JP3077516B2

JP3077516B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3077516B2
Application number: JP06163470A
Authority: JP
Inventors: 寛人金尾; 宏和新井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH0831751A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置に関
し、より詳細には試料に対してエッチング、薄膜形成等
のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ドライ処理プロセスは、ＬＳＩ製作時に
必要とされる高精細なパターン形成工程の中で用いら
れ、ドライ処理を行うための装置のひとつとして、マイ
クロ波を用い、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Elec
tron Cycrotron Resonance）を利用したプラズマ処理装
置がある。

【０００３】ＥＣＲ励起によりプラズマを発生させる装
置は、低ガス圧力下において活性度の高いプラズマを生
成させることができ、イオンエネルギーの広範囲な選択
が可能であり、また大きなイオン電流が得られ、イオン
流の指向性、均一性に優れる等の利点を有しているた
め、高集積半導体素子等の製造に欠かせないものとして
その研究開発が進められている。

【０００４】図６は従来のＥＣＲ励起を利用するプラズ
マ処理装置を概略的に示した断面図であり、図中３１は
プラズマ生成室を示している。プラズマ生成室３１の上
部壁中央には石英ガラス板３１ｂを用いて封止されたマ
イクロ波導入口３１ｃが形成されており、マイクロ波導
入口３１ｃには他端が図示されていないマイクロ波発振
器に接続された導波管３２の一端が接続されている。さ
らにプラズマ生成室３１の下部壁中央には、マイクロ波
導入口３１ｃと対向する箇所にプラズマ引き出し窓３１
ｄが形成されており、プラズマ引き出し窓３１ｄに臨ま
せて試料室３３が配設されている。プラズマ生成室３１
及びこれに接続された導波管３２の一端部にわたる周囲
には、これらを囲繞する態様でこれらと同心状に励磁コ
イル３４が配設されている。

【０００５】試料室３３内にはプラズマ引き出し窓３１
ｄと対向する箇所に載置台３７が配設され、載置台３７
上には、試料室３３の側壁に開口された搬入口３０から
搬入されるウエハ等の試料Ｓが、静電吸着等の手段を用
いて着脱可能に載置され、試料室３３の下部側壁には、
図示しない排気装置に接続された排気口３３ａが形成さ
れている。また、図中３３ｂは試料室３３に連通するガ
ス供給系を示している。

【０００６】プラズマ生成室３１の内周壁にはベルジャ
３８ａが配設されており、また、プラズマ引き出し窓３
１ｄが開口された上部壁を除く試料室３３の内周壁には
防着部材３８ｂが配設され、これらベルジャ３８ａ及び
防着部材３８ｂから内壁面保護部材３８が構成されてい
る。これらベルジャ３８ａ及び防着部材３８ｂは、プラ
ズマ生成室３１及び試料室３３を構成する反応容器３５
の内周壁にプラズマが直接照射されることによって生ず
る重金属汚染を防止することを目的としており、内壁面
保護部材３８の材料としては石英ガラスやアルミニウム
（以下Ａｌと記す）等が用いられている。

【０００７】このように構成されたプラズマ処理装置を
用い、試料ＳにエッチングやＣＶＤ等のプラズマ処理を
施す場合、まずプラズマ生成室３１及び試料室３３内を
所要の真空度に設定した後、反応容器３５内にガス供給
管３３ｂからガスを供給し、励磁コイル３４に直流電流
を流して磁界を形成しつつ、マイクロ波導入口３１ｃを
通じてプラズマ生成室３１内にマイクロ波を導入し、プ
ラズマ生成室３１を空洞共振器としてガスを共鳴励起さ
せ、プラズマを生成させる。励磁コイル３４により形成
され、試料室３３側に向かうにしたがって磁束密度が低
下する発散磁界により、生成したプラズマは試料室３３
内の試料Ｓ周辺に投射され、これにより試料Ｓ表面がプ
ラズマ処理される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記したプラズマ処理
装置においては、ウエハのプラズマ処理枚数を重ねるご
とに、プラズマ処理中に生成した物質が内壁面保護部材
３８に付着し、この付着物が厚くなると剥離してパーテ
ィクルとなり、試料Ｓの上に落下してプラズマエッチン
グ時のエッチング不良やプラズマＣＶＤ時の成膜不良を
起こす。これを避けるため、剥離量が多くなる前にプラ
ズマ処理装置を停止し、内壁面保護部材３８の洗浄また
は交換を行っているが、ＬＳＩを作製する場合、この作
業が装置の稼動率を下げ、生産性の向上の妨げになって
いる。このため、装置の連続稼動時間の延長（連続処理
枚数の増大）が要求されている。

【０００９】この対策の一つとして、内壁面保護部材３
８の外側に加熱ヒータ等を配設し、パワー等の制御によ
り内壁面保護部材３８を一定温度にする方法が採られて
いる。

【００１０】図７は内壁面保護部材３８に加熱手段３９
が配設されたプラズマ処理装置の模式的断面図である。
内壁面保護部材３８の外側には電気抵抗体３９ａが配設
されており、電力導入端子３９ｂから電気抵抗体３９ａ
に電力が供給されるとジュール熱が発生する。このジュ
ール熱により、内壁面保護部材３８が加熱される。こう
したプラズマ処理装置は、内壁面保護部材３８と付着物
との間の熱膨張係数差によって生じる熱応力を減少させ
ることにより、付着物の膜にき裂が発生し、これが剥離
してパーティクルになるのを防止しようとするものであ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラズ
マによる発生熱のためプラズマ生成室３１、試料室３３
内の温度は不均一になり易く、多くの箇所の温度を測定
してパワー制御を行なっても内壁面保護部材３８の温度
を均一化することが難しいという課題があった。また、
パワーをオフしてもプラズマ照射により内壁面保護部材
３８の温度が上昇する場合もあり、また、プラズマ非処
理時には内壁面保護部材３８の温度は下がり内壁面保護
部材３８の温度を一定にすることが難しいという課題が
あった。

【００１２】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、内壁面保護部材のあらゆる箇所における温度
を容易に均一化して一定にすることができ、プラズマ処
理によって生じる付着物が前記内壁面保護部材から剥離
するのを防ぎ、パーティクルの発生に基づくウエハの品
質低下を防ぐことができ、しかも装置の稼動率を向上さ
せることができるプラズマ処理装置を提供することを目
的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は、反応容器内壁面の
全面もしくは一部をプラズマ雰囲気から保護するための
内壁面保護部材が反応容器内に配設されたプラズマ処理
装置において、少なくともプラズマ生成部側に存在する
前記内壁面保護部材の内部に流体経路が形成され、該流
体経路に恒温流体を供給する流体供給手段を備えている
ことを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明に係るプラズマ処理装置によれば、少な
くともプラズマ生成部側に存在する前記内壁面保護部材
の内部に流体経路が形成され、該流体経路に恒温流体を
供給する流体供給手段を備えているので、前記内壁面保
護部材と前記恒温流体との間の熱交換が直接的に効率よ
く行なわれ、また、前記恒温流体の温度と循環量とを制
御することにより前記内壁面保護部材が一定温度に保た
れ、前記内壁面保護部材の温度が容易に均一化される。
このため、前記内壁面保護部材と付着物との間の熱膨張
係数差によって生じる熱応力が緩和され、前記内壁面保
護部材の表面に付着した付着物の剥離が抑制されること
となる。したがってパーティクルによるウエハの汚染が
減少し、汚染に起因するウエハの品質低下が軽減され、
またプラズマ処理装置の稼動率の向上が図られる。

【００１５】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るプラズマ処理
装置の実施例を図面に基づいて説明する。図１は実施例
に係るプラズマ処理装置を模式的に示した断面図であ
り、図中１１はプラズマ生成室を示している。プラズマ
生成室１１の上部壁中央には石英ガラス板１１ｂを用い
て封止されたマイクロ波導入口１１ｃが形成されてお
り、マイクロ波導入口１１ｃには他端が図示されていな
いマイクロ波発振器に接続された導波管１２の一端が接
続されている。さらにプラズマ生成室１１の下部壁中央
には、マイクロ波導入口１１ｃと対向する箇所にプラズ
マ引き出し窓１１ｄが形成されており、プラズマ引き出
し窓１１ｄに臨ませて試料室１３が配設されている。プ
ラズマ生成室１１及びこれに接続された導波管１２の一
端部にわたる周囲には、これらを囲繞する態様でこれら
と同心状に励磁コイル１４が配設されており、プラズマ
生成室１１及び試料室１３は反応容器１５により構成さ
れている。

【００１６】試料室１３内にはプラズマ引き出し窓１１
ｄと対向する箇所に、載置台１７が配設され、載置台１
７上には、試料室１３の側壁に開口された搬入口１０か
ら搬入されるウエハ等の試料Ｓが、静電吸着等の手段を
用いて着脱可能に載置され、試料室１３の下部側壁に
は、図示しない排気装置に接続される排気口１３ａが形
成され、試料室１３にはガス供給管１３ｂが接続されて
いる。

【００１７】プラズマ生成室１１の内周壁には不透明石
英ガラスを用いて形成されたベルジャ１８ａが配設され
ており、またプラズマ引き出し窓１１ｄが開口された試
料室１３の上部壁を除く試料室１３の内周壁には、同じ
く不透明石英ガラスを用いて形成された防着部材１８ｂ
が配設され、これらベルジャ１８ａ及び防着部材１８ｂ
により内壁面保護部材１８が構成されている。この内壁
面保護部材１８の内部には恒温流体１９を通流させる流
体経路１６ｄが形成されており、流体経路１６ｄには流
体導入管１６ｂ、流体排出管１６ｃの一端がそれぞれ脱
着可能に接続されている。また流体導入管１６ｂ及び流
体排出管１６ｃの他端には恒温チラー１６ａが接続さ
れ、これら恒温チラー１６ａ、流体導入管１６ｂ、流体
排出管１６ｃにより流体供給手段１６が構成されてお
り、恒温チラー１６ａを用いて所望の温度に保たれた恒
温流体１９が、所望の通流速度で流体経路１６ｄを循環
させられるようになっている。

【００１８】このように構成されたプラズマ処理装置を
用いて試料ＳにエッチングやＣＶＤ等のプラズマ処理を
施す場合、まず所定の通流速度で恒温流体１９を流体経
路１６ｄ内に循環させ、内壁面保護部材１８が一定温度
となるように制御する。次に載置台１７に試料Ｓを載置
した後、プラズマ生成室１１及び試料室１３内を所要の
真空度に設定し、ガス供給管１３ｂを通じて反応容器１
５内にガスを供給し、励磁コイル１４に直流電流を流し
て磁界を形成しつつマイクロ波導入口１１ｃを通じてプ
ラズマ生成室１１内にマイクロ波を導入し、プラズマ生
成室１１を空洞共振器としてガスを共鳴励起させ、プラ
ズマを生成させる。励磁コイル１４への通電によりプラ
ズマ生成室１１のほぼ全域にわたって試料室１３側に向
かうにしたがい磁束密度が低下する発散磁界が一様に形
成され、この発散磁界により試料Ｓにプラズマが均一な
密度で投射される。そして試料Ｓ表面のプラズマ処理が
終了すると、マイクロ波及びガスの導入を停止してプラ
ズマを切り、試料Ｓを交換する。上記処理を繰り返す
間、内壁面保護部材１８の温度を常に一定に保つことが
できる。

【００１９】図２は本発明に係るプラズマ処理装置の別
の実施例を示す断面図であり、図１と同一機能を有する
部品には同一の符合を付すものとする。図２において、
マイクロ波導入口１１ｃと接する上部壁を除くプラズマ
生成室１１の内周壁にはＡｌなどの金属を用いて形成さ
れたベルジャ２８ａが配設されており、またプラズマ引
き出し窓１１ｄが開口された上部壁を除く試料室１３の
内周壁には、同じくＡｌなどの金属を用いて形成された
防着部材２８ｂが配設され、これらベルジャ２８ａ及び
防着部材２８ｂにより内壁面保護部材２８が構成されて
いる。内壁面保護部材２８と反応容器１５の内周壁との
間には所定距離が確保されており、この空間が恒温流体
１９を通流させる流体経路１６ｄとなっている。流体経
路１６ｄには流体導入管１６ｂ、流体排出管１６ｃの一
端がそれぞれ脱着可能に接続されている。また流体導入
管１６ｂ及び流体排出管１６ｃの他端には恒温チラー１
６ａが接続されている。

【００２０】上記構成においては、内壁面保護部材２８
のマイクロ波導入口１１ｃに接する部分に孔１１ｅが形
成されることにより、内壁面保護部材２８がＡｌなどの
金属によって形成される場合においてもマイクロ波の透
過が妨げられることがなく、結果として図１に示すプラ
ズマ処理装置と同様の効果を得ることができる。

【００２１】図３は実施例１及び比較例に係るプラズマ
処理装置を用いて試料Ｓにエッチング処理を行った場合
のプラズマ照射時間と内壁面保護部材１８の温度変化と
の関係を示すグラフである。比較例に係るプラズマ処理
装置としては図７に示したプラズマ処理装置を用いて実
験を行った。内壁面保護部材１８、３８の温度は、図
１、図７に示す矢印Ａ（プラズマ生成室内）、矢印Ｂ
（反応室内）の部位において測定した値である。実線
（１Ａ、１Ｂ）は実施例におけるグラフを示し、点線
（２Ａ、２Ｂ）は比較例におけるグラフを示している。

【００２２】エッチングにはＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガスとの
混合ガスを用い、該混合ガスの流量は、Ｃｌ₂ ガス／Ｏ
₂ ガスが５０／８ｓｃｃｍであり、混合ガス圧力は１．
５ｍＴｏｒｒとした。マイクロ波パワーは１．５ｋＷと
し、ＲＦパワーは５０Ｗとし、試料Ｓとしてはポリシリ
コン膜付きの直径が６インチのウエハを用い、また恒温
流体１９にはシリコンオイルを使用した。また、予め内
壁面保護部材１８、３８を８０℃に設定した上で実施
例、比較例の両実験を行い、実施例においては恒温流体
１９の温度を８５℃に設定し、比較例においては内壁面
保護部材３８を８０℃に設定するべく加熱手段３９によ
り調整を行った。

【００２３】図３から明らかなように、曲線１Ａは曲線
２Ａよりも、曲線１Ｂは曲線２Ｂよりもそれぞれ温度上
昇率が低く、特に曲線１Ａは曲線２Ａと比較し、温度上
昇が著しく抑制されていることがわかる。また、曲線１
Ａ、曲線１Ｂにおいては特にプラズマ照射時間４０分経
過時以降の温度がほぼ一定となっている。これにより、
実施例１に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマ生
成室１１内及び反応室１３内の内壁面保護部材１８の温
度変化を抑制することができ、特にプラズマ生成室１１
内においてはその効果が著しいことがわかった。

【００２４】図４は実施例（図１）に係るプラズマ処理
装置を用い、試料Ｓにエッチング処理を施した場合のウ
エハ処理枚数とパーティクルの増加数との関係を示した
グラフであり、図５は比較例（図７）に係るプラズマ処
理装置を用い、試料Ｓにエッチング処理を施した場合の
ウエハ処理枚数とパーティクル増加数との関係を示した
グラフである。横軸はウエハの処理枚数を示しており、
縦軸は直径０．３μｍ以上のパーティクル増加数を示し
ている。エッチングにはＣｌ₂ ガスとＯ₂ ガスとの混合
ガスを用い、該混合ガスの流量は、Ｃｌ₂ ガス／Ｏ₂ ガ
スが５０／８ｓｃｃｍであり、混合ガス圧力は１．５ｍ
Ｔｏｒｒとした。マイクロ波パワーは１．５ｋＷとし、
ＲＦパワーは５０Ｗとし、試料Ｓとしてはポリシリコン
膜付きの直径が６インチのウエハを用い、また恒温流体
１９にはシリコンオイルを使用した。パーティクル増加
数の測定は、ウエハ１０枚処理毎に、あらかじめパーテ
ィクル数を測定しておいたウエハを試料室１３、３３内
に載置し、２分間保持した後、試料室１３から取り出し
て測定を行なった。

【００２５】図４、図５から明らかなように、実施例
（図１）に係るプラズマ処理装置によれば、６００枚処
理後もパーティクル増加数は最大で約３０個、また平均
で約１５個であり、ウエハ処理枚数の増加によるパーテ
ィクル増加数の極端な変化は見られなかった。これに対
し、比較例（図７）に係るプラズマ処理装置によれば、
パーティクル増加数は最大で約５０個、また平均で約３
０個であり、ウエハ処理枚数約１００個毎に前記パーテ
ィクル増加数のピークを迎えるという経時変化が発生し
ている。このような経時変化は、プラズマのｏｎ−ｏｆ
ｆと共に起こる内壁保護部材３８の温度変化によるスト
レスで内壁保護部材３８に付着した反応生成物が剥離し
やすく、また該反応生成物の膜厚がある程度以上になる
と自重により多量に前記反応生成物が剥離し、突発的に
パーティクル数が増加するために起こると考えられる。

【００２６】これらの結果から明らかなように、本実施
例に係るプラズマ処理装置においては、反応容器１５の
内壁面をプラズマ雰囲気から保護するための内壁面保護
部材１８が反応容器１５内に配設されたプラズマ処理装
置において、内壁面保護部材１８の内部に流体経路１６
ｄが形成され、流体経路１６ｄに恒温流体１９を供給す
る流体供給手段１６が流体経路１６ｄに接続されている
ので、内壁面保護部材１８と恒温流体１９との間の熱交
換が直接的に効率よく行なわれるため、恒温流体１９の
温度と循環量とを制御することにより内壁面保護部材１
８を一定温度に保つことができ、内壁面保護部材１８の
温度を容易に均一化することができる。このため、内壁
面保護部材１８と付着物との間の熱膨張係数差によって
生じる熱応力を緩和させることができ、内壁面保護部材
１８の表面に付着した付着物の剥離を最小限に抑制する
ことができる。したがってパーティクルによる試料Ｓの
汚染を少なくすることができ、汚染に起因するウエハの
品質低下を軽減することができ、しかもプラズマ処理装
置の稼動率の向上を図ることができる。

【００２７】また、プラズマのｏｎ−ｏｆｆに関係なく
内壁面保護部材１８の温度が一定に保たれるため、内壁
面保護部材１８の温度変化による前記反応生成物の剥離
を阻止してパーティクルの発生を確実に防止することが
できる。

【００２８】上記実施例では恒温流体１９にシリコンオ
イルを用いたが、別の実施例では加熱温度が略９０℃以
下の場合、恒温流体１９に水を用いてもよい。

【００２９】また、上記実施例ではプラズマエッチング
装置の場合を示したが、別の実施例ではプラズマＣＶＤ
装置等においても、恒温流体を所望の温度に設定するこ
とにより、上記実施例の場合と同様の効果を得ることが
できる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ処理装置にあっては、少なくともプラズマ生成部側に
存在する前記内壁面保護部材の内部に流体経路が形成さ
れ、該流体経路に恒温流体を供給する流体供給手段を備
えているので、前記内壁面保護部材と前記恒温流体との
間の熱交換が直接的に効率よく行なわれるため、また恒
温流体の温度と循環量とを制御することにより前記防着
部材を一定温度に保つことができ、前記内壁面保護部材
の温度を容易に均一化することができる。このため、前
記内壁面保護部材と付着物との間の熱膨張係数差によっ
て生じる熱応力を緩和させることができ、前記内壁面保
護部材の表面に付着した付着物の剥離を最小限に抑制す
ることができる。したがってパーティクルによる試料Ｓ
の汚染を少なくすることができ、汚染に起因するウエハ
の品質低下を軽減することができ、しかもプラズマ処理
装置の稼動率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施例を示し
た模式的断面図である。

【図２】本発明に係るプラズマ処理装置の別の実施例を
示した模式的断面図である。

【図３】実施例及び比較例に係るプラズマ処理装置を用
いて試料Ｓにプラズマ処理を施した場合の、プラズマ照
射時間と内壁面保護部材の温度変化との関係を示したグ
ラフである。

【図４】実施例に係るプラズマ処理装置を使用し、内壁
面保護部材の温度を８０℃に設定して試料Ｓにエッチン
グ処理を施した場合における、ウエハ処理枚数とパーテ
ィクル増加数との関係を示したグラフである。

【図５】比較例に係るプラズマ処理装置を使用し、内壁
面保護部材の温度を８０℃に設定して試料Ｓにエッチン
グ処理を施した場合における、ウエハ処理枚数とパーテ
ィクル増加数との関係を示したグラフである。

【図６】従来のプラズマ処理装置を示した模式的断面図
である。

【図７】プラズマ処理装置の別の従来例を示した模式的
断面図である。

【符号の説明】

１１プラズマ生成室１３試料室１５反応容器１６流体供給手段１８内壁面保護部材１９恒温流体

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩ // Ｇ０１Ｒ 33/64 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＢＨ０１Ｌ 21/3065 ＦＧ０１Ｎ 24/14 Ｂ (56)参考文献特開昭63−273323（ＪＰ，Ａ) 特開平５−94971（ＪＰ，Ａ) 特開平６−61155（ＪＰ，Ａ) 特開平４−363021（ＪＰ，Ａ) 特開平２−201923（ＪＰ，Ａ) 特開平７−192895（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/3065 C23C 16/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内壁面の全面もしくは一部をプ
ラズマ雰囲気から保護するための内壁面保護部材が反応
容器内に配設されたプラズマ処理装置において、少なく
ともプラズマ生成部側に存在する前記内壁面保護部材の
内部に流体経路が形成され、該流体経路に恒温流体を供
給する流体供給手段を備えていることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。