TW202403880A - 電漿處理裝置及電漿處理方法(二) - Google Patents
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Abstract
提供一種可抑制劃分壁受損的技術。
本揭露一態樣之電漿處理裝置，係具備：處理容器，係在側壁具有開口；劃分壁，係覆蓋該開口且形成會與該處理容器之內部連通的內部空間；內部電極，係貫通該劃分壁而可拆裝且氣密地插入至該內部空間，被供給有RF電力；以及外部電極，係設在該劃分壁之外部。
Description
本揭露係關於一種電漿處理裝置及電漿處理方法。
已知一種在縱型的電漿處理裝置中以會覆蓋形成在處理容器之側壁的開口之方式設置電漿劃分壁，在電漿劃分壁所覆蓋之內部空間中生成電漿之技術(例如，參照專利文獻1)。專利文獻1中，在電漿劃分壁之相對向的一對側壁配置平行平板型的電漿電極，電漿劃分壁之至少對應於電漿電極的區域係以合成石英來加以形成。
專利文獻1：日本特開2019-207913號公報
本揭露係提供一種可抑制劃分壁受損的技術。
本揭露一態樣之電漿處理裝置，係具備：處理容器，係在側壁具有開口；劃分壁，係覆蓋該開口且形成會與該處理容器之內部連通的內部空間；內部電極，係貫通該劃分壁而可拆裝且氣密地插入至該內部空間，被供給有RF電力；以及外部電極，係設在該劃分壁之外部。
根據本揭露，即可抑制劃分壁受損。
以下，一邊參照圖式一邊說明本揭露之非用以限定的範例之實施形態。所有圖式中，會針對相同或對應之構件或零件賦予相同或對應之參照符號以省略重複說明。
[電漿處理裝置]
參照圖1~圖4對實施形態相關的電漿處理裝置1進行說明。以下，「合成石英」係意指使高純度的四氯化矽(SiCl
4)氧化而合成後的合成二氧化矽玻璃。另外，「天然石英」係意指使天然的石英粉熔融後的熔融石英玻璃(電性熔融與火焰熔融)。另外，將合成石英與天然石英合稱為二氧化矽玻璃。
電漿處理裝置1是一次對多個(例如50片~200片)基板W進行處理的批次式裝置。基板W是例如矽晶圓等的半導體晶圓。電漿處理裝置1具備反應器10、氣體供給部30、電漿生成部40、排氣部50、加熱部60、及控制部90。
反應器10呈下端敞開之有頂的圓筒狀。反應器10可對內部進行減壓。反應器10係作為在內部收容排列成多層的多個基板W的處理容器而發揮功能。反應器10係例如藉由天然石英來加以形成。
在反應器10的下端形成有底部突緣11。底部突緣11係藉由金屬突緣21來加以支撐。金屬突緣21被設置成經由O形環等密封構件22夾住底部突緣11的外緣。金屬突緣21係例如藉由不銹鋼來加以形成。蓋體12經由O形環等密封構件13氣密地安裝在底部突緣11的下面。藉此，反應器10的下端的開口被氣密地堵塞。蓋體12係例如藉由不銹鋼來加以形成。在蓋體12的中央部係透過磁性流體密封件14貫通設置有旋轉軸15。旋轉軸15可相對於蓋體12旋轉。蓋體12及旋轉軸15可相對於反應器10昇降。在旋轉軸15的上端設有旋轉台16。在旋轉台16上係透過保溫筒17載置有晶舟18。保溫筒17及晶舟18係例如藉由天然石英來加以形成。保溫筒17會防止來自反應器10下端的開口的散熱。晶舟18可與蓋體12一體地昇降。晶舟18可與旋轉軸15一體地旋轉。晶舟18將多個基板W在上下方向上排列成多層來加以保持。
在反應器10的側壁上係沿著其長邊方向(上下方向)設有矩形的開口19。開口19在上下方向的長度與晶舟18的長度相同，或者是形成為分別往上下方向延伸得比晶舟18的長度還要長。開口19被後述的劃分壁41所覆蓋。劃分壁41會形成內部空間P。內部空間P係透過開口19與反應器10的內部連通。
在反應器10的側壁下部係設有排氣埠20。反應器10的內部係透過排氣埠20並藉由後述的排氣部50進行排氣。
氣體供給部30包含原料氣體供給部31、及反應氣體供給部32。
原料氣體供給部31具備插通至反應器10內的原料氣體供給管31a，並且在反應器10的外部具備原料氣體供給路徑31b。原料氣體供給路徑31b係從氣體的流通方向的上游側向下游側依序設有原料氣體源31c、質流控制器31d、閥31e。藉此，原料氣體源31c的原料氣體係藉由閥31e來控制供給時間點，並且藉由質流控制器31d來調整為既定流量。原料氣體會從原料氣體供給路徑31b流入至原料氣體供給管31a，從原料氣體供給管31a噴出到反應器10內。原料氣體例如可以是含金屬氣體、含矽氣體。作為含金屬氣體，例如可以舉出四氯化鈦(TiCl
4)氣體。作為含矽氣體，例如可以舉出二氯矽烷(DCS)氣體。
反應氣體供給部32具備插通至內部空間P的反應氣體供給管32a，並且在反應器10的外部具備反應氣體供給路徑32b。反應氣體供給路徑32b係從氣體的流通方向的上游側向下游側依序設有反應氣體源32c、質流控制器32d、閥32e。藉此，反應氣體源32c的反應氣體係藉由閥32e來控制供給時間點，並且藉由質流控制器32d來調整為既定流量。反應氣體會從反應氣體供給路徑32b流入至反應氣體供給管32a，從反應氣體供給管32a噴出到內部空間P。反應氣體是會與原料氣體反應而生成反應生成物的氣體，例如可以是氮化氣體。作為氮化氣體，例如可以舉出氨(NH
3)氣。
各氣體供給管(原料氣體供給管31a、反應氣體供給管32a)係例如藉由天然石英來加以形成。原料氣體供給管31a在反應器10的內表面附近沿上下方向直線狀地延伸，並且在反應器10的下部彎折成L字狀，貫通反應器10的側面而延伸到反應器10的外部。反應氣體供給管32a在劃分壁41的內表面附近沿上下方向直線狀地延伸，並且貫通劃分壁41的底面而延伸到反應器10的外部。
在原料氣體供給管31a中位於反應器10內部的部位係設有多個原料氣體噴出口31f。在反應氣體供給管32a中位於內部空間P的部位係設有多個反應氣體噴出口32f。各噴出口(原料氣體噴出口31f、反應氣體噴出口32f)係沿著各自的氣體供給管的延伸方向每隔既定間隔被加以形成。各噴出口會朝向水平方向噴出氣體。各噴出口彼此之間的間隔係例如被設定為與晶舟18所保持的基板W的間隔相同。各噴出口在高度方向的位置被設定為在上下方向上相鄰的基板W之間的中間位置。藉此，各噴出口便能夠有效率地向相鄰的基板W間的對向面供給氣體。
氣體供給部30也可以混合多種氣體，從1個供給管噴出混合後的氣體。例如，原料氣體供給管31a也可以構成為能夠向反應器10的內部噴出非活性氣體。例如，反應氣體供給管32a也可以構成為能夠向內部空間P噴出非活性氣體。氣體供給部30除了原料氣體供給管31a及反應氣體供給管32a以外，還可以進一步具備供給其他氣體的供給管。
電漿生成部40具有劃分壁41、導入管42、內部電極43、外部電極44、密封部45、及RF電源46。
劃分壁41係設置在反應器10的側壁的一部分上。劃分壁41係沿著多個基板W的排列方向延伸。劃分壁41氣密地熔接在反應器10的側壁上。劃分壁41在水平剖面上呈凹狀。劃分壁41覆蓋開口19且形成會與反應器10的內部連通之內部空間P。在內部空間P中設置有反應氣體供給管32a。劃分壁41係例如藉由天然石英來加以形成。在劃分壁41的底面上設置有供內部電極43插入的導入開口41a。
導入管42氣密地熔接在劃分壁41的底面上。導入管42係例如藉由天然石英來加以形成。導入管42呈圓筒狀，覆蓋導入開口41a並且內部會經由導入開口41a與內部空間P連通。
內部電極43係貫通劃分壁41而可拆裝且氣密地插入至內部空間P。內部電極43具有絕緣管43a及棒狀電極43b。
絕緣管43a呈上端被密封的細長的圓筒狀。絕緣管43a貫通劃分壁而氣密地插入至內部空間P，沿著多個基板W的排列方向延伸。絕緣管43a內部的環境氣氛可以是例如大氣或非活性氣體。絕緣管43a內部的壓力例如可以是大氣壓。絕緣管43a的外徑小於導入開口41a的內徑及導入管42的內徑。在這種情況下，絕緣管43a能夠在與劃分壁41之間隔著間隙而插入至內部空間P，並且能夠隔著間隙而插入至導入管42的內部。
絕緣管43a的材質可以是例如氧化鋁等陶瓷、天然石英。從抑制對基板W進行電漿處理時電漿所引起的離子損傷、或對反應器10的內部進行乾式清洗時氟系氣體所引起的腐蝕的觀點觀之，絕緣管43a的材質較佳為天然石英。
絕緣管43a的材質特佳為合成石英。由於設置在內部空間P的絕緣管43a會曝露於電漿中，因此會因電漿中的離子的濺射或蝕刻而受損。尤其是，在由不含氧而含氫的氣體(例如氨氣、氫氣)生成電漿的情況下，除了電漿中的離子造成的損傷之外，二氧化矽玻璃中的氧會被氫抽出而使二氧化矽玻璃的表層產生構造上變化。因此，會有在二氧化矽玻璃中產生較大變形，絕緣管43a因該應力受損的情形。因此，作為絕緣管43a的材質，藉由使用與天然石英相比細微構造更為緻密且更高的抗蝕刻性受到期待的合成石英，便能夠抑制絕緣管43a受損。另外，合成石英的OH基的濃度較佳為200ppm以上。在這種情況下，能夠降低在合成石英產生的應力，容易抑制絕緣管43a受損。再者，為了緩和在二氧化矽玻璃中產生的應力，絕緣管43a與管軸正交的剖面較佳為圓形或橢圓形。
棒狀電極43b呈細長的圓柱狀，插入至絕緣管43a的內部。棒狀電極43b的下端係從絕緣管43a的下端引出到大氣中，經由未圖示的供電線及匹配器連接於RF電源46。從RF電源46向棒狀電極43b供給RF電力。由於棒狀電極43b設置在內部空間P，所以是在電漿處理溫度(例如400°C)以上被加以使用。棒狀電極43b的材質較佳為低電阻率的金屬，可以使用銅或鐵，但由於銅或鐵在天然石英中的擴散係數較大，所以從避免金屬汙染到反應器10內部的觀點觀之，較佳為耐熱性及抗氧化性較高的鎳合金。
外部電極44具有第1外部電極44a及第2外部電極44b。第1外部電極44a及第2外部電極44b分別呈以上下方向作為長邊方向的細長的矩形板狀。第1外部電極44a及第2外部電極44b固定在劃分壁41的側壁的外表面上。第1外部電極44a及第2外部電極44b係相對向配置。在這種情況下，當向內部電極43供給RF電力時，在內部電極43與第1外部電極44a之間及內部電極43與第2外部電極44b之間會生成電容耦合電漿(capacitively coupled plasma：CCP) 。因此，能夠在內部空間P中的廣泛範圍內生成電漿。但是，外部電極44也可以僅具有第1外部電極44a及第2外部電極44b中的任一者。第1外部電極44a及第2外部電極44b係例如接地。在這種情況下，能夠抑制電漿對劃分壁41的側壁的內表面造成損傷。
密封部45會在導入管42的下端氣密地密封間隙。密封部45具有內筒構件45a、密封構件45b、套筒45c、及外筒構件45d。
內筒構件45a係貫通金屬突緣21的底壁而被加以設置。內筒構件45a例如與金屬突緣21一體地形成。內筒構件45a在外周面具有公螺紋部。
密封構件45b係設置在絕緣管43a、套筒45c及底部突緣11之間。密封構件45b例如是O形環。
套筒45c係插入到內筒構件45a的內部。套筒45c藉由向上方移動，以上端壓潰密封構件45b。藉此，使密封構件45b被按壓在絕緣管43a、套筒45c及底部突緣11這3處上，據以將間隙氣密地加以密封。
外筒構件45d在內周面具有會與內筒構件45a的公螺紋部螺合的母螺紋部。藉由使外筒構件45d的母螺紋部螺合於內筒構件45a的公螺紋部，套筒45c便會向上方移動。外筒構件45d例如是螺帽。
RF電源46向棒狀電極43b供給RF電力。藉此，從供給到內部空間P的反應氣體來生成電漿。RF功率的頻率例如為13.56MHz。
排氣部50具有排氣通道51、壓力調整閥52、及真空泵53。排氣通道51係連接於排氣埠20。排氣部50一邊藉由真空泵53對反應器10的內部進行排氣，一邊藉由壓力調整閥52對反應器10的內部的壓力進行調整。
加熱部60係設置在反應器10的周圍。加熱部60具有有頂的圓筒狀的加熱腔室61及螺旋狀地設置在加熱腔室61的內表面的加熱線62。加熱部60藉由加熱線62的發熱對收容在反應器10內部的各基板W進行加熱。
控制部90例如藉由控制電漿處理裝置1的各部位的動作來實施後述的電漿處理方法。例如，控制部90可以是電腦。進行電漿處理裝置1的各部位的動作的電腦程式係儲存在記憶媒體中。記憶媒體例如可以是軟碟、CD、硬碟、快閃記憶體、DVD等。
參照圖5說明使用實施形態相關之電漿處理裝置1進行的電漿處理方法。實施形態相關之電漿處理方法係藉由控制部90控制電漿處理裝置1的各部位的動作來進行。以下，作為電漿處理，以藉由電漿ALD(plasma-enhanced atomic layer deposition : PEALD)在基板W上形成氮化矽(SiN)膜的情況為範例來進行說明。
首先，使保持有多個基板W的晶舟18從下方往上昇而被搬入至已預先調整成既定溫度的反應器10的內部，藉由蓋體12關閉反應器10的下端的開口來密閉反應器10的內部。接著，藉由排氣部50將反應器10的內部抽真空而維持在處理壓力，並且藉由加熱部60使基板溫度上昇而維持在處理溫度，藉由旋轉軸15的旋轉來使晶舟18旋轉。
接著，控制部90實施圖5所示的步驟S1~S5，在各基板W上形成SiN膜。
在步驟S1中，從原料氣體供給部31向反應器10的內部供給DCS氣體，使DCS氣體吸附在各基板W上。在步驟S1中，也可以從反應氣體供給部32向內部空間P供給非活性氣體。在這種情況下，能夠抑制供給到反應器10內部的DCS氣體向內部空間P滲入。
在步驟S1之後實施步驟S2。在步驟S2中，一邊藉由排氣部50對反應器10的內部進行抽真空，一邊從原料氣體供給部31向反應器10的內部供給非活性氣體並且從反應氣體供給部32向內部空間P供給非活性氣體。藉此，殘留在反應器10的內部及內部空間P的DCS氣體會被排出。在步驟S2中，也可以交替進行排氣部50所致的反應器10的內部的抽真空、從原料氣體供給部31向反應器10的內部的非活性氣體供給及從反應氣體供給部32向內部空間P的非活性氣體供給。在步驟S2中，也可以僅從原料氣體供給部31及反應氣體供給部32中的任一者來供給非活性氣體。
在步驟S2之後實施步驟S3。在步驟S3中，從反應氣體供給部32向內部空間P供給NH
3氣體，並且從RF電源46向內部電極43施加RF電力，藉此在內部空間P中由NH
3氣體生成電漿。生成的電漿中所包含的自由基從內部空間P擴散到反應器10的內部，吸附在各基板W上的DCS氣體被氮化而形成SiN膜。在步驟S3中，也可以從原料氣體供給部31向反應器10的內部供給非活性氣體。此時，能夠抑制自由基滲入至原料氣體供給管31a的內部。因此，能夠抑制SiN膜沉積在原料氣體供給管31a的內部。
在步驟S3之後實施步驟S4。在步驟S4中，一邊藉由排氣部50對反應器10的內部進行抽真空，一邊從原料氣體供給部31向反應器10的內部供給非活性氣體並且從反應氣體供給部32向內部空間P供給非活性氣體。藉此，殘留在反應器10的內部及內部空間P中的NH
3氣體會被排出。在步驟S4中，也可以交替進行排氣部50所致的反應器10的內部的抽真空、從原料氣體供給部31向反應器10的內部的非活性氣體供給及從反應氣體供給部32向內部空間P的非活性氣體供給。在步驟S4中，也可以僅從原料氣體供給部31及反應氣體供給部32中的任一者來供給非活性氣體。
在步驟S4之後實施步驟S5。在步驟S5中，判定是否實施了設定次數之步驟S1~S4。在實施次數未達到設定次數時(步驟S5的否)，再次實施步驟S1~S4。另一方面，在實施次數達到設定次數的情況下(步驟S5的是)，由於SiN膜的膜厚已達到目標膜厚，因此結束處理。這樣，藉由反覆步驟S1~S4直到實施次數達到設定次數，在各基板W上形成SiN膜。步驟S5的設定次數係例如根據SiN膜的目標膜厚來加以設定。步驟S5的設定次數可以是一次，也可以是多次。
如上述說明，根據實施形態的電漿處理裝置1，具備貫通劃分壁41而可拆裝且氣密地插入至內部空間P據以被供給有RF電力的內部電極43及設在劃分壁41之外部的外部電極44。如此般，藉由將被供給有RF電力的內部電極設置在內部空間P，便能使容易受到電漿造成的損傷之部位並非劃分壁41的側壁內面，而是可拆裝之內部電極43的表面。藉此，由於可以抑制劃分壁41產生變形而受損，因此能夠延長劃分壁41及熔接有劃分壁41的反應器10的壽命。另外，構成內部電極43的絕緣管43a雖然容易因電漿而受損，但內部電極43可相對於劃分壁41拆裝。因此，只要定期更換絕緣管43a即可，可以降低維護成本及減輕環境負荷。
相對於此，考慮在形成內部空間P的劃分壁41的2個側壁的外表面設置相對向配置的一對電極(以下稱為「平行平板電極」)，並向平行平板電極間供給RF電力以在內部空間P生成電漿的情況。在這種情況下，劃分壁41的側壁內面會因電漿中的離子的濺射或蝕刻而受損。尤其是，在由不含氧而含氫的氣體(例如氨氣、氫氣)生成電漿的情況下，除了電漿中的離子造成的損傷之外，二氧化矽玻璃中的氧會被氫抽出而使二氧化矽玻璃的表層產生構造上變化。因此，會有在二氧化矽玻璃中產生較大變形，絕緣管43a因該應力受損的情形。如此一來，劃分壁41及供熔接劃分壁41的反應器10的壽命會變短。
[電漿處理裝置的變形例]
參照圖6對實施形態的變形例相關之電漿處理裝置1A進行說明。圖6所示的電漿處理裝置1A與電漿處理裝置1的不同之處在於，具有2個供生成電漿的內部空間P。另外，關於其他構成，可以與電漿處理裝置1相同。以下，以與電漿處理裝置1不同之處為中心來進行說明。
2個內部空間P分別係藉由劃分壁41形成。兩個劃分壁41設置在反應器10的周向上的不同位置處。例如2個劃分壁41係設成在反應器10的周向上夾著原料氣體供給管31a。
在電漿處理裝置1A中，也能夠得到與電漿處理裝置1同樣的作用效果。另外，內部空間P也可以設置3個以上。
應認為本次所揭露之實施形態在所有方面皆為範例而非用來加以限制。上述實施形態在不脫離申請專利範圍及其要旨的範圍內也能以各種形態來加以省略、置換、變更。
1,1A:電漿處理裝置
10:反應器
19:開口
41:劃分壁
43:內部電極
44:外部電極
P:內部空間
圖1係顯示實施形態相關之電漿處理裝置的概略圖。
圖2係顯示實施形態相關之電漿處理裝置的水平剖面圖。
圖3係顯示電漿生成部之一例的剖面圖。
圖4係顯示內部電極及外部電極之一例的概略圖。
圖5係顯示實施形態相關之電漿處理方法的流程圖。
圖6係顯示實施形態之變形例相關之電漿處理裝置的水平剖面圖。
1:電漿處理裝置
10:反應器
11:底部突緣
12:蓋體
13:密封構件
14:磁性流體密封件
15:旋轉軸
16:旋轉台
17:保溫筒
18:晶舟
19:開口
20:排氣埠
21:金屬突緣
30:氣體供給部
32:反應氣體供給部
32a:反應氣體供給管
32b:反應氣體供給路徑
32c:反應氣體源
32d:質流控制器
32e:閥
40:電漿生成部
41:劃分壁
42:導入管
43:內部電極
43a:絕緣管
43b:棒狀電極
44:外部電極
50:排氣部
51:排氣通道
52:壓力調整閥
53:真空泵
60:加熱部
61:加熱腔室
62:加熱線
90:控制部
W:基板
Claims (12)
- 一種電漿處理裝置，係具備： 處理容器，係在側壁具有開口； 劃分壁，係覆蓋該開口且形成會與該處理容器之內部連通的內部空間； 內部電極，係貫通該劃分壁而可拆裝且氣密地插入至該內部空間，被供給有RF電力；以及 外部電極，係設在該劃分壁之外部。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該劃分壁係具有供該內部電極插入之導入開口； 該電漿處理裝置係進一步具備筒狀的導入管，該導入管係固定在該劃分壁，其內部與該導入開口連通； 該內部電極係插入至該導入管的內部。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該內部電極係具有筒狀的絕緣管及被插入至該絕緣管之內部的棒狀電極。
- 如申請專利範圍第3項之電漿處理裝置，其中該絕緣管係藉由合成石英來加以形成。
- 如申請專利範圍第4項之電漿處理裝置，其中該合成石英之OH基的濃度係200ppm以上。
- 如申請專利範圍第3項之電漿處理裝置，其中該絕緣管之與管軸正交的剖面係圓形或橢圓形。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該外部電極係接地。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該外部電極係設在該劃分壁之相對向的2個側面。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其進一步具備： 原料氣體供給部，係將原料氣體供給至該處理容器的內部；以及 反應氣體供給部，係將會與該原料氣體反應之反應氣體供給至該內部空間。
- 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該處理容器係構成為會收容排列成多層的多個基板； 該劃分壁及該內部電極係沿著該多個基板的排列方向延伸。
- 一種電漿處理方法，係在電漿處理裝置中對收容在處理容器之內部的基板進行電漿處理； 該電漿處理裝置，係具備： 該處理容器，係在側壁具有開口； 劃分壁，係覆蓋該開口且形成會與該處理容器之內部連通的內部空間； 內部電極，係貫通該劃分壁而可拆裝且氣密地插入至該內部空間，被供給有RF電力；以及 外部電極，係設在該劃分壁之外部； 該電漿處理係包含藉由對該內部電極施加該RF電力以從被供給至該內部空間的氣體生成電漿的動作。
- 如申請專利範圍第11項之電漿處理方法，其中該氣體係包含氫。
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