JP4998864B2 - プラズマ処理室及びバッフル板アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にフォトレジストアッシャーのような半導体プラズマ処理システムの分野に関するものであり、特に基板表面を横切る層流のガス流を与えるためのガス分散プレートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の製造において、基板上に集積回路パターンを形成するためにフォトリソグラフィ技術が使用される。典型的には、基板はフォトレジストで被覆され、その一部分がフォトレジスト上に所望の回路パターンを描くようにマスクを介して紫外線（ＵＶ）照射に曝される。紫外線照射に曝されずに残された部分は、処理液で取り去られ、基板上に照射された部分のみが残される。これら残された部分は、フォトレジストが引き続く工程に耐えるように、光安定化処理中に焼き付けられる。
【０００３】
このような処理の後に、集積回路の各要素が形成されるが、一般的に、焼きつけられたフォトレジストをウエハから取り除くことが必要である。加えて、エッチングのような工程を介して基板表面に持ち込まれた残留物は、取り除かれねばならない。一般的に、フォトレジストは、“アッシング（灰化）”されるか“焼き付け”られ、また、残留物とともにアッシングあるいは焼きつけられたフォトレジストは、基板の表面から“剥がされ”、あるいは “清浄化”される。
【０００４】
フォトレジストや残留物を取り去る一つの方法は、真空室内で赤外線照射により所定温度までフォトレジストが被覆された基板を急速加熱することであり、また、マイクロ波でエネルギーが与えられた反応性ガス（例 プラズマ）を加熱された基板表面に照射することである。次の工程で、反応性プラズマはフォトレジストと反応し、ウエハからのその後の除去のためにフォトレジストをアッシングする。アッシング処理は、ウエハの表面を横切って、実質的に同時に同じ割合で起ることが重要である。フォトレジストのそのような一様なアッシングを保障するために、処理条件が正確に制御されなければならない。そのように制御されるべき処理条件は、制御室の温度と、ウエハの温度である。
【０００５】
励起されたプラズマをウエハに向けるための公知のガス分散プレート、即ちバッフル板は、一般的に高温度の処理に耐えられる能力を有する石英で作られる。しかし、石英の使用する場合、ウエハを受け入れ可能にすること、および処理温度を均一にすることが難しくなる。熱伝導特性が低い石英で作られたガス分散プレートの表面をガスが横切るときに発生する大きな温度勾配によって温度の不均一が生じる。さらに、石英は、望ましくない赤外線（ＩＲ）波長吸収特性ととともに低い温度伝導性を示す傾向にある。その結果、処理の均一性とシステムの処理能力に影響を及ぼす。
【０００６】
さらに温度制御を正確にして、フォトレジストに反応する励起されたプラズマをウエハ間に均等に分散させるとともに、一定のガスの流量率が維持されなければならない。
【０００７】
チャング(Chang)他に付与された米国特許第５４４９４１０号に示されているような公知のバッフル板は、周辺部に開口を有するが、中心近くには開口がない構成（チャングの上記特許の図２を参照）を含む形状によって、励起したガスを処理室内に分散させる。しかし、図示された公知のバッフル板は、特に、ガスの高流量に対応する高い処理速度を達成する場合に、ウエハの表面を横切るガスを層流の流れで均等に分散させることができない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、プラズマ処理装置において、処理基板の表面を横切る活性したガスの層流を形成するためのプラズマ処理室及びバッフル板アセンブリを提供することである。
【０００９】
ガスが高い流量率で均等な反応速度が得られるような方法で、ウエハの表面に反応性種を供給するガスの流れを形成する。これは、単位面積当たり均一な容積の流量率がウエハの表面に与えられるように、ジェットの拡大部分に対するジェット中心部の層流の速度比を与えることにより達成される。
【００１０】
さらに、ウエハの表面に対する反応性種の供給が、反応が起こるときウエハの表面から現れる反応廃棄物の発生を可能にする。それゆえ、このようなシステムにおいて、本発明の更なる目的は、ウエハ対ウエハの処理における均一化を改善することである。
【００１１】
また、更なる本発明の目的は、このようなシステムにおいて、ガス分散プレート、即ち、バッフル板の表面を横切る比較的平坦な温度プロフィルを与えるための機構を提供することであり、これにより、高温度及び低温度の両方のウエハ内における処理の均一性を向上させることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は各請求項に記載の構成を有する。本発明は、処理すべき半導体ウエハを含む隣接の処理室にガスを分散させるために、バッフル板アセンブリが設けられている。このバッフル板アセンブリは、所定の開口のパターンを有するほぼ平坦な下部バッフル板と、この下部バッフル板の上方に配置され、該下部バッフル板に固定されるほぼ平坦な上部バッフル板とを有する。また、前記上部及び下部のバッフル板は、その間に領域を形成しており、前記上部バッフル板は、前記下部バッフル板よりも小さく、かつ、ガスが前記下部バッフル板（16）へ向けて通過できるように形成された複数の開口によって取り囲まれた、開口のない中央部分を有する。さらに、前記下部バッフル板は、ガスがウエハの処理室内を通過できるように前記所定の開口のパターンを有することを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理室は、頂部壁を有する壁によって部分的に形成されるウエハ処理用の内部室と、内部に活性したガスを分散するために前記内部室に隣接して配置され、平坦な下部バッフル板、およびこの下部バッフル板の上方に配置され、該下部バッフル板に固定される平坦な上部バッフル板を含むバッフル板アセンブリとを有している。
また、前記上部バッフル板は、前記頂部壁と前記下部バッフル板の間にプレナムを形成するように前記下部バッフル板よりも小さく、かつ、ガスが前記下部バッフル板へ向けて通過できるように形成された複数の開口によって取り囲まれた開口のない中央部分を有し、
前記プレナムは、プラズマ処理室の作動中、前記内部室よりも高い圧力下で作動し、前記下部バッフル板は、ガスが前記プレナムを通過して前記内部室内に供給可能となるように形成された開口のパターンを有することを特徴としている。
【００１３】
上部バッフル板と下部バッフル板は、互いにかつ内部室で処理されるウエハに対してほぼ平行である。また、上部バッフル板は、下部バッフル板よりも小さい。好ましくは、下部バッフル板は、低合金アルマイト処理されたアルミニウムからなり、上部バッフル板は、サファイア被膜の石英からなる。
【００１４】
３００ｍｍのウエハを受け入れるプラズマ処理室の実施形態では、下部バッフル板の開口は、各開口が他の隣接する開口から等距離にあるパターンで配置されている。上部バッフル板は、中央に開口のない部分、即ち、中心に配置した衝突板を備えている。また、上部バッフル板の開口は、同心状の多数の円形パターンで形成されている。さらに、２００ｍｍのウエハを受け入れるプラズマ処理室の実施形態では、下部バッフル板の開口は、同心状の多数の円形パターンで形成され、上部バッフル板は開口がない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１は、アッシャー処理室１０を示し、この処理室内には、第１実施形態のガス分散アセンブリ、即ちバッフル板アセンブリを含んでいる。アッシャー処理室１０は、その中に設けたバッフル板アセンブリ１２を有して、３００ミリメーター（ｍｍ）のウエハ処理装置に用いるのが適切である。本発明では、フォトレジストアッシャー内で実現されるように示されているが、残留物の除去、ストリップ処理、及び等方性エッチング装置等の他の半導体製造設備に使用することもできる。
【００１６】
バッフル板アセンブリ１２は、比較的大きな開口を有する上部バッフル板１４と開口を有する下部バッフル板１６を含み、これらのバッフル板は、互いに平行にかつ互いから離れて配置されている。バッフル板アセンブリ１２は、処理室１０の下側部分１８に取り付けられ、処理室内に処理すべきウエハが配置される内部室２０を有する。バッフル板１４，１６は、さらに互いに平行に向けられ処理されるウエハに対しても平行に配置されている。処理室の頂部壁１７と下部バッフル板１６の間にはプレナムが形成され、このプレナムは、プラズマ処理室１０の作動中、ウエハ処理用の内部室２０よりも高い圧力下で作動し、少なくとも下部バッフル板１６は、ガスがプレナムを通過して内部室２０内に供給可能となるように形成された開口３０のパターンを有する。
【００１７】
バッフル板アセンブリ１２と処理室の下側部分１８との間の境界にシール２３が設けられ、このシールは、下部バッフル板１６の溝２５内に配置される（図２参照）。ウエハは、ロードロック機構（図示略）により入口／出口通路２４を介して処理室に導入されかつ排出される。処理室の下側部分１８の下方に配置された加熱機構（図示略）が、処理中、ウエハの下側を所望の温度に加熱する。
【００１８】
図１のアッシャー処理室１０は、一般的に、加熱アセンブリ（下側）と、穴２６の位置に配置したプラズマ管アセンブリ（上側、図示略）との間のアッシャー内に設けられている。プラズマ管は、一般的にアルミナ（Al₂O₃)またはサファイアで作られ、アルミナまたはサファイアで作られ、エッチングまたは他のデグラデーション（degradation）なしでフッ素化学反応に対して適応する。作業において、所望のガスの混合は、ガスボックスからプラズマ管内に導かれる。
【００１９】
所望のガス混合物の一例は、形成ガス（一般的に数パーセントの水素ガスを含む主として窒素ガス）、および酸素ガスを含んでいる。４フッ化炭素等のフッ素含有ガスが、このガス混合物に付加されて所定の処理に対するアッシング速度を速めることができる。
【００２０】
所望のガス混合物は、マイクロ波プラズマ発生器によって励起されて、反応性プラズマを形成する。このプラズマは、処理室の内部室２０内にあるウエハ上のフォトレジストをアッシングする。励起したプラズマは、一般的にプラズマ管にから、周囲圧力が１．６トルで温度が約１５０℃の処理室内に供給される。一般的に、プラズマ管から下流の処理室１０に向けプラズマを流すプラズマ管の長さに沿って圧力差がある。
【００２１】
プラズマ管から排出する励起されたプラズマ（ガス）は、バッフル板アセンブリ１２内に入る。このプラズマは、上部バッフル板１４の開口２８と下部バッフル板１６の開口３０を介して処理室の内部室２０内に分散される。下部バッフル板１６は、入口３４を介して内部冷却通路３２を通り出口３６に流れる冷却媒体により急速に冷却される（図２も参照）。処理室の下側部分１８の壁３８もまた、入口４２を介して内部冷却通路４０を通り出口４４に流れる冷却媒体により急速に冷却される。
【００２２】
図２において、一部断面で示す斜視図によって示された下部バッフル板１６は、外側フランジ４８と、開口３０を有するほぼ平坦な部分５０とを含む。取付穴５２は、下部バッフル板１６に設けられ、スタンドオフ５４（図４及び図６参照）によって上部バッフル板１４に取り付けられている。上部バッフル板１４と下部バッフル板１６との間の距離は、バッフル板アセンブリ１２を流れるガス流のパターンを決定する。
【００２３】
図３は、図１に示す３００ｍｍバッフル板アセンブリの平面図であり、図４は、この実施形態のバッフル板アセンブリの断面図である。これらの図に示すように、バッフル板アセンブリ１２は、下部バッフル板１６のフランジ４８の取付穴５６を介して処理室の下側部分１８に取り付けられる。下部バッフル板１６のほぼ平坦な部分５０は、半径方向内側部分５８と半径方向外側部分６０を含む。
【００２４】
下部バッフル板１６の半径方向内側部分５８に開口３０が設けられ、この開口は、半径方向外側部分６０には設けられていない。開口３０は、半径方向内側部分５８を部分的に覆うように示されているが、実際は、この内側部分全体を覆う（図２参照）。半径方向内側部分５８の表面領域は、その下にあるウエハ２２を覆うのに十分である（図１を参照）。開口は、すべての方向において互いに等距離に配置される。即ち、互いに相互隣接する三つの開口は、いずれも等辺三角形を形成する。
【００２５】
上部バッフル板１４の開口２８は、ラジアル形（即ち、同心状の多数の円形）パターンに配置されている。上部バッフル板１４は、サファイア被膜された溶融シリカまたは石英（SiO₂）から作られる。上部バッフル板１４の開口２８は、下部バッフル板１６の開口３０よりもわずかに大きい開口である。上部バッフル板の中心には、サファイアの衝突板６２が配置されている。この衝突板は、ねじ６４を用いて上部バッフル板１４に取り付けられている。このサファイア製の衝突板６２は、プラズマ管の半径方向外側から排出する活性したガスを上部バッフル板１４の開口領域に偏向させて、ウエハ２２の半径方向内側部分が過熱処理されないようにする。
【００２６】
図５と図６は、バッフル板アセンブリ１２の第２実施形態を示し、このアセンブリは、２００ｍｍウエハ処理に適用するための図１のフォトレジストアッシャー処理室内に設置可能である。この第２実施形態では、下部バッフル板１６は、開口３０を有し、この開口は、ラジアル形（即ち、同心状の多数の円形）パターンに形成されている。半径方向内側部分５８の表面領域は、その下側の処理室内にあるウエハ２２を覆うのに十分である。
【００２７】
図５及び図６の本発明に係る２００ｍｍの実施形態では、上部バッフル板１４に開口がない。この実施形態では、サファイアの衝突板６２は中央に配置されたまま残る。この場合の上部バッフル板は、３００ｍｍの実施形態の場合と同様に、サファイア被膜された溶融シリカ（石英）からなる。
【００２８】
２００mmまたは３００mmのいずれの実施形態でも下部バッフル板１６は、好ましくは低合金アルマイト処理したアルミニウム（アルコア[Alcoa]タイプＣ−２７６）の単一片から形成され、これは、公知の石英製バッフル板以上にバッフル板の熱変換特性および耐腐食性に優れている。また、このアルミニウムの使用により、穴あけまたは直接機械加工された冷却通路を形成することができる。これは、反射型加熱システムとウエハからの寄生加熱における不一致により、バッフル板の感度を弱めさせるが、ほぼ均一な温度でウエハの表面に起こる処理を可能する。また、アルミニウムの使用により、プラズマ管から放出される紫外線（UV)エネルギーの大部分を阻止でき、さもなければ、温度制御を難しくし、かつウエハ素子の損傷を与えることになる。
【００２９】
２００mmおよび３００mmの実施形態では、本発明のバッフル板アセンブリ１２は、処理されるウエハの表面を横切るプラズマ管から受け取られた反応性プラズマが均等に分散され、所望の処理効果が達成される。本発明のバッフル板アセンブリは、処理中にウエハ表面を横切って通過するプラズマイオンの均一性と半径方向密度を高め、ウエハの高処理能力を維持しながら改良された均一な処理を与える。個々のバッフル板とバッフル板アセンブリの構造は、適用されるガスのダイナミックス、材料工学、及び処理データによって決定され、正しい圧力、ガス流量、および処理室内の温度勾配を確実にする。このバッフル板アセンブリは、処理室１０内に１インチ以下の垂直空間を必要とするだけなので、小型である。
【００３０】
上部バッフル板１４から下部バッフル板１６への徐々に増加する圧力差とともに、バッフル板アセンブリの構造は、ガスの層流を作り出し、このガスは、処理されるウエハ２２の上側表面を横切って分散される。バッフル板アセンブリ１２は、バッフル板の表面に直交する方向に下部バッフル板１６の表面を横切って単位面積あたり流れるガスの流量率の変化を最小にする。これは、上部バッフル板１４と処理室の頂部壁１７（図１参照）の間の半径方向の圧力差、及び上部バッフル板１４と下部バッフル板１６によって形成される平面を横切る圧力差の両方の作用を組み合わせることにより達成される。この作用は、ウエハの表面に反応性種を均一に分散させ、さらに、反応が生じるときウエハの表面から現れる反応廃棄物の生成を可能にすることである。バッフル板アセンブリ１２において、サファイア被膜された石英製の上部バッフル板１４とアルミニウム製の下部バッフル板１６との組み合わせは、CF₄等の腐食性物質を生じさせるガスが用いられるときでさえ、フォトレジストを除去するために用いられる処理室内に見られる腐食状態で使用するのが適切であることがわかってきた。
【００３１】
作業において、バッフル板アセンブリ１２の機能は、次の通りである。活性したガスは、プラズマ管（概略１．６トル）の終端から排出され、分単位当たり約５〜７リッター(lpm)の流量で流れる。上部バッフル板１４上の衝突板６２は、半径方向外側に反応性ガスを分散させ、半径方向の圧力差を生じさせる機能を有する。この半径方向のガスの圧力差は、上部及び下部バッフル板間の間隔、これらのバッフル板の開口の大きさとパターン及びこれらのバッフル板の大きさと形状に関係する。上部バッフル板１４は、プラズマによって下部バッフル板１６を損傷から保護する。
【００３２】
衝突板６２とバッフル板１６の表面での圧力は、ほぼ１．５トルである。上部及び下部バッフル板間の領域６６の圧力は、ほぼ１．２〜１．３トルである。処理室の内部室２０内の、下部バッフル板１６より下側の圧力は、１．０トルのオーダーにある。プラズマ管の出口から処理室の内部室２０までの徐々に増加する圧力差により、下流へのガスの流れを確実にし、かつバッフル板アセンブリ構造により、この下流に流れるガスの層流特性が与えられる。
【００３３】
徐々に増加する垂直の圧力差は、上部及び下部バッフル板に設けた開口の数と大きさ、開口の位置、及びアセンブリの寸法に関係する。下部バッフル板１６を横切ることにより生じる圧力差は、最大５％であることが知られており、本発明のバッフル板アセンブリ１２によってアッシング処理されるウエハの表面を横切って非均一なアッシング速度が達成される。
【００３４】
以上、プラズマ処理装置において、基板表面を横切って流れる層流のガスの流れを与えるガス分散プレートアセンブリの好ましい実施形態をこれまで説明してきた。しかし、上述の記載において、この説明は、単に例示のためになされたものであり、本発明は、ここに記載した実施形態に限定されるものではなく、種々の再構成、修正、および置換を含み、添付された特許請求の範囲またはその技術的思想から逸脱しない上述の記載を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたバッフル板アセンブリの第１実施形態を包含するフォトレジストアッシャーの一部断面で示す斜視図である。
【図２】図１のバッフル板アセンブリの下部バッフル板で、水冷却された形態を示す部分的に切断した斜視図である。
【図３】水冷却された形態の図１に示すバッフル板アセンブリの平面図である。
【図４】図３のバッフル板アセンブリの線４−４に沿って見た断面図である。
【図５】図１のフォトレジストアッシャー内に設置された、本発明に従って構成されたバッフル板アセンブリの第２実施形態を示す平面図である。
【図６】図５の線６−６に沿って見たバッフル板アセンブリの断面図である。
【符号の説明】
１０ アッシャー処理室
１２ バッフル板アセンブリ
１４ 上部バッフル板
１６ 下部バッフル板
１７ 頂部壁
１８ 下側部分
２０ 内部室
２２ ウエハ
２８，３０ 開口
３２、４０ 冷却通路
３８ 壁
５２、５６ 取付穴
５３ 側壁
６２ 衝突板

Claims (18)

1. (a) ウエハを処理するために挿入可能で、頂部壁（17）を有する壁（38）によって部分的に形成されるウエハ処理用の内部室（20）と、
   (b)平坦な下部バッフル板（16）、及びこの下部バッフル板（16）の上方に配置されて該下部バッフル板（16）に固定される平坦な上部バッフル板（14）を含み、内部に活性したガスを分散するために前記内部室（20）に隣接して配置されたバッフル板アセンブリ（12）と、
   前記頂部壁（17）と前記下部バッフル板（16）の間に形成されるプレナムとを含み、
   前記上部バッフル板（14）は、前記下部バッフル板（16）の外寸法よりも小さく、かつ、ガスが前記下部バッフル板（16）へ向けて通過できるように形成された複数の開口（28）によって取り囲まれた開口のない中央部分（62）を有し、
   前記プレナムは、プラズマ処理室（10）の作動中、前記内部室（20）よりも高い圧力下で作動し、
   前記下部バッフル板（16）は、ガスが前記プレナムを通過して前記内部室内に供給可能となるように形成された開口（30）のパターンを有することを特徴とする、半導体ウエハを処理するためのプラズマ処理室。
2. 前記上部バッフル板（14）と前記下部バッフル板（16）は、互いにかつ内部室（20）で処理されるウエハに対してほぼ平行であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理室。
3. 前記下部バッフル板（16）は、低合金アルマイト処理されたアルミニウムからなることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理室。
4. 前記上部バッフル板（14）は、石英からなることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理室。
5. 石英製の前記上部バッフル板（14）は、サファイアで被膜されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理室。
6. プラズマ処理室（10）は、ほぼ３００ｍｍの直径を有するウエハを受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理室。
7. 前記下部バッフル板（16）の前記開口（30）は、これらの各開口が隣接する開口から等距離にあるパターンとして配置されていることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理室。
8. 前記上部バッフル板（14）の開口（28）は、前記下部バッフル板（16）の開口（30）よりも大きな開口であることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理室。
9. 前記上部バッフル板の開口（28）は、同心状の多数の円形パターンで形成されていることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理室。
10. 処理すべき半導体ウエハを含む隣接の処理室にガスを分散させるためのバッフル板アセンブリ（12）であって、
    所定の開口（30）のパターンを有する平坦な下部バッフル板（16）と、この下部バッフル板の上方に配置され、該下部バッフル板に固定される平坦な上部バッフル板（14）とを有し、前記上部及び下部のバッフル板（14,16）は、その間に領域（66）を形成しており、
    前記上部バッフル板（14）は、前記下部バッフル板（16）の外寸法よりも小さく、かつ、ガスが前記下部バッフル板（16）へ向けて通過できるように形成された複数の開口（28）によって取り囲まれた、開口のない中央部分（62）を有し、
    前記下部バッフル板（16）は、ガスがウエハの処理室内を通過できるように前記所定の開口（30）のパターンを有することを特徴とするバッフル板アセンブリ。
11. 前記上部バッフル板（14）と前記下部バッフル板（16）は、互いにほぼ平行に配置されていることを特徴とする請求項１０記載のバッフル板アセンブリ。
12. 前記下部バッフル板（16）は、低合金アルマイト処理されたアルミニウムからなることを特徴とする請求項１１記載のバッフル板アセンブリ。
13. 前記上部バッフル板（14）は、石英からなることを特徴とする請求項１２記載のバッフル板アセンブリ。
14. 前記前記石英製の上部バッフル板（14）は、サファイアで被膜されていることを特徴とする請求項１３記載のバッフル板アセンブリ。
15. 前記下部バッフル板（16）の前記開口（30）は、これらの開口がそれぞれ隣接する開口から等距離にあるパターンで配置されていることを特徴とする請求項１１記載のバッフル板アセンブリ。
16. 前記上部バッフル板（14）は、前記下部バッフル板（16）の開口（30）よりも大きな開口であることを特徴とする請求項１１記載のバッフル板アセンブリ。
17. 前記上部バッフル板（14）の開口（28）は、同心状の多数の円形パターンで形成されていることを特徴とする請求項１６記載のバッフル板アセンブリ。
18. 前記下部バッフル板（16）の開口（30）は、同心状の多数の円形パターンで形成されていることを特徴とする請求項１１記載のバッフル板アセンブリ。

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