JP5189609B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバ内に防着シールドが設けられたプラズマ処理装置に関する。

従来、スパッタリング装置などのプラズマ処理装置では、スパッタされた粒子などが真空室の内壁に付着するのを防止したり、プラズマ生成空間をシールドしたりするために、プラズマ生成空間を囲む防着シールドが真空室内に設けられている。特許文献１には、導電性の防着シールドを備えたスパッタリング装置の例が開示されている。

特許文献１に示されているように、防着シールドは、分割され、基板搬入時に基板を基板ステージに搬入することができるよう、開閉可能に形成されている。そして、基板の搬入後に防着シールドを分割部分で完全に閉じてしまうと、開閉時の振動等により表面に付着した膜が剥離し、パーティクルの原因になってしまうことから、分割部分はプラズマが漏れない程度の僅かな隙間（１ｍｍ以下）をもって非接触の状態で配置されている。

特開２００２−３５６７７１号公報

しかしながら、防着シールドは、処理チャンバ内で繰り返し使用されるとシールド面に付着膜が堆積するため、堆積量が多くなると、導電性防着シールドを交換する。しかし、放電は、放電用電極と導電性の防着シールドとの間でも行われるため、交換の前後で防着シールドの寸法や形状が相違すると、放電特性も変化してしまう。特に高周波放電の場合、隙間にも電流の伝達があるため、防着シールドの寸法変化により上述した隙間が変化すると、この影響は無視できず、プラズマの生成状態や基板ステージの電位状態が交換前後で相違したり、場所ごとに不均一になったりする。この結果、例えばスパッタリングを用いた成膜を行う場合には、膜厚や膜組成などの成膜結果にばらつきが生じることにつながる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、防着シールドを交換した場合でも安定した成膜結果を得ることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかるプラズマ処理装置は、
チャンバと、
前記チャンバ内で基板を保持するための基板ステージと、
チャンバ内部にプラズマを生成するための電極と、
本体部と前記本体部から分割形成された分離部とを備え、前記電極と前記基板ステージとの間のプラズマ空間を取り囲むように形成されたシールド部材と、
前記基板ステージおよび前記分離部を昇降させるための駆動手段と、を備え、
前記本体部及び前記分離部は、内側部及び前記内側部よりもプラズマ空間の外側に位置する外側部を夫々有し、
前記本体部及び前記分離部の外側部は、導電性部材であって、互いの接触を介して前記チャンバと基板ステージとを連結可能に形成され、
前記本体部及び分離部の内側部は、互いに非接触に形成されており、
前記プラズマを生成するためのプラズマ空間を開放する開放位置と、前記本体部及び分離部の外側部が互いに接触する接触位置との間で、前記駆動手段は前記分離部を昇降移動させることを特徴とする。

本発明によれば、防着シールドを交換した場合でも安定した成膜結果を得ることができるプラズマ処理装置を提供することができる。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
図１は、本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１に示した防着シールド及び外側部材を拡大して示す図である。 図３は、中間部防着シールド及び中間部外側部材を、図１及び図２に示した状態（閉状態）から鉛直方向下方に移動させた状態（開状態）を示す図である。 図４は、図１に示したスパッタリング装置の他の実施形態を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として容量結合型のスパッタリング装置を例に挙げて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図である。

図１に示すスパッタリング装置は、放電用ガスやプロセスガス等のガス導入系に接続された供給孔１０１と、荒引きポンプ及び主ポンプなどの排気系に接続された排気孔１０２とが形成された真空室（チャンバ）１０３を備えている。真空室１０３には、真空室１０３の内部に処理すべき基板を搬入し、処理された基板を真空室１０３から搬出するための開口である搬送口１１４が設けられている。本実施形態では、クラスタ型の装置において、基板搬送用のロボットが設けられた基板搬送室に接続し、搬送口１１４を介して基板搬送室のロボットとの間で基板の受け渡しを行うプラズマ処理装置の例を示している。なお、真空室１０３は略円筒形状に形成されている。

また、真空室１０３内には、成膜処理が施される基板を載置することが可能なステージ１０４と、基板に対向して配置されたターゲット電極１０５と、が備えられている。ターゲット電極１０５には、直流電圧を印加する直流電源１１３と、高周波電力（交流電力）を印加する交流電源１１２とが接続されている。これらから供給される電力によって、真空室１０３内に導入された放電用ガスからプラズマが生成される。また、真空室１０３内には、ターゲット電極１０５とステージ１０４との間に形成されるプラズマ空間を取り囲むようにして、シールド部材が設けられている。シールド部材は、防着シールド２００（内側部に相当）、及び、その防着シールド２００の外側を取り囲むようにして外側部材３００（外側部に相当）を備える。

本実施形態における防着シールド２００は、全体として断面形状が略円筒状であり、高さ方向に３つに分割されている。上部防着シールド部２０１と、中間部防着シールド部２０２と、下部防着シールド部２０３とによって防着シールド２００は構成されている。上部防着シールド部２０１と、中間部防着シールド部２０２と、下部防着シールド部２０３とは（以下、単に「防着シールド部２０１〜２０３」ともいう。）は、一体となって真空室１０３内のプラズマ空間を取り囲むように構成されている。防着シールド部２０１〜２０３は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウムなどの導電性部材で構成されている。真空室１０３内のプラズマ空間側に露出する防着シールド部２０１〜２０３のそれぞれのシールド面には、その面に一度付着したスパッタリング薄膜の剥離を防止すべく、Ａｌ溶射やブラスト法によって微細な凹凸が形成されている。

図２は、図１に示した防着シールド部２０１〜２０３及び外側部材３００を拡大して示す図である。

防着シールド部２０１〜２０３のそれぞれのシールド面のうち、微細な凹凸が形成されている範囲は、図２中の太線で示されている範囲である。また、後述する開閉動作により各防着シールド部２０１〜２０３が互いに衝突しないよう、各防着シールド部２０１〜２０３は互いに非接触となるように若干の隙間Ｓ１，Ｓ２を空けて配置されている。この隙間Ｓ１，Ｓ２は、１．５〜３ｍｍ程度とすることが好ましく、これにより、隙間Ｓ１，Ｓ２を介した電流の伝達の影響を低減できると共に、スパッタ粒子の外側部材３００への被着を有効に防止できる。

なお、本実施形態では、スパッタされた粒子が隙間Ｓ１，Ｓ２を通って容易に外側に出ないように、これらの隙間Ｓ１，Ｓ２はラビリンス状に形成されている。これにより、隙間Ｓ１，Ｓ２の一方の端部から他方の端部までの経路をより長くすることができるため、粒子がそれらの隙間Ｓ１，Ｓ２を通って外側に到達する可能性を低減することができる。

外側部材３００は、防着シールド２００の外側を取り囲む形状であり、上部外側部材３０１と、中間部外側部材３０２と、下部外側部材３０３とによって構成されている。上部外側部材３０１と、中間部外側部材３０２と、下部外側部材３０３とは（以下、単に「部材３０１〜３０３」ともいう。）、例えば、アルミニウムやステンレス鋼などの導電性材料で構成されている。中間部外側部材３０２及び中間部防着シールド部２０２は本発明の第３部材に相当し、上部外側部材３０１及び上部防着シールド部２０１は本発明の第２部材に相当し、下部外側部材３０３及び下部防着シールド部２０３は本発明の第１部材に相当している。

これらのうち、下部外側部材３０３は、図２に示すように、支持部３０３ａと、支持部３０３ａに支持される円環状の接続部３０３ｂとを備えている。接続部３０３ｂには下部防着シールド部２０３がボルトＢｔ１によって着脱自在に取り付けられており、接続部３０３ｂと下部防着シールド部２０３とは面接触により電気的に接続可能にされている。さらに、下部防着シールド部２０３はステージ１０４にボルトＢｔ２によって着脱自在に取り付けられ、下部防着シールド部２０３とステージ１０４とは面接触により電気的に接続されている。従って、放電時には、ステージ１０４から下部防着シールド部２０３を介して下部外側部材３０３に電流が流れる。なお、支持部３０３ａとステージ１０４は接地されている（図１参照）。

中間部外側部材３０２は、鉛直方向に延びる略円筒状の垂直接続部３０２ａと、水平方向に延びる水平接続部３０２ｃとを備えると共に、駆動軸４０１に接続され、不図示のシリンダ等の駆動手段によって鉛直方向に移動されるようになっている。中間部外側部材３０２が鉛直方向上方に移動させられた状態では、図２に示すように、水平接続部３０２ｃが下部外側部材３０３の下面に接触し（図２中の接触部Ｄ）、垂直接続部３０２ａの上端面が上部外側部材３０１に接触する（図２中の接触部Ｂ）。

また、垂直接続部３０２ａの上部には、垂直接続部３０２ａの上端面よりも鉛直方向下方に位置する段部３０２ｂが形成されている。中間部防着シールド部２０２は、この段部３０２ｂに当接するようにして、ボルト（不図示）によって中間部外側部材３０２に着脱自在に取り付けられている。この中間部防着シールド部２０２は、駆動軸４０１による中間部外側部材３０２の移動に伴って移動する。中間部防着シールド部２０２が鉛直方向上方に移動させられた状態（閉状態）では、中間部防着シールド部２０２は他の防着シールド部である上部防着シールド部２０１と、下部防着シールド部２０３との間に上述した非接触の隙間Ｓ１，Ｓ２を形成する。なお、垂直接続部３０２ａの内周面と中間部外側部材３０２の外周面とは必ずしも接触している必要はなく、むしろ処理工程時に加えられる熱による熱膨張等を考慮して、両者の間には僅かな隙間が形成されていることが好ましい。

図２に示すように中間部防着シールド部２０２が鉛直方向上方に移動させられた状態（閉状態）では、放電時には、ステージ１０４から下部外側部材３０３に流れた電流は、接触部Ｄを介して中間部外側部材３０２に流れる。また、中間部防着シールド部２０２とターゲット電極１０５との間の電圧変化により発生した電流は、中間部防着シールド部２０２から中間部外側部材３０２に流れる。

上部外側部材３０１は、中間部外側部材３０２から真空室１０３の側壁（チャンバ側壁）に向かって鉛直方向に延びる略円筒状の垂直接続部３０１ａと、垂直接続部３０１ａの上部で水平方向に延びる水平接続部３０１ｂとを備えている。水平接続部３０１ｂは、その下端面が真空室１０３の側壁に設けられた段部に当接して、ボルトＢｔ３を介して真空室１０３に着脱自在に取り付けられている。また、水平接続部３０１ｂの上端面側に上部防着シールド部２０１の水平方向に延びた部分が当接して、上部防着シールド部２０１が水平接続部３０１ｂにボルトＢｔ４を介して着脱自在に取り付けられている。

この構成により、図２に示すように中間部防着シールド部２０２が閉状態にあるとき、放電時には、ステージ１０４から中間部外側部材３０２に流れた電流は接触部Ｄを介して上部外側部材３０１に流れる。また、上部防着シールド部２０１とターゲット電極１０５との間の電圧変化により発生した電流は上部防着シールド部２０１から上部外側部材３０１に流れる。

なお、下部防着シールド部２０３は、上側シールド板２０３ａと下側シールド板２０３ｂとを鉛直方向に若干の隙間を空けて互いに重ね合わせてボルトＢｔ５により着脱自在に取り付けることで構成されている。上側シールド板２０３ａと下側シールド板２０３ｂには、互いにオフセットした位置に配置されたスリットＬ１，Ｌ２が形成されており、これらのスリットＬ１，Ｌ２は上側シールド板２０３ａと、下側シールド板２０３ｂとの間の隙間と併せてラビリンス状の通気路を形成可能としている。なお、下側シールド板２０３ｂに形成されたスリットＬ２は下部外側部材３０３を貫通している。

次に、図１から図３を参照して、本実施形態のスパッタリング装置の動作について説明する。図３は、図１及び図２に示した状態（閉状態）から、中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を鉛直方向下方に移動させた状態（開状態）を示している。この開状態では、中間部外側部材３０２は、上部外側部材３０１及び下部外側部材３０３から離間（分離）している。

図１に示した閉状態では中間部外側部材３０２が搬送口１１４を塞いでいるが、図３に示すように中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を鉛直方向下方に移動させることで、搬送口１１４を通して基板を搬送することを可能にする。そして、搬送口１１４を通して基板（不図示）を真空室１０３内に搬送し、基板をステージ１０４上に固定する。

その後、中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を鉛直方向上方に移動させて搬送口１１４を閉じる。続いて、真空室１０３内に放電用ガスを導入した後、ターゲット電極１０５に交流（例えば１３．５６ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）及び直流の高電圧を印加し、放電用ガスによるプラズマを発生させる。このようにして、交流電源１１２，直流電源１１３から電力が印加された真空室１０３が一定の所定電位に維持されている間、中間部外側部材３０２と上部外側部材３０１及び下部外側部材３０３とは、駆動軸４０１及びシリンダによって互いに接触する位置に配置される。さらに、中間部外側部材３０２と上部外側部材３０１及び下部外側部材３０３とは真空室１０３に電気的に接続される。

したがって、交流電源１１２及び直流電源１１３から印加される電流は、プラズマを介して、上述したようにステージ１０４、外側部材３００及び真空室１０３の側壁を通ってアースへ流れる。また、防着シールド２００に発生した電流は、外側部材３００及び真空室１０３の側壁を通ってアースへ流れる。このように、交換不要な外側部材３００によってリターン回路が構成されるので、防着シールド２００の交換に伴う電気的特性の変化を防止し、基板に形成される膜の成膜特性を安定化することができる。

なお、本発明に必須の構成ではないが、本実施形態では外側部材３００によって防着シールド２００の外側全体を取り囲む構成としたことにより、外側部材３００が２重のシールドとしても機能し、プラズマ漏れをより確実に防止することが可能である。

さらに、図２に示したように、スリットＬ１，Ｌ２を互いにオフセットした位置に配置することで、従来のように防着シールドが一重であるときは２０〜５０Ｌ／ｓであったコンダクタンスを１００〜２００Ｌ／ｓへとより大きくすることが可能である。

また、本実施形態では、中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を真空室１０３の全周部分にわたって移動させる構成を例に挙げて説明した。この構成によれば、ステージ１０４の周方向に渡って均等に中間部防着シールド部２０２，下部防着シールド部２０３同士の継ぎ目が形成されることになる。シールドの継ぎ目となる隙間は、プラズマが入り込むなどして特異点となりやすく、プラズマ分布の偏りを生じる原因となる。しかしながら、本実施形態のように中間部防着シールド部２０２，下部防着シールド部２０３同士の継ぎ目をステージ１０４周囲の周方向に渡って均等に形成することで、プラズマ分布を均等にし、成膜特性の面内分布を均一にすることができる。ただし、中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を真空室１０３の全周部分にわたって移動させる構成は必ずしも必須の構成ではない。例えば、搬送口１１４を通して基板の搬送を行うのに必要な部分だけを鉛直方向に移動可能な構成としてもよい。

さらに、本実施形態のように、中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を移動させることで、搬送口１１４を通して基板の搬送を行うことを可能にすることにより、以下の利点を得ることができる。すなわち、本実施形態のように中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を移動させる構成とすることにより、ステージ１０４を昇降させるための昇降機構を備えることが不要となる。ステージを昇降させる構成を採用した場合には、ベローズなどの昇降機構を介して接地を行うことになる。これに対し、ステージを昇降させる構成を採用しない場合には、昇降機構を介して接地を行う必要がない分、接地時に電位を安定させ易いことから、成膜特性をより安定化することができる。

ただし、本発明は中間部防着シールド部２０２及び中間部外側部材３０２を移動させて搬送口１１４を通して基板の搬送を行うことを可能にする構成に限定されるものではない。図４に示すように、ステージ１０４を昇降機構により昇降させることで基板の搬入を可能にする構成であってもよい。ステージ１０４を下端まで降下させた状態で、搬送口１１４から基板を真空室１０３内に搬入し、ステージ１０４に基板を載置した後にステージ１０４を上昇させるようにしてもよい。

また、図１にはステージ１０４がターゲット電極１０５の下方に配置されている例を示したが、これに限らず、ターゲット電極を真空室内の下側に配置し、基板を保持するステージをその上方に配置した構成としてもよい。

さらに、本実施形態では中間部外側部材３０２に駆動軸４０１を接続し、これを不図示のシリンダ等の駆動手段で移動させる構成を例に挙げたが、これに代えて、上部外側部材３０１及び下部外側部材３０３を移動させる構成としてもよい。あるいは、中間部外側部材３０２と、上部外側部材３０１及び下部外側部材３０３とを、それぞれ別個に移動させる構成としてもよい。

また、本発明において内側部は必須のものでない。例えば、チャンバと、前記チャンバ内で基板を保持するための基板ステージと、チャンバ内部にプラズマを生成するための電極と、前記電極と前記基板ステージとの間のプラズマ空間を取り囲むように形成された導電性のシールド部材と、を備え、前記シールド部材は、前記基板ステージ側の第１部材と、前記第１部材と離れて位置し、前記チャンバ側の第２部材と、前記第１部材と第２部材の間で、前記基板ステージの外側を取り囲む環状に形成された第３部材と、を備えると共に、前記３部材は、第１部材及び第２部材との接触を介して前記チャンバと基板ステージとを連結可能に形成され、さらに、前記第３部材を前記プラズマ空間を開放する開放位置との間で移動させる駆動手段を備えるものであってもよい。この場合、基板ステージを駆動させるのでなく、シールド部材を駆動させるので、基板ステージの接地状態を安定させ、面内の電気的特性の均一化を図ることができる。また、第３部材と他の部材との接触部分が基板の周囲で均一になるので、この点でもプラズマ分布やステージ電位等の面内条件の均一化を図ることができる。

（電子デバイスの製造方法への適用）
本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置は、例えば、大型フラットパネルディスプレイ（液晶ディスプレイ）や薄膜太陽電池パネル、マイクロインダクタ、磁気記録ヘッドなどの電子デバイス、あるいは、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）のような磁性薄膜を使用したメモリデバイスなどを製造するための成膜工程に適用可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。

本願は、２００８年７月３１日提出の日本国特許出願特願２００８−１９７５８２を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (1)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内で基板を保持するための基板ステージと、
   チャンバ内部にプラズマを生成するための電極と、
   本体部と前記本体部から分割形成された分離部とを備え、前記電極と前記基板ステージとの間のプラズマ空間を取り囲むように形成されたシールド部材と、
   前記基板ステージおよび前記分離部を昇降させるための駆動手段と、を備え、
   前記本体部及び前記分離部は、内側部及び前記内側部よりもプラズマ空間の外側に位置する外側部を夫々有し、
   前記本体部及び前記分離部の外側部は、導電性部材であって、互いの接触を介して前記チャンバと基板ステージとを連結可能に形成され、
   前記本体部及び分離部の内側部は、互いに非接触に形成されており、
   前記プラズマを生成するためのプラズマ空間を開放する開放位置と、前記本体部及び分離部の外側部が互いに接触する接触位置との間で、前記駆動手段は前記分離部を昇降移動させることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images