(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板保持体とこれに対向するガス導入電極を備える処理チャンバと、この処理チャンバの内部を排気する排気機構と、前記ガス導入電極を通して前記処理チャンバの内部に反応ガスを導入する反応ガス供給機構と、前記ガス導入電極に高周波電力を与える高周波電源を含む基板処理装置において、
前記処理チャンバの側壁の前記ガス導入電極と前記基板保持体の間の空間よりも下側の位置に形成された接続口に前記排気機構を接続し、
前記ガス導入電極の周囲でかつ上方に設けられた環状空間にパージガスを導入するパージガス導入機構を接続し、このパージガス導入機構は前記ガス導入電極と絶縁されており、
前記パージガスは前記パージガス導入機構に設けられた多孔板を介して前記処理チャンバの内部に導入され、
前記排気機構は、前記接続口の部分に取り付けられかつ吸気口を備える容器と、前記吸気口に接続されるポンプと、前記容器に収容されかつ前記吸気口を開閉するバルブからなり、
前記排気機構内で前記接続口の近くに金属部材を配置し、この金属部材に高周波電力を与える高周波電源を設け、クリーニングの際、前記金属部材に高周波電力を与える構成を有し、
前記ガス導入電極と前記基板保持体の間のコンダクタンスを、前記ガス導入電極および前記基板保持体と前記処理チャンバの前記側壁との間のコンダクタンスよりも小さくした、
ことを特徴とする基板処理装置。
【請求項２】
前記容器は開閉部を有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板処理装置に関し、特に、プラズマや化学反応を利用して気相成長による薄膜形成またはエッチング等に応用される基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造の工程では、化学反応を用いて薄膜を形成する熱ＣＶＤ装置、プラズマ化学反応を用いて薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置、プラズマ化学反応を用いるリアクティブイオンエッチング装置が用いられている。以下、熱ＣＶＤ装置とプラズマＣＶＤ装置を「ＣＶＤ装置」と記し、便宜上このＣＶＤ装置について説明する。
【０００３】
従来のＣＶＤ装置の処理チャンバの構造を大きく分けると、処理チャンバ内での基板上でのガスの流れの観点から、非対称構造と対称構造に分けることができる。
【０００４】
図２を参照してＣＶＤ装置の基本的な構造を説明する。処理チャンバ５１において、静電吸着板５２を備えた基板保持体５３が下部に設けられ、シャワー電極５４が上部に設けられている。シャワー電極とアース電位に保持された処理チャンバとは絶縁体５５によって電気的に絶縁されている。基板保持体５３は、リフトピン５６と支持板５７と上下駆動機構５８からなる基板昇降装置、およびヒータ５９と熱電対６０と加熱制御機構６１からなる加熱機構を備える。加熱機構によって静電吸着板と基板が所望温度になるように加熱される。静電吸着板５２は静電吸着板制御電源６２に接続され、この電源によって制御される。静電吸着板５２は基板６３を吸着して固定する。シャワー電極５４は、反応ガス供給機構６４に結合されると共に、整合回路６５を介して高周波電源６６に電気的に接続される。シャワー電極５４は、熱ＣＶＤの場合に反応ガス導入部として機能し、またプラズマＣＶＤの場合には高周波電源６６からの高周波電力供給口となる。熱ＣＶＤの場合には、基板６３の温度が所望温度に安定した後、シャワー電極５４から所定量の反応ガスが導入され、化学反応に基づいて基板上に所望の薄膜が形成される。プラズマＣＶＤの場合には、高周波電力を供給するシャワー電極５４と基板６３および基板保持体５３との間にプラズマを生成し、プラズマ化学反応により基板上に所望の薄膜が形成される。
【０００５】
上記ＣＶＤ装置で基板６３上に薄膜を形成する場合、未反応ガスや反応副生成ガスが生じる。従って処理チャンバ５１は、実際上、未反応ガスや反応副生成ガスを外部に排出するための排気機構を備えている。図２では、処理チャンバ５１の底壁に排気機構６７Ａを設けた例を示している。排気機構６７Ａは、処理チャンバに形成された複数の接続口７５、接続口７５に接続される複数の配管７６、ゲートバルブ６９、ゲートバルブ６９を収容する容器７０、ポンプ吸気口７１、ターボ分子ポンプ等のポンプ７２、補助排気機構７３によって構成される。また排気機構のその他の設置位置としては、想像線６７で示された処理チャンバ５１の側壁の外側位置が考えられる。排気機構６７Ａは、処理チャンバに形成された接続口６８に接続される。以下では、前述の非対称構造と対称構造の観点を考慮して、排気機構の設置位置に関し議論する。
【０００６】
なお上記の成膜において、基板６３の上面以外に、処理チャンバ５１の内面にも膜が付着する。このような膜は、剥がれると、汚染パーティクルになり、半導体製造の歩留まりを低下させる。そこで、通常、或る基板処理数ごとにプラズマクリーニングを行って膜を除去するようにしている。このプラズマクリーニングでは、クリーニングガス供給機構７４よりシャワー電極５４を経由してクリーニングガスを導入し、さらにシャワー電極５４に高周波電力を与えて処理チャンバ内にプラズマを生成することにより行われる。
【０００７】
次に、従来のＣＶＤ装置の排気機構の設置位置を、前述の非対称構造と対称構造の観点から説明する。
【０００８】
処理チャンバ５１に対する排気機構の設置位置は、前述の通り、処理チャンバの設計上、通常の底壁を利用した箇所（排気機構６７Ａ）以外に、側壁を利用した箇所（排気機構６７）を考えることができる。
【０００９】
周囲側壁の一部を利用した箇所に排気機構６７を設置する従来構造では、基板６３上のガスの流れが非対称になっている。
【００１０】
一方、底壁を利用した箇所に排気機構６７Ａを設置する場合には、一般的には、基板保持体５３の周囲の底壁部分に等間隔の複数の接続口７５を形成することにより、基板上での対称なガスの流れを容易に作ることができる。この場合接続口７５に接続される配管７６も複数となる。
【００１１】
また底壁を利用して排気機構６７Ａを設置する場合に、他の構成例として、基板保持体周囲に形成される接続口（およびこれに接続される配管）を１つとし、かつガスの流れが均一に対称になるように、基板保持体５３の周囲であって周囲側壁との間に多孔板（図２で想像線７７で示す）を設けるようにしたものも提案されている。多孔板では、接続口が存在する側から反対側に向かって孔の数を多くしたり、孔の径を大きくするなどして、対称性が良好になるように設計が施されている。この構成では、接続口と配管が１組で済むという利点を有する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
基板上での対称なガスの流れを実現できる従来のＣＶＤ装置すなわち底壁部から排気するＣＶＤ装置では、次のような問題を有している。
【００１３】
第１の構造、すなわち、底壁に複数の接続口７５を形成し、外部からの複数の配管７６をこれらの接続口に接続した構造によれば、複数の配管が基板昇降用あるいは搬送用の駆動機構部を囲み、処理チャンバの装置構造を複雑なものとし、処理チャンバのメンテナンス性を低下させる。メンテナンス性の低下は装置稼働率の低下をもたらす。
【００１４】
また、配管部分は未反応ガスや副生成物の流れが集中しやすく、膜の付着が顕著になる。配管部分に付着した膜はプラズマクリーニングで除去することが難しいので、メンテナンス時に清掃することが必要となる。そのため、メンテナンス作業では配管の取外しと清掃を行わなければならず、配管取外し等の作業に多大な時間を要し、メンテナンス作業はいっそう面倒なものとなる。
【００１５】
多孔板７７を設けた第２の構造では、多孔板や底壁などに膜の付着や副生成物の堆積が起きる。このような膜や副生成物は、プラズマクリーニングの際にも、構造的にプラズマを照射しにくく、除去することが難しい。その結果、発塵原となり、素子製造の歩留まりを低下させる。また多孔板の孔は、プラズマＣＶＤの成膜時や、熱ＣＶＤにおけるクリーニング時に、異常放電（ホロカソード放電等）の原因になる。その結果、多孔板での膜付着の進行、堆積物の飛散を起こし、発塵の原因になりやすい。
【００１６】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあり、熱ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤ装置等の基板処理装置において、基板上で対称なガスの流れを実現でき、さらに構造を簡素化し、付着した不要な膜の除去が容易であり、メンテナンス性を向上できる基板処理装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る基板処理装置は、上記目的を達成するため、次のように構成される。
【００１８】
第１の基板処理装置（請求項１に対応）は、基板保持体とこれに対向するガス導入電極（シャワー電極）を備える処理チャンバと、この処理チャンバの内部を排気する排気機構と、ガス導入電極を通して処理チャンバの内部に反応ガスを導入する反応ガス供給機構と、ガス導入電極に高周波電力を与える高周波電源を含むように構成され、さらに、処理チャンバの側壁のガス導入電極と基板保持体の間の空間よりも下側の位置に形成された接続口に前記排気機構を接続し、ガス導入電極の周囲でかつ上方に設けられた環状空間にパージガスを導入するパージガス導入機構を接続し、このパージガス導入機構はガス導入電極と絶縁されており、パージガスはパージガス導入機構に設けられた多孔板を介して処理チャンバの内部に導入され、排気機構は、接続口の部分に取り付けられかつ吸気口を備える容器と、吸気口に接続されるポンプと、容器に収容されかつ吸気口を開閉するバルブからなり、排気機構内で接続口の近くに金属部材を配置し、この金属部材に高周波電力を与える高周波電源を設け、クリーニングの際、金属部材に高周波電力を与える構成を有し、ガス導入電極と基板保持体の間のコンダクタンスを、ガス導入電極および基板保持体と処理チャンバの側壁との間のコンダクタンスよりも小さくするように構成した。
【００２２】
第２の基板処理装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは容器は開閉部を有する。
【００２３】
【作用】
請求項１による本発明では、処理チャンバンとこれを排気する排気機構を接続する接続口を処理チャンバの側壁に設けることによりメンテナンス性を良好にすると共に、さらに基板上でのガスの流れを対称にすることも可能している。ガス導入電極や基板保持体とチャンバ側壁との間隔よりも、ガス導入電極と基板保持体の間隔を十分小さくとることによって、ガス導入電極と基板保持体の間のコンダクタンスを、ガス導入電極等とチャンバ側壁の間のコンダクタンスよりも小さくし、これによって排気口である接続口が特定の半径方向にあっても、ガス導入電極から吹き出した反応ガスが基板上でガス導入電極の中心軸に対し対称に流れ、基板上で、円周方向に均一な半径方向への強制流を形成できる。
【００２４】
請求項２による本発明では、さらに上部にパージガス導入部を設け、ガス導入電極の中心軸と接続口の中心とを含む面について対称な、上部から下方接続口に向かうパージガスの流れを形成するようにした。かかるパージガスの流れを形成すること、および排気機構と処理チャンバとの接続口を、チャンバ側壁におけるガス導入電極と基板保持体の間の空間よりも十分下方に設けることとの組み合わせによって、ガス導入電極から出たガスは、ガス導入電極と基板保持体の間の空間を出て対称的に下方に向かう。このため、基板上のガスの流れの軸対称性が一層高められる。
【００２５】
また排気機構を接続口を介してチャンバ側壁に設けることによって、配管をなくし、良好なメンテナンス性を確保すると同時に、排気機構内の接続口付近に、ガス導入電極とは別に、接続口と排気機構をプラズマクリーニングするためのクリーニング用の電極（請求項４の金属部材）を設置することで、未反応ガスや副生成物による膜付着が起こりやすい排気機構や接続口付近の効率的なクリーニングを行う。未反応ガスや副生成ガスの流れが集中し、膜付着が激しい接続口付近の効率的なクリーニングが可能であることは、メンテナンス性をさらに向上させる。また配管部分がないため、構造も単純であり、クリーニング電極を設置したことによるメンテナンス性の低下はない。また排気機構の容器を開閉自在な構造（請求項５の開閉部）とすることにより、さらにメンテナンス性を向上させている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は本発明の代表的な実施形態を示す。この実施形態による基板処理装置ではＣＶＤ装置（熱ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤ装置を含む）の例を説明する。
【００２８】
図１に示した処理チャンバ（反応容器）１１では、静電吸着板１２を備えた基板保持体１３が下部に設けられ、シャワー電極１４が上部に設けられる。シャワー電極１４とアース電位に保持された処理チャンバ１１とは絶縁体１５を介して電気的に絶縁されている。基板保持体１３は、リフトピン１６と支持板１７と上下駆動機構１８からなる基板昇降装置を備え、さらにヒータ１９と熱電対２０と加熱制御機構２１からなる加熱機構を備える。基板昇降装置は基板保持体１３の上面に基板２２を載置するときに動作する。加熱機構は静電吸着板１２と基板２２を所望温度に加熱する。静電吸着板１２は静電吸着板制御電源２３に接続される。静電吸着板制御電源２３は静電吸着板１２を制御し、静電吸着板１２は基板２２を吸着して固定する。シャワー電極１４は、反応ガス供給機構２４とクリーニングガス供給機構２５に結合され、さらに整合回路２６を介して高周波電源２７に電気的に接続される。シャワー電極１４は、熱ＣＶＤの場合に反応ガス導入部として、またプラズマＣＶＤの場合に高周波電源２７から高周波電力を与えられる電極として、それぞれ機能する。
【００２９】
上記処理チャンバ１１にはさらにパージガス供給機構２８が付設される。パーズガス供給機構２８から供給されるパージガスは、処理チャンバ１１におけるシャワー電極１４の周囲の環状空間に多孔板２９を介して導入される。
【００３０】
上記ＣＶＤ装置で基板２２上に薄膜を形成する場合、未反応ガスや反応副生成ガスが生じる。未反応ガスや反応副生成ガスは排気機構３０によって処理チャンバ１１の外部に排出される。排気機構３０は、処理チャンバ１１の周囲側壁の下側部分に形成された好ましくは長方形の接続口３１に接続される。排気機構３０は、開閉ゲートバルブ３２を収容する容器３３と、容器３３に形成されたポンプ吸気口３４と、このポンプ吸気口３４に接続されるポンプ３５と、補助排気機構３６とから構成される。容器３３は、矢印３７に示すように開閉自在な構造を有している。
【００３１】
本実施形態では、ポンプ３５として例えばターボ分子ポンプを使用している。排気機構３０は、上記のごとく処理チャンバ１１の側方に設けられた。排気機構３０をチャンバ側方に取り付け、かつ接続口３１と排気機構３０の間に配管も存在しないため、高いメンテナンス性を維持できる。また排気機構３０の容器３３は、開閉できる構造となっているので、メンテナンス時における作業性が良好になる。
【００３２】
また容器３３内における接続口３１の近傍には、金属プレート３８が設けられる。金属プレート３８には、整合回路３９を介して高周波電源４０が接続され、高周波電力が印加される。金属プレート３８はクリーニング用電極である。
【００３３】
図１で、図示しない搬入口から搬送機構によって処理チャンバ１１内に搬入された基板２２は、基板保持体１３の上部に設置された静電吸着板１２上に、リフトピン１６と上下駆動機構１８等によって載置される。静電吸着板１２は外部の静電吸着板制御電源２３によって制御され、基板２２を吸着して固定する。基板保持体１３は加熱制御機構２１等によって所定温度に保持され、静電吸着板１２および基板２２を加熱する。
【００３４】
熱ＣＶＤの場合は、基板２２の温度が所望温度に安定した後、基板２２に対向したシャワー電極１４より反応ガスが処理チャンバ１１内に所定量導入され、基板２２上に所望の薄膜が形成される。またプラズマＣＶＤの場合は、高周波電力供給機構（２６，２７）よりシャワー電極１４に高周波電力を印加することによって、シャワー電極１４と基板２２および基板保持体１３との間にプラズマが生成され、基板２２上に所望の薄膜を形成する。
【００３５】
本実施形態で、処理チャンバ１１は好ましくは円筒形状であり、処理チャンバ１１の中心軸、基板２２の中心軸、基板保持体１３およびシャワー電極１４の中心軸は一致している。本来、処理チャンバ１１の形状はその中心軸に対し軸対称な形状であることが望ましいが、本実施形態は処理チャンバ１１の側面に長方形の接続口３１を設けているため、厳密には軸対称ではない。しかしながら、シャワー電極１４の中心軸と接続口３１の中心とを含む面に対して対称な構造となっている。
【００３６】
放電が安定すると、その時点で、シャワー電極１４より反応ガスが処理チャンバ１１内に導入され、一定温度に保持された基板２２上に所望の薄膜が形成される。生成された未反応ガスおよび反応副生成ガスは、接続口３１を通して、前述の排気機構３０により排気され、その結果、処理チャンバ１１内は所定の圧力に保たれる。
【００３７】
本実施形態では、排気口である接続口３１が、処理チャンバ１１の周囲側壁に形成されても、基板２２の上側空間、すなわちシャワー電極と基板保持体の間の隙間が持つ特性で、対称的なガス流れが形成できる構造となっている。
【００３８】
シャワー電極１４と基板２２および基板保持体１３との間の距離を、シャワー電極１４および基板保持体１３と処理チャンバ１１の周囲側壁との間の距離よりも十分小さくしている。これにより、シャワー電極１４と基板２２および基板保持体１３との間のコンダクタンスが、シャワー電極１４および基板保持体１３と処理チャンバ１１の周囲側壁との間のコンダクタンスよりも十分小さくすることができ、接続口３１が特定の半径方向に存在するようにしても、シャワー電極１４から出たガスを、基板の円周方向に均一な状態で半径方向へ強制的に流すことができる。
【００３９】
さらに、上部に多孔板２９を含むパージガス導入部を設け、シャワー電極１４の中心軸と接続口３１の中心とを含む面に対して対称となるパージガスによる上部から下部接続口３１に向かう流れを形成する。このパージガスの流れを形成すること、および、排気機構３０と処理チャンバ１１とを連通する接続口３１をチャンバ側壁におけるシャワー電極と基板保持体の間の空間よりも十分下方に設けることの組み合わせによって、シャワー電極１４から吐出したガスはシャワー電極１４と基板保持体１３の間の空間を出てから対称的に下方に向かう。このため、基板２２上の流れの軸対称性が一層高められる。
【００４０】
またシャワー電極１４からのガスの流れは、上部からのパージガスの流れに合流するため、シャワー電極１４と基板保持体１３の間の空間で循環流などのよどみを生じない。本実施形態では、６インチ基板を処理する装置において、例えば、チャンバ内径４００ｍｍ、シャワー電極径２５０ｍｍ、基板保持体径２００ｍｍであり、またシャワー電極と基板の間の距離は１０〜３０ｍｍ、シャワー電極および基板保持体と処理チャンバの側壁との距離は５０〜１００ｍｍとなっている。従って、シャワー電極と基板および基板保持体との間のコンダクタンスよりも、シャワー電極および基板保持体と処理チャンバの側壁との間のコンダクタンスの方が十分大きくなっている。また接続口３１は、例えばその開口高さ３０ｍｍ、幅３２０ｍｍであり、開口上部が基板２２の位置より下方５０ｍｍと十分に低い位置に設定されている。
【００４１】
一方、本実施形態では、前述のごとく金属プレート３８、すなわちクリーニング用の補助電極を設けている。その結果、ガスの流れが集中し膜や副生成物が付着しやすい接続口３１の付近を集中してクリーニングすることができる。すなわち、排気機構３０の側の接続口近傍に補助電極として設置した金属プレート３８に高周波電力を印加し、チャンバクリーニング時に上部のシャワー電極１４によるプラズマとは別に、接続口３１付近にプラズマを集中して起こすようにした。金属プレート３８は処理チャンバ１１とは電気的に絶縁されている。また金属プレート３８の上方は勿論、下方においても、支持部（図示していない）以外は処理チャンバと離れ、ガスが流れるようにし、必要な排気のコンダクタンスを確保している。金属プレート３８に高周波電力を印加した場合、プラズマは接続口３１だけでなく、金属プレート３８から全方位的に発生する。
【００４２】
金属プレート３８は、その寸法（図中紙面に対し垂直方向の寸法）が接続口３１とほぼ同じである。従来、シャワー電極によるプラズマだけでは接続口３１の縁は影となり、プラズマが照射せず、クリーニングが困難であったのに対して、この実施形態による構造では、接続口３１の付近は勿論、排気機構３０内のクリーニングも可能となった。
【００４３】
次に、本発明の構成を、熱ＣＶＤによるタングステン成膜に適用した場合の例について述べる。タングステン成膜条件は、反応ガスとしてＷＦ6 を５０〜２００sccm、Ｈ2 を３００〜１０００sccm、およびＳｉＨ4 を０．２〜４sccm、基板保持体の温度は４００〜５００℃、成膜圧力は０．５〜５０Torrである。またクリーニング条件は、クリーニングガスとしてＣＦ4 を１１０sccm、Ｏ2 を９０sccm、放電を起こすための上部のシャワー電極１４に印加する高周波電力は１００〜５００Ｗで、周波数は１３．５６ＭＨｚ、補助電極である金属プレート３８に高周波電力を印加する条件は、電力１０〜１００Ｗで、周波数は１００ＫＨｚ〜１３．５６ＭＨｚである。クリーニングは成膜毎に行われた。
【００４４】
その結果は、成膜速度がガス流れや濃度分布に左右されやすいＷＦ6 の供給律速条件、すなわちＷＦ6 の流量が少ない条件や成膜温度が高い条件においても、成膜の均一性は５％以下と良好であり、かつ分布形状に排気の方向による影響は全く見られず、同心円の成膜分布であった。
【００４５】
また補助電極である金属プレート３８を設けた結果、従来シャワー電極１４によるプラズマでは除去が困難であった接続口の縁や排気機構内に付着した膜が、この実施例ではクリーニング時に除去することが可能となり、メンテナンス時間が格段に短縮され、かつメンテナンスサイクルを従来の１．５倍に長くすることが可能となった。
【００４６】
前述の実施形態では、ＣＶＤ装置、すなわち熱ＣＶＤ装置やプラズマＣＶＤ装置について説明したが、本発明に係る構成は、その他に、例えば化学反応とプラズマを利用するリアクティブイオンエッチング装置のごとき基板処理の上でガスの流れが重要となる基板処理装置において一般的に適用できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ＣＶＤ装置の処理チャンバにおいて排気機構を付設するための接続口をチャンバ側壁に設けても、基板上で対称的なガスの流れが得られ、また接続口をチャンバ側壁に設けることによって構成を簡易にでき、良好なメンテナンス性を確保することができる。さらに接続口に対して単純な構造でクリーニング用の電極を設置することができ、接続口および排気機構のプラズマクリーニングを容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板処理装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】従来の基板処理装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１１                  処理チャンバ
１２                  静電吸着板
１３                  基板保持体
１４                  シャワー電極
２２                  基板
３０                  排気機構
３１                  接続口
３３                  容器
３４                  ポンプ吸気口
３５                  ポンプ
３８                  金属プレート
【図１】
0004114972.tif 000002
【図２】
0004114972.tif 000003