JP2011204754A - プラズマ処理装置用電極板及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板に生じる温度差を小さくして、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができるプラズマ処理装置用電極板及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】電極板３は、複数の電極構成板が積層されるとともに、これら電極構成板の厚さ方向に貫通するガス通過孔が複数設けられてなるプラズマ処理装置用電極板であって、隣り合う両電極構成板３ａ，３ｂの少なくとも一方の積層面に、ガス通過孔１１を避けて溝状の空隙部３２が設けられており、この空隙部３２の一端部に冷媒を供給する供給口３３が備えられ、他端部に冷媒を排出する排出口３４を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置においてプラズマ生成用ガスを厚さ方向に通過させながら放電するプラズマ処理装置用電極板に関する。

半導体デバイス製造プロセスに使用される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は、チャンバー内に、高周波電源に接続される上部電極と下部電極とを、例えば、上下方向に対向配置し、下部電極の上に被処理基板を配置した状態として、上部電極に形成した貫通孔からエッチングガスを被処理基板に向かって流通させながら高周波電圧を印加することによりプラズマを発生させ、被処理基板にエッチング等の処理を行う構成とされている。

このプラズマ処理装置で使用される上部電極として、一般に、シリコン製の電極板を冷却板に固定し重ね合わせた積層電極板が用いられており、プラズマ処理中に上昇する電極板の熱は、冷却板を通して放熱されるように構成されている。
プラズマ処理中において電極板の温度分布が不均一になると、被処理基板の場所によりエッチング深さがばらつき、被処理基板全体に均一なエッチングを行うことができないため、電極板の温度分布を一定にする必要がある。

そこで、電極板の温度分布の不均一性を解消すべく、例えば、特許文献１では、電極板の背面に、表面をアルマイト処理されたアルミニウム等の金属からなる冷却板が設けられており、また、特許文献２では、電極板の背面に金属膜を介して冷却板を締結固定しているが、さらなる面内均一性の向上が求められている。

特開２００３−３３２３１４号公報 特開平１１−２５６３７０号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電極板の内面に生じる温度差を小さくして、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができるプラズマ処理装置用電極板及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の電極板は、複数の電極構成板が積層されるとともに、該電極構成板の厚さ方向に貫通するガス通過孔が複数設けられてなるプラズマ処理装置用電極板であって、隣り合う両電極構成板の少なくとも一方の積層面に、前記ガス通過孔を避けて溝状の空隙部が設けられており、前記空隙部の一端部に冷媒を供給する供給口が備えられ、他端部に冷媒を排出する排出口を備えることを特徴とする。
この電極板においては、電極構成板自体に冷媒を流す空隙部を構成しており、電極構成板を重ね合わせることで、流路が形成されるので、冷却板からの間接的な冷却ではなく、直接空隙部から電極板を効果的に冷却することができる。この場合、温度が上昇し易い箇所に空隙部を形成して冷却することにより、電極板の温度分布の発生を抑制することができる。

また、前記電極板の空隙部には前記供給口から前記電極板の中央部まで延びる導入路が設けられているとよい。
電極板は、中央部は熱が逃げにくいのに対して、外周部は放熱し易く、このため、外周部に比べて中央部が高温になり易い。そこで、電極板の外周部から供給した冷媒を、先に電極板の中央部まで導入し、中央部から冷却することにより、中央部の冷却効率を高くすることができる。電極板の外周部においては、冷媒が中央部付近で温められて流れてくることから比較的高温となっており、外周部での冷却は中央部に比べて抑えられる。このように、周辺に放熱し易い電極板の外周部の冷却を抑えるとともに、高温となる中央部を積極的に冷却することにより、電極板の中央部と外周部との温度差を小さくすることができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。

また、本発明のプラズマ処理装置は、前記電極板と、該電極板の背面に固定される冷却板とを備え、該冷却板に前記電極板の前記供給口及び前記排出口に接続され、前記空隙部に冷媒を流通する供給管及び排出管が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置においては、前記電極板の供給口と前記冷却板の供給管とは、前記電極板の中央部で接続するようにしてもよい。

本発明によれば、積層された電極構成板の間に冷媒を流す空隙部を設け、電極板の中央部から外周部にかけて冷却する構成としたので、電極板の中央部と外周部との温度差を小さくして、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。

本発明の電極板の第１実施形態を示す（ａ）が片方の電極構成板の背面図、（ｂ）が二枚の電極構成板を積層してなる電極板の縦断面図である。 図１の電極板が用いられるプラズマ処理装置の例を示す概略構成図である。 図２のプラズマ処理装置の要部拡大図であり、電極板の排出口を説明する図である。 本発明の第２実施形態を示す片方の電極構成板の背面図である。 第２実施形態のプラズマ処理装置の要部拡大図であり、電極板の供給口及び排出口を説明する図である。 本発明の第３実施形態を示す片方の電極構成板の背面図である。 本発明の電極板の第４実施形態を示す二枚の電極構成板を積層してなる電極板の縦断面図である。

以下、本発明の電極板の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
まず、この電極板が用いられるプラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置１について説明する。
このプラズマエッチング装置１は、図２の概略断面図に示されるように、真空チャンバー２内の上部に電極板（上部電極）３が設けられるとともに、下部に上下動可能な架台（下部電極）４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられている。この場合、上部の電極板３は絶縁体５により真空チャンバー２の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、架台４の上には、静電チャック６と、その周りを囲むシリコン製の支持リング７とが設けられており、静電チャック６の上に、支持リング７により周縁部を支持した状態でウエハ（被処理基板）８を載置するようになっている。また、真空チャンバー２の上部にはエッチングガス供給管９が設けられ、このエッチングガス供給管９から送られてきたエッチングガスは拡散部材１０を経由した後、電極板３に設けられたガス通過孔１１を通してウエハ８に向かって流され、真空チャンバー２の側部の排出口１２から外部に排出される構成とされている。一方、電極板３と架台４との間には高周波電源１３により高周波電圧が印加されるようになっている。

また、電極板３は、シリコンによって円板状に形成されており、その背面には熱伝導性に優れるアルミニウム等からなる冷却板１４が固定され、この冷却板１４にも電極板３のガス通過孔１１に連通するように、このガス通過孔１１と同じピッチで貫通孔１５が形成されている。そして、電極板３は、背面が冷却板に接触した状態でねじ止め等によってプラズマ処理装置１内に固定される。電極板３の詳細構造については後述する。

プラズマエッチング装置１では、高周波電源１３から高周波電圧を印加してエッチングガスを供給すると、このエッチングガスは拡散部材１０を経由して、電極板３に設けられたガス通過孔１１を通って電極板３と架台４との間の空間に放出され、この空間内でプラズマとなってウエハ８に当り、このプラズマによるスパッタリングすなわち物理反応と、エッチングガスの化学反応とにより、ウエハ８の表面がエッチングされる。
また、ウエハ８の均一なエッチングを行う目的で、発生したプラズマをウエハ８の中央部に集中させ、外周部へ拡散するのを阻止して電極板３とウエハ８との間に均一なプラズマを発生させるために、通常、プラズマ発生領域１６がシリコン製のシールドリング１７で囲われた状態とされている。

次に、電極板３の詳細構造について図１を参照しながら説明する。
この電極板３は、固定側電極構成板３ａと放電側電極構成板３ｂとを積層した構成とされ、両電極構成板３ａ，３ｂとも単結晶シリコン、柱状晶シリコン、又は多結晶シリコンにより円板状に形成されている。そして、ガス通過孔１１は両電極構成板３ａ，３ｂに、例えば、径の異なる複数の同心円上に並んで多数設けられている。
また、固定側電極構成板３ａの積層面３１ａには、ガス通過孔１１が形成する各ピッチ円ｐ１〜ｐ８の間に、溝状の空隙部３２が形成されている。空隙部３２は、図１（ａ）に示すように、固定側電極構成板３ａの外周部に配置された供給口３３及び排出口３４を一本の溝でつないだ形状とされており、供給口３３から半径方向に延びる導入路３５によって固定側電極構成板３ａの中央部まで導かれ、導入路３５の先端から同心円状に漸次拡径する円弧状流路３６を介してガス通過孔１１の各ピッチｐ１〜ｐ８間を１ピッチ毎に外周方向に拡がるように形成され、排出口３４に接続される構成である。

また、電極構成板３ａの供給口３３及び排出口３４は、図３に示すように、冷却板１４の外周部に設けられた供給管１８及び排出管１９に接続されており、冷却板１４を介して、空隙部３２に冷媒を流通させる構成となっている。
両電極構成板３ａ，３ｂの積層面３１ａ，３１ｂは鏡面で形成されており、互いに密着した状態で冷却板１４にねじ止めされる。この際、電極構成板３ａの供給口３３及び排出口３４と、冷却板１４の供給管１８及び排出管１９との間の連結部は、Ｏリング２０で密閉されており、この連結部を強く押さえるために、電極構成板３ａ，３ｂに設けられたねじ止め用の穴３７は、供給口３３及び排出口３４の近くに配置されている。

このように構成した電極板３において、プラズマエッチング処理中に上昇する電極板３の熱は、冷却板１４と空隙部３２を流れる冷媒を通して放熱される。
電極板３の中央部では、放電側電極構成板３ｂで上昇した熱が、導入初期の冷媒により速やかに冷却される。一方、電極板３の外周部は、外周面から放熱されるとともに、中央部を経由した冷媒により冷却される。

このように、電極板３は、固定側電極構成板３ａ自体に冷媒を流す空隙部３２を構成しているので、電極板３を効果的に冷却することができる。電極板３は、中央部は熱が逃げにくいのに対して外周部は放熱し易く、外周部に比べて中央部が高温になり易いが、電極板３の外周部から供給した冷媒を、導入路３６によって先に電極板３の中央部まで導入し、中央部から冷却することにより、中央部の冷却効率が高くなる。電極板３の外周部においては、冷媒が中央部付近で温められて流れてくることから比較的高温となっており、外周部での冷却は中央部に比べて抑えられる。このように、周辺に放熱し易い電極板３の外周部の冷却を抑えるとともに、高温となる中央部を積極的に冷却することにより、電極板３の中央部と外周部との温度差を小さくすることができ、プラズマ処理の面内均一性を向上させることができる。
また、第１実施形態の固定側電極板３ａのように、供給管３３及び排出管３４を互いに近傍配置とした場合には、冷却機構を集約でき効率的である。

第１実施形態では、電極板３の供給口３３及び排出口３４を外周部に配置していたが、図４及び図５に示す第２実施形態では、供給口３３を中央部に配置し、排出口３４を外周部に配置している。そして、空隙部４２は、供給口３３から同心円状に漸次拡径する円弧状流路３６を介して、外周部の排出口３４に接続される構成となっている。
また、電極構成板４０ａの供給口３３は、図５に示すように、冷却板１４の中央部に設けられた供給管１８に接続され、排出口３４は、冷却板１４の外周部の排出管１９に接続されており、冷却板１４を介して、空隙部４２に冷媒を流通させる構成となっている。
この第２実施形態のように、供給口３３を電極構成板４０ａの中央部に配置した場合、中央部から冷媒を供給できるので、電極板の中央部をより効果的に冷却することができる。

図６は本発明の電極板の第３実施形態を示している。
この実施形態の電極板を構成する固定側電極構成板５０ａの空隙部５２は、積層面５１ａの領域を二分割して設けられている。本実施形態のように領域を分けて空隙部５２を複数設けた場合、各空隙部５２を個別に温度制御することが可能となる。

図７は本発明の電極板の第４実施形態を示している。
この実施形態の電極板６０は、電極板６０を構成する固定側電極構成板６０ａ及び放電側電極構成板６０ｂの両方に空隙部６２を構成する円弧状流路３６が設けられた構成とされている。これら各電極構成板６０ａ，６０ｂの積層面６１ａ，６１ｂに同一形状で形成した空隙部６２を突き合わせて構成されている。
この第４実施形態の電極板６０のように、放電側電極構成板６０ｂにも円弧状流路３６を設けた場合、放電側電極構成板６０ｂで上昇した熱を、放電面の近くで冷却することができるので、さらに効果的である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の第１実施形態から第３実施形態の電極板では、固定側電極構成板だけに円弧状流路を設けて空隙部を構成したが、放電側電極構成板側に円弧状流路を設けて空隙部を構成してもよい。
また、第３実施形態では、電極構成板の積層面内を二分割して空隙部を設けたが、これより多い分割数としてもよい。
また、第４実施形態では、固定側電極構成板及び放電側電極構成板の両方に円弧状流路を設けていたが、放電側電極構成板はプラズマ処理の経過に伴い消耗するため、空隙部を構成する円弧状流路を固定側電極構成板のみに形成し、放電側電極構成板の厚みを薄くすることで、空隙部を放電面に近付ける構成としてもよい。この場合、放電側電極構成板で上昇した熱を放電面の近くで冷却することができるとともに、プラズマ処理による消耗に伴って交換が必要となる放電側電極構成板に円弧状流路を形成する必要がないので、効率的である。

１ プラズマ処理装置
２ 真空チャンバー
３，６０ 電極板
３ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ 固定側電極構成板
３ｂ，６０ｂ 放電側電極構成板
４ 架台
５ 絶縁体
６ 静電チャック
７ 支持リング
８ ウエハ
９ エッチングガス供給管
１０ 拡散部材
１１ ガス通過孔
１２ 排出口
１３ 高周波電源
１４ 冷却板
１５ 貫通孔
１６ プラズマ発生領域
１７ シールドリング
１８ 供給管
１９ 排出管
２０ Ｏリング
３１ａ，３１ｂ，６１ａ，６１ｂ 積層面
３２ 空隙部
３３ 供給口
３４ 排出口
３５ 導入路
３６ 円弧状流路
３７ 穴

Claims (4)

1. 複数の電極構成板が積層されるとともに、該電極構成板の厚さ方向に貫通するガス通過孔が複数設けられてなるプラズマ処理装置用電極板であって、隣り合う両電極構成板の少なくとも一方の積層面に、前記ガス通過孔を避けて溝状の空隙部が設けられており、前記空隙部の一端部に冷媒を供給する供給口が備えられ、他端部に冷媒を排出する排出口を備えることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
2. 前記電極板の空隙部には前記供給口から前記電極板の中央部まで延びる導入路が設けられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置用電極板。
3. 請求項１又は請求項２に記載の前記電極板と、該電極板の背面に固定される冷却板とを備え、該冷却板に前記電極板の前記供給口及び前記排出口に接続され、前記空隙部に冷媒を流通する供給管及び排出管が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 前記電極板の供給口と前記冷却板の供給管とは、前記電極板の中央部で接続されることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
   

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