JPH11214359A

JPH11214359A - マイクロ波導入窓用部材

Info

Publication number: JPH11214359A
Application number: JP10010146A
Authority: JP
Inventors: Koichi Terao; 公一寺尾; Ichiro Uchiyama; 一郎内山
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマエッチング装置、プラズマアッシン
グ装置等において、プラズマを発生させるべき室内へマ
イクロ波を導入するための窓部材を、高速度のプラズマ
処理に適し、熱応力による破損の少ないものにする。【解決手段】このマイクロ波導入窓用部材３０は、プ
ラズマと接触すべき表層部に厚さ０．１μｍ〜３０μｍ
のアルミナ層３４を有する窒化アルミニウム系セラミッ
クス３２からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波導入窓
用部材に関し、特に、半導体装置、液晶表示装置等の製
造において、マイクロ波の照射により発生するプラズマ
を利用して処理を行なう装置、たとえばプラズマエッチ
ング装置、プラズマアッシング装置、プラズマＣＶＤ装
置等に用いられるマイクロ波導入窓用部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマエッチング装置、プラズマアッ
シング装置、プラズマＣＶＤ装置等のプラズマを用いて
処理を行なう装置は、低温で効率よく必要な処理を行な
うことができ、処理の制御も比較的簡単であり、半導体
基板等の材料にダメージを与えるおそれが少ないという
点から、高集積半導体装置、液晶表示装置等の製造にお
いて欠くことができないものとなっている。プラズマを
発生させる励起手段としては、従来は１３．５６ＭＨｚ
の高周波が用いられてきたが、装置構成および操作が複
雑であり、低温で高密度のプラズマが得られないため、
マイクロ波を利用する装置が提案されている。

【０００３】図１は、この種のプラズマ処理装置の一例
を模式的に示したものである。この装置において、たと
えば試料台２３上に載置された材料表面にプラズマ処理
を施す場合、排気孔１４から排気を行なって反応容器１
１内を所定の真空度に設定した後、ガス供給管１３から
プラズマ生成室２０内にＣＦ₄、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃｌ₂、Ｈ
Ｂｒ、Ａｒ、Ｏ₂等の反応性ガスを供給する。装置の作
動中、冷却水が冷却水流通室１８に流され、反応容器１
１の周辺は冷却される。マイクロ波は、マイクロ波発振
器１６から導波管１５を介して誘電体線路１２に導入さ
れる。これにより誘電体線路１２下方に電界が形成さ
れ、形成された電界がマイクロ波導入窓２２を通過して
プラズマ生成室２０内に導入される。ガス供給管１３か
ら供給されたガスは、プラズマ生成室２０内に導入さ
れ、マイクロ波の照射によりプラズマ化される。プラズ
マのうち電気的に中性のラジカルが主にメッシュ状の仕
切り板１７を通過して反応室２１内に広がり、試料台２
３に載置された材料表面に到達し、プラズマ処理が施さ
れる。

【０００４】このようなプラズマ処理装置において、従
来、マイクロ波導入窓には、石英ガラスまたはアルミナ
セラミックスからなる誘電体板が用いられてきた。これ
らは、マイクロ波を透過し、誘電損失が小さく、かつ耐
熱性を有する材料である。

【０００５】しかし、石英ガラス板は、フッ化物系の反
応ガスに対する耐食性に劣る。石英ガラス板をマイクロ
波導入窓に用いた装置では、フッ化物系の反応ガスを使
用することができない。また、石英ガラス板は放射熱等
を透過しやすい。反応室内に生成したプラズマによる熱
は、誘電体線路において樹脂により形成される誘電体層
に放射され、その熱変形を生じさせやすい。そのような
変形が生じた場合、装置の能力の低下に繋がる。

【０００６】一方、アルミナセラミックスは、フッ化物
系の反応ガスに対して耐食性を有する。しかし、アルミ
ナセラミックスは、比較的熱伝導率が低く、熱膨張係数
が大きい材料である。このため、アルミナセラミックス
板をマイクロ波導入窓に用いた場合、マイクロ波を透過
する際の誘電損失に起因して発生する熱、プラズマによ
る熱等のために、アルミナセラミックス板の温度は上昇
しやすく、そこに熱応力が発生しやすい。比較的大きな
熱応力が繰返し発生すると、割れ等の破損に繋がるた
め、アルミナセラミックス板の窓はそれほど長い寿命を
望むことができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した材料に対し、
窒化アルミニウムがマイクロ波導入窓用の材料として候
補に上がっている。窒化アルミニウムは、アルミナより
も熱伝導率が顕著に高く、熱膨張係数の低い材料であ
る。一方、シリコン酸化膜のエッチング等においては、
高いエッチング速度を得るため、フッ素系のガスに酸素
が混合された混合ガスを用いることが多い。このような
混合ガスを用いてエッチング、アッシング等を行なう場
合、窒化アルミニウム板をマイクロ波導入用窓に用いる
と、アルミナセラミックス板を用いる場合に比べて、エ
ッチングやアッシングの速度が低下したり、プロセスが
安定するまでに時間がかかるといった問題が生じた。

【０００８】本発明の目的は、次のような性能を備える
マイクロ波導入窓用部材を提供することにある。

【０００９】（ａ）エッチング、アッシング等の処理
において高い速度の処理に適している。

【００１０】（ｂ）プロセスが安定するまでにそれほ
ど時間がかからない。（ｃ）大きな熱応力が発生しにくく、長寿命である。

【００１１】（ｄ）プラズマに対する耐食性に優れて
いる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ＡｌＮ製の
部材をマイクロ波導入窓に用い、プラズマ処理を行なっ
た後、該部材の表面分析を行なった。その結果、部材の
表面にフッ素および酸素が検出された。この結果から本
発明者は、ＡｌＮは、酸素プラズマと反応しやすいた
め、投入した酸素の一部がエッチング等の処理に寄与せ
ず、ＡｌＮの酸化に使用され、その結果、処理の効率が
低下するのではないかと考えた。

【００１３】これに対し、本発明者は、窒化アルミニウ
ム製マイクロ波導入窓用部材において、プラズマに接す
る表面を、酸素プラズマに対して安定な酸化膜としてお
けば、エッチング、アッシング等において処理ガス中の
酸素プラズマが窒化アルミニウムに消費されることを効
果的に抑制できることを見いだした。また、酸化膜の膜
厚を３０μｍ以内にしておくことにより、膜の剥離等が
発生せず、高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムの材
質をそのまま生かして、熱応力による割れを回避できる
マイクロ波導入窓用部材が得られることがわかった。

【００１４】本発明により提供されるマイクロ波導入窓
用部材は、プラズマを発生させるべき室内へマイクロ波
を導入するための窓に用いられる部材であって、プラズ
マと接触すべき表層部に厚さ０．１μｍから３０μｍの
アルミナ層を有する窒化アルミニウム系セラミックスか
らなることを特徴とするものである。

【００１５】本発明の部材を構成する窒化アルミニウム
系セラミックスにおいて、粒界相の量は、５体積％以下
であることが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明において、窒化アルミニウ
ム系セラミックスは、通常の方法により得ることができ
る。たとえば、窒化アルミニウム粉末に、必要に応じて
Ｙ₂Ｏ₃等の希土類元素の酸化物、ＣａＯ等のアルカリ
土類金属の酸化物、ＹＦ₃等希土類元素のハロゲン化物
等からなる焼結助剤を添加し、さらに、有機バインダや
有機溶媒等の媒質等を添加してスラリを調製する。この
場合、窒化アルミニウム粉末として、金属不純物の総量
が１０００ｐｐｍ以下の高純度のＡｌＮ粉末が好ましく
用いられる。焼結助剤は、添加してもよいし、添加しな
くともよい。焼結助剤を添加する場合、その添加量は、
窒化アルミニウム粉末と助剤との合計重量に対し、たと
えば０．１〜１０重量％、好ましくは１〜７重量％とす
ることができる。得られたスラリは、スプレードライヤ
等を用いて造粒し、乾燥することにより造粒粉末とする
ことが好ましい。得られた造粒粉末を金型成形、静水圧
プレス成形（ＣＩＰ成形）等により成形する。静水圧プ
レスを用いることにより、より緻密な成形体を得ること
ができる。得られた成形体を加熱して脱脂を行なった
後、焼結を行ない、マイクロ波導入窓用部材としての形
状を有する窒化アルミニウム焼結体（窒化アルミニウム
系セラミックス）が得られる。焼結助剤を用いる場合、
焼結温度は、たとえば１６５０℃〜１９００℃とするこ
とができる。一方、焼結助剤を用いない場合、それより
も高い温度たとえば１９００℃〜２１００℃の温度が用
いられる。

【００１７】本発明による部材は、このようにして得ら
れる窒化アルミニウム系セラミックスの表面にアルミナ
（酸化アルミニウム）層を形成することにより作製され
る。アルミナ層は、該部材の使用時にプラズマと接触す
ることになる部分に設けられる。上述したような窒化ア
ルミニウムの酸素プラズマとの反応を効果的に阻止する
ため、プラズマと接触することになる表層部を全面的に
アルミナ層で覆うことが望ましい。なお、板状のマイク
ロ波導入窓用部材において、プラズマと接触することに
なる表面は、通常１対の主表面のうちの一方側である
が、製造等の便宜上、そのような一方の面だけでなく、
プラズマと実質的に接触しない他方の面にもアルミナ層
が形成されていてもよい。

【００１８】このようなアルミナ層は、窒化アルミニウ
ム系セラミックスを大気等の酸化雰囲気中で熱酸化する
ことによって得ることができる。熱酸化における温度
は、たとえば８００℃〜１３００℃とすることができ
る。また、ＣＶＤ、スパッタリング等の方法によってア
ルミナ層を形成してもよい。経済性、簡便性、大型部材
への適用等の観点から、熱酸化が最も好ましい方法であ
る。

【００１９】本発明において、窒化アルミニウム系セラ
ミックスを覆うアルミナ層の厚みは、０．１μｍ〜３０
μｍの範囲である。アルミナ層の厚みが３０μｍを超え
ると、熱膨張係数の差等に起因してアルミナ層の剥離が
発生しやすくなる。一方、０．１μｍを下回る厚みで
は、プラズマ処理における酸素プラズマとＡｌＮとの反
応を効果的に抑制することが困難となり、エッチング、
アッシング等の処理の速度に対する低下を抑制する効果
が十分得られなくなる。

【００２０】また、窒化アルミニウム系セラミックスを
覆うアルミナ層全体において、その厚みは均一であるこ
とが好ましい。膜厚の均一性が良好であれば、プラズマ
からの熱を放散する効果も均一となり、熱応力の発生を
より効果的に抑制することができる。膜厚均一性の指標
として、たとえばアルミナ層全体における最大厚みと最
小厚みとの差が、０．１〜３μｍであることが好まし
く、０．１〜２μｍであることがより好ましい。そのよ
うな均一な厚みのアルミナ層は、たとえば、窒化アルミ
ニウム系セラミックスにおける粒界相の量を５体積％
（ｖｏｌ％）以下とすることによって効果的に得ること
ができる。窒化アルミニウム焼結体における焼結助剤と
して、Ｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物、ＣａＯ等のアルカリ
土類金属の酸化物等が必要に応じて用いられるが、これ
らとＡｌＮ原料中の不純物酸素とは、焼結時に反応し、
粒界相として残存する。この粒界相は、酸化物からなる
ため、熱酸化によってアルミナ層を形成する場合、この
粒界相がアルミナ層の形成を阻害する可能性がある。そ
こで、このような粒界相の量を５体積％以下、好ましく
は３．５体積％以下とすることで、熱酸化によるアルミ
ナ層の形成を窒化アルミニウム焼結体の表層部全体にわ
たってスムーズに進め、形成されるアルミナ層の膜厚を
均一にすることができる。このような粒界相の量は、た
とえば、焼結助剤の添加量を７重量％以下、好ましくは
５重量％以下、より好ましくは３重量％以下とするか、
焼結助剤を添加せずに焼結体を得ることによって、達成
できる。このように均一な厚みの膜は、より均一な熱の
放散をもたらし、エッチング、アッシング等の処理にお
いても、処理の均一性に寄与する。なお、このような粒
界相の量は、Ｘ線回折やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観
察により測定することができる。

【００２１】図２は、本発明によるマイクロ波導入窓用
部材の外形の一例を示す。図に示すように、マイクロ波
導入窓用部材３０は、プラズマ処理を行なう装置の窓に
適合すべく、所定の形状を有する板状体とすることがで
きる。図３は、本発明による部材の構造を示す概略断面
図である。マイクロ波導入窓用部材３０は、窒化アルミ
ニウム系セラミックスからなる母材３２が所定の厚みの
アルミナ層３４で覆われた構造を有する。

【００２２】

【実施例】比表面積が２．４〜３．０ｍ²／ｇであり、
金属不純物の総量が１０００ｐｐｍ以下の高純度ＡｌＮ
粉末に、３重量％の添加量でＹ₂Ｏ₃焼結助剤を加え、
さらにアルコール系有機溶媒中でポリビニルアルコール
系のバインダを添加し、スラリを調製した。得られたス
ラリをスプレードライヤによって造粒した。造粒粉を金
型で成形した後、さらにＣＩＰ成形した。得られた成形
体をＮ₂雰囲気中１８５０℃で焼成し、窒化アルミニウ
ム焼結体（サイズ３８０ｍｍ×３８０ｍｍ×２０ｍｍ）
を得た。得られた窒化アルミニウム焼結体の表面を、表
１に示すそれぞれの温度で１時間大気中において酸化処
理し、その表面にアルミナ膜を形成した。それぞれの温
度で形成した酸化膜の平均厚みを測定した。その結果は
表１に示すとおりである。アルミナ膜の厚みが３０μｍ
を超えると、熱膨張係数の差によると考えられる膜の剥
離が起こった。

【００２３】

【表１】

【００２４】上述したプロセスにおいて、Ｙ₂Ｏ₃焼結
助剤の添加量を変えたもの、およびＹ₂Ｏ₃焼結助剤を
添加しなかったものについてそれぞれ窒化アルミニウム
焼結体を作製した。焼結助剤を添加した場合、焼成温度
は１８５０℃であった。焼結助剤を添加しない場合、焼
成温度は１９５０℃であった。得られたそれぞれの窒化
アルミニウム焼結体について、大気中で１２５０℃の温
度において１時間酸化処理を施し、表面にアルミナ膜を
形成した。得られた窒化アルミニウム焼結体について粒
界相の体積百分率（ｖｏｌ％）を測定するとともに、形
成されたアルミナ膜の厚みの変動を測定した。厚みの変
動は、窒化アルミニウム焼結体の表面に形成された膜全
体において、最大膜厚と最小膜厚との差として求めた。
焼結助剤の添加量と、粒界相量および膜厚変動との関係
を、表２に示す。焼結助剤の添加量を少なくし、粒界相
の量が小さくなっていくに従って、膜厚変動が小さくな
っていくことがわかった。膜厚変動を小さくするため、
すなわち均一な膜を形成するため、窒化アルミニウム焼
結体中に存在する粒界相の量を５ｖｏｌ％以下とするこ
とが好ましく、３．５ｖｏｌ％とすることがより好まし
いことが明らかになった。そのため、焼結助剤を添加し
ないか、その添加量を７重量％、好ましくは５重量％以
下にすることが望ましかった。

【００２５】

【表２】

【００２６】表面波プラズマを利用したエッチング装置
に、上述したプロセスにおいて作製された窒化アルミニ
ウム焼結体そのもの（焼結助剤の添加量３重量％）、
０．１、１．１および１３．１μｍでそれぞれ窒化アル
ミニウム焼結体（焼結助剤の添加量３重量％）の表面に
アルミナ膜を形成したもの、ならびにアルミナセラミッ
クス板をそれぞれマイクロ波導入窓に設置し、ＳｉＯ₂
膜、レジスト膜の処理速度に対するマイクロ波導入窓材
（サイズ３８０ｍｍ×３８０ｍｍ×２０ｍｍ）の影響を
検討した。ＳｉＯ₂膜のエッチング処理およびレジスト
膜のアッシング処理の条件はそれぞれ表３に示すとおり
である。

【００２７】

【表３】

【００２８】検討の結果を表４に示す。表に示すとお
り、酸化膜を所定の厚みで表面に形成した窒化アルミニ
ウム焼結体からなるマイクロ波導入窓部材は、高い処理
速度をもたらすことができた。また、処理の際のプロセ
スが安定するまでにかかる時間は、酸化膜を形成した窒
化アルミニウム焼結体の場合、アルミナ板とほぼ同等で
あった。一方、アルミナ板は処理の繰返しにおいて割れ
が発生したのに対し、窒化アルミニウム焼結体およびそ
れに酸化膜を形成した窓剤は割れを発生させず、長寿命
のものが望めることが明らかになった。

【００２９】

【表４】

【００３０】上述した処理において、面内エッチング速
度およびアッシング速度のばらつきは、いずれの場合も
５％以下であった。一方、Ｙ₂Ｏ₃焼結助剤の添加量が
１０重量％である窒化アルミニウム焼結体に酸化膜を形
成した窓材では、焼結助剤が３重量％の窒化アルミニウ
ム焼結体に酸化膜を形成したものと比べて、処理速度は
同等に確保できた一方、面内エッチング速度およびアッ
シング速度のばらつきが１０％を超えるものがあった。
この結果より、焼結助剤の添加量を抑え、粒界相の量を
低くした方が、処理の均一性についてより好ましいこと
がわかった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマ処理におい
て、高い処理速度に適し、処理条件の安定にそれほど時
間がかからず、耐熱応力性に優れかつプラズマに対する
耐食性に優れたマイクロ波導入窓用部材を提供すること
ができる。本発明による部材は、プラズマエッチング装
置、プラズマアッシング装置、プラズマＣＶＤ装置等
の、半導体装置、液晶表示装置、その他の電子デバイス
等の製造に用いられる装置において、マイクロ波導入用
窓に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図
である。

【図２】本発明によるマイクロ波導入窓用部材の外形を
示す斜視図である。

【図３】本発明によるマイクロ波導入窓用部材の構造を
示す概略断面図である。

【符号の説明】

２２マイクロ波導入窓３０マイクロ波導入窓用部材３２窒化アルミニウム系セラミックスからなる母材３４アルミナ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマを発生させるべき室内へマイク
ロ波を導入するための窓に用いられる部材であって、前記プラズマと接触すべき表層部に厚さ０．１μｍから
３０μｍのアルミナ層を有する窒化アルミニウム系セラ
ミックスからなることを特徴とする、マイクロ波導入窓
用部材。
【請求項２】前記窒化アルミニウム系セラミックスに
おいて、粒界相の量が５体積％以下であることを特徴と
する、請求項１に記載のマイクロ波導入窓用部材。