１１７の下部ブロックに配置されパージガスを処理室１０１内に供給するガス供給口３０２及びこれにパージガスを供給するパージガス供給装置３０３が備えられ、パージガス供給装置３０３はガス供給口３０２と接続されると共にガス供給装置１１２と蓋部材１１９との間を接続する処理ガス用のガス供給経路を構成する配管に、パージガス供給経路を構成する配管を介して接続されている。
また、処理ガス用のガス供給経路を構成する配管上のパージガス用のガス供給経路を構成する配管の接続部とガス供給装置１１２との間には、内部を通る処理用ガスの流量または速度を増減あるいは管路の開放と気密な閉塞とを行うガスバルブ３０１が配置されている。さらに、ガス供給口３０２及び処理ガス用のガス供給経路を構成する配管上のパージガス用のガス供給経路を構成する配管との接続部とパージガス供給装置３０３との間のパージガス供給経路上には、パージガスが内部を流れる配管の管路の開放と気密な閉塞あるいはパージガスの流量または速度の増減を行うガスバルブ３０４が配置されている。
本例においても、ガス供給装置１１２からの処理用ガスは蓋部材１１９に配置されたガス供給口１１１から放電室１０２に供給される一方で、処理用ガスがパージガス供給経路を通りガス供給口３０２から処理室１０１に導入されることを抑制するために、処理用ガスのガス供給経路を構成する配管とガス供給口３０２とを接続するパージガス供給経路を構成する配管上であってガスバルブ３０４とガス供給口３０２との間に配管内の流路の開放または気密な閉塞をするガスバルブ３０５が配置されている。処理用ガスがガス供給口１１１から放電室１０２に供給されている間は、ガスバルブ３０５は制御装置からの指令信号に基づいてパージガス供給経路を構成する配管を気密に閉塞する。
ガス供給口３０２は、真空容器１１７の下部ブロックを構成しその円筒形の側壁上端上方に載せられて中央部に円形の開口を備え処理室１０１の天井面を構成する板状の外周リング部材であってその上方に載せられるランプユニット１１１８の台座のリング内周縁を構成する内側壁上にその開口が配置され、上方かつ処理室１０１中央側に位置するランプユニット１１８の光透過窓１０５の下面に向けて供給されたパージガスが流出するように、当該開口の軸方向が配置されている。本例において、好ましいガス供給口３０２は、リング状に配置された光透過窓１０５の下面の直下方であってこれを囲んだ周方向の位置に、処理室１０１またはランプユニット１１８の中心軸について等しいかこれと見做せる程度に近似した角度で、その開口を構成するスリットが台座である外周リング部材の中央部の開口の内周側壁に配置されている。
図４を用いて、図３のガス供給口３０２の構成を詳細に説明する。図４は、図３に示す変形例に係るプラズマ処理装置の一つのガス供給口の近傍の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。
本図において、ガス供給口３０２は、真空容器１１７を構成し処理室１０１の外周を囲む下部ブロックの円筒形の側壁上端の上方に載せられた外周リング部材４０３の内部に配置された貫通孔であって、その一端の開口は真空容器１１７の下部ブロックの外側壁面に配置されパージガス供給経路を構成する配管と接続されている。また、他方の端部は、外周リング部材４０３の中央部の開口を囲むリングの内周の側壁に配置されている。
さらに、ガス供給口３０２の他端部の開口の軸方向は、外周リング部材４０３の上方に載せられたランプユニット１１８の光透過窓１０５の下側表面と平行またはこれと見做せる程度に近似した方向であって、外周リング部材４０３の円形の中央部開口の中心に向けて配置されている。ガス供給口３０２の下方であって外周リング部材４０３の下面下方には、ガス供給口３０２から供給されて処理室１０１または中央部開口の中心に向けて導入されるパージガスが、光透過窓１０５の下面に沿って流れるように、これに平行な表面を有して外周リング部材４０３のリングの内周縁を覆ってその周方向にリング状に配置された案内板４０１が配置されている。
案内板４０１は、外周リング部材４０３と同じ材料で構成されたホルダ４０３が外周リング部材４０３下面に対して案内板４０１を挟んでネジ等の部材で締結されて、処理室１０１内で保持されている。本例の案内板４０１は、ＩＲランプから放射されるＩＲ光を減衰または遮蔽しないように、光透過窓１０５と同じ波長を透過する材料、例えば石英を含む材料で構成されている。
次に、図５を用いて、本変形例に係るプラズマ処理装置のプラズマ処理装置の運転の流れを説明する。図５は、図３に示す変形例に係るプラズマ処理装置の運転の動作の流れを示すフローチャートである。
本例のプラズマ処理装置１００の運転は、図２に示す実施例と同様に、処理室１０１内に処理対象の未処理であるウエハ１０４を搬入してステージ１０３上に配置する工程と、その後にウエハ１０４の表面に予め配置されたマスク層を含む複数の膜から構成された膜構造の当該処理対象の膜層に処理を施す工程と、処理済みのウエハ１０４を処理室１０４外に搬出する工程と、ウエハ１０４が搬出され密封された処理室１０１に面した部材の表面に付着した物質を取り除いて処理開始前の状態に近づけるクリーニングを行う工程とを含んでいる。ウエハ１０４の表面の膜層に処理を施す工程は、後述の用に所望の結果が得られるように複数回繰り替えされるステップを含んでいる。さらに、プラズマ処理装置１００が行う動作は、図示しない制御装置からの指令信号に基づいて行われる。
まず、ウエハ搬入工程５０１として、エッチング処理の対象となる膜層を含む膜構造がその表面に予め配置された未処理のウエハ１０４が、図示しない真空容器１１７の下部ブロックの外側壁に連結された真空搬送容器の搬送室内を、当該搬送室内のロボットアームのアーム先端部のウエハ保持用のハンド部上に載せられて搬送され、処理室１０１内に搬入され、ステージ１０３に受け渡される（ステップ５０１１）。アームが処理室１０１外の搬送室に退出するとウエハ１０４がステージ１０３上部の誘電体製の膜上面に載せられて静電吸着され保持される（ステップ５０１２）。
次に、サイクル除去工程５０２が開始され、制御装置からの指令信号に基づいて、ガスバルブ３０５が気密に閉塞された状態でガスバルブ３０１が開かれて、当該ガスバルブ３０１の動作により、プロセスガス供給装置１１２からの処理用ガスがその流量または速度がプラズマ１０２’の形成に適した所定の範囲内の値に調節され、ガス供給口１１１を介して放電室１０２内に上方から導入される。さらに、高周波電源１１３から高周波コイル１０９に高周波電力が供給され放電室１０２内に形成された誘導電流により、当該放電室１０２内に供給された処理用ガスの原子または分子が励起されプラズマ１０２’が形成される（ステップ５０２１）。
このプラズマ１０２’に含まれる、あるいはこれに含まれた荷電粒子により励起されて高い反応性を有した粒子であるラジカルは、放電室１０２を拡散しつつ下方に移動して分散板１１０の貫通孔を通り処理室１０１に進入し、処理室１０１下方のステージ１０３上面上で保持されたウエハ１０４上面に到達する。当該ウエハ１０４の上面に予め配置され処理対象である膜層の材料とラジカルとが物理的あるいは化学的反応を起こし反応生成物を生成して層を形成する（ステップ５０２２）。一定の厚さの反応層が形成された後、高周波電源からのプラズマ形成用の高周波電力あるいはステージ１０３内に配置された電極に供給されたバイアス電位形成用の高周波電源からの電力を小さくしてプラズマを消火した後、処理室１０１はステージ１０３の下部に設置された真空ポンプの動作により処理室１０１及び放電室１０２内が高速に且つ所定の高い真空度まで排気される（ステップ５０２３）。
当該所定の真空度が真空容器１１７に取り付けられた図示しない圧力計からの出力により制御装置において検出されると、制御装置からの指令信号に応じて処理用ガスのガス供給経路の配管上に配置されたガスバルブ３１１が閉じられて当該配管内の流路が気密に閉塞される。この状態で、ガスバルブ３０４，３０５が開かれてガス供給装置３０３からパージガスがパージガス供給経路に供給される（ステップ５０２４）。
ガスバルブ３０４を通過したパージガスは、ガスバルブ３０５を含むパージガス供給経路を通流してガス供給口３０２から処理室１０１内に供給されるとともに、処理用ガスのガス供給経路に流入して蓋部材１１９のガス供給口１１１から放電室１０２内に上方から供給され、放電室１０２下中央部の開口に配置された分散板１１０の貫通孔を通り処理室１０１内に流入する。この結果、真空容器１１７内に供給されたパージガスは、光透過窓１０５の底面および内周側壁面に沿って処理室１０１の上中央部に向かって流れて、光透過窓１０５の光が透過する領域の表面への処理室１０１内の粒子の到達を抑制する。
次に、ステップ５０２４において開始されたパージガスの供給がなされた状態で、図示しないランプ用電源１１５からＩＲランプ１０６に電力が供給されて放射された赤外線を受けてウエハ１０４が加熱され、ウエハ１０４表面の反応層を構成する反応生成物にこれを構成する粒子の脱離に必要なエネルギーが与えられる（ステップ５０２５）。本例においても、ランプユニット１１８のＩＲランプ１０６から放射されるＩＲを受けてウエハ１０４が所定の値の温度以上に加熱され、ウエハ１０４の表面からの反応層の除去の量の分布がより均一に近づけられる。
反応層が所定の量だけ除去された後、ＩＲランプ１０６に供給された電力が停止されてＩＲの放射とこれによるウエハ１０４の加熱が停止されて、内部の流路をウエハ１０３より低い温度にされた冷媒が通流するステージ１０３との間に熱伝達ガスが供給されて熱伝達が促進されているウエハ１０４は、次にラジカル等の反応性粒子を処理対象の膜層表面に吸着させるのに適した温度まで冷却される（ステップ５０２６）。この際、制御装置からの指令信号に応じてガスバルブ３０４，３０５がパージガス供給経路を気密に閉塞して真空容器１１７内部へのパージガスの供給が停止される。
この後、処理対象の膜層の残り膜厚さが所期の値以下に到達したか否かが図示しないプラズマ処理装置１００の制御装置により判定され、到達していないと判定された場合には、プラズマ１０２’を形成するステップ５０２１に戻ってサイクル除去工程を再度開始する。当該膜厚さが所期の値に到達したことが検出されると、ウエハ搬出工程５０３に移行して、図２に示したものと同じ複数のステップから構成されるウエハ搬出工程５０３及びクリーニング工程５０４が実施される。
その後、次に実施される処理対象である未処理のウエハ１０４が存在する場合には、ウエハ搬入工程５０１に戻ってウエハ１０４が処理室１０１に搬送される。処理対象のウエハ１０４が無い場合には、プラズマ処理装置１００によるウエハ１０４の処理が停止される。
なお、本変形例は、ステップ５０２６においてＩＲランプ１０６によるウエハ１０４の加熱が終了した後にパージガスの供給が停止される構成である。この構成では加熱が終了した後のウエハ１０４を冷却する期間中にウエハ１０４から処理室１０１内に脱離してウエハ１０４の周囲に滞留している残留反応生成物が再度ウエハ１０４表面に付着してしまう虞がある。
このような問題の生起を抑制するために、パージガスの供給をステップ５０２６でも継続してその終了後にステップ５０２１に戻ってサイクル除去工程を再開する時点まで継続しステップ５０２１での再開時に停止する構成としても良い。また、クリーニング工程５０４のステップ５０４１，５０４２において、ガス供給口３０２からクリーニングガスを供給して、処理室１０１内のランプユニット１１８の光透過窓１０５の近傍で放電室１０２から分散板１１０を通して流入してきたプラズマ１０２’の高い反応性の粒子とクリーニングガスとを作用させ、光透過窓１０５の表面の不着物を除去するようにしても良い。
本例においては、光透過窓１０５表面へ付着した反応生成物等の不着物を除去する作用が奏されるとともに、ウエハ１０４を加熱する際にウエハ１０４表面の反応層から脱離した反応生成物を構成する物質が光透過窓１０５へ付着することを抑制することができ、プラズマ処理装置１００によって処理されるウエハ１０４の枚数が増大するに伴って光透過窓１０５を透過するＩＲの減衰が増大してしまいランプユニット１１８によるウエハ１０４の加熱の効率がそこな我て、ウエハ１０４の加熱がウエハ１０４上面の面内方向について不均一となってしまったり、所期の値の範囲内に加熱されなかったりして処理の歩留まりが損なわれたり、あるいは加熱に要する時間が長くなってスループットが低下してしまうことが抑制される。これにより、プラズマ処理装置１００によるウエハ１０４の処理が長期的に安定にされ装置及びこれによる処理の信頼性や再現性が向上される。
なお、上記の実施例のステップ２０２１，２０２２および変形例のステップ５０２１，５０２２においては、ステージ１０３上に載せられたウエハ１０４上面上方にバイアス電位を形成するための電力例えば所定の周波数の高周波電力はステージ１０３またはその内部に配置された電極に供給されていない。しかし、ウエハ１０４上面に供給されるラジカルによる反応生成物による膜層をより効率よく形成するために、これらのステップ中において上記電力を供給してバイアス電位をウエハ１０４上面上方に形成しても良い。
１０１…処理室、１０２…プラズマ、１０３…ステージ、１０４…ウエハ、１０５…ＩＲ透過窓、１０６…赤外線ランプ、１０７…反射板、１０８…放電管、１０９…高周波コイル、１１０…分散板、１１１…ガス供給口、１１２…ガス供給装置、１１３…高周波電源、１１４…整合器、１１５…ランプ用電源、１１６…高周波カットフィルタ、３０１…ガスバルブ、３０２…ガス供給口、３０３…パージガス供給装置、３０４，３０５…ガスバルブ、４０１…案内板。

Claims (6)

  1. 内側が減圧される真空容器と、この真空容器内部に配置され処理対象のウエハが配置されて処理される処理室及びこの処理室上方に配置されその内部に供給された処理用のガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、前記処理室内側でその下部に配置され前記ウエハが上面に載せられる試料台と、この試料台の上面の上方の前記真空容器内であって前記処理室と前記プラズマ形成室との間に配置され前記プラズマの粒子が前記処理室に導入される複数の貫通孔を備えた誘電体製の板部材と、前記処理室の上方の前記板部材の外周側でこれを囲んで配置され前記ウエハに電磁波を照射して加熱するランプ及び前記処理室の内側に面して前記ランプからの前記電磁波を透過させる部材で構成されたリング状の窓部材とを備えた真空処理装置の運転方法であって、
    前記窓部材の電磁波を透過させる部材がこの窓部材の下面及び前記板部材を囲む側面を構成するものであって、
    前記導入孔から前記試料台上に載せられた前記ウエハに前記処理用のガスを用いて前記プラズマ形成室内に形成されたプラズマの粒子を供給して前記ウエハの表面に反応生成物を形成する工程の後に、前記プラズマ形成室内でのプラズマを消火し前記電磁波により前記ウエハを加熱して前記反応生成物を脱離させる工程を実施した後、前記プラズマ形成室にクリーニング用のガスを供給して前記プラズマ形成室内に形成したプラズマの粒子を当該プラズマ形成室及び前記処理室並びに前記窓部材に供給する工程を実施する真空処理装置の運転方法。
  2. 請求項１に記載の真空処理装置の運転方法であって、
    前記ウエハを加熱する工程において前記電磁波により板部材が加熱される真空処理装置の運転方法。
  3. 請求項１または２に記載の真空処理装置の運転方法であって、
    前記前記ウエハの表面に反応生成物を形成する工程と前記反応生成物を脱離させる工程とが交互に複数回繰り返される真空処理装置の運転方法。
  4. 内側が減圧される真空容器と、この真空容器内部に配置され処理対象のウエハが配置されて処理される処理室及びこの処理室上方に配置されその内部に供給された処理用のガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、前記処理室内側でその下部に配置され前記ウエハが上面に載せられる試料台と、この試料台の上面の上方の前記真空容器内であって前記処理室と前記プラズマ形成室との間に配置され前記プラズマの粒子を前記処理室に導入される複数の貫通孔を備えた誘電体製の板部材と、前記処理室の上方の前記板部材の外周側でこれを囲んで配置され前記ウエハに電磁波を照射して加熱するランプ及び前記処理室の内側に面して前記ランプからの前記電磁波を透過させる部材で構成されたリング状の窓部材とを備えた真空処理装置の運転方法であって、
    前記窓部材の電磁波を透過させる部材がこの窓部材の下面及び前記板部材を囲む側面を構成するものであって、
    前記導入孔から前記試料台上に載せられた前記ウエハに前記処理用のガスを用いて前記プラズマ形成室内に形成されたプラズマの粒子を供給して前記ウエハの表面に反応生成物を形成する工程の後に、前記プラズマ形成室内でのプラズマを消失させた状態で前記処理室に面した前記窓部材の表面に沿って希ガスを供給しつつ前記電磁波により前記ウエハを加熱して前記反応生成物を脱離させる工程を実施する真空処理方法。
  5. 請求項４に記載の真空処理装置の運転方法であって、
    前記ウエハを加熱して前記反応生成物を脱離させる工程中にリング状の前記窓部材の外周側から前記処理室の中央側に向けて前記希ガスが供給される真空処理装置の運転方法。
  6. 請求項４または５に記載の真空処理装置の運転方法であって、
    前記ウエハの表面に反応生成物を形成する工程及び前記ウエハを加熱して前記反応生成物を脱離させる工程が交互に複数回繰り返される真空処理装置の運転方法。
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