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JP4421874B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、絶縁体からなる被処理基板を静電的に吸着固定する静電吸着装置ならびにこれを用いるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
フラットパネルディスプレイ(FPD)のパネル製造においては、一般にガラスなどの絶縁体からなる基板上に画素のデバイスまたは電極や配線等が形成される。パネル製造の様々な工程のうち、エッチング、CVD、アッシング、スパッタリング等の微細加工でプラズマが利用されている。このようなプラズマ処理を行う製造装置では、減圧可能な処理容器内で基板を載置台の上に載置し、基板の上面(被処理面)を処理ガスのプラズマに曝して加工処理を行うようにしている。この場合、プラズマ処理中の発熱による温度上昇を抑えて基板の温度を一定に制御する必要があり、このためにチラー装置より温調された冷媒を載置台内の冷媒通路に循環供給すると同時に、Heガスなどの伝熱性の良いガスを載置台の中を通して基板の裏面に供給して基板を間接的に冷却する方式がよく用いられている。この冷却方式は、Heガスの供給圧力に抗して基板を載置台上に固定保持しておくための機構を必要とする。
図13に、プラズマ処理装置において絶縁体の基板を静電吸着力により保持する従来の静電吸着装置の構成を示す。この静電吸着装置において、載置台200は、ベース部材202の上に、導電体からなるサセプタ204と、絶縁体からなるフォーカスリング206とを設けている。絶縁基板Gは、基板周端部がフォーカスリング206の上面に被さるようにしてサセプタ204の上面に載置される。サセプタ204の内部には冷媒通路208が設けられており、チラー装置(図示せず)からの冷媒が冷媒流路208を流れるようになっている。また、サセプタ204の上面には多数の通孔210が設けられており、Heガス供給部(図示せず)からの伝熱用のHeガスがこれらの通孔210を通って基板Gの裏面に所定の圧力で供給されるようになっている。
サセプタ204には、高周波電源212より数MHz〜数十MHzの高周波が印加される。プラズマ処理中に基板Gの上には処理ガスのプラズマPZが生成される。このプラズマPZは、高周波電源212からの高周波によって生成されることもあれば、図示しない別の高周波電源からの高周波によって生成されることもある。後者の場合、高周波電源212よりサセプタ204に印加される高周波は、プラズマPZ中のイオンを基板Gの被処理面に引き込むためのバイアスに用いられる。
さらに、サセプタ204には、DC(直流)電源214より数kV程度のDC電圧が印加される。このDC電圧が正極性の電圧である場合、基板Gの上面(被処理面)にはプラズマPZ中の負の電荷(電子、負イオン)が引き付けられるようにして蓄積し、これにより、基板G上面の負の面電荷とサセプタ204との間に互いに引き合う静電力(クーロン力)が働き、この静電引力で基板Gはサセプタ204上に吸着固定される。
図14に、上記静電吸着装置(図13)を改良した従来技術を示す。この静電吸着装置では、サセプタ204の上面を絶縁体層216で被覆する。通孔210はサセプタ204内部のガス流路からサセプタ204上面部および絶縁体層216を貫通して形成される。
FPD用の絶縁基板は近年益々大型化の要求が高まっている。上記のような静電吸着装置においては、絶縁基板のサイズが大きくなるほど基板が熱応力によって反りやすくなるため、基板温度の制御に用いる伝熱ガス(Heガス)の供給圧力を増加させなければならず、これに伴なって基板を固定保持しておくための静電吸着力を増大させる必要がある。しかしながら、静電吸着力を増大させるためにサセプタに印加するDC電圧を高くすると、異常放電(殆どがアーク放電)や絶縁破壊等の破損が起こりやすくなるという問題がある。
実際、図13の従来例では、絶縁基板Gの大型化に伴ない、静電吸着力を増大させるべくDC電源214よりサセプタ204に印加するDC電圧を高くすると、サセプタ204上面の周端部とプラズマPZとの間で異常放電が生じやすく、サセプタ204の破壊(電極破壊)が起こりやすくなる。この点、図14の従来例では、絶縁体層216によって上記のような異常放電をある程度まで抑制できる。しかしながら、まだ、サセプタ204とフォーカスリング206との隙間や通孔210内で露出するサセプタ204等から異常放電が起こるおそれがある。また、サセプタ204の温度を上げると、サセプタ204の膨張率と絶縁体層216の膨張率との差によって絶縁体層216に大きな熱ストレスが加わり、絶縁体層216にクラックが入りやすくなる。このようなクラックは、基板サイズが大きくなるほど(一般に基板最長部寸法が500mm以上になると)発生しやすくなる。
また、載置台200上の基板Gの吸着不良、端部欠損または載置ズレ(搬送ズレ)等も異常放電の原因になるが、この問題に対しても従来技術には有効な解決法がなかった。このように、DC電圧を高くしていくと異常放電や絶縁破壊等が起きやすくなるのでは、静電吸着力を増大させることが難しくなり、ひいては大型の基板に対して面内均一な温度制御を行うことが難しくなり、ひいは面内均一なプラズマ処理を行うことが難しくなる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、載置台上の絶縁体からなる被処理基板の保持不良、端部欠損または載置ズレに起因する異常放電を防止できるようにしたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、前記プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で前記基板を載置するための載置台と、前記載置台上に前記基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の前記基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている前記基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部と、前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をモニタリングする伝熱ガス流量モニタ部と、前記伝熱ガス流量の測定値を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御するシーケンス制御部とを有する。
また、本発明のプラズマ処理方法は、プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するための載置台と、前記載置台上に基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部とを用いて、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理方法であって、前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御する。
本発明においては、伝熱ガス供給部から載置台上の基板の裏面へ供給される伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、シーケンス制御部がそのモニタリングされた伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、比較結果に応じてプラズマ生成部を作動させるか否かを決定する。上記の比較で、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値以下のときは、載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、プラズマ生成部や伝熱ガス供給部等を制御して、処理室内に処理ガスのプラズマを生成し、基板に対するプラズマ処理を実行してよい。しかし、上記の載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、比較で、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値を超えるときは、載置台における伝熱ガスの漏れ量が許容範囲内であると判定し、プラズマ生成部や伝熱ガス供給部等を制御して、処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止してよい。
このように、伝熱ガスの供給を開始した当初から相当のガス漏れが発生する原因としては、載置台上で基板に設定通りの十分な静電吸着力が作用していない場合や、基板の端部が欠けている場合や、基板の載置位置がずれている場合等が考えられる。いずれにしても、このようなトラブルを抱えたままプラズマを発生させると、その時点で異常放電が生じて電極破損となることがある。本発明によれば、プラズマの発生前にそのようなトラブルを伝熱ガス漏れ流量のモニタリングによって早期に検出できるので、異常放電を未然に防ぐことができる。
本発明において、先ず処理室に処理ガスを導入してから、伝熱ガス供給部から絶縁基板の裏面への伝熱ガスの供給が行われる手順は重要である。すなわち、処理ガスを導入せずに処理室内を高真空にしたまま基板に伝熱ガス圧力を加える手順においては、絶縁体の基板に与えられる静電吸着力が非常に弱く、低い伝熱ガス圧力でも基板が載置台上で脱離したり位置ズレを起こす可能性がある。本発明によれば、先ず処理ガスの導入によりその一部が電離することで基板の上面が適度に帯電し、適度な静電吸着力が得られるので、その後に伝熱ガスの供給が行われても、基板が載置台上で脱離したり位置ズレを起こすことはない。
本発明の好適な一態様においては、ガス流量モニタ部にてモニタリングされた伝熱ガスの供給流量と基準値との比較は、伝熱ガスの供給圧力をプラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行う。そして、モニタリングされた伝熱ガスの供給流量が基準値以下のときに、伝熱ガスの流量を本来の設定値まで増大させて、プラズマ処理を実行する。
本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、載置台上の絶縁体からなる被処理基板の保持不良、端部欠損または載置ズレに起因する異常放電を確実に防止することができる。
以下、図1〜図12を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図1に、本発明の第1の実施例による静電吸着装置の構成を示す。この静電吸着装置は、プラズマ処理装置の処理容器内でFPD用の絶縁基板たとえばガラス基板Gを固定保持するものであり、矩形のガラス基板Gに対応した矩形形状の載置台10を有している。この載置台10においては、ベース部材12の上に、導電体たとえばアルミニウムからなる矩形ブロック状のサセプタ14と、このサセプタ14の周りを囲む絶縁体たとえばセラミックや石英からなる矩形枠状のフォーカスリング16とを設け、サセプタ14の主面(上面)上に各々溶射法によって形成される下部誘電体層18、電極層20および上部誘電体層22の三層構造からなる静電吸着部24を設けている。
ここで、下部誘電体層18および上部誘電体層22は、その体積固有抵抗値が1×1014Ω・cm以上の絶縁体、好ましくはアルミナ(Al23)およびジルコニア(ZrO2)の少なくとも一方を主成分とするセラミックスからなる。電極層20は、任意の導電体材でよく、たとえばタングステンからなる。公知のプラズマ溶射法により、サセプタ14の主面上に下部誘電体層18、電極層20および上部誘電体層22の三層を順次重ねて形成することができる。
サセプタ14の内部には冷媒流路26が設けられており、チラー装置(図示せず)からの温調された冷媒が冷媒流路26を流れるようになっている。また、サセプタ14の上面および静電吸着部24(18,20,22)には多数の通孔28が設けられており、Heガス供給系(図示せず)からのHeガスが伝熱用のガスとしてサセプタ内部のガス流路およびこれらの通孔28を通ってガラス基板Gの裏面に所定の圧力で供給されるようになっている。
図2に示すように、通孔28回りの電極層20(斜線で示した部分)には通孔28よりも大きな口径を有する円状のくり抜き部(切欠き部)20aが形成されており、電極層20は通孔28内でも露出せず、通孔28内の中間部ないし上部の壁面は下部誘電体層18および上部誘電体層22によって構成される。また、電極層20の外周端も、下部誘電体層18および上部誘電体層22の外周端より内側に引っ込んでおり、外に露出しない構造となっている。このように、電極層20の全部が下部誘電体層18と上部誘電体層22との間に埋設されている。
図1において、サセプタ14には、整合器30を介して高周波電源32の出力端子が電気的に接続されている。この高周波電源32の出力周波数は数MHz〜数十MHzの範囲内で選ばれ、出力パワーは数kW程度に選ばれる。一方、静電吸着部24の電極層20には、直流(DC)電源34の出力端子が高周波遮断部36を介して電気的に接続されている。高周波遮断部36は、サセプタ14側からの高周波を遮断するためのもので、好ましくは1MΩ以上の高い抵抗値を有する抵抗器または直流を通すローパスフィルタで構成されてよい。スイッチ38は、電極層20に対してDC電源34とグランド電位とを切り換えるためのものである。
プラズマ処理中にガラス基板Gの上には処理ガスのプラズマPZが生成される。このプラズマPZは、高周波電源32からの高周波によって生成されることもあれば、図示しない別の高周波電源からの高周波によって生成されることもある。後者の場合、高周波電源32よりサセプタ14に印加される高周波は、プラズマPZ中のイオンをガラス基板Gの上面(被処理面)に引き込むためのバイアスに用いられる。
スイッチ38がDC電源34側に切り換えられると、DC電源34からのDC電圧が電極層20に印加される。このDC電圧が正極性の電圧である場合、ガラス基板Gの上面には負の電荷(電子、負イオン)が引き付けられるようにして蓄積する。これにより、ガラス基板G上面の負の面電荷と電極層20との間にガラス基板Gおよび上部誘電体層22を挟んで互いに引き合う静電力つまりクーロン力が働き、この静電引力でガラス基板Gは載置台10上に吸着固定される。スイッチ38がグランド側に切り換えられると、電極層20が除電され、これに伴なってガラス基板Gも除電され、上記クーロン力つまり静電吸着力が解除される。
この静電吸着装置では、DC電源34からのDC電圧が、下部誘電体層18および上部誘電体層22により周囲から完全に絶縁分離された電極層20に印加され、サセプタ14に直接印加されることはない。このことにより、サセプタ14とプラズマPZとの間で異常放電が生じ難いのはもちろん、DC電圧を印加される電極層20とプラズマPZとの間でも異常放電は生じない。特に、通孔28の内壁も誘電体層18,22で構成されているため、Heガスの漏洩経路が基板Gと上部誘電体層22との接触面にできたとしても、異常放電は生じない。したがって、DC電圧を高くして静電吸着力を増大させることができる。このため、Heガス供給量を増加させることが可能となり、ガラス基板Gのサイズが大きくても良好かつ均一な基板温度制御を行うことができる。
さらに、この静電吸着装置では、サセプタ14とDC電源34との間に接続された高周波遮断部36により、サセプタ14側の高周波がDC電源34側に漏洩するのを阻止して、DC電源34を高周波から保護することができる。
図3に、本発明の第2の実施例による静電吸着装置の構成を示す。図中、上記した第1の実施例のもの(図1)と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。この第2の実施例では、サセプタ14と下部誘電体層18との間に膜状(たとえば膜厚50μm)の熱応力緩衝材40を設けている。この熱応力緩衝材40もプラズマ溶射法で形成できる。
たとえばプラズマエッチングでは、そのプラズマ処理条件にも依存するが、サセプタ温度を80゜C付近に設定することがある。この場合、静電吸着部24のうち特に誘電体層18,22とサセプタ14間の膨張率の違いから、誘電体層18,22において熱クラックが生じ、絶縁破壊を来すことがある。特に、電極層20に高電圧を印加する場合は、この誘電体層18,22の熱ストレスによる僅かな疲労も絶縁破壊に至るおそれがある。
本発明者は、誘電体層18,22の熱ストレスに起因する絶縁破壊について、誘電体層18,22を構成する絶縁体材およびサセプタ14を構成する導電体材を検討した。その結果、室温〜100゜C間の材質の膨張率の差が最も重要であるが、誘電体層または絶縁体材の靭性(特にせん断応力耐性)も非常に重要になることが判明した。また、サセプタ14の材質としては、高い熱伝導性、低い金属汚染、高い加工性を有するものが好ましく、誘電体層18,22の材質としては、高い絶縁性、高い誘電率、さらにはサセプタ上面との高い密着性を有するものが好ましいことが確認された。
そして、図3に示すように、サセプタ14と下部誘電体層18との界面領域に導電体材である熱応力緩衝材40を介在させることがあらゆる観点から最も有効であることが判明した。この実施例では、サセプタ14の材質をAl金属とし、下部誘電体層18および上部誘電体層22の材質を耐電圧性の高いアルミナ(Al23)または靭性の高いジルコニア(ZrO2)とし、熱応力緩衝材40をNi−5Al合金で構成する。ここで、Ni−5Al合金は、ニッケルとアルミの(原子)混成比が1:5の合金であり、その線膨張係数は、表1に示すように、アルミナあるいはジルコニアの線膨張係数よりも大きく、アルミ金属の線膨張係数よりも小さい。このように、熱応力緩衝材40の材質としては、線膨張係数(膨張率)が誘電体層18,22とサセプタ14の中間の値であり、また誘電体層18,22との密着性が高いものが好ましい。
Figure 0004421874
このように、サセプタ14と下部誘電体層18との間に両者の中間の膨張率を有する熱応力緩衝材40を設けることにより、静電吸着部24の熱ストレス耐性を大幅に向上させ、熱ストレスに起因する誘電体層18,22の絶縁破壊を低減することができる。このことにより、電極層20に対する高電圧のDC印加が高い信頼度で可能となり、高い信頼性の下にガラス基板Gを載置台10上に安定確実に固定保持することができる。
図4に、本発明の第3の実施例による静電吸着装置の構成を示す。図中、上記した第1および第2実施例のもの(図1、図3)と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
本発明の静電吸着装置では、電極層20とサセプタ14が下部誘電体層18を介して容量的に結合している。このため、図5に示すように、DC電源34よりΦP(たとえば5kV)のDC電圧を電極層20に印加すると、容量カップリングによってサセプタ14の電位もΦPに近いΦs0(たとえば4kV付近)に上昇する。この状態でプラズマを着火すると(あるいはプラズマ発生中にDC印加を開始すると)、高電位状態のサセプタ14とプラズマPZとの間でアーク放電が発生するおそれがある。
そこで、この第3の実施例では、抵抗器42を介してサセプタ14をグランドに接地している。上記のような容量カップリングによってDC電圧印加の開始直後にサセプタ14の電位が数kVに上昇しても、抵抗器42を介してサセプタ14の電位を図5のΦs1のように指数関数的に速やかにグランド電位まで下げることができる。これにより、サセプタ14とプラズマPZとの間のアーク放電を防止することができる。一方で、抵抗器42は、高周波電源32よりサセプタ14に印加されている高周波を実質的に遮断できる高い抵抗値R42を有する必要がある。この抵抗器42において、高周波遮断機能と上記のような直流電位クランプ機能とを両立させるための抵抗値R42の最適な範囲は1MΩ〜10MΩである。
次に、本発明の静電吸着装置を備えたプラズマ処理装置の実施例を説明する。図6に、一実施例による誘導結合プラズマ(ICP)エッチング装置の構成を示す。このプラズマエッチング装置は、低圧で高密度のプラズマ生成を可能にし、たとえばLCDの製造においてガラス基板上に薄膜トランジスタ(TFT)を形成する際に、メタル膜、ITO膜、酸化膜等を高速にエッチングするために用いられる。図中、上記した第1〜第3実施例のもの(図1〜図4)と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
このプラズマエッチング装置は、導電体材たとえば内壁面がアルマイト処理(陽極酸化処理)されたアルミニウムからなる角筒形状で気密な本体容器50を有している。この本体容器50はグランドに接地されている。本体容器50の内部は、水平に延在する誘電体壁52により上部のアンテナ室54と下部の処理室56とに区画されている。誘電体壁52は、Al23等のセラミックスあるいは石英等からなり、処理室56側の天井壁を構成している。アンテナ室54の側壁54aと処理室56の側壁56aとの間には内側に突出する支持棚58が設けられており、この支持棚58の上に誘電体壁52がシール部材(図示せず)を介して取付され、ビス(図示せず)によって固定される。
誘電体壁52は組み立て構造となっており、その下面の略全面がセラミックス、石英等の誘電体で構成されたカバー部材60で覆われており、その内部には処理ガス供給用のシャワーヘッド62が設けられている。このシャワーヘッド62は、たとえば内面がアルマイト処理されたアルミニウムで構成されている。このシャワーヘッド62内には水平に広がって延びるガス流路またはバッファ室64が形成されている。そして、このバッファ室64には、下方に向かって延び、カバー部材60を経て開口する複数のガス吐出孔64aが連通している。一方、誘電体壁52の上面中央には、バッファ室64に連通するガス供給管66が取り付けられている。ガス供給管66は、本体容器50の天井からその外側へ貫通し、処理ガス供給源およびバルブシステム等を含む処理ガス供給系68に接続されている。プラズマエッチング中は、処理ガス供給系68からの処理ガスがガス供給管66を介してシャワーヘッド64内に導入され、その下面のガス供給孔64aから処理室56内へ吐出されるようになっている。
アンテナ室54内には、誘電体壁52の上に、略角形渦巻き状に巻かれた平面型のコイルアンテナからなる高周波アンテナ70が配設されている。この高周波アンテナ70の渦巻き中心端部は、本体容器50の天井から外へ導出され、整合器72を介して高周波電源74の出力端子に電気的に接続されている。一方、渦巻きの外側端部は本体容器52に電気的に接続され、本体容器52を介してグランドに接地されている。
プラズマエッチング中は、高周波電源74より所定の周波数たとえば13.56MHzの高周波電力が整合器72を介して高周波アンテナ70に供給されることにより、高周波アンテナ30と平行な交番電界が処理室56内に形成され、この交番電界によりシャワーヘッド64から処理室56内に供給された処理ガスがプラズマ化される。高周波電源74の出力パワーは、プラズマを発生させるのに十分な値になるように適宜設定されてよい。
処理室56内の下方には、誘電体壁52を挟んで高周波アンテナ70と対向するように、本発明による静電吸着装置の載置台10が設置される。このプラズマエッチング装置では、載置台10が絶縁体からなるトレイ76に収納され、さらに中空の支柱78に支持される。支柱78は本体容器50の底部を気密状態を維持しつつ貫通し、本体容器50の外に配設された昇降機構(図示せず)に支持されている。基板Gの搬入出時には、該昇降機構の駆動により載置台10を上下方向に移動させるようにしている。トレイ76と本体容器50の底板部との間には、支柱78を気密に包囲するベローズ80が設けられており、載置台10の上下動によっても処理室56内の気密性が保たれるようになっている。また、処理室56の側壁56aには基板搬入出口を開閉するためのゲートバルブ82が設けられている。
載置台10のベース部材12はアルミニウム、ステンレス等の導電体材で構成され、このベース部材12に高周波電源32が整合器30および給電棒を介して電気的に接続されている。プラズマエッチング中に、高周波電源32よりたとえば3.2MHzのバイアス用高周波がベース部材12を介してサセプタ14に印加され、処理室56内に生成されたプラズマ中のイオンが効果的に載置台10上のガラス基板Gに引き込まれる。ここで、高周波電源32より供給する高周波電力は、通常は上部高周波電源74より供給されるプラズマ生成用の高周波電力よりも低い値に設定される。
載置台10の各部に対する配管や配線は、いずれも中空の支柱78内を通って本体容器50の外へ引き出され、各種用力源あるいは各種用力/制御機器に接続されている。Heガス供給系84より送出されるHeガスは、PCV(Pressure Control Valve )86で圧力調整されてから載置台10の通孔28に送られる。PCV86に取り付けられている流量計測器88は、通孔28側へ供給されるHeガスの流量を検出するもので、後述する静電吸着時におけるHeガスの漏洩流量をモニタリングするために用いられる。流量計測器88で得られたガス流量測定値は制御部90に与えられる。
処理室56の底部に設けられた排気口には、排気管92および真空ポンプ(図示せず)を含む排気機構94が接続される。この排気機構94により処理室56の室内が排気され、プラズマ処理中に処理室56内が所定の真空雰囲気(たとえば10mTorr=約1.33Pa)に維持される。制御部90は、マイクロコンピュータで構成されてよく、このプラズマエッチング装置の各部すなわち高周波電源32,74、スイッチ38、処理ガス供給系68、Heガス供給系84、排気機構94等を個別に制御するとともに、装置全体の動作シーケンスを制御する。
このプラズマエッチング装置においては、ガラス基板Gが大型のものであっても、本発明の静電吸着装置が該基板Gを安定確実に保持するので、基板各部の温度を均一に制御して基板上に面内均一なプラズマエッチングを施すことができる。
次に、このプラズマエッチング装置に組み込まれている静電吸着装置の好ましい形態について説明する。
図7に、載置台10上のガラス基板Gに対する伝熱用Heガスの基板冷却効果を調べた実験の結果を示す。この実験では、Heガスの供給圧力を変化させ、基板上の異なる位置に設定した計測ポイントの温度を熱電対を用いて測定した。代表的な計測ポイントとして、「センター」は基板中心部であり、「エッジ」は基板端部である。主な条件は下記のとおりである。
基板サイズ(対角線寸法)=500mm
基板の板厚=0.7mm
チャンバ内の圧力=30mTorr
処理ガス=O2
高周波電力(13.56MHz/3.2MHz)=5000W/3000W
DC電圧=2500V
時間=180秒
プラズマエッチング中に、ガラス基板Gの温度はプラズマからの入熱で上昇するが、サセプタ14側から基板裏面にHeガスを当てることで基板温度を一定値まで下げ、かつ基板面内の温度を均一に維持することができる。図7からわかるように、Heガス圧力が0〜2Torrでは圧力増加と共にその冷却効果も増大して基板温度は低下するが、2Torr以上(特に3Torr以上)になると冷却効果に飽和が見られてくる。このことから、このプラズマエッチング装置に用いる伝熱用のHeガス圧力は2Torr以上とするのが好ましい。一方で、Heガス圧力は絶縁基板の裏面に作用し、載置台から絶縁基板を脱離させたり載置ズレを引き起こす方向に働くために、必要以上のHeガス圧力は好ましくない。このことから、Heガス圧力は10Torr程度を上限とするのが好ましい。
図8に、電極層20に印加するDC電圧とガラス基板Gに対する吸着圧力(静電吸着力)との関係を示す。図示のように、吸着圧力はDC印加電圧の2乗に比例して増大する。図7で説明したように、基板冷却効果の観点から、Heガス圧力は5Torr程度で十分と考えられる。このことは、Heガス圧力に抗して基板を固定保持しておくための吸着圧力は5Torrで十分であることを意味する。図9に、5Torrの吸着圧力を得るために必要な絶縁膜厚と印加電圧の関係を特性曲線(直線)Aで示すとともに、絶縁膜自体の絶縁破壊電圧を特性曲線(直線)Bで示す。図中の斜線部分の領域(AとBで囲まれた領域)が実現可能な絶縁膜厚と印加電圧の組み合わせとなる。これにより、絶縁膜厚400μm、印加電圧は約5kV程度とするのが好ましいといえる。
図9では誘電体層18,22の材質としてアルミナ膜について説明しているが、溶射法で成膜したジルコニア膜についても検討し充分に使用できることを確認している。上述したようにジルコニアは靭性が高く特に熱ストレスに強いために、静電吸着部の信頼性を高くするのに適している。また、ジルコニアはアルミナと同様にプラズマ耐性に優れており、しかもその比誘電率は20〜30とアルミナ膜(10)の2倍以上になる。通常、吸着力(吸着圧力)は誘電体層の比誘電率の2乗に比例して増大することから、将来的にはアルミナより有望なセラミックスともいえる。もっとも、ジルコニアは、膜中のリーク電流(ホッピング電流)がアルミナ膜より高く、リーク電流を抑えて図9の信頼性保障を確保するためには、その膜厚を厚くしなければならないという側面はある。なお、吸着圧力は膜厚の2乗に反比例して減少する。要するに、アルミナ膜は耐電圧性や薄膜化の面で優れており、ジルコニア膜は靭性ないし耐クラック性で優れており、どちらも誘電体層18,22の材質として好適に使用できる。なお、誘電体層18,22を構成するセラミックス材料においてアルミナ(Al23)とジルコニア(ZrO2)とを混在させるときは、その成分比を約50%:50%とするのが好ましい。
このように、本発明におけるような溶射法で成膜した誘電体層は、通常のセラミックス焼結体の絶縁体層よりもその絶縁性が優れている。また、溶射法は大面積の部材表面でも容易に誘電体膜を形成できるという利点があり、大型基板向けの載置台に有利に適用できる。
次に、図10および図11につき、この実施例のプラズマエッチング装置における特徴的な動作を説明する。
図10に、このプラズマエッチング装置における載置台10回りの要部の等価回路を示す。この等価回路において、SW1は切換スイッチ38、SW2は高周波電源32のオン/オフ・スイッチ、R36,R42はそれぞれ高周波遮断部36,抵抗器42の抵抗、C18は下部誘電体層18の容量(キャパシタンス)、CG,22はガラス基板Gと上部誘電体層22との直列容量、ZPはプラズマのインピーダンスである。また、ノードN20,N14はそれぞれ電極層20,サセプタ14に対応している。図11に、このプラズマエッチング装置におけるプラズマエッチング処理の開始直後の動作シーケンスを示す。この動作シーケンスは制御部90の制御の下で実行される。
先ず、処理ガス供給系68を作動させ、処理ガスをシャワーヘッド62を通して処理室56内に導入する。これと前後して、スイッチSW1(38)をDC電源34に切り換える。これにより、DC電源34からのDC電圧が抵抗R36を介してノードN20(電極層20)に印加される。このノード 20の電位は、おおよそ時定数C18×(R36+R42)で図5のΦPのように上昇する。このDC電圧印加によってガラス基板Gの上面に電荷が蓄積し、この面電荷と載置台10側の電極層20との間に働く静電引力(クーロン力)によってガラス基板Gが載置台10(より正確には上部誘電体層22)上に固定保持される。一方、上記のようにしてノード 20の電位が上昇すると、キャパシタC18を介したカップリングによりノードN14(サセプタ14)の電位も吊られるようにして上昇する。しかし、ノードN14は抵抗R42を介してグランドに接地されているので、ノードN14の電位はおおよそ時定数C18×(R36+R42)で図5のΦs1のように指数関数的に速やかにグランド電位付近まで下がる。
上記のようにスイッチSW1(38)をDC電源34に切り換えてから所定時間後に、Heガス供給系84を作動させて、載置台10上の基板GにHeガスを供給する。なお、サセプタ14の冷媒流路26にはプラズマ処理を開始する前から冷却媒体が供給されている。このHeガスの供給を開始するに際しては、処理時の設定値(たとえば4Torr)よりも低い供給圧力(たとえば1.5Torr)を選択する。そして、その時のHeガス流量を流量計測器88および制御部90でモニタリングする。モニタ値(He流量測定値)が基準値以下になっているときは、載置台10におけるHeガスの漏れ量が許容範囲内であると判定して、スイッチSW2をオンにして高周波電力を投入し、プラズマを着火(SW3オン)させる。そして、Heガス流量を本来の設定値(定常値)まで増大させ、所期のプラズマエッチングを実行する。しかし、図11の点線で示すようにモニタ値(Heガス流量測定値)が基準値を越えているときは、載置台10におけるHeガスの漏れ量が許容範囲を超えていると判定して、スイッチSW2,SW3をオンにすることなく、この時点で、つまりプラズマを発生させることなく処理を中断または中止する。
このようにHeガスの供給を開始した当初から相当のガス漏れが発生する原因としては、載置台10上でガラス基板Gに設定通りの十分な静電吸着力が作用していない場合や、ガラス基板Gの端部が欠けている場合や、ガラス基板Gの載置位置がずれている場合等が考えられる。いずれにしても、このようなトラブルを抱えたままプラズマを発生させると、その時点で異常放電が生じて電極破損となることがある。この実施例では、プラズマの発生前にそのようなトラブルをHeガス漏れ流量のモニタリングによって早期に検出できるので、異常放電を未然に防ぐことができる。
この実施例の動作シーケンスにおいて、先ず処理ガスを処理室56内に導入してからガラス基板GにHeガス圧力を加える手順は重要である。すなわち、処理ガスの導入によりその一部が電離することでガラス基板G上面が適度に帯電し、適度な静電吸着力が得られる。これに対して、処理ガスを導入せず処理室56内を高真空にしたままHeガス圧力を加える手順においては、ガラス基板Gに与えられる静電吸着力が非常に弱く、低いHeガス圧力でもガラス基板Gが載置台10上で脱離したり位置ズレを起こす可能性がある。なお、処理ガスの種類や流量の違いで処理ガス導入時の静電吸着力が変わることもある。処理ガス導入のみで十分大きな(たとえば2Torr以上の)静電吸着力が得られる場合は、Heガスを最初から本来の設定流量で供給するようにしてもよい。
なお、処理ガスを導入するタイミングとスイッチSW1をオンにするタイミングの順序については、SW1のオンを先にして処理ガスの導入を後にしても上記と同様の効果が得られる。
図12に、本発明の静電吸着装置を備えたプラズマ処理装置の別の例として容量結合型プラズマ(CCP)エッチング装置の構成を示す。図中、上記第4の実施例におけるプラズマエッチング装置のもの(図6)と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
このプラズマエッチング装置は、たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる角筒形状に成形されたチャンバ(処理容器)100を有している。このチャンバ100内の底部には本発明による静電吸着装置の載置台10が設置されている。ここで、載置台10のベース部材12は絶縁体材で構成され、下部電極を構成するサセプタ14はチャンバ100から絶縁分離されている。
載置台10の上方には、サセプタ14と平行に対向するように、上部電極として機能するシャワーヘッド102が設けられている。シャワーヘッド102はチャンバ100の上部に支持されており、内部にバッファ室104を有するとともに、サセプタ14と対向する下面には処理ガスを吐出する多数の吐出孔106が形成されている。このシャワーヘッド102はグランドに接地されており、サセプタ14とともに一対の平行平板電極を構成している。
シャワーヘッド102の上面にはガス導入口108が設けられ、処理ガス供給系68からの処理ガスはガス導入口108を通ってシャワーヘッド102のバッファ室104に導入される。処理ガス(エッチングガス)としては、ハロゲン系のガス、O2ガス、Arガス等、通常この分野で用いられるガスを用いることができる。高周波電源32よりサセプタ14に印加される高周波は、比較的高い周波数たとえば13.56MHzに選ばれ、プラズマ生成用とバイアス用とに兼用される。このCCPエッチング装置においても、上記したICPエッチング装置におけるのと同様に本発明の効果が得られる。
上記した実施例のプラズマ処理装置はエッチング装置に係わるものであったが、絶縁体膜、導電体膜あるいは半導体膜等のプラズマCVD、絶縁基板表面のプラズマ洗浄、チャンバ内壁のプラズマクリーニング等のアプリケーションでも同様に適用できる。この場合に、静電吸着装置のサセプタ側を接地する方式でも本発明は同様に適用可能である。また、本発明は、プラズマ生成としてヘリコン波プラズマ生成、ECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマ生成を用いたプラズマ処理装置等にも適用可能である。本発明における伝熱ガス漏れ流量のモニタリング機能およびこのモニタリング機能に基づいた異常検出機能ないし動作シーケンス機能は、上記のように本発明の静電吸着装置を備えるプラズマ処理装置に好適に適用できるが、伝熱ガスを用いる任意の静電吸着装置を備えるプラズマ処理装置に適用可能である。
他にも、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。たとえば、本発明の静電吸着装置における電極層(22)に負のDC電圧を印加する方式や、サセプタ14内に加熱機構を設ける構成等も可能である。下部誘電体層18と上部誘電体層22とで異なる絶縁体材を使用することも可能である。本明における絶縁体の被処理基板はLCDガラス基板に限定されることなく、FPD用の任意の絶縁基板や他の用途の絶縁基板にも適用可能である。
本発明の第1の実施例における静電吸着装置の構成を示す略断面図である。 実施例の静電吸着装置における載置台の要部の構成を示す略平面図である。 第2の実施例における静電吸着装置の略断面図である。 第3の実施例における静電吸着装置の略断面図である。 本発明の静電吸着装置におけるDC電圧印加時のサセプタ電位の変化を模式的に示す図である。 第4の実施例におけるプラズマ処理装置の構成を示す略断面図である。 本発明の静電吸着装置におけるHeガスの基板冷却効果を示す一実験例のグラフである。 本発明の静電吸着装置における吸着力と印加電圧との関係を示すグラフである。 本発明の静電吸着装置に用いる誘電体層の好ましい膜厚を示すためのグラフである。 実施例のプラズマ処理装置の要部の等価回路を示す回路図である。 実施例のプラズマ処理装置における動作シーケンスを示すタイムシーケンスである。 第2の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す略断面図である。 一従来例の静電吸着装置の構成を示す略断面図である。 別の従来例の静電吸着装置の構成を示す略断面図である。
符号の説明
G ガラス絶縁基板
10 載置台
12 ベース部材
14 サセプタ
16 フォーカスリング
18 下部誘電体層
20 電極層
22 上部誘電体層
24 静電吸着部
26 冷媒流路
28 通孔
30 整合器
32 高周波電源
34 DC(直流)電源
36 高周波遮断部
38 スイッチ
40 熱応力緩衝部材
42 抵抗器
50 本体容器
52 誘電体壁
56 処理室
64 シャワーヘッド
70 高周波アンテナ
74 高周波電源
84 Heガス供給系
86 PCV
88 流量計測器
90 制御部
94 排気機構
100 チャンバ
102 シャワーヘッド

Claims (4)

  1. 絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置であって、
    前記プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、
    前記処理容器内で前記基板を載置するための載置台と、
    前記載置台上に前記基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、
    前記載置台上の前記基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、
    前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている前記基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部と、
    前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をモニタリングする伝熱ガス流量モニタ部と、
    前記伝熱ガス流量の測定値を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御するシーケンス制御部と
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記シーケンス制御部による前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量と前記基準値との比較は、前記伝熱ガスの供給圧力前記プラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行われることを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理装置。
  3. プラズマ処理のための処理空間を与える処理容器と、前記処理容器内で基板を載置するための載置台と、前記載置台上に基板を静電的な吸着力で固定保持するための静電吸着部と、前記載置台上の基板を基板裏面側から冷却または加熱するための温度制御機構と、前記処理室に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理室への処理ガスの導入が開始された後に、前記静電吸着装置の上に載置されている基板の裏面に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部とを用いて、絶縁体からなる被処理基板に所望のプラズマ処理を施すためのプラズマ処理方法であって、
    前記伝熱ガス供給部から前記基板の裏面へ供給される前記伝熱ガスの供給流量をガス流量モニタ部でモニタリングし、
    前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量を所定の基準値と比較し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値以下のときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成して前記基板に対するプラズマ処理を実行し、前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量が前記基準値を超えるときは、前記処理室内に前記処理ガスのプラズマを生成させることなく前記基板に対するプラズマ処理を中止するように各部を制御する、プラズマ処理方法。
  4. 前記伝熱ガス流量モニタ部にてモニタリングされた前記伝熱ガスの供給流量と前記基準値との比較は、前記伝熱ガスの供給圧力を前記プラズマ処理時の設定圧力より低い圧力にして行うことを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理方法。
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