JP4943047B2 - 処理装置及び処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体に対してプラズマ処理や成膜処理やエッチング処理等を施す際に使用される処理装置及び処理方法に係り、特に、処理の開始時のガスの供給やガス種の切り替えを迅速に行うようにした処理装置及び処理方法に関する。
一般に、半導体集積回路等の半導体製品を製造するためには、例えば半導体ウエハに対して成膜処理、エッチング処理、酸化拡散処理、アッシング処理、改質処理等の各種の処理を繰り返し施すことが行われている。このような各種の処理は、製品歩留まり向上の観点から半導体製品の高密度化及び高微細化に伴って、処理のウエハ面内均一性を一層高くすることが求められていると同時に、生産効率の向上のためにスループットの改善が求められている。
ここで従来の処理装置として枚葉式のプラズマ処理装置を例にとって説明する。この種のプラズマ処理装置は、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されている。図６は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
図６において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６は容器側壁より延びるＬ字状の支持アーム７により支持されている。そして、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状の窒化アルミや石英等よりなる天板８を気密に設けている。そして処理容器４の側壁には、容器内へ所定のガスを導入するためのガスノズル９が設けられている。
そして、上記天板８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、この平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。そして、平面アンテナ部材１０には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１６の中心導体１８を接続してマイクロ波発生器２０より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をモード変換器２２にて所定の振動モードへ変換した後に導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつ平面アンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４からマイクロ波を放出させてこれを天板８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てるようになっている。
また、処理容器４の底部４Ａには排気口２４が設けられており、この排気口２４には圧力制御弁２６と第１及び第２の真空ポンプ２８、３０が途中に介設された排気通路３２が接続されており、処理容器４内の雰囲気を真空引きできるようになっている。そして、このような構成において、上記処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて、上記半導体ウエハＷにプラズマエッチングやプラズマ成膜等のプラズマ処理を施すようになっている。
ところで、ウエハに対して所定のプロセス処理を行う場合には、一般的にはこのプロセス処理を行う準備として所定の処理ガスを処理容器４内へ流して圧力制御弁２６で処理容器４内の圧力制御を行い、この圧力が予め規定された一定の圧力に安定した後にプラズマをオンして所定の処理を行うようになっている。
またウエハに対する処理の種類によっては、一枚のウエハに対して供給するガス種を切り替えながら連続的に処理を行う場合がある。このような処理は、いわゆるマルチステップ処理とも称される。このようなマルチステップ処理を行う場合には、１つのステップ処理を終了すると、処理ガスの供給を停止し、処理容器４内の残留ガスを一旦排気して、次に、次のステップ処理のための処理ガスを供給することにより再度上述した圧力安定化のための段取りを行った後に、当該ステップ処理を行うようにしている。
このようなマルチステップ処理の一例を具体的に説明する。図７は、半導体ウエハ上に積層された膜種の異なる積層膜を示す断面図であり、ここでのマルチステップ処理として上記積層膜に対してエッチングガスを変更しながらエッチング処理を施す場合を例にとって説明する。
図７において、被処理体としての半導体ウエハＷの表面には、ＳｉＣ膜３６Ｄ、ＳｉＣＯ膜３６Ｃ、ＳｉＯ２ 膜３６Ｂ、反射防止膜（ＢＡＲＣ）３６Ａが順次積層されており、最上層にはマスクとなるパターン化されたレジスト膜３８が設けられている。ここでは上述のように積層されたＳｉＣ膜３６Ｄを除く各膜をレジスト膜３８のパターンに従ってマルチステップ処理のエッチングを行うことによって、トレンチやホールを形成する。ここでは理解を容易にするために、各膜に対してガス種の異なるエッチングガスを用い、反射防止膜３６ＡはエッチングガスＡで削り、ＳｉＯ２ 膜３６ＢはエッチングガスＢで削り、ＳｉＣＯ膜３６ＣはエッチングガスＣで削るものとする。
このマルチプロセス処理を行うには、まず、処理容器４内へエッチングガスＡを流して反射防止膜３６Ａを削り、次にガス種をエッチングガスＢに切り替えてＳｉＯ２ 膜３６Ｂを削り、次にガス種をエッチングガスＣに切り替えてＳｉＣＯ膜３６Ｃを削るようにする。例えば各膜に対するエッチング時間は、膜厚にもよるが反射防止膜３６Ａが３０秒程度、ＳｉＯ２ 膜３６Ｂが６０秒程度、ＳｉＣＯ膜３６Ｃが６０秒程度である。そして、上記したガス種を切り替える毎に前述したような直前の処理の処理ガスの排気工程と次の処理の処理ガスの圧力の安定化工程を行うようになっている。
特開平９−１８１０５２号公報 特開２００２−３１１８９２号公報
ところで、上述したような処理方法では、圧力制御弁２６を用いてプロセス処理の段取り（圧力安定化）を行う際に、ガスの圧縮性のために処理容器４内の圧力を安定化させるだけで必ず１０秒程度要してしまい、この間は処理が実行できないので、その分、スループットを低下させる原因となっていた。
特に上述したようなマルチステップ処理の場合には、ガス種を切り替える毎に、直前のプロセス用の残留ガスの排気工程と次のプロセス用の処理ガスの圧力安定化工程とを行わなければならないので、スループットを大幅に低下させる原因になっていた。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、プロセス開始時における処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができると共に、ガス種の切り替え時の残留ガスの排気と処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができる処理装置及び処理方法を提供することにある。
請求項１に係る発明は、被処理体に対して所定の処理ガスを用いて所定の処理を行う処理装置において、前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、前記処理容器内へ複数種類の処理ガスを噴射するガス噴射孔を有するガス噴射手段と、前記複数種類の処理ガスと前記ガス噴射手段に接続されるガス流路とを有し、前記ガス噴射手段へ前記複数種類の処理ガスを切り替えにより選択して流量制御しつつ供給するガス供給手段と、前記ガス流路と前記処理容器内とを連通して設けられると共に途中に高速排気用開閉弁が介設された高速排気用バイパス通路と、装置全体を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、前記規定流量の処理ガスを供給するように制御することを特徴とする処理装置処理装置である。
請求項２に係る発明は、被処理体に対して所定の処理ガスを用いて所定の処理を行う処理装置において、前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、前記処理容器内へ複数種類の処理ガスを噴射するガス噴射孔を有するガス噴射手段と、前記複数種類の処理ガスと前記ガス噴射手段に接続されるガス流路とを有し、前記ガス噴射手段へ前記複数種類の処理ガスを切り替えにより選択して流量制御しつつ供給するガス供給手段と、前記ガス流路と前記排気系とを連通して設けられると共に途中に高速排気用開閉弁が介設された高速排気用バイパス通路と、装置全体を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、前記規定流量の処理ガスを供給するように制御することを特徴とする処理装置である。
このように、処理容器内に収容した被処理体に対して、所定の処理を開始する時に処理容器内の雰囲気を排気している状態で所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、規定流量の処理ガスを供給するように制御したので、プロセス開始時における処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができる。
この場合、例えば請求項３に規定するように、前記所定の短時間は、前記処理容器の容積と、前記所定の処理時のプロセス圧力と、前記処理容器内を前記プロセス圧力まで昇圧するまでに必要とされる時間とによって定まる。
また例えば請求項４に規定するように、前記所定の短時間は、３秒以内である。
また例えば請求項５に規定するように、前記制御手段は、前記大きな流量の処理ガスの供給と同時に前記圧力制御弁に向けて前記所定の処理のプロセス圧力に対応する弁開度に設定する指示を行う。
また例えば請求項６に規定するように、前記制御手段は、前記大きな流量の処理ガスを所定の短時間流す直前に、前記ガス流路内に残留する直前の処理の処理ガスを排出させるために前記高速排気用開閉弁を短時間だけ開状態にする。
これによれば、ガス種の切り替え時の残留ガスの排気と処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができる。
また例えば請求項７に規定するように、前記ガス噴射手段は、複数のガス噴射孔を有するシャワーヘッドよりなる。
また例えば請求項８に規定するように、前記被処理体を加熱するための加熱手段が設けられる。
また例えば請求項９に規定するように、前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段が設けられる。
請求項１０に係る発明は、排気可能になされた処理容器内に複数種類の処理ガスを切り替えて選択的に供給して被処理体に対して所定の処理を施すようにした処理方法において、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記処理ガスを供給するガス流路内に残留する直前の処理時の処理ガスを高速排気用バイパス通路を介して前記処理容器内、或いは排気系へ排出し、該排出の後に前記処理ガスを切り替えて流す際に、前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給し、その後、前記規定流量の処理ガスを供給するようにしたことを特徴とする処理方法である。
本発明の関連技術は、被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、前記処理容器内へ処理ガスを噴射するガス噴射孔を有するガス噴射手段と、前記ガス噴射手段へ流量制御しつつ前記処理ガスを供給するガス供給手段と、を備えた処理装置を用いて前記被処理体に対して所定の処理を行うに際して、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、前記規定流量の処理ガスを供給するように前記処理装置を制御するプログラムを記憶する記憶媒体である。
本発明に係る処理装置及び処理方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
処理容器内に収容した被処理体に対して、所定の処理を開始する時に処理容器内の雰囲気を排気している状態で所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、規定流量の処理ガスを供給するように制御したので、プロセス開始時における処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができる。
特に請求項６に係る発明によれば、制御手段は、大きな流量の処理ガスを所定の短時間流す直前に、ガス流路内に残留する直前の処理の処理ガスを排出させるために前記高速排気用開閉弁を短時間だけ開状態にするので、ガス種の切り替え時の残留ガスの排気と処理容器内の圧力安定化を迅速に行うことができる。
以下に、本発明に係る処理装置及び処理方法の一実施例の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る処理装置の一例を示す構成図である。ここでは処理装置としてプラズマ処理装置を例にとって説明する。
図示するように、処理装置としてのプラズマ処理装置４０は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器４２を有しており、内部は密閉された処理空間として構成されて、この処理空間にプラズマが形成される。この処理容器４２自体は接地されている。
この処理容器４２内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する円板状の載置台４４が収容される。この載置台４４は、例えばアルミナ等のセラミックにより平坦になされた略円板状に形成されており、例えばアルミニウム等よりなるＬ字状に屈曲された支持アーム４６を介して容器側壁より支持されている。
この載置台４４の上面側には、内部に例えば網目状に配設された導体線を有する薄い静電チャック５０が設けられており、この載置台４４上、詳しくはこの静電チャック５０上に載置されるウエハＷを静電吸着力により吸着できるようになっている。そして、この静電チャック５０の上記導体線は、上記静電吸着力を発揮するために配線５２を介して直流電源５４に接続されている。またこの配線５２には、例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波電力を上記静電チャック５０の導体線へ印加するためにバイアス用高周波電源５６が接続されている。またこの載置台４４内には、抵抗加熱ヒータよりなる加熱手段５８が設けられており、ウエハＷを必要に応じて加熱するようになっている。
また、上記載置台４４には、ウエハＷの搬出入時にこれを昇降させる複数、例えば３本の図示しない昇降ピンが設けられている。また上記載置台４４の全体は耐熱材料、例えばアルミナ等のセラミックにより構成されている。また、この処理容器４２の側壁には、この内部に対してウエハＷを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ４８が設けられ、更に、容器底部６０には、容器内の雰囲気を排出する排気口６２が設けられる。
そして、上記排気口６２には、処理容器４２内の雰囲気を排気、例えば真空排気するために排気系６４が接続されている。具体的には、上記排気系６４は上記排気口６２に接続された排気通路６６を有している。この排気通路６６の最上流側には、例えばゲートバルブよりなる圧力制御弁６８が介設され、更に下流側に向けて例えばターボ分子ポンプよりなる第１の真空ポンプ７０や例えばドライポンプよりなる第２の真空ポンプ７２等が順次介設されている。そして、処理容器４２の側壁には例えばキャパマノメータよりなる圧力検出器７４が設けられており、ここで測定した容器内の圧力を上記圧力制御弁６８に入力してフィードバック制御を行い得るようになっている。
そして、処理容器４２の天井部は開口されて、ここに例えばＡｌ２ Ｏ３ 等のセラミック材や石英よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する天板７６がＯリング等のシール部材７８を介して気密に設けられる。この天板７６の厚さは耐圧性を考慮して例えば２０ｍｍ程度に設定される。
そして、この天板７６の上面に上記処理容器４２内でプラズマを立てるためのプラズマ形成手段８０が設けられている。具体的には、このプラズマ形成手段８０は、上記天板７６の上面に設けられた円板状の平面アンテナ部材８２を有しており、この平面アンテナ部材８２上に遅波材８４が設けられる。この遅波材８４は、マイクロ波の波長を短縮するために高誘電率特性を有している。上記平面アンテナ部材８２は、上記遅波材８４の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱８６の底板として構成され、前記処理容器４２内の上記載置台４４に対向させて設けられる。
この導波箱８６及び平面アンテナ部材８２の周辺部は共に処理容器４２に導通されると共に、この導波箱８６の上部の中心には、同軸導波管８８の外管８８Ａが接続され、内部導体８８Ｂは、上記遅波材８４の中心の貫通孔を通って上記平面アンテナ部材８２の中心部に接続される。そして、この同軸導波管８８は、モード変換器９０及び導波管９２を介してマッチング（図示せず）を有する例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器９４に接続されており、上記平面アンテナ部材８２へマイクロ波を伝搬するようになっている。
上記平面アンテナ部材８２は、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には、例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔９６が形成されている。このマイクロ波放射孔９６の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよい。
そして、上記載置台４４の上方には、この処理容器４２内へ処理に必要な処理ガスを噴射するためのガス噴射手段９８が設けられており、このガス噴射手段９８には、これに流量制御しつつ処理ガスを供給するガス供給手段１００が接続されている。具体的には、このガス噴射手段９８は、例えば石英製のガス流路を格子状に形成してこのガス流路の途中に多数のガス噴射孔１０２を形成してなるシャワーヘッドよりなっている。上記ガス噴射孔１０２の直径は、処理容器４２内へガスを均一的に噴出するようにするために、例えば０．５ｍｍ以下に設定してコンダクタンスを少し低目に設定している。尚、このシャワーヘッドとしては全体を箱形容器状に成形して、その下面に複数のガス噴射孔を形成した構造のものもあり、その形状は特に限定されない。
また上記ガス供給手段１００は、その先端部が上記ガス噴射手段９８に接続されるガス流路１０４を有している。このガス流路１０４の基端部は、複数、ここでは３つに分岐されており、各分岐路にはそれぞれガス源１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃが接続されて、必要に応じて各ガスを供給できるようになっている。ここでは発明の理解を容易にするために、各ガス源１０４Ａ〜１０４Ｃには、処理ガスとして先に図７を参照して説明した時に用いられた互いに異なるエッチングガスＡ〜Ｃがそれぞれ貯留されているものとする。尚、実際には、更にＮ２ ガス等の不活性ガスの供給源が設けられるが、ここでは図示省略している。
そして、上記各分岐路の途中には、それぞれに流れるガス流量を制御する流量制御器１０６Ａ〜１０６Ｃが、それぞれ介設されると共に、各流量制御器１０６Ａ〜１０６Ｃの上流側と下流側とには、それぞれ開閉弁１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃが介設されており、上記各ガスを必要に応じてそれぞれ流量制御しつつ流すようになっている。ここで上記流量制御器１０６Ａ〜１０６Ｃとしては、上下流側の圧力差に基づいて瞬時に多量のガスを流すことができると共に、微細流量も精度良く制御することができるフローコントロールシステムを用いるのがよい。
そして、上記ガス供給手段１００のガス流路１０４と上記処理容器４２内とを連通するようにして本発明の特徴とする高速排気用バイパス通路１１０が設けられている。この高速排気用バイパス通路１１０の途中には、高速排気用開閉弁１１２が介設されており、必要に応じてこの通路の連通及び遮断を行うようになっている。
これにより、必要時にこのガス流路１０４内に残留する処理ガス（エッチングガス）を高速で処理容器４２側へ排出できるようになっている。この場合、この高速排気用バイパス通路１１０の処理容器４２内におけるガス出口１１０Ａは、載置台４４の水平レベルよりも下方側に位置させるのがよく、処理容器４２内へ排出されたエッチングガスが載置台４４上のウエハＷに直接晒されないようにする。また上記高速排気用バイパス通路１１０としては、処理容器４２内の圧力等にもよるが、排気のコンダクタンスを大きくするためにできるだけ内径が大きな配管、例えば内径が７ｍｍ以上の配管を用いるのが好ましい。
そして、このプラズマ処理装置４０の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段１１４により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフロッピやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やフラッシュメモリ等の記憶媒体１１６に記憶されている。具体的には、この制御手段１１４からの指令により、各処理ガスの供給や流量制御、マイクロ波や高周波の供給や電力制御、高速排気用開閉弁１１２の開閉制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置４０を用いて行なわれる処理方法について説明する。ここではプラズマ処理として、図７を用いて説明したように、エッチングガスＡ〜Ｃを切り替えながら供給して、図７中の反射防止膜３６Ａ、ＳｉＯ２ 膜３６Ｂ、ＳｉＣＯ膜３６Ｃを順次エッチングする場合を例にとって説明する。また上述したように、以下に説明する各動作、例えば各ガスの給排や流量制御、弁開度の制御等は上記記憶媒体１１６に記憶されたプログラムに基づいて行われる。
まず、ゲートバルブ４８を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４２内に収容し、図示しない昇降ピンを上下動させることによりウエハＷを載置台４４の上面の載置面に載置し、そして、このウエハＷを静電チャック５０により静電吸着する。
このウエハＷは加熱手段を設けている場合には、これにより所定のプロセス温度に維持され、必要な処理ガス、例えばここではエッチング処理を行うのでガス供給手段１００からガス流路１０４を介してエッチングガスを所定の流量で流してシャワーヘッドよりなるガス噴射手段９８のガス噴射孔１０２より処理容器４２内へ噴射して供給し、これと同時に排気系６４の真空ポンプ７０、７２が駆動されており、圧力制御弁６８を制御して処理容器４２内を所定のプロセス圧力に維持する。これと同時に、プラズマ形成手段８０のマイクロ波発生器９４を駆動することにより、このマイクロ波発生器９４にて発生したマイクロ波を、導波管９２及び同軸導波管８８を介して平面アンテナ部材８２に供給して処理空間Ｓに、遅波材８４によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これにより処理空間Ｓにプラズマを発生させて所定のプラズマを用いたエッチング処理を行う。
このように、平面アンテナ部材８２から処理容器４２内へマイクロ波が導入されると、各ガスがこのマイクロ波によりプラズマ化されて活性化され、この時発生する活性種によってウエハＷの表面にプラズマによるエッチング処理が施される。またプラズマ処理に際しては、バイアス用高周波電源５６より静電チャック５０中の導体線へバイアス用の高周波が印加されており、これにより、活性種等をウエハ表面に対して直進性良く引き込むようにしている。
ここで上述したプラズマ処理中においては、上述したように処理容器４２内の雰囲気は、排気系６４の真空ポンプ７０、７２を駆動して真空引きされているので、処理空間Ｓから拡散しつつ載置台４４の周辺部を下方に流れ、更に排気口６２から排気系６４側へ流れて行く。そして、処理容器４２内の圧力は、圧力検出器７４で検出され、所望のプロセス圧力を維持するように圧力制御弁６８をフィードバック制御する。
さて、上述のようにして行われるエッチング処理は、ここでは前述したようにマルチステップ処理となっており、図７中に示す各膜３６Ａ〜３６Ｃを順に同一容器内で連続してエッチングして行く。この場合、エッチング対象となる膜が異なる毎に使用するエッチングガスをエッチングガスＡからエッチングガスＣまで切り替えて供給することになる。すなわち、１つのエッチングステップ処理を完了する毎に、マイクロ波発生器９４をオフしてプラズマを停止させると共に、その時供給していたエッチングガスの供給を停止し、残留ガスを処理容器４２内やガス流路１０４から排除し、次に別のガス種の異なるエッチングガスを供給して、すなわちエッチングガスを切り替えて処理容器４２内の圧力を安定化し、安定化した後にマイクロ波発生器９４を再度オンすることによってプラズマを立てて次のエッチングステップ処理を開始する。
そして、所定の時間の処理が完了したならば、上述したような動作を繰り返し行って、連続的にエッチング処理を行うことになる。これによって、各エッチングガスＡ〜Ｃが順に切り替わって行く。尚、この間は連続的に処理容器４２内は真空引きされているのは前述した通りである。上記各エッチングステップ処理を行う場合、各エッチングガスＡ〜Ｃ毎に流すべき規定流量（ガス流量）、プロセス圧力、プロセス時間（エッチング時間）等が予め定まっており、プログラム化されている。
ここで従来の処理方法にあっては、各エッチングステップ処理を開始するに当たって、エッチングガスを当初より定められた規定流量で一定量で流すようにしているので、このエッチングガスが処理容器４２内に一杯になってプロセス圧力が安定化するまでにある程度以上の時間を要し、また、ガス供給手段１００のガス流路１０４に直前の処理のエッチングガスが残留している場合には、この残留ガスを排除するにもある程度以上の時間を要し、スループットの低下の原因となっていた。
これに対して、本発明方法では、各エッチングステップ処理を開始するに当たって、当初は上記規定流量よりも大きな流量、例えば規定流量の３倍程度の流量のエッチングガスを所定の短時間、例えば１秒間程度供給し、その後、直ちに流量を減少させて規定流量で流すようにするので、その結果、早く圧力安定化状態にできてエッチング処理を開始でき、その分、スループットを向上させることができる。
また、上記エッチングガスを流す直前に、処理容器４２内の残留ガスを排除する時に、高速排気用開閉弁１１２を短時間だけ開状態にしてガス流路１０４内に残留する直前の処理のエッチングガスを排気コンダクタンスの大きな高速排気用バイパス通路１１０を介して処理容器４２内へ迅速に排出するようにしている。この場合、上記高速排気用バイパス通路１１０を設けていない場合には、ガス流路１０４内の残留ガスはシャワーヘッドを介して処理容器４２内へ抜けることになるが、このシャワーヘッドであるガス噴射手段９８の排気コンダクタンスは小さいので、上記ガス流路１０４内の残留ガスがシャワーヘッドを介して処理容器４２内へ抜けるには比較的長時間を要してしまうので、スループットが低下してしまう。これに対して、本発明では、上記した点に関して高速排気用バイパス通路１１０を設けて残留ガスを迅速に排出するようにしているので、その分、スループットを向上させることができる。
上記したエッチングガスの切り替え時の態様について図２乃至図５を参照してより詳しく説明する。
図２は処理容器内の圧力の変化を示す図であり、図２（Ａ）は従来方法の場合を示し、図２（Ｂ）は本発明方法の場合を示す。図３は処理ガスであるエッチングガスを切り替える時のタイミングチャートの一例を示す図であり、図２（Ｂ）中の一部を時間的に拡大して示している。図４は本発明方法の各工程を示すフローチャートである。ここでは一例としてエッチングガスＡからエッチングガスＢへ切り替える時の状態を示しており、エッチングガスＢからエッチングガスＣへ切り替える時も同様に行われている。
図中において、”ＲＦオン”はプラズマが立てられてエッチング処理が実際に行われている期間を示し、”ＲＦオン”同士の間は、直前のエッチング処理が終了してエッチングガスの切り替えが終わって処理容器４２内の圧力が安定するまでの期間である。この結果、図２（Ａ）に示す従来方法の場合には、圧力安定化までの期間Δｔ１は１０秒程度であったのに対して、図２（Ａ）に示す本発明の場合には圧力安定化までの期間Δｔ２は２秒程度まで短縮しており、スループットを大幅に向上できることが判る。
次に、上記エッチングガスの切り替え操作について、図３及び図４も参照して具体的に説明する。
図３中において、図３（Ａ）はエッチングガスＡの流量の変化を示し、図３（Ｂ）はエッチングガスＢの流量の変化を示し、図３（Ｃ）は高速排気用開閉弁の開閉状況を示し、図３（Ｄ）は圧力制御弁の弁開度を示し、図３（Ｅ）は処理容器内の圧力変化を示す。
まず、直前の工程であるエッチングガスＡによるエッチング処理が行われており、このガスに対して予め定められた規定流量でエッチングガスＡが流されている。そして、時刻Ｐ１でエッチングガスＡによるエッチング処理が完了すると（図４におけるＳ１のＹＥＳ）、エッチングガスＡを供給していたガス流路の開閉弁１０８Ａが閉じられて、このエッチングガスＡの供給を停止する（Ｓ２）。これと同時に、高速排気用開閉弁１１２を開状態にし（Ｓ３）、更に圧力制御弁６８を十分に大きな弁開度に設定する（Ｓ４）。
これにより、処理容器４２内の残留ガスを迅速に排気すると共に、上記ガス供給手段１００のガス流路１０４内に残留するエッチングガスＡを排気コンダクタンスの大きな高速排気用バイパス通路１１０を介して高真空になっている処理容器４２内へ排出する。この際、シャワーヘッドよりなるガス噴射手段９８内の残留ガスは、この直径の小さなガス噴射孔１０２の部分の排気コンダクタンスが小さいので、上記ガス流路１０４内を逆流し、更に高速排気用バイパス通路１１０内を通って処理容器４２内へ排出されることになる。
この処理容器４２内の残留ガスは直ちに排気系６４側へ排出されて行く。この結果、シャワーヘッドよりなるガス噴射手段９８内やガス流路１０４内や処理容器４２内の残留ガス（エッチングガスＡ）は迅速に系外へ排出されることになるので、図３（Ｅ）に示すように、処理容器４２内の圧力を急激に低下させることができる。この際、圧力制御弁６８の弁開度は、この部分の排気コンダクタンスを十分に大きくするために通常の圧力制御範囲より大きい弁開度５０％にしているが、周知のように、例えば弁開度５０〜１００％の範囲では排気コンダクタンスは飽和してしまってほとんど変化せず、また、弁開度１００％に設定すると、その後で圧力制御のために弁開度を２０％程度に設定すると、その弁開度に達するまでに弁動作時間が長くなってしまうので、上述のように弁開度５０％程度に設定している。ここで弁開度とは、圧力制御弁６８の弁口において実際に排気ガスが流れる領域を示し、弁口が半分開いたときには弁開度は５０％であり、弁口が全開のときには弁開度は１００％である。
このようにして所定の時間、例えば０．５秒程度経過したならば（Ｓ５のＹＥＳ）、時刻Ｐ２において高速排気用開閉弁１１２を閉状態に切り替え（Ｓ６）、次の処理のためにエッチングガスＢ用の開閉弁１０８Ｂを開状態にしてエッチングガスＢの供給を開始する（Ｓ７）。この時、このエッチングガスＢの流量は、このプロセス時のために予め定められた規定流量ではなく、これよりも大きな流量、例えば上記規定流量Ｍ１の３倍の流量Ｍ２となるように流量制御器１０５Ｂを設定し、この大流量でエッチングガスＢを流し始める。
これと同時に、圧力制御弁６８に対しては、このエッチングガスＢのプロセス時の設定圧力に対応する弁開度となるように指示を出す（Ｓ８）。このような弁開度は、設定圧力が予め定められているので、これに対応する弁開度が略定まっており、この弁開度に向けて圧力制御弁６８が動作するように指示を出す。尚、プロセス時の弁開度は通常５〜２０％程度の範囲で圧力制御が行われている。
この動作により、図３（Ｅ）に示すように、処理容器４２内の圧力は、従来方法の場合よりも遥かに急激に上昇して行くことになる（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）。
このように所定の短時間Δｔ３、例えば１秒間だけエッチングガスＢを大流量で供給したならば（Ｓ９のＹＥＳ）、時刻Ｐ３において、エッチングガスＢの流量を、このプロセス時の規定流量Ｍ１に設定し、更に、この状態で流量制御器１０６Ｂをフィードバック制御による自動化運転に切り換える（Ｓ１０）。
ここで上記エッチングガスＢの大流量の供給時の流量Ｍ２の大きさは、処理容器４２の容量Ｖと、このエッチングガスＢを用いたエッチング処理のプロセス圧力Ｐと、処理容器４２内を上記プロセス圧力まで昇圧するまでに必要とされる時間Ｔとによって決められる。例えば処理容器４２内の容積Ｖを４０リットル、プロセス圧力Ｐを１Ｐａとすると、１気圧のエッチングガスＢの必要量Ｖｏ１は概略で次の式のようになる。
Ｖｏ１＝Ｖ・１０３ ×Ｐ・１０−５＝４０×１０３ ×１×１０−５＝０．４［ｃｃ］
従って、処理容器４２内をプロセス圧力まで昇圧するまで必要とされる時間Ｔを１秒とすると、次の式で表される大流量Ｍ２でエッチングガスＢを流せばよいことになる。
Ｍ２＝０．４×６０（ｓｅｃ）＝２４ｓｃｃｍ
尚、これらの数値は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
上述のように、時刻Ｐ３においてエッチングガスＢの供給量を規定流量Ｍ１に設定すると、エッチングガスＢの供給量は規定流量Ｍ１となり、今後、処理容器４２内の圧力は僅かに変動する。そして、圧力が安定化するに要する時間Δｔ４、例えば０．５秒程度経過した時に（Ｓ１１のＹＥＳ）、時刻Ｐ４において処理容器４２内の圧力が安定したものと見做して、圧力制御弁６８をフィードバック制御による自動化運転に切り換え（Ｓ１２）、プラズマを立ててエッチングガスＢによる所定のエッチング処理を所定の時間実行する（Ｓ１３）。
これ以降は、エッチングガスＢによるエッチング処理が完了したならば、上述した手順と同じ手順を行って、エッチングガスＣの処理へ移行することになる（Ｓ１４）。
以上のように、本発明方法では、各エッチングステップ処理を開始するに当たって、当初は上記規定流量よりも大きな流量、例えば規定流量の３倍程度の流量のエッチングガスを所定の短時間、例えば１秒間程度供給し、その後、直ちに流量を減少させて規定流量で流すようにするので、その結果、早く圧力安定化状態にできてエッチング処理を開始でき、その分、スループットを向上させることができる。
また、上記エッチングガスを流す直前に、処理容器４２内の残留ガスを排除する時に、高速排気用開閉弁１１２を短時間だけ開状態にしてガス流路１０４内に残留する直前の処理のエッチングガスを排気コンダクタンスの大きな高速排気用バイパス通路１１０を介して処理容器４２内へ迅速に排出するようにしている。この場合、上記高速排気用バイパス通路１１０を設けていない場合には、ガス流路１０４内の残留ガスはシャワーヘッドを介して処理容器４２内へ抜けることになるが、このシャワーヘッドであるガス噴射手段９８の排気コンダクタンスは小さいので、上記ガス流路１０４内の残留ガスがシャワーヘッドを介して処理容器４２内へ抜けるには比較的長時間を要してしまうので、スループットが低下してしまう。これに対して、本発明では、上記した点に関して高速排気用バイパス通路１１０を設けて残留ガスを迅速に排出するようにしているので、その分、スループットを向上させることができる。
尚、上記実施例では、高速排気用バイパス通路１１０の下流側のガス出口１１０Ａを処理容器４２内に臨むように設けたが、これに限定されず、この高速排気用バイパス通路１１０の下流側を、排気系６４の排気通路６６側に接続して、ガス流路１０４内等の残留ガスを直接的に排気系６４側へ排出するようにしてもよい。しかし、ガス流路１０４内に残留するエッチングガスを排出する容器としての体積は、排気通路６６よりも処理容器４２の方が大きいので、エッチングガスの排出に伴う容器内の圧力上昇は処理容器４２の方が低く抑えられ、トータル的にはガス出口１１０Ａは処理容器４２に臨むように設けることが好ましい。
また上記実施例では、高速排気用バイパス通路１１０を設けてガス供給手段１００のガス流路１０４内やシャワーヘッド内の残留ガスを処理容器４２側へ吸引排気して迅速に抜くようにしたが、この高速排気用バイパス通路１１０を設けないようにしてもよい。この場合には、新たな処理ガス（エッチングガス）の供給を開始した時の所定の短時間Δｔ３だけ大きな流量でエッチングガスを流すだけであって、ガス流路１０４内やシャワーヘッド内の残留ガスを吸引排気しない分、図２（Ｂ）に示す場合と比較して残留ガスの排出にある程度時間を要してしまうが、それでも、図２（Ａ）に示す従来方法よりは、短時間で残留ガスの排出を行うことができる。
換言すれば、図３（Ｃ）に示す残留ガス強制排除の工程がなくなるので、残留ガスの排出のための時間、すなわち時刻Ｐ１−Ｐ２間が長くなるが、それでも図２（Ａ）に示す従来方法の場合よりはガスの切り替えに要する時間を短くすることができる。この時の処理容器４２内の圧力変化の状態は図２（Ｃ）に示されており、処理ガスの安定化までの時間Δｔ５は、図２（Ｂ）に示す時間Δｔ２よりは少し長くなってしまうが、図２（Ａ）に示す従来方法の時間Δｔ１よりは短縮されて、例えば４秒程度になっており、全体的にスループットの向上を図ることができる。
また本実施例１では、所定の処理としてプラズマを用いたプラズマエッチング処理を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマＣＶＤ処理、プラズマＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜処理、プラズマスパッタ処理、プラズマ改質処理等の全ての処理に適用することができ、特に、途中でガス種を切り替えて供給するようなマルチステップ処理に有効である。
更には、本発明は、プラズマを用いない処理、例えば熱ＣＶＤ処理、ＡＬＤ成膜処理、酸化拡散処理、改質処理等の全ての処理に適用でき、特に途中でガス種を切り替えて供給するような処理、例えばＡＬＤ処理に特に有効である。例えば図５は本発明の処理装置の変形例を示す断面図であり、ここで本発明を熱処理装置に適用した場合を示している。尚、図１に示す構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付してある。
この熱処理装置は、熱ＣＶＤ処理や成膜ガスの切り替えを繰り返しながら一層ずつ薄膜を形成するＡＬＤ成膜処理を行うものである。
ここで載置台４４内にウエハ加熱用の抵抗加熱ヒータよりなる加熱手段５８を埋め込んでおり、またガス噴射手段９８は箱形容器状のシャワーヘッドで構成され、内部には拡散板１２０が設けられている。尚、上記加熱手段５８として、載置台を薄い円板状に形成してこれを下方より加熱する加熱ランプを用いる場合もある。
また、ガス供給手段１００の一例として、ここでは３種類の成膜ガスＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ貯留する３つのガス源１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃを有しており、これらの成膜ガスＡ、Ｂ、Ｃを切り替えて供給するようにしている。そして、ここでもガス流路１０４と処理容器４２との間を、途中に高速排気用開閉弁１１２を介設した高速排気用バイパス通路１１０により連通するようにしている。この場合にも、先に説明した実施例と同様な作用効果を発揮することができる。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
本発明に係る処理装置の一例を示す構成図である。 処理容器内の圧力の変化を示す図である。 処理ガスであるエッチングガスを切り替える時のタイミングチャートの一例を示す図である。 本発明方法の各工程を示すフローチャートである。 本発明の処理装置の変形例を示す断面図である。 従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 半導体ウエハ上に積層された膜種の異なる積層膜を示す断面図である。
符号の説明
４０ プラズマ処理装置（処理装置）
４２ 処理容器
４４ 載置台
５８ 抵抗加熱ヒータ（加熱手段）
６４ 排気系
６６ 排気通路
６８ 圧力制御弁
７４ 圧力検出器
８０ プラズマ形成手段
８２ 平面アンテナ部材
９４ マイクロ波発生器
９８ ガス噴射手段
１００ ガス供給手段
１１０ 高速排気用バイパス通路
１１２ 高速排気用開閉弁
１１４ 制御手段
１１６ 記憶媒体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (10)

  1. 被処理体に対して所定の処理ガスを用いて所定の処理を行う処理装置において、
    前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、
    前記処理容器内へ複数種類の処理ガスを噴射するガス噴射孔を有するガス噴射手段と、
    前記複数種類の処理ガスと前記ガス噴射手段に接続されるガス流路とを有し、前記ガス噴射手段へ前記複数種類の処理ガスを切り替えにより選択して流量制御しつつ供給するガス供給手段と、
    前記ガス流路と前記処理容器内とを連通して設けられると共に途中に高速排気用開閉弁が介設された高速排気用バイパス通路と、
    装置全体を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、前記規定流量の処理ガスを供給するように制御することを特徴とする処理装置。
  2. 被処理体に対して所定の処理ガスを用いて所定の処理を行う処理装置において、
    前記被処理体を載置する載置台が内部に設けられた処理容器と、
    前記処理容器内の雰囲気を排気するための真空ポンプと圧力制御弁とを有する排気系と、
    前記処理容器内へ複数種類の処理ガスを噴射するガス噴射孔を有するガス噴射手段と、
    前記複数種類の処理ガスと前記ガス噴射手段に接続されるガス流路とを有し、前記ガス噴射手段へ前記複数種類の処理ガスを切り替えにより選択して流量制御しつつ供給するガス供給手段と、
    前記ガス流路と前記排気系とを連通して設けられると共に途中に高速排気用開閉弁が介設された高速排気用バイパス通路と、
    装置全体を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給した後に、前記規定流量の処理ガスを供給するように制御することを特徴とする処理装置。
  3. 前記所定の短時間は、前記処理容器の容積と、前記所定の処理時のプロセス圧力と、前記処理容器内を前記プロセス圧力まで昇圧するまでに必要とされる時間とによって定まることを特徴とする請求項１又は２記載の処理装置。
  4. 前記所定の短時間は、３秒以内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の処理装置。
  5. 前記制御手段は、前記大きな流量の処理ガスの供給と同時に前記圧力制御弁に向けて前記所定の処理のプロセス圧力に対応する弁開度に設定する指示を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の処理装置。
  6. 前記制御手段は、前記大きな流量の処理ガスを所定の短時間流す直前に、前記ガス流路内に残留する直前の処理の処理ガスを排出させるために前記高速排気用開閉弁を短時間だけ開状態にすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の処理装置。
  7. 前記ガス噴射手段は、複数のガス噴射孔を有するシャワーヘッドよりなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の処理装置。
  8. 前記被処理体を加熱するための加熱手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の処理装置。
  9. 前記処理容器内にプラズマを立てるプラズマ形成手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の処理装置。
  10. 排気可能になされた処理容器内に複数種類の処理ガスを切り替えて選択的に供給して被処理体に対して所定の処理を施すようにした処理方法において、
    前記所定の処理を開始する時に前記処理容器内の雰囲気を排気している状態で前記処理ガスを供給するガス流路内に残留する直前の処理時の処理ガスを高速排気用バイパス通路を介して前記処理容器内、或いは排気系へ排出し、該排出の後に前記処理ガスを切り替えて流す際に、前記所定の処理時の規定流量よりも大きな流量の処理ガスを所定の短時間だけ供給し、その後、前記規定流量の処理ガスを供給するようにしたことを特徴とする処理方法。
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