JP2010097993A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境や洗浄部品に影響されずに、装置立上げおよびメンテナンス後の初期金属汚染量を低減することを可能とするプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】新規装置立上げ工程および／またはメンテナンス後再稼働工程後における製品ウエハ生産処理（本処理）工程前に、初期金属汚染防止工程を設ける。初期金属汚染防止工程は、処理室内に設けられたサセプタにプロダクトウエハを載置しないで処理室に窒素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、処理室内に設けられたサセプタにプロダクトウエハを載置しないで処理室に酸素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、で構成し、窒素プラズマ処理ステップおよび酸素プラズマ処理ステップを初期金属汚染の状況に応じて繰り返して実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、処理基板の汚染量を改善したプラズマ処理方法に関する。

一般に、デバイスを製造する基板処理装置は、基板を処理する処理室を備えており、処理室外部から処理室内に基板を搬入し、ガスを供給しつつ排気することにより基板を処理し、処理済みの基板を処理室から処理室外へ搬出するように構成されている。
基板は処理室内で金属汚染されないことが好ましい。金属汚染された状態だとデバイスの特性が低下するからである。

ところで、基板処理装置を新規に製作した後の装置立上げ（commissioning)時や基板処理装置のメンテナンス後の再稼働時における、処理室内の初期汚染量は、クリーンルームの環境および処理室を構成する構成部品（洗浄部品）の洗浄具合で左右される。このため、クリーンルーム環境のクリーン度を高め、メンテナンス時の洗浄部品の洗浄度を高めている。
したがって、装置立上げ時やメンテナンス後の再稼働時における初期汚染は、クリーンルームの環境および洗浄された構成部品からの汚染ではなく、別なルートからの汚染であると考えられていた。
このため、従来は、装置の立上げ時やメンテナンス後の再稼働時には、処理室内でダミー基板等を数枚処理（初期汚染防止処理）した後に、製品基板の生産処理（本処理）に移行していた。

しかしながら、基板の汚染は、クリーンルームの環境やメンテナンス後の洗浄部品の運搬方法および運搬時間に影響されることがわかってきた。このため、前述した従来技術のように、装置立上げ時やメンテナンス後の再稼働時に、ダミー基板等を数枚処理しただけでは、基板の汚染を有効に防止できず、かといってダミー基板の枚数を増加すると、生産性が低下するという問題があった。

そこで、環境や洗浄部品に影響されずに装置立上げおよびメンテナンス後の汚染量を低減することができる基板処理方法として、処理室内に設けられた基板載置台に基板を載置しないで、処理室に窒素（Ｎ₂ ）ガスを含むガスを供給しつつ排気してプラズマ放電し、その後、基板載置台に基板を載置して、製品基板を処理する基板処理方法、が提案されている。例えば、特許文献１参照。
特開２００６−５２８７号公報

しかしながら、前述した基板処理方法においては、装置立上げ時やメンテナンス後の再稼働時の初期金属汚染を充分に防止することができないという問題点がある。

本発明の目的は、初期金属汚染を充分に防止することができるプラズマ処理方法を提供することにある。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）処理室内に設けられた載置台に基板を載置しないで、前記処理室に窒素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、
前記処理室内に設けられた前記載置台に基板を載置しないで、前記処理室に酸素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、
を備えたプラズマ処理方法。
（２）前記酸素ガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、前記窒素ガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、を繰り返し実施することを特徴とする前記（１）に記載のプラズマ処理方法。

この基板処理方法によれば、装置立上げ時およびメンテナンス後の装置再稼働時の初期金属汚染を充分に防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。
本実施形態において、本発明に係るプラズマ処理方法は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Modified Magnetron Typed Plasma Source）を用いてウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理装置（以下、ＭＭＴ装置と称する）、によって実施される。

このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワープレートを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに、磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより、長寿命となって電離生成率を高めるので、高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理を施す、または、基板表面に薄膜を形成する、または、基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。このＭＭＴ装置は、酸化処理や窒化処理の均一性に優れいているので、酸化窒化装置として使用される。

図１に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。
ＭＭＴ装置は処理室２０１が、第２の容器である下側容器２１１と、該下側容器２１１上に被せられる第１の容器である上側容器２１０とから形成されている。上側容器２１０はドーム型の酸化アルミニウムまたは石英で形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。
また、後述するヒータ一体型の基板保持手段であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックスまたは石英で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。

上側容器２１０の上部にはガス分散空間であるバッファ室２３７を形成するシャワーヘッド２３６が設けられ、シャワーヘッド２３６の上壁にはガス導入用の導入口であるガス導入口２３４が設けられている。下壁はガスを噴出する噴出孔であるガス噴出孔２３４ａを有するシャワープレート２４０からなっており、ガス導入口２３４は、ガスを供給する供給管であるガス供給管２３２により開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御手段であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。
下側容器２１１の側壁にはガスを排気する排気口であるガス排気口２３５が、シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、基板処理後のガスがサセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ流れるように設けられている。ガス排気口２３５はガスを排気する排気管であるガス排気管２３１により圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。
なお、プラズマ処理炉には反応ガス２３０を供給するガス供給管２３２の他に、酸素ガス（Ｏ₂ ）や窒素（Ｎ₂ ）ガスを供給するガス供給管（ガスライン）が設けられている。

供給される反応ガス２３０を励起させる放電手段として断面が筒状であり、好適には円筒状の第１の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理室２０１外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５には高周波電力を印加する高周波電源２７３がインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して接続されている。

また、断面が筒状であり、好適には円筒状の磁界形成手段２１６は、例えば筒状の永久磁石からなっている。磁界形成手段２１６は筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板保持手段としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７はウエハ２００を加熱できるようになっている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムで構成され、内部に加熱手段としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれている。ヒータは高周波電力が印加されてウエハ２００を５００℃程度にまで加熱できるようになっている。

また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを可変するための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、電極およびサセプタ２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。

ウエハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉２０２は、処理室２０１、サセプタ２１７、筒状電極２１５、磁界形成手段２１６、シャワーヘッド２３６および排気口２３５を備えており、処理室２０１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。

筒状電極２１５および磁界形成手段２１６の周囲には、筒状電極２１５および磁界形成手段２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。

サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させる昇降手段であるサセプタ昇降機構２６８が設けられている。サセプタ２１７には貫通孔２１７ａを有し、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるための基板突上手段であるウエハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。
そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａおよびウエハ突上げピン２６６が設けられる。

また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いている時には図中省略の搬送手段により処理室２０１へウエハ２００が搬入、または搬出され、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。

また、制御手段であるコントローラ１２１は高周波電源２７３、整合器２７２、バルブ２４３ａ、マスフローコントローラ２４１、ＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６、サセプタ昇降機構２６８、ゲートバルブ２４４、サセプタに埋め込まれたヒータに高周波電力を印加する高周波電源と接続し、それぞれを制御している。

以上の構成に係るＭＭＴ装置により、ウエハ２００表面またはウエハ２００上に形成された下地膜の表面に、所定のプラズマ処理を施す方法について説明する。

ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部（クリーンルーム）からウエハを搬送する図中省略の搬送手段によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この搬送動作の詳細は、次の通りである。
まず、サセプタ２１７が下った状態になっており、ウエハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過してサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き出された状態で、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開き、図中省略の搬送手段によってウエハ２００をウエハ突上げピンの先端に載置する。搬送手段は処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉まり、サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置することができ、ウエハ２００を処理する位置までさらに上昇する。

サセプタ２１７に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウエハ２００を室温〜５００℃の範囲内でウエハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６およびＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１〜１００Ｐａの範囲内に維持する。

ウエハ２００を処理温度に加熱したら、ガス導入口２３４からシャワープレート２４０のガス噴出孔２３４ａを介して、反応ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００の上面（処理面）に向けてシャワー状に導入する。
同時に、筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値に制御しておく。

磁界形成手段２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウエハ２００の表面にプラズマ処理が施される。表面処理が終わったウエハ２００は、図示略の搬送手段を用いて、ウエハ搬入と逆の手順で処理室２０１外のクリーンルームへ搬送される。

なお、コントローラ１２１により高周波電源２７３の電力ＯＮ・ＯＦＦ、整合器２７２の調整、バルブ２４３ａの開閉、マスフローコントローラ２４１の流量、ＡＰＣ２４２の弁開度、バルブ２４３ｂの開閉、真空ポンプ２４６の起動・停止、サセプタ昇降機構２６８の昇降動作、ゲートバルブ２４４の開閉、サセプタに埋め込まれたヒータに高周波電力を印加する高周波電源への電力ＯＮ・ＯＦＦをそれぞれを制御している。

さて、前述したように、ＭＭＴ装置においては、新規装置の立上げ時やメンテナンス後の再稼働時に、処理室内でダミー基板等を数枚処理しただけで、製品ウエハの生産処理に移行すると、クリーンルーム環境を高清浄にしたり、洗浄部品を高清浄に保ったりしているにもかかわらず、ウエハをプラズマ酸化またはプラズマ窒化すると、プラズマ処理ウエハが金属汚染されることがあった。これは、クリーンルームの環境やメンテナンス後の洗浄部品の運搬方法および運搬時間に影響されることにも起因していると、推測される。

そこで、本実施形態においては、図２に示されているように、新規装置立上げ工程Ｐ１および／またはメンテナンス後再稼働工程Ｐ２後における製品ウエハ生産処理（本処理）工程Ｐ３前に、初期金属汚染防止工程Ｐ４を設けるものとした。
初期金属汚染防止工程Ｐ４は、処理室２０１内に設けられたサセプタ２１７にウエハ（以下、プロダクトウエハという）２００を載置しないで、処理室２０１に窒素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップ（窒素プラズマ処理ステップという）Ｓ１と、処理室２０１内に設けられたサセプタ２１７にプロダクトウエハ２００を載置しないで、処理室２０１に酸素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップ（酸素プラズマ処理ステップという）Ｓ２と、を備えている。
窒素プラズマ処理ステップＳ１および酸素プラズマ処理ステップＳ２は、初期金属汚染の状況に応じて、繰り返して実施される。

新規装置立上げ工程Ｐ１および／またはメンテナンス後再稼働工程Ｐ２後における製品ウエハ生産処理（本処理）工程Ｐ３前に初期金属汚染防止工程Ｐ４を実施すると、ウエハの初期金属汚染量が低減する事実を評価する実験を、ＭＭＴ装置を用いて行った。

まず、初期金属汚染発生のモデルを究明するために、窒素プラズマ処理ステップでの金属汚染特性を確認した。図３はこの特性を示すグラフである。
図３に示されているように、高周波電源（以下、ＲＦという）のオン・オフにおいて、ＲＦオンでしか、ナトリウム（Ｎａ）汚染は発生しない。この事実により、石英（サセプタおよびヒータ等）表面に存在するナトリウムがプラズマにより、処理室内に飛散していることが推測される。
図４に示されているように、ＲＦオン時間が長いと、金属汚染は若干だけ低減することができる。この事実により、プラズマによって飛散したナトリウムが調圧ガスによって排気されていることが推測される。
図５に示されているように、温度依存性を確認した結果、温度が高い程、金属汚染は多くなる。この事実により、石英の中からもナトリウムが析出していることが推測される。
ヒータ温度を上げることにより、ナトリウムを積極的に析出可能なことが判る。

離脱させたナトリウムを積極的に排出するために、ガス種を酸素ガスに変更した酸素プラズマ処理ステップを実施し金属汚染を測定した。図６はその結果を示している。
図６によれば、酸素プラズマ処理ステップを実施することにより、ナトリウムを効率よく除去可能であることが判った。
以上の結果から、窒素プラズマ処理ステップＳ１および酸素プラズマ処理ステップＳ２を繰り返して実施することにより、初期金属汚染を効率よく低減可能であることが検証された。

窒素プラズマ処理ステップＳ１および酸素プラズマ処理ステップＳ２を繰り返して実施することによる初期金属汚染低減のメカニズム（原理）を、図７によって説明する。
図７（ａ）に示されているように、窒素プラズマ処理ステップＳ１において、石英表面のナトリウムをプラズマ中に離脱させることにより、石英表面に石英中のナトリウムを析出させる。析出させたナトリウムを窒素プラズマ処理によってプラズマ中に離脱させる。ナトリウムを効率よくプラズマ中に離脱させる。
図７（ｂ）に示されているように、離脱したナトリウムを酸素プラズマ処理ステップＳ２において、酸素プラズマによって酸化結合することにより、酸化物として効率よく排出させる。

以上のように、本実施形態においては、初期金属汚染防止工程Ｐ４を窒素プラズマ処理ステップＳ１と酸素プラズマ処理ステップＳ２とにより構成し、窒素プラズマ処理ステップＳ１と酸素プラズマ処理ステップＳ２とを初期金属汚染の程度に応じて繰り返して実施するものとすることにより、初期金属汚染を充分かつ効率よく低減することができる。

したがって、ＭＭＴ装置において、新規装置立上げ工程Ｐ１および／またはメンテナンス後再稼働工程Ｐ２後であって製品ウエハ生産処理（本処理）工程Ｐ３前における、初期金属汚染を確実に防止することができるので、ＭＭＴ装置の生産性の安定を向上することができる。

本実施形態によれば、ダミーウエハを使う必要がなく、ダミー放電回数を増やすだけで良いので、資源の有効利用を図ることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。

前記実施形態では、ＭＭＴ装置による基板処理方法について説明したが、これ以外のプラズマ処理方法またはプラズマを用いない基板処理方法にも、本発明は適用可能である。一般的に電気または電子デバイスを製造するとき、金属汚染された状態だと電気または電子デバイスの特性が低下するが、本発明は、この金属汚染を防止できるからである。

本発明の好ましい態様を付記する。
（１）減圧可能な処理室と、
石英部品を加熱するヒータと、
前記石英部品の片側に配されて直流電圧の正極が印加される電極と、
を備えた基板処理装置。
（２）前記電極と対向して直流電圧の負極を印加される電極を有する前記（１）に記載の基板処理装置。

本発明の一実施形態が実施される基板処理装置を概略構成図である。 本発明の一実施形態である基板処理方法を示すフローチャートである。 ＲＦオン・オフとナトリウム析出量の関係を示すグラフである。 ＲＦオンタイムとナトリウム析出量の関係を示すグラフである。 ヒータ温度とナトリウム析出量の関係を示すグラフである。 窒素プラズマ処理と酸素プラズマ処理のナトリウム析出量を比較するグラフである。 初期金属汚染低減のメカニズムを示す各模式図であり、（ａ）は窒素プラズマ処理ステップを示しており、（ｂ）は酸素プラズマ処理ステップを示している。

符号の説明

２００ ウエハ（基板）
２０１ 処理室
２１７ サセプタ（基板載置台）
２２４ プラズマ生成領域
２３２ ガス供給管

Claims (1)

1. 処理室内に設けられた載置台に基板を載置しないで、前記処理室に窒素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、
   前記処理室内に設けられた前記載置台に基板を載置しないで、前記処理室に酸素ガスを含むガスを供給しつつプラズマ放電するステップと、
   を備えたプラズマ処理方法。

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