JP5048346B2

JP5048346B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP5048346B2
Application number: JP2007006682A
Authority: JP
Inventors: 日出夫竹井; 暁石橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: JP2008177194A

Description

本発明は真空処理装置の技術分野に係り、特に、大型基板を真空処理するのに適した電極装置を有する真空処理装置に関する。

電子部品や表示装置等を製造する工程では、真空技術は重要であり、特に、その工程中、ＣＶＤ、エッチング、スパッタリング等では、処理対象物を電極装置上に配置して交流電圧を印加し、正電荷のイオンを処理対象物に入射させ、ＣＶＤやエッチング等の反応を補助させている。

しかしながら処理対象物が大型化すると、周辺と中央とでは交流電圧の効果が一定ではなく、真空処理の結果が不均一となってしまう。
特に、近年では、約１．５ｍ×２ｍ以上の大型基板も珍しくなく、成膜対象物表面への投入電力密度を、０．２Ｗ／ｃｍ²以上にしようとすると、６ｋＷ以上の電源が必要となる。

この状況では１０ｋＶ〜１４ｋＶのピーク電圧が生じ、絶縁箇所ではコロナ放電が生じたり、電極とアースとの間の距離が１５ｍｍ以下の箇所ではアーク放電が発生する虞がある。またマッチング回路に用いられている真空コンデンサーの定格の耐電圧に近い。

本発明に用いるプラズマ放出源（ＭＣＰＳ、マルチコアキシャルプラズマソース）を含め、一般的なプラズマ放出源の比較を下記表１に記載する。

上記表１中のＲＩＥは反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ）であり、ＥＣＲは電子サイクロトロン共鳴（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）であり、ＩＣＰ／ＴＣＰは誘導結合方式（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＣｏｕｐｌｉｎｇＰｌａｓｍａ／ＴｒａｎｓｆｅｒＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）であり、Ｈｅｌｉｃｏｎはヘリコン波プラズマ装置であり、ＳＷＰは表面波プラズマ装置（ＳｕｒｆａｃｅＷａｖｅＰｌａｓｍａ）である。

更に、ＭＣＰＳの各エッチング材料に対するエッチング特性を下記表２に示す。

上記表２中「形状」はエッチングにより形成された壁面角度を示している。また、選択比は、各材料のエッチング速度をカッコ内で示した材料のエッチング速度で除した値である。
処理対象物が通常のガラス基板の場合、一辺が１．５ｍの正方形程度の大きさまでは、上記表２に示したようなエッチング特性でエッチングされた。

しかし、基板電極の表面を覆う絶縁部材の厚さが５ｍｍの場合、一辺が１．５ｍの正方形よりも大きいガラス基板（厚さ１．１ｍｍ）に対しては、上述したようにコロナ放電やアーク放電が生じ、基板電極に交流電圧が正常に印加できなくなった。
尚、ＭＣＰＳは下記特許文献１に記載されている。
特開２００４−１８６５３２号公報

本発明は、大型基板を処理可能な真空処理装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、プラズマ放出源と、前記真空槽内に配置された電極装置とを有し、前記プラズマ放出源からプラズマを放出させ、前記電極装置上に配置された処理対象物表面の真空処理を行なう真空処理装置であって、前記電極装置は、同一高さに配置された複数の基板電極を有し、前記各基板電極の間と表面は誘電体で覆われ、前記各基板電極には、バイアス電源から、それぞれ異なる位相の交流電圧が印加されるように構成され、前記プラズマ放出源は、前記真空槽と電気的に接続された電極板と、前記電極板に設けられた複数のプラズマ生成孔と、前記各プラズマ生成孔内にそれぞれ配置された棒状電極と、前記棒状電極に接続され、前記交流電圧よりも周波数が高い高周波電圧を出力する高周波電源と、前記プラズマ生成孔と前記電極装置の間に配置され、前記電極板と同電位にされた網状電極と、前記プラズマ生成孔に接続されたガス供給系とを有し、一枚の前記処理対象物は、前記各基板電極上に乗せられて、前記各基板電極に前記交流電圧が印加されるように構成された真空処理装置である。

ピーク電流が減るので、バイアス電源やプラズマ生成電源の出力電圧を低くでき、コロナ放電やアーク放電が発生する虞が無くなる。大型基板に分割して電圧を印加できるので、周辺と内側の分布が改善する。

図１の符号１は、本発明の一例の真空処理装置を示している。
この真空処理装置１は、真空槽２を有している。真空槽２の天井にはプラズマ放出源１０が配置されている。
このプラズマ放出源１０は、真空槽２の天井の一部を構成し、真空槽２の壁面と電気的に接続された電極板６を有している。

電極板６には複数のプラズマ生成孔９が形成されており、各プラズマ生成孔９内には、棒状電極１１がそれぞれ配置されている。各プラズマ生成孔９は円筒形、棒状電極１１は円柱状であり、棒状電極１１の中心軸線とプラズマ生成孔９の中心軸線とが一致するようにされており、各プラズマ生成孔９は同じ内径であり、各棒状電極１１は同じ直径であり、従って、棒状電極１１側面とプラズマ生成孔９の内周面とが、各同じ距離だけ離間されている。棒状電極１１と電極板６とは、誘電体(絶縁物)１４によって絶縁されている。各棒状電極１１は、プラズマ生成電源５に接続されており、このプラズマ生成電源５により、各棒状電極１１には、同じ大きさ、同じ周波数、同位相の高周波電圧が印加されるように構成されている。

真空槽２の底壁には、電極装置２０が配置されている。
電極装置２０は、複数の基板電極２１ａ〜２１ｄを有している。ここでは、図２に示すように、四枚の基板電極２１ａ〜２１ｄが、同一平面上に二行二列で配置されている。各基板電極２１ａ〜２１ｄ同士は所定間隔離間されており、基板電極２１ａ〜２１ｄの間と基板電極２１ａ〜２１ｄの表面は絶縁部材２６によって覆われている。ここでは、基板電極２１ａ〜２１ｄは３ｍｍ間隔に配置されている。

基板電極２１ａ〜２１ｄは銅板などの金属製であり、絶縁部材２６は、アルミナ、石英ガラス、無アルカリガラス等の無機セラミックス材料の他、エポキシ樹脂やテフロン（テフロンは登録商標です）樹脂などの有機樹脂を用いることができる。

電極装置２０とプラズマ生成孔９の間のプラズマ生成孔９に近い位置には、網状電極１５が配置されている。網状電極１５は、棒状電極１１とは非接触であり、真空槽２とは電気的に接続されている。

真空槽２の外部には、バイアス電源３０が配置されている。
バイアス電源３０には、それぞれ基板電極２１ａ〜２１ｄと同数の、マッチングボックス３６ａ〜３６ｄと個別電源３１ａ〜３１ｄとが設けられている。
基板電極２１ａ〜２１ｄは、マッチングボックス３６ａ〜３６ｄを介して、個別電源３１ａ〜３１ｄにそれぞれ接続されている。

また、バイアス電源３０には制御装置３５が設けられており、各個別電源３１ａ〜３１ｄは制御装置３５に接続され、出力電圧と周波数と位相がそれぞれ制御されるように構成されている。

本発明では、各基板電極２１ａ〜２１ｄに、同じ大きさで同じ周波数であるが、位相が異なる交流電圧を印加するように制御される。
この実施例では、基板電極２１ａ〜２１ｄの枚数が四枚であり、０、π／４、π／２、(３π)／４の位相の電圧が印加される。

真空槽２には真空排気系８が接続されており、その真空排気系８によって真空槽２内を真空排気し、真空槽２内に処理対象物を搬入し、電極装置２０上に配置する。図１の符号７はその状態の処理対象物を示している。

各プラズマ生成孔９は、ガス供給源１８にそれぞれ接続されており、真空槽２と網状電極１５を接地電位に接続した状態でプラズマ生成電源５を起動し、各プラズマ生成孔９内の棒状電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加しながら各プラズマ生成孔９内にプラズマガスを導入すると、プラズマ生成孔９の壁面と棒状電極１１の側面との間に放電が生じ、各プラズマ生成孔９の内部で導入したプラズマガスのプラズマが生成され、網状電極１５を通過して処理対象物７に照射される。

このとき、バイアス電源３０を起動しておき、各基板電極２１ａ〜２１ｄに、棒状電極１１に印加される高周波電圧よりも低周波の交流電圧をそれぞれ印加する。ここでは、１ＭＨｚ〜２７ＭＨｚ程度の周波数である。
各棒状電極１１には、同じ大きさで、同位相、同周波数の高周波電圧が印加される。

図２の符号Ａは、処理対象物７の縁を示しており、処理対象物７は、各基板電極２１ａ〜２１ｄ上の部分毎に、各基板電極２１ａ〜２１ｄと同位相の電圧が印加される。従って、処理対象物７全体に流れる電流は、分割された電極の数だけ電流が分散されるので局所的なプラズマの電流集中が防止できアンバランシー状態のサージ電流がなくなるので安定したプラズマが生成される。

棒状電極１１と電極装置２０の間には網状電極１５が配置されており、棒状電極１１に印加される高周波電圧は基板電極２１ａ〜２１ｄに影響を与えない。
各基板電極２１ａ〜２１ｄによって処理対象物７に負電圧が印加されたときに、プラズマ中の正電荷を有するプラズマ生成ガスのイオン(陽イオン)が処理対象物７に引き付けられ、処理対象物７表面に入射すると、処理対象物７表面の薄膜がエッチングされる。

基板電極２１ａ〜２１ｄの間隔は３ｍｍ程度と短いので、基板電極２１ａ〜２１ｄと基板電極２１ａ〜２１ｄの間の位置上の処理対象物７表面のエッチング速度と、基板電極２１ａ〜２１ｄ上の処理対象物７表面のエッチング速度は同程度であり、エッチングの面内均一性は高い。

また、プラズマ生成ガスとは別に、原料ガスをプラズマ生成孔９内に導入し、原料ガスプラズマを発生させると、処理対象物７表面に薄膜を形成することができる。
この場合、プラズマ中の正電荷を有する原料ガスのイオンが、基板電極２１ａ〜２１ｄ毎に異なる位相で処理対象物７に引き付けられるから、バイアス電源３０のピーク電流が小さくて済む。

また、大面積の処理対象物７にも、面内膜厚分布の均一性が高い薄膜が成長される。
なお、上記実施例では、基板電極２１ａ〜２１ｄを二行二列に配置したが、本発明はそれに限定されるものではなく、三行三列以上の行列数に配置しても良い。

また、行列状に配置する場合にも限定されるものでもなく、例えば、図３に示すように、基板電極２１ｅ〜２１ｇを一行三列のように配置してもよい。

また、本発明はエッチング装置や成膜装置(ＣＶＤ装置)に限定されるものではなく、プラズマ放出源１０に替え、スパッタリングターゲットを配置し、真空槽内にプラズマ生成ガスを導入し、各基板電極２１ａ〜２１ｇに位相が異なる交流電圧を印加しながらプラズマ生成ガスのプラズマを生成し、スパッタリングターゲットをスパッタリングして処理対象物表面に薄膜を形成することができる。

また、上記実施例では、基板電極２１ａ〜２１ｇを金属製の板で構成したが、誘電体の板上に金属膜を成膜して基板電極２１ａ〜２１ｇとしてもよい。この場合、金属膜を所望の平面形状にパターニングし、エッチング分布や膜厚分布を改善することができる。

いずれにしろ、基板電極２１ａ〜２１ｇは５μ・Ωｃｍ以下であって、１００μｍ以上の厚みのものが実用的である。
各基板電極２１ａ〜２１ｇの大きさは特に限定されないが、１つの基板電極２１ａ〜２１ｇの面積は２５０００ｃｍ²以下であることが好ましい。
基板電極２１ａ〜２１ｇと基板電極２１ａ〜２１ｇの間の間隔は、３ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲が望ましく、誘電体で充填されている必要がある。
基板電極２１ａ〜２１ｇと基板電極２１ａ〜２１ｇの間の間隔は、基板電極２１ａ〜２１ｇ上の誘電体の厚みの２／３以下であることが望ましい。

基板電極２１ａ〜２１ｇは、互いに絶縁されていれば重なり合ってもよい。例えば、基板電極２１ａ〜２１ｇが高さが異なる平面内にあり、下方の基板電極２１ａ〜２１ｇの裏面と上方の基板電極２１ａ〜２１ｇの表面が離間していれば、基板電極２１ａ〜２１ｇ同士が重なり合っていても互いに絶縁される。
基板電極２１ａ〜２１ｇが互いにな重なり合う場合、その重なりは２０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは５ｍｍ以下である。

大面積ガラス基板（一辺２００ｃｍの正方形、厚さ１．１ｍｍ）の表面にＳｉ膜とＳｉＯ₂膜がそれぞれ形成された２種類の処理対象物７を用意し、上記図１に示した真空処理装置１を用いて、下記に示すエッチング条件でＳｉ膜とＳｉＯ₂膜のエッチングを行い、エッチングレート（エッチング速度）を測定した。

＜エッチング条件（Ｓｉ、ＳｉＯ₂共通）＞
プラズマガス：ＣＦ₄、Ｏ₂
棒状電極１１：４個（ローパスフィルタを通して位相を同期させる）
投入電力（棒状電極１１）：２０ｋＷ（四分割投入）
基板電極２１ａ〜２１ｄ：一辺１００ｃｍの正方形
投入電力（基板電極２１ａ〜２１ｄ）：５ｋＷ（ＨＤＰ換算値５ｋＷ／％ＫＷ）
エッチング時の真空槽の内部圧力：１３Ｐａ
エッチングレートの測定箇所を図４に示し、各測定箇所でのエッチングレートをグラフ化したものを図５に示す。

図５の縦軸はエッチングレートを、横軸は図４中の１〜７の数値で示した測定箇所を示している。図５から分かるように、エッチング対象がＳｉ膜とＳｉＯ₂膜のいずれの場合でもエッチングレートのばらつきが小さく、エッチングの後の膜厚分布は、Ｓｉ膜が±５．１％（平均レート：４６７ｎｍ／分）、ＳｉＯ₂膜が±４．１％（平均レート：３７５ｎｍ／分）と均一であった。

以上のことから、基板電極２１ａ〜２１ｄを複数配置した電極装置２０を用いれば、処理対象物７の中央と周辺で均一にエッチングが行われることが分かる。

本発明の真空処理装置の一例を示す断面図基板電極の配置の一例を説明する平面図基板電極の配置の他の例を説明する平面図エッチングレートの測定箇所を説明する平面図エッチングレートと測定箇所との関係を示すグラフ

符号の説明

２……真空槽７……処理対象物２０……電極装置２１ａ〜２１ｇ……基板電極２６……絶縁部材３０……バイアス電源

Claims

真空槽と、
プラズマ放出源と、
前記真空槽内に配置された電極装置とを有し、
前記プラズマ放出源からプラズマを放出させ、前記電極装置上に配置された処理対象物表面の真空処理を行なう真空処理装置であって、
前記電極装置は、同一高さに配置された複数の基板電極を有し、
前記各基板電極の間と表面は誘電体で覆われ、
前記各基板電極には、バイアス電源から、それぞれ異なる位相の交流電圧が印加されるように構成され、
前記プラズマ放出源は、前記真空槽と電気的に接続された電極板と、
前記電極板に設けられた複数のプラズマ生成孔と、
前記各プラズマ生成孔内にそれぞれ配置された棒状電極と、
前記棒状電極に接続され、前記交流電圧よりも周波数が高い高周波電圧を出力する高周波電源と、
前記プラズマ生成孔と前記電極装置の間に配置され、前記電極板と同電位にされた網状電極と、
前記プラズマ生成孔に接続されたガス供給系とを有し、
一枚の前記処理対象物は、前記各基板電極上に乗せられて、前記各基板電極に前記交流電圧が印加されるように構成された真空処理装置。