JP4514336B2 - 基板処理装置及びその洗浄方法 - Google Patents
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Description
本発明は、1996年9月16日出願の米国特許出願第08/707,491号、発明の名称「遠隔励起ソースを使用する堆積チャンバ洗浄技術」に関連する。その出願は、本発明の譲受人へ譲渡されており、その全体を引用して本明細書に組込まれる。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に基板処理チャンバに関し、詳細には、そのようなチャンバ用のガス取入マニホールドまたはシャワーヘッドに関する。
【0003】
【従来の技術】
ガラス基板は、とりわけアクティブマトリクステレビジョンおよびコンピュータディスプレイ等の用途で使用されている。各ガラス基板は、多数のディスプレイモニタを形成することができ、その各々が百万個を超える薄膜トランジスタを含んでいる。
【0004】
ガラス基板は、例えば、550mmx650mmの寸法を持つことができる。しかし、その傾向は、例えば、650mmx830mm、およびそれ以上の更に大きな基板サイズへ向かっており、それにより更に多くのディスプレイが基板上に形成されることが可能になり、または、より大型のディスプレイの生産が可能になる。より大きなこのサイズは、処理装置の能力に対して更に多くの要求をもたらす。
【0005】
大型ガラス基板の処理は、例えば、化学気相成長(CVD)プロセス、物理気相成長(PVD)プロセス、またはエッチングプロセスの実行を含め、多数の逐次ステップの実行を伴うことが多い。ガラス基板を処理する装置は、これらのプロセス実行用の一つ以上のプロセスチャンバを含むことができる。
【0006】
プラズマ化学気相成長法(PECVD)は、基板上へ電子材料の層を堆積するためのガラス基板の処理に広く使用される別のプロセスである。PECVDプロセスで、基板は、一対の平行なプレート電極を装備する真空堆積チャンバ内に置かれる。基板は、一般に、下側電極としても役を果すサセプタ上に取り付けられる。反応性ガスの流れが、上側電極としても役を果すガス取入マニホールドまたはシャワーヘッドを通して堆積チャンバ内に供給される。高周波(RF)電圧が二つの電極間に印加され、反応性ガス中にプラズマが形成させるのに十分なRFパワーを生成する。プラズマは反応性ガスを分解させ、所望の材料の層を基板本体の表面上に堆積させる。他の電子材料の追加層は、他の反応性ガスをチャンバ内へ流入することによって第1層上に堆積できる。各反応性ガスはプラズマにさらされ、その結果、所望材料の層の堆積を生じる。
【0007】
そのような装置は、材料を優先的に基板の表面上に堆積するよう設計されるが、いくらかの材料はチャンバ内の他の内部表面上にも堆積される。装置は繰返し使用された後に、チャンバに集積した材料の堆積層を除去するために洗浄されねばならない。チャンバおよびチャンバ内の露出構成要素を洗浄するために、in−situドライ洗浄プロセスがしばしば使用される。一つのin−situ技術によると、前駆体ガスがチャンバへ供給される。次に、チャンバ内で前駆体ガスへグロー放電プラズマを局所的に適用することによって、反応性核種が生成される。反応性核種は、これらの表面に堆積された材料と揮発性化合物を形成することによってチャンバ表面を洗浄する。
【0008】
前述のin−situ洗浄技術は、幾つかの欠点を有する。第1に、チャンバ内でプラズマを使用して反応性核種を生成することは効率的でない。従って、容認できる洗浄速度を達成するために比較的高いパワーを使用することが必要である。しかし、高いパワーレベルは、チャンバ内側のハードウエアへ損傷を引起しがちであり、それによって、その有効寿命を著しく短縮する。損傷を受けたハードウエアの交換は大変コストがかかるので、堆積装置を使用して処理される製品の基板当りコストを著しく増加させる。現在、コスト重視の購入者にとり基板当りコストが重要な、競争の激しい半導体製造業界では、洗浄プロセス中に損傷を受けた部品を定期的に交換しなくてはならないことに起因する操業コストの増加は、非常に望ましくない。
【0009】
従来のin−situドライ洗浄プロセスに伴う別の問題は、容認できる洗浄レートを達成するために必要とされる高パワーレベルが、他の装置構成要素を損傷し得る、またはチャンバの内部表面を物理的に拭い落さねば除去され得ない、残渣または副生成物も生成しがちな点である。一例として、チャンバまたはプロセス構成要素一式(例えば、ヒータ、シャワーヘッド、クランプリング等)がアルミニウムで作成される堆積装置では、フッ化窒素(NF3)プラズマが内部表面の洗浄に使用されることが多い。洗浄プロセス中に、特定量のフッ化アルミニウム(AlxFy)が形成される。形成される量は、高いプラズマエネルギーレベルに起因するイオンボンバードによって著しく増える。従って、かなりの量のAlxFyが装置に形成されることがあり、表面を物理的に拭うことによって除去されねばならない。
【0010】
プロセスチャンバを洗浄するための異なる技術は、先に記載の米国特許出願第08/707,491号に記載されている。その出願に記載された技術は、堆積チャンバの外側にある遠隔チャンバ内へ前駆体ガスを送出し、遠隔チャンバで前駆体ガスを活性化して反応性核種を形成することを含む。例えば、NF3を含有できる前駆体ガスの活性化は、遠隔活性化ソースを使用することによって実行される。反応性核種は、遠隔チャンバから堆積チャンバ内へ流され、堆積チャンバの内側の洗浄に使用される。遠隔プラズマソースを使用することにより、洗浄プロセス中に発生する損傷を低減または排除可能となる。
【0011】
既に記載のように、先に記載の装置の幾つかにおいて、シャワーヘッドは、アルミニウムで形成される。従来、in−situチャンバでのアルミニウムシャワーヘッドの表面は、その信頼性を維持するよう陽極酸化される。例えば、シャワーヘッドは、硫酸に浸すことによって陽極酸化でき、それによってシャワーヘッド表面上に酸化アルミニウム(Al2O3)の層を形成する。遠隔プラズマソースを有する装置で陽極酸化アルミニウムシャワーヘッドを使用する欠点の一つは、陽極酸化アルミニウムが、前駆体ガスNF3が活性化される際に形成する有意な量のフッ素ラジカルを不活性化するらしい点である。その結果、チャンバを洗浄できるレートが低下させられる。
【0012】
【発明の概要】
一般的に、一局面で、基板処理装置は、処理チャンバとチャンバの外側に配置されるプラズマソースとを含む。導管がプラズマソースをチャンバの内部領域へ接続し、チャンバの内部表面を洗浄するために反応性核種をチャンバ内部へ供給する。チャンバの内部領域へ与えられた陽極酸化されていないアルミニウムつまり裸アルミニウムの外層を有するシャワーヘッドが、プラズマソースとチャンバ内部との間に配設される。
【0013】
本発明の文脈上では、「裸アルミニウム (bare aluminum)」という言葉は、シャワーヘッドの機械加工中またはその後に表面に蓄積した可能性のある種々の汚染物質を除去するために、機械的、化学的、またはその他の技術を使用して処理された表面を持つアルミニウム材料を指すと定義される。薄い自然酸化物がその後にアルミニウム面上に形成されるかもしれないが、そのようなアルミニウムも、本発明の目的のために依然「裸アルミニウム」と称する。
【0014】
別の実施の形態によると、シャワーヘッドは、フッ化アルミニウムまたはTeflon(登録商標)等のフッ素ベースの保護外層を伴うことができる。フッ素ベースの外層は、例えば、電解研磨されたアルミニウム面のようなアルミニウム材料上に配設できる。
【0015】
種々の実施例では、下記特徴の一つ以上が見られる。堆積チャンバは、プラズマ化学堆積チャンバ等のCVDチャンバであることができ、高周波(RF)でパワー供給される複数電極を含むことができる。シャワーヘッドは、電極の一つとして役を果し得るとともに、ガス分配機構としての役も果し、チャンバの領域へ実質的に一様なガス流を提供する。プラズマソースは、例えば、フッ化窒素等のフッ素ベース化合物を含む前駆体ガスソースを含むことができる。
【0016】
別の局面で、処理チャンバを洗浄する方法は、チャンバの外部で反応性核種を形成するステップと、反応性核種を、陽極酸化されていない、つまり裸アルミニウム面または不活性フッ素ベース化合物を含む外面を有するシャワーヘッドを経由して、チャンバの内部領域へ供給するステップとを含む。
【0017】
種々の実施例は、下記特徴の一つ以上を含む。反応性核種を形成するステップは、前駆体ガスを活性化するステップを含む。前駆体ガスは、例えば、フッ化窒素等のフッ素ベース化合物を含むことができる。反応性核種は、例えば、フッ素ラジカルを含むことができる。他の前駆体ガスおよび反応性核種も使用できる。
【0018】
本発明の表面処理されたシャワーヘッドを使用することにより、基板処理チャンバの内面上に堆積された材料の除去レートを高めることができる。換言すれば、チャンバ洗浄プロセスは、陽極酸化されたシャワーヘッドを持つチャンバの能力に比べて、より効率的になされことができ、従って、より早く完了できる。加えて、変更されたシャワーヘッドは、洗浄プロセスの間、より少量のフッ素ラジカルを吸収する傾向にあるので、処理中に基板が汚染される可能性は少ない。更に、変更されたシャワーヘッドは、陽極酸化されたシャワーヘッドに比べて、結果としてより高い反射率をもたらす。より高いこの反射率によって、処理中にチャンバで基板を加熱する熱ソースは更に効率的に用いられることになる。
【0019】
他の特徴および利点は、以下の説明、添付の図面および特許請求の範囲から容易に明白になろう。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1を参照すると、プラズマ化学気相成長(PECVD)装置10は、マルチプロセスチャンバを有する装置の一部であり、それは、例えば、アモルファスシリコン、窒化ケイ素、酸化ケイ素、および酸窒化物の各膜をガラスまたは他の基板上に堆積するのに使用できる。PECVD装置10は、例えば、アクティブマトリクス液晶ディスプレイの生産に使用できる。
【0021】
PECVD装置10は、上部壁14を貫通する開口部と開口部内のシャワーヘッド16とを有する堆積チャンバ12を含む。一般に、シャワーヘッド16は、ガスをチャンバ12の内部領域へ送ることを可能にする。図示実施例では、シャワーヘッド16は、第1電極としての役を果す。代替の実施の形態では、上部壁14は、上部壁の内面に隣接する電極16を持つ中実体であり得る。シャワーヘッド16はガス分配機構としても役を果し、チャンバの内部へ実質的に一様なガス流を提供する。プレート形状のサセプタ18が、第1電極16に平行してチャンバ12内で延在する。
【0022】
第1電極16(すなわち、ガス取入マニホールド)は、チャンバ12の外部にあるRF電源36へ接続される。一実施例では、ガス取入マニホールド16は、実質的に長方形のシャワーヘッド15(図2A)を含み、それは、シャワーヘッドの上面15Aからその底面15B(図2A〜2B)まで延在する多数の円錐形孔17を持つ、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む。孔17は相互に同じ間隔で離間し、それにより、略600mmx700mmの寸法を有するシャワーヘッドは数千の孔を含むことができる。
【0023】
サセプタ18はアルミニウムで形成してもよく、酸化アルミニウムの層で被覆できる。ササプタ18内に埋め込まれて、サセプタを加熱するよう制御される一つ以上の加熱素子がある。サセプタ18は、第2電極としての役を果すよう接地接続され、チャンバ12の底壁22を貫通して垂直方向に延在するシャフト20の端部に搭載される。シャフト20は、垂直に可動であり、第1電極16に向かったり離れたりするサセプタ18の垂直の移動を可能にする。
【0024】
リフトオフプレート24が、サセプタ18と、チャンバ12の底壁22との間にサセプタと実質的に平行して水平に延在し、垂直に可動である。リフトオフピン26は、リフトオフプレート24から上方向に垂直に突出する。リフトオフピン26は、サセプタ18のリフト孔28を通って延在できるように位置決めされ、その長さはサセプタの厚さより僅かに長い。図1には2本のリフトオフピン26だけが示されているが、リフトオフプレート24の周りに間を隔て追加のリフトオフピンがあってもよい。
【0025】
ガス出口30が、チャンバ12の側壁32を貫通して延在し、チャンバを排気するためにポンプ(図示せず)へ接続される。
【0026】
ガス取入の導管つまりパイプ42が、ガス取入マニホールド16内へ延在し、ガス切換ネットワークを介して種々のガスのソースへ接続される。チャンバ12の外側に配置されるガス供給源52は、堆積中に使用されるガスを収容する。使用される特定ガスは、基板上に堆積される材料に依存する。プロセスガスは、取入パイプ42を通りガスマニホールド16内へ、それから、チャンバへ流入する。電子作動弁および流量コントロール機構54が、ガス供給源からチャンバ12内に至るガスの流れを制御する。
【0027】
第2ガス供給装置も、取入パイプ42を介してチャンバへ接続される。第2ガス供給装置は、一連の堆積運転後にチャンバの内側を洗浄するために使用されるガスを供給する。本明細書で使用される場合に、「洗浄する」という言葉は、チャンバの内面から堆積された材料を除去することを指す。場合によっては、第1と第2のガス供給源を、併用することができる。
【0028】
第2ガス供給装置は、前駆体ガスのソース64と、堆積チャンバの外側でそれから距離を隔てて配置される遠隔活性化チャンバ66と、遠隔活性化チャンバ内で前駆体ガスを活性化するための電源68と、電子作動弁および流量コントロール機構70と、遠隔チャンバを堆積チャンバ12へ接続する導管つまりパイプ77とを含む。そのような構成は、チャンバの内面を、遠隔プラズマソースを使用して洗浄することを可能にする。
【0029】
流量絞り79がパイプ77に設けられる。流量絞り79は、遠隔チャンバ66と堆積チャンバ12との間の経路のどこに設けてもよい。そのような流量絞りは、遠隔チャンバ66と堆積チャンバ10との間に圧力差が存在することを可能にする。
【0030】
弁および流量コントロール機構70は、前駆体ガスソース64から遠隔活性化チャンバ66内へ、ユーザ選択の流量でガスを送出する。電源68は、前駆体ガスを活性化し、反応性核種を形成し、それは次に導管77を通り取入パイプ42を経由して堆積チャンバへ流入される。従って、上側電極つまりガス取入マニホールド16を使用して、反応性ガスを、堆積チャンバの内部領域内へ送出する。上記実施例では、遠隔のチャンバはサファイアチューブであり、電源は、その出力がサファイアチューブに向けられる2.54ギガヘルツ(GHz)の高パワーマイクロ波発生器である。
【0031】
オプションとして、別の弁および流量コントロール機構73を介して遠隔活性化チャンバへ接続される、少量キャリアガスのソース72があってもよい。少量キャリアガスは、堆積チャンバへの活性化核種の輸送を支援し、使用されている特定の洗浄プロセスと相性の良い任意の非反応性ガスでよい。例えば、少量キャリアガスは、アルゴン、窒素、ヘリウム、水素、または酸素、等でよい。堆積チャンバまでの活性化核種の輸送を支援するのに加えて、キャリアガスは、洗浄プロセスを支援したり、あるいは堆積チャンバ内でのプラズマの始動および/または安定化も支援できる。
【0032】
上記実施例では、前駆体ガスはNF3であり、それは、シリコン(Si)、ドープされたシリコン、窒化ケイ素(Si3N4)、または、酸化ケイ素(SiO2)が堆積されたチャンバを洗浄するのに好適である。他の実施例では、前駆体ガスは、四フッ化炭素(CF4)、六フッ化硫黄(SF6)、ペルフルオロエタン(C2F6)等、他のフッ素ベースのガスを含むことができる。使用される特定ガスは、除去中の堆積材料に依存する。
【0033】
洗浄技術の効率を高めるために、シャワーヘッド15は、実質的に陽極酸化されていないアルミニウム面を持つアルミニウムで形成される。図3は、そのようなシャワーヘッドを形成するための一つの技術を示す。第1に、ステップ100で示すように、アルミニウムまたはアルミニウム合金のブロックが、孔17を含む所望形状のシャワーヘッド15へ機械的に成形される。次に、一つ以上の化学的、機械的、またはその他のプロセスが実行され、機械加工中、またはその後にアルミニウム面上に蓄積された可能性のある、表面の、汚れ、処理油、異物金属の痕跡、または残渣膜等の汚染物を除去する。例えば、標準の電解研磨処理が、そのような汚染物を除去するよう実行できる(ステップ102)。一実施例では、機械加工された装置が、硝酸浴中に約1分間入れられる。シャワーヘッドを、次に、水でリンスできる(ステップ104)。結果として得られたものは、裸アルミニウム面80を持つシャワーヘッドである(図5A)。
【0034】
遠隔プラズマソースと、陽極酸化層を持たない6061種のアルミニウム合金でできているシャワーヘッドとを使用する、少なくとも一つのPECVD構成において、チャンバ壁からのSiNの除去レートつまりエッチングレートは、陽極酸化されたシャワーヘッドに対して約28%高まったことを実験結果が示した。更に、電解研磨されたシャワーヘッドは、チャンバ壁からのSiNの除去レートを陽極酸化されたシャワーヘッドに対して約50%高めた。
【0035】
代替として、シャワーヘッド15の性能を更に改善するために、フッ化アルミニウム(AlF3)または他のフッ素ベース化合物の薄い皮膜81が、シャワーヘッド15の外面上へ設けることができる(図5B)。一般に、フッ素ベース化合物は、シャワーヘッド15上に不活性層を形成する能力を有するのがよい。例えば、Teflon(登録商標) 保護層をシャワーヘッド15の表面上に設けることができる。
【0036】
一つの技術(図4参照)によると、アルミニウムまたはアルミニウム合金のブロックが、所望形状に機械的に成形され(ステップ110)、例えば、リン酸浴中に機械加工されたシャワーヘッドを置くことによって電解研磨処理が実行され、機械加工中に蓄積された可能性のある膜の層を除去する(ステップ112)。次に、フッ化アルミニウム保護層が、シャワーヘッドの表面上に形成される(ステップ114)。一実施例では、電解研磨されたシャワーヘッドが、フッ化水素(HF)酸槽に入れられる。例えば、シャワーヘッドはHF酸の2〜5%溶液中にほぼ1〜5分間入れられる。シャワーヘッドがHF酸槽内にある間、酸は循環または撹拌されねばならない。次に、シャワーヘッドはHF酸槽から取出され、脱イオン水でリンスされ、送風乾燥される(ステップ116)。シャワーヘッドは、約100°Cでほぼ1時間焼成でき、より徹底的に乾燥される。
【0037】
代替の実施の形態では、フッ化アルミニウム保護層は、フッ素の気相処理を使用して形成できる。例えば、シャワーヘッドを化学研磨した後に、シャワーヘッドはチャンバにほぼ1時間入れられる。フッ素ガスが、チャンバの内部へ約1〜10Torrの圧力および約350°Cの温度で供給される。
【0038】
電解研磨されたアルミニウム面82等の裸アルミニウム面上にフッ素ベース保護層を形成することが望ましいとはいえ、そうする必要はない。例えば、フッ素ベース層は、先に検討した種々の汚染物質が除去されていない、または、部分的にだけ除去されたアルミニウム面上に形成できる。その上、フッ素ベース層は、陽極酸化されたアルミニウム面上にも形成できる。
【0039】
多くの場合、シャワーヘッドの露出面全体を先に検討した技術の一つにより処理することが望ましい。しかし、本発明の利点の多くは、チャンバ10の内部に面するつまりそこへ与えられるシャワーヘッドの表面領域だけを処理することによって獲得できる。
【0040】
陽極酸化されていないつまり裸アルミニウムシャワーヘッド、電解研磨されたシャワーヘッド、または、フッ化物ベース保護被覆を持つシャワーヘッドを使用することは、チャンバ12の内面上に堆積された材料の除去レートを高めることに加えて、他の利点を提供できる。例えば、陽極酸化されていないアルミニウムまたは電解研磨されたシャワーヘッド15の反射率は、一般的に、陽極酸化されたアルミニウムのシャワーヘッドに比べて大きい。高反射率によって、処理中にチャンバ内で基板を加熱する熱ソースがより効率的に用いられることになる。更に、陽極酸化されていないシャワーヘッド、電解研磨されたシャワーヘッド、および、フッ化物ベース保護層を持つシャワーヘッドの使用は、基板上への薄膜堆積中に発生するかもしれない汚染物質の量を低減できる。低減された汚染物質は、洗浄プロセス中にシャワーヘッドによって吸収されるフッ素ラジカルが少ないことに起因する。
【0041】
シャワーヘッドの性能改善の背後の理論は完全には解明されていないが、変更されたシャワーヘッドは、陽極酸化されたシャワーヘッドに比べて多孔性が少ないと考えられる。以前から使用されてきた陽極酸化シャワーヘッドは、フッ素ラジカルを不活性化する触媒として作用する可能性があり、プロセスガスをシャワーヘッドに蓄積させる可能性があり、それによって、洗浄ガスの効率を低下させる。陽極酸化されていない、即ち電解研磨されたシャワーヘッドは、保護層の追加と同様に、フッ素ラジカルのシャワーヘッドへの蓄積の量を減らす助けをする可能性があり、シャワーヘッドがフッ素ラジカルを不活性化する触媒として作用するのを阻止する助けをする可能性がある。いずれにしろ、シャワーヘッドの性能改善の背後の理論は、本発明にとって重要ではない。
【0042】
更に、上記実施例はPECVD装置を含むが、本発明は、PVD、CVD、およびエッチング装置を含め、他の装置、そしてフッ素ベース核種を持つ遠隔プラズマソースを使用する他の装置とともに、使用できる。
【0043】
他の実施例も、先に記載の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるPECVD装置を示す。
【図2】 Aは、実施例のシャワーヘッドの平面図を示す。
Bは、図2Aのシャワーヘッドの部分断面を示す。
【図3】 本発明によりシャワーヘッドを形成する方法のフローチャートである。
【図4】 本発明によりシャワーヘッドを形成する別の方法のフローチャートである。
【図5】 Aは、本発明による裸アルミニウム面を持つシャワーヘッドの部分断面を示す。
Bは、本発明によるフッ素ベース化合物の外側皮膜を持つシャワーヘッドの部分断面を示す。
Claims (10)
- 基板処理装置であって、前記装置は、処理チャンバと、
前記チャンバの外部に配置されるプラズマソースと、
前記チャンバの内部表面を洗浄するために、前記プラズマソースを前記チャンバの内部領域へ接続して前記チャンバ内部へ反応性核種を供給する導管と、
前記プラズマソースと前記チャンバの前記内部領域との間に配設されるシャワーヘッドであって、前記シャワーヘッドは、前記チャンバの前記内部領域へ与えられ、電解研磨されたアルミニウム面上に配設されたフッ素ベースの外層を含む、シャワーヘッドと、を備える、基板処理装置。 - 前記フッ素ベースの外層は、アルミニウム材料上に配設される、請求項1記載の装置。
- 前記外層はフッ化アルミニウムを含む、請求項2記載の装置。
- 前記外層はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含む、請求項1記載の装置。
- 前記チャンバは、複数の高周波でパワー供給される電極を含み、前記シャワーヘッドは前記電極の一つとして役を果す、請求項1記載の装置。
- 前記シャワーヘッドは、ガス分配機構として役を果す、請求項1記載の装置。
- 前記プラズマソースは、フッ素ベースの化合物を含む前駆体ガスソースを含む、請求項1記載の装置。
- 前記前駆体ガスソースはフッ化窒素を含む、請求項7記載の装置。
- 表面処理されたシャワーヘッドを用いて、基板処理チャンバを洗浄する方法であって、
陽極酸化されていないアルミニウムのシャワーヘッドを、前記基板処理チャンバの内部領域に配置するステップであって、前記シャワーヘッドは、前記内部領域へ与えられ、電解研磨された外表面を有するステップと、
前記基板処理チャンバの外部でフッ素ベースの前駆体ガスを活性化して、反応性フッ素ラジカルを形成するステップと、
前記反応性フッ素ラジカルを、外表面が電解研磨された前記シャワーヘッドを介して、前記基板処理チャンバの前記内部領域に供給して、前記基板処理チャンバを洗浄するステップと、
を含む方法。 - 前記前駆体ガスはフッ化窒素を含む、請求項9記載の方法。
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