JP2020109804A - 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】平滑な面取り部により、パーティクルの発生を抑制できるプラズマ処理装置用電極板を提供する。【解決手段】本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法は、電極板本体の少なくとも一方の面に、該電極板本体の厚さ方向に向かって徐々に縮径するテーパ形状の凹部を形成する凹部形成工程と、凹部の最大開口径よりも小さい外径で凹部と同軸で電極板本体を厚さ方向に貫通するストレート孔を形成するストレート孔形成工程と、を備え、面取り部の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である。【選択図】 図３

Description

本発明は、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上部電極と下部電極とが例えば上下方向に対向配置されている。下部電極は、その上に被処理基板を配置した状態とし、上部電極は、通気孔を有し、この通気孔から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。これにより、プラズマ処理装置は、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。

電極板に形成される通気孔は、被処理基板に対向する面に面取りを施すことにより、次のような効果のあることが知られている。即ち、面取り部を形成することにより、放電が通気孔の周縁に集中するのを防ぎ、電極の局所的な消耗を無くし、異物の脱落を抑制できる。また、ガスを拡散させることができ、プラズマ処理の均一性を向上させることができる。更に、プラズマの一部がガスの流れに逆らって逆流し、冷却板の一部が損傷して汚染の生じることを抑制できる（例えば特許文献１〜３参照）。

電極板における通常の通気孔の加工方法は、ドリル、レーザ、ウォータージェットなどで、例えば直径０．５ｍｍの孔加工を施した後、ラップ・ポリッシュ方法やバフ・ポリウレタンなどで表面を研磨しながら面取り加工する。或いは、ドリル、レーザ、ウォータージェットなどで孔加工を施した後、必要な面取りを、ドリル、レーザ、ウォータージェットなどで施している。

特開平９−２８９１９９号公報 特開２０００−５８５１０号公報 特開２０１３−１８３０２５号公報

しかしながら、これらの面取り加工では、片側０．１ｍｍ以下の小さな面取りは可能となるが、０．１ｍｍを超える面取りは困難である。また、縦断面で面取り部が曲面に仕上げられるＲ面取りは可能であるが、面取り部が直線状の傾斜面となるＣ面取り加工や、面取りの大きさ制御が、困難となる。
また、Ｃ面取り加工には、例えば工具の軸心を中心とする回転円錐面上に切れ刃を形成した、いわゆる面取りカッターを用いることが多いが、従来の面取り加工では、最初にドリルによりストレート孔を貫通形成し、次いで、ストレート孔の周縁を、面取りカッターにより面取り加工する。この際、面取りカッターは、ストレート孔の中心に対して自身の中心位置を合わせることが難しく、振れによる位置ずれが発生しやすい。その結果、面取り部の表面粗さが悪化する傾向にある。面取り部の表面粗さが悪化した電極板は、プラズマ処理装置で使用する際、パーティクルが発生する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、平滑な面取り部により、パーティクルの発生を抑制できるプラズマ処理装置用電極板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、電極板本体に、該電極板本体の厚さ方向に沿うストレート孔と、前記電極板本体の少なくとも一方の面に前記ストレート孔の端部に同軸で接続する面取り部と、を有するプラズマ処理装置用電極板の製造方法であって、
前記電極板本体の少なくとも一方の面に、該電極板本体の厚さ方向に向かって徐々に縮径するテーパ形状の凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の最大開口径よりも小さい外径で前記凹部と同軸で前記電極板本体を厚さ方向に貫通するストレート孔を形成するストレート孔形成工程と、を備える。

このプラズマ処理装置用電極板の製造方法によれば、電極板本体の表面にまずテーパ形状の凹部を形成する。この凹部における内周面の一部分が、従来の面取り加工により形成していた面取り部となる。凹部の加工には、円錐状のドリルや、面取りカッター、皿揉み用のドリルなどを用いることができる。ドリルの他、レーザ、ウォータージェットなどで加工されてもよい。平坦な表面への加工であるので、平滑な表面に仕上げることができる。
次いで、凹部の底部にストレート孔を形成する。この孔あけ加工は通常のドリルを用いることができる。この場合、先に形成した凹部がいわゆる揉み付け穴となる。したがって、電極板本体に対するドリルの食いつきが向上し、位置ずれが発生しにくくなる。そのため、ドリルが振れて、先に形成した凹部の内面を傷つけることが少ない。その結果、凹部にドリルが案内されて、凹部の軸心に沿って正確にストレート孔を形成することができるとともに、先に形成しておいた凹部の外周部による面取り部が後のドリルによる孔あけ加工で傷つけられることがなく、平滑な面取り部とすることができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板は、電極板本体に、該電極板本体を厚さ方向に貫通する複数の通気孔を有し、該通気孔は、電極板本体の厚さ方向に沿うストレート孔と、前記電極板本体の少なくとも一方の面に前記ストレート孔の端部に同軸で接続する面取り部と、を有し、前記面取り部の表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下である。

このプラズマ処理装置用電極板は、面取り部を有する面をプラズマ面に向けて使用される。この面取り部の表面における算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下に設定されているので、パーティクルの発生を抑制することができる。面取り部の表面における算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えていると、パーティクルの発生が多くなり、プラズマ処理品質が低下する。

プラズマ処理装置用電極板の一つの実施態様は、前記面取り部の最大開口径をＤｍｍ、前記ストレート孔の内径をｄｍｍとしたとき、ｄが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、Ｄ／ｄが３未満であるとよい。

このプラズマ処理装置用電極板によれば、通気孔の内径に対して比較的小さな面取り部であるのが好ましく、Ｄ／ｄが３以上であると、通気孔を経由したガスの流れが不均一になり易い。ただし、Ｄ／ｄが小さすぎると、面取り部が小さくなりすぎることからプラズマが集中して異物が生じ易いので、実用上は１．５以上２．５以下とするのが好ましい。

プラズマ処理装置用電極板の一つの実施態様は、前記ストレート孔の内周面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下であるとよい。

このプラズマ処理装置用電極板は、ストレート孔の内周面も算術平均粗さＲａも０．８μｍ以下とすることにより、パーティクルの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明によれば、面取り部が平滑でパーティクルの発生を抑制することができる。

本発明の一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の要部断面図である。 プラズマ処理装置用電極板の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図３の製造方法を工程順に示す要部断面図である。

以下、本発明の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について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置用電極板１０を示す平面図、図２はその要部の断面図である。

本実施形態の電極板１０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、厚さ３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、直径２００ｍｍ以上５５０ｍｍ以下の円板状に形成された電極板本体１１に、数ｍｍ〜１０ｍｍピッチで数百〜１０００個の通気孔２０が例えば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。また、各通気孔２０は、電極板本体１１の厚さ方向に沿うストレート孔２１と、ストレート孔２１の両端部、つまり電極板本体１１の両面に、通気孔２０の両端部に接続され、該両端部をテーパ形状に広げた形状とする面取り部２２とが形成されている。

この面取り部２２は、ストレート孔２１と同軸に形成され、電極板本体１１の表面から厚さ方向に進むにしたがって漸次縮径し、ストレート孔２１と同一径となって接続する。この実施形態では、面取り部２２はいわゆるＣ面取りであり、ストレート孔２１の軸心Ｃを通る縦断面において、面取り部２２の表面はストレート孔２１の軸心Ｃに対して４５°の角度で傾斜している。したがって、面取り部２２において、ストレート孔２１からの半径方向の広がり幅Ｗと、面取り部２２の深さＨとが同一寸法に形成される。ただし、面取り部２２の傾斜角度は４５°に限定されるものではない。

ここで、ストレート孔２１の内径をｄｍｍ、面取り部２２の最大開口内径をＤｍｍとしたとき、ｄが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、Ｄ／ｄが３未満であるとよい。Ｄ／ｄが３以上であると、通気孔２０を経由したガスの流れが不均一になり易い。ただし、Ｄ／ｄが小さすぎると、面取り部２２が小さくなりすぎることからプラズマが集中して異物が生じ易いので、実用上はＤ／ｄを１．５以上２．５以下とするのが好ましい。なお、前述の半径方向の広がり幅Ｗ、面取り部の深さＨとの関係では、Ｗ＝Ｈ＝（Ｄ−ｄ）／２である。

また、この面取り部２２の表面は、算術平均粗さＲａが０．４μｍ以上０．８μｍ以下に設定されている。ストレート孔２１の内周面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．８μｍ以下に設定されている。
この面取り部２２は、実施形態では、電極板本体１１の両面、つまり各通気孔２０の両端部に形成されているが、少なくともプラズマ処理装置に取付けられたときに被処理基板と対向する面（プラズマ発生側の面）に設けられることが望ましい。図２に示す実施形態では、通気孔２０の両端部に同一形状、同一寸法の面取り部２２が形成されている。

次に、このプラズマ処理装置用電極板１０の製造方法を説明する。
単結晶シリコン等からなるシリコンインゴットを円板状にスライスして電極板本体１１を形成し（スライス工程）、スライス前のシリコンインゴット、又はスライス後の電極板本体１１に必要に応じて熱処理を施した後、電極板本体１１の表面に電極板本体１１の厚さ方向に向かって徐々に縮径するテーパ形状の凹部２５を形成し（凹部形成工程）、凹部２５の最大開口径よりも小さい外径のドリルで凹部２５と同軸で電極板本体１１を厚さ方向に貫通するストレート孔２１を形成する（ストレート孔形成工程）。
これら凹部形成工程及び通気孔形成工程について詳述する。

（凹部形成工程）
凹部形成工程では、ドリル、レーザ、ウォータージェットなどが用いられるが、例えば図４（ａ）に示すように、軸心Ｃ１を中心とする回転円錐面上に切れ刃を形成した面取り専用の工具（面取りカッター）３０を用いることが可能である。この凹部２５は、通気孔２０が配置される位置にそれぞれ形成される。電極板本体１１の両面に面取り部２２を形成する場合は、図４（ｂ）に示すように、電極板本体１１の両面に、表裏の凹部２５が同一軸心Ｃ上に配置されるように形成する。
この凹部形成工程では、他の穴等が形成されていない電極板本体１１の表面の平坦面に凹部２５を形成する。このため、狙い通りの位置に、工具３０の加工形状に合った凹部２５を形成することができる。また、加工中の工具３０の振れが生じないので、凹部２５の表面を平滑に仕上げることができる。凹部２５の表面の算術平均粗さＲａは０．４μｍ以上０．８μｍ以下に形成される。

（ストレート孔形成工程）
ストレート孔形成工程では、ドリル、レーザ、ウォータージェットなどが用いられる。ドリル３１を用いる場合、凹部２５の最大開口径よりも小さい外径のものが選択される。そして、図４（ｂ）に示すように、電極板本体１１の一方の面から凹部２５の軸心Ｃとドリル３１の軸心Ｃ２を同軸に配置して、電極板本体１１を厚さ方向に貫通することにより、ストレート孔２１を形成する。この場合、凹部形成工程で形成した凹部２５のすべてにストレート孔２１を形成する。

このストレート孔形成工程においてドリル３１を用いる場合、電極板本体１１の表面に形成されている凹部２５の表面はテーパ形状に形成されているので、電極板本体１１の一方の面からドリル３１を当てると、図４（ｃ）に示すように、ドリル３１の先端がテーパ形状の表面により凹部２５の中心に案内されて、芯合わせがなされる。言い換えれば、先に形成した凹部２５の底部がいわゆる揉み付け穴となる。

したがって、電極板本体１１に対するドリル３１の食いつきが向上し、凹部２５の軸心Ｃに対するドリル３１の軸心Ｃ２の位置ずれが発生しにくくなる。そのため、ドリル３１が振れて、先に形成した凹部２５の内面を傷つけることが少ない。その結果、凹部２５の軸心Ｃ２に沿って正確にストレート孔２１を形成することができる。このストレート孔２１の内周面の算術平均粗さＲａは０．１μｍ以上０．８μｍ以下に形成される。

そして、電極板本体１１にストレート孔２１が形成されると、先に形成しておいた凹部２５の外周部がストレート孔２１の端部に面取り部２２として残される（図２参照）。なお、電極板本体１１の反対側の凹部２５においても、ドリル３１でストレート孔２１を形成すると、凹部２５の中心部にストレート孔２１が貫通することにより、凹部２５の外周部がストレート孔２１の端部に面取り部２２として残される。この電極板本体１１の反対側の凹部２５により形成される面取り部２２も、工具（ドリル３１）が接触しないので、平滑な表面に形成される。
このようにして、電極板本体１１にストレート孔２１を形成することにより、ストレート孔２１の両端に面取り部２２を有する通気孔２０が形成される。

その後、通気孔２０を形成した電極板本体１１をエッチングして、電極板本体１１の表面及び通気孔２０の内周面（ストレート孔２１の内周面、面取り部２２の表面）の加工によるダメージ層を除去し、電極板本体１１の表裏面を研磨し、全体を洗浄して、電極板１０が完成する。

従来の製造方法では、ストレート孔を形成した後に、このストレート孔に位置合わせした状態で面取り部を形成しており、このため、面取り部を形成する際に、先に形成したストレート孔との間で振れによる位置ずれが生じ易い。これに対して、本実施形態の製造方法では、電極板本体１１に先に凹部２５を形成した後、その凹部２５と同軸にストレート孔２１を形成するので、凹部形成工程においては、平坦面に対する加工であることから位置ずれを生じ難く、ストレート孔形成工程では、先に形成した凹部２５のテーパ形状の表面がガイドとなって、凹部２５の軸心Ｃに沿って正確にストレート孔２１を形成することができる。したがって、凹部２５の軸心Ｃがストレート孔２１の軸心であり、通気孔２０の軸心となる。

そして、ストレート孔２１を形成した後に残る凹部２５の外周部により面取り部２２が形成され、この面取り部２２の表面は加工工具（面取りカッター３０やドリル３１）の振れ等による傷つきが少ないので、表面粗さの小さい平滑面に形成される。算術平均粗さＲａは０．４μｍ以上０．８μｍ以下に形成される。より小さい算術平均粗さＲａを狙う場合は加工時間の大幅な増加による生産性の著しい低下、加工の出来栄えばらつきの発生、工具価格の上昇といった問題があり、算術平均粗さＲａ０．４μｍ未満を狙うのは困難となるため、実際は、算術平均粗さＲａ０．６μｍ程度を狙って加工される。

このように面取り部２２の表面の算術平均粗さＲａが小さいので、この電極板１０をプラズマ処理装置に取付ける際に、平滑な面取り部２２をプラズマ側に向けることにより、パーティクルの発生を抑制することができる。この面取り部２２の表面における算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えていると、パーティクルの発生が多くなり、プラズマ処理品質が低下する。また、本実施形態ではストレート孔２１の内周面も算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上０．８μｍ以下に形成されているので、ガスの流れが均一で高品質のプラズマ処理を施すことができる。

なお、面取り部２２は、上記実施形態ではストレート孔２１の軸心Ｃを通る縦断面において直線状となる、Ｃ面取り形状としたが、円弧状の曲線により徐々に縮径する、いわゆるＲ面取り形状であってもよい。

シリコン製電極板本体にストレート孔部分の直径が０．５ｍｍの通気孔を形成する場合に、従来の方法（先にストレート孔を形成した後、面取りする方法）と、本実施形態の方法（先に凹部を形成した後、ストレート孔を形成する方法）との両方法にて、面取り部を有する通気孔を形成した。面取り部は一方の面のみに施した。

ストレート孔の形成には、タングステン（Ｗ）の焼結材のドリルを用いた。加工条件（ドリルの回転数と送り速度）を変えることで、ストレート部の表面の算術平均粗さＲａを変動させた。面取り部の形成には、タングステン（Ｗ）からなる円錐状の焼結材の表面にダイヤモンド粒子を電着したドリルを用いた。面取り部または凹部の形成については、従来の方法と本実施形態の方法を比較するためにも、加工条件は固定し、ドリル番手についても、凹部を形成した際に算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えない程度になるドリルに固定した。この面取り用ドリルにて、最大開口径Ｄが０．８ｍｍ（Ｗ＝０．１５ｍｍ）、１ｍｍ（Ｗ＝０．２５ｍｍ）、１．２ｍｍ（Ｗ＝０．３５ｍｍ）、１．５ｍｍ（Ｗ＝０．５ｍｍ）の４５°傾斜のＣ面取り部を形成した。つまり、ストレート孔の直径に対して、面取り部の最大開口径が２倍、２．４倍、３倍となるように面取りした。
これらのストレート孔及び面取り部を加工した後、ストレート孔の内周面及び面取り部の表面の算術平均粗さＲａを測定し、また、プラズマエッチング装置において所定時間プラズマエッチングしたときのパーティクル発生数を測定した。

［算術平均粗さＲａ］
算術平均粗さＲａ（μｍ）は、測定された粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線とで囲まれた領域の面積の総和を求め、これを測定長さで除した値である。この粗さ曲線は、接触式測定装置によって測定した。直径０．５ｍｍのストレート孔の内周面、面取り部の表面の測定については、測定箇所の孔を半分に切断し、その切断面の底部の測定を行った。そして、その測定箇所の長さを３等分し、加工入口部（電極板本体の表面に最も近い部分）、加工中間部、加工出口部（面取り部はストレート孔に最も近い部分）の計３箇所を測定し、その３つの中心平均粗さＲａの平均値を比較した。

［プラズマエッチング時のパーティクル数］
製作したそれぞれの電極板を面取り部加工面が下部となるようにプラズマエッチング装置に装着し、下部電極上にモニターウェーハを載置し、プラズマエッチング開始から１時間後のモニターウェーハ上のパーティクル数を測定した。このパーティクル数の測定は、パーティクルカウンター（株式会社トプコン製 ウェーハ表面検査装置ＷＭ−３０００）を使用し、モニターウェーハ上をレーザ光により走査し、付着したパーティクルからの光散乱強度を測定することによりパーティクルの位置及び大きさを検出することにより行った。

これらの結果を表１〜４に示す。表１は面取り部の最大開口径が０．８ｍｍの場合、表２は面取り部の最大開口径が１．０ｍｍの場合、表３は面取り部の最大開口径が１．２ｍｍの場合、表４は面取り部の最大開口径が１．５ｍｍの場合である。

これらの表からわかるように、凹部を先に形成した後、ストレート孔を形成する実施例の方法であると、面取り部及びストレート孔ともに、算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下の平滑な表面が得られた。そして、この実施例の電極板を用いてプラズマエッチング処理する際のパーティクル発生数も少なく、高品質のプラズマ処理が可能となることがわかる。
また、面取り部の最大開口径が１．５ｍｍ（Ｄ／ｄが３）である表４については、パーティクルの結果は、従来例・実施例ともに大きな差は無いものの、ガスの流れが不均一となった。

なお、実施例では、ストレート孔を直径０．５ｍｍとしたが、ストレート孔の直径が０．３ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲であれば同様の結果（同じ程度のストレート部Ｒａで、同じ程度のパーティクル数の結果）が得られることが知見できた。
また、実施例では、面取り用加工ドリルとして、凹部形成後の算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えない程度となる番手のドリルにて加工を行ったが、算術平均粗さＲａが０．４μｍ〜０．８μｍを超えない程度の狙い番手であれば、同様の結果（従来の方法では、面取り部Ｒａが０．８μｍを超え、本実施の方法では面取り部Ｒａが０．８μｍ以下となり、パーティクル数にも差が表れる結果）が得られることが知見できた。

１０ プラズマ処理装置用電極板
１１ 電極板本体
２０ 通気孔
２１ ストレート孔
２２ 面取り部
２５ 凹部

Claims (4)

1. 電極板本体に、該電極板本体の厚さ方向に沿うストレート孔と、前記電極板本体の少なくとも一方の面に前記ストレート孔の端部に同軸で接続する面取り部と、を有するプラズマ処理装置用電極板の製造方法であって、
   前記電極板本体の少なくとも一方の面に、該電極板本体の厚さ方向に向かって徐々に縮径するテーパ形状の凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の最大開口径よりも小さい外径で前記凹部と同軸で前記電極板本体を厚さ方向に貫通するストレート孔を形成するストレート孔形成工程と、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。
2. 電極板本体に、該電極板本体を厚さ方向に貫通する複数の通気孔を有し、該通気孔は、電極板本体の厚さ方向に沿うストレート孔と、前記電極板本体の少なくとも一方の面に前記ストレート孔の端部に同軸で接続する面取り部と、を有し、前記面取り部の表面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ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。
3. 前記面取り部の最大開口径をＤｍｍ、前記ストレート孔の内径をｄｍｍとしたとき、ｄが０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であり、Ｄ／ｄが３未満であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置用電極板。
4. 前記ストレート孔の内周面の算術平均粗さＲａが０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置用電極板。

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