JP5781286B2

JP5781286B2 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

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Publication number: JP5781286B2
Application number: JP2010222946A
Authority: JP
Inventors: 東野　秀史; 秀史東野
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079877A

Description

本発明は、リモートプラズマ方式のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。

リモートプラズマ方式は、エッチング装置やＣＶＤ装置のプラズマ処理の一方式として知られている。リモートプラズマ方式とは、被処理物であるウエハをプラズマ源から離れた位置に置き、プラズマからイオン化したガスを抽出してウエハに向けることによって、エッチング、堆積などの反応を起こさせるものである。この方式は、プラズマで発生したイオンのエネルギーがウエハに到達するまでに緩和されるため、ウエハ表面のダメージを抑えることができる。

このリモートプラズマ方式を採用したエッチング装置には、ウエハの薄膜を気相中で化学的に削るエッチング部と、前記のプラズマ発生部とを分離し、これらをガス輸送管で接続したケミカルドライエッチング装置（以下、単にエッチング装置という）がある。

このエッチング装置について説明する。図４に示す従来のエッチング装置１０ｂは、次の構成を有する。
（１）被処理物であるウエハ２０を処理する真空処理室３０。
（２）真空処理室３０内のガスを排気する排気部４０。
（３）ガスを生成するマスフロー部５０。
（４）マスフロー部５０から供給されたガスでプラズマ活性ガスを発生させるプラズマ発生部６０。
（５）プラズマ発生部６０から真空処理室３０に活性ガスを輸送する輸送管７１。

真空処理室３０は、減圧状態でプラズマ処理を行うために、ウエハ２０を設置する支持台３１、及びプラズマ化したガス（以下、活性ガスという）をウエハ２０に対して均一にあたるようにするガス分散板３２を有する。ウエハ２０の表面に形成されているＰｏｌｙ−Ｓｉ、ＢＰＳＧなどの薄膜が、このガスによりエッチングされる。

排気部４０は、ドライポンプなどの真空ポンプ４１、真空ポンプ４１の吸引力を調圧する調圧バルブ４２、及び真空処理室３０からの排気の開閉をする主要な弁であるメインバルブ４３を有する。

マスフロー部５０は、ＣＦ４、Ｏ２、Ｎ２などのガスの流量制御をするコントローラ５１、ガス導入のための開閉をする弁である開閉バルブ５２、及びガス供給のための開閉バルブ５３を有する。この例では、供給ガスは２系統であるが、これに限定されない。

プラズマ発生部６０は、プラズマ発生用の高周波電源、例えば２．４５ＧＨｚ、１．０ｋｗである電源６１、電源６１からの電力をガスに印加するプラズマ源６２、及びプラズマ源６２からの印加により供給されたガスをプラズマ化させる放電管６３を有する。輸送管７１は、プラズマ発生部６０で発生したガスを、真空処理室３０に輸送する流路である。

このようなエッチング装置を一例とするプラズマ処理装置において、プラズマ点火時、消火時にパーティクル（微小異物）が発生する。このパーティクルは、マスクとなってエッチング加工を阻害し、また、膜中異物となり所望の均一な膜を得られなくなる。そのため、従来から、パーティクルの発生を低減する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、プラズマ点火を最低限度の領域に留め、徐々に段階的にＲＦ出力（電源出力）を増加させる技術が開示されている。特許文献２には、プラズマ点火のためのステップとプラズマ処理のためのステップを設け、このステップ間でプラズマを消失させることなく、連続してステップを切り替えることよりパーティクルの発生を抑制する技術が開示されている。特許文献３には、プラズマの均一性を向上させることによりパーティクルの発生を抑制する方法において、プラズマ点火時とプラズマ処理時でチョークコイルの位置を変更し、点火性の悪化を抑制する技術が開示されている。

特開２００５−１１６８２１号公報特開２００８−６０３０４号公報特開２００９−２１２２９６号公報

特許文献１〜３に記載された発明の課題は、プラズマ処理において、点火時、消火時にパーティクルの発生を抑制するということである。しかし、これらの従来技術は、プラズマ分離型のプラズマ処理装置におけるパーティクル発生の直接的な回避策とはなっていない。

その上、前記図４に示す従来技術においては、解決すべき次のような課題があった。

［第１の課題］
前記のパーティクルは、例えば、プラズマ点火時又は消火時に発生する微小範囲での急激な温度変化により、ウエハ２０の表面やエッチング装置表面の微小突起が欠けたり、また、表面に付着した副生成物が剥がれたりするなどで発生する。

例えば、次の表は、１５０ｍｍ石英基板用ドライエッチング装置におけるパーティクルの発生状況を測定したものである。

この表のａとｂ，ｃとの比較から、放電させなければパーティクルの発生は極めて少なく、放電行為でパーティクルを発生させていることがわかる。次に、放電時間を３倍に長くしても、発生するパーティクル数が大きく変化していないことから、パーティクルは、放電中に持続して放出されている訳ではなく、着火または消火時に多く発生していることが推察される。しかし、プラズマの着火と消火は、プラズマ処理に避けられない動作であるため、パーティクルの発生を根本的に防止することは難しい。

［第２の課題］
プラズマ点火してプラズマ処理を開始するまでには複数の段取りを踏む必要があり、この間もガスは流されているが、プラズマ処理に利用されることはなく無駄に捨てられている。また、この待ち時間のため生産性を低下させている。この点を説明するため、プラズマを点火してプラズマ処理を開始するまでのシーケンスとおおよその時間を下記に示す。

（１）一定量のガスを流す。……２秒
（２）調圧バルブ５の開度を調整してチャンバ圧力を調整する。……５秒
（３）高周波電源６１の出力をＯＮさせ、インピーダンスを整合する。……３秒

上記のように、プラズマを点火してプラズマ処理を開始するまでに約１０秒を要する。更に、処理したい条件ではプラズマが発生しにくい場合がしばしば有り、その際には、プラズマが発生しやすい条件下で前記（１）〜（３）のシーケンスでプラズマを発生させた後、放電を維持しながら処理したい条件に変更を行うために、再び前記（１）〜（３）のシーケンスを繰り返すこととなり、約２０秒近く要する場合もある。

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。すなわち、本発明は、リモートプラズマ方式のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置において、プラズマ点火時、消火時に発生するパーティクルを低減することを目的とする。

また、本発明は、プラズマの点火時及び消火時においては、プラズマ発生部で発生したガスを真空チャンバに導入することなく、バイパス部を介することにより、プラズマを点火または消火する際の手間や時間を省いて生産性を向上させると共に、使用するガス量の低減を可能とすることを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、次のような特徴を有する。
被処理物をプラズマ処理する真空処理部と、プラズマを発生するプラズマ発生部と、前記真空処理部と前記プラズマ発生部とを接続し、前記プラズマ発生部で発生した活性ガスを前記真空処理部に送るガス輸送部と、前記ガス輸送部に設けられた分岐部と、この分岐部に接続されたバイパス部と、前記プラズマ発生部で発生した活性ガスのガス流路を前記真空処理部または前記バイパス部のいずれかに切り替える流路切替部とを有し、
前記流路切替部は、前記プラズマ発生部においてプラズマを点火するときに、前記ガス流路を前記バイパス部に切り替え、前記プラズマ発生部における放電が安定した後、前記ガス流路を前記真空処理部に切り替え、
前記バイパス部は、前記ガス流路の下流側に調圧バルブと真空ポンプを備えることを特徴とする。

本発明によれば、リモートプラズマ方式のプラズマ処理装置において、プラズマ点火時、消火時に発生するパーティクルを低減し、精密な処理により歩留まりの向上が図れ、且つ、プラズマを点火又は消火する際の手間時間を省くことができ生産性を向上させることができる。

実施形態のエッチング装置を示すブロック図である。実施形態のエッチング装置の作用を示すフローチャートである。他の実施形態のエッチング装置を示すブロック図である。従来のエッチング装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３により説明する。なお、従来技術と同一の部分については、同一の符号を付し、説明は省略する。

［実施形態の構成］
図１に示す実施形態のエッチング装置１０において、ガス輸送部７０は、プラズマ発生部６０から真空処理室３０（請求項の真空処理部に相当する）に活性ガスを輸送する輸送管７１、輸送管７１に設けられている分岐部７２、及び分岐部７２より下流側に設けられている開閉バルブ７３を有する。バイパス部８０がこの分岐部７２から分岐され、このバイパス部８０の下流側には開閉バルブ８４、メインバルブ８３、調圧バルブ８２、及び真空ポンプ８１が設けられている。

本発明における流路切替部は、前記開閉バルブ７３と開閉バルブ８４、及びこれらのバルブの開閉動作を制御する制御部８５を備えている。この制御部８５には、流路切替の制御情報を送信するために、プラズマ発生部６０及び真空処理室３０に設けられたセンサ８６，８７、及び待ち時間を計測するタイマ８８から構成されている。この制御部８５により、開閉バルブ７３が開かれると共に開閉バルブ８４が閉じられた状態では、活性ガスはプラズマ発生部６０から真空処理室３０に流入する。一方、制御部８５により、開閉バルブ７３が閉じられると共に開閉バルブ８４が開かれた状態では、活性ガスはプラズマ発生部６０からバイパス部８０に流入する。

前記プラズマ発生部６０に設けられたセンサ８６は、プラズマ発生部６０におけるプラズマの点火や消火に関する情報を収集し、制御部８５に送信する。また、真空処理室３０に設けられたセンサ８７は、真空処理室３０における被処理物の搬入、圧力調整、プラズマ処理の開始や完了、搬出処理、次の被処理物の搬送開始などの情報を収集し、制御部８５に送信する。

制御部８５のタイマ８８に設定する待ち時間は、前記第２の課題で説明したプラズマ点火してプラズマ処理を開始するまでの時間で、例えば、ガスが真空処理室３０に留まる時間(以下、レジデンスタイム)から求めることができる。発明者の得た知見によると、このレジデンスタイムは、真空ポンプ４１が容積５Ｌ、平均圧力１０Ｐａ、総ガス流量が３００ｓｃｃｍ（standard cc/min）とすると、約０．１秒である。レジデンスタイムの１０〜１００倍を待つことで、異物濃度が１／１０〜１／１００程度になると考えられ、生産性の観点からしても、タイマ８８に設定する待ち時間はこの０．１秒の１０から１００倍である１〜１０秒が望ましい。

［実施形態の作用］
図２を用いて、図１の実施形態の作用について説明する。ウエハ２０が支持台３１に設置されエッチング装置１０による処理が開始されると、マスフロー部５０の開閉バルブ５２，５３が開き、コントローラ５１の制御に基づき処理用のガスがプラズマ発生部６０に供給される（ステップＳ１００）。

この状態を制御部８５に接続されたプラズマ発生部６０のセンサ８６が検出すると、制御部８５の指令によりガス輸送部７０の開閉バルブ７３は閉じられ、且つ、バイパス部８０の開閉バルブ８４は開かれる（ステップＳ１１０）。その結果、ガス流路はバイパス部８０に切り替えられる。

プラズマ発生部６０の電源６１からのプラズマ源６２への高周波電力の印加により、放電管６３にプラズマが発生することで処理用のガスが励起され、活性ガスが発生する（ステップＳ１２０）。この活性ガスは、輸送管７１に流入し、分岐部７２を通って制御部８５によって流路が切り替えられたバイパス部８０へ流入し、開閉バルブ８４、メインバルブ８３、及び調圧バルブ８２を経由して、真空ポンプ８１で吸引される。

制御部８５に設けられたタイマ８８にあらかじめ設定した待ち時間が終了しない場合は、制御部８５は切替指令を出力することがないので、活性ガスはバイパス部８０を流路として、真空ポンプ８１で吸引される（ステップＳ１３０：Ｎｏ）。一方、タイマ８８に設定した待ち時間が経過したことを制御部８５が検出すると、制御部８５はガス流路の切替指令を出力し、ステップＳ１４０に進む（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）。

ステップＳ１４０において、制御部８５からの指令により、ガス輸送部７０の開閉バルブ７３は開かれると共にバイパス部８０の開閉バルブ８４は閉じられるため、活性ガス流路は輸送管７１から分岐部７２を通って真空処理室３０に至るものとなる。このようにして、ガス流路が真空処理室３０に切り替えられ、活性ガスが真空処理室３０に導入されると、真空処理室３０内において活性ガスによるウエハ２０の加工処理が開始される（ステップＳ１５０）。

ウエハ２０のこの加工処理が終了したことを真空処理室３０に設けられたセンサ８７が検出すると、（ステップＳ１６０）、センサ８７からの信号を受信した制御部８５はガス流路の切替指令を出力する。この切替指令により、ガス輸送部７０の開閉バルブ７３は閉じられ、且つ、バイパス部８０の開閉バルブ８４は開かれ、ガス流路はバイパス部側に切り替わる（ステップＳ１７０）。

次に処理をするウエハ２０があれば（ステップＳ１８０：Ｙｅｓ）、加工済みのウエハ２０が真空処理室３０から搬出された後、新たに処理されるウエハ２０が真空処理室３０の支持台３１に設置される（ステップＳ２００）。そして、前記ステップＳ１４０に進み、制御部８５はガス流路を真空処理室３０側に切り替えることで、再び活性ガスを真空処理室３０に導入し、次のウエハ２０の加工処理を行う。

一方、処理をする次のウエハ２０がなければ（ステップＳ１８０：Ｎｏ）、加工済みのウエハ２０が真空処理室３０から搬出されると共に、プラズマ発生部６０は活性ガスの発生を終了する（ステップＳ１９０）。この場合、ガス流路はバイパス部８０側に切り替えられたままの状態であり、プラズマの消火時のガスが真空処理室３０に導入されることはない。

［実施形態の効果］
本実施形態によれば、プラズマ発生部６０の点火時に活性ガスの流路をバイパス部８０にし、処理が終了した時点で再び活性ガスの流路をバイパス部８０に切り替えて、電源６１の出力を停止して放電管６３の放電を消火する。このように、プラズマ着火時又は消火時に発生するパーティクルは、真空処理室３０へは到達せず、直接真空ポンプ８１へ排気され、ウエハ２０に載ることを防止することができる。この結果より、エッチング加工を阻害するという問題が解決され、ウエハ２０の歩留まりを向上させることができる。

また、本実施形態によれば、ウエハ２０に対する加工処理が終了すると、これを検出したセンサ８７からの信号で制御部８５がガス流路をバイパス部８０側に切り替える。その結果、ウエハ２０を入れ替えている間にプラズマの点火及び消火を行うことなく、継続してプラズマを発生させているので、点火及び消火に必要な待ち時間が不要となり、プラズマ処理に必要な総時間を短縮して、生産性を向上することができる。

［他の実施形態］
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような他の実施形態も含有する。

（１）図１の実施形態のバイパス部８０は、真空ポンプ８１を有する構成であるが、これに限定されない。例えば、図３に示すエッチング装置１０ａのような構成でも良い。図３に示すエッチング装置１０ａにおいて、排気部４０ａは、調圧バルブ４２とメインバルブ４３との間に設けられた分岐部４４を有している。バイパス部８０ａは、開閉バルブ８４を有しており、このバルブの下流側の端部が分岐部４４の一方の分岐に接続している。図３の実施形態では、活性ガスの流路がバイパス部８０ａの場合に、真空処理室３０内のガスを吸引する真空ポンプ４１を用いて、バイパス部８０ａのガスも吸引する。この構成は、ポンプの台数を削減できる効果がある。

（２）実施形態のプラズマ発生部６０からの活性ガスの流路切替部は、開閉バルブ７３と開閉バルブ８４とであるが、これに限定されない。例えば、流路切替部は、分岐部７２に設けられた分岐バルブであっても良い。

（３）プラズマ発生部６０からの活性ガスの流路をバイパス部８０、８０ａに切り替える場合は、例えば、プラズマ発生部６０のクリーニングやシーズニングを行うときであっても良い。このようにすると、プラズマ発生部６０の温度の安定、化学的な安定を維持することができる。

（４）プラズマ処理の被処理物としては、ウエハ以外の部材、例えば、酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide)電極など幅広く使用可能である。

（５）流路切替部により、ガス流路を切り替えるタイミングは、図示の実施形態のようなプラズマ発生部６０や真空処理室３０にセンサ８６，８７を設けることなく、予めすべてのタイミングをタイマ８８に設定しておくことも可能である。

（６）なお、実施例中ではプラズマ点火時に流路をバイパス部へ切り替えるタイミングとしてセンサ８６が、処理用のガスがプラズマ発生部６０に供給されたことを検出するときとしているが、ガス供給前にバイパス部８０、８０ａの開閉バルブを開き、ガス流路をバイパスに切り替えてもよい。また、センサ８６は処理用のガスがプラズマ発生部６０へ供給されたことを検出するものの他、プラズマ発生部６０や真空処理室３０内の圧力やガス流速、濃度、流量を検知するものであってもよい。

１０、１０ａ、１０ｂ…エッチング装置、２０…ウエハ、３０…真空処理室、３１…支持台、３２…ガス分散板、４０、４０ａ…排気部、４１…真空ポンプ、４２，８２…調圧バルブ、４３，８３…メインバルブ、４４…分岐部、５０…マスフロー部、５１…コントローラ部、５２，５３，７３，８４…開閉バルブ、６０…プラズマ発生部、６１…電源、６２…プラズマ源、６３…放電管、７０…ガス輸送部、７１…輸送管、７２…分岐部、８０，８０ａ…バイパス部、８１…真空ポンプ、８５…制御部、８６，８７…センサ、８８…タイマ。

Claims

被処理物をプラズマ処理する真空処理部と、プラズマを発生するプラズマ発生部と、前記真空処理部と前記プラズマ発生部とを接続し、前記プラズマ発生部で発生した活性ガスを前記真空処理部に送るガス輸送部と、前記ガス輸送部に設けられた分岐部と、この分岐部に接続されたバイパス部と、前記プラズマ発生部で発生した活性ガスのガス流路を前記真空処理部または前記バイパス部のいずれかに切り替える流路切替部とを有し、
前記流路切替部は、前記プラズマ発生部においてプラズマを点火するときに、前記ガス流路を前記バイパス部に切り替え、前記プラズマ発生部における放電が安定した後、前記ガス流路を前記真空処理部に切り替え、
前記バイパス部は、前記ガス流路の下流側に調圧バルブと真空ポンプを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記流路切替部は、前記活性ガスを用いて前記被処理物の加工処理を行うときに、前記ガス流路を前記真空処理部に切り替え、前記プラズマ発生部においてプラズマを消火する前に、前記ガス流路を前記バイパス部に切り替えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ発生部はプラズマ点火または消火を検知するセンサまたはタイマを有し、前記流路切替部は前記センサまたは前記タイマの情報に基づいて前記ガス流路を切り替えることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
前記流路切替部は、被処理物の加工処理が終了したときに、前記ガス流路を前記バイパス部に切り替え、次の被処理物に対して加工処理を実施するときに、前記ガス流路を前記真空処理部に切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。