(57)【要約】【課題】チャンバー内での異常放電の発生が抑制されたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】処理対象の基板が搭載された基板ホルダが格納されるチャンバーと、チャンバーの内部で基板ホルダを支持し、基板ホルダを上下方向に移動させるピックアップピンと、ピックアップピンを介して電位が設定される基板ホルダを電極として使用して、チャンバーの内部に導入されたプロセスガスをプラズマ化する電源とを備え、プロセスガスがプラズマ化された状態においてピックアップピンが天頂部分で基板ホルダを支持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象の基板が搭載された基板ホルダが格納されるチャンバーと、
前記チャンバーの内部で前記基板ホルダを支持し、前記基板ホルダを上下方向に移動させるピックアップピンと、
前記ピックアップピンを介して電位が設定される前記基板ホルダを電極として使用して、前記チャンバーの内部に導入されたプロセスガスをプラズマ化する電源と
を備え、前記プロセスガスがプラズマ化された状態において前記ピックアップピンが天頂部分で前記基板ホルダを支持することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記チャンバーの内部で前記基板ホルダの下方に配置されたグランドプレートを更に備え、
前記プロセスガスがプラズマ化された状態において前記グランドプレートの上面よりも上方に位置する前記天頂部分で、前記ピックアップピンが前記基板ホルダを支持することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記ピックアップピンが、前記グランドプレートに形成された上下方向に延伸する貫通孔の内部をスライドして前記基板ホルダを上下方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プロセスガスがプラズマ化された状態において前記グランドプレートの上面と前記基板ホルダの底面との間隔が０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記基板と対向して前記チャンバー内に配置されたカソード電極を更に備え、
前記電源が前記カソード電極に電力を供給して前記プロセスガスのプラズマを形成し、
前記プラズマに前記基板を曝すことによって前記プロセスガスに含まれる原料を主成分とする膜を前記基板に成膜することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記ピックアップピンが接地されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを発生して基板処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜処理、エッチング処理、アッシング処理などにおいてプラズマ処理装置が用いられている。例えば、薄膜形成工程に使用される装置としてプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置が知られている。プラズマＣＶＤ装置では、成膜処理工程において高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。例えば、基板が搭載された基板ホルダをアノード電極に戴置し、基板と対向して配置されたカソード電極とアノード電極との間に電力を供給して原料ガスをプラズマ化する（例えば、特許文献１参照）。例えば、接地されたグランドプレートなどがアノード電極として使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１９７５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマＣＶＤ装置で基板に成膜した場合、成膜処理が行われるチャンバーの内壁面やカソード電極の表面などに成膜物が堆積する。これらの成膜物は、チャンバー内部のクリーニングや温度変化などによって剥離する。基板ホルダが戴置されていない状態のアノード電極の表面に剥離した成膜物が付着した場合、基板ホルダをアノード電極に戴置した際に基板ホルダとアノード電極との間に成膜物が挟まる。このため、成膜物が非導電性物質の場合、基板ホルダとアノード電極との電気的接続が阻害されて、チャンバー内で異常放電が発生する。その結果、膜厚分布が不均一になったり所望の膜質にならなかったりするなどの問題が生じる。
【０００５】
上記問題点に鑑み、本発明は、チャンバー内での異常放電の発生が抑制されたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（ア）処理対象の基板が搭載された基板ホルダが格納されるチャンバーと、（イ）チャンバーの内部で基板ホルダを支持し、基板ホルダを上下方向に移動させるピックアップピンと、（ウ）ピックアップピンを介して電位が設定される基板ホルダを電極として使用して、チャンバーの内部に導入されたプロセスガスをプラズマ化する電源とを備え、プロセスガスがプラズマ化された状態においてピックアップピンが天頂部分で基板ホルダを支持するプラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、チャンバー内での異常放電の発生が抑制されたプラズマ処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式的な側面図である。
【図２】ボートタイプの基板ホルダの例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式的な正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作例を示す模式的な側面図である（その１）。
【図５】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作例を示す模式的な側面図である（その２）。
【図６】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置のピックアップピンと搬送アームの位置を示す模式的な正面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作例を示す模式的な側面図である（その３）。
【図８】本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作例を示す模式的な側面図である（その４）。
【図９】比較例のプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置１は、図１に示すように、処理対象の基板１００が搭載された基板ホルダ１０が格納されるチャンバー２０と、チャンバー２０の内部で基板ホルダ１０を支持し、基板ホルダ１０を上下方向に移動させるピックアップピン３０と、ピックアップピン３０を介して電位が設定される基板ホルダ１０を電極として使用して、チャンバー２０の内部に導入されたプロセスガス６００をプラズマ化する電源４０とを備える。
【００１１】
プラズマ処理装置１では、プロセスガス６００がプラズマ化された状態において、ピックアップピン３０が天頂部分で基板ホルダ１０を支持する。基板ホルダ１０には、基板１００が垂直に搭載されている。基板１００は、例えば太陽電池用や半導体デバイス用などの半導体基板である。
【００１２】
図１に示すプラズマ処理装置１には、チャンバー２０の内部の基板ホルダ１０の下方にグランドプレート８０が配置されている。グランドプレート８０は、例えばチャンバー２０を介して接地されている。このグランドプレート８０は、基板ホルダ１０の電位を安定化させるためのものである。長期間の使用により、成膜処理による着膜の影響でグランドプレート８０の導電性が低下する。このため、１ヶ月に１回程度の定期的な交換及び洗浄がグランドプレート８０に必要である。例えば、フッ酸系の洗浄液に対して安定なカーボン材が、グランドプレート８０に好適に使用される。
【００１３】
グランドプレート８０には上下方向に延伸する貫通孔が形成されており、ピックアップピン３０はグランドプレート８０に形成された貫通孔の内部をスライドする。チャンバー２０内部でプロセスガス６００がプラズマ化された状態においては、ピックアップピン３０の天頂部分がグランドプレート８０の上面よりも上方に位置する。この天頂部分でピックアップピン３０が基板ホルダ１０を支持するため、グランドプレート８０の上面と基板ホルダ１０の底面との間に間隔ｄの隙間が生じる。
【００１４】
ピックアップピン３０はチャンバー２０を貫通して配置されており、ピックアップピン３０の上下方向のスライド動作はチャンバー２０の外部に配置された制御装置３５によって制御される。制御装置３５は、例えばモータやエアシリンダによってピックアップピン３０を駆動する。モータによってピックアップピン３０を駆動する場合には、間隔ｄが所定の値になるようにティーチング位置を設定する。エアシリンダによってピックアップピン３０を駆動する場合には、間隔ｄが所定の値になるようにストロークエンドの位置を設定する。
【００１５】
図１に示した例では、チャンバー２０が接地されている。図示を省略するが、制御装置３５の内部でピックアップピン３０はチャンバー２０と電気的に接続している。これにより、ピックアップピン３０は接地される。ピックアップピン３０には導電性材料が使用される。例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）材などをピックアップピン３０に好適に使用できる。
【００１６】
基板ホルダ１０は導電性材料からなり、ピックアップピン３０と電気的に接続される。基板ホルダ１０は、例えばカーボン製である。ピックアップピン３０が接地されている場合、成膜処理中の基板ホルダ１０はピックアップピン３０を介して接地される。
【００１７】
図１は、基板ホルダ１０がボートタイプである場合を例示的に示している。ボートタイプの基板ホルダは、図２に示すように、基板１００が搭載される搭載面１１０が主面にそれぞれ定義され、互いに離間し且つ平行に配置された複数の基板プレート１１と、基板プレート１１のそれぞれの底部を固定する固定板１２とを有する構造である。ピックアップピン３０の天頂部分は、下方から固定板１２の底面に接触する。
【００１８】
図１は、基板ホルダ１０の搭載面１１０の面法線方向から見た図（以下において「側面図」という。）である。図３に、基板ホルダ１０の搭載面１１０と平行な方向から見た図（以下において「正面図」という。）を示す。
【００１９】
図３に示すように、基板ホルダ１０に搭載された基板１００と対向して、チャンバー２０の内部に複数のカソード電極５０が配置されている。プラズマ処理装置１は、基板ホルダ１０をアノード電極として使用するプラズマＣＶＤ装置である。プラズマ処理装置１は、プロセスガス６００をチャンバー２０の内部に供給するガス供給機構６０と、チャンバー２０を排気する排気機構７０を備える。排気機構７０には図示を省略するガス調圧弁が備えられ、チャンバー２０内の圧力を一定に保つ。プラズマ処理装置１を用いた成膜処理については後述する。
【００２０】
以下に、図４〜図８を参照して、チャンバー２０での基板ホルダ１０の格納及び搬出におけるプラズマ処理装置１の動作例を説明する。以下に説明するように、基板ホルダ１０の搬送のために、基板ホルダ１０を戴置してチャンバー２０内で水平方向に移動させる搬送アーム２００が使用される。
【００２１】
まず、図４に示すように、未処理の基板１００が搭載された基板ホルダ１０が、搬送アーム２００によってチャンバー２０の内部に格納される。このとき、基板ホルダ１０と接触しないように、ピックアップピン３０は下がった状態である。例えばピックアップピン３０の天頂部分はグランドプレート８０の内部に位置する。
【００２２】
水平方向の所定の位置に基板ホルダ１０が搬送されると、図５に示すように、ピックアップピン３０は上昇する。これにより、ピックアップピン３０の天頂部分に支持されて基板ホルダ１０は搬送アーム２００から持ち上げられる。なお、図６に示すように、ピックアップピン３０が基板ホルダ１０と接触する位置の外側に搬送アーム２００が位置する。
【００２３】
次いで、図７に示すように、搬送アーム２００はチャンバー２０の外部に移動する。そして、基板ホルダ１０の位置が成膜処理時の所定の高さになるまで、ピックアップピン３０が下降する。
【００２４】
その後、ピックアップピン３０を介して接地された基板ホルダ１０を一方の電極とし他方の電極をカソード電極５０としてチャンバー２０内のプロセスガス６００がプラズマ化され、基板１００の成膜処理が行われる。
【００２５】
成膜処理では、ガス供給機構６０によって、基板１００上に形成する薄膜の原料ガスとしてプロセスガス６００がチャンバー２０内に導入される。チャンバー２０内のプロセスガス６００の圧力が所定のガス圧に調整された後、電源４０により所定の電力がカソード電極５０に供給される。電源４０は、例えば高周波電源である。これにより、チャンバー２０内のプロセスガス６００がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、プロセスガス６００に含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の表面に形成される。プロセスガス６００がプラズマ化された状態においては、図１、図３に示すように、ピックアップピン３０の天頂部分はグランドプレート８０の上面よりも上方に位置する。
【００２６】
成膜処理後、図８に示すように、ピックアップピン３０は上昇し、基板ホルダ１０が上方に移動する。そして、基板ホルダ１０の下方に搬送アーム２００が差し込まれる。次いで、ピックアップピン３０が下降して、搬送アーム２００に基板ホルダ１０が戴置される。このように、搬送アーム２００がチャンバー２０の内部を移動する場合には、基板ホルダ１０と搬送アーム２００とが接触しないように、ピックアップピン３０が基板ホルダ１０を上方に移動させる。
【００２７】
その後、処理済みの基板１００を搭載した基板ホルダ１０が、搬送アーム２００によってチャンバー２０から搬出される。
【００２８】
上記の成膜処理において、プロセスガス６００を適宜選択することによって、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などの所望の薄膜を基板１００上に形成することができる。例えば、基板１００が太陽電池基板である場合に、アンモニア（ＮＨ3）ガスとシラン（ＳｉＨ4）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上に反射防止膜や絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を形成できる。
【００２９】
図９に、接地されたグランドプレート８０の上面に基板ホルダ１０を戴置した比較例を示す。比較例では、例えばピックアップピン３０によって基板ホルダ１０を搬送アーム２００から持ち上げ、搬送アーム２００をチャンバー２０の外部に移動させた後、ピックアップピン３０全体をグランドプレート８０の内部に格納する。これにより、基板ホルダ１０がグランドプレート８０に直接に戴置される。
【００３０】
ＳｉＮ膜などの非導電性の膜を基板１００に成膜する場合、チャンバー２０の内壁面やカソード電極５０の表面に非導電性の成膜物が堆積する。これらの成膜物がグランドプレート８０の表面に落下すると、図９に示すように、グランドプレート８０と基板ホルダ１０との間に非導電性物質の成膜物６５０が挟まる。これにより、グランドプレート８０と基板ホルダ１０との電気的な接続が阻害され、基板ホルダ１０が接地されずに電気的にフローティング状態になる。その結果、基板ホルダ１０とカソード電極５０間に電力を供給してチャンバー２０内のプロセスガス６００をプラズマ化する場合に、異常放電が発生する。例えば、プラズマが均一に形成されずに局所的に集中したり、放電状態が安定しなかったりする。その結果、基板１００に形成される膜の膜厚分布が不均一になったり、所望の膜質が得られなかったりするなどの障害が生じる。或いは、放電パワーの不足によって所定の膜厚まで成膜できないなどの問題が生じる。
【００３１】
これに対し、図１に示したプラズマ処理装置１では、プロセスガス６００がプラズマ化された状態において、グランドプレート８０の上面よりも上方に位置する天頂部分によってピックアップピン３０が基板ホルダ１０を支持する。このため、基板ホルダ１０とグランドプレート８０との間に隙間が生じた状態で、基板１００の成膜処理が行われる。このとき、ピックアップピン３０を介して基板ホルダ１０の電位が安定する。したがって、成膜物がグランドプレート８０の表面に落下していても、基板ホルダ１０の電位が不安定になることがない。その結果、プラズマ処理装置１によれば、グランドプレート８０と基板ホルダ１０との間に非導電性の成膜物が挟まってチャンバー２０の内部で異常放電が発生することを防止できる。
【００３２】
なお、成膜処理におけるグランドプレート８０の上面と基板ホルダ１０の底面との間隔ｄは、グランドプレート８０に落下する成膜物の厚みよりも大きければよい。本発明者らの調査によれば、ＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法で成膜した場合にグランドプレート８０に落下する成膜物の厚みは０．１ｍｍ以下であるものが９８％程度と大半であり、０．２ｍｍを超えるものはなかった。したがって、成膜処理における間隔ｄが０．２ｍｍ以上であるように、ピックアップピン３０の天頂部分の位置を設定する。
【００３３】
一方、間隔ｄを広くするとチャンバー２０を大型化する必要がある。このため、例えば間隔ｄが０．５ｍｍ以下程度になるように、ピックアップピン３０の天頂部分の位置を設定することが好ましい。
【００３４】
なお、図１に示したプラズマ処理装置１では、ピックアップピン３０を介して基板ホルダ１０が接地される。ただし、基板ホルダ１０が接地される場合に限らず、基板ホルダ１０に所定のバイアス電位を印加する場合にも、ピックアップピン３０を介して基板ホルダ１０の電位を安定させることができる。
【００３５】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置１では、チャンバー２０の内部でプロセスガス６００がプラズマ化された状態において、所定の電位に設定されたピックアップピン３０によって、グランドプレート８０と離間させた状態で基板ホルダ１０を支持する。これにより、基板ホルダ１０の電位が安定する。したがって、チャンバー２０の内部での異常放電の発生が抑制される。その結果、例えば基板１００に成膜された膜の膜質の低下や膜厚分布の不均一さなどが抑制され、製品歩留まりが向上する。更に、異常放電の発生によるプラズマ処理装置１の処理停止やメンテナンスのための中断が減少し、稼働率が向上する。
【００３６】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３７】
上記では、プラズマ処理装置１がプラズマＣＶＤ装置である例を説明した。プロセスガス６００のガス種を替えることによって、プラズマ処理装置１をプラズマエッチング装置やプラズマアッシング装置などに適用可能である。
【００３８】
例えば、プラズマエッチング用ガスをプロセスガス６００としてチャンバー２０内に導入することによって、基板１００上に形成された膜をエッチング除去するプラズマエッチング装置を実現できる。プラズマエッチング用ガスはエッチング対象の材料によって適宜選択されるが、例えば、三フッ化窒素（ＮＦ3）ガスや四フッ化炭素（ＣＦ4）ガスなどのフッ素系ガスを使用可能である。
【００３９】
また、プラズマアッシング用ガスをプロセスガス６００としてチャンバー２０内に導入することによって、プラズマ処理装置１を用いたプラズマアッシング装置を実現できる。例えば、プロセスガス６００として酸素及びアルゴンガスを使用することにより、エッチング用マスクとして基板１００に形成されたカーボン膜やフォトレジスト膜などをアッシングできる。
【００４０】
更に、例えばスパッタ装置などの、基板ホルダ１０を電極として使用するプラズマ処理装置であれば、基板ホルダ１０の電位を安定させて異常放電を抑制できる本発明は好適に適用される。
【００４１】
以上では基板ホルダ１０がボートタイプである場合について説明したが、基板ホルダ１０が基板１００を水平に搭載するカートタイプの場合にも本発明は適用可能である。例えば、カソード電極５０が平行平板型電極であるプラズマＣＶＤ装置の場合にも、基板ホルダ１０の電位を安定させて異常放電の発生を抑制できる。
【００４２】
なお、上記ではチャンバー２０の内部にグランドプレート８０を配置した場合を説明した。しかし、基板ホルダ１０の電位安定性を確保する目的においては、グランドプレート８０を配置しなくてもよい。
【００４３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…プラズマ処理装置
１０…基板ホルダ
２０…チャンバー
３０…ピックアップピン
３５…制御装置
４０…電源
５０…カソード電極
６０…ガス供給機構
７０…排気機構
８０…グランドプレート
１００…基板
２００…搬送アーム
６００…プロセスガス
【図１】
2017016987.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2017016987.tif 000011