JP2006196491A - プラズマエッチング用電極板 - Google Patents

Abstract

【課題】パーティクルが発生することのないプラズマエッチング用電極板を提供する。
【解決手段】電極板の厚さ方向に平行に貫通細孔５が設けられているプラズマエッチング用電極板２において、前記貫通細孔５の内壁面は、表面粗さが大きい面部分（以下、粗面部分という）と表面粗さが小さい面部分（以下、平滑面部分という）とからなり、前記粗面部分１２は貫通細孔のエッチングガス流入側内壁面に形成されており、前記平滑面部分１３は貫通細孔５のエッチングガス流出側内壁面に形成されていることを特徴とするプラズマエッチング用電極板。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラズマエッチング装置に使用するパーティクル発生の少ないプラズマエッチング用電極板に関するものであり、特に長時間プラズマエッチングを行ってもパーティクルを発生することの少ないプラズマエッチング用電極板に関するものである。

半導体集積回路を製造する際のＳｉウェハをエッチングするための装置として、プラズマエッチング装置が知られており、このプラズマエッチング装置には、図３に示されるように、真空容器１内に貫通細孔５を有する電極板２と架台３が間隔をおいて設けられている。
このプラズマエッチング装置を用いてＳｉウェハをエッチングするには前記架台３の上にＳｉウェハ４を載置し、Ａｒの他にＣＨＦ₃ またはＣＦ₃ 等を含むエッチングガス７を電極板２に設けられた貫通細孔５を通してＳｉウェハ４に向って流しながら高周波電源６により電極板２と架台３の間に高周波電圧を印加し、この高周波電圧を印加することにより、供給されたエッチングガス７は電極板２と架台３の間の空間でプラズマ１０となり、このプラズマ１０がＳｉウェハに当ってＳｉウェハ４の表面がエッチングされるようになっている。

電極板２は、通常、カーボン、アモルファスカーボン、炭化シリコンで作製されるが、近年、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン、さらにドーピングされた単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで構成された電極板も提案されており、この単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで構成された電極板は前記カーボン、アモルファスカーボン、炭化シリコン、窒化シリコンで作製した電極板よりも被処理物のＳｉウェハを均一にエッチングすることができるとされている。
そして、前記電極板２に設けられた貫通細孔５の内壁面は表面粗さの小さい平滑面であるほど好ましく、ＲａをＪＩＳ−Ｂ０６０１で定義される表面粗さとすると、前記貫通細孔内壁面の表面粗さＲａは１０μｍ以下であることが好ましいとされている（特許文献１または２参照）。

前記電極板２を用いてＳｉウェハ４の表面をエッチングすると、図４の電極板２の貫通細孔５の拡大断面図に示されるように、エッチングガス流出側（図４の電極板２の下側）の貫通細孔の温度はプラズマ１０の発生により高くなるが、一方、電極板２に設けられた貫通細孔５のエッチングガス流入側（図４の電極板２の上側）は通常は冷却されており、温度は低い。
そのために、図４に示されるように、冷却されているエッチングガス流入側近傍の貫通細孔内壁に、エッチングガス中のＣＨＦ₃ またはＣＦ₃ などが反応し、固体のＣ_xＨ_ｙＦ_ｚ となって貫通細孔内壁に付着し（以下、この付着物をデポ物１１という）、このエッチングガス流入側近傍の貫通細孔内壁に付着したデポ物１１は貫通細孔内を高速で通過するエッチングガス７により脱落してパーティクルとなり、このパーティクルがＳｉウェハに付着してＳｉウェハの不良品が発生するといわれている。
これを防止するために、従来は、貫通細孔内壁に付着したデポ物１１が脱落する前に電極板２をプラズマエッチング装置から定期的に取り出して洗浄し、貫通細孔内壁に付着したデポ物１１の量を少量に保つことによりパーティクルの発生を防止していたが、前記従来のように、電極板２をプラズマエッチング装置から定期的に取り出して洗浄するには、プラズマエッチング装置の作動をいったん止めて電極板２をプラズマエッチング装置から取り出し、電極板２の洗浄終了後プラズマエッチング装置を再び立ちあげなければならないところから、時間的ロスが大きく、そのためＳｉウェハのプラズマエッチング効率の低下は避けられなかった。

かかる欠点を改良するために、図５に示される大径ストレート孔部分８および小径ストレート孔部分９からなる貫通細孔５を設けた電極板２が提供されている。この電極板２は、エッチングガス流入側近傍の貫通細孔５の径を所定の貫通細孔の径より大きくしてあることから、図６に示されるように、大径ストレート孔部分８にデポ物１１が生成しても、エッチングガス流入側近傍の貫通細孔内を流れるエッチングガスの流速が緩められているために、貫通細孔内壁に付着したデポ物１１はエッチングガス流速による脱落が抑えられてパーティクルの発生を減少させることができる（特許文献３参照）。
特開平７―２７３０９４号公報 特開平９―２８９１９５号公報 特開２００１―１０２３５７号公報

しかし、エッチングガス流入側近傍の貫通細孔５の径を所定の貫通細孔の径より大きくすると、電極板の一定面積内に設けられる貫通細孔の数が少なくなり、貫通細孔の数が少なくなると、貫通細孔から流出するエッチングガスの流出量が少なくなり、プラズマの発生量が少なくなってエッチング効率が低下する。したがって、プラズマエッチング用電極板には小径の貫通細孔を可能な限り多数設けた方が良い。
また、近年、Ｓｉウエハの大型化にともない、用いられる電極板が大型化し、さらに電極板の寿命を延ばして電極板の交換を極力少なくする傾向にあり、そのために電極板の厚さが一層厚くなっている。かかる従来の電極板は長時間使用するとパーティクルの発生が多くなるという欠点があった。

そこで、本発明者らは、かかる観点から、従来の電極板のように小径の貫通細孔を多数設け、さらに長時間プラズマエッチングを行っても貫通細孔内壁に付着したデポ物が脱落してパーティクルとなることの少ないプラズマエッチング用電極板を開発すべく研究を行った結果、
前記デポ物は主にエッチングガス流入側近傍の貫通細孔内壁面に生成することから、通常の表面が滑らかな貫通細孔を有する電極板において、図１に示されるように、貫通細孔５のエッチングガス流入側内壁面の表面粗さを大きくすると、図２に示されるように、エッチングガス流入側内壁面にデポ物１１が生成し付着しても、デポ物１１はエッチングガス流入側内壁面に強固に付着するために生成したデポ物１１がエッチングガス７の流速により脱落し難くなり、それによって長時間プラズマエッチングを行ってもパーティクルの発生を抑えることができるという研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）電極板の厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているプラズマエッチング用電極板において、前記貫通細孔の内壁面は、表面粗さが大きい面部分（以下、粗面部分という）と通常の電極板のように表面粗さが小さい面部分（以下、平滑面部分という）からなり、前記粗面部分は貫通細孔のエッチングガス流入側内壁面に形成されており、前記平滑面部分は貫通細孔のエッチングガス流出側内壁面に形成されているプラズマエッチング用電極板、に特徴を有するものである。

図１に示されるように、この発明のプラズマエッチング用電極板の貫通細孔内壁面における粗面部分１２の長さをｔ、貫通細孔全長をＴとすると、ｔ／Ｔ＝１／３〜２／３の範囲内にわたって貫通細孔の内壁面内に形成されていることが一層好ましい。その理由は、粗面部分が貫通細孔全長の１／３未満では粗面部分の長さが短すぎてデポ物が平滑面部分１３にまで付着し、平滑面部分１３に付着したデポ物は付着強度が弱いので落下し易くパーティクルが発生しやすくなるからであり、一方、粗面部分１２が貫通細孔全長Ｔの２／３を越えて形成すると、平滑面部分１３（すなわち、図１において、Ｔ−ｔの長さ部分）が短くなりすぎ、貫通細孔の平滑面部分が消耗したのち粗面部分の消耗に至るまでの時間が短く、プラズマエッチング時間が長くなると、貫通細孔の消耗が粗面部分にまで至り、粗面部分が消耗することにより粗面部分に付着しているデポ物が落下するようになってかえってパーティクルの発生が多くなるので好ましくないという理由によるものである。
したがって、この発明は、
（２）前記貫通細孔の内壁面における粗面部分１２は貫通細孔全長の１／３〜２／３の範囲内の長さにわたって形成されている前記（１）記載のプラズマエッチング用電極板、に特徴を有するものである。

そして、表面粗さＲａをＪＩＳ−Ｂ０６０１で定義される表面粗さとすると、この発明のプラズマエッチング用電極板の貫通細孔５の前記エッチングガス流出側の内壁面に形成されている平滑面部分１３の表面粗さはＲａ：０．５μｍ未満の範囲内にあってその表面粗さは滑らかなほど好ましいが、前記エッチングガス流入側内壁面に形成されている粗面部分１２の表面粗さはＲａ：０．５〜２０μｍの範囲内にあることが好ましい。したがって、この発明は、
（３）前記エッチングガス流入側内壁面に形成されている粗面部分１２の表面粗さはＲａ：０．５〜２０μｍの範囲内にあり、前記エッチングガス流出側の内壁面に形成されている平滑面部分１３の表面粗さはＲａ：０．５μｍ未満の範囲内にある前記（１）または（２）記載のプラズマエッチング用電極板、に特徴を有するものである。

この発明のプラズマエッチング用電極板を構成する素材は、通常使用されている
カーボン、アモルファスカーボン、炭化シリコン、窒化シリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン、柱状晶シリコンなどの内いずれでも良いが、これらの中でも単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンが好ましく、単結晶シリコンが最も好ましい。したがって、この発明は、
（４）前記電極板は、シリコン単結晶、シリコン多結晶または柱状晶シリコンからなる前記（１）、（２）または（３）記載のプラズマエッチング用電極板、に特徴を有するものである。

この発明のプラズマエッチング用電極板に設けられている粗面部分および平滑面部分が形成されている貫通細孔は、電極板２の一方の面から加工速度を早くして穴をあけることにより粗面部分１２を有する貫通細孔を形成し、一方、電極板２の他方の面から加工速度を遅くして平滑面部分を形成することにより得られる。電極板に貫通細孔を形成する方法として、ドリルが使用されるが、その中でもダイヤモンドドリルによる加工が最も好ましい。

この発明のプラズマエッチング用電極板を用いてプラズマエッチングすると、長持間プラズマエッチングしても直径：０．３μｍ以上の大きなパーティクルの発生がほとんどなく、したがってこの発明のプラズマエッチング用電極板は長持間洗浄することなく使用することができるところから電極板の洗浄回数および交換回数を減らすことができ、さらにＳｉウェハのプラズマエッチングによる不良品の発生もないところから、従来よりも効率よくＳｉウェハのプラズマエッチングを行うことができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献しうるものである。

発明の実施の形態

実施例１
直径：３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：１０ｍｍに輪切り切断して単結晶シリコン円板を作製し、この単結晶シリコン板の片面にダイヤモンドドリルにより表１に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する粗面部分の穿孔を行い、ついでこの粗面部分の穴を明けた単結晶シリコン板の反対側の片面からダイヤモンドドリルにより表１に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する平滑面部分の穿孔を行うことにより貫通細孔内面に表１に示される長さおよび表面粗さＲａを有する本発明電極板１〜３、比較電極板１〜２を作製した。さらに表１に示される直径：０．５ｍｍを有し、貫通細孔全体が表１に示される表面粗さを有する従来電極板１〜２を作製した。

このようにして作製した本発明電極板１〜３、比較電極板１〜２および従来電極板１〜２をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらに直径：８インチＳｉウエハをプラズマエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、Ｓｉウエハ表面のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、２００時間、３００時間および４００時間経過した時点でのＳｉウエハ表面に付着した直径：０．３μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表１に示した。

表１に示される結果から、本発明電極板１〜３を使用してプラズマエッチングを行なうと、４００時間までエッチングを行ってもパーティクルの生成がほとんど見られないのに対し、従来電極板１〜２およびこの発明の条件から外れた長さの表面部分を有する比較電極板１〜２はプラズマエッチング時間が２００時間以上となるとパーティクルの生成が急に増加することが分かる。

実施例２
直径：３００ｍｍの多結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：１０ｍｍに輪切り切断して多結晶シリコン円板を作製し、この多結晶シリコン板の片面にダイヤモンドドリルにより表２に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する粗面部分の穿孔を行い、ついでこの粗面部分の穴を明けた多結晶シリコン板の反対側の片面からダイヤモンドドリルにより表２に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する平滑面部分の穿孔を行うことにより貫通細孔内面に表２に示される長さおよび表面粗さＲａを有する本発明電極板４〜６、比較電極板３〜４を作製した。さらに表２に示される直径：０．５ｍｍを有し、貫通細孔全体が表２に示される表面粗さを有する従来電極板３〜４を作製した。

このようにして作製した本発明電極板４〜６、比較電極板３〜４および従来電極板３〜４をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらに直径：８インチＳｉウエハをプラズマエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、Ｓｉウエハ表面のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、２００時間、３００時間および４００時間経過した時点でのＳｉウエハ表面に付着した直径：０．３μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表２に示した。

表２に示される結果から、本発明電極板４〜６を使用してプラズマエッチングを行なうと、４００時間までエッチングを行ってもパーティクルの生成がほとんど見られないのに対し、従来電極板３〜４およびこの発明の条件から外れた長さの表面部分を有する比較電極板３〜４はプラズマエッチング時間が２００時間以上となるとパーティクルの生成が急に増加することが分かる。

実施例３
直径：３００ｍｍの柱状晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：１０ｍｍに輪切り切断して柱状晶シリコン円板を作製し、この柱状晶シリコン板の片面にダイヤモンドドリルにより表３に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する粗面部分の穿孔を行い、ついでこの粗面部分の穴を明けた柱状晶シリコン板の反対側の片面からダイヤモンドドリルにより表３に示される加工速度で直径：０．５ｍｍを有する平滑面部分の穿孔を行うことにより貫通細孔内面に表３に示される長さおよび表面粗さＲａを有する本発明電極板７〜９、比較電極板５〜６を作製した。さらに表３に示される直径：０．５ｍｍを有し、貫通細孔全体が表３に示される表面粗さを有する従来電極板５〜６を作製した。

このようにして作製した本発明電極板７〜９、比較電極板５〜６および従来電極板５〜６をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらに直径：８インチＳｉウエハをプラズマエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、Ｓｉウエハ表面のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、２００時間、３００時間および４００時間経過した時点でのＳｉウエハ表面に付着した直径：０．３μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表３に示した。

表３に示される結果から、本発明電極板７〜９を使用してプラズマエッチングを行なうと、４００時間までエッチングを行ってもパーティクルの生成がほとんど見られないのに対し、従来電極板５〜６およびこの発明の条件から外れた長さの表面部分を有する比較電極板５〜６はプラズマエッチング時間が２００時間以上となるとパーティクルの生成が急に増加することが分かる。

この発明のプラズマエッチング用電極板の断面図である。 この発明のプラズマエッチング用電極板の貫通細孔内壁の粗面部分にデポ物が付着した状態を示す断面説明図である。 従来のプラズマエッチング装置の断面説明図である。 従来のプラズマエッチング用電極板の貫通細孔にデポ物が付着した状態を示す断面説明図である。 従来のプラズマエッチング用電極板の断面説明図である。 従来のプラズマエッチング用電極板の貫通細孔にデポ物が付着した状態を示す断面説明図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 電極板
３ 架台
４ Ｓｉウェハ
５ 貫通細孔
６ 高周波電源
７ プラズマエッチングガス
８ 大径ストレート孔部分
９ 小径ストレート孔部分
１０ プラズマ
１１ デポ物
１２ 粗面部分
１３ 平滑面部分

Claims (4)

1. 電極板の厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているプラズマエッチング用電極板において、
   前記貫通細孔の内壁面は、表面粗さが大きい面部分（以下、粗面部分という）と表面粗さが小さい面部分（以下、平滑面部分という）とからなり、前記粗面部分は貫通細孔のエッチングガス流入側内壁面に形成されており、前記平滑部分は貫通細孔のエッチングガス流出側内壁面に形成されていることを特徴とするプラズマエッチング用電極板。
2. 前記粗面部分は貫通細孔全長の１／３〜２／３の範囲内の長さにわたって貫通細孔の内壁面内に形成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング用電極板。
3. ＲａをＪＩＳ−Ｂ０６０１で定義される表面粗さとすると、前記貫通細孔の内壁面の粗面部分はＲａ：０．５〜２０μｍの範囲内の表面粗さを有し、前記貫通細孔の内壁面の平滑部分はＲａ：０．５μｍ未満の範囲内の表面粗さを有することを特徴とする請求項１または２記載のプラズマエッチング用電極板。
4. 前記電極板は、シリコン単結晶、シリコン多結晶または柱状晶シリコンからなることを特徴とする請求項１、２または３記載のプラズマエッチング用電極板。
   

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