JP2002151483A - プラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極板を均等かつ安定に冷却することにより
電極板のプラズマ発生面の温度分布を均等化し、半導体
ウエハのエッチング速度を均一にすることができ、安定
したウエハ歩留りが達成されるとともに、電極板の使用
寿命の向上も保たれるガラス状カーボン電極を配設した
プラズマエッチング装置を提供する。 【解決手段】 電極板として、板面の反りが最大で０．
３ｍｍ以下の平坦形状を備えたガラス状カーボン板を配
設したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
製造工程において、ウエハ面のシリコン酸化膜をプラズ
マエッチングする装置に係り、とくに電極板として特定
形状のガラス状カーボン板を配設した平行平板電極型プ
ラズマエッチング装置に関する。

【０００２】プラズマエッチング加工は、チャンバ内の
下部に設けたウエハ基板を載置する下部電極と、これに
対向するチャンバ内の上部に設けた多数のガス噴出用の
貫通小孔をもつ上部電極との一対の平行平面電極を設置
したエッチング装置にハロゲンガスやフレオンガスなど
の反応性ガスを上部電極側より導入しながら電極間に高
周波電力を印加して放電させ、生じたガスプラズマを用
いて基板のフォトレジストされていない部分をエッチン
グすることにより高精度で微細な回路パターンを形成す
る工程である。このプラズマエッチング加工に用いられ
る上部電極には、優れた導電性の他、ウエハを汚染しな
い高純度性ならびに容易にエッチングされない化学的安
定性が必要とされており、現状ではこれらの材質要件を
満たすものとしてガラス状カーボン材で形成された電極
板が有用されている。

【０００３】ガラス状カーボン材は、熱硬化性樹脂を炭
化して得られる巨視的に無孔組織の硬質炭素物質で、高
強度、低化学反応性、ガス不透過性、自己潤滑性、堅牢
性などに優れ、不純物が少ない等の特性を有している
が、特にプラズマエッチング処理中にウエハーを汚損す
る原因となる微細パーティクルが組織から離脱し難い利
点がある。

【０００４】

【従来の技術】しかしながら、半導体集積度が増大する
に伴ってプラズマエッチング用の電極材にも厳しい材質
要求が課せられており、ウエハ面に付着するパーティク
ルレベルや消耗度合の低減化が厳しく要求されている。
このため、プラズマエッチング用のガラス状カーボン電
極を対象とする材質的改良の試みが数多く提案されてい
る。

【０００５】例えば、純度、気孔率、気孔径、結晶構造
などの性状を改良対象とするものとして、気孔率が０．
０００２〜０．００２０％で結晶子がＸ線回析で検出さ
れず、かつ不純物含有量が５ｐｐｍ以下のガラス状カー
ボン材料からなるプラズマ装置用カーボン部材（特開平
３−３３００７号公報）、最大気孔径１μｍ以下、平均
気孔径０．７μｍ以下で気孔率が１％以下の組織特性を
有する高純度ガラス状カーボンからなるプラズマエッチ
ング用電極板（特開平３−119723号公報）、高純度のガ
ラス状カーボンからなる厚さ２ｍｍ以上の板状体であ
り、表面および内部組織に粒界が実質的に存在せず、最
大気孔径が１μｍ以下のプラズマエッチング用電極板
（特開平３−２８５０８６号公報）、純度特性が総灰分
５ｐｐｍ以下、金属不純物２ｐｐｍ以下、総硫黄分３０
ｐｐｍ以下で、結晶特性が結晶面間隔（００２) ０．３
７５ｎｍ以下、結晶子（００２) の大きさが１．３ｎｍ
以上で、かつ材質特性が比重１．５０以上、曲げ強度が
１１００ｋｇ／ｃｍ² 以上のガラス状カーボンからなる
プラズマエッチング用電極板（特開平５−３２０９５５
号公報）、格子定数Ｃｏが６．９９０オングストローム
以下の結晶を有するガラス状炭素からなるプラズマエッ
チング用電極板（特開平６−１２８７６１号公報）等が
提案されている。

【０００６】このほか、表面性状を対象とするものとし
て、プラズマにより消耗する部位の表面平滑度がＲｍａ
ｘ６μｍ以下であるガラス状炭素からなるプラズマエッ
チング用電極板（特開平６−１２８７６２号公報）が、
またガラス状炭素の原料系を特定する技術としてはフェ
ノール樹脂およびポリカルボジイミド樹脂を原料として
製造したガラス状炭素材からなるプラズマエッチング用
電極板（特開平５−３４７２７６号公報）や、ポリカル
ボジイミド樹脂を原料として製造したガラス状炭素材か
らなるプラズマエッチング用電極板（特開平５−３４７
２７８号公報）等が提案されている。

【０００７】更に、近年、半導体集積度が増大するにつ
れてプラズマエッチング加工における技術的要素の一つ
としてエッチング速度が重要視されており、加工精度を
高めるためにはこのエッチング速度の均一性を確保する
必要がある。エッチング速度の均一性とは、ウエハ内の
各部におけるエッチング深さの均一性の他にエッチング
処理毎のエッチング深さの均一性の両方を意味し、この
エッチング速度の均一化は反応部の温度、とくに電極板
表面の温度分布に著しく支配され、この表面温度に変動
があると均一かつ安定な速度でエッチングすることが困
難となる。このため、従来、プラズマ照射により発熱す
る電極板の温度を均一に保持するために電極板の裏面に
金属製の冷却板を密着した状態で均等に冷却する方法が
採られている。

【０００８】ところが、電極板と冷却板との間には僅か
な空隙部が生じ易く、この空隙部が生じると伝熱抵抗と
なって電極板の均等な冷却を阻害して、冷却効率を低下
させる現象を招く。そこで、特開平２−２９０９８４号
公報にはプラズマ生成用の電極の少なくとも一つを、複
数の導電板を接触積み重ねて構成したプラズマ装置にお
いて、上記導電板に柔軟な導電性シートを介在配置した
ことを特徴とするプラズマ装置が提案されている。

【０００９】

【本発明が解決しようとする課題】前記の特開平２−２
９０９８４号公報で提案されているプラズマ装置は、ア
モルファスカーボン電極と導電性補強板との間に生じる
熱的抵抗となる空隙部に柔軟性を有する導電性シートを
介在させることにより効果的な放熱を確保しようとする
ものである。しかしながら、導電性シートとして例示さ
れているシリコンゴムシートは耐プラズマ性や耐蝕性に
劣り、また電導性を付与するために添加混合されている
導電性物質がエッチング時に脱落してパーティクルが発
生するなどの問題点がある。

【００１０】本発明者らは、プラズマエッチング用のガ
ラス状カーボン電極板の形状とエッチング速度の均一性
との関係について多角的に検討した結果、電極板と冷却
板との接触を均等に密着させて電極板の表面温度を均等
に保持するためには、ガラス状カーボン板の形状、特に
反りが大きく影響し、電極板の反りを一定限度以下に抑
制するとエッチング速度の均一性ならびに安定性が著し
く向上することを知見した。

【００１１】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
ものであり、その目的は、プラズマエッチング時のガラ
ス状カーボン電極板表面の温度分布を均等かつ安定化す
ることによりエッチング速度の均一性および安定性の向
上を図り、長期間安定して半導体ウエハのエッチング加
工を行うことのできるガラス状カーボン板を配設したプ
ラズマエッチング装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるプラズマエッチング装置は、電極板と
して、板面の反りが最大で０．３ｍｍ以下の平坦形状を
備えたガラス状カーボン板を配設したことを特徴とす
る。但し、ガラス状カーボン板の反りは、ガラス状カー
ボン板を定盤上に置き、ガラス状カーボン板の中心部お
よび外周部を４〜１０等分した各点についてダイヤルゲ
ージにより定盤からの寸法および各測定点におけるガラ
ス状カーボン板の厚さを測定し、その差から算出する。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のプラズマエッチング装置
の電極板は、熱硬化性樹脂を焼成炭化して得られる均一
組織を有するガラス状カーボン板からなることを前提と
し、純度特性として総灰分５ｐｐｍ以下、金属不純物２
ｐｐｍ以下、総硫黄分３０ｐｐｍ以下の高純度材質を有
し、可及的に表面平滑度の高い平面板であることが好ま
しい。

【００１４】一般にガラス状カーボン板は、フェノール
系やフラン系などの炭化残留率の高い熱硬化性樹脂を所
定の形状に成形し、加熱硬化したのち非酸化性雰囲気中
で加熱して焼成炭化する方法で製造されている。熱硬化
性樹脂の硬化反応は熱硬化性樹脂初期縮合物の重縮合反
応により架橋構造を形成して進行するが、この過程で成
形体の収縮が生じるため、硬化反応を均等に進行させな
いと収縮率にばらつきが生じて成形体の形状精度が低下
する。また、ガラス質組織に転化する焼成炭化過程にお
いても大きな材質収縮を伴うために内部歪みが蓄積し
て、得られるガラス状カーボン材の形状精度が悪化す
る。特に、薄板形状のガラス状カーボン板においては反
りや凹凸が発生し易くなる。

【００１５】本発明は、このガラス状カーボン板面の反
りを最大で０．３ｍｍ以下に規制した平坦形状のガラス
状カーボン板でプラズマエッチング装置の電極板を構成
する点に特徴を有するものである。ガラス状カーボン板
をプラズマエッチング装置に装着する際には、プラズマ
を発生するガラス状カーボン板表面（ウエハに対面する
面）の裏側すなわち裏面を冷却板に接触した状態に取り
付けられるが、ガラス状カーボン板面に反りがあると、
冷却板面に均等かつ密着状態に取り付けることが困難と
なる。したがって、ガラス状カーボン面を均等に安定し
て冷却することができず、エッチング加工時において電
極表面部の温度分布が変動し、均一なエッチング速度で
精密に加工することができなくなる。

【００１６】また、プラズマを発生してエッチング加工
をする過程においてもガラス状カーボン板の表面はプラ
ズマ照射により次第に消耗していくが、温度分布の不均
一によって板面の反りは更に大きくなり、冷却板面との
均等な接触が損なわれて電極板面の温度分布が変動して
エッチング速度の不均一化が生じる。

【００１７】本発明は、電極を構成するガラス状カーボ
ン板面の反りを最大でも０．３ｍｍ以下の値に設定した
平坦形状にすることによって冷却板面との均等な接触を
可能とし、エッチング加工時において上部電極板面を均
等かつ安定に冷却して、その表面温度分布の変動を抑制
することにより均一で安定したエッチング速度が確保さ
れる。より好ましい反りの最大値は、０．２ｍｍ以下で
ある。反りの最大値が０．３ｍｍを超えると、冷却板面
との均等な接触が妨げられて表面温度分布の変動が大き
くなり、エッチング速度の不均一化を招く。ガラス状カ
ーボン板の反りを最大０．３ｍｍ以下の値に設定するこ
とによって、均一に電極板を冷却することが可能とな
る。

【００１８】本発明で特定するガラス状カーボン板面の
反りは、次の方法で測定される。ガラス状カーボン板を
定盤上に置き、ガラス状カーボン板の中心部および外周
部を４〜１０等分した各点についてダイヤルゲージによ
り定盤からの寸法および各測定点におけるガラス状カー
ボン板の厚さを測定し、その差から反りを算出する。な
お、ダイヤルゲージの代わりにレーザートレーサーなど
の電気計測器で測定することもできる。

【００１９】本発明のプラズマエッチング装置の電極用
ガラス状カーボン板の製造方法について説明すると、原
料樹脂には予め精製処理した残炭率４０％以上のフェノ
ール系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリカ
ルボジイミド系樹脂あるいはこれらを混合した熱硬化性
樹脂が用いられ、これらの樹脂は粉末状あるいは液状な
どの性状により、モールド成形、射出成形、遠心成形、
注型成形など適宜な成形手段により所定の板状に成形さ
れる。

【００２０】板状成形体は、大気中１５０〜３００℃の
温度に加熱して硬化処理する。硬化反応は発熱反応であ
るので硬化反応を均等に進行させるために加熱硬化時の
昇温速度はできるだけ緩徐に行う必要があり、１０℃／
ｈｒ以下、好ましくは５℃／ｈｒ以下、更に好ましくは
２℃／ｈｒ以下の昇温速度に設定される。硬化処理は所
定の温度に到達したのち、その温度に適宜時間保持する
ことにより行うが、硬化時間は樹脂組成や硬化剤、硬化
温度などによって適宜調整する。

【００２１】硬化後の樹脂成形体はフライス加工などの
機械研削や機械研磨により板面のうねりや凹凸を矯正し
たのち、非酸化性雰囲気に保持された加熱炉に詰め、８
００℃以上の温度に加熱して焼成炭化することによりガ
ラス状カーボン板が得られる。焼成炭化過程においては
成形体の収縮を伴うので均一に加熱処理することが重要
であり、また内部歪みを放出しその蓄積を防止するため
にも昇温速度は１０℃／ｈｒ以下、好ましくは５℃／ｈ
ｒ以下に設定する。また、焼成は硬化樹脂成形板を熱伝
導率８０ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃以上、弾性率９００ｋｇ
ｆ／ｍｍ² 以上の表面平滑な等方性黒鉛板の間に挟持
し、所定温度に加熱処理することにより行われる。

【００２２】焼成炭化して得られたガラス状カーボン板
は、更に高純度化処理される。高純度化処理は、例えば
雰囲気置換可能な電気式加熱炉に入れて精製したハロゲ
ン系のガスを流通させながら１４００〜３０００℃の温
度で加熱処理することにより行われる。高純度化処理し
たガラス状カーボン板は表面をバフ研磨あるいはダイヤ
モンドラッピングなどにより研磨し、表面平滑度を高め
て本発明のプラズマエッチング用の電極板が得られる。
なお、研磨後に高純度化処理する方法では高純度化処理
時の温度分布の不均一や焼成品内部に蓄積された内部歪
みにより、反りが大きくなり本発明のプラズマエッチン
グ用電極板を得ることが非常に困難となる。

【００２３】また、電極板に設ける反応性ガス導入用の
貫通小孔は、樹脂成形段階の硬化樹脂成形板に予め焼成
炭化時の寸法収縮率を見込んで穿設するか、焼成炭化し
たガラス状カーボン板に放電加工により穿設するかのい
ずれかの方法で行う。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明するが、本発明の実施態様はこれら実施例に
限定されるものではない。

【００２５】実施例１〜５ 原料樹脂として精製処理したフラン樹脂初期縮合物を用
い、この原料樹脂１００重量部に対して硬化剤（パラト
ルエンスルホン酸）０．６重量部を添加混合して原料樹
脂液を調製した。この原料樹脂液をポリプロピレン製の
バットに流し込み、１０Ｔｏｒｒ以下の減圧下で３時間
脱気処理したのち、８０℃の電気オーブンに入れて一昼
夜放置した。この成形物をバットから取り出して直径２
５０ｍｍの円板を得た。

【００２６】次いで、大気中２００℃の温度で２４時間
加熱して硬化処理したのち、この硬化樹脂成形体をフラ
イス旋盤で厚さ５ｍｍに平面加工した。このようにして
得られた直径２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの樹脂成形体に超
硬質金属材料からなるドリルにより２．５ｍｍの等間隔
で直径１．０ｍｍの貫通小孔を穿設した。次いで、不純
物５ｐｐｍ以下、熱伝導率１１０ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・
℃、弾性率１１００ｋｇｆ／ｍｍ² の表面平滑な黒鉛板
〔東海カーボン（株）製、Ｇ３４７〕に挟持した状態で
カンタル焼成炉にセットし、Ｎ₂ ガスを送入しながら２
℃／ｈｒの昇温速度により１０００℃の温度に加熱して
焼成炭化処理した。

【００２７】次いで、雰囲気調整可能な電気式加熱炉に
移し、精製した塩素ガス（Ｃｌ₂ ／Ａｒのモル比：５／
９５）を５リットル／分の割合で供給しながら２０００
℃の温度に加熱して高純度化処理を行ったのち、ダイヤ
モンド砥粒を用いて研磨し表面を平滑処理した。このよ
うにして反りの程度が異なる直径２００ｍｍ、厚さ４ｍ
ｍで多数の貫通小孔を有する総灰分２ppm の高純度のガ
ラス状カーボン板を製造した。

【００２８】これらのガラス状カーボン板を定盤上に置
き、その中心部および外周部を８等分した各測定点につ
いて、ダイヤルゲージにより定盤からの寸法と各測定点
におけるガラス上カーボン板の厚さを測定し、その差か
ら各測定点における反りを算出して、反りの最大値を求
めた。

【００２９】このようにして得られた各ガラス状カーボ
ン板からなる電極板をプラズマエッチング装置にセット
し、プラズマ反応ガスとしてトリクロロメタン、キャリ
アガスにアルゴンを用い、反応チャンバ内のガス圧１Ｔ
ｏｒｒ、電源周波数１３．５ＭＨｚの条件で６インチの
シリコンウエハ酸化膜のプラズマエッチング処理を行っ
た。エッチング処理を５０時間および１００時間行った
後におけるウエハ内の９箇所のエッチングされた深さ及
びそのばらつきを測定して、エッチング速度および均一
性を評価し、その結果を表１に示した。

【００３０】比較例１〜４ 実施例１〜５と同一の原料樹脂を用い、実施例１〜５と
同一の方法により硬化処理および焼成炭化処理したの
ち、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、表面を平滑処理
した。次いで、実施例１〜５と同一の方法により高純度
化処理して反りの程度が異なる直径２００ｍｍ、厚さ４
ｍｍで多数の貫通小孔を有する総灰分２ｐｐｍの高純度
のガラス状カーボン板を製造した。得られたガラス状カ
ーボン板について実施例１〜５と同一の方法により反り
の最大値を求め、また実施例１〜５と同一の方法により
プラズマエッチング処理を行って、エッチング速度およ
び均一性を評価して、その結果を表１に併載した。

【００３１】

【表１】 （表注）*1 オングストローム／hr、 *2 オングストローム

【００３２】表１の結果から、反りが小さくその最大値
が０．３ｍｍ以下のガラス状カーボン電極板を用いた場
合は、５０時間および１００時間エッチング処理後のエ
ッチング深さのばらつきが、反りの最大値が０．４ｍｍ
を超える比較例のガラス状カーボン電極板を用いた場合
に比べていずれも小さく、エッチング速度の均一性が高
いことが判る。なお、１００時間エッチング処理した後
のウエハーの状況から比較例においては中央部のエッチ
ング速度が外周に比較して早いことが認められた。

【００３３】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、板面の
反りが最大０．３ｍｍ以下の平坦形状のガラス状カーボ
ン板を電極板として用いることにより、冷却板との均等
かつ密接な接触が図られて均等に冷却することができ、
したがって、電極板の表面温度は安定化し、その結果エ
ッチング速度の均一性が向上して、安定したウエハー歩
留りが保証されるとともに、電極板の使用寿命の向上も
達成できるプラズマエッチング装置が提供される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G075 AA30 BC06 CA25 EB42 EC21 FB03 FC11 5F004 AA01 BA00 BB25 BB26 BB28 BB29 DB03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極板として、板面の反りが最大で０．
   ３ｍｍ以下の平坦形状を備えたガラス状カーボン板を配
   設したことを特徴とするプラズマエッチング装置。但
   し、ガラス状カーボン板の反りは、ガラス状カーボン板
   を定盤上に置き、ガラス状カーボン板の中心部および外
   周部を４〜１０等分した各点についてダイヤルゲージに
   より定盤からの寸法および各測定点におけるガラス状カ
   ーボン板の厚さを測定し、その差から算出する。