JP2006339367A

JP2006339367A - プラズマ処理装置用部材の表面処理方法及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2006339367A
Application number: JP2005161627A
Authority: JP
Inventors: Masanori Sekiguchi; 正紀関口; Seiji Matsumoto; 省二松元
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】プラズマ処理装置用部材からの発塵を抑制することができる、プラズマ処理装置用部材の表面処理方法、及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】プラズマ処理装置用部材の表面部の元素組成比を、当該部材のバルク部の元素組成比と略同一にする処理を行う。また、当該処理には、例えば、熱処理、研磨処理、あるいは、プラズマエッチング処理を用いることができる。
このように、部材表面部から、不完全な元素組成を有する領域をなくすことにより、当該部材から生じるパーティクル数を減少させることが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ処理装置用部材の表面処理方法及びプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマが維持される反応室内に、露出する状態で使用されるプラズマ処理装置用部材の表面処理方法、及び当該表面処理が実施された部材を備えたプラズマ処理装置に関する。

半導体装置の製造工程において、各種材料膜の成膜工程や、配線やコンタクトホール等を形成する際のドライエッチング工程に、プラズマ処理装置が多用されている。このようなプラズマ処理装置では、プラズマ処理が実施される反応室内にパーティクルが発生した場合、当該パーティクルがウエハ上に付着し、半導体装置の製造歩留りを低下させる。このため、反応室内でのパーティクルの発生を抑制する技術は、半導体装置を歩留りよく形成するための必須の技術となっている。

ここで、ドライエッチング工程で使用される一般的な平行平板型のプラズマ処理装置の構造を、図１２に示す概略構成図に基づいて説明する。図１２に示すように、この種のプラズマ処理装置は、内部に一対の円盤状の電極が配置された減圧可能な反応室１を備える。この一対の電極は、一般に、互いに平行に、かつ上下に配置された上部電極２と下部電極３とにより構成される。

上部電極２は、例えば、シリコン、ニッケル、ニッケル合金等からなり、反応室１の上壁１１に支持されている。上部電極２と反応室１の上壁１１との間には空間部２１が設けられており、当該空間部２１の上壁１１側に、反応室１へプロセスガス４１を供給するガス供給管４が連通されている。また、上部電極２は、下部電極３と対向する面（以下、下面という。）に、複数のガス噴出孔２２を備えている。

また、空間部２１には、上部電極２の下面と略平行に、１枚、あるいは複数枚のガス分散板２３が設けられている。ガス分散板２３は、ガス供給管４から導入されたプロセスガス４１を、上部電極２の各ガス噴出孔２２から均一に噴出させる整流器として機能するとともに、上部電極２と下部電極３との間に生成されるプラズマ５が、ガス供給管４に進入することを防止する。

図１２の例では、上部電極２の下面側から順に、第１のガス分散板２３１と、第２のガス分散板２３２とが配置されている。また、各ガス分散板２３１、２３２には複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、上述の機能を奏するため、平面視において、隣接するガス分散板の貫通孔と重なることのない位置に形成されている。また、図１２では、各ガス分散板２３１、２３２において貫通孔が形成されている領域は、ガス供給管４に近いものほど、狭くなっている。

そして、図１２の例では、下部電極３に接続された高周波電源３１印加する高周波電力により、上部電極２と下部電極３との間にガス噴出孔２２から噴出されたプロセスガス４１のプラズマ５が生成される。なお、エッチング対象となるウエハ３２は下部電極３上に載置される。

上記構成のプラズマ処理装置において、エッチング処理が実施されると、エッチング処理の過程で生成された反応生成物が反応室１の内壁や、上部電極２を始めとする反応室１内に配設された部材に付着する。そして、このような付着物が剥がれる際に、パーティクルが発生する。

このようなパーティクルの発生を抑制する手法として、後掲の特許文献１には、上部電極等のプラズマ処理装置用部材の成形加工時に、当該部材の表面に形成され反応生成物の付着力を低下させるダメージ層を、酸化剤を含有するエッチング液により洗浄除去する技術が開示されている。この技術によれば、部材表面の反応生成物の付着力を高めることができ、パーティクルの発生を抑制することが可能となる。
特開２００３−６８６５３号公報

しかしながら、図１２に示したプラズマ処理装置では、反応室１内に配置される全ての部材に上記特許文献１に開示された技術を適用した場合であっても、装置メンテナンス等により電極２、３やガス分散板２３等の部材の交換を行った際に、パーティクルが発生する。

図１３は、部材交換後の累積プラズマ処理時間に対するパーティクル増加数の依存性を示す図である。ここで、パーティクル増加数とは、プラズマ処理後にウエハ上で計数されたパーティクル数（ここでは、０．２μｍ以上の大きさを有する微粒子数）から、プラズマ処理前にウエハ上で計数されたパーティクル数を差し引いた値である。また、図１３において、横軸は累積プラズマ処理時間に対応し、縦軸はパーティクル増加数に対応する。

なお、図１３は、表面に自然酸化膜のみが存在するシリコン基板（以下、ダミーウエハという。）を下部電極３上に配置した状態で、シリコン酸化膜をエッチングするプラズマ処理（以下、ダミープラズマ処理という。）を行った場合のデータである。ダミープラズマ処理は、プロセスガスとして、ＣＦ₄ガスを５ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１０ｓｃｃｍ、Ｃ₄Ｆ₈ガスを１５ｓｃｃｍ、ＣＯガスを１５０ｓｃｃｍ、及び希釈ガスとしてＡｒガスを２５０ｓｃｃｍの各流量で導入するとともに、反応室１内を４０〜８０ｍＴｏｒｒの圧力に維持し、下部電極３に４００〜１６００Ｗの高周波電力を印加している。

図１３に示すように、部材を交換した直後は、パーティクル増加数は、半導体装置の製造工程において要求される３０個を超える状態を推移し、累積プラズマ処理時間が５０時間を経過すると、パーティクル増加数が３０個以下になる。この結果は、部材交換後に５０時間程度のダミープラズマ処理を実行しなければ、当該プラズマ処理装置を半導体装置の製造に使用できないことを示している。

半導体装置の製造工程において、このような長時間のダミープラズマ処理は、プラズマ処理装置の稼働率を低下させる上、ダミープラズマ処理のプロセスガス、及びダミーウエハ等の材料費、ダミープラズマ処理としてプラズマ処理装置を稼動するための原動費を必要とする。このため、長時間のダミープラズマ処理により増大する半導体装置の製造コストは無視できない。

本願発明者らは、パーティクルの発生要因を調査した結果、当該パーティクルが第１のガス分散板２３１から生じていることを見出した。図１４の上部電極２の拡大図に示すように、第１のガス分散板２３１のガス導入孔２２に対応する部分は、プラズマ５に直接曝される。したがって、第１のガス分散板２３１は、プラズマ耐性（プラズマとの反応性が低い、あるいは、反応性がない）と、熱耐性とが優れるとともに、発塵のない材質である必要がある。このため、第１のガス分散板２３１の材質には、炭化シリコン（ＳｉＣ）や酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックスが使用されている。

すなわち、特許文献１に開示された部材表面の付着力を高める表面処理では、ＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃等からなる部材からのパーティクルの発生を十分に抑制することができないのである。

そこで、本願発明者らは、上記パーティクルの発生原因を究明するため、第１のガス分散板２３１の表面状態の調査を行った。図１５は、ＳｉＣからなる第１のガス分散板２３１の表面状態を示す断面図である。

図１５から理解できるように、第１のガス分散板２３１の表面には、表面粗さ（算術表面粗さ）Ｒａが０．５μｍと良好な平坦度を有する平坦領域６１と、表面粗さＲａが５．０μｍと平坦度が悪い粗面領域６２が存在している。また、図１６は、粗面領域６２の表面部の元素組成をエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectrometry）により分析した結果である。また、図１７は、平坦領域６１の表面部の元素組成をＥＤＸ装置により分析した結果である。なお、図１６及び図１７において、横軸はＸ線のエネルギー（波長）に対応し、縦軸は検出されたＸ線の強度に対応する。また、炭素（Ｃ）とシリコン（Ｓｉ）に対応する特性Ｘ線位置には、それぞれの元素記号を付している。

図１６に示すように、粗面領域６２では炭素が約９８％検出されている。すなわち、粗面領域６２の表面部は、ほぼ炭素で構成されており、ＳｉＣ組成としては不完全である。一方、図１７に示すように、平坦領域６１では、Ｃが４５％検出され、Ｓｉが５３％検出されている。すなわち、平坦領域６１では、炭素とシリコンとの組成比が、Ｃ：Ｓｉ＝１：１．１８であり、ＳｉＣ組成として妥当な組成比である。このことから、平坦領域６１は、ＳｉＣが主成分になっていることが推測される。

例えば、上述のダミープラズマ処理において、プラズマ５に曝された第１のガス分散板２３１では、平坦領域６１は、プラズマ耐性を有しているためほとんどエッチングされないが、粗面領域６２は、Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂の反応機構によりエッチングされる。

上記反応機構によれば、粗面領域６２がエッチングされる際にパーティクルは生じないことになるが、上述のように、粗面領域６２は表面粗さＲａが５μｍであり、その表面には、当該表面粗さに相当するμｍオーダの凹凸が存在している。

図１４に示すように、粗面領域６２の凹部において等方的にエッチングが進行すると、粗面領域６２の凸部は、自身が完全にエッチングされる前に第１のガス分散板２３１から離脱してパーティクル２４になる。このように、第１のガス分散板２３１から離脱したパーティクル２４の中で、反応室１内で浮遊することが不可能な自重を有するものがウエハ３２上に落下する。

以上の分析結果から、本願発明者らは、炭素を主成分とする粗面領域６２がパーティクル発生に関与しているとの知見に到達したのである。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、従来に比べて非常に短時間で、部材交換後のプラズマ処理を行うことが可能となる、プラズマ処理装置用部材の表面処理方法、及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明に係るプラズマ処理装置用部材の表面処理方法は、プラズマ処理が行われる反応室内に、少なくとも一部が露出する状態で使用されるプラズマ処理装置用部材の表面処理方法を前提としている。そして、本発明に係るプラズマ処理装置用部材の表面処理方法は、上記部材の表面部の元素組成比を、当該部材のバルク部の元素組成比と略同一にする処理を行うことを特徴としている。ここで、部材のバルク部とは、例えば、部材が単一の材料からなる場合、当該材料が本来有するべき元素組成比を有している部位を差す。また、部材が２以上の材料が積層された構造を有する場合は、部材のバルク部とは、最表面層の材料が本来有するべき元素組成比を有している部位を指す。

このように、部材表面部から、バルク部と異なる元素組成比を有する領域をなくすことにより、当該部材から生じるパーティクル数を減少させることが可能となる。なお、部材表面部の元素組成比が、部材バルク部の元素組成比と略同一であるか否かは、部材表面部の表面粗さに基づいて判定することができる。

また、表面部の元素組成比を、バルク部の元素組成比と略同一にする処理には、例えば、熱処理、研磨処理、あるいは、プラズマエッチング処理を用いることができる。特に、上記部材の主成分が炭化シリコンである場合、これらの各処理は、以下の条件を採用することができる。

上記熱処理は、例えば、８００℃から９００℃の雰囲気温度で実施されることが好ましい。これにより、ＳｉＣ部材の表面部に存在する炭素過多の領域の炭素が燃焼されるとともに、当該領域の元素組成比を、バルク部の元素組成比に近づけることができる。この結果、プラズマ処理の際、パーティクルの発生が抑制される。

また、上記研磨処理の研磨量は、例えば、０．１μｍから１０μｍであることが好ましい。これにより、ＳｉＣ部材の表面部に存在する炭素過多の領域の炭素が物理的に除去され、バルク部が表面に露出される。この結果、プラズマ処理の際、パーティクルの発生が抑制される。

さらに、上記プラズマエッチング処理は、四フッ化炭素と酸素とを主成分とする反応性ガスにより行うことが好ましい。ＳｉＣ部材の表面部に存在する炭素過多の領域の炭素が効率的にエッチング除去され、短時間で当該領域の元素組成比をバルク部の元素組成比に近づけることができる。この結果、プラズマ処理の際、パーティクルの発生が抑制される。

以上のような表面処理方法が実施されたプラズマ処理装置用部材は、当該表面処理によりパーティクルの発生が抑制されているため、装置メンテナンス等により、部材が交換された場合であっても、従来に比べて、ダミープラズマ処理の処理時間を著しく短縮することができる。このため、プラズマ処理装置の稼動停止時間を著しく短縮することができる。

本発明のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法は、部材表面部において、部材バルク部の元素組成比と異なる元素組成比を有する領域を部材表面部からなくすことができ、プラズマ処理の際に、当該部材から発生するパーティクル数を低減させることができる。この結果、装置メンテナンス等により部材が交換された場合であっても、従来に比べて、ダミープラズマ処理の処理時間を著しく短縮することができ、プラズマ処理装置の稼動停止時間を著しく短縮することができる。

また、本発明の表面処理方法によれば、プラズマ処理中に発生するパーティクル数が減少されるため、半導体装置の製造歩留りを向上させることもできる。加えて、ダミープラズマに使用されるプロセスガス、及びダミーウエハ等の材料費の低減することができるとともに、ダミープラズマ処理の原動費も低減することができるため、半導体装置の製造コストを低下させることができる。

本発明は、特にＳｉＣやＡｌ₂Ｏ₃等の焼結体（セラミックス）等からなる部材の表面処理として好適である。

以下、本発明の実施の形態を、本発明を、図１２に示した第１のガス分散板２３１に使用されるＳｉＣからなる部材（以下、ＳｉＣ部材という。）に適用した事例に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
本発明に係る第１の実施の形態では、ＳｉＣ部材をプラズマ処理装置に装着する前に、熱処理による表面処理を実施する事例を説明する。

当該熱処理は、空気や酸素等の酸化雰囲気中で行われる。このとき、熱処理温度は、未処理のＳｉＣ部材６０の表面部に存在する炭素（図１５の粗面領域６２）を効率的に燃焼させることが可能な温度であればよいが、特に、雰囲気温度が、８００℃から９００℃の範囲であることが好ましい。また、熱処理時間は、粗面領域６２として存在する炭素が低減し、当該領域６２のシリコンと炭素との組成比が、ほぼ１：１になる時間とすればよい。

図１は、上記熱処理を実施したＳｉＣ部材７０の表面状態を示す断面図である。なお、当該表面状態は、触針式段差計により取得したものであり、図１に示す領域内での表面粗さＲａは０．４μｍ〜０．８μｍとなっている。また、図１において、縦軸は図１５の縦軸と同一のスケールになっている。

また、図２は、図１に示す領域７１に対してＥＤＸ装置により組成分析を行った結果を示す図であり、図３は、図１に示す領域７２に対してＥＤＸ装置により組成分析を行った結果を示す図である。ここで、領域７１の表面粗さＲａは０．４μｍであり、領域７２の表面粗さＲａは０．８μｍである。

さらに、図４は、熱処理を実施したＳｉＣ部材７０をプラズマ処理装置に装着し、ダミープラズマ処理を行った際の、パーティクル増加数の累積ダミープラズマ処理時間依存性を示す図である。なお、図４では、熱処理を行ったＳｉＣ部材７０のデータを黒丸で示し、比較例として、図１３に示した未処理のＳｉＣ部材６０のデータを併記している。

図２、及び図３から理解できるように、上記熱処理を実施したＳｉＣ部材７０では、表面部のシリコンと炭素の組成比が、ほぼ１：１となっている。また、図４に示すように、パーティクル増加数が３０個以下に到達するのに要する累積ダミープラズマ処理時間は、上記熱処理を未実施のＳｉＣ部材６０が５３．５時間であるのに対し、上記熱処理を実施したＳｉＣ部材７０は１時間であり、極めて短くなっている。

さらに、パーティクル増加数に着目すると、未処理のＳｉＣ部材６０を使用した場合に比べて、熱処理を実施したＳｉＣ部材７０を使用した場合の方が小さくなっている。例えば、熱処理を実施したＳｉＣ部材７０を使用した場合、累積ダミープラズマ処理が１０時間程度であるときのパーティクル増加数の値は、未処理のＳｉＣ部材６０において、２００時間以上のダミープラズマ処理が行われたときに平均的に得られるパーティクル増加数と同等である。

以上のことから、本実施の形態の熱処理により、ＳｉＣ部材６０の表面部に粗面領域６２（図１５参照）である炭素を主成分とする領域の炭素が燃焼され、ダミープラズマ処理中に発生するパーティクル数を低減できることが理解できる。

また、図１に示すように、熱処理が実施されたＳｉＣ部材７０の表面は、図１５に示した未処理のＳｉＣ部材６０の表面に比べて滑らかになっている。このことから、図１５において、シリコンと炭素との組成比が、ほぼ１：１であった平坦領域６１においても、微視的には、炭素を主成分とする領域が存在し、当該領域６１の炭素が上記熱処理により燃焼されたことが推測される。さらに、上記熱処理の雰囲気温度によれば、ＳｉＣ部材において、シリコンと炭素とが未結合の状態で存在する領域では、シリコンと炭素の結合反応を促進させることもできる。すなわち、上記熱処理の過程では、ＳｉＣ部材の表面部において、炭素の燃焼と、シリコンと炭素の結合反応とが同時に進行し、結果として、不完全なＳｉＣ組成が、より完全なＳｉＣ組成に改質されるのである。

以上説明したように、上記熱処理を実施することにより、パーティクル発生の要因であった、ＳｉＣ部材の表面部の炭素を主成分とする領域をなくすことができ、ＳｉＣ部材の表面部の元素組成比を、バルク部の元素組成比と略同一にすることができる。これにより、プラズマ処理の際に、ＳｉＣ部材から発生するパーティクル数を低減することができ、装置メンテナンス等により部材が交換された場合であっても、従来に比べて、ダミープラズマ処理の処理時間を著しく短縮することができる。この結果、従来からＳｉＣ部材を交換した際に必要であったダミープラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置の稼動停止時間を著しく短縮することができる。

また、上記熱処理を実施することにより、プラズマ処理中にＳｉＣ部材から発生するパーティクルの数が減少するので、半導体装置の製造歩留りを向上させることもできる。さらに、ダミープラズマに使用されるプロセスガス、及びダミーウエハ等の材料費、並びに、ダミープラズマ処理の原動費を低減することができ、結果として、半導体装置の製造コストを低下させることができる。

なお、図２及び図３に基づけば、ＳｉＣ部材表面部の元素組成比が、バルク部の元素組成比と略同一であるか否かを、表面粗さに基づいて判定することができる。例えば、本実施の形態では、上記熱処理によりＳｉＣ部材の表面粗さが１μｍ以下であれば、上述の効果を得ることが可能である。

また、上記ＳｉＣ部材は、製造される際に加熱が行われるが、当該製造時の後処理として、本実施の形態にいう熱処理を実施してもよい。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、ＳｉＣ部材の表面部の元素組成比を、バルク部の元素組成比と略同一にする表面処理として熱処理を実施したが、当該表面処理は、研磨処理により実施ことも可能である。以下では、ＳｉＣ部材の表面処理に研磨処理を採用した事例を説明する。

本実施の形態の研磨処理は、ミクロンオーダでの研磨量制御が可能な公知の研磨装置により実施することができる。ここでは、特に、半導体装置の製造工程に使用されているＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術により、サブミクロンオーダでの研磨制御が可能な研磨装置を使用することが好ましい。なお、ＳｉＣ部材は第１のガス分散板２３１として機能するための貫通孔を備える必要があるが、当該貫通孔は、貫通孔の形成前の円盤状の状態で研磨処理を実施した後に形成すればよい。

また、上記研磨処理における研磨量は、研磨前の表面粗さＲａに基づいて設定することが可能である。ここでは、図１５に示すように、粗面領域６２の表面粗さＲａが５μｍであることから、７μｍの研磨量を設定している。なお、当該研磨量は、研磨後のＳｉＣ部材８０の厚みが、プラズマ処理装置に装着した場合に、機能上の問題が発生しない限り増やすことが可能である。

図５は、上記研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０の表面状態を示す断面図である。なお、当該表面状態は、触針式段差計により取得したものであり、図５に示す領域内での表面粗さＲａは０．４μｍ〜０．８μｍとなっている。また、図５において、縦軸は図１５の縦軸と同一のスケールになっている。

また、図６は、図５に示す領域８１に対してＥＤＸ装置により組成分析を行った結果を示す図であり、図７は、図５に示す領域８２に対してＥＤＸ装置により組成分析を行った結果を示す図である。ここで、領域８１の表面粗さＲａは０．４μｍであり、領域８２の表面粗さＲａは０．８μｍである。

さらに、図８は、研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０をプラズマ処理装置に装着し、ダミープラズマ処理を行った際の、パーティクル増加数の累積ダミープラズマ処理時間依存性を示す図である。なお、図８では、研磨処理を行ったＳｉＣ部材８０のデータを黒丸で示し、比較例として、図１３に示した未処理のＳｉＣ部材６０のデータを併記している。

図６、及び図７から理解できるように、本実施の形態の研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０では、表面部のシリコンと炭素の組成比が、ほぼ１：１となっている。また、図８に示すように、パーティクル増加数が３０個以下に到達するのに要する累積ダミープラズマ処理時間は、上記研磨処理を未実施のＳｉＣ部材６０が５３．５時間であるのに対し、上記研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０は１．７時間であり、極めて短くなっている。

さらに、パーティクル増加数に着目すると、研磨処理を未実施のＳｉＣ部材６０を使用した場合に比べて、研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０を使用した場合の方が小さくなっている。例えば、研磨処理を実施したＳｉＣ部材８０を使用した場合、累積ダミープラズマ処理が１０時間程度であるときのパーティクル増加数の値は、未処理のＳｉＣ部材６０において、２００時間以上のダミープラズマ処理が行われたときに平均的に得られるパーティクル増加数と同等である。

以上のことから、上記研磨処理により、ＳｉＣ部材６０の表面部に粗面領域６２（図１５参照）である炭素を主成分とする領域が研磨除去され、ダミープラズマ処理中に発生するパーティクル数を低減できることが理解できる。

また、図５及び図１５に示すように、研磨処理が実施されたＳｉＣ部材８０の表面は、研磨処理が実施されていないＳｉＣ部材６０の表面に比べて滑らかになっている。これは、未処理のＳｉＣ部材６０の表面部が研磨除去され、より完全なＳｉＣ組成を有するバルク部がＳｉＣ部材８０の表面に露出されたことを示している。

以上説明したように、上記研磨処理を実施することにより、パーティクル発生の原因でであった、ＳｉＣ部材表面部の炭素を主成分とする領域をなくすことができ、より完全なＳｉＣ組成を有するＳｉＣ部材のバルク部を表面部に露出させることができる。これにより、プラズマ処理の際に、ＳｉＣ部材から発生するパーティクル数を低減することができ、装置メンテナンス等により部材が交換された場合であっても、従来に比べて、ダミープラズマ処理の処理時間を著しく短縮することができる。この結果、従来からＳｉＣ部材を交換した際に必要であったダミープラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置の稼動停止時間を著しく短縮することができる。また、上記研磨処理を行うことにより、第１の実施の形態と同様に、半導体装置の製造コストを低下させることができる。

（第３の実施の形態）
上記各実施の形態で説明したように、ＳｉＣ部材表面部の炭素を主成分とする領域をなくすことにより、ＳｉＣ部材から発生するパーティクル数を減少させることができる。そこで、第３の実施の形態では、ＳｉＣ部材の表面部の元素組成比をバルク部の元素組成比と略同一にする表面処理に、プラズマエッチング処理を採用した事例を説明する。

本実施の形態のプラズマエッチング処理は、未処理のＳｉＣ部材６０の表面部に存在する炭素を主成分とする領域を積極的にエッチング除去するものである。そこで、当該プラズマエッチング処理では、エッチングガスとして、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを主成分とするエッチングガスを使用する。この場合、炭素は、Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂↑ の反応機構によりエッチングされる。

また、上述したように、未処理のＳｉＣ部材６０の表面部には、微視的には、炭素を主成分とする部分が存在している。この観点では、ＳｉＣ部材６０の表面部には、微視的には、シリコンを主成分とする部分も存在する。このため、上記プラズマエッチング処理のエッチング条件を炭素のみをエッチング可能な条件とした場合、処理後のＳｉＣ部材の表面部には、シリコンを主成分とする部分が残留し、当該シリコンがプラズマ処理中にパーティクルとなることが懸念される。このため、本実施の形態のプラズマエッチング処理では、シリコンがエッチング可能となるようにＣＦ₄ガスを導入している。この場合、シリコンは、Ｓｉ＋Ｏ₂＋ＣＦ₄→ＳｉＦ₄↑＋ＣＯ₂↑ の反応機構によりエッチングされる。

上記エッチングガスの流量は、例えば、ＣＦ₄ガスを１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス１０００ｓｃｃｍとすることができる。このとき、反応室１内の内部圧力は４０〜６０ｍＴｏｒｒであり、下部電極３への印加電力は、４００〜１６００Ｗである。当該条件によれば、炭素のエッチング速度は、１１．２７ｎｍ／時間（上記ダミープラズマでは０．９２ｎｍ／時間）であり、シリコンのエッチング速度は、１．３１ｎｍ／時間（上記ダミープラズマでは０．２３ｎｍ／時間）である。

なお、炭素とシリコンとをともにエッチング可能なエッチングガスの組み合わせは種々存在するが、炭素とシリコンのエッチングを阻害させないために、エッチングガスは、ＣＦ₄とＯ₂ガスのみの混合ガスであることが好ましい。

図９は、上記プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０の表面状態を示す断面図である。なお、当該表面状態は、触針式段差計により取得したものであり、図９に示す領域内での表面粗さＲａは０．６μｍ以下となっている。また、図９において、縦軸は図１５の縦軸と同一のスケールにしている。

また、図１０は、図９において、表面粗さＲａが０．６μｍである領域９１に対してＥＤＸ装置により組成分析を行った結果を示す図である。さらに、図１１は、プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０をプラズマ処理装置に装着し、ダミープラズマ処理を行った際の、パーティクル増加数の累積ダミープラズマ処理時間依存性を示す図である。なお、図１１には、プラズマエッチング処理を行ったＳｉＣ部材９０のデータを黒丸で示し、比較例として、図１３に示した未処理のＳｉＣ部材６０のデータを併記している。

図１０から理解できるように、上記プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０では、表面部のシリコンと炭素の組成比が、ほぼ１：１となっている。また、図１１に示すように、パーティクル増加数が３０個以下に到達するのに要する累積ダミープラズマ処理時間は、上記プラズマエッチング処理を未実施のＳｉＣ部材６０が５３．５時間であるのに対し、上記プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０は１０．８時間であり、極めて短くなっている。

さらに、パーティクル増加数に着目すると、プラズマエッチング処理を未実施のＳｉＣ部材６０を使用した場合に比べて、プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０を使用した場合の方が小さくなっている。例えば、プラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材９０を使用した場合、累積ダミープラズマ処理が２０時間程度であるときのパーティクル増加数の値は、未処理のＳｉＣ部材６０において、１００時間程度のダミープラズマ処理が行われたときに平均的に得られるパーティクル増加数よりも小さい。

以上のことから、上記プラズマエッチング処理により、パーティクルの発生要因であったＳｉＣ部材６０の表面部に粗面領域６２（図１５参照）である炭素を主成分とする領域がエッチング除去され、ダミープラズマ処理中に発生するパーティクル数を低減できることが理解できる。

また、図９及び図１５に示すように、プラズマエッチング処理が実施されたＳｉＣ部材９０の表面は、当該処理が実施されていないＳｉＣ部材６０の表面に比べて滑らかになっている。これは、未処理のＳｉＣ部材６０の表面部がエッチング除去され、より完全なＳｉＣ組成を有するバルク部がＳｉＣ部材９０の表面に露出されたことを示している。

以上説明したように、上記プラズマエッチング処理を実施することにより、パーティクル発生の原因であった、ＳｉＣ部材表面部の炭素を主成分とする領域をなくすことができ、ＳｉＣ部材のバルク部を表面部に露出させることができる。これにより、プラズマ処理の際に、ＳｉＣ部材から発生するパーティクル数を低減することができ、装置メンテナンス等により部材が交換された場合であっても、従来に比べて、ダミープラズマ処理の処理時間を著しく短縮することができる。この結果、従来からＳｉＣ部材を交換した際に必要であったダミープラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置の稼動停止時間を著しく短縮することができる。また、上記プラズマエッチング処理を行うことにより、上記各実施の形態と同様に、半導体装置の製造コストを低下させることができる。

なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、プラズマエッチング装置に配置される部材について説明したが、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置であってもよい。また、ＳｉＣ部材は、ガス分散板である必要はなく、プラズマ処理装置の反応室内に一部が露出する状態で使用される部材の全てに適用可能である。すなわち、本発明は、プラズマ処理が実施される反応室内に配設される全ての部材に対して適用可能である。さらにいえば、上記各実施の形態において説明した各表面処理方法は、任意に組み合わせて実施してもよいことはいうまでもない。

また、焼結体（セラミックス）により構成される部材では、一般に、その表面部に存在する未結合の元素や不純物のために、表面部の元素組成比がバルク部の元素組成比と異なる。このような部材をプラズマ処理装置に装着した場合、上記ＳｉＣ部材と同様に、パーティクルを発生することになる。したがって、表面部の元素組成比をバルク部の元素組成比と略同一にするという本発明の技術思想は、上述のＳｉＣ部材にのみ限定されるものではなく、Ａｌ₂Ｏ₃等のセラミックスにより構成される全て部材に対して効果を奏することができる。この場合、部材の材料に応じて、熱処理温度や熱処理雰囲気、プラズマエッチング条件を設定すればよい。

以上のように、本発明は、反応室内に一部が露出した状態で使用されるプラズマ処理装置用部材から生じるパーティクルの数を低減するとともに、当該部材の交換後のダミープラズマ処理に要する時間を著しく低減できるという効果を有し、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置に適用可能である。

本発明の熱処理を実施したＳｉＣ部材の断面図。図１のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が良い領域の組成を示す図。図１のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が悪い領域の組成を示す図。本発明の熱処理を実施したＳｉＣ部材を用いた場合のパーティクル増加数を示す図。本発明の研磨処理を実施したＳｉＣ部材の断面図。図５のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が良い領域の組成を示す図。図５のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が悪い領域の組成を示す図。本発明の研磨処理を実施したＳｉＣ部材を用いた場合のパーティクル増加数を示す図。本発明のプラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材の断面図。図１のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が悪い領域の組成を示す図。本発明のプラズマエッチング処理を実施したＳｉＣ部材を用いた場合のパーティクル増加数を示す図。プラズマ処理装置の概略構成図従来のＳｉＣ部材を用いた場合のパーティクル増加数を示す図。図１３の上部電極近傍の拡大図。従来のＳｉＣ部材の断面図。従来のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が悪い領域の組成を示す図。従来のＳｉＣ部材の表面において、平坦度が良い領域の組成を示す図。

符号の説明

１反応室
２上部電極
３下部電極
４ガス供給管
５プラズマ
１１上壁
２１空間部
２２ガス噴出孔
２３ガス分散板
２４パーティクル
３１高周波電源
３２ウエハ
４１プロセスガス
２３１従来の表面処理が実施されたＳｉＣ部材（第１のガス分散板）
６１平坦領域
６２粗面領域
７０熱処理が実施されたＳｉＣ部材
７１平坦度が比較的良い領域
７２平坦度が比較的悪い領域
８０研磨処理が実施されたＳｉＣ部材
８１平坦度が比較的良い領域
８２平坦度が比較的悪い領域
９０プラズマエッチング処理が実施されたＳｉＣ部材
９１平坦度が比較的悪い領域

Claims

プラズマ処理が行われる反応室内に、少なくとも一部が露出する状態で使用されるプラズマ処理装置用部材の表面処理方法において、
前記部材の表面部の元素組成比を、前記部材のバルク部の元素組成比と略同一にする処理を行うこと、を特徴とするプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記表面部の元素組成比が前記バルク部の元素組成比と略同一であるか否かが、前記表面部の表面粗さに基づいて判定される請求項１に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記元素組成比を略同一にする処理が、熱処理を含む請求項１または２に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記部材の主成分が炭化シリコンであり、前記熱処理が、酸化雰囲気中で、８００℃から９００℃の雰囲気温度で実施される請求項３に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記元素組成比を略同一にする処理が、前記表面部の研磨処理を含む請求項１または２に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記部材の主成分が炭化シリコンであり、前記研磨処理の研磨量が０．１μｍから１０μｍである請求項５に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記元素組成比を略同一にする処理が、プラズマエッチング処理を含む請求項１または２に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
前記部材の主成分が炭化シリコンであり、前記プラズマエッチング処理が、四フッ化炭素と酸素とを主成分とする反応性ガスにより行われる請求項７に記載のプラズマ処理装置用部材の表面処理方法。
請求項１から８のいずれかに記載の表面処理方法が実施されたプラズマ処理装置用部材を備えたプラズマ処理装置。