JP3973645B2 - エッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造に用いられるエッチング装置に係る。

エッチングに使用するガスは、ＣＣｌ4，Ｃｌ2，ＣＦ4（−Ｏ2）等活性で有害なものが多く、エッチング装置から排出されたガスは、各種の除害設備で回収し、専門業者に委託して処分されている。また、半導体製造装置の排出ガスから有害ガスを自動的に除去するために特許文献１に示されたような精製装置等の排気ガス処理装置が提案されている。一方、特許文献２や特許文献３に記載されているように、塗膜形成装置や真空脱ガス設備からの排ガスから有用成分を分離回収して再利用することが知られている。

しかしながら、プラズマエッチングの分野においては、排出ガスを再利用することを開示した例はない。

特開平２−９４３８号公報

特開昭６０−１３７４６５号公報 特開昭６１−９５１３号公報

ところで、ウエハをエッチングする場合、エッチングガスが実際に有効に使用されている量は、多く見積っても２０％程度であり、現在のエッチング装置でのエッチングは、有害な産業廃棄物を多量に排出しており、これの除害設備に多額の投資が使われている。

また、エッチング装置で、当該ガスを大気中へ放出するための真空ポンプは大きな電力消費源となっている。

本発明の目的は、現在大気中へ放出されている多量の未反応ガスを分離し、循環して再使用あるいは回収することによって、装置の運転コストを低減し、除害設備への投資も軽減することにある。

本発明の他の目的は、エッチングガスの排出のためのポンプへの負担を軽減し、省エネルギ化することにある。

エッチングの原理から明らかなように、エッチングによってエッチングガスは消費されず、被エッチング材と結合して形を変えるだけのものである。ここで消費とは、ＣＶＤのように、ガス成分の一部が基板上に堆積するような状態を指す。本発明によれば、被エッチング材と結合して排出されるガスや反応生成物あるいは未反応のまま排出されるガスを、エッチングガスと固形物に別け、エッチングガスは循環させて使用する。

すなわち、フィルターやサイクロン等の一次分離手段によって、活用されなかったエッチングガスを、エッチングにより生じた反応生成物と分離する。さらに、熱あるいはプラズマ等を利用した二次分離手段によって、反応生成物すなわち被エッチング材と結合して排出される固形物をかい離させて、被エッチング材の固形物と元のエッチングガスに分ける。反応生成物は、結合エネルギ以上のエネルギを与えてやることによりかい離すなわち再分離が可能である。二次分離されたエッチングガスは、未反応ガスと同様に循環させて使用する。

一旦処理室へ導入された、エッチングガスが、一部エッチングに利用されて、処理室外に排出されるが、排出のためのポンプは圧縮比を有するために、必ず処理室側より、排出側の方が圧力が高くなる。従って、再びこのエッチングガスを処理室に導入することは、非常に容易である。近年のポンプは完全オイルフリーのものが完成し、ポンプを通過することによって、エッチングガスが汚染されることがない。

もし仮に、エッチングによって生成された反応生成物を１００％かい離して回収できるなら、エッチングガスは、初期に定量投入してやるだけで、永久に供給することなく、エッチングが繰返されることになる。また、大気にガスを排出する必要がないので、ポンプは、軽負荷でガスを循環させることができる。但し実際の運転では、反応生成物を１００％かい離することはできないし、被処理物の交換作業に伴うロスもあるので、エッチングガスはそのロス分だけを補充することは必要である。ポンプについても、当該ロス分だけは装置外に排出する必要があるので、それに要するパワーは必要である。しかし、現在の全量大気へ排出するためのパワーに比較すると非常に軽微で済む。

本発明によれば、次のような効果がある。
(１)高価なエッチングガスを有効に使用でき、ランニングコストを低減できる。

(２)装置から排出するガスが少ないので、除害設備、排ガス設備の負担が小さくなるので、これら付帯設備への投資が軽減できる。
(３)大半のガスをクローズシステムで使用するので、環境への影響がなくなる。
(４)排気手段は、ガスを循環するだけのパワーを与えれば良いので省エネルギ化できる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例になるエッチング装置のシステム構成例を示す図である。エッチング処理手段１０は真空処理室１１、基板載置台である試料台１２、及びバイアス用高周波電源１３等で構成されている。２０はプラズマ生成手段であり、マイクロ波を処理室へ伝達する手段であるマイクロ波発振器２１、導波管２２、及び処理室１１内へ磁場を形成する手段であるマグネットコイル２３から成る。１４はエッチングガス供給路であり、エッチングガス供給手段３０から所定圧のガスが処理室１１に導入される。このガスをマイクロ波による電界とマグネットコイル２３による磁場の相互作用を利用して励起し、プラズマを生成する。このプラズマによって、基板すなわち被エッチング材である試料１５はエッチング処理される。

エッチング処理を終った排出ガスは、排気孔１６から排気手段４０の可変コンダクタンスバルブ４１、排気ポンプ４２を経て分離手段５０に送られる。ここで、エッチングに有効なガスが分離される。循環・蓄積手段６０、ガス流量制御手段７０の流路制御部７１を経て再び処理手段１０に供給される。供給ガスの量は制御装置７２によって制御される。７３は真空圧計である。分離手段５０で分離された残りのガス及び固形物は、排出手段８０から装置外へ運ばれ処理される。

図２に、ガス流量制御手段の詳細を示す。流路制御部７１は、エッチングガス供給手段３０と処理手段１０をつなぐ通路７１０に設けられた弁７１１と、流量計７１２，７１３を有し、さらに、循環・蓄積手段６０と通路７１０をつなぐ通路７１４に設けられた弁７１５及び流量計７１６を有する。一方、制御装置７２は、エッチング処理手段の全体的な制御を行う制御部７２１を備えている。また、各通路のガス流量の測定及び処理室の圧力を測定するガス流量・圧力測定部７２２と、制御部及び測定部の出力に基づいてガス供給量を制御するガス供給制御部７２３を備えている。排気手段制御部７２５は、制御部７２１の出力に基づいて排気手段４０を駆動するための出力を生成する。ガス供給部７２３及び排気手段制御部７２５の出力は、バルブ駆動部７２４、ポンプ駆動部７２６に加えられ、制御信号（１）〜（５）が各々該当部所に与えられる。

次に、図２のガス流量制御手段７０の動作について、図３のタイムチャートを参照しながら説明する。

エッチング装置の起動時には、排気ポンプ４２を駆動して排気を行う。このとき、制御装置７２において、真空計７３で処理室１１内の圧力を見ながら処理室内を所定圧力に制御する。起動後は、前記排気ポンプ４２をエッチングガスの循環用ポンプとして使用する。エッチングは、図３の（Ａ）に示すタイミングで時間ＴE（約３分）ずつ行われる。まず、処理室１１には、ガス供給手段３０から通路７１０を経由してエッチングガスが供給される。制御装置７２は図３の（Ｂ）に示すタイミングで弁７１１を開き、処理用のガスを処理室１１に供給する。
このとき流量計７１２で流量を測定する。一方、図３の（Ｃ）に示すタイミングで、排気ポンプ４２を駆動して排気を行う。このとき、真空計７３で処理室１１内の圧力を見ながら可変コンダクタンスバルブ４１を制御して処理室内を所定圧力に制御する。

次に、マイクロ波発振器２１より導波管２２を介して、処理室１１内にマイクロ波を導入し、処理室内の処理ガスをプラズマ化し、試料台１２上に配置した試料１５をプラズマ処理する。

プラズマ処理後の排ガスは、可変コンダクタンスバルブ４１、排気ポンプ４２を介して分離手段５０に導かれ、図３（Ｄ）に示すタイミングで、未反応ガスと反応ガスとが分離される。

分離手段で分離された未反応ガスは、循環・蓄積手段６０の回収タンクに回収され（図３、Ｅ）、さらに流量計７１６、開閉バルブ７１５を含む通路７１４を介して時間ＴDだけ処理ガス供給ライン７１０に導かれる（図３、Ｆ）。

制御装置７２は、蓄積装置６０の回収タンクから供給される未反応ガス流量Ｑ２と処理室内へ供給される処理ガス流量Ｑ１を比較しながら、流量制御部７１の弁７１１を制御して処理ガス源３０から不足分Ｑ３を補う。一例として、処理ガス流量Ｑ１は１００ｃｃ／ｍｉｎ程度であり、Ｑ２もこれに近い量が得られるので、不足分Ｑ３はかなり少なくてよい。

次に、分離手段５０として、最も手軽に実現できる方法は、図４に示すような分離器５１，５２、チェック弁５３、ポンプ５４の組合せになる分離器を用いた、反応を伴わない機械的な分離（一次分離）である。この方法により、エッチングによって生成された質量の大きい物質を、分離器内のフィルターやサイクロンで分離し、エッチングに寄与しなかったガスだけを取出すことができる。あるいは、分離器５１，５２を吸着手段で構成してもよい。この場合、分離器により反応ガスを吸着させ、未反応ガスを取出す。分離器は交互に使用し、片方で吸着しているとき他方で再生を行う。

更にエッチングガスの利用効率を高める方法としては、図５に示すようなコイル５６に高周波電源５７を接続し、電極５８に直流電源５９を接続した二次分離器による反応（分解）を伴う分離（二次分離）がある。この二次分離は、反応生成物質にその結合エネルギ以上のエネルギを与えてかい離させるものである。この二次分離により、プラズマ処理後の排気ガスを再びプラズマ化し、プラズマ化した分子に電圧をかけて偏向させ、未反応ガス種を回収する。このようにして、反応生成物質に、熱やプラズマ等でエネルギを与えてかい離させて、元のガスに戻すことができる。

二次分離で残った固体の反応生成物は、固形物として取出す。例えば、８インチのウエハの表面の３０％を１μｍの深さにエッチングする場合を考えると、固形物の体積は９．４２ｍｍ3となり、容量１リットルのタンクに約１０万枚分蓄積することができる。

本発明の方法によるガスの反応状況を図６に示す。この例は、基板にＡｌやＰｏｌｙ−Ｓｉ、エッチングガスとしてＣｌ2を用いた場合を示している。処理室のエッチングガスの圧力を１ｍｍＴｏｒｒとし、マイクロ波を導入してプラズマを生成する。プラズマにより、Ｃｌ2ガスの一部は被エッチング材Ａｌと結合して反応生成物ＣｌｘＡｌｙとなる。このＣｌ2ガスと反応生成物は一次分離手段で分離され、Ｃｌ2ガスは、還流される。一方、反応生成物ＣｌｘＡｌｙは、二次分離によって固形物ＡｌとガスＣｌ2に分離され、Ｃｌ2ガスは還流される。

なお、エッチングガスとしては、上記例に限らず、Ｆ系ガスやＣｌ系ガス、Ｆ−Ｈ系ガスを対象とすることができるし、エッチングガスとして混合ガスであってもよい。混合ガスの場合には、分離手段５０とガス流量制御手段との間に、さらに混合ガスをそれぞれの単一ガスに分離する手段を設け、それぞれのガス毎に流量を測定して補充ガス流量を設定し、所定の混合ガス比にしてエッチング処理手段１０に供給すればよい。また、被エッチング材も、Ｓｉ，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ，ＳｉＯ2等巾広く適用できる。

なお、エッチング装置複数台に対して、分離、循環手段をまとめて１台設けることも可能である。また、プラズマ生成手段としては、実施例で述べたマイクロ波を用いる方法に限らず、高周波電源等の他の手段によるものであってもさしつかえない。

また、ＣＶＤ装置のように処理ガスを反応させて成膜するような場合においても、未反応ガスが排気されるような場合には本発明を適用することによって、同様に未反応ガスを回収・再利用できる。

本発明の一実施例になるエッチング装置のシステム構成を示す図である。 図１のシステムにおけるガス流量制御手段の詳細を示す図である。 図２のガス流量制御手段の動作を示すタイミング図である。 図１のシステムにおける分離手段の一例を示す図である。 図１のシステムにおける分離手段の他の例を示す図である。 本発明の方法におけるガスの反応を説明する図である。

符号の説明

１０…エッチング処理手段、２０…プラズマ発生手段、３０…エッチングガス供給手段、４０…排気手段、５０…分離手段、６０…循環・蓄積手段、７０…ガス流量制御手段。

Claims (3)

1. 処理室と、プラズマ発生手段と、エッチング処理手段と、エッチング用のガス供給手段と、排気手段とを備え、前記処理室にエッチング用ガスを導入し、該エッチングガスをプラズマ化し、このプラズマによって前記処理室内に置かれた基板のエッチング処理を行なうエッチング装置において、
   前記エッチング装置を複数台設け、前記エッチング装置のそれぞれの排気手段で排気されるガス及び反応生成物を導入し、該導入されたガス及び反応生成物の中から前記エッチングガスを分離する分離手段と、該分離手段で分離したエッチングガスを前記処理手段に循環させる循環手段とを具備し、
   前記分離手段が、前記反応生成物にその結合エネルギー以上のエネルギーを与えて前記エッチングガスと被エッチング材に分離する装置であることを特徴とするエッチング装置。
2. 請求項１記載のエッチング装置において、前記分離手段と前記循環手段との間に前記分離手段で分離したエッチングガスを蓄積する蓄積手段を設けたエッチング装置。
3. 請求項２記載のエッチング装置において、前記エッチング用のガス供給手段と前記処理室をつなぐ第一の通路に設けられた第一の弁と第一のガス流量計、前記蓄積手段と前記第一の通路をつなぐ第二の通路に設けられた第二の弁及び第二のガス流量計、前記処理室の圧力を測定する圧力測定部及び前記ガス流量及び前記圧力に基づいて前記第一、第二の弁を制御する制御装置を備えたガス流量制御手段を具備し、
   前記制御装置が、前記処理室内へ供給されるエッチングガス流量と前記蓄積手段から還流されるエッチングガスの流量を比較し、前記エッチングガス供給手段から不足分を補うように前記第一の通路に設けられた前記第一弁を制御するガス供給制御部を備えたエッチング装置。

Images