JP5182136B2

JP5182136B2 - プラズマ処理装置用電極板構成体及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5182136B2
Application number: JP2009030145A
Authority: JP
Inventors: 努久永; 孝志米久
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP2010186876A

Description

本発明は、プラズマ生成用ガスを通過させる貫通孔を有するプラズマ処理装置用電極板構成体及び該電極板構成体を備えるプラズマ処理装置に関する。

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電極板と架台とを例えば上下に対向配置し、架台の上にシリコンウエハを載置した状態として、電極板に形成した貫通孔からガスをシリコンウエハに向かって流通させながら高周波電圧を印加することによりプラズマを発生させ、シリコンウエハにエッチング等の処理を行う構成とされている。

このプラズマ処理装置に用いられる電極板は、例えば単結晶シリコンにより円板状に形成され、その面全体に貫通孔が多数形成され、その背面には冷却板が設けられる。
例えば、特許文献１では、シリコン単結晶からなる内側及び外側部材の背面に、表面にアルマイト処理されたアルミニウム等の金属からなる冷却板が設けられており、また、特許文献２では、シリコン電極板の背面に金属膜を介して冷却板が締結固定されている。

特開２００３−３３２３１４号公報特開平１１−２５６３７０号公報

ところで、上記のように構成されたプラズマ処理装置では、ウエハの口径が２００ｍｍから３００ｍｍに大型化し、また、数ｎｍの寸法ばらつきが許されない厳しいプロセス制御が要求されるようになってきており、プラズマエッチングに対して、高い面内均一性が不可欠になってきている。
この要求を実現するために、プラズマエッチング中において電極板の中心部と外周部の温度を一定にすることが望ましいが、現状では、これら電極板の中心部と外周部の温度にばらつきがあり、エッチングの面内均一性を確保する障害になっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電極板の中心部と外周部に生じる温度差を小さくして、エッチング深さの面内均一性を向上させることができるプラズマ処理装置用電極板構成体及び該電極板構成体を備えるプラズマ処理装置の提供を目的とする。

本発明のプラズマ処理装置用電極板構成体は、プラズマ処理装置に用いられる電極板構成体であって、高周波電圧が印加される電極板と、該電極板の背面に緊密接触状態に固定される冷却板とから構成され、前記電極板は中心部の厚さが外周部より小さく形成され、前記冷却板は、前記電極板の背面の形状に対応して中心部の厚さが外周部より大きく形成されていることを特徴とする。

この電極板構成体において、電極板は、放熱し易い外周部に比べて放熱し難い中心部の厚さが小さく形成され、その中心部に接触する冷却板は逆に外周部に比べて中心部の厚さが大きく形成されているから、電極板の中心部で発生した熱は、大きな容量の冷却板の中心部に速やかに伝達され、この冷却板を経由して外部に放出される。したがって、電極板は中心部から外周部にかけて温度が均一になり、エッチング深さの面内均一性を向上させることができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板構成体において、前記電極板の背面は凹状の円錐面に形成され、前記冷却板の前面は前記電極板の円錐面に対応した凸状の円錐面に形成されているとよい。
電極板と冷却板との接触面を円錐面に形成したことにより、電極板及び冷却板の厚さが漸次変化することになり、半径方向の温度分布に急激な変化が生じることがなく、もって面内均一性をより向上させることができる。
また、本発明のプラズマ処理装置は、前記電極板構成体を取り付けてなるものである。
なお、電極板の中心部と外周部との厚さの差は、例えば外径が３００ｍｍに対して５ｍｍ程度とされる。

本発明によれば、電極板の中心部の厚さを外周部より小さくし、かつ冷却板を電極板に対応して中心部の厚さを外周部より大きく形成したことにより、放熱し難い電極板の中心部から熱が容量の大きい冷却板の中心部に速やかに伝達され、この冷却板から外部に放出される。したがって、電極板の中心部と外周部との温度差を小さくして、エッチング深さの面内均一性を向上させることができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板構成体の実施形態を示す縦断面図であり、（ａ）は第１実施形態、（ｂ）は第２実施形態を示している。本発明の電極板構成体が適用されるプラズマ処理装置の実施形態としてプラズマエッチング装置を示す縦断面図である。従来の電極板構成体を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
まず、この電極板構成体が用いられるプラズマ処理装置の実施形態としてプラズマエッチング装置について説明する。
このプラズマエッチング装置１は、図２の概略断面図に示されるように、真空チャンバー２内の上部に電極板３が設けられるとともに、下部に上下動可能な架台４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられている。この場合、上部の電極板３は絶縁体５により真空チャンバー２の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、架台４の上には静電チャック６が設けられており、静電チャック６の上に支持リング７と共にウエハ８を載置するようになっている。また、真空チャンバー２の上部にはエッチングガス供給管９が設けられ、このエッチングガス供給管９から送られてきたエッチングガスは拡散部材１０を経由した後電極板３に設けられた貫通孔１１を通してウエハ８に向って流され、真空チャンバー２の側部の排出口１２から外部に排出される構成とされている。一方、電極板３と架台４との間には高周波電源１３により高周波電圧が印加されるようになっている。

また、電極板３は、単結晶シリコン、柱状晶シリコン、多結晶シリコンによって直径が例えば３００ｍｍの円板状に形成されており、その背面には熱伝導性に優れるアルミニウム等からなる冷却板１４が固定され、この冷却板１４にも、電極板３の貫通孔１１に連通するように、この貫通孔１１と同じピッチで貫通孔１５が形成されている。そして、これら電極板３と冷却板１４とにより、後述するように電極板構成体２０が構成される。

このプラズマエッチング装置１では、高周波電源１３から高周波電圧を印加してエッチングガスを供給すると、このエッチングガスは拡散部材１０を経由して、電極板３に設けられた貫通孔１１を通って電極板３と架台４との間の空間に放出され、この空間内でプラズマとなってウエハ８に当り、このプラズマによるスパッタリングすなわち物理反応と、エッチングガスの化学反応とにより、ウエハ８の表面がエッチングされる。
また、ウエハ８の均一なエッチングを行う目的で、発生したプラズマをウエハ８の中心部に集中させ、外周部へ拡散するのを阻止して電極板３とウエハ８との間に均一なプラズマを発生させるために、通常、プラズマ発生領域１６がシールドリング１７で囲われた状態とされている。

次に、前述した電極板構成体２０の実施形態について説明する。図１（ａ）が第１実施形態、図１（ｂ）が第２実施形態を示している。
図１（ａ）に示す第１実施形態の電極板構成体２０においては、電極板３は、例えば３００ｍｍの外径に対して、直径１００ｍｍの範囲の中心部Ｃの厚さ（ｔ１）が、外周部Ｄの厚さ（ｔ２）に比べて小さく形成されている。この場合、この電極板３の前面は全体が平坦面に形成されるが、背面は中心部Ｃが平坦な円形状の凹部２１とされている。一方、この電極板３の背面に固定される冷却板１４は、電極板３とは逆に、中心部Ｃの厚さが外周部Ｄより大きく形成されており、この場合、冷却板１４の背面は全体が平坦面に形成されるが、前面が、電極板３の背面の形状に対応して、中心部Ｃが平坦な円形の凸部２２とされている。そして、電極板３の背面の凹部２１に冷却板１４の前面の凸部２２が嵌合した状態で両者が緊密接触して電極板構成体２０とされている。

また、図１（ｂ）に示す第２実施形態の電極板構成体２５においては、電極板２６は、外周縁から中心に向けて徐々に厚さが大きくなるように形成されており、この場合、前面は第１実施形態と同じく平坦面に形成され、背面が中心を頂点とする凹状の円錐面２７に形成されている。したがって、電極板２６の厚さは、その中心の厚さ（ｔ１）が最も小さく、周縁で最も大きい厚さ（ｔ２）となり、中心から周縁にかけて漸次大きく形成される。一方、冷却板２８は、その背面は全体が平坦面に形成され、前面が中心を頂点とする凸状の円錐面２９とされている。そして、電極板２６の背面の凹状の円錐面２７に冷却板２８の前面の凸状の円錐面２９が嵌合した状態で両者が緊密接触して電極板構成体２５とされている。
なお、いずれの実施形態においても、電極板３，２６の中心部と外周部との厚さの差（ｔ２−ｔ１）は、外径が３００ｍｍで外周部の厚さ（ｔ２）が１０ｍｍの場合、５ｍｍとされ、冷却板１４，２８は、中心部が外周部に比べて５ｍｍ厚く形成され、図１の実施形態では、これら電極板３，２６と冷却板１４，２８とを合わせた電極板構成体２０，２５の全体の厚さは、中心部から外周部まで同じ厚さに設定される。

このような電極板構成体２０，２５としたことにより、放熱し難い電極板３，２６の中心部の熱を、厚さが大きく容量の大きい冷却板１４，２８の中心部に速やかに伝達して外部に放出することができ、これにより、電極板３，２６の中心部と外周部との温度差を小さくして、温度を面内で均一にし、エッチング深さの面内均一性を向上させることができる。

次に、このような電極板構成体の実施例について、従来の比較例とともに説明する。
以下の説明では、「実施例１」が図１（ａ）に示すように電極板３の平坦な円形の凹部２１に冷却板１４の凸部２２が嵌合した状態に接合した電極板構成体２０、「実施例２」が図１（ｂ）に示すように電極板２６の凹状の円錐面２７に冷却板２８の凸状の円錐面２９が嵌合した状態に接合した電極板構成体２５、「比較例」は図３に示すように平坦な電極板３２に平坦な冷却板３３が接合した電極板構成体３１である。

＜電極板の製造＞
「実施例１」「実施例２」「比較例」とも以下の方法で製造した。まず、外径が３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットをチョコラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げ，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に輪切り状に切断して単結晶シリコンの円板を作製した。この単結晶シリコンの円板に、貫通孔１１となる内径０.５ｍｍの細孔をピッチ８ｍｍで形成した。この孔開け加工は、レーザを用いた非接触加工、又はダイヤモンドドリルを用いた機械加工のいずれでもよい。細孔の加工領域は、円板の中心から２００ｍｍの径の範囲とした。
その後、このように形成された電極板の上側片面に次のような加工を施した。すなわち、「実施例１」の電極板３については、中心部を直径１００ｍｍで、かつ深さ５ｍｍ（＝ｔ１）の凹状に形成し、外周部の厚さ１０ｍｍ（＝ｔ２）に対して段差を設けた。また、「実施例２」の電極板２６については、図１（ｂ）に示されるように、中心の深さを５ｍｍ（つまり、残る厚さｔ１を５ｍｍ）とし、中心から周辺に向かって徐々に浅くなるように凹状の円錐面２７を加工し、周縁部にて１０ｍｍ（＝ｔ２）の厚さで残るようにした。このような凹状部分を形成する加工は、ダイヤモンドエンドミル等で実施される。一方、「比較例」の電極板３２については、図３に示されるように、全体の厚さが１０ｍｍの平坦な円板をそのまま使用した。

＜冷却板の製造＞
アルミニウム板を旋盤により直径３００ｍｍ、厚さ２５ｍｍに加工して円板状とした。そして、冷却板については、それぞれの電極板の背面の形状に対応して、その片面に、「実施例１」の冷却板１４では、図１（ａ）に示すように中心部に円形の凸部２２を形成し、「実施例２」の冷却板２８では、図１（ｂ）に示すように中心を頂点とする凸状の円錐面２９を形成した。「比較例」の冷却板３３は、図３に示すように、旋盤により加工した円板状のアルミニウム板をそのまま使用した。
また、各冷却板に、電極板の貫通孔１１と同じ位置にドリル加工によって貫通孔１５となる内径３ｍｍの細孔を８ｍｍのピッチで形成し、その後、表面をアルマイト処理した。

そして、以上のように作成した電極板と、対応する冷却板とをねじ止めすることにより、図１（ａ）（ｂ）及び図３に示される各電極板構成体２０，２５，３１とした。なお、いずれの電極板構成体も、電極板と冷却板とを合わせた全体（中心部、外周部を含めた全体）の厚さが同じ３５ｍｍとなるように設定した。

次に、このようにして得られた各電極板構成体を図２に示されるようなプラズマエッチング装置に取り付けるとともに、予めＣＶＤによりＳｉＯ₂層を形成した外径２００ｍｍのウエハを対向して取り付け、以下の条件でエッチング試験を実施した。
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃＋４sccmＯ₂＋１５０sccmＨｅ
高周波電力：２ｋＷ
周波数：２０ｋＨｚ
なお、ｓｃｃｍとは、standard cc/minの略であり、１ａｔｍ（大気圧１０１３ｈＰａ）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。

そして、このような条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂層のプラズマエッチングを行ない、電極板の表面温度を電力チャージ後、５秒毎に測定するとともに、エッチング開始から所定時間経過した時点でのウエハ表面のＳｉＯ₂層の最大エッチング深さ（＝Ａ）及び最小エッチング深さ（＝Ｂ）をそれぞれ測定した。これらのエッチング深さの測定値から（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％）の値を求め、ウエハ表面のエッチング均一性を評価した。エッチング経過時間による表面温度の推移を表１に、エッチングの均一性を表２にまとめた。

この表１の結果によれば、いずれの電極板構成体も、電力チャージ時間の経過に従って温度が上昇するが、実施例１及び実施例２では、中心部と外周部との温度差が最大でも８℃であったのに対して、比較例では４０秒経過後で１１５℃と大きな温度差が発生しており、両実施例では、温度差が小さく抑えられていることが確認された。
また、このようなウエハ表面のＳｉＯ₂層のエッチング深さも、最も深くエッチングされた部分と最も浅くエッチングされた部分との深さの差が実施例のものは小さく、エッチングの均一性が比較例よりも向上していることが確認された。

以上説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置用電極板構成体によれば、電極板の中心部の厚さを外周部より小さくし、冷却板を電極板に対応して中心部の厚さを外周部より大きくしたことにより、電極板の中心部で発生した熱を、厚さがあって容量の大きい冷却板の中心部で速やかに吸収して外部に放熱することができ、電極板の中心部と外周部との温度差を小さくして、全体の温度を均一にし、エッチング深さの面内均一性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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、各実施例では、電極板の中心部の厚さを５ｍｍ、外周部を１０ｍｍとしたが、この寸法に限定されるものではない。ただし、電極板の背部へのプラズマの回り込みを防止するために、中心部の最も薄い部分の厚さを３ｍｍ以上とするのが好ましい。
また、電極板と冷却板とを合わせた全体の厚さは一定に設定したが、冷却板の中心部をさらに厚くするなど、各部の全体厚さを調整してもよい。
さらに、図１（ａ）に示す電極板では中央部と外周部との間に９０°の段部が形成されるが、その段部の部分をテーパ状に形成してもよい。また、その段部を同心状に複数設けて段階的に厚さが変化するようにしてもよい。

１プラズマエッチング装置
２真空チャンバ
３電極板
１１貫通孔
１３高周波電源
１４冷却板
１５貫通孔
２０電極板構成体
２１凹部
２２凸部
２５電極板構成体
２６電極板
２７円錐面
２８冷却板
２９円錐面

Claims

プラズマ処理装置に用いられる電極板構成体であって、
高周波電圧が印加される電極板と、該電極板の背面に緊密接触状態に固定される冷却板とから構成され、前記電極板は中心部の厚さが外周部より小さく形成され、前記冷却板は、前記電極板の背面の形状に対応して中心部の厚さが外周部より大きく形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板構成体。
前記電極板の背面は凹状の円錐面に形成され、前記冷却板の前面は前記電極板の円錐面に対応した凸状の円錐面に形成されてい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構成体。
請求項１又は請求項２に記載の電極板構成体を取り付けてなるプラズマ処理装置。