JP7479207B2 - エッチング方法及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、エッチング方法及び基板処理装置に関する。
例えば、特許文献１は、上層のチタン膜、アルミニウム膜、及び下層のチタン膜の積層膜を有し、その上にパターン化されたフォトレジスト層が形成された基板を搬入し、前記積層膜をプラズマエッチングすることを提案している。特許文献１では、圧力制御バルブの自動制御により処理室内を所定の真空度に調整し、処理ガスとして塩素含有ガスを含むエッチングガスを処理室内へ供給し、処理ガスをプラズマ化して積層膜をプラズマエッチングする。
特開２０１８－４１８９０号公報
本開示は、処理室内の圧力を安定して制御することができるエッチング方法及び基板処理装置を提供する。
本開示の一の態様によれば、（ａ）第１のチタン膜と前記第１のチタン膜の下層のアルミニウム膜とを有する積層膜が形成された基板を処理室内に配置する工程と、（ｂ）圧力制御バルブを介して排気管により排気装置に接続された前記処理室内又は前記排気管内の圧力の変化に追随して前記圧力制御バルブの開度を自動制御しながら、有機材料から成るマスクを介して前記第１のチタン膜をエッチングする工程と、（ｃ）前記（ｂ）においてサンプリングされた前記圧力制御バルブの開度の値から第１の開度値を算出する工程と、（ｄ）前記アルミニウム膜のエッチングの開始時に前記圧力制御バルブの開度を前記第１の開度値に設定し、前記アルミニウム膜をエッチングする工程と、（ｅ）前記（ｄ）において前記圧力を監視し、前記圧力が予め定められた閾値を超えた場合に、前記第１の開度値を予め定められた変化量により第２の開度値に変更する工程と、を有し、（ｆ）前記アルミニウム膜のエッチングが終了するまでの間、前記（ｅ）を１回以上行う、エッチング方法が提供される。
一の側面によれば、処理室内の圧力を安定して制御することができる。
実施形態に係る基板処理装置の一例を示す断面模式図である。 実施形態に係る圧力制御バルブの制御と圧力の振動の一例を参考例と比較して示す図である。 実施形態に係る圧力計の配置の一例を示す図である。 実施形態に係るエッチング方法を示すフローチャートである。 実施形態に係るＥＰＤ制御を参考例の時間制御と比較して示す図である。 実施形態に係るエッチング方法が適用される他の膜構造を示す図である。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［基板処理装置］
はじめに、図１を参照して、本開示の実施形態に係る基板処理装置の一例について説明する。図１は、実施形態に係る基板処理装置の一例を示す断面模式図である。
基板処理装置１００は、ＦＰＤ用の平面視矩形の基板（以下、単に「基板」という）Ｇに対して、各種の基板処理方法を実行する誘導結合型プラズマ（Inductive Coupled Plasma: ＩＣＰ）処理装置である。基板の材料としては、主にガラスが用いられ、用途によっては透明の合成樹脂などが用いられることもある。ここで、基板処理には、エッチング処理や、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いた成膜処理等が含まれる。ＦＰＤとしては、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display: ＬＣＤ）が例示される。エレクトロルミネセンス（Electro Luminescence: ＥＬ）、プラズマディスプレイパネル（Plasma Display Panel;ＰＤＰ）等であってもよい。基板Ｇは、その表面に回路がパターニングされる形態の他、支持基板も含まれる。また、ＦＰＤ用基板の平面寸法は世代の推移と共に大規模化している。基板処理装置１００によって処理される基板Ｇの平面寸法は、例えば、第６世代の約１５００ｍｍ×１８００ｍｍ程度の寸法から、第１０．５世代の３０００ｍｍ×３４００ｍｍ程度の寸法までを少なくとも含む。また、基板Ｇの厚みは０．２ｍｍ乃至数ｍｍ程度である。
基板処理装置１００は、直方体状の箱型の処理容器１０と、処理容器１０内に配設されて基板Ｇが載置される平面視矩形の外形の基板載置台６０と、制御部９０とを有する。処理容器１０は、円筒状の箱型や楕円筒状の箱型などの形状であってもよく、この形態では、基板載置台６０も円形もしくは楕円形となり、基板載置台６０に載置される基板Ｇも円形等になる。
処理容器１０は誘電体板１１により上下２つの空間に区画されており、上側空間であるアンテナ室は上チャンバ１２により形成され、下方空間である処理室Ｓは下チャンバ１３により形成される。処理容器１０はアルミニウム等の金属により形成されており、誘電体板１１はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスや石英により形成されている。
処理容器１０において、下チャンバ１３と上チャンバ１２の境界となる位置には矩形環状の支持枠１４が処理容器１０の内側に突設するようにして配設されており、支持枠１４に誘電体板１１が載置されている。処理容器１０は、接地線１３ｅにより接地されている。
下チャンバ１３の側壁１３ａには、下チャンバ１３に対して基板Ｇを搬出入するための搬出入口１３ｂが開設されており、搬出入口１３ｂはゲートバルブ２０により開閉自在となっている。下チャンバ１３には搬送機構を内包する搬送室（いずれも図示せず）が隣接しており、ゲートバルブ２０を開閉制御し、搬送機構にて搬出入口１３ｂを介して基板Ｇの搬出入が行われる。
また、下チャンバ１３の側壁１３ａには、間隔を置いて複数の開口１３ｃが開設されており、それぞれの開口１３ｃの外側には、開口１３ｃを塞ぐようにして石英製の観測窓２５が取り付けられている。観測窓２５の外側には、光ファイバを介して発光分光分析装置５５が取り付けられている。発光分光分析装置５５は、観測窓２５を介して処理室Ｓ内のプラズマの発光を受信し、その強度を測定する。発光分光分析装置５５によるプラズマの発光強度のモニター情報が制御部９０に送信されるようになっている。発光分光分析装置５５は、複数の開口１３ｃのうち必要な開口１３ｃの観測窓２５に取り付けられていればよい。
また、下チャンバ１３の有する底板１３ｄには複数の排気口１３ｆが開設されている。排気口１３ｆにはガス排気管５１が接続され、ガス排気管５１は圧力制御バルブ５２を介して排気装置５３に接続されている。ガス排気管５１、圧力制御バルブ５２及び排気装置５３により、ガス排気部５０が形成される。排気装置５３はターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有し、プロセス中に下チャンバ１３内を所定の真空度まで真空引き自在となっている。圧力制御バルブ５２の近傍であって圧力制御バルブ５２の上流側（下チャンバ１３側）には、圧力計（ＣＭ）５４が設置されている。圧力制御バルブ５２の上流のガス排気管５１内の圧力値が圧力計（ＣＭ）５４により測定され、制御部９０に送信されるようになっている。制御部９０は、測定された圧力値に基づき圧力制御バルブ５２の開度を制御する。
誘電体板１１の下面において、誘電体板１１を支持するための支持梁が設けられており、支持梁はシャワーヘッド３０を兼ねている。シャワーヘッド３０は、アルミニウム等の金属により形成されており、陽極酸化による表面処理が施されていてよい。シャワーヘッド３０内には、水平方向に延設するガス流路３１が形成されている。ガス流路３１には、下方に延設してシャワーヘッド３０の下方にある処理室Ｓに臨むガス吐出孔３２が連通している。
誘電体板１１の上面にはガス流路３１に連通するガス導入管４５が接続されている。ガス導入管４５は上チャンバ１２の天井１２ａに開設されている供給口１２ｂを気密に貫通し、ガス導入管４５と気密に結合されたガス供給管４１を介して処理ガス供給源４４に接続されている。ガス供給管４１の途中位置には開閉バルブ４２とマスフローコントローラのような流量制御器４３が介在している。ガス導入管４５、ガス供給管４１、開閉バルブ４２、流量制御器４３及び処理ガス供給源４４により、処理ガス供給部４０が形成される。処理ガス供給部４０から供給される処理ガスがガス供給管４１及びガス導入管４５を介してシャワーヘッド３０に供給され、ガス流路３１及びガス吐出孔３２を介して処理室Ｓに吐出される。
アンテナ室を形成する上チャンバ１２内には、高周波アンテナ１５が配設されている。高周波アンテナ１５は、銅等の良導電性の金属から形成されるアンテナ線１５ａを、環状もしくは渦巻き状に巻装することにより形成される。例えば、環状のアンテナ線１５ａを多重に配設してもよい。
アンテナ線１５ａの端子には上チャンバ１２の上方に延設する給電部材１６が接続されており、給電部材１６の上端には給電線１７が接続され、給電線１７はインピーダンス整合を行う整合器１８を介して高周波電源１９に接続されている。高周波アンテナ１５に対して高周波電源１９から例えば１０ＭＨｚ～１５ＭＨｚの高周波電力が印加されることにより、下チャンバ１３内に誘導電界が形成される。この誘導電界により、シャワーヘッド３０から処理室Ｓに供給された処理ガスがプラズマ化されて誘導結合型プラズマが生成され、プラズマ中のイオンが基板Ｇに提供される。高周波電源１９はプラズマ発生用のソース源であり、基板載置台６０に接続されている高周波電源７３は、発生したイオンを引き付けて運動エネルギを付与するバイアス源となる。このように、イオンソース源には誘導結合を利用してプラズマを生成し、別電源であるバイアス源を基板載置台６０に接続してイオンエネルギの制御を行う。これにより、プラズマの生成とイオンエネルギの制御が独立して行われ、プロセスの自由度を高めることができる。高周波電源１９から出力される高周波電力の周波数は、０．１乃至５００ＭＨｚの範囲内で設定されるのが好ましい。
基板載置台６０は、基材６３と、基材６３の上面６３ａに形成されている静電チャック６６とを有する。基材６３の平面視形状は矩形であり、基板載置台６０に載置される基板Ｇと同程度の平面寸法を有し、長辺の長さは１８００ｍｍ乃至３４００ｍｍ程度であり、短辺の長さは約１５００ｍｍ乃至３０００ｍｍ程度の寸法に設定できる。この平面寸法に対して、基材６３の厚みは、例えば５０ｍｍ乃至１００ｍｍ程度となり得る。基材６３は、ステンレス鋼やアルミニウム、アルミニウム合金等により形成される。基材６３には、矩形平面の全領域をカバーするように蛇行した温調媒体流路６２ａが設けられている。なお、温調媒体流路６２aは、例えば静電チャック６６に設けられてもよい。また、基材６３は、図示例のように一部材による単体でなく、二部材の積層体に形成されてもよい。
温調媒体流路６２ａの両端には、温調媒体流路６２ａに対して温調媒体が供給される送り配管６２ｂと、温調媒体流路６２ａを流通して昇温された温調媒体が排出される戻り配管６２ｃとが連通している。送り配管６２ｂと戻り配管６２ｃにはそれぞれ、送り流路８２と戻り流路８３が連通しており、送り流路８２と戻り流路８３はチラー８１に連通している。チラー８１は、温調媒体の温度や吐出流量を制御する本体部と、温調媒体を圧送するポンプとを有する（いずれも図示せず）。なお、温調媒体としては冷媒が適用され、この冷媒には、ガルデン（登録商標）やフロリナート（登録商標）等が適用される。図示例の温調形態は、基材６３に温調媒体を流通させる形態であるが、基材６３がヒータ等を内蔵し、ヒータにより温調する形態であってもよいし、温調媒体とヒータの双方により温調する形態であってもよい。また、ヒータの代わりに、高温の温調媒体を流通させることにより加熱を伴う温調を行ってもよい。なお、抵抗体であるヒータは、タングステンやモリブデン、もしくはこれらの金属のいずれか一種とアルミナやチタン等との化合物から形成される。また、図示例は、基材６３に温調媒体流路６２ａが形成されているが、例えば静電チャック６６が温調媒体流路を有していてもよい。
下チャンバ１３の底板１３ｄの上には、絶縁材料により形成されて内側に段部を有する箱型の台座６８が固定されており、台座６８の段部の上に基板載置台６０が載置される。
基材６３の上面には、基板Ｇが直接載置される静電チャック６６が形成されている。静電チャック６６は、アルミナ等のセラミックスを溶射して形成される誘電体被膜であるセラミックス層６４と、セラミックス層６４の内部に埋設されていて静電吸着機能を有する導電層６５（電極）とを有する。導電層６５は、給電線７４を介して直流電源７５に接続されている。制御部９０により、給電線７４に介在するスイッチ（図示せず）がオンされると、直流電源７５から導電層６５に直流電圧が印加されることによりクーロン力が発生する。このクーロン力により、基板Ｇが静電チャック６６の上面に静電吸着され、基材６３の上面に載置された状態で保持される。このように、基板載置台６０は、基板Ｇを載置する下部電極を形成する。
基材６３には熱電対等の温度センサが配設されており、温度センサによるモニター情報は、制御部９０に随時送信される。制御部９０は、送信された温度のモニター情報に基づいて、基材６３及び基板Ｇの温調制御を実行する。より具体的には、制御部９０により、チラー８１から送り流路８２に供給される温調媒体の温度や流量が調整される。そして、温度調整や流量調整が行われた温調媒体が温調媒体流路６２ａに循環されることにより、基板載置台６０の温調制御が実行される。なお、熱電対等の温度センサは、例えば静電チャック６６に配設されてもよい。
静電チャック６６の外周であって台座６８の上面には、矩形枠状のフォーカスリング６９が載置され、フォーカスリング６９の上面の方が静電チャック６６の上面よりも低くなるよう設定されている。フォーカスリング６９は、アルミナ等のセラミックスもしくは石英等から形成される。
基材６３の下面には、給電部材７０が接続されている。給電部材７０の下端には給電線７１が接続されており、給電線７１はインピーダンス整合を行う整合器７２を介してバイアス源である高周波電源７３に接続されている。基板載置台６０に対して高周波電源７３から例えば２ＭＨｚ～６ＭＨｚの高周波電力が印加されることにより、プラズマ発生用のソース源である高周波電源１９にて生成されたイオンを基板Ｇに引き付けることができる。従って、プラズマエッチング処理においては、エッチングレートとエッチング選択比を共に高めることが可能になる。
制御部９０は、基板処理装置１００の各構成部、例えば、チラー８１、高周波電源１９，７３、処理ガス供給部４０、圧力計（ＣＭ）５４が測定した圧力のモニター情報に基づくガス排気部５０等の動作を制御する。制御部９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリを有する。ＣＰＵは、メモリの記憶領域に格納されたレシピ（プロセスレシピ）に従い、所定の処理を実行する。レシピには、プロセス条件に対する基板処理装置１００の制御情報が設定されている。制御情報には、例えば、ガス流量や処理容器１０内の圧力、処理容器１０内の温度や基材６３の温度、プロセス時間等が含まれる。
レシピ及び制御部９０が適用するプログラムは、例えば、ハードディスクやコンパクトディスク、光磁気ディスク等に記憶されてもよい。また、レシピ等は、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、メモリカード等の可搬性のコンピュータによる読み取りが可能な記憶媒体に収容された状態で制御部９０にセットされ、読み出される形態であってもよい。制御部９０はその他、コマンドの入力操作等を行うキーボードやマウス等の入力装置、基板処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等の表示装置、及びプリンタ等の出力装置といったユーザーインターフェイスを有している。
[エッチング方法]
以下では、本実施形態に係るエッチング方法について参考例１、２に係るエッチング方法と比較しながら説明する。図２（ａ）は参考例１に係るエッチング方法を示し、図２（ｂ）は参考例２に係るエッチング方法を示し、図２（ｃ）は本実施形態に係るエッチング方法を示す。参考例１、２及び本実施形態のエッチング対象膜は、いずれも同じ膜構成を有し、上層Ｔｉ膜、下層Ｔｉ膜の間にＡｌ膜を挟んだ積層膜を有する基板Ｇを、有機材料のフォトレジスト膜から成るマスクを介してエッチングした。なお、上層Ｔｉ膜は第１のチタン膜に相当し、下層Ｔｉ膜は第２のチタン膜に相当する。Ａｌ膜は、Ａｌ単体であってもよいし、Ａｌ－Ｓｉ等のＡｌ合金であってもよい。なお、エッチング対象膜は、上記３層構造に限られず、例えば上層Ｔｉ膜とその下層のＡｌ膜の２層の上に有機材料から成るマスクが形成された構造であってもよいし、Ａｌ膜上に有機材料から成るマスクが形成された構造であってもよい。
また、本実施形態及び参考例１、２のプロセス条件は同一であり、塩素含有ガスを含むエッチングガスを下チャンバ１３内へ供給した。エッチングガスとしては塩素含有ガスに加えてＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガスを供給してもよい。エッチングガス中の主に塩素含有ガスのプラズマにより、上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜の積層膜のエッチングが行われる。
本実施形態及び参考例１、２では、上層Ｔｉ膜及び下層Ｔｉ膜用の塩素含有ガスを含むエッチングガスと、Ａｌ膜用の塩素含有ガスを含むエッチングガスとは同一であり、塩素含有ガスとしてＢＣｌ３ガス及びＣｌ２ガスを用いた。しかし、これに限られず、上層Ｔｉ膜及び下層Ｔｉ膜用のエッチングガスと、Ａｌ膜用のエッチングガスとは塩素含有ガスを含んでいれば、一部又は全部が異なっていてもよい。
本実施形態及び参考例１、２におけるそれぞれのエッチングの結果について説明する。図２の各グラフの横軸は、時間（秒）を示し、縦軸の右側は圧力計が測定した圧力値を示し、縦軸の左側はＡＰＣポジション（ＡＰＣ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を示す。ＡＰＣポジションは、圧力制御バルブ５２の弁体の位置（角度）であり、回転角度／１０００（＝圧力制御バルブ５２に取り付けられたエンコーダ値／１０００）で示される。
参考例１で使用した圧力計は、本実施形態及び参考例２で使用した圧力計と異なる位置に配置されている。参考例１では、図３に示す下チャンバ１３の有する底板１３ｄに設けられたＣＭ用ポートに配置された圧力計（ＣＭ２）１５１を用いて処理室Ｓの圧力を測定した。そして、上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜をエッチングしている間、圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した処理室Ｓの圧力値に基づき圧力制御バルブ５２の開度を自動制御した。なお、圧力計（ＣＭ２）１５１に替えて圧力計（ＣＭ１）１５０が測定した処理室Ｓの圧力値に基づき圧力制御バルブ５２の開度を自動制御してもよい。
図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の（１）は、エッチング対象膜が上層Ｔｉ膜からＡｌ膜に切り替わるタイミングを示し、（２）は、エッチング対象膜がＡｌ膜から下層Ｔｉ膜に切り替わるタイミングを示す。
参考例１のエッチング結果を示す図２（ａ）では、Ａ１に示すＡＰＣポジションは、Ａｌ膜をエッチングしている間振動し、ハンチングが生じた。その理由は、圧力制御バルブ５２の駆動速度に機械的限界があるために、圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した処理室Ｓ内の圧力値の変化に圧力制御バルブ５２の弁体の駆動が追従できなかったためである。更に、圧力制御バルブ５２の駆動遅延が圧力値Ｐ１の振動幅ΔＰ１を助長する結果となり、Ａｌ膜をエッチングしている間に圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した圧力値Ｐ１の振動幅ΔＰ１は２．８ｍＴ（約０．３７３Ｐａ）になった。また、圧力計（ＣＭ２）１５１の位置と圧力制御バルブ５２の位置が離れているため、圧力計（ＣＭ２）１５１で測定した圧力変化が圧力制御バルブ５２の位置での圧力に反映されるまでに遅れが生じることも弁体の駆動が追従できないことの一因となっている。このようにしてＡｌ膜のエッチング工程において発生した圧力制御バルブ５２のハンチングによりパーティクルが発生し、不良が生じた。
参考例２では、図３に示す圧力計（ＣＭ）５４を用いて圧力制御バルブ５２の上流のガス排気管５１内の圧力を測定した。そして、上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜をエッチングしている間、圧力計（ＣＭ）５４が測定したガス排気管５１の圧力値に基づき圧力制御バルブ５２の開度を自動制御した。
この結果、参考例２のエッチング結果を示す図２（ｂ）では、Ａ２に示すＡＰＣポジションは、Ａｌ膜をエッチングしている間振動し、ハンチングが生じた。ただし、圧力制御バルブ５２の制御を、処理室Ｓの圧力に替えて圧力制御バルブ５２の近傍のガス排気管５１内の圧力Ｐ２に基づき制御した。このため、参考例１で見られた位置が離間することによる圧力変化の伝達の遅延が解消されて圧力制御バルブ５２の制御の応答性がよくなり、Ａｌ膜をエッチングしている間のガス排気管５１内の圧力Ｐ２の振動幅ΔＰ２は１．１ｍＴ（約０．１４Ｐａ）となった。圧力計（ＣＭ）５４の位置が処理室Ｓと遠ざかったことにより、処理室S内の圧力変化の影響を受けにくくなったことも改善の要因の一つである。
そこで、本実施形態に係るエッチング方法では、参考例２と同様に図３に示す圧力計（ＣＭ）５４を用いて圧力制御バルブ５２の上流のガス排気管５１内の圧力を測定した。そして、上層Ｔｉ膜及び下層Ｔｉ膜のエッチングではＡＰＣポジションを自動制御するが、Ａｌ層のエッチングでは異なる制御を行うことにした。つまり、Ａｌ層のエッチング開始時、ＡＰＣポジションを初期値に設定した。ただし、Ａｌ層をエッチングしている間、ＡＰＣポジションを初期値に固定した状態では、処理室Ｓ内又はガス排気管５１内の圧力変動にＡＰＣポジションを追従させることができない。この結果、処理室Ｓ内の圧力が徐々に上昇し、基板Ｇに施されるエッチングの特性等のプロセス性能に影響を与える。
これを回避するために、本実施形態に係るエッチング方法では、Ａｌ層をエッチングしている間、圧力計（ＣＭ）５４が周期的にガス排気管５１内の圧力を測定した。そして、測定した圧力が予め定められた閾値を超えた場合、ＡＰＣポジションを現時点の開度から予め定められた変化量だけ開くように制御した。
つまり、ＡＰＣポジションの初期値は、上層Ｔｉ膜のエッチング工程においてサンプリングされた圧力制御バルブ５２の値から第１の開度値を算出し、Ａｌ膜のエッチングの開始時に圧力制御バルブ５２の開度を第１の開度値に設定する。自動制御においては、通常、圧力の変化に応じて逐次ＡＰＣポジションを変化させ開度を調整することにより常に圧力を一定に保つように動作するが、本実施形態においては基本的には圧力変化に応じず開度は固定である。そして、本実施形態では、予め定めた閾値を超えたときのみ、開度を調整するという点で通常的な自動制御とは異なる。
次に、Ａｌ膜のエッチング工程において、ガス排気管５１内の圧力を監視し、圧力が予め定められた閾値を超えた場合に、第１の開度値を予め定められた変化量により第２の開度値に変更した。そして、Ａｌ膜のエッチングが終了するまでの間、圧力が予め定められた閾値を超える度に第２の開度値に変化量を加算して第２の開度値を変更する工程を１回以上行った。
なお、本実施形態では、Ａｌ層のエッチングが進む程、圧力計（ＣＭ）５４が測定する圧力値が高くなる場合を想定し、変化量を加算して第２の開度値を変更し、圧力が予め定められた閾値を超える度にＡＰＣポジションを変化量だけ更に開くように制御した。しかし、これに限られず、Ａｌ層のエッチングが進む程、圧力計（ＣＭ）５４が測定する圧力値が低くなる場合には、変化量を減算して第２の開度値を変更し、圧力が予め定められた閾値を下回る度にＡＰＣポジションを変化量だけ更に閉じるように制御してもよい。
この結果、図２（ｃ）の本実施形態のエッチング結果に示すように、Ａ３に示すＡＰＣポジションは、Ａｌ膜をエッチングしている間、（１）のタイミングにおける初期値の開度である第１の開度値から段階的に徐々に開くように制御された。これにより、ＡＰＣポジションのハンチングの発生を回避できた。これにより、Ａｌ膜をエッチングしている間のガス排気管５１内の圧力Ｐ３の振動幅ΔＰ３を０．４ｍＴ（約０．０５３３Ｐａ）に減らし、安定した圧力制御を行うことができた。
なお、本実施形態では、上層Ｔｉ膜のエッチング工程においてサンプリングされた圧力制御バルブ５２の最新のサンプリング値を含む複数のサンプリング値の平均値を第１の開度値として算出した。最新のサンプリング値を含む複数のサンプリング値は、連続したサンプリング値であることが望ましい。また、一つおき、或いは所定回数おきでサンプリングした値であってもよい。ただし、上層Ｔｉ膜のエッチング工程においてサンプリングされた圧力制御バルブ５２の値のうち最新のサンプリング値を第１の開度値としてもよい。更に、ＡＰＣポジションの初期値は、このようにして算出した第１の開度値に予め定められたパラメータであるオフセット値を加算した値にしてもよい。オフセット値は、本実施形態に係るエッチング方法により経験的に得られた値をパラメータとして予めメモリに記憶しておいてもよい。
[エッチング処理]
以上に説明した本実施形態に係るエッチング方法を基板処理装置１００にて実行する場合について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施形態に係るエッチング方法を示すフローチャートである。図４に示すエッチング方法は、制御部９０が、基板処理装置１００の各部を制御することにより実行される。
図４のエッチング方法が開始されると、ゲートバルブ２０を開き、搬出入口１３ｂを介して上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜の積層膜を有する基板Ｇを搬入し、基板載置台６０に配置する（ステップＳ１）。基板Ｇを搬入後、ゲートバルブ２０は閉じられる。
次に、塩素含有ガスを含むエッチングガスを下チャンバ１３内へ供給し、高周波電源１９から印加された高周波電力によりプラズマ化し、圧力制御バルブ５２を自動制御しながら、上層Ｔｉ膜をエッチングする（ステップＳ２）。圧力制御バルブ５２の自動制御は、圧力計（ＣＭ２）１５１又は圧力計（ＣＭ１）１５０が測定した処理室Ｓの圧力値に基づき行ってもよいし、圧力計（ＣＭ）５４が測定したガス排気管５１内の圧力値に基づき行ってもよい。この時、基板載置台６０には高周波電源７３から高周波電力が印加され、バイアスを発生させて基板Ｇに入射するイオンのエネルギを制御する。
上層Ｔｉ膜をエッチングしている間、所与の周期で圧力制御バルブ５２の開度をサンプリングし、そのサンプリング値をメモリに記憶する（ステップＳ３）。
次に、発光分光分析装置５５により処理室Ｓにて生成されたプラズマの発光強度を検出する。そして、プラズマの発光強度に基づきＥＰＤ（End Point Detection）制御により、上層Ｔｉ膜の終点を検出したかを判定する（ステップＳ４）。
図５（ｃ）の例では、横軸に時間（秒）を示し、縦軸の左側に波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度を示し、縦軸の右側に波長が８３８ｎｍの塩素の発光強度を示す。上層Ｔｉ膜のエッチングが進み、下地のＡｌ膜の露出が進むと波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度が高くなる。これを利用して、プラズマの発光強度から上層Ｔｉ膜のエッチングの終点を検出できる。具体的には、発光強度の変化量が閾値を下回ったことを以って終点に至ったと判断し、発光強度の変化を示す曲線（直線部分を含む）の傾き（微分量）により発光強度の変化量が示される。例えば、波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度の変化の曲線の傾き（以下、「傾き」と称する）が予め設定された閾値以上の間、制御部９０は、上層Ｔｉ膜の終点を検出していないと判定し、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２～Ｓ４の処理を繰り返す。これにより、上層Ｔｉ膜のエッチングを進める。
一方、波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度の傾きが予め設定された閾値以下になったとき、下地のＡｌ膜が十分に露出したと判定し、ステップＳ４において上層Ｔｉ膜の終点検出と判定し、ステップＳ５に進む。そして、メモリに記憶した圧力制御バルブ５２の開度のサンプリング値から第１の開度値を算出する（ステップＳ５）。メモリに複数のサンプリング値がある場合、最新のサンプリング値を含む複数のサンプリング値の平均値を第１の開度値として算出することが好ましい。ただし、最新のサンプリング値を第１の開度値としてもよい。
次に、圧力制御バルブ５２の開度を第１の開度値に設定し、塩素含有ガスを含むエッチングガスによりＡｌ膜をエッチングする（ステップＳ６）。このとき、変数ｎに１を設定する。
次に、圧力計（ＣＭ）５４によりガス排気管５１内の圧力を監視する（ステップＳ７）。ただし、圧力計（ＣＭ２）１５１により処理室Ｓ内の圧力を監視してもよい。次に、ガス排気管５１内の圧力値が予め定められた閾値よりも大きいかを判定する（ステップＳ８）。
ガス排気管５１内の圧力値が閾値以下の場合、ステップＳ１１に進む。ガス排気管５１内の圧力値が閾値よりも大きい場合、変数ｎに１を加算し、この時点の圧力制御バルブ５２の開度に予め定められた変化量を加算した第ｎの開度値を算出する（ステップＳ９）。この時点では、第１の開度値に予め定められた変化量を加算した第２の開度値が算出される。
次に、圧力制御バルブ５２の開度を第ｎ（ｎ＝２）の開度値に設定し、Ａｌ膜をエッチングする（ステップＳ１０）。次に、発光分光分析装置５５によりプラズマの発光強度を検出し、プラズマの発光強度に基づきＥＰＤ制御により、Ａｌ膜の終点を検出したかを判定する（ステップＳ１１）。
図５（ｃ）の例では、波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度の傾きが予め定められた閾値以上の間、制御部９０は、Ａｌ膜の終点を検出していないと判定し、ステップＳ７に戻り、ステップＳ７～Ｓ１１の処理を繰り返す。これにより、Ａｌ膜のエッチングを進める。
一方、Ａｌ膜のエッチングが進み、下地の下層Ｔｉ膜が露出してくると波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度が低くなり変化の傾きも大きくなる。そこで、波長が３９６ｎｍのアルミニウムの発光強度の傾きが予め設定された閾値以下となったとき、制御部９０は、Ａｌ膜の終点を検出したと判定し、ステップＳ１２に進む。なお、ここでは発光強度の変化は減少であるため傾きは負の値として表される。従って、閾値は負の値として設定される。また、ステップＳ１１における閾値は、ステップＳ５における閾値とは別に設定される。
次に、上層Ｔｉ膜と同様に、圧力制御バルブ５２を自動制御しながら、塩素含有ガスを含むエッチングガスにより下層Ｔｉ膜をエッチングする（ステップＳ１２）。下層Ｔｉ膜のエッチングを終了後、処理後の基板Ｇを搬出し（ステップＳ１３）、本処理を終了する。
図５（ｃ）の例では、波長が８３８ｎｍの塩素の発光強度の傾きが予め設定された閾値以下となったとき、下層Ｔｉ膜の終点を検出し、更にオーバーエッチングにより下層Ｔｉ膜の下地膜をエッチングした後、処理後の基板Ｇを搬出し、本処理を終了してもよい。なお、波長が８３８ｎｍの塩素は、下層Ｔｉ膜のエッチングにおいて消費されずに残った塩素含有ガスに含まれる元素である。ステップＳ１２における閾値も、ステップＳ５及びステップＳ１１とは別の閾値として設定される。
なお、上記の閾値の値については、例えば、上記実施形態で用いた終点検出システムにおいては、エッチングが上層ＴｉからＡｌに移行する場合には閾値を２００と設定してこれを下回ると上層Ｔｉのエッチングが終了したとした。また、エッチングがＡｌから下層Ｔｉに移行する場合には、閾値を－１０と設定してこれを下回るとＡｌのエッチングが終了したとした。また、エッチングが下層Ｔｉから下地膜に移行する時には閾値を２０と設定してこれを下回ると下地Ｔｉのエッチングが終了したとした。しかし、これらの閾値の値は本実施形態の発明において本質的なものではなく、使用する終点検出システムなどに応じて適宜決められるべきものである。また、これらの閾値は、エッチング条件などによっても変わりうる。
以上に説明したように、本実施形態に係るエッチング方法によれば、Ａｌ膜のエッチング工程において、圧力制御バルブ５２の開度（ＡＰＣポジション）を第１の開度値に設定した状態からガス排気管５１内の圧力値に応じて徐々に開く制御を行う。また、ＡＰＣポジションの初期値である第１の開度値は、上層Ｔｉ膜のエッチング工程の最後にサンプリングされたＡＰＣポジションをベースとして最適化する制御を行う。これにより、処理室Ｓ内の圧力変動を抑制し、プロセス性能を向上させることができる。また、圧力制御バルブ５２のハンチングを防止してパーティクルの発生を抑えることができる。
理想的には、処理室Ｓ内の圧力変動によるプロセス性能への影響を最小限に抑えるために、図３に示す圧力計（ＣＭ１）１５０及び圧力計（ＣＭ２）１５１により処理室Ｓ内の圧力を直接計測することが好ましい。しかし、圧力計（ＣＭ２）１５１が計測する処理室Ｓの圧力は排気空間の圧力と必ずしも同じではなく、圧力制御バルブ５２の制御によりガス排気管５１内の圧力は迅速に変化するが、処理室Ｓ内の圧力が変化するまでにはある程度の時間的な遅延が生じる。このため、本実施形態に係る圧力制御バルブ５２の制御では、圧力制御バルブ５２に近いガス排気管５１内の圧力を圧力計（ＣＭ）５４により監視し、圧力計（ＣＭ）５４が測定した圧力値に基づき圧力制御バルブ５２を制御する。これにより、圧力制御バルブ５２の開度を制御してからガス排気管５１内の圧力が変化するまでの遅延が生じにくいため、圧力の追従性が高まる。ただし、本実施形態の適用において、圧力計（ＣＭ１）１５０又は圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した圧力値に基づき圧力制御バルブ５２を制御してもよい。
［ＥＰＤ制御］
本実施形態に係るエッチング方法では、ＥＰＤ制御により最適なタイミングで上層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの自動制御から、Ａｌ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの所与の制御へと制御方法を切り替える。同様にＥＰＤ制御により最適なタイミングでＡｌ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御から、下層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの自動制御へと制御方法を切り替える。
図５（ａ）は、参考例３に係るエッチングの結果であり、図５（ｂ）は、本実施形態に係るエッチングの結果である。図５（ａ）の参考例３では、上層Ｔｉ膜のエッチング時、Ａｌ膜のエッチング時、及び下層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御方法の切り替えを予め定められた時間で制御した。図５（ａ）は、参考例３において圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した圧力Ｐ４と、圧力制御バルブ５２の開度Ａ４とを示す。
図５（ｂ）では、上層Ｔｉ膜のエッチング時、Ａｌ膜のエッチング時、及び下層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御方法の切り替えをＥＰＤ制御により行った。図５（ｂ）は、本実施形態において圧力計（ＣＭ）５４が測定した圧力Ｐ５と、圧力制御バルブ５２の開度Ａ５とを示す。
なお、図５の実験における上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜のエッチングのプロセス条件は同一にした。また、上層Ｔｉ膜のエッチング時、Ａｌ膜のエッチング時、及び下層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御方法は、図４に示すように本実施形態に係る制御方法を用いた。
この結果、ＡＰＣポジションの制御方法の切り替えを時間で制御した参考例３の場合、図５（ａ）のＦ１の点線枠内に示すようにＡｌ膜のエッチング工程にて圧力計（ＣＭ２）１５１が測定した圧力Ｐ４が上昇し、排気空間及び処理室Ｓ内の圧力が不安定になった。
一方、ＡＰＣポジションの制御方法の切り替えをＥＰＤ制御した本実施形態の場合、最適なタイミングで上層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの自動制御から、Ａｌ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御へと切り替えることができた。同様にＥＰＤ制御により最適なタイミングでＡｌ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの制御から、下層Ｔｉ膜のエッチング時のＡＰＣポジションの自動制御へと切り替えることができた。このため、図５（ｂ）のＦ２の点線枠内に示すように、排気空間及び処理室Ｓ内の圧力を安定させることができた。
［他の膜の適用例］
以上に説明した本実施形態に係るエッチング方法では、上層Ｔｉ膜、Ａｌ膜及び下層Ｔｉ膜の積層膜をエッチング対象膜として用いた。しかし、本実施形態に係るエッチング方法の適用範囲はこれに限らない。図６は、本実施形態に係るエッチング方法が適用される他の膜構造を示す図である。
例えば、図６（ａ）に示すように、単体のＡｌ膜１をエッチング対象膜としてマスク２を介してエッチングする場合であってマスク２にカーボンが含まれる場合、Ａｌ膜１をエッチングしている間、圧力制御バルブ５２が振動する。この結果、図６（ｂ）に示すように処理室Ｓ内の圧力Ｐが振動する。係る現象に対してＡｌ膜１のエッチング時に本実施形態に係るエッチング方法を適用することが有益である。
図６（ｃ）は、発光分光分析装置５５が検出したプラズマの発光強度のうち、波長が３９６ｎｍのＡｌの発光強度Ｉ１と、２７８．８ｎｍのＣＣｌの発光強度Ｉ２の一例を示す。図６（ｂ）及び（ｃ）によれば、圧力Ｐが最大のとき、Ａｌの発光強度Ｉ１が最大ピークになり、ＣＣｌの発光強度Ｉ２が最小ピークになる。一方、圧力Ｐが最小のとき、Ａｌの発光強度Ｉ１が最小ピークになり、ＣＣｌの発光強度Ｉ２が最大ピークになる。
この現象は、処理室Ｓ内の圧力Ｐが高くなると、主にＡｌ膜１がエッチングされ、Ａｌ膜１のエッチングレートが上がり、Ａｌの発光強度Ｉ１が高くなる。一方、処理室Ｓ内の圧力Ｐが低くなると、主にマスク２がエッチングされ、マスク２のエッチングレートが上がり、マスク２にカーボンが含まれるためにＣＣｌの発光強度Ｉ２が高くなる。このため、圧力制御バルブ５２の開度を自動制御すると、圧力Ｐの周期的な変動に応じてＡｌ膜１とマスク２とが交互にエッチングされる現象が生じる。圧力Ｐの周期的な変動は、Ａｌ膜１のエッチング及びマスク２のエッチングのそれぞれにおいて、エッチングの進行自体が圧力の変動をもたらすことに起因する。
この場合、Ａｌ膜１をエッチングする間、上層Ｔｉ膜と下層Ｔｉ膜との間のＡｌ膜をエッチングするときと同様に、圧力制御バルブ５２の開度（ＡＰＣポジション）を所与の初期値に設定した状態から圧力値に応じて徐々に開く又は閉じる制御を行う。これにより、処理室Ｓ内の圧力変動を抑制し、圧力制御バルブ５２のハンチングを防止してパーティクルの発生を抑えることができる。所与の初期値は、例えば、予め予備的なエッチングを行い、その結果から定めるなどすることができる。
以上に説明したように、本実施形態のエッチング方法によれば、処理室Ｓ内の圧力を安定して制御することができる。
今回開示された実施形態に係るエッチング方法及び基板処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
本開示の基板処理装置は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。
また、基板処理装置の一例としてプラズマ処理装置を挙げて説明したが、基板処理装置は、基板に所定の処理（例えば、成膜処理、エッチング処理等）を施す装置であればよく、プラズマ処理装置に限定されるものではない。エッチングにプラズマを用いない場合、ＥＰＤ制御においてはプラズマ発光ではなくプローブ光を入射し吸収率をモニターするなどしてＡｌのエッチング工程を制御してもよい。
１０ 処理容器
１２ 上チャンバ
１２ａ 天井
１３ 下チャンバ
１３ａ 側壁
２５ 観測窓
１３ｄ 底板
１３ｆ 排気口
３０ シャワーヘッド
５１ ガス排気管
５２ 圧力制御バルブ
５３ 排気装置
５４ 圧力計（ＣＭ）
５５ 発光分光分析装置
６０ 基板載置台
１００ 基板処理装置
Ｇ 基板
Ｓ 処理室

Claims (8)

  1. （ａ）第１のチタン膜と前記第１のチタン膜の下層のアルミニウム膜とを有する積層膜が形成された基板を処理室内に配置する工程と、
    （ｂ）圧力制御バルブを介して排気管により排気装置に接続された前記処理室内又は前記排気管内の圧力の変化に追随して前記圧力制御バルブの開度を自動制御しながら、有機材料から成るマスクを介して前記第１のチタン膜をエッチングする工程と、
    （ｃ）前記（ｂ）においてサンプリングされた前記圧力制御バルブの開度の値から第１の開度値を算出する工程と、
    （ｄ）前記アルミニウム膜のエッチングの開始時に前記圧力制御バルブの開度を前記第１の開度値に設定し、前記アルミニウム膜をエッチングする工程と、
    （ｅ）前記（ｄ）において前記圧力を監視し、前記圧力が予め定められた閾値を超えた場合に、前記第１の開度値を予め定められた変化量により第２の開度値に変更する工程と、を有し、
    （ｆ）前記アルミニウム膜のエッチングが終了するまでの間、前記（ｅ）を１回以上行う、エッチング方法。
  2. 前記（ｄ）において前記圧力は、前記圧力制御バルブの近傍の前記排気管内の圧力であって前記圧力制御バルブの上流側にて計測される、
    請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記（ｂ）のエッチング及び前記（ｄ）のエッチングは、塩素含有ガスをプラズマ化して実施される、
    請求項１又は２に記載のエッチング方法。
  4. 前記（ｃ）は、前記（ｂ）において最後にサンプリングされた前記圧力制御バルブの値を含む複数の前記圧力制御バルブの値に基づき前記第１の開度値を算出する、
    請求項１～３のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  5. 前記（ｄ）は、前記アルミニウム膜のエッチングの開始時に前記圧力制御バルブの開度を、前記第１の開度値に予め定められたオフセット値を加算した値に設定する、
    請求項１～４のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  6. 前記積層膜は、前記アルミニウム膜の下層に第２のチタン膜を有し、
    （ｇ）前記（ｆ）の後、前記処理室内又は前記排気管内の圧力の変化に追随して前記圧力制御バルブの開度を自動制御しながら、前記第２のチタン膜をエッチングする工程を有する、
    請求項１～５のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  7. （ｈ）前記処理室内のプラズマの発光強度を測定する工程を有し、
    前記プラズマの発光強度に基づき、前記（ｂ）から前記（ｄ）へのエッチングの切り替え、及び前記（ｄ）から前記（ｇ）へのエッチングの切り替えを行う、
    請求項６に記載のエッチング方法。
  8. 基板を配置する処理室と、圧力制御バルブを介して排気管により前記処理室に接続される排気装置と、前記処理室内又は前記排気管内の圧力を測定する圧力計と、制御部とを有する基板処理装置であって、
    前記制御部は、
    （ａ）第１のチタン膜と前記第１のチタン膜の下層のアルミニウム膜とを有する積層膜が形成された基板を前記処理室内に配置する工程と、
    （ｂ）前記圧力計により測定された前記処理室内又は前記排気管内の圧力の変化に追随して前記圧力制御バルブの開度を自動制御しながら、有機材料から成るマスクを介して前記第１のチタン膜をエッチングする工程と、
    （ｃ）前記（ｂ）においてサンプリングされた前記圧力制御バルブの開度の値から第１の開度値を算出する工程と、
    （ｄ）前記アルミニウム膜のエッチングの開始時に前記圧力制御バルブの開度を前記第１の開度値に設定し、前記アルミニウム膜をエッチングする工程と、
    （ｅ）前記（ｄ）において前記圧力を監視し、前記圧力が予め定められた閾値を超えた場合に、前記第１の開度値を予め定められた変化量により第２の開度値に変更する工程と、を制御し、
    （ｆ）前記アルミニウム膜のエッチングが終了するまでの間、前記（ｅ）を１回以上行うように制御する、
    基板処理装置。
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