JP7340723B1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ガスのクラスター化を抑制し、安定的にガスを供給することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。本発明のプラズマ処理装置の一つは、ガスの流量を調整する集積ガスボックスと放電部を備えたプラズマ処理装置であって、前記集積ガスボックスは、前記ガスが流れる流路と、前記流路を加熱するヒータと、前記流路に設けられたバイパス経路と、前記ガスの流入量を検出し、前記流路から前記放電部へガスを出力する流量制御装置と、を備えるガスブロックを有する。前記ヒータは、前記ガスの種類に基づいて所定の温度に加熱する。前記所定の温度は、例えば６５℃以上である。前記バイパス経路は、前記流路を流れるガスの圧力に変化を生じさせる流路を有する。

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
従来から、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、フッ化水素（ＨＦ）を用いたエッチング手法が知られている。このため、フッ化水素を用いるための様々なプラズマ処理装置が考案されている。
例えば、特開２０１６－０２５１９５号公報（特許文献１）には、表面に化学蒸着法または原子層堆積法により形成された第１の酸化シリコン膜を有し、さらに第１の酸化シリコン膜に隣接して、熱酸化膜からなる第２の酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を有する被処理基板をチャンバー内に配置し、チャンバー内に、ＨＦガスと、アルコールガスまたは水蒸気とを供給し、これにより第１の酸化シリコン膜を第２の酸化シリコン膜および窒化シリコン膜に対して選択的にエッチングすることが開示されている。
さらに、特開２００４－２６４８８１号公報（特許文献２）には、オリフィス上流側のガスの圧力Ｐ１とオリフィス下流側のガスの圧力Ｐ２との比Ｐ２／Ｐ１を気体の臨界圧力比以下に保持した状態でオリフィスを流通するガスの流量ＱをＱ＝ＫＰ１（但しＫは定数）として演算するようにした圧力式流量制御装置を用いた弗化水素ガスの流量制御方法において、前記圧力式流量制御装置を４０℃以上の温度に加温しつつ、弗化水素ガスを前記オリフィスを通して流通させることが開示されている。
特開２０１６－０２５１９５号公報 特開２００４－２６４８８１号公報
しかしながら従来技術においては、フッ化水素（ＨＦ）のようなガスは、温度や圧力によって分子同士が引き合う分子会合の状態が異なるという特性を考慮に入れていなかった。例えば、フッ化水素のようなガスは、常温以下では供給路内でクラスター化するため、分子のクラスター化によって、見かけの流量が変わることを想定していない。このため、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）からのガスの流量の出力表示と実際に流れ出たガス量が合致せず、正確な流量制御を妨げウエハ処理に影響を与えることがあった。
そこで、本発明は、ガスのクラスター化を抑制し、安定的にガスを供給することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、ガスの流量を調整する集積ガスボックスと放電部とを備えたプラズマ処理装置であって、前記集積ガスボックスは、前記ガスが流れる流路と、前記流路を加熱するヒータと、前記流路に設けられたバイパス経路と、前記ガスの流入量を検出し、前記流路から前記放電部へガスを出力する流量制御装置と、を備えるガスブロックを有する。
本発明によれば、ガスのクラスター化を抑制し、安定的にガスを供給することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の集積ガスボックスを模式的に示す図である。 図３は、フッ化水素のガスブロックを模式的に示す図である。 図４は、バイパスブロックの構成を模式的に示す図である。 図５は、第１実施形態の変形例１に係るバイパスブロックの断面図である。 図６は、第１実施形態の変形例２に係るバイパスブロックの断面図である。 図７は、マスフローコントローラが９０℃のときの設定流量と実流量の間の関係を示す図である。 図８は、マスフローコントローラが４０℃のときの設定流量と実流量の間の関係を示す図である。 図９は、ガスブロックの上流側の温度設定と出力される流量の間の関係を示す図である。 図１０は、ＨＦガスの分子量と温度の間の関係を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
本開示において、方向を示すために、図面上に表記されたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に示す方向を用いることがある。さらに、「ｚ軸プラス方向」を「上方」、「ｚ軸マイナス方向」を「下方」ということもある。
［第１実施形態］
以下、図１から図４を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
＜プラズマ処理装置＞
図１を参照して、プラズマ処理装置の構成を説明する。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。第１実施形態では、プラズマ処理装置の類型として、ドライエッチング装置を取り上げる。
ドライエッチング装置は、真空容器内部に、ウエハが配置される処理室及びその上方で内側にプラズマが形成される放電部と、処理室の上方（ｚ軸プラス方向）で処理室と放電部との間を連通して放電部内のガスやプラズマの粒子が通る通路の周囲を囲んで配置されたランプとを備える。
このようなドライエッチング装置においては、まず、処理室内のウエハ上面の処理対象の膜に放電部で形成された反応性を有した粒子を供給し、これを処理対象の膜に吸着させ、反応させて反応生成物の層を形成する工程（吸着工程）を実施する。そして、次に、ウエハを加熱して適切な温度に設定し、反応生成物の層をウエハの表面から脱離あるいは気化させて除去する工程（脱離工程）を実施する。これによって、処理対象の膜に等方的なエッチングを施すことができる。
図１に示されるプラズマ処理装置１００は、大きく分けて真空容器１０１と、その外周を囲んで配置され真空容器１０１内部に電界を発生させプラズマを形成するプラズマ形成部（ＩＣＰコイル１０９、整合器１１０、高周波電源１１１）と、真空容器１０１の下方（ｚ軸マイナス方向）に配置され真空容器１０１内部を排気して減圧する排気部（真空ポンプ１０１８、排気量調節バルブ１０１９）とを備えている。
真空容器１０１は、放電部１０２と、処理室１０４と、ＩＲランプユニット１０５と、通路１０６及び分散板１０７とを備えている。放電部１０２は、真空容器１０１上部に配置された円筒形状を有した側壁の内側の空間であって内部でプラズマ１０１１が形成される箇所である。処理室１０４は、真空容器１０１下部を構成し円筒形を有した空間であってウエハが上面に載置される試料台１０３を備えた空間である。また、ＩＲランプユニット１０５は、試料台１０３上に載せられたウエハに上方から赤外線を照射して加熱するものである。さらに、通路１０６は、放電部１０２と処理室１０４との間を連結する円筒形の通路である。そして、分散板１０７は、通路１０６の内部に配置されプラズマ１０１１中に生成されたラジカル等の活性を有した粒子（活性種）が内部を処理室１０４に向けて通過する複数の貫通孔を備えた円板状の誘電体で構成されている。
なお、通路１０６及び分散板１０７は上下方向の中心軸は試料台１０３の円形の上面の中心に合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置され、分散板１０７は通路１０６の下端部に位置し、かつ試料台１０３の上方であって試料台１０３に対向する位置に配置されている。
プラズマ処理装置１００の処理室１０４及び放電部１０２は円筒形を有した空間であって、その中心軸は通路１０６のものと同じ軸上またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置されている。処理室１０４と放電部１０２の間は円形の分散板１０７により区分され、分散板１０７の上下の空間は分散板１０７に同心円状に配置された複数の貫通孔を通して連通されている。
放電部１０２の空間は、処理室１０４と連通され内側が所定の真空度の圧力に保たれた石英等の容器であって、プラズマ１０１１からの光が透過可能な材料で構成された円筒型の石英容器１０８の内部に位置する。石英容器１０８の外側にはＩＣＰコイル１０９が石英容器１０８の側壁を囲むように配置されている。ＩＣＰコイル１０９は整合器１１０を介して高周波電源１１１と電気的に接続される。ＩＣＰコイル１０９は、当該高周波電源１１１から供給される高周波電力によって高周波磁界または電界を発生し、放電部１０２内部にプラズマ１０１１を形成させる。
放電部１０２の上方には円形を有した天板１０１４が配置されている。天板１０１４の下部には隙間を開けてシャワープレート１０１５が天板１０１４と連結されて配置されている。処理ガスは、天板１０１４に接続された少なくとも１つのガス供給管１０１６から供給され、天板１０１４とシャワープレート１０１５との間の隙間を介してシャワープレート１０１５の中央部に配置された複数の貫通孔を通して放電部１０２内に上方から導入される。
処理ガスの原子または分子は、ＩＣＰコイル１０９が発生させた電界または磁界によって励起され、電離または解離して、ＩＣＰ放電方式によるプラズマ１０１１が放電部１０２に生成される。第１実施形態のＩＣＰコイル１０９に供給される高周波電力は数十ＭＨｚの周波数帯のものが用いられ、例えば高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚである。
第１実施形態では、プラズマ１０１１の状態は光学的手法で観測できるように構成されている。放電部１０２で生成されるプラズマ１０１１の発光は、放電部１０２に取り付けられたＯＥＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの光学的検出器を用いて検出される。第１実施形態において、放電部１０２を囲む石英容器１０８の外周の側壁上部には受光面が放電部１０２内部に向けて分光器１０１２が取り付けられ、生成されたプラズマ１０１１の発光が内部から石英容器１０８を分光器１０１２の放電部１０２側の受光面を通して受光される。
分光器１０１２では、受光したプラズマ１０１１からの発光を所定の範囲の複数の波長毎の光に分け（分光し）て各波長の光の強度が検出される。分光器１０１２はプラズマ処理装置１００の制御器１０１３と有線あるいは無線による通信可能に接続され、分光器１０１２からの出力は制御器１０１３に送信される。制御器１０１３は、受信した信号から波長ごとの発光の強度を、予め備えられたソフトウエアのアルゴリズムに沿って算出し、当該強度の値あるいはその変化の大きさと基準値とを比較した結果に基づいて放電部１０２内でのプラズマ１０１１の状態や放電部１０２の石英容器１０８内側壁面の状態を検出できる。
また、円形を有した天板１０１４の外周縁部下面と放電部１０２を囲む円筒形の石英容器１０８側壁の上端部上面との間には、Ｏリング等のシール部材が配置されている。シール部材は、放電部１０２および処理室１０４内部が排気部の動作により排気され減圧されるに伴って両者に挟まれて変形して、放電部１０２内部と外部との間を気密に封止する。このように放電部１０２の周囲を囲む石英容器１０８と天板１０１４とは、真空容器１０１を構成する。
処理ガスは、例えば、プラズマ処理装置１００が設置された建屋の床面の下方に配置されたガス種毎のガス供給源から延在して真空容器１０１に接続された配管を通して供給される。また、配管上には、内部に複数のガスの種類ごとに分けられた複数の管路およびこれらの管路上に配置され各種類のガスの通流量あるいは速度を調節するマスフローコントローラを有する箱形状を有した集積ガスボックス１１２が配置されている。当該集積ガスボックス１１２内部では、各処理ガスを供給する管路が合流して複数のガス供給管１０１６に纏められ、集積ガスボックス１１２の外部に延在している。放電部１０２に導入されるガスの通流は、これらのガス供給管１０１６上に配置された開閉バルブ１０１７を開放または閉塞させることによって、調節される。第１実施形態では、処理ガスとして、可燃性ガス、支燃性ガス、及びこれらの混合ガス、あるいは不活性ガスにより希釈されたこれらの混合ガスが用いられる。
処理室１０４の下方には、処理室１０４内部の気体を排気して減圧するためのターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１０１８が配置されて接続されている。処理室１０４の底面を構成する真空容器１０１には、流路の面積を増減して排気の流量または速度を調節する排気量調節バルブ１０１９を介して、真空ポンプ１０１８が連結されている。
なお、処理室１０４内部には、円筒形を有した放電部１０２、処理室１０４及び此等の間を連通する通路１０６の上下方向の中心軸に合致またはこれと見做せる程度に近似した位置に中心軸を有するウエハ１０２０用の載置面を備えた試料台１０３が備えられている。さらに、円筒形を有した試料台１０３は、円筒形を有する金属等の導電性部材から構成された基材を内部に有し、当該基材の内部には試料台１０３上のウエハ１０２０の温度を調節するための冷媒を循環させる冷媒流路（図示せず）が配置されている。
処理室１０４の上方には、通路１０６の外周を囲んでリング状に配置されたＩＲランプユニット１０５が配置されている。ＩＲランプユニット１０５は、円筒形を有する処理室１０４または通路１０６の中心軸から外側に向かう半径方向の異なる３つの位置にリング状に配置された３重のＩＲランプ１０２１、ＩＲランプ１０２１の上方でリング状に配置されＩＲランプ１０２１から放射される電磁波であるＩＲ光を下方の処理室１０４あるいは試料台１０３の載置面及びこの上に載置されたウエハ１０２０に向かうように反射するための反射板１０２２を備えている。さらには、ＩＲランプ１０２１の下方で処理室１０４の上方を覆うと共に通路１０６の円筒形の内周側壁を構成しＩＲ光が透過可能な石英等の材料から構成されたＩＲ光透過窓１０２３とを備えている。
第１実施形態のＩＲランプ１０２１には、半径方向の異なる３つの位置に中心軸から同心状に配置されたサークル型（円形状）の３つのランプが用いられる。なお、各々のＩＲランプ１０２１から放射される電磁波には、可視光から赤外光領域の光を主とした光（ここではＩＲ光と呼ぶ）が用いられる。なお、ＩＲランプ１０２１は電力を供給するランプ用電源１０２４と接続され、両者の間には、ＩＣＰコイル１０９に供給される高周波電力のノイズがＩＲランプ通じてランプ用電源１０２４に到達しないように高周波カットフィルタ１０２５が配置されている。
処理室１０４及び通路１０６の上下方向の中心軸位置から各々の半径位置で同心円状に配置されたＩＲランプ１０２１の３つのランプの各々は、ランプ用電源１０２４から個別に大きさが調節された電力の供給を受け、放射するＩＲ光の強度あるいは量を独立して調節される。ランプ用電源１０２４はプラズマ処理装置１００の動作を調節する制御器１０１３と通信可能に接続され、制御器１０１３からの指令信号を受けたランプ用電源１０２４は当該指令信号に基づいてＩＲランプ１０２１の３つのランプの各々の動作、放射するＩＲ光の量や強度を調節する。第１実施形態は、中心軸周りに同心状に配置されたＩＲランプ１０２１の３つのランプ各々が独立に動作を調節可能に構成されていることで、ウエハ１０２０に対するＩＲ光の放射による加熱する場合、ウエハ１０２０の半径の方向の温度の分布を所望のものに調節することが可能となり、周方向の温度分布についてはばらつきを低減してより均一な分布に近づけることが可能である。
ＩＲランプ１０２１の上方には、放射状に出力されるＩＲ光を下方（試料台１０３またはウエハ１０２０の方向）に向けて反射するため反射板１０２２が配置されている。さらに、ＩＲランプ１０２１の下方の処理室１０４のリング状の天井面およびこれに連なった通路１０６の内周側壁面は、ＩＲ光を通すための石英製のＩＲ光透過窓１０２３の内表面で構成されている。これによって、ＩＲランプ１０２１の３つのランプから処理室１０４の内部及び試料台１０３上のウエハ１０２０の表面に向かって放射されるＩＲ光が遮られる箇所は小さくなるか、あるいはなくなるように配置されている。特に、通路１０６の内周側壁面の下部分と処理室１０４のリング状の天井面部分の内周縁の箇所も同じ石英製で透光性を有した部材で構成されており、処理室１０４または通路１０６の中心方向に向かって放射されるＩＲランプ１０２１からのＩＲ光が万遍なくウエハ１０２０に到達し、効率よくウエハ１０２０を加熱している。
リング状に配置されたＩＲランプユニット１０５の内周部分は上下方向に中心軸を有した円筒形状を有しており、通路１０６の一部分を構成する。その上方に配置された放電部１０２内で形成されたプラズマ１０１１中の粒子は、通路１０６を通り下方の処理室１０４に向けて通流する。通路１０６内の底部には通路１０６の径よりわずかに小さい径を有した円板形状を有する石英等の誘電体製の分散板１０７が配置されている。分散板１０７は、試料台１０３の載置面あるいはこれに載せられたウエハ１０２０上面の中心部上方でこれと対向して配置される。分散板１０７の中央部分には複数の貫通孔が配置され、当該貫通孔は、プラズマ１０１１中で生成されたイオンや電子等を遮蔽しつつ中性粒子やラジカルを透過して処理室１０４内に導入させる。
＜集積ガスボックスとガスブロック＞
以下、図２を参照して、集積ガスボックスを説明する。
図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１００の集積ガスボックス１１２を模式的に示す図である。図２（ａ）は集積ガスボックス１１２全体を示す図である。集積ガスボックス１１２は各種ガスブロック２０９が集積して構成される。図２（ｂ）は集積ガスボックスに含まれるガスブロック２０９のうち、ＨＦガスのガスブロック２０９ａを抜き出して記載した図である。図２（ａ）において、複数のガス管Ｐ１にガスボンベ等のガス供給源からの各処理ガスが供給され、複数のガス管Ｐ２が図１に示されるガス供給管１０１６に纏められる。
ガスブロック２０９は、ガスが流れる流路を形成しており、一般にハンドバルブ２０１、圧力調整器２０６、エアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３（以下、「流量制御装置」ともいう。）の構成要素とガス管が組み合わせされている。ここで、ハンドバルブ２０１は、手動のバルブであり、ガスの流路の遮断または開通を制御する。圧力調整器２０６は、例えば弁開度を調節することによって、流路を流れるガスの圧力を調整する。エアオペバルブ２０４は、エア圧力によって作動し、ガスの流路の遮断または開通を制御する。マスフローコントローラ２０３は、流路に流れるガスの流入量を検出し流量を調整してガスを出力する。
ガスブロック２０９ａは後述する。ガスブロック２０９ｂは、ハンドバルブ２０１、バイパスブロック２０２、エアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３、を構成要素として含む。
ガスブロック２０９ｃは、ハンドバルブ２０１、圧力調整器２０６、エアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３、を構成要素として含む。
ガスブロック２０９ｄは、ハンドバルブ２０１、圧力調整器２０６、２つのエアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３、を構成要素として含む。ガスブロック２０９ｅからガスブロック２０９ｏは、ガス以外はガスブロック２０９ｄと同じ構成を有する。
制御基板２０８は、ＨＦガスのマスフローコントローラ２０３を制御する。第１実施形態においては、後述するようにガスブロック２０９ａが高温に加熱されるので、故障を回避するためにマスフローコントローラ２０３本体から離れた位置に設置されている。
ガスブロック２０９ａ～２０９ｏは、ｙ軸方向に隙間を開けて、ｚ軸方向に延在する。ガスブロックの各構成要素は、内部を流れるガスが流入出する複数の開口を有している。後述する図４に示されるように、各構成要素の開口は、ベースブロックを介して接続している。
ガスブロックから延びる流路はガス管Ｐ２に集約され、ガス管Ｐ２は集積ガスボックス１１２から延びるガス供給管１０１６を構成する。このようなガス供給管１０１６は、最終的に１つに纏められて天板１０１４に接続されてシャワープレート１０１５との間の隙間の中央部に導入されてもよく、または複数本が石英容器１０８内部の中央部と外周部の対応する位置に接続されて隙間内の中央部、外周部に導入されてもよい。何れのガス供給管１０１６内部にも、各マスフローコントローラ２０３により流量が調節された処理ガスが供給され、少なくとも１種類の物質のガスから構成された処理ガスが、処理に適した流量、または速度で放電部１０２内部に導入される。
次にガスブロック２０９ａに関し詳細に説明する。第１実施形態において、フッ化水素（ＨＦ）ガスが流れるガスの流路を構成する集積ガスボックス１１２のガスブロック２０９ａは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、上流側からハンドバルブ２０１、バイパスブロック２０２、エアオペバルブ２０４、圧力計２０７、エアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３の順に構成要素がベースブロックに接続されて、ＨＦガスの流路を構成している。さらに流路に対しヒータ２０５が設置されている。ガスブロック２０９ａは、構成要素の配置、バイパスブロック２０２やヒータ２０５を備えている点で他のガスのガスブロックと異なっている。
＜ヒータ＞
ガスブロック２０９ａにはヒータ２０５が設けられている。第１実施形態においては、ヒータ２０５はシート状であり、ベースブロックとその上方に取り付けられた各構成要素の両側面には弾性を有した膜またはシート状のヒータ２０５（例えばラバーヒータ）が設置されている。ヒータ２０５の設置形態はガスブロック２０９ａ側面全体を１枚のシートで覆ってもよく、所定の構成要素に部分的に分けて設置してもよい。また一方側面のみに設置したり、一方側面と他方側面で異なる態様で設置してもよい。
第１実施形態においては、ヒータ２０５の温度は、９０℃±５℃に設定されるが、設定温度はこれに限定されない。６５℃以上にするのが望ましく、さらに望ましくは９０℃以上である。
ヒータ２０５はＨＦガスの他にも液体原料から蒸発した蒸気を用いる処理ガスのガスブロックに設けることができ、その場合はヒータ２０５によりベースブロックと各構成要素が、ガスの種類に基づいて、所定の温度に加熱及び保温される。
ガスブロック２０９ａにおけるＨＦガスの流路は、隣接するガスブロックにおけるガスの流路から隙間を比較的大きく開けて配置されている。この隙間の大きさは、ＨＦガス以外のガスの流路同士の間の隙間より大きく設定され、ヒータ２０５による加熱がＨＦガス以外のガスに影響を及ぼすことが抑制される。ＣＨ３ＯＨガス用のガスブロック２０９ｏにもヒータ２０５が設置されているため、ガスブロック２０９ｃについても他のガスの流路との間に比較的大きな隙間が設定されている。
＜ガスブロック内のガスの流路＞
以下、図３を参照して、ＨＦガスのガスブロック２０９ａのガスの流路３００について説明する。
図３は、フッ化水素のガスブロックを模式的に示す図である。ＨＦガスは矢印ｇｆから流入し、流路３００を通りガスブロック２０９ａを出る。
図３に示されるように、ＨＦガスのガスブロック２０９ａは、上流側から、ハンドバルブ２０１、バイパスブロック２０２、エアオペバルブ２０４、圧力計２０７、エアオペバルブ２０４、マスフローコントローラ２０３の順に各構成要素が配置され、各構成要素はベースブロック３０１ａから３０１ｇに取り付けられている。ベースブロック３０１ａから３０１ｇは、ガスブロック２０９ａの構成要素の間を連結する貫通孔３０２ａから３０２ｇを各々備える。ガスブロック２０９ａの構成要素内の流路３００は、ベースブロック３０１の貫通孔３０２を介して連結される。なお、図３に示されるベースブロック３０１は直方体またはこれと見なせる程度に近似した形状を有しているが、この形状に限定されるものではない。
さらに、ＨＦガスのガスブロック２０９ａは、ガスブロック２０９ａの一方の端部にベースブロック３０１ａから他方の端部にあるベースブロック３０１ｇまでの間、流路３００を囲むように、ヒータ２０５が取り付けられている。ヒータ２０５によって、ガスブロック２０９ａの流路３００全体が所定の温度に加熱及び保温される。
＜バイパスブロック＞
バイパスブロック２０２は、ベースブロック３０１ｂを介してハンドバルブ２０１と接続し、ベースブロック３０１ｃを介してエアオペバルブ２０４と接続する。ハンドバルブ２０１から流れたガスは、ベースブロック３０１ｂ、バイパスブロック２０２、ベースブロック３０１ｃ、を通り、エアオペバルブ２０４に達する。
なお、バイパスブロック２０２の配置は、図３に示されるものに限られない。マスフローコントローラ２０３よりも上流側に配置されればよい。ただし、上流側から、ハンドバルブ、エアオペバルブ、圧力計、エアオペバルブ、マスフローコントローラ、の順序が変更されないようにすることが望ましい。配置としては、例えば、上流側からみて次の（１）から（３）が挙げられる。
（１）ハンドバルブ、バイパスブロック、エアオペバルブ、圧力計、エアオペバルブ、マスフローコントローラ（図３に示される配置と同じ配置である）
（２）ハンドバルブ、エアオペバルブ、バイパスブロック、圧力計、エアオペバルブ、マスフローコントローラ
（３）バイパスブロック、ハンドバルブ、エアオペバルブ、圧力計、エアオペバルブ、マスフローコントローラ
以下、図４を参照して、バイパスブロックの構成を説明する。
図４は、バイパスブロック２０２の構成を模式的に示す図である。図４（ａ）はｙ軸マイナス方向から見た正面図であり、図３と同じ方向から見た場合である。図４（ｂ）はｚ軸プラス方向から見た平面図であり、図２と同じ方向から見た場合である。図４（ｃ）はｚ軸マイナス方向から見た下面図である。図４（ｄ）は図４（ｂ）Ａ－Ａ線でガスの流路に沿って半分に切ったｘｚ面の断面図である。
バイパスブロック２０２は、ｚ軸から見た形状が矩形または矩形に近似した形状を有した台座４０１とその上方（ｚ軸プラス方向）に配置された円筒部４０３とを備えている。円筒部４０３の外周側であって台座４０１の四隅の箇所には、上下方向に台座４０１を貫通し、ベースブロック３０１に取り付けられる際にボルトやネジが挿入される固定用貫通孔４０２が配置されている。
図４（ｄ）に示されるように、バイパスブロック２０２の内部には、バイパスブロック２０２の底面の一方の端部から他方の端部までの間に、台座４０１と円筒部４０３との内部を貫通しガスが流れるバイパス経路４０４が備えられている。バイパス経路４０４の両端は、台座４０１の底面に配置された開口４０５につながっている。すなわち、バイパス経路４０４は、これら２つの開口４０５を端部に有しバイパスブロック２０２内部を貫通する貫通孔となっている。
バイパス経路４０４の形状は、一般にガスの流れ方向に湾曲あるいは折れ曲がった形状を有し、図４（ｄ）には上方に頂点を持つ突形状（逆Ｖ字型）の例が示されている。ただしこれに限られるものではなく、加工性やバイパスブロックの寸法の制約はあるものの、内部を流れるガスに圧力の変化を起こし乱流成分を生じさせる形状であれば任意の形状をとることが可能である。かかる観点からは、バイパス経路４０４の断面形状に鋭角をなす屈曲部を有するものが望ましい。また、バイパス経路４０４には一般的な内径１／４ｉｎｃｈの配管が用いられるが、内径のサイズはこれに限定されない。
［第１実施形態の変形例１］
以下、図５を参照して第１実施形態の変形例１を説明する。
第１実施形態の変形例１はバイパスブロックのバイパス経路の形状が異なる点で、第１実施形態とは異なる。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、第１実施形態に示した構成と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
図５は、第１実施形態の変形例１にかかるバイパスブロック２０２１の断面図である。図５は、図４（ｄ）に示される断面図に相当する図である。
図５に示されるバイパス経路４０４１は、中間に位置するｘ軸に沿った経路内面が内側に突き出る突形状を有する。鋭角に突き出た形が示されているが、形状はこれに限られない。形状、個数、位置は、バイパス経路４０４１を流れるガスの種類、ガスの流量の設定に応じて選択しうる。
［第１実施形態の変形例２］
以下、図６を参照して第１実施形態の変形例２を説明する。
第１実施形態の変形例２はバイパスブロックのバイパス経路の形状が異なる点で、第１実施形態および第１実施形態の変形例１とは異なる。以下の説明では、上記の差異以外の構成は、第１実施形態に示した構成と同じであって、特に必要のない限り説明は省略する。
図６は、第１実施形態の変形例２にかかるバイパスブロック２０２２の断面図である。図６は、図４（ｄ）に示される断面図に相当する図である。
図６に示されるバイパス経路４０４２は、中間に位置するｘ軸に沿った経路内面が内側にくぼむくぼみを有する。くぼみの形状、個数、位置は、バイパス経路４０４２を流れるガスの種類、ガスの流量の設定に応じて選択しうる。
＜評価結果＞
次に、図７から図９を参照して、第１実施形態の実験結果を示す。
図７は、マスフローコントローラが９０℃のときの設定流量と実流量の間の関係を示す図である。
ここで、マスフローコントローラに供給するＨＦガスの圧力は、０．０６ＭＰａ（Ａ）、０．０８ＭＰａ（Ａ）、０．０９ＭＰａ（Ａ）、０．１ＭＰａ（Ａ）と変化させた。また、実流量は、マスフローコントローラから出力されたＨＦガスをクロマトグラフにより測定した。マスフローコントローラは９０℃に加熱及び保温されている。
図７において、一点鎖線で示された直線は、流量の設定値と実流量が一致する場合の軌跡を示す。また、点線で示された直線は、圧力０．０８ＭＰａ（Ａ）の値に基づく近似直線である。設定流量が１５０ｃｃｍ、５００ｃｃｍの場合は、供給圧力が０．０８ＭＰａ（Ａ）のときの実流量を明示している。設定流量が１０００ｃｃｍの場合は、供給圧力を０．０６ＭＰａ（Ａ）、０．０８ＭＰａ（Ａ）、０．０９ＭＰａ（Ａ）、０．１ＭＰａ（Ａ）に変えて測定したところ、測定値が互いに近接した値を有していたために、便宜上各測定値が含まれる範囲を領域ｇｒとして示してある。
次に比較例となる実験データを示す。図８は、マスフローコントローラが４０℃のときの設定流量と実流量の間の関係を示す図である。ここで、マスフローコントローラに供給するＨＦガスの圧力は、０．０６ＭＰａ（Ａ）、０．０７ＭＰａ（Ａ）、０．０８ＭＰａ（Ａ）、０．１ＭＰａ（Ａ）と変化させた。マスフローコントローラは４０℃に加熱及び保温されている。そのほかの条件は、図７の実験の条件と同じである。図７と同様に、一点鎖線で示された直線は、流量の設定値と実流量が一致する場合の軌跡を示す。また、点線で示された直線は、圧力０．０６ＭＰａ（Ａ）の値に基づく近似直線である。設定流量が１００ｃｃｍ、５００ｃｃｍの場合は、供給圧力が０．０６ＭＰａ（Ａ）のときの実流量を示している。設定流量が１０００ｃｃｍの場合は、供給圧力を０．０６ＭＰａ（Ａ）、０．０７ＭＰａ（Ａ）、０．０８ＰＭａ（Ａ）、０．１ＭＰａ（Ａ）に変えて測定した値が示されている。
図７と図８を比較すると、設定流量と実流量のずれは、図７の９０℃の場合のほうが、図８の４０℃の場合よりも小さい。流路の温度が９０℃まで加熱されたことにより、ＨＦガスのクラスター化が抑えられ、単量体の状態のままでマスフローコントローラにおいて流量の調整がなされたためであると考えられる。
図９は、ガスブロック２０９ａの上流側の温度設定と出力される流量の間の関係を示す図である。
図９（ａ）は実験の概要を示す図である。ガスボンベおよびマスフローコントローラの上流側を２５℃または４０℃に加熱及び保温してガスを流し、ガスブロック２０９ａから出力されたガスの圧力を測定する。
図９（ｂ）は、マスフローコントローラ２０３の入力部における圧力（ｉｎｌｅｔ圧力）とマスフローコントローラ２０３から出力されたＨＦガスの流量の関係を示す。ここで、マスフローコントローラ２０３の出力流量の設定値を１Ｌ／ｍｉｎに固定したうえで、ｉｎｌｅｔ圧力を変化させたときの流量を取得した。実線のグラフは、ガスボンベ及びマスフローコントローラ２０３の上流側の温度を２５℃に設定した場合の結果を示す。破線のグラフは、ガスボンベ及びマスフローコントローラ２０３の上流側の温度を４０℃に設定した場合の結果を示す。
結果を考察すると、マスフローコントローラ２０３の入力部の圧力が６０ｋＰａ（Ａ）以上であれば、いずれの温度条件でも、おおむね設定値どおりの流量を得ることができた。また、いずれの温度条件でも、流量に大きな差はなかった。このことから、第１実施形態において、マスフローコントローラ２０３の入力部における圧力が６０ｋＰａ（Ａ）以上である場合、ガスの供給源及びガスブロックの上流側の温度の状態にかかわらず、ガスブロック２０９ａの安定的な出力を実現できることが分かった。
＜作用・効果＞
ヒータ２０５による加熱及び保温の作用・効果について説明する。図１０は、ＨＦガスの分子量と温度の間の関係を示す図である。図１０には、複数の圧力において測定された結果が示されている。ここで分子量２０は単量体ＨＦ、分子量４０は二量体（ＨＦ）２、分子量１２０は六量体（ＨＦ）６に相当する。
図１０に示されるように、室温から４０℃の温度領域では、ＨＦガスは単量体の状態だけでなく多量体の状態をとりうる。従来ＨＦガスを用いたエッチング処理は、室温から４０℃付近の温度領域において行われる。このようなエッチング処理を行う温度の環境は、エッチングに用いられる処理ガス中には多量体のＨＦガスが含まれる場合があり、クラスター化の要因となる。
また、図１０に示されるように、大気圧（７６０ｍｍＨｇ）に近い範囲での分子量と温度の関係をみると、分子量が大きくなりクラスター化しやすい傾向があることがわかる。従来ＨＦガスを用いたエッチング処理において、真空容器内に供給されるＨＦガスは、プラズマ処理装置が設置される建屋内部への拡散を抑制するために、建屋内部の圧力よりも低い圧力で供給される、所謂負圧供給される。このような大気圧に近い範囲内の圧力の環境は、エッチングに用いられる処理ガス中には多量体のＨＦガスが含まれる場合があり、クラスター化の要因となる。
第１実施形態においてヒータ２０５が加熱することによって、ＨＦガスの温度はクラスター化しやすい温度より高くなり、クラスター化が抑制される。図１０より分かるように、６５℃以上、さらに望ましくは９０℃以上の温度に設定するとほぼ圧力に依存しないで単量体の状態を維持でき、クラスター化を抑制することが可能となる。したがって、ＨＦガスの大半が単量体であるため、ガスブロック２０９ａからガス供給管１０１６に導入されるＨＦガスの流量の所期の値からのズレや流量の値の時間的な変動を低減する事ができる。
また、ＨＦガスのガスブロック２０９ａの全体がヒータ２０５により加熱される。このことにより、マスフローコントローラ２０３から隣接する圧力計２０７やエアオペバルブ２０４などへの放熱が低減され、マスフローコントローラ２０３における温度の変化が抑制される。マスフローコントローラ２０３の動作環境が安定するため、流量調節の機能を安定的に発揮させることができる。
なお、ＨＦガスの温度を調節する必要がある場合、マスフローコントローラ２０３を、ＨＦガスを一時的に貯留して加熱するためのバッファ領域としても機能させることが可能である。
次にバイパスブロック２０２の作用・効果について説明する。バイパスブロック２０２内部で、バイパス経路４０４は、湾曲あるいは折れ曲がった形状を取ることで、ＨＦガスの流れの向きを攪乱する作用を奏する。
これにより、流れるＨＦガスが受ける抵抗が大きくなり、流れ方向についてガスの圧力の降下は大きくなる一方で、ＨＦガスの流れに乱流成分が含まれることとなる。乱流成分によって熱の伝導やガスの混合が促進されるため、ガス中の分子がクラスター化することが抑制される。このようなＨＦガスをマスフローコントローラ２０３に流入させることによって、マスフローコントローラ２０３による流量の調節の安定性が向上する。また、流れ方向のガスの圧力を低下させるので、マスフローコントローラ２０３の上流側に圧力調整器２０６等の構成要素を別途配置しなくても、マスフローコントローラ２０３によって行われる流量の調節が安定する。
また、第１実施形態の変形例１、２に関しても、バイパス経路４０４１、４０４２は、流れるＨＦガスに抵抗を与え、流れ方向についてガスの圧力の降下は大きくさせる。また、バイパス経路４０４１、４０４２を介すことによって、ＨＦガスの流れに、乱流成分を含ませることができる。したがって、第１実施形態の場合と同様に、変形例１、２の場合でも、バイパスブロック２０２１、２０２２の下流側にあるマスフローコントローラ２０３による流量調整を安定化させることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、実施の形態において、ＨＦガスを処理ガスのとして挙げているが、これに限定されるものではない。他のクラスター化する特徴を持つガスにも適用可能である。このように、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
１００…プラズマ処理装置
１０１…真空容器
１０２…放電部
１０３…試料台
１０４…処理室
１０５…ＩＲランプユニット
１０６…通路、１０７…分散板
１０８…石英容器
１０９…ＩＣＰコイル
１１０…整合器
１１１…高周波電源
１１２…集積ガスボックス
１０１１…プラズマ
１０１２…分光器
１０１３…制御器
１０１４…天板
１０１５…シャワープレート
１０１６…ガス供給管
１０１７…開閉バルブ
１０１８…真空ポンプ
１０１９…排気量調節バルブ
１０２０…ウエハ
１０２１…ＩＲランプ
１０２２…反射板
１０２３…ＩＲ光透過窓
１０２４…ランプ用電源
１０２５…高周波カットフィルタ
２０１…ハンドバルブ
２０２…バイパスブロック
２０３…マスフローコントローラ
２０４…エアオペバルブ
２０５…ヒータ
２０６…圧力調整器
２０７…圧力計
２０８…制御基板
２０９ａ～２０９ｏ…ガスブロック
３００…流路
３０１ａ～３０１ｇ…ベースブロック、３０２ａ～３０２ｇ…貫通孔
４０１…台座
４０２…固定用貫通孔
４０３…円筒部
４０４、４０４１、４０４２…バイパス経路
４０５…開口

Claims (10)

  1. ガスの流量を調整する集積ガスボックスと放電部とを備えたプラズマ処理装置であって、
    前記集積ガスボックスは、
    前記ガスが流れる流路と、
    前記流路を加熱するヒータと、
    前記流路に設けられたバイパス経路と、
    前記ガスの流入量を検出し、前記流路から前記放電部へガスを出力する流量制御装置と、を備えるガスブロックを有する、プラズマ処理装置。
  2. 前記ヒータは、前記ガスの種類に基づいて所定の温度に加熱する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記所定の温度は６５℃以上である、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記所定の温度は９０℃以上である、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記バイパス経路は、前記流路を流れるガスの圧力に変化を生じさせる流路を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記バイパス経路は、断面形状に鋭角をなす屈曲部を有している 、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記バイパス経路は、内面に突形状を有している、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記バイパス経路は、内面にくぼみを有している、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記流量制御装置の入力部における圧力が６０ｋＰａ（Ａ）以上である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記ガスはフッ化水素を含む、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
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