JP7063664B2

JP7063664B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP7063664B2
Application number: JP2018051768A
Authority: JP
Inventors: 尚樹森口
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2022-05-09
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP2019164923A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、より詳しくは、真空チャンバ内に配置されて基板が設置されるステージと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えるものに関する。

基板表面に成膜を行うスパッタリング装置やプラズマＣＶＤ装置、基板表面にイオンを注入するイオン注入装置や、基板表面をエッチングするエッチング装置といったプラズマ処理装置の中には、処理中、例えば基板を所定温度に冷却保持する場合があり、このような場合には、ステージに冷媒を循環させる流路を形成し、この流路にチラーユニットから所定温度の冷媒を供給して循環させることでステージを冷却している。このとき、ステージと基板との間にヘリウムガス等の伝熱ガスを供給して基板の冷却をアシストするようにしたものがある（特許文献１参照）。

このものでは、ステージの基板設置面に、基板の外周縁部がその全長に亘って当接する環状のシール体（Ｏリング）が設けられると共に、基板の外周縁部に対しシール体に向けて押圧力を付与するクランプが設けられている。そして、このシール体で支持される姿勢で基板を設置した後に、クランプにより基板の外周縁部に対しシール体に向けて押圧力を付与し、この状態でシール体によって囲繞される基板とステージとの間の空間にヘリウムガス等の伝熱ガスを供給するようにしている。この場合、シール体としては、合成ゴム製のＯリングが一般に利用される。

ここで、基板がシリコンウエハやガラス基板のように電気的絶縁物である場合に、シール体が合成ゴム製のように電気的絶縁材料で構成されていると、真空チャンバ内にプラズマを形成したとき、基板表面に電子が帯電し、この帯電により異常放電が誘発されて、特に、基板の外周縁部に割れや欠けが生じる場合がある。

特開２０１６－２１９８３０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板の帯電に伴う異常放電の誘発を可及的に抑制できるようにしたプラズマ処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内に配置されて基板が設置されるステージと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備える本発明のプラズマ処理装置は、ステージの基板設置面に設けられて基板の外周縁部がその全長に亘って当接する環状のシール体と、このシール体で支持された姿勢で基板を設置したときにこのシール体で囲繞される基板とステージとの間の空間に伝熱ガスを供給するガス供給手段と、基板の外周縁部に対しシール体に向けて押圧力を付与するクランプとを更に備え、シール体が導電性ゴムから構成されることを特徴とする。

本発明によれば、シール体が導電性ゴムから構成されているため、基板の帯電に伴う異常放電の誘発を可及的に抑制することができる。なお、異常放電の誘発を可及的に抑制するには、シール体が２．５×１０^４Ω・ｃｍ以下の抵抗率を持つことが好ましい。

本発明においては、前記シール体は、基板設置面に取付られる基端部と、この基端部から基板側に向けてのびる基端部より薄肉の突条部とを有し、空間に供給された伝熱ガスのガス圧で基端部を起点に突条部が変形して基板の外周縁部に密着するように構成することが好ましい。これによれば、基板とステージとの間の空間に伝熱ガスが供給されると、突条部自体が伝熱ガスの圧力を受ける受圧部となって基端部を起点に突条部が外方に拡がるように変形し、突条部の先端部分が基板に押し付けられて密着する。これにより、基板とステージとの間の空間に、例えば１００～５００Ｐａ、好ましくは１００～１７００Ｐａの圧力で伝熱ガスを供給しても、伝熱ガスが漏洩するといった不具合が生じない。

また、本発明においては、突条部は、シール体の内方に向けて傾斜する姿勢で基端部に突設されることが好ましい。これによれば、突条部が基端部を起点に外方に拡がるように変形したとき、突条部の先端部分をより確実に基板に押し付けられて密着させることができ、有利である。この場合、突条部の先端部分がアール面で形成されていれば、密着性をより向上できてよい。

また、シール体が中空であることが好ましい。これによれば、中実のシール体と比較して、クランプの押圧力が付与されたときに潰れ易くすることができる。

本発明の実施形態のエッチング装置の構成を模式的に説明する図。本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、容量結合型の反応性イオンエッチング装置（以下「エッチング装置」という）を例に、本発明のプラズマ処理装置の実施形態について説明する。以下において、「上」、「下」といった方向を示す用語は図１を基準にする。

図１を参照して、ＥＭはエッチング装置であり、エッチング装置ＥＭは、真空ポンプＰにより真空排気されて真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁上部には、図示省略のＯリングを介して、上部電極１１としての例えばアルミニウム製の天板が設置されている。上部電極１１の下面には、例えばアルミニウム製の防着板１２が装着されている。真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に通じるガス管２が接続され、ガス管２にはマスフローコントローラ２１が介設され、真空チャンバ１内にエッチングガスを所定の流量で導入できるようになっている。エッチングガスは、エッチング対象に応じて、例えば、ＳＦ_６，Ｃ_４Ｆ_８等のフッ素系ガスや、Ｃｌ_２，ＢＣｌ_３，ＣＣｌ_４等の塩素系ガス等が用いられ、必要に応じてＨＢｒや、アルゴンガス等の希ガスが適宜添加される。

真空チャンバ１内の底部には、絶縁体Ｉを介してステージ３が設けられている。ステージ３には、バイアス電源３１としての高周波電源の出力が接続されており、ガス管２から真空チャンバ１内にエッチングガスを導入した状態で、バイアス電源３１からステージ３に例えば１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ～２０００Ｗのバイアス電力を投入することで、真空チャンバ１内にプラズマを発生させると共に、基板Ｗにバイアス電位を印加できるようになっている。これらのガス管２、マスフローコントローラ２１及びバイアス電源３１は、特許請求の範囲の「プラズマ発生手段」を構成することができる。

ステージ３の内部には、冷媒を循環させる流路３２が形成されており、この流路３２にチラーユニットＣｕから所定温度（例えば、０～４０℃）の冷媒を供給して循環させることで、ステージ３を冷却できるようになっている。また、ステージ３の基板設置面３ａには、凹溝３ｂが形成されており、この凹溝３ｂに環状のシール体３３が装着され、基板Ｗの外周縁部がその全長に亘ってシール体３３と当接するようにしている。シール体３３は、導電性ゴムから構成されており、導電性ゴムとしては、２．５×１０^４Ω・ｃｍ以下の抵抗率を持つものを用いることが好ましく、例えば、導電性フッ素ゴム等を例示することができる。また、基板Ｗの外周縁部に対しシール体３３に向けて押圧力を付与するクランプ４が設けられている。クランプ４としては、アクチュエータ４１の駆動軸４１ａに連結されて昇降自在なクランプリングを用いることができる。また、ステージ３には基板Ｗの冷却をアシストするヘリウムガス等の伝熱ガスを供給する供給路３４が形成されている。供給路３４には、図示省略のガス源に通じるガス管３５が接続され、ガス管３５にはマスフローコントローラ３５ａが介設されている。これにより、シール体３３で支持される姿勢で基板Ｗをステージ３に設置した後に、基板Ｗの外周縁部に対しシール体３３に向けて押圧力を付与した状態でシール体３３によって囲繞される基板Ｗとステージ３との間の空間Ｓｐに所定の圧力で伝熱ガスを供給できるようになっている。これらの供給路３４、ガス管３５及びマスフローコントローラ３５ａが、特許請求の範囲の「ガス供給手段」を構成することができる。尚、ステージ３にヒータ等を有する加熱手段が更に組み込まれていてもよく、この場合、加熱手段により加熱されたステージ３と基板Ｗとの間の空間Ｓｐに供給された伝熱ガスが基板Ｗの加熱をアシストすることとなる。

上記エッチング装置ＥＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段によりバイアス電源３１の稼働、アクチュエータ４１の稼働、マスフローコントローラ２１，３５ａの稼働や真空ポンプＰの稼働等を統括管理するほか、チラーユニットＣｕにより冷却される冷媒の温度を制御している。

ところで、基板Ｗがシリコンウエハのように電気的絶縁物であっても、本実施形態の如くシール体３３を導電性ゴムで構成することで、異常放電の誘発を可及的に抑制できるが、クランプ４により基板Ｗの外周縁部に対しシール体３３に向けて押圧力を付与しても、基板Ｗに対するシール体３３の密着面積が大きくならず、伝熱ガスが空間Ｓｐから真空チャンバ１内に漏洩する虞がある。

そこで、本実施形態では、シール体３３を基板設置面３ａ（の凹部３ｂ）に取付られる基端部３３ａと、この基端部３３ａから基板Ｗ側に向けてのびる基端部３３ａより薄肉の突条部３３ｂとを有し、空間Ｓｐに供給された伝熱ガスのガス圧で基端部３３ａを起点に突条部３３ｂが変形して基板Ｗの外周縁部に密着するようにした。

本実施形態によれば、基板Ｗとステージ３との間の空間Ｓｐに伝熱ガスが供給されると、突条部３３ｂ自体が伝熱ガスの圧力を受ける受圧部となって基端部３３ａを起点に突条部３３ｂが外方に拡がるように変形し、突条部３３ｂの先端部分３３ｃが基板Ｗに押し付けられて密着する。これにより、基板Ｗとステージ３との間の空間Ｓｐに、例えば１００～５００Ｐａ、好ましくは１００～１７００Ｐａの圧力で伝熱ガスを供給しても、伝熱ガスが漏洩するといった不具合が生じない。しかも、シール体３３が導電性ゴムから構成されているため、基板Ｗの帯電に伴う異常放電の誘発を可及的に抑制するという機能は損なわれない。なお、異常放電の誘発を可及的に抑制するには、シール体３３が２．５×１０^４Ω・ｃｍ以下の抵抗率を持つことが好ましい。

また、突条部３３ｂは、シール体３３の内方に向けて傾斜する姿勢で基端部３３ａに突設されることが好ましい。これによれば、突条部３３ｂが基端部３３ａを起点に外方に拡がるように変形したとき、突条部３３ｂの先端部分３３ｃをより確実に基板Ｗに押し付けられて密着させることができ、有利である。この場合、図１に示すように突条部３３ｂの先端部分３３ｃがアール面で形成されていれば、密着性をより向上できてよい。

次に、上記効果を確認するために、上記エッチング装置ＥＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗをシリコン基板、シール体３３を構成する導電性ゴムを抵抗率が２．５×１０^４Ω・ｃｍである導電性フッ素ゴム（桜シール株式会社製の「フロロパワー（登録商標）ＤＤ」）とし、以下の条件で真空チャンバ１内にプラズマを発生させてプラズマ処理を行った。即ち、アルゴンガスの流量を５００ｓｃｃｍ（このときの真空チャンバ１内の圧力は１０Ｐａ）、ステージ３に投入するバイアス電力を１３．５６ＭＨｚ，２０００Ｗ、空間Ｓｐ内の伝熱ガス（ヘリウムガス）の圧力を６００Ｐａ、処理時間を４０ｓｅｃに設定した。この条件で２０枚の基板Ｗに対して継続的にプラズマ処理を行ったが、プラズマ処理中のヘリウムガスの流量は０ｓｃｃｍであり、ヘリウムガスの漏洩を防止できることが確認された。しかも、プラズマ処理が施された２０枚の基板Ｗには割れや欠けが生じておらず、基板Ｗの帯電に伴う異常放電の誘発を可及的に抑制できることが判った。

次に、マスフローコントローラ３５ａを制御して空間Ｓｐ内のヘリウムガスの圧力を１００～２０００Ｐａの範囲で変化させる点以外は、上記条件でプラズマ処理を行い、そのときのヘリウムガスの流量を測定した結果を、図２において「発明実験１」として示す。この発明実験１によれば、１００～１７００Ｐａの圧力でヘリウムガスを供給しても、ヘリウムガスの漏洩を防止できることが確認された。尚、一般的に使用される圧力範囲は１００～１５００Ｐａであり、この範囲内であればヘリウムガスの漏洩を確実に防止できることが判った。

次に、発明実験２のシール体として、上記導電性フッ素ゴム（桜シール株式会社製の「フロロパワー（登録商標）ＤＤ」）製で突条部３３ｂを有さず断面視略円形のＯリングを用い、空間Ｓｐ内のヘリウムガスの圧力を１００～８００Ｐａに設定する点以外は、上記条件でプラズマ処理を行い、そのときのヘリウムガスの流量を測定した結果を、図２において「発明実験２」として示す。この発明実験２によれば、１００～５００Ｐａの圧力でヘリウムガスを供給しても、ヘリウムガスの漏洩を防止できることが確認され、この範囲であればヘリウムガスの漏洩を確実に防止できることが判った。ヘリウムガスの圧力が６００Ｐａ以上の場合にヘリウムガスの漏洩を防止できない理由は、上記導電性フッ素ゴム製のＯリングは硬質であり、クランプ４の押圧力が付与されても潰れ難く、基板Ｗに対するＯリングの密着面積が大きくならないためであると考えられる。

また、基板設置面３ａ（の凹部３ｂ）に取り付けられる基端部３３ａと、この基端部３３ａから基板Ｗ側に向けてのびる基端部３３ａより薄肉の突条部３３ｂを有するシール体として、凸状、三角形状（△状）、菱形状（◇状）等の種々の断面形状のものを採用することができる。さらに、導電性フッ素ゴム製のシール体が硬質である場合、クランプ４の押圧力が付与されても潰れ難いという不具合を解消するために、例えば、シール体を略筒型形状のような中空のものとしたり、略バネ形状としたりする等、容易に潰れるような形状を有するシール体を採用することができる。

また、上記実施形態では、クランプ４としてクランプリングを例に説明したが、一体化されたリング状のものに限らず、基板Ｗの外周縁部の複数箇所で押圧力を付与するものや複数の部品でクランプを構成してもよい。

ＥＭ…エッチング装置（プラズマ処理装置）、Ｓｐ…空間、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、２…ガス管（プラズマ発生手段）、２１…マスフローコントローラ（プラズマ発生手段）、３…ステージ、３ａ…ステージ３の基板設置面、３１…バイアス電源（プラズマ発生手段）、３３…シール体、３３ａ…基端部、３３ｂ…突条部、３４…供給路（ガス供給手段）、３５…ガス管（ガス供給手段）、３５ａ…マスフローコントローラ（ガス供給手段）、４…クランプ。

Claims

真空チャンバ内に配置されて基板が設置されるステージと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備えるプラズマ処理装置であって、
ステージの基板設置面に設けられて基板の外周縁部がその全長に亘って当接する環状のシール体と、このシール体で支持された姿勢で基板を設置したときにこのシール体で囲繞される基板とステージとの間の空間に伝熱ガスを供給するガス供給手段と、基板の外周縁部に対しシール体に向けて押圧力を付与するクランプとを更に備えるものにおいて、
シール体が導電性ゴムから構成され、
前記シール体は、基板設置面に取付られる基端部と、この基端部から基板側に向けてのびる基端部より薄肉の突条部とを有し、空間に供給された伝熱ガスのガス圧で基端部を起点に突条部が変形して基板の外周縁部に密着するようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記突条部は、シール体の内方に向けて傾斜する姿勢で基端部に突設されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記シール体は、中空であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプラズマ処理装置。