(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体または膜を処理するための処理空間と該処理空間を排気するための排気手段とを有する処理装置であって、前記処理空間と前記排気手段とを連絡する排気経路中に、上記処理空間から排気される未反応ガス及び副生成物の少なくとも一方に化学反応を起こさせるための化学反応生起手段を有し、該化学反応生起手段が、少なくともクロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかを母体材料として形成され、リン原子を含む発熱体から構成されていることを特徴とする処理装置。
【請求項２】
上記発熱体に含まれるリン原子の量が、発熱体を構成する全原子成分に対し、原子組成比で０．１％以上である請求項１記載の処理装置。
【請求項３】
上記発熱体が上記排気経路中の未反応ガス及び副生成物の排気流路に設置されている請求項１記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、スパッタ法、水素プラズマ処理法、ドライエッチング法等を用いて、処理空間（例えば、基体処理空間や膜処理空間）である反応室内において堆積膜を堆積するような基体処理或いはエッチング等の膜処理を行う処理装置であって、特に、排気ガス中に生成を余儀なくされる未反応ガスや副生成物等を上記反応室より外の排気管内で処理する手段を備えた処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等においては、ステンレスや石英管等の材質で構成される処理空間（基体処理空間）である反応室内に、ガスミキシング設備等を経由して混合原料ガスを導入した後、高周波、熱、光等の分解エネルギーを印加し、反応室内で原料ガスを分解し、所望の基体上に堆積膜を形成し、残留する排気ガスを真空ポンプ等の排気手段へつながった排気管を通して排気する手法が一般的に行われている。しかしながら、これらの手法において、導入される原料ガスが全て反応室内において分解消費され、所望の基体上に堆積膜として形成されるわけではなく、未反応なガス成分が存在したり、或いは新たな反応副生成物が生成される場合があり、これら堆積膜には不要となったガスを含む排気ガスが排気管を通して反応室外へ排気されることとなる。
【０００３】
また、スパッタ法、水素プラズマ処理法、ドライエッチング法等においては、反応室内に導入されるガス種や反応室内での処理後に生成される残留排気ガスのガス種が、上記ＣＶＤ法の場合とは異なる点があるものの、排気管を通して排気される排気ガス中に未反応ガス成分や副生成物等が含まれてしまうことは、上記ＣＶＤ法の場合と同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、スパッタ法、水素プラズマ処理法、ドライエッチング法等を用いて、機能性堆積膜の堆積等基体処理或いはエッチング等の膜処理といった処理を行う際、処理空間である反応室内から排気される排気ガスの中には、未反応ガス成分や副生成物等が含まれることから、この排気ガスが排気管を通過する際に、該未反応ガスや副生成物等が元となって排気管内壁面に新たな副堆積物が生じてしまい、これが積み重なってくると、排気管内断面、即ち排気管開口を閉塞させてしまうことになる結果、反応室内の排気されるべき排気ガスを十分に排気することが困難になってしまい、処理装置としての機能が損なわれてしまう。
【０００５】
排気管内副堆積物によって排気管の開口が次第に閉塞してくると、排気ガスの排気能力が経時的に低下してくることは自明であり、またその閉塞具合が時間に対して必ずしも一定ではないことも相俟って、反応室で行っている処理条件を厳しく管理したとしても、その処理を長時間にわたって再現性良く実行することが困難になってしまうという問題があった。
【０００６】
このような問題点を解決するために、排気管内に加熱手段を設けることによって、副堆積物を処理する方法が知られている。しかしながら、排気管内に設置される加熱手段を構成する発熱体が連続使用により破損に至ってしまう。そこで、発熱体ユニットのメンテナンスを行うことが必要となるが、それにより装置の稼働率を低下させてしまう問題があった。そのため、装置の稼働率を向上させるべく、発熱体ユニットの耐久性を向上させることが望まれていた。
【０００７】
また、排気管の途中には、Ｌ型のバルブ類や反応室内の圧力を調整するためのコンダクタンスバルブや圧力を測定するための圧力計等が設置されており、これらの部材に副堆積物が付着してくると、次第にその機能が損なわれてくることから定期的なメンテナンス作業が必要となるといった問題点もあった。
【０００８】
さらには、排気手段として用いられているロータリーポンプ等の真空ポンプへの副堆積物の混入は、ポンプ本体の排気能力を低下させるだけにとどまらず、故障等を引き起こす原因にもなり、ポンプ交換の手間や装置の復旧のための時間損失等の問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、処理装置において、反応室から排気される未反応ガス及び副生成物を効率良く分解し、排気管及び排気手段への副堆積物の付着、堆積を防止し、効率良く本来の処理を行うことにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明の処理装置は、下記のように構成したものである。
【００１１】
即ち本発明の処理装置は、基体または膜を処理するための処理空間と該処理空間を排気するための排気手段とを有する処理装置であって、前記処理空間と前記排気手段とを連絡する排気経路中に、上記処理空間から排気される未反応ガス及び副生成物の少なくとも一方に化学反応を起こさせるための化学反応生起手段を有し、該化学反応生起手段が、少なくともクロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかを母体材料として形成され、リン原子を含む発熱体から構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、上記発熱体に含まれるリン原子の量は、発熱体を構成する全原子成分に対し、原子組成比で０．１％以上であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の処理装置について、ＣＶＤ装置を例に挙げて説明する。例えば、非晶質（アモルファス）シリコン膜や、非晶質シリコン合金膜等の非単結晶半導体薄膜を形成するためには、プラズマＣＶＤ法を用いることになる。
【００１４】
図１に、本発明の処理装置の一つであるプラズマＣＶＤ装置の一実施形態の模式的断面図を示す。図中、１００は反応室、１０１は被処理基体、１０２はガスミキシング設備、１０３は排気管、１０４はカソード電極、１０５はヒーターユニット、１０６は高周波電力源、１０７は発熱体ユニット、１０８は排気ポンプユニット、１０９はガス導入管、１１０は排気ガス配管、１１１は高周波印加ケーブル、１１２は放電空間、１１３は圧力計、１１４はコンダクタンス調整バルブ、１１５はＡＣ電力源、１１６はＡＣ印加ケーブルである。
【００１５】
図１の装置においては、処理空間としてステンレスや石英等からなる反応室１００を使用し、マスフローコントローラー等で構成されるガスミキシング設備１０２を経由してシランガス（ＳｉＨ4）や水素ガス（Ｈ2）を所望の比率で混合した原料ガスを反応室１００内へガス導入管１０９を通して導入した後、高周波電力源１０６から高周波印加ケーブル１１１を経由してカソード電極１０４へ分解エネルギーとしての高周波電力を印加し、放電空間１１２で放電を生じさせ、反応室１００内の原料ガスを分解し、ステンレスやガラス等所望の被処理基体１０１上に堆積膜を形成する。カソード電極１０４の裏面にはヒーターユニット１０５が設けられており、それにより基体１０１が加熱される。また、反応室１００内の圧力は圧力計１１３でモニターされる。
【００１６】
堆積膜にならなかった残ガス（未反応ガス、副生成物）は排気ガスとして排気管１０３、コンダクタンスバルブ１１４を通り、排気ポンプユニット１０８によって排気ガス配管１１０から反応室１００外へ排気される。その際、排気経路である排気管１０３の内部に、未反応ガスや副生成物に化学反応を起こさせるための化学反応生起手段として、リン（Ｐ）原子を含有する発熱体ユニット１０７を設置する。発熱体ユニット１０７はＡＣ印加ケーブル１１６を介してＡＣ電力源１１５に接続されている。発熱体の母体材料としては、高融点金属として分類される、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）の少なくとも１種類の材質から選定され、この母体材料にリン原子を含有させて使用する。リン原子の含有量は、発熱体を構成している全原子成分に対し、原子組成比で０．１％以上であることが望ましい。
【００１７】
母体材料にリン原子を含有させることの効果を以下に述べる。
【００１８】
例えば、発熱体材質として純金属を選定した場合、金属によっては発熱体として昇温させて使用を続けると発熱体自体の熱処理効果が起こる結果、金属の結晶粒径等内部組織の構造が変移し、高温強度が低下し非常に脆くなってしまう場合がある。とりわけ、酸素（Ｏ）原子は、処理空間へ導入される原料ガスに含まれない場合であっても、通常の真空処理装置では装置のメンテナンスを大気開放して行うことが多いため、大気に曝される処理空間内部の壁面構成部材等の表面に水分（Ｈ2Ｏ）や酸素が吸着しているため、メンテナンス後処理を開始するために処理空間を真空引きした後、前記壁面部材等を加熱してベーキングを行ったり、酸素原子を含まない高純度ガスで数回パージを行ったりしたとしても、処理空間内では少なくともｐｐｍオーダー以上の酸素原子を含む気体が存在してしまう。この酸素原子を含む気体の存在は、高温に加熱される発熱体を構成する高融点金属原子と容易に反応し、高融点金属原子を酸化させてしまう結果、発熱体材質の変質を引き起こし、靱性が低下し脆化してしまう場合がある。
【００１９】
そこで、上記酸素原子が高融点金属原子よりも結びつき易いリン原子を発熱体に含有させることにより、該リン原子に酸素原子を結合させて発熱体を構成する高融点金属原子の酸化を大幅に抑制することが可能となる。その結果、母体材料（金属）の高温強度を維持させることが可能となり、発熱体としての機能をより長く維持することができるため、数百時間といった長時間にわたって、連続的に非晶質シリコン膜形成等の処理を行う場合においても十分に対応できる。また、発熱体の損傷周期を長くとることが可能となることにより、メンテナンス頻度が減少し、装置の稼働率を向上させることができる。
【００２０】
発熱体を設置する位置としては、処理空間である反応室１００とロータリーポンプ等で代表される排気ポンプユニット１０８との間に配置される排気管１０３の途中部分で排気管１０３内部即ち排気ガス流路内が望ましい。
【００２１】
発熱体としては、例えば図２に示すように、絶縁性板材２００にワイヤ状発熱体２０１を複数回巻き付けて排気管１０３内に少なくとも１ユニット以上を設置することができる。ワイヤ状発熱体２０１にはその両端部にＡＣ電力等の電力を印加して加熱する。必要であれば、スライダック等の電圧調整変換器によってＡＣ電力の電圧値を調整しても良い。また、図３に示すように、発熱体をコイル状発熱体２０３に形成し、絶縁性棒材２０４を中に通すことによって支持し、排気管１０３内のガス流れ方向を横切るような位置関係で少なくとも１本以上設置しても良い。コイル状発熱体２０３の両端部にはＡＣ電力等を印加する。また、図４に示すように、棒状発熱体２０５を少なくとも１本以上用い、該棒状発熱体２０５の両端部に別途導電性電極材２０６を設け、棒状発熱体２０５を並列接続させ、両端部の導電性電極材２０６にＡＣ電力等を印加して使用しても良い。さらに、図５に示すように、テープ状発熱体２０７を少なくとも１本以上用い、該テープ状発熱体２０７の両端部に別途導電性電極材２０８を設け、該テープ状発熱体２０７を並列接続させ、両端部の導電性電極材２０８にＡＣ電力等を印加して使用しても良い。
【００２２】
上記いずれの場合においても、発熱体ユニット１０８が処理空間（反応室１００）と排気手段（コンダクタンス調整バルブ１１４、排気ポンプユニット１０８）との間の排気管１０３内に設置され、且つ、排気ガス流路を塞ぐことなく設置されていれば良く、設定の態様が限定されるものではない。
【００２３】
上記発熱体の加熱方法としては、線状、棒状、コイル状等のいずれの形状であっても、その両端部にＡＣ電力やＤＣ電力を印加して発熱体自体に電流を流すことで発熱させると良い。必要であれば、温度調整コントローラーを介して電力を印加しても良い。
【００２４】
また、発熱体の温度としては、例えば非晶質シリコン膜の形成時においては、排気管１０３内に堆積するポリシラン（ＳｉxＨy；ｘ、ｙは整数）に含まれる大量の水素原子の放出反応を促進させ、結果としてシリコン膜片に変化させてしまう処理を行うという観点から、５００℃以上に昇温させて使用することが望ましい。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
図１に示したプラズマＣＶＤ装置を用いて、堆積膜形成を行った。発熱体ユニット１０７の仕様としては、図２に示すようなアルミナセラミックス製の絶縁性板材２００（３００ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍ）に、発熱体２０１として直径０．２ｍｍでリン原子を１％（原子組成比）含有したワイヤ材（母体材料：クロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれか１種）を、板材の長手方向に５周巻き付けて排気管１０３内に設置した。被処理基体１０１としてステンレス（ＳＵＳ３０４）からなる基体（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍ）をカソード電極１０４上に設置し、カソード電極１０４下部に埋め込まれたヒーターユニット１０５を用いて、上記ステンレス基体１０１が３００℃になるように設定した。本例においては、発熱体ユニット１０７の効果をより明確に判断するために、以下のような通常より厳しい成膜条件を設定した。
【００２６】
ガスミキシング設備１０２において、シラン（ＳｉＨ4）ガス（流量：２００ｓｃｃｍ）と水素（Ｈ2）ガス（流量：２００ｓｃｃｍ）とを混合し、この混合ガスをガス導入管１０９を通して反応室１００内に導入した。発熱体２０１の両端部には、ＡＣ電力源１１５からＡＣ印加ケーブル１１６を介して、ＡＣ１００Ｖを印加した。この時、発熱体２０１を流れる電流値は５Ａであった。この時、発熱体２０１の温度は１０００℃であった。その後、圧力計１１３にて反応室１００内の圧力が１Ｔｏｒｒになるようにコンダクタンス調整バルブ１１４を調整した。その後、高周波電力源１０６から高周波印加ケーブルを介してカソード電極１０４に、ＲＦ電力１０００Ｗを印加し、放電を生起させた。処理時間即ち放電時間は、連続的に１０時間とした。
【００２７】
（比較例１）
発熱体ユニット１０７の仕様として、リン原子の含有率が０％のワイヤ材を発熱体として用いる以外は実施例１と同様の発熱体レイアウト、同様な装置構成、同様な成膜条件にて堆積膜を形成した。
【００２８】
実施例１及び比較例１ともに、連続的に１０時間の放電処理を行った後、上記基体を入れ替える作業を行い、再度放電を調整し、１０時間放電処理を行うという手順を繰り返した。そして、発熱体の寿命を比較するために、発熱体が破損して使用不能になるまでの各々連続１０時間放電を１サイクルとしてその繰り返し回数を比較し、耐久性の評価を行った。また、同時に、排気管１０３の内壁面に付着した副堆積物の状況比較（発熱体破損後）も行い、処理能力を評価した。結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0003652166.tif 000002
【００３０】
〔耐久性の評価〕
○：１１サイクル以上
△：６〜１０サイクル
×：０〜５サイクル
【００３１】
〔処理能力の評価〕
◎：粉状のポリシランは全く観測されず、硬質の膜が付着、堆積していた。
○：粉状のポリシランがわずかに観測され、硬質な膜が付着、堆積していた。
△：粉状のポリシランが３割程度、硬質な膜が７割程度の割合で付着、堆積していた。
【００３２】
表１に示す通り、リン原子を含む発熱体を使用することで、繰り返し使用における発熱体が破損するまでの回数、即ち寿命が長く、耐久性に優れていることが実証された。それと同時に、排気管１０３の内壁部へ付着する副堆積物の状況と言う観点からも、リン原子を含む発熱体を使用することで優れた結果が得られることが実証された。
【００３３】
（実施例２）
リン原子含有率が異なる発熱体を使い分けたこと以外は実施例１と同様にして堆積膜を形成し、発熱体のリン原子含有率依存性を調べた。具体的には、リン原子の含有率が０．０１％、０．０５％、０．１％、０．５％、１％、５％（原子組成比）の６種類のワイヤ材（母体材料：クロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれか１種）を用意し、いずれのワイヤ材も直径０．２ｍｍと同一にした。
【００３４】
実施例１及び比較例１の手順と同様に、連続１０時間の放電処理を１サイクルとして、発熱体が破損に至るまでの繰り返し回数を比較し、同時に排気管１０３内壁面に付着した副堆積物の比較を行った。結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
0003652166.tif 000003
【００３６】
上記表２における評価基準は表１と同じである。
【００３７】
表２に示す通り、リン原子含有率が０．１％以上である発熱体を使用することで、繰り返し使用における発熱体の耐久性が優れていることが実証された。それと同時に、排気管１０３の内壁部へ付着する副堆積物の状況という観点からも、リン原子含有率が０．１％以上である発熱体を使用することで優れた効果が得れれることが実証された。
【００３８】
（実施例３）
リン原子の含有率が１％（原子組成比）、直径が０．２ｍｍのタングステンワイヤ材を用い、該ワイヤ材へ印加するＡＣ電圧を変化させることでワイヤ材即ち発熱体の温度を種々変化させ、発熱体温度依存性を調べた。発熱体レイアウト、装置構成、放電条件は実施例１と同様とした。発熱体の温度は、３００℃、５００℃、６００℃、８００℃、１０００℃、１２００℃の６種類とし、実施例１及び比較例１の手順と同様にして、発熱体が破損に至るまでの、連続的な１０時間放電処理の繰り返し回数を比較した。同時に排気管１０３内壁面に付着した副堆積物の比較を行った。結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】
0003652166.tif 000004
【００４０】
表中の処理能力の評価基準は表１と同じである。
【００４１】
表３に示す通り、ワイヤ材即ち発熱体の温度が５００℃以上の温度領域において、本発明にかかる発熱体は破損に至るまでの繰り返し回数が多い、即ち寿命が長いことが実証され、同時に、発熱体の温度を５００℃以上とすることによって、処理能力も優れた結果が得られることがわかった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の処理装置によれば、機能性堆積膜の形成といった基体処理やエッチング等の膜処理において、反応室内から排気される排気ガス中に含まれる未反応ガスや副生成物等が排気管を通過する際に該排気管内壁面に形成されてしまう副堆積物が、良好に分解されて硬質の膜として堆積されるため、排気管開口の閉塞を防止して長期にわたって本来の処理を行うことができる。
【００４３】
また、排気経路に設置される発熱体の耐久性が高いことから、発熱体ユニットのメンテナンス回数が低減され、装置の稼働率を向上させることができる。
【００４４】
さらに、排気管の途中に設けられたＬ型のバルブ類や、コンダクタンス調整バルブ、圧力計等への副堆積物の付着を防止することができ、その機能を長時間維持することが可能となり、従来行っていた定期的なメンテナンス作業が不要となる。
【００４５】
またさらに、排気手段として用いられるロータリーポンプ等の真空ポンプへの副堆積物の混入を防止することができ、ポンプ本体の排気能力を長時間維持することが可能となり、ポンプの故障頻度を大幅に減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理装置であるプラズマＣＶＤ装置の一実施形態の模式的断面図である。
【図２】本発明で用いられる発熱体の構造の一例を示す図である。
【図３】本発明で用いられる発熱体の構造の他の例を示す図である。
【図４】本発明で用いられる発熱体の構造の他の例を示す図である。
【図５】本発明で用いられる発熱体の構造の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１００  反応室
１０１  被処理基体
１０２  ガスミキシング設備
１０３  排気管
１０４  カソード電極
１０５  ヒーターユニット
１０６  高周波電力源
１０７  発熱体ユニット
１０８  排気ポンプユニット
１０９  ガス導入管
１１０  排気ガス配管
１１１  高周波印加ケーブル
１１２  放電空間
１１３  圧力計
１１４  コンダクタンス調整バルブ
１１５  ＡＣ電力源
１１６  ＡＣ印加ケーブル
２００  絶縁性板材
２０１  ワイヤ状発熱体
２０３  コイル状発熱体
２０４  絶縁性棒材
２０５  棒状発熱体
２０６  導電性電極材
２０７  テープ状発熱体
２０８  導電性電極材
【図１】
0003652166.tif 000005
【図２】
0003652166.tif 000006
【図３】
0003652166.tif 000007
【図４】
0003652166.tif 000008
【図５】
0003652166.tif 000009