JP3728078B2

JP3728078B2 - プラズマ発生用部材

Info

Publication number: JP3728078B2
Application number: JP32749497A
Authority: JP
Inventors: 浩一長崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: JPH11162698A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ発生機構を有する成膜装置やエッチング装置などに用いられるプラズマ発生用部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造工程において、半導体ウエハに薄膜を形成するためのＰＶＤ装置やＣＶＤ装置などの成膜装置や上記ウエハに微細加工を施すためのドライエッチング装置にはプラズマ発生機構を備えたものがあり、各装置のチャンバー内にはプラズマ発生用電極が配置されている。
【０００３】
このプラズマ発生用電極としてはアルミニウムなどの金属板が用いられていたが、ハロゲン系の腐食性ガスが用いられるようになり、また、成膜装置においては高温に曝されることから、図５に示すように、プラズマ発生用電極１３を耐食性、耐熱性に優れるアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック基体１２に埋設したプラズマ発生用部材１１が提案されている。
【０００４】
また、このプラズマ発生用部材１１を構成するセラミック基体１２の内部にプラズマ発生用電極１３とともに静電吸着用電極やヒータ電極を埋設することにより、半導体ウエハＷの静電吸着機能や加熱機能を持たせたものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ウエハサイズの大型化とともに、ＥＣＲやヘリコン波などによる高密度プラズマ発生源が使用されるようになり、２ｋＷを越えるような高出力のプラズマを発生させるようになっている。また、ウエハＷへの成膜や加工の均一性も益々重要視され、高出力のプラズマをいかに均一に発生させるかという点が検討されている。
【０００６】
しかしながら、上記プラズマ発生用部材１１は、セラミックグリーンシートの間にプラズマ発生用電極１３を挟み込み、積層一体化したあと焼成して製作されていたため、セラミック基体２中に埋設することができるプラズマ発生用電極１３の厚み幅はせいぜい１０〜５０μｍ程度であった。その為、このようなプラズマ発生用部材１１に１ＭＨｚ、２ｋＷを越えるような高周波を印加すると、プラズマ発生用電極１３の厚み幅が薄いために高周波が流れ難く、一気に対設されたプラズマ発生用電極１０へ向かって発散することから、プラズマ発生用電極１３の全面にわたって一様なプラズマを発生させることができなかった。その結果、ウエハＷの全面わたって均一な成膜や加工を施すことができず、歩留りが悪かった。
【０００７】
しかも、プラズマ発生用電極１３と給電端子１５との接合部に集中的な熱応力が発生する結果、セラミック基体１２が破損するとともに、上記プラズマ発生用電極１３や給電端子１５が磁性を有していると異常発熱し、電極１３や端子１５として使用できなくなるといった課題もあった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、円盤状をしたセラミック基体の内部で、複数の円板状のプラズマ発生用電極を相互に導通するようにして積層してなるプラズマ発生用部材を構成したものである。
【０００９】
また、上記各プラズマ発生用電極の厚み幅を２０〜５０μｍ、その合計厚み幅を６０μｍ以上とすることが好ましい。
さらに、上記セラミック基体がアルミナ又は窒化アルミニウムからなり、上記プラズマ発生用電極が比透磁率１０以下の金属材料により形成することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１（ａ）は、本発明のプラズマ発生用部材の一実施形態を示す一部を破断した斜視図で、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１２】
このプラズマ発生用部材１は、円盤状をしたセラミック基体２の内部に、円板状のプラズマ発生用電極３を４層にわたってそれぞれ平行に積層してあり、いずれもその径はセラミック基体２よりも若干小さく、ほぼ同径としてある。また、各プラズマ発生用電極３同士はビアホール導体４を介して電気的に結合してあり、最下層のプラズマ発生用電極３には給電端子５が接続されている。
【００１３】
このようなセラミック基体２を構成するセラミックスとしては、チャンバー内に供給されるフッ素や塩素などの腐食性ガスに対して耐食性を有するとともに、高温に曝されても充分な耐熱性を有するものが良く、さらにはプラズマを発生させた時にセラミック基体２が発熱することを防ぐために比透磁率が１０以下であるセラミックスを用いることが良い。具体的には、アルミナ、窒化アルニウム、炭化珪素、ムライト、炭化硼素などを用いることができる。
【００１４】
また、プラズマ発生用電極３及び給電端子５を構成する材質としては、高周波の流れを阻害することなく、かつ磁性発熱を防ぐために、導電性を有するとともに、比透磁率が１０以下であるものが良く、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、真鍮などを用いることができる。
【００１５】
そして、上記セラミック基体２の内部に埋設するプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔは５０μｍ以下とすることが重要である。
【００１６】
これは、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔを厚くすればそれだけ高周波を通し易くなるのであるが、５０μｍを越えると、セラミック基体２の内部にプラズマ発生用電極３を埋設することができないからである。
【００１７】
即ち、５０μｍを越えるようなプラズマ発生用電極３をセラミックグリーンシート間に挟み込んで積層すると、グリーンシート全面に対して十分な加圧ができなくなるために密着性が低下し、焼成時に破損に至からであり、逆に２０μｍより薄くなると高周波を通し難くなるからである。
【００１８】
その為、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔは２０〜５０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍとすることが良い。
【００１９】
なお、図１ではセラミック基体２の内部に４層のプラズマ発生用電極３を積層した例を示したが、合計厚み幅が６０μｍ以上となるように、２０〜５０μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を２層以上積層すれば良い。
【００２０】
これは、高周波を印加した時にプラズマ発生用電極３が発熱することなく、スムーズに高周波を通過させるためには、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔが少なくとも６０μｍ以上必要であるからであり、２０〜５０μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を１層だけ埋設したものでは、図５のように給電端子５に印加された高周波がプラズマ発生用電極３内に広がらず、一気に対設されたプラズマ発生用電極１０へ発散することから、一様なプラズマ分布が得られず、さらにはプラズマ発生用電極３と給電端子５との接合部に熱応力が集中する結果、セラミック基体２が破損するからである。これに対し、例えば１５μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を４層積層すれば、その合計厚み幅が６０μｍとなり、６０μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を１層設けた場合と同様の効果が得られるため、プラズマ発生用電極３の異常発熱を抑え、セラミック基体２の破損を防ぐとともに、図４に示すように対設されたプラズマ発生用電極１０との間で一様なプラズマを発生させることができる。
【００２１】
なお、上記プラズマ発生用電極３としては、円板状をした金属膜以外に、円板状をした金属箔を埋設したものでも良く、さらには円板状をした編み目構造のメッシュ体であっても構わない。
【００２２】
また、プラズマ発生用電極３や給電端子５における異常発熱を抑えるためには、プラズマ発生用電極３と給電端子５からなる高周波印加経路において、１ＭＨｚの高周波を印加した時の高周波抵抗値（インピーダンス）が１０Ω以下、望ましくは１Ω以下とすることが良い。
【００２３】
これは、プラズマを発生させるために１ＭＨｚの高周波が給電端子５に印加されているからであり、給電端子５の径やプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔをいくら厚くしても、その高周波印加経路の抵抗値が１０Ωより高すぎては異常発熱を抑えることができないからである。
【００２４】
なお、この高周波抵抗値（インピーダンス）とはプラズマ発生用電極３や給電端子５を構成する金属材料の体積固有抵抗値やその形状等によって決定されるが、ＬＣＲメータを用いることで容易に測定することができる。具体的には、セラミック基体２の上面に、プラズマ発生用電極３とほぼ同径のアルミニウム円板を載置し、このアルミニウム円板とプラズマ発生用部材１の給電端子５間に１ＭＨｚに設定したＬＣＲメータを接続すれば良い。ただし、本発明において高周波抵抗値は、リアクタンス成分を除いた値のことである。
【００２５】
このようなプラズマ発生用部材１を製作する方法としては、セラミックグリーンシートを複数枚製作し、このうち４枚のセラミックグリーンシートの同一位置にビアホールを形成したあと、このビアホールに金属ペーストを充填するとともに、その上面にも金属ペーストを円板状に敷設する。そして、これらのセラミックグリーンシートを積み重ねるとともに、最上面の金属ペーストを覆うように別のセラミックグリーンシートを重ねたあと、熱圧着させてセラミック積層体を形成する。しかるのち、このセラミック積層体を所定の形状に切削したあと、セラミックスを焼結させることができる温度にて焼成することにより、円板状のプラズマ発生用電極３を４層にわたって平行に積層してなるセラミック基体２を製作する。
【００２６】
そして、このセラミック基体２に必要に応じて研削、研磨加工を施したあと、セラミック基体２の下面に、最下層のプラズマ発生用電極３と連通する凹部を穿孔し、メタライズ処理を施したあと、給電端子５をロウ付け固定することにより、図１に示すプラズマ発生用部材１を得ることができる。
【００２７】
なお、このプラズマ発生用部材１においては、図２に示すように給電端子５に別途直流電源を設けることで、静電吸着機構を持たせることもできる。
【００２８】
例えば、セラミック基体２の上面に半導体ウエハＷを載置し、プラズマ発生用電極３と半導体ウエハＷとの間に直流電圧を印加すれば、４層のプラズマ発生用電極３のうち、最上層のプラズマ発生用電極３が静電吸着用電極として機能するため、上記半導体ウエハＷをセラミック基体２の上面に吸着固定することができる。なお、セラミック基体２中のプラズマ発生用電極３には高周波と直流電圧が重畳した状態となるが、互いの電源間にチョークなどの遮断回路を設け、電源同士が干渉することを防止すれば良い。
【００２９】
また、他の実施形態として、図３に示すように、プラズマ発生用電極３とは別に内部電極６をセラミック基体２の内部に埋設し、この内部電極６に静電吸着用電極やヒータ電極としての機能を持たせても良い。ただし、上記内部電極６を静電吸着用電極として使用する時には、静電吸着力を高めるためにできるだけセラミック基体２の上面側に埋設することが良く、上記内部電極６をヒータ電極として使用する時には、セラミック基体２の上面における均熱性を高めるためにセラミック基体２の下面側に埋設することが良い。
【００３０】
（実施例）
図１に示すプラズマ発生用部材１を試作し、その効果を調べる実験を行った。
【００３１】
まず、平均粒子径が１．２μｍ程度である純度９９％以上のＡｌＮ粉末にバインダーと溶媒を添加混合して泥漿を作製したあと、ドクターブレード法にて厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシートを４０枚製作した。このうち４枚のグリーンシートの同一位置にそれぞれビアホールを形成し、このビアホールにＡｌＮ粉末を含むタングステンペーストを充填するとともに、上記４枚のグリーンシートの上面にもタングステンペーストを円板状にそれぞれ敷設した。なお、各グリーンシートの上面に形成したタングステンペーストの厚みは約３６μｍとした。
【００３２】
そして、これらのグリーンシートを順次積み重ねるとともに、別のグリーンシートを最上層のペースト上に重ね、８０℃、５０ｋｇ／ｃｍ²の条件にて熱圧着し、その後円盤状に切削加工を施してセラミック積層体を得た。しかるのち、このセラミック積層体に真空脱脂を施し、さらに２０００℃程の真空雰囲気下で焼成することにより、窒化アルミニウムの内部に４層の円板状のプラズマ発生用電極３を積層してなるセラミック基体２を得た。
【００３３】
なお、このセラミック基体２を構成する窒化アルミニウムについて調べたところ、純度９９％以上、平均結晶粒子径３μｍ、平均気孔径０．５μｍ、比重３．２の緻密質体であり、熱伝導率は１００Ｗ／ｍｋを有していた。
【００３４】
また、セラミック基体２中のプラズマ発生用電極３について調べたところ、直径約１９６ｍｍ、厚み幅ｔ約３０μｍの円板状をなし、プラズマ発生用電極３の間隔は２ｍｍであった。
【００３５】
次に、このセラミック基体２に研削加工を施して外径２００ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）０．２μｍに仕上げたあと、セラミック基体２の下面に、最下層のプラズマ発生用電極３と連通する凹部を形成し、この凹部にメタライズ処理を施したあと、モリブデン製の給電端子５をロウ付け固定することにより、図１のプラズマ発生用部材１を得た。
【００３６】
そして、このプラズマ発生用部材１を成膜装置のチャンバー内に設置し、対設されたプラズマ発生用電極１０との間に１ＭＨｚ、２ｋＷの高周波を印加したところ、セラミック基体２の破損は見られず、また、プラズマ発生用電極３の全面にわたってほぼ一様なプラズマ分布が得られた。
【００３７】
（実験例１）
そこで、図１のプラズマ発生用部材１におけるプラズマ発生用電極３の数とその厚み幅ｔをそれぞれ変えた時の製作性とプラズマ分布の度合いについて実施例と同様の条件にて実験を行った。
【００３８】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３９】
【表１】

【００４０】
この結果、試料Ｎｏ．１，２のようにプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔが５０μｍ以下のものは製作可能であったものの、厚み幅ｔが薄く、高周波抵抗値が１０Ωより高いために、一様なプラズマ分布が得られず、また、プラズマ発生用電極３がいずれも焼損してしまった。
【００４１】
一方、試料Ｎｏ．３，４のようにプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔが６０μｍ以上のものではプラズマ発生用部材１の製作が困難であり、厚み幅ｔが７０μｍの試料Ｎｏ．４にあっては製作が不可能であった。
【００４２】
これに対し、試料Ｎｏ．５〜９のように厚み幅ｔが５０μｍ以下のプラズマ発生用電極３を２層以上積層したものにおいては、各プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔが薄いために２層以上積層してもプラズマ発生用部材１の製作が可能であり、また、その合計厚み幅ｔがいずれも６０μｍ以上であるとともに、高周波抵抗値が１０Ω以下であることから、プラズマ発生用電極３が発熱することなく、一様なプラズマを発生させることができた。
【００４３】
この結果、一様なプラズマを発生させるためにはセラミック基体２の内部に、厚み幅ｔが５０μｍ以下のプラズマ発生用電極３を２層以上積層すれば良いことが判る。
【００４４】
（実験例２）
次に、プラズマ発生用電極３や給電端子５を比透磁率の異なる材質によりそれぞれ形成した時の電極３や端子５の破損の有無について実験を行った。
【００４５】
それぞれの結果は表２に示す通りである。
【００４６】
なお、本実験では、プラズマ発生用電極３の数を２層とし、各プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔを３０μｍに設定し、実験例１と同様の高周波を印加して測定した。また、表２中、合金１とは比透磁率が１０の銅とニッケルの合金、合金２とは比透磁率が１２の銅とニッケルの合金、合金３とは鉄−コバルト−ニッケルの合金（コバール）のことである。
【００４７】
【表２】

【００４８】
この結果、試料Ｎｏ．１１，１５，１６では、給電端子５を構成するニッケル（Ｎｉ）、合金２、合金３の比透磁率が１０より高いために、高周波を印加すると給電端子５が異常発熱し、特に比透磁率の高い試料Ｎｏ．１１，１６では給電端子５が焼損し、使用できなかった。
【００４９】
また、試料Ｎｏ．１２では、プラズマ発生用電極３を構成するニッケル（Ｎｉ）の比透磁率が３００と高すぎるために、高周波を印加するとプラズマ発生用電極３が焼損し、使用できなかった。
【００５０】
これに対し、試料Ｎｏ．１０，１３，１４は、プラズマ発生用電極３及び給電端子５を比透磁率が１０以下の材質により形成してあることから、高周波を印加してもプラズマ発生用電極３や給電端子５に異常な発熱はなく、一様なプラズマを発生させることができた。
【００５１】
この結果、プラズマ発生用電極３及び給電端子５は、比透磁率が１０以下の材質により形成すれば良いことが判る。
【００５２】
（実験例３）
さらに、セラミック基体２を構成する窒化アルミニウムにニッケル（Ｎｉ）を含有させ、セラミック基体２の比透磁率を異ならせた時のセラミック基体２の破損の有無について実験を行った。
【００５３】
それぞれの結果は表３に示す通りである。
【００５４】
なお、本実験では、プラズマ発生用電極３と給電端子５の双方を比透磁率が１のモリブデン（Ｍｏ）により形成し、上記プラズマ発生用電極３の数を２層、各プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔを３０μｍに設定し、実験例１と同様の高周波を印加して測定した。
【００５５】
【表３】

【００５６】
この結果、試料Ｎｏ．２０は、窒化アルミニウムの比透磁率が１０より高いため、高周波を印加するとセラミック基体２を構成する窒化アルミニウムが発熱し、この熱応力によりセラミック基体２が破損した。
【００５７】
これに対し、試料Ｎｏ．１７〜１９のように、比透磁率が１０以下であれば、高周波を印加してもセラミック基体２を構成する窒化アルミニウムの発熱は見られなかった。
【００５８】
この結果、セラミック基体２を構成するセラミックスとしては、比透磁率が１０以下であるものが良いことが判る。
【００５９】
なお、本実施例及び実験例では、セラミック基体２を構成するセラミックスとして窒化アルミニウムを用いた例を示したが、アルミナなど比透磁率が１０以下のセラミックスであればいずれも同様の傾向が見られた。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、円盤状をしたセラミック基体の内部に、厚み幅が２０〜５０μｍである円板状のプラズマ発生用電極を複数層積層してプラズマ発生用部材を構成したことにより、上記プラズマ発生用電極は緻密で耐食性、耐熱性に優れるセラミックスにより包囲されていることから、高温でハロゲン系腐食性ガスに曝されたとしても腐食や特性劣化を生じることがない。また、上記プラズマ発生用電極に高周波を印加しても異常発熱することなく、一様なプラズマを発生させることができる。
【００６１】
その為、本発明のプラズマ発生用部材を成膜装置やエッチング装置に用いれば、長期間にわたって使用可能であるとともに、一様なプラズマを発生させることができることから、ウエハの全面に対して均一な成膜や加工を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のプラズマ発生用部材の一実施形態を示す一部を破断した斜視図で、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本発明のプラズマ発生用部材の他実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明のプラズマ発生用部材の他実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明のプラズマ発生用部材を用いた時のプラズマ分布を示す模式図である。
【図５】従来のプラズマ発生用部材を用いた時のプラズマ分布を示す模式図である。
【符号の説明】
１・・・プラズマ発生用部材２・・・セラミック基体
３・・・プラズマ発生用電極４・・・ビアホール導体
５・・・給電端子６・・・内部電極

Claims

円盤状をしたセラミック基体の内部で、複数の円板状のプラズマ発生用電極を相互に導通するようにして積層してなるプラズマ発生用部材。
上記各プラズマ発生用電極の厚み幅が２０〜５０μｍである請求項１に記載のプラズマ発生用部材。
上記プラズマ発生用電極の合計厚み幅が６０μｍ以上である請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生用部材。
上記セラミック基体がアルミナ又は窒化アルミニウムからなり、上記プラズマ発生用電極が比透磁率１０以下の金属材料からなる請求項１乃至請求項３に記載のプラズマ発生用部材。