JP5179658B2 - プラズマ処理装置およびそのクリーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびそのクリーニング方法に関するものである。

プラズマ処理装置において成膜工程を繰り返し行なっていると、チャンバの内部に反応生成物が付着し、これが蓄積する場合がある。このような付着物はクリーニング作業によって除去されることが望まれる。一般的に、このクリーニング作業はクリーニングガスをチャンバ内に導入して行なわれるのであるが、クリーニング効率を良くするための従来技術の一例が、特開２００２−３３４８７０号公報（特許文献１）に記載されている。

特許文献１では、チャンバ側面にリモートプラズマクリーニングガスを導入するための開口部を設け、その開口部の下側に整流板を取り付けた高密度プラズマＣＶＤ装置の構成が開示されている。クリーニングの際には、開口部から導入されたリモートプラズマクリーニングガスは整流板によって天井部に向けられ、天井中心部に付着した反応生成物との間で反応が促進される。特許文献１では、このようにして、反応生成物を除去することができると説明されている。

特開２００２−３３４８７０号公報

特許文献１で開示された構成によった場合、チャンバ内に供給されるリモートプラズマクリーニングガス、すなわちいわゆる「ラジカル」は、整流板の作用により、天井中心部に集中するように流れ込むこととなる。ラジカルは、天井中心部に集中するように流れ込むので、ラジカルがチャンバの全体に行き渡るには時間がかかってしまう。したがって、チャンバ内の全体のクリーニングが終了するまでの所要時間が長くなってしまう。

そこで、本発明は、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することができるプラズマ処理装置およびそのクリーニング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づくプラズマ処理装置は、内部でプラズマ処理を行なうためのチャンバと、上記チャンバの内部のクリーニングを行なうためのラジカルを生成するために上記チャンバの外部に設けられたリモートプラズマ装置と、上記リモートプラズマ装置で生成された上記ラジカルを上記チャンバ内に向けて放出するためのラジカル導入口とを備え、上記ラジカル導入口には上記ラジカルが上記チャンバ内で進行する向きに影響を与えるように整流ガスを吹き出す複数のガス吹出し口が設けられている。

本発明によれば、ラジカル導入口に設けられた複数のガス吹出し口からの整流ガスの吹出し具合によってラジカルの進行する向きを制御することができるので、ラジカルがチャンバ内の空間でなるべく広範囲に拡散するように調整することができる。その結果、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することができる。

本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置の概念図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置の部分拡大説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置のラジカル導入口の近傍をチャンバの内側から見た図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置の好ましい例の第１の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置の好ましい例の第２の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるプラズマ処理装置の概念図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるプラズマ処理装置の部分拡大説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるプラズマ処理装置のラジカル導入口の近傍をチャンバの内側から見た図である。 参考例におけるプラズマ処理装置の概念図である。 参考例におけるプラズマ処理装置の部分拡大説明図である。 参考例におけるプラズマ処理装置のラジカル導入口の近傍をチャンバの内側から見た図である。

（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるプラズマ処理装置について説明する。このプラズマ処理装置１０１は、内部でプラズマ処理を行なうためのチャンバ１と、チャンバ１の内部のクリーニングを行なうためのラジカルを生成するためにチャンバ１の外部に設けられたリモートプラズマ装置２と、リモートプラズマ装置２で生成された前記ラジカルをチャンバ１内に向けて放出するためのラジカル導入口３とを備える。ラジカル導入口３には前記ラジカルがチャンバ１内で進行する向きに影響を与えるように整流ガスを吹き出す複数のガス吹出し口４が設けられている。

さらにこのプラズマ処理装置１０１は、チャンバ１の天井にアンテナ５とプロセスガス導入口６とを備える。チャンバ１内の下部には、処理対象物を設置するためのステージ７が配置されている。チャンバ１の下面には、使用した各種ガスおよび反応生成物を排出するための排気口８が設けられている。排気口８から延在する管は真空ポンプ９に接続されている。リモートプラズマ装置２とチャンバ１との間はガス管で接続されており、その途中にはゲートバルブ１０が配置されている。

リモートプラズマ装置２は、矢印８１に示すようにクリーニングガスを受け入れてラジカルを生成するためのものである。たとえばフッ素ラジカルを生成することができる。複数のガス吹出し口４は、矢印８２に示すように受け入れた整流ガスを噴射するための開孔である。

図１におけるラジカル導入口３の近傍を拡大したところを図２に示す。ラジカル導入口３の近傍を、図２における左側すなわちチャンバ１の内側から見たところを図３に示す。ラジカル導入口３は出口に近づくにつれて断面積が広くなるテーパ部３ｅを含む。クリーニングに用いられるべきラジカルは、図１に示したリモートプラズマ装置２からゲートバルブ１０を経由して、図２に示す矢印８３の向きに供給される。Ａｒなどの整流ガスは矢印８２の向きに供給される。整流ガスはガス誘導部１１の内部を経由してガス吹出し口４から矢印８４に示すように噴射される。

本実施の形態におけるプラズマ処理装置では、ラジカル導入口３には整流ガスを吹き出す複数のガス吹出し口４が設けられており、しかも、これらのガス吹出し口４は、ラジカルがチャンバ１内で進行する向きに影響を与えるように整流ガスを吹き出すことができるので、整流ガスの吹出し具合によってラジカルの進行する向きを制御することができる。整流ガスの流れがラジカルの流れに衝突することによって、ラジカルの流れは進行する向きを変え得るからである。本実施の形態では、このようにして、ラジカルがチャンバ内の空間でなるべく広範囲に拡散するように調整することができる。その結果、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することができる。

なお、図１、図２では矢印８２に沿って供給されるガスについて「Ａｒ」と表示しているが、Ａｒは一例に過ぎず、他の気体であってもよい。

図３に示すように、複数のガス吹出し口４は、ラジカル導入口３の外周を取り囲むように配置されていることが好ましい。複数のガス吹出し口４は、単にラジカル導入口３の近傍において外周を取り囲まない程度に配置されているだけでも整流ガスを吹き出すことによって一定の効果はあるが、ラジカル導入口３の外周を取り囲むように配置されていれば、どの向きにも整流ガスを噴射することができ、したがって、ラジカルの流れる向きをよりフレキシブルに制御することができるので、好ましい。

複数のガス吹出し口４は、図２に示すように、ラジカル導入口３の周縁部から内向きかつ斜め前方向きに配置されていることが好ましい。このように配置されていれば、ラジカル導入口３の中央を進行するラジカルの流れに整流ガスの流れを衝突させることができ、ラジカルの進行する向きを変えやすいからである。図２に示した例では、面取りされた面にガス吹出し口４が配置されている構成を示したが、このような面取りは必須ではない。面取りがなくてもガス吹出し口４が斜め前方向きに整流ガスを噴出できるように設けられていれば好ましい。複数のガス吹出し口４は、ラジカル導入口３の周縁部において内向きかつ斜め前方向き以外の向き、すなわちたとえば前方向きやラジカル導入口３の中心を向くような向きに設けられていても、ラジカルがチャンバ１内で進行する向きに影響を与えることができるのであれば、一応の効果は奏することができる。

複数のガス吹出し口４は、複数の群に分かれており、前記群ごとに異なるタイミングで整流ガスを吹き出すことができる構造となっていることが好ましい。たとえば図４に示すように複数のガス吹出し口４が上半分の群４０ａと下半分の群４０ｂとに分かれていてよい。群４０ａに属するガス吹出し口４が一斉に整流ガスを噴射するときには、群４０ｂに属するガス吹出し口４からは整流ガスが噴射せず、群４０ｂに属するガス吹出し口４が一斉に整流ガスを噴射するときには、群４０ａに属するガス吹出し口４からは整流ガスが噴射しない。各群における噴射のＯＮ／ＯＦＦの切替は公知技術によって行なえばよい。このようになっていれば、群４０ａに属するガス吹出し口４から整流ガスを噴射する際には、群４０ｂに属するガス吹出し口４からの噴射は妨げとならないので、ラジカルを円滑に下方に誘導することができる。逆に、群４０ｂに属するガス吹出し口４から整流ガスを噴射する際には、群４０ａに属するガス吹出し口４からの噴射は妨げとならないので、ラジカルを円滑に上方に誘導することができる。複数のガス吹出し口４の複数の群への分け方は、これに限らない。図４では２つの群に分けた例を示したが、より多くの群に分けてよい。たとえば図５に示すように左上、右上、右下、左下というように４つの群４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆに分かれていてもよい。また、分け方は、必ずしも同じ数のガス吹出し口４ごとに均等に分けるとは限らない。状況に応じて任意の分け方であってもよい。

本実施の形態に対応する具体的なクリーニングの手順について説明する。この例では、ラジカル導入口３の内径は５０ｍｍであり、チャンバ１の寸法は、１０００ｍｍ×１１００ｍｍ×６００ｍｍとした。排気口８の直径は１００ｍｍ以上とし、真空ポンプ９は、排気速度３０００リットル／秒のターボ分子ポンプと排気速度１０００ｍ³／時間のドライポンプとから構成されるものとした。

最初に、ターボ分子ポンプによってチャンバ１内の空間およびリモートプラズマ装置２内を１０^-4Ｐａオーダーまで真空引きする。次に、ガス吹出し口４を経由してチャンバ１内にＡｒガスを供給する。次に、リモートプラズマ装置２にＮＦ₃ガスを供給する。ＮＦ₃ガスはリモートプラズマ装置２を通過することによってフッ素ラジカルとなる。リモートプラズマ装置２によって生成されたフッ素ラジカルはラジカル導入口３からチャンバ１内へと流れ込むこととなる。整流ガスとしてのＡｒガスの流量を３ｓｃｃｍとし、フッ素ラジカルの材料としてのＮＦ₃ガスの流量を３ｓｌｍとし、リモートプラズマ装置２の高周波電力を３ｋＷとした。ターボ分子ポンプとチャンバ１との間に設置したバルブを閉じ、ドライポンプを用いてチャンバ１内の圧力を１３３．３２２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）とし、クリーニングを所定時間行なった。クリーニングを行なうべき時間の長さは、チャンバ内の除去すべき付着物であるＳｉ膜、ＳｉＮ_x膜などの膜厚と、ラジカルによる付着物のエッチング速度とから決定することができる。

このクリーニングにより、フッ素ラジカルはチャンバ１内の全域に円滑に供給され、付着物を効率良く除去することができた。

（実施の形態２）
図６〜図８を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるプラズマ処理装置について説明する。図６に示すように、本実施の形態におけるプラズマ処理装置１０２は、実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０１と基本的構成が共通する。以下、実施の形態１のプラズマ処理装置１０１とは異なる部分を中心に説明する。

プラズマ処理装置１０２においては、ラジカル導入口３の中央にはラジカルの流れを分散させるための拡散用部材１３が配置されており、複数のガス吹出し口１４は、拡散用部材１３の外周を取り囲むように外向きかつ斜め前方向きに配置されている。図６におけるラジカル導入口３の近傍を拡大したところを図７に示す。ラジカル導入口３の近傍を、図７における左側すなわちチャンバ１の内側から見たところを図８に示す。ラジカル導入口３は、実施の形態１で説明したものと同様に、出口に近づくにつれて断面積が広くなるテーパ状の部分を含む。

拡散用部材１３は、梁状に延在するガス誘導部１２によって支持されるようにしてラジカル導入口３の中央に配置されている。したがって、拡散用部材１３の外周は、ガス誘導部１２が存在する部分を除いて気体が自由に通過することができるように間隙が十分にあいている。ガス誘導部１２は中空構造となっていて、内部を整流ガスが通過することができる。

本実施の形態におけるプラズマ処理装置では、ラジカル導入口３には拡散用部材１３が配置されているので、これによってラジカルの流れはある程度拡散する。さらに、拡散用部材１３の外周を取り囲むように整流ガスを吹き出す複数のガス吹出し口１４が設けられており、これらのガス吹出し口１４は、ラジカルがチャンバ１内で進行する向きに影響を与えるように整流ガスを吹き出すことができるので、整流ガスの吹出し具合によってラジカルの進行する向きをさらに制御することができる。したがって、ラジカルがチャンバ内の空間でなるべく広範囲に拡散するように調整することができる。その結果、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することができる。

拡散用部材１３は、梁状に延在するガス誘導部１２以外のもので適宜支持される構造としてもよい。ガス誘導部１２の他に、内部にガスを誘導する通路を有さない梁状部材を適宜補助的に設けて拡散用部材１３を支持することとしてもよい。ガス誘導部１２が十分な強度を有さない場合には、他の梁状部材で拡散用部材１３を支持することとしてガス誘導部１２は整流ガスの供給のためのみの構造としてもよい。

なお、図６、図７に示すように、拡散用部材１３は、尖っている第１端１３ａと、第１端１３ａの反対側であって尖っていない第２端１３ｂとを有し、拡散用部材１３は、第１端１３ａがチャンバ１の外側を向き、第２端１３ｂがチャンバ１の内側を向くように配置されていることが好ましい。この構成を備えていれば、チャンバ１へと供給されるラジカルの流れは、尖っている第１端１３ａによって分散され、それぞれ異なった向きに誘導される。さらに、第２端１３ｂは尖っていないので、拡散用部材１３の周辺を通過したラジカルの流れは、再度合流するよりむしろそれぞれの異なった向きに引続き進行することとなる。したがって、このような構成を備えていることが好ましい。

拡散用部材１３は円錐形状を有することが好ましい。この構成を備えていれば、チャンバ１へと供給され、拡散用部材１３の周辺を通過するラジカルの流れは、円滑に拡散するように誘導されるからである。

なお、上記各実施の形態においては、「整流ガス」という用語を用いてきたが、整流ガスは、ラジカルによるクリーニング作用に悪影響を与えず、チャンバの内面にも悪影響を与えない気体であればよい。したがって、整流ガスは、不活性ガスであることが好ましい。整流ガスは、安価に手に入るものであってよい。整流ガスはＡｒであることが好ましい。整流ガスとしては、Ａｒに代えてたとえば窒素を用いることも現実的選択である。

本実施の形態におけるプラズマ処理装置１０２においても、実施の形態１で説明した考え方を採用してもよい。すなわち、たとえば複数のガス吹出し口１４が複数の群に分かれており、前記群ごとに異なるタイミングで整流ガスを吹き出すことができる構造となっていてもよい。

本実施の形態に対応する具体的なクリーニングの手順について説明する。この例では、ラジカル導入口３の内径、チャンバ１の寸法、排気口８の直径、真空ポンプ９による排気量といった条件は、実施の形態１の具体的なクリーニングの手順として説明したものと同じである。拡散用部材１３は底面の直径が２０ｍｍで高さが２０ｍｍの円錐形状の部材とした。このプラズマ処理装置を用いて、クリーニングを行なった。操作手順は、実施の形態１の具体的なクリーニングの手順として説明したものと同じである。

このクリーニングにより、フッ素ラジカルはチャンバ１内の全域に円滑に供給され、付着物を効率良く除去することができた。

本発明に基づくプラズマ処理装置のクリーニング方法は、上記各実施の形態で示したプラズマ処理装置を用意する工程と、前記プラズマ処理装置を用いて前記ラジカル導入口から前記チャンバ内へとラジカルを供給する工程と、前記複数のガス吹出し口から前記整流ガスを噴き出させて前記ラジカルが前記チャンバ内で進行する向きを調整する工程とを含む。この方法によれば、ラジカルがチャンバ内の空間でなるべく広範囲に拡散するように調整することができるので、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することができ、効率良くクリーニングを行なうことができる。

上記特許文献１に示された装置は、プロセスガスを導入するためのトップノズルをプロセスチャンバーの天井の１箇所に限定していること、および磁界を発生させるための渦巻き形状の上部電極を設けていることから、天井への反応生成物の付着が多くなる。特許文献１は、このような構成を前提に、天井における反応生成を集中的に除去することを意図したものといえる。

これに対して、上記各実施の形態におけるプラズマ処理装置では、チャンバの天井に下向きに突出するようにアンテナが設けられていてチャンバの底面に排気口が設けられている。このような構成の場合には、チャンバの天井に設けたアンテナによって発生するプラズマがプロセスガスを分解する。分解されたプロセスガスは、真空ポンプによって引き起こされる流れに乗って下方にある排気口に向かう。こうして、分解されたプロセスガスは、天井近傍から下方に向かう途中で、ステージに設置された基板上へと拡散しながら供給される。これによって基板の表面に成膜が行なわれる。したがって、反応生成物は天井に限らずチャンバ内面の全域に付着することとなる。このようなプラズマ処理装置の場合、クリーニングを真に効率良く行なうためには特許文献１に示された発明では不十分であり、本発明は特に有用である。なぜなら、本発明によればラジカルの流れをさまざまな向きに誘導することができるのでチャンバ内の所望の部位に向けることができ、その結果、チャンバ内面の全域に付着した生成物を効率良く除去することができるからである。

本発明によれば、チャンバの天井の複数箇所からプロセスガスを供給する構成のプラズマ処理装置におけるクリーニングにも対処することができる。本発明は、チャンバ内へのプロセスガスの供給口がどこに配置されていようと、アンテナがどこに配置されていようと、チャンバ内面の全域にラジカルを円滑に行き渡らせてクリーニングすることができる。

また、特許文献１に示された高密度プラズマＣＶＤ装置では、チャンバの天井の外部に渦巻き形状の上部電極が設けられ、チャンバの側壁を囲むように高周波コイルが設けられている。したがって、これらの位置にリモートプラズマクリーニングガスの導入口を設けることは困難である。一方、上記各実施の形態ではチャンバの天井の内部にアンテナを配置しているため、クリーニングガスないしラジカルの導入口はチャンバの側壁に自由に設けることができる。よって、本実施の形態におけるプラズマ処理装置の方が設計自由度の点において優れている。

上記各実施の形態では、ラジカル導入口をチャンバの側壁に設けた例を示したが、本発明としては、ラジカル導入口を設ける位置は側壁に限らず、他の箇所であってもよく、たとえば天井であっても底面であってもよい。本発明を適用する場合、ラジカル導入口がいずれの場所に設けられていても、ラジカルの進行する向きを調整することができ、チャンバ内の全域に効率良く行き渡らせることができるからである。

（参考例）
図９、図１０を参照して、参考例におけるプラズマ処理装置について説明する。

図９に示すように、参考例におけるプラズマ処理装置１１３は、実施の形態１で説明したプラズマ処理装置１０１と比べて構成のある程度の部分は共通する。以下、実施の形態１のプラズマ処理装置１０１とは異なる部分を中心に説明する。図９におけるラジカル導入口３の近傍を拡大したところを図１０に示す。ラジカル導入口３の近傍を、図１０における左側から見たところを図１１に示す。

プラズマ処理装置１１３は、実施の形態２で説明したプラズマ処理装置１０２と似て拡散用部材１３ｒを備えている。しかし、プラズマ処理装置１１３には、整流ガスを供給するための構成は一切備わっていない。拡散用部材１３ｒは何ら新たな気体を自ら噴出することのない単なる部材である。図１０、図１１に示すように、拡散用部材１３ｒは円錐形状を有している。図１１に示すように、拡散用部材１３ｒは９０°間隔で周囲に配置された４本の梁１５によってラジカル導入口３の中央に配置されている。ここでは梁１５を４本としたが、１本以上であれば、他の本数であってもよい。また、梁１５の配置する間隔も９０°に限らず他の角度であってもよいし、等間隔でなくてもよい。

この構成を採用することによっても、チャンバ１内へと供給されるラジカルの流れは拡散用部材１３ｒによって拡散するので、チャンバ内面の全体に効率良くラジカルを供給することに多少の効果はある。ただし、この参考例によった場合は、整流ガスによる作用がないので、その効果は本発明に比べて劣る。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明は、プラズマ処理装置およびそのクリーニング方法に利用することができる。

１ チャンバ、２ リモートプラズマ装置、３ ラジカル導入口、３ｅ テーパ部、４，１４ ガス吹出し口、５ アンテナ、６ プロセスガス導入口、７ ステージ、８ 排気口、９ 真空ポンプ、１０ ゲートバルブ、１１，１２ ガス誘導部、１３，１３ｒ 拡散用部材、１３ａ 第１端、１３ｂ 第２端、１５ 梁、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ 群、８１，８２，８３，８４ 矢印、１０１，１０２，１１３ プラズマ処理装置。

Claims (10)

1. 内部でプラズマ処理を行なうためのチャンバ（１）と、
   前記チャンバの内部のクリーニングを行なうためのラジカルを生成するために前記チャンバの外部に設けられたリモートプラズマ装置（２）と、
   前記リモートプラズマ装置で生成された前記ラジカルを前記チャンバ内に向けて放出するためのラジカル導入口（３）とを備え、
   前記ラジカル導入口には前記ラジカルが前記チャンバ内で進行する向きに影響を与えるように整流ガスを吹き出す複数のガス吹出し口（４，１４）が設けられている、プラズマ処理装置（１０１）。
2. 前記複数のガス吹出し口は、前記ラジカル導入口の外周を取り囲むように配置されている、請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数のガス吹出し口は、前記ラジカル導入口の周縁部から内向きかつ斜め前方向きに配置されている、請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記複数のガス吹出し口は、複数の群に分かれており、前記群ごとに異なるタイミングで前記整流ガスを吹き出すことができる構造となっている、請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記ラジカル導入口の中央には前記ラジカルの流れを分散させるための拡散用部材（１３，１３ｒ）が配置されており、前記複数のガス吹出し口は、前記拡散用部材の外周を取り囲むように外向きかつ斜め前方向きに配置されている、請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記拡散用部材は、尖っている第１端（１３ａ）と、前記第１端の反対側であって尖っていない第２端（１３ｂ）とを有し、前記拡散用部材は、前記第１端が前記チャンバの外側を向き、前記第２端が前記チャンバの内側を向くように配置されている、請求の範囲第５項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記拡散用部材は円錐形状を有する、請求の範囲第６項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記整流ガスは不活性ガスである、請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記整流ガスはＡｒである、請求の範囲第８項に記載のプラズマ処理装置。
10. 請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置を用意する工程と、
    前記プラズマ処理装置を用いて前記ラジカル導入口から前記チャンバ内へとラジカルを供給する工程と、
    前記複数のガス吹出し口から前記整流ガスを噴き出させて前記ラジカルが前記チャンバ内で進行する向きを調整する工程とを含む、プラズマ処理装置のクリーニング方法。

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