JP5138718B2 - 基板処理装置および基板処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基板処理装置および基板処理方法に関し、特に、プラズマを利用してシリコンウエハなどの基板の表面のエッチングや、表面への薄膜形成を行う基板処理装置および基板処理方法に関する。
プラズマを利用してシリコンウエハなどを処理する基板処理装置としては、図１、２に示すようなものがある。図１は、従来の基板処理装置の縦型の基板処理炉を説明するための概略横断面図であり、図２は、図１のＡＡ線概略縦断面図である。
反応管２０３内部の壁面近くには垂直方向に細長いバッファ室２３７を設け、その内部に誘電体からなる２本の電極保護管２７５で覆った棒状の放電電極２６９とバッファ室２３７内に均等なガス流を得るためのガスノズル２３３が設置されている。
放電電極２６９の端部３０１に高周波電源２７３の発振器で発生する高周波電力を印加し、バッファ室２３７内の放電電極２６９間にプラズマ２２４を生成し、ガスノズル２３３から供給された反応性ガスをプラズマで励起し、バッファ室２３７の側壁に開口したガス供給孔２４８ａより反応管２０３内の被処理基板であるウエハ２００に供給される構造となっている。
ウエハ２００処理中は電極保護管２７５内を不活性ガスで連続置換し、放電電極の酸化防止等を図っている。
しかしながら、ウエハ２００を処理するため、反応管２０３内は６００〜９００℃程度に加熱されており、電極保護管２７５内の不活性ガス中のわずかな残留酸素、もしくは放電電極２６９を外部に引き出す部分のシール性の問題等によって、放電電極２６９の変色、変質等が発生し、電極としての性能維持に問題があった。
なお、先行技術としては、上記以外にも、可撓性の電極（編み込み電極）を用いるもの（日本国特許出願２００４−０５５４４６号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００２３０６））や、トランスを介して高周波電力を供給するもの（日本国特許出願２００３−０５６７７２号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００２７３５、国際公開ＷＯ２００４／０７９８１３）がある。
なお、先行技術としては、上記以外にも、可撓性の電極（編み込み電極）を用いるもの（日本国特許出願２００４−０５５４４６号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００２３０６））や、トランスを介して高周波電力を供給するもの（日本国特許出願２００３−０５６７７２号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００２７３５、国際公開ＷＯ２００４／０７９８１３）がある。
従って、本発明の主な目的は、処理ガスをプラズマ励起させて基板を処理する基板処理装置および基板処理方法であって、処理ガスをプラズマ励起させるための放電電極の変質を防止または抑制し、放電電極の寿命向上を図ることができる基板処理装置および基板処理方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、
を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、
反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置の前記処理室に基板を収容する工程と、
前記ガス供給部によって前記処理室内に処理ガスを供給し、前記給電部から前記受電部に電磁気結合により電力供給して前記少なくとも一対の電極によって前記処理ガスをプラズマ励起させて前記基板を処理する工程と、
を備える基板処理方法が提供される。
反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、
を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、
反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置の前記処理室に基板を収容する工程と、
前記ガス供給部によって前記処理室内に処理ガスを供給し、前記給電部から前記受電部に電磁気結合により電力供給して前記少なくとも一対の電極によって前記処理ガスをプラズマ励起させて前記基板を処理する工程と、
を備える基板処理方法が提供される。
次に、本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の好ましい実施例では、積載された基板を処理する縦型の反応管と、処理用の複数のガスを基板に供給するためのガス供給系と、ガス供給系から基板に供給されるガスを一旦蓄えて、積載された基板にガスを均一に供給するバッファ室と、バッファ室の中にプラズマを生成するための一対の容量結合性電極を設けた装置において、プラズマを生成するための電極をバッファ室内に設置した絶縁体からなる電極保護管内に封入している。そして、バッファ室に設置した電極保護管内に封入した電極に対して、誘導結合により、放電電力を供給する。
本発明の好ましい実施例では、積載された基板を処理する縦型の反応管と、処理用の複数のガスを基板に供給するためのガス供給系と、ガス供給系から基板に供給されるガスを一旦蓄えて、積載された基板にガスを均一に供給するバッファ室と、バッファ室の中にプラズマを生成するための一対の容量結合性電極を設けた装置において、プラズマを生成するための電極をバッファ室内に設置した絶縁体からなる電極保護管内に封入している。そして、バッファ室に設置した電極保護管内に封入した電極に対して、誘導結合により、放電電力を供給する。
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施例をさらに詳細に説明する。
まず、本実施例において行った、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた成膜処理について簡単に説明する。
ＡＬＤ法は、ある成膜条件（温度、時間等）の下で、成膜に用いる２種類（またはそれ以上）の原料となるガスを１種類ずつ交互に基板上に供給し、１原子層単位で吸着させ、表面反応を利用して成膜を行う手法である。
即ち、利用する化学反応は、例えばＳｉＮ（窒化珪素）膜形成の場合ＡＬＤ法ではＤＣＳ（ＳｉＨ２Ｃｌ２、ジクロルシラン）とＮＨ３（アンモニア）を用いて３００〜６００℃の低温で高品質の成膜が可能である。また、ガス供給は、複数種類の反応性ガスを１種類ずつ交互に供給する。そして、膜厚制御は、反応性ガス供給のサイクル数で制御する。（例えば、成膜速度が１Å／サイクルとすると、２０Åの膜を形成する場合、処理を２０サイクル行う。）
図３は、本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を縦断面で示し、図４は本実施例にかかる縦型の基板処理炉を説明するための概略構成図であり、処理炉部分を横断面で示す。図５は、図４のＢＢ線概略縦断面図であり、図６は、図４のＣＣ線概略縦断面図である。
加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器として石英製の反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞されている。反応管２０３およびヒータ２０７の外側には断熱部材２０８が設けられている。断熱部材２０８はヒータ２０７の上方端を覆うように設けられている。少なくとも、ヒータ２０７、断熱部材２０８、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理炉２０２を形成している。また、反応管２０３、シールキャップ２１９および後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９には石英キャップ２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、石英キャップ２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理炉２０２に挿入される。ボート２１７にはバッチ処理される複数のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に垂直方向に積載される。ヒータ２０７は処理炉２０２に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。
そして、処理炉２０２へは複数種類、ここでは２種類のガスを供給する供給管としての２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂが設けられる。ここではガス供給管２３２ａからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ａ及び開閉弁であるバルブ２４３ａを介し、更に後述する反応管２０３内に形成されたバッファ室２３７を介して処理室２０１に反応ガスが供給され、ガス供給管２３２ｂからは流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１ｂ、開閉弁であるバルブ２４３ｂ、ガス溜め２４７、及び開閉弁であるバルブ２４３ｃを介し、更に後述するガス供給部２４９を介して処理室２０１に反応ガスが供給される。
２本のガス供給管２３２ａ、２３２ｂには、反応副生成物であるＮＨ４Ｃｌの付着を防ぐために、１２０℃程度まで加熱できる配管ヒータ（図示せず。）を装着している。
処理室２０１は、ガスを排気する排気管であるガス排気管２３１によりバルブ２４３ｄを介して排気手段である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。尚、このバルブ２４３ｄは弁を開閉して処理室２０１の真空排気・真空排気停止ができ、更に弁開度を調節して圧力調整可能になっている開閉弁である。
処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内壁にウエハ２００の積載方向に沿って、ガス分散空間であるバッファ室２３７が設けられている。バッファ室２３７のウエハ２００と隣接する内側の壁の端部近傍にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ａが設けられている。このガス供給孔２４８ａは反応管２０３の中心へ向けて開口している。このガス供給孔２４８ａは、ウエハ２００の積載方向に沿って下部から上部に所定の長さにわたってそれぞれ同一の開口面積を有し、更に同じ開口ピッチで設けられている。
そしてバッファ室２３７のガス供給孔２４８ａが設けられた端部と反対側の端部近傍には、ノズル２３３が、やはり反応管２０３の下部より上部にわたりウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そしてノズル２３３にはガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｂが複数設けられている。複数のガス供給孔２４８ｂは、ガス供給孔２４８ａの場合と同じ所定の長さにわたってウエハ２００の積載方向に沿って配設されている。そして、複数のガス供給孔２４８ｂと複数のガス供給孔２４８ａとをそれぞれ1対1で対応させて配置している。
また、ガス供給孔２４８ｂの開口面積は、バッファ室２３７と処理炉２０２の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか、開口ピッチを小さくすると良い。
ガス供給孔２４８ｂの開口面積や開口ピッチを上流側から下流にかけて調節することで、まず、各ガス供給孔２４８ｂよりガスの流速の差はあるが、流量はほぼ同量であるガスを噴出させる。そしてこの各ガス供給孔２４８ｂから噴出するガスをバッファ室２３７に噴出させて一旦導入し、ガスの流速差の均一化を行うことができる。
すなわち、バッファ室２３７において、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスはバッファ室２３７で各ガスの粒子速度が緩和された後、ガス供給孔２４８ａより処理室２０１に噴出する。この間に、各ガス供給孔２４８ｂより噴出したガスは、各ガス供給孔２４８ａより噴出する際には、均一な流量と流速とを有するガスとすることができる。
さらに、バッファ室２３７に、細長い構造を有する一対の棒状の放電電極２６９がバッファ室２３７の上部より下部にわたって配設されている。２本の放電電極２６９の下端は反応管２０３の下部で、結合コイル３１１にそれぞれ接続されている。放電電極２６９および結合コイル３１１は誘電体からなる電極保護管２７５に気密に封入され覆われている。電極保護管２７５内は不活性ガスが充填され、電極保護管２７５内に不活性ガスが封じ込められた状態となっている。
高周波電源２７３に整合器２７２を介して接続された誘導コイル３１２が反応管２０３の外部に設置されており、結合コイル３１１と誘導結合している。高周波電源２７３の高周波電力は誘導コイル３１２、結合コイル３１１を介して放電電極２６９に伝達され、放電電極２６９の対向部でプラズマ２２４を発生させる。
放電電極２６９を不活性ガスが封じ込められた電極保護管２７５内に封入したことで、外部からの酸素の混入を防ぎ、酸化による電極劣化を防止または抑制することができる。さらに、放電電極２６９への電気的接続をなくすことで、反応管メンテナンス時の放電電極部の破損を防止することができる。
さらに、ガス供給孔２４８ａの位置より、反応管２０３の内周を１２０°程度回った内壁に、ガス供給部２４９が設けられている。このガス供給部２４９は、ＡＬＤ法による成膜においてウエハ２００へ、複数種類のガスを１種類ずつ交互に供給する際に、バッファ室２３７とガス供給種を分担する供給部である。
このガス供給部２４９もバッファ室２３７と同様にウエハと隣接する位置に同一ピッチでガスを供給する供給孔であるガス供給孔２４８ｃを有し、下部ではガス供給管２３２ｂが接続されている。
ガス供給孔２４８ｃの開口面積はバッファ室２３７と処理室２０１の差圧が小さい場合には、上流側から下流側まで同一の開口面積で同一の開口ピッチとすると良いが、差圧が大きい場合には上流側から下流側に向かって開口面積を大きくするか開口ピッチを小さくすると良い。
反応管２０３内の中央部には複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で鉛直方向に載置するボート２１７が設けられており、このボート２１７は図中省略のボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また処理の均一性を向上するためにボート２１７を回転するための回転手段であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転することにより、石英キャップ２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。
制御手段であるコントローラ３２１は、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂ、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃ、２４３ｄ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、ボートエレベータ１２１、高周波電源２７３、整合器２７２に接続されており、マスフローコントローラ２４１ａ、２４１ｂの流量調整、バルブ２４３ａ、２４３ｂ、２４３ｃの開閉動作、バルブ２４３ｄの開閉及び圧力調整動作、レギュレータ３０２の開閉及び圧力調整動作、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転速度調節、ボートエレベータ１２１の昇降動作制御、高周波電極２７３の電力供給制御、整合器２７２によるインピーダンス制御が行われる。
次にＡＬＤ法による成膜例について、ＤＣＳ及びＮＨ３ガスを用いてＳｉＮ膜を成膜する例で説明する。
まず成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２に搬入する。搬入後、次の３つのステップを順次実行する。
［ステップ１］
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まずガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、放電電極２６９間に高周波電源２７３から整合器２７２、誘導コイル３１２、結合コイル３１１を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが５００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
ステップ１では、プラズマ励起の必要なＮＨ３ガスと、プラズマ励起の必要のないＤＣＳガスとを併行して流す。まずガス供給管２３２ａに設けたバルブ２４３ａ、及びガス排気管２３１に設けたバルブ２４３ｄを共に開けて、ガス供給管２３２ａからマスフローコントローラ２４３ａにより流量調整されたＮＨ３ガスをノズル２３３のガス供給孔２４８ｂからバッファ室２３７へ噴出し、放電電極２６９間に高周波電源２７３から整合器２７２、誘導コイル３１２、結合コイル３１１を介して高周波電力を印加してＮＨ３をプラズマ励起し、活性種として処理室２０１に供給しつつガス排気管２３１から排気する。ＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として流すときは、バルブ２４３ｄを適正に調整して処理室２０１内圧力を１０〜１００Ｐａとする。マスフローコントローラ２４１ａで制御するＮＨ３の供給流量は１０００〜１００００ｓｃｃｍである。ＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種にウエハ２００を晒す時間は２〜１２０秒間である。このときのヒータ２０７の温度はウエハが５００〜６００℃になるよう設定してある。ＮＨ３は反応温度が高いため、上記ウエハ温度では反応しないので、プラズマ励起することにより活性種としてから流すようにしており、このためウエハ温度は設定した低い温度範囲のままで行える。
このＮＨ３をプラズマ励起することにより活性種として供給しているとき、ガス供給管２３２ｂの上流側のバルブ２４３ｂを開け、下流側のバルブ２４３ｃを閉めて、ＤＣＳも流すようにする。これによりバルブ２４３ｂ、２４３ｃ間に設けたガス溜め２４７にＤＣＳを溜める。このとき、処理室２０１内に流しているガスはＮＨ３をプラズマ励起することにより得られた活性種であり、ＤＣＳは存在しない。したがって、ＮＨ３は気相反応を起こすことはなく、プラズマにより励起され活性種となったＮＨ３はウエハ２００上の下地膜と表面反応する。
［ステップ２］
ステップ２では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３の容積１００１（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
ステップ２では、ガス供給管２３２ａのバルブ２４３ａを閉めて、ＮＨ３の供給を止めるが、引続きガス溜め２４７へ供給を継続する。ガス溜め２４７に所定圧、所定量のＤＣＳが溜まったら上流側のバルブ２４３ｂも閉めて、ガス溜め２４７にＤＣＳを閉じ込めておく。また、ガス排気管２３１のバルブ２４３ｄは開いたままにし真空ポンプ２４６により、処理室２０１を２０Ｐａ以下に排気し、残留ＮＨ３を処理室２０１から排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留ＮＨ３を排除する効果が高まる。ガス溜め２４７内には、圧力が２００００Ｐａ以上になるようにＤＣＳを溜める。また、ガス溜め２４７と処理室２０１との間のコンダクタンスが１．５×１０−３ｍ３／ｓ以上になるように装置を構成する。また、反応管２０３の容積とこれに対する必要なガス溜め２４７の容積との比として考えると、反応管２０３の容積１００１（リットル）の場合においては、１００〜３００ｃｃであることが好ましく、容積比としてはガス溜め２４７は反応室容積の１／１０００〜３／１０００倍とすることが好ましい。
［ステップ３］
ステップ３では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止める。ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、５００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ３とＤＣＳとが表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が高まる。またバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
ステップ３では、処理室２０１の排気が終わったらガス排気管２３１のバルブ２４３ｃを閉じて排気を止める。ガス供給管２３２ｂの下流側のバルブ２４３ｃを開く。これによりガス溜め２４７に溜められたＤＣＳが処理室２０１に一気に供給される。このときガス排気管２３１のバルブ２４３ｄが閉じられているので、処理室２０１内の圧力は急激に上昇して約９３１Ｐａ（７Ｔｏｒｒ）まで昇圧される。ＤＣＳを供給するための時間は２〜４秒設定し、その後上昇した圧力雰囲気中に晒す時間を２〜４秒に設定し、合計６秒とした。このときのウエハ温度はＮＨ３の供給時と同じく、５００〜６００℃である。ＤＣＳの供給により、下地膜上のＮＨ３とＤＣＳとが表面反応して、ウエハ２００上にＳｉＮ膜が成膜される。成膜後、バルブ２４３ｃを閉じ、バルブ２４３ｄを開けて処理室２０１を真空排気し、残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを排除する。また、この時にはＮ２等の不活性ガスを処理室２０１に供給すると、更に残留するＤＣＳの成膜に寄与した後のガスを処理室２０１から排除する効果が高まる。またバルブ２４３ｂを開いてガス溜め２４７へのＤＣＳの供給を開始する。
上記ステップ１〜３を１サイクルとし、このサイクルを複数回繰り返すことによりウエハ上に所定膜厚のＳｉＮ膜を成膜する。
なお、ＡＬＤ装置では、ガスは下地膜表面に吸着する。このガスの吸着量は、ガスの圧力、及びガスの暴露時間に比例する。よって、希望する一定量のガスを、短時間で吸着させるためには、ガスの圧力を短時間で大きくする必要がある。この点で、本実施例では、バルブ２４３ｄを閉めたうえで、ガス溜め２４７内に溜めたＤＣＳを瞬間的に供給しているので、処理室２０１内のＤＣＳの圧力を急激に上げることができ、希望する一定量のガスを瞬間的に吸着させることができる。
また、本実施例では、ガス溜め２４７にＤＣＳを溜めている間に、ＡＬＤ法で必要なステップであるＮＨ３ガスをプラズマ励起することにより活性種として供給、及び処理室２０１の排気をしているので、ＤＣＳを溜めるための特別なステップを必要としない。また、処理室２０１内を排気してＮＨ３ガスを除去しているからＤＣＳを流すので、両者はウエハ２００に向かう途中で反応しない。供給されたＤＣＳは、ウエハ２００に吸着しているＮＨ３とのみ有効に反応させることができる。
次に、図７、図８を参照して本実施例の基板処理装置の概略を説明する。
筐体１０１内部の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取りつけられている。又、カセットエレベータ１１５の後側には、カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共にカセットステージ１０５の上方にも予備カセット棚１１０が設けられている。予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられクリーンエアを筐体１０１の内部を流通させるように構成されている。
筐体１０１の後部上方には、処理炉２０２が設けられ、処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、ボートエレベータ１２１に取りつけられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取りつけられボート２１７を垂直に支持している。ボートエレベータ１２１とカセット棚１０９との間には昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、移載エレベータ１１３には搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取りつけられている。又、ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち処理炉２０２の下側を気密に閉塞する閉塞手段としての炉口シャッタ１１６が設けられている。
ウエハ２００が装填されたカセット１００は、図示しない外部搬送装置からカセットステージ１０５にウエハ２００が上向き姿勢で搬入され、ウエハ２００が水平姿勢となるようカセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、カセット１００は、カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及びカセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働によりカセットステージ１０５からカセット棚１０９又は予備カセット棚１１０に搬送される。
カセット棚１０９にはウエハ移載機１１２の搬送対象となるカセット１００が収納される移載棚１２３があり、ウエハ２００が移載に供されるカセット１００はカセットエレベータ１１５、カセット移載機１１４により移載棚１２３に移載される。
カセット１００が移載棚１２３に移載されると、ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により移載棚１２３から降下状態のボート２１７にウエハ２００を移載する。
ボート２１７に所定枚数のウエハ２００が移載されるとボートエレベータ１２１によりボート２１７が処理炉２０２に挿入され、シールキャップ２１９により処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された処理炉２０２内ではウエハ２００が加熱されると共に処理ガスが処理炉２０２内に供給され、ウエハ２００に処理がなされる。
ウエハ２００への処理が完了すると、ウエハ２００は上記した作動の逆の手順により、ボート２１７から移載棚１２３のカセット１００に移載され、カセット１００はカセット移載機１１４により移載棚１２３からカセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により筐体１０１の外部に搬出される。炉口シャッタ１１６は、ボート２１７が降下状態の際に処理炉２０２の下面を気密に閉塞し、外気が処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。
なお、カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。
図９〜１１を参照すれば、２本の放電電極２６９は反応管２０３の下部で、静電結合板３３１に接続されている。放電電極２６９及び静電結合板３３１は誘電体管（電極保護管）２７５と反応管２０３の内壁にて覆われ、誘電体管２７５内は不活性ガスの充填状態としてある。また、発信器（高周波電源）２７３に接続された電力供給板３３２が反応管２０３の外部に設置されており、静電結合板３３１と静電結合する位置に置かれている。発信器２７３の高周波電力は電力供給板３３２、静電結合板３３１を通して放電電極２６９伝達され、放電電極の対向部でプラズマ２２４を発生させる。
電力供給板、静電結合板の面積を１００００ｍｍ2(１０ｃｍ×１０ｃｍ)、板間を５ｍｍの石英ガラスとした場合、７０ＰＦ程度の容量となり、放電電極の形状にもよるが、高周波電流を充分伝送できる。このとき電極を内蔵している誘電体保護管２７６内部は充分な圧力の不活性ガスを充填しておく必要がある。圧力が不十分だと、誘電体保護管内で放電が発生するおそれがある。圧力値としては１００Ｔｏｒｒ以上あれば問題無いが、大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）以上が望ましい。
不活性ガス封入については、反応管製作時に不活性ガス封じ込め用のポート２３を設けておき、反応管完成後、誘電体保護管内を充分パージした後、所定圧力の不活性ガスを封入し、封じ込め用のポート２３を封じ切る。
図１２〜１４を参照すれば、２本の放電電極２６９は反応管２０３の下部で、結合コイル３１１に接続されている。放電電極２６９及び結合コイル３１１は誘電体管２７５と反応管２０３の内壁に覆われ、誘電体管２７５内は不活性ガスの充填状態としてある。また、発信器２７３に接続された誘導コイル３１２が反応管２０３の外部に設置されており、結合コイル３１１と誘導結合している。発信器２７３の高周波電力は誘導コイル３１２、結合コイル３１１を通して放電電極２６９に伝達され、放電電極の対向部でプラズマ２２４を発生させる。φ６０の円形コイルを誘導コイル、結合コイルとして使用し、コイル間を５ｍｍの石英ガラスとした場合、１Ｔｏｒｒの窒素ガス雰囲気にて高周波電力３００Ｗで放電電極間に放電を発生させることができた。
高周波電力の伝達効率を上げる方法として、誘導コイル３４２−結合コイル３４１間をより密結合とするためにソレノイド状のコイルを同心状に設置する方法もある。(図１５〜１７参照)
図１８〜２０を参照すれば、２本の放電電極２６９は反応管２０３の下部で、結合コイル３４１に接続されている。放電電極２６９は誘電体管２７５と反応管２０３の内壁に覆われ、結合コイル３４１は反応管壁より円柱状に突出した石英部の内壁に沿ってソレノイド状に設置してある。また、結合コイル３４１の奥に共振用コンデンサ３４３が設置され、共振用コンデンサ３４３の電極は結合コイル３４１に接続されている。
共振用コンデンサ３４３は反応管内であり、〜６００℃といった高温になることもあるため、図２１に示すように、２〜５ｍｍ程度の石英板３４５をＮｉ等の高融点金属のシート３４４で挟んだ構造となっている。必要な容量に応じ、金属シートの面積、金属シートや石英シートの積層数を加減する。
図２２に回路図、図２３に等価回路を示す。誘導コイル３４２、結合コイル３４１のインダクタンスを[Ｌ], 誘導コイル３４２、結合コイル３４１の結合係数を[Ｋ]とすると、リーケージインダクタンス３４６は[(１−Ｋ)Ｌ]と表される。今回のように誘導コイル３４２と結合コイル３４１の間に石英等の絶縁体がある場合は結合係数Ｋは小さく、リーケージインダクタンス３４６は大きくなる。リーケージインダクタンス３４６と共振コンデンサ３４３が共振状態にない場合は発振器２７３の印加電圧はリーケージインダクタンス３４６と共振コンデンサ３４３で単純に分圧されるため、プラズマ電極２６９に放電に充分な電圧が印加されない。
これに対し、リーケージインダクタンス３４６と共振コンデンサ３４３が共振状態にある場合はリーケージインダクタンス３４６に流れた電流の磁界エネルギーが共振現象により電界エネルギーに変換され、共振コンデンサ３４３の端子間電圧に変換される。これにより発振器２７３の供給電力が効率よくプラズマ生成のエネルギーとなる。
また、放電電極２６９間の静電容量自体をこの共振コンデンサとみなせる場合（リーケージインダクタンス３４６と放電電極２６９間の静電容量で共振状態となる場合）は、外付けの共振コンデンサ３４３は不要となる。
リーケージインダクタンス３４６と共振用コンデンサ３４３の共振状態を維持するための手段としては、誘導コイル３４２印加される電圧と電流の位相差に応じて発振器２７３の発振周波数を調整し、共振周波数に合わせるか、結合コイル３４１に対する誘導コイル３４２の位置を調整することでリーケージインダクタンスを変え、共振周波数を発振周波数に合わせる等の方法がある。
以上説明したように、本発明の好ましい実施例によれば、放電電極を反応管内に封入したことで、外部からの酸素の混入を防ぎ、酸化による電極劣化を防止することができる。
また、電極への電気的接続を無くすことで、反応管メンテナンス時の放電電極端部の破損を防止することができる。
さらに、実施例５のように、結合コイルの二次側に共振用コンデンサを追加し、共振状態で電力伝搬することで、誘導コイルから結合コイルへ電力を効率よく送ることができる。
さらに、また、電極を保護容器に気密に封じ込めることで、電極のメンテナンスや交換が不要となる。これによりメンテナンス時に電極取り外しが不要となるので、電極再挿入による不具合（電極位置の再現性が出ない問題）が生じなくなる。
また、電極を保護容器に気密に封じ込めることで、電極の取外し等が不要となるので、単純な棒等の電極でも可となる。上述した、日本国特許出願２００４−０５５４４６号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００２３０６）のように可撓性を持たせるために編み込み構造としなくても良く、表面積が同じであれば良い。
また、誘電結合、静電結合することで、上述した、日本国特許出願２００３−０５６７７２号（国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００２７３５、国際公開ＷＯ２００４／０７９８１３）の先行出願のトランスを介して電力供給する場合と同じく、反応室内での異常放電の抑制が可能となる。
種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
以上説明したように、本発明の好ましい実施例によれば、処理ガスをプラズマ励起させるための放電電極の変質を防止または抑制し、放電電極の寿命向上を図ることができる。
その結果、本発明は、処理ガスをプラズマ励起させて基板を処理する基板処理装置および基板処理方法に特に好適に利用できる。
その結果、本発明は、処理ガスをプラズマ励起させて基板を処理する基板処理装置および基板処理方法に特に好適に利用できる。
２００ 基板
２０１ 処理室
２０７ 加熱手段
２６９ 電極
３１１ 結合コイル
２７５ 保護容器
３１２ 誘導コイル
２０１ 処理室
２０７ 加熱手段
２６９ 電極
３１１ 結合コイル
２７５ 保護容器
３１２ 誘導コイル
Claims (11)
- 反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、
を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置。 - 前記処理ガスをプラズマ励起させるためのプラズマ発生領域が前記保護容器の外側に形成される請求項１記載の基板処理装置。
- 前記保護容器の少なくとも一部の壁は、前記反応管の壁の一部から構成される請求項１または２記載の基板処理装置。
- 前記保護容器内には不活性ガスが充填され、前記保護容器内の圧力を１００Ｔｏｒｒ以上とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の基板処理装置。
- 前記保護容器内の圧力を大気圧以上とする請求項４記載の基板処理装置。
- 前記受電部は前記一対の電極間に接続された結合コイルで、前記給電部は前記結合コイルと誘電結合される誘電コイルである請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板処理装置。
- 前記一対の電極間には共振用のコンデンサ部が更に設けられる請求項６記載の基板処理装置。
- 前記共振用のコンデンサ部は、石英板を金属板で挟んで形成されるコンデンサである請求項７記載の基板処理装置。
- 前記石英板を前記金属板で挟んで形成される前記コンデンサを複数層設けた請求項８記載の基板処理装置。
- 前記受電部は前記一対の電極のそれぞれに接続された静電結合板であって、前記それぞれの静電結合板は物理的に分離して設けられ、
前記給電部は前記それぞれの静電結合板に対向する電力供給板であって、前記それぞれの電力供給板は物理的に分離して設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板処理装置。 - 反応管と、
前記反応管の内側に形成され、基板を収容する処理室と、
前記処理室内に処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内から処理ガスを排出するガス排出部と、
前記反応管の内側に設けられ、前記処理ガスをプラズマ励起させるための少なくとも一対の電極と、
前記反応管の内側に収容され、前記電極を収容する誘電体から成る保護容器と、
前記電極に電気的に接続され、前記保護容器に収容される受電部と、
高周波電力が印加される給電部であって、少なくとも前記保護容器の壁を前記受電部との間に介在させた状態で前記受電部に近接して設けられる前記給電部と、を備え、
前記給電部から前記受電部への電力供給が電磁気結合により成される基板処理装置の前記処理室に基板を収容する工程と、
前記ガス供給部によって前記処理室内に処理ガスを供給し、前記給電部から前記受電部に電磁気結合により電力供給して前記少なくとも一対の電極によって前記処理ガスをプラズマ励起させて前記基板を処理する工程と、
を備える基板処理方法。
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