JP2012124362A - 絶縁性基板の静電吸着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマにおいて、ガラス基板などの絶縁性基板を短時間で加熱して静電吸着させることが可能な静電吸着方法を提供することである。
【解決手段】静電吸着機構を備えたプラズマ処理装置において、静電吸着機構に絶縁性基板を載置して、高周波電力を印加して絶縁性基板に面した空間にプラズマを形成する。該プラズマによって静電吸着機構を不必要に加熱することなく、被処理基板のみを急速に加熱することが出来る。これにより絶縁性基板の静電吸着を短時間で行うことが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明はガラス基板などの絶縁性基板の静電吸着方法に関する。

従来、半導体製造工程において、基板表面を処理するプラズマ処理装置として、スパッタリング装置、エッチング装置、ＣＶＤ装置などが知られている。これらのプラズマ処理装置では、基板は、所要の圧力に減圧された処理チャンバ内に設けられた基板ホルダのステージ上に置かれて固定される。ステージ上に基板を固定する方法としては、静電吸着作用を利用した静電吸着、あるいは機械的機構を利用したクランプチャックなどが知られている。例えばスパッタリング装置においてスパッタリング作用に基づいて基板の表面に薄膜を成膜するとき、基板を基板保持台のステージ上に置いて、基板を固定する。基板を成膜処理する際には、薄膜の特性を制御するために、基板温度を所望の温度に全面均一に制御して保持することが必要である。このため、基板保持台には加熱機構もしくは冷却機構を内蔵して基板保持台を予め所望の温度に保持し、基板保持台のステージ上に固定された基板を加熱もしくは冷却する。従来では、ステージに裏面ガス、例えばＡｒやＨｅを導入して基板を加熱もしくは冷却している。裏面ガスは、熱伝導ガスであり、基板保持台側から基板へ、または基板から基板保持台側へ熱の伝導を円滑にかつ効率よく行い、基板の温度を全面均一に温度調整し目的温度に保持するためのものである。このように基板の裏面に熱導電ガスを流して、基板の温度を調整する方法においてはクランプチャックよりも静電吸着の方が適している。そして、この様な基板処理の際の温度制御は基板がガラスの場合にも例外なく必要とされる。ガラス基板を静電吸着するための技術としては特許文献１や特許文献２の技術が開示されている。

特開２０００-３３２０９１号公報 特開２００５-３２８５８号公報

導電膜が付与されていないガラス基板や、ガラス基板にＳｉを接着剤で貼り付けた基板では静電吸着を用いて、吸着させることが非常に難しい。静電吸着することは可能だが特許文献1で開示された静電吸着のように、吸着に必要な電圧が１０ｋＶも必要になり、電源用配線に関する絶縁処理、静電吸着機構の絶縁破壊、吸着用電源が高価といった問題点を有する。
また特許文献２に示されたように静電吸着機構にヒータを内蔵させ、ガラス基板を加熱することで、１ｋＶ程度の電圧で吸着する方法があるが、これには以下の様な問題点がある。第１に静電吸着機構自体が加熱されてから、静電吸着機構との接触により基板が加熱されるので、基板が加熱されるまでに時間が掛かってしまうこと、そして第２に静電吸着機構が加熱されるため、吸着後のプロセスにおいて基板を所望の温度に調整するのに時間を要してしまうことである。
本発明は、上述した課題に鑑み、ガラス基板やガラス基板にＳｉを貼り付けた絶縁性基板を、プラズマ処理装置において短時間で静電吸着することを目的とする。また静電吸着後の基板を速やかに所望の温度に調整することが可能な静電吸着方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本願発明は、静電吸着機構を備えたプラズマ処理装置における絶縁性基板の静電吸着方法であって、前記絶縁性基板を静電吸着機構に載置し、高周波電力を印加して前記プラズマ処理装置内でプラズマを形成し、前記プラズマによって前記絶縁性基板の加熱を行い、前記絶縁性基板の静電吸着を行うことを特徴とする静電吸着方法。

本発明を用いることで絶縁性基板のみを速やかに加熱して静電吸着を行うことが可能となる。また基板保持台の加熱が抑制されるため、その後の成膜工程に移行するための基板の温度調整を速やかに行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る静電吸着方法における各種パラメータを示す図である。

以下に本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明が適用可能なプラズマ処理装置の一例として、スパッタリング装置、及びその内部構造、関連する周辺構成を図１に示す。

まず装置の構成を説明する。図１に示すスパッタ装置は、スパッタ処理を行うための内部空間を有する真空容器１を有する。真空容器１は内部を所要の真空状態にするための排気ポート(図示せず)が形成され、かつこの排気ポートに接続される排気機構(図示せず)が備えられている。
真空容器１のほぼ中央部には基板保持台２が設けられている。基板保持台２は、上面が基板搭載面となっており、静電吸着機構を備えている。基板３は静電吸着機構により静電吸着され保持される。基板保持台２は下側のホルダ２１と上側の静電吸着板２２からなる。ホルダ２１と静電吸着板２２は、例えば、円盤状の形態を有する。ホルダ２１の内部にはヒータによる加熱または冷却水等による冷却機構を有する。静電吸着板２２の上面は上述したように基板搭載面となる。静電吸着板２２の電極４には静電吸着用電源５が接続され、電極４に静電吸着のために必要な電圧を印加する。すなわち、電極４に所要の電圧が印加されると、静電吸着力が発生し、静電吸着板２２に載置された基板３が固定される。また、ホルダ、静電吸着板には熱伝導用の裏面ガスを供給するためのガス経路６が形成されている。裏面ガスはホルダ２１の熱が基板３に効率よく伝達されるようにするためのガスであり、従来では、アルゴンガスやヘリウムガス等が用いられている。加熱・冷却機構は静電吸着板２２を所望の温度にし、さらに基板３を望ましい温度に設定し保持するための機構である。
ガス供給機構１２から供給されるガスのガス通路６にはマスフローコントローラ（以下ＭＦＣ）７が設けられ、さらに隔膜真空計８が設けられている。マスフローコントローラ７はガス通路６を流れる裏面ガスの流量を制御する。また隔膜真空計８は裏面ガスの圧力を測定する。これによって裏面ガスの圧力状態が常時モニタされる。隔膜真空計８による測定で得られた裏面ガスの圧力に係る信号は制御部９に入力される。制御部９は成膜中の裏面ガスの導入においてその圧力を制御する機能を有している。基板３の裏面にガスを導入するときにおいてその圧力を制御する機構はＡＰＣ機構と呼ばれている。ＡＰＣ機構は隔膜真空計８によってモニタされた裏面ガスの圧力情報に基いて、圧力が規定圧力まで達したときに裏面ガスの供給を停止又は減少させ圧力封止にて裏面圧力を維持し、規定圧力を下回ったときに設定流量又は適正流量にて裏面ガスを供給し規定圧力まで昇圧させるという作用を有する。以上のように制御部９は裏面ガスの流量を変えるべくマスフローコントローラ７に指示信号をあたえる。

真空容器１の上部にはほぼ中央の部分にターゲット１０が設けられている。ターゲット１０はスパッタされる物質で作られて、基板３の上にスパッタ成膜される材料を提供するものである。ターゲット１０はほぼ円板状の形態を有し、その下面は真空容器１の内部空間に臨んでいる。ターゲット１０は基板保持台２の上に搭載され固定された基板３の上方位置にあり、基板３に対向するように配置されている。ターゲット１０の裏側にはマグネット１１が配置される。マグネット１１の形態および配置状態は任意である。この形態ではマグネット１１は回転駆動装置（不図示）で回転させられるように設けられている。マグネット１１による磁界は、真空容器１の内部空間に進入し、ターゲット１０の下側の領域において閉じた磁界領域を形成する。これによって真空容器１の内部で生じたプラズマによるイオンが閉じ込められ、ターゲット１０の下面をスパッタリングし、成膜物質を発生させる。マグネット１１を回転駆動装置で回転させることにより、ターゲット下面側に形成される磁界を回転させ、ターゲット１０の下面のスパッタ領域が偏るのを防いでいる。

以上の構成を有するスパッタリング装置としての静電吸着機構を備えた真空容器１にはこれを動作するために、以下の周辺装置が装備されている。
ターゲット１０には所要の電力を供給するための高周波電源１３と整合器１４が設けられている。高周波電源１３を利用することで、プラズマ密度を高め、スパッタ粒子のイオン化率を上げ、良好なステップカバレッジが得られる。また所要のスパッタ膜厚を得るための成膜時間を短縮するために、ＤＣ電源１５も設けられ、ＤＣ電源１５からターゲットへ電力を供給される。なお真空容器１には前述の通り内部を所要の真空状態にするための真空排気機構や圧力センサが設けられているが、図示は省略されている。また真空容器１内でターゲット１０をスパッタするためのプラズマを生成するプロセスガスの供給管（図示せず）が設けられている。そして処理対象である基板３を基板保持台２の上に搭載するための基板搬入・搬出機構、および基板を出し入れするための出入り口、ゲートバルブ等が設けられているが、それらの図示も省略されている。

次に図１の装置構成において、絶縁性基板を短時間で吸着する方法について説明する。本実施形態では絶縁性基板としてガラス基板を用いる。

まず、真空容器内にプロセスガスを供給し、高周波電源、例えば６０Ｈｚ電源からの高周波電力を例えば４０００Ｗターゲットに印加して放電させプラズマを形成する。このときガラス基板はプラズマに面しているため、プラズマによって基板温度が上昇する。この加熱方法によれば、静電吸着機構を不必要に加熱することなく基板を加熱することが可能である。従って基板温度を速やかに上昇させることが可能となる。

さらに、本実施形態では、ガラス基板のプラズマによる加熱に加え、ターゲットのスパッタリングを行うことで、スパッタ粒子がガラス基板に入射し、基板が加熱される。従って、プラズマのみによっても、静電吸着機構を不必要に加熱することなく、ガラス基板の加熱を行うことが可能であるが、さらにスパッタリングを利用することによって基板のみを速やかに加熱することが可能となる。

また、この静電吸着方法は、その後に行われる成膜工程における真空容器内の圧力よりも低いと、加熱に要する時間をさらに短縮することが可能となる。これは低圧力にすることで基板側のセルフバイアスが大きくなり、プラズマによる加熱が大きくなること、さらに低圧力にすることで、スパッタされた粒子が基板に入射する際のエネルギーが大きくなるためと思われる。具体的には１０Ｐａ以下であることが望ましい。１０Ｐａ以下とすることで、短時間で昇温され所望の吸着力を得ることが可能となる。さらに１Ｐａ以下とすることで更なる加熱時間短縮の効果が得られた。

ここで静電吸着機構について説明する。静電吸着機構には、ガラス基板が加熱した状態において静電吸着板の電極に十分な吸着力が得られる程度の電圧、たとえば２０００Ｖの電圧を印加する。基板の温度が上昇するのに伴い、ガラス基板の体積抵抗は低下するので、極端に大きな電圧でなくても、例えば前述のように２０００Ｖ程度の電圧であってもガラス基板は静電吸着板２２の基板搭載面に静電吸着される。なお、基板を静電吸着する工程では、ターゲットに対して直流電力は低くするか、もしくは印加しなくてよい。直流電力が大きいと、ターゲットのスパッタ速度が上昇し、基板表面へのスパッタ成膜速度を上昇させることができる。しかし温度の安定しない状態で必要以上に成膜が進み過ぎるのは膜質制御の観点から好ましくないからである。

またガラス基板の加熱温度は基板に成膜される材料が凝集する温度よりも低いことが望ましい。それよりも高い温度では、成膜される材料が凝集してしまうので、その後基板温度を下げたとしても高品質の膜とならないからである。

ガラス基板の静電吸着を行った後、基板の温度調整を行う。ガラス基板の裏面には基板温度調整用ガスを例えば基板裏面の圧力が１３３０Ｐａになるように供給し、基板の温度を調整する。高周波電源は、例えば６０Ｈｚ電源からの高周波電力を例えば４０００Ｗターゲットに印加して、上述した静電吸着工程から引き続き放電させる。この温度調整工程においても放電を維持しているのは、後の成膜工程にスムーズに移行するためである。本実施形態においては、静電吸着のために上昇した基板の温度は、この温度調整工程で速やかに下降され、次の成膜工程を所望の安定した温度条件で行うための準備が行なわれる。このため、ターゲットへの直流電力は低く設定するか、印加しないことが望ましい。ターゲットへの直流電力が大きいと、温度の安定しない状態で必要以上に成膜が進み過ぎ、また基板に入射するスパッタ粒子が増加するため、基板の温度調整を妨げる要因となるからである。

基板の温度調整は真空容器内の圧力を静電吸着の工程の圧力よりも高くするとより短時間で温度調整を行うことが可能と成る。例えば８Ｐａになるようにプロセスガスを供給する。この時の圧力は０．１Ｐａ以上１００Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以上２０Ｐａ以下が望ましい。圧力が低すぎるとスパッタ粒子の基板への入射エネルギーが大きくなり、基板の温度制御に要する時間が長くなるためである。真空容器の圧力を高くすることで、基板側のセルフバイアスは小さくなり、プラズマによる基板の加熱を抑えることが出来る。また、ターゲットに発生するセルフバイアスも小さく、直流電流をターゲットに印加しないために、スパッタ粒子による基板の加熱も抑えられ、速やかに基板を所望の温度に調整することが出来る。なお、真空容器内の圧力が上述した範囲内でかつ、後に行う成膜工程における圧力と同じ値とすると、成膜工程にスムーズに移行することが可能となる。

また本発明に係る静電吸着方法では、静電吸着機構の温度上昇は抑制されるため、静電吸着後の基板温度調整の工程において、速やかに基板を所望の温度に調整することが可能となる。すなわち、本発明は静電吸着を短時間で行うことが可能であるだけでなく、その後に基板上へ成膜を行う際にも有利な効果を奏する。

基板温度調整工程の後に、ガラス基板上への成膜を行う。成膜は、例えば６０Ｈｚ電源からの高周波電力を例えば４０００Ｗターゲットに印加して、直流電力をターゲットに印加してスパッタリングを行う。上述したように、基板温度調整工程において放電を維持し、また成膜工程時の圧力に調整しておくと、この成膜工程にスムーズに移行することが可能となる。

最後に、上述した基板の静電吸着工程及び温度調整工程、そしてその後に行われる基板上への成膜工程において、プロセス時間の経過と、真空容器内の圧力、ターゲットに印加する高周波電力、基板保持台に印加する直流電圧、基板の裏面に流す基板温度調整用ガスの圧力及び基板温度の関係をまとめたものを図２に示す。

上述した様に、静電吸着工程における真空容器内の圧力が後の温度調整工程及び成膜工程における真空容器内の圧力よりも低いことが望ましいが必須の要件では無い。また高周波電力もターゲットに電力を印加して放電させることで、プラズマを形成することが目的であって、各工程で一定である必要は無い。

このように、従来は、絶縁性基板を加熱によって静電吸着する場合には、ヒータによって静電吸着機構を加熱することで基板を加熱し静電吸着を行っていたが、本発明を用いることで、プラズマ処理装置におけるプラズマの利用により基板のみを速やかに加熱することが可能となる。また基板のみを加熱するため、後に成膜を行う場合、基板の温度調整も短時間で行うことが可能となる。従って、静電吸着機構内に加熱用ヒータを設ける必要が無く、静電吸着機構の構成の簡易化、また基板処理に要する時間の短縮化から生産性の向上が望める。

１ 真空容器
２ 基板保持台
３ 基板
４ 電極
５ 静電吸着用電源
６ ガス通路
７ マスフローコントローラ
８ 隔膜真空計
９ 制御部
１０ ターゲット
１１ マグネット
１２ ガス供給機構
１３ 高周波電源
１４ 整合器
１５ 直流電源
２１ ホルダ
２２ 静電吸着板

Claims (9)

1. 静電吸着機構を備えたプラズマ処理装置における基板の静電吸着方法であって、
   絶縁性である前記基板を前記静電吸着機構に載置し、
   高周波電力を印加して前記プラズマ処理装置内でプラズマを形成し、
   前記プラズマによって前記基板の加熱を行い、前記基板の静電吸着を行うことを特徴とする静電吸着方法。
2. 静電吸着機構及びターゲットを備えたプラズマ処理装置における基板の静電吸着方法であって、
   絶縁性である前記基板を前記静電吸着機構に載置し、
   高周波電力を印加して前記プラズマ処理装置内でプラズマを形成し、
   前記プラズマによって前記ターゲットのスパッタリングを行い、
   前記プラズマと前記スパッタリングによって前記基板の加熱を行い、前記基板の静電吸着を行うことを特徴とする静電吸着方法。
3. 前記ターゲットに直流電力が印加されていないことを特徴とする請求項２に記載の静電吸着方法。
4. 前記プラズマ処理装置内の圧力が１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の静電吸着方法。
5. 前記プラズマ処理装置内の圧力が１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の静電吸着方法。
6. 静電吸着機構及びターゲットを備えたプラズマ処理装置における基板への膜の作製方法であって、
   絶縁性である前記基板を前記静電吸着機構に載置し、
   前記ターゲットに高周波電力を印加してプラズマを形成し、
   前記プラズマによって前記ターゲットをスパッタリングし、
   前記プラズマと前記スパッタリングによって前記基板を加熱し、前記基板を静電吸着させる静電吸着工程と、
   前記基板の裏面に基板温度調整用ガスを流し、前記基板の温度を調整する温度調整工程と、
   前記ターゲットをスパッタリングし、前記基板へ膜を成膜する成膜工程とを有することを特徴とする膜の作製方法。
7. 前記静電吸着工程において、前記ターゲットに直流電力が印加されていないことを特徴とする請求項６に記載の膜の作製方法。
8. 前記静電吸着工程における前記プラズマ処理装置内の圧力が、前記成膜工程における圧力よりも低く且つ１０Ｐａ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の膜の作製方法。
9. 前記静電吸着工程における前記プラズマ処理装置内の圧力が、前記成膜工程における圧力よりも低く且つ１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の膜の作製方法。