(57)【要約】クリーニング剤として分子状フッ素を用いる、ＰＥＣＶＤチャンバをクリーニングするための方法および装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相成長チャンバをクリーニングする方法であって：
分子状フッ素をチャンバの中に導入すること；
分子状フッ素をチャンバの中の必要としない堆積物と反応させること；および
チャンバを排気すること；
を含む前記方法。
【請求項２】
チャンバはプラズマ化学気相成長チャンバである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
クリーニングプロセスを実施する間、チャンバは固定された圧力で維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
固定された圧力は５トルと９トルの間である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
化学気相成長チャンバをクリーニングする方法であって：
分子状フッ素をチャンバの中に導入すること；
分子状フッ素をチャンバの中の必要としない堆積物と反応させること；
チャンバを排気すること；
フッ素をチャンバの中に導入すること；
チャンバの中でプラズマを強熱し、それによりフッ素のラジカルを生成させること；
フッ素のラジカルをチャンバの中の残留している必要としない全ての堆積物と反応させること；および
チャンバを排気すること；
を含む前記方法。
【請求項６】
チャンバはプラズマ化学気相成長チャンバである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
化学気相成長チャンバをクリーニングするための装置であって：
堆積用チャンバ；および
堆積用チャンバに連結された分子状フッ素の供給源；
を有する前記装置。
【請求項８】
チャンバはプラズマ化学気相成長チャンバである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
チャンバ内を固定された圧力に維持するための手段をさらに有する、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
(001)本発明は化学気相成長（ＣＶＤ）チャンバ（反応室）、特にプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）チャンバをクリーニングするための新規な方法、およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
(002)非晶質および微結晶質の薄膜は光起電力素子を製作するのに用いられ、一般に化学気相成長法を用いて堆積される。特に、ＰＥＣＶＤ法においては、先駆物質の反応ガスをＰＥＣＶＤチャンバの中に注入し、次いで、高周波（ＲＦ）またはＤＣ放電によって生成したプラズマを用いてガスを活性なイオンまたはラジカル（すなわち、解離した中性の反応性元素）に分裂させることによって、ガス状態から固体状態にして薄膜を基板の表面に堆積させる。ＰＥＣＶＤ法を用いるデバイスの製造には、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、金属酸化物などの薄膜を堆積させることが含まれる。これらの堆積プロセスにより、定期的に洗浄しなければならない堆積物がチャンバ内に残る。
【０００３】
(003)ＰＥＣＶＤチャンバをクリーニングするための幾つかの公知の方法がある。そのような方法の一つは現場（in-situ）活性化クリーニングであり、これにおいては、クリーニングガスをチャンバの中に注入し、そしてプラズマを強熱（ignite）する。プラズマによって生成したイオンとラジカルは、チャンバの側壁上およびシャワーヘッド上にあるシリコンの堆積物と反応する。しかし、現場プラズマ活性化によれば、プラズマによって誘引される損傷が生じ、機器や部品の寿命が短くなることがある。さらに、アーク放電の危険があるために、高圧になるのを避けなければならない。
【０００４】
(004)別のチャンバのクリーニング方法は、遠隔のプラズマ源を用いてクリーニングガスを活性化することである。クリーニングガスは最初にチャンバの外にあるプラズマ源を通過し、そこでクリーニングガスは解離し、そしてラジカルがチャンバに入ってクリーニングを行う。この方法においては、現場活性化に比べて高い程度のガスの解離を達成することができ、従って、クリーニング効率を改善することができる。しかし、遠隔のプラズマ源を用いることで追加の設備が必要となり、それはかなりの設備となり、また運転コストも増加する。さらに、遠隔のプラズマ源のパラメーターによってガスの流れがしばしば制限され、そのため洗浄時間と費用が増加する。
【０００５】
(005)別のチャンバのクリーニング方法は、約９００℃の温度を必要とするＮＦ３やＳＦ６のようなガスを用いる場合に、高温（典型的には６００℃〜９００℃）においてチャンバを加熱してクリーニングするものである。これらの高温度は通常、堆積プロセスに必要な温度よりもずっと高く、また必要となる温度調節によって洗浄時間と費用がかさむ。
【０００６】
(006)別のチャンバのクリーニング方法は、アルゴンまたは窒素と混合した分子状フッ素を用いる、（例えば５０ミリバールを超える）高い圧力での熱クリーニングである。このクリーニング方法のために必要な高温と高圧は、堆積プロセスを実施する間に用いられる温度と圧力とはかなり相違していて、従って、この場合も、必要となる温度と圧力の調節のために洗浄時間と費用がかさむ。さらに、このクリーニング方法は追加のポンプ装置を必要とし、従って、設備と運転のコストが増加する。
【０００７】
(007)上述したクリーニング方法の全ては、チャンバの遮蔽領域に範囲を及ばせることの困難さを伴う。というのは、プラズマの容積はＲＦ領域を維持するための出力と能力に直接関係するからである。従って、チャンバの全ての領域に及ばせること、すなわち全ての領域を効率的にクリーニングすることはできず、特にＲＦ領域から遮蔽された領域について困難である。
【０００８】
(008) ＰＥＣＶＤチャンバをクリーニングするための装置と方法を改良する必要性が当分野において存在する。
【発明の概要】
【０００９】
(009)本発明は、ＰＥＣＶＤチャンバをクリーニングするための改良された方法と装置であって、先行技術の方法と装置の不利な点を解消するものを提供する。特に、本発明においてはチャンバをクリーニングするために分子状フッ素を利用する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】(010)図１は本発明の有効性を示す質量分光分析測定のグラフである。
【図２】(011)図２はフッ素ラジカルを用いるチャンバのクリーニング操作の間の予想される圧力の増大を示すグラフである。
【図３】(012)図３は本発明に従って分子状フッ素を用いてチャンバのクリーニング操作を行う間の圧力の増大を示すグラフである。
【図４】(013)図４は本発明に従ってチャンバのクリーニング操作を行う間の圧力の変化を示すグラフである。
【図５】(014)図５は本発明に従ってチャンバのクリーニング操作を行う間の圧力の変化を示す拡大したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
(015)本発明においては、ＰＥＣＶＤチャンバのクリーニングのために分子状フッ素を用いる。これらのＰＥＣＶＤチャンバは、光起電力素子のための（非晶質と微結晶質の両方の）シリコンを堆積するために用いられる。一般に、堆積のプロセスは１６０℃程度の低い温度で行われ、現場または遠隔のいずれかでのプラズマ活性化を必要としない。
【００１２】
(016)本発明に係るＰＥＣＶＤチャンバのクリーニングのためには、チャンバにフッ素が所定の圧力で導入される。チャンバのクリーニングは、分子状フッ素とＰＥＣＶＤチャンバの内壁と機器の上に堆積したシリコンとの反応だけで達成される。クリーニングに要する時間は所定の圧力と表面の温度に依存する。
【００１３】
(017)本発明によれば、チャンバからポンプの前方のラインまでの弁を完全に開放することによって得られるベースの圧力においてＰＥＣＶＤチャンバをクリーニングできることが見いだされた。３５０ミリトル（０．４７ミリバール）程度の低い圧力が得られた。さらなる実験において、５トルから９トルまでの間のクリーニング処理の圧力によって、工業的な適用に適していて現行のクリーニング方法との競争に耐えうる時間で、チャンバの十分で完全なクリーニングが行われることが示された。
【００１４】
(018)本発明による分子状フッ素を用いるチャンバのクリーニングは、他の方法論と組み合わせることによってさらに促進することができる。例えば、分子状フッ素を、現場のプラズマ源または遠隔のプラズマ源のいずれかを用いて、少なくとも部分的にプラズマで強熱してもよい。さらに、チャンバの動的な処理と静的な処理の両者を実施することができる。動的な洗浄を行う場合、チャンバ内の圧力は維持され、クリーニングガス（分子状フッ素）がチャンバの中に連続的に供給され、そしてチャンバから連続的に排気される。このやり方においては、分子状フッ素のガスはチャンバ内で連続的に再生され、そしてクリーニングによって形成されるＳｉＦｘが排気される。静的な洗浄処理においては、チャンバにクリーニングガスが一定の圧力になるまで充填されるが、しかしそのガスは排気されない。所定の時間の後、チャンバの弁が開放されて、クリーニングによる生成ガスが排気される。静的な洗浄の原則は、チャンバに充填し、クリーニングガスが完全に反応するのを待ち、次いで、生成ガスを排気することである。静的な洗浄操作において、ガスの利用は最大限に行われるが、しかしシリコンの堆積物の全てを除去するために十分なクリーニングガスを用いなければならない。動的な洗浄プロセスと静的な洗浄プロセスを組み合わせれば優れた結果が得られ、そして最も有利かもしれない。
【００１５】
(019)本発明に従ってＰＥＣＶＤチャンバを洗浄する能力は、図１に示す質量分光測定によって確かめられた。特に、チャンバのクリーニングは、本発明に係る洗浄剤として直接の分子状フッ素を用いて行われ、次いで、洗浄剤を活性化するための現行の遠隔プラズマ源を用いる標準のクリーニング手順を行った。図１の質量分光測定の結果は、本発明の直接の分子状フッ素による洗浄の後には非常に低いレベルのシリコンが残存したことを示していて、このことが本発明のクリーニング方法の有効性を証明している。
【００１６】
(020)先に言及したように、現場の発生器（例えばチャンバ内のＲＦ発生器またはマイクロ波発生器）を用いるか、あるいは遠隔のプラズマ源を用いることによるフッ素含有ガスの解離によって得ることのできる解離したフッ素化分子を用いることによって、シリコンの薄膜を反応チャンバから除去できることが知られている。フッ素のラジカルまたはイオンは、次の一般的な反応に従ってシリコンと反応してＳｉＦ４を形成する：
２Ｆ２(ｇ) ＋ Ｓｉ(ｓ) → ＳｉＦ４(ｇ)
通常のクリーニング操作を行う間、チャンバの圧力は固定されず、クリーニング処理を行う間に圧力は変化する。特に、メインの洗浄が行われる間、全てのフッ素ラジカルはシリコンと反応して、変化のない状態あるいは平衡に近い状態が生じ、圧力はわずかしか増大しない。しかし、シリコンがチャンバの幾つかの領域から除去されたとき、全てのフッ素ラジカルがシリコンと反応できるとは限らず、チャンバの圧力は急に増大する。この急な増大に続いて、ほとんど全てのシリコンが反応した時点で安定化する。この圧力変化の連続を図２に示す。
【００１７】
(021)分子状フッ素を用いる本発明のクリーニングプロセスは通常、クリーニング速度が最適化するように固定された圧力の設定において行われる。チャンバの圧力が高く設定されるほど、チャンバは速く洗浄されることが見いだされた。本発明のクリーニングプロセスにおいて、フッ素ラジカルによるクリーニングについて図２で示されたものと同様のチャンバ圧力の変化の連続が生じると予想された。特に、チャンバを固定した圧力に保つことを望んで、シリコンが消費されるときに生じる圧力の増大を相殺するために、埋め合わせ手段を用いる必要があるだろうと決定された。従って、本発明を圧力調節システムを用いて運転すること、例えば、チャンバを吸入排出ラインに接続する弁の開口を変更することが行われた。しかし、本発明に従う実験の運転を行う間、圧力調節システムの動きは何も観察されなかった。
【００１８】
(022)分子状フッ素を用いる本発明のクリーニングプロセスは、ベース圧力において、すなわち固定したチャンバ圧力を設定せずに運転することによっても試験された。これらの実験については、クリーニングの時間が延長された。これらの試験運転においても、チャンバ内での顕著な圧力の増大は観察されなかった。このプロセスについてのこの圧力曲線を図３に示す。チャンバのクリーニングを質量分光測定によって確認し、そして延長したクリーニング時間の後に残留したシリコンの薄膜は存在しないことが確証された。
【００１９】
(023)これらの結果によって、分子状フッ素を用いるクリーニングプロセスの機構についての新たな解釈が導かれる。特に、シリコンが分子状フッ素（Ｆ２）と反応してＳｉＦ２(ｇ) が形成され、そしてＳｉＦ４の化合と形成が起こる前にチャンバから排出されると考えられる。
【００２０】
(024)例えば、チャンバの構成部分を製作するために用いられる材料に依存するような場合について、クリーニングプロセスが実施された後にもなお、チャンバの表面に幾分かの残留シリコン（すなわち、シリコンの極めて薄い層）が残るかもしれない。これは一般に、チャンバ材料の多孔度、あるいはシリコン原子とチャンバ材料の表面の原子との間の特殊な強い結合が原因であるかもしれない。この残留したシリコンを除去するために、本発明においては、上述の直接の分子状フッ素によるクリーニングと短いフッ素プラズマ処理との組み合わせを採用する。特に、最初の直接のフッ素クリーニングが完了したならば、次に、チャンバの中でプラズマを強熱して強力なフッ素イオンまたはラジカルを発生させ、それにより極めて短い処理時間で薄い残留シリコンの膜を除去することができる。
【００２１】
(025)この組み合わせのクリーニング段階を図４と図５に示す。最初に、直接の分子によるクリーニングを、固定されたチャンバ圧力において設定された時間にわたって実施する。次いで、Ｆ２の供給を停止し、そして例えば数百ミリトルの低い値になるまでチャンバを吸引する。次いで、チャンバに再びＦ２を充填し、そしてチャンバ内でプラズマを強熱する。圧力が安定したら、このクリーニングプロセスを終了させる。図４と図５でわかるように、プラズマ洗浄を行っている間に低い平坦域が存在しないので（例えば、シリコンが消費されている証拠がないので）、直接の分子によるクリーニング段階の後にはチャンバは実質的に清浄であったことが示される。
【００２２】
(026)ＰＥＣＶＤチャンバのクリーニングのために分子状フッ素を用いることによって、先行技術で知られたチャンバのクリーニング操作を上回る幾つかの有利な点がもたらされる。特に、クリーニングガスのプラズマ活性化（現場での活性化と遠隔での活性化の両方）を行う場合と比べて、本発明においてはプラズマ活性化を必要としない。従って、本発明によれば、プラズマ活性化を用いる場合に必要となるガスの流れとチャンバ圧力に関連する問題が解消される。さらに、本発明によれば、プラズマによって誘引されるチャンバや機器への損傷が生じる危険が解消される。さらに、本発明によれば、チャンバの全ての領域の良好なクリーニングが行われる。この理由は、先行技術において用いられる高い圧力でのプラズマは収縮する傾向があり、そのためチャンバの遠隔の部分のクリーニングが不十分になるためである。さらに、本発明においてはプラズマ活性化を必要としないので、遠隔のプラズマ源を必要とせず、従って、先行技術の装置において必要な余分な費用とスペースが解消される。
【００２３】
(027)分子状フッ素によるクリーニングの後に短いプラズマクリーニングを行う場合の本発明のクリーニング操作においては、さらに幾つかの有利な点がある。特に、プラズマクリーニングの段階はかなり短くすることができ、従って、プラズマによって誘引されるチャンバや機器への損傷が生じるといった重大な危険が回避される。クリーニングプロセスのうちのプラズマ処理の部分は現場で行うことができ、これは遠隔のプラズマ源を必要としないことを意味し、従って、必要な費用とスペースが少なくなる。
【００２４】
(028)本発明はまた、公知の高温熱洗浄操作よりもなお有利である。特に、本発明は１８０℃程度の低い温度で実施することができるので、堆積のプロセスのために用いられるのと同様の温度でＰＥＣＶＤチャンバを洗浄することができる。堆積プロセスとクリーニングプロセスの間にチャンバの温度を調節する必要がないので、本発明は短い時間で実施することができ、従って、運転コストが低減される。
【００２５】
(029)高温での熱クリーニングに関して、本発明はさらに利益を提供する。特に、本発明は低い圧力において効率的なクリーニングを提供し、従って、堆積プロセスの間に通常用いられる圧力で実施することができる。高温を用いる必要性がなくなり、また高圧でのクリーニング時間が短縮されることによって、運転コストが低減される。さらに、追加の吸引装置は必要とされない。
【００２６】
(030)本発明はＰＥＣＶＤチャンバの全ての領域に対する効率的なクリーニングを提供する。プラズマ活性化を必要としないので、ＲＦ源は不要である。従って、ＲＦ領域またはＲＦ機器のために遮蔽されるＰＥＣＶＤチャンバの部分は存在しない。この結果、本発明に従って分子状フッ素を用いる場合、ＰＥＣＶＤチャンバのより完全で均一なクリーニングが行われる。
【００２７】
(031)本発明についての以上の説明においては、ＰＥＣＶＤチャンバのクリーニングのための分子状フッ素の使用に焦点を当てている。しかし、本発明はシリコンの選択エッチングに対しても有用であろう。特に、分子状フッ素は酸化シリコンまたは窒化シリコンのいずれかと反応させるのには非能率的である。従って、酸化シリコンまたは窒化シリコンが存在するときであっても、シリコンを選択的にエッチングすることができる。さらに、本発明はシリコンで被覆した材料のクリーニングに対しても有用であろう。
【００２８】
(032)
当業者であれば、以上の説明から本発明の他の態様と変形を容易に知ることになると予想され、そのような態様と変形も同様に、添付する特許請求の範囲に示された本発明の範囲の中に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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