JP4746620B2 - プラズマ処理装置用のガスシャワープレート - Google Patents
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Description
本発明は、ウェハなどの処理対象物をプラズマ処理するプラズマ処理装置に備えられるプラズマ処理装置用のガスシャワープレートに関するものである。
ウェハなどの処理対象物の表面処理を行う装置として、プラズマ処理装置が知られている。プラズマ処理装置は、減圧雰囲気下でプラズマを発生させ、このプラズマの物理的・化学的作用により処理対象物表面のエッチング処理などを行うものである。プラズマは、プラズマ処理装置の密閉された処理室内を所定圧力に減圧してプラズマ発生用ガス（以下、単に「ガス」と略記する）を供給した状態で、処理室内の上部電極又は下部電極に高周波電圧を印加することにより発生する。
このようなプラズマ処理においては、処理目的によっては高密度のプラズマを発生させることが望ましい場合がある。例えばウェハなどのシリコン基板を対象としたプラズマエッチングを行う場合は、処理効率を向上させる目的で、比較的高い圧力のガスをシリコンウェハの表面に対して均一に吹き付けて供給する方法が用いられる。
このようなプラズマ処理に適した平行平板型の電極部材であるガスシャワープレートとして、セラミックス粒子の焼結体である通気性の多孔質板から成るものが知られている（例えば、特開２００２−２３１６３８号公報、特開２００３−７６８２号公報、及び特開２００３−２８２４６２号公報参照）。このような多孔質板として形成されたガスシャワープレートを用いれば、高密度のプラズマを均一に発生させて安定したプラズマ処理をエッチング効率よく行うことができる。
処理室内の下部電極上に処理対象物を載置し、上部電極又は下部電極に高周波電圧を印加してプラズマ処理を開始すると、下部電極の対向電極である上部電極側の多孔質板として形成されたガスシャワープレートは急激に温度上昇する。代表的な多孔質板の直径は２２０ｍｍ又は３２０ｍｍ程度であり、またその厚さは２〜１０ｍｍ程度であるが、ガスシャワープレートはその全体が均一に温度上昇せず、下部電極に対向する対向面（通常は下面）の中央部付近が先ず急激に温度上昇し（代表的には、約３０秒間で常温から２００℃程度まで急上昇）、ガスシャワープレートの外縁部は中央部付近よりも遅れながら緩やかに温度上昇する。このため、ガスシャワープレートには不均一な温度上昇にともなうひずみが生じ、ガスシャワープレートはその外縁部にクラック（ガスシャワープレートは一般に円板であるから、外周縁部に半径方向のクラック）が発生し、割れるなどして破損してしまうという問題点がある。
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、プラズマ処理時の急激な温度上昇にともなう熱膨張のために、クラックが発生するなどして破損するのを防止して、安定したプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、ガス供給部から供給されたプラズマ発生用ガスをプラズマ処理装置の上部電極と下部電極の間のプラズマ処理空間に送出するガスシャワープレートであって、
セラミックス粒子の焼結体により通気性を有する円板状の多孔質板として形成され、上記円板の外周縁部にその厚み方向に貫通する熱膨張吸収のための切り欠き部を複数形成したプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
セラミックス粒子の焼結体により通気性を有する円板状の多孔質板として形成され、上記円板の外周縁部にその厚み方向に貫通する熱膨張吸収のための切り欠き部を複数形成したプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第２態様によれば、上記円板の外周縁部に配置された環状の領域であって、上記プラズマ処理装置により支持される支持領域と、上記支持領域により囲まれた上記円板形状の外周縁部内側の円形領域であって、上記プラズマ発生用ガスを通過させるガス通過領域とを有し、
上記それぞれの切り欠き部は、上記支持領域内において、上記ガス通過領域との境界に近接するように形成されている第１態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
上記それぞれの切り欠き部は、上記支持領域内において、上記ガス通過領域との境界に近接するように形成されている第１態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第３態様によれば、前記それぞれの切り欠き部は外周縁部に等ピッチをおいて形成されている第１態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第４態様によれば、上記それぞれの切り欠き部は、同じ大きさ及び形状を有する第３態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第５態様によれば、上記それぞれの切り欠き部において、少なくとも上記多孔質板の中心側の内周面が曲面状に形成されている第１態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第６態様によれば、その内周面全体が曲面となるように、上記それぞれの切り欠き部が形成されている第５態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明の第７態様によれば、上記それぞれの切り欠き部は、スリット形状を有する第１態様に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレートを提供する。
本発明によれば、プラズマ処理を開始するとガスシャワープレートは中央部付近から急激に温度上昇し、その外周縁部と中央部付近との間に大きな温度差が生じ、その結果、特に外周縁部には温度上昇にともなうひずみが生じるが、このひずみは上記外周縁部に設けたそれぞれの切り欠き部にて吸収させることができるので、ガスシャワープレートの外周縁部にクラックが発生するなどしてガスシャワープレートが破損するのを防止できる。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図１を参照して本実施形態にかかるガスシャワープレートを備えるプラズマ処理装置について説明する。図１において、真空チャンバ１の内部はプラズマ処理を行う処理室２となっており、処理室２の内部には、下部電極３および上部電極４が上下に対向して配設されて平行平板型のプラズマ処理装置を構成している。
下部電極３は、高周波電極であるステージ３１とその中央部から下方へ突出する突出部３２から構成されており、ステージ３１の外縁部に配設された絶縁部材３３を介して真空チャンバ１の内部に装着されている。下部電極３の突出部３２には高周波電源部５が接続されている。絶縁部材３３の側部には排気路６が形成されており、真空ポンプなどの排気ユニット７により処理室２内を真空吸引する。ステージ３１上には、ウェハなどの処理対象物Ｗが載置される。
対向電極である上部電極４は、平板（円板）状の本体部４１と、本体部４１の下面外周部に設けられた環状の支持部材４５と、本体部４１の下側の支持部材４５の内部に収納されたガスシャワープレート４３から構成されており、本体部４１の中央部から上方へ突出する突出部４２を介して真空チャンバ１に装着されている。
このガスシャワープレート４３は、セラミックス粒子の焼結体から成る通気性を有する多孔質体により円板状に形成されたセラミック多孔質板である。具体的には、このガスシャワープレート４３、すなわちセラミック多孔質板は、セラミックの骨格部が３次元の網目状に連続して形成され、内部に多数の空孔部（隙間）を有する３次元網目構造となっている。そしてこの３次元網目構造のそれぞれの空孔部は互いに連通されており、ガスシャワープレート４３の一方の面に供給されたガスを他方の面へと通過させるための多数の不規則経路が形成されている。
このセラミック多孔質体としては、セラミックフォームを使用することがより好ましい。このセラミックフォームは、セル膜を除去した軟質ウレタンフォームの表面にセラミックスラリーを被覆した後、焼成することにより得られる。そしてセラミックフォームは孔径が非常に小さくても空隙率が高くかつ圧力損失が低いため、より均一にプラズマを分散させることができる。このようなセラミックフォームとしては、化学成分としてＡｌ２Ｏ３成分が９５wt％以上、ＳｉＯ２が２wt％以下の材質であることがより好ましい。Ａｌ２Ｏ３に少量のＳｉＯ２を含有させることで、耐熱衝撃性に優れた電極部材として最適なセラミックフォームとなる。そしてこのセラミックフォームは、かさ密度が好ましくは1.0〜2.0g/cm3、より好ましくは1.2〜1.8g/cm3、及び曲げ強度が5〜15Mpaの範囲であることがより好ましい。かさ密度が、1.0g/cm3未満では骨格が細くて強度及び耐熱衝撃性が不足し、かさ密度が2.0g/cm3を越えると圧力損失が高くなる。また、曲げ強度が5kg未満では強度及び耐熱衝撃性が不十分で、15Mpaを越えると圧力損失が高くなりプラズマの分散が悪くなる。なお、「かさ密度 (bulk density)」とは、質量（ｇ）／体積（ｃｍ３）により表される密度である。その体積の測定方法としてが、セラミックフォームを立方体又は直方体に切断した試験片を作成し、その外形寸法（縦、横、高さ）をノギス等の計測器で測定した値から算出される。
支持部材４５は、このガスシャワープレート４３をその内側に配置させて支持可能とするように環状形状を有している。さらに支持部材４５には、その内壁下部から内方（中心部側）へ環状に突出する突出部（あるいは環状支持端部）４５’が突設されており、ガスシャワープレート４３はその外縁部（本実施の形態のガスシャワープレート４３は円板であるから、外周縁部）全体を突出部４５’上に載せて本体部４１と支持部材４５で形成される内部空間に収納されている。
図２および図３において、上部電極４側に設けられたガスシャワープレート４３は円板状であり、その外周縁部には所定の間隔ピッチをおいて切り欠き部の一例であるスリットＳがガスシャワープレート４３の半径方向を長手方向にしてガスシャワープレート４３をその厚み方向（上下方向）に貫通して形成されている。例えば、ガスシャワープレート４３の直径が２２０ｍｍ又は３２０ｍｍ程度の場合、スリットＳの長さＬ１は望ましくは３〜１０ｍｍ程度であり、巾Ｌ２は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であり、また望ましくは、スリットＳは１２０ｍｍ以下の間隔ピッチＬ３で形成されている。なお、このような切り欠き部は、ガスシャワープレート４３をその半径方向に視た場合には、凹部（ｒｅｃｅｓｓ ｐｏｒｔｉｏｎ）であるとも言うことができる。
図４は、本体部４１と支持部材４５とガスシャワープレート４３の望ましい結合構造を示している。支持部材４５は本体部４１にボルト１０やナット１１などの止具により結合されている。突出部４５’の上面ａは内方へ向って下り勾配のテーパ面であり、またガスシャワープレート４３の外周縁部下面ｂは外方へ向って上り勾配のテーパ面であり、上面ａと下面ｂはすき間を生じないように密接して接合している。また突出部４５’はスリットＳよりも内方（中心部側）まで延出しており、したがってスリットＳの下面側は突出部４５’に閉塞されており、これにより本体部４１の下面側のガス供給口Ｔ（後述）の気密性を保持し、ガス供給口Ｔに供給されたガスがスリットＳからプラズマ発生空間Ａにガスが漏れないようにしている。なお、ガスシャワープレート４３の外周縁部と支持部材４５の突出部４５’にテーパ面を設けることにより、ガスシャワープレート４３が突出部４５’に支持された状態において、ガスシャワープレート４３の下面と支持部材４５の下面の高さ位置を略同一とすることができ、その結果、テーパ面を設けないような場合と比して、プラズマ処理時における放電の安定性を向上させることができる。
ガスシャワープレート４３の外周縁部近くの上面は外方へ向って下り勾配のテーパ面ｃになっており、ガスシャワープレート４３の外周縁部近くの本体部４１との間には緩衝部材１２が配設されている。この緩衝部材１２は、樹脂ゴム等の弾性材から成っており、平面視してリング状であり、本体部４１の下面側のガスシャワープレート４３との間の狭いガス流通空間であるガス供給口Ｔの気密性を確保している。
図１において、本体部４１および突出部４２にはこれらを上下に貫通するガス供給路４６が形成されている。本体部４１はアース部４４にアースされている。ガス供給部１３のガスは、ガス供給路４６からガス供給口Ｔへ供給され、ガスシャワープレート４３内を通過して下部電極３と上部電極４の間のプラズマ発生空間（プラズマ処理空間）Ａに供給される。なお本実施の形態では上部電極４をアースしているが、下部電極３をアースし、上部電極４を高周波電源に接続するようにしてもよい。
このプラズマ処理装置は上記のような構成より成り、次に動作を説明する。処理対象物Ｗをステージ３１に載置した状態で、排気ユニット７を作動させて処理室２内を減圧する。処理室２内が所定圧力に減圧されたならば、ガス供給部１３からガス供給口Ｔにガスを供給し、ガスシャワープレート４３内を通過させて両電極３，４の間のプラズマ発生空間Ａへ送出する。この状態で下部電極３に高周波電圧が印加されるとプラズマ発生空間Ａでプラズマが発生し、処理対象物Ｗはプラズマエッチングなどの表面処理が行われる。
上述のようにプラズマ処理を開始すると、プラズマ発生空間Ａは急激に温度上昇し、ガスシャワープレート４３は下部電極３に対向する対向面（下面）の中央部付近から急激に温度上昇する。この温度上昇にともなう熱膨張のために、ガスシャワープレート４３は特にその外周縁部にひずみを生じるが、このひずみはスリットＳに吸収されるので、外周縁部にはガス漏れの原因となるクラックは発生せず、均一で安定したプラズマ処理が行われる。
ここで、具体的に本実施形態のガスシャワープレート４３による熱膨張により生じるひずみを吸収する原理について図面を用いて説明する。この説明にあたって、スリット等の切り欠き部が形成されていない構造を有する従来のガスシャワープレート５４３の模式平面図を図５Ａに示し、図５Ａの従来のガスシャワープレート５４３におけるＡ−Ａ線模式断面図を図５Ｂに示す。また、本実施形態のスリットＳが形成されているガスシャワープレート４３の模式平面図を図６Ａに示し、図６Ａのガスシャワープレート４３におけるＢ−Ｂ線模式断面図を図６Ｂに示す。
まず、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、円板形状を有するガスシャワープレート５４３はその環状の外周縁部の下面全体において、支持部材５４５の突出部５４５’により支持されており、この部分が環状の領域である支持領域Ｒ１となっており、ガスシャワープレート５４３の下面がプラズマ発生空間Ａに露出することなく覆われた状態とされている。一方、この外周縁部の内側においては、ガスシャワープレート５４３の下面がプラズマ発生空間Ａに露出されているとともに、ガス供給口Ｔに供給されたプラズマ発生用のガスがガスシャワープレート５４３内を通過してプラズマ発生空間Ａに供給することが可能となるガス通過領域Ｒ２となっている。
プラズマ処理が開始されて、プラズマ発生空間Ａの温度が急激に上昇すると、まずガスシャワープレート５４３において、ガス通過領域Ｒ２に相当する部分の温度が急激に上昇される。一方、その周囲の領域である支持領域Ｒ１は、突出部５４５’により覆われてプラズマ処理空間Ａには露出されていないため、ガス通過領域Ｒ２と比してその温度上昇は緩やかなものとなる。そのため、ガス通過領域Ｒ２に相当する部分が高温となり、支持領域Ｒ１に相当する部分が相対的に低温となって、両者の間に大きな温度差（例えば５０℃程度）が生じて、熱膨張量の差異が生じる。その結果、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、ガスシャワープレート５４３のガス通過領域Ｒ２からその周囲の支持領域Ｒ１に向けた半径方向の応力Ｆ１が放射状に生じる。特に、支持領域Ｒ１においては、外周端部においてその応力が最大となり、その応力Ｆ２が円周方向に生じることとなる。このような状況においては、ガスシャワープレート５４３の外周縁部にて、上記円周方向に作用する応力Ｆ２によりクラック等が生じやすくなってしまう。
これに対して、図６Ａ及び図６Ｂに示す本実施形態のガスシャワープレート４３においては、支持領域Ｒ１に複数のスリットＳが形成されているため、ガス通過領域Ｒ２にて同様に半径方向の応力Ｆ１が作用しても、支持領域Ｒ１の外周端部において発生する応力（引っ張り応力）Ｆ３を、それぞれのスリットＳの間の区間にて分割することができ、応力Ｆ３の大きさを小さくすることができる。すなわち、それぞれのスリットＳにおいて、その隙間間隔が拡がるように微小に弾性変形が行われることで、応力Ｆ３の大きさを小さくすることが可能となる。
このようなスリットＳの熱膨張吸収機能をより効果的に得るためには、スリットＳの端部が、支持領域Ｒ１内において、ガス通過領域Ｒ２との境界に近接するように位置されている、すなわち、支持領域Ｒ１内において、半径方向のスリットＳの切り込み深さがより深くなるように形成されていることが好ましい。このようにスリットＳを形成することで、その形状による弾性変形量を増加させることができ、熱膨張により生じる応力の抑制効果をより向上させることができる。
なお、上述の本実施形態においては、ガスシャワープレート４３に切り欠き部の一例としてスリットＳが形成された場合について説明したが、その他様々な変形例を適用することもできる。
例えば、図７のガスシャワープレート１４３の外周縁部における部分拡大模式平面図に示すように、大略Ｕ字形状のスリットＳ’が形成されるような場合であってもよい。このようなＵ字形状のスリットＳ’においては、ガスシャワープレート１４３の中心側の内周面が曲面にて形成されているため、応力集中を抑制する効果を得ることができ、スリットＳ’の内周面にクラック等が発生することを防止することができる。このようなスリットＳ’は、例えば、図８の模式説明図に示すように、外周端面が曲面にて構成された円盤状の切削工具１５０を用いて切削加工により形成することができる。なお、このようなスリットＳ’に形成される曲面は、緩やかな曲面として形成されることが、応力集中を抑制するという観点からは好ましい。
そこで、例えば、図９のガスシャワープレート２４３の外周縁部における部分拡大模式平面図に示すように、その内周面を曲面のみで構成した大略半円状の切り欠き部Ｃが形成されるような場合であってもよい。この切り欠き部Ｃにおいては、ガスシャワープレートの半径方向の切り込み深さ寸法Ａが、図７のスリットＳ’の切り込み深さ寸法Ａと同一であるものの、その内周面が全て曲面で形成されているため、円周方向の幅である開口寸法Ｂ２が、スリットＳ’の開口寸法Ｂ１よりも大きく形成されている。このように切り欠き部Ｃの内周面を曲面のみ（あるいはその大部分が曲面）で形成することにより、応力をより分散させることができ、クラック等の発生防止をより確実なものとすることができる。なお、このような切り欠き部Ｃは、例えば、図１０の模式説明図に示すように、円形断面を有する棒状の切削工具２５０を用いて切削加工により形成することができる。
なお、本実施形態の上記それぞれの態様において、ガスシャワープレートの外周縁部において生じる応力をより均一に緩和するために、それぞれの切り欠き部（スリットも含む）は、その形状及び大きさを同一とし、さらに等間隔ピッチにて配置されることが好ましい。
ただし、ガスシャワープレートの外周縁部において、切り欠き部が占める容積と、ガスシャワープレートの強度維持との観点から、比較的大きな切り欠き部と小さな切り欠き部を混在させて形成するような場合であってもよい。このような場合には、それぞれの切り欠き部の配置に対称性を持たせるようにすることが、応力緩和の均一性の観点からは好ましい。
また、上述の実施形態において、熱膨張によるひずみを吸収するための切り欠き部の弾性変形を阻害しないことを条件として、ガスシャワープレートにおけるそれぞれの切り欠き部内に他の部材が配置されるような場合であってもよい。また、切り欠き部の内周面に対して、ガスの通過を抑制するように表面加工等がなされるような場合であってもよい。このようにすることで、ガスシャワープレートにおいて切り欠き部の内周面を通過してガスが通過することを抑制できる場合もあるからである。
本発明によれば、プラズマ処理時には急激な温度上昇にともなう熱膨張のためにガスシャワープレートの外縁部にひずみを生じるが、このひずみは切り欠き部に吸収されるので、外縁部にクラックが発生するなどしてガスシャワープレートが破損することはなく、したがって安定したプラズマ処理を行うことができ、特にウェハなどの表面エッチングのためのプラズマ処理装置のガスシャワープレートとして有用である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
２００５年４月５日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００５−１０８３３０号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
Claims (7)
- ガス供給部から供給されたプラズマ発生用ガスをプラズマ処理装置の上部電極と下部電極の間のプラズマ処理空間に送出するガスシャワープレートであって、
セラミックス粒子の焼結体により通気性を有する円板状の多孔質板として形成され、上記円板の外周縁部にその厚み方向に貫通する熱膨張吸収のための切り欠き部を複数形成したプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。 - 上記円板の外周縁部に配置された環状の領域であって、上記プラズマ処理装置により支持される支持領域と、上記支持領域により囲まれた上記円板形状の外周縁部内側の円形領域であって、上記プラズマ発生用ガスを通過させるガス通過領域とを有し、
上記それぞれの切り欠き部は、上記支持領域内において、上記ガス通過領域との境界に近接するように形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。 - 前記それぞれの切り欠き部は外周縁部に等ピッチをおいて形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。
- 上記それぞれの切り欠き部は、同じ大きさ及び形状を有する請求項３に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。
- 上記それぞれの切り欠き部において、少なくとも上記多孔質板の中心側の内周面が曲面状に形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。
- その内周面全体が曲面となるように、上記それぞれの切り欠き部が形成されている請求項５に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。
- 上記それぞれの切り欠き部は、スリット形状を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置用のガスシャワープレート。
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