JPH11162698A - プラズマ発生用部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐食性、耐熱性に優れるとともに、一様なプラ
ズマを発生させることが可能なプラズマ発生用部材１を
製作する。 【解決手段】円盤状をしたセラミック基体２の内部に、
厚み幅ｔが２０〜５０μｍである円板状のプラズマ発生
用電極３を複数層積層してプラズマ発生用部材１を構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ発生機構
を有する成膜装置やエッチング装置などに用いられるプ
ラズマ発生用部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において、
半導体ウエハに薄膜を形成するためのＰＶＤ装置やＣＶ
Ｄ装置などの成膜装置や上記ウエハに微細加工を施すた
めのドライエッチング装置にはプラズマ発生機構を備え
たものがあり、各装置のチャンバー内にはプラズマ発生
用電極が配置されている。

【０００３】このプラズマ発生用電極としてはアルミニ
ウムなどの金属板が用いられていたが、ハロゲン系の腐
食性ガスが用いられるようになり、また、成膜装置にお
いては高温に曝されることから、図５に示すように、プ
ラズマ発生用電極１３を耐食性、耐熱性に優れるアルミ
ナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミック基体
１２に埋設したプラズマ発生用部材１１が提案されてい
る。

【０００４】また、このプラズマ発生用部材１１を構成
するセラミック基体１２の内部にプラズマ発生用電極１
３とともに静電吸着用電極やヒータ電極を埋設すること
により、半導体ウエハＷの静電吸着機能や加熱機能を持
たせたものも提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、ウエ
ハサイズの大型化とともに、ＥＣＲやヘリコン波などに
よる高密度プラズマ発生源が使用されるようになり、２
ｋＷを越えるような高出力のプラズマを発生させるよう
になっている。また、ウエハＷへの成膜や加工の均一性
も益々重要視され、高出力のプラズマをいかに均一に発
生させるかという点が検討されている。

【０００６】しかしながら、上記プラズマ発生用部材１
１は、セラミックグリーンシートの間にプラズマ発生用
電極１３を挟み込み、積層一体化したあと焼成して製作
されていたため、セラミック基体２中に埋設することが
できるプラズマ発生用電極１３の厚み幅はせいぜい１０
〜５０μｍ程度であった。その為、このようなプラズマ
発生用部材１１に１ＭＨｚ、２ｋＷを越えるような高周
波を印加すると、プラズマ発生用電極１３の厚み幅が薄
いために高周波が流れ難く、一気に対設されたプラズマ
発生用電極１０へ向かって発散することから、プラズマ
発生用電極１３の全面にわたって一様なプラズマを発生
させることができなかった。その結果、ウエハＷの全面
わたって均一な成膜や加工を施すことができず、歩留り
が悪かった。

【０００７】しかも、プラズマ発生用電極１３と給電端
子１５との接合部に集中的な熱応力が発生する結果、セ
ラミック基体１２が破損するとともに、上記プラズマ発
生用電極１３や給電端子１５が磁性を有していると異常
発熱し、電極１３や端子１５として使用できなくなると
いった課題もあった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、円盤状をしたセラミック基体の内部に円板状
のプラズマ発生用電極を複数層積層してプラズマ発生用
部材を構成したものである。

【０００９】また、本発明は上記各プラズマ発生用電極
の厚み幅を２０〜５０μｍとするとともに、比透磁率が
１０以下である金属材料により形成し、上記セラミック
基体を耐食性、耐熱性に優れるアルミナや窒化アルミニ
ウムにより形成したものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１１】図１（ａ）は、本発明のプラズマ発生用部
材の一実施形態を示す一部を破断した斜視図で、（ｂ）
は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【００１２】このプラズマ発生用部材１は、円盤状をし
たセラミック基体２の内部に、円板状のプラズマ発生用
電極３を４層にわたってそれぞれ平行に積層してあり、
いずれもその径はセラミック基体２よりも若干小さく、
ほぼ同径としてある。また、各プラズマ発生用電極３同
士はビアホール導体４を介して電気的に結合してあり、
最下層のプラズマ発生用電極３には給電端子５が接続さ
れている。

【００１３】このようなセラミック基体２を構成するセ
ラミックスとしては、チャンバー内に供給されるフッ素
や塩素などの腐食性ガスに対して耐食性を有するととも
に、高温に曝されても充分な耐熱性を有するものが良
く、さらにはプラズマを発生させた時にセラミック基体
２が発熱することを防ぐために比透磁率が１０以下であ
るセラミックスを用いることが良い。具体的には、アル
ミナ、窒化アルニウム、炭化珪素、ムライト、炭化硼素
などを用いることができる。

【００１４】また、プラズマ発生用電極３及び給電端子
５を構成する材質としては、高周波の流れを阻害するこ
となく、かつ磁性発熱を防ぐために、導電性を有すると
ともに、比透磁率が１０以下であるものが良く、例え
ば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、真鍮などを
用いることができる。

【００１５】そして、上記セラミック基体２の内部に埋
設するプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔは５０μｍ以下
とすることが重要である。

【００１６】これは、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔ
を厚くすればそれだけ高周波を通し易くなるのである
が、５０μｍを越えると、セラミック基体２の内部にプ
ラズマ発生用電極３を埋設することができないからであ
る。

【００１７】即ち、５０μｍを越えるようなプラズマ発
生用電極３をセラミックグリーンシート間に挟み込んで
積層すると、グリーンシート全面に対して十分な加圧が
できなくなるために密着性が低下し、焼成時に破損に至
からであり、逆に２０μｍより薄くなると高周波を通し
難くなるからである。

【００１８】その為、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔ
は２０〜５０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍとするこ
とが良い。

【００１９】なお、図１ではセラミック基体２の内部に
４層のプラズマ発生用電極３を積層した例を示したが、
合計厚み幅が６０μｍ以上となるように、２０〜５０μ
ｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を２層以上
積層すれば良い。

【００２０】これは、高周波を印加した時にプラズマ発
生用電極３が発熱することなく、スムーズに高周波を通
過させるためには、プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔが
少なくとも６０μｍ以上必要であるからであり、２０〜
５０μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発生用電極３を１
層だけ埋設したものでは、図５のように給電端子５に印
加された高周波がプラズマ発生用電極３内に広がらず、
一気に対設されたプラズマ発生用電極１０へ発散するこ
とから、一様なプラズマ分布が得られず、さらにはプラ
ズマ発生用電極３と給電端子５との接合部に熱応力が集
中する結果、セラミック基体２が破損するからである。
これに対し、例えば１５μｍの厚み幅ｔを有するプラズ
マ発生用電極３を４層積層すれば、その合計厚み幅が６
０μｍとなり、６０μｍの厚み幅ｔを有するプラズマ発
生用電極３を１層設けた場合と同様の効果が得られるた
め、プラズマ発生用電極３の異常発熱を抑え、セラミッ
ク基体２の破損を防ぐとともに、図４に示すように対設
されたプラズマ発生用電極１０との間で一様なプラズマ
を発生させることができる。

【００２１】なお、上記プラズマ発生用電極３として
は、円板状をした金属膜以外に、円板状をした金属箔を
埋設したものでも良く、さらには円板状をした編み目構
造のメッシュ体であっても構わない。

【００２２】また、プラズマ発生用電極３や給電端子５
における異常発熱を抑えるためには、プラズマ発生用電
極３と給電端子５からなる高周波印加経路において、１
ＭＨｚの高周波を印加した時の高周波抵抗値（インピー
ダンス）が１０Ω以下、望ましくは１Ω以下とすること
が良い。

【００２３】これは、プラズマを発生させるために１Ｍ
Ｈｚの高周波が給電端子５に印加されているからであ
り、給電端子５の径やプラズマ発生用電極３の厚み幅ｔ
をいくら厚くしても、その高周波印加経路の抵抗値が１
０Ωより高すぎては異常発熱を抑えることができないか
らである。

【００２４】なお、この高周波抵抗値（インピーダン
ス）とはプラズマ発生用電極３や給電端子５を構成する
金属材料の体積固有抵抗値やその形状等によって決定さ
れるが、ＬＣＲメータを用いることで容易に測定するこ
とができる。具体的には、セラミック基体２の上面に、
プラズマ発生用電極３とほぼ同径のアルミニウム円板を
載置し、このアルミニウム円板とプラズマ発生用部材１
の給電端子５間に１ＭＨｚに設定したＬＣＲメータを接
続すれば良い。ただし、本発明において高周波抵抗値
は、リアクタンス成分を除いた値のことである。

【００２５】このようなプラズマ発生用部材１を製作す
る方法としては、セラミックグリーンシートを複数枚製
作し、このうち４枚のセラミックグリーンシートの同一
位置にビアホールを形成したあと、このビアホールに金
属ペーストを充填するとともに、その上面にも金属ペー
ストを円板状に敷設する。そして、これらのセラミック
グリーンシートを積み重ねるとともに、最上面の金属ペ
ーストを覆うように別のセラミックグリーンシートを重
ねたあと、熱圧着させてセラミック積層体を形成する。
しかるのち、このセラミック積層体を所定の形状に切削
したあと、セラミックスを焼結させることができる温度
にて焼成することにより、円板状のプラズマ発生用電極
３を４層にわたって平行に積層してなるセラミック基体
２を製作する。

【００２６】そして、このセラミック基体２に必要に応
じて研削、研磨加工を施したあと、セラミック基体２の
下面に、最下層のプラズマ発生用電極３と連通する凹部
を穿孔し、メタライズ処理を施したあと、給電端子５を
ロウ付け固定することにより、図１に示すプラズマ発生
用部材１を得ることができる。

【００２７】なお、このプラズマ発生用部材１において
は、図２に示すように給電端子５に別途直流電源を設け
ることで、静電吸着機構を持たせることもできる。

【００２８】例えば、セラミック基体２の上面に半導体
ウエハＷを載置し、プラズマ発生用電極３と半導体ウエ
ハＷとの間に直流電圧を印加すれば、４層のプラズマ発
生用電極３のうち、最上層のプラズマ発生用電極３が静
電吸着用電極として機能するため、上記半導体ウエハＷ
をセラミック基体２の上面に吸着固定することができ
る。なお、セラミック基体２中のプラズマ発生用電極３
には高周波と直流電圧が重畳した状態となるが、互いの
電源間にチョークなどの遮断回路を設け、電源同士が干
渉することを防止すれば良い。

【００２９】また、他の実施形態として、図３に示すよ
うに、プラズマ発生用電極３とは別に内部電極６をセラ
ミック基体２の内部に埋設し、この内部電極６に静電吸
着用電極やヒータ電極としての機能を持たせても良い。
ただし、上記内部電極６を静電吸着用電極として使用す
る時には、静電吸着力を高めるためにできるだけセラミ
ック基体２の上面側に埋設することが良く、上記内部電
極６をヒータ電極として使用する時には、セラミック基
体２の上面における均熱性を高めるためにセラミック基
体２の下面側に埋設することが良い。

【００３０】（実施例）図１に示すプラズマ発生用部材
１を試作し、その効果を調べる実験を行った。

【００３１】まず、平均粒子径が１．２μｍ程度である
純度９９％以上のＡｌＮ粉末にバインダーと溶媒を添加
混合して泥漿を作製したあと、ドクターブレード法にて
厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシートを４０枚製作し
た。このうち４枚のグリーンシートの同一位置にそれぞ
れビアホールを形成し、このビアホールにＡｌＮ粉末を
含むタングステンペーストを充填するとともに、上記４
枚のグリーンシートの上面にもタングステンペーストを
円板状にそれぞれ敷設した。なお、各グリーンシートの
上面に形成したタングステンペーストの厚みは約３６μ
ｍとした。

【００３２】そして、これらのグリーンシートを順次積
み重ねるとともに、別のグリーンシートを最上層のペー
スト上に重ね、８０℃、５０ｋｇ／ｃｍ² の条件にて熱
圧着し、その後円盤状に切削加工を施してセラミック積
層体を得た。しかるのち、このセラミック積層体に真空
脱脂を施し、さらに２０００℃程の真空雰囲気下で焼成
することにより、窒化アルミニウムの内部に４層の円板
状のプラズマ発生用電極３を積層してなるセラミック基
体２を得た。

【００３３】なお、このセラミック基体２を構成する窒
化アルミニウムについて調べたところ、純度９９％以
上、平均結晶粒子径３μｍ、平均気孔径０．５μｍ、比
重３．２の緻密質体であり、熱伝導率は１００Ｗ／ｍｋ
を有していた。

【００３４】また、セラミック基体２中のプラズマ発生
用電極３について調べたところ、直径約１９６ｍｍ、厚
み幅ｔ約３０μｍの円板状をなし、プラズマ発生用電極
３の間隔は２ｍｍであった。

【００３５】次に、このセラミック基体２に研削加工を
施して外径２００ｍｍ、表面粗さ（Ｒａ）０．２μｍに
仕上げたあと、セラミック基体２の下面に、最下層のプ
ラズマ発生用電極３と連通する凹部を形成し、この凹部
にメタライズ処理を施したあと、モリブデン製の給電端
子５をロウ付け固定することにより、図１のプラズマ発
生用部材１を得た。

【００３６】そして、このプラズマ発生用部材１を成膜
装置のチャンバー内に設置し、対設されたプラズマ発生
用電極１０との間に１ＭＨｚ、２ｋＷの高周波を印加し
たところ、セラミック基体２の破損は見られず、また、
プラズマ発生用電極３の全面にわたってほぼ一様なプラ
ズマ分布が得られた。

【００３７】（実験例１）そこで、図１のプラズマ発生
用部材１におけるプラズマ発生用電極３の数とその厚み
幅ｔをそれぞれ変えた時の製作性とプラズマ分布の度合
いについて実施例と同様の条件にて実験を行った。

【００３８】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３９】

【表１】

【００４０】この結果、試料Ｎｏ．１，２のようにプラ
ズマ発生用電極３の厚み幅ｔが５０μｍ以下のものは製
作可能であったものの、厚み幅ｔが薄く、高周波抵抗値
が１０Ωより高いために、一様なプラズマ分布が得られ
ず、また、プラズマ発生用電極３がいずれも焼損してし
まった。

【００４１】一方、試料Ｎｏ．３，４のようにプラズマ
発生用電極３の厚み幅ｔが６０μｍ以上のものではプラ
ズマ発生用部材１の製作が困難であり、厚み幅ｔが７０
μｍの試料Ｎｏ．４にあっては製作が不可能であった。

【００４２】これに対し、試料Ｎｏ．５〜９のように厚
み幅ｔが５０μｍ以下のプラズマ発生用電極３を２層以
上積層したものにおいては、各プラズマ発生用電極３の
厚み幅ｔが薄いために２層以上積層してもプラズマ発生
用部材１の製作が可能であり、また、その合計厚み幅ｔ
がいずれも６０μｍ以上であるとともに、高周波抵抗値
が１０Ω以下であることから、プラズマ発生用電極３が
発熱することなく、一様なプラズマを発生させることが
できた。

【００４３】この結果、一様なプラズマを発生させるた
めにはセラミック基体２の内部に、厚み幅ｔが５０μｍ
以下のプラズマ発生用電極３を２層以上積層すれば良い
ことが判る。

【００４４】（実験例２）次に、プラズマ発生用電極３
や給電端子５を比透磁率の異なる材質によりそれぞれ形
成した時の電極３や端子５の破損の有無について実験を
行った。

【００４５】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００４６】なお、本実験では、プラズマ発生用電極３
の数を２層とし、各プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔを
３０μｍに設定し、実験例１と同様の高周波を印加して
測定した。また、表２中、合金１とは比透磁率が１０の
銅とニッケルの合金、合金２とは比透磁率が１２の銅と
ニッケルの合金、合金３とは鉄−コバルト−ニッケルの
合金（コバール）のことである。

【００４７】

【表２】

【００４８】この結果、試料Ｎｏ．１１，１５，１６で
は、給電端子５を構成するニッケル（Ｎｉ）、合金２、
合金３の比透磁率が１０より高いために、高周波を印加
すると給電端子５が異常発熱し、特に比透磁率の高い試
料Ｎｏ．１１，１６では給電端子５が焼損し、使用でき
なかった。

【００４９】また、試料Ｎｏ．１２では、プラズマ発生
用電極３を構成するニッケル（Ｎｉ）の比透磁率が３０
０と高すぎるために、高周波を印加するとプラズマ発生
用電極３が焼損し、使用できなかった。

【００５０】これに対し、試料Ｎｏ．１０，１３，１４
は、プラズマ発生用電極３及び給電端子５を比透磁率が
１０以下の材質により形成してあることから、高周波を
印加してもプラズマ発生用電極３や給電端子５に異常な
発熱はなく、一様なプラズマを発生させることができ
た。

【００５１】この結果、プラズマ発生用電極３及び給電
端子５は、比透磁率が１０以下の材質により形成すれば
良いことが判る。

【００５２】（実験例３）さらに、セラミック基体２を
構成する窒化アルミニウムにニッケル（Ｎｉ）を含有さ
せ、セラミック基体２の比透磁率を異ならせた時のセラ
ミック基体２の破損の有無について実験を行った。

【００５３】それぞれの結果は表３に示す通りである。

【００５４】なお、本実験では、プラズマ発生用電極３
と給電端子５の双方を比透磁率が１のモリブデン（Ｍ
ｏ）により形成し、上記プラズマ発生用電極３の数を２
層、各プラズマ発生用電極３の厚み幅ｔを３０μｍに設
定し、実験例１と同様の高周波を印加して測定した。

【００５５】

【表３】

【００５６】この結果、試料Ｎｏ．２０は、窒化アルミ
ニウムの比透磁率が１０より高いため、高周波を印加す
るとセラミック基体２を構成する窒化アルミニウムが発
熱し、この熱応力によりセラミック基体２が破損した。

【００５７】これに対し、試料Ｎｏ．１７〜１９のよう
に、比透磁率が１０以下であれば、高周波を印加しても
セラミック基体２を構成する窒化アルミニウムの発熱は
見られなかった。

【００５８】この結果、セラミック基体２を構成するセ
ラミックスとしては、比透磁率が１０以下であるものが
良いことが判る。

【００５９】なお、本実施例及び実験例では、セラミッ
ク基体２を構成するセラミックスとして窒化アルミニウ
ムを用いた例を示したが、アルミナなど比透磁率が１０
以下のセラミックスであればいずれも同様の傾向が見ら
れた。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、円盤状
をしたセラミック基体の内部に、厚み幅が２０〜５０μ
ｍである円板状のプラズマ発生用電極を複数層積層して
プラズマ発生用部材を構成したことにより、上記プラズ
マ発生用電極は緻密で耐食性、耐熱性に優れるセラミッ
クスにより包囲されていることから、高温でハロゲン系
腐食性ガスに曝されたとしても腐食や特性劣化を生じる
ことがない。また、上記プラズマ発生用電極に高周波を
印加しても異常発熱することなく、一様なプラズマを発
生させることができる。

【００６１】その為、本発明のプラズマ発生用部材を成
膜装置やエッチング装置に用いれば、長期間にわたって
使用可能であるとともに、一様なプラズマを発生させる
ことができることから、ウエハの全面に対して均一な成
膜や加工を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のプラズマ発生用部材の一実施
形態を示す一部を破断した斜視図で、（ｂ）は（ａ）の
Ｘ−Ｘ線断面図である。

【図２】本発明のプラズマ発生用部材の他実施形態を示
す断面図である。

【図３】本発明のプラズマ発生用部材の他実施形態を示
す断面図である。

【図４】本発明のプラズマ発生用部材を用いた時のプラ
ズマ分布を示す模式図である。

【図５】従来のプラズマ発生用部材を用いた時のプラズ
マ分布を示す模式図である。

【符号の説明】

１・・・プラズマ発生用部材 ２・・・セラミック基体 ３・・・プラズマ発生用電極 ４・・・ビアホール導体 ５・・・給電端子 ６・・・内部電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円盤状をしたセラミック基体の内部に円板
   状のプラズマ発生用電極を複数層積層してなるプラズマ
   発生用部材。
2. 【請求項２】上記各プラズマ発生用電極の厚み幅が２０
   〜５０μｍである請求項１に記載のプラズマ発生用部
   材。
3. 【請求項３】上記セラミック基体がアルミナ又は窒化ア
   ルミニウムからなり、上記プラズマ発生用電極が比透磁
   率１０以下の金属材料からなる請求項１及び請求項２に
   記載のプラズマ発生用部材。