JP6097499B2 - プラズマ処理装置用部品及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置用部品及びプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ処理装置が備えるチャンバの内部に配置されるプラズマ処理装置用部品及びプラズマ処理装置に関する。

半導体装置の製造プロセスにおいて、半導体基板に対してドライエッチング処理やアッシング処理等を行うための平行平板型のプラズマ処理装置では、例えば、上部電極として、アルミニウム基材の表面を酸化処理して形成した酸化被膜上に、アルミナ或いはイットリア等の溶射被膜を形成したものが用いられている。

このような上部電極を温度制御した場合、アルミニウム基材と溶射被膜との線膨張係数の差に起因して溶射被膜が剥がれ、パーティクルの原因となることがある。また、今後、半導体基板の大型化に対応してアルミニウム基材を大型化する必要が生じた場合には、この問題はより顕著に現れるおそれや、アルミニウム基材の熱容量の大きさに起因して温度制御性が低下するおそれがあり、更に、アルミニウム基材の重量が大きくなることでプラズマ処理装置の組立作業性が低下する問題も生じる。

このような問題を解決する手段として、上部電極の基材としてカーボン（黒鉛）を用いることが考えられる。ここで、上記の問題に対してなされたものではないが、これまでに上部電極としてカーボンを用いる提案は幾つかなされている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平４−２１６６２４号公報 特開２００２−２８０３５６号公報

しかしながら、カーボンは多孔質であるために、気密性が必要とされる部品としての使用が困難であるという問題や、結晶が剥離することによるパーティクルが発生しやすいという問題がある。なお、上記特許文献１に記載された技術では、パーティクル発生の問題を回避することができず、また、特許文献２に記載された技術では、ガラスとの複合材であるために熱容量が大きくなってしまうため、アルミニウム基材を用いた場合と同じ問題が生じる。

本発明の目的は、熱容量が小さく、気密性を備えると共にパーティクルの発生を抑制したプラズマ処理装置用部品及びプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置用部品は、基板に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が備えるチャンバの内部に設けられるプラズマ処理装置用部品であって、カーボンからなる基材と、前記基材の表面に設けられるＳｉＣ被膜と、前記ＳｉＣ被膜の表面に設けられる、ガス遮断性を有するガラス被膜と、前記ガラス被膜の表面に設けられる、セラミックスからなる溶射被膜と、を有することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、基板を収容するチャンバと、前記チャンバの内部において基板を載置する下部電極と、前記下部電極に載置された基板と対向するように配置される上部電極板を有し、前記基板に向けてプラズマを生成させるための所定のガスを供給するシャワーヘッドとを備え、前記上部電極板と前記下部電極との間に所定の電圧を印加することによりプラズマを生成させて前記基板に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記上部電極板は、カーボンからなる基材と、前記基材の表面に設けられるＳｉＣ被膜と、前記ＳｉＣ被膜の表面に設けられる、ガス遮断性を有するガラス被膜と、前記プラズマが生成される空間に対向する前記ガラス被膜の表面に設けられる、セラミックスからなる溶射被膜と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、カーボン基材の表面にガラス被膜を形成しているために気密性を確保することができ、よって、半導体製造装置において真空雰囲気と大気雰囲気とを分離する部材として用いることが可能であり、カーボンの結晶の剥離によるパーティクルの発生が抑えられる。なお、ガラス被膜の下地としてＳｉＣ被膜を形成しているために、ガラス被膜の密着性が高められる。

特に、本発明に係る半導体製造装置用部品をプラズマ処理装置の上部電極に適用した場合には、上部電極全体の熱容量を従来のアルミニウム基材からなる上部電極よりも格段に小さくすることができるため、温度制御を行った際の応答性を高めることができ、これにより、精度の高い処理を行うことが可能になると共に、基板処理のスループットを向上させることが可能になる。また、上部電極を軽量化することができるため、半導体製造装置の組立作業性を向上させ、作業負荷を軽減することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング装置の構成を概略的に示す図である。 プラズマエッチング装置が備える上部電極板の構造を示す垂直断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、半導体デバイス用のウエハ（以下「ウエハ」という）に対してプラズマエッチング処理を施すプラズマエッチング装置を取り上げ、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング装置の構成を概略的に示す図である。プラズマエッチング装置１０は、例えば、直径が３００ｍｍのウエハＷを収容するチャンバ１１を有し、チャンバ１１内にはウエハＷを上面に載置する円柱状のサセプタ１２が、円板状部材２８の上に配置されている。なお、図１では、チャンバ１１の内部と外部とでウエハＷを搬送するための搬入出口は不図示である。プラズマエッチング装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって側方排気路１３が形成されており、側方排気路１３の途中には排気プレート１４が配置されている。

排気プレート１４は、多数の貫通孔を有する板状部材であり、チャンバ１１の内部を上部と下部に仕切る仕切り板として機能する。排気プレート１４によって仕切られたチャンバ１１内部の上部空間は、プラズマを発生させ、ウエハＷに対してプラズマエッチング処理を施す処理室１５となっている。一方、排気プレート１４によって仕切られたチャンバ１１内部の下部空間は、排気室（マニホールド）１６となっている。

排気室１６には、チャンバ１１内のガスを排出する排気管１７が接続されており、排気プレート１４は、処理室１５で発生させたプラズマを捕捉又は反射して排気室１６への漏洩を防止する機能をも有する。排気管１７には、不図示のＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）が接続されており、これらのポンプによってチャンバ１１内が所定の真空度に減圧される。具体的には、ＤＰはチャンバ１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）へ減圧し、ＴＭＰはＤＰと協働してチャンバ１１内を中真空状態よりも更に低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０^−３Ｐａ（１．０×１０^−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力は、不図示のＡＰＣバルブによって制御される。

チャンバ１１の内部に配置されたサセプタ１２には、第１の高周波電源１８が第１の整合器１９を介して接続されると共に、第２の高周波電源２０が第２の整合器２１を介して接続されている。第１の高周波電源１８は、比較的低い周波数（例えば、１３ＭＨｚ）のイオン引き込み用の高周波電力をサセプタ１２に印加する。一方、第２の高周波電源２０は、比較的高い周波数（例えば、４０ＭＨｚ）のプラズマ生成用の高周波電力をサセプタ１２に印加する。これにより、サセプタ１２は電極（下部電極）として機能する。また、第１の整合器１９及び第２の整合器２１は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への印加効率を最大にする。

サセプタ１２の上部周縁部には、サセプタ１２の中央部分が図中上方へ向けて突出するように段差が形成される。サセプタ１２の中央部分の先端には、静電電極板２２を内蔵するセラミックスからなる静電チャック２３が配置されている。静電電極板２２には直流電源２４が接続されており、静電電極板２２に正の直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック２３側の面（以下「裏面」という）に負電位が発生して、静電電極板２２とウエハＷの裏面との間に電位差が生じる。ウエハＷは、この電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によって静電チャック２３に吸着保持される。

また、サセプタ１２は、内部に不図示の冷媒流路からなる冷却機構を有している。この冷却機構は、プラズマと接触して温度が上昇するウエハＷの熱をサセプタ１２を介して吸収することによって、ウエハＷの温度が所定温度よりも高くなることを防止する。

なお、サセプタ１２は、伝熱効率や電極機能を考慮して、導電体（例えば、アルミニウム）により構成されるが、導電体をプラズマが発生する処理室１５へ晒すのを防止するために、サセプタ１２の側面は誘電体（例えば、石英（ＳｉＯ_２））からなる側面保護部材２５によって覆われる。

さらに、サセプタ１２の上部周縁部（段差部）及び側面保護部材２５の上面には、静電チャック２３に吸着保持されたウエハＷを囲むように、フォーカスリング２６が載置されており、更に、フォーカスリング２６を囲むようにシールドリング２７が側面保護部材２５の上面に載置されている。フォーカスリング２６は、珪素（Ｓｉ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）からなり、プラズマの分布域をウエハＷ上だけでなく、フォーカスリング２６上まで拡大する。

チャンバ１１には、処理室１５に対向するチャンバ１１の内周面を覆うように、デポシールド６０が配置されている。本実施の形態では、デポシールド６０は、チャンバ１１の上端面に係止され、固定されている。また、デポシールド６０の下端部と円板状部材２８の上面周縁部との間に排気プレート１４を架設している。

チャンバ１１の天井部には、サセプタ１２と対向するようにシャワーヘッド３０が配置されている。シャワーヘッド３０は、上部電極板４０と、上部電極板４０を着脱可能に釣支するクーリングプレート３１と、クーリングプレート３１を覆う蓋体３２とを有する。プラズマエッチング装置１０では、シャワーヘッド３０とサセプタ１２は、上部電極板４０とサセプタ１２の上面とが平行となるように配置されている。

上部電極板４０は、厚み方向に貫通する多数のガス孔４１を有する円板状部材である。後述する通り、上部電極板４０の基材にはカーボン（黒鉛）が用いられているため、従来のアルミニウム等の金属製の上部電極と比較すると、厚みが同じ場合には、機械的強度は相対的に小さくなる。そのため、本実施の形態では、チャンバ１１の上端面に係止されたデポシールド６０と蓋体３２とによって上部電極板４０の外周部を挟持することによって、上部電極板４０を強固に保持する構成を取っている。蓋体３２とデポシールド６０のそれぞれにおいて上部電極板４０を挟持する部分には、チャンバ１１の内部の気密性を確保するためのシールリング６５が配置されている。なお、上部電極板４０のより詳細な構造については、図２を参照して後述する。

クーリングプレート３１と蓋体３２との間にはバッファ室３４が設けられ、このバッファ室３４には処理ガス導入管３５が接続されている。また、クーリングプレート３１には、バッファ室３４と上部電極板４０に形成されたガス孔４１とに連通する孔部３３が形成されている。

プラズマエッチング装置１０の動作制御は、制御部３６によって行われる。制御部３６は、内蔵するメモリ等に記憶されたプログラムに従って各構成要素の動作を制御し、ウエハＷにプラズマエッチング処理を実行する。具体的には、制御部３６は、各構成要素の動作を制御して、処理ガス導入管３５からバッファ室３４へ供給された処理ガスを処理室１５へ導入し、第２の高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理室１５の内部空間へ印加されたプラズマ生成用の高周波電力により処理室１５に導入された処理ガスを励起してプラズマを生成し、プラズマ中のイオンを第１の高周波電源１８がサセプタ１２に印加するイオン引き込み用の高周波電力によってウエハＷに向けて引き込み、ウエハＷにプラズマエッチング処理を施す。

図２は、上部電極板４０の構造を示す垂直断面図である。上部電極板４０は、主に、カーボン（具体的には、黒鉛）からなる円板状の基材５０と、基材５０の表面全体を覆うように形成されたＳｉＣ被膜５１と、ＳｉＣ被膜５１を覆うように形成されたガラス被膜５２と、処理室１５に面したガラス被膜５２の表面に形成されたセラミックスからなる溶射被膜５３と、基材５０に形成された穴部に嵌め込まれたスリーブ５４とによって構成されている。

ＳｉＣ被膜５１は、基材５０にガス孔４１を形成するための穴部を形成した後に、基材５０の全表面を覆うように形成される。ＳｉＣ被膜５１は、ガラス被膜５２の密着性（濡れ性）を高める役割を担う。ＳｉＣ被膜５１の形成方法には周知の技術を用いることができ、例えば、金属Ｓｉを含浸させて焼結する反応焼結法やＣＶＤ法による薄膜形成法等を用いることができる。ＳｉＣ被膜５１の厚さは、前述の機能が発揮される限りにおいて制限はないが、具体的には、数十ナノメールから数ミクロン程度とされる。

スリーブ５４は、例えば、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）からなり、ＳｉＣ被膜５１が形成された後に、基材５０に形成された穴部に打ち込み（嵌め込み）或いは接着によって取り付けられる。そのため、スリーブ５４と基材５０との間にはＳｉＣ被膜５１が存在するが、ガラス被膜５２は存在しない。なお、本実施の形態では、正確には、スリーブ５４の内孔がガス孔４１となる。

基材５０は、カーボン（黒鉛）からなる多孔質材料であるため、ガス透過性を有する。一方、上部電極板４０は、既に説明したように、その外周がデポシールド６０と蓋体３２とによって挟持されるようにして配置されている。そのため、チャンバ１１内を減圧した際に、上部電極板４０を通して外部から空気がチャンバ１１内に流入することのないように、上部電極板４０はガス遮断性を備えている必要がある。そこで、上部電極板４０にガス遮断性を付与するために、ガラス被膜５２が設けられる。したがって、ガラス被膜５２には、ガス遮断性を有する緻密性が必要とされ、これにより、基材５０のカーボン（黒鉛）の結晶の剥離によるパーティクルの発生を実質的になくすことができる。

ガラス被膜５２の厚さは、ガス遮断性を有するように、また、後にガラス被膜５２上に溶射被膜５３の形成する処理の際に亀裂や剥離することない強度を有するように、例えば、１０μｍ〜４０μｍとすることが好ましく、２０μｍ〜３０μｍとすることがより好ましい。

ガラス被膜５２の成膜方法には特に制限はなく、例えば、ガラス粉末をスラリー状（又はペースト状又はゲル状）にしてＳｉＣ被膜５１上に塗布して乾燥させ、所定温度に加熱することによってガラス粉末を溶融させて緻密な膜状とする方法等を用いることができる。なお、その際、スリーブ５４の内孔にマスキング等を施しておくことにより、スリーブ５４の内孔がガラス被膜５２によって潰されないようにする。

溶射被膜５３には、セラミックスからなる被膜、具体的には、イットリア溶射被膜が用いられ、これにより、上部電極板４０にプラズマ耐性が付与される。溶射被膜５３の厚さは、例えば、数十ミクロンから数百ミクロン（具体的には、２００μｍ程度）とすることができる。なお、溶射被膜５３の形成方法には、周知の技術を用いればよい。

上部電極板４０の外周には、導通部材４５（図１に不図示）が配置されており、導通部材４５により、チャンバ１１とデポシールド６０及び蓋体３２とが同電位に保たれる。ここで、導通部材４５と基材５０とは直接には接触していないが、ＳｉＣ被膜５１とガラス被膜５２は薄いために、プラズマエッチング処理時に下部電極であるサセプタ１２と上部電極板４０との間に高周波電圧を印加することにより導通部材４５と基材５０との間に導通が生じ、これにより、基材５０をチャンバ１１等と同じ電位に保持することができる。

導通部材４５は、上部電極板４０において蓋体３２とデポシールド６０とに挟持される部分の表面はガラス被膜５２となっているため、上部電極板４０が挟持された状態でのガラス被膜５２の破壊を防止して、ガラス被膜５２を保護する役割をも果たす。

上部電極板４０において、基材５０の上面の内周側であって、且つ、ガス穴４１が形成されている領域の外側には、複数箇所に凹部が形成されている。これらの凹部には、上部電極板４０を固定するための固定部材として、例えば、ＳｉＣからなるブッシュ５５が接着固定されている。ブッシュ５５にはネジ穴５６が形成されており、ネジ穴５６に不図示のネジを螺合させることにより、ブッシュ５５をクーリングプレート３１（図１参照）と締結する。これにより、上部電極板４０は、その外周部のみでなく、クーリングプレート３１にも保持されるため、上部電極板４０の自重による撓みの発生を防止することができる。なお、ブッシュ５５は、蓋体３２に対して固定される位置にも設けることができる。

なお、本実施の形態では、基材５０の表面にＳｉＣ被膜５１を形成しているため、基材５０のカーボン（黒鉛）及びＳｉＣ被膜５１と熱膨張係数が同じ又は近接した材料をブッシュ５５に用いている。これにより、これらの各部材の温度変化に対する上部電極板４０の保持状態を安定に維持することができる。ブッシュ５５には、このような効果が得られれば、他のセラミックス材料や金属材料を用いても構わない。

上記の通り、本実施の形態に係る上部電極板４０では、基材５０として、従来の基材であるアルミニウムよりも熱容量の小さいカーボン（黒鉛）を用いており、アルミニウム（Ａｌ）とカーボン（Ｃ）の熱容量の比は、概ね、Ａｌ：Ｃ＝１：０．３４の関係にある。そのため、本実施の形態に係る上部電極板４０では、従来の上部電極板と形状が同じである場合に、小さい熱量で温度を変化させることが可能になり、温度制御の応答性を向上させることができる。これにより、ひいては、精度の高い処理を行うことが可能になると共に、ウエハＷの処理のスループットを向上させることが可能になる。

また、本実施の形態に係る上部電極板４０は、基材５０として、従来の基材であるアルミニウムよりも軽いカーボン（黒鉛）が用いられているため、同じ形状の場合に、軽量化が可能になる。具体的には、アルミニウムの比重が２．７であるのに対して、カーボン（黒鉛）の比重は約１．５であるから、上部電極板としての重量を約４４％低減することが可能になる。これにより、プラズマエッチング装置１０の組立作業における上部電極板４０の取り扱い負荷を軽減することができる。

なお、上部電極板４０を用いて実行されたプラズマエッチング処理では、従来のアルミニウムを基材とした上部電極板を用いて実行されたプラズマエッチング処理と比較して、エッチングレートやエッチング処理によるウエハＷ上の各種膜の除去性能、エッチング処理後の溝形状及び孔形状等について、実質的な差異は見られず、十分に実用的であることが確認された。

以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記説明では、本発明に係る半導体製造装置用部品として上部電極板４０を取り上げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、デポシールド６０に、上部電極板４０の構造、即ち、カーボンからなる基材に３層のＳｉＣ被膜／ガラス被膜／溶射被膜が形成された部材を用いてもよい。

また、上部電極板４０では、本実施の形態においては、プラズマ耐性を備えるために溶射被膜５３を設けたが、プラズマ耐性が必要でない部材について軽量化を目的とした場合には、カーボンからなる基材に２層のＳｉＣ被膜／ガラス被膜が形成されたものを用いることもでき、その適用例としては、蓋体３２が挙げられる。

更に、本実施の形態では、上部電極板４０をデポシールド６０と蓋体３２とで挟持する構成としたが、上部電極板４０がチャンバ１１の内部に完全に内包される構造であってもよい。この場合でも、ガラス被膜５２には、基材５０からのパーティクルの発生を防止するために緻密質であることが要求される。本発明に係るプラズマ処理装置は、上述した平行平板型のプラズマエッチング処理装置に限定されるものではなく、プラズマを用いる各種装置、例えば、アッシング装置やプラズマＣＶＤ装置等にも用いることができる。

１０ 基板処理装置
１１ チャンバ
１２ サセプタ
２８ シャワーヘッド
４０ 上部電極板
４１ ガス孔
４５ 導通部材
５０ 基材
５１ ＳｉＣ被膜
５２ ガラス被膜
５３ 溶射被膜
５４ スリーブ
５５ ブッシュ
Ｗ ウエハ

Claims (12)

1. 基板に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置が備えるチャンバの内部に設けられるプラズマ処理装置用部品であって、
   カーボンからなる基材と、
   前記基材の表面に設けられるＳｉＣ被膜と、
   前記ＳｉＣ被膜の表面に設けられる、ガス遮断性を有するガラス被膜と、
   前記ガラス被膜の表面に設けられる、セラミックスからなる溶射被膜と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置用部品。
2. 前記溶射被膜は、前記チャンバの内部においてプラズマが生成される空間に面した前記ガラス被膜の表面に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部品。
3. 前記プラズマ処理装置用部品は、前記チャンバの内部に収容された基板と一定の距離を隔てて対向するように前記チャンバの内部に配置される電極部材であ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部品。
4. 前記基材には孔部が設けられ、前記孔部に前記ＳｉＣ被膜を介してセラミックスからなるスリーブが配置されており、
   前記スリーブの内孔が、前記チャンバの内部においてプラズマを発生させるために前記基板に向けて所定のガスを供給するためのガス孔となっていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置用部品。
5. 前記スリーブ及び前記溶射被膜は、イットリアからなることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置用部品。
6. 前記ガラス被膜の厚さは１０μｍ〜４０μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置用部品。
7. 前記ガラス被膜の厚さは２０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置用部品。
8. 基板を収容するチャンバと、
   前記チャンバの内部において基板を載置する下部電極と、
   前記下部電極に載置された基板と対向するように配置される上部電極板を有し、前記基板に向けてプラズマを生成させるための所定のガスを供給するシャワーヘッドとを備え、
   前記上部電極板と前記下部電極との間に所定の電圧を印加することによりプラズマを生成させて前記基板に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   前記上部電極板は、
   カーボンからなる基材と、
   前記基材の表面に設けられるＳｉＣ被膜と、
   前記ＳｉＣ被膜の表面に設けられる、ガス遮断性を有するガラス被膜と、
   前記プラズマが生成される空間に対向する前記ガラス被膜の表面に設けられる、セラミックスからなる溶射被膜と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 前記チャンバは円筒状であり、
   前記チャンバの上面を覆う円板状の蓋部材を更に備え、
   前記上部電極板は、円板状の形状を有し、前記上部電極板の上面の内周側に設けられた凹部に配置された固定部材を備え、
   前記上部電極板の外周部が前記チャンバの上端と蓋部材との間に挟持されると共に、前記固定部材が前記蓋部材に釣支されていることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。
10. 前記ガラス被膜の厚さは１０μｍ〜４０μｍであることを特徴とする請求項８又は９記載のプラズマ処理装置。
11. 前記ガラス被膜の厚さは２０μｍ〜３０μｍであることを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理装置。
12. 前記上部電極板の外周には、前記チャンバ及び前記蓋部材を同電位に保つ導通部材が配置されることを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理装置。

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