JP2019009271A

JP2019009271A - プラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板の製造方法

Info

Publication number: JP2019009271A
Application number: JP2017123380A
Authority: JP
Inventors: 康太高畠; Kota Takahata
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: JP6855958B2

Abstract

【課題】プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板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は、板状の炭化珪素焼結体からなり、前記炭化珪素焼結体を厚さ方向に貫通する第１貫通孔と、前記第１貫通孔の少なくとも一方の端部に形成されている直径が前記第１貫通孔よりも大きい拡張部を有する基材と、前記基材の前記拡張部が形成されている側の表面に形成されている緻密炭化珪素層と、前記緻密炭化珪素層を厚さ方向に貫通し、前記第１貫通孔に接続する第２貫通孔と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板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、真空チャンバー内に、上下方向に対向配置された一対の電極が備えられている。一般に上側の電極には、プラズマ生成用のガスを通過させるための通気孔が形成されており、下側の電極は、架台となっており、ウェハなどの被処理基板が固定可能とされている。そして、上側電極の通気孔からプラズマ生成用のガスを下側電極に固定された被処理基板に供給しながら、その上側電極と下側電極間に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。

上記の構成のプラズマエッチング装置では、電極がエッチング処理時にプラズマの照射を受けることにより、徐々に消耗する。このため、電極の耐プラズマ性を向上させるために、電極の表面にコーティング層を設けることが検討されている。

特許文献１には、プラズマエッチング装置用電極（ガス吹き出し板）のプラズマ生成用のガスが噴き出す側の表面に、緻密質炭化珪素層を形成することが開示されている。この特許文献１には、炭化珪素緻密質炭化珪素層として、化学気相成長法（ＣＶＤ法）により形成された炭化珪素層（ＣＶＤ−ＳｉＣ層）と、緻密な炭化珪素焼結体からなる焼結体層が挙げられている。

特開２００５−２８５８４５号公報

電極の表面にコーティング層を設けることは、電極表面の耐プラズマ性を向上させるためには有効である。しかしながら、プラズマ生成用ガスの通気孔の周囲は、相対的にプラズマの照射によるコーティング層の消耗が進行しやすい。すなわち、表面にコーティング層を設けた電極を、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用すると、プラズマ生成用ガスの通気孔の周囲のコーティング層が消耗し、電極の基材が露出しやすい。電極の基材が露出すると、基材とコーティング層との界面部分がプラズマによって弾けてパーティクルが発生することがある。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置用電極板は、板状の炭化珪素焼結体からなり、前記炭化珪素焼結体を厚さ方向に貫通する第１貫通孔と、前記第１貫通孔の少なくとも一方の端部に形成されている直径が前記第１貫通孔よりも大きい拡張部を有する基材と、前記基材の前記拡張部が形成されている側の表面に形成されている緻密炭化珪素層と、前記緻密炭化珪素層を厚さ方向に貫通し、前記第１貫通孔に接続する第２貫通孔と、を有することを特徴としている。

このような構成とされた本発明のプラズマ処理装置用電極板においては、基材の第１貫通孔の端部に拡張部が設けられているので、プラズマの照射によって緻密炭化珪素層の第２貫通孔の周囲の消耗が進行しても基材の第１貫通孔は露出しにくい。したがって、本発明のプラズマ処理装置用電極板は、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルが発生しにくくなる。

ここで、本発明のプラズマ処理装置用電極板において、前記拡張部は、前記基材の表面からテーパ状に先細った形状であることが好ましい。
この場合、拡張部が基材の表面からテーパ状に先細った形状とされているので、プラズマによって緻密炭化珪素層の第２貫通孔が消耗しても基材の第１貫通孔は確実に露出しにくくなる。よって、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルがより発生しにくくなる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法は、板状の炭化珪素焼結体からなり、厚さ方向に貫通する第１貫通孔と、前記第１貫通孔の少なくとも一方の端部に形成されている直径が前記第１貫通孔よりも大きい拡張部とを有する基材を用意する工程と、前記基材の前記拡張部が形成されている側の表面に化学気相成長法により、緻密炭化珪素層を形成する工程と、前記緻密炭化珪素層に、前記第１貫通孔に接続する第２貫通孔を形成する工程と、を備えることを特徴としている。

このような構成とされた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は、第１貫通孔と拡張部とを有する基材を用意し、この基材の拡張部が形成されている側の表面に化学気相成長法により、緻密炭化珪素層を形成するので、拡張部を含む基材の表面に対して緻密炭化珪素層を均一に形成することができる。したがって、本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法によれば、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用電極板を製造することができる。

本発明によれば、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板の概略説明図であり、（ａ）は、斜視図であって、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。図１（ｂ）の要部拡大図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板を用いたプラズマエッチング装置の一例を示す概略構成図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板の製造方法を説明する概略断面図である。

以下に、本発明の実施形態であるプラズマ処理装置用電極板およびプラズマ処理装置用電極板の製造方法について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板は、例えば、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の真空チャンバー内に備えられる一対の電極のうちの上側電極として用いられるものである。

図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板の概略説明図であり、（ａ）は、斜視図であって、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。図２は、図１（ｂ）の要部拡大図である。

図１において、プラズマ処理装置用電極板１０は、円板状とされており、プラズマ生成用のガスを通過させる通気孔１６が複数個形成されている。プラズマ処理装置用電極板１０は、基材１１と、基材１１の表面に形成された緻密炭化珪素層１４とを有する。基材１１には第１貫通孔１２が、緻密炭化珪素層１４には第２貫通孔１５がそれぞれ形成されていて、この第１貫通孔１２と第２貫通孔１５とでプラズマ生成用ガスの通気孔１６を構成している。

基材１１は、板状の炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体からなる。炭化珪素焼結体は、ＳｉＣ粉末単独の焼結体であってもよいし、ＳｉＣ粉末と焼結助剤を含む混合物の焼結体であってもよい。焼結助剤の例としては、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末およびＡｌＮ粉末を挙げることができる。これらの焼結助剤は、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。焼結助剤の含有量は、３質量％以上１０質量％以下の範囲にあることが好ましい。

基材１１は、炭化珪素焼結体を厚さ方向に貫通する第１貫通孔１２と、第１貫通孔１２の緻密炭化珪素層１４側の端部に形成されている拡張部１３を有する。拡張部１３は、直径が第１貫通孔１２よりも大きい形状とされている。また、本実施形態では、拡張部１３は、図２に示すように、基材１１の表面からテーパ状に先細った形状とされている。

第１貫通孔１２の直径、すなわち通気孔１６の直径（図２のＡ）は、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。第１貫通孔１２の直径Ａがこの範囲にあると、プラズマ生成用のガスの流量が、一定でかつ安定する傾向がある。

拡張部１３は、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用しても基材１１の第１貫通孔１２が露出しないように、通気孔１６周囲の緻密炭化珪素層１４の領域を広くする作用がある。すなわち、本実施形態のプラズマ処理装置用電極板１０は、基材１１の拡張部１３の上に緻密炭化珪素層１４が形成されていることによって、プラズマの照射によって緻密炭化珪素層１４が消耗しても基材１１の第１貫通孔１２が露出するまでの時間が長くなる。

拡張部１３の最大幅（図２のｘ）は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。
最大幅ｘが０．５ｍｍ未満であると、拡張部１３の上に形成された緻密炭化珪素層１４がプラズマの照射によって消耗して基材１１が露出するまでの時間が短くなるおそれがある。一方、最大幅ｘが２．０ｍｍを超えると、拡張部１３が広くなりすぎて、拡張部１３に緻密炭化珪素層１４を均一に形成するのが難しくなり、緻密炭化珪素層１４の厚みが不均一となるおそれがある。

なお、拡張部１３の最大幅ｘは、例えば、下記の式より算出することができる。
最大幅ｘ＝（拡張部１３の直径−第１貫通孔１２の直径Ａ）／２

拡張部１３の深さ（図２のｙ）は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。
深さｙが０．５ｍｍ未満であると、拡張部１３の上に形成された緻密炭化珪素層１４がプラズマの照射によって消耗して基材１１が露出するまでの時間が短くなるおそれがある。一方、深さｙが２．０ｍｍを超えると、拡張部１３が深くなりすぎて、拡張部１３に緻密炭化珪素層１４を形成するのが難しくなり、拡張部１３が露出しやすくなるおそれがある。

緻密炭化珪素層１４は、化学気相成長法（ＣＶＤ法）によって形成された炭化珪素層（ＣＶＤ−ＳｉＣ層）であることが好ましい。
緻密炭化珪素層１４の厚み（図２のｔ）は、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。緻密炭化珪素層１４の厚みがこの範囲にあると、プラズマの照射によって緻密炭化珪素層１４が消耗して、拡張部１３が露出するまでの時間を長くすることができ、プラズマ処理装置の電極としての使用時間を長くすることができる。

緻密炭化珪素層１４は、緻密炭化珪素層１４を厚さ方向に貫通している第２貫通孔１５を有する。第２貫通孔は、基材１１の第１貫通孔１２に接続し、第１貫通孔１２と第２貫通孔１５とでプラズマ生成用ガスの通気孔１６を構成する。第２貫通孔の直径は、基材１１の第１貫通孔１２と同じである。

プラズマ生成用ガスの通気孔１６のアスペクト比（長さ／直径）は３以上であることが好ましい。通気孔１６のアスペクト比が３以上であると、プラズマがプラズマ処理装置用電極板１０の背面にまで到達しにくくなり、プラズマ処理装置用電極板１０の背面に配置される部材（例えば、図３の冷却板１８）の消耗を抑えることができる。また、プラズマ生成用のガスの逆流を防ぐためには、通気孔１６のアスペクト比は５０以下であることが好ましい。

図３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板を用いたプラズマエッチング装置の一例を示す概略構成図である。
プラズマエッチング装置１００は、図３に示すように、真空チャンバー３０内の上側に本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板１０（上側電極）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）２０がプラズマ処理装置用電極板１０と相互間隔をおいて平行に設けられる。この場合、上側のプラズマ処理装置用電極板１０は絶縁体１７により真空チャンバー３０の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、架台２０の上に、静電チャック２１と、その周りを囲むシリコン製の支持リング２２とが設けられており、静電チャック２１上に支持リング２２により周縁部を支持した状態でウェハ（被処理基板）４０が載置されるようになっている。また、真空チャンバー３０の上側には、エッチングガス供給管３１が設けられ、このエッチングガス供給管３１から送られてきたエッチングガスは、拡散部材３２を経由した後、プラズマ処理装置用電極板１０に設けられた通気孔１６を通してウェハ４０に向かって流され、真空チャンバー３０の側部の排出口３３から外部に排出される構成とされる。一方、プラズマ処理装置用電極板１０と架台２０との間には、高周波電源５０により高周波電圧が印加されるようになっている。

また、プラズマ処理装置用電極板１０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１８が固定されている。この冷却板１８にも、プラズマ処理装置用電極板１０の通気孔１６に連通するように、通気孔１６と同じピッチで貫通孔１９が形成されている。そして、プラズマ処理装置用電極板１０は、背面が冷却板１８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。

次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板の製造方法を、図４を参照して説明する。
本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板は、基材１１を用意する基材用意工程と、基材１１に緻密炭化珪素層を形成する緻密炭化珪素層形成工程と、緻密炭化珪素層に第２貫通孔を形成する第２貫通孔形成工程とを備えている。

（基材用意工程）
まず、図４（ａ）に示すように、基材１１の原料となる板状の炭化珪素焼結体１１ａを準備する。
板状の炭化珪素焼結体１１ａは、例えば、ホットプレスを用いて作製することができる。具体的には、ＳｉＣ粉末もしくはＳｉＣ粉末と焼結助剤とを含む混合物を、成形型に充填し、ホットプレスを用いて加圧焼結することによって作製することができる。

次に、準備した炭化珪素焼結体１１ａを用いて、図４（ｂ）に示す基材１１を作製する。
すなわち、炭化珪素焼結体１１ａに対して、厚さ方向に貫通する第１貫通孔１２と、第１貫通孔１２の一方の端部（図４（ｂ）では上側端部）に直径が第１貫通孔１２よりも大きい拡張部１３とを形成する。第１貫通孔１２および拡張部１３を形成する加工方法としては、レーザ加工を用いることができる。

（緻密炭化珪素層形成工程）
緻密炭化珪素層形成工程では、図４（ｃ）に示すように、基材１１の拡張部１３が形成されている側の表面に緻密炭化珪素層１４を形成する。緻密炭化珪素層１４は、拡張部１３を含む基材１１の表面全体に形成されている。緻密炭化珪素層１４を形成方法としては、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いることができる。

（第２貫通孔形成工程）
第２貫通孔形成工程では、図４（ｄ）に示すように、上記緻密炭化珪素層形成工程にて形成した緻密炭化珪素層１４に、第１貫通孔１２に接続する第２貫通孔１５を形成する。これによって、プラズマ生成用ガスの通気孔１６を有するプラズマ処理装置用電極板１０が製造される。第２貫通孔１５を形成する加工方法としては、レーザ加工を用いることができる。

以上のような構成とされた本実施形態であるプラズマ処理装置用電極板によれば、基材１１の第１貫通孔１２の端部に拡張部１３が設けられているので、プラズマによって第２貫通孔１５（すなわち、通気孔１６の表面）の緻密炭化珪素層１４が消耗しても基材１１の第１貫通孔１２は露出しにくい。したがって、本実施形態のプラズマ処理装置用電極板を用いてプラズマエッチング処理を長時間にわたって実施してもパーティクルが発生しにくくなる。

また、本実施形態においては、拡張部１３が基材１１の表面からテーパ状に先細った形状とされているので、プラズマによって第２貫通孔１５の緻密炭化珪素層が消耗しても基材の第１貫通孔は確実に露出しにくくなる。よって、プラズマエッチング処理を長時間にわたって実施してもよりパーティクルが発生しにくくなる。

また、本実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板の製造方法によれば、第１貫通孔１２と拡張部１３とを有する基材１１を用意し、この基材１１の拡張部１３が形成されている側の表面に化学気相成長法により、緻密炭化珪素層１４を形成するので、拡張部１３を含む基材の表面に均一に緻密炭化珪素層を形成することができる。したがって、本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法によれば、プラズマエッチング処理を長時間にわたって実施してもパーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用電極板を製造することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、プラズマ処理装置用電極板１０を円板状としたが、プラズマ処理装置用電極板１０の形状には特には制限はなく、角板状としてもよい。
また、本実施形態では、基材１１の拡張部１３が基材１１の表面からテーパ状に先細った形状としたが、拡張部１３の形状は直径が前記第１貫通孔１２よりも大きくされていれば特には制限はない。例えば、拡張部１３は、基材１１の表面から丸み帯びて先細った形状であってもよいし、基材１１の表面から階段状に先細った形状であってもよい。

さらに、本実施形態のプラズマ処理装置用電極板は、使用後に再生使用してもよい。再生使用とは、使用後のプラズマ処理装置用電極板の表面に緻密炭化珪素層１４を形成し、次いで緻密炭化珪素層１４に第２貫通孔１５を形成してプラズマ処理装置用電極板１０として再生して、使用することを意味する。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置用電極板の作用効果について評価した評価試験の結果について説明する。

［本発明例１］
Ｙ_２Ｏ_３粉末（純度：９９．９質量％、平均粒子径：０．５μｍ）とＳｉＣ粉末（純度：９９．９質量％、平均粒子径：０．６μｍ）とを用意した。用意したＹ_２Ｏ_３粉末とＳｉＣ粉末とを、質量比で１：９９（Ｙ_２Ｏ_３粉末：ＳｉＣ粉末）の割合でボールミルを用いて混合して、粉末混合物を得た。得られた粉末混合物を成形型に充填し、ホットプレスを用いて２０００℃、４０ＭＰａの条件で加圧焼結した。得られた焼結体を研磨加工して、直径３９０ｍｍ、厚さ１１ｍｍの円板状のＹ_２Ｏ_３含有ＳｉＣ焼結体を作製した。

作製したＹ_２Ｏ_３含有ＳｉＣ焼結体について、レーザ加工により、最大幅ｘが０．０７ｍｍ、深さｙが０．３６ｍｍのテーパ状の拡張部を有する直径０．５ｍｍの第１貫通孔を１０ｍｍの間隔で形成して、プラズマ処理装置用電極の基材を作製した。

作製した基材の拡張部が形成されている側の表面に、ＣＶＤ法により、緻密炭化珪素層（ＣＶＤ−ＳｉＣ層）を、その層の厚みが０．６１ｍｍとなるように形成した。次いで、ＣＶＤ法により形成した緻密炭化珪素層（ＣＶＤ−ＳｉＣ層）について、レーザ加工により、第１貫通孔に接続する第２貫通孔（直径は第１貫通孔と同じ）を形成して、プラズマ処理装置用電極板を製造した。

［本発明例２〜１０］
第１貫通孔の直径、拡張部の最大幅ｘと深さｙ、およびＣＶＤ−ＳｉＣ層の厚みを表１に記載の値としたこと以外は、本発明例１と同様にしてプラズマ処理装置用電極を製造した。

［比較例１〜２］
基材に拡張部を形成しなかったこと、第１貫通孔の直径とＣＶＤ−ＳｉＣ層の厚みを表１に記載の値としたこと以外は、本発明例１と同様にしてプラズマ処理装置用電極を製造した。

［評価］
本発明例１〜１０および比較例１〜２で製造したプラズマ処理装置用電極板について、耐プラズマ性を、以下のようにして評価した。
本発明例１〜１０および比較例１〜２で製造したプラズマ処理装置用電極板と、被処理対象物としてウェハ（直径：２００ｍｍ）とを、図３に示したプラズマエッチング装置に装着して、以下の条件でプラズマエッチング処理を実施した。
チャンバー内圧力：１０^−１Ｔｏｒｒ
エッチングガス組成：９０ｓｃｃｍＣＨＦ_３＋４ｓｃｃｍＯ_２＋１５０ｓｃｃｍＨｅ
高周波電力：２ｋＷ
周波数：２０ｋＨｚ

プラズマエッチング処理を開始してから、所定の経過時間毎にプラズマエッチング装置からウェハを取出して、ウェハ表面に付着しているパーティクル（直径６５μｍ以上のパーティクル）の発生数を、パーティクルカウンターを用いて計測した。その結果を、表１に示す。

基材に拡張部を形成しなかった比較例１〜２のプラズマ処理装置用電極板は、プラズマエッチング処理を開始してから５０時間後の時点で、パーティクルの発生数が１００個を大きく超えることが確認された。

これに対して、基材に拡張部を形成した本発明例１〜１０のプラズマ処理装置用電極板はいずれも、プラズマエッチング処理を開始してから５０時間後の時点ではパーティクルの発生数が１０個以下であり、プラズマ処理装置の電極として長時間にわたって使用してもパーティクルの発生数が顕著に低減することが確認された。

特に、拡張部の最大幅ｘが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲にあって、かつ深さｙが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲にある本発明例４〜６のプラズマ処理装置用電極板は、パーティクルの発生数が１００個を超えたのが、プラズマエッチング処理を開始してから４００時間後であり、パーティクルの発生数が顕著に低減することが確認された。

１０プラズマ処理装置用電極板
１１基材
１１ａ炭化珪素焼結体
１２第１貫通孔
１３拡張部
１４緻密炭化珪素層
１５第２貫通孔
１６プラズマ生成用ガスの通気孔
１７絶縁体
１８冷却板
１９貫通孔
２０架台（下側電極）
２１静電チャック
２２支持リング
３０真空チャンバー
３１エッチングガス供給管
３２拡散部材
３３排出口
４０ウェハ（被処理基板）
５０高周波電源
１００プラズマエッチング装置

Claims

板状の炭化珪素焼結体からなり、前記炭化珪素焼結体を厚さ方向に貫通する第１貫通孔と、前記第１貫通孔の少なくとも一方の端部に形成されている直径が前記第１貫通孔よりも大きい拡張部を有する基材と、
前記基材の前記拡張部が形成されている側の表面に形成されている緻密炭化珪素層と、
前記緻密炭化珪素層を厚さ方向に貫通し、前記第１貫通孔に接続する第２貫通孔と、
を有することを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
前記拡張部は、前記基材の表面からテーパ状に先細った形状であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置用電極板。
板状の炭化珪素焼結体からなり、厚さ方向に貫通する第１貫通孔と、前記第１貫通孔の少なくとも一方の端部に形成されている直径が前記第１貫通孔よりも大きい拡張部とを有する基材を用意する工程と、
前記基材の前記拡張部が形成されている側の表面に化学気相成長法により、緻密炭化珪素層を形成する工程と、
前記緻密炭化珪素層に、前記第１貫通孔に接続する第２貫通孔を形成する工程と、
を備える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。