JPH0590180A

JPH0590180A - プラズマｃｖｄ処理装置のドライクリーニング方法

Info

Publication number: JPH0590180A
Application number: JP2857492A
Authority: JP
Inventors: Genichi Katagiri; 源一片桐; Akio Shimizu; 明夫清水; Mitsuo Sasaki; 光夫佐々木; Naoto Tsuji; 直人辻
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1992-02-15
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】マイクロ波プラズマＣＶＤ処理装置において、
装置内部のクリーニングを高速に、かつウエーハステー
ジの，プラズマが直接当たらない部位をも十分クリーニ
ング可能なドライクリーニング方法を提供する。【構成】プラズマ化されるクリーニングガスとしてＮＦ
₃などのＦ化合物を用い、かつクリーニング開始時にウ
エーハステージ３の温度が十分高くなるまでプラズマを
ウエーハステージ３に集中させる方法とする。この方法
をより効果的にするために、クリーニングガスの圧力は
0.１〜５０ｍTorrの低圧とし、ウエーハステージ３への
プラズマ集中は、装置に磁界制御コイル６を付設して磁
界をステージに集中させるか、主コイル８の電流を調整
しプラズマ室内のＥＣＲ磁界領域の位置を移動させてプ
ラズマをビーム状に形成することにより実現させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造工程等
で、プラズマがマイクロ波により生成されるプラズマＣ
ＶＤ処理装置、すなわち軸線上にマイクロ波透過窓を備
えるとともにガス導入手段を介してプラズマ生成用ガス
が導入されるプラズマ生成室と、該プラズマ生成室と同
軸に配されプラズマ生成室内にマイクロ波との電子サイ
クロトロン共鳴磁界領域を形成可能な主コイルとを備
え、プラズマ生成室内でプラズマ化されたプラズマ生成
用ガスを用いてマイクロ波透過窓と対面するステージに
載置された基板上に膜を堆積させるプラズマＣＶＤ処理
装置の内部を清浄に維持して再現性のある成膜を継続し
て行うことができるようにするため、前記プラズマＣＶ
Ｄ処理装置を構成しているプラズマ生成室にクリーニン
グガスを導入しプラズマ化して装置内部を清浄化する，
いわゆるドライクリーニングの際のクリーニングの方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマＣＶＤ処理装置では、成膜処理
を重ねるに従って増加する装置内壁への膜の堆積による
パーティクルの増加や、成膜特性の変動が問題になって
いる。これを解決する１つの方法として、所定の成膜回
数後に、装置内部を、プラズマ生成室にクリーニングガ
スを導入しプラズマ化して清浄にする，いわゆるドライ
クリーニングあるいはプラズマクリーニングと呼ばれる
クリーニング方法が知られており、成膜処理とクリーニ
ングとを交互に行うことにより、装置特性を維持しなが
ら装置を稼働させることが装置の一般的な運転方法とな
っている。

【０００３】従来、ドライクリーニングの方法として、
基板が載置されもしくは固定されるステージと装置の容
器内壁面などとのように、異なる装置内部位のクリーニ
ングを満遍なくかつ高速に行うことができるよう、磁界
を使ってプラズマ流を制御したり、ステージや装置の容
器に高周波電圧を印加して対地負極性のバイアス電位を
生ぜしめ、プラズマ中イオンの加速によるスパッタ効果
を加味したり、容器内壁面のクリーニングは高ガス圧力
で、ステージのクリーニングは低ガス圧力で、といった
ように装置内の部位により圧力を変えたりしてクリーニ
ングを行っていた。具体的には、例えば、容器内壁面の
クリーニングには発散磁界またはミラー磁界, 高ガス圧
力、ステージのクリーニングにはミラー磁界, 低ガス圧
力あるいはカスプ磁界, 低ガス圧力, ステージへの高周
波電圧印加といった手段が講ぜられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような、
従来のクリーニング方法では、部分的な効果のクリーニ
ング条件を積み重ねてクリーニングを行うために、クリ
ーニング時間が全体として長くなったり、イオンのスパ
ッタ効果を付加するためにバイアス電位を形成してクリ
ーニングした場合には、容器内壁面の部位により被除去
膜の付着状況が異なったり、バイアス電位により形成さ
れる電界分布の不均一により、膜の除去され方に差が生
じ、早く除去された部位では器壁の材質が露出し、これ
が未除去部位の膜を覆うと、Ａｌやステンレス等の器壁
の材質が耐スパッタ性を有するためにクリーニング効果
が著しく低下し、クリーニングに時間がかかり、装置の
稼働効率を下げて装置のスループットの低下を招いてい
た。特に、成膜時の基板温度を低温に保つ基板冷却型ス
テージ表面のクリーニングは、他の部位よりも２〜３倍
のクリーニング時間を必要としていた。

【０００５】本発明の目的は、装置のクリーニング時間
を短くすることができ、かつ特にステージまわりを残り
なくクリーニングすることのできるドライクリーニング
の方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、本発明が対象としたプラズマＣ
ＶＤ処理装置すなわち、軸線上にマイクロ波透過窓を備
えるとともにガス導入手段を介してプラズマ生成用ガス
が導入されるプラズマ生成室と、該プラズマ生成室と同
軸に配されプラズマ生成室内にマイクロ波との電子サイ
クロトロン共鳴磁界領域を形成可能な主コイルとを備
え、プラズマ生成室内でプラズマ化されたプラズマ生成
用ガスを用いてマイクロ波透過窓と対面するステージに
載置された基板上に膜を堆積させるプラズマＣＶＤ処理
装置における装置内部のドライクリーニングを、プラズ
マ生成室に導入するクリーニングガスとしてＮＦ₃もし
くはＦ₂, ＣＦ₄, Ｃ₂Ｆ₆, ＳＦ₆などのＦ化合物を
用い、かつクリーニングの開始時に、前記ステージの温
度が十分高くなるまでプラズマを該ステージに集中させ
るクリーニング方法とする。

【０００７】ここで、クリーニング時の装置内ガス圧力
を0.１ｍTorr〜５０ｍTorrの範囲内に保持するようにす
れば好適である。また、ステージへのプラズマの集中
は、主コイルと同軸にかつステージの近傍に磁界制御コ
イルを配設し、主コイルと同方向の磁界を発生させて主
コイルの磁界に重畳させることにより実現させるように
するか、主コイルに流す電流を調整し電子サイクロトロ
ン共鳴磁界領域の形成位置を軸方向に移動させてステー
ジ方向へ向かうプラズマをビーム状とすることにより実
現させるようにする。

【０００８】

【作用】この発明は、ドライクリーニングが第一義的に
化学反応であり、かつクリーニングガスにＦ化合物を用
いると、この化学反応が吸熱反応となること、被クリー
ニング物質, 例えばＳｉＯ₂の堆積がステージの表面に
多く、装置のクリーニング時間が実質的にステージのク
リーニング時間によって決まること、の２点に着目した
ものである。

【０００９】Ｆプラズマでのドライクリーニングの基本
原理は、次の式で表される吸熱反応である。Ｓｉ＋４Ｆ^*( フッ素ラジカル) →ＳｉＦ₄↑ また、反応の速度定数ｋと温度Ｔの関係が、Arrhenius
の式ｋ＝Ａｅ^-H/RTで表されるように、温度が上昇すれ
ば反応速度が早くなる。

【００１０】クリーニングプロセス当初において、クリ
ーニングプラズマをステージに集中させることにより、
プラズマの熱量はステージに投入され、ステージ表面を
クリーニングしつつその温度を上昇させることができる
ので、クリーニング速度を改善することができる。ま
た、被クリーニング物質が例えばＳｉＯ₂などのよう
に、発熱反応によって生成される物質の場合、クリーニ
ングの際に例えばＳｉＯ₂＋４Ｆ^*→ＳｉＦ₄↑＋Ｏ₂
↑の反応によりＳｉＦ₄とＯ₂との再結合を起こすよう
な雰囲気となっても、温度が高いため、再成膜されにく
いのでこの分によるクリーニング効果の減少を防ぐこと
ができる。

【００１１】クリーニングガスの圧力は、本発明者の研
究によれば、主コイルにより発散磁界を形成し、ガス圧
力を数１０ｍTorr以下の低ガス圧力とした場合と、数１
００ｍTorr以上の高ガス圧力とした場合とで、装置の容
器内壁面, ステージともにクリーニング速度にほとんど
差を生じない。一方、磁界制御コイルをステージと同軸
にかつステージの近傍に配設し、主コイルと同方向の磁
界を発生させて主コイルの磁界に重畳させ、磁界をステ
ージに集中させるようにすると、ガス圧力の差によるク
リーニング速度の差が顕著に現れ、装置の容器内壁面で
は、磁界の重畳による主コイル磁路の変形効果により高
ガス圧力ではクリーニング速度が約２倍に上昇するもの
の、ステージでは変わらず、一方、低ガス圧力では容器
内壁面のクリーニング速度はほとんど変化がないもの
の、ステージのクリーニング速度が約３倍に上昇する。
これは低ガス圧力では、高ガス圧力の場合と異なり、プ
ラズマが損失少なくエネルギーを保有してステージに到
達し、短時間のうちにステージの温度が上昇することに
よる。ステージへの被クリーニング物質の堆積量が多い
ことから、低ガス圧力を用いかつそのプラズマをステー
ジに集中させてステージのクリーニング速度を上げるこ
とにより、装置全体のクリーニング時間を効果的に短縮
することができる。

【００１２】プラズマをステージに集中させる方法とし
て、上述のように、主コイルと同軸にかつステージの近
傍に磁界制御コイルを配設し、主コイルの磁界と同方向
の磁界を発生させて主コイルの磁界に重畳させる方法と
すれば、磁界制御コイルに流す電流の大きさや磁界制御
コイルの位置により、ステージへのプラズマの集中の仕
方を変えることが比較的容易に可能になり、装置全体と
してのクリーニング時間を効果的に短縮することができ
る。

【００１３】マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ処理装
置では、その備える主コイルにより、プラズマ生成室内
にマイクロ波との電子サイクロトロン共鳴が生じる磁界
領域が形成される。この領域 (以下ＥＣＲ領域ともい
う）は、主コイルに流す電流により形成位置が軸方向に
移動し、形成位置により、ステージ方向へ向かうプラズ
マがブロードなものになったり、ビーム状に集中したも
のになったりする。この発明は、ＥＣＲ領域の位置によ
るプラズマ性状の変化に着目したもので、主コイルに流
す電流を変えるだけでプラズマをステージに集中させる
ことができ、また集中の仕方を変えることもできる。従
って、主コイルに流す電流を調整することにより、装置
全体としてのクリーニング時間を最短とすることが可能
になる。

【００１４】

【実施例】図１に本発明に関わる装置の一構成例を示
す。１は反応室で、被膜形成物となるウエーハをセット
するための台であるステージ３を内包している。ウエー
ハは図には示されていないゲートバルブで開閉可能なウ
エーハ搬送口３２から、図示しない搬送機構で出し入れ
される。ガス供給口４１, ４２は、図示しないガス供給
システムと接続されており、ガス供給口４１からは成膜
時のＣＶＤガスおよびクリーニング時のエッチングガ
ス、ガス供給口４２からは成膜時のＯ₂が供給される。
排気口１６は、図示しない排気システムと接続され、反
応室１内の圧力を一定に保つことができる。反応室１の
外周には、後で図４に図示する磁界制御コイル６が設け
られている。反応室のステージ３と対向する位置には、
プラズマ室２が気密に接続されている。プラズマ室２に
はマイクロ波窓２１を通してマイクロ波電力を供給する
ための導波管７が接続される。主コイル８はその幾何学
的中心が、マイクロ波窓の真空側端面より大気側となる
ように配置されている。

【００１５】ステージ３には熱媒体入口５１, 出口５２
からなる熱交換系が付加されている。通常、成膜中のウ
エーハを１００℃に保つための低温度媒体が流れている
のでステージ３部分の温度は２０℃程度である (ウエー
ハとステージとの間に温度差が生じるのは、両者の間に
真空層が介在し、かつウエーハがプラズマで加熱される
ことによる）が、クリーニングプロセスの冒頭でバルブ
５３を締め主コイル８の作り出す発散磁界で、ステージ
３にプラズマ流を向けたクリーニングをすることで、ス
テージ３のクリーニングを進行させつつ温度を上昇させ
ることができる。このときに、主コイル８の電流を適当
とすることで、電子サイクロトロン共鳴磁界領域を、ス
テージ方向へ向かうプラズマ流がビーム状となる位置に
形成することにより、プラズマは、高密度となる。この
様子を図２に示す。このプラズマを使うことで、プラズ
マによる温度上昇効果を効果的に高めることができる。
その後、反応室１の壁などのクリーニングのため、熱源
となるプラズマ流を、磁界制御コイル６を利用し反応室
１内にカスプ磁界を形成してステージ３と直角方向へ向
けても、装置内真空の断熱作用とともにステージ３部分
の熱容量のためステージ３の温度は高く保たれており、
バイアス電界をかけて物理的な作用によるクリーニング
を行わなくとも、化学的な作用によるクリーニング効果
を継続させることができる。また、このプロセスにおい
て、ステージ加熱プロセス条件の圧力を、0.５〜５０ｍ
Torrのプロセス圧力でクリーニングを行えば、低気圧の
ためプラズマが損失なくステージ３へ輸送され、イオン
アシスト効果を受け、短時間のうちにステージ３の温度
を上昇させることができる。この温度上昇効果は加熱型
のステージの場合も同様である。熱交換を停止する方法
は、熱媒体にステージをバイパスさせるか、あるいは循
環ポンプを停止させてもよい。

【００１６】図４にプラズマＣＶＤ処理装置に磁界制御
コイルを付設した構成を示し、磁界制御コイルを用いて
プラズマをステージに集中させた場合のステージ温度の
時間経過を図３に示す。図３は、磁界制御の効果をみる
ため、プラズマがビーム状でなく、通常のブロードなプ
ラズマとなる位置に電子サイクロトロン共鳴磁界領域を
形成した場合の，磁界制御の有無, ガス圧力の高低によ
る温度上昇速度の相違を示す。ガス圧力を１ｍTorrの低
圧として磁界制御コイルを作動させると、主コイルのみ
によりステージの温度を上昇させた場合と比べ、経過時
間とともに温度上昇が急速に速くなる。一方、ガス圧力
が１０００ｍTorrと高いと、磁界制御コイルを作動させ
ても、１ｍTorr,磁界制御なしの場合と比べて温度上昇
が遅く、高ガス圧力ではプラズマ流中で生じる損失が大
きく、ステージを温度上昇させる余力が小さいことを示
している。

【００１７】図５に、クリーニングガスとしてＮＦ₃を
用い、ＳｉＯ₂膜をクリーニング除去する際の，従来方
法と、本発明の方法とによるクリーニング時間の差を示
す。図の縦軸は装置全体のクリーニング時間を示すもの
であるが、器壁の膜堆積量は少なく、クリーニングの終
了が早いので、縦軸はステージのクリーニング時間に等
しい。従来方法は、主コイルのみによる発散磁界の下で
ブロードなプラズマを用いるものであるため、ステージ
の温度が横軸のＡに示すように低く、クリーニング時間
が６Ｈを要するのに対し、本発明の方法に従ってガス圧
力を0.１ｍTorr〜５０ｍTorrの低圧力とし、かつプラズ
マのビーム状化と磁界制御とによりプラズマをステージ
に集中させることにより、ステージの温度が熱交換停止
直後の２０℃から１２０℃まで上昇し、クリーニング時
間が２Ｈと、従来の１／３でクリーニングが終了する。

【００１８】なお、ステージとして、例えば図６に示す
ように、抵抗加熱線１０２を絶縁物中に埋め込んだ加熱
型静電チャック１００をステージホールダ２００に固定
して加熱型ステージ３を構成し、静電チャック１００の
２枚の吸引電極１０１, １０１に図示されない共通の高
周波電源からそれぞれコンデンサを介して高周波電圧を
供給することにより、ステージ３にバイアスをかけてイ
オンアシスト効果を加味しようとする場合、従来の方法
ではプラズマが静電チャック１００, ステージホールダ
２００と接地電位にあるシールド板２０１との隙間２０
２に入ることができず、特に図のようにウエーハをフェ
ースダウン保持するステージの場合にこの隙間でのクリ
ーニング残がパーティクル汚染源となっていたが、本発
明によれば、ステージが高温に加熱されるため、この隙
間のクリーニングをステージ表面とほぼ同等の早さで行
うことができ、成膜再開時のパーティクル汚染防止がよ
り確実となる。

【００１９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明において
は、マイクロを用いるプラズマＣＶＤ処理装置における
ドライクリーニングの方法を、クリーニングガスとして
ＮＦ₃もしくはＦ₂, ＣＦ₄, Ｃ₂Ｆ₆, ＳＦ₆などの
Ｆ化合物を用い、かつクリーニングの開始時に、ステー
ジの温度が十分高くなるまでプラズマをステージに集中
させる方法としたので、吸熱反応に必要な熱が熱量密度
高く供給され、被クリーニング物質の堆積量の多いステ
ージのクリーニング速度が上がるとともに、ステージの
温度が十分高くなった後は、プラズマの集中をやめて
も、ステージの持つ熱容量と真空の断熱性とによりステ
ージの温度が長時間持続し、クリーニング作用が継続す
る。これにより、ステージの温度が十分高くなった後は
プラズマを器壁のクリーニングに使用することにより、
装置全体としてのクリーニング時間が従来と比べ大幅に
短縮され、この分装置の稼働率が向上する。さらに、ス
テージ温度の持続により、プラズマが直接当たらない,
例えばステージまわりの細隙部のクリーニングまで十分
に行われ、パーティクル汚損の機会がさらに減少し、装
置運転再開後の膜の品質が安定する。

【００２０】そして、クリーニングガスの圧力を0.１ｍ
Torr〜５０ｍTorr範囲の低圧力とすることにより、プラ
ズマ密度が高まるとともにプラズマが途中での損失少な
くステージまで輸送され、ステージの加熱効率が高ま
り、クリーニング時間がさらに短縮される。そして、ス
テージへのプラズマ集中を、磁界制御コイルを用いて行
うようにすることにより、プラズマ集中の程度を磁界制
御コイルの電流と位置との調整により制御することがで
き、装置全体としてのクリーニング時間を最短とするこ
とができる。

【００２１】また、ステージへのプラズマ集中を、プラ
ズマ自体をビーム状に形成して行うようにすることによ
り、プラズマ集中の程度を主コイル電流の調整のみで制
御することができ、装置全体のクリーニング時間を最短
とする装置運転が容易に可能になる。さらに、ステージ
へのプラズマ集中を、磁界制御とプラズマ性状制御とを
合わせて行うようにすることにより、ステージでのクリ
ーニング時間がさらに短縮され、特にステージと器壁と
で被クリーニング物質の堆積量の差が大きいとき、装置
全体のクリーニング時間が大幅に短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したプラズマＣＶＤ処理装置の一
構成例を示す装置縦断面図

【図２】本発明が対象としたプラズマＣＶＤ処理装置の
主コイル電流を変化させたときのステージへのプラズマ
集中度の変化をステージ表面のプラズマ密度の変化で示
す線図

【図３】本発明が対象としたプラズマＣＶＤ処理装置に
磁界制御コイルを配設してプラズマをステージに集中さ
せステージ温度を上昇させるときのステージ温度の時間
経過の，ガス圧力の高低による差異およびプラズマ集中
の有無による差異を示す線図

【図４】本発明が対象としたプラズマＣＶＤ処理装置に
磁界制御コイルを配設するときの磁界制御コイル位置の
一例を示す装置縦断面図

【図５】従来方法と、本発明の方法とによるクリーニン
グ時間の差異を示す線図

【図６】ステージに高周波バイアスが印加される場合の
本発明の効果を説明するためのステージの部分拡大図

【符号の説明】

１反応室２プラズマ室（プラズマ生成室）３ステージ５ウエーハ（基板）６磁界制御コイル７導波管８主コイル２１マイクロ波窓（マイクロ波透過窓）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者辻直人神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸線上にマイクロ波透過窓を備えるととも
にガス導入手段を介してプラズマ生成用ガスが導入され
るプラズマ生成室と、該プラズマ生成室と同軸に配され
プラズマ生成室内にマイクロ波との電子サイクロトロン
共鳴磁界領域を形成可能な主コイルとを備え、プラズマ
生成室内でプラズマ化されたプラズマ生成用ガスを用い
てマイクロ波透過窓と対面するステージに載置された基
板上に膜を堆積させるプラズマＣＶＤ処理装置における
装置内部のクリーニングを、プラズマ生成室にクリーニ
ングガスを導入しプラズマ化して行うドライクリーニン
グの方法において、クリーニングガスとしてＮＦ₃もし
くはＦ₂, ＣＦ₄, Ｃ₂Ｆ₆, ＳＦ₆などのＦ化合物を
用い、かつクリーニングの開始時に、前記ステージの温
度が十分高くなるまでプラズマを該ステージに集中させ
ることを特徴とするプラズマＣＶＤ処理装置のドライク
リーニング方法。
【請求項２】請求項第１項に記載のドライクリーニング
方法において、クリーニング時の装置内ガス圧力を0.１
ｍTorr〜５０ｍTorrの範囲内に保持することを特徴とす
るプラズマＣＶＤ処理装置のドライクリーニング方法。
【請求項３】請求項第１項に記載のドライクリーニング
方法において、ステージへのプラズマの集中を、主コイ
ルと同軸にかつステージの近傍に磁界制御コイルを配設
し、主コイルと同方向の磁界を発生させて主コイルの磁
界に重畳させることにより実現させることを特徴とする
プラズマＣＶＤ処理装置のドライクリーニング方法。
【請求項４】請求項第１項に記載のドライクリーニング
方法において、ステージへのプラズマの集中を、主コイ
ルに流す電流を調整し電子サイクロトロン共鳴磁界領域
の形成位置を軸方向に移動させてステージ方向へ向かう
プラズマをビーム状とすることにより実現させることを
特徴とするプラズマＣＶＤ処理装置のドライクリーニン
グ方法。