JP4287579B2 - プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、液晶ディスプレイパネルや太陽電池等の製造における薄膜形成工程、あるいは、微細加工工程等に用いられ、真空室内にプラズマを生成させて基板を処理するプラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラズマ処理装置は、デバイスの高機能化とその処理コストの低減のために、高精度化、高速化、大面積化、低ダメージ化を実現する取り組みが盛んに行なわれている。中でも、成膜においては基板内の膜質均一性を得るため、また、微細加工に用いられるドライエッチングにおいては、寸法精度の確保のために、特に、基板温度を面内で均一に、かつ、精密に制御することが要求されている。そのため、電極と基板との間に伝熱ガスを封入して基板温度を制御するとともに、機械構造的なクランプもしくは静電吸着電極を使用することにより伝熱ガスを封入しても基板が移動しないようにしたプラズマ処理装置が使用され始めている。
【０００３】
以下に、従来の静電吸着電極を用いたプラズマ処理装置について説明する。
【０００４】
図３は従来のプラズマ処理装置の反応室の断面図である。第１の従来例として、以下このプラズマ処理装置について説明する。
【０００５】
図３において、真空室１０１は、エッチングガス導入装置１３０に接続されるガス導入口１３１と、真空排気装置１２０を有する。真空室１０１内には、被処理基板１０２を静電吸着する基板保持台１０３を備える。基板保持台１０３は、表面をセラミック１０３ａと、内部に冷却水路（図示せず）を有し表面を絶縁皮膜により被覆されたアルミニウム製ベース部１０３ｂからなり、セラミック１０３ａの表面から５００μｍの位置にタングステンからなる１対の静電吸着用内部電極１０３ｃ、１０３ｄを、アルミニウム製ベース部１０３ｂにて挟んだ構造となっている。一方の内部電極１０３ｃには正の電圧を印加し、他方の内部電極１０３ｄには負の電圧を印加する構成である。基板保持台１０３には、上記被処理基板１０２を静電吸着するための直流電源１０６、高周波フィルター１４０、及び高周波電力供給装置１０７が接続されている。又、被処理基板１０２を基板保持台１０３に設置及び離脱させるために被処理基板を昇降させる突き上げ機構１０５がある。なお、１１０は接地された上部電極である。
【０００６】
このように構成された従来のプラズマ処理装置１００について、以下にその動作を説明する。まず、突き上げ機構１０５により昇降可能に基板保持台１０３に載置された被処理基板１０２には、静電吸着電極内の１対の内部電極１０３ｃ及び１０３ｄに、内部電極１０３ｃ及び１０３ｄにそれぞれに対応して設けられた直流電源１０６により、それぞれ、正の電圧及び負の電圧が印加される。この結果、プラズマ処理に最適な温度となる様に被処理基板１０２が基板保持台１０３の表面に固定される。
【０００７】
次の動作として、Ｈｅ（ヘリウム）供給機構１０８ａにより、基板保持台１０３の上面側すなわち基板１０２の裏面側にＨｅガスを導入し、ヘリウムガスの圧力制御機構により、基板１０２が基板保持台１０３から脱離しない程度のある圧力にＨｅガスを調圧する。このとき、セラミック１０３ａとアルミニウム製ベース部１０３ｂと内部電極１０３ｃ及び１０３ｄとを貫通するように形成されている複数の伝熱ガス導入穴１０３ｈを通じて、ほとんど同時的に基板１０２の裏面側にＨｅガスを供給できる。その理由は、各伝熱ガス導入穴１０３ｈの上流側の端部にガス溜まり１０８ｂが、表面を酸化膜で被覆したアルミニウム製のハウジングで構成される真空室１０１とアルミニウムベース部１０３ｂとの間に溝形状として形成されており、このガス溜まり１０８ｂ内にＨｅガスを一旦溜めたのち、上記複数の伝熱ガス導入穴１０３ｈに供給されるためである。そして、このように基板１０２の裏面側にＨｅガスが供給された状態で、被処理基板１０２に対して通常のプラズマ処理が施される。
【０００８】
さらに、次の動作として、ガス導入口１３１より反応ガスを導入し、真空室１０１内をプラズマ処理が最も精度良くできる圧力に調圧し、高周波電源１０７から高周波電力を内部電極１０３ｃ、１０３ｄに供給することによりプラズマを生成させ、被処理基板１０２の裏面をＨｅガスで効率よく冷却しながら、所望のドライエッチングが達成される。エッチングが終了した後、高周波電力、反応ガス、及び、基板裏面へのＨｅガスの供給を止め、一旦、排気システム１２０にて真空排気を行う。その後、基板１０２を搬送するため、突き上げ機構１０５で基板保持台１０３から基板１０２を剥離させ、所定の処理を終了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本ドライエッチング装置のようなプラズマ処理装置は、プラズマによってできる反応生成物が真空室１０１の内部、突き上げ機構１０５の突き上げピン１０５ａの昇降空間１０５ｂ、Ｈｅガスのガス溜まり１０８ｂに入り込み、ダストとなり、デバイスの歩留まりを低下させる原因となる。よって、常にプラズマにさらされる真空室はもちろん、ダスト侵入のある部品全体を、処理装置より取り外して有機溶剤等で洗浄することが定期的に必要である。そのためには、部品の組立及び取り外しの簡便性が課題であった。
【００１０】
また、近年の基板保持台へ印加するプラズマ生成用交流電力の１ＭＨｚ以下でかつワット密度６Ｗ／ｃｍ2以上の高パワー化、及び処理時圧力の高真空化１Ｐａ以下により、電極周辺あらゆる部材に電波が伝わり、すなわちアンテナ化し、そこを印加電極として、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、Ｈｅ供給ガス溜まり１０８ｂにて異常放電が発生し、プラズマ効率が低下し、所望の処理が得られないと言う課題が発生する。
【００１１】
その対策として、特開平５−１５２２０９号公報のように、真空室に面する部材を導電性部材により包囲し、その部材を接地することで、真空室空間の異常放電を防止するという案であるが、例えば図２に示すような完全な等方排気の構造をとって、対称的なガス流れにより均一な放電の回り込みとなってプラズマを電極周辺均等に引き込むことに特徴を持たせる場合には、真空室空間のいかなる場所で放電が生じても無関係である。しかしながら、図３のプラズマ処理装置では、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、Ｈｅ供給ガス溜まり１０８ｂで異常放電が生じるのは、重大な問題である。
【００１２】
よって、従来の対応策としては、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりといった空間をなるべく電極より距離を離すことにより、絶縁性を確保していた。
【００１３】
また、従来例では、突き上げ機構１０５、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、ガス溜まり１０８ｂは、接地された真空室外側に位置し、電気的にシールドされた空間の外側にあることでプラズマ生成時のアンテナによる異常放電を防止している。しかしながら、このような構成にすれば、構成部材が巨大化及び複雑化してしまい、組み付け、取り外しは、真空室の外側と内側とからの両方の作業になるため、非常に多くの労力が必要であった。
【００１４】
また、別の対策として、プラズマ効率を悪化させることを前提に、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、ガス溜まり１０８ｂにおいて、定常的に放電させ、そのためのプラズマスパッタによる部品摩耗、ダスト源となる反応生成物の発生はメンテナンス毎に部品交換するか、洗浄するという作業が必要であり非常に生産性を悪化させていた。
【００１５】
また、発明者の調査したところ、印加周波数が１ＭＨｚ以下であるとアルミニウム製ベース部１０３ｂの内部の導通部を接地していても、アルミニウム製ベース部の表面の絶縁皮膜が局所的に絶縁破壊してしまい、電力が効率よく印加するための整合ができなくなるという問題が発生する。
【００１６】
また、別の対応策として、伝熱ガスの圧力を放電の発生しにくい圧力まで低下させるといった方法で対応していた。しかしながら、この方法は、基板温度の面内均一性の悪化、基板温度と電極温度との差の拡大、すなわち温度制御性の悪化、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化する等、プロセスマージンの縮小化を引き起こしている。
【００１７】
このように、いずれの従来方法においても、量産性を低下させることになっていた。
【００１８】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、量産性を向上させることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００１９】
具体的には、本発明の１つの観点として、上記したような課題を解決するためになされたものであって、量産性を向上させるため、近年の印加電力の高パワー化、及び低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２０】
また、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、導電性部材表面の絶縁皮膜の絶縁破壊を防止し、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２２】
さらに、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２５】
本発明の第１態様によれば、真空室と、真空室内を排気する排気装置と、上記真空室内に配置されかつ上記真空室内にプラズマを生成するための電極と、上記電極に基板を昇降可能に載置するための基板突き上げ機構と、上記電極と上記基板との間に伝熱ガスを供給し、上記基板の温度を制御する基板冷却機構を有して、上記真空室内にプラズマを生成させて上記基板を処理するプラズマ処理装置であって、
上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室内より積み上げ方式によって組み立てられているとともに、上記突き上げピンの昇降空間とガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てられるようにしたプラズマ処理装置を提供する。
【００２８】
本発明の第２態様によれば、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する第１の態様に記載のプラズマ処理装置を提供する。
【００２９】
本発明の第３態様によれば、１Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する第１又は２の態様に記載のプラズマ処理装置を提供する。
【００３１】
本発明の第４態様によれば、電極に基板を昇降可能に載置するための突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、電極と上記基板との間に供給される伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、真空室内に積み上げ方式によって組み立てられたのち、
上記真空室内を排気して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、上記電極と上記基板との間に上記伝熱ガスを供給して上記基板の温度を制御しながら上記基板を処理するとともに、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てるようにしたプラズマ処理方法を提供する。
【００３３】
本発明の第５態様によれば、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する第４の態様に記載のプラズマ処理方法を提供する。
【００３４】
本発明の第６態様によれば、１Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する第４又は５の態様に記載のプラズマ処理方法を提供する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置及び方法の一具体例として反応性イオンエッチング型のドライエッチング装置及び方法について、図１を用いて説明する。
【００３７】
図１において、真空室１は、反応ガスとしてのエッチングガスを真空室１内に導入するためのエッチングガス導入装置３０に接続されるガス導入口３１と、真空室１内を排気する真空排気装置２０を有する。この真空排気装置２０は、具体的には、図２に示すように、基板２の中心軸に対して、完全な等方排気の構造をとっているため、反応ガスの流れによりプラズマを内部電極周辺に均等に引き込むことができるようにしている。なお、２０ｂは真空排気装置２０の排気口、２０ａは真空排気装置２０の開閉弁である。真空室１内には、被処理基板２を静電吸着する基板保持台３を備える。基板保持台３は、例えば厚さ５ｍｍのセラミック層３ａと、内部に冷却水路（図示せず）を有するアルミニウム製ベース部３ｂとより構成されている。セラミック層３ａの表面から例えば５００μｍの内部には、タングステンからなる１対の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄを内蔵し、セラミック層３ａは内部電極３ｃ、３ｄの下方まで包囲している。一方の内部電極３ｃには正の電圧を印加し、他方の内部電極３ｄには負の電圧を印加するようにしている。その電圧印加を行うためにそれぞれの直流電源６が高周波フィルター４０を介して１対の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄに接続されているとともに、両方の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄにプラズマ生成用の５００ｋＨｚのプラズマ生成用交流電源７が接続されている。真空室１の内部の上端には絶縁体（図示せず）を介して上部電極１０配置されるとともに真空室１とは別々に接地され、上部電極１０は基板保持台３に載置される基板２に対向するようにしている。さらに、伝熱ガスの一例である冷却用Ｈｅ（ヘリウム）ガスを基板保持台３の上面と基板２の裏面との間隙へ供給するための冷却用Ｈｅガス供給機構８ａが設けられている。このＨｅガス供給機構８ａは、基板冷却用のＨｅガスの供給及び供給停止を行う開閉バルブ８ｄと、Ｈｅガスの供給流量を制御する流量コントローラ８ｅとより構成されている。また、Ｈｅガスの基板２の裏面でのＨｅガスの圧力を調整するＨｅガス圧力調整機構８ｃは、後述する上記複数の突き上げピン５ａの突き上げピン昇降空間５ｂからのＨｅガスの排気及び排気停止を行う開閉バルブ８ｆと、Ｈｅガスの排気管内の圧力を測定する圧力計８ｐと、排気管によるＨｅガスの排気量を制御する絞り弁８ｖとから構成されている。なお、各突き上げピン５ａは、後述する、セラミック層３ａと、内部電極３ｃ及び３ｄと、アルミニウム製ベース部３ｂと、ハウジング９ｂとを貫通して一斉に同期して昇降可能なように配置されている。
【００３８】
基板保持台３の下部には、基板搬送のため、複数の突き上げピン５ａにより被処理基板２を突き上げ可能とする突き上げ機構５を有している。突き上げ機構５は、真空室１の外に駆動源となる回転モーター５ｅを配置して、回転モーター５ｅと真空室内の駆動部分とは、マグネットカップリング５ｄにより連結することにより、真空室１内の駆動部分を真空室外の大気に対してシールされるようにしている。真空室１内の駆動部分は、マグネットカップリング５ｄを介して回転する回転軸５ｇと、回転軸５ｇに直結されかつマグネットカップリング５ｄを介して真空室内の回転軸５ｆに伝達される回転モーター５ｅの回転運動を直線運動に変換する歯車機構５ｃとより構成されている。歯車機構５ｃは、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａ内に収納され、真空室１の内部より組み付けできる構造となっている。ハウジング９ａは、金属で構成されて、真空室１と電気的導通を持って接地状態となっているとともに、上記回転軸５ｆを回転自在に収納する空間９ｃを有している。
また、上記複数の突き上げピン５ａの突き上げピン昇降空間５ｂも本ハウジング９ａ内に構成され、金属で円板状に形成されて電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂにより包囲されている。なお、ハウジング９ｂには、４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈが形成されている。また、ハウジング９ａとハウジング９ｂとの間には、ガス溜まり８ｂが環状の溝形状に形成されている。ガス溜まり８ｂは、基板保持台３、すなわち、セラミック層３ａと内部電極３ｃ及び３ｄとアルミニウム製ベース部３ｂとに構成されている複数例えば４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈとつながっており、基板保持台３の上面と基板２の裏面との間の隙間に４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈからほとんど同時的にＨｅガスが供給できる様に構成されている。
【００３９】
また、上記ドライエッチング装置を自動運転するため、エッチングガス導入装置３０と、真空排気装置２０と、直流電源６と、プラズマ生成用交流電源７と、Ｈｅガスの供給機構８ａと、突き上げ機構５などの装置が制御装置（図示せず）に接続されてそれぞれの動作が上記制御装置により制御されるようにしてもよい。
【００４０】
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、図１を用いてその動作を説明する。
【００４１】
まず、上端位置に位置した突き上げ機構５の突き上げピン５ａにより被処理基板２が基板保持台３の上面の上方で支持されたのち、突き上げ機構５により突き上げピン５ａが下端位置まで下降して被処理基板２が基板保持台３の上面に載置される。その後、静電吸着電極内の１対の内部電極３ｃ及び３ｄにそれぞれの直流電源６により正の電圧及び負の電圧がそれぞれ印加されされる。この結果、プラズマ処理に最適な温度となる様に被処理基板２が静電吸着用内部電極３ｃ及び３ｄの表面側に固定される。
【００４２】
次の動作として、上記Ｈｅガス供給機構８ａにより、基板保持台３の上面側すなわち基板２の裏面側のガス溜まり８ｃに、Ｈｅガスを例えば１０ｃｃ／分にて導入するとともに、内部電極３ｃ及び３ｄなどに形成されている４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈを通じて、ほとんど同時に基板保持台３の上面と基板２の裏面との間にＨｅガスを供給する。上記Ｈｅガス圧力調整機構８ｃにより基板２が基板保持台３から脱離しない程度のある圧力、例えば１４００Ｐａ、に調圧する。
【００４３】
さらに、次の動作として、一例として、エッチングガス導入装置３０によりガス導入口３１より反応ガスであるＡｒを２００ｃｃ／分にて導入し、０．５Ｐａに調圧し、プラズマ生成用交流電源７から、一対の内部電極３ｃ、３ｄに１ｋＷ供給することによりプラズマを生成させ、被処理基板２の裏面をＨｅガスで効率よく冷却しながら、被処理基板２に対して所望のドライエッチングが達成される。
【００４４】
ここで、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しないことが確認されている。
【００４５】
また、伝熱ガスの圧力を１４００Ｐａとしているが、これも４０００Ｐａまで上げても放電しないことが確認されている。ただし、圧力の高い場合、調圧時間が長くなりスループットに影響する。本ドライエッチング装置では３０００Ｐａより高圧では実使用に影響が大きいため、不適である。逆に、５０Ｐａ未満では、基板温度の面内均一性が１０％を越えるため、所望するエッチングが得られない。
【００４６】
さらに、次の動作として、エッチングが終了した後、プラズマ生成用交流電源、反応ガス、及び、基板裏面へのＨｅガスの供給を止め、一旦、真空排気装置２０にて真空排気を行いながら、直流電源６の出力を止め、その後、基板２を搬送するため、突き上げ機構５を駆動して突き上げピン５ａを下端位置から上端位置まで上昇させて基板保持台３から基板２を剥離させ、所定の処理を終了する。
【００４７】
その後、本ドライエッチング装置をメンテナンスする際には、以下のように分解することができる。すなわち、真空室内には、円筒状のハウジング９ａや基板保持台３などが積み上げられて組み立てられている。すなわち、真空室１の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング９ａ、歯車機構５ｃ及び突き上げピン５ａなどの突き上げ機構５の駆動部分、円板状ハウジング９ｂ、基板保持台３の順に積み重ねて組み立てたのち、押さえリング５０を、ボルト８本（図示せず）にて、真空室１の底部側に一括して固定保持している。このため、８本のボルトを外して押さえリング５０を上方に取り外すことのみで、ハウジング９ａ、歯車機構５ｃなどの突き上げ機構５の駆動部分、ハウジング９ｂ、基板保持台３を容易に取り外すことができる。また、基板保持台３内の内部電極３ｃ、３ｄの周囲は絶縁性のセラミック層３ａにより包囲され、さらに、基板２が直接接触する面以外は、表面に絶縁体を被覆した導電性部材、すなわち、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａと電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂとにより包囲されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、組立及び取り外しの作業性が高く、また、重量物を取り扱う危険性も低い。
【００４８】
さらに、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、印加周波数が１ＭＨｚ以下であっても、基板保持台周辺の全ての部材の絶縁皮膜表面が局所的に絶縁破壊し、電力が効率よく印加するための整合ができなくなるという問題も発生していない。
【００４９】
以上のように、上記実施形態によれば、真空室内には、円筒状のハウジング９ａや基板保持台３などが順に積み上げられて組み立てられている。すなわち、具体的には、真空室１の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング９ａ、歯車機構５ｃ及び突き上げピン５ａなどの突き上げ機構５の駆動部分、円板状ハウジング９ｂ、基板保持台３の順に積み重ねて組み立てられている。この結果、ダスト侵入の可能性のある部品全体を処理装置より取り外して定期的に有機溶剤等で洗浄する場合などのために取り外すときには、組立て順とは逆の順序で、基板保持台３、ハウジング９ｂ、歯車機構５ｃなどの突き上げ機構５の駆動部分、ハウジング９ａを容易に取り外すことができる。よって、部品の組立及び取り外しの簡便性に優れたものとすることができ、量産性を向上させることができる。
【００５０】
また、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、近年の印加電力の高パワー化、及び、低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりでの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができ、量産性を向上させることができる。
【００５１】
また、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより上記基板の温度を制御している状態で、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、導電性部材であるハウジング９ａの表面の酸化膜で構成される絶縁皮膜の絶縁破壊を防止し、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００５２】
また、基板保持台３内の内部電極３ｃ、３ｄの周囲は絶縁性のセラミック層３ａにより包囲され、さらに、基板２が直接接触する面以外は、表面に絶縁体を被覆した導電性部材、すなわち、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａと電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂとにより包囲されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができ、量産性を向上させることができる。
【００５３】
さらに、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより上記基板の温度を制御している状態で、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、上記伝熱ガスを５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整することができるため、基板温度の面内均一性の悪化を防止し、基板温度と電極温度との差の拡大を抑制し、すなわち温度制御性の悪化を防止し、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化することを防止して、プロセスマージンの縮小化を防止することができる。すなわち、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
【００５５】
例えば、上記実施形態において、基板裏面に流す伝熱ガスとしてＨｅガスを用いたが、これ以外の不活性ガスや別のガスを用いても良い。
【００５６】
また、上記実施形態において、基板裏面に流すＨｅガスの配管系統は上記実施形態記載の系統に限られるものでなく、基板裏面にガスを供給できればいずれの配管系統を用いても良い。
【００５７】
また、上記実施形態において、基板保持台を一対の内部電極を有するいわゆる双極型の静電吸着電極としたが、単極型の静電吸着電極に本発明の静電吸着電極の形状を用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、上記実施形態において、反応性イオンエッチング型のドライエッチング装置としたが、プラズマの生成方法はこれに限られるものでなく、誘導結合型、ＥＣＲ型、ヘリコン波型、表面波型等のプラズマ生成方法としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態において、ドライエッチング装置を例にとって説明したが、プラズマＣＶＤ装置や、スパッタリング装置、アッシング装置に本発明を用いてもよい。
【００６０】
なお、上記様々な実施形態及び変形例のうちの任意の実施形態及び変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室内より積み上げ方式によって組み立てられているため、取り外すときには、組立て順とは逆の順序で容易に取り外すことができる。よって、部品の組立及び取り外しの簡便性に優れたものとすることができ、量産性を向上させることができる。
【００６２】
また、本発明において、上記電極の周囲は、セラミック状の絶縁体部材により包囲され、さらに上記基板が直接接触する面以外は表面に絶縁体を被覆した導電性部材により包囲され、かつ、上記導電性部材は接地されており、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とが、上記接地された導電性部材内に構成されている場合には、セラミック状の絶縁体部材であるセラミック層のアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層の厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、近年の印加電力の高パワー化、及び、低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりでの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができ、量産性を向上させることができる。さらに、導電性部材の表面の絶縁皮膜の絶縁破壊を防止するこるとができ、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができ、量産性を向上させることができる。また、上記伝熱ガスを５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整することができるため、基板温度の面内均一性の悪化を防止し、基板温度と電極温度との差の拡大を抑制し、すなわち温度制御性の悪化を防止し、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化することを防止して、プロセスマージンの縮小化を防止することができる。すなわち、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００６３】
また、上記電極の周囲は、セラミック状の絶縁体部材により包囲され、さらに上記基板が直接接触する面以外は表面に絶縁体を被覆した導電性部材により包囲され、かつ、上記導電性部材は接地されており、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とが、上記接地された導電性部材内に構成されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができ、量産性を向上させることができる。
【００６４】
従って、近年の基板保持台へ印加するプラズマ生成用交流電力の高パワー化、低周波化、及び処理時圧力の高真空化により発生していた、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成し、基板保持台構成部品の組み付け、取り外しの作業を簡便性を上げ、プロセス条件の変更による基板温度の変化を減少させ、プロセスマージンの確保を実現することができる。この結果、量産性を向上させるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の形態におけるプラズマ処理装置の反応室の模式的な断面図である。
【図２】 本発明の上記実施形態の形態におけるプラズマ処理装置排気部の断面図である。
【図３】 従来のプラズマ処理装置の反応室の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１…真空室、２…被処理基板、３…基板保持台、３ａ…セラミック層、３ｂ…アルミニウムベース、３ｃ，３ｄ…内部電極、３ｈ…伝熱ガス導入穴、５…突き上げ機構、５ａ…突き上げピン、５ｂ…突き上げピン昇降空間、５ｃ…歯車機構、５ｄ…マグネットカップリング、５ｅ…回転モーター、５ｆ…回転軸、６…直流電源、７…プラズマ生成用交流電極、８ａ…Ｈｅガスの供給機構、８ｃ…Ｈｅガス圧力調整機構、８ｄ…開閉バルブ、８ｅ…流量コントローラ、８ｆ…開閉バルブ、８ｐ…圧力計、８ｖ…絞り弁、９ａ，９ｂ…ハウジング、２０…真空排気装置、２０ａ…開閉弁、２０ｂ…排気口、３０…エッチングガス導入装置、３１…ガス導入口、４０…高周波フィルター、５０…押さえリング。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、液晶ディスプレイパネルや太陽電池等の製造における薄膜形成工程、あるいは、微細加工工程等に用いられ、真空室内にプラズマを生成させて基板を処理するプラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラズマ処理装置は、デバイスの高機能化とその処理コストの低減のために、高精度化、高速化、大面積化、低ダメージ化を実現する取り組みが盛んに行なわれている。中でも、成膜においては基板内の膜質均一性を得るため、また、微細加工に用いられるドライエッチングにおいては、寸法精度の確保のために、特に、基板温度を面内で均一に、かつ、精密に制御することが要求されている。そのため、電極と基板との間に伝熱ガスを封入して基板温度を制御するとともに、機械構造的なクランプもしくは静電吸着電極を使用することにより伝熱ガスを封入しても基板が移動しないようにしたプラズマ処理装置が使用され始めている。
【０００３】
以下に、従来の静電吸着電極を用いたプラズマ処理装置について説明する。
【０００４】
図３は従来のプラズマ処理装置の反応室の断面図である。第１の従来例として、以下このプラズマ処理装置について説明する。
【０００５】
図３において、真空室１０１は、エッチングガス導入装置１３０に接続されるガス導入口１３１と、真空排気装置１２０を有する。真空室１０１内には、被処理基板１０２を静電吸着する基板保持台１０３を備える。基板保持台１０３は、表面をセラミック１０３ａと、内部に冷却水路（図示せず）を有し表面を絶縁皮膜により被覆されたアルミニウム製ベース部１０３ｂからなり、セラミック１０３ａの表面から５００μｍの位置にタングステンからなる１対の静電吸着用内部電極１０３ｃ、１０３ｄを、アルミニウム製ベース部１０３ｂにて挟んだ構造となっている。一方の内部電極１０３ｃには正の電圧を印加し、他方の内部電極１０３ｄには負の電圧を印加する構成である。基板保持台１０３には、上記被処理基板１０２を静電吸着するための直流電源１０６、高周波フィルター１４０、及び高周波電力供給装置１０７が接続されている。又、被処理基板１０２を基板保持台１０３に設置及び離脱させるために被処理基板を昇降させる突き上げ機構１０５がある。なお、１１０は接地された上部電極である。
【０００６】
このように構成された従来のプラズマ処理装置１００について、以下にその動作を説明する。まず、突き上げ機構１０５により昇降可能に基板保持台１０３に載置された被処理基板１０２には、静電吸着電極内の１対の内部電極１０３ｃ及び１０３ｄに、内部電極１０３ｃ及び１０３ｄにそれぞれに対応して設けられた直流電源１０６により、それぞれ、正の電圧及び負の電圧が印加される。この結果、プラズマ処理に最適な温度となる様に被処理基板１０２が基板保持台１０３の表面に固定される。
【０００７】
次の動作として、Ｈｅ（ヘリウム）供給機構１０８ａにより、基板保持台１０３の上面側すなわち基板１０２の裏面側にＨｅガスを導入し、ヘリウムガスの圧力制御機構により、基板１０２が基板保持台１０３から脱離しない程度のある圧力にＨｅガスを調圧する。このとき、セラミック１０３ａとアルミニウム製ベース部１０３ｂと内部電極１０３ｃ及び１０３ｄとを貫通するように形成されている複数の伝熱ガス導入穴１０３ｈを通じて、ほとんど同時的に基板１０２の裏面側にＨｅガスを供給できる。その理由は、各伝熱ガス導入穴１０３ｈの上流側の端部にガス溜まり１０８ｂが、表面を酸化膜で被覆したアルミニウム製のハウジングで構成される真空室１０１とアルミニウムベース部１０３ｂとの間に溝形状として形成されており、このガス溜まり１０８ｂ内にＨｅガスを一旦溜めたのち、上記複数の伝熱ガス導入穴１０３ｈに供給されるためである。そして、このように基板１０２の裏面側にＨｅガスが供給された状態で、被処理基板１０２に対して通常のプラズマ処理が施される。
【０００８】
さらに、次の動作として、ガス導入口１３１より反応ガスを導入し、真空室１０１内をプラズマ処理が最も精度良くできる圧力に調圧し、高周波電源１０７から高周波電力を内部電極１０３ｃ、１０３ｄに供給することによりプラズマを生成させ、被処理基板１０２の裏面をＨｅガスで効率よく冷却しながら、所望のドライエッチングが達成される。エッチングが終了した後、高周波電力、反応ガス、及び、基板裏面へのＨｅガスの供給を止め、一旦、排気システム１２０にて真空排気を行う。その後、基板１０２を搬送するため、突き上げ機構１０５で基板保持台１０３から基板１０２を剥離させ、所定の処理を終了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本ドライエッチング装置のようなプラズマ処理装置は、プラズマによってできる反応生成物が真空室１０１の内部、突き上げ機構１０５の突き上げピン１０５ａの昇降空間１０５ｂ、Ｈｅガスのガス溜まり１０８ｂに入り込み、ダストとなり、デバイスの歩留まりを低下させる原因となる。よって、常にプラズマにさらされる真空室はもちろん、ダスト侵入のある部品全体を、処理装置より取り外して有機溶剤等で洗浄することが定期的に必要である。そのためには、部品の組立及び取り外しの簡便性が課題であった。
【００１０】
また、近年の基板保持台へ印加するプラズマ生成用交流電力の１ＭＨｚ以下でかつワット密度６Ｗ／ｃｍ2以上の高パワー化、及び処理時圧力の高真空化１Ｐａ以下により、電極周辺あらゆる部材に電波が伝わり、すなわちアンテナ化し、そこを印加電極として、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、Ｈｅ供給ガス溜まり１０８ｂにて異常放電が発生し、プラズマ効率が低下し、所望の処理が得られないと言う課題が発生する。
【００１１】
その対策として、特開平５−１５２２０９号公報のように、真空室に面する部材を導電性部材により包囲し、その部材を接地することで、真空室空間の異常放電を防止するという案であるが、例えば図２に示すような完全な等方排気の構造をとって、対称的なガス流れにより均一な放電の回り込みとなってプラズマを電極周辺均等に引き込むことに特徴を持たせる場合には、真空室空間のいかなる場所で放電が生じても無関係である。しかしながら、図３のプラズマ処理装置では、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、Ｈｅ供給ガス溜まり１０８ｂで異常放電が生じるのは、重大な問題である。
【００１２】
よって、従来の対応策としては、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりといった空間をなるべく電極より距離を離すことにより、絶縁性を確保していた。
【００１３】
また、従来例では、突き上げ機構１０５、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、ガス溜まり１０８ｂは、接地された真空室外側に位置し、電気的にシールドされた空間の外側にあることでプラズマ生成時のアンテナによる異常放電を防止している。しかしながら、このような構成にすれば、構成部材が巨大化及び複雑化してしまい、組み付け、取り外しは、真空室の外側と内側とからの両方の作業になるため、非常に多くの労力が必要であった。
【００１４】
また、別の対策として、プラズマ効率を悪化させることを前提に、突き上げピン昇降空間１０５ｂ、ガス溜まり１０８ｂにおいて、定常的に放電させ、そのためのプラズマスパッタによる部品摩耗、ダスト源となる反応生成物の発生はメンテナンス毎に部品交換するか、洗浄するという作業が必要であり非常に生産性を悪化させていた。
【００１５】
また、発明者の調査したところ、印加周波数が１ＭＨｚ以下であるとアルミニウム製ベース部１０３ｂの内部の導通部を接地していても、アルミニウム製ベース部の表面の絶縁皮膜が局所的に絶縁破壊してしまい、電力が効率よく印加するための整合ができなくなるという問題が発生する。
【００１６】
また、別の対応策として、伝熱ガスの圧力を放電の発生しにくい圧力まで低下させるといった方法で対応していた。しかしながら、この方法は、基板温度の面内均一性の悪化、基板温度と電極温度との差の拡大、すなわち温度制御性の悪化、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化する等、プロセスマージンの縮小化を引き起こしている。
【００１７】
このように、いずれの従来方法においても、量産性を低下させることになっていた。
【００１８】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、量産性を向上させることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００１９】
具体的には、本発明の１つの観点として、上記したような課題を解決するためになされたものであって、量産性を向上させるため、近年の印加電力の高パワー化、及び低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２０】
また、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、導電性部材表面の絶縁皮膜の絶縁破壊を防止し、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２１】
また、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２２】
さらに、本発明の別の観点として、量産性を向上させるため、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができるプラズマ処理装置及び方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００２５】
本発明の第１態様によれば、真空室と、真空室内を排気する排気装置と、上記真空室内に配置されかつ上記真空室内にプラズマを生成するための電極と、上記電極に基板を昇降可能に載置するための基板突き上げ機構と、上記電極と上記基板との間に伝熱ガスを供給し、上記基板の温度を制御する基板冷却機構を有して、上記真空室内にプラズマを生成させて上記基板を処理するプラズマ処理装置であって、
上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室内より積み上げ方式によって組み立てられているとともに、上記突き上げピンの昇降空間とガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てられるようにしたプラズマ処理装置を提供する。
【００２８】
本発明の第２態様によれば、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する第１の態様に記載のプラズマ処理装置を提供する。
【００２９】
本発明の第３態様によれば、１Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する第１又は２の態様に記載のプラズマ処理装置を提供する。
【００３１】
本発明の第４態様によれば、電極に基板を昇降可能に載置するための突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、電極と上記基板との間に供給される伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、真空室内に積み上げ方式によって組み立てられたのち、
上記真空室内を排気して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、上記電極と上記基板との間に上記伝熱ガスを供給して上記基板の温度を制御しながら上記基板を処理するとともに、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てるようにしたプラズマ処理方法を提供する。
【００３３】
本発明の第５態様によれば、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する第４の態様に記載のプラズマ処理方法を提供する。
【００３４】
本発明の第６態様によれば、１Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する第４又は５の態様に記載のプラズマ処理方法を提供する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置及び方法の一具体例として反応性イオンエッチング型のドライエッチング装置及び方法について、図１を用いて説明する。
【００３７】
図１において、真空室１は、反応ガスとしてのエッチングガスを真空室１内に導入するためのエッチングガス導入装置３０に接続されるガス導入口３１と、真空室１内を排気する真空排気装置２０を有する。この真空排気装置２０は、具体的には、図２に示すように、基板２の中心軸に対して、完全な等方排気の構造をとっているため、反応ガスの流れによりプラズマを内部電極周辺に均等に引き込むことができるようにしている。なお、２０ｂは真空排気装置２０の排気口、２０ａは真空排気装置２０の開閉弁である。真空室１内には、被処理基板２を静電吸着する基板保持台３を備える。基板保持台３は、例えば厚さ５ｍｍのセラミック層３ａと、内部に冷却水路（図示せず）を有するアルミニウム製ベース部３ｂとより構成されている。セラミック層３ａの表面から例えば５００μｍの内部には、タングステンからなる１対の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄを内蔵し、セラミック層３ａは内部電極３ｃ、３ｄの下方まで包囲している。一方の内部電極３ｃには正の電圧を印加し、他方の内部電極３ｄには負の電圧を印加するようにしている。その電圧印加を行うためにそれぞれの直流電源６が高周波フィルター４０を介して１対の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄに接続されているとともに、両方の静電吸着用内部電極３ｃ、３ｄにプラズマ生成用の５００ｋＨｚのプラズマ生成用交流電源７が接続されている。真空室１の内部の上端には絶縁体（図示せず）を介して上部電極１０配置されるとともに真空室１とは別々に接地され、上部電極１０は基板保持台３に載置される基板２に対向するようにしている。さらに、伝熱ガスの一例である冷却用Ｈｅ（ヘリウム）ガスを基板保持台３の上面と基板２の裏面との間隙へ供給するための冷却用Ｈｅガス供給機構８ａが設けられている。このＨｅガス供給機構８ａは、基板冷却用のＨｅガスの供給及び供給停止を行う開閉バルブ８ｄと、Ｈｅガスの供給流量を制御する流量コントローラ８ｅとより構成されている。また、Ｈｅガスの基板２の裏面でのＨｅガスの圧力を調整するＨｅガス圧力調整機構８ｃは、後述する上記複数の突き上げピン５ａの突き上げピン昇降空間５ｂからのＨｅガスの排気及び排気停止を行う開閉バルブ８ｆと、Ｈｅガスの排気管内の圧力を測定する圧力計８ｐと、排気管によるＨｅガスの排気量を制御する絞り弁８ｖとから構成されている。なお、各突き上げピン５ａは、後述する、セラミック層３ａと、内部電極３ｃ及び３ｄと、アルミニウム製ベース部３ｂと、ハウジング９ｂとを貫通して一斉に同期して昇降可能なように配置されている。
【００３８】
基板保持台３の下部には、基板搬送のため、複数の突き上げピン５ａにより被処理基板２を突き上げ可能とする突き上げ機構５を有している。突き上げ機構５は、真空室１の外に駆動源となる回転モーター５ｅを配置して、回転モーター５ｅと真空室内の駆動部分とは、マグネットカップリング５ｄにより連結することにより、真空室１内の駆動部分を真空室外の大気に対してシールされるようにしている。真空室１内の駆動部分は、マグネットカップリング５ｄを介して回転する回転軸５ｇと、回転軸５ｇに直結されかつマグネットカップリング５ｄを介して真空室内の回転軸５ｆに伝達される回転モーター５ｅの回転運動を直線運動に変換する歯車機構５ｃとより構成されている。歯車機構５ｃは、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａ内に収納され、真空室１の内部より組み付けできる構造となっている。ハウジング９ａは、金属で構成されて、真空室１と電気的導通を持って接地状態となっているとともに、上記回転軸５ｆを回転自在に収納する空間９ｃを有している。
また、上記複数の突き上げピン５ａの突き上げピン昇降空間５ｂも本ハウジング９ａ内に構成され、金属で円板状に形成されて電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂにより包囲されている。なお、ハウジング９ｂには、４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈが形成されている。また、ハウジング９ａとハウジング９ｂとの間には、ガス溜まり８ｂが環状の溝形状に形成されている。ガス溜まり８ｂは、基板保持台３、すなわち、セラミック層３ａと内部電極３ｃ及び３ｄとアルミニウム製ベース部３ｂとに構成されている複数例えば４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈとつながっており、基板保持台３の上面と基板２の裏面との間の隙間に４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈからほとんど同時的にＨｅガスが供給できる様に構成されている。
【００３９】
また、上記ドライエッチング装置を自動運転するため、エッチングガス導入装置３０と、真空排気装置２０と、直流電源６と、プラズマ生成用交流電源７と、Ｈｅガスの供給機構８ａと、突き上げ機構５などの装置が制御装置（図示せず）に接続されてそれぞれの動作が上記制御装置により制御されるようにしてもよい。
【００４０】
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、図１を用いてその動作を説明する。
【００４１】
まず、上端位置に位置した突き上げ機構５の突き上げピン５ａにより被処理基板２が基板保持台３の上面の上方で支持されたのち、突き上げ機構５により突き上げピン５ａが下端位置まで下降して被処理基板２が基板保持台３の上面に載置される。その後、静電吸着電極内の１対の内部電極３ｃ及び３ｄにそれぞれの直流電源６により正の電圧及び負の電圧がそれぞれ印加されされる。この結果、プラズマ処理に最適な温度となる様に被処理基板２が静電吸着用内部電極３ｃ及び３ｄの表面側に固定される。
【００４２】
次の動作として、上記Ｈｅガス供給機構８ａにより、基板保持台３の上面側すなわち基板２の裏面側のガス溜まり８ｃに、Ｈｅガスを例えば１０ｃｃ／分にて導入するとともに、内部電極３ｃ及び３ｄなどに形成されている４ヵ所の伝熱ガス導入穴３ｈを通じて、ほとんど同時に基板保持台３の上面と基板２の裏面との間にＨｅガスを供給する。上記Ｈｅガス圧力調整機構８ｃにより基板２が基板保持台３から脱離しない程度のある圧力、例えば１４００Ｐａ、に調圧する。
【００４３】
さらに、次の動作として、一例として、エッチングガス導入装置３０によりガス導入口３１より反応ガスであるＡｒを２００ｃｃ／分にて導入し、０．５Ｐａに調圧し、プラズマ生成用交流電源７から、一対の内部電極３ｃ、３ｄに１ｋＷ供給することによりプラズマを生成させ、被処理基板２の裏面をＨｅガスで効率よく冷却しながら、被処理基板２に対して所望のドライエッチングが達成される。
【００４４】
ここで、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しないことが確認されている。
【００４５】
また、伝熱ガスの圧力を１４００Ｐａとしているが、これも４０００Ｐａまで上げても放電しないことが確認されている。ただし、圧力の高い場合、調圧時間が長くなりスループットに影響する。本ドライエッチング装置では３０００Ｐａより高圧では実使用に影響が大きいため、不適である。逆に、５０Ｐａ未満では、基板温度の面内均一性が１０％を越えるため、所望するエッチングが得られない。
【００４６】
さらに、次の動作として、エッチングが終了した後、プラズマ生成用交流電源、反応ガス、及び、基板裏面へのＨｅガスの供給を止め、一旦、真空排気装置２０にて真空排気を行いながら、直流電源６の出力を止め、その後、基板２を搬送するため、突き上げ機構５を駆動して突き上げピン５ａを下端位置から上端位置まで上昇させて基板保持台３から基板２を剥離させ、所定の処理を終了する。
【００４７】
その後、本ドライエッチング装置をメンテナンスする際には、以下のように分解することができる。すなわち、真空室内には、円筒状のハウジング９ａや基板保持台３などが積み上げられて組み立てられている。すなわち、真空室１の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング９ａ、歯車機構５ｃ及び突き上げピン５ａなどの突き上げ機構５の駆動部分、円板状ハウジング９ｂ、基板保持台３の順に積み重ねて組み立てたのち、押さえリング５０を、ボルト８本（図示せず）にて、真空室１の底部側に一括して固定保持している。このため、８本のボルトを外して押さえリング５０を上方に取り外すことのみで、ハウジング９ａ、歯車機構５ｃなどの突き上げ機構５の駆動部分、ハウジング９ｂ、基板保持台３を容易に取り外すことができる。また、基板保持台３内の内部電極３ｃ、３ｄの周囲は絶縁性のセラミック層３ａにより包囲され、さらに、基板２が直接接触する面以外は、表面に絶縁体を被覆した導電性部材、すなわち、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａと電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂとにより包囲されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、組立及び取り外しの作業性が高く、また、重量物を取り扱う危険性も低い。
【００４８】
さらに、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、印加周波数が１ＭＨｚ以下であっても、基板保持台周辺の全ての部材の絶縁皮膜表面が局所的に絶縁破壊し、電力が効率よく印加するための整合ができなくなるという問題も発生していない。
【００４９】
以上のように、上記実施形態によれば、真空室内には、円筒状のハウジング９ａや基板保持台３などが順に積み上げられて組み立てられている。すなわち、具体的には、真空室１の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング９ａ、歯車機構５ｃ及び突き上げピン５ａなどの突き上げ機構５の駆動部分、円板状ハウジング９ｂ、基板保持台３の順に積み重ねて組み立てられている。この結果、ダスト侵入の可能性のある部品全体を処理装置より取り外して定期的に有機溶剤等で洗浄する場合などのために取り外すときには、組立て順とは逆の順序で、基板保持台３、ハウジング９ｂ、歯車機構５ｃなどの突き上げ機構５の駆動部分、ハウジング９ａを容易に取り外すことができる。よって、部品の組立及び取り外しの簡便性に優れたものとすることができ、量産性を向上させることができる。
【００５０】
また、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、近年の印加電力の高パワー化、及び、低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりでの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができ、量産性を向上させることができる。
【００５１】
また、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより上記基板の温度を制御している状態で、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、導電性部材であるハウジング９ａの表面の酸化膜で構成される絶縁皮膜の絶縁破壊を防止し、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００５２】
また、基板保持台３内の内部電極３ｃ、３ｄの周囲は絶縁性のセラミック層３ａにより包囲され、さらに、基板２が直接接触する面以外は、表面に絶縁体を被覆した導電性部材、すなわち、表面が酸化膜で被覆されて絶縁性を持ったアルミニウム製の円筒状のハウジング９ａと電気的にハウジング９ａと導通したハウジング９ｂとにより包囲されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができ、量産性を向上させることができる。
【００５３】
さらに、突き上げピン昇降空間５ｂとガス溜まり８ｂとは、セラミック層３ａにより絶縁性を充分確保し、高周波が印加されている内部電極３ｃ、３ｄと遮蔽され、かつ、接地状態であるハウジング９ａと同じく接地状態であるハウジング９ｂとにより突き上げピン昇降空間５ｂが包囲されている。このため、セラミック層３ａのアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層３ａの厚みによりパワー密度が低減されているため、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより上記基板の温度を制御している状態で、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、上記伝熱ガスを５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整することができるため、基板温度の面内均一性の悪化を防止し、基板温度と電極温度との差の拡大を抑制し、すなわち温度制御性の悪化を防止し、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化することを防止して、プロセスマージンの縮小化を防止することができる。すなわち、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。
【００５５】
例えば、上記実施形態において、基板裏面に流す伝熱ガスとしてＨｅガスを用いたが、これ以外の不活性ガスや別のガスを用いても良い。
【００５６】
また、上記実施形態において、基板裏面に流すＨｅガスの配管系統は上記実施形態記載の系統に限られるものでなく、基板裏面にガスを供給できればいずれの配管系統を用いても良い。
【００５７】
また、上記実施形態において、基板保持台を一対の内部電極を有するいわゆる双極型の静電吸着電極としたが、単極型の静電吸着電極に本発明の静電吸着電極の形状を用いても同様の効果が得られる。
【００５８】
また、上記実施形態において、反応性イオンエッチング型のドライエッチング装置としたが、プラズマの生成方法はこれに限られるものでなく、誘導結合型、ＥＣＲ型、ヘリコン波型、表面波型等のプラズマ生成方法としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態において、ドライエッチング装置を例にとって説明したが、プラズマＣＶＤ装置や、スパッタリング装置、アッシング装置に本発明を用いてもよい。
【００６０】
なお、上記様々な実施形態及び変形例のうちの任意の実施形態及び変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室内より積み上げ方式によって組み立てられているため、取り外すときには、組立て順とは逆の順序で容易に取り外すことができる。よって、部品の組立及び取り外しの簡便性に優れたものとすることができ、量産性を向上させることができる。
【００６２】
また、本発明において、上記電極の周囲は、セラミック状の絶縁体部材により包囲され、さらに上記基板が直接接触する面以外は表面に絶縁体を被覆した導電性部材により包囲され、かつ、上記導電性部材は接地されており、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とが、上記接地された導電性部材内に構成されている場合には、セラミック状の絶縁体部材であるセラミック層のアンテナ化が発生しても、そこは、充分なセラミック層の厚みによりパワー密度が低減されているため、プラズマ生成用交流電力の３ｋＷまで、３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波、また、プラズマ処理時の１Ｐａ以下の高真空化においても、一切、異常放電しない。よって、近年の印加電力の高パワー化、及び、低周波化、処理時圧力の高真空化においても、電極周辺あらゆる部材のアンテナ化による、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりでの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成させることができ、量産性を向上させることができる。さらに、導電性部材の表面の絶縁皮膜の絶縁破壊を防止するこるとができ、高周波電力が効率よく印加するための整合を長期間行うことができ、量産性を向上させることができる。また、上記伝熱ガスを５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整することができるため、基板温度の面内均一性の悪化を防止し、基板温度と電極温度との差の拡大を抑制し、すなわち温度制御性の悪化を防止し、またはプロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更により基板温度が変化することを防止して、プロセスマージンの縮小化を防止することができる。すなわち、プロセス条件の変更、特にプラズマ生成用の印加電力の変更による基板温度の変化が減少し、プロセスマージンの確保を行うことができ、量産性を向上させることができる。
【００６３】
また、上記電極の周囲は、セラミック状の絶縁体部材により包囲され、さらに上記基板が直接接触する面以外は表面に絶縁体を被覆した導電性部材により包囲され、かつ、上記導電性部材は接地されており、上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とが、上記接地された導電性部材内に構成されているため、電気的特性として非常にコンパクトに絶縁されている。このため、これらの部材が巨大化することなく構成できる。よって、電極構成部品の巨大化、複雑化を無くし、組み付け、取り外しの作業の簡便性を上げることができ、量産性を向上させることができる。
【００６４】
従って、近年の基板保持台へ印加するプラズマ生成用交流電力の高パワー化、低周波化、及び処理時圧力の高真空化により発生していた、突き上げピン昇降空間及びＨｅ供給ガス溜まりの異常放電発生を防止し、効率の良いプラズマを生成し、基板保持台構成部品の組み付け、取り外しの作業を簡便性を上げ、プロセス条件の変更による基板温度の変化を減少させ、プロセスマージンの確保を実現することができる。この結果、量産性を向上させるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の形態におけるプラズマ処理装置の反応室の模式的な断面図である。
【図２】 本発明の上記実施形態の形態におけるプラズマ処理装置排気部の断面図である。
【図３】 従来のプラズマ処理装置の反応室の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１…真空室、２…被処理基板、３…基板保持台、３ａ…セラミック層、３ｂ…アルミニウムベース、３ｃ，３ｄ…内部電極、３ｈ…伝熱ガス導入穴、５…突き上げ機構、５ａ…突き上げピン、５ｂ…突き上げピン昇降空間、５ｃ…歯車機構、５ｄ…マグネットカップリング、５ｅ…回転モーター、５ｆ…回転軸、６…直流電源、７…プラズマ生成用交流電極、８ａ…Ｈｅガスの供給機構、８ｃ…Ｈｅガス圧力調整機構、８ｄ…開閉バルブ、８ｅ…流量コントローラ、８ｆ…開閉バルブ、８ｐ…圧力計、８ｖ…絞り弁、９ａ，９ｂ…ハウジング、２０…真空排気装置、２０ａ…開閉弁、２０ｂ…排気口、３０…エッチングガス導入装置、３１…ガス導入口、４０…高周波フィルター、５０…押さえリング。
Claims (6)
- 真空室と、真空室内を排気する排気装置と、上記真空室内に配置されかつ上記真空室内にプラズマを生成するための電極と、上記電極に基板を昇降可能に載置するための基板突き上げ機構と、上記電極と上記基板との間に伝熱ガスを供給し、上記基板の温度を制御する基板冷却機構を有して、上記真空室内にプラズマを生成させて上記基板を処理するプラズマ処理装置であって、
上記突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、上記伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室内より積み上げ方式によって組み立てられているとともに、上記突き上げピンの昇降空間とガス溜まり空間とを構成する部材が、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てられるようにしたプラズマ処理装置。 - ３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- １Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
- 電極に基板を昇降可能に載置するための突き上げ機構の上記基板を昇降させる突き上げピンの昇降空間と、電極と上記基板との間に供給される伝熱ガスを上記電極と上記基板の間に複数の穴から供給するためのガス溜まり空間とを構成する部材が、真空室内に積み上げ方式によって組み立てられたのち、
上記真空室内を排気して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、上記電極と上記基板との間に上記伝熱ガスを供給して上記基板の温度を制御しながら上記基板を処理するとともに、上記真空室の底面から上方に向かうに従い、円筒状のハウジング、上記突き上げ機構の駆動部分、円板状ハウジング、上記電極を内蔵する基板保持台の順に積み重ねて組み立てるようにしたプラズマ処理方法。 - ３００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波を使用して上記真空室内にプラズマを生成するとともに、５０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下までの圧力範囲内に調整した上記伝熱ガスにより、上記基板の温度を制御してプラズマ処理する請求項４に記載のプラズマ処理方法。
- １Ｐａ以下の圧力領域で上記真空室内にプラズマを生成してプラズマ処理する請求項４又は５に記載のプラズマ処理方法。
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