JP2006269806A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ処理装置の処理室内のプラズマ密度が局所的に高い部位に衝立部材を挿入してプラズマを失活させ、プラズマを均一化させる。
【解決手段】 プラズマ処理装置１において、処理室３内のプラズマ密度が局所的に高い部位にプラズマを失活させる衝立部材１１を配設し、被処理基板Ｇに対するプラズマエッチングレートを均一化したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理基板に対してエッチング処理を施すプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）等の製造工程では、半導体ウェハやガラス基板（ＬＣＤ基板）等の被処理基板にエッチング処理を施すために、プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置が用いられている。

この種のプラズマ処理装置では、図６に示すように、処理装置１０１は、ＬＣＤガラス基板の所定の処理を行う装置であり、ここでは容量結合型平行平板プラズマエッチング装置を例として構成されている。

このプラズマエッチング装置１０１は、例えばアルミニウムからなる角筒形状に成形された処理室１０２を有している。この処理室１０２内の底部には絶縁材からなる角柱状の絶縁板１０３が設けられており、さらにこの絶縁板１０３の上には、被処理基板であるＬＣＤガラス基板Ｇを載置するためのサセプタ１０４が設けられている。また、サセプタ１０４の基材１０４ａの外周および上面の層１０５および誘電性材料膜１０６が設けられていない周縁には、絶縁部材１０８が設けられている。

さらにサセプタ１０４には、高周波電力を供給するための給電線１２３が接続されており、この給電線１２３には整合器１２４および高周波電源１２５が接続されている。

また、サセプタ１０４の上方には、このサセプタ１０４と平行に対向して上部電極として機能するシャワーヘッド１１１が設けられている。シャワーヘッド１１１は処理室１０２の上部に支持されており、内部に内部空間１１２を有するとともに、サセプタ１０４との対向面に処理ガスを吐出する複数の吐出孔１１３が形成されている。このシャワーヘッド１１１は接地されており、サセプタ１０４とともに一対の平行平板電極を構成している。

シャワーヘッド１１１の上面にはガス導入口１１４が設けられ、このガス導入口１１４には、処理ガス供給管１１５が接続されており、この処理ガス供給管１１５には、バルブ１１６、およびマスフローコントローラ１１７を介して、処理ガス供給源１１３が接続されている。

また、処理室１０２の側壁底部には排気管１１９が接続されており、この排気管１１９には排気装置１２０が接続されており、排気装置１２０はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これにより処理室１０２内を所定の減圧雰囲気まで真空引き可能なように構成されている。また、処理室１０２の側壁には基板搬入出口１２１と、この基板搬入出口１２１を開閉するゲートバルブ１２２とが設けられており、このゲートバルブ１２２を開にした状態で基板Ｇが隣接するロードロック室との間で搬送されるようになっている。

このように構成されるプラズマエッチング装置１０１では、まず、被処理体である基板Ｇは、ゲートバルブ１２２が開放された後、ロードロック室から基板搬入出口１２１を介して処理室１０２内へと搬入され、サセプタ１０４上に形成された誘電性材料膜１０６の凸部１０７上に載置される。その後、ゲートバルブ１２２が閉じられ、排気装置１２０によって、処理室１０２内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、バルブ１１６が開放されて、処理ガス供給源１１８から処理ガスがマスフローコントローラ１１７によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管１１５、ガス導入口１１４を通ってシャワーヘッド１１１の内部空間１１２へ導入され、さらに吐出孔１１３を通って基板Ｇに対して均一に吐出され、処理室１０２内の圧力が所定の値に維持される。

この状態で高周波電源１２５から整合器１２４を介して高周波電力がサセプタ１０４に印加され、これにより、下部電極としてのサセプタ１０４と上部電極としてのシャワーヘッド１１１との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化し、これにより基板Ｇにエッチング処理が施される（特許文献１参照）。

しかしながら、従来のこのようなプラズマ処理装置では、被処理基板の大型化に伴いプラズマ処理装置の処理室が大面積化すると、処理室内のプラズマの均一性にバラツキが生じていた。そのため、被処理基板に対して生成プラズマにより均一なプラズマ処理ができなかった。
特開２００２−３１３８９８号公報

本発明が、解決しようとする問題点は、プラズマ処理装置の処理室のプラズマの不均一性である。

本発明は、処理室内のプラズマ密度が局所的に高い部位に衝立部材を挿入し、イオン、電子が該部材に衝突することによりプラズマを失活させ、被処理基板全面にわたってプラズマを均一化したことを特徴とするプラズマ処理装置である。

本発明のプラズマ処理装置によれば、極めて簡単な構造の衝立部材を被処理基板と処理容器の内壁面との間のプラズマ密度が局所的に高い部位に挿入して、プラズマを失活させ、プラズマを均一にすることによりエッチングレートの均一性を達成することができる。

プラズマ処理装置の構成
添付した図１に示すように、本発明のプラズマ処理装置１は、導電性の気密に保持された処理容器２（処理容器の内側寸法で、巾方向：２，８９０ｍｍ、長手方向：３，１００ｍｍ、高さ６００ｍｍ）からなり、この処理容器２内に処理室３が形成されている。そして、この処理室３内には、ゲートバルブ１４から搬入・搬出されるガラス基板等の平面視矩形形状の被処理基板Ｇ（例えば、外形１，８７０ｍｍ×２，２００ｍｍのガラス基板）を載置する載置台を兼ねた導電性の下部電極４が配設されている。この下部電極４は、１３．５６ＭＨｚ用整合回路７と３．２ＭＨｚ用整合回路８を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電源部と３．２ＭＨｚの高周波電源部とにそれぞれ接続されている。さらに、下部電極４の基板載置面に対向する位置には、上部電極５が下部電極４と平行に配設され、インピーダンス調整回路９，１０（１３．５６ＭＨｚ用のインピーダンス調整回路９と、３．２ＭＨｚ用のインピーダンス調整回路１０）に接続されている。なお、その他の構成は、従来の平行平板型プラズマエッチング装置とほぼ同じ構成である。

このように、本発明のプラズマ処理装置１を構成することにより、上部電極５及び下部電極４間に高周波電力を重畳的に印加してプラズマを発生させて被処理基板Ｇを処理するにあたり、上部電極５と処理容器２との間に容量成分を含むインピーダンス調整回路９（１３．５６ＭＨｚ用）とインピーダンス調整回路１０（３．２ＭＨｚ用）を設けたことにより、下部電極４からのプラズマ、ならびに上部電極５及び処理容器２の壁部を介してリターン用導電路に至るまでのインピーダンス値を、上部電極５からのプラズマならびに処理容器２の壁部を介してリターン用導電路に至るまでのインピーダンス値よりも小さくできる。このため、下部電極４と処理容器２の壁部との間でプラズマが発生することを抑え、処理室３内に均一性の高いプラズマを発生させて被処理基板Ｇに対して面内均一性の高いプラズマ処理を行うことができる。

しかしながら、前述したように、被処理基板Ｇの大型化に伴って処理室３が大面積化すると、依然としてプラズマ処理装置の処理室内のプラズマの均一性にバラツキが生じていた。

衝立部材の態様
そこで、本発明のプラズマ処理装置１では、処理室３内のプラズマ密度（エッチングレート）が高い所にプラズマとの接触面積を出来るだけ大きくした衝立部材１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）を配設して（あるいは処理容器２の内壁面２ａに凸状部を一体に形成して）処理室３内のプラズマを均一化する。

例えば、ガラス基板（ＦＰＤ）のプラズマエッチング装置１において、被処理基板Ｇの長辺中央のみエッチングレートが高い場合には、図１及び図２に示すように、該長辺ａの中央に対向する処理容器２の内壁面２ａに衝立部材１１を配置する。

すなわち、ガラス基板のような略矩形の被処理基板を処理するプラズマエッチング装置１の内壁面２ａは、ほぼ、該被処理基板Ｇの長辺ａ及び短辺ｂに平行な平坦な面となっている。

そこで、図１及び図２に示すように、処理容器２の内壁面２ａと下部電極４との間にバッフル板５を下部電極４の長辺及び短辺にそれぞれ平行になるように取付け、このバッフル板５と内壁面２ａに接するように、被処理基板Ｇに出来るだけ近接して衝立部材１１（例えば、高さ約１５０ｍｍ以上）を配設する。すなわち、図１と図２の実施例では、図２に示すように、被処理基板Ｇの長辺ａと短辺ｂのほぼ中央部に対向して平面視矩形状であって所定高さの衝立部材１１を配設する。衝立部材１１のバッフル板５へ取付けは、別途脚を付けて行ってもよいし、また、他のいずれかの取付方法によってもよい。

図３（ａ）に示す実施例では、衝立部材１１ａは、所定の長さをもつ中空の箱形部材、または中実箱形部材とする。

また、衝立部材の構成材料は、金属等の導体（例えば、５ｍｍ厚の鋼板）または絶縁物であってもよい。要は、本発明のプラズマ処理装置では、プラズマエッチング処理の均一性を確保するために、プラズマ密度の高いところに衝立部材１１ａを挿入し、イオン、電子が該部材１１ａに衝突してプラズマを失活させればよい。被処理基板Ｇと処理容器２の内壁面２ａとの間に選択的に衝立部材を挿入して、エッチングレートの均一性を向上させて、均一なプラズマ処理を可能とする。

なお、図１と図２の実施例では、被処理基板Ｇの長辺ａと短辺ｂのほぼ中央に対向する位置に、それぞれ衝立部材１１を配設したが、被処理基板Ｇの四隅のプラズマのエッチングレートが高い場合には、当該四隅に平面視三角形状あるいは板状であって所定高さの衝立部材をそれぞれ配設するようにする（図２にハッチングで示す「三角形状の衝立部材１１」参照）。

また、図２に示すように、被処理基板Ｇの搬入・搬出口であるゲートバルブに対向して衝立部材１１ａを配設する場合には、被処理基板Ｇを載置する下部電極４を昇降させて被処理基板Ｇのゲートバルブ１４からの処理室３への搬入・搬出の妨げにならないようにする。また、衝立部材１１自体を昇降させて被処理基板Ｇの搬入・搬出時には、該基板搬入・搬出に干渉しないように、処理室３内に存在せず、処理時のみに処理室３内に現出するようにしてもよい。

さらに、同一の処理室内で多種類のプロセスを行なう場合には、プラズマ失活プレートとして機能する衝立部材を選択的に動作させて、同一の処理室内で各プロセス条件に合った最適なプラズマを生成できる構造にする。

また、処理室内でのプロセス条件・種類に応じて衝立部材の形状を異ならせ、また、それらの配置個所を異ならせてもよい。

さらに、図３（ｂ）に示すように、処理室２の内壁面２ａと下部電極４の外縁に立て掛けるように、斜面状の衝立部材１１ｂを配設してもよい。この場合には、被処理基板Ｇから離れた部位程プラズマの失活率が低下する。

また、図３（ｃ）に示すように、プロセスのエッチングレートを均一化するために、直立した板状の衝立部材１１ｂを出来るだけ被処理基板Ｇに近接させて、バッフル板５に取付けてもよい。

またさらに、図３（ｄ）に示すように、処理室２の内壁面２ａに断面Ｌ字状の衝立部材１１ａを配設してプラズマと接触させプラズマエッチングレートを均一化してもよい。

プラズマ均一化の実証
本発明のプラズマ処理装置では、処理室内のプラズマ密度が局所的に高いために、局所的にエッチングレートが高くなるような部位に、選択的に衝立部材を挿入してプラズマと接触させ失活させプラズマ密度を均一化し、エッチングレートの均一性を向上させることができる。

（ｉ）プラズマ測定によるプラズマ均一化効果の実証
まず、図４（衝立部材のプラズマ均一化効果）に示すように、本発明のプラズマ処理装置のように、衝立部材を処理室内に被処理基板に近接して設けたものと、従来装置のように衝立部材を設けないものとのプラズマの電子密度の差をＰＡＰ（Plasma Absorption Probe）により測定した。

すなわち、ＰＡＰによる本発明の効果の確認方法では、図５に示すように、プラズマ処理装置の処理容器２の両壁部に絶縁管１７を貫通させ、Ｏリングで絶縁管１７を両端支持・真空封止し、同軸プローブ１５を絶縁管１７に挿入し、同軸プローブ１５だけを摺動させて、ネットワークアナライザー１６から同軸プローブ１５に電磁波信号を周波数掃引しながら印加して、下部電極４の真上６０ｍｍからプラズマの電子密度を測定した。ここでは、処理ガスＳＦ₆／Ｎ₂、ＲＦ電源１５，０００ｗ、バイアス電源７，０００ｗ、静電チャック吸着電圧３．０ｋＶ、バックプレッシャ圧力３．０Ｔｏｒｒ、７０ｍＴｏｒｒの雰囲気の下での処理室３内のプラズマの電子密度を測定した。

ＰＡＰによると、ある周波数信号がプラズマ電子振動数ｆｐと一致すると、その電磁波はプラズマに吸収される。この特性を利用して、電子密度Ｎｅが式（１）から求まる。

従来の衝立部材を設けていないプラズマ処理装置とでは、図４から明白なように、プラズマの電子密度（Ｎｅ〔ｍ^-3〕）は、従来の衝立部材なしのものに比して、衝立部材の設置範囲で、大幅に低下し、これに伴いプラズマが大巾に均一化された。なお、本実験での衝立部材の設置範囲は、図４に示すように、被処理基板の中心から約６００ｍｍまでの位置であり、また、図４に示すように、処理室２の内壁から被処理基板Ｇの端部までの距離Ｌｐの１／２（図４では◆で示す）、１／３（図４では■で示す）であることを指す。また、幅０とは、衝立部材を内壁に接触させて設置した場合を示す（図４では×で示す）。

（ii）エッチングプロセスからのプラズマ均一化効果の実証
（ａ）被処理基板長辺に対向する位置に衝立部材を配置した場合
図２に示す被処理基板Ｇの長辺ａに対向する位置に衝立部材１１を配置することにより、衝立部材無しの従来のものと、衝立部材によるエッチングレートの減少、すなわちプラズマの均一性を比較した。

表１では、表１（ａ）は、衝立部材を配置しない場合の被処理基板の長辺方向（横軸）と短辺方向（縦軸）の所定個所でのエッチングデプスを、表１（ｂ）は、箱形の衝立部材（図３（ａ）参照）を配置し、その長さが電極寸法の１／２、巾Ｗｐがバッフル板の巾Ｗｂの２／３のものの（ここでは内壁と基板端部との距離Ｌｐの２／３の厚さのものが内壁から設置されている）エッチングデプスを、また、表１（ｃ）は、斜面状の衝立部材（図３（ｂ）符号１１ａ参照）を配置し、その長さＬｐが電極寸法の１／４、巾Ｗｐがバッフル板の巾と同じものの（ここでは内壁と基板端部との距離Ｌｐと同じ厚さのものが内壁から設置されている。すなわち、この実施例では、内壁と基板端部との間が衝立部材により埋没されている。）エッチングデプスを示している（いずれも短辺側には、衝立部材を配置していない）。

表１（ａ）から明らかなように、衝立部材を配置しないものでは、被処理基板の長辺及び短辺の中央部のエッチングデプスが高く（２５６４，２３７２）エッチングデプスにムラを生じている。

これに対して、表１（ｂ）に示す箱形の衝立部材を配置したものでは、衝立部材を配置することにより、長辺部では、エッチングレートの抑制効果が十分認められた（２５６４→２２９１、２７７９→２２６６に減少）。

また、表１（ｃ）に示す斜面状の衝立部材（図３（ｂ）符号１１ｂ参照）を配置したものでは、前記箱形衝立部材を配置したものと同様、長辺中央部でエッチングレートの抑制効果が十分認められた（２５６４→２３５１、２７７９→２３８３）。

（ｂ）処理室の四隅コーナーに衝立部材を配置した場合
次に、図２にハッチングで示す三角形状の衝立部材を処理室の四隅コーナーに配置することにより、衝立部材無しの従来のものと比較してのエッチングデプスの減少すなわち衝立部材によるエッチングレート（プラズマ）の均一性の比較をした。

表２では、表２（ａ）は、衝立部材を配置しない場合の被処理基板の長辺方向（横軸）と短辺方向（縦軸）の所定個所でのエッチングデプスを、表２（ｂ）は、処理室内側隅から被処理基板の隅までの距離（図２に示すＷｔ）の２／３の位置に箱形の衝立部材（図３（ａ）参照）を処理室内側の四隅に配置したもののエッチングデプスを、また表２（ｃ）は、処理室内側の隅から基板の四隅一杯に（基板の四隅に接近させて）衝立部材を配置したもののエッチングデプスをそれぞれ示している。

表２（ｂ）から明らかなように、四隅部に衝立部材を配置することにより、処理室の四隅部でのエッチングレートが抑制されたことが認められる（２７５９→２４７６、２８６８→２５８２、２７２４→２４７２、２７５３→２４９１にそれぞれ抑制された）。

さらに、表２（ｃ）のように被処理基板からより近い位置に衝立部材をさらに近づけることにより四隅部でのエッチングレートの抑制がより効果的に認められた。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマエッチング装置に限らず、プラズマＣＶＤやその他のプラズマ装置において、局所的にプラズマ密度が高くなるのを防止して、プラズマの均一性を向上させるのが不可欠な各種処理装置に適用できる。

本発明のプラズマ処理装置の模式図（縦断面）であって、処理室内に、被処理基板に近接して、衝立部材を配設した実施例。 図１に示した本発明のプラズマ処理装置の平面視横断面図。 図１に示した本発明のプラズマ処理装置のＡ矢視部部分拡大縦断面図であって、処理室内に、被処理基板に近接して、衝立部材を配設した各実施例を示す。図３（ａ）は、処理室内に、被処理基板に近接して、箱形断面の衝立部材を配設した実施例、図３（ｂ）は斜面状の衝立部材を配設した実施例、図３（ｃ）は、直立した壁状の衝立部材を配設した実施例、及び図３（ｄ）は、Ｌ字状の衝立部材を配設した実施例をそれぞれ示す。 図４は、本発明のプラズマ処理装置（衝立部材有）と従来のプラズマ処理装置（衝立部材無し）とにおける被処理基板中心から被処理基板端にわたるプラズマ電子密度の変化（低下）及び衝立部材の配置位置を示す。 図４に示したプラズマ電子密度の変化を測定するのに用いた測定法を示す。 従来の衝立部材を配置しないプラズマ処理装置の縦断面図。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ 処理室
４ 下部電極
５ 上部電極
１１（１１ａ〜１１ｄ） 衝立部材
１３ バッフル板
１４ ゲートバルブ
１５ プローブ
１６ ネットワークアナライザー
１７ 絶縁管
Ｇ 被処理基板（ガラス基板）

Claims (9)

1. プラズマ処理装置において、処理室内のプラズマ密度が局所的に高い部位にプラズマを失活させる衝立部材を配設し、被処理基板に対するプラズマあるいはエッチングレートを均一化したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記衝立部材が、前記処理室の内壁面と前記被処理基板との間に前記被処理基板に近接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記衝立部材が、平面視矩形状であって、箱形中空矩形断面あるいは箱形中実矩形断面を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記衝立部材が、直立した板状体であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記衝立部材が、平面視矩形状の板状体であって、前記処理室の内壁面と前記被処理基板に近接してプラズマ照射方向に対して斜めに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記衝立部材が、平面視矩形状であって、Ｌ字状断面を有し、かつ前記処理室の内壁面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記衝立部材が、平面視三角形状あるいは板状体であって、前記処理室の四隅に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記衝立部材が、前記処理室内でのプロセス条件に応じて選択的に配置あるいは作動可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記衝立部材が、被処理基板の前記処理室への搬入・搬出時には該基板搬入・搬出に干渉せず、被処理基板の処理時のみに前記処理室内に現出することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
   
   

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