JP3935850B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に反応生成物による異物発生を抑制することのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイス製造分野において用いられる被エッチング材料としては、DRAM(Dynamic Random Access Memory)あるいは論理回路IC等にはSi、Al、SiO2等の揮発性材料が用いられる。また、FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)あるいはMRAM(Magnetic Random Access Memory)などにはFe等の不揮発性材料が用いられつつある。
【0003】
不揮発性材料は、エッチング時に生成される反応生成物の融点が高いためエッチングが困難である。また、エッチング後の反応生成物の蒸気圧が低く、真空容器(真空処理室)内壁への付着係数が高いため、少数(数枚〜数百枚)の試料を処理するだけで真空容器内壁が反応生成物の堆積物によって覆われることになる。また、この堆積物は剥がれ落ちると異物を発生することになる。
【0004】
前記反応生成物が堆積すると、誘導アンテナと反応容器内プラズマとの結合状態が変化し、エッチング速度やその均一性、エッチング垂直性、エッチング側壁に対する反応生成物の付着状況等が経時変化する。
【0005】
なお、前記不揮発性材料の具体的な例としては、MRAMあるいは磁気ヘッド等に用い強磁性あるいは反強磁性材料としてのFe、NiFe、PtMn、IrMn、DRAMのキャパシタ部やゲート部、FRAMのキャパシタ部、MRAMのTMR(Tunneling Magneto Resistive)素子部に用いられる貴金属材料のPt、Ir、Au、Ta、Ruが挙げられる。このほか、高誘電体材料のAl、HfO、Ta、強誘電体材料のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、BST(チタン酸バリウムストロンチウム)、SBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス)等が挙げることができる。
また、同じく半導体デバイス製造分野において、半導体デバイスの製造工程としてSiやSiOあるいはSiN膜をプラズマCVD法によって成膜する技術が多用される。この技術においては、モノシラン等の重合性ガスをプラズマ中に入射して、ウエハ上に成膜する。このときに大量の重合膜がウエハ以外の反応容器の内壁に付着し、量産安定性を阻害する。すなわち、反応容器内壁に重合膜が厚く堆積しすぎると、内壁表面から重合膜が剥がれ落ち、前述の場合と同様にウエハに異物となって付着する。このため、NF等の激性特殊ガスを用いたプラズマクリーニング、あるいは、反応容器を開放して行う手作業の清掃を実施する必要がある。
【0006】
また、半導体デバイス製造分野において、SiOのプラズマドライエッチング工程が多用される。このエッチングでは、C、C、CO、CF、CHF等の弗化炭素がエッチングガスとして用いられる。プラズマ中でこれらのガスが反応して生成した反応生成物には、C、CF、C等の遊離基が多く含まれ、これら遊離基が反応容器の内壁に堆積すると、前述の場合と同様に異物発生の原因となる。また、遊離基が堆積膜からプラズマ中に再蒸発するとプラズマ中の化学組成が変化し、ウエハのエッチング速度が経時的に変化することになる。 従来のプラズマ処理装置としては、真空容器外周にコイル状のアンテナを設けた誘導型のプラズマ処理装置、あるいは真空容器内にマイクロ波を導入するプラズマ処理装置等が知られている。これらいずれの処理装置においても、不揮発性材料をエッチングする場合における真空容器内壁への堆積物の対策が十分でないため、前記大気開放を伴う手作業による洗浄を繰り返し行っている。前記手作業による洗浄は、洗浄を開始すると次の試料の処理開始までに6〜12時間も要すことから装置の稼動効率が低下することになる。
例えば、特許文献1、2,3には、誘導方式で処理容器内にプラズマを生成すると共に、真空容器外周に設けた誘導アンテナとプラズマとの間にファラデーシールドを設け、このファラデーシールドに高周波電源を接続し電力を供給することにより、真空容器内壁への反応生成物の付着の低減し、あるいは真空容器内壁をクリーニング可能としたプラズマ処理装置が示されている。
【0007】
この装置は、真空容器のうち、非導電性物質すなわちセラミックスか石英等で形成している部分で、かつファラデーシールドによる電界が十分に到達している部分については有効である。しかし、その他の非導電性物質で形成した部分あるいは導電性物質で形成した部分については有効ではない。
【0008】
【特許文献1】
特開平10−275694号公報
【0009】
【特許文献2】
特開平11−61857号公報
【0010】
【特許文献3】
特開2000−323298号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、真空容器内壁に反応生成物が堆積しすぎると、内壁表面から堆積膜が剥がれ落ち、ウエハに異物となって付着する。また、誘導アンテナを用いたプラズマ処理装置では、誘導アンテナと反応容器内プラズマとの結合状態が変化し、エッチング速度やその均一性、エッチング垂直性、エッチング側壁に対する反応生成物の付着状況等が経時変化する。また、真空容器内壁を洗浄する場合には次の試料の処理開始までに時間も要すことから装置の稼動効率が低下することになる。また、空容器外周に設けた誘導アンテナとプラズマとの間にファラデーシールドを設け、このファラデーシールドに高周波電源を接続し電力を供給することで、真空容器内壁への反応生成物の付着の低減し、あるいは真空容器内壁をクリーニング可能としたプラズマ処理装置では、その有効範囲が限定される。
【0012】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、真空真空容器内壁に堆積する堆積膜を制御し、量産安定性に優れたプラズマ処理装置を提供する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【0014】
真空処理室の一部を構成するとともに処理ガスの吹き出し口を備えたガスリングと、前記真空処理室内に配置されその上面に試料を載置する載置台と、前記ガスリングの上方に配置され真空処理室の上部を形成して前記載置台上方のプラズマ生成空間を覆うベルジャと、前記ベルジャ外周に配置され前記真空処理室内の前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための高周波電界を供給するコイル状のアンテナと、前記アンテナとベルジャ間に配置するとともに高周波バイアス電圧が付与されるファラデーシールドと、前記処理ガスの吹き出し口の前記真空処理室側に着脱自在に配置され前記処理ガスの吹き出し口から流出した処理ガスを通流させるための開口部を有した防着板とを備え、前記ガスリングは前記載置台よりも上方に位置するように配置されたものであって、前記防着板の開口部は、これを介した前記処理ガスの吹き出し口に対する見込み角の外側に前記試料が含まれるように前記プラズマ生成空間方向に配置された。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施例について図面を用いて説明する。第1の実施例では、プラズマ処理する試料が不揮発性材料である場合におけるエッチング処理を例にして、処理中における反応生成物の真空容器内壁への堆積を抑制する方法について説明する。
【0016】
図1は、本実施例にかかるプラズマ処理装置の断面図を示す。真空容器2はその上部を閉塞する絶縁材料(例えば、石英、セラミック等の非導電性材料)製のベルジャ12を備え真空処理室を形成する。真空容器の内部には、被処理物である試料13を載置するための載置台5を備え、該処理室内にはプラズマ6を生成して試料を処理する。また、前記載置台5は載置台を含む資料保持部9上に形成される。
【0017】
ベルジャ12の外周にはコイル状の上アンテナ1a及び下アンテナ1bを配置する。また、ベルジャ12の外側には、プラズマ6と静電容量的に結合する円盤状のファラデーシールド8を設ける。前記アンテナ1a及び1b及びファラデーシールド8は、後述するように整合器(マッチングボックス)3を介して高周波電源(第1の高周波電源)10に直列に接続する。また、ファラデーシールド8とアース間に並列にインピーダンスの大きさが可変可能な直列共振回路(可変コンデンサVC3及びリアクトルL2)を接続してある。
【0018】
真空容器2内にはガス供給管4aを介して処理ガスを供給する。また、真空容器2内のガスは排気装置7によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給管4aより真空容器2内に処理ガスを供給し、この状態で前記処理ガスを前記アンテナ1a及び1bにより発生する電界の作用によってプラズマ化する。載置電極5には基板バイアス電源(第2の高周波電源)11を接続する。これにより、プラズマ6中に存在するイオンを試料13上に引き込むことができる。
【0019】
なお、高周波電源10としては例えば、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHZ等のHF帯の高周波電力、あるいは更に周波数が高いVHF帯等の高周波電源を用い、高周波電力を誘導結合アンテナ1a、1b及びファラデーシールド8に供給することにより、真空容器2内にプラズマ生成用の電界を得ることができる。このとき、整合器(マッチングボックス)3を用いて、誘導結合アンテナ1a,1bのインピーダンスを高周波電源10の出力インピーダンスに一致させることにより電力の反射を抑えることができる。整合器(マッチングボックス)3としては、例えば図に示すように可変容量コンデンサVc1、Vc2を逆L字型に接続したものを使用する。
【0020】
ファラデーシールドは、図2に示すように、たて縞状のスリット14を有する導体製であり、セラミック製の真空真空容器(ベルジャ12)に重なる形で配置されている。ファラデーシールド8に印加する電圧は前記可変コンデンサ(図1に示すVC3)により調節可能である。ファラデーシールド8に印加する電圧(シールド電圧)ウエハ毎の処理レシピに対応して、あるいはクリーニング処理のレシピに対応して任意の値に設定できるようにしておくとよい。
【0021】
なお、ファラデーシールドによる真空容器内壁クリーニングの原理は、ファラーデーシールドに印加した高周波電圧により、真空容器内部(ベルジャ内壁)にバイアス電圧を発生させ、これによりプラズマ中のイオンを真空容器壁に引き込み、引き込まれたイオンにより真空容器壁を衝撃し、物理的・化学的スパッタを生じさせて、真空容器壁への反応生成物の付着を防ぐものである。 ファラデーシールドによる壁内壁クリーニングには最適なファラデーシールド電圧(Faraday Shield Voltage;FSV)がある。この最適なFSVには、高周波電源周波数、真空容器壁材料、プラズマの密度、プラズマの組成、真空容器全体の構成および被処理物の材料、処理速度、処理面積が影響する。したがって、このFSVの最適値は、プロセスごとに変える必要がある。
【0022】
図3はFSVを最適化する方法を説明する図であり、FSVと真空容器壁材料(例えば壁材料がアルミナである場合はアルミナを構成するアルミニウムあるいは酸素)の発光強度(光量)の関係を示したものである。図に示すように、あるFSV(図3ではb点)を境に、FSVが高くなると壁材料の発光が強くなる。これはb点以下のFSVでは壁に堆積物(デポ)が堆積している状態を示し、b点以上のFSVではデポがスパッタされて堆積しないだけでなく、壁材料自体もスパッタされていることを示している。
【0023】
FSV最適値はb点の電圧であるが、プロセスによってはa点を最適値とする場合もある。例えば、真空壁材料のスパッタによって壁材料が気相中に放出されることにより被処理物の処理反応や気相中の反応が想定したものとずれて、所望のプロセスが実行できない場合などが該当する。すなわち、FSVをa点に設定することにより、真空容器内壁にはわずかであるがデポの堆積を認め、これにより壁材料をまったくスパッタしないようにする。これにより壁材料の放出によるプロセス障害を防ぐことが可能になる。しかしながら、真空容器内壁にデポが十分堆積しないうちに、真空容器内壁をクリーニング専用のプロセス(ここではFSVはb点より高く設定する)を用いてクリーニングすることが必要となる。
上記とは逆にc点を最適値とするプロセスもある。例えば、真空容器内壁に少しでも反応生成物が堆積すると、異物を発生したり、プラズマを生成するための高周波電力が堆積物に吸収されてプラズマの特性が変化して目的のプロセスを安定して実行できない場合がある。この場合には、FSVを前述のようにc点に設定しする。すなわち内壁は多少削れても良いが、反応生成物は全く堆積しない条件に設定することもできる。この場合は、真空容器の消耗が大きくなるという欠点が発生するが、内壁のクリーニング回数は削減できる。
【0024】
なお、内壁の削れも、反応生成物の堆積も望ましくない場合はFSVをb点に設定することになる。このとき、FSVの設定電圧の再現性をよくすることが重要である。これは、異なる装置で同じプロセスを行うときや、同じ装置でも連続して同一プロセスを行うときの経時変化を抑える必要があるからである。このためには、FSVのフィードバック制御が重要になる。
【0025】
図4は、FSVのフィードバック制御を説明する図である。図に示すように、プラズマ生成用の高周波電源10の出力がインピーダンス整合器(VC1,VC2)及びアンテナ1a,1bを介してファラデーシールド8に印加されるようになっている。FSVをコンデンサC2、C3で分割して小信号とし、フィルタ15を通して高調波や他の周波数成分を除いた上で検波器16で検波してDC電圧に変換し増幅器17で増幅する。このようにしてFSVに比例したDC電圧信号を得る。この信号を比較器18により本体装置制御部20のレシピ出力で設定されたプリセット値や設定値との比較し、モータ制御機19を介してモータを制御してFSVを電圧を決めるための可変コンデンサVC3を回転させる。これにより、FSVを本体装置制御部20で設定した値に制御することができ、例えば異なる装置や同一装置で連続して同じプロセスを処理する場合においてもFSVの値を一定に制御することができる。また、装置間格差や経時変化を抑えることができる。
【0026】
ファラデーシールドは、誘電体真空容器の壁(ベルジャ)を通してプラズマと容量結合する。この結果、FSVは、ファラデーシールドとプラズマの間の静電容量と壁にできるイオンシースによる静電容量によって分割され、分割された後の電圧がイオンシースにかかる。これによりイオンを加速し、真空容器内壁をイオンスパッタさせることになる。例えば、アルミナ製の真空容器の壁の厚さが10mmの場合、FSVが500Vであると、イオンシースに印加される電圧は約60Vになる。
【0027】
低いFSVでイオンシースに印加される電圧を高くすることは有用である。高いFSVを発生させることは、異常放電が生じやすくなるなどの理由で取扱いがより困難となるからである。低いFSVでイオンシースに印加される電圧を高くするには、イオンシースの静電容量は用いるプロセスのプラズマ特性で一意的に決まってしまうため、ファラデーシールドとプラズマの間の静電容量をできるだけ小さくすることが有効である。これを実現するためには、誘電体真空容器の材料の誘電率が高いこと、誘電体真空容器の壁の厚さをできるだけ薄くすることである。これに適する材料としては、強度が強くかつ誘電率が高い材料として代表的なアルミナを採用することができる。
【0028】
アルミナのように誘電率が高い材料で壁厚さの薄い真空容器を作製した場合、問題になるのがファラデーシールドと真空容器の壁(ベルジャ)間の隙間である。アルミナの誘電率は約8であるので、10mmの壁厚さの場合、厚さを大気の場合に換算すると、10/8=1.25mmになる。ここで仮に、ファラデーシールドと真空容器の隙間が0ないし1mmある場合を考えると、ファラデーシールドとプラズマの間隔は、大気換算で、1.25ないし2.25mmと倍半分近く変化することになる。このことは、先ほどの条件の場合、イオンシースにかかる電圧が約33Vから60Vにまで変化することを意味する。
【0029】
このように、イオンシースにかかる電圧が大きく変化すると、真空容器の内壁のある部分には堆積物(デポ)が付着し、他の部分には堆積物が付着しないということになり、FSVを印加することによるデポ付着抑制効果は減少することになる。これを防ぐには、ファラデーシールドと真空容器との隙間を一定にするか、望ましくはファラデーシールドを薄膜で製作し、真空容器に密着させることが必要となる。
【0030】
金属板を加工してファラデーシールドを製作することは簡単であるが、真空容器の壁(ベルジャ)との隙間を0.5mm以下になるように製作することは現実的ではない。しかしながら、ファラデーシールドの下に導電性の弾性体、例えば導電性スポンジを貼付して、このスポンジによってファラデーシールドと真空容器の壁との隙間を埋めることができる。
【0031】
図5はベルジャに対するファラデーシールドの取り付け例を示す図である。図5(a)は、ファラデーシールド14とベルジャ12との間に隙間がある例であり、隙間のある部分の真空容器内面には堆積物が堆積し易くなる。一方、隙間の無い裾付近は堆積物が堆積しない状態になる。図5(b)は、前記隙間を弾性導電体12a、例えば導電性スポンジで埋めた例を示す図である。これにより、ファラデーシールド14はベルジャ12に密着したのと同様の効果を得ることができる。なお、導電性スポンジは伸縮性が大きいため大小の隙間を柔軟に埋めることができる。
図6は、防着板の取り付け構造を説明する図であり、図6(a)はベルジャ12の裾とその下にあるガスリングに形成したガス吹き出し口23を示している。この構成においてプラズマ処理を継続すると図のA、及びBで示す部分に堆積物が堆積する。ベルジャの内側で図のBよりも上の部分には、FSVによるイオンスパッタの効果により、堆積物を堆積させないことができる。ここで問題になるのは、前記A及びBで示す部分である。Aの部分は、ガス噴出し口23の周辺であり、ここに堆積物が付着すると、この堆積物はガス流れの効果により剥れやすくなり、剥がれた堆積物は被処理物であるウエハの上に異物となって乗り、プロセスの障害となる。また、Bの部分は、ベルジャ12の内壁であるが、ファラデーシールド14がベルジャ内壁から遠くなる。このためFSVによるイオンシース電圧が低下してイオンスパッタによる堆積物付着抑制効果が十分働かない部分である。
【0032】
図6(b)は、防着板22によりガス吹き出し口23を覆う構造を説明する図である。前記Aの部分はガス吹き出し口付近であり、この部分への堆積物付着は極力低減する必要がある。ガス吹き出し口23への堆積物付着を減らすには、ガス吹き出し口23から防着板22の穴を通して見えるプラズマ6領域を減らすこと、すなわちプラズマに対する見込み角を小さくすること、及びガス吹き出し口23がウエハを直接見ないこと、すなわち、ガスの吹き出し口23の中心軸は、前記見込み角外に前記試料が含まれるように前記試料上方のプラズマ生成空間方向に設定することが必要である。
【0033】
図6(c)は、防着板とガス噴出し口との関係の詳細例を示す図である。この例では、見込み角を略30度まで小さくし、また、ガス噴出し口から直接ウエハが見えないようにしたものである。
【0034】
このとき、防着板22とガス噴出し口23の間には、隙間を空けておくことが有効である。隙間の大きさは、0.5mm以上であることが望ましい。この隙間により幾つかの利点が発生する。まず、防着板に形成したガスを通す穴が同じ大きさでも、隙間を開けることによりプラズマへの見込み角を小さくでき、ガス噴出し口23に付着する堆積物の量を減らすことができる。また、ガス噴出し口23からガスを真空容器内に吹き出すとき、大きな圧力低下が発生し、粘性流から中間流へと移行し最終的に分子流になる。ここで、ガス吹き出し口23周辺ではガスの圧力はまだ比較的高く中間流の状態であり、ここに堆積物が付着するとガスの流れから力を受けて堆積物が剥れやすくなる。隙間を空けることにより、防着板22付近でのガス流れは分子流となり、ガス流れは防着板に付着した堆積物を剥がす力が少なくなり、堆積物の剥れを減少させることができる。さらに、後述するように、防着板22の温度を効率的に上げて、防着板22に付着する堆積物の量を減らすことができる。
【0035】
図7は、防着板の熱計算の例を示す図である。プロセス処理の結果からFeやPtなどの材料は、250℃以上の部材に対しては付着しにくいという知見が得られている。そこで、前記防着板の温度が250℃以上になるように防着板を設計をした。熱設計では、プラズマからの入熱、防着板支持部からの熱逃げ、防着板全体からの輻射熱逃げの3者のヒートバランスを計算した。この熱計算の結果を図7に示す。
【0036】
防着板がSUS(ステンレス)の場合、プラズマへの高周波(RF)入力が500W程度において平衡温度が250℃を超えていることがわかる。防着板がAl(表面アルマイト加工)の場合、RF入力が1000W以上において、防着板平衡温度が250℃以上となる。以下、計算に当たっての各部の構造上の特徴について記す。
【0037】
プラズマ入熱は、プラズマがリアクタ内で等方拡散するので、プラズマへのRF入力×防着板面積/プラズマ接触全面積で計算される。今回設計した防着板仕様では、プラズマへのRF入力=1200Wとすると、防着板への入熱は260Wとなる。
【0038】
防着板からの熱輻射逃げは、材料にSUSを用い、表面を鏡面仕上げにしておくことで、表面輻射率を0.2程度にすることができるので、低く抑えることができる。防着板にAl(表面アルマイト処理)を用いる場合は、アルマイト表面輻射率が0.6程度となるので熱輻射逃げは多めになる。
【0039】
図8は、防着板の支持構造を説明する図である。防着板は、その支持部からの伝熱が少なくなるよう全周を3点で支持し、ガスリング本体との接触部面積を図8のようにほぼ点接触とすることで伝熱面積を抑えた。具体例としては、接触部径方向長さを3ミリ、接触部周方向長さ1ミリとする。接触熱抵抗を3000[W/(m・K)]程度の過大な値に見積もっても、接触面積×接触熱伝達率×(防着板内面温度−ガスリング温度)で計算される防着板支持部からの伝熱は、10W程度にしかならない。
【0040】
実際に防着板を試作し、表面温度を実測した。用いた防着板の材質はAl(表面アルマイト)である。RF入力1200Wにおいて、表面温度は約250℃であり、ほぼ設計値どおりの値となっていることを確認した。
【0041】
前述のように、防着板は、高温に維持しても堆積物の付着を完全に無くすことはできない。このため、防着板に付着した堆積物を安定に付着させておくことが重要となる。このため、防着板の表面には機械的に堆積物の付着性をよくするため、多少の凹凸を持つことが望ましい。発明者らの実験に寄れば、表面粗さとして、10μm以上であることが望ましいことがわかっている。
【0042】
しかし、堆積物の付着が始まるとき、付着した堆積物は薄膜の状態から徐々にその膜厚が厚くなる。例えば、防着板に設けた10μmの凹凸は、同じ程度の膜厚の堆積物に対するアンカー効果を有する。しかし付着した堆積物の膜厚が厚くなるとアンカー効果は薄れてゆく。従って、堆積物の付着量が少ない初期状態から、堆積物量がある程度増えた状態までアンカー効果を有効に働かせるには、2種類の凹凸、例えば、10μmの凹凸と100μmの凹凸を同時に表面につけることが望ましい。このような凹凸を形成する加工法としては、例えば100μmの凹凸形成にローレット加工を、10μmの凹凸形成にブラスト加工を用いることができる。
【0043】
以上述べたように、防着板の温度を上げるには防着板表面を鏡面加工し、また、堆積物を安定して付着させるためには表面に凹凸形成をすることが望ましい。従って、現実的には、防着板の堆積物の付着する面(プラズマに向かっている面)に凹凸を形成し、堆積物の付着しない面(例えば、防着板とガス噴出し口との隙間に向かっている面)を鏡面加工することができる。また、防着板から放射される熱を反射するために、ガスリングのガス噴出し口のある面で堆積物が付着しない部分の面は、鏡面加工することが望ましい。
【0044】
防着板の大きさは、ガス吹き出し口を覆うための最小の大きさとすることが望ましい。これは、防着板には堆積物が多少なりとも堆積することが避けられないためであり、堆積物の付着量を少なくするため温度を高くする関係上、防着板には熱履歴が発生し、堆積物と防着板材質の熱による膨張・収縮量の差異によって、堆積物が剥れやすいからである。
【0045】
また、防着板は電気伝導性のある材料で製作し、接地することが望ましい。これは、プラズマを生成するための高周波に対する接地面積を多くしたほうが放電が安定するためである。また、堆積物が帯電した場合、クーロン力による堆積物同士の反発力で、堆積物が剥れやすくなるため、堆積物の帯電をできるだけ防ぐ目的ももっている。
【0046】
以上のような構造設計及び熱設計を行い、表面粗さを10μm及び100μmとした防着板を製作して、プラチナPtを500枚連続してエッチングして性能を調べた。その結果、ガス吹き出し口への堆積物の付着量は、ほとんど見られなかった。また、防着板に付着した堆積物は安定しており、堆積物の剥れは発生しなかった。
【0047】
図9は、図6のBの部分(ベルジャ12の内壁のファラデーシールドがベルジャ内壁から遠くなる部分。従ってFSVによるイオンシース電圧が低下してイオンスパッタによる堆積物付着抑制効果が十分働かない部分)に付着する堆積物対策について説明する図である。
【0048】
図6のBの部分は、ベルジャ12内壁とファラデーシールド14との距離が長いため、FSVによるイオンスパッタが効き難い領域である。そこで、防着板22を延長し、この部分を覆うことにより堆積物付着量を低減させるとともに、堆積物の安定化を図ることができる。この構造を示したのが、図9(a)である。これを用いて、堆積物付着に試験をしたところ、図9(a)のC点を中心にベルジャ内壁の幅15mmほどの領域に堆積物が付着することがわかった。
【0049】
図9(b)は図9(a)の変形例である。図に示すように、ベルジャ12は、その内面をガスリング4内面にほぼ連続するように形成し、このベルジャ12をガスリング4上に配置して真空処理室を形成する。
【0050】
この構成によれば、防着板をベルジャ内面及びガスリング内面に連続して形成することがでる。これにより前記FSVによるイオンスパッタが効き難い領域を防着板で有効に保護することができる。
【0051】
図10は、防着板近傍における堆積物の付着を説明する図である。まず、点線で示したのが、プラズマの等密度線である。C点に着目すると、C点は防着板とベルジャからなるコーナー部に相当し、この部分はプラズマの密度は周辺と比べてわずかに低くなる。
【0052】
これは、防着板の厚みのために、プラズマがC点に回り込みにくくなっていることが原因である。このため、C点では、ベルジャ内壁単位面積あたりのイオンのスパッタ数が少ないため、堆積物が取れにくいことが考えられる。さらにもうひとつの原因が考えられる。つまり、防着板は電気伝導性があるためで防着板に生成されるイオンシースにはFSVは効かず、イオンシースにはプラズマ特性によって決まる15ないし20V程度のDC電圧がかかる。これに対してFSVが効く領域では、ベルジャ内壁に形成されるイオンシースには、プラズマ特性で決まるDC電圧にさらに例えば60V程度の高周波電圧がかかり、これが効果的にイオンを加速してベルジャ内壁をスパッタする。つまり、C点付近は、防着板に生成される低電圧のイオンシースから、ベルジャ内壁に形成される高電圧のイオンシースへの遷移領域に相当し、C点付近では防着板付近より離れるに従って、イオンシースの電圧が高くなり徐々にイオンスパッタが効いていく領域になる。
【0053】
以上述べた二つの原因により、図10に示したようにC点付近にはFSVによる弱スパッタ領域が形成されると考えられる。この領域では、FSVによるスパッタより堆積物の付着のほうが優勢であるため、堆積物が付着すると考えられる。
【0054】
図11,12,13は、それぞれ防着板の構造例を示す図である。図11に示すように、弱スパッタ領域が形成される原因のひとつであるプラズマ密度低下の原因を取り除くため、ナイフエッジ状の防着板を製作し、試験を行った。その結果、図11に示すように、弱スパッタ領域が縮小し、堆積物付着領域が縮小することが確かめられた。そこで、さらにもうひとつの原因を取り除くために、図12に示すように、防着板の上部22aを絶縁体(この場合はアルミナ)に変更したところ、図12に示すように、強スパッタ領域と堆積物領域を一致させることができ、堆積物の付着がほとんど無くなった。アルミナの表面はローレット加工が不可能なため、ブラスト処理により、表面に凹凸を加工した。また絶縁体の材料としては、石英や窒化アルミも用いることができる。
【0055】
さらに徹底して堆積物付着を防ぐには、図13に示すように、強スパッタ領域が堆積物付着領域よりわずかでも広ければよいことになる。そこで、防着板とベルジャの間にプラズマが侵入できるように、防着板とベルジャ間に隙間を設けた。プラズマが進入できるには、隙間の間隔がイオンシースより十分大きい必要があり、隙間の間隔は5mm以上必要である。またあまり大きすぎると、堆積物が拡散により回りこむため、効果が薄れる。堆積物が拡散で回り込まないための隙間の最大値は、堆積物の材質・ガス種とその圧力によって決まるため、処理プロセスにより異なるが、試験の結果おおよその目安は15mmである。図13に示す構造の防着板を製作して試験を行った結果、ベルジャへの堆積物付着は完全に抑制することができた。この構造の場合、防着板上部は、絶縁性材料である必要は無く、電気伝導体で構成しても性能は変わらない。
【0056】
載置台5のカバーであるサセプタ上部も、堆積物が付着するとウエハ上に発生する異物の原因となる。そこで、サセプタにも高周波バイアスを印加し、物理的・化学的イオンスパッタを起こして、堆積物を付着させないように検討した。
【0057】
図14は、載置台を含む試料保持部9の構造を示す図である。図に示すように、接地ベース36及び絶縁ベース35のうえに、基板バイアス電源11を接続した載置台を搭載している。載置台の材質は、アルミニウムもしくはチタン合金が一般的に用いられる。載置台の上部で被処理物(試料13)を搭載する部分には、誘電体膜が形成されて、被処理物を静電吸着できるようになっている。誘電体膜は、図中では溶射膜としているが、エポキシ、ポリイミド、シリコーンゴムなどの高分子系材料で形成する場合もある。また、溶射などで形成されるセラミックス系材料としては、アルミナ・窒化アルミニウム・PBN(Pyrolytic Boron Nitride:熱分解窒化珪素)がある。また、図14では、高周波電力が載置台5の側面方向からプラズマに抜けるのを防ぐために、接地ベース36と絶縁カバー37を用いてシールドする構造を示している。また、サセプタは、石英やアルミナを材料とするのが一般的であり、載置台の試料が搭載される面以外の電極部を覆いプラズマによって損傷するのを防ぐ。
【0058】
図15は、サセプタ表面を含む基板バイアス回路(等価回路)示す図である。基板バイアス電源11は、インピーダンス整合器(MB)32内で、静電吸着電源から供給された静電吸着用の直流電圧と混合した後、載置台に供給する。ここで、基板バイアス電源11の高周波は、載置台5からサセプタ34を通り抜けて、サセプタ上部表面にも供給される。このときサセプタ34は、サセプタ材料を誘電体としたコンデンサを形成している。図15では、このようにして形成されるコンデンサをコンデンサC(33)として表している。
【0059】
発明者らは、まず、図14に示すようにサセプタ厚さを5mmとしたときの、堆積物の付着を試験的に調べた。その結果、サセプタ上面には、多量の堆積物が付着することがわかった。
【0060】
そこで、サセプタ34の厚みとサセプタ表面に発生するバイアス電圧の関係を理論的に検討した。その結果を図16に示す。ベルジャ内壁に発生する電圧が約60V以上になると、堆積物付着が抑制できることがわかっている。また、発明者らの試験では、試験時のバイアス電圧(ピークトゥピーク)Vppを約400ないし500Vの範囲に設定することが多かったことから、このバイアス電圧Vppの範囲でサセプタ表面に60V以上の電圧を発生させることができるようにサセプタ厚さとして、4mmを選択した。
【0061】
図17,18は、薄肉(例えば4mm厚)のサセプタに対する堆積物の付着状況を説明する図である。図17に示すように、サセプタ上面全体を厚さ4mmにして、堆積物の付着状況を実験した。その結果、図の矢印で示している範囲(デポ付着制限領域)で堆積物の付着が無いことを確認した。これにより、載置台と直接接触している部分では、堆積物付着を抑制できることがわかった。しかし、図17の構成では、サセプタ上面の外周部に堆積物が付着するため、これが被処理物への異物となって処理を妨害することが懸念される。そこで、載置台の側面に形成されている絶縁カバー37を除き、サセプタ上面及びサセプタ側面の上部全体に渡って、載置台とサセプタが接触するようにした。この構成を図18に示す。図18に示す構造を用いて前記と同様に堆積物の付着状況を実験的に調べた。この結果、載置台と接触しているサセプタ上面及びサセプタ側面上部で堆積物の付着が無くなった。しかしながら、サセプタの着脱を繰り返すと、同一条件においても、堆積物を十分取りきれない場合があることがわかった。また、この堆積物が十分取りきれないときは、堆積物が偏りを持った分布で堆積し、特にサセプタの側面に堆積物が残りやすいことが判った。
【0062】
堆積物が偏りを持った分布で堆積し、この堆積物を十分取りきれない理由を以下のように推定した。すなわち、サセプタの材料はアルミナであり、その厚さは4mm、誘電率は約8であるから、空気層に換算すると約0.5mmに相当する。ここで、サセプタと載置台の間に隙間が、例えば0.1mmあるとすると、図15のコンデンサCを形成する誘電体の厚さは、サセプタ分0.5mmと隙間分0ないし0.1mmの合計あり、0.5ないし0.6mm(20%)変動する。この変動がサセプタ表面に発生する高周波電圧に偏りを発生させ、これにより堆積物の取れ方に偏りが発生する。しかしながら、サセプタと載置台を、その隙間0.1mm以下の精度で密着するように製作することは困難であり、現実的ではない。
【0063】
これを解決するために、図19に示すように、サセプタ34下面に金属膜を溶射し金属溶射膜39を形成した。溶射金属としては、タングステンを用いたが、これはアルミナに対して接着性が良いことが知られているからである。金属膜は、電気伝導性がありサセプタへの接着性がよければタングステンである必要は無く、金・銀・アルミニウム・銅なども可能である。また、金属膜の製造法も、溶射である必要は無く、めっき・スパッタ・蒸着・印刷・塗布・薄膜接着など薄膜を形成できる方法ならばいずれでも良い。この構造を採用することにより、金属膜と載置台5が1箇所接触していれば、金属膜全体に載置台と同じ電圧が発生するので、サセプタと載置台の隙間の問題は回避できる。
【0064】
図19の装置構成を用いて、堆積物の付着状況を実験で調べた結果、矢印で示す堆積物付着制限領域内で堆積物の付着を再現性よくなくすることができた。この方法の利点は、金属膜と載置台が一点でも接触していれば、載置台5と同じ電圧が金属膜全体に発生し、サセプタ34の表面に均一な高周波電圧を発生できることである。従って、図20に示すように、絶縁カバー37など他の構造物がある状態であっても、金属溶射膜の溶射範囲を広げることにより、任意の範囲のサセプタ表面に均一な高周波電圧を発生できる。なお、図20の構成において、矢印で示す堆積物付着制限領域において、再現性よく堆積物付着をなくすることができることを実験的に確認した。
【0065】
以上の結果より、金属溶射などの金属膜を用いることにより、サセプタ表面に、均一に高周波電圧を発生させ、堆積物付着の抑制を均一にできることがわかった。この技術を用いると、構造上サセプタの厚さを厚くしなければならない場合でも、金属膜をサセプタの中に埋め込むことによって、同様の効果を得ることができる。この構造を示したのが、図21、22である。
【0066】
これらの図に示すように、サセプタ34表面より所定の深さの位置(図の場合略4mm)に、金属溶射膜39を埋め込み、金属溶射膜39より載置台5にコンタクトを出して電気的な導通を確保し、金属溶射膜39に載置台5と同じ高周波電圧を発生させる。
【0067】
試料13を載置する載置台には、これまで図示してきたような、金属の載置台の上に溶射などによって静電吸着膜を形成する種類のほかに、窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミックス誘電体製の載置台の中に、金属電極を埋め込み、この金属電極より静電吸着をしたり高周波バイアスをかけたりする種類のものがある。このような種類の載置台の場合でも、サセプタへの金属膜形成によって、全く同じ機能を持ったサセプタを製作することが可能である。
【0068】
この例を、図23、24に示す。図23は、サセプタ34の裏面に金属膜を形成した場合である。載置台5は窒化アルミからできており、この中にタングステンでできた静電吸着・高周波バイアス印加用電極40が埋め込まれている。この電極より、金属溶射膜39に向かって、導通パターン(鍔部導電パターン41,42,43)を埋め込み、これにより電極40と金属溶射膜39との導通をとる。これにより、サセプタ裏面の金属溶射膜39にタングステン電極と同じ高周波電圧を発生させることができる。当然のことながら、この構造によるサセプタ表面への堆積物付着制御能力は、これまで述べてきた場合と全く同じにできる。
【0069】
図24は、サセプタ34内部に金属溶射膜39を埋め込んだ例であり、図23で述べた導通パターン(鍔部導電用パターン41,42,43)を延長して、コンタクトにより載置台5埋め込んだ電極40とサセプタ34に埋んだ金属溶射膜39接続すれば機能的には図23の場合と全く同じことができるようになる。
【0070】
図23、24に示した載置電極5の場合、電極5内に埋め込まれた静電吸着・高周波バイアス印加用電極40より高周波を金属溶射膜39に供給するパターンを載置電極5内部に作る必要がなるが、その一例を示したのが図25である。
【0071】
図25では、タングステン製の静電吸着・高周波バイアス印加用電極40と平行な関係にある鍔部導電用パターン41は、タングステン電極と同じくタングステン薄膜を載置電極の中に埋め込む。これらの埋め込まれたタングステン薄膜同士は、載置電極を成型後、必要な部分に穴をあけ、貫通端子をロウ付けする方法で接続できる。
【0072】
これまで述べてきたサセプタに対するバイアス印加法では、載置台の高周波電圧がある値のとき(ここでは400V)、サセプタ上面の堆積物付着がちょうど抑制される。しかし、載置台の電圧が高くなると、サセプタ上面の高周波電圧が高くなりすぎ、サセプタが削れて部品寿命が短くなるという欠点がある。この欠点は、図26に示すように、外部からサセプタ表面に印加される高周波バイアス電圧を調節する手段を導入することで解決できる。図26では、サセプタの金属膜の電圧を、外部に取り付けた可変コンデンサVCで調整する回路を示している。これを実際の構造として示したのが、図27である。
【0073】
サセプタに接する部分の載置台表面には、溶射などにより、セラミックス被覆50を形成してサセプタ金属溶射膜51と載置台5が直接接触しないようにする。このセラミックス被覆50は、図26に示すコンデンサC’を形成し、載置台5に印加される高周波電圧の一部をサセプタ金属溶射膜51に伝送する働きを持たせる。その上で、外付けの別の可変コンデンサVCにより、載置台5に印加される高周波電圧をサセプタ金属溶射膜51に伝送する。この二つのコンデンサによって伝送された高周波電圧は位相が同じなので、単純に加算され、その電圧によりサセプタ表面に発生する高周波電圧が決まる。例えば、サセプタ厚みが4mm、サセプタ金属溶射膜の表面積を400cm、セラミックス皮膜がアルミナで300μm、可変コンデンサVCの最大容量が8000pFであったとすると、載置台のバイアス高周波電圧が400Vのときには、可変コンデンサVCの容量を可変させるとサセプタ表面電圧を約30ないし100Vの範囲で可変できる。このように、サセプタ厚み、セラミックス被覆、金属溶射膜表面積と可変コンデンサVCを適当に選ぶことにより、サセプタ表面に発生する高周波電圧を制御できる。また、このときのサセプタ金属溶射膜は、図示していないが、可変コンデンサVCと接続できるなら、サセプタ内部に組み込むことも可能である。
【0074】
サセプタに印加するバイアスを可変するには、載置台に高周波を供給する高周波電源11とは別の高周波電源を用いることでも可能である。これを図28に示す。ここでは、載置台にバイアスを供給する基板バイアス電源11とは別に、サセプタ金属膜に高周波を供給するサセプタバイアス電源11aを用いる。この場合の電極構造を図29に示す。ここで重要なのは、サセプタ金属溶射膜51に印加する高周波電圧が載置台5の高周波電圧により影響されないように、載置台5とサセプタ金属溶射膜51の間に、絶縁及び接地シールド(接地ベース36)を組み込む必要があることである。これにより、サセプタバイアス電源11aが必要という欠点があるものの、サセプタに印加するバイアスは、試料13に印加する高周波電圧とは全く独立に制御することが可能になる。また、このときのサセプタ金属溶射膜51は、図示していないが、サセプタバイアス電源11aと接続できるなら、サセプタ内部に組み込むことも可能である。
【0075】
図30は、サセプタバイアス電圧を最適化する方法を説明する図である。前述のFSVと同様、サセプタバイアス電圧にも最適値がある。この電圧には、バイアス電源の周波数、サセプタ材料や厚さ、プラズマの密度、プラズマの組成、真空容器全体の構成および試料の材料、処理速度、処理面積が影響を与える。 したがって、サセプタバイアス電圧の最適値は、プロセスごとに変える必要がある。図3の場合と同様、サセプタバイアス電圧がある値(図30のb点)を境に、サセプタバイアス電圧が高くなるとサセプタ材料の発光が強くなる。b点以下のサセプタバイアス電圧ではサセプタに堆積物が堆積している状態であり、b点以上のサセプタバイアス電圧では堆積物がスパッタされて堆積しないだけでなく、サセプタ材料自体もスパッタされていることを示してる。
【0076】
サセプタバイアス電圧最適電圧は、b点の電圧であるが、プロセスによっては、a点にする場合もある。これは、サセプタ材料のスパッタにより、サセプタ材料が気相中に放出され、試料の処理反応や気相中の反応が想定したものとずれることにより、望ましいプロセスが実行できない場合などに相当する。すなわち、サセプタバイアス電圧をa点に設定することにより、サセプタにはわずかであるが堆積物の堆積を認め、サセプタ材料をまったくスパッタしないようにする。これにより、サセプタ材料の放出によるプロセス障害を防ぐことである。その代わり、サセプタの堆積物が十分堆積しないうちに、サセプタをクリーニング専用のプロセス(ここではサセプタバイアス電圧はb点より高く設定する)で、クリーニングする必要がある。
【0077】
逆に、サセプタに少しでも堆積物が付着すると、異物が発生したり等の理由で、目的のプロセスを安定して実行できない場合がある。この場合には、サセプタバイアス電圧最適点をc点に設定し、サセプタは多少削れても良いが、堆積物をまったく付着しない条件に設定することもできる。この場合は、サセプタの消耗が大きくなるという欠点が発生するが、サセプタのクリーニングが少なくてよいという利点が発生する。
【0078】
サセプタの削れも、堆積物付着も望ましく内場合、サセプタバイアス電圧はb点に設定することになる。このとき、サセプタバイアス電圧の設定電圧の再現性をよくすることが重要である。これは、異なる装置で同じプロセスを行うときや、同じ装置でも連続して同一プロセスを行うときの経時変化を抑える必要があるからである。このためには、サセプタバイアス電圧のフィードバック制御が重要になる。
図31、32は、それぞれ図26・28に対応したフィードバック制御回路付のサセプタバイアス印加回路である。両回路とも、サセプタ金属溶射膜の電圧を、減衰器及びフィルタ52を介して検波し、直流電圧に変換する。これにより、この直流電圧信号は、サセプタバイアス電圧に比例した信号となる。この信号を本体装置制御部57のレシピなどで設定されたプリセット値や設定値との比較により、図31の場合はサセプタバイアス電圧を決める可変コンデンサVCを回転させるモータを制御する。また、図32の場合は、サセプタバイアス電源11aの出力を制御する。この方法を用いることにより、本体装置で設定した値にサセプタバイアス電圧を制御することができ、異なる装置や、同一装置で連続して同じプロセスを処理する場合に、サセプタバイアス電圧の値を一定に制御でき、装置間格差や経時変化を抑えることができる。
【0079】
以上は、堆積物を堆積あるいは付着させないように制御する領域、すなわちベルジャ12、ガス吹き出し口23、サセプタ34についてその方法と構造について説明した。試料13から出てくる反応性生物や気相で合成される物質が、蒸気圧の高い揮発性の成分である限り、これらの物質は排気装置によって放電部や被処理物周辺より排気され、電極下部や排気ダクトなどに多少は堆積するものの、その多くは排気されてしまう。
【0080】
しかし、堆積性の強い、つまり、蒸気圧が低く、固体への付着係数が1に近い(固体に接触した場合、ほとんど捕捉される)物質が、試料の反応生成物として、あるいは気相中で合成されるなら、これらの物質は試料周辺のベルジャ、サセプタあるいはガス吹き出し口などを含めた真空容器壁に堆積し、ほとんど排気されることは無い。
【0081】
このような状況において、真空容器内のどの部位にも堆積物を付着させないように制御すると、これらの堆積性の強い物質は堆積場所を失う。このため、堆積性の強い物質の気相中の密度が高くなり、堆積しようとする原動力が増すことになり、結果としてベルジャやサセプタ上に強制的に堆積してしまう。
【0082】
すなわち、ベルジャやサセプタなどに堆積物を付着させないように制御するということは、堆積物をどこか多量に堆積させる場所を用意しておくことにより、その効果を発する。そして、堆積できる堆積物の量を増やすこと、あるいは気相から速やかに堆積させることにより、ベルジャやサセプタにおける堆積物の堆積量制御能力は増加させることができる。
【0083】
つまり、堆積性の強い反応生成物が発生する被処理物の周辺、あるいはプラズマ領域の周辺に、気相から速やかに、かつ大量に堆積物を堆積させる領域(堆積物トラップ領域)を設けることが必要になる。前記防着板は、ガス吹き出し口への堆積物付着を抑制するカバーとして働いているが、これ自体には堆積物が堆積することを前提とするので、これもトラップの一種である。
【0084】
図33は、真空容器の内部で、堆積物トラップを含めた領域に分割してを示している。まず、ベルジャ領域とウエハ(試料)/サセプタ領域は、堆積物を付着させないように制御する領域である。その他のプラズマに接する領域は全て堆積物トラップ領域であり、堆積物トラップ領域▲1▼は、防着板とガスリング下部を含めた領域で、ウエハから直接覗くことができる(見込むことができる)領域である。これらのベルジャ領域、ウエハ/サセプタ領域と堆積物トラップ領域▲1▼は、ウエハから直接覗くことができる(見込むことができる)領域の全てであり、プラズマを発生させる領域であるとともに、ウエハから、あるいはプラズマ気相中で形成される堆積性の強い物質が最も付着しやすい領域である。これらの領域内に制御されていない状態で堆積物が堆積すると、ウエハへの異物の原因となったり、プラズマの経時変化が生じる。従って、これらのウエハから直接覗くことができる領域では、堆積物付着はできるだけ完全に制御されなければならない。
【0085】
本発明では、防着板に図12、図13に示す構造を用いた場合、これらのウエハから覗くことのできる領域の100%が、堆積物を制御した状態になる。また、図6、図9、図11の構造を用いたとしても、これらのウエハから覗くことのできる領域の表面積の90%以上を堆積物を制御した状態にする必要がある。
【0086】
また、前述したように堆積物トラップ領域が十分機能を果たすことで、ベルジャ領域やウエハ/サセプタ領域の堆積物抑制機能を高めることができることから、ベルジャ領域やサセプタ領域の表面積はできるだけ小さく、また、堆積物トラップ領域▲1▼の表面積はできるだけ大きくすることが望ましい。堆積性の強い反応性生物がウエハから発生する場合、ウエハの表面積をSWとすると、堆積物トラップ領域▲1▼の表面積S1がS1<0.5SWとなると、ベルジャ領域やウエハ/サセプタ領域での堆積物抑制機能が低下することが発明者らによる実験でわかった。従って、反応性生物を速やかに堆積物トラップに堆積させるには、S1>=0.5S1の関係が必要であり、望むらくはS1>=S1であると良い。
【0087】
堆積物トラップ領域▲2▼は、リングカバーと呼んでおり、堆積物トラップ領域▲1▼の下部にある。この領域はウエハから直接望むことはできないが、その上部には拡散により堆積性の強い物質が輸送されて大量の堆積物が付着する。堆積物トラップ領域▲3▼は電極の側面のカバーであり、ここもウエハから直接望むことはできないが、堆積物トラップ領域▲2▼と同様、その上部には多量の堆積物が付着する。これらの堆積物トラップ領域▲2▼▲3▼は、ウエハから直接望めない領域なので、これらに付着した堆積物がウエハの異物になったり、プラズマの経時変化の原因になる可能性は小さいが、装置を大気開放したときの清掃作業を効率よく行う上で、これらの堆積物トラップは重要である。つまり、反応性生物は堆積性が強いため、その90%以上を堆積物トラップ領域▲1▼▲2▼▲3▼付着させて回収することができる。したがって、これらの堆積物トラップ領域▲1▼▲2▼▲3▼をスワップキット化(交換可能化)し、大気解放後洗浄済の部品と全交換することで、効率よく真空容器内部を清掃することが可能になる。このためには、堆積物トラップは軽量であること及び取り外し/取り付けが容易であることの二つの条件が必要になる。軽量であるためには、堆積物トラップの素材が、例えば、アルミニウムなどの軽量な部材であることが重要である。
【0088】
真空容器は大気解放後、堆積物トラップ▲1▼から▲2▼、▲3▼を順番に外し、最低限必要な洗浄作業を行う。最低限必要な洗浄場所は、例えば、ウエハ搬送用の開口部周辺などである。その後、逆順に洗浄済の堆積物トラップのスワップキットを取り付け、直ちに真空引きに入ることができる。これにより、洗浄作業を最低限の時間で行うことができる。このような手順で洗浄作業をすることは、洗浄時間を短縮するだけでなく、真空引きに要する時間も短縮できる。なぜならば、最低限必要な時間だけ大気開放することで、真空ない部品に吸着される大気中の水分を最低限にできる上に、最低限必要なだけの洗浄用溶媒(純水やアルコールなど)を使用することで、真空容器内に残留する溶媒量を最低限にできるからである。取り外した堆積物トラップ▲1▼▲2▼▲3▼は、洗浄した後に次回の大気開放/洗浄作業用のスワップキットとして再利用する。堆積物トラップとしてスワップキット化するべき領域は図33に示す領域に限る必要は無い。プロセスや扱う材料によって異なるが、堆積物が付着する全領域を堆積物トラップにすると効率的である。例えば、電極カバーの上半分以上の領域にしか堆積物が付着し内場合は、電極カバーの上半分をスワップキット化する。逆に、排気ダクトにまで堆積物が付着する条件では、排気ダクト内壁も堆積物トラップ領域とし、スワップキット化すると効率的になる。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、真空容器内壁に堆積する堆積膜を制御するので量産安定性に優れたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す図である。
【図2】ファラデーシールドを示す図である。
【図3】FSVを最適化する方法を説明する図である。
【図4】FSVのフィードバック制御を説明する図である。
【図5】ベルジャに対するファラデーシールドの取り付け例を示す図である。
【図6】防着板の取り付け構造を説明する図である。
【図7】防着板の熱計算の例を示す図である。
【図8】防着板の支持構造を説明する図である。
【図9】ベルジャ内壁に付着する堆積物対策を説明する図である。
【図10】防着板近傍における堆積物の付着を説明する図である。
【図11】防着板の構造例を示す図である。
【図12】防着板の他の構造例を示す図である。
【図13】防着板の更に他の構造例を示す図である。
【図14】載置台を含む試料保持部の構造を示す図である。
【図15】サセプタ表面を含む基板バイアス回路を示す図である。
【図16】サセプタの厚みとサセプタ表面に発生するバイアス電圧との関係を説明する図である。
【図17】薄肉のサセプタに対する堆積物の付着状況を説明する図である。
【図18】薄肉のサセプタに対する堆積物の付着状況を説明する図である。
【図19】サセプタ下面に金属膜を溶射した例を示す図である。
【図20】サセプタ下面に金属膜を溶射した例を示す図である。
【図21】サセプタ内に金属膜を埋め込んだ例を示す図である。
【図22】サセプタ内に金属膜を埋め込んだ例を示す図である。
【図23】セラミックス誘電体製の載置台に金属膜を備えたサセプタを適用した例を示す図である。
【図24】セラミックス誘電体製の載置台に金属膜を備えたサセプタを適用した例を示す図である。
【図25】バイアス印加用電極の接続構造を示す図である。
【図26】サセプタ表面に印加される高周波バイアス電圧を調整する手段を説明する図である。
【図27】サセプタ表面に印加される高周波バイアス電圧を調整する手段の構造例を説明する図である。
【図28】別電源を用いてサセプタに高周波バイアスを供給する例を説明する図である。
【図29】別電源を用いてサセプタに高周波バイアスを供給する場合の電極構造例を説明する図である。
【図30】サセプタバイアス電圧を最適化する方法を説明する図である。
【図31】フィードバック回路付きのサセプタバイアス印加回路を説明する図である。
【図32】フィードバック回路付きのサセプタバイアス印加回路を説明する図である。
【図33】真空処理室内部の各領域を説明する図である。
【符号の説明】
1a 上アンテナ
1b 下アンテナ
2 真空処理室
3、32、32a マッチングボックス(整合器)
4 ガスリング
4a ガス供給管
5 載置台
6 プラズマ
7 排気装置
8 ファラデーシールド
9 試料保持部
10 高周波電源(第1の高周波電源)
11 基板バイアス電源(第2の高周波電源)
11a サセプタバイアス電源
12 ベルジャ
12a 弾性導電体
13 試料
14 スリット
15 フィルタ
16 検波器
17 増幅器
18 比較器
19 モータ制御器
20 本体装置制御部
21 ベルジャ抑え
22 防着板
23 ガス吹き出し口
24 フランジ
31 静電吸着用電源
33 コンデンサ
34 サセプタ
35 絶縁ベース
36 接地ベース
37 絶縁カバー
38 溶射膜
39 金属溶射膜
40 静電吸着・高周波バイアス印加用電極
41,42,43 鍔部導電用パターン
50 セラミック被覆
51 サセプタ金属溶射膜
52 減衰器及びフィルタ
53 検波器
54 増幅器
55 比較器
57 本体装置制御部
VC1,VC2,VC3 可変コンデンサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus and a plasma processing method, and more particularly to a plasma processing apparatus and a plasma processing method capable of suppressing the generation of foreign matters due to reaction products.
[0002]
[Prior art]
As a material to be etched used in the semiconductor device manufacturing field, a volatile material such as Si, Al, or SiO 2 is used for a DRAM (Dynamic Random Access Memory) or a logic circuit IC. Also, non-volatile materials such as Fe are being used for FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) or MRAM (Magnetic Random Access Memory).
[0003]
The nonvolatile material is difficult to etch because the melting point of the reaction product generated during the etching is high. In addition, since the vapor pressure of the reaction product after etching is low and the coefficient of adhesion to the inner wall of the vacuum vessel (vacuum processing chamber) is high, the inner wall of the vacuum vessel can be formed only by processing a small number (several to several hundreds) of samples. It will be covered by deposits of reaction products. Further, when this deposit is peeled off, foreign matter is generated.
[0004]
When the reaction product is deposited, the coupling state between the induction antenna and the plasma in the reaction vessel changes, and the etching rate, the uniformity thereof, the etching perpendicularity, the adhesion state of the reaction product to the etching sidewall, and the like change with time.
[0005]
Specific examples of the non-volatile material include Fe, NiFe, PtMn, IrMn, a DRAM capacitor portion and a gate portion, and a FRAM capacitor portion used as a ferromagnetic or antiferromagnetic material for an MRAM or a magnetic head. And Pt, Ir, Au, Ta, and Ru, which are noble metal materials used for TMR (Tunneling Magneto Resistive) element portions of MRAM. In addition, Al, a high dielectric material 2 O 3 , HfO 3 , Ta 2 O 3 Examples thereof include PZT (lead zirconate titanate), BST (barium strontium titanate), SBT (strontium bismuth tantalate), and the like, which are ferroelectric materials.
Similarly, in the semiconductor device manufacturing field, Si or SiO is used as a semiconductor device manufacturing process. 2 Alternatively, a technique for forming a SiN film by plasma CVD is frequently used. In this technique, a polymerizable gas such as monosilane is incident on plasma to form a film on a wafer. At this time, a large amount of the polymerized film adheres to the inner wall of the reaction vessel other than the wafer, which hinders mass production stability. That is, if the polymer film is deposited too thickly on the inner wall of the reaction vessel, the polymer film is peeled off from the inner wall surface and adheres to the wafer as a foreign substance as in the case described above. For this reason, NF 3 It is necessary to carry out plasma cleaning using a violent special gas such as the above, or manual cleaning performed by opening the reaction vessel.
[0006]
In the field of semiconductor device manufacturing, SiO 2 The plasma dry etching process is frequently used. In this etching, C 4 F 8 , C 5 F 8 , CO, CF 4 , CHF 3 Or the like is used as an etching gas. Reaction products produced by the reaction of these gases in plasma include C, CF, C 2 F 2 When free radicals such as the above are contained and these free radicals are deposited on the inner wall of the reaction vessel, foreign substances are generated as in the case described above. Further, when free radicals are re-evaporated from the deposited film into the plasma, the chemical composition in the plasma changes, and the etching rate of the wafer changes over time. As a conventional plasma processing apparatus, an induction type plasma processing apparatus in which a coiled antenna is provided on the outer periphery of a vacuum container, a plasma processing apparatus for introducing a microwave into the vacuum container, or the like is known. In any of these processing apparatuses, countermeasures against deposits on the inner wall of the vacuum vessel when etching a non-volatile material are not sufficient, and thus manual cleaning with opening to the atmosphere is repeated. When the manual cleaning is started, it takes 6 to 12 hours to start the processing of the next sample, so that the operation efficiency of the apparatus is lowered.
For example, in Patent Documents 1, 2, and 3, a plasma is generated in a processing vessel by an induction method, and a Faraday shield is provided between the induction antenna provided on the outer periphery of the vacuum vessel and the plasma, and a high-frequency power source is provided to the Faraday shield. A plasma processing apparatus is shown that can reduce the adhesion of reaction products to the inner wall of the vacuum vessel or can clean the inner wall of the vacuum vessel by connecting and supplying power.
[0007]
This apparatus is effective for a portion of the vacuum vessel that is formed of a non-conductive substance, that is, ceramic or quartz, and a portion where the electric field due to the Faraday shield is sufficiently reached. However, it is not effective for portions formed of other non-conductive materials or portions formed of conductive materials.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-275694
[0009]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-61857
[0010]
[Patent Document 3]
JP 2000-323298 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the reaction product is excessively deposited on the inner wall of the vacuum vessel, the deposited film is peeled off from the inner wall surface and adheres to the wafer as foreign matter. In addition, in the plasma processing apparatus using the induction antenna, the coupling state between the induction antenna and the plasma in the reaction vessel changes, and the etching rate, the uniformity thereof, the etching verticality, the adhesion state of the reaction product to the etching sidewall, etc. Change. Further, when cleaning the inner wall of the vacuum vessel, it takes time to start the processing of the next sample, so that the operation efficiency of the apparatus is lowered. In addition, by providing a Faraday shield between the induction antenna provided on the outer periphery of the empty container and the plasma, and connecting the high-frequency power supply to this Faraday shield and supplying power, the adhesion of reaction products to the inner wall of the vacuum container is reduced. Alternatively, the effective range of the plasma processing apparatus that can clean the inner wall of the vacuum vessel is limited.
[0012]
The present invention has been made in view of these problems, and provides a plasma processing apparatus that controls a deposited film deposited on the inner wall of a vacuum vacuum vessel and is excellent in mass production stability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0014]
A gas ring that constitutes a part of the vacuum processing chamber and includes a processing gas blowout port; and Placed on top of it A mounting table on which the sample is mounted; a bell jar disposed above the gas ring to form an upper part of the vacuum processing chamber and covering the plasma generation space above the mounting table; and a bell jar disposed on the outer periphery of the bell jar. A coiled antenna that supplies a high-frequency electric field for generating plasma in the plasma generation space; a Faraday shield that is disposed between the antenna and a bell jar and is applied with a high-frequency bias voltage; An adhesion preventing plate that is detachably disposed on the vacuum processing chamber side and has an opening for allowing the processing gas flowing out from the processing gas outlet to flow therethrough, The gas ring is arranged to be positioned above the mounting table, The opening of the deposition preventing plate is connected to the processing gas blowout port through the opening. Outside the prospective angle It arrange | positioned in the said plasma production space direction so that the said sample might be included.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the first embodiment, a method for suppressing deposition of reaction products on the inner wall of a vacuum vessel during processing will be described by taking an example of etching processing when a sample to be plasma processed is a nonvolatile material.
[0016]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the plasma processing apparatus according to the present embodiment. The vacuum vessel 2 includes a bell jar 12 made of an insulating material (for example, a non-conductive material such as quartz or ceramic) that closes an upper portion thereof to form a vacuum processing chamber. Inside the vacuum vessel, there is provided a mounting table 5 for mounting a sample 13 to be processed, and plasma 6 is generated in the processing chamber to process the sample. The mounting table 5 is formed on the material holding unit 9 including the mounting table.
[0017]
On the outer periphery of the bell jar 12, a coiled upper antenna 1a and lower antenna 1b are arranged. A disc-shaped Faraday shield 8 that is capacitively coupled to the plasma 6 is provided outside the bell jar 12. The antennas 1a and 1b and the Faraday shield 8 are connected in series to a high frequency power source (first high frequency power source) 10 via a matching unit (matching box) 3 as will be described later. Further, a series resonance circuit (variable capacitor VC3 and reactor L2) capable of changing the magnitude of impedance is connected in parallel between the Faraday shield 8 and the ground.
[0018]
A processing gas is supplied into the vacuum vessel 2 through a gas supply pipe 4a. The gas in the vacuum vessel 2 is evacuated to a predetermined pressure by the exhaust device 7. A processing gas is supplied into the vacuum vessel 2 from the gas supply pipe 4a, and in this state, the processing gas is turned into plasma by the action of an electric field generated by the antennas 1a and 1b. A substrate bias power source (second high frequency power source) 11 is connected to the mounting electrode 5. Thereby, ions present in the plasma 6 can be drawn onto the sample 13.
[0019]
As the high frequency power source 10, for example, a high frequency power in the HF band such as 13.56 MHz, 27.12 MHz, 40.68 MHz, or a high frequency power source in the VHF band having a higher frequency is used. By supplying to 1 b and the Faraday shield 8, an electric field for generating plasma can be obtained in the vacuum vessel 2. At this time, by using the matching unit (matching box) 3, the impedance of the inductively coupled antennas 1 a and 1 b can be matched with the output impedance of the high-frequency power source 10, thereby suppressing power reflection. As the matching unit (matching box) 3, for example, as shown in the figure, a capacitor in which variable capacitors Vc1 and Vc2 are connected in an inverted L shape is used.
[0020]
As shown in FIG. 2, the Faraday shield is made of a conductor having a vertically striped slit 14 and is disposed so as to overlap with a ceramic vacuum vacuum container (Berger 12). The voltage applied to the Faraday shield 8 can be adjusted by the variable capacitor (VC3 shown in FIG. 1). The voltage (shield voltage) applied to the Faraday shield 8 may be set to an arbitrary value corresponding to the processing recipe for each wafer or corresponding to the cleaning processing recipe.
[0021]
The principle of cleaning the inner wall of the vacuum vessel by the Faraday shield is that a high-frequency voltage applied to the Faraday shield generates a bias voltage inside the vacuum vessel (the inner wall of the bell jar), thereby drawing ions in the plasma into the vacuum vessel wall, The drawn ions are bombarded against the vacuum vessel wall to cause physical / chemical sputtering, thereby preventing reaction products from adhering to the vacuum vessel wall. There is an optimum Faraday Shield Voltage (FSV) for cleaning the inner wall of the wall by the Faraday shield. The optimum FSV is affected by the high frequency power supply frequency, the vacuum vessel wall material, the plasma density, the plasma composition, the entire vacuum vessel configuration and the material of the workpiece, the processing speed, and the processing area. Therefore, the optimum value of the FSV needs to be changed for each process.
[0022]
FIG. 3 is a diagram for explaining a method for optimizing the FSV, and shows the relationship between the emission intensity (light quantity) of the FSV and the vacuum vessel wall material (for example, aluminum or oxygen constituting alumina when the wall material is alumina). It is a thing. As shown in the figure, the emission of the wall material becomes stronger when the FSV becomes higher than a certain FSV (point b in FIG. 3). This shows that deposits (depots) are deposited on the wall in the FSV below the b point, and not only the deposit is sputtered and deposited in the FSV above the b point, but the wall material itself is also sputtered. Is shown.
[0023]
The FSV optimum value is the voltage at point b, but depending on the process, point a may be the optimum value. For example, when the wall material is released into the gas phase by sputtering of the vacuum wall material, the processing reaction of the object to be processed or the reaction in the gas phase deviates from what is assumed, and the desired process cannot be executed. To do. That is, by setting the FSV to point a, deposition of a small amount of deposit is recognized on the inner wall of the vacuum vessel, thereby preventing the wall material from being sputtered at all. This makes it possible to prevent process failures due to the release of the wall material. However, before the deposit is sufficiently deposited on the inner wall of the vacuum vessel, it is necessary to clean the inner wall of the vacuum vessel using a process dedicated to cleaning (here, FSV is set higher than the point b).
In contrast to the above, there is also a process for setting the point c to an optimum value. For example, if any reaction product accumulates even a little on the inner wall of the vacuum vessel, foreign matter is generated, or high frequency power for generating plasma is absorbed by the deposit, and the characteristics of the plasma change to stabilize the target process. It may not be possible to execute. In this case, the FSV is set to the point c as described above. That is, the inner wall may be slightly cut, but the reaction product may be set to a condition that does not accumulate at all. In this case, there is a disadvantage that the exhaustion of the vacuum container increases, but the number of cleaning of the inner wall can be reduced.
[0024]
If neither the inner wall scraping nor the reaction product deposition is desired, the FSV is set at the point b. At this time, it is important to improve the reproducibility of the set voltage of the FSV. This is because it is necessary to suppress a change with time when the same process is performed in different apparatuses or when the same process is continuously performed in the same apparatus. For this purpose, feedback control of the FSV is important.
[0025]
FIG. 4 is a diagram for explaining feedback control of FSV. As shown in the figure, the output of the plasma generating high-frequency power supply 10 is applied to the Faraday shield 8 via the impedance matching devices (VC1, VC2) and the antennas 1a, 1b. The FSV is divided by capacitors C2 and C3 to form a small signal. After removing harmonics and other frequency components through the filter 15, the detector 16 detects the signal, converts it to a DC voltage, and amplifies it by the amplifier 17. In this way, a DC voltage signal proportional to FSV is obtained. This signal is compared with a preset value or a set value set by the comparator 18 in the recipe output of the main unit control unit 20, and a variable capacitor for controlling the motor via the motor controller 19 to determine the voltage of the FSV. Rotate VC3. As a result, the FSV can be controlled to a value set by the main device control unit 20, and for example, even when different processes or the same apparatus processes the same process continuously, the FSV value can be controlled to be constant. . In addition, it is possible to suppress disparity between devices and changes with time.
[0026]
The Faraday shield is capacitively coupled to the plasma through the wall (belger) of the dielectric vacuum vessel. As a result, the FSV is divided by the capacitance between the Faraday shield and the plasma and the capacitance by the ion sheath formed on the wall, and the voltage after the division is applied to the ion sheath. As a result, the ions are accelerated and the inner wall of the vacuum vessel is subjected to ion sputtering. For example, when the wall thickness of an alumina vacuum vessel is 10 mm, the voltage applied to the ion sheath is about 60 V when the FSV is 500 V.
[0027]
It is useful to increase the voltage applied to the ion sheath with a low FSV. This is because the generation of a high FSV makes handling more difficult due to the fact that abnormal discharge tends to occur. In order to increase the voltage applied to the ion sheath with a low FSV, the capacitance of the ion sheath is uniquely determined by the plasma characteristics of the process used, so the capacitance between the Faraday shield and the plasma is made as small as possible. It is effective to do. In order to realize this, the dielectric constant of the material of the dielectric vacuum container is high, and the thickness of the wall of the dielectric vacuum container is made as thin as possible. As a material suitable for this, typical alumina can be adopted as a material having high strength and high dielectric constant.
[0028]
When a vacuum vessel with a thin wall thickness is made of a material having a high dielectric constant such as alumina, the problem is a gap between the Faraday shield and the wall (belger) of the vacuum vessel. Since the dielectric constant of alumina is about 8, when the wall thickness is 10 mm, the thickness is 10/8 = 1.25 mm when converted to the atmosphere. Here, assuming that the gap between the Faraday shield and the vacuum vessel is 0 to 1 mm, the distance between the Faraday shield and the plasma changes from 1.25 to 2.25 mm, which is almost half as large as the air. This means that the voltage applied to the ion sheath changes from about 33 V to 60 V under the above conditions.
[0029]
In this way, when the voltage applied to the ion sheath changes greatly, deposits (depots) adhere to parts of the inner wall of the vacuum vessel, and deposits do not adhere to other parts, and FSV is applied. By doing so, the effect of suppressing deposit adhesion is reduced. In order to prevent this, it is necessary to make the gap between the Faraday shield and the vacuum container constant, or to manufacture the Faraday shield with a thin film and make it closely contact with the vacuum container.
[0030]
It is easy to fabricate a Faraday shield by processing a metal plate, but it is not realistic to make the gap with the vacuum vessel wall (Berja) 0.5 mm or less. However, a conductive elastic body, for example, a conductive sponge, can be attached under the Faraday shield, and the gap between the Faraday shield and the vacuum vessel wall can be filled with the sponge.
[0031]
FIG. 5 is a view showing an example of attaching the Faraday shield to the bell jar. FIG. 5A is an example in which there is a gap between the Faraday shield 14 and the bell jar 12, and deposits are likely to be deposited on the inner surface of the vacuum container in the portion with the gap. On the other hand, deposits do not accumulate near the bottom of the gap. FIG. 5B is a diagram showing an example in which the gap is filled with an elastic conductor 12a, for example, a conductive sponge. Thereby, the Faraday shield 14 can acquire the same effect as having adhered to the bell jar 12. In addition, since conductive sponge has a large elasticity, it can fill a large and small gap flexibly.
FIG. 6 is a view for explaining the attachment structure of the deposition preventing plate, and FIG. 6 (a) shows the gas outlet 23 formed in the bottom of the bell jar 12 and the gas ring below it. When the plasma treatment is continued in this configuration, deposits are deposited in the portions indicated by A and B in the figure. Deposits can be prevented from being deposited on the inside of the bell jar and above the portion B in the figure due to the effect of ion sputtering by FSV. The problem here is the portion indicated by A and B. The portion A is the periphery of the gas ejection port 23. When deposits adhere to the gas ejection port 23, the deposits easily peel off due to the effect of the gas flow, and the peeled deposits are on the wafer to be processed. It becomes a foreign object and becomes an obstacle to the process. The portion B is the inner wall of the bell jar 12, but the Faraday shield 14 is far from the bell jar inner wall. For this reason, the ion sheath voltage by FSV falls and the deposit adhesion inhibitory effect by ion sputtering does not fully work.
[0032]
FIG. 6B is a diagram illustrating a structure in which the gas outlet 23 is covered with the deposition preventing plate 22. The portion A is near the gas outlet, and deposit adhesion to this portion needs to be reduced as much as possible. In order to reduce deposit adhesion to the gas blowing port 23, the plasma 6 region that can be seen from the gas blowing port 23 through the hole of the deposition preventing plate 22 is reduced, that is, the prospect angle for the plasma is reduced, and the gas blowing port 23 It is necessary not to look directly at the wafer, that is, to set the central axis of the gas outlet 23 in the direction of the plasma generation space above the sample so that the sample is included outside the expected angle.
[0033]
FIG. 6C is a diagram showing a detailed example of the relationship between the deposition preventing plate and the gas ejection port. In this example, the prospective angle is reduced to about 30 degrees, and the wafer is made invisible directly from the gas ejection port.
[0034]
At this time, it is effective to leave a gap between the deposition preventing plate 22 and the gas ejection port 23. The size of the gap is desirably 0.5 mm or more. This gap creates several advantages. First, even if the gas passage hole formed in the deposition preventing plate has the same size, the prospective angle to the plasma can be reduced by opening the gap, and the amount of deposits adhering to the gas ejection port 23 can be reduced. Further, when the gas is blown out from the gas ejection port 23 into the vacuum container, a large pressure drop occurs, and the flow moves from a viscous flow to an intermediate flow and finally becomes a molecular flow. Here, the gas pressure is still relatively high in the vicinity of the gas outlet 23 and is in an intermediate flow state. When deposits adhere to the gas outlets 23, the deposits are easily peeled off due to the force from the gas flow. By forming the gap, the gas flow in the vicinity of the deposition preventing plate 22 becomes a molecular flow, and the gas flow has less force to peel off the deposit attached to the deposition preventing plate, and the peeling of the deposit can be reduced. Furthermore, as will be described later, the temperature of the deposition preventing plate 22 can be increased efficiently, and the amount of deposits adhering to the deposition preventing plate 22 can be reduced.
[0035]
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of heat calculation of the deposition preventing plate. From the results of the process treatment, it has been found that materials such as Fe and Pt hardly adhere to members having a temperature of 250 ° C. or higher. Therefore, the deposition preventing plate was designed so that the temperature of the deposition preventing plate was 250 ° C. or higher. In the thermal design, the heat balance of the three was calculated: heat input from the plasma, heat escape from the protection plate support, and radiation heat escape from the entire protection plate. The result of this heat calculation is shown in FIG.
[0036]
When the adhesion preventing plate is SUS (stainless steel), it can be seen that the equilibrium temperature exceeds 250 ° C. when the radio frequency (RF) input to the plasma is about 500 W. When the deposition preventing plate is made of Al (surface anodized), the deposition preventing plate equilibrium temperature is 250 ° C. or more when the RF input is 1000 W or more. The structural features of each part in the calculation will be described below.
[0037]
Since the plasma heat isotropically diffuses in the reactor, the plasma heat input is calculated as RF input to plasma x deposition plate area / total plasma contact area. In the adhesion plate specification designed this time, if the RF input to the plasma is 1200 W, the heat input to the adhesion plate is 260 W.
[0038]
The heat radiation escape from the adhesion-preventing plate can be suppressed to a low level because the surface radiation rate can be reduced to about 0.2 by using SUS as a material and having a mirror-finished surface. When Al (surface alumite treatment) is used for the adhesion-preventing plate, the alumite surface emissivity is about 0.6, so that the heat radiation escape becomes large.
[0039]
FIG. 8 is a view for explaining the support structure of the deposition preventing plate. The protection plate supports the entire circumference at three points so that the heat transfer from the support portion is reduced, and the contact area with the gas ring main body is almost point contact as shown in FIG. Suppressed. As a specific example, the contact portion radial length is 3 mm, and the contact portion circumferential length is 1 mm. Contact thermal resistance is 3000 [W / (m 2 · K)] Even if estimated to be an excessive value, the heat transfer from the cover plate support portion calculated by contact area × contact heat transfer coefficient × (block plate inner surface temperature−gas ring temperature) is about 10 W It can only be.
[0040]
Actually, a protection plate was prototyped and the surface temperature was measured. The material of the deposition preventing plate used is Al (surface anodized). With an RF input of 1200 W, the surface temperature was about 250 ° C., and it was confirmed that the value was almost as designed.
[0041]
As described above, the adhesion preventing plate cannot completely eliminate the adhesion of the deposit even if it is maintained at a high temperature. For this reason, it is important to stably deposit the deposits attached to the deposition preventing plate. For this reason, it is desirable that the surface of the deposition preventing plate has some unevenness in order to improve the adhesion of the deposit mechanically. According to the inventors' experiment, it is known that the surface roughness is desirably 10 μm or more.
[0042]
However, when the deposit starts to adhere, the deposited deposit gradually increases in thickness from the state of the thin film. For example, the unevenness of 10 μm provided on the deposition preventing plate has an anchor effect for deposits having the same film thickness. However, the anchor effect decreases as the thickness of the deposited deposit increases. Therefore, in order to make the anchor effect work effectively from the initial state in which the amount of deposits is small to the state in which the amount of deposits has increased to some extent, two types of unevenness, for example, 10 μm unevenness and 100 μm unevenness are simultaneously applied to the surface. Is desirable. As a processing method for forming such unevenness, for example, knurl processing can be used for forming 100 μm unevenness, and blasting can be used for forming 10 μm unevenness.
[0043]
As described above, it is desirable that the surface of the deposition preventive plate be mirror-finished in order to raise the temperature of the deposition preventing plate, and that the surface be unevenly formed in order to stably deposit the deposit. Therefore, in reality, the surface of the deposition plate to which deposits adhere (surface facing the plasma) is uneven, and the surface to which deposits do not adhere (for example, between the deposition plate and the gas ejection port). The surface facing the gap can be mirror-finished. In addition, in order to reflect the heat radiated from the deposition preventing plate, it is desirable that the surface of the gas ring where the deposits do not adhere is mirror-finished.
[0044]
The size of the deposition preventing plate is desirably the minimum size for covering the gas outlet. This is because deposits are inevitably deposited on the protective plate, and a thermal history is generated on the protective plate in order to increase the temperature in order to reduce the amount of deposit attached. This is because the deposits are easily peeled off due to the difference in the amount of expansion and contraction due to heat between the deposits and the protective plate material.
[0045]
Further, it is desirable that the deposition preventing plate is made of an electrically conductive material and grounded. This is because the discharge becomes more stable when the ground contact area with respect to the high frequency for generating plasma is increased. In addition, when the deposit is charged, the deposit is easily peeled off by the repulsive force between the deposits due to the Coulomb force, so that the deposit is also prevented from being charged as much as possible.
[0046]
The structural design and the thermal design as described above were carried out to produce an adhesion-preventing plate having a surface roughness of 10 μm and 100 μm, and the performance was examined by etching 500 platinum Pt continuously. As a result, almost no deposit was found on the gas outlet. Moreover, the deposit adhering to the adhesion preventing plate was stable, and no peeling of the deposit occurred.
[0047]
9 is a portion B of FIG. 6 (a portion where the Faraday shield of the inner wall of the bell jar 12 is far from the inner wall of the bell jar. Therefore, a portion where the ion sheath voltage due to the FSV is lowered and the deposit adhesion suppressing effect due to the ion sputtering does not sufficiently work) It is a figure explaining the deposit countermeasure adhering to a.
[0048]
The portion B in FIG. 6 is a region where ion sputtering by FSV is difficult to work because the distance between the inner wall of the bell jar 12 and the Faraday shield 14 is long. Therefore, by extending the deposition preventing plate 22 and covering this portion, it is possible to reduce the deposit adhesion amount and stabilize the deposit. This structure is shown in FIG. 9 (a). When this was used to test the deposit adhesion, it was found that the deposit adhered to a region of about 15 mm width on the inner wall of the bell jar centering on point C in FIG.
[0049]
FIG. 9B is a modification of FIG. As shown in the figure, the bell jar 12 is formed so that the inner surface thereof is substantially continuous with the inner surface of the gas ring 4, and the bell jar 12 is disposed on the gas ring 4 to form a vacuum processing chamber.
[0050]
According to this configuration, the deposition preventing plate can be continuously formed on the inner surface of the bell jar and the inner surface of the gas ring. Thereby, the region where the ion sputtering by the FSV is difficult to work can be effectively protected by the deposition preventing plate.
[0051]
FIG. 10 is a diagram for explaining adhesion of deposits in the vicinity of the deposition preventing plate. First, the dotted lines indicate plasma isodensity lines. When attention is paid to the point C, the point C corresponds to a corner portion made of an adhesion preventing plate and a bell jar, and the plasma density in this portion is slightly lower than the surrounding area.
[0052]
This is because the plasma is less likely to go around the point C due to the thickness of the deposition preventing plate. For this reason, at point C, the number of ions sputtered per unit area of the inner wall of the bell jar is small, and it is considered that deposits are difficult to remove. There is another possible cause. That is, since the deposition plate is electrically conductive, the FSV is not effective on the ion sheath generated on the deposition plate, and a DC voltage of about 15 to 20 V determined by the plasma characteristics is applied to the ion sheath. On the other hand, in the region where FSV is effective, the ion sheath formed on the inner wall of the bell jar is applied with a high-frequency voltage of about 60 V, for example, on the DC voltage determined by the plasma characteristics. Sputter. That is, the vicinity of the point C corresponds to a transition region from the low voltage ion sheath generated on the deposition plate to the high voltage ion sheath formed on the inner wall of the bell jar, and is separated from the vicinity of the deposition plate near the point C. Accordingly, the voltage of the ion sheath is increased, and the region in which ion sputtering is gradually applied becomes a region.
[0053]
Due to the two causes described above, it is considered that a weak sputter region due to FSV is formed in the vicinity of point C as shown in FIG. In this region, it is considered that the deposit adheres because the deposit adheres more preferentially than the sputtering by FSV.
[0054]
11, 12, and 13 are diagrams showing examples of the structure of the adhesion preventing plate, respectively. As shown in FIG. 11, in order to remove the cause of the decrease in the plasma density, which is one of the causes of the formation of the weak sputter region, a knife edge-shaped deposition preventing plate was manufactured and tested. As a result, as shown in FIG. 11, it was confirmed that the weak sputter region was reduced and the deposit adhesion region was reduced. Therefore, in order to remove another cause, as shown in FIG. 12, when the upper portion 22a of the deposition preventing plate is changed to an insulator (in this case, alumina), as shown in FIG. Sediment areas could be matched and there was almost no deposit adhesion. Since the surface of alumina cannot be knurled, irregularities were processed on the surface by blasting. Also, quartz or aluminum nitride can be used as the insulator material.
[0055]
In order to prevent deposit adhesion more thoroughly, as shown in FIG. 13, it is sufficient that the strong sputter region is slightly larger than the deposit adhesion region. Therefore, a gap is provided between the deposition preventing plate and the bell jar so that plasma can enter between the deposition preventing plate and the bell jar. In order for the plasma to enter, the gap interval needs to be sufficiently larger than the ion sheath, and the gap interval needs to be 5 mm or more. On the other hand, if the size is too large, the deposit is wrapped around by diffusion, so that the effect is reduced. The maximum value of the gap to prevent the deposit from wrapping around is determined by the material / gas type of the deposit and its pressure, and therefore varies depending on the treatment process. However, the approximate result of the test is 15 mm. As a result of producing and carrying out a test of an anti-adhesion plate having the structure shown in FIG. 13, adhesion of deposits to the bell jar could be completely suppressed. In the case of this structure, the upper part of the protective plate does not need to be an insulating material, and the performance does not change even if it is made of an electric conductor.
[0056]
The upper part of the susceptor, which is the cover of the mounting table 5, also causes foreign matter generated on the wafer when deposits adhere. Therefore, a high frequency bias was also applied to the susceptor, and physical and chemical ion sputtering was caused to prevent deposits from adhering.
[0057]
FIG. 14 is a view showing the structure of the sample holder 9 including the mounting table. As shown in the figure, a mounting table to which the substrate bias power supply 11 is connected is mounted on the ground base 36 and the insulating base 35. As the material for the mounting table, aluminum or titanium alloy is generally used. A dielectric film is formed on the part on which the object to be processed (sample 13) is mounted at the upper part of the mounting table so that the object to be processed can be electrostatically adsorbed. Although the dielectric film is a sprayed film in the drawing, it may be formed of a polymer material such as epoxy, polyimide, or silicone rubber. In addition, as a ceramic material formed by thermal spraying or the like, there are alumina, aluminum nitride, and PBN (Pyrolytic Boron Nitride). Further, FIG. 14 shows a structure in which high-frequency power is shielded by using a grounding base 36 and an insulating cover 37 in order to prevent the high-frequency power from being released into the plasma from the side surface direction of the mounting table 5. The susceptor is generally made of quartz or alumina, and covers the electrode portion other than the surface on which the sample of the mounting table is mounted to prevent damage by plasma.
[0058]
FIG. 15 is a diagram showing a substrate bias circuit (equivalent circuit) including the susceptor surface. The substrate bias power supply 11 is mixed with the direct current voltage for electrostatic attraction supplied from the electrostatic attraction power supply in the impedance matching unit (MB) 32 and then supplied to the mounting table. Here, the high frequency of the substrate bias power supply 11 passes through the susceptor 34 from the mounting table 5 and is also supplied to the upper surface of the susceptor. At this time, the susceptor 34 forms a capacitor using a susceptor material as a dielectric. In FIG. 15, the capacitor formed in this way is represented as a capacitor C (33).
[0059]
The inventors first examined the deposit adhesion when the susceptor thickness was 5 mm as shown in FIG. As a result, it was found that a large amount of deposits adhered to the upper surface of the susceptor.
[0060]
Therefore, the relationship between the thickness of the susceptor 34 and the bias voltage generated on the susceptor surface was theoretically examined. The result is shown in FIG. It has been found that when the voltage generated on the inner wall of the bell jar is about 60 V or more, deposit adhesion can be suppressed. Further, in the tests of the inventors, the bias voltage (peak-to-peak) Vpp at the time of the test was often set to a range of about 400 to 500 V. Therefore, the bias voltage Vpp was 60 V or more on the susceptor surface within this range of the bias voltage Vpp. A susceptor thickness of 4 mm was selected so that a voltage could be generated.
[0061]
FIGS. 17 and 18 are diagrams for explaining the state of deposit attachment to a thin-walled susceptor (for example, 4 mm thick). As shown in FIG. 17, the entire surface of the susceptor was set to a thickness of 4 mm, and the deposition state of the deposit was tested. As a result, it was confirmed that there was no deposit adhering in the range indicated by the arrows in the figure (depot adhesion limiting region). Thereby, it turned out that deposit adhesion can be suppressed in the part which is in direct contact with the mounting table. However, in the configuration of FIG. 17, deposits adhere to the outer peripheral portion of the upper surface of the susceptor, and there is a concern that this may become a foreign substance on the object to be processed and hinder processing. Therefore, except for the insulating cover 37 formed on the side surface of the mounting table, the mounting table and the susceptor are in contact with each other over the entire upper surface of the susceptor and the side surface of the susceptor. This configuration is shown in FIG. Using the structure shown in FIG. 18, the state of deposit adhesion was experimentally investigated in the same manner as described above. As a result, deposits were not adhered on the susceptor upper surface and the susceptor upper surface in contact with the mounting table. However, it has been found that if the susceptor is repeatedly attached and detached, the deposit may not be removed sufficiently even under the same conditions. In addition, it was found that when this deposit could not be removed sufficiently, the deposit was deposited with an uneven distribution, and in particular, the deposit was likely to remain on the side surface of the susceptor.
[0062]
The deposits were deposited in a distribution with a bias, and the reason why the deposits could not be fully removed was estimated as follows. That is, the material of the susceptor is alumina, the thickness thereof is 4 mm, and the dielectric constant is about 8, which corresponds to about 0.5 mm when converted to an air layer. Here, if the gap between the susceptor and the mounting table is 0.1 mm, for example, the thickness of the dielectric forming the capacitor C in FIG. 15 is 0.5 mm for the susceptor and 0 to 0.1 mm for the gap. Total, varies from 0.5 to 0.6 mm (20%). This fluctuation causes a bias in the high-frequency voltage generated on the susceptor surface, thereby causing a bias in how to remove the deposit. However, it is difficult to manufacture the susceptor and the mounting table in close contact with each other with an accuracy of 0.1 mm or less, which is not practical.
[0063]
In order to solve this, as shown in FIG. 19, a metal film is sprayed on the lower surface of the susceptor 34 to form a metal spray film 39. Tungsten was used as the sprayed metal because it is known that it has good adhesion to alumina. The metal film need not be tungsten if it has electrical conductivity and good adhesion to the susceptor, and gold, silver, aluminum, copper, etc. are also possible. Also, the metal film manufacturing method does not have to be thermal spraying, and any method can be used as long as it can form a thin film such as plating, sputtering, vapor deposition, printing, coating, and thin film adhesion. By adopting this structure, if the metal film and the mounting table 5 are in contact with each other at one place, the same voltage as the mounting table is generated on the entire metal film, so the problem of the gap between the susceptor and the mounting table can be avoided.
[0064]
As a result of investigating the adhesion state of the deposit by an experiment using the apparatus configuration of FIG. 19, the adhesion of the deposit could be eliminated with good reproducibility within the deposit adhesion restricted region indicated by the arrow. The advantage of this method is that if the metal film and the mounting table are in contact with each other, the same voltage as that of the mounting table 5 is generated on the entire metal film, and a uniform high-frequency voltage can be generated on the surface of the susceptor 34. Therefore, as shown in FIG. 20, even when there is another structure such as the insulating cover 37, a uniform high frequency voltage can be generated on the surface of the susceptor in an arbitrary range by expanding the spraying range of the metal sprayed film. . In the configuration of FIG. 20, it was experimentally confirmed that deposit adhesion can be eliminated with good reproducibility in the deposit adhesion limited region indicated by the arrow.
[0065]
From the above results, it was found that by using a metal film such as metal spray, a high-frequency voltage can be uniformly generated on the susceptor surface, and the deposit adhesion can be suppressed uniformly. When this technique is used, the same effect can be obtained by embedding a metal film in the susceptor even when the thickness of the susceptor must be increased structurally. This structure is shown in FIGS.
[0066]
As shown in these drawings, a metal spray film 39 is embedded at a predetermined depth from the surface of the susceptor 34 (approximately 4 mm in the figure), and a contact is made from the metal spray film 39 to the mounting table 5 so as to be electrically connected. The conduction is ensured, and the same high frequency voltage as that of the mounting table 5 is generated on the metal sprayed film 39.
[0067]
The mounting table on which the sample 13 is mounted includes ceramic dielectrics such as aluminum nitride and alumina in addition to the type of forming an electrostatic adsorption film on a metal mounting table by thermal spraying as shown in the drawings. There is a type in which a metal electrode is embedded in a manufactured mounting table, and electrostatic adsorption or high frequency bias is applied from the metal electrode. Even in the case of this kind of mounting table, it is possible to manufacture a susceptor having exactly the same function by forming a metal film on the susceptor.
[0068]
Examples of this are shown in FIGS. FIG. 23 shows a case where a metal film is formed on the back surface of the susceptor 34. The mounting table 5 is made of aluminum nitride, and an electrostatic adsorption / high frequency bias application electrode 40 made of tungsten is embedded in the mounting table 5. From this electrode, a conductive pattern (the buttock conductive patterns 41, 42, 43) is embedded toward the metal sprayed film 39, whereby the electrode 40 and the metal sprayed film 39 are electrically connected. As a result, the same high frequency voltage as that of the tungsten electrode can be generated on the metal sprayed film 39 on the back surface of the susceptor. As a matter of course, the deposit adhesion control ability to the susceptor surface by this structure can be made exactly the same as described above.
[0069]
FIG. 24 shows an example in which a metal sprayed film 39 is embedded in the susceptor 34. The conductive pattern described in FIG. 23 (trunk conductive patterns 41, 42, 43) is extended and the mounting table 5 is embedded with contacts. If the metal sprayed film 39 buried in the electrode 40 and the susceptor 34 is connected, the function can be exactly the same as in the case of FIG.
[0070]
In the case of the mounting electrode 5 shown in FIGS. 23 and 24, a pattern for supplying a high frequency to the metal sprayed film 39 from the electrostatic adsorption / high frequency bias applying electrode 40 embedded in the electrode 5 is formed inside the mounting electrode 5. One example is shown in FIG. 25.
[0071]
In FIG. 25, the buttock conductive pattern 41, which is parallel to the tungsten electrostatic adsorption / high frequency bias applying electrode 40, embeds a tungsten thin film in the mounting electrode in the same manner as the tungsten electrode. These embedded tungsten thin films can be connected to each other by forming holes on necessary portions after forming the mounting electrodes and brazing the through terminals.
[0072]
In the bias application method for the susceptor described so far, when the high-frequency voltage of the mounting table is a certain value (here, 400 V), the deposit adhesion on the susceptor upper surface is just suppressed. However, when the voltage of the mounting table is increased, the high-frequency voltage on the upper surface of the susceptor becomes too high, and there is a disadvantage that the susceptor is scraped and the component life is shortened. This drawback can be solved by introducing means for adjusting the high-frequency bias voltage applied to the susceptor surface from the outside, as shown in FIG. FIG. 26 shows a circuit for adjusting the voltage of the metal film of the susceptor with a variable capacitor VC attached to the outside. This is shown in FIG. 27 as an actual structure.
[0073]
A ceramic coating 50 is formed on the surface of the mounting table in contact with the susceptor by thermal spraying or the like so that the susceptor metal sprayed film 51 and the mounting table 5 do not directly contact each other. This ceramic coating 50 forms a capacitor C ′ shown in FIG. 26 and has a function of transmitting a part of the high-frequency voltage applied to the mounting table 5 to the susceptor metal sprayed film 51. Then, the high frequency voltage applied to the mounting table 5 is transmitted to the susceptor metal sprayed film 51 by another external variable capacitor VC. Since the high-frequency voltages transmitted by the two capacitors have the same phase, they are simply added, and the high-frequency voltage generated on the susceptor surface is determined by the voltage. For example, the susceptor thickness is 4 mm, and the surface area of the susceptor metal sprayed film is 400 cm. 2 Assuming that the ceramic film is 300 μm of alumina and the maximum capacity of the variable capacitor VC is 8000 pF, when the bias high frequency voltage of the mounting table is 400 V, the susceptor surface voltage is about 30 to 100 V when the capacity of the variable capacitor VC is varied. Variable in range. Thus, the high frequency voltage generated on the susceptor surface can be controlled by appropriately selecting the susceptor thickness, ceramic coating, metal spray coating surface area, and variable capacitor VC. Further, although the susceptor metal sprayed film at this time is not shown, it can be incorporated in the susceptor as long as it can be connected to the variable capacitor VC.
[0074]
In order to vary the bias applied to the susceptor, it is also possible to use a high-frequency power source different from the high-frequency power source 11 that supplies a high frequency to the mounting table. This is shown in FIG. Here, a susceptor bias power supply 11a for supplying a high frequency to the susceptor metal film is used separately from the substrate bias power supply 11 for supplying a bias to the mounting table. The electrode structure in this case is shown in FIG. What is important here is that an insulation and ground shield (grounding base 36) is provided between the mounting table 5 and the susceptor metal sprayed film 51 so that the high frequency voltage applied to the susceptor metal sprayed film 51 is not affected by the high frequency voltage of the mounting table 5. It is necessary to incorporate. Thereby, although there is a disadvantage that the susceptor bias power supply 11a is necessary, the bias applied to the susceptor can be controlled completely independently of the high-frequency voltage applied to the sample 13. Further, the susceptor metal sprayed film 51 at this time is not shown, but can be incorporated in the susceptor as long as it can be connected to the susceptor bias power supply 11a.
[0075]
FIG. 30 is a diagram for explaining a method of optimizing the susceptor bias voltage. Similar to the aforementioned FSV, the susceptor bias voltage has an optimum value. This voltage is influenced by the frequency of the bias power source, the susceptor material and thickness, the plasma density, the plasma composition, the entire vacuum vessel configuration and the sample material, the processing speed, and the processing area. Therefore, the optimum value of the susceptor bias voltage needs to be changed for each process. As in the case of FIG. 3, when the susceptor bias voltage increases with a certain value (point b in FIG. 30) as a boundary, the susceptor material emits light. When the susceptor bias voltage is lower than the point b, the deposit is deposited on the susceptor, and when the susceptor bias voltage is higher than the point b, the deposit is sputtered and not deposited, and the susceptor material itself is sputtered. Is shown.
[0076]
The optimum susceptor bias voltage is the voltage at point b, but it may be at point a depending on the process. This corresponds to a case where the susceptor material is released into the gas phase by sputtering of the susceptor material, and the sample processing reaction or reaction in the gas phase deviates from what is assumed, so that a desirable process cannot be performed. That is, by setting the susceptor bias voltage to point a, deposition of a deposit is recognized although it is slight on the susceptor, and the susceptor material is not sputtered at all. This is to prevent process failure due to the release of the susceptor material. Instead, it is necessary to clean the susceptor by a cleaning-dedicated process (here, the susceptor bias voltage is set higher than the point b) before the susceptor deposits are sufficiently deposited.
[0077]
On the other hand, if even a small amount of deposit adheres to the susceptor, the target process may not be stably executed due to the generation of foreign matters. In this case, the optimum point of the susceptor bias voltage can be set to the point c, and the susceptor may be slightly cut, but may be set to a condition in which no deposit is attached. In this case, there is a disadvantage that the consumption of the susceptor increases, but there is an advantage that the cleaning of the susceptor may be small.
[0078]
If both the susceptor scraping and deposit adhesion are desired, the susceptor bias voltage is set to the point b. At this time, it is important to improve the reproducibility of the set voltage of the susceptor bias voltage. This is because it is necessary to suppress a change with time when the same process is performed in different apparatuses or when the same process is continuously performed in the same apparatus. For this purpose, feedback control of the susceptor bias voltage is important.
31 and 32 are susceptor bias applying circuits with feedback control circuits corresponding to FIGS. 26 and 28, respectively. In both circuits, the voltage of the susceptor metal sprayed film is detected through an attenuator and a filter 52 and converted to a DC voltage. Thereby, this DC voltage signal becomes a signal proportional to the susceptor bias voltage. By comparing this signal with a preset value or a set value set by a recipe or the like of the main body device control unit 57, in the case of FIG. 31, the motor that rotates the variable capacitor VC that determines the susceptor bias voltage is controlled. In the case of FIG. 32, the output of the susceptor bias power supply 11a is controlled. By using this method, the susceptor bias voltage can be controlled to the value set in the main unit, and the susceptor bias voltage value can be kept constant when processing the same process continuously in different devices or the same device. It is possible to control, and to suppress the difference between devices and the change with time.
[0079]
The above has described the method and structure of the region to be controlled so as not to deposit or adhere deposits, that is, the bell jar 12, the gas outlet 23, and the susceptor 34. As long as the reactive organisms coming out of the sample 13 and the substances synthesized in the gas phase are volatile components having a high vapor pressure, these substances are exhausted from the discharge part and the periphery of the object to be processed by the exhaust device, and the electrodes Although some deposit in the lower part and the exhaust duct, most of them are exhausted.
[0080]
However, highly deposited substances, that is, vapor pressure is low and the adhesion coefficient to solids is close to 1 (almost trapped when contacted with solids) are used as sample reaction products or in the gas phase. If synthesized, these substances are deposited on the vacuum vessel wall including the bell jar, susceptor or gas outlet around the sample and are hardly exhausted.
[0081]
In such a situation, if the deposits are controlled not to adhere to any part in the vacuum vessel, these highly depositing substances lose their deposition sites. For this reason, the density in the gas phase of a highly depositing substance increases, and the driving force for the deposition increases. As a result, the material is forcibly deposited on a bell jar or a susceptor.
[0082]
That is, controlling the deposits not to adhere to the bell jar, the susceptor or the like produces the effect by preparing a place where the deposits are deposited in some amount. Then, by increasing the amount of deposits that can be deposited, or by quickly depositing from the gas phase, the deposit amount control capability of the deposits in the bell jar and the susceptor can be increased.
[0083]
In other words, a region (deposit trap region) for depositing a large amount of deposit quickly and in a large amount from the gas phase may be provided around the object to be processed in which a highly depositable reaction product is generated or around the plasma region. I need it. The deposition preventive plate functions as a cover that suppresses deposits from adhering to the gas outlet, but it is also a kind of trap because it is assumed that deposits accumulate on itself.
[0084]
FIG. 33 shows the inside of the vacuum vessel divided into regions including the deposit trap. First, the bell jar region and the wafer (sample) / susceptor region are regions that are controlled so as not to deposit deposits. All other areas in contact with the plasma are deposit trap areas, and the deposit trap area (1) is an area including the deposition plate and the lower part of the gas ring, and can be seen directly from the wafer (can be seen). It is an area. The bell jar region, the wafer / susceptor region, and the deposit trap region (1) are all regions that can be directly viewed from the wafer (can be seen), are regions that generate plasma, and from the wafer, Alternatively, a region having a strong deposition property formed in a plasma gas phase is most likely to adhere. If deposits are deposited in an uncontrolled state in these regions, foreign matter may be caused on the wafer or plasma may change over time. Therefore, in those areas that can be viewed directly from these wafers, deposit deposition must be controlled as completely as possible.
[0085]
In the present invention, when the structure shown in FIGS. 12 and 13 is used for the deposition preventing plate, 100% of the area that can be seen from these wafers is in a state in which the deposits are controlled. Further, even if the structures of FIGS. 6, 9, and 11 are used, it is necessary to control the deposits to 90% or more of the surface area of the region that can be viewed from these wafers.
[0086]
In addition, as described above, since the deposit trap region performs a sufficient function, the deposit suppression function of the bell jar region and the wafer / susceptor region can be enhanced, so that the surface area of the bell jar region and the susceptor region is as small as possible. It is desirable to make the surface area of the sediment trap region (1) as large as possible. When reactive organisms with strong deposition properties are generated from the wafer, assuming that the surface area of the wafer is SW, the surface area S1 of the deposit trapping area {circle around (1)} is S1 <0.5SW, and in the bell jar area or the wafer / susceptor area. It was found by experiments by the inventors that the sediment control function is reduced. Therefore, in order to quickly deposit reactive organisms in the sediment trap, a relationship of S1> = 0.5S1 is necessary, and S1> = S1 is desirable.
[0087]
The deposit trap region {circle around (2)} is called a ring cover and is located below the deposit trap region {circle around (1)}. Although this region cannot be desired directly from the wafer, a highly depositable material is transported by diffusion to adhere to the upper portion of the region. The deposit trap region {circle around (3)} is a cover on the side surface of the electrode, which cannot be directly desired from the wafer, but a large amount of deposit adheres to the upper portion like the deposit trap region {circle around (2)}. These deposit trapping areas (2) and (3) are areas that cannot be directly observed from the wafer, so it is unlikely that deposits adhering to these will become foreign matter on the wafer or cause changes in plasma over time. These sediment traps are important for efficient cleaning work when the apparatus is opened to the atmosphere. That is, since reactive organisms are highly depositable, 90% or more of them can be collected by depositing the deposit trap region (1), (2), and (3). Therefore, these deposit trap areas (1), (2), and (3) are made into swap kits (replaceable), and the interior of the vacuum vessel is efficiently cleaned by replacing all the parts that have been cleaned after being released into the atmosphere. It becomes possible. This requires two conditions for the sediment trap to be lightweight and easy to remove / install. In order to be lightweight, it is important that the material of the deposit trap is a lightweight member such as aluminum.
[0088]
After releasing the vacuum vessel to the atmosphere, remove the sediment traps (1) to (2) and (3) in order, and perform the minimum necessary cleaning operation. The minimum required cleaning place is, for example, the periphery of the wafer transfer opening. A swap kit of cleaned sediment traps can then be installed in reverse order and vacuum can be entered immediately. Thereby, the cleaning operation can be performed in a minimum time. Performing the cleaning operation in such a procedure not only shortens the cleaning time, but also shortens the time required for evacuation. The reason is that opening to the atmosphere for the minimum necessary time can minimize the moisture in the atmosphere that is adsorbed by non-vacuum components, and the minimum required amount of cleaning solvent (pure water, alcohol, etc.) This is because the amount of the solvent remaining in the vacuum vessel can be minimized by using. The removed sediment trap {1} {2} {3} is reused as a swap kit for the next air release / cleaning operation after cleaning. The area to be swapped as a sediment trap need not be limited to the area shown in FIG. Although it depends on the process and the material to be handled, it is efficient to make the entire region where the deposit adheres as a deposit trap. For example, when deposits adhere only to the upper half or more of the electrode cover, the upper half of the electrode cover is made into a swap kit. On the contrary, under the condition that the deposit adheres to the exhaust duct, the inner wall of the exhaust duct is also used as the deposit trapping region, and it becomes efficient if a swap kit is used.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the deposited film deposited on the inner wall of the vacuum vessel is controlled, it is possible to provide a plasma processing apparatus and a plasma processing method excellent in mass production stability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a Faraday shield.
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for optimizing an FSV.
FIG. 4 is a diagram for explaining feedback control of FSV.
FIG. 5 is a view showing an example of attaching a Faraday shield to a bell jar.
FIG. 6 is a view for explaining an attachment structure of a deposition preventing plate.
FIG. 7 is a diagram showing an example of heat calculation of a deposition preventing plate.
FIG. 8 is a diagram for explaining a support structure for an adhesion-preventing plate.
FIG. 9 is a diagram for explaining measures against deposits adhering to the inner wall of a bell jar.
FIG. 10 is a diagram for explaining adhesion of deposits in the vicinity of the deposition preventing plate.
FIG. 11 is a view showing an example of the structure of a deposition preventing plate.
FIG. 12 is a view showing another structure example of the deposition preventing plate.
FIG. 13 is a view showing still another structural example of the deposition preventing plate.
FIG. 14 is a diagram showing a structure of a sample holding unit including a mounting table.
FIG. 15 is a diagram showing a substrate bias circuit including a susceptor surface.
FIG. 16 is a diagram for explaining the relationship between the thickness of the susceptor and the bias voltage generated on the surface of the susceptor.
FIG. 17 is a diagram for explaining the state of deposit attachment to a thin-walled susceptor.
FIG. 18 is a view for explaining the state of deposit attachment to a thin-walled susceptor.
FIG. 19 is a diagram showing an example in which a metal film is thermally sprayed on the lower surface of the susceptor.
FIG. 20 is a view showing an example in which a metal film is thermally sprayed on the lower surface of the susceptor.
FIG. 21 is a diagram showing an example in which a metal film is embedded in a susceptor.
FIG. 22 is a diagram showing an example in which a metal film is embedded in a susceptor.
FIG. 23 is a diagram showing an example in which a susceptor including a metal film is applied to a ceramic dielectric mounting table.
FIG. 24 is a diagram showing an example in which a susceptor including a metal film is applied to a ceramic dielectric mounting table.
FIG. 25 is a diagram showing a connection structure of bias applying electrodes.
FIG. 26 is a diagram illustrating a means for adjusting a high-frequency bias voltage applied to the susceptor surface.
FIG. 27 is a diagram for explaining an example of the structure of means for adjusting the high-frequency bias voltage applied to the susceptor surface.
FIG. 28 is a diagram illustrating an example in which a high frequency bias is supplied to a susceptor using another power source.
FIG. 29 is a diagram illustrating an example of an electrode structure when a high frequency bias is supplied to a susceptor using another power source.
FIG. 30 is a diagram for explaining a method of optimizing a susceptor bias voltage.
FIG. 31 is a diagram illustrating a susceptor bias application circuit with a feedback circuit.
FIG. 32 is a diagram illustrating a susceptor bias application circuit with a feedback circuit.
FIG. 33 is a diagram illustrating each region in the vacuum processing chamber.
[Explanation of symbols]
1a Upper antenna
1b Lower antenna
2 Vacuum processing chamber
3, 32, 32a Matching box (matching unit)
4 Gas ring
4a Gas supply pipe
5 mounting table
6 Plasma
7 Exhaust device
8 Faraday Shield
9 Sample holder
10 High frequency power supply (first high frequency power supply)
11 Substrate bias power supply (second high frequency power supply)
11a Susceptor bias power supply
12 Berja
12a Elastic conductor
13 samples
14 Slit
15 Filter
16 Detector
17 Amplifier
18 comparator
19 Motor controller
20 Main unit controller
21 Suppress Berja
22 Protection plate
23 Gas outlet
24 Flange
31 Power supply for electrostatic adsorption
33 capacitors
34 Susceptor
35 Insulation base
36 Grounding base
37 Insulation cover
38 Thermal spray coating
39 Metal sprayed film
40 Electrostatic chucking and high frequency bias application electrode
41, 42, 43 Buttocks conductive pattern
50 Ceramic coating
51 susceptor metal sprayed film
52 Attenuators and filters
53 Detector
54 Amplifier
55 comparator
57 Main unit controller
VC1, VC2, VC3 variable capacitor

Claims (6)

真空処理室の一部を構成するとともに処理ガスの吹き出し口を備えたガスリングと、
前記真空処理室内に配置されその上面に試料を載置する載置台と、前記ガスリングの上方に配置され真空処理室の上部を形成して前記載置台上方のプラズマ生成空間を覆うベルジャと、
前記ベルジャ外周に配置され前記真空処理室内の前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するための高周波電界を供給するコイル状のアンテナと、前記アンテナとベルジャ間に配置するとともに高周波バイアス電圧が付与されるファラデーシールドと、
前記処理ガスの吹き出し口の前記真空処理室側に着脱自在に配置され前記処理ガスの吹き出し口から流出した処理ガスを通流させるための開口部を有した防着板とを備え、
前記ガスリングは前記載置台よりも上方に位置するように配置されたものであって、前記防着板の開口部は、これを介した前記処理ガスの吹き出し口に対する見込み角の外側に前記試料が含まれるように前記プラズマ生成空間方向に配置されたプラズマ処理装置。
A gas ring that constitutes a part of the vacuum processing chamber and has a processing gas outlet;
A mounting table disposed in the vacuum processing chamber and mounting a sample on an upper surface thereof ; a bell jar disposed above the gas ring to form an upper portion of the vacuum processing chamber and covering the plasma generation space above the mounting table;
A coiled antenna that is disposed on the outer periphery of the bell jar and supplies a high frequency electric field for generating plasma in the plasma generation space in the vacuum processing chamber, and a Faraday that is disposed between the antenna and the bell jar and to which a high frequency bias voltage is applied. A shield,
A deposition plate that is detachably disposed on the vacuum processing chamber side of the processing gas outlet and has an opening for allowing the processing gas flowing out of the processing gas outlet to flow therethrough,
The gas ring is arranged so as to be positioned above the mounting table, and the opening of the deposition preventing plate is located outside the prospective angle with respect to the processing gas blowout port through the opening. Is disposed in the direction of the plasma generation space.
請求項1のプラズマ処理装置おいて、
前記防着板はベルジャ内表面に空隙を介して着脱自在に配置され、前記防着板の前記開口部は前記ガス吹き出し口が前記開口部を通して直接前記試料を直接臨まないように配置されたプラズマ処理装置。
In the plasma processing apparatus of claim 1,
The deposition plate is detachably disposed on the inner surface of the bell jar via a gap, and the opening of the deposition plate is disposed so that the gas blowing port does not directly face the sample directly through the opening. Processing equipment.
請求項1または2に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガスリングは前記ベルジャの下端部の裾下方に配置されたものであって、前記ファラデーシールドの下端より前記ベルジャ内壁の下端が長く配置され、前記吹き出し口から前記開口部を介して前記処理ガスが導入されるプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1 or 2,
The gas ring is arranged below the bottom of the lower end of the bell jar, the lower end of the inner wall of the bell jar is longer than the lower end of the Faraday shield, and the processing gas passes through the opening from the outlet. Is a plasma processing apparatus.
請求項1乃至3の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
前記ファラデーシールドは導電性の弾性体を介してベルジャ外表面に接触するプラズマ処理装置。
In the plasma processing apparatus in any one of Claims 1 thru | or 3,
The Faraday shield is a plasma processing apparatus in contact with an outer surface of a bell jar through a conductive elastic body.
請求項1乃至4のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
前記ファラデーシールドに高周波電圧を供給する高周波電源は前記高周波電圧を所定値に制御するフィードバック制御回路を備えたプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A plasma processing apparatus, wherein a high frequency power source for supplying a high frequency voltage to the Faraday shield includes a feedback control circuit for controlling the high frequency voltage to a predetermined value.
請求項1乃至5のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
前記試料の表面から見込むことのできる前記防着板を含む前記ベルジャより下方の面積を前記試料の面積の1/2以上に設定したプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The plasma processing apparatus which set the area below the said bell jar including the said adhesion prevention plate which can be seen from the surface of the said sample to 1/2 or more of the area of the said sample.
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