JP4421874B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁体からなる被処理基板を静電的に吸着固定する静電吸着装置ならびにこれを用いるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）のパネル製造においては、一般にガラスなどの絶縁体からなる基板上に画素のデバイスまたは電極や配線等が形成される。パネル製造の様々な工程のうち、エッチング、ＣＶＤ、アッシング、スパッタリング等の微細加工でプラズマが利用されている。このようなプラズマ処理を行う製造装置では、減圧可能な処理容器内で基板を載置台の上に載置し、基板の上面（被処理面）を処理ガスのプラズマに曝して加工処理を行うようにしている。この場合、プラズマ処理中の発熱による温度上昇を抑えて基板の温度を一定に制御する必要があり、このためにチラー装置より温調された冷媒を載置台内の冷媒通路に循環供給すると同時に、Ｈｅガスなどの伝熱性の良いガスを載置台の中を通して基板の裏面に供給して基板を間接的に冷却する方式がよく用いられている。この冷却方式は、Ｈｅガスの供給圧力に抗して基板を載置台上に固定保持しておくための機構を必要とする。
図１３に、プラズマ処理装置において絶縁体の基板を静電吸着力により保持する従来の静電吸着装置の構成を示す。この静電吸着装置において、載置台２００は、ベース部材２０２の上に、導電体からなるサセプタ２０４と、絶縁体からなるフォーカスリング２０６とを設けている。絶縁基板Ｇは、基板周端部がフォーカスリング２０６の上面に被さるようにしてサセプタ２０４の上面に載置される。サセプタ２０４の内部には冷媒通路２０８が設けられており、チラー装置（図示せず）からの冷媒が冷媒流路２０８を流れるようになっている。また、サセプタ２０４の上面には多数の通孔２１０が設けられており、Ｈｅガス供給部（図示せず）からの伝熱用のＨeガスがこれらの通孔２１０を通って基板Ｇの裏面に所定の圧力で供給されるようになっている。
サセプタ２０４には、高周波電源２１２より数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの高周波が印加される。プラズマ処理中に基板Ｇの上には処理ガスのプラズマＰＺが生成される。このプラズマＰＺは、高周波電源２１２からの高周波によって生成されることもあれば、図示しない別の高周波電源からの高周波によって生成されることもある。後者の場合、高周波電源２１２よりサセプタ２０４に印加される高周波は、プラズマＰＺ中のイオンを基板Ｇの被処理面に引き込むためのバイアスに用いられる。
さらに、サセプタ２０４には、ＤＣ（直流）電源２１４より数ｋＶ程度のＤＣ電圧が印加される。このＤＣ電圧が正極性の電圧である場合、基板Ｇの上面（被処理面）にはプラズマＰＺ中の負の電荷（電子、負イオン）が引き付けられるようにして蓄積し、これにより、基板Ｇ上面の負の面電荷とサセプタ２０４との間に互いに引き合う静電力（クーロン力）が働き、この静電引力で基板Ｇはサセプタ２０４上に吸着固定される。
図１４に、上記静電吸着装置（図１３）を改良した従来技術を示す。この静電吸着装置では、サセプタ２０４の上面を絶縁体層２１６で被覆する。通孔２１０はサセプタ２０４内部のガス流路からサセプタ２０４上面部および絶縁体層２１６を貫通して形成される。
ＦＰＤ用の絶縁基板は近年益々大型化の要求が高まっている。上記のような静電吸着装置においては、絶縁基板のサイズが大きくなるほど基板が熱応力によって反りやすくなるため、基板温度の制御に用いる伝熱ガス（Ｈeガス）の供給圧力を増加させなければならず、これに伴なって基板を固定保持しておくための静電吸着力を増大させる必要がある。しかしながら、静電吸着力を増大させるためにサセプタに印加するＤＣ電圧を高くすると、異常放電（殆どがアーク放電）や絶縁破壊等の破損が起こりやすくなるという問題がある。
実際、図１３の従来例では、絶縁基板Ｇの大型化に伴ない、静電吸着力を増大させるべくＤＣ電源２１４よりサセプタ２０４に印加するＤＣ電圧を高くすると、サセプタ２０４上面の周端部とプラズマＰＺとの間で異常放電が生じやすく、サセプタ２０４の破壊（電極破壊）が起こりやすくなる。この点、図１４の従来例では、絶縁体層２１６によって上記のような異常放電をある程度まで抑制できる。しかしながら、まだ、サセプタ２０４とフォーカスリング２０６との隙間や通孔２１０内で露出するサセプタ２０４等から異常放電が起こるおそれがある。また、サセプタ２０４の温度を上げると、サセプタ２０４の膨張率と絶縁体層２１６の膨張率との差によって絶縁体層２１６に大きな熱ストレスが加わり、絶縁体層２１６にクラックが入りやすくなる。このようなクラックは、基板サイズが大きくなるほど（一般に基板最長部寸法が５００ｍｍ以上になると）発生しやすくなる。
また、載置台２００上の基板Ｇの吸着不良、端部欠損または載置ズレ（搬送ズレ）等も異常放電の原因になるが、この問題に対しても従来技術には有効な解決法がなかった。このように、ＤＣ電圧を高くしていくと異常放電や絶縁破壊等が起きやすくなるのでは、静電吸着力を増大させることが難しくなり、ひいては大型の基板に対して面内均一な温度制御を行うことが難しくなり、ひいは面内均一なプラズマ処理を行うことが難しくなる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、載置台上の絶縁体からなる被処理基板の保持不良、端部欠損または載置ズレに起因する異常放電を防止できるようにしたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で前記基板を載置するための載置台と、前記載置台上に前記基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の前記基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている前記基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部と、前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をモニタリングする伝熱ガス流量モニタ部と、前記伝熱ガス流量の測定値を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御するシーケンス制御部とを有する。
また、本発明のプラズマ処理方法は、プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するための載置台と、前記載置台上に基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部とを用いて、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理方法であって、前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御する。
本発明においては、伝熱ガス供給部から載置台上の基板の裏面へ供給される伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、シーケンス制御部がそのモニタリングされた伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、比較結果に応じてプラズマ生成部を作動させるか否かを決定する。上記の比較で、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値以下のときは、載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、プラズマ生成部や伝熱ガス供給部等を制御して、処理室内に処理ガスのプラズマを生成し、基板に対するプラズマ処理を実行してよい。しかし、上記の載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、比較で、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値を超えるときは、載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、プラズマ生成部や伝熱ガス供給部等を制御して、処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止してよい。
このように、伝熱ガスの供給を開始した当初から相当のガス漏れが発生する原因としては、載置台上で基板に設定通りの十分な静電吸着力が作用していない場合や、基板の端部が欠けている場合や、基板の載置位置がずれている場合等が考えられる。いずれにしても、このようなトラブルを抱えたままプラズマを発生させると、その時点で異常放電が生じて電極破損となることがある。本発明によれば、プラズマの発生前にそのようなトラブルを伝熱ガス漏れ流量のモニタリングによって早期に検出できるので、異常放電を未然に防ぐことができる。
このように、伝熱ガスの供給を開始した当初から相当のガス漏れが発生する原因としては、載置台上で基板に設定通りの十分な静電吸着力が作用していない場合や、基板の端部が欠けている場合や、基板の載置位置がずれている場合等が考えられる。いずれにしても、このようなトラブルを抱えたままプラズマを発生させると、その時点で異常放電が生じて電極破損となることがある。本発明によれば、プラズマの発生前にそのようなトラブルを伝熱ガス漏れ流量のモニタリングによって早期に検出できるので、異常放電を未然に防ぐことができる。
本発明において、先ず処理室に処理ガスを導入してから、伝熱ガス供給部から絶縁基板の裏面への伝熱ガスの供給が行われる手順は重要である。すなわち、処理ガスを導入せずに処理室内を高真空にしたまま基板に伝熱ガス圧力を加える手順においては、絶縁体の基板に与えられる静電吸着力が非常に弱く、低い伝熱ガス圧力でも基板が載置台上で脱離したり位置ズレを起こす可能性がある。本発明によれば、先ず処理ガスの導入によりその一部が電離することで基板の上面が適度に帯電し、適度な静電吸着力が得られるので、その後に伝熱ガスの供給が行われても、基板が載置台上で脱離したり位置ズレを起こすことはない。
本発明の好適な一態様においては、ガス流量モニタ部にてモニタリングされた伝熱ガスの供給流量と基準値との比較は、伝熱ガスの供給圧力をプラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行う。そして、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値以下のときに、伝熱ガスの流量を本来の設定値まで増大させて、プラズマ処理を実行する。
本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、載置台上の絶縁体からなる被処理基板の保持不良、端部欠損または載置ズレに起因する異常放電を確実に防止することができる。
以下、図１〜図１２を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１に、本発明の第１の実施例による静電吸着装置の構成を示す。この静電吸着装置は、プラズマ処理装置の処理容器内でＦＰＤ用の絶縁基板たとえばガラス基板Ｇを固定保持するものであり、矩形のガラス基板Ｇに対応した矩形形状の載置台１０を有している。この載置台１０においては、ベース部材１２の上に、導電体たとえばアルミニウムからなる矩形ブロック状のサセプタ１４と、このサセプタ１４の周りを囲む絶縁体たとえばセラミックや石英からなる矩形枠状のフォーカスリング１６とを設け、サセプタ１４の主面（上面）上に各々溶射法によって形成される下部誘電体層１８、電極層２０および上部誘電体層２２の三層構造からなる静電吸着部２４を設けている。
ここで、下部誘電体層１８および上部誘電体層２２は、その体積固有抵抗値が１×１０14Ω・ｃｍ以上の絶縁体、好ましくはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）およびジルコニア（ＺｒＯ2）の少なくとも一方を主成分とするセラミックスからなる。電極層２０は、任意の導電体材でよく、たとえばタングステンからなる。公知のプラズマ溶射法により、サセプタ１４の主面上に下部誘電体層１８、電極層２０および上部誘電体層２２の三層を順次重ねて形成することができる。
サセプタ１４の内部には冷媒流路２６が設けられており、チラー装置（図示せず）からの温調された冷媒が冷媒流路２６を流れるようになっている。また、サセプタ１４の上面および静電吸着部２４（１８，２０，２２）には多数の通孔２８が設けられており、Ｈｅガス供給系（図示せず）からのＨｅガスが伝熱用のガスとしてサセプタ内部のガス流路およびこれらの通孔２８を通ってガラス基板Ｇの裏面に所定の圧力で供給されるようになっている。
図２に示すように、通孔２８回りの電極層２０（斜線で示した部分）には通孔２８よりも大きな口径を有する円状のくり抜き部（切欠き部）２０ａが形成されており、電極層２０は通孔２８内でも露出せず、通孔２８内の中間部ないし上部の壁面は下部誘電体層１８および上部誘電体層２２によって構成される。また、電極層２０の外周端も、下部誘電体層１８および上部誘電体層２２の外周端より内側に引っ込んでおり、外に露出しない構造となっている。このように、電極層２０の全部が下部誘電体層１８と上部誘電体層２２との間に埋設されている。
図１において、サセプタ１４には、整合器３０を介して高周波電源３２の出力端子が電気的に接続されている。この高周波電源３２の出力周波数は数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの範囲内で選ばれ、出力パワーは数ｋＷ程度に選ばれる。一方、静電吸着部２４の電極層２０には、直流（ＤＣ）電源３４の出力端子が高周波遮断部３６を介して電気的に接続されている。高周波遮断部３６は、サセプタ１４側からの高周波を遮断するためのもので、好ましくは１ＭΩ以上の高い抵抗値を有する抵抗器または直流を通すローパスフィルタで構成されてよい。スイッチ３８は、電極層２０に対してＤＣ電源３４とグランド電位とを切り換えるためのものである。
プラズマ処理中にガラス基板Ｇの上には処理ガスのプラズマＰＺが生成される。このプラズマＰＺは、高周波電源３２からの高周波によって生成されることもあれば、図示しない別の高周波電源からの高周波によって生成されることもある。後者の場合、高周波電源３２よりサセプタ１４に印加される高周波は、プラズマＰＺ中のイオンをガラス基板Ｇの上面（被処理面）に引き込むためのバイアスに用いられる。
スイッチ３８がＤＣ電源３４側に切り換えられると、ＤＣ電源３４からのＤＣ電圧が電極層２０に印加される。このＤＣ電圧が正極性の電圧である場合、ガラス基板Ｇの上面には負の電荷（電子、負イオン）が引き付けられるようにして蓄積する。これにより、ガラス基板Ｇ上面の負の面電荷と電極層２０との間にガラス基板Ｇおよび上部誘電体層２２を挟んで互いに引き合う静電力つまりクーロン力が働き、この静電引力でガラス基板Ｇは載置台１０上に吸着固定される。スイッチ３８がグランド側に切り換えられると、電極層２０が除電され、これに伴なってガラス基板Ｇも除電され、上記クーロン力つまり静電吸着力が解除される。
この静電吸着装置では、ＤＣ電源３４からのＤＣ電圧が、下部誘電体層１８および上部誘電体層２２により周囲から完全に絶縁分離された電極層２０に印加され、サセプタ１４に直接印加されることはない。このことにより、サセプタ１４とプラズマＰＺとの間で異常放電が生じ難いのはもちろん、ＤＣ電圧を印加される電極層２０とプラズマＰＺとの間でも異常放電は生じない。特に、通孔２８の内壁も誘電体層１８，２２で構成されているため、Ｈeガスの漏洩経路が基板Ｇと上部誘電体層２２との接触面にできたとしても、異常放電は生じない。したがって、ＤＣ電圧を高くして静電吸着力を増大させることができる。このため、Ｈｅガス供給量を増加させることが可能となり、ガラス基板Ｇのサイズが大きくても良好かつ均一な基板温度制御を行うことができる。
さらに、この静電吸着装置では、サセプタ１４とＤＣ電源３４との間に接続された高周波遮断部３６により、サセプタ１４側の高周波がＤＣ電源３４側に漏洩するのを阻止して、ＤＣ電源３４を高周波から保護することができる。
図３に、本発明の第２の実施例による静電吸着装置の構成を示す。図中、上記した第１の実施例のもの（図１）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。この第２の実施例では、サセプタ１４と下部誘電体層１８との間に膜状（たとえば膜厚５０μｍ）の熱応力緩衝材４０を設けている。この熱応力緩衝材４０もプラズマ溶射法で形成できる。
たとえばプラズマエッチングでは、そのプラズマ処理条件にも依存するが、サセプタ温度を８０゜Ｃ付近に設定することがある。この場合、静電吸着部２４のうち特に誘電体層１８，２２とサセプタ１４間の膨張率の違いから、誘電体層１８，２２において熱クラックが生じ、絶縁破壊を来すことがある。特に、電極層２０に高電圧を印加する場合は、この誘電体層１８，２２の熱ストレスによる僅かな疲労も絶縁破壊に至るおそれがある。
本発明者は、誘電体層１８，２２の熱ストレスに起因する絶縁破壊について、誘電体層１８，２２を構成する絶縁体材およびサセプタ１４を構成する導電体材を検討した。その結果、室温〜１００゜Ｃ間の材質の膨張率の差が最も重要であるが、誘電体層または絶縁体材の靭性（特にせん断応力耐性）も非常に重要になることが判明した。また、サセプタ１４の材質としては、高い熱伝導性、低い金属汚染、高い加工性を有するものが好ましく、誘電体層１８，２２の材質としては、高い絶縁性、高い誘電率、さらにはサセプタ上面との高い密着性を有するものが好ましいことが確認された。
そして、図３に示すように、サセプタ１４と下部誘電体層１８との界面領域に導電体材である熱応力緩衝材４０を介在させることがあらゆる観点から最も有効であることが判明した。この実施例では、サセプタ１４の材質をＡｌ金属とし、下部誘電体層１８および上部誘電体層２２の材質を耐電圧性の高いアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）または靭性の高いジルコニア（ＺｒＯ2）とし、熱応力緩衝材４０をＮi−５Ａｌ合金で構成する。ここで、Ｎi−５Ａｌ合金は、ニッケルとアルミの（原子）混成比が１：５の合金であり、その線膨張係数は、表１に示すように、アルミナあるいはジルコニアの線膨張係数よりも大きく、アルミ金属の線膨張係数よりも小さい。このように、熱応力緩衝材４０の材質としては、線膨張係数（膨張率）が誘電体層１８，２２とサセプタ１４の中間の値であり、また誘電体層１８，２２との密着性が高いものが好ましい。
このように、サセプタ１４と下部誘電体層１８との間に両者の中間の膨張率を有する熱応力緩衝材４０を設けることにより、静電吸着部２４の熱ストレス耐性を大幅に向上させ、熱ストレスに起因する誘電体層１８，２２の絶縁破壊を低減することができる。このことにより、電極層２０に対する高電圧のＤＣ印加が高い信頼度で可能となり、高い信頼性の下にガラス基板Ｇを載置台１０上に安定確実に固定保持することができる。
図４に、本発明の第３の実施例による静電吸着装置の構成を示す。図中、上記した第１および第２実施例のもの（図１、図３）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
本発明の静電吸着装置では、電極層２０とサセプタ１４が下部誘電体層１８を介して容量的に結合している。このため、図５に示すように、ＤＣ電源３４よりΦP（たとえば５ｋＶ）のＤＣ電圧を電極層２０に印加すると、容量カップリングによってサセプタ１４の電位もΦPに近いΦs0（たとえば４ｋＶ付近）に上昇する。この状態でプラズマを着火すると（あるいはプラズマ発生中にＤＣ印加を開始すると）、高電位状態のサセプタ１４とプラズマＰＺとの間でアーク放電が発生するおそれがある。
そこで、この第３の実施例では、抵抗器４２を介してサセプタ１４をグランドに接地している。上記のような容量カップリングによってＤＣ電圧印加の開始直後にサセプタ１４の電位が数ｋＶに上昇しても、抵抗器４２を介してサセプタ１４の電位を図５のΦs1のように指数関数的に速やかにグランド電位まで下げることができる。これにより、サセプタ１４とプラズマＰＺとの間のアーク放電を防止することができる。一方で、抵抗器４２は、高周波電源３２よりサセプタ１４に印加されている高周波を実質的に遮断できる高い抵抗値Ｒ42を有する必要がある。この抵抗器４２において、高周波遮断機能と上記のような直流電位クランプ機能とを両立させるための抵抗値Ｒ42の最適な範囲は１ＭΩ〜１０ＭΩである。
次に、本発明の静電吸着装置を備えたプラズマ処理装置の実施例を説明する。図６に、一実施例による誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、低圧で高密度のプラズマ生成を可能にし、たとえばＬＣＤの製造においてガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する際に、メタル膜、ＩＴＯ膜、酸化膜等を高速にエッチングするために用いられる。図中、上記した第１〜第３実施例のもの（図１〜図４）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
このプラズマエッチング装置は、導電体材たとえば内壁面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる角筒形状で気密な本体容器５０を有している。この本体容器５０はグランドに接地されている。本体容器５０の内部は、水平に延在する誘電体壁５２により上部のアンテナ室５４と下部の処理室５６とに区画されている。誘電体壁５２は、Ａｌ2Ｏ3等のセラミックスあるいは石英等からなり、処理室５６側の天井壁を構成している。アンテナ室５４の側壁５４ａと処理室５６の側壁５６ａとの間には内側に突出する支持棚５８が設けられており、この支持棚５８の上に誘電体壁５２がシール部材（図示せず）を介して取付され、ビス（図示せず）によって固定される。
誘電体壁５２は組み立て構造となっており、その下面の略全面がセラミックス、石英等の誘電体で構成されたカバー部材６０で覆われており、その内部には処理ガス供給用のシャワーヘッド６２が設けられている。このシャワーヘッド６２は、たとえば内面がアルマイト処理されたアルミニウムで構成されている。このシャワーヘッド６２内には水平に広がって延びるガス流路またはバッファ室６４が形成されている。そして、このバッファ室６４には、下方に向かって延び、カバー部材６０を経て開口する複数のガス吐出孔６４ａが連通している。一方、誘電体壁５２の上面中央には、バッファ室６４に連通するガス供給管６６が取り付けられている。ガス供給管６６は、本体容器５０の天井からその外側へ貫通し、処理ガス供給源およびバルブシステム等を含む処理ガス供給系６８に接続されている。プラズマエッチング中は、処理ガス供給系６８からの処理ガスがガス供給管６６を介してシャワーヘッド６４内に導入され、その下面のガス供給孔６４ａから処理室５６内へ吐出されるようになっている。
アンテナ室５４内には、誘電体壁５２の上に、略角形渦巻き状に巻かれた平面型のコイルアンテナからなる高周波アンテナ７０が配設されている。この高周波アンテナ７０の渦巻き中心端部は、本体容器５０の天井から外へ導出され、整合器７２を介して高周波電源７４の出力端子に電気的に接続されている。一方、渦巻きの外側端部は本体容器５２に電気的に接続され、本体容器５２を介してグランドに接地されている。
プラズマエッチング中は、高周波電源７４より所定の周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が整合器７２を介して高周波アンテナ７０に供給されることにより、高周波アンテナ３０と平行な交番電界が処理室５６内に形成され、この交番電界によりシャワーヘッド６４から処理室５６内に供給された処理ガスがプラズマ化される。高周波電源７４の出力パワーは、プラズマを発生させるのに十分な値になるように適宜設定されてよい。
処理室５６内の下方には、誘電体壁５２を挟んで高周波アンテナ７０と対向するように、本発明による静電吸着装置の載置台１０が設置される。このプラズマエッチング装置では、載置台１０が絶縁体からなるトレイ７６に収納され、さらに中空の支柱７８に支持される。支柱７８は本体容器５０の底部を気密状態を維持しつつ貫通し、本体容器５０の外に配設された昇降機構（図示せず）に支持されている。基板Ｇの搬入出時には、該昇降機構の駆動により載置台１０を上下方向に移動させるようにしている。トレイ７６と本体容器５０の底板部との間には、支柱７８を気密に包囲するベローズ８０が設けられており、載置台１０の上下動によっても処理室５６内の気密性が保たれるようになっている。また、処理室５６の側壁５６ａには基板搬入出口を開閉するためのゲートバルブ８２が設けられている。
載置台１０のベース部材１２はアルミニウム、ステンレス等の導電体材で構成され、このベース部材１２に高周波電源３２が整合器３０および給電棒を介して電気的に接続されている。プラズマエッチング中に、高周波電源３２よりたとえば３．２ＭＨｚのバイアス用高周波がベース部材１２を介してサセプタ１４に印加され、処理室５６内に生成されたプラズマ中のイオンが効果的に載置台１０上のガラス基板Ｇに引き込まれる。ここで、高周波電源３２より供給する高周波電力は、通常は上部高周波電源７４より供給されるプラズマ生成用の高周波電力よりも低い値に設定される。
載置台１０の各部に対する配管や配線は、いずれも中空の支柱７８内を通って本体容器５０の外へ引き出され、各種用力源あるいは各種用力／制御機器に接続されている。Ｈｅガス供給系８４より送出されるＨｅガスは、ＰCV（Pressure Control Valve ）８６で圧力調整されてから載置台１０の通孔２８に送られる。ＰCV８６に取り付けられている流量計測器８８は、通孔２８側へ供給されるＨｅガスの流量を検出するもので、後述する静電吸着時におけるＨｅガスの漏洩流量をモニタリングするために用いられる。流量計測器８８で得られたガス流量測定値は制御部９０に与えられる。
処理室５６の底部に設けられた排気口には、排気管９２および真空ポンプ（図示せず）を含む排気機構９４が接続される。この排気機構９４により処理室５６の室内が排気され、プラズマ処理中に処理室５６内が所定の真空雰囲気（たとえば１０ｍTorr＝約１．３３Ｐａ）に維持される。制御部９０は、マイクロコンピュータで構成されてよく、このプラズマエッチング装置の各部すなわち高周波電源３２，７４、スイッチ３８、処理ガス供給系６８、Ｈｅガス供給系８４、排気機構９４等を個別に制御するとともに、装置全体の動作シーケンスを制御する。
このプラズマエッチング装置においては、ガラス基板Ｇが大型のものであっても、本発明の静電吸着装置が該基板Ｇを安定確実に保持するので、基板各部の温度を均一に制御して基板上に面内均一なプラズマエッチングを施すことができる。
次に、このプラズマエッチング装置に組み込まれている静電吸着装置の好ましい形態について説明する。
図７に、載置台１０上のガラス基板Ｇに対する伝熱用Ｈｅガスの基板冷却効果を調べた実験の結果を示す。この実験では、Ｈｅガスの供給圧力を変化させ、基板上の異なる位置に設定した計測ポイントの温度を熱電対を用いて測定した。代表的な計測ポイントとして、「センター」は基板中心部であり、「エッジ」は基板端部である。主な条件は下記のとおりである。
基板サイズ（対角線寸法）＝５００ｍｍ
基板の板厚＝０．７ｍｍ
チャンバ内の圧力＝３０ｍTorr
処理ガス＝Ｏ2
高周波電力（１３．５６ＭＨｚ／３．２ＭＨｚ）＝５０００Ｗ／３０００Ｗ
ＤＣ電圧＝２５００Ｖ
時間＝１８０秒
基板サイズ（対角線寸法）＝５００ｍｍ
基板の板厚＝０．７ｍｍ
チャンバ内の圧力＝３０ｍTorr
処理ガス＝Ｏ2
高周波電力（１３．５６ＭＨｚ／３．２ＭＨｚ）＝５０００Ｗ／３０００Ｗ
ＤＣ電圧＝２５００Ｖ
時間＝１８０秒
プラズマエッチング中に、ガラス基板Ｇの温度はプラズマからの入熱で上昇するが、サセプタ１４側から基板裏面にＨｅガスを当てることで基板温度を一定値まで下げ、かつ基板面内の温度を均一に維持することができる。図７からわかるように、Ｈｅガス圧力が０〜２Torrでは圧力増加と共にその冷却効果も増大して基板温度は低下するが、２Torr以上（特に３Torr以上）になると冷却効果に飽和が見られてくる。このことから、このプラズマエッチング装置に用いる伝熱用のＨｅガス圧力は２Torr以上とするのが好ましい。一方で、Ｈｅガス圧力は絶縁基板の裏面に作用し、載置台から絶縁基板を脱離させたり載置ズレを引き起こす方向に働くために、必要以上のＨｅガス圧力は好ましくない。このことから、Ｈｅガス圧力は１０Torr程度を上限とするのが好ましい。
図８に、電極層２０に印加するＤＣ電圧とガラス基板Ｇに対する吸着圧力（静電吸着力）との関係を示す。図示のように、吸着圧力はＤＣ印加電圧の２乗に比例して増大する。図７で説明したように、基板冷却効果の観点から、Ｈｅガス圧力は５Torr程度で十分と考えられる。このことは、Ｈｅガス圧力に抗して基板を固定保持しておくための吸着圧力は５Torrで十分であることを意味する。図９に、５Torrの吸着圧力を得るために必要な絶縁膜厚と印加電圧の関係を特性曲線（直線）Ａで示すとともに、絶縁膜自体の絶縁破壊電圧を特性曲線（直線）Ｂで示す。図中の斜線部分の領域（ＡとＢで囲まれた領域）が実現可能な絶縁膜厚と印加電圧の組み合わせとなる。これにより、絶縁膜厚４００μｍ、印加電圧は約５ｋＶ程度とするのが好ましいといえる。
図９では誘電体層１８，２２の材質としてアルミナ膜について説明しているが、溶射法で成膜したジルコニア膜についても検討し充分に使用できることを確認している。上述したようにジルコニアは靭性が高く特に熱ストレスに強いために、静電吸着部の信頼性を高くするのに適している。また、ジルコニアはアルミナと同様にプラズマ耐性に優れており、しかもその比誘電率は２０〜３０とアルミナ膜（１０）の２倍以上になる。通常、吸着力（吸着圧力）は誘電体層の比誘電率の２乗に比例して増大することから、将来的にはアルミナより有望なセラミックスともいえる。もっとも、ジルコニアは、膜中のリーク電流（ホッピング電流）がアルミナ膜より高く、リーク電流を抑えて図９の信頼性保障を確保するためには、その膜厚を厚くしなければならないという側面はある。なお、吸着圧力は膜厚の２乗に反比例して減少する。要するに、アルミナ膜は耐電圧性や薄膜化の面で優れており、ジルコニア膜は靭性ないし耐クラック性で優れており、どちらも誘電体層１８，２２の材質として好適に使用できる。なお、誘電体層１８，２２を構成するセラミックス材料においてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）とジルコニア（ＺｒＯ2）とを混在させるときは、その成分比を約５０％：５０％とするのが好ましい。
このように、本発明におけるような溶射法で成膜した誘電体層は、通常のセラミックス焼結体の絶縁体層よりもその絶縁性が優れている。また、溶射法は大面積の部材表面でも容易に誘電体膜を形成できるという利点があり、大型基板向けの載置台に有利に適用できる。
次に、図１０および図１１につき、この実施例のプラズマエッチング装置における特徴的な動作を説明する。
図１０に、このプラズマエッチング装置における載置台１０回りの要部の等価回路を示す。この等価回路において、ＳＷ1は切換スイッチ３８、ＳＷ2は高周波電源３２のオン／オフ・スイッチ、Ｒ36，Ｒ42はそれぞれ高周波遮断部３６，抵抗器４２の抵抗、Ｃ18は下部誘電体層１８の容量（キャパシタンス）、ＣG,22はガラス基板Ｇと上部誘電体層２２との直列容量、ＺPはプラズマのインピーダンスである。また、ノードＮ20，Ｎ14はそれぞれ電極層２０，サセプタ１４に対応している。図１１に、このプラズマエッチング装置におけるプラズマエッチング処理の開始直後の動作シーケンスを示す。この動作シーケンスは制御部９０の制御の下で実行される。
先ず、処理ガス供給系６８を作動させ、処理ガスをシャワーヘッド６２を通して処理室５６内に導入する。これと前後して、スイッチＳＷ1（３８）をＤＣ電源３４に切り換える。これにより、ＤＣ電源３４からのＤＣ電圧が抵抗Ｒ36を介してノードＮ20（電極層２０）に印加される。このノードＮ 20の電位は、おおよそ時定数Ｃ18×（Ｒ36＋Ｒ42）で図５のΦPのように上昇する。このＤＣ電圧印加によってガラス基板Ｇの上面に電荷が蓄積し、この面電荷と載置台１０側の電極層２０との間に働く静電引力（クーロン力）によってガラス基板Ｇが載置台１０（より正確には上部誘電体層２２）上に固定保持される。一方、上記のようにしてノードＮ 20の電位が上昇すると、キャパシタＣ18を介したカップリングによりノードＮ14（サセプタ１４）の電位も吊られるようにして上昇する。しかし、ノードＮ14は抵抗Ｒ42を介してグランドに接地されているので、ノードＮ14の電位はおおよそ時定数Ｃ18×（Ｒ36＋Ｒ42）で図５のΦs1のように指数関数的に速やかにグランド電位付近まで下がる。
上記のようにスイッチＳＷ1（３８）をＤＣ電源３４に切り換えてから所定時間後に、Ｈｅガス供給系８４を作動させて、載置台１０上の基板ＧにＨｅガスを供給する。なお、サセプタ１４の冷媒流路２６にはプラズマ処理を開始する前から冷却媒体が供給されている。このＨｅガスの供給を開始するに際しては、処理時の設定値（たとえば４Torr）よりも低い供給圧力（たとえば１．５Torr）を選択する。そして、その時のＨｅガス流量を流量計測器８８および制御部９０でモニタリングする。モニタ値（Ｈｅ流量測定値）が基準値以下になっているときは、載置台１０におけるＨｅガスの漏れ量が許容範囲内であると判定して、スイッチＳＷ2をオンにして高周波電力を投入し、プラズマを着火（ＳＷ3オン）させる。そして、Ｈｅガス流量を本来の設定値（定常値）まで増大させ、所期のプラズマエッチングを実行する。しかし、図１１の点線で示すようにモニタ値（Ｈｅガス流量測定値）が基準値を越えているときは、載置台１０におけるＨｅガスの漏れ量が許容範囲を超えていると判定して、スイッチＳＷ2，ＳＷ3をオンにすることなく、この時点で、つまりプラズマを発生させることなく処理を中断または中止する。
このようにＨｅガスの供給を開始した当初から相当のガス漏れが発生する原因としては、載置台１０上でガラス基板Ｇに設定通りの十分な静電吸着力が作用していない場合や、ガラス基板Ｇの端部が欠けている場合や、ガラス基板Ｇの載置位置がずれている場合等が考えられる。いずれにしても、このようなトラブルを抱えたままプラズマを発生させると、その時点で異常放電が生じて電極破損となることがある。この実施例では、プラズマの発生前にそのようなトラブルをＨｅガス漏れ流量のモニタリングによって早期に検出できるので、異常放電を未然に防ぐことができる。
この実施例の動作シーケンスにおいて、先ず処理ガスを処理室５６内に導入してからガラス基板ＧにＨｅガス圧力を加える手順は重要である。すなわち、処理ガスの導入によりその一部が電離することでガラス基板Ｇ上面が適度に帯電し、適度な静電吸着力が得られる。これに対して、処理ガスを導入せず処理室５６内を高真空にしたままＨｅガス圧力を加える手順においては、ガラス基板Ｇに与えられる静電吸着力が非常に弱く、低いＨｅガス圧力でもガラス基板Ｇが載置台１０上で脱離したり位置ズレを起こす可能性がある。なお、処理ガスの種類や流量の違いで処理ガス導入時の静電吸着力が変わることもある。処理ガス導入のみで十分大きな（たとえば２Torr以上の）静電吸着力が得られる場合は、Ｈｅガスを最初から本来の設定流量で供給するようにしてもよい。
なお、処理ガスを導入するタイミングとスイッチＳＷ1をオンにするタイミングの順序については、ＳＷ1のオンを先にして処理ガスの導入を後にしても上記と同様の効果が得られる。
図１２に、本発明の静電吸着装置を備えたプラズマ処理装置の別の例として容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）エッチング装置の構成を示す。図中、上記第４の実施例におけるプラズマエッチング装置のもの（図６）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
このプラズマエッチング装置は、たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる角筒形状に成形されたチャンバ（処理容器）１００を有している。このチャンバ１００内の底部には本発明による静電吸着装置の載置台１０が設置されている。ここで、載置台１０のベース部材１２は絶縁体材で構成され、下部電極を構成するサセプタ１４はチャンバ１００から絶縁分離されている。
載置台１０の上方には、サセプタ１４と平行に対向するように、上部電極として機能するシャワーヘッド１０２が設けられている。シャワーヘッド１０２はチャンバ１００の上部に支持されており、内部にバッファ室１０４を有するとともに、サセプタ１４と対向する下面には処理ガスを吐出する多数の吐出孔１０６が形成されている。このシャワーヘッド１０２はグランドに接地されており、サセプタ１４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１０２の上面にはガス導入口１０８が設けられ、処理ガス供給系６８からの処理ガスはガス導入口１０８を通ってシャワーヘッド１０２のバッファ室１０４に導入される。処理ガス（エッチングガス）としては、ハロゲン系のガス、Ｏ2ガス、Ａｒガス等、通常この分野で用いられるガスを用いることができる。高周波電源３２よりサセプタ１４に印加される高周波は、比較的高い周波数たとえば１３．５６ＭＨｚに選ばれ、プラズマ生成用とバイアス用とに兼用される。このＣＣＰエッチング装置においても、上記したＩＣＰエッチング装置におけるのと同様に本発明の効果が得られる。
上記した実施例のプラズマ処理装置はエッチング装置に係わるものであったが、絶縁体膜、導電体膜あるいは半導体膜等のプラズマＣＶＤ、絶縁基板表面のプラズマ洗浄、チャンバ内壁のプラズマクリーニング等のアプリケーションでも同様に適用できる。この場合に、静電吸着装置のサセプタ側を接地する方式でも本発明は同様に適用可能である。また、本発明は、プラズマ生成としてヘリコン波プラズマ生成、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ生成を用いたプラズマ処理装置等にも適用可能である。本発明における伝熱ガス漏れ流量のモニタリング機能およびこのモニタリング機能に基づいた異常検出機能ないし動作シーケンス機能は、上記のように本発明の静電吸着装置を備えるプラズマ処理装置に好適に適用できるが、伝熱ガスを用いる任意の静電吸着装置を備えるプラズマ処理装置に適用可能である。
他にも、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、本発明の静電吸着装置における電極層（２２）に負のＤＣ電圧を印加する方式や、サセプタ１４内に加熱機構を設ける構成等も可能である。下部誘電体層１８と上部誘電体層２２とで異なる絶縁体材を使用することも可能である。本明における絶縁体の被処理基板はＬＣＤガラス基板に限定されることなく、ＦＰＤ用の任意の絶縁基板や他の用途の絶縁基板にも適用可能である。
Ｇ ガラス絶縁基板
１０ 載置台
１２ ベース部材
１４ サセプタ
１６ フォーカスリング
１８ 下部誘電体層
２０ 電極層
２２ 上部誘電体層
２４ 静電吸着部
２６ 冷媒流路
２８ 通孔
３０ 整合器
３２ 高周波電源
３４ ＤＣ（直流）電源
３６ 高周波遮断部
３８ スイッチ
４０ 熱応力緩衝部材
４２ 抵抗器
５０ 本体容器
５２ 誘電体壁
５６ 処理室
６４ シャワーヘッド
７０ 高周波アンテナ
７４ 高周波電源
８４ Ｈｅガス供給系
８６ ＰＣＶ
８８ 流量計測器
９０ 制御部
９４ 排気機構
１００ チャンバ
１０２ シャワーヘッド
１０ 載置台
１２ ベース部材
１４ サセプタ
１６ フォーカスリング
１８ 下部誘電体層
２０ 電極層
２２ 上部誘電体層
２４ 静電吸着部
２６ 冷媒流路
２８ 通孔
３０ 整合器
３２ 高周波電源
３４ ＤＣ（直流）電源
３６ 高周波遮断部
３８ スイッチ
４０ 熱応力緩衝部材
４２ 抵抗器
５０ 本体容器
５２ 誘電体壁
５６ 処理室
６４ シャワーヘッド
７０ 高周波アンテナ
７４ 高周波電源
８４ Ｈｅガス供給系
８６ ＰＣＶ
８８ 流量計測器
９０ 制御部
９４ 排気機構
１００ チャンバ
１０２ シャワーヘッド
Claims (4)
- 絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、
前記プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、
前記処理容器内で前記基板を載置するための載置台と、
前記載置台上に前記基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、
前記載置台上の前記基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、
前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている前記基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部と、
前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をモニタリングする伝熱ガス流量モニタ部と、
前記伝熱ガス流量の測定値を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御するシーケンス制御部と
を有するプラズマ処理装置。 - 前記シーケンス制御部による前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量と前記基準値との比較は、前記伝熱ガスの供給圧力を前記プラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行わ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。
- プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するための載置台と、前記載置台上に基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部とを用いて、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理方法であって、
前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、
前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御する、プラズマ処理方法。 - 前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量と前記基準値との比較は、前記伝熱ガスの供給圧力を前記プラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行うことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。
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