JP5129234B2

JP5129234B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5129234B2
Application number: JP2009502581A
Authority: JP
Inventors: 祐士青山
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JPWO2008108349A1; TW200902739A; WO2008108349A1

Description

本発明は、基板等の被処理物表面への薄膜形成や表面改質などの各種プラズマ処理において、被処理物表面に生じるアーク現象を抑制することができるプラズマ処理装置に関する。

従来、例えばディスク状記録媒体の記録層等の各種膜に、スパッタ装置が用いられている。ディスク状記録媒体は、その中央と外周部分に膜が形成されない非成膜エリアがあり、そのため、スパッタ成膜時には、その非成膜エリアを覆う押さえ部材（マスク）が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

図７に、押さえ部材（マスク）を用いたスパッタ成膜装置の従来例の構成を模式的に表す。なお、図７に図示する押さえ部材は、被処理物（ディスク状記録媒体）９の外周部分を覆う押さえ部材（アウターマスク）１３であり、被処理物（ディスク状記録媒体）９の中央部を覆う押さえ部材（センターマスク）は省略している。

被処理物９は載置台１に保持され、被処理物９の被処理面は、バッキングプレート７に保持されたターゲット５に対向される。ターゲット５と載置台１との間の処理空間６の周囲を囲むように、グランドに接続されたアノード体として例えばチャンバ２１が設けられている。アノード体２１の内側にはリング状の押さえ部材１３が設けられている。この押さえ部材１３の外周側の端部はアノード体２１に接しており、押さえ部材１３の内周側の端部は、被処理物９の外周側の非成膜領域に接してその非成膜領域を覆っている。

処理空間６内を減圧しスパッタガスを導入して、電源２３からターゲット５に高周波電圧を印加すると、処理空間６にプラズマが発生し、ターゲット５からスパッタされた粒子が被処理物９表面に付着堆積する。このとき、処理空間６に生じた電荷はアノード体２１に飛び込んでグランドに流れる。また、被処理物９の表面に導体膜が形成され、被処理物９表面が導電性を有すると、処理空間６中の電荷が被処理物９表面にも飛び込む。その場合、被処理物９の表面から、その表面に接している導電性の押さえ部材１３側に向けて電流が流れる。すなわち、被処理物９表面から、押さえ部材１３、アノード体２１を介してグランドに電流が流れる経路が形成される。

被処理物９表面と押さえ部材１３との間を電流が流れると、被処理物９表面に損傷が生じる場合がある。特に、被処理物９表面に形成された導体膜が薄いと、被処理物９表面を流れる電流が微弱でも膜の欠けや孔があくなどの損傷が生じやすい。

押さえ部材１３の内周側端部と外周側端部との間に絶縁体を介在させて、被処理物９に接触する押さえ部材内周端部を電気的に浮遊させることによって、被処理物９から押さえ部材１３を介してグランドに流れる電流を抑えることが従来行われてはいるが、電源２３から印加される電圧が高周波電圧であると、絶縁体を隔てて対向する押さえ部材内周端部と外周側端部との間がコンデンサとして機能し、被処理物９から押さえ部材１３側に電流が流れてしまう。
特開平５−７８８３３号公報

本発明は、押さえ部材が被処理物表面に対して電気的に接触する場合において、被処理物から押さえ部材側に流れる電流を抑制して、被処理物に損傷が生じるのを抑制するプラズマ処理装置を提供する。

本発明の一態様によれば、グランドに接続され、被処理物を載置可能な載置台と、前記被処理物に対向して設けられ、前記被処理物との間に形成される処理空間にプラズマを発生させる電圧が印加されるカソード体と、前記処理空間の周囲を囲んで設けられ、グランドに接続されたアノード体と、前記被処理物の非処理領域に接触して前記非処理領域を覆う内側端部と、前記アノード体に接して設けられた外側端部とを有する押さえ部材と、を備え、前記カソード体には高周波電圧が印加され、前記載置台とグランドとの間に、前記被処理物と前記載置台との間の静電容量成分に対して直列に接続され、前記高周波電圧の周波数において前記静電容量成分と直列共振するリアクタンスを設け、前記被処理物から前記押さえ部材を介してグランドに流れる電流の経路のインピーダンスよりも、前記被処理物から前記載置台を介してグランドに流れる電流の経路のインピーダンスを小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を表す模式図。同実施形態に係るプラズマ処理装置における載置台付近のさらに詳細な構造を表す模式図。図２に示す状態からシャフトが下降して、被処理物が処理空間に臨む処理位置から回転テーブル側に移動した状態を表す模式図。図２における要部の拡大図。本実施形態に係るプラズマ処理装置に存在する静電容量成分を表す等価回路図。被処理物としてのディスク状記録媒体の断面構造の一例を表す模式図。従来例の、スパッタ成膜装置の構成を例示する模式図。

符号の説明

１載置台
３カソード体
５ターゲット
６処理空間
７バッキングプレート
９被処理物
１１コイル
１３押さえ部材（アウターマスク）
１５押さえ部材の内側端部
１７押さえ部材の外側端部
１９絶縁体
２０隙間
２１アノード体
２３電源
２５センターマスク
２７シャフト
３１回転テーブル

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を表す模式図である。本実施形態では、被処理物として例えばディスク状記録媒体に対して、スパッタ成膜を行うスパッタ装置をプラズマ処理装置の一例に挙げて説明する。

本実施形態に係るプラズマ処理装置は、主として、載置台１と、カソード体３と、アノード体２１と、押さえ部材（アウターマスク）１３と、コイル１１とを備える。

ディスク状の被処理物９は、その被処理面（スパッタ成膜を受ける面）を処理空間６に臨ませて載置台１に載置される。載置台１は、金属材料などの導電性を有する材料からなり、グランドに接続されている。

カソード体３は、載置台１（これに載置された被処理物９）に対向して設けられたターゲット５と、これを保持するバッキングプレート７などからなる。スパッタ成膜時、カソード体３には、電源２３から高周波電圧が印加される。

載置台１とカソード体３との間の空間の周囲を囲むように、グランドに接続されたアノード体２１が設けられている。アノード体２１は、例えばチャンバーである。または、チャンバーの内側に、チャンバーとは別体にリング状のアノード体を設けてもよい。載置台１（これに載置された被処理物９）、カソード体３およびアノード体２１によって囲まれて処理空間６が形成され、その処理空間６内が所定ガス雰囲気の所定減圧下にされた状態でカソード体３に高周波電圧が印加されると、処理空間６にプラズマが発生する。

アノード体２１の内側には、リング状の押さえ部材（アウターマスク）１３が設けられている。押さえ部材１３は、隙間２０を隔てて設けられた外周側の外側端部１７と、内周側の内側端部１５とを有する。

外側端部１７は、アノード体２１に接して設けられグランドに接続されている。内側端部１５の内周側の先端部は、載置台１に載置された被処理物９の被処理面における最外周面に位置する非成膜領域（非処理領域）に接触してその非成膜領域を覆っている。隙間２０によって、内側端部１５と外側端部１７とが絶縁分離され、これによって、内側端部１５は電気的に浮遊した状態となっている。

載置台１とグランドとの間に、コイル１１が設けられており、このコイル１１は、被処理物９の表面（導体膜）と、載置台１との間に存在する静電容量成分に対して直列に接続されている。

本実施形態に係るプラズマ処理装置（スパッタ成膜装置）のさらに詳細な構造を図２及び図２における要部拡大図である図４に示す。なお、図２、４において、図１と同じ構成要素には同一の符号を付している。

載置台１は断面凹状に形成され、被処理物９の最外周部は、載置台１の外周側の側壁部上端面１ａと、押さえ部材１３の内側端部１５の先端部下面との間に挟まれて保持されている。したがって、被処理物９は、最外周部以外の部分は載置台１に接触しておらず、載置台１との接触により受ける汚れや傷が記録層形成エリアにおよぶのを防ぐことができる。

押さえ部材１３の外側端部１７の一部と、内側端部１５の一部とは、絶縁体１９を介在させて上下方向に重ねられ、さらに絶縁体１９より内側の部分における外側端部１７と内側端部１５との間には隙間２０が形成されているため、外側端部１７と内側端部１５とは互いに接触せず、電気的に絶縁分離されている。

外側端部１７と内側端部１５との間の隙間２０の大きさは、処理時に処理空間６を飛翔し押さえ部材１３表面に堆積し得る粒子（本実施形態の場合ターゲット５からスパッタされた粒子）の自由行程距離以下となっている。これにより、その粒子は隙間２０に入り込み難く、図４に示すように、押さえ部材１３の外側端部１７及び内側端部１５の表面上に堆積する堆積物１００が外側端部１７及び内側端部１５の表面上でつながって形成されない。この結果、堆積物１００によって外側端部１７と内側端部１５とが短絡してしまうのを防止でき、被処理物９表面から押さえ部材１３表面を伝ってアノード体２１及びグランドに流れるアーク電流を抑制できる。

載置台１は、載置台１の中心の下方に延在するシャフト２７に支持されている。載置台１の下方には、段付き孔３３を有する回転テーブル３１が設けられ、その段付き孔３３の中央に軸受３９が取り付けられている。シャフト２７は、軸受３９に対して上下動可能に軸受３９を貫通している。

載置台１の裏側におけるシャフト２７の周囲には載置台押さえ３５がシャフト２７から径外方に延出して設けられている。この載置台押さえ３５によって、載置台１は下方から支えられる。

シャフト２７の先端部２７ａは、載置台１を貫通して載置台１の上方に突き出ており、その先端部２７ａに、被処理物９（ディスク状記録媒体）の中央孔が嵌合する。ターゲット５の中央部には、下方に垂下してセンターマスク２５が取り付けられている。スパッタ成膜時、センターマスク２５は、被処理物９の中央孔及びその周辺の非成膜領域を覆う。

載置台１における外周側の裏面と、段付き孔３３における外周側部分３７との間には、複数のコイル１１が設けられている。コイル１１は、載置台１裏面と、段付き孔３３の外周側部分３７との間で伸縮自在なコイルバネである。

被処理物９は、シャフト２７の上下動と、回転中心がシャフト２７から偏心した位置にある回転テーブル３１の回転によって、外部の搬送機構と、処理空間６に臨む処理位置（図２の状態）との間を移動可能となっている。

処理が終了した被処理物９を搬出するときには、図３に表すようシャフト２７が下降して載置台１ごと被処理物９が処理位置から回転テーブル３１まで移動される。その状態で、回転テーブル３１が回転することで、処理済みの被処理物９が処理空間６の下方に対向する位置から外れて外部の搬送機構に受け渡され、同時に、未処理の被処理物９を保持した他の載置台１が処理空間６の下方に対向する位置にまで移動される。そして、シャフト２７が上昇することで、未処理の被処理物９が図２に表す処理位置まで移動する。コイル１１は伸縮自在であり、シャフト２７の上下動に追従して伸縮してシャフト２７の上下動を妨げない。

本実施形態における被処理物９は、例えば樹脂材料からなる基板上に導体膜が形成され、さらに被処理物９の裏面と載置台１の底面との間には隙間が形成されているので、被処理面に形成された導体膜と、導電性を有する載置台１とが誘電体を挟んで対向する構造となっており、導体膜と載置台１との間には静電容量成分が存在する。コイル１１は、その静電容量成分に対して直列に接続されている。回転テーブル３１はグランドに接続され、よって、コイル１１の下端はグランドに接続されている。

その他、本実施形態に係るプラズマ処理装置（スパッタ成膜装置）には、様々な静電容量成分が存在する。これを等価回路で示すと、図５のようになる。

図５において、Ｃｓ/ｃは、スパッタチャンバー（処理空間６）の静電容量を表し、被処理物９から載置台１を介してグランドに流れる電流バイパス経路を考える上では関係ないので無視することにする。押さえ部材１３は、いずれも導電性を有する内側端部１５と外側端部１７とが隙間２０を挟む構造であるので、これにも静電容量が存在し、その静電容量をＣｍとする。Ｚｍは、被処理物９表面（導体膜）から押さえ部材１３を介してアノード体２１に流れる電流経路のインピーダンスを表す。Ｃｈは、被処理物９表面の導体膜と載置台１との間の前述した静電容量を表す。Ｌは、載置台１とグランドとの間に設けられたコイル１１のインダクタンスを表す。Ｚｈは、ＣｈとＬとの直列回路、すなわち被処理物９表面の導体膜から載置台１及びコイル１１を介してグランドに流れる電流経路のインピーダンスを表す。Ｃｓは、チャンバー（処理空間６）とシャフト２７との間における静電容量を表し、Ｚｓは、チャンバーから載置台押さえ３５を介してシャフト２７に流れる電流経路のインピーダンスを表す。

現状の設計において、インピーダンスＺｓは、十分に大きく、したがって、インピーダンスＺｈをインピーダンスＺｍよりも小さくすれば、被処理物９表面から載置台１側に電流を流れやすくでき、被処理物９表面から押さえ部材１３側に流れる電流を抑えて、被処理物９の損傷を抑制できる。

インピーダンスＺｈを低減するべく、本実施形態では、載置台１とグランドとの間に、被処理物９と載置台１との間の静電容量成分Ｃｈに対して直列に接続されたコイル１１を設けて、ＬＣ共振を起こさせている。

すなわち、インピーダンスＺｈは、抵抗成分を無視すると、Ｚｈ＝ｊ［ωＬ−（１／ωＣｈ）］（ｊ＝ルート（−１））で表される。インピーダンスＺｈを低減するにはＣｈとＬの少なくともいずれかを調整すればよいが、Ｃｈの変更には被処理物９や装置構成の設計変更が必要であり、一般にＣｈの調整は難しい。また、被処理物９と載置台１との間の隙間を小さくすれば、これに反比例してＣｈは大きくなる。Ｃｈが大きくなれば、インピーダンスＺｈは小さくなる。しかし、被処理物９に対する汚れや傷を防止する観点から被処理物９と載置台１との間の隙間を小さくするのには制限があり、この隙間を縮めることによるインピーダンスＺｈの低減には限界がある。

そこで、本実施形態では、被処理物９表面から載置台１を介してグランドに流れる電流経路に前述したコイル１１を設けることにより、そのコイルのインダクタンスＬの調整によって、実質、Ｃｈに依存せずに、インピーダンスＺｈの低減が容易に行える。

例えば、本実施形態では、コイル１１は銅板を加工してなり、その板厚、板幅、内径、外径、高さ、巻き数等を最適に設計することにより、インピーダンスＺｈを、押さえ部材１３側のインピーダンスＺｍよりも小さくすることが可能である。

インピーダンスＺｈが、インピーダンスＺｍよりも小さくなることで、スパッタ成膜処理時に、処理空間６内の電荷が被処理物９表面の導体膜に飛び込んだ場合に、載置台１側に電流が流れやすくなり、被処理物９表面から押さえ部材１３側に流れる電流を抑制できる。

被処理物９から載置台１方向に電流が流れる場合、被処理物９からその表面の最外周部に接触している押さえ部材１３に電流が流れる場合に比べて、単位面積当たりの電流が小さく、被処理物９表面はダメージを受けにくい。

前述したように、被処理物９と載置台１との間の隙間を小さくすることによっても、インピーダンスＺｈの低減が図れる。この効果を検証するために行った実験結果を表１に表す。

表１中の項目「押さえ部材」における、「一体型（導通）」は、前述した押さえ部材１３において絶縁体１９及び隙間２０を設けずに、内側端部１５と外側端部１７とが導通した条件を表す。「分割型（絶縁）」は、内側端部１５と外側端部１７との間に絶縁体１９及び隙間２０が介在され、内側端部１５が電気的に浮遊した条件を表す。

項目「載置台導通」における、「なし（絶縁）」は載置台押さえ３５を絶縁体（例えばフッ素樹脂）から構成して、載置台１側からシャフト２７の下方に向けて電流が流れにくくした条件を表し、「あり（導通）」は載置台押さえ３５を導電体（例えばアルミニウム）から構成して、載置台１側からシャフト２７の下方に向けて電流が流れ易くした条件を表す。

項目「被処理物裏面隙間」における数値は、被処理物９の裏面と、載置台１の底面との間の隙間の大きさ（ｍｍ）を表す。

項目「被処理物損傷率」における分母は、各実験例１〜４における実験回数（後述する１回あたり同条件で、スパッタ成膜処理を行った回数）を表し、分子は分母の回数のうち被処理物９表面に損傷（膜の欠けや孔あき）が確認された回数を表す。

被処理物９としては、図６に表すように、ポリカーボネートからなる基板１０１（厚さ１．１ｍｍ）上に反射層としてＡｇ膜１０２（厚さ約１５０ｎｍ）が形成され、そのＡｇ膜１０２の上にエッジカットされた記録層１０３が形成されたものを用い、その上に記録層１０３を覆う保護膜１０４（ＺｎＳＳｉＯ_２膜；厚さ約２５ｎｍ）を、ＺｎＳＳｉＯ_２からなるターゲット５を用いてマグネトロンスパッタ法により形成する処理を行った。高周波電源２３のパワーは３．０（ｋＷ）、１回あたりの処理時間は２．５秒であり、スパッタガスとしてアルゴンガスを流量１５．９（ｓｃｃｍ）で処理空間６内に導入し、その圧力を０．２５（Ｐａ）とした。

表１の結果より、押さえ部材１３を絶縁分離しなかった実験例１の場合には、被処理物９表面から押さえ部材１３側に流れる電流が大きくなって、すべてのスパッタ処理において被処理物９に損傷が生じた。実験例１に対して、押さえ部材１３を絶縁分離して、被処理物９に接触する内側端部１５を電気的に浮遊させた条件で行った実験例２では、実験例１に比べて被処理物９の損傷が生じた回数を６割程度に抑えることができた。

実験例２に対して、載置台押さえ３５の材料を変えた（絶縁体から導電体に変えた）実験例３では、被処理物９からシャフト２７方向へ流れる電流を増大させることができ、その分、被処理物９から押さえ部材１３側に流れる電流を抑えて、実験例２よりも被処理物９の損傷率を低減できている。なお、この実験においては、前述したコイル１１を設けず、すなわちコイル１１を介してグランドに流れる電流バイパス経路がない条件での結果である。シャフト２７に電流が流れるとシャフト２７の回転を円滑にするためのグリースが焼ける等の不具合を生じる可能性がある。コイル１１を設けた場合においては、コイル１１を介した電流バイパス経路が形成されることで押さえ部材１３側への電流を抑制できるので、載置台押さえ３５を絶縁物から構成してシャフト２７には電流が流れないようにすることが望ましい。

実験例３に対して、被処理物９と載置台１との間の隙間を半分に縮めた実験例４では、被処理物９の損傷率が約８．７％と、実験例３の２７％に対して大幅に低減できている。

以上説明した実験においては前述したコイル１１は設けていないが、そのコイル１１を設け、且つ被処理物９と載置台１との間の隙間を縮めることで、さらにインピーダンスＺｈの低減が図れ、その場合、実験例４における損傷率（８．７％）よりもさらに少ない損傷率の達成が期待できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

前述した説明では、導体膜上に成膜処理を行う場合を考えたが、絶縁物に導体膜を形成する際にも、スパッタ成膜中に導体膜が被処理物表面に堆積していくと、その導体膜が、被処理物表面と、押さえ部材との間をつなげるように形成され、被処理物表面と押さえ部材との間で導通が生じることが考えられるため、そのような絶縁物上に導体膜を形成する処理にも本発明は有効である。

また、本発明は、スパッタ成膜処理に限らず、スパッタエッチング、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）成膜、表面改質など他のプラズマ処理にも適用可能である。

また、ディスク状記録媒体に限らず、半導体ウェーハ、液晶基板などにおける成膜処理にも本発明は適用可能である。また、被処理物は円形に限らず、角形、楕円形であってもよい。

Claims

グランドに接続され、被処理物を載置可能な載置台と、
前記被処理物に対向して設けられ、前記被処理物との間に形成される処理空間にプラズマを発生させる電圧が印加されるカソード体と、
前記処理空間の周囲を囲んで設けられ、グランドに接続されたアノード体と、
前記被処理物の非処理領域に接触して前記非処理領域を覆う内側端部と、前記アノード体に接して設けられた外側端部とを有する押さえ部材と、
を備え、
前記カソード体には高周波電圧が印加され、
前記載置台とグランドとの間に、前記被処理物と前記載置台との間の静電容量成分に対して直列に接続され、前記高周波電圧の周波数において前記静電容量成分と直列共振するリアクタンスを設け、
前記被処理物から前記押さえ部材を介してグランドに流れる電流の経路のインピーダンスよりも、前記被処理物から前記載置台を介してグランドに流れる電流の経路のインピーダンスを小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記押さえ部材における前記内側端部と前記外側端部との間に絶縁体が介在され、前記内側端部と前記外側端部とが絶縁分離されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記絶縁分離部分には、前記処理空間を飛翔し前記押さえ部材表面への堆積物となる粒子の自由行程距離以下の隙間が形成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。