JP2012199429A - プラズマ処理装置用電極板 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができ、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができるプラズマ処理装置用電極板を提供する。
【解決手段】電極板３は、厚さ方向に貫通する通気孔１１が複数設けられてなり、通気孔１１は、径が大きい第１穴部２１と、第１穴部２１より径が小さい第２穴部２２とが互いに連通して形成されており、第１穴部２１は被処理基板側の放射面３ａに開口し、電極板３の中央部に配置される通気孔１１の第２穴部２２の長さＢは、電極板３の外周部に配置される通気孔１１の第２穴部２２に比べて短く設定されている。
【選択図】 図１

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。
電極板に設けられる通気孔は、通常は、その厚さ方向に平行に形成されているが（特許文献１参照）、プラズマ処理を繰り返し行うことにより、プラズマにさらされる部分が削られて消耗するため、通気孔の径が大きく変化する。特に通気孔のプラズマ発生領域側の被処理基板に対向する開口部は、侵食される。これに伴って、プラズマの一部がエッチングガスの流れに逆らって逆流し、通気孔から電極板の背面に向けてプラズマが入り込むと、冷却板の一部がスパッタされて、被処理基板が汚染されるおそれがある。

そこで、プラズマが冷却板に到達することを阻止し、冷却板の損傷及び被処理基板の汚染を防ぐため、特許文献２には、電極板の厚さ方向に平行に形成された垂直細孔と、厚さ方向に対して傾斜して形成された傾斜細孔とからなる通気孔を形成した電極板、さらに、電極板の厚さ方向に対してそれぞれ異なる傾斜を有する傾斜細孔を接続して形成された通気孔を有する電極板が提案されている。また、特許文献３には、垂直細孔と傾斜細孔との接続部よりも垂直細孔の先端を延長した通気孔を有する電極板が提案されている。

また、同径の通気孔が一様に設けられた電極板においては、エッチングガスが電極板の中央上部から供給されるため、電極板を通したエッチングガスの流れが、電極板の外周部と比べて中央部の方が密になる。そのため、電極板の中央部に比べて外周部のプラズマ密度が低くなり、エッチング深さの面内均一性が悪くなるという問題もある。
そこで、特許文献４には、電極板の中央部よりも外周部の通気孔の穴径を大きくして、外周部からのエッチングガス供給量を増加させることにより、外周部と中央部とでエッチングガスの供給量を均一にする電極板が提案されている。

特開２００３−２８９０６４号公報 特開２００２−２４６３７１号公報 特開２００８−６０１９７号公報 特開平６−２０４１８１号公報

しかしながら、特許文献２及び特許文献３のように、電極板の厚さ方向に対して傾斜する傾斜細孔は接合部を合わせることが難しいため、電極板に複数設けられる通気孔の接合部の形状が不均一になる場合がある。通気孔の接合部が不均一に形成された場合、エッチングガスの流れが不均一となり、被処理基板の場所によって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処理ができなくなるおそれがある。
また、特許文献４では、通気孔の穴径の大きさを中央部と外周部とで変化させ、エッチングガスの流れを均一にできるが、大きく開口した外周部の通気孔からプラズマの一部が逆流して冷却板の一部がスパッタされることにより、被処理基板が汚染されるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができ、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができ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、プラズマ処理装置内において被処理基板と対向配置されるプラズマ処理装置用電極板であって、厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられてなり、前記通気孔は、径が大きい第１穴部と、第１穴部より径が小さい第２穴部とが互いに連通して形成されており、前記第１穴部は前記被処理基板側に開口し、該プラズマ処理装置用電極板の中央部に配置される前記通気孔の前記第２穴部は、該プラズマ処理装置用電極板の外周部に配置される前記通気孔の前記第２穴部に比べて、短く設定されていることを特徴とする。

通気孔を第１穴部と第２穴部とで構成したので、穴径の小さい第２穴部でプラズマの逆流を防止し、プラズマが各通気孔を通じて冷却板に到達するのを阻止することができる。また、第２穴部が長い中央部の方が、外周部よりもエッチングガスの流通抵抗が大きくなることから、エッチングガスが外周部より中央部で流れにくくなり、その結果、中央部から外周部にかけてエッチングガスの流れを均一に保つことが可能であり、プラズマ密度を均一にすることができる。したがって、被処理基板全体に均一なエッチング処理を行わせることができる。
なお、通気孔は、被処理基板側に大径の第１穴部、その反対側に小径の第２穴部を配置して段差を構成するだけでなく、電極板の両側に第１穴部を配置して、それら第１穴部の間に、小径の第２穴部を設ける構成とすることもできる。
いずれの場合も、被処理基板側に第１穴部が開口していることにより、電極板の被処理基板側の面が消耗しても、径が小さい第２穴部は消耗することなく残るので、プラズマの逆流を確実に防止することができる。

また、本発明の電極板において、前記通気孔は、厚さ方向に平行に貫通して設けられるとよい。
通気孔は、電極板の厚さ方向に平行に形成されるので、ドリル加工等によって容易に形成することができる。
さらに、本発明の電極板において、各第１穴部の穴径は全て同一に形成されており、各第２穴部の穴径も全て同一に形成されているとよい。
前述の特許文献４の場合には、通気孔の位置毎に穴径が異なるため、径の異なる多数のドリルが必要になるが、本発明の場合は、第１穴部及び第２穴部のそれぞれの穴径を変えることなく、その長さのみを変えて形成できるので、二種類のドリルで多種類の通気孔に対応することができる。

また、本発明の電極板において、中央部に配置される通気孔の第１穴部の長さをＡ、第２穴部の長さをＢとし、外周部に配置される通気孔の第１穴部の長さをＣ、第２穴部の長さをＤとしたときに、（Ｂ／Ａ）／（Ｄ／Ｃ）が１．２以上３．５以下に設定されているとよい。
このように通気孔を設定した場合、電極板の通気孔からのエッチングガスの流れを均一に保つことができるので、被処理基板の中央部と外周部とでエッチング深さの差を小さくすることができ、プラズマ処理を均一に行うことができる。

本発明によれば、プラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防ぐことができるとともに、エッチングガスの流れを均一に保ち、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行わせることができる。

本発明の第１実施形態の電極板を示しており、（ａ）が正面図、（ｂ）が要部拡大断面図である。 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。

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に設けられた通気孔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の通気孔１１に連通するように、この通気孔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に設けられた通気孔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面を参照しながら説明する。
本実施形態の電極板３は、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おり、その厚さ方向に平行に貫通する通気孔１１が複数設けられている。通気孔１１は、図１（ａ）に示すように、径の異なる複数の同心円（ピッチｐ１〜ｐ９）上に並んで多数設けられている。

また、通気孔１１は、図１（ｂ）に示すように、径が大きい第１穴部２１と、第１穴部２１より径が小さい第２穴部２２とが同一軸芯上に互いに連通して形成されている。第１穴部２１は電極板３のウエハ８側の放射面３ａに開口し、第２穴部２２はその放射面３ａの反対面３ｂに開口して設けられている。

また、これら通気孔１１は、電極板３の中央部と外周部とで、第２穴部２２の長さＢを異ならせており、電極板３の中央部に配置される通気孔１１の第２穴部２２は、電極板３の外周部に配置される通気孔１１の第２穴部１１に比べて短く設定されている。
本実施形態においては、第２穴部２２の長さを異ならせた二種類の通気孔１１ａ，１１ｂを設けており、電極板３の外周部のピッチｐ１〜ｐ４上に、第２穴部２２が短い通気孔１１ｂ、中央部のピッチｐ５〜ｐ９上に第２穴部２２が長い通気孔１１ａを設けている。そして、これら通気孔１１ａ，１１ｂは、中央部に配置される通気孔１１ａの第１穴部２１の長さをＡ、第２穴部２２の長さをＢとし、外周部に配置される通気孔１１ｂの第１穴部２１の長さをＣ、第２穴部２２の長さをＤとしたときに、外周部の長さ比率Ｄ／Ｃに対する中央部の長さ比率Ｂ／Ａである比率（Ｂ／Ａ）／（Ｄ／Ｃ）が１．２以上３．５以下になるように設定されている。

なお、本実施形態においては、通気孔１１ａ，１１ｂはドリルにより加工している。例えば、板厚ｔが１０ｍｍとされる電極板３に対して、第１穴部２１の穴径ｄ１は０．５ｍｍ、第２穴部２２の穴径ｄ２は０．３ｍｍに形成され、通気孔１１ａ，１１ｂが構成されている。

このように構成した電極板３においては、各通気孔１１に設けられた穴径の小さい第２穴部２２でプラズマの逆流を防止し、プラズマが各通気孔１１を通じて冷却板１４に到達するのを阻止することができる。また、第２穴部２２が長い電極板３の中央部の方が、外周部よりもエッチングガスの流通抵抗が大きくなることから、エッチングガスが外周部より中央部で流れにくくなり、その結果、中央部から外周部にかけてエッチングガスの流れを均一に保つことが可能であり、プラズマ密度を均一にすることができる。したがって、ウエハ８全体に均一なエッチング処理を行わせることができる。

また、通気孔１１は、電極板３の厚さ方向に平行に形成されるので、ドリル加工等によって容易に形成することができる。このように形成される通気孔は、第１穴部及び第２穴部のそれぞれの内径を変えることなく、その長さのみを変えて形成されているから、二種類のドリルで第２穴部の長さを変えた多種類の通気孔に対応することができる。

本発明の効果確認のために、外周部と中央部とで第２穴部の長さを異ならせた通気孔を有する電極板を製造し、これらのウエハのエッチング均一性を評価した。
電極板は、外径３８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの単結晶シリコンの円板を用いて作製し、その単結晶シリコンの円板に、第１穴部の穴径を０．５ｍｍ、第２穴部の穴径を０．３ｍｍとして、各通気孔を形成した。また、電極板の直径３２０ｍｍ以内の範囲を中央部とし、直径１５０ｍｍを超える範囲を外周部として、表１に示す条件に対応する通気孔を設けた。
なお、各通気孔の加工は、レーザーを用いた非接触加工又はダイヤモンドドリルを用いた機械加工のいずれでもよいが、本実施例においては、ダイヤモンドドリルによる加工を選択した。

次に、以上のようにして作製した電極板を、図２に示されるようなプラズマエッチング装置に取り付けるとともに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ_２層を形成したウエハを対向して取り付け、以下の条件でエッチング試験を実施した。
（エッチング条件）
ウエハサイズ：φ３００ｍｍ
チャンバー内圧力：２６．７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）
エッチングガス組成：９０ｓｃｃｍＣＨＦ_３＋４ｓｃｃｍＯ_２＋１５０ｓｃｃｍＨｅ
高周波電力：２ｋＷ
周波数：２０ｋＨｚ
処理時間：２００時間
なお、ｓｃｃｍとは、ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎの略であり、１ａｔｍ（大気圧１０１３Ｐａ）で、０℃あるいは２５℃などの一定温度で規格化された１分間あたりの流量（ｃｃ）をいう。

そして、このような条件でウエハ表面のＳｉＯ_２層のエッチングを行った後のウエハについて、中央部のエッチング深さＸ及び外周部のエッチング深さＹをそれぞれ測定した。ウエハのエッチング均一性は、これらのエッチング深さＸ，Ｙの測定値から（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００（％）の値を求め、評価した。評価結果を表１に示す。

表１からわかるように、第２穴部の長さＢが、電極板の中央部に比べて外周部の方が短くなるように設定することで、エッチング均一性の値を１％以下にすることができる。すなわち、ウエハの中央部と外周部とでエッチング深さの差を小さくすることができ、プラズマ処理を均一に行うことができる。また、電極板の中央部の通気孔の長さ比率Ｂ／Ａと、外周部の通気孔の長さ比率Ｄ／Ｃとの比率（Ｂ／Ａ）／（Ｄ／Ｃ）が１．２以上３．５以下になるように設定することで、エッチング均一性の値を１％未満にすることができ、よりエッチングの均一性を高めることができる。

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、上述した実施形態において、通気孔１１は、電極板３の放射面３ａ側に大径の第１穴部２１、反対面３ｂ側に小径の第２穴部２２を配置して段差を設けたが、電極板３の両側に第１穴部２１を配置して、それら第１穴部２１の間に、小径の第２穴部２２を設けて構成してもよい。この場合も、放射面３ａ側に第１穴部２１が開口していることにより、電極板３の放射面３ａ側が消耗しても、径が小さい第２穴部２２は消耗することなく残るので、プラズマのかけ上がりを確実に防止することができる。

また、電極板の中央部における通気孔の長さ比率Ｂ／Ａと、外周部における通気孔の長さ比率Ｄ／Ｃとの比率（Ｂ／Ａ）／（Ｄ／Ｃ）は、少なくとも最も中心位置の通気孔における比率Ｂ／Ａと、最も外周位置の通気孔における比率Ｄ／Ｃとの比率が１．２以上３．５以下とされており、その間の比率は、半径位置に応じて段階的に、あるいは漸次比率を変えるようにしてもよい。

１ プラズマエッチング装置
２ 真空チャンバー
３ 電極板
３ａ 放射面
３ｂ 反対面
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
１１，１１ａ，１１ｂ 通気孔
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
２１ 第１穴部
２２ 第２穴部

Claims (4)

1. プラズマ処理装置内において被処理基板と対向配置されるプラズマ処理装置用電極板であって、厚さ方向に貫通する通気孔が複数設けられてなり、前記通気孔は、径が大きい第１穴部と、第１穴部より径が小さい第２穴部とが互いに連通して形成されており、前記第１穴部は前記被処理基板側に開口し、該プラズマ処理装置用電極板の中央部に配置される前記通気孔の前記第２穴部は、該プラズマ処理装置用電極板の外周部に配置される前記通気孔の前記第２穴部に比べて短く設定さ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. 前記通気孔は、厚さ方向に平行に貫通して設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置用電極板。
3. 各第１穴部の穴径は全て同一に形成されており、各第２穴部の穴径も全て同一に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。
4. 中央部に配置される通気孔の第１穴部の長さをＡ、第２穴部の長さをＢとし、外周部に配置される通気孔の第１穴部の長さをＣ、第２穴部の長さをＤとしたときに、（Ｂ／Ａ）／（Ｄ／Ｃ）が１．２以上３．５以下に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置用電極板。
   

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