JP6287462B2 - プラズマ処理装置用電極板及びその製造方法 - 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み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及びその製造方法に関する。

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一対の電極を、例えば上下方向に対向配置し、その下側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通気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、冷却板を通じて放熱されるように構成されている。
また、この種のシリコン製の電極板としては、特許文献１に記載されているように、単結晶シリコン、多結晶シリコン、柱状晶シリコンからなる電極板が知られているが、現在では、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引き上げられた単結晶シリコンからなるインゴットをダイヤモンドバンドソーなどで略円板状に薄く切断することにより作製された単結晶シリコン電極板が多く使用されている。

特許第４５１７３６３号公報

ところが、近年ではプラズマ処理されるシリコンウエハの大径化が進んでおり、それに伴って電極板も一層大きなものにしなければならなくなっている。ところが、単結晶シリコンによる大口径のシリコンインゴットから電極板を作製することは容易ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、単結晶シリコンからなる大口径のプラズマ処理装置用電極板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、直径５００ｍｍ以上の口径を有するプラズマ処理装置用電極板を製造する方法であって、単結晶シリコンのシリコンインゴットを１１００℃以上１２５０℃以下の温度範囲まで１℃／分以下の昇温レートで加熱して該温度範囲で１０分以上保持した後に、１℃／分以下の降温レートで２５０℃まで冷却を行うことにより熱処理を施す熱処理工程と、その熱処理がされた前記シリコンインゴットを切断して円板状の素地板を形成するスライス工程とを有することを特徴とする。

単結晶シリコンインゴットの大径化に伴い、シリコンインゴットの内部に存在する内部ひずみも大きくなっており、従来と同様にシリコンインゴットを切断して素地板を形成すると、素地板に縁欠けや割れが発生することがあった。また、切断後の素地板には反りが発生するため、電極板として使用するためには、素地板の表面を研磨して反り部分を除去して平らに加工する必要があった。このため、シリコンインゴットから円板状の素地板を切り出す際には、切断後の素地板の反り量を考慮して、作製する予定の電極板の厚みよりも厚く切断する必要があり、製造コストの増加につながっていた。
この点、本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法においては、シリコンインゴットを切断する前に、すなわちスライス工程の前に上記条件で熱処理を行うことにより、シリコンインゴットの内部ひずみを除去することとしているので、後のスライス工程において、素地板に割れや欠けが生じることを防止でき、単結晶シリコンからなる大口径の電極板を製造することが可能となる。また、素地板に反りが生じることも防止できることから、電極板の材料使用率を向上させることもできる。
また、このようにして製造される電極板においては、比抵抗値の面内ばらつきを低減させることができ、被処理基板へのプラズマ処理を均一に行うことが可能となる。
なお、熱処理工程において、シリコンインゴットを加熱、保持する温度が１１００℃未満の場合や、保持の時間が１０分未満の場合、また降温のレートが１℃／分を超える場合は、十分に内部ひずみを除去することができず、後のスライス工程において素地板に生じる割れや欠けを防止することができない。また、加熱、保持の温度が１２５０℃を超えると、シリコンインゴットの自重により歪みがかえって蓄積され、最悪の場合は強度的にシリコンインゴットの形状が保てなくおそれがある。

本発明のプラズマ処理装置用電極板は、単結晶シリコンにより直径５００ｍｍ以上の円板状に形成され、比抵抗値の面内ばらつきが１０Ω・ｃｍ以下とされる。
比抵抗値の面内ばらつきは、電極板の面方向の中心位置、外周位置及中心位置と外周位置との中間位置を含む複数箇所で測定して、それらの比抵抗値の最大値と最小値の差から求められるものである。
また、本発明のプラズマ処理装置用電極板の好ましい実施形態として、前記比抵抗値が７６．９５Ω・ｃｍ以上８９．８４Ω・ｃｍ以下であるとよい。

本発明によれば、単結晶シリコンからなる大口径のプラズマ処理装置用電極板を形成することができるとともに、その電極板の比抵抗値の面内ばらつきを低減することができる。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置用電極板の製造方法を説明するフロー図である。 本実施形態のプラズマ処理装置用電極板が用いられるプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。 比抵抗値の測定位置を説明する電極板の平面図である。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置用電極板及びその製造方法の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
まず、このプラズマ処理装置用電極板（以下、電極板と称す。）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１００について説明する。
プラズマエッチング装置１００は、図２に示すように、真空チャンバー２内の上側に電極板（上側電極）３が設けられるとともに、下側に上下動可能な架台（下側電極）４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられる。この場合、上側の電極板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、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が載置されるようになっている。

また、真空チャンバー２の上側には、エッチングガス供給管２１が設けられ、このエッチングガス供給管２１から送られてきたエッチングガスは、拡散部材９を経由した後、電極板３に設けられた通気孔３１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２２から外部に排出される構成とされる。一方、電極板３と架台４との間には、高周波電源１０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１１が固定されている。この冷却板１１にも、電極板３の通気孔３１に連通するように、この通気孔３１と同じピッチで貫通孔１２が形成されている。そして、電極板３は、背面が冷却板１１に接触した状態でねじ止め等によってプラズマエッチング装置１００内に固定される。

そして、本実施形態の電極板３は、単結晶シリコンにより、例えば厚み１０ｍｍ〜１５ｍｍ、直径５００ｍｍ以上の大口径の円板に形成される。また、この電極板３には、数ｍｍ〜４０ｍｍ程度のピッチで数百〜３０００個程度の通気孔３１が縦横に整列した状態で厚み方向に平行に貫通するように形成されている。なお、各通気孔３１は、ドリル加工又はレーザ加工により形成され、例えば、厚み１２ｍｍ、直径５３０ｍｍの電極板３に対して穴径が０．５ｍｍ、ピッチ２５ｍｍで形成される。

このように構成される電極板３は、図１のフロー図に示すように、単結晶シリコンのシリコンインゴットに熱処理を施す熱処理工程（Ｓ１）と、その熱処理後のシリコンインゴットを切断して円板状の素地板を形成するスライス工程（Ｓ２）と、素地板に複数の通気孔を加工する通気孔形成工程（Ｓ３）を経て製造される。なお、単結晶シリコンからなる直径５００ｍｍ以上のシリコンインゴットは、チョクラルスキー法により形成される。

上記電極板３の製造工程について詳述すると、まず直径５００ｍｍ以上の単結晶シリコンからなるシリコンインゴットに対して、１１００℃以上１２５０℃以下の温度範囲まで１℃／分以下の昇温レートで加熱して、その温度範囲で１０分以上保持した後に、１℃／分以下の降温レートで２５０℃まで冷却を行うことにより熱処理を施す（熱処理工程：Ｓ１）。そして、その熱処理後のシリコンインゴットを、ダイヤモンドバンドソー等で略円板状に薄く切断して素地板を形成する（スライス工程：Ｓ２）。

最後に、各素地板に対し、素地板の一方の表面側から厚み方向に平行にドリルを下降させる、またはレーザ照射を行うことにより、通気孔３１を１つずつ加工して電極板３を仕上げる（通気孔形成工程：Ｓ３）。なお、ドリル加工により通気孔３１の内面に多数発生するいわゆるマイクロクラックを除去するために、電極板をエッチング液に一定時間浸漬してエッチング処理を施すこととしてもよい。

このように、本実施形態の電極板の製造方法においては、単結晶シリコンのシリコンインゴットに対して、１１００℃以上１２５０℃以下の温度範囲まで１℃／分以下の昇温レートで加熱して、その温度範囲で１０分以上保持した後に、１℃／分以下の降温レートで２５０℃まで冷却を行う熱処理工程（Ｓ１）を施すことにより、シリコンインゴットの内部ひずみを除去することとしている。これにより、シリコンインゴットの切断時において、シリコンインゴットの切終わり部分で割れや欠けが生じ易かったが、切り始めから切終わりの最後まで円滑に切断することが可能となる。

したがって、後のスライス工程（Ｓ２）において、素地板に割れや欠けが生じることを防止でき、単結晶シリコンからなる大口径の電極板を製造することが可能となる。また、素地板に反りが生じることも防止できることから、電極板の材料使用率を向上させることもできる。
さらに、このようにして製造される電極板においては、比抵抗値の面内ばらつきを低減させることができるので、被処理基板へのプラズマ処理を均一に行うことが可能となる。
なお、熱処理工程（Ｓ１）において、シリコンインゴットを加熱、保持する温度が１１００℃未満の場合や、保持の時間が１０分未満の場合、また降温のレートが１℃／分を超える場合は、十分に内部ひずみを除去することができず、後のスライス工程（Ｓ２）において素地板に生じる割れや欠けを防止することができない。また、加熱、保持の温度が１２５０℃を超えると、シリコンインゴットの自重により歪みがかえって蓄積され、最悪の場合は強度的にシリコンインゴットの形状が保てなくおそれがある。

本発明の効果を確認するために、本発明例及び比較例の素地板の試料を作製した。
各試料は、直径５４０ｍｍの単結晶シリコンからなるシリコンインゴットを切断することにより、厚み１２ｍｍの素地板を形成した。

本発明例１〜３及び比較例１〜３の試料については、シリコンインゴットを切断する前に、熱処理を施した後に、素地板の切り出しを行った。本発明例１〜３の試料については、１１７５℃まで１℃／分の昇温レートで加熱して、１１７５℃で１０分保持した後に、１℃／分の降温レートで２５０℃まで冷却を行った。一方、比較例１〜３の試料については、１１７５℃まで２℃／分の昇温レートで加熱して、１１７５℃で１０分保持した後に、２℃／分の降温レートで２５０℃まで冷却を行った。また、比較例４〜６の試料については、１０５０℃まで１℃／分の昇温レートで加熱して、１０５０℃で１０分保持した後に、１℃／分の降温レートで２５０℃まで冷却を行った。
比較例７〜９の試料については、シリコンインゴットに対して熱処理工程を行うことなく、素地板の切り出しを行った。

そして、図３に示すように、各試料の素地板３０について、素地板表面の面方向の中心位置ａ、外周位置ｂ、中心位置ａと外周位置ｂとの中間位置ｃの三箇所の位置における比抵抗値を測定した。また、比抵抗値の面内ばらつきを、これら中心位置ａ、外周位置ｂ、中心位置ａと外周位置ｂとの中間位置ｃの各位置における３つの比抵抗値のうちの最大値と最小値の差（ＰＶ値）から求めた。また、素地板に生じた割れや欠けの有無を確認した。
表１に結果を示す。

表１からわかるように、本発明例１〜３の試料においては、シリコンインゴットの切断時に素地板に割れや欠けを生じさせることなく、製造することができた。また、本発明例１〜３の試料は、比較例１〜９の試料に比べて比抵抗値のばらつき（ＰＶ値）が低減されることが確認できた。

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。

２ 真空チャンバー
３ 電極板（上側電極）
４ 架台（下側電極）
５ 絶縁体
６ 静電チャック
７ 支持リング
８ ウエハ（被処理基板）
９ 拡散部材
１０ 高周波電源
１１ 冷却板
１２ 貫通孔
２１ エッチングガス供給管
２２ 排出口
３０ 素地板
３１ 通気孔
１００ プラズマエッチング装置（プラズマ処理装置）

Claims (3)

1. 直径５００ｍｍ以上の口径を有するプラズマ処理装置用電極板を製造する方法であって、
   単結晶シリコンのシリコンインゴットを１１００℃以上１２５０℃以下の温度範囲まで１℃／分以下の昇温レートで加熱して該温度範囲で１０分以上保持した後に、１℃／分以下の降温レートで２５０℃まで冷却を行うことにより熱処理を施す熱処理工程と、
   その熱処理がされた前記シリコンインゴットを切断して円板状の素地板を形成するスライス工程と
   を有することを特徴とするプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
2. 単結晶シリコンにより直径５００ｍｍ以上の円板状に形成され、比抵抗値の面内ばらつきが１０Ω・ｃｍ以下とされることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
3. 前記比抵抗値が７６．９５Ω・ｃｍ以上８９．８４Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置用電極板。

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