JP2002083800A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な基板の冷却を維持するとともにエッチ
ング特性の均一性に優れたプラズマ処理装置を提供す
る。 【解決手段】 一対の上部電極１１１および下部電極１
１３からなる平行平板型プラズマ発生用電極１１４と、
前記下部電極１１３の上面側を構成する基板搭載用下部
プレート１１０と、この下部プレート１１０上に搭載さ
れた基板１０１の周縁を固定保持するチャッキング手段
１０３と、前記下部プレート１１０を貫通してその基板
搭載面にガスを供給するためのガス供給手段１０７、１
０７ａとを有するプラズマ処理装置において、前記下部
プレート１１０の基板搭載面に電極凸部１０４を設けて
凸形状の搭載面とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理装置
の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程などで基板（ウエハ）の
表面を加工処理するプロセスにおいては、プラズマ処理
装置が数多く用いられている。その中でも、いわゆる平
行平板型の構成を持つプラズマ装置が、均一性に優れか
つ大口径ウエハ（基板）への適用も容易であるため、基
板表面への成膜、微細加工などに幅広く用いられてい
る。この平行平板型プラズマ装置は、真空チャンバ内に
一対の上部電極および下部電極からなる平行平板型のプ
ラズマ発生用電極を設け、上下一方の電極に高周波を印
加し他方の電極を接地電極として両電極間にプラズマを
発生させ、下部電極上に搭載した基板をプラズマ処理す
るものである。

【０００３】この平行平板型のプラズマ処理装置の中で
エッチングに用いられる装置としては、平行平板中のプ
ラズマにエッチングガスを導入すると共に上下いずれか
の電極に高周波電力を印加してプラズマを発生させるこ
とで、エッチングガスの解離で生じるエッチャントによ
り基板表面のエッチングを行う反応性イオンエッチング
装置（以下ＲＩＥという）が広く用いられている。ＲＩ
Ｅでは通常、基板は冷却された下部電極上に単に載置さ
れ、特に固定保持されない。

【０００４】これに対して、高密度プラズマを用い、よ
り高速かつ加工垂直性に優れたエッチングを行うことが
できる高密度プラズマエッチング装置では、基板加工時
に発生する温度上昇がＲＩＥにくらべ大きいため、基板
を効率的に冷却する必要がある。このため、基板を電極
上に機械的に固定保持した状態で基板下面側にＨｅなど
の不活性ガスを導入・充填し、このガスにより、冷却を
行う下部電極との間で熱交換効率を向上させ冷却作用を
高めている。

【０００５】基板の機械的な固定保持方法としては、静
電気により基板裏面全面にわたって下部電極と接触させ
る静電チャッキング方式又は、基板外周部分をリング形
状のプレートなどで押さえる外周部チャッッキング方式
が用いられている。基板自体に導電性がある場合には、
静電チャッキング方式、外周部チャッキング方式いずれ
も適用できるが、導電性の無い基板に対しては、静電チ
ャッキング方式では安定して基板を保持することが困難
であり外周部チャッキング方式が主に用いられている。

【０００６】図３は従来の外周部チャッキング方式のプ
ラズマ処理装置の基板及び下部電極部分の断面図であ
る。基板３０１は、下部電極板３０２と一体化された導
電体からなる下部プレート３０８上に設置され、その外
周部をリング状のチャッキングプレート３０３で押さえ
られ固定保持されている。下部電極板３０２と下部プレ
ート３０８で下部電極３１３を構成する。下部電極３１
３には、搬送時に基板を持ち上げるリフトピン３０４と
Ｈｅガスなどの導入口３０５が設けられる。下部電極３
１３に設けられた溝３０６に冷却用の冷媒を循環させる
ことで下部電極３１３の温度を一定に保持している。

【０００７】基板処理プロセス中には、導入口３０５か
らＨｅガスなどが導入され、これにより下部電極３１３
の下部プレート３０８と基板３０１の間に隙間３０７が
形成される。このＨｅガス層の隙間３０７により、基板
３０１と下部電極３１３の間で熱交換を行っている。基
板３０１の冷却効率は、隙間３０７に導入されたＨｅガ
スなどの圧力に依存し、冷却された下部電極３１３と基
板３０１の間の十分な熱交換を得るには、Ｈｅガスなど
の圧力を大きくすることが望ましい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記外周部チ
ャッキング方式による基板３０１の外周部分のみを固定
保持した状態では、基板裏面からのＨｅガスなどでの加
圧により、基板３０１が変形する。このとき、Ｈｅガス
などの圧力が高いほど基板３０１の変形量は大きくな
り、プラズマ処理する基板３０１の厚さが薄いほど変形
量は大きくなる。この変形が生じたまま基板３０１に従
来の方式の電極でエッチングを行うと、基板３０１の中
央部分と外周部分での形状・エッチングレートなどのエ
ッチング特性の分布のばらつきが発生する。

【０００９】すなわち、ほぼ円形の基板の外周部を押え
て下面側をガスで加圧するため、基板がその中心を頂部
とする軸対称の凸曲面状に変形する。これにより、基板
下面と下部プレート表面間の隙間の間隔（ガス層の厚
さ）が中心部で大きく周縁に近づくほど小さくなって隙
間の間隔に分布を生じ一定でなくなる。冷却効率や電場
の影響及びプラズマ作用などは、このガス層の厚さに依
存するため、ガス層の厚さの分布に応じてエッチング特
性が一定でなくなり分布を生じる。

【００１０】図４は、従来の下部電極を用いた厚さ０．
３ｍｍの基板上のＳｉＯ₂膜のエッチングレートを示す
グラフである。図示したように、基板の中央部分と外周
部分で約±５％の分布のばらつきが生じており、素子の
特性上要求されるエッチングレートの均一性目標に対し
て大きな面内分布が発生している。

【００１１】この基板内の均一性の低下により、歩留ま
りが低下する問題点を有していた。また、面内均一性を
維持するために、Ｈｅガスなどの冷却圧力を低くした場
合には十分な熱交換を行うことができず、エッチングの
マスクとして用いているフォトレジストが熱ダメージに
より劣化しエッチング形状が劣化する問題を有してい
た。

【００１２】本発明は、上記従来技術を考慮したもので
あって、十分な基板の冷却を維持し、エッチング特性の
均一性に優れたプラズマ処理装置を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、一対の上部電
極および下部電極からなる平行平板型プラズマ発生用電
極と、前記下部電極の上面側を構成する基板搭載用下部
プレートと、この下部プレート上に搭載された基板の周
縁を固定保持するチャッキング手段と、前記下部プレー
トを貫通してその基板搭載面にガスを供給するためのガ
ス供給手段とを有するプラズマ処理装置において、前記
下部プレートの基板搭載面を凸形状にしたことを特徴と
するプラズマ処理装置を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、一対の上部電極および
下部電極からなる平行平板型プラズマ発生用電極と、前
記下部電極の上面側を構成する基板搭載用下部プレート
と、この下部プレート上に搭載された基板の周縁を固定
保持するチャッキング手段と、前記下部プレートを貫通
してその基板搭載面にガスを供給するためのガス供給手
段とを有するプラズマ処理装置において、前記下部プレ
ートの基板搭載面を凸形状にしたプラズマ処理装置とす
る。

【００１５】この構成によれば、ガス圧により凸形状に
湾曲した基板とこれを載置する下部プレートの形状が近
似するので、基板と下部プレートとの隙間に導入される
Ｈｅガス層の厚さがほぼ均一となり、冷却効率や電場の
影響がほぼ均一化してエッチング特性の分布の均一を図
ることができる。

【００１６】好ましい構成例においては、前記下部プレ
ートの凸形状は、基板載置面の中心を頂部とする軸対称
の滑らかな凸曲面であることを特徴としている。

【００１７】この構成によれば、ガス圧による基板の変
形に合わせて下部プレートが滑らかな凸曲面状に形成さ
れるため、ガス圧が変化してもある程度の範囲にわたっ
てエッチングレートのばらつきを抑えるようにガス層の
厚さをほぼ均一にできる。

【００１８】好ましい構成例においては、前記凸形状の
高さは１ｍｍ以下である。

【００１９】この構成によれば、厚さが異なる各種基板
を用いる場合に、広い範囲の基板の厚さに適用できる。

【００２０】好ましい構成例においては、前記基板は絶
縁材料である。

【００２１】この構成によれば、ガラス基板などの絶縁
材料基板に対し、その周囲を押圧する外周部チャッキン
グ方式を用いて本発明を特に有効に適用し、ガラス基板
を効果的に冷却しつつプラズマ処理を行うことができ
る。

【００２２】以下、図面を参照して本発明に係るプラズ
マ処理装置を外周部チャッキング方式を例にして説明す
る。

【００２３】図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の
下部電極部分の断面図である。この下部電極部分は、図
中一点鎖線で概略を示した真空チャンバ１１２内に収容
され、上部電極１１１との間でプラズマを発生させるも
のである。すなわち、真空チャンバ１１２内に一対の平
行平板型プラズマ発生用電極１１４を構成する上部電極
１１１および下部電極１１３が設けられる。下部電極１
１３は、下部電極板１０２と、この下部電極板１０２の
上部側を構成する下部プレート１１０とにより構成され
る。基板１０１は、下部電極板１０２と一体化された下
部プレート１１０上に設置され、その外周部をリング状
のチャッキングプレート１０３で押さえられ固定保持さ
れる。下部プレート１１０は、中央部分が基板外周部分
に対して凸となる球状に加工が施され、電極凸部１０４
を形成する。すなわち、電極凸部１０４は、ほぼ円形の
基板１０１の中心を頂部とする軸対称の滑らかな球の一
部からなる曲面状に形成される。この電極凸部１０４の
曲率は後述する基板１０１が変形したときの曲率とほぼ
同じくらいが望ましい。下部電極板１０２の外周部分と
電極凸部１０４の電極面の厚さの差異は、この例では
０．３ｍｍに設定される。

【００２４】電極凸部１０４を含む下部電極１１３の表
面には厚さ２５０μｍのアルミナ膜が表面絶縁層１０５
として成膜される。これにより、基板搬入時や処理終了
時にガス圧を除去した時に下部プレート１１０表面への
基板の貼り付きを防止して基板１０１の着脱が円滑に行
われる。下部電極１１３には、搬送時に基板１０１を持
ち上げるための複数のリフトピン１０６と１つ又は複数
のＨｅガスなどの導入口１０７（図では１つのみ示す）
が設けられ、下部電極に設けられた溝１０８に冷却用の
冷媒が循環することで下部プレート１１０を含む下部電
極１１３の温度を一定に保持している。

【００２５】リフトピン１０６は挿通孔１０６ａ内を上
下動して電極凸部１０４の表面絶縁層１０５から突出
し、基板１０１を持ち上げる。ガス導入口１０７は不図
示のガス供給源に接続され、貫通孔１０７ａを通して電
極凸部１０４と基板１０１の間にＨｅガスなどを圧送す
る。電極凸部１０４、下部プレート１１０及び下部電極
板１０２は一体部材で形成してもよいし、又は別体部材
をボルトや溶接その他で一体結合してもよい。

【００２６】基板処理プロセス中には、導入口１０５か
らＨｅガスなどが導入され、これにより下部電極１１３
と基板１０１の間に隙間１０９が生じ、ここにＨｅガス
層を形成し、基板１０１と下部電極１１３の下部プレー
ト１１０との間で熱交換を行っている。このとき、ガス
圧により基板１０１が凸形状に湾曲するが、この凸形状
に対応して下部プレート１１０上に電極凸部１０４が設
けられるため、基板下面に形成されるＨｅガス層の厚さ
が中心部と周縁部でほぼ均一となる。これにより、基板
処理プロセス中のエッチングレートなどの分布のばらつ
きを抑えることができる。

【００２７】図２は、上記図１のプラズマ処理装置をエ
ッチング装置として用いた場合に、厚さ０．３ｍｍ及び
０．５５ｍｍの基板上のＳｉＯ₂膜に対するエッチング
レートを示すグラフである。

【００２８】厚さ０．３ｍｍのガラス基板を処理する場
合にはＨｅの冷却ガスの圧力を２００Ｐａとし、厚さ
０．５５ｍｍのガラス基板を処理する場合にはＨｅの冷
却ガスの圧力を１５００Ｐａとした。黒丸で示した０．
３ｍｍ基板、白丸で示した０．５５ｍｍの厚さの異なる
いずれの基板厚さに対しても面内でのエッチングレート
の差が小さくなり分布の発生が抑えられ、厚さ０．３ｍ
ｍ、０．５５ｍｍのいずれの基板に対しても、エッチン
グレートの分布は±２％以下であった。これにより均一
なエッチングが実現していることが分かる。

【００２９】上記実施形態において電極凸部１０４は、
基板中央部分に対応して下部プレート１１０に凸型の形
状を一体成型してもよいし、下部プレート表面に、所望
の凸形状に加工した部材を積層してもよい。使用する材
料は、電極に用いられる材料と同じものでものよいし異
なるものでものよいが、冷却している下部電極との熱交
換のため熱伝導のよいものが望ましい。電極凸部１０４
の表面は、前述のように基板着脱の円滑のため及び基板
裏面の保護及び基板処理プロセス中に発生する静電気を
除去しやすいように絶縁物、例えばアルミナなどでの表
面処理を施すことが望ましい。凸形状は処理する基板及
び冷却に用いるＨｅガスなどの圧力により最適な形状が
決定される。

【００３０】凸状に変形する基板に合わせて凸形状の下
部プレートを形成することにより、一定の凸形状を用い
た装置についても基板の厚さが異なる場合には、ガスの
圧力を調整することで均一な処理を実施できる。この場
合、凸形状の高さとしては、広い範囲の基板厚さに対応
するために、１ｍｍ以下が望ましい。１ｍｍ以上にする
と基板厚さが厚くなった場合に対応できないことがあ
る。また、この凸形状の高さは、０．１ｍｍ以上あれば
エッチングレート分布の均一性に対する効果があること
が確認されている。基板厚さが０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ
程度の場合は、凸形状の高さは０．５ｍｍ以下が望まし
い。特に、処理する基板厚さが薄い場合に基板が大きく
変形するため本発明は効果が大きい。この効果は基板が
薄いほど連続的に効果が大きくなるが、実用上は基板厚
さが１ｍｍ以下、中でも、０．５５ｍｍ以下で特に効果
が大きい。

【００３１】本発明は、静電チャッキング法が適用でき
ないガラス板などの絶縁性基板に対して有用であるが、
導電性基板に対しても適用でき、基板の種類に依存しな
いプラズマ処理装置が実現できる。また、エッチング装
置に限らず、基板処理中に変形を起こす可能性のあるＣ
ＶＤ装置やスパッタ装置などにも適用できる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ガス
圧により凸形状に湾曲した基板とこれを載置する下部プ
レートの形状が近似するので、基板と下部プレートとの
隙間に導入されるＨｅガス層の厚さがほぼ均一となり、
冷却効率や電場の影響がほぼ均一化してエッチング特性
の分布の均一を図ることができる。本発明のプラズマ処
理装置は、広い分野の製品の加工工程に適用でき、中で
も、光の回折・導波・位相変化などを用いた高い加工精
度が要求される光学素子の加工工程に対して特に大きな
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るプラズマ処理装置の下部電極部
分の断面図。

【図２】 本発明に係るプラズマ処理装置を用いた場合
の、厚さ０．３ｍｍ及び０．５５ｍｍの基板上のＳｉＯ
₂膜に対するエッチングレートを示すグラフ。

【図３】 従来の外周部チャッキング方式のプラズマ処
理装置の基板及び電極部分の断面図。

【図４】 従来の下部電極を用いた厚さ０．３ｍｍの基
板上のＳｉＯ₂膜のエッチングレートを示すグラフ。

【符号の説明】

１０１：基板 １０２：下部電極板 １０３：チャッキングプレート １０４：電極凸部 １０５：表面絶縁層 １０６：リフトピン １０６ａ：挿通孔 １０７：導入口 １０７ａ：貫通孔 １０８：冷媒 １０９：隙間 １１０：下部プレート １１１：上部電極 １１２：真空チャンバ １１３：下部電極 １１４：平行平板型プラズマ発生用電極 ３０１：基板 ３０２：下部電極板 ３０３：チャッキングプレート ３０４：リフトピン ３０５：導入口 ３０６：溝 ３０７：隙間 ３０８：下部プレート ３１３：下部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 CA06 FA03 GA02 4K057 DA20 DD01 DM02 DM06 DM09 DM35 DM39 DN01 5F004 AA01 BA04 BB21 BB25 BD04 BD05 DA22 DB03 5F045 BB02 EH14 EM06 EM07 5F103 AA08 BB33 RR03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の上部電極および下部電極からなる平
   行平板型プラズマ発生用電極と、前記下部電極の上面側
   を構成する基板搭載用下部プレートと、この下部プレー
   ト上に搭載された基板の周縁を固定保持するチャッキン
   グ手段と、前記下部プレートを貫通してその基板搭載面
   にガスを供給するためのガス供給手段とを有するプラズ
   マ処理装置において、 前記下部プレートの基板搭載面を凸形状にしたことを特
   徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】前記下部プレートの凸形状は、基板搭載面
   の中心を頂部とする軸対称の滑らかな凸曲面である請求
   項１に記載のプラズマ処理装置。