JP2020136596A - プラズマ処理装置用電極板 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理中に発生するデポ物を効率的に捕捉してパーティクルの発生を防止することが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。【解決手段】プラズマ処理装置にリング状のシールド支持電極により外周部が支持固定されるプラズマ処理装置用電極板であって、シールド支持電極に覆われる外周部の内周縁と、多数の通気孔が形成された通気孔形成領域の外周縁との間に、中心線平均粗さＲａが通気孔形成領域よりも大きい０．５μｍ以上２０μｍ以下の環状領域が周方向に沿って設けられている。【選択図】図１

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、高周波電源に接続された一対の電極が真空チャンバー内に上下方向に対向配置された構成を有している。この構成において、被処理基板を下側電極上に配置し、この被処理基板に向けて上側電極に形成された複数の通気孔を通じてプラズマ生成用ガスを流通させながら、上下電極間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させることにより、被処理基板にエッチング等の処理が行われる。

このようなプラズマ処理装置に使用される上側電極として、同径の通気孔が複数形成されたシリコン製の電極板が一般に使用される。この電極板は、プラズマ処理中に上昇する熱を逃がすため、プラズマにさらされる面とは反対側（背面側）に冷却板が固定される。
この電極板において、長時間プラズマ処理を行うと、プラズマ反応による副生成物が固形物として表面に付着し（この付着物をデポ物という）、堆積したデポ物が脱落することによりパーティクルとなり、被処理基板に付着して不良の原因となることがあるため、パーティクルの発生を抑制した電極板が求められている。

このようなパーティクルの発生を抑制した電極板として、特許文献１又は特許文献２に記載のものがある。
特許文献１には、パーティクルがシリコン電極板を支持するシールド支持電極の支持突起部とシリコン電極板との接触部から発生するとの認識の下、表面の中心線表面粗さＲａが１μｍ以下の鏡面を有する円板状のシリコン電極板において、少なくともシールド支持電極の支持部上面により覆われる部分の中心線表面粗さＲａを１μｍ越え〜１．６μｍの粗面にすることが記載されている。
特許文献２には、エッチングガスを流通させる通気孔の内面に付着したデポ物が脱落してパーティクルになるとの認識の下、通気孔（貫通細孔）の内壁面を、表面粗さが大きい面部分（粗面部分）と表面粗さが小さい面部分（平滑面部分）とから構成し、粗面部分を通気孔のエッチングガス流入側内壁面に形成し、平滑部分を通気孔のエッチングガス流出側内壁面に形成することが記載されている。この特許文献２では、粗面部分にデポ物を付着させて脱落しないようにしている。

特開２００８−８５０２７号公報 特開２００６−１９６４９１号公報

特許文献１記載の技術は、パーティクルの発生源をなくそうとするものであり、それ自体は有効であるも、パーティクルの発生を完全には解消できない。一方、特許文献２記載の技術は、パーティクルの原因となるデポ物を通気孔の背面側（プラズマ面とは反対側）の内面に付着させてしまい、飛散しないようにするものであるが、通気孔は例えば直径が０．５ｍｍであり、その内表面積も小さく、付着固定できるデポ物の量には限界がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理中に発生するデポ物を効率的に捕捉してパーティクルの発生を防止することが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は、プラズマ処理装置にリング状のシールド支持電極により外周部が支持固定されるプラズマ処理装置用電極板であって、前記シールド支持電極に覆われる前記外周部の内周縁と、多数の通気孔が形成された通気孔形成領域の外周縁との間に、中心線平均粗さＲａが前記通気孔形成領域よりも大きい０．５μｍ以上２０μｍ以下の環状領域が周方向に沿って設けられている。

通気孔形成領域の外側は、プラズマの影響が少なく、プラズマガスの流れの影響も受けにくいため、デポ物が付着し易い。このため、通気孔形成領域の外側に中心線平均粗さＲａの大きい環状領域を設けることにより、デポ物を付着し易く、かつ脱落しにくい形状とした。この場合、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満であると、付着したデポ物が脱落し易く、２０μｍを超えるほどに粗い面であると、プラズマによる損耗によって逆にパーティクルが発生するおそれがある。

このプラズマ処理装置用電極板において、前記通気孔形成領域の外周縁から前記環状領域の内周縁までの距離は３ｍｍ以上であるとよい。環状領域の内周縁が通気孔形成領域の外周縁に近すぎると、付着したデポ物が通気孔からのプラズマガスに巻き込まれて脱落するおそれがある。このため、環状領域は通気孔形成領域の外周縁から３ｍｍ以上離れているのが好ましい。

また、前記環状領域の半径方向の幅は５ｍｍ以上であるとよい。デポ物を付着する領域の面積は大きい方がよく、５ｍｍ以上の幅で形成されているのが好ましい。

さらに、前記通気孔形成領域の中心線平均粗さは０．５μｍ未満であるとよく、平滑面に形成されていると、異常放電などの不具合の発生が防止され、パーティクルの発生も抑制される。

本発明によれば、プラズマ処理中に発生するデポ物を効率的に捕捉してパーティクルの発生を防止することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置用電極板の一実施形態を示す平面図である。 図１のプラズマ処理装置用電極板をシールド支持電極に支持した状態の縦断面図である。 プラズマ処理装置用電極板の製造方法の例を示す工程図である。

図１に示すように、プラズマ処理装置用電極板（以下、単に電極板という）１０は円板状に形成され、その外周部を除く中央部分に厚さ方向に貫通する多数の通気孔１１を有している。
この電極板１０は厚さ８〜１２ｍｍ、直径２００〜６００ｍｍの円板である。各通気孔１１の内径は直径０．５〜１．０ｍｍ、通気孔１１同士の各中心間距離は５〜１０ｍｍである。
この通気孔１１は、電極板１０の外周部を除く中央部分の円形の領域に形成されている。この通気孔形成領域は直径１９９〜３３０ｍｍ程度である。また、電極板１０の外周部は、図２に示すように、リング状のシールド支持電極２０によりプラズマ処理装置（図示略）に固定されるようになっている。このシールド支持電極２０は、円筒部２１と、円筒部２１の下端から半径方向内方に内向きフランジ状に延びる支持部２２とが一体に形成された形状である。そして、電極板１０は、シールド支持電極２１の支持部２２の上面に外周部が載置され、支持部２２の内周縁より内側で通気孔１１を開放状態として支持される。

この場合、電極板１０において、通気孔１１が形成されている円形領域を通気孔形成領域Ａ１とすると、シールド支持電極２０の支持部２２の内周縁よりも半径方向内方に離間して通気孔形成領域Ａ１の外周縁が配置される。そして、通気孔形成領域Ａ１は、その外周縁よりも若干半径方向外側までの範囲で、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満に形成されている。このＲａが０．５μｍ未満の領域を平滑領域Ａ２とする。

一方、この平滑領域Ａ２の外周縁とシールド支持電極２０の支持部２２の内周縁との間に形成される環状領域Ａ３は、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ以上２０．０μｍ以下とされる。この環状領域Ａ３は、通気孔形成領域Ａ１の外周縁から若干の間隔をあけた外側の領域、具体的には平滑領域Ａ２の外周縁からシールド支持電極２０の支持部２２の内周縁までの領域である。通気孔形成領域Ａ１の外周縁から環状領域Ａ３の内周縁（平滑領域Ａ２の外周縁）までの距離Ｌは３ｍｍ以上であり、環状領域Ａ３の半径方向の幅Ｗは５ｍｍ以上である。
また、シールド支持電極２０の支持部２２により覆われた状態となる電極板１０の外周部を外周領域Ａ４とすると、その中心線平均粗さＲａは１．０μｍを超え１．６μｍ以下に形成される。

なお、通気孔１１の内表面は、例えば中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満の範囲で全長にわたって均一な表面粗さでもよいが、プラズマに晒される面（プラズマ面）１０ａ側とその反対面側（背面１０ｂ側）とで異なる表面粗さに設定してもよい。例えば、プラズマ面１０ａ側を中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満の平滑面、背面１０ｂ側を中心線平均粗さＲａが０．５μｍ以上２０μｍ以下としてもよい。この平滑面を設ける場合、平滑面の長さとしては、電極板１０全体の厚さの１／３以上２／３以下の寸法とするとよい。

このように構成される電極板１０は、図３に示すように、単結晶シリコンのシリコンインゴットを形成するインゴット形成工程（Ｓ１）と、そのシリコンインゴットをスライスして円板状の素板を形成するスライス工程（Ｓ２）と、素板に熱処理を施す熱処理工程（Ｓ３）と、素板に通気孔を加工する通気孔形成工程（Ｓ４）と、通気孔を形成した孔あき素板にエッチング処理を施すエッチング工程（Ｓ５）と、エッチング処理後に孔あき素板の上面及び下面を研磨するポリッシング工程（Ｓ６）と、ポリッシング処理の後に孔あき素板のプラズマ面１０ａ側の外周部分（環状領域Ａ３及び外周領域Ａ４）を粗面化する粗面化工程（Ｓ７）と、を経て製造される。

これら工程のうち、通気孔形成工程では、素板の一方の面から厚さ方向に平行にドリルを下降させながら、各通気孔１１を形成するが、通気孔１１の内周面の表面粗さをプラズマ面１０ａ側と背面１０ｂ側とで異ならせる場合は、例えばドリルの加工速度を変えることによって加工表面の表面粗さを調整する。加工速度が速いよりも遅い場合に、平滑な表面が得られる。
また、エッチング工程では、スライス加工や通気孔形成加工において生じた表面のダメージ部（マイクロクラック等）をエッチングにより除去する。エッチング液としては、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）を混合したフッ硝酢酸が用いられる。

ポリッシング工程では、回転する研磨パッドの上にダイヤモンド砥粒等の研磨材を含有したスラリーを供給しながら素板を載せて研磨する。このポリッシング処理工程において、素板の表面は、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満に形成される。
次いで、粗面化工程では、素板の片面（プラズマ面１０ａ）において、通気孔形成領域の外周縁よりも若干半径方向外側までの範囲の領域（平滑化領域Ａ２）を除き、その外側部分に研削加工を施して粗面化する。この場合、前述した環状領域Ａ３と、その外側の外周領域Ａ４とでそれぞれ前述した表面粗さの範囲となるように、研削速度等を変えて加工する。研削加工に代えて、ブラスト処理等によって粗面化してもよい。ブラスト処理の場合も、環状領域Ａ３と外周領域Ａ４とでブラスト粒子の径を変えて行う。

このようにして製造された電極板１０は最後に洗浄して使用に供される。
そして、この電極板１０がプラズマ処理装置に装着されると、その外周部がシールド支持電極２０の支持部２２に覆われた状態で、その内側の表面がプラズマ処理空間に露出することになる。この露出表面（プラズマ面１０ａ）において、通気孔形成領域Ａ１がプラズマ環境に晒される。この通気孔形成領域Ａ１は、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満の平滑面に形成されているので、異常放電等の不具合の発生が防止されるとともに、この平滑面からのパーティクルの発生も抑制される。

一方、環状領域Ａ３においては、プラズマ環境側に露出した状態となるが、通気孔形成領域Ａ１の外側であるためプラズマの影響は少ない。このため、プラズマ処理を継続すると、図２の二点鎖線で示すように通気孔形成領域Ａ１が主として損耗し、その外側の環状領域Ａ３は損耗が少ない。したがって、この環状領域Ａ３にデポ物が付着し易い。また、この環状領域Ａ３は、通気孔形成領域Ａ１の外周縁から電極板１０の面方向に離れており、かつシールド支持電極２０の支持部２２の表面との段差により、プラズマガスが回り込みにくく、通気孔１１の出口から流出するプラズマガスの流れの影響も受けにくい。

そこで、この環状領域Ａ３の中心線平均粗さＲａを通気孔形成領域Ａ１よりも大きい０．５μｍ以上２０．０μｍ以下とし、デポ物を強固に付着させ、脱落しにくいようにしている。この場合、中心線平均粗さＲａが０．５μｍ未満であると、付着したデポ物が脱落し易く、２０μｍを超えるほどに粗い面であると、プラズマによる損耗によって逆にパーティクル発生の原因となるおそれがある。

ただし、環状領域Ａ３の内周縁が通気孔形成領域Ａ１の外周縁に近すぎると、付着したデポ物が通気孔１１からのプラズマガスに巻き込まれて脱落するおそれがあるので、環状領域Ａ３は通気孔形成領域Ａ１の外周縁からの距離Ｌが３ｍｍ以上あるのが好ましい。また、環状領域Ａ３の半径方向の幅Ｗは５ｍｍ以上であれば、デポ物を付着する領域として大きい面積を確保することができる。
このような環状領域Ａ３を形成したことにより、長時間プラズマ処理を行っても、付着したデポ物の脱落が防止され、パーティクルの発生を抑えることができ、安定して高品質のプラズマ処理を行うことができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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、通気孔１１の内周面の表面粗さをプラズマ面１０ａ側と背面１０ｂ側とで異なるように形成したが、環状領域Ａ３でデポ物を捕捉できるので、通気孔１１の内周面は全長にわたって平滑面としてもよい。

直径：３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：１０ｍｍに輪切り切断して単結晶シリコン円板からなる素板を作製し、この素板の片面からダイヤモンドドリルにより直径：０．５ｍｍの穿孔を行い表面粗さＲａが１０μｍの粗面部分とし、ついでこの粗面部分の穴を明けた単結晶シリコン板の反対側の片面からダイヤモンドドリルにより、加工速度を変えて直径：０．５ｍｍの穿孔を行って表面粗さＲａが０．３μｍの平滑面部分とすることにより、通気孔内面に電極板の厚さに対する比率で１／２の長さにわたって粗面部分を有する電極板を作製した。通気孔形成領域Ａ１は直径１９９ｍｍ、通気孔中心間距離は７ｍｍとした。

続いて、電極板１０の表面全体が、表１の通気孔形成領域Ａ１に示す中心線平均粗さＲａとなるように、表面研磨を施した。
さらに、通気孔形成領域Ａ１から所定距離外側の環状領域Ａ３と、プラズマ処理装置のシールド支持電極２０の支持部２２の上面に接触する外周領域Ａ４とを研削することにより、表１に示される中心線平均粗さＲａを有する粗面を形成した。外周領域Ａ４については、すべての電極板共通で、表面粗さＲａ１．３μｍとした。環状領域Ａ３については、通気孔形成領域Ａ１の外周縁からの距離Ｌとその幅（シールド支持電極２０の支持部２２の内周縁からの幅）Ｗが、表１に示す寸法となるように粗面を形成した。

作製した電極板１０を、シールド支持電極２０の支持部２２の上面にセットし、さらに被処理基板としてシリコンウエハを載置し、
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
の条件で、５００時間プラズマエッチングを行なった。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。

エッチング開始から２００時間、３００時間、４００時間、５００時間経過した時点でのシリコンウエハ上のパーティクル数を測定し、その結果を表に示した。パーティクル数の測定は、株式会社トプコン製のパーティクルカウンター（ＷＭ−３０００）を使用し、ウエハ表面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と大きさを認識することにより行った。
その結果を表１に示す。

表１の結果からわかるように、シールド支持電極に覆われる外周部の内周縁と、通気孔形成領域の外周縁との間に、中心線平均粗さＲａが通気孔形成領域よりも大きい０．５μｍ以上２０μｍ以下の環状領域が周方向に沿って設けられていると、パーティクルの発生が抑えられている。
これに対し、環状領域と通気孔形成領域の中心線平均粗さＲａが同一で、Ｒａ５μｍとなっている比較例１では、通気孔形成領域がプラズマにより損耗するため、また、Ｒａ０．３μｍとなっている比較例２では、環状領域にデポ物が付着しにくく脱落しやすいため、パーティクルが多く発生している。
また、環状領域と通気孔形成領域との距離が３ｍｍ未満となっている実施例４では、環状領域に付着したデポ物通気孔からのガスの流れに巻き込まれて脱落するため、エッチング初期の段階ではパーティクル発生は少ないが、長時間経過すると、実施例２と比べて、少しパーティクルが発生しやすくなっている。
通気孔形成領域の中心線平均粗さＲａが０．５μｍ以上となっている実施例５では、異常放電が生じやすいため、実施例２と比べて、少しパーティクルが発生しやすくなっている。
環状領域の幅が５ｍｍ未満となっている実施例６では、エッチング初期の段階ではパーティクル発生は少ないが、デポ物を付着可能な面積が少ないため、長時間経過すると、実施例２と比べて、少しパーティクルが発生しやすくなっている。

１０ プラズマ処理装置用電極板
１１ 通気孔
２０ シールド支持電極
２２ 支持部
Ａ１ 通気孔形成領域
Ａ２ 平滑領域
Ａ３ 環状領域
Ａ４ 外周領域（外周部）

Claims (4)

1. プラズマ処理装置にリング状のシールド支持電極により外周部が支持固定されるプラズマ処理装置用電極板であって、前記シールド支持電極に覆われる前記外周部の内周縁と、多数の通気孔が形成された通気孔形成領域の外周縁との間に、中心線平均粗さＲａが前記通気孔形成領域よりも大きい０．５μｍ以上２０μｍ以下の環状領域が周方向に沿って設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
2. 前記通気孔形成領域の外周縁から前記環状領域の内周縁までの距離は３ｍｍ以上であ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。
3. 前記環状領域の半径方向の幅は５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置用電極板。
4. 前記通気孔形成領域の中心線平均粗さは０．５μｍ未満であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のプラズマ処理装置用電極板。

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