JP5891405B2 - 基板のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。

ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成する工程としてエッチング処理（プラズマ処理）が行われている（例えば、特許文献１参照）。

従来のサファイア基板に対するエッチング処理では、まず、サファイア基板の表面にフォトレジスト（レジスト膜）を配置してマスクパターンを形成し、その後、ＢＣｌ_３が主体のガスを用いて、サファイア基板に対するプラズマ処理が行われる。これにより、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた部分に円錐状または円錐台状等の複数の突起から成る凹凸構造が形成される。このように凹凸構造が形成されたサファイア基板は、ＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）と呼ばれて、ＰＳＳを得るためのサファイア基板に対するエッチング処理をＰＳＳ加工と称している。

このようなＰＳＳを形成するためのエッチング処理では、複数の基板収容部を有するトレイを用いて複数枚のサファイア基板を取り扱うことで、エッチング処理の効率化が図られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２９４１５６号公報 特許第４３６１０４５号公報

近年、ＬＥＤデバイスにおいて、デバイスからの光の外部取出し効率をさらに向上させるために、ＰＳＳにおいて凹凸構造の高アスペクト比化や微細化が求められるとともに、凹凸構造の均一化を図って、安定した品質を提供することが求められている。

しかしながら、従来のエッチング処理では、サファイア基板の中央領域に形成される凹凸構造の高さ（ＰＳＳ高さ）が、周縁領域に形成される凹凸構造の高さよりも低くなる傾向があり、サファイア基板の表面において高アスペクト比で且つ均一な形状を有する凹凸構造を形成することが難しいという課題がある。

従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、マスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理において、凹凸構造の高さの均一化を図ることができる基板のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、レジスト膜によりマスクパターンが表面に形成されたサファイア基板を、トレイに開口された基板収容部に収容した状態で、チャンバ内の基板保持部にそれぞれのサファイア基板を載置する基板搬入工程と、基板保持部とサファイア基板との間の空間に冷却ガスを充填しながらサファイア基板に対してプラズマ処理を行い、表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成するプラズマ処理工程と、を備え、プラズマ処理工程において、サファイア基板の中央領域に接する空間内の冷却ガスの圧力がサファイア基板の周縁領域に接する空間内の冷却ガスの圧力よりも低くして、サファイア基板における中央領域の温度を周縁領域の温度よりも高くした状態にて、プラズマ処理を行うことにより、サファイア基板の凹凸構造の高さを均一化する、サファイア基板のプラズマ処理方法を提供する。

本発明の第２態様によれば、基板保持部とサファイア基板との間の空間内において、サファイア基板の周縁領域に接する第１空間部分に冷却ガスを供給しながら、サファイア基板の中央領域に接する第２空間部分より冷却ガスを排気することにより、第１空間部分における冷却ガスの圧力よりも第２空間部分における圧力を低くした状態でプラズマ処理を行う、第１態様に記載のサファイア基板のプラズマ処理方法を提供する。

本発明の第３態様によれば、基板保持部とサファイア基板との間の空間内において、基板保持部の表面に形成された複数の突起構造が、第１空間部分から第２空間部分へ向かう冷却ガスの流れを阻害することにより、第１空間部分における冷却ガスの圧力よりも第２空間部分における圧力を低くした状態を形成する、第２態様に記載のサファイア基板のプラズマ処理方法を提供する。

本発明の第４態様によれば、チャンバ内に、トレイに開口された基板収容部に収容されるとともにレジスト膜によりマスクパターンが表面に形成されたサファイア基板を、基板収容部を下方から貫通して保持する基板保持部を備え、基板保持部とサファイア基板との間の空間に冷却ガスを充填しながらサファイア基板に対してプラズマ処理を行い、表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成するプラズマ処理装置であって、基板保持部の上面には、サファイア基板の周縁領域に臨む第１領域に形成された複数の冷却ガス供給孔と、サファイア基板の中央領域に臨む第２領域に形成された少なくとも１つの冷却ガス排気孔を設け、複数の冷却ガス供給孔より冷却ガスを供給するとともに基板保持部とサファイア基板との間の空間内に供給された冷却ガスを冷却ガス排気孔から排気することにより、基板保持部とサファイア基板との間の空間内においてサファイア基板の周縁領域に接する第１空間部分における冷却ガスの圧力よりもサファイア基板の中央領域に接する第２空間部分における圧力を低くすることにより、プラズマ処理中においてサファイア基板における中央領域の温度を周縁領域の温度よりも高くする冷却ガス制御部を備える、プラズマ処理装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、基板保持部の上面には、第１空間部分から第２空間部分へ向かう冷却ガスの流れを阻害する複数の突起構造が形成されている、第４態様に記載のプラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、プラズマ処理工程において、サファイア基板の中央領域に接する空間内のＨｅガスの圧力がサファイア基板の周縁領域に接する空間圧力よりも低い状態にて、プラズマ処理が行われる。これにより、プラズマ処理の際に、サファイア基板の中央領域の温度が周縁領域の温度よりも高い状態とすることができ、中央領域におけるＰＲ選択比（サファイア基板のエッチングレート／レジスト膜のエッチングレート）を高めることができる。よって、サファイア基板の中央領域における凹凸構造の高さ（すなわちアスペクト比）を周辺領域における凹凸構造と同等レベルにすることで、周縁領域と中央領域との間における凹凸構造の高さのバラツキを補正して、凹凸構造の高さの均一化を図ると共に凹凸構造の高アスペクト比化を実現できる。

本発明の一の実施の形態にかかるドライエッチング装置の構成図 トレイ、基板および基板ステージの斜視図 トレイ、基板および基板ステージの斜視図（トレイ載置状態） 基板保持部の保持面の平面図 基板保持部の保持面の断面図 本実施の形態のエッチング処理時における圧力分布および温度分布を示すグラフ ＰＳＳが形成される過程を示す説明図 変形例にかかる基板保持部の保持面の平面図 従来のエッチング処理時における圧力分布および温度分布を示すグラフ 図１のドライエッチング装置における冷却ガス制御部の構成図

本発明の実施の形態を説明するに先だって、本発明の課題が生じる原因について、本発明者らが見出した知見について説明する。

まず、本発明者らは、従来のＰＳＳを形成するエッチング処理を行った場合のサファイア基板の中央領域Ｒ２と、その周囲の周縁領域Ｒ１とにおけるエッチング処理時の温度分布とＨｅガスの圧力分布と、形成される凹凸構造の高さのバラツキとの関係に着目して分析を行った。この分析結果として、エッチング処理時の温度分布とＨｅガスの圧力分布とを図９のグラフに示す。なお、分析にあたっては、例えば、特許文献２に開示されているような構成のエッチング装置を用いた。

図９のグラフでは、サファイア基板の径方向の位置（周縁領域Ｒ１、中央領域Ｒ２）を横軸に示し、Ｈｅガスの圧力分布を左側縦軸に示し、サファイア基板の温度分布を右側縦軸に示している。なお、Ｈｅガスは、サファイア基板と基板保持部との間に形成される空間内に充填され、主にエッチング処理の際にサファイア基板の温度上昇を抑制することを目的として用いられる。

図９に示すように、エッチング処理の際に、サファイア基板の中央領域Ｒ２の温度Ｔ２が、周縁領域Ｒ１の温度Ｔ１よりも低くなっている。さらに、Ｈｅガスの圧力については、中央領域Ｒ２の圧力Ｐ２が、周縁領域Ｒ１の圧力Ｐ１よりも高くなっている。

これらの分析結果に基づき検討すると、サファイア基板のエッチング処理では、基板温度が高くなる程ＰＲ選択比が高くなるため、基板温度が高い部分にて凹凸構造のアスペクト比（高さ）が高くなり、その結果、基板温度が低い部分にて凹凸構造のアスペクト比が低くなる傾向にあることを見出した。

特許文献２に開示されているようなエッチング装置では、基板と基板保持部との間の空間に、基板保持部の中央に形成されたガス供給孔よりＨｅガスが供給され、この空間内にＨｅガスが充填された状態でエッチング処置が行われる。このような構成では、空間内に充填されたＨｅガスが基板の周縁部より漏洩するため、図５に示すように、基板の中央領域においてＨｅガスの圧力が高くなり、周縁領域において圧力が低くなる。

Ｈｅガスは、エッチング処理時における基板の温度上昇を抑制するために、基板と基板保持部との間の空間内に充填されるものである。基板の中央領域ではＨｅガスの圧力が高くなるため、基板の温度上昇を抑制する効果が高くなり、その結果、中央領域において基板温度が低くなる。一方、基板の周縁領域ではＨｅガスの圧力が低くなるため、基板の温度上昇を抑制する効果が低減する。加えて基板の縁は基板保持部からはみ出しているためプラズマに晒されると高温になりやすい。その結果、周縁領域において基板温度が高くなる。このように基板の中央領域の温度が周縁領域よりも低くなることから、凹凸構造の高さにバラツキが生じているものと考えられる。

一方、ＰＳＳ加工においては、サファイア基板の温度が高いほどＰＲ選択比が高くなるためアスペクト比の高いＰＳＳを得られることが発明者らの研究によって確認されている。

本発明は、これらの新たな知見を総合的に検討した結果完成したものであり、単に凹凸構造のバラツキを低減するのみならず、凹凸構造を全体として高アスペクト比とすることができるサファイア基板のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供するものである。

また、トレイを用いたサファイア基板のエッチング処理では、トレイの主材質としてＳｉＣが用いられ、レジスト膜としてはカーボン系の材料が用いられることが多い。このような場合にあっては、レジストに含まれるカーボン（Ｃ）がエッチングによってサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）から放出された酸素（Ｏ_２）と反応して除去されるため、サファイアで囲まれた中央領域ではトレイに近接する周辺領域よりもレジストの消耗が早くなるといういわゆるローディング効果が生じる。このためＰＲ選択比がサファイア基板の中央領域よりも周辺領域がさらに高くなる。

このような分析結果に基づく新たな知見より、本発明者らは、トレイを用いたサファイア基板のエッチング処理において、サファイア基板の温度分布を中央領域が高くなるように補正することで、中央領域および周縁領域のＰＲ選択比を調整し、エッチング処理により形成される凹凸構造の高さの均一化と共に凹凸構造の高アスペクト比化を図るという本発明の考え方を見出したものである。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態）
本発明の一の実施の形態に係るプラズマエッチング処理装置の一例としてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型のドライエッチング装置１の構成図を図１に示す。

ドライエッチング装置１は、その内部が基板２にプラズマ処理を行う処理室を構成するチャンバ（真空容器）３を備える。チャンバ３の上端開口は石英等の誘電体により形成された天板４により密閉状態で閉鎖されている。天板４上にはＩＣＰコイル５が配置されている。ＩＣＰコイル５にはマッチング回路を含む第１の高周波電源部７が電気的に接続されている。天板４と対向するチャンバ３内の底部側には、バイアス電圧が印加される下部電極としての機能及び基板２の保持台としての機能を有する基板ステージ９が配置されている。チャンバ３には、例えばロードドック室（図示せず）と連通する開閉可能な搬入出口が設けられており、図示しない搬送機構により基板２を収納したトレイ１５の搬入・搬出動作が行われる。

また、チャンバ３に設けられたエッチング用のガス導入口３ｂを通して、チャンバ３内に複数種類のガスが供給可能とされている。本実施の形態では、複数種類のガスとして、例えば、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２、Ａｒ、Ｏ_２、ＣＦ_４などが用いられる。また、チャンバ３に設けられた排気口３ｃには、真空ポンプや圧力制御弁等から構成される圧力制御部１３が接続されている。

次に、本実施の形態のドライエッチング装置１にて取り扱われる基板２を保持するトレイ１５について、図２および図３の模式斜視図を用いて説明する。

トレイ１５は薄板円板状のトレイ本体１５ａを備える。トレイ１５の材質としては、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のセラミクス材や、アルマイトで被覆したアルミニウム、表面にセラミクスを溶射したアルミニウム、樹脂材料で被覆したアルミニウム等の金属がある。Ｃｌ系プロセスの場合にはアルミナ、イットリア、炭化シリコン、窒化アルミニウム等、Ｆ系プロセスの場合には石英、水晶、イットリア、炭化シリコン、アルマイトを容射したアルミニウム等を採用することが考えられる。なお、本実施の形態では、炭化シリコン（ＳｉＣ）を主材料として形成されたトレイ１５が用いられる。

トレイ本体１５ａには、上面１５ｂから下面１５ｃまで厚み方向に貫通する４個の基板収容孔１９が設けられている。基板収容孔１９は、上面１５ｂ及び下面１５ｃから見てトレイ本体１５ａの中心に対して等角度間隔で配置されている。それぞれの基板収容孔１９の内壁１５ｄには、孔中心に向けて突出する基板支持部２１が設けられている。本実施の形態では、基板支持部２１は内壁１５ｄの全周に設けられており、平面視で円環状である。

それぞれの基板収容孔１９にはそれぞれ１枚の基板２が収容される。基板収容孔１９に収容された基板２は、その外周縁部２ａの下面部分が基板支持部２１の上面２１ａに支持される。また、基板収容孔１９はトレイ本体１５ａを厚み方向に貫通するように形成されているので、トレイ本体１５ａの下面側から見ると、基板収容孔１９により基板２の下面が露出した状態とされている。

トレイ本体１５ａには、外周縁を部分的に切り欠いたノッチ１５ｅが形成されており、搬送時などでトレイ１５を取り扱う際に、センサ等を用いてトレイ１５の向きを容易に確認できる。

次に、図１〜図３を参照して、基板ステージ９について説明する。

図１に示すように、基板ステージ９は、セラミクス等の誘電体部材により形成されたステージ上部２３と、表面にアルマイト被覆を形成したアルミニウム等により形成され、バイアス電圧が印加される下部電極として機能する金属ブロック２４と、絶縁体２５と、金属製のシールド２７とを備える。基板ステージ９の最上部に配置されるステージ上部２３は、金属ブロック２４の上面に固定されており、ステージ上部２３および金属ブロック２４の外周が絶縁体２５により覆われて、さらに絶縁体２５の外周が金属により形成されたシールド２７により覆われている。

図２に示すように、ステージ上部２３は円板状に形成されており、ステージ上部２３の上端面は、トレイ１５の下面１５ｃを支持するトレイ支持部２８となっている。また、トレイ１５のそれぞれの基板収容孔１９と対応する短円柱状の４個の基板保持部２９がトレイ支持部２８から上向きに突出している。さらにステージ上部２３上には、トレイ支持部２８を囲むように配置され、ステージ上部２３から上向きに突出して形成された環状のガイドリング３０が配置されている。このガイドリング３０は、ステージ上部２３において、トレイ１５の配置位置を案内する役目を担っている。

図１に示すように、ステージ上部２３に設けられた個々の基板保持部２９の保持面３１付近にはＥＳＣ電極（静電吸着用電極）４０が内蔵されている。これらのＥＳＣ電極４０は電気的に互いに絶縁されており、直流電源を内蔵するＥＳＣ駆動電源部４１から静電吸着用の直流電圧が印加される。

図１に示すように、それぞれの基板保持部２９の保持面３１の周縁部分には複数の冷却ガス供給孔７１が設けられており、保持面３１の中央部には冷却ガス排気孔７３が設けられている。これら冷却ガス供給孔７１と冷却ガス排気孔７３は冷却ガス供給路７２ｂと冷却ガス排気路７４ｂによって冷却ガス制御部７５に接続されている。本実施の形態では、冷却ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられ、プラズマ処理中において、基板保持部２９の保持面３１と基板２との間に形成される空間内に冷却ガスが供給されることで基板２の冷却が行われる。なお、冷却ガス制御部７５の詳細構成については後述する。

金属ブロック２４には、バイアス電圧としての高周波を印加する第２の高周波電源部５６が電気的に接続されている。第２の高周波電源部５６はマッチング回路を備えている。

また、金属ブロック２４内には、金属ブロック２４を冷却するための冷媒流路６０が形成されており、冷却ユニット５９より温度調節された冷媒が冷媒流路６０に供給されることで、金属ブロック２４が冷却される。

図１に示すように、基板ステージ９には、トレイ支持部２８上に配置された状態のトレイ１５をその下面側から押し上げて（突き上げて）トレイ１５とともにそれぞれの基板２を上昇させる複数本のトレイ押上ロッド１８が備えられている。それぞれのトレイ押上ロッド１８は、トレイ支持部２８の上面より突出した押上位置と、トレイ支持部２８内に格納された格納位置との間で駆動機構１７により昇降駆動される。

ドライエッチング装置１には、図示しない制御部が備えられている。ドライエッチング装置１が備えるそれぞれの構成部である、第１の高周波電源部７、第２の高周波電源部５６、ＥＳＣ駆動電源部４１、駆動機構１７、冷却ユニット５９、および圧力制御部１３などの動作が他の構成部の動作と関連付けられながら統括的に制御部により制御される。

本実施の形態のドライエッチング装置１では、基板２としてサファイア基板が取り扱われ、エッチング処理（プラズマ処理）として、サファイア基板２の表面に微小な凹凸構造を形成する加工（ＰＳＳ：Patterned Sapphire Substrate）が行われる。なお、このように基板２の表面に微小な凹凸構造を形成する加工を基板表面の粗面化加工または表面テキスチャ加工と言うこともできる。

ここで、基板ステージ９に形成された基板保持部２９の平面図を図４に示し、断面図を図５に示す。

図４および図５に示すように、基板保持部２９は、基板２が載置される保持面３１を備えている。保持面３１は、基板２の形状に合わせて大略円形状に形成されており、図４に示すように、その外周の一部に直線部分が形成されている場合であっても良い。

保持面３１の外周全体を囲むように保持面３１より第１壁部６１が突出して形成されており、第１壁部６１の内側には保持面３１より第２壁部６２が突出して形成されている。さらに、第２壁部６２により囲まれた保持面３１の領域内には、円柱状の突起部分である多数のディンプル部６３が形成されている。図５に示すように、基板保持部２９の保持面３１に基板２が載置されると、基板２の下面が、第１壁部６１、第２壁部６２、およびそれぞれのディンプル部６３の上面と接触して支持された状態とされる。また、基板２の下面と保持面３１との間には、第１壁部６１および第２壁部６２により囲まれた空間Ｓが形成される。この空間内にＨｅガスが導入されることにより、エッチング処理時に基板２の冷却が行われる。

保持面３１における第２壁部６２の内側近傍には複数の冷却ガス供給孔７１が配置されており、例えば、それぞれの冷却ガス供給孔７１が、第２壁部６２に沿った同心円上に均等な間隔ピッチにて配置されている。これらの冷却ガス供給孔７１は冷却ガス供給路７２ｂに連通されており、冷却ガス供給路７２ｂよりそれぞれの冷却ガス供給孔７１を通して空間Ｓ内にＨｅガスが導入可能とされている。

また、保持面３１の中央には、空間Ｓ内に導入されたＨｅガスを排気する冷却ガス排気孔７３が形成されている。冷却ガス排気孔７３は、例えば、保持面３１の中心に１個形成されており、冷却ガス排気路７４ｂに連通されている。なお、冷却ガス排気孔７３は複数形成されているような場合であっても良い。

図１に示すように、それぞれの基板保持部２９の保持面３１に形成された冷却ガス供給孔７１は、共通の冷却ガス供給路７２ｂに連通されており、冷却ガス排気孔７３は、共通の冷却ガス排気路７４ｂに連通されている。

次に、冷却ガス制御部７５について説明する。図５に示すように、冷却ガス制御部７５は、空間Ｓ内において基板２の周縁領域Ｒ１に接する第１空間部分Ｓ１へそれぞれの冷却ガス供給孔７１を通して冷却ガスを供給するとともに、基板２の中央領域Ｒ２に接する第２空間部分Ｓ２から冷却ガス排気孔７３を通して冷却ガスを排気する。冷却ガス制御部７５は、冷却ガス供給孔７１から供給する冷却ガスの流量と冷却ガス排気孔７３から排気する冷却ガスの流量を制御することで、第２空間部分Ｓ２の冷却ガスの圧力が第１空間部分Ｓ１よりも低い状態となるようにするものである。

ここで、冷却ガス制御部７５の構成図を図１０に示す。図１０に示すように冷却ガス制御部７５は、冷却ガス供給部（図示せず）に接続された冷却ガス供給路７２ａと冷却ガス供給路７２ｂを接続する供給側内部流路７２ｃと、冷却ガス排気路７４ｂと排気設備（図示せず）につながる冷却ガス排気路７４ａを接続する排気側内部流路７４ｃを備えている。供給側内部流路７２ｃには、流量調整部７６と開閉バルブ７７が設けられている。流量調整部７６は供給側内部流路７２ｃ内を通る冷却ガスの流量を所定の値に保つように調整する。開閉バルブ７７は冷却ガスの供給を停止するための開閉バルブである。排気側内部流路７４ｃには圧力調整バルブ７９と圧力測定部８０が設けられている。圧力調整バルブ７９は主に保持面３１と基板２の空間のうち基板２の中心領域に接する部分（第２空間部分Ｓ２）の冷却ガスの圧力を調整する。圧力測定部８０は、第２空間部分Ｓ２における冷却ガスの圧力を測定する。冷却ガス制御部７５は、供給側内部流路７２ｃと排気側内部流路７４ｃを接続する圧力調整流路７８ａを備えている。圧力調整流路７８ａは圧力測定部７８ｃと圧力調整バルブ７８ｂを備えている。圧力測定部７８ｃは、保持面３１と基板２との間の空間のうち基板２の周縁領域に接する部分（第１空間部分Ｓ１）の冷却ガスの圧力を測定する。圧力調整バルブ７８ｂは供給側内部流路７２ｃから排気側内部流路７４ｃへ逃がす冷却ガスの流量を調整することにより、主に第１空間部分Ｓ１における冷却ガスの圧力を調整する。さらに冷却ガス制御部７５は、供給側内部流路７２ｃと排気側内部流路７４ｃを接続する２つのバイパス流路８２ａ，８３ａを備えている。各々のバイパス流路は常時は閉じている開閉バルブ８２ｂ，８３ｂを備えている。供給側内部流路７２ｃや冷却ガス供給路７２ｂに残留する冷却ガスを速やかに排気したい場合には、開閉バルブ８２ｂ，８３ｂを開いて排気を行う。

次に、上述したような構成を有するドライエッチング装置１を用いて、複数の基板２に対してエッチング処理を行う方法について説明する。なお、以降に説明するそれぞれの処理は、ドライエッチング装置１が備える制御部によりそれぞれの構成部が予め設定されたプログラムおよび運転条件に基づいて制御されることにより実施される。

（トレイ搬入処理）
まず、トレイ搬入処理を実施する。具体的には、ドライエッチング装置１において、チャンバ３を開放状態とさせる。その後、４個の基板収容孔１９にそれぞれ基板２が収容された状態のトレイ１５を、搬送機構によりチャンバ３内に搬入する。

チャンバ３内では、駆動機構１７によって駆動されたトレイ押上ロッド１８が上昇し、ハンド部からトレイ押上ロッド１８の上端にトレイ１５が移載される。トレイ１５の移載後、搬送機構はチャンバ３外へ待避し、チャンバ３が閉鎖される。

上端にトレイ１５を支持したトレイ押上ロッド１８は、その押上位置から基板ステージ９内に格納される格納位置に向けて降下する。トレイ１５は下面１５ｃが基板ステージ９のステージ上部２３のトレイ支持部２８まで降下し、トレイ１５はステージ上部２３のトレイ支持部２８によって支持される。トレイ１５がトレイ支持部２８に向けて降下する際に、ステージ上部２３の基板保持部２９がトレイ１５の対応する基板収容孔１９内にトレイ１５の下面１５ｃ側から進入する。トレイ１５の下面１５ｃがトレイ支持部２８に当接する前に、基板保持部２９の上端面である保持面３１が、基板２の下面に当接する。さらにトレイ１５を下降させてトレイ１５の下面１５ｃをトレイ支持部２８上に載置すると、それぞれの基板２の縁部２ａが基板支持部２１の上面２１ａから持ち上げられて、トレイ１５と基板２とが互いに離間した状態となる。なお、トレイ１５は、ガイドリング３０によりその配置位置が位置決めされるため、それぞれの基板２は基板保持部２９に対して高い位置決め精度で配置される。

その後、それぞれの基板保持部２９に内蔵されたＥＳＣ電極４０に対してＥＳＣ駆動電源部４１から直流電圧を印加する。

（エッチング処理）
次に、エッチング処理を実施する。具体的には、エッチング処理用のガスとしては、ＢＣｌ_３が主体のガスにＣＦ_４ガスを所定の混合比率にて混合した混合ガスが用いられ、ガス導入口３ｂを通じて混合ガスがチャンバ３内に供給される。それとともに、圧力制御部１３によりチャンバ３内は所定圧力に調整される。続いて、第１の高周波電源部７からＩＣＰコイル５に高周波電圧を印加する。これによりチャンバ３内にプラズマが発生する。

また、チャンバ３内にプラズマが発生することにより基板２と基板保持部２９の間に静電吸着力が発生し、それぞれの基板保持部２９の保持面３１に基板２が静電吸着される。基板２の下面はトレイ１５を介することなく保持面３１上に直接配置されている。したがって、基板２は保持面３１に対して高い密着度で保持される。

その後、それぞれの基板保持部２９の保持面３１と基板２の下面との間に存在する空間Ｓ内の第１空間部分Ｓ１に、それぞれの冷却ガス供給孔７１を通して冷却ガスとしてＨｅガスが供給され、この空間Ｓに冷却ガスが充填される。それとともに、空間Ｓ内に充填されたＨｅガスは、空間Ｓ内の第２空間部分Ｓ２より冷却ガス排気孔７３を通して、Ｈｅガスが排気される。さらに、空間Ｓ内に供給されたＨｅガスは、それぞれの冷却ガス供給孔７１の近傍の第１空間部分Ｓ１から、冷却ガス排気孔７３の近傍の第２空間部分Ｓ２へと流れることになるが、それぞれの冷却ガス供給孔７１と冷却ガス排気孔７３との間には、多数のディンプル部６３が配置されているため、Ｈｅガスに対して流れの抵抗が与えられる。第１空間部分Ｓ１及び第２空間部分Ｓ２におけるＨｅガスの圧力は、冷却ガス制御部７５によって調整される。

ここで、このようにＨｅガスの供給および排気が行われている状態における空間Ｓ内のＨｅガスの圧力分布（実施例）について、図６のグラフに示す。図６に示すように、基板２の周縁領域Ｒ１でのＨｅガスの圧力Ｐ３よりも、中央領域Ｒ２のＨｅガスの圧力Ｐ４が低くなっている。これは、上述した従来の圧力分布（図９）とは全く逆の傾向となっている。なお、図６において、従来の圧力分布を比較のために二点鎖線にて示す。

このように空間Ｓ内に冷却ガスが十分に充填された状態（所定の圧力に保たれた状態）にて、第２の高周波電源部５６により基板ステージ９の金属ブロック２４にバイアス電圧を印加し、チャンバ３内で発生したプラズマを基板ステージ９側へ引き寄せる。これにより、基板２に対するエッチング処理が行われて、基板２の表面に対するＰＳＳ加工が実施される。１枚のトレイ１５で４枚の基板２を基板ステージ９上に載置できるので、バッチ処理が可能である。

ここで、サファイア基板２の表面に対するエッチング処理を行うことにより実施されるＰＳＳ加工についてその概略を、図７（Ａ）〜（Ｅ）の説明図を用いて説明する。

まず、図７（Ａ）に示すように、基板２の表面には突起状の複数のレジスト５１（レジスト膜）が配置されている。これらのレジスト５１は、基板２の表面に形成される凹凸構造に応じたマスクパターンを形成する。

次に、基板２に対するエッチング処理が開始されると、レジスト５１により覆われていない基板２の表面がプラズマに曝されてエッチングされる。具体的には、基板２の表面に対しては、イオンエッチングと、活性種（ラジカル）との化学反応によるエッチングが行われる。一方、レジスト５１自体もプラズマに曝されるため、基板２に対するエッチングの進行とともに、エッチングされることになる。具体的には、レジスト５１に対しては、イオンエッチングが行われるとともに、基板２に対するエッチングにより発生したＯやＣｌによるエッチングが併せて行われる。

さらに、エッチングの進行に伴い、アルミニウムやレジスト由来のカーボン系の副生成物（デポ（デポジション））が発生する。このデポ５２はサファイア基板２の表面やレジスト５１に付着する。サファイア基板２の表面やレジスト５１の頂部では、デポ５２の付着量よりもイオンエッチングによる除去量が勝っているため、デポ５２の膜は形成されない。一方、レジスト５１の側面ではイオンエッチングの作用が弱いため、付着したデポ５２が残存して膜を形成する（図７（Ｂ）参照）。このデポ５２の膜は、エッチングの進行に伴って成長し、その一部は基板２の表面を徐々に覆いながら広がっていく。このように、マスクとして機能するデポ５２が基板２のエッチングの進行に伴って広がることで、基板２の表面において、レジスト５１およびデポ５２にて覆われた部分に、テーパ面を有する円錐台状の突起５３が形成される（図７（Ｃ）参照）。

エッチングの進行に伴い、レジスト５１が後退する（すなわち、容積が減少する）と、レジスト５１の側面や突起５３のテーパ面におけるイオンエッチング効果が次第に強くなり、デポ５２も消失する（図７（Ｄ）参照）。この段階で基板２に対するエッチングを停止すれば、その頂部にレジスト５１が配置された複数の円錐台状の突起５３から成る凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。

その後、さらにエッチングを継続すると、レジスト５１が完全に消滅して、図７（Ｅ）に示すように、複数の円錐状の突起５３から成る高さＨを有す凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。

このような基板２に対するエッチング処理の際に、基板２と基板保持部２９との間の空間Ｓ内に充填されたＨｅガスの圧力が、周縁領域Ｒ１の圧力Ｐ３が高く、中央領域Ｒ２の圧力Ｐ４が低くなるような圧力分布に制御されている。そのため、基板２の中央領域Ｒ２では、Ｈｅガスによる冷却効果が周縁領域Ｒ１に比して抑えられることになる。その結果、図６のグラフに示すように、基板２の中央領域Ｒ２における温度Ｔ４を、周縁領域Ｒ１における温度Ｔ３よりも高くすることができる。よって、基板２の中央領域Ｒ２において、ＰＲ選択比の低下を補正して高めることができ、基板２の周縁領域Ｒ１に形成される凹凸構造の高さと、中央領域Ｒ２に形成される凹凸構造の高さとの均一化を図ることができる。

また、エッチング処理中は、Ｈｅガスによる冷却に加えて、冷却ユニット５９によって冷媒流路６０中で冷媒を循環させて金属ブロック２４を冷却し、それによってステージ上部２３及び保持面３１に保持された基板２が冷却される。その後、所定の処理時間経過すると、第２の高周波電源部５６による基板ステージ９の金属ブロック２４へのバイアス電圧の印加を停止するとともに、エッチング処理用のガスの供給を停止して、基板２に対するエッチング処理が完了する。その後、第１の高周波電源部７によるＩＣＰコイル５への高周波電圧の印加を停止する。

（トレイ搬出処理）
続いて、チャンバ３内からそれぞれの基板２をトレイ１５とともに搬出するトレイ搬出処理を実施する。具体的には、駆動機構１７によりそれぞれのトレイ押上ロッド１８を上昇させて、その上端でトレイ１５の下面１５ｃが押し上げられ、ステージ上部２３のトレイ支持部２８からトレイ１５が浮き上がる。トレイ押上ロッド１８とともにトレイ１５がさらに上昇すると、トレイ１５の基板支持部２１と基板２の縁部２ａの下面とが接触して、それぞれの基板２がトレイ１５により支持された状態にて押し上げられ、基板保持部２９の保持面３１から浮き上がる。

その後、チャンバ３が開放されて、４個の基板収容孔１９にそれぞれ基板２が収容された状態のトレイ１５が、トレイ押上ロッド１８から搬送機構に受け渡されて、トレイ１５に支持された状態の基板２が搬出される。

本実施の形態に基板２のエッチング処理方法によれば、エッチング処理工程において、サファイア基板２の中央領域Ｒ２に接する空間Ｓ内の第２空間部分Ｓ２のＨｅガスの圧力Ｐ４が第１空間部分Ｓ１のＨｅガスの圧力Ｐ３よりも低い状態にて、エッチング処理が行われる。これにより、エッチング処理の際に、基板２の中央領域Ｒ２の温度Ｔ４が周縁領域Ｒ１の温度Ｔ３よりも高い状態とすることができ、中央領域Ｒ２におけるＰＲ選択比を、従来の手法に比して高めることができる。よって、サファイア基板２の周縁領域Ｒ１と中央領域Ｒ２との間における凹凸構造の高さのバラツキを補正して、凹凸構造の高さの均一化を図ることができる。

このように空間Ｓ内におけるＨｅガスの圧力差の形成は、基板保持部２９の保持面３１において、周縁領域Ｒ１に相当する領域に複数の冷却ガス供給孔７１を形成して、中央領域Ｒ２に相当する領域に冷却ガス排気孔７３を形成して、Ｈｅガスの供給および排気を行うことにより実現できる。

また、保持面３１において、冷却ガス供給孔７１と冷却ガス排気孔７３との間に複数のディンプル部６３を配置することにより、Ｈｅガスの流れに対して抵抗を付ける（すなわち、流れを阻害する）ことができ、圧力差を高めることが可能となる。

また、基板保持部２９の保持面３１において、周縁領域Ｒ１に第１壁部６１および第２壁部６２の２重の壁部が設けられていることにより、空間Ｓ内に充填されたＨｅガスが周縁領域Ｒ１より漏れる量を低減することができ、圧力差の形成に寄与する。

このように空間Ｓ内に充填されたＨｅガスに圧力差を設けることで、基板２の中央領域Ｒ２の温度Ｔ４を、周縁領域Ｒ１の温度Ｔ３よりも高めることが可能となる。これにより、このような温度の補正により、ＰＲ選択比を補正することが可能となり、凹凸構造の高さの均一化が図れる。

なお、基板２の温度差としては、中央領域Ｒ２の温度Ｔ４が、周縁領域Ｒ１の温度Ｔ３よりも、５〜１０℃程度高くなるように、Ｈｅガスの圧力差が調整されることが望ましい。

また、中央領域Ｒ２の温度Ｔ４が周縁領域Ｒ１の温度Ｔ３より高く設定されれば、中央領域Ｒ２におけるＰＲ選択比を高める効果を得ることができるが、凹凸構造の高さの均一化効果を高めるためには、中央領域Ｒ２内の温度分布が均一な温度であることが好ましい。

上述の説明では、図４に示すように、基板保持部２９の保持面３１に多数の円柱状のディンプル部６３が突起構造として形成されている場合を例として説明したが、このような突起構造としては、円柱状のディンプル部の他にも様々な構造のものを採用することができる。このような突起構造は、基板２の裏面を支持しかつＨｅガスの流れに対して抵抗を付けることができるような構造であれば良く、例えば、図８に示すように、同心円上に不連続に配置された複数の部分壁部６４として形成しても良い。また、このような部分壁部６４は、ディンプル部６３と混在させても良い。

なお、本実施の形態において、基板２の周縁領域Ｒ１と中央領域Ｒ１とは、両者に対比において、周縁側であるか中央側であるかを理解できるように区分される領域であれば良い。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた微小な凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法に適用できる。特に、ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成するエッチング処理に適用できる。

１ ドライエッチング装置
２ 基板
２ａ 縁部
３ チャンバ
４ 天板
５ ＩＣＰコイル
７ 第１の高周波電源部
９ 基板ステージ
１３ 圧力制御部
１５ トレイ
１５ａ トレイ本体
１７ 駆動機構
１８ トレイ押上ロッド
１９ 基板収容孔
２１ 基板支持部
２３ ステージ上部
２４ 金属ブロック
２５ 絶縁体
２８ トレイ支持部
２９ 基板保持部
３０ ガイドリング
３１ 保持面
４０ ＥＳＣ電極
４１ ＥＳＣ駆動電源部
５６ 第２の高周波電源部
５９ 冷却ユニット
６１ 第１壁部
６２ 第２壁部
６３ ディンプル部
７１ 冷却ガス供給孔
７３ 冷却ガス排気孔
７５ 冷却ガス制御部

Claims (5)

1. レジスト膜によりマスクパターンが表面に形成されたサファイア基板を、トレイに開口された基板収容部に収容した状態で、チャンバ内の基板保持部にそれぞれのサファイア基板を載置する基板搬入工程と、
   基板保持部とサファイア基板との間の空間に冷却ガスを充填しながらサファイア基板に対してプラズマ処理を行い、表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成するプラズマ処理工程と、を備え、
   プラズマ処理工程において、サファイア基板の中央領域に接する空間内の冷却ガスの圧力がサファイア基板の周縁領域に接する空間内の冷却ガスの圧力よりも低くして、サファイア基板における中央領域の温度を周縁領域の温度よりも高くした状態にて、プラズマ処理を行うことにより、サファイア基板の凹凸構造の高さを均一化する、サファイア基板のプラズマ処理方法。
2. 基板保持部とサファイア基板との間の空間内において、サファイア基板の周縁領域に接する第１空間部分に冷却ガスを供給しながら、サファイア基板の中央領域に接する第２空間部分より冷却ガスを排気することにより、第１空間部分における冷却ガスの圧力よりも第２空間部分における圧力を低くした状態でプラズマ処理を行う、請求項１に記載のサファイア基板のプラズマ処理方法。
3. 基板保持部とサファイア基板との間の空間内において、基板保持部の表面に形成された複数の突起構造が、第１空間部分から第２空間部分へ向かう冷却ガスの流れを阻害することにより、第１空間部分における冷却ガスの圧力よりも第２空間部分における圧力を低くした状態を形成する、請求項２に記載のサファイア基板のプラズマ処理方法。
4. チャンバ内に、トレイに開口された基板収容部に収容されるとともにレジスト膜によりマスクパターンが表面に形成されたサファイア基板を、基板収容部を下方から貫通して保持する基板保持部を備え、基板保持部とサファイア基板との間の空間に冷却ガスを充填しながらサファイア基板に対してプラズマ処理を行い、表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成するプラズマ処理装置であって、
   基板保持部の上面には、サファイア基板の周縁領域に臨む第１領域に形成された複数の冷却ガス供給孔と、サファイア基板の中央領域に臨む第２領域に形成された少なくとも１つの冷却ガス排気孔を設け、
   複数の冷却ガス供給孔より冷却ガスを供給するとともに基板保持部とサファイア基板との間の空間内に供給された冷却ガスを冷却ガス排気孔から排気することにより、基板保持部とサファイア基板との間の空間内においてサファイア基板の周縁領域に接する第１空間部分における冷却ガスの圧力よりもサファイア基板の中央領域に接する第２空間部分における圧力を低くすることにより、プラズマ処理中においてサファイア基板における中央領域の温度を周縁領域の温度よりも高くする冷却ガス制御部を備える、プラズマ処理装置。
5. 基板保持部の上面には、第１空間部分から第２空間部分へ向かう冷却ガスの流れを阻害する複数の突起構造が形成されている、請求項４に記載のプラズマ処理装置。

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