JP2002015619A - 導電性材及びそれを用いた耐プラズマ部材及び半導体製造用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】均一処理及び再現性の高い処理を行うことので
きる導電性材、耐プラズマ部材及び半導体製造用装置を
提供する。 【解決手段】２０〜２５０℃の導電率が１０^-10〜１０
^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ
以下であり、特に、３Ｃ型結晶を主体とする炭化珪素か
らなり、珪素以外の金属成分が０．１重量％以下であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性材に関し、
装置構成部品や治具として好適に用いられる導電性材、
例えば基体表面に気相法により成膜し、特に成膜後に基
体を除去して得られ、フォーカスリング、シャワーヘッ
ド、クランプリング、シールドリング等の半導体製造用
装置部品として用いられる炭化珪素からなる導電性材、
耐プラズマ部材及びそれを用いた半導体製造用装置に関
するものである。

【０００２】

【従来技術】一般に処理容器内にプラズマを発生させ、
このプラズマを用いて被処理体に所定の処理を施す処理
装置がある。例えば、半導体製造プロセスにおいてＰＶ
ＤやＣＶＤ等の成膜プロセスやエッチングプロセスにお
いて、プラズマを用いた処理装置を用いている。この種
の装置の一例として特開平８−３３９８９５号公報を例
示できる。この方法では、処理容器内に上部電極と下部
電極とを対向配設し、その電極間に処理ガスを導入し、
上部及び下部電極に高周波電力を印加してプラズマを生
起し、被処理体を処理するように構成されており、そし
て、被処理体へのエッチング処理のエッチングレート等
を高めることによりその処理のスループットを向上する
ために、上部電極と下部電極の周辺に絶縁部材を配置
し、アルミナ系セラミックスを被覆した石英を用いてい
た。

【０００３】また、近年の半導体製造プロセスの高度化
に伴って、スループットの向上が必須課題となってお
り、そのため、高速昇温や急冷に耐える部材が望まれて
いる。そのような部材として、焼結法で得られたセラミ
ックスに比べて高純度又は高強度である等の特徴を有す
るＣＶＤ法で作製されたセラミックスが注目されてい
る。

【０００４】特に、ＣＶＤ法により作製され、基体を除
去した自立型セラミックス（以後、ＣＶＤ自立体と記
す）の要求が強くなってきており、特に炭化珪素からな
るＣＶＤ自立体が、半導体製造プロセスで使用される各
種装置、特にプラズマエッチング装置で使用されるフォ
ーカスリング等の部品として注目されている。

【０００５】ＣＶＤ自立体の製造方法については、例え
ば、基体表面にシリコン層を形成し、次いでＣＶＤ法に
より炭化珪素層を形成、シリコン層をエッチング除去し
て炭化珪素のＣＶＤ自立体を得る方法や基体を機械加工
で除去してＣＶＤ自立体を得る方法などがある。

【０００６】例えば、特開平１１−１９９３２３号公報
では、反りが少なく、かつ耐食性に優れたＣＶＤ自立体
として、Ｘ線回折線のピーク強度比と半値幅を規定した
炭化珪素からなるダミーウエハが提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平８−３
３９８９５号公報に記載されたアルミナを被覆した石英
は、絶縁体のため、成膜工程やエッチング工程において
前記アルミナの表面に導電率がアルミナより大きい材料
が付着した場合、プラズマが集中して腐食がその部位に
発生するという問題があった。

【０００８】また、プラズマとプラズマの接する部材と
の相互作用により、プラズマの発生位置が部位によって
異なり、プラズマが均等に分布せず、局所的に強いとこ
ろや、逆に局所的に弱いところが発生するため、ウエハ
の処理が部位によって異なり、不良の発生につながった
り、プラズマによる処理の再現性が低下するという問題
があった。

【０００９】さらに、この様な絶縁体の部材をフォーカ
スリング、クランプリング、シールドリング等のウエハ
周辺に配置される部品に使用した場合、絶縁体部材はプ
ラズマを遠ざける作用があるため、該部品に近いウエハ
周辺部のプラズマ密度が低下し、プラズマによる処理が
不均一になるという問題もあった。

【００１０】また、特開平１１−１９９３２３号公報の
方法によって作製した炭化珪素からなる部材をプラズマ
の接触する部位に用いた場合、炭化珪素の導電率が大き
いため、絶縁体を用いた場合の様な、ウエハ周辺部のプ
ラズマ密度の低下といった問題は起こらない。しかし、
従来の炭化珪素の導電率は、温度が高くなると大きくな
るため、プラズマ処理中の温度の上昇に伴いプラズマの
状態も変化するため、プラズマ処理の条件制御が困難に
なり、再現性も低下して歩留まりが低下するという問題
があった。

【００１１】本発明は、均一処理及び再現性の高い処理
を行うことのできる導電性材、耐プラズマ部材及び半導
体製造用装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマを用
いた処理装置においてプラズマと接触する部材の導電率
とその活性化エネルギーを制御することによって、処理
の均一性及び再現性を高めることができるという知見に
基づくものである。

【００１３】すなわち、本発明の導電性材は、２０〜２
５０℃の導電率が１０^-10〜１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率
の活性化エネルギーが０．１ｅＶ以下であることを特徴
とするものである。これにより、プラズマの分布状態が
均一で、しかもプラズマ処理中のウエハ温度が変化して
も導電性材の導電率の変化が少なく、安定したプラズマ
分布状態を得ることができる。

【００１４】特に、本発明の導電性材は、３Ｃ型結晶を
主体とする炭化珪素からなることが好ましい。導電性材
の導電率を１０^-10〜１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率の活性
化エネルギーを０．１ｅＶ以下にすることが比較的容易
にできる。また、炭化珪素のＣＶＤ自立体は、通常の焼
結法で得られたセラミックスに比べて高純度であり、耐
プラズマ性に優れている。

【００１５】また、上記炭化珪素に含まれる珪素以外の
金属成分が０．１重量％以下であることが好ましい。こ
れにより、不純物準位形成による導電性のばらつきを抑
制するとともに、前記炭化珪素部材表面の偏析部へのプ
ラズマ集中による局所腐食を低減し、デバイスの歩留ま
りを高めることができる。

【００１６】さらに、本発明の耐プラズマ部材は、上記
の導電性材からなり、この部材はプラズマと接触するこ
とを特徴とするものである。この部材を用いることによ
り、プラズマの分布状態が均一で、しかもプラズマ処理
中のウエハ温度が変化しても導電性材の導電率の変化が
少なく、安定したプラズマ分布状態が得られるため、再
現性の高いプラズマ処理が可能となる。

【００１７】さらにまた、本発明の半導体製造用装置
は、少なくともプラズマを内部に形成する装置であっ
て、該装置内の一部に本発明の導電性材及び／又は本発
明の耐プラズマ部材を用いたことを特徴とする。この装
置を使用することにより、プラズマの分布状態が均一
で、しかもプラズマ処理中のウエハ温度が変化しても導
電性材の導電率の変化が少なく、安定したプラズマ分布
状態が得られるため、再現性の高いプラズマ処理が可能
となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の導電性材は、２０〜２５
０℃の導電率が１０^-10〜１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1の範囲であ
ることが重要である。

【００１９】導電率が１０^-10Ω^-1ｃｍ^-1より低いと、
絶縁体の部材と同様、部材がプラズマを遠ざける作用が
強くなるため、プラズマの分布状態が不均一になる。特
に、該部材をフォーカスリングに使用する場合には、プ
ラズマがウエハ面上に均一なプラズマ分布状態を形成す
ることが困難となる。従って、導電率の下限値は１０
^-10Ω^-1ｃｍ^-1であることが重要であり、特に、導電率
の下限値が１０^-8Ω^-1ｃｍ^-1、さらに１０^-7Ω^-1ｃｍ^-1
が好ましい。

【００２０】一方、導電率が１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1より高い
と、導電性材のプラズマ暴露量が増加するため、導電性
材の寿命が短くなる。従って、導電率の上限値は１０^-3
Ω^-1ｃｍ^-1であることが重要であり、特に１０^-4Ω^-1ｃ
ｍ^-1、さらには１０^-5Ω^-1ｃｍ^-1が好ましい。

【００２１】また、本発明の導電性材は、２０〜２５０
℃の導電率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ以下である
ことが重要である。ここで、活性化エネルギーは、横軸
を絶対温度の逆数、縦軸を導電率の自然対数としたグラ
フ上に測定値をプロットし、プロットした点を結んで得
られた直線の勾配を、−（活性化エネルギー／ボルツマ
ン定数）として、計算により求めたものである。

【００２２】上記の活性化エネルギーが０．１ｅＶを超
えると導電率の温度変化が大きくなる。その結果、プラ
ズマ処理中の温度の上昇による該部材の導電率変化に伴
いプラズマの状態が変化するため、プラズマ処理の条件
制御が困難になり、再現性も低下して歩留まりが低下す
る。

【００２３】さらに、本発明の導電性材は、３Ｃ型結晶
を主体とする炭化珪素からなることが望ましい。炭化珪
素は２５０種類以上のポリタイプが存在すると言われて
おり、３Ｃ型結晶を主体とすることにより、２０〜２５
０℃の導電率を１０^-10〜１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1、かつ２０
〜２５０℃の導電率の活性化エネルギーを０．１ｅＶ以
下に制御できる。しかし、他の結晶型では上記特性の両
立が難しくなる。これは、３Ｃ型結晶は半導体化するた
めであると考えられる。また、炭化珪素のＣＶＤ自立体
は、通常の焼結法で得られたセラミックスに比べて高純
度であり、耐プラズマ性に優れている。

【００２４】さらに、上記炭化珪素に含まれる珪素以外
の金属成分は０．１重量％以下であることが好ましい。
０．１重量％を超えると、プラズマ処理中に部材表面に
偏析した金属成分が多くなる。金属成分の導電率が、炭
化珪素等の本発明の部材よりも高い場合には、プラズマ
が金属偏析部に集中し、局所的な腐食が進むという問題
が起こる。

【００２５】特に、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属、Ｍｇ、
Ｃａ等のアルカリ土類金属、及びＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ等の
重金属等の金属は半導体デバイス中に混入すると不良の
発生になりやすいため、これらの金属は０．０１重量％
以下であることが好ましい。

【００２６】なお、本発明の導電性材は、除電効果があ
るため、チャージアップを嫌う部品、治具や装置、又は
通電する必要のある部品や治具等において、特に温度の
変化する環境において導電性の変化を小さくしたい場合
に、本発明の導電性材を好適に用いることができる。

【００２７】本発明の導電性材は、炭化珪素からなる場
合、以下のように製造することができる。

【００２８】まず、ＣＶＤ装置を準備する。この装置
は、熱ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、レーザーＣＶ
Ｄ装置等の所望の気相法による装置を用いることができ
るが、析出速度が高く、かつ大型基板に対応できる熱Ｃ
ＶＤ装置が好ましい。

【００２９】使用するガスは、公知の方法を用いること
ができる。例えば、四塩化珪素（ＳｉＣｌ₄）、メタン
（ＣＨ₄）及び水素からなるガス系、シラン（Ｓｉ
Ｈ₄）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及び水素（Ｈ₂）からなるガ
ス系、又はメチルトリクロルシラン（ＣＨ₃ＳｉＣｌ₃）
等のアルキル基と塩素と珪素とからなる化合物及び水素
からなるガス系等を用いることができる。さらに、所望
により、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活
性ガスを加えることができる。例えば、熱ＣＶＤ装置
で、メチルトリクロルシラン（ＣＨ₃ＳｉＣｌ₃、以後Ｍ
ＴＳと言う）及び水素を用いる場合、装置内に基体を配
置し、水素ガス中、減圧下で所定の温度に加熱後、ＭＴ
Ｓを導入してＳｉＣを基体上に形成する。この時、基体
のみを加熱することが、原料ガス効率を高め、析出速度
を高めるために好ましい。

【００３０】２０〜２５０℃の導電率が１０^-10〜１０
^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ
以下の特性を得るため、ＣＶＤ条件は、特に原料濃度や
ＣＶＤ温度を制御することが重要である。例えば、上記
のようなＭＴＳと水素を原料としたＣＶＤ法により作製
する場合、水素に対するＭＴＳの濃度とＣＶＤ温度を制
御すればよい。

【００３１】即ち、水素に対するＭＴＳの濃度を高くす
ることによって、ＣＶＤ自立体の導電率を高くでき、逆
に濃度を低くすることにより導電率を低くできる。ＣＶ
Ｄ条件は装置形状にもよるが、例えば、２０〜２５０℃
の導電率が１０^-4〜１０^-7Ω ^-1ｃｍ^-1を得るため、ＭＴ
Ｓ流量０．５〜５ｌ／ｍｉｎ、ＭＴＳ／Ｈ₂流量比０．
１〜１、圧力１００〜１０００Ｐａを用いる。

【００３２】また、ＣＶＤ温度を高くすることによっ
て、基体の温度だけでなく基体以外の装置部材の温度も
高くなるため、装置部材でガスが消費され、基体上での
ＣＶＤ条件が変化し、導電率の制御が困難になる。

【００３３】ＣＶＤ温度が高い場合、導電率の活性化エ
ネルギーが大きい傾向がある。そして、導電性の活性化
エネルギーを低下するためには、基体を急激に加熱し、
析出させることが重要である。理由は明確ではないが、
ガスが加熱により分解や反応によって形成される中間化
合物が成膜時に導電性の活性化エネルギーを低くしてい
るものと考えられる。

【００３４】例えば、本発明に用いる装置は、基体を高
周波誘導加熱により昇温し、断熱材などの高周波を吸収
しにくい治具や基体支持体を用い、基体及びその近傍の
みを高温に維持し、成膜させる構造で、周波数は１０〜
５０ｋＨｚ、コイルの巻き数を１又は２とすると良い。

【００３５】得られたＣＶＤ膜は、機械的加工や酸化処
理等の方法により基体を除去し、ＣＶＤ自立体とするこ
とができる。そして、プラズマとの接触面積を小さくし
てＣＶＤ自立体の寿命を延ばすため、ＣＶＤ自立体の表
面を研磨し、表面粗さをＲａで０．５μｍ以下、特に
０．３μｍ以下、さらには０．１μｍ以下にすることが
好ましい。

【００３６】このように形成された導電性材は、２０〜
２５０℃の導電率が１０^-10〜１０^{- 3}Ω^-1ｃｍ^-1、導電
率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ以下であるため、プ
ラズマの空間分布を均一にし、その結果均一な処理が得
られるため、歩留まりが高くなり、再現性も高く、安定
した条件での製造が可能となる。

【００３７】また、本発明の耐プラズマ部材は、本発明
の導電性材を使用するもので、プラズマの分布状態を均
一でき、しかもプラズマ処理中のウエハ温度が変化して
も安定したプラズマ分布状態が得られるため、再現性の
高いプラズマ処理が可能となる。特に、半導体製造用装
置としてフッ素や塩素などのハロゲンを含むガスのプラ
ズマを使用する装置、例えばエッチング装置における耐
プラズマ部材として、フォーカスリング、シャワーヘッ
ド、クランプリング、シールドリング、真空壁、ドーム
等の部品に好適に用いられる。

【００３８】さらに、本発明の半導体製造用装置は、少
なくともプラズマを内部に形成する装置であって、該装
置内の一部に本発明の導電性材及び／又は耐プラズマ部
材を用いたことを特徴とするもので、エッチング装置や
プラズマＣＶＤ装置等に用いることによって歩留まりの
高いプロセス処理を実現できる。

【００３９】

【実施例】メチルトリクロルシラン、四塩化珪素、メタ
ン、水素を原料として、表１に示す条件で、ＣＶＤ法に
より成膜を行い、黒鉛基体（東洋炭素社製ＳＩＣ１２
材）上に炭化珪素膜を形成した。

【００４０】ＣＶＤ装置は、高周波誘導加熱により基体
を加熱するもので、周波数は２０ｋＨｚであった。断熱
材からなる基体支持体上に、黒鉛基体を配置し、水素を
流して昇温し、所定の温度に達した後、反応ガスを流し
て成膜を行った。条件を表１に示した。

【００４１】さらに機械加工により基体を除去し、２０
×２０×２ｍｍ角柱と、７０φ×５０φ×２ｔｍｍの円
板との形状を有する炭化珪素からなるＣＶＤ自立体を得
た。得られたＣＶＤ自立体の角柱試料を用いて、ＸＲＤ
法によりその結晶型を調べた。また、ＩＣＰ発光分光分
析にて珪素以外の金属量を測定し、金属不純物量として
表１に示した。さらに、２５〜２５０℃の範囲で導電率
を測定した。

【００４２】また、導電率の測定値を、横軸を絶対温度
の逆数、縦軸を導電率の対数としたグラフ上にプロット
し、プロットした点を結んで得られた直線の勾配を、−
（活性化エネルギー／ボルツマン定数）として、活性化
エネルギーを計算により求めた。

【００４３】ＣＶＤ自立体の角柱試料を用いて導電性材
の耐食性を調べた。即ち、２５℃においてＣＦ₄（６０
ｓｃｃｍ）＋Ａｒ（６０ｓｃｃｍ）のフッ素系プラズマ
に３時間曝し、重量変化からエッチング率を算出した。

【００４４】また、ＣＶＤ自立体の円板については、そ
の内径内に径５０ｍｍのシリコンウエハを置き、ＲＩＥ
プラズマエッチング装置にて、室温、及び室温から２５
０℃まで昇温（室温１時間、昇温１時間、２５０℃１時
間）して、ＣＦ₄（６０ｓｃｃｍ）＋Ａｒ（６０ｓｃｃ
ｍ）のフッ素系プラズマに３時間曝した後、シリコンウ
エハの中央部と外周部を切り出し、その断面をＳＥＭに
て観察し厚さを測定、シリコンウエハの中央部と外周部
でエッチング率を算出して差を求め、中央部のエッチン
グ率に対する差を％で示した。

【００４５】結果を表１に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】２５〜２５０℃の導電率が１０^-10〜１０
^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ
以下である本発明の試料Ｎｏ．１〜８は、エッチング率
が７０ｎｍ／ｍｉｎ以下と低く、ばらつきは２５℃で
０．３％以下、昇温時で０．４％以下と良好であった。

【００４８】一方、導電率が１０^-2〜１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1
と大きく、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．９は、エッチン
グ率が１５０ｎｍ／ｍｉｎと高かった。

【００４９】また、導電率が１０^-11〜１０^-12Ω^-1ｃｍ
^-1と小さく、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１０は、ばら
つきが２５℃で２．０％、昇温時で２．５％と大きかっ
た。

【００５０】さらに、活性化エネルギーが０．１２ｅＶ
以上と高く、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１１〜１３
は、昇温を伴ったエッチングのばらつきが、１．８％以
上と大きかった。

【００５１】

【発明の効果】本発明の導電性材は、導電率とその活性
化エネルギーを制御することにより、安定して再現性の
ある導電性材、特に耐プラズマ部材を得ることができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AB06 BE08 DB01 DB05 EB01 ED06 5G301 DA21 DD06 DD10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２０〜２５０℃の導電率が１０^-10〜１０
   ^-3Ω^-1ｃｍ^-1、導電率の活性化エネルギーが０．１ｅＶ
   以下であることを特徴とする導電性材。
2. 【請求項２】３Ｃ型結晶を主体とする炭化珪素からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の導電性材。
3. 【請求項３】珪素以外の金属成分が０．１重量％以下で
   あることを特徴とする請求項２記載の導電性材。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の導電性
   材からなり、プラズマと接触することを特徴とする耐プ
   ラズマ部材。
5. 【請求項５】少なくともプラズマを内部に形成する装置
   であって、該装置内の一部に請求項１乃至３のうちいず
   れかに記載の導電性材及び／又は請求項４記載の耐プラ
   ズマ部材を用いたことを特徴とする半導体製造用装置。