JP2012222271A

JP2012222271A - プラズマ処理装置用電極板

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Publication number: JP2012222271A
Application number: JP2011088921A
Authority: JP
Inventors: Osamu Koyanagi; 修小柳; Shuji Fujimori; 周司藤森
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができ、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができるプラズマ処理装置用電極板を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置内においてウエハ（被処理基板）と対向配置されるプラズマ処理装置用電極板３に、プラズマ生成用ガスを通過させるための、厚さ方向に貫通する複数の通気孔１１を形成し、通気孔１１の内壁面に、その通気孔１１の長さ方向に沿う螺旋状の溝１１ａを、少なくとも一条設ける。
【選択図】図３

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通気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。
また、電極板に設けられる通気孔は、通常は、その厚さ方向に平行に形成されているが（特許文献１参照）、プラズマ処理を繰り返し行うことにより、プラズマにさらされる部分が削られて消耗するため、通気孔の径が大きく変化する。特に通気孔のプラズマ発生領域側の被処理基板に対向する開口部は、侵食される。これに伴って、プラズマの一部がエッチングガスの流れに逆らって逆流し、通気孔から電極板の背面に向けてプラズマが入り込むと、冷却板の一部がスパッタされて、被処理基板が汚染されるおそれがある。

そこで、プラズマが冷却板に到達することを阻止し、冷却板の損傷及び被処理基板の汚染を防ぐため、特許文献２には、電極板の厚さ方向に平行に形成された垂直細孔と、厚さ方向に対して傾斜して形成された傾斜細孔とからなる通気孔を形成した電極板、さらに、電極板の厚さ方向に対してそれぞれ異なる傾斜を有する傾斜細孔を接続して形成された通気孔を有する電極板が提案されている。また、特許文献３には、垂直細孔と傾斜細孔との接続部よりも垂直細孔の先端を延長した通気孔を有する電極板が提案されている。
また、特許文献４には、重ね合わせられる電極板の積層面に溝状の水平経路を設け、その水平経路のそれぞれの端部に、各電極板の垂直孔が連通するように通気孔を設けることによりクランク状の通気孔が形成された電極板が提案されている。

特開２００３−２８９０６４号公報特開２００２−２４６３７１号公報特開２００８−６０１９７号公報特開２００６−７３７０３号公報

しかしながら、特許文献２及び特許文献３のように、電極板の厚さ方向に対して傾斜する傾斜細孔は接合部を合わせることが難しいため、電極板に複数設けられる通気孔の接合部の形状が不均一になる場合がある。通気孔の接合部が不均一に形成された場合、エッチングガスの流れが不均一となり、被処理基板の場所によって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処理ができなくなるおそれがある。
また、特許文献４のように、水平経路を設けて各電極板の通気孔をクランク状に連通させて設けた場合にも、個々の通気孔を全て同じ形状に合わせることは難しく、均一にエッチングガスを供給することは難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができ、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができるプラズマ処理装置用電極板を提供する。

本発明の電極板は、プラズマ処理装置内において被処理基板と対向配置されるプラズマ処理装置用電極板であって、厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられてなり、前記通気孔の内壁面には、該通気孔の長さ方向に沿う螺旋状の溝が、少なくとも一条形成されていることを特徴とする。

通気孔の長さ方向に沿って設けられる螺旋状の溝により、通気孔内部に螺旋状のガス流を生じさせることができるので、プラズマの逆流に対して螺旋状のガス流が抵抗となり、プラズマが各通気孔を通じて冷却板に到達するのを阻止することができる。
また、螺旋状の溝に沿ってエッチングガスの流れの直進性を高めつつ半径方向に拡散させることができるので、エッチングガスを被処理基板表面に確実に供給でき、エッチングの面内均一性を向上させることができ、エッチング効率を向上させることができる。

また、本発明の電極板において、前記通気孔の前記被処理基板側の開口部が、該被処理基板と反対側の開口部に比べて、小径に設けられているとよい。
エッチングガスの流出側に位置する被処理基板側の通気孔開口部を、その反対側の開口部に比べて小径に設けることで、さらにプラズマの逆流防止効果を高められるとともに、エッチングガスの直進性を高めることができる。

本発明によれば、プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができるとともに、エッチングガスの流れを均一に保ち、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができる。

プラズマ処理装置の概略構成図である。本発明の第１実施形態の電極板を示す要部拡大平面図である。図２に示す電極板の通気孔部分の要部拡大縦断面図である。本発明の電極板のその他の実施形態を示す要部拡大縦断面図である。

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１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に設けられた通気孔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の通気孔１１に連通するように、この通気孔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に設けられた通気孔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、本発明の第１実施形態の電極板３の詳細構造について図２及び図３を参照しながら説明する。
第１実施形態の電極板３には、厚さ方向に平行に貫通する通気孔１１が複数設けられている。この通気孔１１は、プラズマエッチングを行う際に、電極板３とウエハ８との間にエッチングガスを供給するために用いられる。なお、電極板３は、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。

通気孔１１の内壁面には、通気孔１１の長さ方向に沿う螺旋状の溝１１ａが少なくとも一条形成されている。なお、図２及び図３に示す電極板３においては、２条の溝１１ａが設けられている。
通気孔１１は、下孔部のドリル加工後に、レーザー加工により螺旋状の溝１１ａを加工して形成される。そして、通気孔１１は、板厚ｔが５ｍｍ〜２０ｍｍの電極板３に対して、下孔部の孔径ｄが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に形成されており、螺旋状の溝１１ａは、幅ｗが０．０３ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下、深さｘが０．０３ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下に形成されている。また、螺旋状の溝１１ａは、下孔部の孔径ｄの１倍以上３倍以下のピッチＰで設けられている。

このように構成した電極板３においては、通気孔１１の長さ方向に沿って設けられる螺旋状の溝１１ａにより、通気孔１１の内部に螺旋状のガス流を生じさせることができるので、プラズマの逆流に対して螺旋状のガス流が抵抗となり、プラズマが各通気孔１１を通じて冷却板１４に到達するのを阻止することができる。
また、螺旋状の溝１１ａに沿ってエッチングガスの流れの直進性を高めつつエッチングガスを半径方向に拡散させることができるので、エッチングガスをウエハ８の表面に確実に供給でき、エッチングの面内均一性を向上させることができ、エッチング効率を向上させることができる。

なお、上述したように、通気孔１１の下孔部の孔径ｄは０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に設けることが好ましい。孔径ｄが０．３ｍｍ未満では、エッチングガスのガス流速が速くなり、螺旋状のガス流とすることができないし、０．８ｍｍを超えて形成した場合、通気孔１１を通過するエッチングガスの全体に螺旋状のガス流を生じさせることができない。

また、通気孔１１の内壁面に形成される螺旋状の溝１１ａは、下孔部の孔径ｄの１倍〜３倍のピッチで、幅ｗが０．０３ｍｍ以上０．８０ｍｍ以下、深さｘが０．０３ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下に形成されているとよい。
螺旋状の溝１１ａのピッチＰが、孔径ｄよりも小さい１倍未満であると、通気孔１１の周辺部（溝１１ａ近傍）で乱流を引き起こし螺旋状のガス流とすることができないし、ピッチＰが孔径ｄの３倍を超えると、通過するエッチングガスに対して半径方向に拡散する水平成分の流れを与えることができず、螺旋状のガス流を生じさせることができない。

図４は、本発明の第２実施形態を示している。
この第２実施形態の電極板３０においては、図４に示すように、通気孔２１の下孔部がラッパ状に形成されており、ウエハ側に位置する放電面３０ａの開口部が、その反対面３０ｂの開口部に比べて、小径に設けられている。また、通気孔２１の内壁面には、通気孔２１の長さ方向に沿う螺旋状の溝２１ａが形成されている。
この場合、エッチングガスの流出側に位置する放電面３０ａ側の通気孔開口部を、その反対面３０ｂ側の開口部に比べて小径に設けることで、さらにプラズマの逆流防止効果を高められるとともに、エッチングガスの直進性を高めることができる。
その他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、共通部分に同一符号を付して説明を省略する。

本発明の効果確認のために、通気孔に螺旋状の溝を設けた電極板を製造し、電極板使用後に、電極板の冷却板側の表面に生じる放電痕を確認した。また、比較例として、螺旋状の溝が形成されていない通気孔を有する電極板を製造し、同様に放電痕を確認した。
電極板は、外径３８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの単結晶シリコンの円板を用いて作製し、その単結晶シリコンの円板に、表１に示す条件に対応する通気孔を１０００個設けた。
なお、各通気孔の下孔加工は、レーザーを用いた非接触加工またはダイヤモンドドリルを用いた機械加工のいずれでもよいが、本実施例においては、ダイヤモンドドリルによる加工を選択した。また、螺旋状の溝は、レーザーによる非接触加工または切削加工により形成できるが、本実施例においては、レーザー加工を選択した。

次に、以上のようにして作製した電極板を図１に示されるようなプラズマエッチング装置に取り付けるとともに、予めＳｉＯ_２層を形成したウエハを対向して取り付け、以下の条件でエッチング試験を実施した。
（エッチング条件）
ウエハサイズ：φ３００ｍｍ
チャンバー内圧力：２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）
エッチングガス組成：９０ｓｃｃｍＣＨＦ_３＋４ｓｃｃｍＯ_２＋１５０ｓｃｃｍＨｅ
高周波電力：２ｋＷ
周波数：２０ｋＨｚ
処理時間：２００時間
なお、ｓｃｃｍとは、ｓｔａｎｄａｒｄｃｃ／ｍｉｎの略であり、１ａｔｍ（大気圧１０１３Ｐａ）で、０℃あるいは２５℃などの一定温度で規格化された１分間あたりの流量（ｃｃ）をいう。
そして、このような条件でエッチングを行った後の電極板について、冷却板側の表面に放電により生じた変色部（円相当径で１ｍｍ以上の変色部）を１個の放電痕としてカウントした。結果を表１に示す。

表１からわかるように、通気孔に螺旋状の溝を設けた電極板の表面には、放電痕が確認されなかった。このように、通気孔に螺旋状の溝を設けることで、プラズマが電極板の背面に回り込むことが防止でき、プラズマが冷却板に到達することを阻止できる。

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。

１プラズマエッチング装置
２真空チャンバー
３，３０電極板
３ａ，３０ａ放電面
３ｂ，３０ｂ反対面
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
１１，２１通気孔
１１ａ，２１ａ溝
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

Claims

プラズマ処理装置内において被処理基板と対向配置されるプラズマ処理装置用電極板であって、厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられてなり、前記通気孔の内壁面には、該通気孔の長さ方向に沿う螺旋状の溝が、少なくとも一条形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
前記通気孔の前記被処理基板側の開口部が、該被処理基板と反対側の開口部に比べて、小径に設けられてい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。