JP2015118996A - プラズマ処理装置用電極板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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及びその製造方法を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置用電極板の製造方法は、ドリル加工によって電極板３の厚さ方向に貫通する通気孔３１を複数形成する通気孔加工工程と、通気孔３１内の洗浄を行う洗浄工程と、その洗浄工程後に電極板３にエッチング処理を施すエッチング工程とを有し、洗浄工程は、電極板３の一方の表面の周縁部３ａに開口端部を密接させた状態に箱体２１０を固定し、その箱体２１０と電極板３とで囲まれた空間部２１０ａに洗浄液Ｆを加圧状態で供給することにより、洗浄液Ｆを通気孔３１を通じて一方の表面（裏面３ｂ）から他方の表面（表面３ｃ）に流出させて行う。
【選択図】 図６

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及びその製造方法に関する。

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一対の電極を、例えば上下方向に対向配置し、その下側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、冷却板を通じて放熱されるように構成されている。

この種の電極板として、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されるような電極板が知られている。これらにおいては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、又は一方向凝固組織を有する柱状晶シリコンからなるインゴットをダイヤモンドバンドソーなどで略円板状に薄く切断する。その後、厚さ方向に平行に通気孔が加工され、所定の研削加工が施された後にエッチング、ポリッシング加工されることで電極板に仕上げられる。

特開２００１‐１０２３５７号公報 特開２０１２‐１９９４２９号公報

このような電極板に通気孔を設ける場合、円板状部材にドリル等を利用した機械加工により行われ、通気孔を形成した後にエッチング処理を施すことが一般的である。しかし、機械加工時に使用された切削油が通気孔内面に付着しているため、この切削油によってエッチング処理が阻害されることがあり、各通気孔の開口径にばらつきが生じて、プラズマ処理の面内均一性を損なう原因となっていた。この場合、電極板の通気孔を洗浄することが考えられるが、電極板には数ｍｍ〜１０ｍｍ程度のピッチで数百〜３０００個程度もの微細な通気孔が設けられるため、その全ての通気孔の洗浄を完全に行うことは難しく、完全には切削油を除去しきれないことが問題であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされてものであり、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及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法は、ドリル加工によって電極板の厚さ方向に貫通する通気孔を複数形成する通気孔加工工程と、前記通気孔内の洗浄を行う洗浄工程と、該洗浄工程後に前記電極板にエッチング処理を施すエッチング工程とを有し、前記洗浄工程は、前記電極板の一方の表面の周縁部に開口端部を密接させた状態に箱体を固定し、該箱体と前記電極板とで囲まれた空間部に洗浄液を加圧状態で供給することにより、前記洗浄液を前記通気孔を通じて前記一方の表面から他方の表面に流出させて行うことを特徴とする。

電極板には、複数の通気孔が設けられるため、電極板表面だけの洗浄では、通気孔内に入り込んだ切削油を完全に除去することが難しい。
本発明においては、電極板の通気孔に対して洗浄液を加圧状態で供給しながら、通気孔から洗浄液を流出させることにより、電極板の洗浄を行う。これにより、洗浄対象の各通気孔の洗浄を確実に行うことができるので、後のエッチング工程において、電極板全体にエッチング処理を均一に行うことが可能となり、通気孔の開口径のばらつきを小さくすることができる。
そして、このように通気孔の開口径が均一に設けられた電極板においては、エッチングガスを均一に供給することができるので、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行うことができ、被処理基板の微細加工が可能となる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法では、前記洗浄工程において、洗浄対象外の複数の前記通気孔を覆って閉鎖することにより、洗浄対象の複数の前記通気孔に前記洗浄液を通過させて行うこととするとよい。
電極板の全ての通気孔に対して一度に洗浄を行うのではなく、電極板の一部の通気孔を洗浄対象とし、洗浄対象外の通気孔からの洗浄液の流出を遮断し、洗浄対象の通気孔に洗浄液を集中させて通過させることにより洗浄する。これにより、電極板の全ての通気孔から洗浄液を通過させる場合よりも小さな加圧力で洗浄を行うことができるので、小規模な設備で洗浄を行うことが可能となる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法において、前記洗浄液は、炭化珪素からなる研磨材を含有するものとされるとよい。
研磨材を含有する洗浄液で洗浄を行うことで、研磨材によって通気孔内の切削油を確実に除去することができ、短時間で電極板の洗浄を行うことができる。また、炭化珪素は、薬品等に侵されにくいため、優れた洗浄力を発揮させることができる。

本発明は、ドリル加工の後にエッチング加工を施すことにより厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられたプラズマ処理装置用電極板であって、前記通気孔は、前記被処理基板との対向面の開口径の標準偏差が０．００３以下であることを特徴とする。
通気孔の被処理基板との対向面の開口径の標準偏差（分散の平方根）が０．００３以下に形成された電極板においては、エッチングガスを均一に供給することができるので、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行うことができ、被処理基板の微細加工が可能となる。

本発明によれば、電極板の通気孔の大きさを均一に設けることができるので、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。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置用電極板の平面図である。 図１のプラズマ処理装置用電極板が用いられるプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。 本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法を説明するフローチャートである。 本発明のプラズマ処理装置用電極板の要部断面図であり、各通気孔の洗浄工程を説明する図である。 本発明のプラズマ処理装置用電極板の洗浄工程に使用される洗浄装置を示す平面図である。 図５のＸ‐Ｘ線に沿う洗浄装置の断面図である。 実施例のプラズマ処理装置用電極板の平面図である。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置用電極板及びその製造方法の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
まず、このプラズマ処理装置用電極板（以下、電極板と称す。）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１００について説明する。
プラズマエッチング装置１００は、図２に示すように、真空チャンバー２内の上側に電極板（上側電極）３が設けられるとともに、下側に上下動可能な架台（下側電極）４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられる。この場合、上側の電極板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、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が載置されるようになっている。また、真空チャンバー２の上側には、エッチングガス供給管２１が設けられ、このエッチングガス供給管２１から送られてきたエッチングガスは、拡散部材９を経由した後、電極板３に設けられた通気孔３１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２２から外部に排出される構成とされる。一方、電極板３と架台４との間には、高周波電源１０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１１が固定されている。この冷却板１１にも、電極板３の通気孔３１に連通するように、この通気孔３１と同じピッチで貫通孔１２が形成されている。そして、電極板３は、背面が冷却板１１に接触した状態でねじ止め等によってプラズマエッチング装置１００内に固定される。

そして、本実施形態の電極板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、例えば厚さ１２ｍｍ程度、直径３００ｍｍ程度の円板に形成され、この電極板３には、数ｍｍ〜１０ｍｍピッチで数百〜３０００個程度の通気孔３１が縦横に整列した状態で厚さ方向に平行に貫通するように形成されている。
各通気孔３１は、ドリル加工の後にエッチング加工を施すことにより形成され、例えば厚さ１２ｍｍとされる電極板３に対して穴径が０．５ｍｍで形成される。また、各通気孔３１は、ウエハ８との対向面の開口径の標準偏差（分散の平方根）が０．００３以下に形成されている。

このように構成される電極板３は、図３のフローチャートに示すように、ドリル加工によって電極板３の厚さ方向に貫通する通気孔３１を複数形成する通気孔加工工程と、通気孔３１内の洗浄を行う洗浄工程と、洗浄工程後に電極板３にエッチング処理を施すエッチング工程とを経て製造される。

（通気孔加工工程）
図示は省略するが、まず、単結晶シリコン、多結晶シリコン、又は一方向凝固組織を有する柱状晶シリコンからなるインゴットを、ダイヤモンドバンドソーなどで略円板状に薄く切断することにより、電極板原板を形成する。そして、その電極板原板の一方の表面側から、厚さ方向に平行にドリルを下降させることにより、通気孔３１を１つずつ加工する。また、このドリルによる切削時においては、切りくずを円滑に排出して切削抵抗を低減するために、加工部に切削油が供給される。

（洗浄工程）
次に、図４に示すように、電極板３の一方の表面に、洗浄液Ｆを加圧状態で供給しながら、各通気孔３１から洗浄液Ｆを噴出させて洗浄を行う。この洗浄液Ｆには、水等の液体に炭化珪素からなる研磨材を含有したものを用いることが好ましい。
なお、洗浄工程は、例えば、図５及び図６に示す洗浄装置２００を用いて行われる。洗浄装置２００の詳細構造と、洗浄装置２００を用いた洗浄工程の詳細については、後述する。

（エッチング工程）
そして、洗浄後の電極板３をエッチング液に一定時間浸漬してエッチングすることにより、ドリル加工により通気孔３１の内面に多数発生するいわゆるマイクロクラックを除去して仕上げる。

次に、洗浄工程に用いる洗浄装置２００について、説明する。
洗浄装置２００は、電極板３の厚さ方向に貫通して形成された複数の通気孔３１に、洗浄液Ｆを通過させることにより洗浄を行う装置である。この洗浄装置２００は、図５及び図６に示すように、電極板３の周縁部３ａが密接させられる開口端部を有する箱体２１０と、その箱体２１０と電極板３とで囲まれた空間部２１０ａに所望の圧力で洗浄液Ｆを供給する流体供給装置２０４と、電極板３の複数の通気孔３１のうち一部の通気孔３１を覆って閉鎖する閉鎖板２０５とを備える。

また、箱体２１０は、有底円筒状の胴体部２０１と、円形の開口部２０２ａが形成された天板２０２とを有し、天板２０２には、開口部２０２ａに円環状のパッキン２０６が取り付けられ、パッキン２０６の外側にクランプ２０７が固定されている。なお、クランプ２０７は、操作レバーとクランプ片とをトグルリンクにより接続した構成であり、図６の実線で示すクランプ位置と、鎖線で示す開放位置との間で操作される。
そして、電極板３は、周縁部３ａがパッキン２０６に当接するように載置されて、クランプ２０７によりパッキン２０６に向けて押圧される。これにより、電極板３は、通気孔３１が閉鎖されない状態で箱体２１０に固定され、電極板３の一方の表面（裏面３ｂ）により空間部２１０ａの一面を形成する。

流体供給装置２０４は、配管２０８を介して箱体２１０の側面に接続される圧送装置（図示せず）を備え、洗浄液Ｆを空間部２１０ａに供給する。洗浄液Ｆが供給される空間部２１０ａの内圧は、配管２０８に備えられた圧力ゲージ２０９により確認される。

また、図５及び図６に二点鎖線で示す閉鎖板２０５は、一列に並ぶ複数の通気孔３１を臨ませる窓部２０５ａが形成されたアクリル板であり、電極板３上に載置されて一部の通気孔３１を覆うことにより、その一部の通気孔３１を閉鎖して洗浄液Ｆの流出を遮断するとともに、窓部２０５ａの内側及び閉鎖板２０５の外側に位置する通気孔３１に集中させて洗浄液Ｆを噴出させる。

以上のように構成された洗浄装置２００を用いて電極板３を製造する方法について説明する。
まず、図５及び図６に示すように、電極板３の周縁部３ａをパッキン２０６に当接させ、開口部２０２ａを塞ぐように載置した状態の電極板３をクランプ２０７により固定することにより、電極板３を箱体２１０に装着する。
次に、液体供給装置２０４から洗浄液Ｆを空間部２１０ａに供給する。このとき、空間部２１０ａの内圧を予め確認しておき、圧力ゲージ２０９により空間部２１０ａの内圧が適切な大きさとなるように洗浄液Ｆの供給を調整する。これにより、空間部２１０ａに供給された洗浄液Ｆは、開口部２０２ａに装着された電極板３の各通気孔３１を通じて電極板３の裏面３ｂから表面３ｃに流出し、空間部２１０ａの内圧に応じた高さで噴出される。

この際、各通気孔３１の洗浄状態に応じて、それぞれの通気孔３１から噴出する洗浄液Ｆの噴出高さは異なり、各通気孔３１からの噴出高さを比較することによって、各通気孔３１の洗浄度合を確認することができる。例えば、図４に示すように、洗浄対象の通気孔３１のうち、洗浄液Ｆの噴出高さが低い通気孔３１Ａは、部分的に直径が小さい通気孔であると考えられ、切削油の付着が考えられる。このため、各通気孔３１からの噴出高さが所定高さに到達するまで続けて洗浄を行うことにより、通気孔３１から切削油を完全に除去した状態で洗浄を完了することができる。

また、電極板３の全ての通気孔３１に対して一度に洗浄を行うのではなく、電極板３の一部の通気孔３１を洗浄対象とし、洗浄対象外の通気孔３１を覆って閉鎖することにより、洗浄対象外の通気孔３１からの洗浄液Ｆの流出を遮断し、洗浄対象の通気孔３１に洗浄液Ｆを集中させて通過させることにより洗浄を行うこともできる。
例えば、図５及び図６に二点鎖線で示すように、電極板３上に閉鎖板２０５を載置することにより、窓部２０５ａの内側及び閉鎖板２０５の外側に位置する通気孔３１だけを洗浄対象とすることができ、洗浄対象の通気孔３１の周辺に開口する洗浄対象外の通気孔３１からの洗浄液Ｆの流出を遮断し、洗浄対象の通気孔３１から洗浄液Ｆを集中して噴出させることができる。
この場合、洗浄対象の通気孔３１の洗浄を完了したら、閉鎖板２０５を図５の白抜き矢印で示す方向に移動し、洗浄対象となる通気孔３１を変更して、新たな洗浄対象の各通気孔３１の洗浄を行うことにより、全ての通気孔３１を洗浄することができる。

このように、本実施形態の電極板の製造方法においては、電極板３の通気孔３１に対して洗浄液Ｆを加圧状態で供給しながら、各通気孔３１から洗浄液Ｆを流出させることにより、電極板３の洗浄を行う。これにより、洗浄対象の各通気孔３１の洗浄を確実に行うことができるので、後のエッチング工程において、電極板３全体にエッチング処理を均一に行うことが可能となり、通気孔３１の開口径の標準偏差を０．００３以下に小さくすることができる。
そして、このように通気孔３１の開口径が均一に設けられた電極板３においては、エッチングガスを均一に供給することができるので、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行うことができ、被処理基板の微細加工が可能となる。

また、上記実施形態の洗浄装置２００のように、閉鎖板２０５を用いることにより、電極板３の全ての通気孔３１に対して一度に洗浄を行うのではなく、電極板３の一部の通気孔３１を洗浄対象とし、洗浄対象外の通気孔３１からの洗浄液Ｆの流出を遮断し、洗浄対象の通気孔３１に洗浄液Ｆを集中させて通過させることにより、電極板３の全ての通気孔３１から洗浄液Ｆを通過させる場合よりも小さな加圧力で洗浄を行うことができ、小規模な設備で洗浄を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態のように、研磨材を含有する洗浄液Ｆで洗浄を行うことで、研磨材によって通気孔３１内の切削油を確実に除去することができ、短時間で電極板３の洗浄を行うことができる。また、炭化珪素は、薬品等に侵されにくいため、優れた洗浄力を発揮させることができる。

本発明の効果を確認するために、洗浄工程の洗浄時間を異なる設定として複数の電極板を製造し、各電極板の通気孔の開口径のばらつきを評価した。また、作製した各電極板を用いて、ウエハ（被処理基板）のエッチング均一性を評価した。
電極板は、外径３００ｍｍ、厚さ１２ｍｍ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、ダイヤモンドドリルによって、穴径を０．５ｍｍとする通気孔を１０２個形成した（通気孔加工工程）。そして、ドリル加工後に、表１に示す洗浄時間の条件で洗浄を行い（洗浄工程）、その後にエッチング処理を施すことにより（エッチング工程）、電極板を作製した。また、表１の洗浄時間を「なし」とする電極板については、洗浄工程を行わなかった。

なお、通気孔加工工程において、ドリルの切削油には、水溶性の切削油を用いた。また、洗浄工程の洗浄液には、純水４０ｌに、株式会社フジミインコーポレーティド社製の緑色炭化珪素研磨材（ＧＣ＃１０００）２．５ｋｇを撹拌させたものを用いた。そして、洗浄装置の空間部の内圧が０．０１ＭＰａ〜０．５ＭＰａとなるように洗浄液の供給を調整し、各通気孔に切削油が付着していない状態とした場合に、各通気孔から噴出される洗浄液の噴出高さ（電極板の表面からの高さ）が２０ｍｍ〜５０ｍｍとなるように設定して、各電極板の洗浄を行った。
また、エッチング工程では、フッ酸と硝酸の混合液からなるエッチング液を用いてエッチング処理を施し、電極板の仕上げを行った。

次に、以上のようにして作製した各電極板について、図７に示す電極板３０に、符号ａ〜ｔで示す位置にある通気孔３１の開口径を計測し、通気孔３１の開口径の標準偏差を評価した。
また、各電極板を、図２に示されるようなプラズマエッチング装置１００に取り付けるとともに、予めＣＶＤ法により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。ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／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、このような条件でウエハ表面のＳｉＯ_２層のエッチングを行った後のウエハについて、中央部のエッチング深さＡ及び外周部のエッチング深さＢをそれぞれ測定した。ウエハのエッチング均一性は、これらのエッチング深さＸ，Ｙの測定値から（Ｘ‐Ｙ）／Ｘ×１００（％）の値を求めた。

各電極板の通気孔の開口径及びその標準偏差と、ウエハのエッチング均一性の評価結果を表１に示す。なお、標準偏差は、各通気孔の開口径により算出される分散の平方根である。また、表１に示す「表面口径」とは、電極板のウエハに対向する面に開口する通気孔の開口径のことを示し、「裏面口径」とは、電極板のウエハに対向する面とは反対側の面に開口する通気孔の開口径のことを示す。

表１からわかるように、洗浄時間を長くするほど、通気孔の開口径の標準偏差を小さくすることができる。本実施例では、洗浄時間を１５分以上とすることによって、通気孔の開口径の標準偏差を０．００３以下とすることができた。この通気孔の開口径の標準偏差が０．００３以下となる電極板においては、エッチング均一性の値を０．８０％より小さくすることができ、ウエハに対してプラズマ処理を均一に行うことができる。
なお、上記実施例においては、通気孔の「表面口径」と「裏面口径」とで標準偏差の値に大きな差はみられなかったが、エッチング均一性の値には、ウエハのプラズマ処理の際にウエハに向かってエッチングガスを供給する側の開口径（表１では、表面口径）のばらつきが大きく影響する。このため、エッチングガスを均一に供給可能とするために、少なくともウエハとの対向面の開口径の標準偏差を０．００３以下とすることが望ましい。

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、上記実施例においては、洗浄液に含有される研磨材が緑色炭化珪素研磨剤とされたが、これに限定されるものではない。
また、洗浄装置２００の閉鎖板２０５は、洗浄対象外の通気孔３１からの洗浄液Ｆの噴出を抑えやすい剛性や重量を有することが好ましく、例えば金属等で形成されていてもよい。さらに、閉鎖板２０５の窓部２０５ａの大きさ、形状についても特に限定されるものではない。

２ 真空チャンバー
３，３０ 電極板（プラズマ処理装置用電極板）
４ 架台
５ 絶縁体
６ 静電チャック
７ 支持リング
８ ウエハ（被処理基板）
９ 拡散部材
１０ 高周波電源
１１ 冷却板
１２ 貫通孔
２１ エッチングガス供給管
２２ 排出口
３１ 通気孔
１００ プラズマエッチング装置
２００ 洗浄装置
２０１ 胴体部
２０２ 天板
２０２ａ 開口部
２０４ 流体供給装置
２０５ 閉鎖板
２０５ａ 窓部
２０６ パッキン
２０７ クランプ
２０８ 配管
２０９ 圧力ゲージ
２１０ 箱体
２１０ａ 空間部

Claims (4)

1. ドリル加工によって電極板の厚さ方向に貫通する通気孔を複数形成する通気孔加工工程と、前記通気孔内の洗浄を行う洗浄工程と、該洗浄工程後に前記電極板にエッチング処理を施すエッチング工程とを有し、前記洗浄工程は、前記電極板の一方の表面の周縁部に開口端部を密接させた状態に箱体を固定し、該箱体と前記電極板とで囲まれた空間部に洗浄液を加圧状態で供給することにより、前記洗浄液を前記通気孔を通じて前記一方の表面から他方の表面に流出させて行うことを特徴とするプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
2. 前記洗浄工程において、洗浄対象外の複数の前記通気孔を覆って閉鎖することにより、洗浄対象の複数の前記通気孔に前記洗浄液を通過させて行う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の製造方法。
3. 前記洗浄液は、炭化珪素からなる研磨材を含有するものとされることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
4. ドリル加工の後にエッチング加工を施すことにより厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられたプラズマ処理装置用電極板であって、前記通気孔は、前記被処理基板との対向面の開口径の標準偏差が０．００３以下であることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。

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