JP3788272B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶表示素子（ＬＣＤ）製造に用いられるドライエッチング装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置に関し、特に基板の冷却又は加熱のための伝熱手段としてガスを用いたプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置におけるシリコン基板のプラズマ処理装置において、しばしば基板の冷却又は加熱のための伝熱手段として基板裏面と電極の間にヘリウム等の不活性ガスを充満させる方法が用いられる。以下、従来のドライエッチング装置の構成を図６と図７を参照しながら説明する。
【０００３】
図７は従来のプラズマ処理装置の下部電極の概略構成図である。図７において下部電極３７の中心には中心穴４２があり、伝熱ガス供給手段４３にて外部の低圧ヘリウム供給手段（図示せず）に接続されている。下部電極３７の周囲にはシールリング４４が配設され、下部電極３７の上面には中心穴４２に連通した伝熱ガスを拡散するための拡散溝５０が形成されている。拡散溝５０の深さは２５０μｍ程度が一般的である。また、下部電極３７の基板載置面（凸面）４５は包絡面が所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板のたわみ曲面である階段状に形成されており、下部電極の階段の段差は、ｄ１＝５０〜１００μｍとなるように形成されている。下部電極３７の内部には冷却水路４６があり、冷却水が循環可能になっている。
【０００４】
以上のように構成されたドライエッチング装置について、以下その動作について図６を参照して説明する。図７と同一の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。被処理基板３６を下部電極３７の上に載せ、下部電極３７の周囲上方に待機している円環状または矩形環状のクランプリング４７を下降させて下部電極３７の基板載置面（凸面）４５に沿わせて被処理基板３６を押し付ける。その後、真空ポンプ３２で真空容器３１中の空気を排気し、反応ガス供給口３４から微量のエッチングガスを導入しつつ、高周波電源４１により高周波電力を印加して下部電極３７と上部電極３３の間にプラズマを作り、被処理基板３６をエッチングする。
【０００５】
この間、プラズマは高温であるため被処理基板３６が加熱されるので、伝熱ガス供給手段４３により５００Ｐａ前後の圧力のヘリウムガスを充満させる。ヘリウムガスは中心穴４２から吹き出し、下部電極３７の上面の拡散溝に充満する。ヘリウムガスは流動性がよいので、被処理基板３６からよく熱を奪い、冷却水路４６中の冷却水により冷却された下部電極３７に熱を伝えて、被処理基板３６がプラズマの熱で加熱され、レジストが変質することを防止する。また、被処理基板３６の温度を一定かつ均一に保ってエッチング特性を良好にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年被処理基板上の薄膜の高精細化に伴い、従来では問題にならなかった基板のプラズマ処理後に階段形状が被処理基板上の薄膜に転写される問題が発生した。これは従来の一般的な５０〜１００μｍの段差を有する下部電極を用いた基板処理装置では、被処理基板と下部電極との距離変化が大きく、局所的な温度のばらつきや、プラズマ密度のばらつき等により、エッチング速度や成膜速度のばらつきが生じ、エッチングや成膜が均一にならず、基板処理後に階段形状が被処理基板３６上に転写されるためである。
【０００７】
また、特に大型基板（四角形状のガラス基板）の処理の際には、ヘリウムガスを充満させる空間が大きくなり、ヘリウムガスの調圧時間や排気時間が長くなり、基板の処理時間が長くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、プラズマ処理が均一で安定しており、冷却ガス量が少なくコントロールが容易なプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、真空排気手段と、反応ガス供給手段と、一対の電極と、一方の電極に被処理基板を押し付ける基板クランプ手段と、少なくとも一方の電極への高周波電力供給手段と、被処理基板裏面と電極との間に伝熱ガスを充満させる伝熱ガス供給手段とを有し、前記被処理基板が配置される電極の前記被処理基板載置面は、鉛直方向の段差ｄ１が２０μｍ≦ｄ１≦３０μｍである階段形状を持った凸形状の載置面であり、かつ、前記段差ｄ１より小さい深さの放射状の拡散溝が設けられたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図５に本発明の実施の形態を示す。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す図である。図１において、１は真空容器、２は真空排気ポンプ（真空排気手段）である。３は下面にガス吹出し口を有する上部電極で、上部に図示していない反応ガス供給手段と接続した反応ガス供給口４を有し、アース５で接地されている。６はＬＣＤガラス基板や半導体シリコンウエハなどの被処理基板である。７は下部電極であり、絶縁板８に載置されており、端子９を通じてコンデンサ１０、高周波電源１１に接続されている。
【００１５】
下部電極７の中心には中心穴１２があり、伝熱ガス供給手段１３で外部の低圧ヘリウム供給手段（図示せず）に接続されている。下部電極７の周囲にはシールリング１４が配設され、下部電極７の上面には浅い階段形状１５が分布している。下部電極７の内部には冷却水路１６があり、冷却水が循環されている。下部電極７の周囲上方には円環状または矩形環状のクランプリング１７が配設され、支持棒１８で支持されている。支持棒１８はベローズ１９により真空シールされて外部の昇降装置（図示せず）により上下動する。下部電極７の基板載置面（凸面）は包絡面が球面または所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板６のたわみ曲面である階段状に形成されている。
【００１６】
図２に四角形状の基板に対応する下部電極の詳細、図３に円形状の基板に対応する下部電極の詳細を示す。図２および図３において下部電極の階段形状の鉛直方向の段差ｄ１は２５μｍ以下となるように形成されている。これは、段差ｄ１の値を変化させ、実際にプラズマ処理を実施したところ、エッチング速度や成膜速度のばらつきを問題とならない程度に小さくすることができるのは、段差ｄ１が２５μｍ以下の場合であった。この段差ｄ１が２５μｍであれば、段差ｄ１が５０μｍのときに比較して、ヘリウムガスが充満する空間の容量は１／２となり、安定時間と排気時間も約半分に短縮することができる。
【００１７】
また、下部電極７上面には、伝熱ガスをすばやく被処理基板６裏面の全面にいきわたらせるための拡散溝２１が設けられている。拡散溝２１の深さｄ２は、階段状段差ｄ１よりも浅く、かつ２５μｍ未満である。従来、装置タクトを遅らせないためには、拡散溝深さｄ２は２５０μｍ程度が必要とされてきたが、今回の実験により、２５μｍ未満でも伝熱ガスが十分な速度で被処理基板６裏面全面にいきわたり、十分に熱伝達が均一に行なわれることがわかった。拡散溝２１深さｄ２は、階段状段差ｄ１よりも浅いため、下部電極７の上方から見ると、連続した形状の溝ではなく、断続した形状の溝になる。
【００１８】
このような下部電極の階段の段差と拡散溝を用いることにより、下部電極７の形状に起因する、被処理基板６と下部電極７との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じるエッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、被処理基板６全面で高均一なプラズマ処理を施せる。また、ヘリウムガスが充満する空間の容量が極力小さくできるため、ヘリウムガスを供給開始してから所定の圧力に達するまでの安定時間と、プラズマ処理後にヘリウムガス供給を停止してから所定の圧力に排気する排気時間を、大幅に短縮することができる。
【００１９】
なお、本実施の形態では段差ｄ１を２５μｍとしたが、段差ｄ１が２０μｍ≦ｄ１≦３０μｍであれば、段差ｄ１を２５μｍの時とほぼ同様に、エッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、ヘリウムガスの供給時間と排気時間を短縮することができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図４に四角形状の基板に対応する下部電極の詳細、図５に円形状の基板に対応する下部電極の詳細を示す。図４および図５において、実施の形態１と同様の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。
【００２１】
図４および図５において、下部電極７の基板載置面（凸面）は、所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板のたわみ曲面に形成されており、実施の形態１のように、階段の段差は存在しない。下部電極７の基板載置面（凸面）は、ショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工等の機械加工により、中心線平均粗さ（Ｒａ）２０〜１００μｍに形成されている。このショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工とは、硬度の高い小球等を加工対象表面に急速かつ連続的に打ち当てて、加工対象表面に無数の丸い窪みを形成し表面を梨地状に加工するもものである。
【００２２】
これにより下部電極７の形状に起因する、被処理基板と下部電極７との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じるエッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、被処理基板表面の全面に高均一なプラズマ処理を施せる。
【００２３】
ここでは、被処理基板の裏面と下部電極７の基板載置面（凸面）の間には、平均２０〜１００μｍの空間ができ、伝熱ガスを被処理基板の裏面全面に、すばやく拡散させることができる。
【００２４】
さらに、下部電極の基板載置面（凸面）を加工する際に、ショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工で表面加工できるため、階段形状や拡散溝を加工するのに比べ、加工時間を大幅に短縮でき、下部電極の製作コストを低下することが出来る。
【００２５】
また、実施の形態１と同様に、ヘリウムガスが充満する空間の容量を極力小さくできるため、ヘリウムガスを供給開始してから所定の圧力に達するまでの安定時間と、プラズマ処理後にヘリウムガス供給を停止してから所定の圧力に排気する排気時間を、大幅に短縮することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置によれば、下部電極の基板載置面（凸面）と被処理基板裏面の空間を最適にすることで、プラズマ処理中に被処理基板と下部電極との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じる下部電極の基板載置面（凸面）形状が被処理基板に与える影響を小さくすることができ、高均一で、不良のないプラズマ処理が可能となる。また、冷却に必要な伝熱ガスの量が少なく、そのコントロールが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のプラズマ処理装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１の四角形状の下部電極の詳細を示す図
【図３】本発明の実施の形態１の円形状の下部電極の詳細を示す図
【図４】本発明の実施の形態２の四角形状の下部電極の詳細を示す図
【図５】本発明の実施の形態２の円形状の下部電極の詳細を示す図
【図６】従来のプラズマ処理装置の構成を示す図
【図７】従来の下部電極の詳細を示す図
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 真空排気ポンプ（真空排気手段）
３ 上部電極
７ 下部電極
１１ 高周波電源
１３ 伝熱ガス供給手段
１５ 階段形状
１７ クランプリング（基板クランプ手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶表示素子（ＬＣＤ）製造に用いられるドライエッチング装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置に関し、特に基板の冷却又は加熱のための伝熱手段としてガスを用いたプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置におけるシリコン基板のプラズマ処理装置において、しばしば基板の冷却又は加熱のための伝熱手段として基板裏面と電極の間にヘリウム等の不活性ガスを充満させる方法が用いられる。以下、従来のドライエッチング装置の構成を図６と図７を参照しながら説明する。
【０００３】
図７は従来のプラズマ処理装置の下部電極の概略構成図である。図７において下部電極３７の中心には中心穴４２があり、伝熱ガス供給手段４３にて外部の低圧ヘリウム供給手段（図示せず）に接続されている。下部電極３７の周囲にはシールリング４４が配設され、下部電極３７の上面には中心穴４２に連通した伝熱ガスを拡散するための拡散溝５０が形成されている。拡散溝５０の深さは２５０μｍ程度が一般的である。また、下部電極３７の基板載置面（凸面）４５は包絡面が所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板のたわみ曲面である階段状に形成されており、下部電極の階段の段差は、ｄ１＝５０〜１００μｍとなるように形成されている。下部電極３７の内部には冷却水路４６があり、冷却水が循環可能になっている。
【０００４】
以上のように構成されたドライエッチング装置について、以下その動作について図６を参照して説明する。図７と同一の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。被処理基板３６を下部電極３７の上に載せ、下部電極３７の周囲上方に待機している円環状または矩形環状のクランプリング４７を下降させて下部電極３７の基板載置面（凸面）４５に沿わせて被処理基板３６を押し付ける。その後、真空ポンプ３２で真空容器３１中の空気を排気し、反応ガス供給口３４から微量のエッチングガスを導入しつつ、高周波電源４１により高周波電力を印加して下部電極３７と上部電極３３の間にプラズマを作り、被処理基板３６をエッチングする。
【０００５】
この間、プラズマは高温であるため被処理基板３６が加熱されるので、伝熱ガス供給手段４３により５００Ｐａ前後の圧力のヘリウムガスを充満させる。ヘリウムガスは中心穴４２から吹き出し、下部電極３７の上面の拡散溝に充満する。ヘリウムガスは流動性がよいので、被処理基板３６からよく熱を奪い、冷却水路４６中の冷却水により冷却された下部電極３７に熱を伝えて、被処理基板３６がプラズマの熱で加熱され、レジストが変質することを防止する。また、被処理基板３６の温度を一定かつ均一に保ってエッチング特性を良好にする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年被処理基板上の薄膜の高精細化に伴い、従来では問題にならなかった基板のプラズマ処理後に階段形状が被処理基板上の薄膜に転写される問題が発生した。これは従来の一般的な５０〜１００μｍの段差を有する下部電極を用いた基板処理装置では、被処理基板と下部電極との距離変化が大きく、局所的な温度のばらつきや、プラズマ密度のばらつき等により、エッチング速度や成膜速度のばらつきが生じ、エッチングや成膜が均一にならず、基板処理後に階段形状が被処理基板３６上に転写されるためである。
【０００７】
また、特に大型基板（四角形状のガラス基板）の処理の際には、ヘリウムガスを充満させる空間が大きくなり、ヘリウムガスの調圧時間や排気時間が長くなり、基板の処理時間が長くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、プラズマ処理が均一で安定しており、冷却ガス量が少なくコントロールが容易なプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、真空排気手段と、反応ガス供給手段と、一対の電極と、一方の電極に被処理基板を押し付ける基板クランプ手段と、少なくとも一方の電極への高周波電力供給手段と、被処理基板裏面と電極との間に伝熱ガスを充満させる伝熱ガス供給手段とを有し、前記被処理基板が配置される電極の前記被処理基板載置面は、鉛直方向の段差ｄ１が２０μｍ≦ｄ１≦３０μｍである階段形状を持った凸形状の載置面であり、かつ、前記段差ｄ１より小さい深さの放射状の拡散溝が設けられたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図５に本発明の実施の形態を示す。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す図である。図１において、１は真空容器、２は真空排気ポンプ（真空排気手段）である。３は下面にガス吹出し口を有する上部電極で、上部に図示していない反応ガス供給手段と接続した反応ガス供給口４を有し、アース５で接地されている。６はＬＣＤガラス基板や半導体シリコンウエハなどの被処理基板である。７は下部電極であり、絶縁板８に載置されており、端子９を通じてコンデンサ１０、高周波電源１１に接続されている。
【００１５】
下部電極７の中心には中心穴１２があり、伝熱ガス供給手段１３で外部の低圧ヘリウム供給手段（図示せず）に接続されている。下部電極７の周囲にはシールリング１４が配設され、下部電極７の上面には浅い階段形状１５が分布している。下部電極７の内部には冷却水路１６があり、冷却水が循環されている。下部電極７の周囲上方には円環状または矩形環状のクランプリング１７が配設され、支持棒１８で支持されている。支持棒１８はベローズ１９により真空シールされて外部の昇降装置（図示せず）により上下動する。下部電極７の基板載置面（凸面）は包絡面が球面または所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板６のたわみ曲面である階段状に形成されている。
【００１６】
図２に四角形状の基板に対応する下部電極の詳細、図３に円形状の基板に対応する下部電極の詳細を示す。図２および図３において下部電極の階段形状の鉛直方向の段差ｄ１は２５μｍ以下となるように形成されている。これは、段差ｄ１の値を変化させ、実際にプラズマ処理を実施したところ、エッチング速度や成膜速度のばらつきを問題とならない程度に小さくすることができるのは、段差ｄ１が２５μｍ以下の場合であった。この段差ｄ１が２５μｍであれば、段差ｄ１が５０μｍのときに比較して、ヘリウムガスが充満する空間の容量は１／２となり、安定時間と排気時間も約半分に短縮することができる。
【００１７】
また、下部電極７上面には、伝熱ガスをすばやく被処理基板６裏面の全面にいきわたらせるための拡散溝２１が設けられている。拡散溝２１の深さｄ２は、階段状段差ｄ１よりも浅く、かつ２５μｍ未満である。従来、装置タクトを遅らせないためには、拡散溝深さｄ２は２５０μｍ程度が必要とされてきたが、今回の実験により、２５μｍ未満でも伝熱ガスが十分な速度で被処理基板６裏面全面にいきわたり、十分に熱伝達が均一に行なわれることがわかった。拡散溝２１深さｄ２は、階段状段差ｄ１よりも浅いため、下部電極７の上方から見ると、連続した形状の溝ではなく、断続した形状の溝になる。
【００１８】
このような下部電極の階段の段差と拡散溝を用いることにより、下部電極７の形状に起因する、被処理基板６と下部電極７との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じるエッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、被処理基板６全面で高均一なプラズマ処理を施せる。また、ヘリウムガスが充満する空間の容量が極力小さくできるため、ヘリウムガスを供給開始してから所定の圧力に達するまでの安定時間と、プラズマ処理後にヘリウムガス供給を停止してから所定の圧力に排気する排気時間を、大幅に短縮することができる。
【００１９】
なお、本実施の形態では段差ｄ１を２５μｍとしたが、段差ｄ１が２０μｍ≦ｄ１≦３０μｍであれば、段差ｄ１を２５μｍの時とほぼ同様に、エッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、ヘリウムガスの供給時間と排気時間を短縮することができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図４に四角形状の基板に対応する下部電極の詳細、図５に円形状の基板に対応する下部電極の詳細を示す。図４および図５において、実施の形態１と同様の部分には同一の符号を付しその説明は省略する。
【００２１】
図４および図５において、下部電極７の基板載置面（凸面）は、所定の等圧分布圧力を受ける被処理基板のたわみ曲面に形成されており、実施の形態１のように、階段の段差は存在しない。下部電極７の基板載置面（凸面）は、ショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工等の機械加工により、中心線平均粗さ（Ｒａ）２０〜１００μｍに形成されている。このショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工とは、硬度の高い小球等を加工対象表面に急速かつ連続的に打ち当てて、加工対象表面に無数の丸い窪みを形成し表面を梨地状に加工するもものである。
【００２２】
これにより下部電極７の形状に起因する、被処理基板と下部電極７との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じるエッチング速度や成膜速度のばらつきを極力小さくすることができ、被処理基板表面の全面に高均一なプラズマ処理を施せる。
【００２３】
ここでは、被処理基板の裏面と下部電極７の基板載置面（凸面）の間には、平均２０〜１００μｍの空間ができ、伝熱ガスを被処理基板の裏面全面に、すばやく拡散させることができる。
【００２４】
さらに、下部電極の基板載置面（凸面）を加工する際に、ショットブラスト加工あるいはショットピーニング加工で表面加工できるため、階段形状や拡散溝を加工するのに比べ、加工時間を大幅に短縮でき、下部電極の製作コストを低下することが出来る。
【００２５】
また、実施の形態１と同様に、ヘリウムガスが充満する空間の容量を極力小さくできるため、ヘリウムガスを供給開始してから所定の圧力に達するまでの安定時間と、プラズマ処理後にヘリウムガス供給を停止してから所定の圧力に排気する排気時間を、大幅に短縮することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置によれば、下部電極の基板載置面（凸面）と被処理基板裏面の空間を最適にすることで、プラズマ処理中に被処理基板と下部電極との距離の違いや微小な温度の違い等によって生じる下部電極の基板載置面（凸面）形状が被処理基板に与える影響を小さくすることができ、高均一で、不良のないプラズマ処理が可能となる。また、冷却に必要な伝熱ガスの量が少なく、そのコントロールが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のプラズマ処理装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１の四角形状の下部電極の詳細を示す図
【図３】本発明の実施の形態１の円形状の下部電極の詳細を示す図
【図４】本発明の実施の形態２の四角形状の下部電極の詳細を示す図
【図５】本発明の実施の形態２の円形状の下部電極の詳細を示す図
【図６】従来のプラズマ処理装置の構成を示す図
【図７】従来の下部電極の詳細を示す図
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 真空排気ポンプ（真空排気手段）
３ 上部電極
７ 下部電極
１１ 高周波電源
１３ 伝熱ガス供給手段
１５ 階段形状
１７ クランプリング（基板クランプ手段）
Claims (1)
- 真空容器と、真空排気手段と、反応ガス供給手段と、一対の電極と、一方の電極に被処理基板を押し付ける基板クランプ手段と、少なくとも一方の電極への高周波電力供給手段と、被処理基板裏面と電極との間に伝熱ガスを充満させる伝熱ガス供給手段とを有し、前記被処理基板が配置される電極の前記被処理基板載置面は、鉛直方向の段差ｄ１が２０μｍ≦ｄ１≦３０μｍである階段形状を持った凸形状の載置面であり、かつ、前記段差ｄ１より小さい深さの放射状の拡散溝が設けられたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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