JP4383143B2

JP4383143B2 - 真空容器およびこれを用いたプラズマ処理装置

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Publication number: JP4383143B2
Application number: JP2003369107A
Authority: JP
Inventors: 修三植木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: JP2005136073A

Description

本発明は、プラズマによる気相反応を利用して被処理基板の表面に薄膜を形成する際に用いられる真空容器およびこれを用いたプラズマ処理装置に関する。

以下に、従来より使用されている変形マグネトロン高周波放電型のプラズマ処理装置について説明する。

図４は、プラズマ処理装置の概略断面図を示すものであり、真空容器１は上容器２と下容器３とから構成される。上容器２はその下部が開口している他は継ぎ目のないドーム型の一体構造であり、下容器３もその上部が開口している他は継ぎ目のない一体構造である。上容器２の下部の開口部４は下容器３によりＯリングなどのシール部材（不図示）を介して密閉されて真空を保持し、真空容器１の内部にプラズマ処理領域５が形成されている。

真空容器１の上容器２には給気されるガスを均一化する多数のシャワー孔６が形成され、真空容器１内へ給気されるガスの流れを均一にし、被処理基板Ｗへのプラズマ処理均一性を向上させることができる。多数のシャワー孔６が形成された真空容器１の上容器２には、ガス給気手段としてのガス給気口７を中央に有するカバー８で覆って、内部にガス分散室９を形成し、ガス給気口７から給気されたガスが多数のシャワー孔６に行き渡るようにしてある。

真空容器１の内部にはシリコンウェハなどの被処理基板Ｗを載置するサセプタ１０が設けられている。サセプタ１０は最下位電位とするために接地してあり、このサセプタ１０と放電用電極１１との間に高周波電力が印加される。

このサセプタ１０は、多数のシャワー孔６と対面する位置に設けられている。被処理基板Ｗを加熱するには、例えば抵抗加熱ヒーターを埋め込んだサセプタ１０を使用したり、ランプを使用して赤外線で被処理基板Ｗを加熱したり、不活性ガスを使用してプラズマを立て、そのエネルギーを利用して被処理基板Ｗを加熱する方法などがある。

この真空容器１は、ドーム形状の天井部１２、これに連続してつながる垂直な側壁部１３、側壁１３の下端にフランジ部１４を有して下部が開口４となっている上容器２と、上部が開口４となっている下容器３とから構成され、シール部材（不図示）を介して密閉することによりプラズマ処理領域５が形成されている（特許文献１参照）。

また別の実施例としては図５に示すように、平坦な天井部１９とこれに連続して角部にＲ部１８が形成され、さらに連続してつながっている側壁部１３およびフランジ部１４が形成されている形状の真空容器１を構成する上容器２が提案されている（特許文献２参照）。この上容器２の外周面には天井部１９にＲＦ電極１５が、側壁部１３にＲＦ電極１７が設置されている。
特開２００３−２４３３６２号公報特開２００１−１９６３５４号公報

しかしながら、図４に示すような真空容器１を構成する上容器２では、高温となる天井部１２と低温となるフランジ部１４との温度分布の差によって、天井部１２と側壁部１３との境界の小さな曲面となっている部分に応力が集中し、破損の原因となっている。

また、図５に示すような真空容器１を構成する上容器２も、ＲＦ電極１５およびＲＦ電極１７が設置された天井部１２および側壁部１３が上容器２の中で高温部となり、上容器２の天井部１２と側壁部１３との間のＲ部１８がＲＦ電極１５およびＲＦ電極１７の熱源が無くプラズマ領域から離れていることから低温部となっている。さらに下端のフランジ部１４は図４に示すような下容器３とつながることとなり、熱がこの部分から下容器３側へ逃げるため上容器２の中でもっとも低い温度となる。

したがって、天井部１２での熱膨張による変形が大きく、フランジ部１４での熱膨張による変形が少ないことから、上容器２のＲ部１８に集中的に大きな応力がかかる結果、破損に至っていた。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、真空容器を構成する上容器における温度分布の差を小さくし、かかる応力によるクラックの発生を少なくするとともに、低温となる部分に生じるフッ化物ガスとの酸化物あるいは酸窒化物の凝着に起因するウエハーへの付着物を少なくすることのできる真空容器およびこの真空容器を用いた高品質のウエハーを製造するプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明の真空容器は、プラズマ処理装置に用いられ、内部にプラズマ処理領域を形成するための上容器と下容器とからなる真空容器であって、上記上容器が実質的に平坦な天井部と、外周面に上記天井部に連続したテーパ部と、該テーパ部に連続した被処理基板に対して垂直な側壁部とを有しており、該側壁部の外周側に側壁ＲＦ電極が装着される凹部を設けたことを特徴とする。

また、上記天井部と上記テーパ部との内部側の境界および上記テーパ部と上記側壁部との内部側の境界の少なくとも一方が曲面状であることを特徴とする。

また、上記テーパ部が、上記天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ上記上容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されていることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理装置は、内部にプラズマ処理領域を形成する本発明の真空容器と、該真空容器に対してガスを給排気する手段と、上記真空容器の外側に配置され、上記真空容器内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段とを具備してなり、上記真空容器内に配置された被処理基板にＣＶＤ処理を行なうことを特徴とする。

本発明の真空容器は、プラズマ処理装置に用いられ、内部にプラズマ処理領域を形成するための上容器と下容器とからなる真空容器であって、上記上容器が実質的に平坦な天井部と、外周面に上記天井部に連続したテーパ部と、該テーパ部に連続した被処理基板に対して垂直な側壁部とを有しており、該側壁部の外周側に側壁電極が装着される凹部を設けたことから、上記上容器の各部が高温のプラズマ発生領域に近くなり、上記上容器内の温度分布の差が小さくなるので、応力の集中によって生じるクラックの発生を防止することができる。また、側壁ＲＦ電極の装着性の安定化が可能となる。

また、本発明の真空容器は、上記天井部と上記テーパ部との内部側の境界および上記テーパ部と上記側壁部との内部側の境界の少なくとも一方が曲面状であるときには、上記真空容器を構成する上記上容器に生じる温度分布の差により応力の集中が生じやすい各境界における応力の集中を少なくし分散化させることができるので、クラックの発生をより少なくすることができる。

さらに、本発明の真空容器は、上記テーパ部が、上記天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ上記上容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されているときには、上記テーパ部と該テーパ部に連続する上記天井部および上記側壁部との温度分布の差をより小さくすることができ、発生する応力の集中を緩和してクラックの発生をより少なくすることが可能となる。

さらにまた、本発明のプラズマ処理装置は、内部にプラズマ処理領域を形成する本発明の真空容器と、該真空容器に対してガスを給排気する手段と、上記真空容器の外側に配置され、上記真空容器内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段とを具備してなり、上記真空容器内に配置された被処理基板にＣＶＤ処理を行なうことから、被処理基板の上面に生成されるプラズマ状態が被処理基板の全面において一様となり、品質のバラツキの少ない基板を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明のプラズマ処理装置を示す概略断面図であり、このプラズマ処理装置は、内部にプラズマ処理領域１９を形成する真空容器２５と、真空容器２５に対してガスを給気する手段である給気口２６ａと、ガスを排気する手段である排気口２６ｂと、真空容器２５の外側に配置され、真空容器２５内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段である天井ＲＦ電極２７および側壁ＲＦ電極２９とを具備してなり、真空容器２５内に配置されたシリコンウェハなどの被処理基板ＷにＣＶＤ処理を行なうものである。

また、被処理基板Ｗはサセプタ２４に載置され、サセプタ２４は最下位電位とするために接地してあり、このサセプタ２４と天井ＲＦ電極２７および側壁ＲＦ電極２９との間に高周波電力が印加される。被処理基板Ｗを加熱するには、例えば抵抗加熱ヒーターを埋め込んだサセプタ２４を使用したり、ランプを使用して赤外線で被処理基板Ｗを加熱したり、不活性ガスを使用してプラズマを立て、そのエネルギーを利用して被処理基板Ｗを加熱する方法などがある。

この真空容器２５は、上容器２５ａと下容器２５ｂとから構成されており、上容器２５ａと下容器２５ｂとの接続部にはそれぞれフランジ部２３が形成されている。

ここで、本発明のプラズマ処理装置では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上記真空容器２５を構成する上容器２５ａが実質的に平坦な天井部２０と、外周面に天井部２０に連続したテーパ部２１とを有することが重要である。

天井部２０が実質的に平坦とは、プラズマ処理装置内に配置される被処理基板Ｗに対して平行であることを示し、天井部２０の上面にプラズマを生成させる目的で配置される天井ＲＦ電極２７と被処理基板Ｗの距離が一定に保持されることから、被処理基板Ｗの上面に生成されるプラズマ状態が被処理基板Ｗ全面において一様となり、処理される被処理基板Ｗの品質のバラツキを少なくすることができる。

また、真空容器２５を構成する上容器２５ａには、平坦な天井部２０の上面に天井部２０を均一な温度分布にするための均熱板２８と均熱板２８を加熱するヒーター（不図示）が配置されている。また天井部２０の上面に真空容器２５内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する天井ＲＦ電極２７が配置され、開口部付近の外周側にも同様の目的で側壁ＲＦ電極２９が配置されている。

そのため、天井部２０に連続してテーパ部２１を設けることで、テーパ部２１を高温のプラズマ発生領域に近づけることができるため、天井ＲＦ電極２７および側壁ＲＦ電極２９が形成された付近の高温となる部分とテーパ部２１との温度差を小さくすることができ、温度差によって生じるテーパ部２１への応力の集中を低減させることができるため、クラックの発生を少なくすることができる。

また、このテーパ部２１は、その傾斜角度を２０〜４０°とすることが好ましく、なだらかな傾斜とすることで高温のプラズマ発生領域により近づけることができ、テーパ部２１での温度が他の部分に比較して低温となるのを防止することができる。

また、真空容器２５を構成する上容器２５ａは、テーパ部２１に連続し、被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有していることも重要である。

これにより、側壁部２２の外側に配置される側壁ＲＦ電極２９と被処理基板Ｗとの距離を一定に保持することができる。これに対してテーパ部２１のみの形状の外側に側壁ＲＦ電極２９を配置した場合は、側壁ＲＦ電極２９と被処理基板Ｗの距離が変化するため一定の印加電圧を負荷して発生させるプラズマ状態は、高さ方向で変化することになる。このことから処理される被処理基板Ｗの品質のバラツキを少なくするためには、プラズマ状態を一様にすることが重要であり、被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有することが好ましい。またプラズマ処理空間を確保する場合に、テーパ部２１のみの形状で構成する場合に比べて、被処理基板Ｗに対して垂直な側壁部２２を有することで容易に内部空間の容量を調整することができ、テーパ部２１のみの形状に比較して上容器２５ａの径を小さくすることができ、プラズマ処理装置の形状をもコンパクトにできる。

さらに、天井部２０とテーパ部２１との内部側の境界３０およびテーパ部２１と側壁部２２との内部側の境界３１が曲面状であることが好ましく、天井部２０とテーパ部２１との内部側の境界３０、テーパ部２１と側壁部２２との内部側の境界３１を２０〜５０ｍｍの曲率半径を持つ曲面状とすることで、応力の集中を少なくし分散化させることができるので、クラックの発生を少なくすることができる。

またさらに、図２（ａ）に示すように、真空容器２５を構成する上容器２５ａの天井部２０からの高さＨに対するテーパ部２１の高さ方向における高さｈが３０〜７０％、且つ図２（ｂ）に示すように上容器２５ａの中心から最外周までの径方向の寸法Ｒに対するテーパ部２１の径方向の寸法ｒが２０〜５０％の範囲に形成されていることが好ましい。

これによって、テーパ部２１の範囲を大きく取ることができ、天井ＲＦ電極２７および側壁ＲＦ電極２９が配置された天井部２０や側壁部２２とテーパ部２１との温度差を減少させることができ、温度差によって発生するテーパ部２１にかかる応力の集中を緩和して、クラックの発生を少なくすることができる。

詳細には、真空容器２５を構成する上容器２５ａの天井部２０からの高さＨに対して、テーパ部２１の高さ方向における高さｈが７０％を超える範囲で形成されている場合、側壁部２２が狭くなりすぎ、側壁ＲＦ電極２９の設置が困難となり、プラズマ処理装置としての能力を発揮できなくなるおそれがある。逆に、３０％未満の範囲でテーパ部２１が形成されていると、テーパ部２１が少なくなりすぎて、応力の部分的な集中が発生してクラックが発生してしまうおそれがある。

また、テーパ部２１の径方向の寸法ｒが、上容器２５ａの中心から最外周までの径方向の寸法Ｒに対して２０％未満の範囲となると、テーパ部２１が少なくなりすぎて、天井部２０とフランジ部２３との温度分布の差が大きくなり、テーパ部２１に応力の部分的集中が発生してクラックが発生するおそれがある。一方、５０％を越える範囲に形成された場合、天井部２０の領域が狭くなりすぎるため、この部分に設置される均熱板２８、ヒーター（不図示）、天井ＲＦ電極２７等の設置が制限され、装置としての必要な容量が得られないおそれがある。

したがって、上述の範囲でテーパ部２１を形成することで、天井部２０での熱膨張による変形が大きく、フランジ部２３での熱膨張による変形が少ないことにより発生するテーパ部２１にかかる応力を低減する効果が得られ、クラックの発生を少なくすることができる。

また、上容器２５ａの天井部２０からの高さＨに対してテーパ部２１の高さ方向における高さｈが５０〜６０％、且つ上容器２５ａの中心から最外周までの径方向の寸法Ｒに対して、テーパ部２１の径方向の寸法ｒが３０〜４０％の範囲に形成されていることがより好ましい。

さらに、真空容器２５を構成する上容器２５ａには、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、側壁部２２の外周側に側壁ＲＦ電極２９が装着される凹部３２が設けられていることが重要である。

これによって、側壁部２２の肉厚を変える効果を発揮することができる。真空容器２５は形状の大型化に伴い使用上あるいは作製上で一定の剛性が必要であり、４ｍｍ〜１０ｍｍの肉厚で作製されている。一方、熱的な機能上からは必ずしも前述の肉厚は必要ではなく薄い形状でもよく、肉厚の決定にあたって両者は相反する側面を持っている。そこで、側壁部２２に凹部３２を設けることで全体の剛性を損なうことなく熱的な機能を有効に発揮する肉厚を実現できる。またこれら凹部３２は側壁ＲＦ電極２９が設置される部分に設けることによって、側壁ＲＥ電極２９の装着性の安定化とコンパクト化も可能としている。

上容器２５ａは、アルミナセラミックスからなることが好ましく、例えばアルミナの純度が９９．５％、ヤング率が３７０ＧＰａ、比重が３．８、曲げ強度が３２０ＭＰａ、熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋとなるアルミナ原料粉末を成形圧約１．０ｔｏｎで成形して成形体を得て、これに焼成段階での約８２％の収縮率を考慮して切削加工を施し、ガス炉にて約１６００℃の温度で焼成した後、ロータリー研削盤等によって加工することで得ることができる。

種々の形状の真空容器１を作製し、プラズマ処理装置に組み込んだ際の評価を行なった。

真空容器１を構成する上容器２５ａの形状は、図２に示すように天井部２０からの高さＨを１２０ｍｍ、上容器２５ａの中心から最外周までの径方向の寸法Ｒを１９０ｍｍとし、表１に示す範囲のテーパ部２１を形成した。

真空容器２５は、アルミナの純度が９９．５％、ヤング率が３７０ＧＰａ、比重が３．８、曲げ強度が３２０ＭＰａ、熱伝導率が３２Ｗ／ｍ・Ｋとなるアルミナ原料粉末を成形圧約１．０ｔｏｎで成形し、ガス炉にて約１６００℃の温度で焼成した後、ロータリー研削盤にて加工した。

また、比較例として図５に示すような天井部１２、Ｒ部１８および側壁部１３からなり、天井部１２からの高さＨを１２０ｍｍ、上容器２の中心から最外周までの径方向の寸法Ｒを１９０ｍｍとした真空容器を準備した。Ｒ部１８の大きさは曲率半径が１０ｍｍ、２０ｍｍとした。

これら真空容器を各１０個ずつ作製し、図１に示すようなプラズマ処理装置に組み込み、ＲＦ電極を天井部、側壁部に形成し、高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を印加させてプラズマを発生させて真空容器の天井部における温度を１７０℃程度となる定常状態とした。なお、天井部に７ｋＷ、側壁部に３ｋＷ、テーパ部に２ｋＷの熱負荷がかかる状態でテストを行なった。

そして、真空容器内の温度を熱電対を用いて天井部では中心から径方向の中央にそれぞれ２ヶ所、テーパ部、側壁部、フランジ部ではその中心の１ヶ所の各部に設置して測定し、その最高温度と最低温度の差を算出した。また、上記の条件で定常状態とした後の真空容器を構成する上容器の割れの発生を確認した。

その結果を表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、真空容器を構成する上容器にテーパ部を設けた試料（Ｎｏ．１〜１２）は、温度差が４５℃以下であり、割れの発生は２個であった。特に、テーパ部の設ける範囲を上容器の天井部からの高さＨに対するテーパ部の高さ方向における高さｈが３０〜７０％、上容器の中心から最外周までの径方向の寸法Ｒに対するテーパ部の径方向の寸法ｒが２０〜５０％の試料（Ｎｏ．２、３、５〜８、１０、１１）は、温度差は４１℃以下であり、真空容器を構成する上容器内の温度をより均一にできることが判った。

これに対し、テーパ部を有していない比較例である試料（Ｎｏ．１３、１４）は、温度差が５４℃以上と非常に大きく、３個以上に割れが発生した。これにより、テーパ部を設けることが重要であり、さらに上容器の天井部からの高さＨに対するテーパ部の高さ方向における高さｈが３０〜７０％、上容器の中心から最外周までの径方向の寸法Ｒに対するテーパ部の径方向の寸法ｒが２０〜５０％の範囲に形成されていることが好ましいことが判った。

次いで、表１に示す試料Ｎｏ．７の真空容器を構成する上容器の側壁部２２の外周側に側壁ＲＦ電極２９が装着される凹部３２を設けた本発明の真空容器２５、表１における試料Ｎｏ．７の真空容器およびテーパ部を設けていない試料Ｎｏ．１３の真空容器を用いて、天井部に７ｋＷ、側壁部に４ｋＷ、テーパ部に３ｋＷの熱負荷がかかる状態でテストを行なった。そして、真空容器内の温度を熱電対を用いて天井部では中心から径方向の中央にそれぞれ２ヶ所、テーパ部、側壁部、フランジ部ではその中心の１ヶ所の各部に設置して測定し、その最高温度と最低温度の差を算出した。また、得られた温度分布をＦＥＭモデルに適用してモデル上で実際の温度分布状態を再現し、発生する応力最大値を求めた。

結果を表２に示す。

表２に示す結果より、試料Ｎｏ．７の真空容器を構成する上容器の側壁部２２の外周側に側壁ＲＦ電極２９が装着される凹部３２を設けた本発明の真空容器２５は、温度差、発生する応力最大値も凹部３２を設けていない試料Ｎｏ．７および試料Ｎｏ．１３の８０％以下に抑えられ、真空容器２５内の温度分布の差をより小さくすることができ、発生する応力の集中を緩和してクラックの発生を少なくする効果があることが判った。

本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。（ａ）は本発明のプラズマ処理装置における真空容器を構成する上容器を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。（ａ）は本発明のプラズマ処理装置における真空容器を構成する上容器を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図であり、（ｃ）は同図（ｂ）の部分拡大断面図である。従来のプラズマ処理装置を示す断面図である。従来のプラズマ処理装置における真空容器の他の例を示す断面図である。

１：真空容器
２：上容器
３：下容器
４：開口部
５：プラズマ処理領域
６：シャワー孔
７：ガス給気口
８：カバー
９：ガス分散室
１０：サセプタ
１１：放電用電極
１２：天井部
１３：側壁部
１４：フランジ部
１５：ＲＦ電極
１６：均熱板
１７：ＲＦ電極
１８：Ｒ部
１９：プラズマ処理領域
２０：天井部
２１：テーパ部
２２：側壁部
２３：フランジ部
２４：サセプタ
２５：真空容器
２５ａ：上容器
２５ｂ：下容器
２６ａ：ガス給気口
２６ｂ：ガス排気口
２７：天井ＲＦ電極
２８：均熱板
２９：側壁ＲＦ電極
３０：境界
３１：境界
３２：凹部
Ｗ：被処理基板

Claims

プラズマ処理装置に用いられ、内部にプラズマ処理領域を形成するための上容器と下容器とからなる真空容器であって、上記上容器が実質的に平坦な天井部と、外周面に上記天井部に連続したテーパ部と、該テーパ部に連続した被処理基板に対して垂直な側壁部とを有しており、該側壁部の外周側に側壁ＲＦ電極が装着される凹部を設けたことを特徴とする真空容器。
上記天井部と上記テーパ部との内部側の境界および上記テーパ部と上記側壁部との内部側の境界の少なくとも一方が曲面状であることを特徴とする請求項１に記載の真空容器。
上記テーパ部が、上記天井部からの高さ方向における３０〜７０％、且つ上記上容器の中心から最外周までの径方向の２０〜５０％の範囲に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の真空容器。
内部にプラズマ処理領域を形成する請求項１〜３のいずれかに記載の真空容器と、該真空容器に対してガスを給排気する手段と、上記真空容器の外側に配置され、上記真空容器内のガスに高周波電力を印加してプラズマを生成する電極手段とを具備してなり、上記真空容器内に配置された被処理基板にＣＶＤ処理を行なうプラズマ処理装置。