JPH08274068A - プラズマエッチング装置用シリコン電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応力集中による割れを回避してシリコン電極
の寿命を長くし、加工ダメージ及びコンタミネーション
の除去がなされ得るプラズマエッチング装置用シリコン
電極を提供すること。 【構成】 プラズマエッチング用ガスが流通する複数の
細孔を備えた、プラズマエッチング装置用のシリコン電
極体において、シリコン電極体１を、装置に固定される
保持体１１と、複数の細孔３，３を穿設したガス孔板１
２とで構成し、ガス孔板１２を保持体１１に対しシリコ
ン製の結合体１３で固定したプラズマエッチング装置用
シリコン電極である。更に、ガス孔板を１０μｍ〜１０
０μｍの範囲でエッチングして、細孔３，３の端縁の稜
部２の角２ａが除去されているプラズマエッチング装置
用シリコン電極である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエーハのエッ
チング加工に利用される各種プラズマエッチング装置に
使用されるシリコン電極に関するものである。

【０００２】

【従来技術】半導体ウエーハをエッチングする装置とし
ては、反応室内に電極を配設し、該電極に高周波を印加
して高周波誘電を利用したプラズマエッチング装置が採
用されている。電極は通常、カーボンあるいはアルミ等
の物質で形成されている。

【０００３】しかし、カーボン等で電極が形成されてい
る場合は、カーボン電極材料自体に含まれるアルカリ金
属や重金属の不純物がプラズマ反応中にウエーハ内に注
入されてウエーハを汚染したり、ウエーハに付着したパ
ーティクル及びコンタミネーション等がマスクとなり、
このパーティクル及びコンタミネーションによってエッ
チング加工の不良が発生するという問題があった。

【０００４】この点、特開平４−７３９３６号公報は、
上記問題を解決できるものとして、電極をシリコン材で
形成したプラズマエッチング装置が開示されている。こ
の公報に記載されているプラズマエッチング装置は、図
８に示すように、反応室の上方には、高周波が印加され
る上部電極が配設されている。上部電極はシリコンで形
成されていたり、或いはシリコンで形成された電極にホ
ウ素又はリン等がドーピングされており、そしてセラミ
ックシールドによって上部基台に固定されている。ま
た、上部電極の上方の、上部基台の略中央部には、反応
ガスが導入されるガス供給口が形成されており、このガ
ス供給口から供給されたガスが、上部電極に形成された
多数の細孔（図示を省略）から反応室内に導入される。
この場合の上部電極には直径が２００ｍｍのものが使用
され、前記細孔は直径０．７ｍｍのものが約１７００個
形成されている。

【０００５】前記反応室の下方には、前記上部電極に対
向してウエーハが載置される下部電極が配設されてお
り、この下部電極はセラミックシールドによって下部基
台に固定されている。更に、下部電極には、ウエーハを
冷却するための冷却用ガスが流れる溝が形成されてお
り、この溝には冷却用ガス管が接続されている。また、
下部基台と下部電極との間には、当該下部電極を冷却す
るための、冷却水を導入する冷却水路が形成されてい
る。

【０００６】前記セラミックシールドにはクランプが弾
発的に取付けられている。このクランプは、ウエーハが
載置される下部電極の上方に位置して配設されており、
ウエーハが下部電極上に載置されると、上部基台側の下
降によりウエーハにクランプが嵌合して、ウエーハが下
部電極上に固定されるものである。

【０００７】前述した平行平板型プラズマエッチング装
置において、シリコン電極を用いたものと、カーボン電
極の場合を対比すると、次のような差異がある。

【０００８】すなわち、（１）パーティクルの発生は、
カーボン電極の場合は焼結体なのでカーボン粒子がパー
ティクルとなる（２０〜４０個）が、シリコン電極では
パーティクルの発生が小さい（ ０．３μｍ以上５個以
下）。

【０００９】（２）汚染は、カーボン電極の場合は電極
自体に含まれる重金属等の不純物がウエーハを汚染し、
シリコン電極ではウエーハと同じ高純度なシリコンを用
いるため、ウエーハを汚染しない。

【００１０】（３）エッチングガスとの反応は、カーボ
ン電極の場合はカーボンとエッチングガスが反応し、ウ
エーハ上に堆積して汚染の原因となる。また、発生した
ＣＯ₂は完全には排気されにくい。シリコン電極ではＳi
Ｆ₄ ガスが発生するが、揮発性なので排気されやすい。

【００１１】（４）電極材のエッチングによる消耗は、
カーボン電極の場合は、エッチングされやすいが、シリ
コン電極では装置がシリコンウエーハ上の酸化膜等のエ
ッチング用であるため、ウエーハと同材質のシリコン電
極はエッチングされにくい。

【００１２】（５）寿命は、カーボン電極の場合は、約
０．０１ｍｍ／Ｈｒでエッチングされ、通常 約１５０
Ｈｒで交換されるが、シリコン電極ではカーボン電極に
比べて３倍以上の寿命がある。

【００１３】（６）エッチングレートは、カーボン電極
の場合は６０００（オングストローム／ｍｉｎ）である
が、シリコン電極では５８００（オングストローム／ｍ
ｉｎ）とカーボン電極に比べてやや小さいが、条件の選
択により対応可能である。

【００１４】（７）エッチング安定性は、シリコン電極
ではエッチングレートは１７００枚処理で変化がなく、
均一性は炭素と同様（±３〜４％）であり、選択比は１
７００枚処理で変化がない。

【００１５】このように、電極をシリコン材で形成する
と、シリコン自体がもつ不純物濃度が極僅かであるた
め、カーボン製の電極等に比べて、とりわけウエーハ上
に落下するようなパーティクルを発生するようなことは
なく、電極自体がプラズマによってスパッタリングされ
にくいという効果を奏する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、シリコン電
極を使用した場合、以下の問題を生じることが判明し
た。

【００１７】すなわち、第１に、電極をシリコンで形成
する場合、通常、単結晶あるいは多結晶シリコンインゴ
ットをブレード等で切断してシリコン板材を切り出し、
ダイヤモンドツールなどで所望のサイズに切削加工し、
続いてプラズマエッチング用のガス流通孔を超音波加工
や研削加工等により複数個形成した後、該シリコン板材
の外表面をラッピング加工して鏡面とすることによりシ
リコン電極が製造される。

【００１８】そして、前述したように、シリコン電極は
セラミックシールドによって上部基台に固定されること
となるが、この固定は、シリコン電極の外側の鍔部をセ
ラミックシールドで上部基台に押圧してなされるので、
図９に示すように、シリコン電極体１の鍔部１ａの角部
１ｂや、内側の角部１ｃの部位に応力集中を生じ、脆性
材料からなるシリコン電極が、使用中に割れてしまう欠
点があった。

【００１９】殊に、電極体１の前記角部１ｂが盛り上が
っている場合は、セラミックシールドの締め付けによっ
て、当該盛り上がり部のみに局所的に力が加わり、より
一層割れやすくなるものであった。

【００２０】問題の第２は、前述したようなシリコン電
極の割れが生じない場合においても、次の理由により、
電極自体の寿命が短いという問題を有していた。

【００２１】すなわち、切断、切削、ラッピング加工時
において、シリコン材内に砥粒やダイヤモンドツール片
が混入する等のいわゆる加工ダメージ（加工歪み）層が
与えられ、これらの成分がプラズマエッチング用反応中
にパーティクルやコンタミネーションとしてウエーハに
付着するという問題がある。

【００２２】一方、プラズマエッチング用のガス流通孔
である細孔の形状は、図１０に示すように、シリコン電
極体１の端縁に稜部２があって角２ａ形状を呈している
（図１０（１）参照）ため、細孔３，３に対してプラズ
マエッチング用のガスが侵入しにくく、細孔３から流出
するガスも該細孔の開口面積に相当する面積にしかウエ
ーハ４に接触しない（図１０（２）参照）ので、ウエー
ハ４に対するガス供給が均一に行なえないという問題が
あり、また、稜部２の角２ａがプラズマの異常放電の因
子となり、ウエーハのプラズマエッチング時にウエーハ
のエッチングむらを生じるという問題もある。

【００２３】特に、ガス流通孔である細孔に対して、プ
ラズマエッチング用のガスが均一に流れないことによる
電極自体の局所的な消耗や、前記のプラズマの異常放電
発生等により、電極自体の寿命が短いという問題を有し
ていた。

【００２４】本発明は、前記第１の問題点を解消するこ
とを目的とし、併せて、前記第２の問題点を解消するプ
ラズマエッチング装置用シリコン電極を提案するもので
ある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項の発明
は、プラズマエッチング用ガスが流通する複数の細孔を
備えた、プラズマエッチング装置用のシリコン電極体に
おいて、前記シリコン電極体を、装置に固定される保持
体と、前記複数の細孔を穿設したガス孔板とで構成し、
前記ガス孔板を前記保持体に対しシリコン製の結合体で
固定したプラズマエッチング装置用シリコン電極であ
る。

【００２６】本願第２請求項の発明は、プラズマエッチ
ング用ガスが流通する複数の細孔を備えた、プラズマエ
ッチング装置用のシリコン電極体において、前記シリコ
ン電極体を、装置に固定される保持体と、前記複数の細
孔を穿設したガス孔板とで構成し、前記ガス孔板を前記
保持体に対しシリコン製の結合体で固定し、更に、前記
ガス孔板を１０μｍ〜１００μｍの範囲でエッチングし
て、前記細孔の端縁の稜部の角が除去されているプラズ
マエッチング装置用シリコン電極である。

【００２７】

【作用】本願第１請求項の発明によれば、シリコン電極
体が、装置に固定される保持体と、前記複数の細孔を穿
設したガス孔板とで分割構成されているので、従来割れ
を生じていた応力集中部位がなくなって、応力集中によ
る割れを回避することができる。

【００２８】シリコン上部電極において、プラズマエッ
チングにより消耗するのは細孔の部分であるが、本発明
は分割構成されているので、必要に応じてガス孔板のみ
交換すればよい。従って、全部交換する従来の場合より
もコストダウンとなる。

【００２９】また、シリコン上部電極の製造において
も、分割型のガス孔板に対する孔穿け加工は従来の一体
型に比べて容易化される。

【００３０】更に、本願第２請求項の発明において、シ
リコン電極の製造過程で生じる加工ダメージは、該シリ
コン電極をエッチングすることにより除去でき、コンタ
ミネーションも同時に除去できる。前述したプラズマエ
ッチング用ガスが流通する複数の細孔内は、従来は加工
ダメージ及びコンタミネーションの除去がなされ得なか
ったが、本発明によれば、細孔内もエッチングがなされ
ることとなり、従って、細孔内の加工ダメージ及びコン
タミネーションの除去が可能である。

【００３１】１０μｍを下るエッチング量では加工ダメ
ージの除去が不完全であり、パーティクル汚染を生じや
すい。加工ダメージの除去の観点からは１０μｍ以上の
エッチングを行えばよいが、前記ガス流通孔の細孔の径
を一定サイズに保持すること及び、前記ガス流通孔の細
孔の端縁の稜部の角を除去することを考慮すると、１０
０μｍ以下のエッチングが要求される。とりわけパーテ
ィクル数の減少の観点からは３０μｍ以上のエッチング
が好ましく、また、エッチングのダレ防止の観点からは
７０μｍ以下のエッチング量が好ましい。

【００３２】また、シリコン電極に上記エッチングを施
すことによって、前記ガス流通孔の端縁の稜部の角がエ
ッチングされ、アール部をもった流出入口の形状となる
ので、前記細孔に対してガスが流入しやすくなるととも
に、流出されるガスもウエーハに対して広がりをもって
接触するので、ウエーハ全域に対して均一にガス供給を
行なうことができ、稜部の角に起因するプラズマの異常
放電を生じることもなく、その結果、シリコン電極の寿
命が長くなる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００３４】本実施例では、図１に示すように、シリコ
ンインゴットの切断切削加工によりシリコン円板（２０
０ｍｍφ、厚み１０ｍｍ）を切り出し、超音波加工によ
りシリコン円板にガス流通孔（０．８ｍｍφ）を１８０
０個形成し、続いて外表面をラッピングにより鏡面加工
を施してシリコン電極を作成した。このシリコン電極の
表面を弗酸、硝酸、氷酢酸の混合液を用いてエッチング
した。エッチング液の各液の混合比率はシリコン電極を
エッチングする量に応じて適宜選定する。尚、エッチン
グについては後に詳述する。

【００３５】本実施例のシリコン電極は、図２に示すよ
うに、シリコン電極体１を、装置に固定される保持体１
１と、前記複数の細孔３，３（図６参照）を穿設したガ
ス孔板１２とで構成し、前記ガス孔板１２を保持体１１
に対しシリコン製の結合体１３で固定したものである。
保持体１１は、本実施例では環状体を呈しており、この
保持体１１に、円板状のガス孔板１２を例えば８箇所、
シリコンボルトで着脱可能に止着したものである。

【００３６】本実施例のように、シリコン電極体１を、
保持体１１と、ガス孔板１２とで構成し、ガス孔板１２
を保持体１１に対しシリコンボルトで着脱可能に止着し
た場合は、分割構成されているので、従来割れを生じて
いた応力集中部位がなくなって、応力集中による割れを
回避することができる。

【００３７】プラズマエッチングにより細孔の部分が消
耗しても、必要に応じて、シリコンボルトを取外してガ
ス孔板のみ交換すればよいので、全部交換する従来の場
合よりもコストダウンとなる。

【００３８】また、シリコン電極を製造するときも、分
割型のガス孔板に対する孔穿け加工は従来の一体型に比
べて容易化されるものである。

【００３９】図３は、本発明の他の実施例のシリコン電
極を示すもので、本実施例の場合も前例同様、シリコン
電極体１を、装置に固定される保持体１１と、前記複数
の細孔を穿設したガス孔板１２とで構成し、前記ガス孔
板１２を保持体１１に対しシリコン製の結合体１３で固
定したものである。保持体１１は、本実施例では環状体
であって双方の断面がＬ字形を呈しており、この保持体
１１に、前例同様、円板状のガス孔板１２を例えば８箇
所、シリコンボルトで着脱可能に止着したものである。

【００４０】本実施例の場合も、前例同様に、応力集中
による割れを回避でき、また、必要に応じて、シリコン
ボルトを取外してガス孔板のみ交換すればよいので、全
部交換する従来の場合よりもコストダウンとなり、更
に、シリコン電極を製造するときも、分割型のガス孔板
に対する孔穿け加工は従来の一体型に比べて容易化され
るものである。

【００４１】図４は、エッチング量とシリコン電極をプ
ラズマエッチング装置に用いた場合の、６インチウエー
ハ上のパーティクル数を示すもので、電極素材であるシ
リコンを成形加工したときに生じる加工変質層が、シリ
コン電極使用中にその表面から離脱してパーティクル発
生の原因となる。図４から、エッチング量が１０μｍか
らパーティクル数が大幅に減少し、２０μｍのエッチン
グを超えて極端に減少し、３０μｍを超えると減少パー
ティクル数が安定することが解る。

【００４２】図５は、エッチング量と８インチウエーハ
用のシリコン電極表面の重金属汚染の関係を示す図であ
る。シリコン電極は、研削加工時に素材であるシリコン
と工具との接触により、電極の表面近傍が汚染される。
そこで、エッチング量とシリコン電極の汚染をＩＣＰ質
量分析法により測定した。図５から、１０μｍ以上のエ
ッチングが必要であることが解る。

【００４３】ところで、シリコン電極のガス孔の加工
は、通常、超音波加工又はダイヤモンド工具による機械
加工で行う。成形加工後は、図６（１）に示すように、
シリコン電極体１の開口端の稜部２の面取りがなく、稜
部２が角２ａ形状を呈している。

【００４４】面取り加工は、機械加工で成形することは
勿論可能であるが、シリコン電極には数１００〜数１０
００のガス孔が必要であるため、加工コストが高くな
る。また、シリコンは非常にチッピングが入り易い素材
であり、多数のガス孔の１つにでもチッピングがはいる
と、製品として使うことができない。また、ガス孔内に
は機械加工ダメージが残存したままであり、プラズマエ
ッチング時、パーティクルの発生を生じる。

【００４５】エッチング処理を施すと、機械加工ほど正
確ではないが、エッチングのだれによりガス孔の端部に
面取り加工と同じような成形がなされる。

【００４６】そこで、次に、ガス孔の面取りの効果を調
べる実験を行った。試験材は、図４に示すように、 Ａ：エッチングなしシリコン電極：（図６（１）） Ｂ：成形加工時ガス孔両端に０．０８Ｒの面取りを実
施：（図６（２）） Ｃ：成形加工後エッチング４０μｍ（孔径はエッチング
後０．８φとなるように加工）：（図６（３）） を用いた。前記Ｂ及びＣの試験材は、稜部２の角がエッ
チングされ、アール部２ｂを備えている。

【００４７】図７は、前記Ａ〜Ｃのシリコン電極をプラ
ズマエッチング装置に組込んで寿命を比較したもので、
シリコン電極をプラズマエッチング装置に装備した場合
に、基本的には、面取りのある方が、電極自身の寿命が
長いことが解る。

【００４８】更に、面取りのあるものでも、エッチング
を施したものの方が、電極自身の寿命が長いことが解
る。尚、シリコン電極は、６インチウエーハ処理用で、
２００ｍｍφ、厚み１０ｍｍ、ガス孔は、孔径０．８φ
ｍｍで、孔数１８００個である。

【００４９】また、発明者の実験によれば、ガス孔端部
（稜部）の面取りは、ガス孔直径の１０％前後の寸法の
アール面取り加工が望しく、他方、エッチング加工で
は、０．５φ〜１．０φｍｍのガス孔に対して、３０〜
７０μｍのエッチング処理で前記と同様の寿命効果が得
られている。尚、実施例ではシリコン電極のみをエッチ
ングした場合について述べたが、保持体、シリコンボル
トをエッチング処理すれば、パーティクル低下に一層効
果があることはいうまでもない。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本願第１請求項の
発明は、シリコン電極体を、装置に固定される保持体
と、前記複数の細孔を穿設したガス孔板とで構成し、前
記ガス孔板を前記保持体に対しシリコン製の結合体で固
定したので、従来割れを生じていた応力集中部位がなく
なって、応力集中による割れを回避することができる。

【００５１】更に、シリコン上部電極において、プラズ
マエッチングにより消耗するのは細孔の部分であるが、
本発明は分割構成されているので、必要に応じてガス孔
板のみ交換すればよい。従って、全部交換する従来の場
合よりもコストダウンとなる。

【００５２】また、シリコン上部電極の製造において
も、分割型のガス孔板に対する孔穿け加工は従来の一体
型に比べて容易化されるものである。

【００５３】本願第２請求項の発明は、更に、前記シリ
コン電極体を１０μｍ〜１００μｍの範囲でエッチング
して、前記細孔の端縁の稜部の角が除去されているプラ
ズマエッチング装置用シリコン電極であり、シリコン電
極に前記エッチングを施すことによって、前記ガス流通
孔の端縁の稜部の角がエッチングされ、アール部をもっ
た流出入口の形状となるので、前記細孔に対してガスが
流入しやすくなるとともに、流出されるガスもウエーハ
に対して広がりをもって接触するので、ウエーハ全域に
対して均一にガス供給を行なうことができ、稜部の角に
起因するプラズマの異常放電を生じることも回避でき
る。

【００５４】更に、従来においては、プラズマエッチン
グ用ガスが流通する複数の細孔内は加工ダメージ及びコ
ンタミネーションの除去がなされ得なかったが、本発明
によれば、細孔内もエッチングがなされることとなり、
従って、細孔内の加工ダメージ及びコンタミネーション
の除去が可能となるものである。

【００５５】このように、本発明によれば、第１に、シ
リコン電極の応力集中による割れを回避することがで
き、第２に、プラズマの異常放電発生を回避できて、シ
リコン電極の寿命を長くすることができるとともに、加
工ダメージ及びコンタミネーションの除去も可能となる
等の優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリコン電極の製造工程図であ
る。

【図１】本発明に係るシリコン電極の縦断面図である。

【図１】本発明の他の実施例に係るシリコン電極の縦断
面図である。

【図４】エッチング量とシリコン電極をプラズマエッチ
ング装置に用いた場合の、６インチウエーハ上のパーテ
ィクル数を示す図である。

【図５】エッチング量と８インチウエーハ用のシリコン
電極表面の重金属汚染の関係を示す図である。

【図６】シリコン電極の各試験材を示す図である。

【図７】試験材をプラズマエッチング装置に組込んで寿
命を比較した図である。

【図８】プラズマエッチング装置を示す構成図である。

【図９】従来の一体型のシリコン電極を示す縦断面図で
ある。

【図１０】シリコン電極体の細孔の形状を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコン電極体 １ａ 鍔部 １ｂ 角部 １ｃ 角部 ２ 稜部 ２ａ 角 ２ｂ アール部 ３ 細孔 ４ ウエーハ １１ 保持体 １２ ガス孔板 １３ 結合体

【手続補正書】

【提出日】平成７年７月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシリコン電極の製造工程図であ
る。

【図２】本発明に係るシリコン電極の縦断面図である。

【図３】本発明の他の実施例に係るシリコン電極の縦断
面図である。

【図４】エッチング量とシリコン電極をプラズマエッチ
ング装置に用いた場合の、６インチウエーハ上のパーテ
ィクル数を示す図である。

【図５】エッチング量と８インチウエーハ用のシリコン
電極表面の重金属汚染の関係を示す図である。

【図６】シリコン電極の各試験材を示す図である。

【図７】試験材をプラズマエッチング装置に組込んで寿
命を比較した図である。

【図８】プラズマエッチング装置を示す構成図である。

【図９】従来の一体型のシリコン電極を示す縦断面図で
ある。

【図１０】シリコン電極体の細孔の形状を示す図であ
る。

【符号の説明】 １ シリコン電極体 １ａ 鍔部 １ｂ 角部 １ｃ 角部 ２ 稜部 ２ａ 角 ２ｂ アール部 ３ 細孔 ４ ウエーハ １１ 保持体 １２ ガス孔板 １３ 結合体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマエッチング用ガスが流通する複数
   の細孔を備えた、プラズマエッチング装置用のシリコン
   電極体において、 前記シリコン電極体を、装置に固定される保持体と、前
   記複数の細孔を穿設したガス孔板とで構成し、前記ガス
   孔板を前記保持体に対しシリコン製の結合体で固定した
   ことを特徴とするプラズマエッチング装置用シリコン電
   極。
2. 【請求項２】プラズマエッチング用ガスが流通する複数
   の細孔を備えた、プラズマエッチング装置用のシリコン
   電極体において、 前記シリコン電極体を、装置に固定される保持体と、前
   記複数の細孔を穿設したガス孔板とで構成し、前記ガス
   孔板を前記保持体に対しシリコン製の結合体で固定し、 更に、前記ガス孔板を１０μｍ〜１００μｍの範囲でエ
   ッチングして、前記細孔の端縁の稜部の角が除去されて
   いることを特徴とするプラズマエッチング装置用シリコ
   ン電極。