JP5179730B2 - プラズマエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマエッチング装置に係り、さらに詳しくは、基板の端部の膜質を除去するために、誘電体バリア放電（ＤＢＤ；Dielectric Barrier Discharge）または高圧の容量性結合によるプラズマ放電（ＣＣＰ；Capacitively Coupled Plasma）を用いるプラズマエッチング装置に関する。

所定の半導体素子または液晶表示素子の製造工程は、多数の薄膜を蒸着する工程と、これをエッチングしてパターニングする工程を含んでなる。

通常、このような薄膜の蒸着とエッチングは、チャンバー内において行われる。チャンバーの基板支持台の上部に基板を載置した状態で、反応ガス、原料ガスなどをチャンバーの内部に吹き込むことにより、基板の上に薄膜を蒸着する。このとき、基板の周縁部領域の上部、側壁部及び下部に薄膜が残留してしまう。この基板の下部に残留している薄膜を除去しないままで工程を行い続ける場合、基板が反ったり、基板の整列が困難になったりするなど、数多くの不都合が発生する。

このため、所定のエッチング工程によりこの基板の周縁部領域に残留している薄膜を除去することを余儀なくされている。

しかしながら、従来、基板のエッチングは、種々な化学薬品などを用いて行われていた。化学薬品の場合、環境に悪影響を及ぼし、しかも、局部的な洗浄が困難であるという欠点がある。この理由から、新規なエッチング方法についての研究が盛んになされて実際に適用されている。この新規なエッチング方法の一つとして、プラズマを用いる方法がある。

ここで、プラズマは、イオンや電子、ラジカルなどよりなるイオン化されたガスの状態を意味するものであって、極めて高温や強い電界、若しくは、高周波電磁界によって生成される。

特に、グロー放電によるプラズマの生成は、直流や高周波電磁界により励起された自由電子により行われるが、励起された自由電子はガス分子と衝突してイオン、ラジカル、電子などの活性族を生成する。かかる活性族は、物理・化学的に物質の表面に働きかけて表面の特性を変化させる。このプラズマを用いて基板をエッチングするためには、プラズマの状態をなす領域がチャンバー内において、どの気圧下にあるかで分類することができる。

従来、真空に近い低圧下でグロー放電によりプラズマを生じさせて基板をエッチングする低圧プラズマエッチング装置が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。従来の低圧プラズマエッチング装置によれば、基板支持台の上部にインシュレーターを対向配設し、基板支持台とインシュレーターの外周にプラズマの生成のための電極を配設して、ウェーハの周縁部にのみプラズマを生じさせてウェーハの周縁部領域を洗浄していた。
大韓民国特許第２００２−８０９５５号公開公報

しかしながら、上述した従来のプラズマエッチング装置は低圧下でプラズマを生成するため、必ず低圧状態、つまり、真空密閉された状態で工程を行わなければならない。この理由から、真空チャンバー、真空排気装置などの高価な装備が必要となり、しかも、装置の内部の構成が複雑化するため、装備のメンテナンス及び真空ポンピング時間が長引くという不都合があった。さらに、大気圧の近くで行われる連続工程には適用し難いという不都合もあった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解消するために、大気圧の近くでプラズマを生じさせて基板の端部の膜質を除去することのできるＤＢＤまたは高圧ＣＣＰ放電を用いたプラズマエッチング装置を提供することをその目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられると共に、基板を位置付ける基板支持台と、前記基板の端部に対応し、前記基板の端部との間隔が、前記チャンバーの上壁と前記基板との間隔よりも小さい電極と、前記基板支持台に電源を印加する電源手段と、を備えるプラズマエッチング装置を提供する。

ここで、前記基板の端部は、０．５〜４ｍｍであることが好ましい。

そして、前記基板とチャンバーの上壁との間隔は、３０〜５０ｍｍであることが好ましい。

前記電極は、前記基板の上端部に位置する第１の電極と、前記基板の下端部に位置する第２の電極と、を備えることが好適である。

このとき、前記電極と前記基板との間隔は、０．１〜５ｍｍであるか、あるいは、１〜１．５ｍｍであることが好適である。

もちろん、前記電極の表面に誘電膜が形成されていることが好ましい。

前記誘電膜と前記基板との間隔は、０．１〜５ｍｍであることが好適である。前記基板と対応する前記チャンバーの上壁に非反応性のガスを吹き付ける非反応ガスの噴射ノズルが設けられていることが好ましい。そして、前記電極に反応ガスを吹き付ける反応ガスの噴射ノズルが設けられていることが好適である。

ここで、前記基板支持台が昇降可能であって前記基板が出納自在に、前記基板支持台の下部に前記基板支持台の駆動部が設けられていることが好ましい。上述した前記チャンバー内の圧力は、１０〜１，０００Ｔｏｒｒまたは７００〜８００Ｔｏｒｒに維持することが好ましい。

前記電極の下部に磁界形成手段がさらに設けられてもよい。また、前記電極の側面にバリア膜が形成されてもよい。このとき、前記バリア膜は、前記電極の側面から前記基板に向かって延設され、前記バリア膜と前記基板との間隔が０．１〜５ｍｍであることが好ましい。

本発明によれば、基板が載置される基板支持台と基板の端部を取り囲む電極との間に電位差を与え、基板と電極との距離を３ｍｍ以下にし、且つ、基板と電極との間の領域において局部的にプラズマを生じさせることにより、基板の端部領域にできるパーチクル及び薄膜を除去することができる。

また、基板の上部中心領域にカーテンの役割を果たすガスを吹き付けて、基板と電極との間で生じたプラズマが基板の上部中心領域に流れ込む現象を防ぐことができる。さらに、電極の側面と基板との間にバリア膜を形成して、プラズマが基板の上部中心領域に流れ込むことを物理的に防ぐことができ、しかも、基板の上部中心でのプラズマの生成を防ぐことができる。

さらにまた、大気圧近くで且つ常温の状態でプラズマを生じさせることができる。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。しかし、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。なお、図中、同じ符号は同じ構成要素を示す。

図１を参照すると、この実施の形態によるプラズマエッチング装置は、チャンバー１０と、基板３０が載置される基板支持台２０と、前記基板３０の端部に隣り合うように配設された不図示の電極（第１の電極及び第２の電極）と、前記電極 の表面の少なくとも一部に形成された誘電膜 と、前記電極 と基板支持台２０との間に電位差を与えるための電源手段８０と、を備える。

また、この実施の形態においては、チャンバー１０の一側に、基板３０を出納自在（搬出及び搬入自在の意。以下、同じ。）にする別途の出入口（図示せず）が形成されている。そして、基板支持台２０が昇降自在であって前記基板３０が出納し易くなるように、前記基板支持台２０の下部に基板支持台の駆動部２１をさらに設ける。要するに、出入口を介して基板３０が搬入され、基板支持台の駆動部２１により基板支持台２０が上昇して搬入された基板３０を基板支持台２０の上に載置する。

また、この実施の形態によるプラズマエッチング装置は、エッチング時に生じるパーチクルなどの反応副産物とガスを排気するための排気部７０をさらに備える。この実施の形態においては、排気部７０は、図示のごとく、基板支持台２０の両側の下部領域に形成されていることが好ましい。さらに、前記電源手段８０は、ＲＦ（radio frequency）電源を生成するＲＦ電源生成部８２と、ＲＦ電源生成部８２と基板支持台２０との間に接続されて、これらの電源の整合を取るための整合手段８４と、を備える。このため、ＲＦ電源はＲＦ電源生成部８２において生成され、整合手段８４を介して基板支持台２０に印加される。

前記電極 は基板３０の端部に対応して配設され、前記電極 と基板３０の端部との間隔が前記チャンバー１０の上壁と基板３０との距離よりも小さくなるように配設されることが好ましい。そして、前記第１の電極及び第２の電極は一体に形成されてもよく、基板３０の搬入と搬出を容易にする目的で別体に形成されてもよい。この実施の形態によるプラズマエッチング装置においては、基板の端部領域を取り囲むために、電極が２つに分離されて接続される。すなわち、基板３０の上面周縁部領域と、側面領域及び下面周縁部領域のパーチクル及び薄膜をプラズマを用いてエッチングするために、基板３０の上面周縁部領域の上部に第１の電極 が配設され、基板３０の下面周縁部領域の下部に第２の電極が配設される。このように、第１及び第２の電極 と基板３０が重なり合う領域においてプラズマが生じる。ここで、第１及び第２の電極 の表面には、誘電体膜 が形成されていることが好ましい。

前記第１の電極 は基板３０と同じ形状に製作するが、この実施の形態においては、中空の円形帯状に製作することが好ましい。第１の電極 と基板３０が重なり合う領域（基板の端部）の幅は、基板３０の上部に素子形成用のパターンが形成されていない領域の幅と同じであることが有効である。また、整列キーが形成される領域の幅と同幅をもって重なり合うことが好ましい。このとき、基板３０の端部とは、基板の端から内方に向けて０．５〜４ｍｍの範囲にある領域をいう。

ここで、第１の電極 内には、ガス流路 とガス噴射ノズル が形成されている。これにより、外部より注入された反応ガスを電極 とエッチング対象となる基板３０との間の領域に吹き付けることができる。このとき、反応ガスとしては、Ａｒ、ＣＦ_４などが用いられる。基板３０の端部領域、すなわち、重なり合う領域における前記第１の電極 と基板３０との距離 は０．１〜５ｍｍであることが好ましく、１〜１．５ｍｍであることがさらに好ましい。これは、本発明のプラズマエッチング装置は大気圧近くで工程が行われるため、電位差を持つ基板３０と第１の電極 との距離が前記範囲から外れる場合、プラズマが生じなくなるためである。

前記第２の電極 は、チャンバー１０の内壁から延設して中空の板状に製作されることが好ましい。この中空の中心領域に基板３０の載置のための基板支持台２０が位置する。第２の電極 と基板支持台２０は、互いに隔てていることが好ましい。この離隔領域を介して工程副産物やガスが排気部７０に抜け出る。このとき、第２の電極 と基板支持台２０との離隔間隔 は、０．１ｍｍ〜１００ｍｍであることが好ましい。第２の電極 と基板３０が重なり合う領域に誘電体膜（不図示）が形成されている。第２の電極 は、第１の電極 と対応する長さに形成されることが好ましい。これにより、基板３０の下部に形成されている薄膜またはパーチクルを効率よく除去することが可能になる。前記重なり合う領域における第２の電極 と基板３０との距離 は、０．１〜５．０ｍｍであることが好ましく、１〜１．５ｍｍであることがさらに好ましい。

前記第１及び第２の電極 は、不図示の導電性フレーム により物理的及び電気的に接続可能である。この実施の形態においては、第１の電極 は、上下動をする導電性フレーム に結合されていることが好ましい。これにより、基板３０がチャンバー１０の内部に搬入される場合、導電性フレーム が上昇して基板支持台２０の上に基板３０が載置され、その後、導電性フレーム が下降して第２の電極 と接続され、その結果、第１及び第２の電極 を同じ電位レベルにできる。

もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の電極 と導電性フレーム を一体に製作した後、第１の電極 を導電性フレーム に結合してこれらを同じ電位レベルにしてもよい。このとき、第１の電極 が固定され、一体に形成された第２の電極 と導電性フレーム が上下動をして基板３０の搬入を容易にしてもよく、一体に形成された第２の電極 と導電性フレーム が固定され、第１の電極 が上下動をして基板３０の搬入を容易にしてもよい。また、第１の電極 、第２の電極 及び導電性フレーム を導電性の物質により一体に形成して、これらを同じ電位レベルにしてもよい。さらに、第１の電極 と導電性フレーム がチャンバー１０と接続され、このチャンバー１０により第１の電極 、第２の電極 及び導電性フレーム が同じ電位を維持してもよい。本発明はこれらの方法に限定されるものではなく、第１の電極 、第２の電極 及び導電性フレーム を同じ電位に維持できる方法であれば、いかなる方法も採用可能である。

また、 チャンバーの側壁 の内下端に第１の電極 と第２の電極 が接続される。チャンバーの上壁 は側壁 の上部領域に形成されて、基板３０と一定以上の間隔を隔てている。すなわち、側壁 と基板支持台２０によりプラズマが生じないほどの距離以上を隔てている。前記側壁 は中空の円筒状をしていてもよく、円筒の内部の上層に円板状の上壁 が配設されていてもよい。もちろん、側壁 は、複数の円柱または多角柱に製作されてもよく、これらの複数の円柱及び多角柱が円板状または多角板状の上壁 により繋がっていてもよい。

そして、上述したように、前記側壁 が所定の厚さの壁を持つ中空の筒状に設けられる場合、前記側壁 内には多数のガス管 が形成され、上壁 内には、カーテンガス流路 と、カーテンガス噴射ノズル が形成される。ここで、側壁 に形成された第１ガス管 は第１の電極 のガス流路 に接続されて反応ガスを供給し、側壁 に形成された第２のガス管 は上壁 の内部に形成されたカーテンガス流路 と連通されて、カーテンガス噴射ノズル を介して上壁 の下部に所定以上の距離だけ隔てて配設された基板３０に非反応性のガスを吹き付ける。この非反応性のガスは、基板の未エッチング領域を保護するためのガスカーテンの役割を果たす。本発明はこれに限定されるものではなく、側壁 の側面、すなわち、第１の電極 の領域にガスを吹き付けてもよく、第２の電極 の領域にガスを吹き付けてもよい。

これにより、 第１の電極 、第２の電極 により略「コ」状のプラズマ生成空間が形成される。

このとき、この実施の形態においては、第１及び第２の電極 に接地電位を印加し、基板支持台２０にはＲＦ電源を印加して前記プラズマ生成空間にプラズマを生じさせる。すなわち、接地された電極 の表面は絶縁体で覆われており、ＤＢＤの形でＲＦ電源が基板支持台２０を介して基板３０に印加されると、基板３０と接地された電極 との間の領域でのみプラズマが生じる。このとき、チャンバー１０内の気圧：１０〜１０００Ｔｏｒｒ、内部温度：１５〜４０℃の条件下でプラズマが生じる。好ましくは、チャンバー１０内の気圧は、７００〜８００Ｔｏｒｒである。このように、本発明は、常温下、大気圧近くで工程を行うことができ、しかも、電極 の表面の誘電体膜 によりアークが生じなくなる。また、基板３０の中心領域の上部、すなわち、パターンが形成された基板３０の中心とこれより離れている上壁 との領域ではプラズマが生じることがない。これは、ＤＢＤを用いて大気圧近くでプラズマを生じさせるためには、電位差を持つ２種類の物質同士の距離を一定の範囲内に留める必要があるためである。これにより、基板３０の中心領域の上部には所定の空間が形成され、その結果としてプラズマが生じない。

本発明においては、プラズマ生成空間からのプラズマが基板３０の中心領域に流れ込むことを防ぐために、基板３０の中心領域の上部の上壁 に形成されたカーテンガス噴射ノズル を介して基板３０の上部に非反応ガスを吹き付ける。これにより、基板３０の上部領域の圧力をプラズマ生成空間の圧力よりも高くして、プラズマ生成空間からの副産物がパターンの形成された基板３０の中心領域に流れ込むことを防ぐことができる。また、第２の電極 の下部に排気部７０を設けて、基板３０の下部領域の圧力をプラズマ生成空間の圧力よりも低くし、プラズマ生成空間からの副産物を基板３０の下部領域に排気することができる。すなわち、 ガスの流れが生じ、パターンの形成された基板３０の中心領域への副産物の流入を抑えることが可能になる。

本発明は、プラズマのエッチング率を高めるために、別途の磁場の形成のための磁界形成手段 をさらに備えてもよい。すなわち、 磁界形成手段 により電磁石または永久磁石を第２の電極 の下部に配設してプラズマ生成領域に磁界を印加する。このため、プラズマの活性電子は、磁界形成手段 により形成された磁界に沿って移動する。ここで、磁界形成手段 は、第２の電極 の下部の少なくとも一部の領域に形成される。好ましくは、第２の電極 に沿って円環状の帯状に形成されることが好ましい。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、磁界形成手段 は、第１の電極 に形成されてもよく、導電性フレーム に形成されても良い。

以上、ＤＢＤを用いた大気圧放電を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高圧のＣＣＰ放電を用いても良い。

また、本発明によるプラズマエッチング装置は、電極の側面にバリア膜を形成して電極の側面と基板との間の電子放電を防ぐことができる。以下、 本発明の他の実施の形態によるプラズマエッチング装置について説明する。以下では、上述した実施の形態と重複する説明は省く。

この実施の形態によるプラズマエッチング装置は、エッチング空間を持つチャンバーと、エッチング対象となる基板 が載置される基板支持台 と、前記基板 の端部領域に隣り合うように配設された電極 と、前記基板 の上部中心領域と所定の間隔を隔ててカーテンガスを前記基板 の上部に吹き付けるカーテンガス噴射手段 と、電極 と基板支持台 との間に電位差を与えるための電源手段 と、前記電極 の側面に形成されたバリア膜 と、を備える。

前記基板 と接する領域の電極 の表面には誘電体膜 が形成され、電極 の内部にはガス供給流路 と噴射ノズル が形成されていて、基板 と隣り合う領域内にガスを吹き付ける。

この実施の形態においては、基板 の上周縁部領域と隣り合う第１の電極 と、基板 の下部領域と隣り合う第２の電極 とに分離される。ここで、第１の電極 は導電性フレーム に接続されていてもよく、導電性フレーム の上下動により第１の電極 と基板 との隣接距離を調節可能であるほか、基板 の搬入と搬出時に基板 が第１の電極 に衝突する現象を防ぐことができる。一方、基板支持台 もまた、上下動により第１の電極 と基板 との隣接距離はもとより、第２の電極 と基板 との隣接距離を調節することが可能になる。ここで、隣接距離は、０．１〜５ｍｍ以内であることが好ましい。これにより、基板支持台 に印加された電位は基板 に伝わり、基板 と基板の端部に隣り合うように配設された電極 との間の電位差によりその間の領域、すなわち、プラズマ生成領域においてプラズマ生じる。このとき、この実施の形態においては、 電極 には接地電源を印加し、基板支持台 にはＲＦ電源を印加する。そして、チャンバー 内の気圧：大気圧近くの７００〜８００Ｔｏｒｒ、内部温度：１５〜４０℃の条件下でプラズマが生じる。

以上において、基板 の端部のプラズマ生成領域からのプラズマがチャンバー の中心領域まで拡散する場合、このプラズマにより基板の上部に形成された薄膜パターンが損傷されることがある。そこで、この実施の形態においては、基板 の上部中心領域、すなわち、チャンバー の上部領域にカーテンガス噴射手段 を設けてカーテンガスを吹き付け、チャンバー の下部領域に排気部 を設けてチャンバー の内部のガスを外部に排気する。これにより、基板 の上部に吹き付けられたカーテンガスは、基板 の上周縁部、及び基板 の下部を通してチャンバー の外部に排気され、プラズマがチャンバーの上部領域に拡散することが防がれる。前記カーテンガス噴射手段 としては、シャワーヘッドが用いられる。

また、電極 の側面にバリア膜 を形成して、電極 の側面と基板 との間の電位差により生じうるプラズマを遮断することができる。バリア膜 にセラミックなどの絶縁性物質を用いると、電極 の側面と基板 との間の電位差が大幅に低下する。例えば、電極 の側面と基板 との間の電位差が１０Ｖ以上となる場合、絶縁性のバリア膜 を電極の側面に形成すると、両者間の電位差が１Ｖ以下に低下し、プラズマの生成を防ぐことができる。そして、バリア膜 を電極 の側面から基板 に向けて延設して物理的にプラズマ生成領域（基板の端部）からのプラズマが基板 の中心領域に拡散することを防ぐ。このため、前記バリア膜 を第１の電極 の側面に形成することが好適であり、バリア膜 と基板 との間隔は約０．１〜５ｍｍ以内にすることが好適である。バリア膜 と基板 との間隔を０．３〜０．５ｍｍ以内にすれば、プラズマの拡散を物理的に遮断することができて一層効果的である。そして、バリア膜 の厚さは、０．３〜１０ｍｍであることが好ましい。

Claims (9)

1. 気圧が大気圧近くの７００〜８００Ｔｏｒｒであるチャンバーと、
   前記チャンバー内に設けられると共に、基板の載置のための基板支持台と、
   前記基板の上面周縁部領域の上部に配設される第１の電極と、
   前記第１の電極と共に前記基板の端部領域を取り囲むように、前記基板の下面周縁部領域の下部に配設される第２の電極と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極の一方に結合された状態で上下動されて前記基板の前記基板支持台上への搬入を容易にし、かつ前記第１の電極と前記第２の電極とを接続して該第１の電極と該第２の電極とを同じ電位レベルにする導電性フレームと、
   前記基板支持台を介して前記基板に電源を印加する電源手段と、
   を備え、
   前記電極と前記基板との間隔を０．１〜５ｍｍとし、該基板に対応する前記チャンバーの上壁と前記基板との距離を３０〜５０ｍｍとして、前記基板の端部と前記電極との間に局部的にプラズマを生じさせるように構成された、
   ことを特徴とするプラズマエッチング装置。
2. 前記基板に対応する前記電極の表面に誘電膜が形成されている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
3. 前記誘電膜と前記基板との間隔は、０．１〜５ｍｍである請求項２に記載のプラズマエッチング装置。
4. 前記基板と対応する前記チャンバーの上壁に非反応性のガスを吹き付ける非反応ガスの噴射ノズルが設けられている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
5. 反応ガスを吹き付ける反応ガスの噴射ノズルが前記電極に設けられている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
6. 前記基板支持台が昇降可能であって前記基板が出納自在に、前記基板支持台の下部に前記基板支持台の駆動部が設けられている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
7. 前記電極の下部に磁界形成手段がさらに設けられている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
8. 前記電極の側面にバリア膜が形成されると共に該バリア膜の一部が前記基板に向かって延設されている請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
9. 前記バリア膜は、前記電極の側面から前記基板に向かって延設され、前記バリア膜と前記基板との間隔が０．１〜５ｍｍである請求項８に記載のプラズマエッチング装置。