JP2008235430A - プラズマ処理装置内構造体及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温で処理を行う場合であっても、溶射皮膜に損傷が発生することを抑制することができ、絶縁不良による放電の発生等を防止することのできるプラズマ処理装置用構造体及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】基材１００には、円孔１０１が形成されており、この円孔１０１内には、絶縁性のセラミック等から構成された円筒状のスリーブ１２０が設けられている。スリーブ１２０は、溶射皮膜１１０と接触しないように、その頂部１２１が、円孔１０１の上端部から所定距離下側に位置するように設けられている。また、頂部１２１より上側部分の円孔１０１の側壁部分には、絶縁体層１３０が形成されている。そして、溶射皮膜１１０と、スリーブ１２０と、絶縁体層１３０とによって、基材１００の上面（第１の面）と、円孔１０１内側面（第２の面）を覆う絶縁面が構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理基板に、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ等のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置内構造体及びプラズマ処理装置に関する。

従来から、半導体装置や液晶表示装置（ＬＣＤ）等の製造分野においては、プラズマを発生させてプラズマエッチングやプラズマＣＶＤを行うプラズマ処理装置が使用されている。このようなプラズマ処理装置では、処理チャンバー内を減圧雰囲気としてプラズマを発生させる。このため、真空チャンバー内で被処理基板を保持する機構として静電チャックが多用されている。

上記のように静電チャックとしては、絶縁膜の中に、電極を設けた構成とされたものが知られている。また、絶縁膜として溶射皮膜を使用することが知られている。さらに、このような溶射皮膜として、マルテンサイト変態する銅系粉末等の基材に溶射したときに体積膨張が可能な物質を含む溶射材を用い、基材に対する密着性を高めてその剥離を防止するようにする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図４は、このような静電チャックの要部構成を拡大して示すもので、同図において２００は、アルミニウム等からなる基材である。この基材２００の上面（被処理基板を載置する載置面）には、絶縁性の溶射皮膜２１０が形成されており、この溶射皮膜２１０内に位置するように静電チャック用電極２１１が設けられている。また、基材２００には、被処理基板を載置面上に支持する基板支持部材としてのリフターピン（図示せず。）が配置される円孔２０１が形成されており、この円孔２０１内には、絶縁性のセラミック等から構成された円筒状のスリーブ２２０が設けられている。なお、このスリーブ２２０は、円孔２０１内を絶縁被覆するとともに、リフターピンを上下動させた際に、円孔２０１内面と擦れて塵埃等が発生することを抑制する作用を有する。
特開平１０−６８０５８号公報

上記した図４に示す構造の基板載置用のプラズマ処理装置用構造体では、温度調整機構によって基材２００の温度を制御し、その上に載置された被処理基板の温度をプラズマ処理に適した所望の温度に制御することが行われている。近年、このようなプラズマ処理において、その処理温度を、例えば１００℃以上等の高温とすることが行われる場合がある。そして、このように高温でプラズマ処理を行うと、溶射皮膜２１０に損傷が生じ、静電チャック用電極２１１や、基材２００の絶縁が不良となって放電等が発生する場合があるという問題が生じていた。

本発明は、上記の従来の事情に対処してなされたもので、高温で処理を行う場合であっても、溶射皮膜に損傷が発生することを抑制することができ、絶縁不良による放電の発生等を防止することのできるプラズマ処理装置用構造体及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

請求項１のプラズマ処理装置内構造体は、被処理基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバー内に配設されるプラズマ処理装置内構造体であって、少なくとも第１の面と第２の面を有する基材と、前記第１の面を覆う絶縁性の溶射皮膜と、前記第２の面を覆い前記基材とは異なる線膨張係数を有する材料からなる絶縁性の保護部材と、前記溶射皮膜と前記保護部材との接触箇所が無いように、前記溶射皮膜と前記保護部材との間に介在する絶縁体層で被覆された緩衝面とを具備し、前記溶射皮膜と、前記保護部材と、前記絶縁体層とによって、前記基材の前記第１の面と前記第２の面を覆う絶縁面が構成されていることを特徴とする。

請求項２のプラズマ処理装置内構造体は、請求項１記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記絶縁体層が、前記基材の酸化物からなることを特徴とする。

請求項３のプラズマ処理装置内構造体は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記第１の面は、前記被処理基板を載置する載置面であることを特徴とする。

請求項４のプラズマ処理装置内構造体は、請求項３記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記第２の面は、前記載置面に設けられた孔の内側面であり、前記保護部材は前記孔の内側面を覆う筒状体であることを特徴とする。

請求項５のプラズマ処理装置内構造体は、請求項４記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記孔には、上下動自在とされ、前記載置面の上部に前記被処理基板を支持するための基板支持部材が配置されることを特徴とする。

請求項６のプラズマ処理装置内構造体は、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記緩衝面は、前記第２の面上に設けられていることを特徴とする。

請求項７のプラズマ処理装置内構造体は、請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記溶射皮膜内に、前記被処理基板を静電吸着するための電極が設けられていることを特徴とする。

請求項８のプラズマ処理装置内構造体は、請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、前記基材は、導電性材料から構成され、プラズマ処理のための電極として作用することを特徴とする。

請求項９のプラズマ処理装置内構造体は、被処理基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバー内に配設されるプラズマ処理装置内構造体であって、上面を前記被処理基板が載置される載置面とされ、前記載置面に上下動自在とされた基板支持部材が配置される透孔を有する導電性部材からなる基材と、前記載置面を覆う絶縁性の溶射皮膜と、前記透孔内側面を覆う円筒状の保護部材であって、その頂部が前記載置面より所定距離下側に位置するように配置され、前記基材とは異なる線膨張係数を有する材料からなる絶縁性の保護部材と、前記透孔内側面の、前記保護部材の頂部より上側部分を覆う絶縁体層とを具備したことを特徴とする。

請求項１０のプラズマ処理装置は、請求項１〜９いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、高温で処理を行う場合であっても、溶射皮膜に損傷が発生することを抑制することができ、絶縁不良による放電の発生等を防止することのできるプラズマ処理装置用構造体及びプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置１の断面概略構成を模式的に示すものである。

プラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。

プラズマエッチング装置１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー（処理容器）２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。処理チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理基板、例えば半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。さらに、このサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。

サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、この温度調節媒体室７には、温度調節媒体が温度調節媒体導入管８、温度調節媒体排出管９によって循環し、その熱がサセプタ５を介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。

サセプタ５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハＷと略同形の静電チャック１０が設けられている。静電チャック１０は、絶縁層としての溶射皮膜１１０の間に静電チャック用電極１１１を配置して構成されている。そして、静電チャック用電極１１１に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷを静電吸着する。

絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１０には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１０上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されており、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。

上記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１０を貫通して、複数（例えば、３本）のリフターピン１６が設けられており、これらのリフターピン１６は、駆動モータ１７によって上下動可能とされている。これらのリフターピン１６が下降した際には、その頂部がサセプタ５の内部に埋没した状態となる。一方リフターピン１６が上昇した際には、図中点線で示すように、その頂部がサセプタ５の上方に突出した状態となり、半導体ウエハＷをサセプタ５の上方に支持する。これによって、図示しない半導体ウエハＷの搬送アームとの間で半導体ウエハＷの授受が可能となっている。

サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、例えば、シリコンによって構成されるか、又は、表面に陽極酸化処理（アルマイト処理）されたアルミニウムに石英カバーを設けて構成されている。サセプタ５と上部電極２１とは、その間隔を変更可能とされている。

上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガスとしてのエッチングガスを供給するための処理ガス供給源３０が接続されている。

処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態で半導体ウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。

下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は１〜２０ＭＨｚの範囲が好ましい。

上記構成のプラズマエッチング装置１は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置１の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

図２は、上記したプラズマエッチング装置１のサセプタ５の要部構成を拡大して示すものである。同図において１００は、導電性の材料、例えばアルミニウム等からなる基材である。この基材１００の上面（被処理基板を載置する載置面）には、絶縁性の溶射皮膜１１０、例えば、アルミナ、イットリア等からなる溶射皮膜１１０が形成されており、この溶射皮膜１１０内に位置するように静電チャック用電極１１１が設けられている。この静電チャック用電極１１１は、導電性材料を溶射すること等によって形成することができる。また、基材１００には、図１に示した被処理基板を載置面上に支持する基板支持部材としてのリフターピン１６（図２には図示せず。）が配置される円孔１０１が形成されており、この円孔１０１内には、絶縁性のセラミック（例えばアルミナ、窒化アルミ、その他）や樹脂（例えばポリイミド系樹脂等）等から構成された円筒状のスリーブ１２０が設けられている。なお、円孔１０１は、図３に示すように、基材１００に複数、例えば３個設けられている。

本実施形態において、このスリーブ１２０は、溶射皮膜１１０と接触しないように、その頂部１２１が、円孔１０１の上端部から所定距離下側に位置するように設けられている。また、頂部１２１より上側部分の円孔１０１の内の側壁部分には、絶縁体層１３０として例えば陽極酸化膜（アルマイト皮膜）が形成されている。この円孔１０１内上端部付近の絶縁体層１３０は、スリーブ１２０と、溶射皮膜１１０との間に介在する緩衝面を構成するものである。そして、溶射皮膜１１０と、スリーブ１２０と、絶縁体層１３０とによって、基材１００の上面（第１の面）と、円孔１０１内側面（第２の面）を覆う絶縁面が構成されている。

スリーブ１２０は、円孔１０１内を絶縁被覆するとともに、図１に示したリフターピン１６を上下動させた際に、円孔１０１内面とリフターピン１６とが擦れて塵埃等が発生することを抑制する作用を有する。すなわち、例えば、円孔１０１内面を陽極酸化膜等で絶縁し、この陽極酸化膜等が露出した状態となっていると、リフターピン１６を上下動させた際に、リフターピン１６と陽極酸化膜とが擦れて陽極酸化膜の剥離等が生じるおそれがある。このため、スリーブ１２０の内径Ｄ１（例えば３．４ｍｍ）を、絶縁層１３０が形成された緩衝面の部分の内径Ｄ２（例えば４．０ｍｍ）よりも小さく設定することにより、絶縁層１３０とリフターピン１６とが接触することを防止している。

上記のように、本実施形態では、溶射皮膜１１０とスリーブ１２０とが接触することのないように、絶縁体層１３０が形成された緩衝面が設けられている。したがって、基材１００の温度を、例えば、１００℃以上の高温とした場合でも、基材１００とスリーブ１２０の線膨張率の違いによって、溶射皮膜１１０に応力が加わることがない。

これに対して、図４に示したように、スリーブ２２０の頂部２２１にまで溶射皮膜２１０が形成された構造の場合、基材２００を高温とすると、基材２００とスリーブ２２０の線膨張率の差からこれらの上に形成された溶射皮膜２１０に応力が加わり、溶射皮膜２１０に損傷等が発生する可能性が生じる。なお、基材２００がアルミニウムの場合線膨張係数は、２３×１０^-6、スリーブ２２０がアルミナの場合線膨張係数は、７×１０^-6であり、約３倍の差がある。

図２に示した構造の実施例の場合と、図４に示した比較例の構造の場合について、実際に基材の温度を上昇させた後、常温まで冷却して溶射皮膜にクラックが発生するか否かの試験を行った。この試験結果を、以下の表１に示す。温度は、１１０℃から５℃ずつ上昇させ、実施例、比較例とも１〜６の６つのサンプルについて試験を行った。また表１中丸印はクラックの発生がない場合、×はクラックの発生がある場合を示しており、クラックが発生したサンプルについては、その温度以上の試験は行っていない。

表１に示されるとおり、実施例の場合、各サンプルとも、１５０℃の温度までクラックの発生は見られなかった。これに対して、比較例の場合、各サンプルとも１２０℃から１２５℃でクラックが発生した。上記の試験結果からわかるように、実施例では、比較例の場合に比べて高温に対する溶射皮膜の耐性が向上していた。したがって、高温で処理を行う場合であっても、溶射皮膜に損傷が発生することを抑制することができ、溶射皮膜の損傷による絶縁不良により、放電等が発生することを防止できる。

次に、上記構成のプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う工程について説明する。まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー２内へと搬入され、リフターピン１６上に載置される。次に、リフターピン１６か下降することによって、半導体ウエハＷが静電チャック１０上に載置される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。この後、直流電源１３から静電チャック１０に直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１０上に静電吸着される。

その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定の処理ガス（エッチングガス）が、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整されつつ、ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。

そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。

他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。

そして、プラズマエッチングが終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、高温で処理を行う場合であっても、溶射皮膜に損傷が発生することを抑制することができ、絶縁不良による放電の発生等を防止することのできるプラズマ処理装置用構造体及びプラズマ処理装置を提供することができる。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、プラズマエッチング装置は、図１に示した平行平板型の上下部高周波印加型に限らず、下部電極に２周波の高周波を印加するタイプやその他の各種のプラズマ処理装置に適用することができる。また、上記実施形態では、本発明をサセプタの載置面とリフターピン用の円孔の部分に適用した場合について説明したが、係る実施形態に限定されず、その他のプラズマ処理装置用構造体に適用できることは勿論である。

本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の断面概略構成を示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を拡大して示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を示す図。 比較例のプラズマエッチング装置の要部構成を拡大して示す図。

符号の説明

１……プラズマエッチング装置、２……処理チャンバー、５……サセプタ、１０……静電チャック、１６……リフターピン、１０１……円孔、１１０……溶射皮膜、１２０……スリーブ、１３０……絶縁体層、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (10)

1. 被処理基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバー内に配設されるプラズマ処理装置内構造体であって、
   少なくとも第１の面と第２の面を有する基材と、
   前記第１の面を覆う絶縁性の溶射皮膜と、
   前記第２の面を覆い前記基材とは異なる線膨張係数を有する材料からなる絶縁性の保護部材と、
   前記溶射皮膜と前記保護部材との接触箇所が無いように、前記溶射皮膜と前記保護部材との間に介在する絶縁体層で被覆された緩衝面とを具備し、
   前記溶射皮膜と、前記保護部材と、前記絶縁体層とによって、前記基材の前記第１の面と前記第２の面を覆う絶縁面が構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記絶縁体層が、前記基材の酸化物からなることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
3. 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記第１の面は、前記被処理基板を載置する載置面であることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記第２の面は、前記載置面に設けられた孔の内側面であり、前記保護部材は前記孔の内側面を覆う筒状体であることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記孔には、上下動自在とされ、前記載置面の上部に前記被処理基板を支持するための基板支持部材が配置されることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
6. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記緩衝面は、前記第２の面上に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
7. 請求項１〜６いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記溶射皮膜内に、前記被処理基板を静電吸着するための電極が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体であって、
   前記基材は、導電性材料から構成され、プラズマ処理のための電極として作用することを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
9. 被処理基板にプラズマを作用させて処理する処理チャンバー内に配設されるプラズマ処理装置内構造体であって、
   上面を前記被処理基板が載置される載置面とされ、前記載置面に上下動自在とされた基板支持部材が配置される透孔を有する導電性部材からなる基材と、
   前記載置面を覆う絶縁性の溶射皮膜と、
   前記透孔内側面を覆う円筒状の保護部材であって、その頂部が前記載置面より所定距離下側に位置するように配置され、前記基材とは異なる線膨張係数を有する材料からなる絶縁性の保護部材と、
   前記透孔内側面の、前記保護部材の頂部より上側部分を覆う絶縁体層と
   を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置内構造体。
10. 請求項１〜９いずれか１項記載のプラズマ処理装置内構造体を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。

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