JP2013147390A

JP2013147390A - シャワープレート

Info

Publication number: JP2013147390A
Application number: JP2012010056A
Authority: JP
Inventors: Akira Sugano; 晃菅野; Keita Ono; 敬太尾埜
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】難加工かつ高コストである多数の高アスペクト比の孔開け加工を行うことなく、全面からの均一なガスの流出を可能とするセラミックス多孔体によるシャワープレートを提供する。
【解決手段】非晶質シリカの多孔体からなるシャワープレートにおいて、前記非晶質シリカの多孔体を、平均粒径が２０〜１００μｍ、かつ、前記平均粒径の±５０％の範囲内のシリカ粒子により構成され、隣接するシリカ粒子１同士の少なくとも１か所における接触長さａが該シリカ粒子の粒径ｂの１／１５〜３／４であり、平均気孔径が５〜２５μｍの連通孔を有している構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いたエッチングやＣＶＤを行う装置のガス供給部に設けられるシャワープレートに関する。

半導体デバイスの製造工程には、エッチング工程やＣＶＤ工程が含まれており、これらの工程ではプラズマが用いられることがある。例えば、エッチング工程では、プラズマ中に発生する活性種やイオンの作用によりエッチングが行われる。また、ＣＶＤ工程では、高い熱エネルギーを付与するのではなく、プラズマによってソースガスを活性化し、ウェーハ上に堆積させる薄膜ＣＶＤ法等の手法も多用されている。

上記のようなエッチングやＣＶＤにおけるソースガスの供給には、セラミックスやガラスに機械的に孔を開けたシャワープレートと呼ばれる板状部材が用いられる。
図５に、従来のシャワープレートの断面構造を示す。従来のシャワープレート１１は、セラミックス１２やガラス（石英）に直線的な貫通孔１３が多数加工されている。シャワープレートは、被処理ウェーハ上にガスを均一に供給する目的で用いられるものであるため、このように、直径０．２〜０．５ｍｍ程度の微細な孔が多数開けられているものが一般的である。

上記のような微細な孔は、貫通方向に対する垂直断面のアスペクト比が高いことが必要であるが、セラミックスやガラスに、このような微細な孔を高アスペクト比で機械加工により開けることは非常に困難である。そのため、薄い板状材料を用いて加工する場合も多いが、薄すぎると材料強度が不足し、しかも、多数の孔を開けなければならないため、加工中に破損する可能性が高く、結果的に高コストとなる。
また、レーザにより孔開け加工を行う場合もあるが、これは比較的加工が効率的であるものの、局所的な加熱等によって応力が発生し、材料にクラックが生じるおそれがある。

このように、セラミックスやガラスへの微細な孔を開ける加工は非常に困難であり、シャワープレートは非常に高価なものとなる。
さらに、上記のような加工により製造されたシャワープレートは、ガス導入口直下に設置された場合、シャワープレートから流出するガス量は、ガス導入口に近い部分と遠い部分とで均一ではなく、ウェーハ上に供給されるガス量にばらつきが生じる。その上、温度の影響も加わると、ウェーハ面のエッチング量や成膜量のばらつきが生じすることとなる。

これに対しては、最近では、特許文献１〜３に記載されているようなセラミックス多孔体によるシャワープレートも提案されている。

特開２０１１−１１９２９号公報特開２００３−２８２４６２号公報特開２００３−４５８０９号公報

しかしながら、上記のようなセラミックス多孔体によるシャワープレートは、低コストで製造することができ、また、圧力損失が低減されるものの、特許文献１〜３に記載されているように気孔率及び強度を特定したのみでは、必ずしも、シャワープレート全面からのガスの流出量を均一にすることができるとは言い難い。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、難加工かつ高コストである多数の高アスペクト比の孔開け加工を行うことなく、全面からの均一なガスの流出を可能とするセラミックス多孔体によるシャワープレートを提供することを目的とするものである。

本発明に係るシャワープレートは、非晶質シリカの多孔体からなるシャワープレートであって、前記非晶質シリカの多孔体は、平均粒径が２０〜１００μｍ、かつ、前記平均粒径の±５０％の範囲内のシリカ粒子により構成され、隣接するシリカ粒子同士の少なくとも１か所における接触長さが該シリカ粒子の粒径の１／１５〜３／４であり、平均気孔径が５〜２５μｍの連通孔を有していることを特徴とする。
このような粒径が揃ったシリカ粒子の焼結体である多孔体を用いてシャワープレートを構成することにより、従来のような孔開け加工を必要とせず、不規則な三次元網目構造を有する連通孔によって、シャワープレートからのガスの流出の均一化を図ることができる。

前記非晶質シリカの多孔体は、前記平均粒径の±３０％の範囲内のシリカ粒子により構成されることが好ましい。

本発明によれば、所定の粒径の粒子及び気孔径のセラミックス多孔体を用いることにより、従来のように多数の高アスペクト比の難加工かつ高コストの孔開け加工を行うことなく、均一なガスの流出を可能とするセラミックス多孔体によるシャワープレートを低コストで提供することができる。

シリカ粒子同士の接触長さを説明するための模式図である。実施例に係るシャワーヘッドの概略断面図である。実施例に係る他の態様のシャワーヘッドの概略断面図である。実施例に係るエッチング装置の概略断面図である。従来のシャワープレートの拡大断面図である。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシャワープレートは、非晶質シリカの多孔体からなるシャワープレートである。そして、前記非晶質シリカの多孔体は、平均粒径が２０〜１００μｍ、かつ、前記平均粒径の±５０％の範囲内のシリカ粒子により構成され、隣接するシリカ粒子同士の少なくとも１か所における接触長さが該シリカ粒子の粒径の１／１５〜３／４であり、平均気孔径が５〜２５μｍの連通孔を有していることを特徴としている。
このように、本発明に係るシャワープレートは、粒径が比較的揃ったシリカ粒子により構成されており、完全には焼結していない、非晶質シリカの多孔体からなるものである。

粒径が揃ったシリカ粒子の不完全な焼結体である多孔体を用いることにより、該多孔体表面での気孔径の均一化が図られ、多数の微細な孔開け加工を施した場合と同様の通気効果が得られる。この均一な気孔径は加工によって得られたのものではないため、従来の孔開け加工時のような破損を起こすことがない。また、孔の方向は直線的でなく、不規則な三次元網目構造となっているため、シャワープレートにおいてガスは満遍なく広がり、シャワープレートから流出されるガスの均一化が図られる。

本発明に係るシャワープレートを構成する多孔体の材質としては、シリカを用いる。
シリカは、ケイ素及び酸素以外の元素を含まないため、被処理シリコンウェーハに対する金属不純物汚染のおそれがないため、プラズマを用いたエッチング装置やＣＶＤ装置の部材として好適である。

前記非晶質シリカの多孔体を構成するシリカ粒子には、平均粒径が２０〜１００μｍのものを用いる。
前記平均粒径が２０μｍ未満の場合、焼結時の急激な体積収縮により、ガスを満遍なく流通させることができる所望の気孔径を有する多孔体を得ることが困難である。
一方、前記平均粒径が１００μｍを超える場合、多孔体表面の気孔径のばらつきが大きくなり、ガスの流出量の均一化を図ることが困難となる。

また、前記シリカ粒子は、シャワープレートから流出するガス量の均一化を図る観点から、比較的粒径が揃っていることが好ましく、その範囲は前記平均粒径の±５０％の範囲内であることが好ましい。
粒径のばらつきが上記範囲を超えると、多孔体の気孔径のばらつきが大きくなり、該シャワープレートから流出するガス量の均一化が図られず、結果的にウェーハ表面の均一なエッチング、成膜を行うことが困難となる。
前記粒径分布の範囲は、好ましくは、前記平均粒径の±３０％以内である。

上記のように、平均粒径の±５０％以内に粒径が揃っているシリカ粉末を所定の温度で焼成すると、非晶質（ガラス状）粒子は、その表面の一部が溶融し、隣接する粒子と結合してネックを形成する。この段階で焼結を止めることにより、粒子間に空間（気孔）を有する多孔体を得ることができる。
図１に、粒子同士が接触した状態の模式図を示す。前記ネックにおける隣接するシリカ粒子１同士の少なくとも１か所における接触長さａは、該シリカ粒子の粒径ｂの１／１５〜３／４、すなわち、１／１５≦ａ／ｂ≦３／４であることが好ましい。
１個の粒子は複数個の粒子と接触するが、その接触（結合）箇所は少なくとも１か所における接触長さａが上記範囲内であればよい。
ａ／ｂ＜１／１５の場合、粒子間のネック強度が不足し、シャワープレートの製造加工に耐えられないばかりでなく、使用中のパーティクル源となるおそれがある。
一方、ａ／ｂ＞３／４の場合、焼結による接触箇所の形成により強度が保持されるものの、気孔が減少し、シャワープレートによりガスを均一に拡散流出させるシャワー効果が十分に得られない。
十分な強度を有し、かつ、十分なシャワー効果を得るためには、ａ／ｂは２／５程度であることがより好ましい。

上記のようにして形成された多孔体の平均気孔径は５〜２５μｍであることが好ましい。
前記平均気孔径が５μｍ未満の場合、多孔体内でのガスの流通が悪く、圧力損失を生じ、シャワープレートへの負荷が大きくなるため好ましくない。
一方、前記平均気孔径が２５μｍを超える場合、シャワープレートから流出するガス量の均一化を図る効果が低下し、被処理ウェーハのエッチング、成膜のばらつきの原因となる。
なお、気孔径分布は、平均気孔径に対して±５０％程度のばらつきがあっても、エッチング工程やＣＶＤ工程において、シャワープレートから流出されるガスによるウェーハ処理に大きな影響を与えることはないが、好ましくは、±２５％程度の範囲内である。

上記のように、本発明に係るシャワープレートを用いれば、ウェーハ表面に供給ガスを均一に行き渡らせることができるが、ガス供給のより一層の均一化を図るためには、シャワープレートと該シャワープレートへのガス導入部との間に、複数の貫通孔を有するガス拡散板を別途設けることが効果的である。

上記のような本発明に係るシリカ多孔体の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、下記実施例に示すような方法で、前記シリカ粒子を含むスラリーを調製した後、成形、焼成することにより、所望の多孔体を得ることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
（シャワープレートの作製）
まず、以下に示すシリカ多孔体試料をそれぞれ作製し、これらを用いてシャワープレートを作製した。

［試料１〜７］
以下のようにして、異なる焼成温度で焼成した多孔体試料１〜７を作製した。
粒径８０〜１２０μｍ（平均粒径１００μｍ）のシリカ粉末１２００ｇ、テトラエトキシシラン４００ｇ、０．５Ｎ塩酸２ｇをビーカー内で混合し、シリカのスラリーを得た。得られたスラリーを内径３５０ｍｍのポリ塩化ビニル製容器に流し込み、そのまま放置して成形体を得た。さらに、８０℃で２時間乾燥させた後、大気炉にて１２００〜１６００℃の各温度で焼成した。

［試料８］
粒径１０〜２０μｍ（平均粒径１５μｍ）のシリカ粉末１４００ｇ、テトラエトキシシラン４００ｇ、０．５Ｎ塩酸２ｇをビーカー内で混合し、シリカのスラリーを得た。得られたスラリーを内径３４０ｍｍのポリ塩化ビニル容器に流し込み、そのまま放置して成形体を得た。さらに、８０℃で２時間乾燥させた後、大気炉にて１３００℃で焼成を行ったところ、焼成体の多孔体にクラックが発生した。
［試料９］
粒径１５０〜５５０μｍ（平均粒径３５０μｍ）のシリカ粉末１４００ｇ、テトラエトキシシラン４００ｇ、０．５Ｎ塩酸２ｇをビーカー内で混合し、シリカのスラリーを得た。得られたスラリーを内径３４０ｍｍのポリ塩化ビニル容器に流し込み、そのまま放置して成形体を得た。さらに、８０℃で２時間乾燥させた後、大気炉にて１３００℃で焼成を行ったところ、焼成体の多孔体が大きく反り上がり、加工することができなかった。

上記において得られた各焼成体について、各種物性評価を行った。
各焼成温度で得られた焼成体の気孔径を水銀ポロシメータにより測定した。
また、各焼成体の任意の３箇所についての電子顕微鏡観察により、粒子同士の接触長さａ及び粒子径ｂを測定し、ａ／ｂの平均値を求めた（図１参照）。
さらに、得られた焼成体から直径３００ｍｍ、厚さ３ｍｍのプレートを作製し、５ｓｌｍの窒素の流通状況を確認した。
表１に、各評価結果をまとめて示す。

（エッチング試験）
［実施例１］
上記試料３の焼成体によるシャワープレートを用いて、図２に示すようなシャワーヘッドを作製した。シャワーヘッド１０は、上部にガス導入口３を備えたシャーシ４の下部開口部に、シャワープレート２が設置されたものである。

［実施例２］
上記試料３の焼成体によるシャワープレートを用いて、図３に示すようなシャワーヘッドを作製した。シャワーヘッド２０は、シャワープレート２とガス導入口３の間に石英からなる拡散板５が配置されたものであり、それ以外が、図２に示すシャワーヘッド１０と同様である。前記拡散板５はシャワープレート２からの距離が１０ｍｍの位置に設けた。

［比較例１］
平均粒径１３０μｍのシリカ粉末を原料粉末として用い、それ以外については上記試料３と同様にして焼成体を作製した。この焼成体によるシャワープレートを用いて実施例２と同様のシャワーヘッドを作製した。

上記実施例及び比較例において作製した各シャワーヘッドを用いて、図４に示すようなプラズマ装置において直径３００ｍｍのシリコンウェーハのエッチング試験を行った。
チャンバ８内のテーブル７上に載置したウェーハ６の上方に、シャワーヘッド１０（２０）を設置し、プラズマエッチングを行った。エッチング条件は、上部出力：１００Ｗ、流通ガスＣｌ：５０ｓｃｃｍ、炉内圧力：２．５Ｐａ、処理時間：０．５時間とした。
表２に、シリコンウェーハの平均エッチング量とバラツキの評価結果を示す。

表２に示した結果から分かるように、試料３の多孔体によるシャワープレートを用いることにより、エッチングガスを良好な状態で流出させることができ、プラズマエッチングによるシリコンウェーハ表面のエッチング量のばらつきを抑制することができることが認められた。
さらに、ガス拡散板を用いて、該シャワープレート面にガスが満遍なく供給されるようにすることにより、エッチング量のばらつきをより抑制することができることが認められた。

１シリカ粒子
２，１１シャワープレート
３ガス導入口
４シャーシ
５ガス拡散板
６ウェーハ
７テーブル
８チャンバ
１０，２０シャワーヘッド
１２セラミックス
１３貫通孔

Claims

非晶質シリカの多孔体からなるシャワープレートであって、前記非晶質シリカの多孔体は、平均粒径が２０〜１００μｍ、かつ、前記平均粒径の±５０％の範囲内のシリカ粒子により構成され、隣接するシリカ粒子同士の少なくとも１か所における接触長さが該シリカ粒子の粒径の１／１５〜３／４であり、平均気孔径が５〜２５μｍの連通孔を有していることを特徴とするシャワープレート。
前記非晶質シリカの多孔体は、前記平均粒径の±３０％の範囲内のシリカ粒子により構成されることを特徴とする請求項１記載のシャワープレート。