JP5131762B2

JP5131762B2 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置並びにプラズマ処理用トレイ

Info

Publication number: JP5131762B2
Application number: JP2008123042A
Authority: JP
Inventors: 佳博沼田; 理辻
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: JP2009272515A

Description

本発明は、プラズマにより基板表面にエッチング、堆積(成膜)、洗浄などの処理を施すプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置並びにプラズマ処理用トレイに関する。

窒化ガリウムなどの化合物半導体基板は２〜４インチ程度の小径サイズの基板が主流であることから、プラズマ処理装置での処理効率をあげるために複数枚の基板を一度にプラズマ処理することが行われている。複数枚の基板は、搬送の便宜のため、１つのトレイ上に載置・固定された状態でプラズマ処理室に搬入されると共に当該プラズマ処理室から搬出される(特許文献１〜４参照）。トレイに載置された状態でプラズマ処理室(真空容器)内に搬入された複数枚の基板は、トレイと共に支持台(基板電極)上に固定された後、プラズマ処理が行われる。

プラズマ処理が行われている間、プラズマのエネルギーが基板に投入されるため基板の温度が上昇する。基板が過度に温度上昇すると基板の特性が変化又は劣化したり、フォトレジストマスクが変性したりする。このため、ヘリウムガスや冷却水などで支持台を冷却することにより、間接的に基板を冷却するようにしていた。

ところが、基板と支持台の間にトレイが介在する構成では、熱伝導性に優れた材料でトレイを形成しても、支持台とトレイの間、及び、トレイと基板の間の熱伝導が良好でなければ基板を十分に冷却することができない。特に、プラズマ処理は低圧下で行われるため、基板をトレイごと支持台に固定する方法では真空断熱のためにトレイと基板の間の冷却効率が悪くなる傾向がある。

そこで、基板の縁を機械的に押えつけたり（メカニカルチャック）(特許文献３，４参照）、基板とトレイの間に粘着シートを介在させたり(特許文献５，６参照）することにより、基板とトレイを密着させて基板の冷却効率の向上を図っている。
しかしながら、メカニカルチャックの影響により基板の周縁付近ではプラズマ密度の均一性が乱される。このため、基板周縁部の素子に対して所望のエッチング処理を行うことができず不良品が発生する頻度が高かった。一方、トレイと基板の間に粘着シートを設けた場合、基板全面に所望のエッチング処理を行うことができるため不良品の発生頻度は小さいが、粘着シートから剥離する際に基板を破損させる問題があった。
特開２００６−６６４１７号公報特開２００７−１０９７７１号公報特開２００２−０４３４０４号公報特開２００３−１９７６０７号公報特開２００４−６３００号公報特開２００７−８１１７８号公報

本発明が解決しようとする課題は、第一に、基板をトレイに載置した状態でプラズマ処理を行う場合でもトレイの温度上昇を抑えることができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理用トレイを提供することであり、第二に、基板に損傷を与えることなく基板を固定したり基板を取り外したりすることができるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、基板が載置されたトレイを支持台に載置して前記基板の表面をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
前記トレイと前記基板の間に配置された熱剥離接着部材によって前記トレイと前記基板を接着し、
前記トレイに設けられたペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を冷却して前記基板表面をプラズマ処理し、
前記ペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を加熱して前記基板を前記トレイから剥離することを特徴とする。
ペルチェ素子とは、異種の導体又は半導体の接点に電流を流すときに接点でジュール熱以外に熱の発生又は吸熱が起こる現象を利用した素子である。ペルチェ素子をトレイに設けることによってトレイの基板載置面を直接、冷却することができ、基板を効率よく冷却することができる。

前記熱剥離接着部材とは、常温では粘着力があるが、所定以上の温度になると粘着力が弱まる、あるいは失う接着部材のことを言う。

「プラズマ処理」には、プラズマエッチング処理、プラズマ成膜処理、プラズマ洗浄処理等、プラズマを用いたあらゆる処理が含まれる。又、基板には、シリコンや化合物などの半導体基板やサファイヤ基板が含まれる。
プラズマ処理における基板への入熱量が少ない場合は、基板の温度はそう上がらないが、投入エネルギが大きくなるにつれ、基板の温度が上昇する。このプラズマ処理中の基板の温度が熱剥離接着部材の剥離温度を超えると好ましくない。
そこで、前記ペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を冷却して前記基板表面をプラズマ処理する工程と、前記ペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を加熱して前記基板を前記トレイから剥離する工程とを備えると良い。

また、本発明の別のプラズマ処理方法は、基板を支持台に載置して前記基板の表面をプラズマ処理し、前記支持台と前記基板を熱剥離接着部材で接着し、前記支持台に設けられたペルチェ素子で前記支持台の基板載置面を冷却して前記基板表面をプラズマ処理し、
前記ペルチェ素子で前記支持台の基板載置面を加熱して前記熱剥離接着部材から前記基板を剥離することを特徴とする。
前記支持台はプラズマ処理時に基板を載置する部材であり、具体的には下部電極が挙げられる。下部電極に直接基板を載置する場合に、熱剥離接着部材によって基板と下部電極(支持台)を接着することにより、基板を損傷することなく固定することができる。また、ペルチェ素子で支持台(下部電極)の基板載置面を冷却して基板表面をプラズマ処理した後、ペルチェ素子で前記基板載置面を加熱して基板を剥離することができる。

本発明は、基板が載置されたトレイを支持台に載置して前記基板表面をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
a) 前記トレイに設けられ該トレイの基板載置面の温度を調整するペルチェ素子と、
b) 前記支持台に設けられ該支持台に前記トレイが載置されたときに前記ペルチェ素子に電流を供給する電流供給機構であって、該ペルチェ素子に供給される電流の正負を切り替える電流切替回路を備えた電流供給機構と、
c) 前記トレイの前記基板載置面に設けられ前記トレイと前記基板を接着する熱剥離接着部材と
を備えることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理用トレイは、基板載置面を有するトレイ本体と、前記トレイ本体に設けられ前記基板載置面の温度を調整するペルチェ素子とを備え、前記トレイ本体の基板載置面には熱剥離接着部材が貼付されていることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理方法では、プラズマ処理中及びその前後において基板がトレイに載置されているため、基板の処理室（真空容器）への搬入や搬出等のハンドリングが容易となる。また、トレイ自身を冷却するため、プラズマ処理中に基板にエネルギが投入されても基板の温度上昇を確実に抑えることができる。
また、トレイと基板を熱剥離接着部材で接着して基板表面のプラズマ処理を行う場合は、プラズマ処理の終了後、ペルチェ素子により熱剥離接着部材を加熱して所定の剥離温度以上とするだけで、基板をトレイから剥離することができる。従って、処理全体を通して基板に無理な力を加えることなく、迅速なプラズマ処理を行うことができる。
本発明のプラズマ処理方法又はプラズマ処理装置では、ペルチェ素子により支持台の基板載置面の温度を調整できるため、プラズマ処理中に基板に投入されたエネルギにより生じる熱を効率よく支持台に伝達して、基板の温度上昇を抑えることができる。
そして、プラズマ処理が終了した後は、ペルチェ素子によって熱剥離接着部材を加熱して所定の剥離温度以上とするだけで、基板を支持台から剥離することができる。従って、処理全体を通して基板に無理な力を加えることなく、迅速なプラズマ処理を行うことができる。

本発明の第１の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。図１は、プラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置１０の断面図である。この装置は誘導結合型（ICP）であり、密閉された反応容器１１内には下部電極１２が設けられている。反応容器１１の上部(外部)には石英板１３を介して励起コイル１４が設けられている。
励起コイル１４は立体渦巻形(インパーテッド・トルネード形)のコイルであり、コイル中央の端部から高周波電力が供給され、コイル外周の端部が接地されている。
下部電極１２は高周波電源１５に接続されている。また、下部電極１２内には冷却装置２１が設けられている。なお、本実施例では下部電極１２が支持台に相当する。
前記下部電極１２上にはトレイ１６を介して被処理部材である基板１７が載置される。トレイ１６は例えばアルミニウム製で、静電チャック１８により下部電極１２に固定される。

図２及び図３に示すように、前記トレイ１６は、下部電極１２の上面とほぼ同じ直径寸法を有する円板状の部材で、その上面には円形状の凹部２０が設けられている。前記凹部２０の数及び直径寸法は載置される基板１７の直径寸法に応じた適宜の値に設定されている。図２及び図３は、径が大きい基板１７が載置されるトレイ１６を示しており、１個の凹部２０を備えている。一方、径が小さい基板１７を載置する場合は、図４に示すような複数の凹２０部を備えたトレイ１６が用いられる。

前記トレイ１６の凹部２０の底部にはペルチェ素子２２が配設されている。ペルチェ素子２２はその上面に温度制御面が位置するように配置されている。つまり、ペルチェ素子２２の上面(温度制御面)が凹部２０の底面を構成する。一方、下部電極１２には、前記ペルチェ素子２２に直流の電流を供給する電流供給機構２５が設けられている。電流供給機構２５は、直流電源回路、電流切替回路などを備えている。電流供給機構２５とペルチェ素子２２との間には高周波フィルタ２９が配置され、下部電極１２に印加される高周波電力がペルチェ素子２２に供給される直流電流に影響を与えることを防止する。また、電流切替回路により、前記ペルチェ素子２２に供給される電流の正負が切り替えられる。
下部電極１２及びトレイ１６にはそれぞれペルチェ素子用の電極１２a、１６aが設けられている。トレイ１６を下部電極１２に載置することにより電極１２a、１６a同士が電気的に接続されてペルチェ素子２２に電流が供給される。

また、前記凹部２０の底面には溝２７が蜂の巣(ハニカム)状に形成されており、その上面に熱剥離接着部材である発泡剥離性シート３１が貼り付けられている。発泡剥離性シート３１は、常温では粘着性を有するが、熱を加えることにより含有成分が発泡し、それにより粘着性を失うというものである。例えば、日東電工株式会社製「リバアルファ」(登録商標)を用いることができる。なお、図３及び図４は、トレイ１６の凹部２０に発泡剥離性シート３１が取り付けられていない状態を示している。

次に、前記エッチング装置１０を用いた基板１７の処理について説明する。処理には、例えば窒化ガリウム系化合物半導体基板を用いた。
まず、トレイ１６の凹部２０に基板１７を挿入し、該凹部２０の底面に貼り付けられた発泡剥離性シート３１と基板１７を接着する。発泡剥離性シート３１と基板１７は、当該基板１７の上面に均一な圧力を加えて前記基板１７と発泡剥離性シート３１を圧接させることにより接着される。例えば特開２００７−２０１４０４号公報に開示されている接着装置を用いることにより発泡剥離性シート３１と基板１７を接着することができる。

続いて、基板１７が取り付けられたトレイ１６を反応容器１１内の下部電極１２の上面に載置し、静電チャック１８によってトレイ１６と下部電極１２を固定する。このとき、ペルチェ素子２２と電流供給機構２５が接続される。そして、反応容器１１を閉じて当該容器１１内を減圧する。減圧する際、発泡剥離性シート３１とペルチェ素子２２との間の空気は溝２７を通って反応容器１１内に逃がされる。従って、発泡剥離性シート３１とペルチェ素子２２との間の空気を極力少なくすることができ、ペルチェ素子２２から発泡剥離性シート３１への熱伝導性の低下を防止できる。

その後、反応容器１１内にCl₂ガス、CH₂Cl₂ガス及びArガスを供給しつつ、励起コイル１４及び下部電極１２にそれぞれ高周波電力を供給する。これにより、反応ガスのプラズマ３３が生成され、基板１７のエッチングが行われる。また、エッチング中は、ペルチェ素子２２の温度制御面である基板１７側の面が冷却され、基板１７とは反対側の面が加熱されるようにペルチェ素子２２に電流が供給される。これにより、基板１７が所定温度以上に上昇しないように制御される。さらに、エッチング中は下部電極１２内の冷却装置２１に冷却液が流される。これにより、冷却液とペルチェ素子２２との間で熱交換が行われ、ペルチェ素子２２で発生する熱が排出される。

所定の処理時間が経過すると、高周波電力の投入が停止されてエッチングが終了する。そして、反応容器１１内の処理ガスが十分に吸引除去された後、反応容器１１内に空気が導入される。また、電流切替機構によりペルチェ素子２２に供給される電流の向きが切り替えられ、ペルチェ素子２２の基板１７側の面が加熱される。これにより、発泡剥離性シート３１が加熱されて発泡し、粘着性を失う。発泡剥離性シート３１が粘着性を失う温度はその種類に異なり、前述の日東電工株式会社製「リバアルファ」には９０℃、１２０℃、１５０℃等で粘着性を失うものがある。基板１７の種類や処理条件等に応じて適宜の種類の発泡剥離性シートが用いられる。
その後、トレイ１６を下部電極１２から取り外して真空容器１１の外に搬出し、基板１７を回収する。このとき、熱剥離性シート３１の粘着性は既に低下しているため、基板１７に損傷を与えることなく容易に基板１７を回収することができる。

なお、トレイ１６はアルミニウム製に限らず、セラミック製トレイの裏面に金属を裏打ちしたものでも良い。また、静電チャックの他、クランプなどのメカニカルチャックによってトレイ１６と下部電極１２を固定することができる。
また、トレイ１６を反応容器１１から取り出した後、ペルチェ素子２２に電流を供給して熱剥離性シート３１を加熱し、熱剥離性シート３１の粘着性を低下させても良い。

図５及び図６は本発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態では、プラズマエッチング装置の下部電極４０の上面に直接、基板１７を載置してエッチングが行われる。このため、下部電極４０の上面には円形状の凹部４２が形成されている。前記凹部４２の数及び直径寸法は、基板１７(図２参照）の直径寸法に応じた適宜の値に設定されている。例えば図５は、径が大きい基板１７が載置される下部電極４０を示しており、１個の凹部４２を備えている。一方、径が小さい基板１７を載置する下部電極４０は、図６に示すように複数の凹部４２を備えている。

前記下部電極４０には、前記凹部４２の底面に温度制御面が接するようにペルチェ素子２２が配設されている。また、下部電極４０には、前記ペルチェ素子２２に直流の電流を供給する電流供給機構２５、高周波フィルタ２７等が配置されている。
さらに、前記凹部４２の底面には溝２７が蜂の巣(ハニカム)状に形成されており、その上面に発泡剥離性シート３１が貼り付けられている。

上記構成によれば、前記凹４２に基板１７を挿入し、発泡剥離性シート３１と基板を接着した状態でエッチングが行われる。そして、エッチングの終了後は、ペルチェ素子２２で発泡剥離性シート３１を加熱して粘着力を低下させることにより、基板１７に損傷を与えることなく下部電極４０から容易に基板１７を取り外すことができる。

本発明の第１の実施形態であるプラズマエッチング装置の概略構成図。直径が大きい基板を載置するトレイの縦断側面図。直径が大きい基板を載置するトレイの平面図。直径が小さい基板を載置するトレイの平面図。本発明の第２の実施形態であるプラズマエッチング装置の下部電極であって直径が大きい基板を載置する下部電極の概略構成図。直径が小さい基板を載置する下部電極の概略構成図。

符号の説明

１０・・・プラズマエッチング装置(プラズマ処理装置)
１１・・・反応容器
１２、４０・・・下部電極(支持台)
１４・・・励起コイル
１５・・・高周波電源
１６・・・トレイ(プラズマ処理用トレイ）
１７・・・基板
１８・・・静電チャック
２０、４２・・・凹部
２２・・・ペルチェ素子
２５・・・電流供給機構
２７・・・溝
３１・・・発泡剥離シート（熱剥離接着部材）
３３・・・プラズマ

Claims

基板が載置されたトレイを支持台に載置して前記基板の表面をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記トレイと前記基板の間に配置された熱剥離接着部材によって前記トレイと前記基板を接着し、
前記トレイに設けられたペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を冷却して前記基板表面をプラズマ処理し、
前記ペルチェ素子で前記トレイの基板載置面を加熱して前記基板を前記トレイから剥離するプラズマ処理方法。
基板を支持台に載置して前記基板の表面を処理するプラズマ処理方法において、
前記支持台と前記基板を熱剥離接着部材で接着し、
前記支持台に設けられたペルチェ素子で前記支持台の基板載置面を冷却して前記基板表面をプラズマ処理し、
前記ペルチェ素子で前記支持台の基板載置面を加熱して前記熱剥離接着部材から前記基板を剥離することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記基板が、化合物半導体基板又はサファイア基板であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
基板が載置されたトレイを支持台に載置して前記基板表面をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
a) 前記トレイに設けられ該トレイの基板載置面の温度を調整するペルチェ素子と、
b) 前記支持台に設けられ該支持台に前記トレイが載置されたときに前記ペルチェ素子に電流を供給する電流供給機構であって、該ペルチェ素子に供給される電流の正負を切り替える電流切替回路を備えた電流供給機構と、
c) 前記トレイの前記基板載置面に設けられ前記トレイと前記基板を接着する熱剥離接着部材とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。