JP2009302270A - プラズマエッチング電極板 - Google Patents

Abstract

【課題】ボルトの締付け作業時における欠け、割れ及びダストの発生を防止することが可能な固定部を有するプラズマエッチング電極板を提供すること。
【解決手段】電極板１を電極支持部２に取付けるための有底の取付孔を電極板１の平面部に設けたプラズマエッチング電極板において、該取付孔の内周部に、円筒状であって内周部及び外周部にネジ部を有する固定部材３が螺合により固定されていることを特徴とするプラズマエッチング電極板。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＳＩやＩＣなどの半導体デバイスを製造する際に、半導体ウエハー等の表面をプラズマによってエッチング処理する工程で使用されるプラズマエッチング装置に搭載されるプラズマエッチング電極板に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体ウエハーに素子を形成する等の目的でウエハー表面をエッチング処理することが行われており、このエッチングを行う装置としては、半導体集積回路の微細化技術と高密度化技術の進展に伴い、平行平板型電極を用いてウエハー上に微細なパターンを高精度に形成することのできるプラズマエッチング技術の重要性が高まっている。

図５はプラズマエッチング装置の概念図を示したものである。真空容器内に上部電極（プラズマエッチング電極）と下部電極とが間隔を置いて設けられ、下部電極の上に被処理材としてウエハーが載置される。エッチングガスは上部電極に設けられたガス噴出孔を通過してウエハーに向かって流れ、高周波電源により、上部電極と下部電極の間に印加される高周波電力によってプラズマを形成する。このプラズマによってウエハーがエッチングされ、ウエハー表面に所定のパターンが形成される。

上部電極の形状・構造としては様々なタイプのものが提案されており、また、電極板自体の材質としてはアルミニウム、グラファイト、ガラス状カーボン、シリコン、石英等が用いられているが、特に性能の面からシリコンが重用されている。
ところで、プラズマエッチング電極板は、エッチング時にプラズマによって侵食されて消耗するが、その際に電極の消耗面から発生するダストがウエハー表面上に多数付着するという問題がある。

この問題に対して、特許文献１には、プラズマエッチング電極板のプラズマにより消耗する部分の表面粗さを、Ｒａ０．００１〜０．０１５μｍ、Ｒｍａｘ０．０１〜０．１５μｍとしたプラズマエッチング電極が開示されている。このような構成により、電極板が均一に消耗され、電極板からのダストの発生を抑制し、ウエハー上への微小粒子の付着が生じないようにできることが記載されている。

また、特許文献２には、エッチング電極板から発生するダストの多くが微小径貫通孔内部から発生していることに鑑みて、プラズマエッチング電極板に多数形成される反応ガス通過用の微小径貫通孔の内面における表面粗さをＲａ０．００１〜８μｍとしたプラズマエッチング電極が開示されている。このような構成により、電極板からのダストの発生を抑制しウエハー上への微小粒子の付着が生じないようにできることが記載されている。

ところで、プラズマエッチング用装置においては、プラズマエッチング電極を冷却するために、図６に示すように、プラズマエッチング用の電極板１を冷却板にネジ４等の締付け手段を用いて固定している。
また、場合によっては、図７に示すように、プラズマエッチング電極の消耗しやすい部分だけを取り替え可能にするために、プラズマエッチング電極を電極中央部を構成する電極板１と電極外周部を構成する支持部材６とから構成して双方をボルトでネジ止めすることが行われている。
このようなネジ止めによる固定部を有するプラズマエッチング電極板においては、この固定部において、締付け時作業及び使用時の欠け、割れ及びダストの発生、熱衝撃による割れの可能性があり、上記特許文献１、２に記載された発明ではこの問題を避けることはできない。

一方、単結晶シリコン単体で形成された一体型大型電極を電極板として使用する場合には、電極板中央部と外周部とで温度の不均一が発生して電極板が使用中に変形し、電極板を取り付けているバックプレートとの間に隙間が生じ、この隙間にエッチングガスによる反応生成物が堆積して、これがガス吹き出し小孔を通ってシリコンウェハー上に異物として落下しエッチング不良を引き起こすという問題点がある。特許文献３では、この問題点を解消するために、電極中央部の材質を単結晶シリコンとし、電極外周部の材質をガラス状炭素、黒鉛、アルミニウムとすることが記載されている。

しかしながら、特許文献３記載のものは、電極板中央部と外周部との温度差に由来するダストの発生を防止することはできるが、締付け時作業による欠け、割れ及びダストの発生を防止することはできなかった。
上記したように、従来技術は、電極板の表面粗さ、貫通細孔内面の表面粗さ及び電極板の温度分布を制御することによってダストを抑制しようとするものであるが、締付け作業時における欠け、割れ及びダストの発生に対しては効果がない。

特開平 ９−２８９１９４号公報 特開平 ９−２８９１９５号公報 特開平１１−１６２９４０号公報

本発明は、ボルトの締付け作業及び使用時における欠け、割れ及び電極板使用時のダスト発生を防止することが可能な固定部を有するプラズマエッチング電極板を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために最適なプラズマエッチング装置の電極について鋭意研究を重ねた結果、電極板を電極支持部材に対してネジにより固定するための取付孔を有するプラズマエッチング電極板において、ネジによる固定を、取付孔に装着した内周面及び外周面にネジ部を有する固定部材を介して行うことにより上記の課題が解決できることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は次に記載するとおりのプラズマエッチング電極である。

（１）電極板を電極支持部に取付けるための有底の取付孔を電極板の平面部に設けたプラズマエッチング電極板において、該取付孔の内周部に、円筒状であって内周部及び外周部にネジ部を有する固定部材が螺合により固定されていることを特徴とするプラズマエッチング電極板。
（２）前記取付孔の、前記プラズマエッチング電極板厚み方向の長さは、電極板厚みの５０〜８０％であることを特徴とする（１）記載のプラズマエッチング電極板。
（３）前記固定部材の外周部に設けたネジ部の長さが、前記取付孔の長さの６０％以上であることを特徴とする（１）または（２）記載のプラズマエッチング電極板。
（４）前記固定部材の内周部にさらにコイル状のネジ部材が装着されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
（５）前記固定部材は前記電極板に設けられる貫通細孔と干渉しない位置に設けられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
（６）前記電極板の材料が、シリコンまたはガラス状カーボンのいずれかであることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
（７）前記固定部材の材料が、グラファイトまたはポリイミド樹脂のいずれかであることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。

本発明のプラズマエッチング電極板は、図３に示すように、ネジ締めして電極支持部に固定するための電極板の取付孔内に、内周面及び外周面にネジ部（ネジ山）を有する固定部材が固定されているので、ネジの締付け作業時における電極材料の欠け、割れ及びダストの発生を防止することができる。
また、固定部材３の材質及び形状を適宜に選択することにより、固定される部材間の熱膨張係数の差により発生する応力を緩和することができる。

本発明においては、プラズマエッチング電極板に取付孔を設けてこの取付孔の内周部に雌ねじを形成すると共に、この雌ねじ部に、内周面及び外周面にネジ部を有する部材（固定部材という）を装着する。プラズマエッチング電極板は、この固定部材の内周面のネジ部にボルトを介して、電極支持部に固定して使用される。
以下、本発明のプラズマエッチング電極板を図面を基に具体的に説明する。

図１はプラズマエッチング電極板の表面を示す図である。電極板１には、エッチングガス噴出し用の多数の貫通細孔５が設けられており、エッチングを行う際には、エッチングガスが電極板１の貫通細孔５を通過した後にプラズマ化され、このうち反応性イオンが下部電極上に置かれたシリコンウェハー等の被エッチング物の表面に向かい、エッチングを行う。貫通細孔５の大きさはエッチング条件等により異なるが、孔径が０．３〜２ｍｍが好ましく、孔数は１００〜４０００個が好ましい。
図２は電極板１の裏面（電極支持部との固定面）を示す図である。裏面には電極支持部２に固定するための取り付け孔７が設けられ、この取り付け孔７の内周面はネジ切りされている。この取付孔７内には固定部材３がネジ止めされており、これに後述する電極支持部との固定用のボルト４がネジ込みされる。
また、取付孔７は図示するように貫通細孔が存在しない位置に設けることが好ましく、その理由は後述する。
また、固定部材３は電極板の表面積に対し、３％以下であることが好ましくその理由は後述する。

図３は電極板１と電極支持部２との間に係合部２ａを介在させ、電極支持部２から通したボルト４を固定部材３を介して電極板１にネジ止めし、係合部２ａを介在させて電極板１を電極支持部２に固定した状態を示す断面図である。電極板１には貫通細孔５が設けられている。
係合部２ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、電極板１と電極支持部２とを固定するためのボルト４が内部を貫通する孔を有する。その形状としては、角柱状、又は円柱状のものが挙げられ、あるいはこれらを電極板の径方向や円周方向に延長した、ボルト４が内部を貫通する孔を複数有する板状のものであってもよい。

図４はネジ止め部の部分拡大図である。図４（ａ）はボルトが装着される前の状態を示し、図４（ｂ）はボルト装着後の状態を示す。図４（ｃ）（ｄ）は（ａ）の固定部材３の変形例である。取付孔７は、電極板１の電極支持部側平面に開口を有し、電極板１内に底面を有しており、この取付孔７にて内周部及び外周部にネジ部を有する円筒状の固定部材３がネジ止めされている。固定部材３と取付孔７の底面との間はネジ止め位置の調整のための隙間があっても良い。

取付孔７の電極板１厚み方向の長さ（電極支持部側平面から取付孔７底面までの長さ）は電極板１の厚みの５０〜８０％である。この長さが５０％未満であると、電極板１の固定位置の精度が低くなる恐れがある。８０％超であると、電極板１がエッチングで消耗してボルト４が電極板裏面に露出する前に電極板１を交換するので、電極板の使用時間が短くなる問題がある。

図４（ａ）において、取付孔７内と固定部材３の外周とが接する部位には、全体にわたってそれぞれにネジが形成され、螺合している。固定部材３には、さらに内周面全体にネジ部山が形成されている。
図４（ｃ）は、取付孔７内と固定部材３の外周とが接する部位のうち、取付穴７の底面から、取付穴７の長さの６０％以上の高さで、電極板１表面には達しないネジ山を形成した１例である。この底面からのネジ切り長さを短くすることで、ネジ山形成時に電極板１に残る場合がある微小なクラックを少なくすることができる。取付穴７の長さの６０％未満であると、電極板１の支持部材２への固定強度が劣る恐れがある。また電極板１の表面側にねじ山を設けないことにより、ネジ山形成時の微小なクラックから生じる恐れがある電極板１表面部の割れを防ぐことができる。

図４（ｄ）は、上記（ｃ）において、固定部材３の外周にネジ山を形成しない部位における外周径及びこの部位と接する取付孔７の部分の孔径をそれぞれ拡大した１例である。係合部２ａの電極板側接合面の大きさに合わせて固定部材３の外径を大きくすることによってし、係合部２ａと電極板１とを非接触にすることできる。係合部２ａと電極板１が接触し、これら部材の熱膨張係数の差が大きい場合に、ダスト発生を抑制できる。固定部材３の外周径が係合部２ａの接触面よりも大きすぎると、定部材３の材質によってはダスト発生の原因となる恐れがある。

さらに、図示はしないが上記ネジ止めにおいて、円筒部材の内部にコイル状のネジ部材を取り付け、このネジ部材とボルトを螺合することにより、円筒部材の破損を防止することができる。加えて、上記ネジ止めに際しては接着剤を併用して、取付孔７への固定部材３の結合をより強固にしても良い。また、接着剤を使用することにより取付孔７における電極材からのダスト発生を防止することができる。

固定部材３を設けることにより、電極板１の取付孔７が締付け時のトルクを直接受けることがないので、電極板の割れ、欠けを防ぐことができる。また、電極板とボルトのそれぞれの熱膨張係数に差があっても、その熱膨張係数の差によって発生する応力を固定部材３の材料を適宜に選択することにより緩和することができる。
また、固定部材３の内周部に金属コイルネジを装着することもできる。これにより、金属コイルネジが締付け時の応力を更に緩和することができ、また、円筒状の固定部材３の内周部ネジ山を保護し強度を増すことができる。

この取付孔７は貫通細孔５と干渉しないように設けることが好ましい。干渉すると固定部材３内で発生したダストがエッチングガスによって貫通細孔５を通って搬送され、被エッチング物の表面に沈積する可能性がある。干渉しないようにすることによって、固定部材３の材料から発生するダストが被エッチング物の表面に沈積することを防止することができる。

この固定部材３の電極板面に現れる表面積は、電極板の表面積に対し、３％以下であることが好ましい。３％より大きくなると、電極支持部２との使用時熱膨張等による擦れから発生するダストがエッチングガスによって貫通細孔５を通って搬送され、被エッチング物の表面に沈積する可能性がある。固定部材３の電極板面に現れる表面積が電極板の表面積に対し、３％以下であることによって、固定部材３の材料から発生するダストが被エッチング物の表面に沈積することを防止することができる。

電極材としては、シリコン、グラファイト、ガラス状カーボン、パイログラファイト、アルミニウム及びシリコンカーバイド、石英等が用いられ、また、パイロカーボン及びガラス状カーボンは、グラファイトなどに被覆して用いられている。
上記の材料の中でも単結晶シリコンは電極材料として特に好ましく、単結晶シリコンの高純度で高密度のものを使用することが望ましい。

前述したように、シリコンは脆性の高い材料であるため、これに直接ボルト締めによって締付け作業を行うとシリコンの欠け、割れ及びダストの発生が懸念されるが、本発明においては、電極板の材料よりも脆性の低い材料を固定部材として用いて、この固定部材を介在させて冷却板とネジ固定することにより締付け時作業による欠け、割れの発生を防ぐことができる。

例えば、電極材としてシリコンを用いた場合には、固定部材３の材料としてより脆性の低い材料である例えばグラファイトを用いることにより、締付け時作業及び使用時における欠けの発生を防ぐことができる。また、シリコンとグラファイトとは熱膨張係数が近いため、熱による応力の発生を防ぐことができる。
また固定部材３に貫通細孔５を設けないことにより、使用時のダスト発生を抑えることが出来る。
さらに固定部材の表面積を電極板の表面積に対し、３％以下にすることにより、使用時の電極支持部２と固定部材３との擦れによるダスト発生を抑えることができる。

固定部材３としては、耐熱性で脆性の低い材料であれば用いることができるが、例えばグラファイト、ポリイミド樹脂、を挙げることができ、グラファイトを用いることが特に好ましい。熱膨張係数は電極板の熱膨張係数に近いものを選択することが、熱膨張係数の差によって生ずる応力を緩和する上で好ましい。

上記貫通細孔５を形成するためには、ドリル加工、超音波加工、放電加工、レーザー加工、ウォータージェット加工などの加工方法を採用し得るが、この際工具、加工条件などを選定し、あるいは内面を研磨することにより、ダスト発生の少ない所望の表面粗さに調節することができる。

以下、本発明について、図面を用いて実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に特に限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例で製造したプラズマエッチング用電極は、図２、図４（ａ）に示す形状のものである。
まず、単結晶シリコン（Ｐ型（Ｂドープ）、結晶方位＜１００＞、電気抵抗率０．１Ω・ｃｍ）であるシリコン原板を加工して、直径３０９ｍｍ、厚さ１６ｍｍの寸法で、ガス噴出孔（φ０．５ｍｍ）が３２００個の形状とした。この裏面に、直径１０ｍｍ、深さ１２ｍｍの取付孔７を適宜の間隔をあけて２０個穿孔し、内面にネジを形成して電極板１を作製した。取付孔の開口部の合計面積は電極板表面の表面積の２％であった。
また、外径１０ｍｍ、内径４ｍｍ、高さ１２ｍｍのグラファイト筒状体であってその内外周面にネジを形成した固定部材３を作製した。
上記のシリコン電極板１の取付孔７に固定部材３を螺合し、プラズマエッチング用シリコン電極板を作製した。
このプラズマエッチング用シリコン電極板を試料として以下の試験を行った。
本実施例で使用したドライエッチング装置としては、ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ社製の２３００Ｅｘｅｌａｎを用いた。
試料をドライエッチング装置にセットし、反応ガス：三フッ化メタン（ＣＨＦ_３）及び四フッ化メタン（ＣＦ_４）、キャリアガス：アルゴン（Ａｒ）、反応チャンバー内のガス圧：１００ｍＴｏｒｒ、ＲＦ電力：４５００Ｗの条件で直径１２インチのシリコンウェハーの酸化膜エッチングを行った。
その時のウエハー表面に付着した０．３μｍ以上の粉末粒子の個数をカウントした。評価結果を表１に示す。

［実施例２］
実施例１において、取付孔７の内周面に、取付孔底面から７ｍｍの高さまでネジ山を形成して電極板１を作製し、固定部材３外周面に底面から７ｍｍの高さまでネジを形成し、内周面は全体にネジ山を形成した以外は同様にして、図４（ｃ）に示すプラズマエッチング用シリコン電極板を作製し、エッチングを行い評価した。評価結果を表１に示す。

［実施例３］
実施例２において、取付孔７のネジ山を形成していない内周部の直径を１３ｍｍとして電極板１を作製し、固定部材３のネジ山を形成していない外周部の直径を１３ｍｍとした以外は同様にして、図４（ｄ）に示すプラズマエッチング用シリコン電極板を作製し、エッチングを行い評価した。評価結果を表１に示す。

［実施例４］
実施例１と同じ形状で、固定部材３の表面積が４％のプラズマエッチング電極を作製し、この試料について実施例１と同様の試験を行った。試験結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１と同じ形状で、固定部材３を用いないで、直接電極板にネジによる固定部を穿孔し電極支持部とボルトで固定するようにした。この試料について実施例１と同様の試験を行った。試験結果を表１に示す。

［比較例２］
実施例１と同じ形状で、表面側をシリコン、電極支持部側をグラファイトで作製し２枚を接着剤にて接合させ、グラファイト部側にネジによる固定部を穿孔したプラズマエッチング電極を作製し、電極支持部とボルトで固定するようにした。この試料について実施例１と同様の試験を行った。評価結果を表１に示す。

［比較例３］
実施例１と同じ形状で、固定部材３に貫通細孔５を1孔以上設けたプラズマエッチング電極を作製し、この試料について実施例１と同様の試験を行った。試験結果を表１に示す。

本発明のプラズマエッチング電極は、ボルトの締付け作業時における欠け、割れ及びダストの発生を防止することができるので、半導体ウエハーに素子を形成する際のプラズマエッチング電極として好適に使用することができる。

プラズマエッチング電極の電極板の表面を示す図である。 プラズマエッチング電極の電極板の裏面を示す図である。 本発明のプラズマエッチング電極の取り付け構造を示す図である。 図３の部分拡大図であり、（ａ）はボルト装着前の断面図、（ｂ）ボルト装着後の断面図を示す。（ｃ）（ｄ）は（ａ）の変形例を示す図である。 プラズマエッチング装置の原理を示す概念図である。 従来例のプラズマエッチング電極の一例を示す図である。 従来例のプラズマエッチング電極の一例を示す図である。

符号の説明

１ 電極板
２ 電極支持部
３ 固定部材
３ａ コイル状ネジ部材
４ ボルト
５ 貫通細孔
６ 支持部材
７ 取付孔
８ 取付孔

Claims (7)

1. 電極板を電極支持部に取付けるための有底の取付孔を電極板の平面部に設けたプラズマエッチング電極板において、該取付孔の内周部に、円筒状であって内周部及び外周部にネジ部を有する固定部材が螺合により固定されていることを特徴とするプラズマエッチング電極板。
2. 前記取付孔の、前記プラズマエッチング電極板厚み方向の長さは、電極板厚みの５０〜８０％であ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電極板。
3. 前記固定部材の外周部に設けたネジ部の長さが、前記取付孔の長さの６０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマエッチング電極板。
4. 前記固定部材の内周部にさらにコイル状のネジ部材が装着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
5. 前記固定部材は前記電極板に設けられる貫通細孔と干渉しない位置に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
6. 前記電極板の材料が、シリコンまたはガラス状カーボンのいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。
7. 前記固定部材の材料が、グラファイトまたはポリイミド樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマエッチング電極板。

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