JP5158367B2 - プラズマｃｖｄ装置のシャワー電極の製作方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマＣＶＤ装置に関し、特に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法に関する。
に関する。

半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜、エッチング、アッシング等の処理にプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置として、平行平板型プローブＣＶＤ装置が知られている。平行平板型プローブＣＶＤ装置は、通常、平行平板の一方を構成する上部電流のシャワー電極と、平行平板の他方を構成する下部電極とを処理チャンバ内に配置し、下部電極上に非処理体である基板を載置し、上部電極と下部電極との間にプラズマを生成し、このプラズマによって基板に所望のプロセス処理を行う。（例えば、特許文献１参照）

薄膜の膜厚を均一化するために、シャワー電極の形成する穴の配置や穴径において、シャワー電極板の中心から外周に向かうにつれて、穴の大きさを大きくし、隣接する段間ｎ穴の間隔を狭くし、各段の周方向の穴の数を多くする構成とすることによって、各段からほぼ一様にガスを流出させる構成が提案されている。（例えば、特許文献２、３参照）
特開２００４−３５３０６６号公報（段落０００３〜０００５） 特公平４−３１０２３号公報（第１図） 特公平６−８９４５７号公報

シャワー電極のシャワー穴に局所的に放電が集中し、平行平板間で生成されるプラズマに不均一性が発生する場合がある。この放電集中の発生は、成膜の膜質や膜厚の分布を不均一とし、成膜基板の歩留まりが低下する要因となる。

放電集中を低減させるには、一般的にシャワー電極のシャワー穴の穴径を小径化することが有効である。穴径としては、例えばΦ0.3mm程度のサイズが望ましい。

しかしながら、このような小径のシャワー穴を機械加工やレーザー加工等のように物理的な除去加工によって形成した場合には、シャワー電極の複数のシャワー穴の穴径を均質に形成することは、加工コストの面から困難である。

物理的な除去加工によって微小な穴径の穴を形成する場合、その穴径が比較的に大きなサイズであれば各穴の穴径のばらつきを抑制することは容易であるが、穴径が小径化するほど各穴径の穴径のばらつきを許容範囲内に納めることは困難となる。

図８は穴径サイズと穴径のばらつきを説明するための概略図である。図８（ａ）は穴径が比較的に小さな穴の場合を示し、図８（ｂ）は穴径が比較的に大きな穴の場合を示している。

電極用板材４ａに物理的除去加工によって開口部４ｂを形成する際、開口部４ｂの穴径ΦＤ2が比較的に小さい場合の穴径のばらつきはΔε2と（図８（ａ））、開口部４ｂの穴径ΦＤ1が比較的に大きい場合の穴径のばらつきはΔε1とを比較すると、Δε2＞Δε1の関係となる。したがって、物理的除去加工に穴を形成する際、穴径が小径化するほど各穴径の穴径のばらつきを均質化することは難しい。

そのため、シャワー電極に求められる例えばΦ0.3mm程度のサイズの穴径のシャワー穴を均質化することは困難である。穴径のばらつきを許容範囲内に納めて均質化するには、加工時間と加工費用が嵩むことになる。

そこで、本発明は上記課題を解決して、平行平板型プラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製造において、シャワー電極の小径のシャワー穴を、均質で且つ低い加工コストで形成することを目的とする。

本発明は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置が備えるシャワー電極にシャワー穴を形成する加工において、物理的加工と溶射による肉盛り加工とを組み合わせ、物理的加工で開口部を形成した後に、溶射によって開口部の内縁部を肉盛り加工することによって、開口部の内径を均質に形成する。

溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の間に所定の関係がある。本発明は、この溶射膜の成長の特性を利用し、溶射膜を面方向に成長させることで、物理的加工で形成された開口部の内縁部の内径を縮小させ、さらに、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の間に所定の関係に基づいて、溶射膜の厚さを制御することによってその縮小の程度を制御する。

本発明によれば、物理的加工によって目標とする穴径よりも大きな穴径を形成することで、寸法の均質性を高めることができる。さらに、溶射膜の厚さを制御することによって、開口部の内径の寸法の均質性を高めた加工を行うことができる。

本発明のプラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置のシャワー電極にシャワー穴を形成する方法において、シャワー穴の目標とする目標穴径、シャワー電極用の電極材に物理的な除去加工で形成する加工穴径、および電極材の溶射による成膜の膜厚の各寸法を、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて定める第１の工程と、物理的な除去加工によって、シャワー電極用の電極材に目標穴径よりも大きな加工穴径の開口部を形成する第２の工程と、第１の工程によって開口部が形成された電極材に対して、電極材の少なくとも一方の表面に金属を溶射し、この溶射によって電極材の一方の表面上および開口部の内縁部から穴の中心に向かって溶射膜を形成する第３の工程とを備える。

第３の工程において、第１の工程で定めた膜厚分の溶射膜を形成することによって、開口部の内縁部から穴の中心に向かって溶射膜を形成し、第２の工程で形成した開口部の穴径を加工穴径から目標穴径に縮小する。

本発明は、第１の工程において、シャワー穴の目標とする目標穴径、シャワー電極用の電極材に物理的な除去加工で形成する加工穴径、および電極材の溶射による成膜の膜厚に各寸法を定める際に、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係を用いることで、溶射膜の膜厚を制御することで穴径の縮小の量を制御し、シャワー穴の穴径を目標穴径とすることができる。

第１の工程において、各寸法を定める工程は二つの態様とすることができる。

第１の工程の第１の態様は、溶射膜の膜厚を設定する工程と、目標穴径を設定する工程と、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて膜厚に対する縮小寸法を求める工程と、目標穴径に縮小寸法を加算して加工穴径を算出する工程とを備える。

第１の態様によれば、はじめに、シャワー電極用の電極材の表面上に溶射する溶射膜の膜厚と、シャワー穴の目標とする目標穴径を設定する。設定した膜厚で溶射膜を成膜した際に、開口部の内縁部において穴の中心方向に向かって成長する溶射膜の長さを、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて求める。この溶射膜の長さは、開口部の加工穴径を縮小する寸法に相当する。

設定した目標穴径に、求めた縮小寸法を加算することによって、シャワー電極用の電極材に物理的な除去加工で形成する加工穴径を算出することができる。

この第１の態様は、溶射による膜厚が定められている場合に好適であり、目標とする穴径を得るために、最初に物理的な除去加工で形成する加工穴径を算出することができる。

第１の工程の第２の態様は、加工穴径を設定する工程と、目標穴径を設定する工程と、加工穴径から目標穴径を減算して縮小寸法を求める工程と、溶射による成膜の膜厚と径方向の成長量との関係に基づいて、縮小寸法に対する膜厚を求める工程とを備える。

第２の態様によれば、はじめに、物理的な除去加工で形成する加工穴径と、シャワー穴の目標とする目標穴径を設定する。設定した加工穴径から目標穴径を減算する。この加工穴径から目標穴径を減算して得られる寸法は、溶射による溶射膜によって縮小する寸法に相当する。なお、加工穴径から目標穴径を減算した値は、内縁部の両側の縮小部分の和に相当するため、溶射膜は、減算値を２で割った値に基づいて求める。

この第２の態様は、物理的な除去加工で形成する加工穴径が定められている場合に好適であり、この加工穴径と目標穴径とから溶射による溶射膜の膜厚を算出し、算出した膜厚となるように溶射を制御することで目標穴径とすることができる。

本発明の平行平板型プラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法によれば、シャワー電極の小径のシャワー穴を、均質で且つ低い加工コストで形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明のプラズマＣＤＶ装置の一構成例を説明するための図である。平行平板型のプラズマＣＤＶ装置１は、処理チャンバ２内の上方に上部電極を構成するシャワー電極３を配置し、処理チャンバ２内の下方に、前記シャワー電極３と対向させるとともに所定の間隔を開けて下部電極を構成する基板支持部９を配置する。

プラズマＣＤＶ装置１は、上部電極を構成するシャワー電極３と下部電極を構成する基板支持部９との間に、高周波電源等のプラズマ電源１０から高周波電力を印加して、シャワー電極３と基板支持部９との間にプラズマを発生させ、シャワー電極３からプラズマ中に原料ガスをシャワー状に流出させ、原料ガスをプラズマで反応させて、基板２０上に成膜を行う。

シャワー電極３は、多数のシャワー穴５が形成されたシャワー電極板４を備え、このシャワー電極板４の裏側にはガス分配室６が設けられている。ガス分配室６には、図示しない原料ガス供給源からガス供給管７を介して原料ガスが供給される。ガス分配室６内に供給された原料ガスは、シャワー電極板４に形成されたシャワー穴５を通って、シャワー電極３と基板支持部９との間に流出される。

供給された原料ガスは、シャワー電極３と基板支持部９との間で発生しているプラズマによって反応し、基板２０上に成膜処理を施す。処理チャンバ２は、排気管８を通して図示しない真空ポンプによって真空引きされる。

本発明では、平行平板型プラズマＣＤＶ装置が備えるシャワー電極３のシャワー穴５を、図２のフローチャートに示す手順に従って形成する。

本発明によるシャワー穴の形成は、物理的除去加工の工程(S1)と、溶射によって形成した穴の穴径を縮小する工程(S2)の２工程を含む。

はじめにS1の工程において、シャワー電極板を構成する電極用板材に、機械加工やレーザー加工等によって穴径がΦＤ1の穴を形成する。ここで、穴径は穴の内径であり、穴径ΦＤ1は、目標とする穴径ΦＤ2よりも大きな径であり、ΦＤ1＞ΦＤ2の関係を有している。

次に、S2の工程において、S1の工程でシャワー穴を形成した電極用板材に溶射によって溶射膜を生成する。溶射は、電極用板材の表面上に溶射膜を生成すると共に、S1の工程で形成したシャワー穴の内縁部に、穴の中心方向に向かって溶射膜を生成する。この内縁部に生成される溶射膜は、シャワー穴の内径を縮小する。シャワー穴の内縁部において、穴の中心方向に向かって生成する溶射膜の長さは、電極用板材の表面に生成する溶射膜の膜厚と所定の関係を有しているため、溶射膜の膜厚を制御することによってシャワー穴の内径の縮小幅を制御することができる。

図３、図４は、本発明の平行平板型プラズマＣＤＶ装置が備えるシャワー電極板４にシャワー穴５を形成する手順を説明するための概略斜視図および断面図である。

図３（ａ）、図４（ａ）は、シャワー電極３の電極用板材４ａを示している。電極用板材４ａは、例えば、Ａｌ、Ｎｉの金属材、あるいはこれらの合金材を用いることができる。ここでは、電極用板材４ａの厚さをt1とする。

はじめに、前記したS1の物理的除去加工の工程によって、電極用板材４ａに穴径ΦＤ1の開口部４ｂを形成する。この穴径ΦＤ1は、物理的除去加工によって所定の均質性が得られる程度のサイズに設定され、目標とする穴径ΦＤ2よりも大きなサイズである。図３（ｂ）、図４（ｂ）は、物理的除去加工の工程によって穴径ΦＤ2の開口部を形成した状態を示している。

次に、前記したS2の溶射の工程によって、開口部４ｂを形成した電極用板材４ａに溶射膜を生成する。溶射は、電極用板材４ａの表面上に溶射膜４ｃを生成すると共に、開口部４ｂの内縁部において開口部の中心方向に向かって溶射膜を成長させ、縮小部４ｅを形成する。

図３（ｃ）、図４（ｃ）は溶射膜を生成した状態を示している。溶射によって、電極用板材４ａの表面上に溶射膜４ｃが生成されると共に、開口部４ｂの内縁部から穴の中心に向かって成長し縮小部４ｅが形成される。縮小部４ｅにおいて、溶射膜が内縁部から中心方向に向かって長さｄだけ成長した場合には、開口部４ｂの穴径ΦＤ１は２ｄだけ内径が縮小され、この部分の開口部４ｄの穴径はΦＤ2となる。穴径ΦＤ１と穴径ΦＤ２と縮小量ｄとは、ΦＤ２＝ΦＤ１−２ｄの関係で表される。

次に、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係について図５を用いて説明する。図５は、横軸は溶射膜の厚さ方向の成長量（膜厚ｔ2）を表し、縦軸は溶射膜の面方向の成長量ｓを表している。溶射膜の厚さ方向の成長量と面方向との成長量とは、両成長量が正の関係で増加する関係にあり、一方の成長量から他方の成長量を推測することができる。

開口部を形成した電極用板材に溶射して溶射膜を生成した場合には、図５に示す溶射膜の面方向の成長量ｓは、開口部の内縁部において穴の中心に向かう縮小量ｄに相当する。

なお、溶射膜の厚さ方向の成長量と面方向との成長量との特性は溶射条件に依存するものであり、図５は説明のために概略を示すものであって、実際の特性を示すものではない。

次に、シャワー穴の目標とする目標穴径（穴径ΦＤ2）、シャワー電極用の電極材に物理的な除去加工で形成する加工穴径（穴径ΦＤ1）、および電極材の溶射による成膜の膜厚（ｔ2）の各寸法を定める手順を、２つの態様について説明する。

いずれの態様の手順においても、各寸法を溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて定める。溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係は、関係式あるいはデータテーブルの形式で記憶手段に記憶しておき、演算手段において記憶手段から読み出した関係式あるいはデータテーブルを用いて、溶射膜の膜厚から面方向の成長量の算出、あるいは、溶射膜の面方向の成長量から膜厚の算出を行う。

第１の態様は、溶射による膜厚が定められている場合に好適な態様であり、目標とする穴径ΦＤ2を得るために、最初に物理的な除去加工で形成する加工穴径ΦＤ1を算出する。図６は第１の態様による寸法を定める手順を説明するためのフローチャートである。

第１の態様は、はじめに、溶射膜の膜厚ｔ2を設定する。この溶射膜の膜厚ｔ2の設定は、シャワー電極用の電極材に表面に成膜する溶射膜の膜厚を定めるものである。シャワー電極用の電極材に表面に成膜する溶射膜は、シャワー電極板４から基板へのパーティクルの落下等を防止する等を目的として設けることができ、これらの目的や溶射膜を成膜する成膜条件等に応じて膜厚を定める(S11)。

次に、シャワー電極板４のシャワー穴の開口部４ｂの目標とする穴径（ΦＤ2）を設定する。目標穴径ΦＤ2は、プラズマ内に供給する原料ガスの供給条件に基づいて設定される(S12)。

溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて、S11の工程で定めた膜厚ｔ2に対する溶射膜の面方向の成長量ｓを求め、求めた成長量ｓを縮小寸法ｄとして定める。この成長量ｓの算出は、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係を表した関係式あるいはデータテーブルを記憶手段から読み出し、演算手段において、読み出した関係式あるいはデータテーブルを用いて膜厚ｔ2から対応する成長量ｓを求めることで行うことができる(S13)。

S12で設定した目標穴径ΦＤ2と、S13で算出した縮小寸法ｄを用いて、物理的加工で形成する穴径ΦＤ1を算出する。この穴径ΦＤ1の算出は、ΦＤ1＝ΦＤ2＋２ｄの演算式によって行うことができ、例えば、演算手段に目標穴径ΦＤ2と縮小寸法ｄを入力して上記演算式を実行させることができる(S14)。

第２の態様は、物理的な除去加工で形成する加工穴径が定められている場合に好適な態様であり、目標とする穴径ΦＤ2を得るために、溶射による膜厚を算出する。図７は第２の態様による寸法を定める手順を説明するためのフローチャートである。

第２の態様は、はじめに、物理的除去加工によって形成する開口部の穴径ΦＤ1を設定する。この加工穴径ΦＤ1は、例えば、物理的除去加工による穴径のばらつきが許容範囲内となる穴径に基づいて定めることができる(S21)。また、シャワー電極板４のシャワー穴の開口部４ｂの目標とする穴径（ΦＤ2）を設定する(S22)。

S21で設定した加工穴径ΦＤ1とS22で設定した目標穴径ΦＤ2とから、縮小寸法ｄを算出する。この縮小寸法ｄの算出は、ｄ＝（ΦＤ1−ΦＤ2）／２の演算式に基づいて行うことができ、演算手段によって行うことができる（S23）。

溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて、S23の工程で求めた縮小寸法ｄに対する溶射膜の膜厚ｔ2を求める。この溶射膜の膜厚ｔ2の算出は、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係を表した関係式あるいはデータテーブルを記憶手段から読み出し、演算手段において、読み出した関係式あるいはデータテーブルを用い、縮小寸法ｄを溶射膜の面方向の成長量ｓとして、この成長量ｓに対応する膜厚ｔ2を求めることで行うことができる(S24)。

本発明は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置が備えるシャワー電極に適用する他、均質な穴径の開口部の形成に適用することができる。

本発明のプラズマＣＤＶ装置の一構成例を説明するための図である。 平行平板型プラズマＣＤＶ装置が備えるシャワー電極のシャワー穴を形成する手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の平行平板型プラズマＣＤＶ装置が備えるシャワー電極板にシャワー穴を形成する手順を説明するための概略斜視図である。 本発明の平行平板型プラズマＣＤＶ装置が備えるシャワー電極板にシャワー穴を形成する手順を説明するための断面図である。 溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係を説明するための図である。 本発明の第１の態様による寸法を定める手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２の態様による寸法を定める手順を説明するためのフローチャートである。 穴径サイズと穴径のばらつきを説明するための概略図である。

符号の説明

１…平行平板型のプラズマＣＤＶ装置、２…処理チャンバ、３…シャワー電極、４…シャワー電極板、４ａ…電極用板材、４ｂ…開口部、４ｃ…溶射膜、４ｅ…縮小部、５…シャワー穴、６…ガス分配室、７…ガス供給管、８…排気管、９…基板支持部、１０…プラズマ電源、２０…基板。

Claims (3)

1. 平行平板型プラズマＣＶＤ装置が備えるシャワー穴が形成されたシャワー電極を作成する方法であって、
   前記シャワー穴の目標とする目標穴径、シャワー電極用の電極材に物理的な除去加工で形成する加工穴径、および電極材の溶射による成膜の膜厚の各寸法を、溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて定める第１の工程と、
   物理的な除去加工によって、シャワー電極用の電極材に目標穴径よりも大きな加工穴径の開口部を形成する第２の工程と、
   前記第１の工程によって開口部が形成された電極材に対して、当該電極材の少なくとも一方の表面に金属を溶射し、当該溶射によって電極材の前記一方の表面上および前記開口部の内縁部から穴の中心に向かって溶射膜を形成する第３の工程とを備え、
   前記第３の工程において、前記第１の工程で定めた膜厚分の溶射膜を形成することによって、前記開口部の内縁部から穴の中心に向かって溶射膜を形成し、前記第２の工程で形成した開口部の穴径を加工穴径から目標穴径に縮小することを特徴とする、プラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法。
2. 前記第１の工程は、
   溶射膜の膜厚を設定する工程と、
   前記目標穴径を設定する工程と、
   前記溶射膜の厚さ方向と面方向との成長量の関係に基づいて、前記膜厚に対する穴径の縮小寸法を求める工程と、
   前記目標穴径に前記縮小寸法を加算して加工穴径を算出する工程とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法。
3. 前記第１の工程は、
   前記加工穴径を設定する工程と、
   前記目標穴径を設定する工程と、
   前記加工穴径から前記目標穴径を減算して縮小寸法を求める工程と、
   前記溶射による成膜の膜厚と径方向の成長量との関係に基づいて、縮小寸法に対する膜厚を求める工程とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置のシャワー電極の製作方法。

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