JP2012074650A - プラズマ処理用トレイ及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着力を高めたプラズマ処理用トレイ及びこのようなトレイを備えたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ処理用トレイ１０は、化合物半導体から成る被処理基板を、静電気力を用いて載置部に静電吸着させてプラズマ処理するプラズマ処理装置１０において用いられるものであり、体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmのトレイからなる。トレイは導電材料を分散させた窒化アルミニウム材料から成ることが好ましい。通常の窒化アルミニウムの体積抵抗率は10¹⁴Ω・cm程度であり、本発明のトレイは、通常の窒化アルミニウム等に炭化チタンや炭素繊維等の導電材料を含有させることで得ることができる。この場合、導電材料の含有量を調整することにより、窒化アルミニウム材料の体積抵抗率を調整することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電気力を用いて基板を載置部に静電吸着させるためのプラズマ処理用トレイ及びプラズマ処理装置に関する。

真空中で基板にプラズマ処理等の表面処理を行う場合、基板をトレイに載せて処理することがある。特に複数の基板を同時に処理する場合には、これら複数の基板をトレイに載せて表面処理を行う方法が採用される。
プラズマ処理等の表面処理では、基板の表面にラジカルやイオンが到達して基板表面が処理されるときに熱が発生するため、基板の温度が上昇する。基板温度が高くなると、基板上に形成された電子回路が破壊されたり、基板表面に設けられたフォトレジストが損傷を受けたりする。そこで、従来は、基板の載置部に冷却媒体を流す構造を設け、基板で発生した熱を、冷却媒体を介して外部に放出し基板を冷却するようにしている。

真空中で表面処理を行う表面処理装置では基板で発生した熱を効率的に外部に放出しにくい。特に、基板をトレイに載せて処理する場合には、トレイと基板、トレイと載置部との間に微小な隙間が生じることは避けられず、基板で発生した熱が冷却媒体に伝わりにくい。
そこで、基板とトレイとの間に熱伝導シート（特許文献１、２）やメカチャック（特許文献３）を設けて両者の熱伝導率の向上を図ったり、静電チャックに吸着されるトレイ（特許文献３、４）を用いることでトレイと載置部の間の熱伝導性の向上を図ったりしている。

静電チャックは、トレイが載置される載置部の誘電層の下に電極を設けたものである。前記電極に直流電圧が印加されると、誘電層とその上に載置されたトレイの間に静電気力が発生し、この静電気力によってトレイは誘電層に吸着される。
静電チャックに固着されるためには、トレイがアルミニウムなどの金属製であることが好ましい。ところが、化合物半導体基板をプラズマ処理する場合、処理中にトレイから生じる金属ラジカル等によって基板が汚染されてしまい、得られたチップの電気特性が低下することがある。このため、一般に、化合物半導体基板の場合にはエッチングされにくいアルミナや二酸化ケイ素、窒化アルミニウムなどのセラミック製のトレイが用いられる。

特開2007-201404号公報 特開2009-238869号公報 特開2002-43404号公報 特開平3-3250号公報

この場合、セラミック製トレイの静電気力による吸着力を強めるためにトレイ内に金属部材を設けることが行われている（特許文献３，４）。ところが、トレイ内に金属部材を設けると、プラズマ処理中に金属部材で放電が生じたり、金属ラジカル等が生じたりする。また、金属部材が高温となって変形し、トレイから剥がれるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、金属部材を用いることなく静電気力による吸着力を高めることができるプラズマ処理用トレイ及びこのようなトレイを備えたプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本願の第１発明は、化合物半導体から成る被処理基板を、静電気力を用いて載置部に静電吸着させてプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記被処理基板を載置するプラズマ処理用トレイであって、
前記トレイの体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmであることを特徴とする。

また、本願の第２発明は、化合物半導体から成る被処理基板が載置されるトレイと、
前記被処理基板が載置されたトレイが載置される載置部と、
前記被処理基板を前記載置部に静電吸着させる静電チャックと、
前記載置部に設けられた前記トレイを介して前記被処理基板の温度を制御する温度制御機構とを備えるプラズマ処理装置において、
前記トレイの体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmであることを特徴とする。

セラミック系のプラズマ処理用トレイの材料として、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム（AlN）が知られているが、熱伝導性が優れている点で炭化珪素や窒化アルミニウムが好ましく、特に窒化アルミニウムが好ましい（炭化珪素の熱伝導率：150 W/m・K、窒化珪素の熱伝導率：13 W/m・K、アルミナの熱伝導率：30 W/m・K、窒化アルミニウムの熱伝導率：160 W/m・K）。
また、少なくとも表層が窒化ガリウムで構成された被処理物を、塩素ガスをプラズマ状態に励起することによりエッチングするドライエッチング方法においては、エッチング反応室内に配置される前記被処理基板を搬送するためのトレイの構成部材の少なくとも一部に窒化アルミニウムを含む物質を用いることが好ましい。このようなトレイを用いることにより、被処理物をエッチングするときに該エッチング面に残渣や多数のピラー（柱状物）やエッチピット（穴）が発生せず平滑なエッチング面が得られる。窒化アルミニウムからプラズマ処理用トレイを形成すれば、基板で発生した熱を効率よくプラズマ処理用トレイに伝達させることができることに加え、少なくとも表層が窒化ガリウムで構成された被処理物のエッチング面を円滑にすることができるので、電気特性に優れる窒化ガリウム素子を製造することができる。これに対して、上述した窒化ガリウムのドライエッチング方法において、炭化珪素から形成されたトレイを使用すると、条件によってはエッチング面に炭素成分が付着する傾向がある。また、アルミナから形成されたトレイを使用すると、エッチング面が荒れる傾向がある。さらに、窒化珪素から形成されたトレイを使用すると、被処理物の冷却が難しくなる傾向がある。

一方、静電気力による吸着力は、クーロン力とジョンソン・ラーベック力の２種類より成り、そのうちクーロン力は誘電体の体積抵抗率が比較的大きい抵抗領域（体積抵抗率：10¹⁴Ω・cm〜）で支配的であり、ジョンソン・ラーベック力は誘電体の体積抵抗率が比較的低い抵抗領域（体積抵抗率：10¹⁰〜10¹²Ω・cm）で支配的であり、その中間の領域では両方の力が現れることが知られている。クーロン力に比べてジョンソン・ラーベック力は非常に大きく、静電チャックの吸着には有用であるが、一般的なセラミック、例えば窒化珪素の体積抵抗率は10¹⁴Ω・cm程度、アルミナの体積抵抗率は10¹⁴Ω・cm程度、窒化アルミニウムの体積抵抗率は10¹⁴Ω・cm程度であり、いずれも体積抵抗率が高い。ただし、一般的な炭化珪素の体積抵抗率は低く、10⁶Ω・cm程度である。なお、ここで挙げた体積抵抗率はいずれも20℃における値である。

そこで、本発明では、静電チャックとの間に作用する静電気力による吸着力を高めるために、プラズマ処理用トレイの体積抵抗率が、一般的なトレイに用いられるセラミックよりも低くなるようにした。具体的には、プラズマ処理用トレイの体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmであることが必要である。このような体積抵抗率を持つトレイは、窒化珪素やアルミナ、窒化アルミニウムのようなセラミック材料中に炭化チタンや炭素繊維などの導電材料を分散させることで製造できる。体積抵抗率が10⁷Ω・cmよりも低いとトレイの吸着性の点では優れるもののトレイ中の導電材料がエッチング中に被処理物の表面に堆積して素子の電気特性が悪化する。体積抵抗率が10¹³Ω・cmを超えるとトレイが静電チャックに吸着しない。なお、導電材料の種類や含有量を調整することにより、トレイの体積抵抗率を調整することができる。また、熱伝導効率が優れている点で窒化アルミニウム中に導電材料を分散させたトレイが好ましい。さらに、窒化アルミニウム中に導電材料を分散させたトレイは、被処理物が窒化ガリウムである場合に平滑なエッチング面が得られる点でも好ましい。

以上より、本発明によれば、プラズマ処理用トレイを載置部に載置したときに静電チャックによる吸着力によって該プラズマ処理用トレイと載置部を十分に接触させることができるため、基板で発生した熱をトレイを介して効率良く載置部に伝達させることができる。従って、トレイを用いて被処理基板を載置部に載置してプラズマ処理する場合に、該被処理基板を効率よく且つ精度良く温度制御することができる。

本実施例に係るプラズマ処理用トレイの断面構成図。 本実施例に係るプラズマ処理用トレイを用いてプラズマ処理するためのプラズマ処理装置の例を示す概略構成図。 本実施例に係るプラズマ処理用トレイの効果を調べるために行った実験の処理条件を示す表。 実施例及び比較例の実験結果を示す表。

以下、図面に基づき、本発明に係るプラズマ処理用トレイ及びそれを用いた被処理基板のプラズマ処理方法の実施例について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理用トレイ１０（以下、単に「トレイ１０」という。）の断面図である。トレイ１０は、その上面に被処理基板１１（図２にのみ示す）の大きさに対応する複数の凹部１２が設けられている。これら凹部１２により、複数の基板を同時に処理することができる。
本実施例に係るトレイ１０は、体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmのセラミック、例えば体積抵抗率が10¹¹Ω・cmの窒化アルミニウム材料から構成されている。ここで、「窒化アルミニウム材料」とは炭化チタンや炭素繊維などの導電材料を窒化アルミニウムに分散させたものである。通常の窒化アルミニウムの体積抵抗率は10¹⁴Ω・cm程度であり、本実施例に係るトレイを構成する窒化アルミニウム材料は通常の窒化アルミニウムに比べると体積抵抗率が低い。

図２は、上記トレイ１０を用いて被処理基板のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置２０の縦断面図である。プラズマ処理装置２０は、真空容器２０ａの内部に上部電極２１及び下部電極２２が対向して設けられている。下部電極２２の上面には誘電層２３が設けられており、下部電極２２及び誘電層２３が静電チャック部２４として機能する。また、本発明の載置部として機能する誘電層２３の上面には、ヘリウムガス等の熱媒体を循環させるための溝２６が設けられており、この溝２６はポンプや熱交換器等に接続している（図示せず）。
下部電極２２は、その内部に冷却水を循環させることにより該下部電極２２を冷却する冷却機構２５を備えている。

次に、本実施例に係るトレイ１０の効果を調べるために、被処理基板としてのサファイア基板を載せた当該トレイ１０を下部電極２２の上に載置し、プラズマ処理を行う実験を行い、そのときのトレイ１０の温度を測定した。実験では、なお、本実施例との比較のために、通常の窒化アルミニウム製のトレイ及びアルミナ製のトレイを用いてサファイア基板のプラズマ処理を行い、各トレイの温度も測定した。
なお、比較のために用いた通常の窒化アルミニウム製のトレイは、そのまま誘電層２３の上に載置して実験を行う（比較例１）と共にトレイの下面にニッケル製の薄膜（裏打ち）を取り付けて誘電層２３の上に載置した（比較例２）。また、アルミナ製のトレイは、その下面にニッケル製の薄膜（裏打ち）を取り付けて誘電層２３に上に載置し、実験を行った（比較例３）。
実験には、サムコ株式社製の誘導結合型のプラズマエッチング装置（型番：RIE-200iP）を用い、下部電極２２には２０℃の冷却水を循環させた。その他の処理条件を図３に示す。

図４に示すように、実施例では、下部電極２２に印加する高周波電圧が１５０，３００，５００，８００Ｖのいずれであってもトレイ１０の温度が４５℃を上回ることはなかった。また、比較例のうちトレイの下面にNiの裏打ちをした例（比較例２及び３）では、下部電極２２に印加する高周波電圧が１５０，３００，５００，８００Ｖのいずれであってもトレイの温度が５０℃を上回ることはなかった。
これに対して、トレイの下面にNiの裏打ちがない比較例１では、下部電極２２に印加する高周波電力を上げるとトレイの温度が１５０℃、１８０℃、２２０℃、２５０℃と上昇し、トレイに発した熱を十分に放出できないことが分かった

このように、本実施例では、下部電極２２の印加電力を上げることでトレイへの入熱量が増加しても、Ni薄膜で裏打ちした従来のトレイと同等或いはそれ以上にトレイの熱を放出することができた。従来のトレイの下面にNi薄膜を取り付けているのは、トレイを静電チャックに十分に吸着させて放熱効果を上げるためであるが、本実施例のトレイ１０ではNi薄膜がなくても十分に放熱することができたことから、静電気力によって強く吸着できたものと思われる。

また、トレイの下面にNi薄膜を取り付けると、プラズマ処理中や処理後にNi薄膜が剥がれたり、プラズマ処理中にNi薄膜で異常な放電が起きたりするおそれがあるが、本実施例のトレイ１０ではそのような現象が起きることもない。

なお、上記実施例では、トレイ１０の窒化アルミニウム材料の体積抵抗率を10¹¹Ω・cmとしたが、10⁷〜10¹³Ω・cmの範囲にあれば、同等の作用効果が得られる。
また、上記実施例では、窒化アルミニウムに導電材料を分散させてトレイ１０を形成したが、窒化ケイ素やアルミナに導電材料を分散させてトレイを形成しても良い。

１０…プラズマ処理用トレイ
１１…被処理基板
２０…プラズマ処理装置
２０ａ…真空容器
２１…上部電極
２２…下部電極
２３…誘電層
２４…静電チャック部
２５…冷却機構

Claims (2)

1. 化合物半導体から成る被処理基板を、静電気力を用いて載置部に静電吸着させてプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記被処理基板を載置するプラズマ処理用トレイであって、
   前記トレイの体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmであることを特徴とするプラズマ処理用トレイ。
2. 化合物半導体から成る被処理基板が載置されるトレイと、
   前記被処理基板が載置されたトレイが載置される載置部と、
   前記被処理基板を前記載置部に静電吸着させる静電チャックと、
   前記載置部に設けられた前記トレイを介して前記被処理基板の温度を制御する温度制御機構とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記トレイの体積抵抗率が10⁷〜10¹³Ω・cmであることを特徴とするプラズマ処理装置。

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