JP4352234B2 - リアクタ組立体および処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板を処理するためのリアクタ組立体に関し、より詳しくは、ガスおよび／または反応物をリアクタ組立体に流入および流出させる分配システムに関する。

多くの半導体製造工程において、リアクタ組立体の処理室には、ガス分配器を通じて処理用ガスが導入される。そのガスからプラズマを生成することができ、基板上の構造物のエッチングや、基板上への材料膜の堆積等が実施される。処理中に発生するガス状の副産物は、排気システムを介して処理室から排気される。エッチング工程において、構造物の形状及びサイズの基板全体に渡る均一性は、特にエッチングされる構造物のサイズ及び間隔が小さくなると、基板全体に渡るガス状化学種の分布に影響される。同様に、成膜工程において、堆積される膜の膜厚および組成は、基板表面全体に渡るガス状化学種の分布に応じてばらつく可能性がある。

軸流（axial flow）リアクタ組立体では、ガスおよび／またはガス状の反応性化学種が基板全体に均一に分配されない場合が多く、その結果、エッチングされた構造物の形状やサイズ、堆積された膜の膜厚等にばらつきが生じる。軸流リアクタ組立体には、通常、軸対称の吸気口が含まれ、この吸気口は、処理される基板に対して上方かつ同軸に、すなわち基板の真上に配置されている。したがって、ガスおよび／または反応物は、基板表面に対して垂直に流れ、続いて、ほぼ基板表面を横断する方向に放射状の流動パターンが生じる。これによって、基板表面にガスおよび／または反応物を作用させる際に、基板表面上の処理からの排出流と流入ガスの流れとが混合するため、流れの不規則性および非均一性を招くおそれがある。

非均一性を最小限に抑えるために、処理室には、基板の上流に配置されたガス分配システムが使用されてきた。ガス分配システムでは、通常、専用のプレートが使用されており、このプレートは、解析的に予測することが困難であるため、主として試行錯誤的な実験的方法によって設計されてきた。例えば、従来、専用のバッフルプレートが使用され、基板表面におけるガスおよび／または反応性化学種の分布の均一性を改善することを目的として、通常、吸気口に近接させて配置されている。しかしながら、基板の上流に配置されたバッフルプレートおよび／またはガス分配プレートを使用することの問題の１つは、反応性化学種が再結合する可能性があることである。処理用ガスの流れの近くに配置されるこれらのプレートによって追加される表面は、反応性化学種の再結合の要因となり得る大面積を与える。反応性化学種の再結合によって、全体的な処理効率が低下し、それによって、処理時間が増大してスループットが低下する。反応性化学種の再結合を防止するには、吸気口または吸気口の近くに配置されるバッフルプレートおよび／またはガス分配プレートには、石英、アルミナ、他のセラミックス、硬質酸化皮膜のような非反応性のコーティングを備えた専用のアルミニウム合金等の、動作環境に対して不活性な特定の材料を使用する必要がある。これらの材料を使用することによって、リアクタ組立体の全体的なコストおよび複雑性が増大する。さらに、基板および／または高温のプラズマガスによるバッフルプレートおよび／またはガス分配プレートの加熱を防止するために、アルミニウムを主成分とする合金のようないくつかの専用の合金には、通常、冷却用の特別な改良が施されており、このような改良は、バッフルプレート自体に組み込まれるか、または、追加装置として追加される。バッフルプレートの加熱によって、後続の基板が、処理室の加熱装置すなわちランプアレーや加熱チャック等ではなく、バッフルプレートに蓄積されたエネルギーによって加熱されるため、処理室内の基板温度制御にロスが生じるおそれがある。また、バッフルプレートおよび／またはガス分配プレートの使用によって、処理室内部の容積が増大し、特に冷却装置または冷却処理を使用する場合、外形寸法を増大する必要がある。加えて、容積の増大によってガスの滞留時間が増大し、これは、例えばバルクのフォトレジスト剥離工程のような反応律速（reaction rate limited）ではない工程において非生産的なことであり、処理時間の増大を招く。

基板全体のガスの分布は、処理室の天井または壁から延在する複数のノズルを通じてガスを供給することによって改善することもできる。しかし、セラミックス製の天井または壁を有する処理室を、それらを貫通するノズルを備えるように製造することは困難である。酸化アルミニウムやシリコン等の多結晶セラミック材料からなるセラミック壁は、脆性材料であり、セラミックスを破壊または損傷することく貫通孔を加工することは難しい。さらに、例えば無線周波（ＲＦ）誘導コイルのような、通常はセラミック壁の近くに配置される他の構成要素によって、セラミック壁を貫通するガスノズルをリアクタ組立体の全体的なサイズ（高さ）を増大させることなく配置できるスペースが減少する。したがって、処理室の壁に余分な貫通孔を加工することなく、または、リアクタの吸気口と基板表面との間にガス分配機構および、存在する場合は、冷却装置を追加することなく、処理室内のガスの均一な分布を与えるガス分配システムを有する処理室に対する要望がある。

処理室内のガスの分布は、排気管すなわちガスの出口の位置および対称性によっても影響される。軸対称に配置された排気管は、基板表面に沿って非対称な流速を発生させ、非均一性の要因となる可能性がある。さらに、基板の直径が３００ｍｍおよびそれ以上になると、対応して増大する処理室の容積および基板の表面積によって、基板の表面全体に渡って処理用ガスを均一に分配することがさらに困難になる。

ガス分配器の一部が金属からなり、処理室内の励起されたプラズマシース内に配置される場合には、別の問題が発生する。金属成分によって局所的なエネルギーの摂動が生じ、これによって、基板表面に沿ってプラズマエネルギーのばらつきが生じる。さらに、プラズマ種の多くは金属を化学的に侵食し、基板上に堆積される汚染粒子を発生させる。例えば、アルミニウム製のガス分配器は、ハロゲン含有プラズマによって急速に侵食される。したがって、一般に、ガス分配器の金属部分は、金属面に対してセラミックコーティングを追加することにより侵食から保護する必要があり、それによって、リアクタ組立体のコスト及び複雑性が増大する。加えて、より均一なプラズマ分布を形成するために、プレートは、プラズマから電気的に絶縁する必要がある。このガス分配方式では、材料およびこれらの問題を解決するために要するエンジニアリング時間の両方において、大幅にコストが増大する。

本発に係るリアクタ組立体は、ベースユニットと、該ベースユニットの空洞部に配置され、基板の受け入れが可能な表面を有する支持体を含むチャック組立体と、前記ベースユニットに結合され、頂壁、底壁、およびそれらから延在する側壁を含む処理室と、前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に設けられた第１の開口部に連通し、吸気端部と、ガスおよび／または反応物の前記処理室への流れを横方向に伸ばすために前記吸気端部から前記第１の開口部に向かって幅が増大する三角形状の整流部とを含む吸気マニホールド組立体と、前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に対向する側壁に設けられた第２の開口部に連通し、排気端部と、前記第２の開口部から前記排気端部に向かって幅が減少する三角形状の排気受入部とを含む排気マニホールド組立体とを含み、前記ガスおよび／または反応物は、前記吸気マニホールド組立体を通って流量制限器を介することなく処理室へ流れ、かつ、前記排気マニホールド組立体は、前記排気受入部の開口部に装着された流量制限器を介して前記処理室の前記第２の開口部に連通して、前記ガスおよび／または反応物の当該開口部を通じた前記処理室から前記排気受入部への流れを制限することを特徴とする。

前記リアクタ組立体で使用するための吸気マニホールド組立体は、円筒形の導管を含む吸気端部と、該吸気端部に連通する第１の開口端、および第２の開口端を含む整流部とを備え、前記整流部の幅は、前記第１の開口端から前記第２の開口端に向かって増大し、かつ、前記吸気端部から当該整流部を通じて流れる流体を横方向に伸ばすように作用する。

本発明に係る処理方法は、ガスおよび／または反応性化学種を処理室を通じて流動させるための処理方法であって、前記ガスおよび／または反応性化学種の前記処理室への層流を、前記処理室に連通する開口端に向かって幅が増大する三角形状の整流部により基板の表面に平行な平面付近で横方向に伸ばして、流量制限器を介することなく前記処理室へ流すステップと、前記ガスおよび／または反応性化学種の前記処理室からの流れを、流量制限器が装着された開口部により前記処理室と連通し、かつ、前記開口部から排気側に向かって幅が減少する三角形状の排気受入部によって、前記流量制限器によって制限しつつ前記基板の表面に平行な平面付近で排気するステップとを含む。

上述した特徴およびその他の特徴は、図面および以下の詳細な説明によって例示される。いくつかの図を通じて、同様の要素には同様の符号を付して説明する。

本明細書には、ガスおよび／または反応性化学種を基板全体に渡って均一に流動させるためのリアクタ組立体および処理方法が開示される。ガスおよび／または反応性化学種は、基板表面によって定まる平面に対してほぼ平行な層流パターンをなして、基板を横断して流れる。その結果、基板表面に対してガスおよび／または反応性化学種が均一に作用する流動パターンが生じる。本リアクタ組立体で使用される処理室の容積は、先行技術の処理室とくらべて比較的小さく、これによって、反応性化学種の滞留時間が短縮し、反応速度が増大する。本リアクタ組立体は、ガスおよび／または反応物の流れの基板全体に渡る均一性を改善することが望まれている処理、例えばプラズマアッシングまたはエッチング処理、ＣＶＤ等で使用することができる。プラズマアッシングおよびエッチングのために適用可能なリアクタ組立体には、ダウンストリーム処理で使用されるリアクタ組立体だけでなく、ＩＣＰ、ＣＣＰ、および二極型エッチング処理で使用されるリアクタ組立体が含まれる。

リアクタ組立体中に反応性化学種を発生させるために使用されるガスの組成は、化学気相成長法または物理気相成長法によって基板上に材料を堆積するか、または、基板から材料をエッチングするか、または、処理室の壁またはリアクタ組立体中に配置された他の構成要素に堆積した汚染を除去するかに応じて決まる。例えば、基板上にＳｉＯ₂を堆積させるための典型的なガスには、ＳｉＨ₄やＳｉＣｌ₂Ｈ₂のようなシリコン源ガスとＯ₂のような酸素源ガス、または、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄のようなシリコンおよび酸素の両方の供給源となるガスが含まれる。別の例として、Ｓｉ₃Ｎ₄を堆積させるためのガスには、ＳｉＨ₄とＮＨ₃またはＮ₂が含まれる。典型的なエッチング用ガスには、ＢＣｌ₃、Ｃｌ₂，ＨＣｌ、ＳＦ₆、ＣＦ₄、およびＣＨＦ₃が含まれる。物理気相成長法による処理では、アルゴンのような非反応性のガス、または、非反応性ガスと反応性ガスとの混合物が使用される。本リアクタ組立体および処理方法は、特定のガスおよび／または反応性化学種によって限定されるものではない。

図１〜図３を参照すると、基板１２を処理するための例示的なリアクタ組立体１０が示されている。リアクタ組立体１０は、概略的には、ベースユニット１４、チャック組立体２０、処理室４０、吸気マニホールド組立体６０、および排気マニホールド組立体８０を含んでいる。図１には、さらに、光源組立体１００が示されており、この使用は任意に選択できる。これらの構成要素を形成するための材料には、金属、セラミックス、ガラス、ポリマー、複合材料、及び、これらの材料の少なくとも１つを含む組合せが含まれる。例えば、適切な金属には、陽極処理アルミニウムおよび／またはステンレス鋼が含まれる。適切なセラミック材料には、炭化ケイ素、または酸化アルミニウムが含まれる。本発明を説明するために、例えばウエハのような基板１２を処理するためのリアクタ組立体１０を使用するが、リアクタ組立体１０は、当業者にとって明らかなように、フラットパネルディスプレイ、回路基板、液晶ディスプレイ等の他の基板を処理するために使用してもよいことに留意されたい。

図４に示すように、ベースユニット１４は、底壁１６と底壁から延在する側壁１７とを含み、空洞部１８が形成されている。一実施形態では、ベースユニット１４の底壁１６は、さらにコネクタ、ピン、またはスロット等の機械的結合手段を含み、例えば垂直に積層された組立体として使用するために、ベースユニット１４（およびリアクタ組立体１０）を第２のリアクタ組立体に装着するものである。

図５〜図８には、例えば静電チャック組立体、重力チャック組立体等のような、チャック組立体２０が示されている。当業者にとって周知のように、重力チャック組立体では、基板を支持体に固定するための手段として重力が使用され、基板がその重量以外の手段によって支持体の表面に強制的に接触することはない。チャック組立体２０は、ベースユニット１４の空洞部１８に配置される。チャック組立体２０は、概略的には、支持体２２、環状絶縁リング２４、およびリフトピン組立体機構２５を含んでいる。環状絶縁リング２４は、支持体２２の底面とベースユニット１４との間をシールするように配置される。

支持体２２は平面状の表面を有し、処理中に基板１２がその表面上に配置される。支持体２２の平面状の表面は、外周ピン２３を含んでいてもよい。好適な実施形態では、支持体２２は固定されており、回転しない。支持体２２は、好ましくは、ガス移送孔２６およびそれらを通じて延びる通路２８を含み、例えばヘリウム等のような熱伝達ガスがガス移送孔２６および／または通路２８を通過できるようにして、基板１２と支持体２２の表面との間の熱伝達率を増大させる。ガス移送孔２６および／または通路２８は、基板１２の裏面側を真空にするために使用することもでき、これによって、基板の弾性変形等により基板１２の底面と支持体２２の表面との間の接触点が増加する。真空吸着を使用すると、基板１２と支持体２２の表面との間の接触点の増加によって、基板１２が処理温度に到達する速度が増大する。この場合、ガス移送孔２６および／または通路２８は、好ましくは真空引きライン３０に連結され、真空引きラインは、処理室分離弁や流量制御弁等（図示せず）の下流側に接続される。例えばバルクのフォトレジスト除去工程では、エッチングレートのような反応速度は、通常、処理温度の関数であるため、有利なことに、処理温度に到達する時間の短縮によって、このような処理における全体的な処理時間が短縮される。

支持体２２に通路３１（図７）を加工するかまたは一体に成形してもよく、これによって、冷却システムからの流体を循環させて基板１２のさらなる温度制御を実施することができる。この方式では、流体は、通路３１に連通する冷却管３２を通じて循環する。支持体２２内には、処理温度を上昇させることができる抵抗加熱体３４（図７）を一体に成形してもよく、バルクのフォトレジストの剥離またはエッチング工程を実施するときなどに、装置のスループットを増大させるために使用することができる。支持体２２は、好ましくは基板１２の形状に対応する形状を有し、また、好ましくは、約３０°Ｃから約３００°Ｃの動作範囲が可能である。好適な実施形態では、支持体２２の動作温度は、加熱および冷却機能を有するＰＩＤ（proportional integral derivative：比例、積分、微分）コントローラを使用したフィードバックまたは閉ループ制御システムを介して変動可能である。コントローラは、例えば、必要に応じて支持体２２中の加熱体３４に対する電流の供給と通路３１に対する冷却流体（空気または水）の供給とを切り替えるものである。ＰＩＤコントローラへのフィードバックは、図８に示すバネで付勢された熱電対３５のような温度測定装置を使用して、処理中に基板１２の温度を測定することにより提供される。バネ３３は、熱電対３５が基板１２の裏面との接触を維持するように、熱電対３５と連動している。あるいは、支持体２２の温度は、加熱体３４に供給される電流を調整し、また、処理中の適切な時点で支持体２２に形成された通路３１を通じて冷却流体（空気または水）を流動させることによって、開ループ処理で（すなわち、フィードバック装置を使用せずに）制御することもできる。これらの方法は、単に例示的なものである。これらの方法によって、図２０に示すように、基板１２を一定の温度に維持することができる。図２０では、閉ループ制御の使用により処理中の温度が約１２０°Ｃに維持されている。支持体２０は、好ましくは、処理用ガスによる侵食に対して耐性を有する金属、例えば陽極処理アルミニウムの酸化皮膜を備えたアルミニウムからなる。

リフトピン機構２５は、支持体２２の下側に配置され、処理の間にリフトピン孔３６を通じてリフトピン３７を駆動するための空気圧シリンダ等を含んでいる。有利なことに、リフトピン機構２５は、ベースユニット１４の空洞部１８内にほぼ閉じ込められるため、所望の場合、複数のリアクタ組立体を垂直に積層することができる。リフトピン機構２５を作動させるために必要な空気圧ラインおよび他の必要な配管類は、好ましくは、ベースユニット１４の側壁から選択された１つに配置されている。

処理室４０は、ベースユニット１４に結合されている。図９により明確に示すように、処理室４０は、頂壁４２とそこから延在する側壁４４を含む。処理室４０は、好ましくは、動作環境に対して不活性な物質から形成される。動作環境には、処理用ガス、反応物、反応副産物が含まれるが、それらに限定されるものではない。好適な実施形態では、頂壁４２は側壁から取り外し可能である。

一実施形態では、頂壁４２はほぼ透明な材料から形成される。これによって、例えば赤外線、紫外線、可視光線等の光を処理室４０内に照射するために、任意選択の光源組立体１００を頂壁４２の上方に配置することができる。例えば、紫外線の場合には、頂壁４２は、好ましくは石英のような材料から選択され、約１００ｎｍから約４００ｎｍ、より好ましくは約１３０ｎｍから約２５６ｎｍの紫外線に対してほぼ透明なものである。

処理室４０の側壁４４には、複数の開口部が含まれる。１つの開口部４６（第３の開口部）は、処理室４０の内外に基板１２を移送するための寸法に設定される。開口部４８、５０（第１および第２の開口部）は、径方向に対向する二つの側壁に形成され、後述するように、それぞれ吸気マニホールド組立体５０および排気マニホールド組立体８０に連通している。基板を処理室４０の内外に移送するための開口部４６は、開口部４８、５０を含む側壁に隣接している。側壁には、例えばプラズマアッシング処理の終了点を監視するための光学ポート、処理中に発生したガス種を分析するための質量分析器用開口部等の周知の目的のために、他の開口部を配置してもよい。

吸気マニホールド組立体６０は、処理室４０の側壁４４から選択された１つの側壁に装着されており、図１０〜図１２に示すように、処理室４０の開口部４８（第１の開口部）を通じてガスおよび／または反応物を導入するために、整流部６４に連通する吸気端部６２を含んでいる。整流部６４の上方には、取り外し可能なカバー６５（図１１、図１２）が配置されている。整流部６４は、１つ以上の構成要素から形成されていてもよい。吸気端部６２は、円筒形の導管として示されているが、他の形状を使用してもよい。吸気端部６２は、ガスおよび／または反応物を処理室４０に導入するために、プラズマ発生器等（図示せず）から延びる導管の吐出口に連通している。整流部６４は、吸気端部６２から横方向外側に広がって、処理室４０に連通する。本実施形態において、整流部６４は三角形をなす。一実施形態では、整流部６４が備える流路は、図１１に示すように、一端において吸気端部６２の直径によって定まる開口部（第１の開口端）の高さ（Ｈ1）から、開口部６８（第２の開口端）によって定まる高さ（Ｈ2）まで、徐々に先細りになっている。開口部６８の周りには凹部７０が形成されてバッフルプレート（適切な例は図１５〜図１８に示されている）が装着可能になっており、参考例として、この使用を任意に選択できる。以上の構成により、ガスおよび／または反応物は、整流部６４によって定まる開口部６８を通過して、処理室４０内に流入することができる。本実施形態において、吸気マニホールド組立体６０は、バッフルプレートを含まない。

整流部６４は、ガスおよび／または反応物の流れを、それが吸気端部６２から処理室４０へと流れる際に、横方向に伸ばすように作用する。後に詳述するように、その結果、基板表面によって定まる平面に対して略平行な方向に、すなわち、基板表面と同一平面内を流れる流動パターンが生じる。ガス速度が基板の中央部から外縁部まで一様である結果、処理の均一性が改善されると共に、意外なことに、反応性が増大する。

好適な実施形態では、整流部６４の幅方向の中点は、基板１２に揃えられている、または基板１２と同一平面内にある。言い換えれば、図３に示すように、吸気マニホールドの整流部６４の幅方向の中点から排気マニホールドの排気受入部８２の幅方向の中点に引いたラインＹは、好ましくは、チャック組立体２０の長軸に一致し、あるいは、好ましくは、基板１２をその中心軸Ｐに沿って２等分する。整流部６４の垂直方向の中点は、好ましくは、支持体２２の表面と処理室４０の頂壁４２との間の距離の中点にある。

排気マニホールド組立体８０は、吸気マニホールド組立体６０に対して径方向に対向する側壁４４に装着され、図１３および図１４に示すように、排気受入部８２と排気端部８４とを含んでいる。排気受入部８２は、側壁４４の開口部５０に連通し、横方向内向きに延びて、ガスおよび／または反応物の流れと共に処理中に生成された任意の副産物を基板表面１２によって定まる平面に対して略平行に流すように、排気端部８４に連通している。排気受入部８２は、好ましくは三角形状を有しているが、他の形状を使用してもよい。排気受入部８２の上方にはカバー８３が配置されている。排気受入部８２の開口部８６の回りには凹部８８が配置され、好ましくは、例えばバッフルプレート等の流量制限器９０を受け入れる寸法に形成されている。排気端部８４は円筒形の導管、すなわち標準的な真空処理室で通常使用される排気管の形状として図示されているが、他の形状を使用してもよい。

流量制限器９０は、好ましくは、ガス、反応物、および／または副産物の排気マニホールド組立体８０を通じた流れを制限するための１つ以上の通路９４を有するプレート９２を含む。例示的な流量制限器９０が図１５から１８に示されているが、これらに限定されるものではない。好ましくは、通路９４は複数の円形の開口部からなるが、例えば、縦溝、楕円、正方形状の通路、これらの形状の少なくとも１つを含む組合せ等の、他の形状を使用してもよい。所望の用途に応じて、プレート９２は平面状であってもまたは曲率を有していてもよい。好適な実施形態では、流量制限器９０には、通路９４が、プレートの選択された半分側、すなわち、プレートの高さ寸法の約１／２以下に制限された領域に配置されている。ここで、プレートの長さ寸法は、高さ寸法よりも大きい（例えば、図１５参照）。これによって、流量制限器９０を、通路９４が基板面の上方に配置されるように装着するか、あるいは、１８０度回転させて、処理室４０からの排出流が基板面の下側から流出するように装着することができる。より好ましい実施形態では、最下部の通路または通路の配列は、基板表面と同一平面内、すなわち基板表面によって定まる平面上またはその上方にある。本発明を理論によって限定することを意図するものではないが、流量制限器９０は、各通路を通過するガス流速度がほぼ同一になるような、多孔膜と同様に機能するものと考えられる。

流量制限器９０により排気マニホールド組立体８０へのガス、反応物、および／または副産物の流れを制限することによって、処理室４０の内部と排気受入部８２との間に圧力差が生じる。この圧力差が存在することによって、基板表面全体に渡るプラズマの均一性が改善することが分かった。好ましくは、流量制限器９０を横切る圧力差は、約６．６６５Ｐａ（５０ミリトル）よりも大きく、より好ましくは約３９．９９Ｐａ（３００ミリトル）よりも大きく、さらに好ましくは約６６．６５Ｐａ（５００ミリトル）よりも大きい。

有利なことに、流量制限器９０は、処理室４０の下流側で、すなわち反応性化学種の基板１２との反応後に使用されるため、反応性化学種の再結合に関する問題は解消される。流量制限器９０は下流側に配置されるため、流量制限器を陽極処理アルミニウム等から製造することができる。陽極処理アルミニウム等の使用は、例えば石英、アルミナ、セラミックス、硬質酸化皮膜のような非反応性のコーティングを備えた専用のアルミニウム合金等の、反応性化学種の再結合を防止するために使用される（上流側の）材料に比べて、比較的安価である。流量制限器９０は、好ましくは、凹部８８に機械的に装着されている。

リアクタ組立体２０の動作中に、図示しない移送ロボットのエンドエフェクタ（end effector）等を使用して、開口部４６を通じて処理室４０の内外に基板１２が移送される。ロボットのエンドエフェクタは、チャック組立体２０の上昇したリフトピン３７上に基板１２を配置する。次いで、ロボットのエンドエフェクタが処理室から後退し、その後、リフトピン３７が下降する。このようにして、基板１２は支持体２２と接触するように配置される。一実施形態では、基板１２が支持体の表面に近付くと、すなわち、リフトピン機構がリフトピン３７を後退させると、好ましくは高真空弁が開き、支持体２２中の孔２６および通路２８を通じて基板１２の裏面に粗引き圧（foreline pressure）が作用する。基板の移送時における処理室４０内の通常の圧力に応じて、基板１２を横切る圧力差を発生させることができ、それによって、支持体２２の輪郭に沿って僅かな弾性変形が生じる。このようにして、基板１２と支持体２２との熱接触が改善される。その結果、好ましくは、基板温度の上昇速度を、約２０°Ｃ／秒にまで増大させることができる。処理室４０が所望の処理圧力に近付くと、基板１２を横切る圧力差は最小値にまで減少する。

次いで、処理室４０の上流側のプラズマ管等で、マイクロ波、ＲＦコイルプラズマアプリケータ等によって、ガスおよび／または反応物すなわちプラズマが生成される。このプラズマは、吸気マニホールド組立体６０を通じて処理室４０に放出される。あるいは、プラズマは、ＩＣＰまたはＣＣＰタイプの処理用の処理室内で発生させることができる。例えば、ＩＣＰ源は、誘導コイルのような適切なハードウェアを含み、このハードウェアは、処理室４０の頂壁４２の近くに取付けられる。平行平板タイプのリアクタの場合には、頂壁４２を上部電極組立体に置き換え、チャック組立体２０を、環状絶縁リング２４によってリアクタ組立体の残りの部分から電気的および熱的に絶縁して、下部電極組立体として使用する。

プラズマは粘性流体として記述することができ、処理室４０にプラズマが流入すると、放物型の層流が発生する。ここで、最大のガス速度（Ｖｍａｘ）は流動パターンの中央部に現れ、最小のガス速度（Ｖ＝０）は、流動パターンの最外縁部、すなわち、吸気マニホールド組立体６０の吸気端部６２の壁に沿って現れる。プラズマが吸気マニホールド組立体６０の整流部６４に流入すると、図１９に示すようなほぼ放物型の層流パターンを維持しながらガスの中心線速度は減衰し始める。次いで、プラズマは処理室４０に流入し、基板表面１２を横断して流れる。反応排出流は、吸気マニホールド組立体６０に対して径方向に対向する排気マニホールド組立体８０を通じて処理室から排出され、それによって、基板表面１２を横断する一定の層流が供給される。基板の断面に沿った各点における層流中の速度、圧力、および他の流体特性は、比較的一定に維持されることが分かった。このようにして、基板表面におけるガスおよび／または反応性化学種の滞留時間が均一に維持される。さらに、吸気マニホールド組立体６０と排気マニホールド組立体８０とは対称的に配置されており、横断流の均一性が向上する。

図１９は、吸気マニホールド組立体６０の異なるサイズの吸気開口部６２に対して、ガス速度分布を示した図である。直径３５ｍｍの導管を有する吸気端部６２では、直径２２ｍｍの導管と比較して、基板全体に渡る速度の均一性が増大する。中央部と外縁部とのガス速度の差は、管径が大きくかつ処理圧力が低くなると、２．５分の１に減少する。この結果は、ガス吸気用の開口部を大きくして処理圧力を低くすることが、一般に、処理の非均一性を低減するために役立つことを意味する。さらに、低い処理圧力と流量制限器９０とを併用することによって、処理室４０内にプレナム効果（plenum effect）が生じて中心線ガス速度が減少する。この併用によって、処理室４０内での反応物の空間分布が改善され、流量制限器９０が備える通路に到達すると、Ｙ方向（図３）の速度がほぼ均一になる。１０６．６４Ｐａ（０．８トル）〜１９９．９５Ｐａ（１．５トル）の範囲の処理圧力および毎分２．５〜３．５標準リットルの質量流量を使用すると、処理室４０内の滞留時間が驚くほど短縮され、反応面からの排出流の迅速な除去に役立つと共に、流量制限器の直前の領域における反応物の希薄化が最小限に抑えられる。

リアクタ組立体１０は、特定の半導体製造装置に限定されるものではなく、無線周波（radio frequency）エネルギー、マイクロ波エネルギー、または他の高周波エネルギー源を個別にまたは組み合わせて使用してプラズマを発生するプラズマ発生装置に適用することができる。処理室４０内の動作圧力は、好ましくは約１３．３Ｐａ（１００ミリトル）から約３９９．９Ｐａ（３トル）、より好ましくは、２６．６Ｐａ（２００ミリトル）から約２６６．６Ｐａ（２トル）、さらに好ましくは、６６．６５Ｐａ（５００ミリトル）から約１９９．９５Ｐａ（１．５トル）である。さらに、処理室４０は、用途に応じて追加の機能を含んでいてもよい。例えば、石英の窓が組み付けられていてもよく、ウエハの近くにＵＶ光源が配置されていてもよい。このような非柱状光源は、バルク剥離によるフォトレジストの除去を促進することが知られているＵＶエキシマレーザーと同様の波長を有していてもよく、この場合、マイクロ波プラズマによって生成された反応性ガスと併用することができる。さらに、フォトレジスト剥離工程の前または後に光を照射することは、残滓の除去およびイオン注入処理されたレジストの除去に対しても有利である。処理室４０は、非常に柔軟な処理プラットフォームを提供するため、オーバーヘッド型ＲＦ源、光学ポート、ガス分析器、追加の光源等も、個別にまたは組み合わせて使用することができる。

以下の実施例は、説明のために呈示されるものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１）
本実施例では、横断流（cross flow）リアクタ組立体を使用したプラズマアッシャーにおいて、バルク剥離によるフォトレジスト除去処理を実施し、同様の用途のために構成された従来の軸流リアクタ組立体と比較した。基板は、フォトレジストが塗布されて、バルクのフォトレジスト除去処理にかけられた。軸流プラズマリアクタ組立体には、ＧＥＳプラズマアッシャーおよびＭＣＵプラズマアッシャーが含まれ、これらは、いずれもアクセリス・テクノロジーズ・コーポレーション（Axcelis Technologies Corporation）から市販されている。横断流リアクタ組立体には、前述したように排気マニホールド組立体中に配置された流量制限器が使用されている。使用された流量制限器は、図１５に示す流量制限器と同様の円形通路を有する平板状プレートであった。この流量制限器は、排気マニホールド８０の凹部８８に、円形通路の下側の配列が基板表面と同一平面内にあるように、通路のパターンを処理室４０の頂部方向に向けて装着された。基板温度は１２０°Ｃおよび２７０°Ｃに比較的一定に維持された。

横断流リアクタ組立体を使用した処理には、１９９．９５Ｐａ（１．５トル）の圧力および１５００Ｗのマイクロ波電力において、３２００ｓｃｃｍの酸素、３００ｓｃｃｍのフォーミングガス（窒素中に５％の水素）を流動させることが含まれる。２７０°Ｃにおけるフォトレジストの収縮による寄与は、この温度のアッシングレートから除かれている。ＭＣＵリアクタ組立体およびＧＥＳリアクタ組立体における処理方法は、最高性能を発揮するように最適化した。表１にアッシングレートを示す。

横断流リアクタ構成を使用したバルク剥離によるフォトレジスト除去工程では、ＭＣＵ軸流リアクタおよびＧＥＳ軸流リアクタと比べてアッシングレートが増大したことに示されているように、意外なことに、フォトレジストとの表面反応のために有効な反応性化学種の数が増加している。アッシングレートは、同様の処理条件、処理用ガス、フォトレジスト、および基板の種類を使用した軸流処理室構成と比較して、約２倍以上であった。横断流リアクタで見られる反応速度は、例えばＣＦ₄または他のフッ素含有化合物のような、反応速度を増大するために一般にＯ₂と共に使用されるフッ素処理用の化合物を使用した軸流リアクタにおいて通常見られる反応速度よりも驚くほど大きい。有利なことに、横断流処理室構成における処理の均一性は、軸流リアクタ組立体とほぼ同等であった。

有利なことに、図２０に示す１２０°Ｃのアッシング処理におけるウエハ温度プロファイルに示されるように、横断流処理室を使用することによって、基板温度を制御しながら、従来の軸流リアクタよりも高速に反応を進行させることができる。横断流構成では、処理室の容積が比較的小さいため、滞留時間を最小限に抑えることができる。さらに、ガス吸気口においてバッフルプレートを使用しないため、ガスに接触する表面積およびウエハの上流の圧力変動が減少することによって、反応性化学種の再結合の影響を有利に低減することができる。他の利点には、バッフルプレートを備えた軸流リアクタで通常見られるウエハの寄生加熱、すなわち、いわゆる「最初のウエハ（first wafer）」効果の解消、従来の軸流リアクタよりも高い剥離速度、設計が簡素であることによる製造コストの低減、吸気ガス分配システムにおいて石英、またはアルミニウム合金とコーティングが不要であること、サイズおよび縦方向の寸法の低減による占有面積の低減が含まれるが、これらに限定されない。このリアクタ組立体には汎用性があり、様々な用途で容易に使用することができる。処理室の頂壁が取り外し可能であることによって、処理室の内部の修理、洗浄等を容易に実施できる。さらに、透明な頂壁を使用することによって、光源を使用することが可能になる。また、前述したように、１つまたは複数のリアクタ組立体を垂直に積層することができ、それによって、占有面積に及ぼす影響を最小限に抑えて複数の基板を処理することが可能となる。

以上、本発明を好適な実施形態に関連して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更および本発明の構成要素と同等物との置き換えが可能であることは、理解するであろう。加えて、本発明の基本的範囲を逸脱することなく、本発明の教示に従って特定の状況または材料に応じた多くの修正が可能である。したがって、本発明は、本発明の実施のために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付請求項の範囲に含まれるすべての実施形態を含むものである。

図１は、例示的なリアクタ組立体の部分透視図であり、ベースユニット、チャック組立体、処理室、吸気マニホールド組立体、排気マニホールド組立体、および任意に選択される光源組立体が図示されている。 図２は、リアクタ組立体の分解透視図である。 図３は、リアクタ組立体の上平面図である。 図４は、ベースユニットの透視図である。 図５は、チャック組立体の分解透視図である。 図６は、チャック組立体の上平面図である。 図７は、図６のＡ−Ａ線に沿ったチャック組立体の断面図である。 図８は、支持体の拡大された部分断面図である。 図９は、処理室の透視図である。 図１０は、吸気マニホールド組立体の上平面図である。 図１０のＢ−Ｂ線に沿った吸気マニホールド組立体の断面図である。 図１２は、図１０のＣ−Ｃ線沿った吸気マニホールド組立体の側立面図である。 図１３は、排気マニホールド組立体の分解透視図である。 図１４は、排気マニホールド組立体の上平面図である。 図１５は、流量制限器の側面図である。 図１６は、流量制限器の側面図である。 図１７は、流量制限器の側面図である。 図１８は、流量制限器の側面図である。 図１９は、異なるサイズの管および希薄化されたガス圧の下で、管の中心線から半径方向の距離の関数としてガス速度を示したグラフである。 図２０は、プラズマ処理における、ウエハ温度、チャックの表面温度、処理室の圧力、および時間を示したグラフである。

Claims (29)

1. ベースユニットと、
   該ベースユニットの空洞部に配置され、基板の受け入れが可能な表面を有する支持体を含むチャック組立体と、
   前記ベースユニットに結合され、頂壁、底壁、およびそれらから延在する側壁を含む処理室と、
   前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に設けられた第１の開口部に連通し、吸気端部と、ガスおよび／または反応物の前記処理室への流れを横方向に伸ばすために前記吸気端部から前記第１の開口部に向かって幅が増大する三角形状の整流部とを含む吸気マニホールド組立体と、
   前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に対向する側壁に設けられた第２の開口部に連通し、排気端部と、前記第２の開口部から前記排気端部に向かって幅が減少する三角形状の排気受入部とを含む排気マニホールド組立体と、
   を含み、
   前記ガスおよび／または反応物は、前記吸気マニホールド組立体を通って流量制限器を介することなく処理室へ流れ、かつ、前記排気マニホールド組立体は、前記排気受入部の開口部に装着された流量制限器を介して前記処理室の前記第２の開口部に連通して、前記ガスおよび／または反応物の当該開口部を通じた前記処理室から前記排気受入部への流れを制限することを特徴とするリアクタ組立体。
2. 前記吸気マニホールド組立体の前記整流部は、前記ガスおよび／または反応物の前記処理室への流れを、前記基板の表面に平行な平面付近に導入することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
3. 前記処理室の前記頂壁は、取り外し可能であることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
4. 前記排気マニホールド組立体は、前記ガスおよび／または反応物の前記処理室からの流れを、前記基板の表面に平行な平面付近で受け入れることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
5. 前記チャック組立体の前記支持体は、前記基板の温度を調整するための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
6. 前記支持体は、さらに抵抗加熱体および冷却通路を含むことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
7. 前記チャック組立体の前記支持体は、固定されており、回転しないことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
8. 前記頂壁は、光源に対してほぼ透明であることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
9. 前記頂壁は、ＵＶ光源に対してほぼ透明であることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
10. 前記頂壁は、赤外光源に対してほぼ透明であることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
11. 前記処理室は、前記第１および第２の開口部を有する側壁に隣接する側壁に第３の開口部を有し、前記第３の開口部は、前記処理室の内部領域に前記基板を移送するためのサイズに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
12. 前記流量制限器は、少なくとも１つの通路を有するプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
13. 前記流量制限器は、高さ寸法よりも大きな長さ寸法を有する四角形状のプレートを含み、前記高さ寸法の約２分の１以下の領域に通路が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
14. 前記流量制限器は、陽極処理アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
15. 前記吸気マニホールド組立体は、前記ガスおよび／または反応物を前記基板の表面に平行な平面付近に導入し、前記排気マニホールド組立体は、前記ガスおよび／または反応物を前記基板の表面に平行な平面付近で排気することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
16. 前記吸気端部は、円筒形の導管を含み、
    前記整流部は、前記吸気端部に連通する第１の開口端、および第２の開口端を含んでおり、前記整流部の幅は、前記第１の開口端から前記第２の開口端に向かって増大し、かつ、前記吸気端部から当該整流部を通じて流れる流体を横方向に伸ばすように作用することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ組立体。
17. 前記整流部は、前記第１の開口端から前記第２の開口端に向かって減少する高さ寸法を有すること特徴とする請求項１６に記載のリアクタ組立体。
18. ガスおよび／または反応性化学種を処理室を通じて流動させるための処理方法であって、
    前記ガスおよび／または反応性化学種の前記処理室への層流を、前記処理室に連通する開口端に向かって幅が増大する三角形状の整流部により基板の表面に平行な平面付近で横方向に伸ばして、流量制限器を介することなく前記処理室へ流すステップと、
    前記ガスおよび／または反応性化学種の前記処理室からの流れを、流量制限器が装着された開口部により前記処理室と連通し、かつ、前記開口部から排気側に向かって幅が減少する三角形状の排気受入部によって、前記流量制限器によって制限しつつ前記基板の表面に平行な平面付近で排気するステップと、
    を含むことを特徴とする処理方法。
19. 前記ガスおよび／または反応性化学種の流れを排気するステップは、さらに、前記流れを制限して前記処理室の内部と前記排気受入部の内部との間に圧力差を形成することを含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
20. 前記ガスおよび／または反応性化学種の流れを排気するステップは、さらに、前記流れを制限して前記処理室の内部と前記排気受入部の内部との間に少なくとも約６．６６５Ｐａ（５０ミリトル）の圧力差を形成することを含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
21. 前記ガスおよび／または反応性化学種の流れを排気する工程は、さらに、前記流れを制限して前記処理室の内部と前記排気受入部の内部との間に少なくとも約３９．９９Ｐａ（３００ミリトル）の圧力差を形成することを含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
22. 前記ガスおよび／または反応性化学種の流れを排気する工程は、さらに、前記流れを制限して前記処理室の内部と前記排気受入部の内部との間に少なくとも約６６．６５Ｐａ（５００ミリトル）の圧力差を形成することを含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
23. 前記処理室を約１３．３３Ｐａ（１００ミリトル）から約３９９．９Ｐａ（３トル）の圧力で作動させることをさらに含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
24. 前記層流を横方向に伸ばすステップは、中央部分の流速と外側部分の流速との差を最小化することを含んでいる請求項１８に記載の処理方法。
25. ベースユニットと、
    該ベースユニットの空洞部に配置され、基板の受け入れが可能な表面を有する支持体を含むチャック組立体と、
    前記ベースユニットに結合され、透明な頂壁、底壁、およびそれらから延在する側壁を含む処理室と、
    前記処理室内に放射光を照射するために、前記透明な頂壁に対して作動可能な光源組立体と、
    前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に設けられた第１の開口部に連通し、吸気端部と、ガスおよび／または反応物の前記処理室への流れを横方向に伸ばすために前記吸気端部から前記第１の開口部に向かって幅が増大する三角形状の整流部とを含む吸気マニホールド組立体と、
    前記処理室の、前記側壁から選択された１つの側壁に対向する側壁に設けられた第２の開口部に連通し、排気端部と、前記第２の開口部から前記排気端部に向かって幅が減少する三角形状の排気受入部とを含む排気マニホールド組立体と、
    を含み、
    前記ガスおよび／または反応物は、前記吸気マニホールド組立体を通って流量制限器を介することなく処理室へ流れ、かつ、前記排気マニホールド組立体は、前記排気受入部の開口部に装着された流量制限器を介して前記処理室の前記第２の開口部に連通して、前記ガスおよび／または反応物の当該開口部を通じた前記処理室から前記排気受入部への流れを制限することを特徴とするリアクタ組立体。
26. 前記光源組立体は、放射光を放射するためのものであり、ハウジングと光源とを含むことを特徴とする請求項２５に記載のリアクタ組立体。
27. 前記頂壁は、石英材料を含むことを特徴とする請求項２５に記載のリアクタ組立体。
28. 前記排気マニホールド組立体は、前記ガスおよび／または反応物の前記処理室からの流れを、前記基板の表面に平行な平面付近で受け入れることを特徴とする請求項２５に記載のリアクタ組立体。
29. 前記透明な頂壁は、取り外し可能であることを特徴とする請求項２５に記載のリアクタ組立体。

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