JP5316393B2 - プラズマ処理装置用電極板 - Google Patents

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、チャンバー内に、高周波電源に接続される上部電極と下部電極とを、例えば、上下方向に対向配置し、下部電極の上に被処理基板を配置した状態として、上部電極に形成した貫通孔からエッチングガスを被処理基板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、被処理基板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で使用される上部電極として、一般に、シリコン製の電極板を冷却板に固定し重ね合わせた積層電極板が用いられており、プラズマ処理中に上昇する電極板の熱は、冷却板を通して放熱されるように構成されている。
プラズマ処理中において電極板の温度分布が不均一になると、被処理基板の場所によりエッチング深さがばらつき、被処理基板全体に均一なエッチングを行うことができないため、電極板の温度分布を一定にする必要がある。
そこで、例えば、特許文献１では、電極板の温度分布の不均一性を解消すべく、電極板の背面に金属膜を介して冷却板を締結固定しているが、さらなる面内均一性の向上が求められている。

一方、上部電極は、プラズマ処理を繰り返して行うことにより、プラズマにさらされる部分が削られて消耗するため、装置の稼働時間に合わせて交換を必要とされる。
例えば、特許文献２では、上部電極の消耗による交換に対するコスト削減として、電極板を二体構造とし、電極板の一部を交換可能としている。
しかし、この二体構造とした電極板は、プラズマ処理中の真空状態で脱気され密着されるため、ボルトを外しただけでは容易に剥がれず、消耗した電極板のみを交換することは困難であった。

特開平１１−２５６３７０号公報 特開２００３−３３２３１４号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理の面内均一性を向上させるとともに、消耗した上部電極の交換が容易に行えるプラズマ処理装置用電極板を提供する。

本発明の電極板は、複数の電極構成板が積層されるとともに、該電極構成板の厚さ方向に貫通するガス通過孔が複数設けられてなるプラズマ処理装置用電極板であって、隣り合う電極構成板の対向面間の外周部には、これら両電極構成板の少なくとも一方の板厚の一部を周方向に沿って切欠してなる空隙部が設けられていることを特徴とする。

この電極板においては、積層された電極構成板の対向面間の外周に空隙部が設けられていることにより、その空隙部が断熱空間として両電極構成板の間に介在することになるので、電極板の外周部の方が中央部より厚さ方向の熱伝達に対して断熱効果が大きく、これにより、周辺に放熱し易い電極板の外周部の厚さ方向への熱伝達を抑制して、電極板全体として、外周部と中央部との温度差を小さくすることができる。

空隙部は、隣り合う電極構成板の一方のみを切欠して設けられる構成でもよいし、両方を切欠して設けられる構成でもよい。
また、空隙部を設けることで、プラズマ処理により消耗した電極構成板を交換する際、隣り合う電極構成板で形成された空隙部に工具を差し込むことにより、積層された電極構成板を容易に引き剥がすことが可能となる。

また、本発明の電極板において、前記空隙部は、前記電極構成板の全周に設けられているとよい。
必ずしも全周に空隙部を設ける必要はないが、全周に空隙部を設けた場合、均一な放熱性が得られ、さらに面内均一性が向上する。

そして、前記空隙部は、前記電極構成板の角部を切欠する傾斜面又は円弧面からなる面取り面により形成されているとよい。
空隙部に挿入した工具を梃子として使用する場合に、面取り面側を支点とするように工具を使用しても、工具の接触による摩耗や欠け等の破損が防止できる。したがって、面取り面が設けられた電極構成板を固定側として使用することにより、電極板を長期にわたり健全に使用することが可能である。

本発明によれば、積層された電極構成板の外周に空隙部を設けたことにより、隣り合う電極構成板を容易に引き剥がして交換できるだけでなく、放熱し易い外周部の厚さ方向の熱伝達を遮断し、電極板の中央部と外周部とで熱の伝達性を制御して面内均一なプラズマ処理を行わせることができる。

本発明の電極板の第１実施形態を示す（ａ）が外周部に面取り面を有する電極構成板の背面図、（ｂ）が二枚の電極構成板を積層してなる電極板の縦断面図である。 図１の電極板が用いられるプラズマ処理装置の例を示す概略構成図である。 図１（ｂ）に示す二点鎖線で囲まれる要部Ｘの拡大図であり、（ａ）が電極板の放熱を説明する図であり、（ｂ）が工具を空隙部に挿入した状態を説明する図である。 本発明の電極板の第２実施形態を示す（ａ）が固定側電極構成板の背面図、（ｂ）が二枚の電極構成板を積層してなる電極板の縦断面図である。 本発明の電極板の第３実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の電極板の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
まず、この電極板が用いられるプラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置１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（上部電極）３が設けられるとともに、下部に上下動可能な架台（下部電極）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と、その周りを囲むシリコン製の支持リング７とが設けられており、静電チャック６の上に、支持リング７により周縁部を支持した状態でウエハ（被処理基板）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に設けられたガス通過孔１１を通してウエハ８に向かって流され、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、シリコンによって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のガス通過孔１１に連通するように、このガス通過孔１１と同じピッチで貫通孔１５が形成されている。そして、電極板３は、背面が冷却板に接触した状態でねじ止め等によってプラズマ処理装置１内に固定される。電極板３の詳細構造については後述する。

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に設けられたガス通過孔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の中央部に集中させ、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がシリコン製のシールドリング１７で囲われた状態とされている。

次に、電極板３の詳細構造について図１を参照しながら説明する。
この電極板３は、固定側電極構成板３ａと放電側電極構成板３ｂとを積層した構成とされ、両電極構成板３ａ，３ｂとも単結晶シリコン、柱状晶シリコン、又は多結晶シリコンにより円板状に形成されている。そして、ガス通過孔１１は両電極構成板３ａ，３ｂに、径の異なる複数の同心円上に並んで多数設けられている。
また、固定側電極構成板３ａの積層面３１ａの外周には、ガス通過孔１１の形成領域より外側に全周にわたり傾斜面によって板厚の一部を切欠してなる面取り面３２ａが設けられている。そして、この面取り面３２ａに放電側電極構成板３ｂを対向させて両電極構成板３ａ，３ｂが積層されていることにより、固定側電極構成板３ａの面取り面３２ａと、放電側電極構成板３ｂの積層面３１ｂとの間に、電極板３の半径方向外方に開口する電極板３の全周にわたって空隙部ｓ１が形成されている。

このように構成した電極板３において、プラズマエッチング処理中に上昇する電極板３の熱は、冷却板１４を通して放熱される。図３（ａ）に示す実線矢印は、冷却板１４による熱の流れを表しており、破線矢印は電極板３の外周面における放熱を表している。
電極板３の中央部では、放電側電極構成板３ｂで上昇した熱が、この放電側電極構成板３ｂに密着している固定側電極構成板３ａを介して速やかに冷却板１４に熱伝達される。一方、電極板３の外周部では、図３（ａ）に示すように、外周面から一部は放熱されるが、両電極構成板３ａ，３ｂの間に空隙部ｓ１が介在しているので、放電側電極構成板３ｂから固定側電極構成板３ａへの熱伝達が空隙部ｓ１により遮断され、その分、熱伝達が抑制される。
このように、電極板３は厚さ方向の熱伝達が中央部よりも外周部で進みにくい状態となっているので、その外周部は本来、半径方向等の周辺には放熱されやすい状態であることにより、これらの総和として、電極板３全体としては面内で均等に放熱されることになる。これにより、電極板３の中央部と外周部との間に温度差が生じるのを防ぎ、温度を面内で均一にし、プラズマ処理の面内均一性、例えば、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。

また、電極板３の放電側電極構成板３ｂは、プラズマ処理を繰り返して行うことによりプラズマにさらされる部分が削られて消耗するため、装置の稼働時間に合わせて交換を必要とされるが、図３（ｂ）に示すように、固定側電極構成板３ａに設けられた面取り面３２ａが工具Ｔのガイドとして作用するので、面取り面３２ａに沿って空隙部ｓ１に工具Ｔを挿入することにより、固定側電極構成板３ａ及び放電側電極構成板３ｂを容易に引き剥がし、放電側電極構成板３ｂだけを交換することができる。
この場合、図３（ｂ）の矢印ｙで示すように挿入した工具Ｔをそのまま半径方向内方へ押し込むか、矢印ｚで示すように工具Ｔを回動させながら梃子の原理で固定側電極構成板３ａから放電側電極構成板３ｂを引き剥がすか、いずれかの方法で両電極構成板３ａ，３ｂを分離することができる。

この電極板３の空隙部ｓ１は、固定側電極構成板３ａに設けられた面取り面３２ａと、対向する放電側電極構成板３ｂの積層面３１ｂの平面形状とで構成されているので、空隙部ｓ１を形成する固定側電極構成板３ａの角部は、図３（ｂ）に示すように９０度以上の鈍角αで形成される形状となっている。そのため、固定側電極構成板３ａ及び放電側電極構成板３ｂを引き剥がす際、図３（ｂ）の矢印ｚに示すように、空隙部ｓ１に挿入した工具Ｔを角度αの角部を支点として使用する場合でも、工具Ｔの接触による摩耗や欠け等の破損を防止できる。このように、固定側電極構成板３ａに面取り面３２ａを設けることにより、電極板３を長期にわたり健全に使用することが可能である。

第１実施形態では空隙部ｓ１を電極板３の全周に設けたが、必ずしも全周でなくてもよく、図４の第２実施形態では、電極板２０は、冷却板１４に取り付けられる固定側電極構成板２０ａの外周部に、空隙部ｓ２を形成する切り欠き部２３ａが等間隔に３個所設けられ、この場合、その切り欠き部２３ａは、図４（ｂ）に示すように固定側電極構成板２０ａの角部を傾斜面の面取り面２２ａとすることによって形成されている。
この第２実施形態の電極板２０のように、外周の大部分に空隙部ｓ２が設けられる構成であっても、電極板２０の外周部の熱伝達を抑制することが可能であるので、両電極構成板２０ａ，２０ｂの外周部の大部分に空隙部ｓ２が設けられる構成であればよい。

図５は本発明の電極板の第３実施形態を示している。
この実施形態の電極板４０は、固定側電極構成板及び放電側電極構成板に、同形状の電極構成板４０ａを用い、この電極構成板４０ａの面取り面４２ａが設けられている側の表面を突き合わせて構成されており、両電極構成板４０ａの積層面を跨ぐように空隙部ｓ３が設けられた構成とされている。
この第３実施形態の電極板４０のように、空隙部ｓ３を同形状の電極構成板４０ａで構成した場合、一種類の電極構成板で電極板を構成できるので、効率的である。

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、実施形態１の電極板３に設けた空隙部ｓ１は固定側電極構成板３ａに設けた傾斜面の面取り面３２ａにより構成したが、例えば、この面取り面３２ａを円弧面として空隙部ｓ１を構成してもよい。

１ プラズマ処理装置
２ 真空チャンバー
３，２０，４０ 電極板
３ａ，２０ａ 固定側電極構成板
３ｂ，２０ｂ 放電側電極構成板
４ 架台
５ 絶縁体
６ 静電チャック
７ 支持リング
８ ウエハ
９ エッチングガス供給管
１０ 拡散部材
１１ ガス通過孔
１２ 排出口
１３ 高周波電源
１４ 冷却板
１５ 貫通孔
１６ プラズマ発生領域
１７ シールドリング
２２ａ，３２ａ，４２ａ 面取り面
２３ａ 切り欠き部
３１ａ，３１ｂ 積層面
４０ａ 電極構成板

Claims (3)

1. 複数の電極構成板が積層されるとともに、該電極構成板の厚さ方向に貫通するガス通過孔が複数設けられてなるプラズマ処理装置用電極板であって、隣り合う電極構成板の対向面間の外周部には、これら両電極構成板の少なくとも一方の板厚の一部を周方向に沿って切欠してなる空隙部が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. 前記空隙部は、前記電極構成板の全周に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置用電極板。
3. 前記空隙部は、前記電極構成板の角部を切欠する傾斜面又は円弧面からなる面取り面により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置用電極板。
   

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