JPH0214521A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマ処理装置に関する。

（従来の技術） 反応炉例えば半導体ウェハを熱処理反応させるＣＶＤ、
拡散炉等では、プロセス中にウェハ以外の反応容器等に
反応生成物が付着し、これをそのまま放置しておくとコ
ンタミネーションの発生をまねき、半導体製品の歩留ま
りが悪化するので、定期的に反応管等を洗浄する必要が
あった。

ここで、従来の反応管の洗浄方法としては、装置より反
応管を取り外し、専用の洗浄機により弗硝酸等によりウ
ェットエツチングを行ない、純水により洗浄し、乾燥機
にいれて乾燥を行ない、反応管を装置に取り付け、取り
付は後の調整を要していた。

上記の洗浄方法によれば、特に反応管の取り付け、取り
外しに多くの時間と労力とを要し、この間は装置の稼働
を停止せざるを得ないので稼働率が極めて低かった。

このような洗浄は、プロセスの種類、ガスの流量等によ
っても相違するが、洗浄時間として最短でも１日を要し
、かつ、洗浄の頻度としては通常１回／１週であり、特
にひどい場合として、シリコン窒化膜、テオス（ＴＥＴ
ＲＡＥＴＨＯＸＹ　５ＩＬＡＮＥ　；　５ｉ（ＱＣ２Ｈ
，）４　）酸化膜形成の場合には、１回／２〜３日の洗
浄頻度となっていた。このような頻度で上記反応管の取
り外し、取り付けを行なうのは１作業者にとって極めて
負担が大きがった。

そこで、上記問題点を解決するための提案が、特開昭６
１−１７６１１３号公報に開示されている。

この提案によれば、反応管に洗浄用薬品の注入口および
排出口を接続し、注入口を介して弗硝酸を反応管内に導
入して所定時間放萱することで、反応管のウェットエツ
チングを実行する。この後、弗硝酸を排出し、純水を注
入口より導入して洗浄を行ない、その後乾燥を実行する
ことで、反応管を装置より取り外さずに洗浄を行なうと
いうものである。

また、上記反応管外周に設けた金属製筒状電極と、上記
反応管内に挿入した金属製電極に電力を印加し、上記反
応管内に導入したエツチングガスを上記電力によりプラ
ズマ化し、このプラズマ化した上記エツチングガスによ
り上記反応管内に付着した反応生成物を除去する技術も
開示されている。また、反応管外周に複数の電極を設け
て上記と同様にエツチング除去する技術が特開昭６２−
１９６８２０号公報に開示されている。

（発明が解決しようとする課り 上述した特開昭６１−１７６１１３号公報による洗浄方
法は、実用化が極めて困難であった。

すなわち、装置に取り付けた状態でのウェットエツチン
グを実行するために、従来構成にさらに追加して、劇薬
である洗浄用液体の供給系および排出系を要し、設備が
大掛りとなり、設置スペースの増大およびコストアップ
が避けられない。また、既存の反応炉にこのような改造
を行なうことは事実上不可能である。

さらに、ウェットエツチングであるが故に乾燥時間に長
時間要し、真空乾燥によって短時間化を図ろうとすれば
そのための設備も要する。

また、上記反応管外周に設けた金属製筒状電極と、上記
反応管内に挿入した金属製電極に電力を印加することに
よりプラズマ化したエツチングガスにより除去する技術
及び上記特開昭６２−１９６８２０号公報に開示された
技術では、上記反応管外周に設けた筒状電極及び上記反
応管の間は、上記反応管の交換等の理由から上記反応管
をを取り外す必要があるために多少の間隔例えば１０１
１！１程度開けている。そのため、上記筒状電極及び上
記反応管内部に挿入した電極間の静電容量は小さく、周
波数がｌＯＭＨｚ以上例えば１３．５６ＭＨｚという高
い周波数の電力を供給する必要があった。この１３．５
６ＭＨｚの高い周波数の電力を使用すると、これが電波
となって周囲に存在する他の装置を誤動作させてしまう
問題点があった。

本発明は上記点に対処してなされたもので１反応管等を
取り外すことなく反応生成物を除去でき。

しかも低い周波数で発生させたプラズマにより短時間で
反応生成物を除去することができるプラズマ処理装置を
提供しようとするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、処理工程により少なくとも反応管内壁面に付
着した反応生成物をプラズマにより除去するプラズマ処
理装置において、上記プラズマを発生させる電極の少な
くとも上記反応管外周に配置された電極を、上記反応管
外周から離間可能な如く構成したことを特徴とするプラ
ズマ処理装置を得るものである。

（作用効果） 処理工程により少なくとも反応管内壁面に付着した反応
生成物を除去するプラズマを発生させる電極の少なくと
も上記反応管外周に配置された電極を上記反応管外周か
ら離間可能な如く構成したことにより、上記反応管外周
に配置された電極を上記反応管外周に接触することがで
き、この反応管が上記電極と接触していることにより、
上記反応管外周に複数個配置された電極間、或いは上記
反応管内部に配置された内部電極と上記反応管外周に配
置された電極との間の静電容量が十分に大きくなり、強
いプラズマ強度が得られると共に１０ＭＨｚ以下の低い
周波数におけるプラズマの発生が可能となる。そのため
、周囲に存在する他の装置を誤動作させることはなく、
更に上記反応生成物の除去を高速に実行することができ
る。

（実　施　例） 以下、本発明装置を半導体ウェハを複数毎同時にバッチ
処理するＣＶＤ装置に適用した一実施例につき、図面を
参照して説明する。

まず、ＣＶＤ装置の構成を説明する。

この装置は、第１図に示すように縦型反応炉で。

軸方向を垂直軸とする反応管■から成る処理部■と、こ
の処理部■に設定可能な被処理基板例えば半導体ウェハ
■を板厚方向に複数枚例えば１００〜１５０枚程度所定
間隔を設けて積載されたボート（イ）と、このボート（
イ）を、上記反応管■下方の予め定められたボート（イ
）受は渡し位置■から上記反応管（１）にロード・アン
ロードする搬送機構０とから構成されている。

上記処理部■には、耐熱性で処理ガスに対して反応しに
くい材質例えば石英から成る上面が封止され°た筒状反
応管（１）が設けられ、この反応管ω内に上記ボート■
を設置可能な如く、ボートに）より大口径で縦長に形成
されている。このような反応管■の周囲には、この反応
管の内部を所望する温度例えば７００〜１０００℃に加
熱可能な加熱機構例えばコイル状のヒータ■が反応管（
１）と所定の間隔を設けて巻回されている。そして、上
記反応管（１）とヒータ■との間には、上記反応管（］
〕の外周形状に適応させた円筒形の導電体を、所定の角
度間隔を設けて縦方向に複数分割例えば対向する如く２
分割させた電極（８）が上記ヒータ■と常に非接触状態
で設けられている。この電極（８）は、導電性で上記反
応管■内部の均熱効果を有し、さらに重金属例えばＮａ
、　Ｋ＋　Ｍｇ＋　Ｆｅ、　Ｃｕ、　Ｎｉ等を透過しな
い材質例えばシリコンカーバイト、導電性セラミック。

グラファイト等で形成されている。そして、上記電極（
８）には、第２図（Ａ）（Ｂ）に示すようにバランスト
ランス（９）及びマツチングボックス（１０）を介した
ＲＦ主電源１１）により、電力が供給可能とされている
。上記バランストランス（９）の存在により、上記バラ
ンストランス■）を介した上記電極（８）に上記ＲＦ　
ｆｉｌ源（１１）の電力を対照に供給することができる
。通常、上記電極（８）に電力を供給する回路は。

安全対策及びノイズ対策等を行なうために接地（アース
）する必要がある。そのため、上記電極■の一方が接地
されていることとなり、同様に装置は筐体アースされて
いることから、上記電極（８）の一方と上記筐体が電気
的に導通しており、上記電極（８）の他方と上記一方何
の電極■との間、及び上記電極（８）の他方と上記筐体
の間に電界が発生し、このため上記電極（８）間の放電
効率が低下する。また、後に説明する上記反応管■を封
止する蓋体は、好ましい材質である石英で形成すると、
上記反応管（Ｊ内部を気密に保持することが困難となる
という精度上の問題から上記蓋体は通常ＳＵＳ　（ステ
ンレススチール）で形成されている。そのため、上記他
方の電極（８）から上記蓋体にも放電してしまい、この
蓋体がプラズマでスパッタされ重金属が上記反応管■内
に付着し、上記ウェハ（３）の処理時に上記重金属がウ
ェハ■に付着してこのウェハ■に欠陥を発生させてしま
う。しかし、上記バランストランス■の介在により上記
電極（ハ）側の閉回路は直接アースされていないため上
記問題は解決できる。また、上記マツチングボックス（
１０）は、プラズマ放電負荷インピーダンスの整合を行
ない。

上記電力の供給効率の低下を回避している。この電力の
供給により、上記対向した電極（８）間に放電が起こり
、上記反応管■内部の処理ガスを励起してプラズマを発
生可能としている。そして、このプラズマの発生効率を
向上させるため、上記反応管■外周に、上記各電極■を
近接あるいは密着させる如く、上記各電極■を横方向に
スライド移動可能とし、又、上記反応管■の交換時等に
おいて、この反応管■を所定の位置に挿入出するため、
上記反応管■と各電極（８）の密着を解除する如く各電
極（８）をスライド移動可能とするように移動機構（１
２）が設けられている。この移動機４４（１２）は、例
えば上記各電極（８）を上記反応管■外周と直交する方
向即ち上記反応管■と離間する方向に移動可能とするリ
ニアーウェイ（１２ａ）と、　このリニアーウェイ（１
２ａ）上で上記各電極（８）を移動させる駆動機構例え
ばモーター（１２ｂ）により移動制御を可能としている
。ここで、この移動機構（１２）と上記電極（８）との
結合する結合部は、上記ＲＦ主電源１１）との接続端子
を兼ねており、例えば移動機構（１２）に設けられた上
記接続端子と電極（８）がスプリングワンシャ等を介し
てＳＵＳ製のネジにより止めされている。この時、上記
ヒータ■の熱により上記結合部が加熱されると、電極（
８）及び上記ネジの熱膨張係数の違いから、ゆるみ等が
発生するため、上記結合部を上記ゆるみ等が発生しない
温度例えば２００℃以下に設定することが好ましい。

又、上記反応管■の上部には１反応管■内部に所定の処
理ガスを供給するためのガス供給管（１３）が接続され
ていて、このガス供給管（１３）は、図示しないマスフ
ローコントローラ等を介してガス供給源に接続されてい
る。そして、上記反応管（１）の下部には、排気管（１
４）が接続され、この排気管（１４）には１反応管■内
を所望の圧力に減圧及び処理ガス等を排出可能な真空ポ
ンプ（図示せず）に接続されている。

上記のように構成された処理部■の反応管ω内を気密に
設定する如く蓋体（１５）が着脱自在に設けられている
。この蓋体（１５）上方には、上記ウェハ（３）を積載
したボート（イ）が設けられている。このボート０）は
、耐熱性で処理ガスに対して反応しにくい材質例えば石
英からなっており、このボート（イ）を上記反応管（１
）内の予め定められた高さ位置に設定可能な保温筒（１
６）が、上記ボートＧ）と蓋体（１５）との間に設けら
れている。

そして、上記蓋体（１５）は、例えばボールネジとモー
タ等からなる搬送機構■に支持されており、縦軸方向に
上記ボート（イ）が移動可能となっている。

上述した構成のＣＶＤ装置は、図示しない制御部で動作
制御される。

次に、上述したＣＶＤ装置による半導体ウェハ■への膜
形成処理及び反応管■内壁に付着した反応生成物を除去
する方法即ち洗浄方法を説明する。

まず１図示しないウェハ移替え装置によりウェハ■が積
載されたボート０）を、受は渡し位置■に設定した保温
筒（１６）上に、ハンドラ（１７）により把持搬送し載
置する。そして、上記ボート（イ）を、搬送機構０によ
り所定量上昇させ、上記反応管■内の予め定められた位
置に設定する。この時、上記反応管■下端部と上記蓋体
（１５）を当接させることにより、上記反応管■内部を
気密としている。これと同時に、上記反応管■内を所望
の低圧状態例えば０．１〜３Ｔｏｒｒに保つように図示
しない真空ポンプで排気制御し、ヒータ■により所望の
温度例えば５００〜１０００℃程度に設定する。

そして、この改定後上記排気制御しながらガス供給源か
ら図示しないマスフローコントローラ等で流量を調節し
つつ、処理ガス例えばＳｉＨ４と０２を反応管（１）内
にガス供給管（１３）から所定時間供給する。すると、
反応管ω内に設置されたウェハ０表面には、下式■に示
すＳｉｎ、膜が堆積する。

ＳｉＨ４＋０２→Ｓｉｎ、＋２Ｈ，↑　・・・・・・　
　■このＣＶＤ処理後、処理ガスの供給を停止し、反応
管０）内部を不活性ガス例えばＮ２ガスに置換し、常圧
復帰する。そして、上記処理後のウェハ（３）を積載し
たボート■を受は渡し位置■に搬送機構０により搬送し
処理が終了する。

このようなＣＶＤ処理をくり返し実行すると、上記反応
管■内に反応生成物例えば上記処理の場合５ｉｎ２が付
着してしまう。このような反応生成物が付着したまま上
記ＣＶＤ処理を実行すると、処理中に上記付着物が反応
管■から剥離し、塵となってウェハ■上に付着してしま
い汚染の原因となる。そのため上記付着した反応生成物
を定期的に除去する必要がある。

次に、処理工程例えば上記ＣＶＤ工程により反応管■内
に付着した反応生成物の除去をプラズマエツチングにて
行なう方法について説明する。

まず、蓋体（１５）を搬送機構■により上昇して、反応
管■下端部と当接させる。このことにより上記反応管ω
内を気密とする。この状態で、反応管■内を所望の低圧
状態例えばＩ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒに保つように図示
しない真空ポンプで排気制御する。この時既に、ＲＦ主
電源１１）に接続された電極■は、移動機構（１２）に
より反応管■の外周と密着する如くスライド移動しであ
る。このような状態で、ガス供給源から図示しないマス
フローコントローラ等で流量を例えば１１０００３ＣＣ
程度に調節しながらエツチングガス例えばＮＦ３を反応
管（Ｄ内にガス供給管（１３）から所定時間供給する。

この時は、反応管■内を０．２〜ＩＴｏｒｒになるよう
に排気制御しておく。

そして、ＲＦ定電源１１）から周波数例えば４００ｋｌ
（ｚ、電力例えばＬＫｌｉｌを各ｆｆｉ　極（８）に印
加する。すると各電極（８）間に放電が起こり、即ち、
反応管ω内に放電が起こり、反応管（ト）内に供給され
たエツチングガスが励起されプラズマが発生し、このプ
ラズマにより少なくとも反応管■内壁面に付着した反応
生成物をプラズマエツチング即ち除去する。このプラズ
マエツチングは、プラズマによって発生したラジカルに
よるケミカルエッチと、プラズマによって発生したイオ
ンシースで加速されたイオンのスパッタエッチとで行な
われる。

上記したように反応管（１）内部にプラズマを発生する
が、この時、上記反応管■外周に上記各電極■を密着さ
せた状態で電力を印加することにより、上記電極（８）
間に上記反応管■が存在即ち反応管■材質の石英が存在
することとなり、この石英の誘電率が空気より数倍高い
ことから上記電極０間の静電容量を十分に大きくするこ
とができ、上記プラズマが容易に発生し、更に強いプラ
ズマ強度が得られる。そのため、低いＲＦ定電源１１）
周波数例えば１０ＭＩＩｚ以下でのプラズマの発生が可
能となり、従来使用していた高い周波数例えば１３．５
６ＭＩＩｚを使用せずに上記プラズマを発生させること
ができる。

この１３．５６ＭＨｚの周波数は、電波となって周囲に
存在する他の装置を誤動作させてしまうトラブルが頻繁
に発生しており、上記周波数の電波シールドは困難とな
っていた。しかし、上記各電極（８）を反応管０）外周
に接触させることにより、上記１０ＭＩ（ｚ以下でのプ
ラズマの発生が可能であるため、上記のように他の装置
を誤動作させる間開は解決することができる。また、上
記各電極（８）は移動機構（１２）により上記反応管（
１）外周と接触或いは非接触に設定可能であるため、少
なくとも上記プラズマを発生させる場合に上記接触状態
とし、上記反応管（１）の交換等の場合に上記非接触状
態とすることにより、上記反応管のを容易に取り外すこ
とができる。また、この反応管■の取り外し時も、上記
各電極（８）とその周囲に設けられているヒータ■とは
常に非接触状態を保っておき、接触による上記ヒータ■
の破損及び上記電極■の破損防止する。

このようなエツチングガスにより剥離された反応生成物
は、排気管（１４）から排気され、反応管ω内に反応生
成物は残留しない。そして、所定時間エツチング後、エ
ツチングガスを停止し、反応管■内部を不活性ガス例え
ばＮ２ガスに置換し、常圧復帰する。この後、蓋体（１
５）を移動機構（１２）により受は渡し位置■に設置し
てエツチング処理が終了する。

上記実施例では電極を複数分割する構造として。

２分割する例について説明したが、これに限定するもの
ではなく、例えば第３図に示すように８分割に構成して
も同様な効果が得られる。このように複数分割した電極
（８）と夫々隣接する電極（８）に。

各々異なる極性の電力を印加してもよく、この場合、上
記隣接する電極０間、即ち反応管の内壁の表面付近に強
い電界（１８）が発生するため、上記反応管■内壁に付
着した反応生成物を効率良く、高速にエツチングするこ
とができる。この時、上記各電極（ハ）に電力を印加す
るＲＦ定電源１１）は、複数系統使用してもよいし、１
系統のＲＦ定電源１１）から上記各電極■に複数分配し
てもよい。

また、上記実施例では複数の電極（８）を反応管（υ外
周のみに設けた例について説明したが、これに限定する
ものではなく、例えば第４図（ａ）　（ｂ）に示すよう
に、反応管■外周に接触可能な外部電極（８）と、上記
反応管■内部に非接触状態に挿入した内部電極（８ａ）
との間に電力を印加してプラズマを発生させてもよい。

この場合、上記反応管■外周の移動可能な′に極（８）
は夫々電気的に接続して同電位とし、上記プラズマを発
生させることにより、上記電極（８）（８８）間が狭い
ため、強い電界（１９）が得られ、且つ、上記反応管（
１）と上記内部電極（８ａ）の形状を同一とすることで
均一な電界分布となり、上記反応管（ト）内壁面に付着
した反応生成物を均一にエツチングすることが可能とな
る。

また、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、例えば石英製の反応管は単管でなくとも、石英製の二
重管例えば上面が封止された筒状の外管と、この外管と
非接触状態で筒状の内管とから反応管を構成したもので
も良い。この場合、二重管構造の反応管の内管にエツチ
ングガスを供給し、内管と外管との間にエツチングガス
が流れるように排気制御すると、エツチングガスは、外
部電極に沿って流れる。すると、電極の近くは電界が強
く、プラズマが強く発生するため、供給されたエツチン
グガスのプラズマへの変換効率が向上する。例えばＮＦ
、ガス流量１１００ＯＳＣＣ、ＲＦ周波数４００ｋＨｚ
、　Ｍｌ力ｌｋＷ時ではプラズマへの変換効率が９５％
と高効率が得られた。又、上記実施例ではＲＦ電源（１
１）からの接続端子と電極■との結合をネジ等により行
ない、ネジのゆるみ対策として。

結合部を２００℃以下に設定していたが、２００℃以上
の場所で結合する場合は、ＲＦ電源からはＲＦ倍信号伝
えるので結合部で直流の導通がなくとも交流の導通が得
られれば良いことになる。即ち、ＳｉＣ等の電極（８）
とＲＦｍ源（１１）の金属性端子との結合表面積を大き
くし、複数箇所でネジ止めする。

すると大気中におかれたＳｉＣは高温となると表面に酸
化膜が発生し直流の導通が得られなくなるが。

結合表面積が大きいため静電容量を大きくとることが出
来るので、ＲＦ″氾流を十分に流すことが出来る。この
時、全屈性接続端子と引き出しリードの接続は、接続端
子の温度が２００℃以下の所で接続することが望ましい
。

さらに、上記実施例では電極は均熱管を兼ねて設けられ
ていたが、夫々別系統で設けても良く、電極の分割は２
分割でなくともプラズマが有効に発生するものなら何分
側でも良く、又、電極材質として耐熱性金属とセラミッ
クで被復したものでも良く、電極に印加する周波数は周
縁装置に悪影響を与えない例えば１０ＭＨｚ以下であれ
ば何れでも良い。

さらに又、上記実施例では石英製の反応管内部に付着し
た反応生成物をプラズマエツチングしていたが、ウェハ
を載置していない石英製のボートや保温筒を反応管内に
設置した状態でプラズマエツチングを行なっても良く、
このようにするとボートや保温筒に付着した反応生成物
を除去することが可能となり汎用性の高いものとなる。

さらに又、上記実施例ではウェハをバッチ処理する縦型
反応炉からなるＣＶＤ装置として説明したが、ＣＶＤ装
置でなくとも気相エピタキシャル成長装置や拡散装置等
の反応炉から成る装置であれば何れでも良く、反応炉も
横型に適応して良いことは言うまでもない。又、上記実
施例を応用してウェハをバッチ処理するプラズマＣＶＤ
装置として使用しても良い。

以上述べたようにこの実施例によれば、処理工程により
少なくとも反応管内壁面に付着した反応生成物を除去す
るプラズマを発生させる電極の少なくとも上記反応管外
周に配置された電極を、上記反応管外周から離間可能な
如く構成したことにより、上記反応管外周に配置された
電極を上記反応管外周に接触することができ、この反応
管が上記電極と接触していることにより、上記反応管外
周に複数個配置された電極間、或いは上記反応管内部に
配置された内部電極と上記反応管外周に配置された電極
との間の静電容量が十分に大きくなり、強いプラズマ強
度が得られると共に１０ＭＨｚ以下の低い周波数におけ
るプラズマの発生が可能となる。そのため１周囲に存在
する他の装置を誤動作させることはなく、更に上記反応
生成物の除去を高速に実行することができる。尚、電極
■を移動させるモーター等の駆動機構を用いずに、手動
で上記電極■の移動を実行してよいことはいうまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を説明するためのＣＶＤ
装置の構成図、第２図は第１図の電極説明図、第３図及
び第４図は第１図の他の実施例説明図である。 １・・・反応管　　　　　　８・・・電極９・・・バラ
ンストランス １０・・・マツチングボックス １１・・・ＲＦ電源　　　　　１２・・・移動機構特許
出願人　　　チル相模株式会社 第 図 １３、。 第 図（Ａ） 第 図（８） 第 図 第 図（Ａ） 第 図（Ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 処理工程により少なくとも反応管内壁面に付着した反応
   生成物をプラズマにより除去するプラズマ処理装置にお
   いて、上記プラズマを発生させる電極の少なくとも上記
   反応管外周に配置された電極を、上記反応管外周から離
   間可能な如く構成したことを特徴とするプラズマ処理装
   置。