(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をプラズマ処理する為の複数のチャンバと、プラズマを生成する為のマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを有するマイクロ波プラズマ処理装置において、
マイクロ波発振器から該複数のチャンバに至るマイクロ波伝搬経路に屈曲した導波路を内部に有する導波部材が回転することによりマイクロ波の伝播経路を切替る為の切り替え手段を具備することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
該複数のチャンバには、それぞれ共通のガス供給手段及び排気手段が接続されている請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
該複数のチャンバのうち１つのチャンバ内で処理を行うとともに別のチャンバでは雰囲気の置換、基板の置換、排気及びプロセスガス導入の少なくともいずれか１つの工程を行うように制御する為の制御手段を有する請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
該複数のチャンバのうち１つのチャンバにマイクロ波を供給している時、別のチャンバでは雰囲気の置換、基板の置換、排気及びプロセスガス導入の少なくともいずれか１つの工程を行うように制御する為の制御手段を有する請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置を用いて、該複数のチャンバのうち少なくとも１つで基板のプラズマ処理を行うと同時に、別のチャンバの少なくとも１つでプラズマ処理の為の前後の工程を行うプラズマ処理方法。
【請求項６】
該前後の工程とは、雰囲気の置換、基板の置換、排気及びプロセスガス導入の少なくともいずれか１つの工程である請求項５に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホトレジストの灰化（アッシング）、基板表面のエッチング、又はクリーニング、基板表面へのドーピング、基板表面の酸化又は窒化、基板表面上への気相化学堆積（ＣＶＤ）やスパッタリング、プラズマ重合等に用いられるマイクロ波プラズマ処理装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、上述したプラズマ処理工程が採用されている。
【０００３】
とりわけ、２．４５ＧＨｚに代表されるマイクロ波を用いて生成されるプラズマはプラズマ密度が１×１０10乃至１×１０11ＩＯＮ・ｃｍ-3の高密度プラズマとなり得る。
【０００４】
近年の半導体デバイス製造における微細化高集積化の進展に伴いプラズマ処理工程が増加しており、プラズマ処理の処理能力向上が強く要求されてきている。
【０００５】
従来のマイクロ波プラズマ装置は、１つのチャンバと１つのマイクロ波発振器と、１つの排気系と、１つのガス供給系とを用い、被処理体である基板を一枚づつ処理する枚葉式プラズマ処理装置が一般的である。
【０００６】
このような枚葉式プラズマ処理装置を用いた処理は、おおよそ次の工程からなる。まず、チャンバ内雰囲気を大気に置換する工程（約２０秒）、処理済の基板をチャンバから取り出し、処理前の基板をチャンバ内に配置する基板の交換工程（約１０乃至２０秒）、チャンバ内を約１３Ｐａ乃至２７Ｐａの圧力になるよう排気する排気工程（約２０秒）、プロセスガスをチャンバ内に導入して所定の圧力にするガス導入工程（約５秒）、そして、マイクロ波エネルギーをチャンバに投入してプラズマ処理を行う工程である。
【０００７】
このようにプラズマ処理工程以外の工程に要する時間は、基板一枚あたり約５５乃至６５秒となり、この時間は実際の半導体デバイスの製造に寄与しない時間となる。
【０００８】
特開昭６３−２６５８９２号公報には、図１０に示すように１つのマイクロ波発振器１から発振されたマイクロ波を分岐導波管２で２方向に分岐させ分岐した２方向のマイクロ波を２つのチャンバ２に導くようにした装置が記載されている。
【０００９】
この装置では、マイクロ波発振器を２のチャンバで共有している為、装置の占有床面積（フットプリント）は比較的小さくなるものの後述するような解決すべき技術課程（１）が内在していた。
【００１０】
図１１は従来のプラズマ処理装置の別の一例を示している。
【００１１】
マイクロ波発振器から発振されたマイクロ波は矩形導波管４を通してチャンバ３に供給される。石英ベルジャー８により大気と分離された、反応室では、ガス供給管１２及びコントローラー１３からなるガス供給系より供給されたガスがマイクロ波によりグロー放電プラズマを生じる。このグロー放電プラズマにより基板Ｗ表面に適切な処理が行われる。
【００１２】
ここで、５はアイソレータ、６は方向性結合器、７はオートチューナーである。又、排気管１０とバルブ１１により不図示の真空ポンプに連結される排気系が構成されている。
【００１３】
しかしながら、被処理面の大きな基板を均一に処理するには、後述するように解決すべき技術課題（２）が内在していた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
技術課題（１）
上述した特開昭６３−２６５８９２号公報に記載の装置では、２つのチャンバ内で同時にプラズマ処理を行う為、処理全工程に必要な時間に対するプラズマ処理に割り当てられる時間の比率は従来のものと変わらない。
【００１５】
従って、マイクロ波発振器の稼動率は低いままであった。
【００１６】
技術課程（２）
矩形導波管によるマイクロ波伝搬モードは、一般にＴＥ01モードであるが、これは導波管の短辺側で電界強度が強くなるという特徴をもつ。
【００１７】
よって、これにより得られるプラズマの強度もマイクロ波の電界強度分布に応じて分布をもつようになり、プラズマ処理の均一性が向上し難いものであった。
【００１８】
【課題を解決する為の手段】
本発明は被処理体をプラズマ処理する為のチャンバの複数と、プラズマを生成する為のマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段とを有するマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波発振器から該複数のチャンバに至るマイクロ波伝搬経路にマイクロ波の伝搬経路を切替える為の切替手段を具備することを特徴とする。
【００１９】
又、本発明は被処理体をプラズマ処理する為のチャンバと、プラズマを生成する為のマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段と、を有するマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波発振器側からチャンバ側へ伝搬されるマイクロ波の伝搬モードを円形導波管のＴＭ01モードに変換する為のモード変換手段と、該モード変換手段と該チャンバの間にテーパー状円筒管が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置を示している。
【００２１】
２１が切替手段であり、マイクロ波発振器１にて発生したマイクロ波は矩形導波管４を介して切替手段２１に伝搬する。切替手段２１はその設定に応じてマイクロ波を導波管２８或いは導波管２９のいずれかに選択的にマイクロ波を伝搬させ、対応するチャンバ３Ｒ又はチャンバ３Ｌにマイクロ波を供給する。
【００２２】
２２は共通のガス供給手段であり、バルブ２３又は２４を介して対応するチャンバ３Ｒ、３Ｌ内にプロセスガスを供給する。３０、３１は大気開放用のバルブである。
【００２３】
２５は共通の排気手段であり、バルブ２６又は２７を介して対応するチャンバよりガスを排気する。
【００２４】
バルブの開閉の際には他方のチャンバ内の圧力が影響を受けないように排気量やプロセスガス供給量を適切に調整しておく。
【００２５】
図２は切換手段の模式的断面図である。
【００２６】
切替手段は２つの開口３４、３５、３６を有する外側の導波部材３２と、内部に導波管３７を有する内側の導波部材３３からなる。
【００２７】
部材３３は少なくとも９０度回転可能であり、図２は開口３４と開口３５を連通させ、開口３６を遮断した状態を示している。この時は、導波管４から開口３４に伝搬されてくるマイクロ波は、内部にコーナーをもつ導波路３７を介して開口３５からの導波管２８に伝搬され図１の右のチャンバ３に供給される。
【００２８】
コーナー形成部材３３を時計回りに９０°回転させれば、開口３４と開口３６が連通し、マイクロ波は図１の左側のチャンバ３に供給される。
【００２９】
不図示ではあるが、排気手段２５、ガス供給手段２２、バルブ２３、２４、２６、２７切替手段２１、発振器１等の制御は不図示のコンピュータのような制御手段によりなされる。
【００３０】
次に装置の動作について述べる。
【００３１】
まず、図１中右側のチャンバ３Ｒ内に被処理体を配置し、ゲートバルブ（不図示）を閉じる。排気手段２５の真空ポンプを作動させてバルブ２６を介してチャンバ３Ｒ内を減圧する。次いでバルブ２３を開けてガス供給手段２２から供給されるプロセスガスをチャンバ３Ｒ内に導入し所定のプロセス圧力に維持する。この時、図中左のチャンバ内ではプラズマ処理がなされている。
【００３２】
左のチャンバ３Ｌ内でのプラズマ処理が終了すると切替手段２１の設定を変更し、マイクロ波を導波管２８側に伝搬するように伝搬経路を切り替える。
【００３３】
すると、右のチャンバ３Ｒ内でプラズマ処理が開始される。プラズマ処理が右のチャンバ３Ｒで行われている時、左のチャンバ３Ｌ内は、プロセスガスの供給がバルブ２４を閉めることで停止され、その後、大気開放用のバルブ３１が開かれてその雰囲気が大気に置換される。そして、ゲートバルブが開かれて、処理済の被処理体が左チャンバ３Ｌより取り出され、代わりに新しい被処理体が左チャンバ３Ｌ内に配置され、ゲートバルブが閉じられる。この後の工程は、前述した右チャンバ３Ｒの動作工程と同じであり、バルブ２７が再び開かれてチャンバ内が排気され、プロセスガスがバルブ２４を介して左チャンバ３Ｌ内に供給される。
【００３４】
以上のように、一方のチャンバでプラズマ処理がなされている間、別のチャンバでは、大気開放等の雰囲気の置換、被処理体の交換、排気、プロセスガスの導入等工程が実行出来る。よって、一方のチャンバでのプラズマ処理が終了した後は、他方のチャンバでプラズマ処理が直ちに行える。つまり、一方のチャンバでプラズマ処理を行っている時、他方のチャンバは待機状態にあるか待機状態に移行しつつあるので、マイクロ波発振器の稼動率が高くなる。
【００３５】
本発明は、比較的圧力の高いＣＶＤやアッシングから圧力の低いスパッタリングまで各種のプラズマ処理装置に適用できるので、チャンバ内の動作圧力条件や処理方式によって、待機状態に至るまでの時間や実際のプラズマ処理時間は大巾に変化し得るものであり、稼動率が１００％にならないこともあり得るが、それは本発明の要旨からはずれるものではない。
【００３６】
図３は、本発明の別の実施態様によるマイクロ波プラズマ処理装置を示している。
【００３７】
前述した図１１の装置と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図３の装置の特徴はマイクロ波の伝搬モードを円形導波管のＴＭ01モードにモード変換する為のモード変換手段４０を設け、更に、テーパー導波管４１を介してチャンバ３に接続した点にある。ここで４２は圧力ゲージである。
【００３９】
図４にマイクロ波の伝搬モードを矩形導波管のＴＥ10モードから円形導波管のＴＭ01モードに変換するモード変換手段４０の一例を示す。
【００４０】
モード変換手段４０は矩形導波部４３と円筒導波部４４とが直角に交わるように接続された形状になっており、矩形導波部４３から伝搬された例えばＴＥ10モードのマイクロ波はＴＭ01モードに変換され円筒導波部４４側に伝わっていく。
【００４１】
図５は、テーパー導波管４１を示しており、これはちょうど円すい形の頂部を切取ったような形をしている。
【００４２】
内径１１０ｍｍ程の円形の開口４５は変換手段４０の円筒導波部４４の出口開口とほぼ同じ形状をなし、内径２４０ｍｍ程の円形の開口４６はチャンバ３の入口開口とほぼ同じ形状をなしている。長さ（高さ）は例えば２３０ｍｍくらいである。
【００４３】
従来２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用い８インチウエハーのホトレジストのプラズマアッシングを行う場合約±２０％の不均一性がウエハ面上で生じることがあった。その為に、ウエハをその面内で自転させることで±１０％にまで均一性を高めることが出来た。しかしながら、プラズマ強度の不均一性が改善されたわけではない。本発明によれば、電界強度が管の中心から放射状に対称になる為、均一な強度分布をもつプラズマを生成出来る。
【００４４】
こうして、本発明の実施形態によれば、ウエハーを面内自転させずとも８インチウエハー上のホトレジストのアッシングレートは基板温度２００℃、マイクロ波電力１０００Ｗ、圧力約８０Ｐａ、酸素流量４５０ｓｃｃｍで約３μｍ／ｍｉｎとなり均一性は±５％以下となる。
【００４５】
又、この装置では、電磁石や永久磁石による磁場を必要としない。
【００４６】
図６は本発明の別の実施形態によるマイクロ波プラズマ処理装置を示す模式的斜視図である。
【００４７】
この装置は前述の図１の装置と図３の装置とを組み合わせたものとみなすことが出来る。
【００４８】
この装置はプラズマ処理を行う為のチャンバ３Ｒ、３Ｌを２つ有しており、それらに対応して、被処理体をのせるヒーター付ステージ９、テーパー導波管４１、モード変換器４０矩形導波管２９をそれぞれ２つづつ有している。
【００４９】
マイクロ波発振器１により発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は矩形導波管４を通じて切替器２１に伝搬されていく。矩形導波管４は、ダミロードを有するアイソレーター５やパワーモニター５８や不図示の４Ｅチューナーを有しており、マイクロ波の伝搬が制御される。
【００５０】
切替器は図２に示したように左右の矩形導波管の一方と矩形導波管４とをコーナーを用いて接続する。
【００５１】
例えば左側のチャンバ３Ｌでプラズマ処理を実行する場合には、マイクロ波はモード変換器４０にてＴＥ10モードからＴＭ01モードに変換され、円形テーパー導波管４１を介してチャンバ３Ｌに供給される。
【００５２】
チャンバ３Ｌ内の構成については図７を参照して後述する。
【００５３】
５２は未処理の被処理体を複数収容したカセットを載せるローディング部、５３は処理済の被処理体を複数収容する為のカセットを載せるアンロード部である。
【００５４】
５４は、被処理体を一枚ずつ載せて予備加熱する予備加熱器、５５は処理済の被処理体を一枚ずつ載せて室温まで冷却する冷却器である。
【００５５】
５６は、被処理体を一枚ずつ、ローディング部５２、予備加熱部５４、チャンバ３Ｒ、３Ｌ、冷却部５５、アンロード部５３の間を搬送するアーム５７を有する搬送手段である。
【００５６】
５１は、発振器１、切替器２１、ヒーター付加熱ステージ９、搬送手段５６、予備加熱器等の動作を制御するコンピュータ等からなる制御手段である。
【００５７】
図６では、ガス供給系及びガス排気系は省略して描かれている。
【００５８】
図７は左側チャンバ３Ｌの断面を示しているが、右側チャンバ３Ｒもほぼ同様な構成である。
【００５９】
被処理体Ｗの支持手段であるステージ９は図中矢印の方向に不図示の駆動手段により下降させられて、チャンバ内が開放される。この開放状態で被処理体Ｗのステージ９上への載置及びステージ９上からの取り出しがアーム５７により行われる。チャンバ及びマイクロ波供給機構の位置を固定したままステージが上下動して基板を搬入・搬出できるので基板の変換が容易である。
【００６０】
又、処理ガスは、チャンバの内周に沿って複数の個所に設けられた開孔１２Ｐより反応室の中心に向けて放出され基板の下にある吸引孔１０ｐより排出されるので、プラズマ処理の均一性が増し、パーチクルも少ない。
【００６１】
図８は排気系及びガス供給系を示している。
【００６２】
プロセスガスは供給手段２２によりバルブ２３又は２４を介してチャンバ３Ｒ、３Ｌに供給される。
【００６３】
３０、３１は大気開放用のバルブである。
【００６４】
６１はパージガスの供給手段であり、バルブ６１又は６２を介してチャンバ３Ｒ、３Ｌ内に窒素等のパージガスを供給する。
【００６５】
図９は２つのチャンバ３Ｒ、３Ｌのプロセスフローを示している。
【００６６】
チャンバ３Ｌではバルブ６３が開かれてパージガスが導入され、その後バルブ３１が開かれる。こうしてチャンバ３Ｌ内はプロセスガス雰囲気から大気に置換される。（工程７０）。次にチャンバ３Ｌが開かれて被処理体としての基板が取り出され、新しい基板がチャンバ３Ｌ内に収められる。（工程７１）。チャンバ３Ｌ内が排気手段２５によって排気される（工程７２）。次にプロセスガスがバルブ２４を介して導入され処理圧力になる。（工程７３）。この工程７０から工程７３までの間に、別のチャンバ３Ｒではプラズマ処理がなされている。実際にマイクロ波が導入され処理が行われる時間は例えば３０秒乃至６０秒くらいであり、工程７４の時間より短くてもよい。
【００６７】
本発明により処理できる被処理体としては、ＩＣ製造用のシリコンウエハや化合物半導体ウエハ、表示デバイス製造用の石英又はガラス等の基板が代表的なものとして挙げられる。
【００６８】
本発明によりなされるプラズマ処理とは、被処理体上に設けられたホトレジストのアッシング；被処理体表面のエッチングやクリーニング；被処理体上へのＣＶＤやスパッタリング又はプラズマ重合等による被膜の形成；被処理体表面へのプラズマドーピング；被処理体表面の酸化又は窒化処理等が挙げられる。
【００６９】
本発明に用いられるプロセスガスとは、水素、酸素、窒素、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＮＨ3 、Ｎ2 Ｏ 、フッ素、塩素、ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、ＳｉＣｌ4 、ＳｉＨ2Ｃｌ2 、ＣＦ4 、ＣＣｌ4 、ＮＦ3 、ＢＦ3 等から少なくとも１つ選択される通常のアッシング用ガス、エッチング用ガス、ＣＶＤ用ガス、スパッタリング用ガスである。
【００７０】
チャンバ内圧力、具体的には反応室内圧力は、１３３．３Ｐａ乃至１．３×１０-2Ｐａから各処理条件に合ったものを選択すればよい。
【００７１】
Ｓｉウエハ上に付着しているノボラック系のホトレジストをアッシングする場合は、プロセスガスとしてＯ2 を用い、圧力を１３３．３Ｐａ〜１３．３Ｐａ程に圧力を保ち、酸素プラズマによってアッシングを行う。この時のマイクロ波の投入パワーは１０００〜１４００Ｗ、Ｏ2 の流量は４００〜６００ｓｃｃｍ，基板温度は２００℃〜３００℃が適当であり、これによりアッシングレートは５μｍ／ｍｉｎ〜７μｍ／ｍｉｎとなり、最適化すれば約５％のアッシングの均一性が得られる。
【００７２】
この装置で窒化シリコン膜をＣＶＤ法により堆積させる場合は、プロセスガスとしてＳｉＨ4 とＮ2 ガスを用い、１３．３Ｐａ〜６．０Ｐａ程に圧力を保ち、プラズマＣＶＤにより成膜する。
【００７３】
この装置でＳｉウエハをクリーニングする場合は、プロセスガスとしてＡｒを用い、１３３．３Ｐａ〜１．３３Ｐａの圧力でアルゴンイオンのスパッタリング効果によって異物（汚れ）をクリーニングする。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロ波発振器の稼動率が向上し、被処理体の単位時間当たりの処理枚数が従来のものに比べ多くなった。
【００７５】
又、本発明によれば、高処理速度で且つ均一性の高いプラズマ処理を行うことが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるマイクロ波プラズマ処理装置の模式図。
【図２】マイクロ波伝搬経路を切り替える切替器の模式的断面図。
【図３】本発明の別の実施の形態によるマイクロ波プラズマ処理装置の模式図。
【図４】本発明に用いられるモード変換器の模式図。
【図５】本発明に用いられるテーパー管の模式図。
【図６】本発明の更に別の実施の形態によるマイクロ波プラズマ処理装置の模式図。
【図７】図６のマイクロ波プラズマ処理装置のチャンバ周辺の模式的断面図。
【図８】図６のマイクロ波プラズマ処理装置のガス供給排気系を示す模式図。
【図９】本発明によるマイクロ波プラズマ処理の工程を示す図。
【図１０】従来のマイクロ波処理装置を示す図。
【図１１】従来のマイクロ波処理装置を示す図。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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