JP2014070275A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で可及的速やかにステージに静電吸着されている処理対象物を脱離できるようにしたプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】本発明では、真空処理室１ａ内で、金属製の基台５１表面に装着された静電チャックのチャックプレート５２に処理対象物Ｗを静電吸着させ、真空引きされたこの真空処理室内にプラズマ励起用のガスを導入し、この真空処理室内に設けた電極２に電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、処理対象物Ｗに対してプラズマ処理を行う。基台の電位をフローティングとし、プラズマ処理中の一定期間、基台に正の電位を印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関し、より詳しくは、プラズマ処理の際、金属製の基台表面に装着されるプレートに処理対象物が静電吸着している場合に、簡単な構成で可及的速やかにプラズマ処理後にプレートから処理対象物を脱離できるようにしたものに関する。

半導体製造工程において所望のデバイス構造を得るために、シリコンウエハ等の処理対象物に対して、スパッタリング法及びプラズマＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの各種のプラズマ処理が行われ、これらのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置では、真空雰囲気中の真空処理室にて処理対象物を位置決め保持するために、静電チャック付きステージが設けられている。この場合、ステージは、例えば金属製の基台とその表面に装着された窒化アルミニウムのセラミックスプレート（チャックプレート）とを有し、このチャックプレートに正負の電極を埋設してチャックプレート表面に処理対象物を静電吸着する静電チャックとして構成されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、チャック電源からチャックプレートの電極に電圧印加して処理対象物を静電吸着した状態で所望のプラズマ処理を施した後、吸着状態の処理対象物をチャックプレートから脱離するのに際しては、電極への電圧印加を停止する。このとき、処理対象物をチャックプレートから可及的速やかに脱離可能な状態におくために、プラズマ処理により処理対象物に帯電した電荷を積極的に除電することが望ましい。従来、このような除電方法としてガス除電方法などがある。例えば、特許文献２には、処理対象物に向けて伝熱ガスを噴出する伝熱ガス供給部を設け、この伝熱ガス供給部から、処理対象物に向けてイオン化ガスを供給することが開示されている。

然しながら、特許文献２の如く、プラズマ処理終了後、イオン化ガスを供給する工程を設けて処理対象物を除電するのでは、当該工程だけ処理時間が長くなり、スループットを向上させることにとって障害となる。しかも、処理対象物に向けてイオン化ガスを供給する部品を設けるため、装置構成が複雑になり、その上、そのような部品は高価であるため、装置のコストアップを招来する。

特開２００８−２７７５４５号公報 特開２０１０−１９９２３９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成で静電吸着した処理対象物を可及的速やかに脱離できるようにしたプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空処理室内で、金属製の基台表面に装着されるプレートに処理対象物が静電吸着し、真空引きされたこの真空処理室内にプラズマ励起用のガスを導入し、この真空処理室内に設けた電極に電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、処理対象物に対してプラズマ処理を行う本発明のプラズマ処理方法は、前記基台の電位をフローティングとし、プラズマ処理中の一定期間、基台に正の電位を印加することを特徴とする。

上記によれば、プラズマ処理の際にプレートに処理対象物が静電吸着し得る場合、プラズマ処理をする間、例えばプラズマ処理の終了直前に、基台に正の（直流）電位を印加すると、処理対象物に帯電した電子が、低抵抗のプラズマを介してアースへと流れて処理対象物が除電される。従って、プラズマ処理終了直後の処理対象物は、プレートから可及的速やかに脱離可能な状態となる。その結果、上記従来の如く、処理対象物に向けてイオン化ガスを供給して除電する等の工程を省略してスループットを向上することができ、しかも、イオン化ガスを供給する部品等を必要としないので、装置構成が簡単で、その上、装置の低コスト化を図ることができる。

なお、本発明において、プレートとは、ウエハなどの処理対象物が設置されるものであり、この状態でプラズマ処理を行うと、処理対象物が帯電し得るものをいい、例えば、プレートを静電チャックのチャックプレートとすることができ、また、プレート上での処理対象物の帯電は、石英板などの絶縁性プレートであっても起こり得る。

また、上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、電極を備えた真空処理室と、この真空処理室内にプラズマ励起用のガスを導入するガス導入手段と、電極に電力投入する第１電源と、金属製の基台とその表面に装着されるプレートとを有して真空処理室内で処理対象物を静電吸着するステージとを備え、基台が絶縁材を介して真空処理室内に設置され、この基台に一定期間正の電位を印加する第２電源を更に備えることを特徴とする。この場合、プレートを静電チャックのチャックプレートとすることができる。

これによれば、プレートに静電吸着されている処理対象物を可及的速やかに脱離できる簡単で低コストの構成を実現することができる。

なお、本発明は、前記プレートが静電チャックのチャックプレートであり、また、前記電極が絶縁物のターゲットであり、前記第１電源が高周波電源であり、プラズマ処理として高周波スパッタリングにより処理対象物表面に成膜するものに適用することができる。

本発明のスパッタリング装置の模式図。 スパッタリング時に高周波電源及び直流電源をオンオフしたときの基板表面電位の変化を示すグラフ。

以下、図面を参照して、プラズマ処理装置及びその方法を、プレートを静電チャックのチャックプレート、ターゲットを絶縁物、処理対象物をシリコンウエハ（以下、基板Ｗと表記する）とし、基板Ｗ表面に絶縁膜を成膜するスパッタリング装置及びその方法に適用した実施形態を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の高周波スパッタリング装置である。この高周波スパッタリング装置ＳＭは、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが着脱自在に取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、アルミナ、窒化シリコンまたは炭化シリコンなどの絶縁物で構成され、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、そのスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた第１絶縁体４１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。また、ターゲット２は、公知の構造を有する高周波電源（第１電源）Ｅ１に接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波（交流）電力が投入されるようにしている。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ５が配置されている。ステージ５は、例えば基板Ｗの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台５１と、この基台５１上面に接着されるチャックプレート（プレート）５２とで構成されている。チャックプレート５２は、基台５１の上面より一回り小さい外径を有し、図示省略のチャック電源から電圧が印加される静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂが埋設されて静電チャックを構成している。この場合、チャックプレート５２は、リング状の第１防着板５３により基台５１の上面に着脱自在に取り付けられている。第１防着板５３は、スパッタリング中に基板Ｗに発生するバイアス電位を低減するために、第２絶縁体４２を介して基台５１の上面に取り付けられている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが広く利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

基台５１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された断面視Ｌ字状の第３絶縁体４３で保持され、アース接地の真空チャンバ１とは縁切りされ、電気的にフローティングにされている。第３絶縁体４３の上部は第１防着板５３でカバーされている。第１〜第３の各絶縁体４１，４２，４３の材質としては特に制限はなく、ガラス入りのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）や、ガラス入りのエポキシ樹脂などを用いることができる。また、ステージ５には、電気的にフローティングである基台５１に対して正の直流電位を印加する直流電源（第２電源）Ｅ２からの出力がスイッチング素子５４を介して接続されている。直流電源Ｅ２としては、公知の構造のものを利用でき、ターゲット２への投入電力等を考慮して、４００Ｖ以下の正電位が印加されるようにしている。なお、エッチング装置などの他のプラズマ処理装置にあっては、真空処理室内で行われるプラズマ処理に応じて印加電圧が適宜設定される。また、スイッチング素子５４保護用の抵抗を設けてもよい。基台５１には更に、冷媒循環用の通路５５ａやヒータ５５ｂが内蔵され、スパッタリング中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしている。

真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス導入手段としてのガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。スパッタガスには、真空処理室１ａにプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の側壁にはまた、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどで構成される真空ポンプＰに通じる排気管７が接続され、真空処理室１ａを一定速度で真空引きし、所定圧力に保持できるようにしている。

真空チャンバ１内でステージ５の周囲には、第３絶縁体４３と所定間隔を存して、アース電極としての環状の第２防着板８が設けられている。第２防着板８は、その内周縁部から径方向外側に下方に傾斜するように形成されたものである。なお、特に図示して説明しないが、第２防着板８に、上下方向に貫通する複数個の貫通孔を開設するようにしてもよい。そして、第２防着板８は、アース接地の真空チャンバ１の底面に設置され、スパッタリング時にアースとしての役割を果たすようにしている。真空チャンバ１内にはまた、この真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止するために、ターゲット２と基板Ｗとの間の空間を囲う第３防着板９が配置されている。

第３防着板９は、夫々がアルミナ、ステンレス等の公知の材料製である、真空チャンバ１の上壁に吊設した上防着板９１と、真空チャンバ１の底面に立設した下防着板９２と、上防着板９１及び下防着板９２の間で両防着板９１，９２より真空チャンバ１の内側に設けられて上防着板９１及び下防着板９２と上下方向でオーバーラップする可動防着板９３とで構成されている。可動防着板９３の外側面には、周方向に９０°間隔で真空チャンバ１の底面を貫通して設けたシリンダＣｙの駆動軸Ｃｒが夫々連結され、各駆動軸Ｃｒにより支持されている。そして、シリンダＣｙにより、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する下動位置（図１に示す位置）と、上防着板９１側に移動することで可動防着板９３と下防着板９２との間に隙間を形成し、図外のゲートバルブで開閉される搬送用の透孔Ｔｏを通してステージ５への基板Ｗの搬出・搬入を行い得る上動位置との間で可動防着板９３が移動自在となる。以下に、上記高周波スパッタリング装置ＳＭによるスパッタリング方法を説明する。

図２も参照して、図外の真空搬送ロボットにより、可動防着板９３の上動位置にて、真空雰囲気下の真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上へと基板Ｗを搬出し、ステージ５のチャックプレート５２上面に基板Ｗを載置する。このとき、スイッチング素子５４はオフ状態であり、ステージ５はフローティングにしている。真空搬送ロボットが退避すると、可動防着板９３を下動位置に移動し、真空チャンバ１内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する。そして、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂに対してチャック電源から所定電圧を印加すると、基板Ｗがチャックプレート５２表面に静電吸着される。

次に、真空処理室１ａ内が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段６を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスが一定の流量（例えば、アルゴン分圧が２Ｐａになる流量）で導入し、これに併せてターゲット２に高周波電源Ｅ１から所定の高周波電力（例えば、１〜５ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲット２が、目標膜厚に応じて適時設定されるスパッタ時間だけスパッタリングされ、ターゲット２からのスパッタ粒子が基板Ｗに付着、堆積して絶縁膜が成膜される。この場合、プラズマを介して高周波電流がアースへと流れるが、本実施形態では、ステージ５と、基板Ｗ周囲の第１防着板５３とが電気的にフローティングになっているため、基板Ｗに流れる高周波電流が制限され、基板Ｗにバイアス電位がかかることが抑制された状態で成膜される。

ここで、スパッタリングによる成膜中、基板Ｗ表面にはプラズマ中の電子が帯電することで、基板Ｗの電位が、図２中、線ａで示すように、徐々に低下していく。そこで、本実施形態では、設定されたスパッタ時間が経過する前に、スイッチング素子５４をオンして一定期間だけ直流電源Ｅ２からステージ５の基台５１に対して正の電位が印加される。これにより、基板Ｗ電位はゼロＶ近傍の電位となる(図２参照)。この場合、正の電位の印加は、スパッタリング中（プラズマ処理中）のいずれかであればよいが、スパッタリング終了時点で、基板Ｗが帯電していないように（つまり、基板Ｗ電位が約０Ｖとなっているように）、スパッタリング終了直前であることが好ましい。

スパッタリングによる成膜終了後、ターゲット２への高周波電力の投入とガス導入とが停止され、チャック電源からの電圧印加を停止すると共にアースに短絡して基板Ｗの吸着を解除する。そして、図外の真空搬送ロボットにより、真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上にある成膜済みの基板Ｗが搬出される。

以上の実施形態によれば、ステージ５のチャックプレート５２で静電吸着された基板Ｗに対してスパッタリングによる成膜処理をする間の一定期間基台５１に正の電位を印加するため、基板Ｗに帯電した電子が低抵抗のプラズマを介してアースへと流れて基板Ｗが除電される。従って、スパッタリング終了直後の基板Ｗをチャックプレート５２から可及的速やかに脱離可能な状態にできる。この場合、上記従来例の如く、基板に向けてイオン化ガスを供給する等の工程を省略することができてスループットを向上でき、しかも、イオン化ガスを供給する部品等を必要としないため、装置構成が簡単で、その上、装置の低コスト化を図ることができる。

ここで、上記高周波スパッタリング装置ＳＭだけでなく、エッチング装置などを含むプラズマ処理装置においては、プラズマ処理中、プラズマに曝される処理対象物が所謂セルフバイアスと呼ばれる負の電位を持つことがある。例えば処理対象物が石英等の絶縁性のプレートに載置されているような場合には、このとき生じた処理対象物の帯電が解消されない限り、帯電によって処理対象物が絶縁性のプレートに静電吸着し、プラズマ処理後に当該プレートからの脱離が困難になることかある。このような場合にも本発明を適用してプレートを支持する金属製の基台に正の直流電位を印加すれば、上記と同様の効果が得られ、有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、高周波スパッタリング装置を例に説明したが、成膜中の基板の帯電により基板の速やかな搬送が阻害され得るものであれば、他の構成のスパッタリング装置だけでなく、エッチング装置などの他のプラズマ処理装置にも広く適用することができる。このようなプラズマ処理装置としては、例えば、導電性ターゲットに直流電力を印加すると共に、ステージにバイアス電圧を印加してスパッタリングにより成膜するプラズマ処理装置や、電極を絶縁体とし、コイル及び平板の少なくとも一方に高周波電力を投入して真空処理室内にＩＰＣプラズマを励起してプラズマ処理を行うものがある。

また、上記実施形態では、基台５１は金属製としたが、耐熱性や導電性を有する材料であれば代用し得る。また、プレートとしてチャックプレート５２を例に説明したが、上述のように静電チャックを備えない絶縁性のプレートであって、プラズマ処理により処理対象物が静電吸着するような場合には、本発明を適用してプラズマ処理後に処理対象物を可及的速やかに脱離可能な状態にできる。更に、処理対象物についても、ウエハだけでなく、ガラス基板やサファイヤ基板などプラズマ処理中に帯電し得るものであれば、特に制限されるものではない。

ＳＭ…高周波スパッタリング装置、１…真空チャンバ、１ａ…真空処理室、２…ターゲット、５…ステージ、５２…チャックプレート（プレート）、５２ａ，５２ｂ…電極（静電チャック）、６…ガス管（ガス導入手段）、８…第２防着板（アース電極）、Ｃ…カソードユニット、Ｅ１…高周波電源、Ｅ２…直流電源、Ｗ…基板（処理対象物）。

Claims (5)

1. 真空処理室内で、金属製の基台表面に装着されるプレートに処理対象物が静電吸着し、真空引きされたこの真空処理室内にプラズマ励起用のガスを導入し、この真空処理室内に設けた電極に電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、処理対象物に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法において、
   前記基台の電位をフローティングとし、プラズマ処理中の一定期間、基台に正の電位を印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記プレートとして静電チャックのチャックプレートを用いることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法
3. 電極を備えた真空処理室と、この真空処理室内にプラズマ励起用のガスを導入するガス導入手段と、電極に電力投入する第１電源と、金属製の基台とその表面に装着されるプレートとを有して真空処理室内で処理対象物を静電吸着するステージとを備え、
   基台が絶縁材を介して真空処理室内に設置され、この基台に一定期間正の電位を印加する第２電源を更に備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 前記プレートは、静電チャックのチャックプレートであることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記電極が絶縁物のターゲットであり、前記第１電源が高周波電源であり、プラズマ処理として高周波スパッタリングにより処理対象物表面に成膜することを特徴とする請求項３または請求項４記載のプラズマ処理装置。
   

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