JP2002009047A - プラズマ処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空チャンバーの内部に被処理物を設置する
平板状電極を配置し、この電極の背面に高周波電力を印
加して被処理物設置面側でプラズマを発生させ被処理物
をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、プラズ
マ処理の均一性向上の要因である電極面内の高周波電圧
のピークツーピークを均一化する。 【解決手段】 下部電極５の内部に、高周波電力が印加
される中央部から外周部に向かう方向に沿って順次に厚
く形成した第１誘電体１３を配置して、下部電極５のイ
ンピーダンスを中央部周辺と外周部とでが相違させた。
これにより、下部電極５における前記各部位で電圧降下
が相違することになり、下部電極５面内の高周波電圧の
ピークツーピークが均一化される。その結果、下部電極
５面内の電界強度が均一化され、電界により加速される
イオンエネルギーが基板面内で均一になり、プラズマ処
理の均一性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドライエッチン
グ、プラズマＣＶＤ、スパッタリングなどのプラズマ処
理を行なうプラズマ処理装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマ処理は、ドライエッチン
グによる微細加工、薄膜形成、及び表面改質等の物質の
表面処理に広く利用されており、特に半導体の分野にお
いて、超高集積回路装置を製造する上で必要不可欠な技
術となっている。

【０００３】従来のプラズマ処理装置としては、容量結
合型の平行平板プラズマ処理装置が広く用いられてき
た。その理由は、均一なプラズマ処理が要求される中
で、比較的低い真空度の圧力下で均一な低密度プラズマ
を容易に発生させることができるからである。

【０００４】ところが、半導体集積回路の微細化が進む
につれ、高い真空度の圧力下で高密度プラズマを生成す
る必要が生じてきており、コイルに高周波電流を流しそ
の誘導磁界を減圧下の空間に作用させてプラズマを発生
させる誘導結合型プラズマ発生装置、及びそれを用いた
プラズマ処理装置が注目を集めている。

【０００５】高真空においてプラズマを発生させると、
ドライエッチング装置の場合、基板表面に形成されるイ
オンシース中でイオンがイオン又は他の中性ガス粒子と
衝突する確立が小さくなるため、イオンの方向性が基板
に向かって揃い、エッチング異方性が高められ、高アス
ペクト比の加工が可能になる。プラズマＣＶＤ装置の場
合、イオンによるスパッタリング効果によって微細パタ
ーンの埋め込みと平坦化作用が得られ、高アスペクト比
の加工が可能になる。スパッタリング装置としては、Ｒ
Ｆ（Radio Frequency：高周波）マグネトロンスパッタ
装置が知られており、このＲＦマグネトロンスパッタ装
置では、ターゲットと基板の間にＲＦ電圧を印加してス
パッタガスを放電させ陰極近傍の空間にプラズマを発生
させることにより基板上に薄膜を堆積している。

【０００６】プラズマ処理装置の一例として、上述した
従来よりある平行平板型ドライエッチング装置について
図面を参照しながら説明する。図３に示すように、チャ
ンバー１には、チャンバー１に対して被処理物を出し入
れする搬出入手段および排気手段（図示せず）、反応ガ
スを導入する反応ガス導入手段２、およびチャンバー１
内を所定の圧力に保持する圧力制御手段３が設けられて
いる。チャンバー１の内部には、平板状の上部電極４と
下部電極５とが互いに平行に設けられている。下部電極
５は、エッチングや膜堆積を行う液晶用ガラス基板６等
の被処理物が設置されるものであり、その下面の中央部
又はその近傍に、チャンバー１の外部の高周波電源７よ
りインピーダンス整合器８を介して高周波電力が印加さ
れる。

【０００７】下部電極５は、図４に示すように、基板６
が載置される電極９と、この電極９の下に配置されてチ
ャンバー底面と絶縁する誘電体１０と、これら電極９お
よび誘電体１０の周囲を囲む絶縁ブロック１１とで構成
されている。電極９は全面が平坦な平板型や円盤型をな
す形状に、導電性材料、例えばアルマイト処理されたア
ルミニウムである単一材料を用いて構成されていて、そ
のインピーダンスは部位による偏りはなく電極中央部と
電極外周部とでほぼ等しくなっている。

【０００８】このようなプラズマ処理装置を用いてドラ
イエッチングを行うには、まず、図示しない搬出入手段
により基板６をチャンバー１に搬入して下部電極５の上
に設置する。その後に、図示しない排気手段によりチャ
ンバー１内の気体を排出するとともに、反応ガス導入手
段２より反応ガスをチャンバー１に導入し、圧力制御手
段３によって所定の反応ガス圧力に維持する。次いで、
高周波電源７からインピーダンス整合器８を介して下部
電極５に高周波電力を印加し、上部電極４との間でプラ
ズマを発生させて、基板６のエッチングを行なう。エッ
チングが終了したら、高周波電力の供給を停止し、反応
ガスの導入を停止するとともに、チャンバー１内の残留
ガスを排出し、その後に基板６をチャンバー１の外部に
取り出す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の平行平
板型プラズマ処理装置において、下部電極５への高周波
電力の印加ポイントを下面中央部とし、Ｔｉ（チタン）
膜を堆積した５５０ｍｍ×６７０ｍｍ液晶用ガラス基板
６を被処理物とし、１３．５６Ｍｈｚの高周波電力を高
周波電源７より出力してエッチングを行ったところ、エ
ッチングレートの基板面内分布は図５に示すようになっ
た。図中、Ａ，Ｂはそれぞれ、印加ポイントの直上を通
るように互いに垂直な方向に設定した２本の線Ａ，Ｂ上
での測定値であることを示す。この分布を見ると、エッ
チングレートは高周波電力の印加ポイントおよびその周
辺で低く、印加ポイントから離れるほど高くなってい
る。

【００１０】また、下部電極５に高周波電力を印加して
いる非放電状態で下部電極面のＶＰＰ（高周波電圧のピ
ークツーピーク）を調べたところ、図６に示すように、
高周波電力の印加ポイントおよびその周辺で低く、印加
ポイントから離れるほど高くなっていることが判った。

【００１１】これらのことから、高周波電力の印加ポイ
ントからの距離に応じて図６に示すように下部電極面の
ＶＰＰが変化し、下部電極面内でＶＰＰに応じた電界強
度が与えられ、その電界強度に応じて加速されるイオン
エネルギーが与えられる結果、図５に示すようなエッチ
ングレートの基板面内分布が得られたものと考えられ
る。

【００１２】下部電極面にＶＰＰの変化（バラツキ）が
生じるのは、伝送ケーブルのケーブル端を開放すること
でケーブル上に生じる定在波やアンテナから電波を放射
する時に、開放端の電位が一番高くなり、開放端から１
／４λ離れた箇所で電位が最小となることと同じと考え
られる。上記した条件では、周波数が１３．５６Ｍｈｚ
であり、下部電極５のサイズは１／４λより十分に小さ
いものの、無視出来ない大きさになっていると言える。

【００１３】この点において、近年は半導体や液晶パネ
ルの製造工程で、エッチングや膜堆積を行うウェハや基
板の大版化が進行してきており、プラズマ処理装置の電
極もそれに伴って大型化してきている。そしてそのた
め、ドライエッチング装置においてはエッチングレート
の面内均一性の確保が、またＣＶＤ・スパッタリング装
置においては堆積膜厚の面内均一性の確保が、困難にな
ってきている。

【００１４】特に液晶パネルの製造においては、基板サ
イズは、従来は３７０ｍｍ×４７０ｍｍ等が主流であっ
たが、現在は５５０ｍｍ×６７０ｍｍ等が主流となって
おり、３〜４年先には１０００ｍｍ角へと大型化が進む
と予測される。そして電極の大型化が進むにつれて、高
周波電力の印加ポイントから外周部までの距離が大きく
なり、下部電極面のＶＰＰの変化（バラツキ）がより顕
著になり、プロセス処理の面内均一性の確保が更に困難
になると予想される。

【００１５】本発明は上記問題を解決するもので、プラ
ズマ処理の均一性向上の要因である電極面のＶＰＰを均
一化できるプラズマ処理装置を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、真空チャンバーの内部に被処理物を設置す
る平板状電極を配置し、この電極の背面に高周波電力を
印加して被処理物設置面側でプラズマを発生させ被処理
物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記
電極の内部に高周波印加部から外周部に向かう方向に沿
って順次に厚く形成した誘電体を配置して、前記電極の
インピーダンスを前記高周波印加部の周辺と外周部とで
相違させたことを特徴とする。誘電体を順次に厚く形成
するに際しては、連続して緩やかに厚くしてもよいし、
段階的に厚くしてもよい。

【００１７】また本発明は、真空チャンバーの内部に被
処理物を設置する平板状電極を配置し、この電極の背面
に高周波電力を印加して被処理物設置面側でプラズマを
発生させ被処理物をプラズマ処理するに際し、前記電極
の内部に高周波印加部から外周部に向かう方向に沿って
順次に厚く形成した誘電体を配置することにより、前記
電極のインピーダンスを前記高周波印加部の周辺と外周
部とで相違させ、電極面内の高周波電圧のピークツーピ
ークを均一化する状態において、被処理物を処理するこ
とを特徴とする。

【００１８】かかる構成によれば、高周波印加部および
その周辺（以下、高周波印加部周辺という）のように本
来、高周波電圧のピークツーピーク（以下、ＶＰＰ）が
低いところは誘電体の厚みを薄くし、外周部のように本
来ＶＰＰが高いところは誘電体の厚みを厚くして、電極
自体のインピーダンスを高周波印加部周辺と外周部とで
相違させたことにより、前記各部位での電圧降下が相違
することになり、電極面内のＶＰＰが均一化される。そ
れにより電極面内の電界強度が均一化され、電界により
加速されるイオンエネルギーが基板面内で均一になる結
果、プラズマ処理の均一性が向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
るプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法について図
面を参照しながら説明する。 （実施の形態１）本発明の実施の形態１におけるプラズ
マ処理装置は先に図３を用いて説明した従来の平行平板
プラズマ処理装置とほぼ同様の構成を有しているので、
図３を援用して全体構成の図示および詳細な説明を省略
し、このプラズマ処理装置の特徴的な部材である下部電
極について説明する。

【００２０】図１に縦断面を示すように、下部電極５
は、全面が平坦な平板型の形状をしており、液晶用ガラ
ス基板６等の被処理物が載置される第１電極１２と、イ
ンピーダンスを調節するための第１誘電体１３と、高周
波電力を印加するための第２電極１４と、チャンバー底
面と絶縁するための第２誘電体１５とがこの順に上方よ
り配置されて互いに接触し、これらの周囲を囲むように
絶縁性材料、例えばセラミックからなる絶縁ブロック１
６が配置されている。

【００２１】第１電極１２は、導電性材料、例えばアル
マイト処理されたアルミニウムである単一材料で構成さ
れており、基板６が載置される上面は全面が平坦な形
状、ここでは長さ７８０ｍｍ、幅６６０ｍｍの長方形で
ある。

【００２２】第２電極１４は、導電性材料、例えばアル
ミニウムから構成されており、下面の中央部（その近傍
でもよい）に、チャンバー１の外部の高周波電源７がイ
ンピーダンス整合器８を介して接続している。

【００２３】第１誘電体１３は、テフロン（商標）等の
フルオロカーボン樹脂などの誘電材料を用いて、外周部
が厚く高周波電力が印加される中央部およびその周辺
（以下、中央部周辺という）が薄くなるように緩やかな
傾きを持った形状に形成されている。上述した従来装置
では下部電極面のＶＰＰ分布が±５．７％であったた
め、中央部周辺は厚みａを１０ｍｍとし、外周部は厚み
ｂを１１．４ｍｍとしている。この第１誘電体１３と接
触する第１電極１２の下面は、第１誘電体１３に沿う緩
やかな傾きを持った形状とされている。

【００２４】なお、第１電極１２の内部には、図示して
いない温度調節機構、例えば冷媒循環路が設けられてい
て、この第１電極１２を介してプラズマ処理時に基板６
が所定の温度に維持される。

【００２５】一般に、誘電体のインピーダンスＺは、Ｚ
＝１／２πｆＣ で決まる。（ｆは高周波周波数、Ｃは
誘電体の容量）また、誘電体の容量Ｃは、Ｃ＝ε×Ｓ／
ｄ で決まる。

【００２６】（εは誘電率、Ｓは誘電体面積、ｄは誘電
体の厚さ） このような関係から、誘電体の厚い部分（ｄが大きい部
分）は容量Ｃが小さくインピーダンスＺが大きくなり、
薄い部分（ｄが小さい部分）は容量Ｃが大きくインピー
ダンスＺが小さくなる。

【００２７】従って、上記した第１誘電体１３は、外周
部でインピーダンスが大きくなって高周波印加時の電圧
降下が大きくなり、中央部周辺でインピーダンスが小さ
くなって高周波印加時の電圧降下が小さくなる。

【００２８】その結果、下部電極５における従来の問題
点、高周波電力が印加される中央部周辺でＶＰＰが低
く、外周部に行くほどＶＰＰが高くなるという現象を緩
和することができ、基板６が載置される第１電極１２面
内のＶＰＰ分布を均一にすることができる。

【００２９】よって、高周波電源７からインピーダンス
整合器８を通して下部電極５に高周波電力を印加する
と、下部電極５の面内の電界強度が均一になり、電界に
より加速されるイオンエネルギーが基板６面内で均一に
なることになり、均一性の良いプラズマ処理を行うこと
ができる。なおこの時、プラズマに対してインピーダン
ス整合をとるので、安定なプラズマ放電を起こすことが
できる。 （実施の形態２）本発明の実施の形態２におけるプラズ
マ処理装置では、図５の縦断面図に示すように、第１誘
電体１７は、高周波電力が印加される中央部周辺が薄く
外周部が厚くなるように段階的に厚みが変化した形状と
されている。すなわち、上述した従来装置では下部電極
面のＶＰＰ分布が±５．７％であったため、中央部周辺
は厚みｃ＝１０ｍｍとし、外周部は厚みｄ＝１１．４ｍ
ｍとし、中央部と外周部との中間部で厚みｅ＝１０．７
ｍｍとしている。この第１誘電体１７と接触する第１電
極１８の下面は、第１誘電体１７に沿う段階的な傾きを
持った形状とされている。

【００３０】このようにすることによって、基板６が載
置される第１電極１８面内のＶＰＰ分布を均一にするこ
とができ、実施の形態１と同様の効果が得られる。以
上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本
発明はかかる構成に限定されるものではなく、特許請求
の範囲に記載された技術的思想の範疇における修正、変
更を施した構成も本発明の範囲に属する。例えば、上記
実施の形態では平行平板型プラズマ処理装置を例に挙げ
て説明したが、チャンバーの上部等にプラズマ発生用の
コイルを配置する誘導結合型プラズマ処理装置にも本発
明の構成を適用可能である。また、液晶用基板に対して
エッチング処理を施す例を挙げて説明したが、被処理物
として半導体用や電子部品用のウェアを用いる処理や、
ＣＶＤ、スパッタリングなど各種プラズマ処理でも、本
発明の構成を適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、液
晶用基板などの被対象物を設置し高周波電力を印加する
電極の内部に、高周波印加部から外周部に向かう方向に
沿って厚みが順次に変化する誘電体を配置して、電極自
体のインピーダンスを高周波印加部の周辺と外周部とで
相違させることにより、電極面内における高周波電圧の
ピークツーピーク分布を均一化できる。その結果、電極
面内の電界強度を均一にし、電界により加速されるイオ
ンエネルギーを基板面内で均一にすることができ、プラ
ズマ処理の均一性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態におけるプラズマ処理
装置を構成する下部電極の縦断面図

【図２】本発明の第２の実施の形態におけるプラズマ処
理装置を構成する下部電極の縦断面図

【図３】従来よりある平行平板型プラズマ処理装置の概
略全体構成図

【図４】図３のプラズマ処理装置に設置されている従来
の下部電極の縦断面図

【図５】図４の下部電極に設置された基板面内における
エッチングレートの分布図

【図６】図４の下部電極面におけるＶＰＰ分布図

【符号の説明】

１ チャンバー ２ 反応ガス導入手段 ３ 圧力制御手段 ４ 上部電極 ５ 下部電極 ６ 基板 ７ 高周波電源 ８ インピーダンス整合器 ９ 電極 10 誘電体 11 絶縁ブロック 12 第１電極 13 第１誘電体 14 第２電極 15 第２誘電体（絶縁用） 16 絶縁ブロック 17 第１誘電体 18 第１電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ ５Ｆ１０３ Ｆターム(参考） 4K029 BD01 CA05 DC35 FA05 4K030 DA04 FA03 KA15 KA30 LA15 4K057 DA11 DA16 DB06 DB20 DD01 DG15 DM03 DM06 DM09 DN01 5F004 BA06 BB13 BD04 BD05 5F045 AA08 AE01 BB02 DP02 EH14 EH20 5F103 AA08 BB09 BB33 HH03 HH04 RR06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバーの内部に被処理物を設置
   する平板状電極を配置し、この電極の背面に高周波電力
   を印加して被処理物設置面側でプラズマを発生させ被処
   理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、 前記電極の内部に高周波印加部から外周部に向かう方向
   に沿って順次に厚く形成した誘電体を配置して、前記電
   極のインピーダンスを前記高周波印加部の周辺と外周部
   とで相違させたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 真空チャンバーの内部に被処理物を設置
   する平板状電極を配置し、この電極の背面に高周波電力
   を印加して被処理物設置面側でプラズマを発生させ被処
   理物をプラズマ処理するに際し、 前記電極の内部に高周波印加部から外周部に向かう方向
   に沿って順次に厚く形成した誘電体を配置することによ
   り、前記電極のインピーダンスを前記高周波印加部の周
   辺と外周部とで相違させ、電極面内の高周波電圧のピー
   クツーピークを均一化する状態において、被処理物を処
   理することを特徴とするプラズマ処理方法。