JP2009087949A

JP2009087949A - マイクロ波プラズマ装置

Info

Publication number: JP2009087949A
Application number: JP2008324566A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hongo; 俊明本郷; Satoru Osawa; 哲大沢; Satoshi Kawakami; 聡川上; Mitsuhiro Yuasa; 光博湯浅
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】
本発明は、マイクロ波による高真空ポンプの動作制御不良を防止視して高真空ポンプによる均一な排気を実現するマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを例示的な目的とする。
【解決手段】
本発明のマイクロ波プラズマ装置は、処理室に固定されて、マイクロ波源から導入されるマイクロ波の高真空ポンプへの侵入を防止するマイクロ波阻止部材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。

近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合がある。例えば、典型的なマイクロ波プラズマ装置においては、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波がスロット電極を通過し、半導体ウェハやＬＣＤ基板などの被処理体が配置され、ポンプで減圧環境下に維持された処理室内に導入される。一方、反応ガスも処理室に導入され、マイクロ波によってプラズマ化され、活性の強いラジカルとイオンとなり、これが被処理体と反応して成膜処理やエッチング処理などが行われる。

従来のマイクロ波プラズマ装置の概略ブロック図を図１２に簡略的に示す。マイクロ波プラズマ装置１は、同図に示すように、被処理体Ｗを載置しているサセプタ４を収納する処理室２を有している。サセプタ４にはロッド６が接続され、処理室２の底部には減圧環境を維持すると共に処理室２の雰囲気が処理室２の外部に流出するのを防止するベローズ８が設けられている。処理室２外部には、ロッド６を介してサセプタ４を昇降させる昇降機構１０と、高真空ポンプ１２と、処理室２にマイクロ波を供給するマイクロ波源１４とが設けられている。

図１２に示すマイクロ波プラズマ装置１は、昇降機構１０がサセプタ４を上下に昇降することができるので、被処理体Ｗのプロセス速度を調節（即ち、プロセス条件を確保）できるという特長を有している。処理室２の底部には、高真空ポンプ１２が配管を介さずに接続されており、処理室に配管を介して油圧ポンプなどを接続していた構造に比べて処理室２の高真空、高減圧環境を形成する上では優れている。高真空、高減圧環境は、高密度プラズマを達成して高品質の処理を行う上で不可欠である。高真空ポンプ１２は、処理室２の底部近傍に斜方又は側方にほぼ対称に２つ又はそれ以上設けられており、排気を均一にするように企図されている。排気を均一にする主たる理由は処理室２内のプラズマ密度を均一に保つためである。なぜなら、部分的にプラズマ密度が集中すれば、部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化してしまうからである。

その後、マイクロ波源１４から導入されたマイクロ波により図示しない反応ガスがプラズマ化され、活性の強いラジカルとイオンとなり、これが被処理体Ｗと反応して成膜処理やエッチング処理などが行われる。

しかし、図１２に示されるマイクロ波プラズマ装置１においては、被処理体Ｗが処理される空間（処理空間）からマイクロ波が下部の高真空ポンプに漏れて動作制御不良を引き起こすという問題があった。特に、反応ガスがプラズマ化される前において、大量のマイクロ波が高真空ポンプに侵入すると制御不良など破壊や損傷を引き起こす場合がある。また、高真空ポンプがかかる動作不良により処理室を均一に排気できなくなるという問題も有していた。

そこで、このような課題を解決する新規かつ有用なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを本発明の概括的目的とする。

本発明の例示的一態様であるマイクロ波プラズマ装置は、被処理体に所定のプラズマ処理を行い、断面凸形状を有する処理室と、前記処理室に接続されて当該処理室に前記所定のプラズマ処理に使用されるマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記処理室に収納されて前記被処理体を載置可能なサセプタと、前記サセプタに接続され、該サセプタの外側に拡がって延びる第１の昇降部材と、前記処理室の底部のうち処理空間よりも拡大された部分に設けられて前記第１の昇降部材に接続され、該処理室の減圧環境を維持することができる第１のベローズと、前記第１のベローズを介して前記処理室の前記底部から該処理室の外部に延出された前記第１の昇降部材に接続され、該第１の昇降部材を昇降させることによって前記サセプタを昇降することができる第１の昇降装置と、前記サセプタのほぼ直下において前記処理室の前記底部に接続された高真空ポンプと、前記処理室に固定されて前記高真空ポンプへの前記マイクロ波の侵入を防止するマイクロ波阻止部材とを有する。

かかるマイクロ波プラズマ装置によれば、マイクロ波阻止部材が高真空ポンプへのマイクロ波の侵入を防止する。

本発明の例示的一態様であるマイクロ波プラズマ装置によれば、マイクロ波阻止部材が高真空ポンプへのマイクロ波の侵入を防止する。これにより高真空ポンプの動作が安定するので、高真空ポンプの破壊や損傷を防止することができる。また、均一な排気を達成することができるので高品質のプロセスを被処理体に施すことができる。

以下、添付図面を参照して、プラズマＣＶＤ装置として使用される本発明の例示的なマイクロ波プラズマ装置１００について説明する。なお、各図において同一の参照符号は同一部材を表している。ここで、図１は、マイクロ波プラズマ装置１００の概略ブロック図である。本実施例のマイクロ波プラズマ装置１００は、半導体ウェハ基板やＬＣＤ基板などの被処理体Ｗを載置しているサセプタ１０４を収納する処理室１０２と、処理室１０２に接続されている高真空ポンプ１０８と、マイクロ波源１１０と、アンテナ部材１２０と、サセプタ昇降系１３０と、リフタピン昇降系１４０と、反応ガス供給系１５０と、ビューポート１６０と、クラスターツール１７０と、マイクロ波阻止部材２８０とを有している。なお、プラズマ処理装置１００の制御系については図示が省略されている。

処理室１０２は、側壁や底部がアルミニウムなどの導体により構成されて、全体が断面的に凸状に成形されている。この点で、処理室１０２の底面積は図１２に示す従来の処理室２の底面積よりも拡大されている。また、処理室１０２の内部は高真空ポンプ１０８により所定の減圧又は真空密閉空間に維持されることができる。処理室１０２内には、サセプタ１０４とその上に被処理体Ｗが支持されている。なお、図１においては、被処理体Ｗを固定する静電チャックやクランプ機構などは便宜上省略されている。

サセプタ１０４は、処理室１０２内で被処理体Ｗの温度制御を行う。例えば、ＣＶＤプロセスであれば約４５０℃に、エッチングプロセスであれば少なくとも８０℃以下に維持される。いずれの場合にしろ、被処理体Ｗには不純物としての水分が付着しないような温度に設定される。温度制御方法は、後述するように、温度センサとヒータ装置を利用するなど、当業界で知られたいずれの方法をも利用することができる。

選択的に、サセプタ１０４は、図５及び図６に示すように、段差１９３を有するサセプタ１９２に置換されてバッフル板（又は整流板）１９４を段差１９３に載置してもよい。ここで、図５はサセプタ１９２とバッフル板１９４と被処理体Ｗの関係を示す断面図である。また、図６は、サセプタ１９２とバッフル板１９４と被処理体Ｗの関係を示す平面図である。

この場合、サセプタ１９２はバッフル板１９４と共に昇降することになる。但し、この条件は必ずしも必要不可欠ではない。例えば、バッフル板１９４は、選択的に、後述するプロセスポジションに移動したサセプタ１９２と係合するように構成されてもよい。バッフル板１９４は被処理体Ｗが存在する処理空間とその下の排気空間を分離して、主として、処理空間の電位を確保（即ち、マイクロ波を処理空間に確保）すると共に真空度（例えば、５０ｍＴｏｒｒ）を維持する機能を有する。バッフル板１９４は、例えば、純アルミニウム製で図６に示すように中空のディスク形状を有する。バッフル板１９４は、例えば、厚さ２ｍｍを有し、径２ｍｍ程度の孔１９６をランダムに多数（例えば、開口率５０％以上）有する。なお、選択的に、バッフル板１９４はメッシュ構造を有していてもよい。必要があれば、バッフル板１９４は排気空間から処理空間への逆流を防止したり、処理空間と排気空間の差圧をとったりする機能を有していてもよい。

処理室１０２の側壁には、反応ガス供給系１５０の石英パイプ製ガス供給ノズル１５８が設けられ、このノズル１５８は、ガス供給路１５６によりマスフローコントローラ１５４及び開閉弁１５２を介して反応ガス源１５１に接続されている。例えば、窒化シリコン膜を堆積させようとする場合には、反応ガスとして所定の混合ガス（即ち、ネオン、キセノン、アルゴン、ヘリウム、ラドン、クリプトンのいずれかにＮ_２とＨ_２を加えたもの）にＮＨ_３やＳｉＨ_４ガスなどを混合したものが選択されることができる。なお、反応ガス供給系１５０の配置を変形した例については後述する。

高真空ポンプ１０８は、例えば、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）により構成され、圧力調整バルブ１０６を介して処理室１０２に接続されている。圧力調整バルブ１０６はコンダクタンスバルブ、ゲートバルブ又は高真空バルブなどの名称で当業界では周知である。圧力調整バルブ１０６は不使用時に閉口され、使用時に処理室１０２の圧力を高真空ポンプ１０８によって真空引きされた所定の圧力（例えば、０．１乃至数１０ｍＴｏｒｒ）に保つように開口される。

また、本実施例では、均一な排気を達成するために、圧力調整バルブ１０６の最大開口面積Ｓ_１は、図１に示す処理室１０８の紙面と垂直な平面との断面積であってプラズマ装置１００の構成要素（例えば、後述する昇降部材１３２など）により占有されていない部分の断面積（即ち、処理室１０２内の最小の雰囲気の断面積）Ｓとの関係において、Ｓ_１＜Ｓが維持されている。

なお、図１に示すように、本実施例によれば、高真空ポンプ１０８は処理室１０２に直接接続されている。ここで、「直接接続」とは、配管を介さないで、という意味であり、圧力調整バルブ１０６が介在することは問わない。

高真空ポンプ１０８は、サセプタ１０２のほぼ直下において処理室１０２の底部に接続されているので、処理室１０２を均一に排気することができる。これにより、プラズマ密度を均一に保つことができ、部分的にプラズマ密度が集中して部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化することを防止することができる。また、図１２に示す従来のプラズマ装置１のように複数の高真空ポンプを設ける必要がないので装置の大型化と高価格化を防止することができる。

次に、図１、図１０及び図１１を参照して、マイクロ波阻止部材２８０について説明する。マイクロ波阻止部材２８０は、基板２８２を有し、当該基板２８２は圧力調整バルブ１０６の前にボルト２８４とナット２８４で処理室１０２の内に固定されている。もちろん、選択的に、処理室１０２の外部に基板２８２を配置して外部から処理室１０２に対して基板２８２を固定してもよい。

基板２８２は、図１１に示すように、その周囲が複数のボルト２８４により処理室１０４に固定されており、中央部には多数の孔２８８がランダムに又は所定の配置で形成されている。基板２８２は、例えば、パンチングメタルで構成されている。孔２８８の径は、透過を許容するマイクロ波の高調波によって決定することができる。例えば、周波数２．４５ＧＨｚマイクロ波の第５次高調波（即ち、基本周波数２．４５ＧＨｚの５倍の周波数である１２．２５ＧＨｚを有するもの）まで透過を防止しようとすれば、その波長１２２．５ｍｍを５で除して、（１２２．５／５／４＝）約６ｍｍ以下の孔径に設定すればよい。なお、高調波の次数は５に限定されず、一般に、所望の数ｎにまで拡張することができることはいうまでもない。

また、一以上のナット２８６はグラウンド（ＧＤ）されており、これにより基板２８２の電位を維持している。グラウンドは基板２８２の側部をアースして行ってもよいので、かならずしもナットにより行う必要はない。基板２８２は、上下どちらかに湾曲されていることが好ましい。但し、これは基板２８２の必要不可欠の要件ではない。

マイクロ波阻止部材２８０は、マイクロ波とその高調波が高真空ポンプ１０８に侵入することを防止している。特に、反応ガスがプラズマ化される前には、大量のマイクロ波がマイクロ波源１１０から処理室１０２に導入されるので、マイクロ波阻止材２８０はかかるマイクロ波の侵入を防止することによって高真空ポンプ２８０が制御不能など破壊、損傷することを防止している。一方、マイクロ波阻止部材２８０は、高真空ポンプ１０８による真空引きを阻害せず、また、処理室１０４のコンダクタンス（減圧環境）を維持する機能を有している。マイクロ波２８０は、後述するバッフル板１９４の有無に拘らず、高真空ポンプ２８０を保護している。

マイクロ波源１１０は、例えば、マグネトロンからなり、通常２．４５ＧＨｚのマイクロ波（例えば、５ｋＷ）を発生することができる。マイクロ波は、その後、図示しないモード変換器により伝送形態がＴＭ、ＴＥ又はＴＥＭモードなどに変換される。なお、図１では、発生したマイクロ波がマグネトロンへ戻る反射波を吸収するアイソレータや、負荷側とのマッチングをとるためのＥＨチューナ又はスタブチューナは省略されている。

アンテナ部材１２０は、図２により詳細に示すように、温調板１２２と、収納部材１２３と、誘電板１２６とを有している。温調板１２２は、温度制御装置１２１に接続され、収納部材１２３は、遅波材１２４と遅波材１２４に接触するスロット電極１２５とを収納している。また、スロット電極１２５の下部には誘電板１２６が配置されている。収納部材１２３には熱伝導率が高い材料（例えば、ステンレス）が使用されており、その温度は温調板１２２の温度とほぼ同じ温度に設定される。

遅波材１２４には、マイクロ波の波長を短くするために所定の誘電率を有すると共に熱伝導率が高い所定の材料が選ばれる。処理室１０２に導入されるプラズマ密度を均一にするには、スロット電極１２５に多くのスリットを形成する必要があり、遅波材１２４は、スロット電極１２５に多くのスリットを形成することを可能にする機能を有する。遅波材１２４としては、例えば、アルミナ系セラミック、ＳｉＮ、ＡｌＮを使用することができる。例えば、ＡｌＮは比誘電率ε_ｔが約９であり、波長短縮率ｎ＝１／（ε_ｔ）^１／２＝０．３３である。これにより、遅波材１２４を通過したマイクロ波の速度は０．３３倍となり波長も０．３３倍となり、スロット電極１２５のスリット間隔を短くすることができ、より多くのスリットが形成されることを可能にしている。

スロット電極１２５は、遅波材１２４にねじ止めされており、例えば、直径５０ｃｍ、厚さ１ｍｍ以下の円筒状銅板から構成される。スロット電極１２５は、図３に示すように、中心から少し外側へ、例えば、数ｃｍ程度離れた位置から開始されて多数のスリット２００が渦巻状に次第に周縁部に向けて形成されている。図３においては、スリット２００は、２回渦巻されている。本実施例では、略Ｔ字状にわずかに離間させて配置した一対のスリット２０２及び２０４を組とするスリット対を上述したように配置することによってスリット群を形成している。各スリット２０２、２０４の長さＬ１はマイクロ波の管内波長λの略１／２から自由空間波長の略２．５倍の範囲内に設定されると共に幅は１ｍｍ程度に設定され、スリット渦巻の外輪と内輪との間隔Ｌ２は僅かな調整はあるが管内波長λと略同一の長さに設定されている。即ち、スリットの長さＬ１は、次の式で示される範囲内に設定される。

このように各スリット２０２、２０４を形成することにより、処理室１０２には均一なマイクロ波の分布を形成することが可能になる。渦巻状スリットの外側であって円盤状スロット電極１２５の周縁部にはこれに沿って幅数ｍｍ程度のマイクロ波電力反射防止用放射素子２０６が形成されている。これにより、スロット電極１２５のアンテナ効率を上げている。なお、本実施例のスロット電極１２５のスリットの模様は単なる例示であり、任意のスリット形状（例えば、Ｌ字状など）を有する電極をスロット電極として利用することができることはいうまでもない。

温度制御装置１２１は、マイクロ熱による収納部材１２３及びこの近傍の構成要素の温度変化が所定の範囲になるように制御する機能を有する。温度制御装置１２１は、図示しない温度センサとヒータ装置とを温調板１２２に接続し、温調板１２２に冷却水や冷媒（アルコール、ガルデン、フロン等）を導入することにより温調板１２２の温度を所定の温度に制御する。温調板１２２は、例えば、ステンレスなど熱伝導率がよく、冷却水などが流れる流路を内部に加工しやすい材料が選択される。温調板１２２は収納部材１２３に接触しており、収納部材１２３と遅波材１２４は熱伝導率が高い。この結果、温調板１２２の温度を制御することによって遅波材１２４とスロット電極１２５の温度を制御することができる。遅波材１２４とスロット電極１２５は、温調板１２２などがなければ、マイクロ波源１１０の電力(例えば、５ｋＷ)を長時間加えることにより、遅波材１２４とスロット電極１２５での電力ロスから電極自体の温度が上昇する。この結果、遅波材１２４とスロット電極１２５が熱膨張して変形する。

例えば、スロット電極１２５は、熱膨張により最適なスリット長さが変化して後述する処理室１０２内における全体のプラズマ密度が低下したり部分的にプラズマ密度が集中したりする。全体のプラズマ密度が低下すれば被処理体Ｗの処理速度が変化する。その結果、プラズマ処理が時間的に管理して、所定時間（例えば、２分）経過すれば処理を停止して被処理体Ｗを処理室１０２から取り出すというように設定した場合、全体のプラズマ密度が低下すれば所望の処理深さ（エッチング深さや成膜厚さ）が被処理体Ｗに形成されていない場合がある。また、部分的にプラズマ密度が集中すれば、部分的に被処理体Ｗの処理深さが変化してしまう。このようにスロット電極１２５が温度変化により変形すればプラズマ処理の品質が低下する。

更に、温調板１２２がなければ、遅波材１２４とスロット電極１２５の材質が異なり、また、両者はねじ止めされているから、スロット電極１２５が反ることになる。この場合も同様にプラズマ処理の品質が低下することが理解されるであろう。

誘電板１２６はスロット電極１２５と処理室１０２との間に配置されている。スロット電極１２５と誘電板１２６は、例えば、ロウにより強固にかつ機密に面接合される。代替的に、焼成されたセラミック製の誘電板１２６の裏面に、スクリーン印刷などの手段により銅薄膜を、スリットを含むスロット電極１２５の形状にパターン形成して、これを焼き付けるように銅箔のスロット電極１２５を形成してもよい。なお、温調板１２２の機能を誘電板１２６に持たせてもよい。即ち、誘電板１２６の側部周辺に流路を有する温調板を誘電板１２６に一体的に取り付けることによって誘電板１２６の温度を制御し、これによって遅波材１２４とスロット電極１２５とを制御することができる。誘電板１２６は例えばオーリングにより処理室１０２に固定されている。従って、代替的に、オーリングの温度を制御することにより誘電板１２６、そしてこの結果、遅波材１２４とスロット電極１２５の温度を制御するように構成してもよい。誘電板１２６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなり、減圧又は真空環境にある処理室１０２の圧力がスロット電極１２５に印加されてスロット電極１２５が変形したり、スロット電極１２５が処理室１０２に剥き出しになってスパッタされたり銅汚染を発生したりすることを防止している。必要があれば、誘電板１２６を熱伝導率の低い材質で構成することによって、スロット電極１２５が処理室１０２の温度により影響を受けるのを防止してもよい。

次に、サセプタ昇降系１３０について説明する。サセプタ昇降系１３０は、昇降部材１３２と、ベローズ１３４と、昇降装置１３６とを有している。昇降部材１３２は、例えば、アルミニウムから構成された一部材として構成される。もちろん、これに限らず選択的にヒンジ構造その他の機械的構造を採用してもよいが、潤滑油などの使用により処理室１０２内の汚染源にならないように注意する必要がある。

昇降部材１３２は一端がサセプタ１０４に接続されており、他端は、昇降装置１３６に接続されている。昇降部材１３２は、ほぼ垂直な垂直部１３２ａ及び１３２ｃと、ほぼ水平な水平部１３２ｂ及び１３２ｄを有し、断面は例示的に円形である。昇降装置１３６により昇降されることによりサセプタ１０４を昇降するものである。昇降部材１３２の昇降装置１３２との接続部位は、図１においては１３２ｄの端部になっているため、昇降装置１３６は図１に示す右側部に沿って部位１３２ｄを昇降させる。しかし、処理室１０２は凸形状を有して底面積が図１２に示す従来の処理室２のそれよりも拡大されているので、高真空ポンプ１０８の配置を妨げない限り昇降装置１３６は処理室１０２の側部ではなく下部に配置されてもよい。その場合は、昇降装置１３６は垂直部１３２ｃに接続されることになる。また、選択的に、１３２ｄを更に垂直下向きに曲げて、かかる垂直部と昇降装置１３６を接続してもよい。

本実施例は、このように、昇降装置１３６を処理室１０２の底部中央に配置する代わりに高真空ポンプ１０８を処理室１０２の底部中央に配置している。なぜなら、高真空ポンプ１０８は処理室１０２の均一な排気のために処理室１０８の底部中央に配置されなければならないが、昇降装置１３６は高品質なプラズマ処理を達成するのに必ずしも処理室１０８の低部中央に配置される必要はないからである。その一方、ベローズ１３４は処理室１０２の底部に設けられ、ベローズ１３４の開口方向と昇降部材１３４（１３４ｃ）の移動方向は一致するように構成されている。これにより、ベローズ１３４は処理室１０２内の減圧環境を維持することができると共に処理室１０２の雰囲気が外部に流出するのを防止することができる。かかる条件を満足する限り、例えば、昇降部材１３２の部位１３２ｂをサセプタ１０４の側部に接続するなどの変形が可能であることが理解されるであろう。昇降装置１３６は、機械的手段、電気的手段、磁気的手段、光学的手段又はこれらの結合など当業界で周知の方法を使用して昇降部材１３２をその昇降量を制御可能に昇降させることができる。昇降量の制御において、（例えば、フォトダイオードなどの）光センサを含む周知のセンサ手段を利用することができることはいうまでもない。

サセプタ１０４は、昇降装置１３６により、例えば、ホームポジションとプロセスポジションの間を昇降する。サセプタ１０４はプラズマ装置１００のオフ時や待機時にホームポジションに配置され、また、ホームポジションにおいて、サセプタ１０４は後述するクラスターツール１７０からゲートバルブ１７９を介して被処理体Ｗの受け渡しを行うが、選択的に、サセプタ１０４にはゲートバルブ１７０と連絡するために、受け渡しポジションが設定されてもよい。サセプタ１０４の昇降距離は図示しない昇降装置１３６の制御装置又はプラズマ装置１００の制御装置によって制御することができるし、後述するビューポート１６０からも目視することができる。

次に、リフタピン昇降系１４０について説明する。リフタピン昇降系１４０は、昇降部材１４２と、ベローズ１４４と、昇降装置１４６を含んでいる。昇降部材１４２は、例えばアルミニウムから構成され、例えば正三角形の頂点に配置された垂直に延びる３本のリフタピンに接続されている。かかるリフタピンは、サセプタ１０４内部を貫通して被処理体Ｗを支持してサセプタ１０４上で昇降させることができる。被処理体Ｗの昇降は、被処理体Ｗを後述するクラスターツール１７０から処理室１０２に導入する際に、及び、プロセス後の被処理体Ｗをクラスターツール１７０に導出する際に行われる。本実施例では、リフタピン昇降系１４０に使用されるベローズ１４４も処理室１０２の底部に設けられ、ベローズ１４４の開口方向と昇降部材１４２の移動方向は一致するように構成されている。これにより、ベローズ１４４は処理室１０２内の減圧環境を維持することができると共に処理室１０２の雰囲気が外部に流出するのを防止することができる。

昇降装置１４６は、サセプタ１０４が所定位置（例えば、ホームポジション）にあるときにのみリフタピンの昇降を許容するよう構成されてもよい。また、リフタピンの昇降距離は図示しない昇降装置１４６の制御装置又はプラズマ装置１００の制御装置によって制御することができるし、後述するビューポート１６０からも目視することができる。

反応ガス供給系１５０は、上述したように、処理室１０２の側壁にノズル１５８を設けて側部から反応ガス（処理ガス）を供給する構造であるため、処理ガスが被処理体Ｗの上面を横切ったり、あるいは、ノズル１５８をサセプタ１０４の中心に関する点対称の位置に設けたとしても、被処理体Ｗ上面で反応ガスの密度が均一でなく均一なプラズマ密度を確保できないおそれがある。これを解決するためにサセプタ１０４の上方に電界を乱さないようなガラス管製のシャワーヘッド構造を設置することも考えられるが、従来のシャワーヘッドでは、ヘッド構造内でプラズマが発生する恐れがあり実用的ではない。そこで、本発明者らはかかる問題を解決するような新規なシャワー板２２０を考案した。

以下、図７及び図８を参照して、代替的なシャワー板２２０について説明する。図７は、シャワー板２２０の拡大断面図である。図８は、図７に示すシャワー板２２０のノズル２２２の拡大断面図である。シャワー板２２０は誘電板２２６に取り付けられる。ここで、誘電板２５０は、図２に示す誘電板１２６に代替するものであり、例えば、厚さ３０ｍｍを有し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成される板形状を有する。誘電板２５０は、それぞれガス供給路１５６に接続されるガス導入口２５２と２５４とを有している。この場合、図１に示すノズル１５８は取り除かれ、ガス供給路１５６からガス導入口２５２及び２５４に反応ガスが導入されることになる。一対のガス導入口２５２及び２５４が設けられているのは、シャワー板２２０のノズル２２２に取り付けられた噴出部材２３０から均一な密度で反応ガスを処理室１０２に導入するためである。従って、均一なガス導入密度が確保される限り、誘電板２５０に設けられるガス導入口の位置及び数は限定されない。好ましくは、ガス導入口２５２及び２５４の配置は対称性を有する。誘電板２５０は、シャワー板２２０のノズル２２２上部に円筒形の凹部２５６を有する。

シャワー板２２０は、例えば、厚さ６ｍｍの薄板形状を有して、ＡｌＮから構成される。シャワー板２２０は、所定の均一な配置で多数の（例えば、１０個以上、２０個、４０個などの）ノズル２２２を形成している。図７に示すように、各ノズル２２２には噴射部材２３０が取り付けられている。噴射部材２３０は、ねじ（２３２及び２３４）とナット２３６から構成されている。噴出部材２３０は、選択的に、シャワー部材２２０と全部又は部分的に一体的に構成されてもよい。

ねじは、ねじ頭部２３２とねじ胴部２３４から構成されている。ねじ頭部２３２は約２ｍｍの高さを有し、その内部には一対の噴射流路２３９がシャワー板２２０の下面２２６に対して±４５度の角度でそれぞれ形成されている。各噴射流路２３９は、後述する流路２３８から分岐しており、例えば、０．１ｍｍ径を有する。噴射流路２３９は反応ガスの均一な噴射を達成するためにこのように傾斜されており、この目的が達成される限り、その角度及び個数は問わない。なお、本発明者らの実験によれば、シャワー板２２０の下面２２６に対して９０度に（即ち、垂直に）設定された一の噴射流路２３９は処理室１０２内において均一な噴射を成功裡に達成しなかったので図８に示すように傾斜していることが好ましい。流路２３８は、例えば、１ｍｍ径を有し、誘電板２５０とシャワー板２２０との間に形成された空隙部２４０に接続されている。ナット２３６は、ねじ胴部２３４の端部と係合し、誘電板２５０の凹部２５６に収納される。

空隙部２４０は、プラズマが発生を抑制する薄い空間である。プラズマの発生を抑制するのに必要な厚さは、圧力によって変化し、例えば、圧力１０Ｔｏｒｒの下では厚さは約０．５ｍｍに設定される。また、この場合、シャワー板２２０下の処理室１０２の処理空間は約５０ｍＴｏｒｒに設定される。このように空隙部２４０と処理空間との間に圧力差を設けて反応ガスを所定の速度で導入している。

本実施例のシャワー板２２０によれば、反応ガスはプラズマを発生せずに処理空間に均一且つ流量制御良く導入される。流量制御は、空隙部２４０と処理空間との間に圧力差、噴射流路２３９の数、角度、大きさなどにより行うことができる。例えば、ノズル２２２に詰め物をしてその詰め物の表面を介して反応ガスを噴射することも考えられる。しかし、かかる構造では詰め物とノズルとの間隔を制御するのが困難で、詰め物が取れたり、詰め物が完全にノズルを塞いだりするため、正確な流量制御が難しい。従って、本実施例のシャワー板２２０は、このような構造に比べて優れている。

次に、ビューポート（覗窓）１６０について図４を参照して説明する。ここで、図４は、本実施例のビューポート１６０の構造と処理室１０２への取付を説明するための概略斜視図である。ビューポート１６０は、処理室１０２の壁に取り付けられて被処理体Ｗの様子を観察測定するためのガラス等からなる窓である。従来は、ビューポート１６０の開口を処理室１０２の内部からパンチングメタルによりねじ止めすることによって形成していた。パンチングメタルは、処理室１０２の内面に接触して内部電位を均一に保つ等の効果を有する。しかし、パンチングメタルを処理室１０２の内部からねじ止めすることは煩雑であった。

そこで、本実施例では、図４に示すように、ビューポート１６０は処理室１０２に設けられた開口１０３Ａに嵌合可能で、パンチングメタル１６２と取付部１６４とを有する。取付部１６４は金属製で、一対の針金状の垂直部１６５と一対の止め部１６６とを有し、図３に示す矢印方向に（即ち、互いに広がるように）弾性的に付勢されている。取付時には、止め部１６６を矢印に抗する方向に押圧しながら開口１０３Ａに嵌めこみ、指を離す。これにより、パンチングメタル１６２は、取付部１６４の弾性力により開口１０３Ａ内で固定され、処理室１０２の内面１０３Ｂに接触し電磁シールド的効果を発揮する。

なお、ビューポート１６０は止め部１６６の上部から開口１０３Ａに対してシールされるが、図３においては、シール部材やガラス部材などは省略されている。取付部１６４はそれ自身で弾性力を有する必要はなく、また、止め部１６６も必ずしも必要ない。更に、垂直部１６５は円筒形上として構成されてもよく、様々な変形が可能であることが理解されるであろう。いずれにしても本実施例のビューポート１６０はパンチングメタル１６２を処理室１０２の内部からねじ止めする必要がないので従来よりも取付作業が容易であるという特長を有する。

次に、本実施例のクラスターツール１７０について、図９を参照して説明する。上述したように、被処理体Ｗの温度制御はサセプタ１０４によって行うことができる（なお、以下、サセプタ１０４は特に断らない限りサセプタのその他の変形例を総括しているものとする）。しかし、ＣＶＤ処理において、例えば、被処理体Ｗを常温からサセプタ１０４により４５０℃まで加熱するには時間時間がかかり、不便且つ不経済である。そこで、本実施例のクラスターツール１７０は、被処理体Ｗを処理室１０２に導入する前に被処理体Ｗを加熱しておき、プロセスの迅速な開始を達成しようとするものである。同様に、プロセス終了後に４５０℃から常温に戻すには時間がかかるため、本実施例のクラスターツール１７０は、被処理体Ｗを処理室１０２から導出した後に被処理体Ｗを冷却し、次段のプロセス（イオン注入やエッチングなど）の迅速な開始を達成しようとするものである。

図９に簡略的に示すように、本発明のクラスターツール１７０は、搬送部１７２と、予備加熱部１７４と、予備冷却部１７６と、その他のロードロック（Ｌ/Ｌ）室１７８とを有している。なお、図９では、処理室１０２と同様の２つの処理室１０２Ａ、１０２Ｂを示しているが、その数は所望の数に変更することができる。予備加熱部１７４や予備冷却部１７６は、ロードロック室（処理室を待機中に開放しないで被処理体の取り入れと取り出しを可能にする真空室）内に形成されている。

搬送部１７２は、被処理体Ｗを支持する搬送アームと、搬送アームを回転する回転機構とを含んでいる。予備加熱部１７４は、ランプなどのヒーターを有して被処理体Ｗがいずれかの処理室１０２Ａ又は１０２Ｂに導入される前に、処理温度付近までこれを加熱する。また、予備冷却部１７４は、冷媒により冷却されている冷却室を有して処理室１０２Ａ又は１０２Ｂから導入された被処理体Ｗを次段の装置（イオン注入装置やエッチャーなど）に搬送する前に常温まで冷却する。なお、好ましくは、クラスターツール１７０は、図示しない回転角検出センサと、温度センサと、一又は複数の制御部と、制御プログラムを格納しているメモリとを更に有して搬送部１７２の回転制御、予備加熱部１７４及び予備冷却部１７６の温度制御を行う。かかるセンサ、制御方法及び制御プログラムは当業界で周知のいかなるものをも適用することができるので、ここでは詳しい説明は省略する。また、制御部は、プラズマ装置１００の図示しない制御部が兼ねてもよい。搬送部１７２の搬送アームは被処理体Ｗを図１に示すゲートバルブ１７９を介して処理室１０２に導入する。

次に、以上のように構成された本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００の動作について説明する。まず、図９に示す搬送部１７２の搬送アームが被処理体Ｗを処理室１０２に導入する。ここで、処理室１０２（図９においてはいずれかの処理室１０２Ａ又は１０２Ｂ。以下、単に「処理室１０２」という。）では被処理体にプラズマＣＶＤ処理を施すとすると、クラスターツール１７０の図示しない制御部が処理室１０２に導入する前に被処理体Ｗを４５０℃付近まで加熱するように搬送部１７２に命令する。

これに応答して、搬送部１７２は予備加熱部１７４に被処理体Ｗを導入して加熱する。クラスターツール１７０の図示しない温度センサが被処理体Ｗの温度が４５０℃付近まで過熱されたことを検出すると、かかる検出結果に応答してクラスターツール１７０の図示しない制御部は搬送部１７２に被処理体Ｗを予備加熱部１７４から導出してゲートバルブ１７９から処理室１０２に導入する。被処理体Ｗを支持した搬送部１７２の搬送アームがサセプタ１０４の上部に到着すると、リフタピン昇降系１４０の昇降装置１４６が昇降部材１４２を上昇させてサセプタ１０４から（例えば、３本の）図示しないリフタピンを突出させて被処理体Ｗを支持する。この結果、被処理体Ｗの支持は、搬送アームからリフタピンに移行するので、搬送部１７２は搬送アームをゲートバルブ１７９より帰還させる。搬送部１７２は搬送アームをその後図示しないホームポジションに移動させてもよい。

一方、昇降装置１４６は、その後、昇降部材１４２を下降させて図示しないリフタピンをサセプタ１０４の中に戻し、これによって被処理体Ｗをサセプタ１０４の所定の載置位置に配置する。ベローズ１４４は昇降動作中処理室１０４の減圧環境を維持すると共に処理室１０４内の雰囲気が外部に流出するのを防止することができる。サセプタ１０４はその後被処理体Ｗを４５０℃まで加熱するが、既に被処理体Ｗは予熱されているのでプロセス準備が完了するまでの時間は短くて済む。

次に、高真空ポンプ１０８が圧力調整バルブ１０６を介して処理室１０４の圧力を、例えば、５０ｍＴｏｒｒに維持する。高真空ポンプ１０８は、サセプタ１０４の直下に処理室１０２の底部中央に配置されているために、均一な排気を行うことができる。

また、サセプタ昇降系１３０の昇降装置１３６が昇降部材１３４を上昇させて予め設定されたプロセス条件を満足するプロセスポジションにサセプタ１０４と被処理体Ｗをホームポジションから移動させる。ベローズ１３４は昇降動作中処理室１０４の減圧環境を維持すると共に処理室１０４内の雰囲気が外部に流出するのを防止することができる。

次いで、ノズル１５８から、例えば、ヘリウム、窒素及び水素の混合ガスにＮＨ_３を更に混合した一以上の反応ガスを反応ガス源１５１からマスフローコントローラ１５４及び開閉弁１５２を介して流量制御しつつ反応室１０４に導入する。

図７のシャワー板２２０が使用される場合には、反応室１０４内を所定の処理圧力、例えば、５０ｍＴｏｒｒに維持してガス供給路１５６からガス導入口２５２を介して、例えば、ヘリウム、窒素及び水素の混合ガスにＮＨ_３を更に混合した一以上の反応ガスを反応ガス源１５１からマスフローコントローラ１５４及び開閉弁１５２を介して流量制御しつつ誘電板２５０に導入する。その後、反応ガスは、図８に示す空隙部２４０を通って凹部２５６から噴出部材２３０の流路２３８及び２３９を介して処理室１０４に導入される。反応ガスは空隙部２４０ではプラズマ化せずに流量制御良く安定かつ均一な密度で処理室１０４に導入される。

処理室１０４の処理空間の温度は４５０℃程度になるようにより調整される。一方、マイクロ波源１１０からのマイクロ波を図示しない矩形導波管や同軸導波管などを介してアンテナ部材１２０の遅波材１２４に、例えば、ＴＥＭモードなどで導入する。遅波材１２４を通過したマイクロ波はその波長が短縮されてスロット電極１２５に入射し、スリット２００から処理室１０４に誘電板１２６を介して導入される。遅波材１２４とスロット電極１２５は温度制御されているので、熱膨張などによる変形はなく、スロット電極１２５は最適なスリット長さを維持することができる。これによってマイクロ波は、均一に（即ち、部分的集中なしに）かつ全体として所望の密度で（即ち、密度の低下なしに）処理室１２５に導入されることができる。

その後、マイクロ波がマイクロ波源１１０から導入される。特に、マイクロ波が反応ガスをプラズマ化する前には大量のマイクロ波及びその高調波が処理室１０４に導入されるが、マイクロ波阻止部材２８０が高真空ポンプ１０８を適当に保護する。この結果、高真空ポンプ１０８は破壊や損傷から保護されると共に処理室１０４の排気を均一且つ安定して行うことができる。

その後マイクロ波は、反応ガスをプラズマ化してプラズマＣＶＤ処理を行う。図５及び図６に示すバッフル板１９４が使用される場合には、バッフル板１９４は処理空間の電位及び真空度を維持して処理空間からマイクロ波が逃げるのを防止する。これにより、所望のプロセス速度を維持することができる。

継続的な使用により、温調板１２２の温度が所望の設定温度よりも高くになれば温度制御装置１２１は温調板１２２を冷却する。同様に、処理開始時や過冷却により温調板１２１の温度が設定温度よりも低くなれば温度制御装置１２１は温調板１２２を加熱する。

ＣＶＤ処理は、例えば、予め設定された所定時間だけ行われてその後、被処理体Ｗは上述したのと逆の手順によりゲートバルブ１７９から処理室１０４の外へクラスターツール１７０の搬送部１７２により導出される。導出時に昇降装置１３６は、昇降部材１３２を下降させてサセプタ１０４と被処理体Ｗを搬送部１７２との接続位置に戻す。

処理室１０４には所望の密度のマイクロ波が均一に供給されるので被処理体Ｗには所望の厚さの膜が均一に形成されることになる。また、反応室１０４の温度は水分などがウェハＷに混入することのない温度に維持されるので所望の成膜品質を維持することができる。処理室１０４から導出された被処理体Ｗはまず予備冷却部１７６に導入されて常温まで短時間で冷却される。次いで、必要があれば、搬送部１７２は、被処理体Ｗを次段のイオン注入装置などに搬送する。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置１００は電子サイクロトロン共鳴の利用を妨げるものではないため、所定の磁場を発生させるコイルなどを有してもよい。また、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１００はプラズマＣＶＤ装置として説明されているが、マイクロ波プラズマ処理装置１００は被処理体Ｗをエッチングしたりクリーニングしたりする場合にも使用することができることはいうまでもない。

本実施例の例示的一態様としてのマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す概略ブロック図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に適用可能なアンテナ部材の構造を説明するための概略ブロック図である。図２に示すアンテナ部材のスロット電極の例示的なスリット構造を説明するための概略ブロック図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に適用可能なビューポートの構造を説明するための概略斜視図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置のサセプタに適用可能なバッフル板の概略断面図である。図５に示すバッフル板、サセプタ及び被処理体の関係を示す平面図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に適用可能な誘電板とシャワー板の概略断面図である。図７に示すシャワー板のノズル付近の拡大断面図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に適用可能なクラスターツールの概略平面図である。図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置に適用可能な例示的なマイクロ波阻止部材の構造を示す概略断面図である。図１０に示すマイクロ波阻止部材の概略平面図である。従来のプラズマ装置の部分的構造を説明するための概略ブロック図である。

符号の説明

１００プラズマ装置
１０２処理室
１０２Ａ処理室
１０２Ｂ処理室
１０３Ａ処理室開口
１０３Ｂ処理室内面
１０４サセプタ
１０８高真空ポンプ
１１０マイクロ波源
１２０アンテナ部材
１３０サセプタ昇降系
１３２昇降部材
１３４ベローズ
１３６昇降装置
１４０リフタピン昇降系
１４２昇降部材
１４４ベローズ
１４６昇降装置
１５０反応ガス供給系
１６０ビューポート
１６２パンチングメタル
１６４取付部
１６６止め部
１７０クラスターツール
１７２搬送部
１７４予備加熱部
１７６予備冷却部
１７８ロードロック室
１９２サセプタ
１９４バッフル板
１９６孔
２００スリット
２２０シャワー板
２２２ノズル
２３０噴出部材
２４０空隙部
２５０誘電板

Claims

被処理体に所定のプラズマ処理を行い、断面凸形状を有する処理室と、
前記処理室に接続されて当該処理室に前記所定のプラズマ処理に使用されるマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記処理室に収納されて前記被処理体を載置可能なサセプタと、
前記サセプタに接続され、該サセプタの外側に拡がって延びる第１の昇降部材と、
前記処理室の底部のうち処理空間よりも拡大された部分に設けられて前記第１の昇降部材に接続され、該処理室の減圧環境を維持することができる第１のベローズと、
前記第１のベローズを介して前記処理室の前記底部から該処理室の外部に延出された前記第１の昇降部材に接続され、該第１の昇降部材を昇降させることによって前記サセプタを昇降することができる第１の昇降装置と、
前記サセプタのほぼ直下において前記処理室の前記底部に接続された高真空ポンプと、
前記処理室に固定されて前記高真空ポンプへの前記マイクロ波の侵入を防止するマイクロ波阻止部材とを有するプラズマ装置。
前記被処理体を昇降するのに使用され、前記サセプタの外側に拡がって延びる第２の昇降部材と、
前記処理室の底部のうち前記処理空間よりも拡大された部分に設けられて前記第２の昇降部材に接続され、該処理室の減圧環境を維持することができる第２のベローズと、
前記第２のベローズを介して前記処理室の前記底部から該処理室の外部に延出された前記第２の昇降部材に接続され、該第２の昇降部材を昇降させることによって前記被処理体を昇降することができる第２の昇降装置と、をさらに有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
前記マイクロ波阻止部材は、基板と当該基板に設けられた多数の孔を有し、当該孔の大きさは、所望の数ｎに対して前記マイクロ波の第ｎ次高調波の透過を防止するように決定される請求項１又は２記載のプラズマ装置。
前記マイクロ波阻止部材は、グラウンドされて前記マイクロ波阻止部材を前記処理室に固定する固定部材をさらに有する請求項１又は２記載のプラズマ装置。
前記マイクロ波阻止部材は湾曲形状を有する請求項１又は２記載のプラズマ装置。
前記マイクロ波阻止部材は前記処理室の減圧環境を維持する請求項１又は２記載のプラズマ装置。