JP2003007683A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン系基板のプラズマ処理において、異
常放電を防止して均一なエッチングを行うことができる
プラズマ処理装置を提供する。 【解決手段】 プラズマ処理装置においてプラズマ発生
用電極のガス供給口の前面に装着されるプラズマ処理装
置用の電極部材１７の材質として、アルミナを含むセラ
ミックの骨格部１８ａを３次元網目状に連続させた３次
元網目構造のセラミック多孔質体を用い、この３次元網
目構造に不規則に形成された空孔部１８ｂを介してプラ
ズマ発生用のガスを通過させる。これにより、供給され
るガスの分布を均一にして異常放電を防止し、ばらつき
のない均一なエッチングを行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェハな
どのシリコン系基板をプラズマによってエッチング処理
するプラズマ処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置に用いられるシリコンウェハ
の製造工程では、半導体装置の薄型化にともない、回路
形成面の裏面を機械研磨して基板の厚さを薄くする薄化
加工が行われる。機械研磨加工においてはシリコンウェ
ハの表面にはマイクロクラックを含むストレス層が生成
され、このストレス層によるシリコンウェハの強度低下
を防止するため、機械研磨後にはシリコン表面のストレ
ス層を除去するエッチング処理が行われる。このエッチ
ング処理に、従来の薬液を用いる湿式エッチング処理に
替えて、製造現場での薬液使用上の危険性や産業廃棄物
の発生がないプラズマエッチングが検討されている。

【０００３】このシリコンを対象としたプラズマエッチ
ング処理において、より高いエッチングレートを実現す
るためには、高密度のプラズマを発生させる必要がある
ことから、比較的高い圧力のプラズマ発生用ガス（以
下、単に「ガス」と略記する。）をシリコンウェハの表
面に対して吹き付けて供給する方法が用いられる。この
ような方法として、従来よりシリコンウェハを保持する
下部電極に対向して配置された上部電極をガス供給口と
して用い、放電電極板とガス導入板とを兼ねさせる方式
が知られている。この場合には、上部電極に微細なガス
供給孔が多数形成された放電電極板を装着することによ
り、シリコンウェハの表面に均一にガスを供給するよう
にしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
放電電極板を用いた場合には、以下のような問題点があ
った。ガス供給孔からガスを噴射させて供給する方式で
は、供給されるガスの分布を均一にすることには限界が
あり、シリコンウェハ表面に吹き付けられるガスの量は
供給孔の直下とその他の部分とでは均一ではない。

【０００５】このため、供給孔の近傍にプラズマが集中
して発生する異常放電を誘起しやすく、この異常放電に
より種々の不具合が発生していた。すなわち異常放電が
生じた部分ではエッチングが集中して行われることか
ら、シリコンウェハを損傷させたりエッチング結果にば
らつきを生じるなどのエッチング品質についての不具合
とともに、ガス供給孔が形成された放電電極板の材質に
よっては放電電極板がプラズマによって損耗するなどの
不具合があった。

【０００６】そこで本発明は、シリコン系基板のプラズ
マ処理において、異常放電を防止して均一なエッチング
を行うことができるプラズマ処理装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のプラズマ
処理装置は、処理室と、この処理室内でワークを保持す
る保持部を有する第１電極と、前記第１電極に対向する
位置に配置されプラズマ発生用ガスを前記処理室に供給
するガス供給口を有する第２電極と、前記処理室を減圧
する圧力制御部と、前記ガス供給口を介して前記処理室
にプラズマ発生用ガスを供給するガス供給部と、前記第
１電極と第２電極との間に高周波電極を印加する高周波
発生部と、前記ガス供給口の前面に装着される電極部材
とを備え、前記電極部材が３次元網目構造を有し、この
３次元網目構造の隙間が前記プラズマ発生用ガスを通過
させるための複数の不規則経路となっている。

【０００８】請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求
項１記載のプラズマ処理装置であって、前記３次元網目
構造を形成する材質がアルミナを含む。

【０００９】請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求
項１記載のプラズマ処理装置であって、前記ワークがシ
リコン系基板である。

【００１０】請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求
項１記載のプラズマ処理装置であって、前記ワークが機
械研磨によってダメージ層が形成されたシリコン系基板
であり、このダメージ層をプラズマエッチングによって
除去する。

【００１１】請求項５記載のプラズマ処理装置は、請求
項１記載のプラズマ処理装置であって、前記ワークが表
面側に回路パターンが形成されたシリコンウェハであ
り、このシリコンウェハの裏面側のダメージ層をプラズ
マエッチングによって除去する。

【００１２】請求項６記載のプラズマ処理装置は、請求
項１記載のプラズマ処理装置であって、前記プラズマ発
生用ガスが、フッ素ガスとキャリアガスを含む混合ガス
である。

【００１３】請求項７記載のプラズマ処理装置は、請求
項６記載のプラズマ処理装置であって、前記キャリアガ
スが、ヘリウムである。

【００１４】本発明によれば、シリコン基板に対してプ
ラズマ発生用ガスを供給するガス供給口の前面に装着さ
れる電極部材として、３次元網目構造を有しこの３次元
網目構造の隙間が前記プラズマ発生用ガスを通過させる
ための複数の不規則経路となっている電極部材を用いる
ことにより、供給されるガスの分布を均一にして異常放
電を防止し、ばらつきのない均一なエッチングを行うこ
とができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のプラ
ズマ処理装置の断面図、図２（ａ）は本発明の一実施の
形態の電極部材の断面図、図２（ｂ）は本発明の一実施
の形態の電極部材の拡大断面図、図３は本発明の一実施
の形態の電極部材の製造フロー図、図４は本発明の一実
施の形態の電極部材の製造方法の説明図、図５は本発明
の一実施の形態のプラズマ処理装置のガス流量分布を示
す図である。

【００１６】まず図１を参照してプラズマ処理装置につ
いて説明する。図１において、真空チャンバ１の内部は
プラズマ処理を行う処理室２となっており、処理室２内
部には、下部電極３（第１電極）および上部電極４（第
２電極）が上下に対向して配設されている。下部電極３
は電極体５を備えており、電極体５は下方に延出した支
持部５ａによって絶縁体９を介して真空チャンバ１に装
着されている。電極体５の上面には、高熱伝導性材料よ
り成る保持部６が装着されており、保持部６の上面には
回路パターンが形成されたシリコンウェハ７（シリコン
系基板）が載置される。

【００１７】シリコンウェハ７は、回路パターン形成面
の裏側を機械研磨によって薄化加工された直後の状態で
あり、研磨加工面にはマイクロクラックを含むダメージ
層が形成されている。シリコンウェハ７の回路パターン
形成面に貼着された保護テープ７ａ（図５参照）を保持
部６に接触させた姿勢で、すなわち処理対象面である研
磨加工面（回路形成面の裏側）を上向きにした状態で載
置される。そして研磨加工面のダメージ層をプラズマ処
理によって除去（エッチング）する。

【００１８】保持部６には上面に開口する多数の吸着孔
６ａが設けられており、吸着孔６ａは電極体５の支持部
５ａ内を貫通して設けられた吸引路５ｄと連通してい
る。吸引路５ｄは真空吸引部１１と接続されており、保
持部６の上面にシリコンウェハ７が載置された状態で真
空吸引部１１から真空吸引することにより、シリコンウ
ェハ７は保持部６に真空吸着により保持される。

【００１９】保持部６の内部には冷却用の冷媒流路６
ｂ，６ｃが設けられており、冷媒流路６ｂ，６ｃは支持
部５ａ内を貫通して設けられた管路５ｂ，５ｃと連通し
ている。管路５ｂ，５ｃは冷媒循環部１０と接続されて
おり、冷媒循環部１０を駆動することにより、冷媒流路
６ｂ，６ｃ内を冷却水などの冷媒が循環し、これにより
プラズマ処理時に発生した熱によって加熱された保持部
６が冷却される。

【００２０】電極体５は高周波発生部１２と電気的に接
続されており、高周波発生部１２は下部電極３と上部電
極４との間に高周波電圧を印加する。また真空チャンバ
１内の処理室２は、圧力制御部１３と接続されている。
圧力制御部１３は、処理室２の減圧および処理室２内の
真空破壊時の大気開放を行う。

【００２１】上部電極４は下部電極３と対向する位置に
配置され接地部２０に接地された電極体１５を備えてお
り、電極体１５は上方に延出した支持部１５ａによって
絶縁体１６を介して真空チャンバ１に装着されている。
電極体１５はプラズマ発生用のガスを処理室２に供給す
るためのプラズマ発生用電極となっており、下面には支
持部１５ａ内を貫通して設けられたガス供給路１５ｃと
連通したガス供給口１５ｂが設けられている。ガス供給
路１５ｃはガス供給部１９と接続されており、ガス供給
部１９は、４フッ化炭素（ＣＦ₄）や６フッ化硫黄（Ｓ
Ｆ₆）などのフッ素系ガスとキャリアガス（例えばヘリ
ウムガス（Ｈｅ））を含む混合ガスをプラズマ発生用ガ
スとして供給する。

【００２２】ガス供給口１５ｂの前面には電極部材１７
が装着されている。電極部材１７はセラミック多孔質体
より成る円板状の部材であり、図２に示すようにこのセ
ラミック多孔質体は、セラミックの骨格部１８ａが３次
元の網目状に連続して形成され、内部に多数の空孔部１
８ｂ（隙間）を有する３次元網目構造となっている。そ
してこの３次元網目構造の空孔部１８ｂは、ガス供給口
１５ｂから電極部材１７を介してガスを通過させるため
の複数の不規則経路となっている。

【００２３】この電極部材１７の製造方法について、図
３，図４を参照して説明する。この電極部材１７は、基
材となるポリウレタンフォームにセラミックを付着させ
ることにより製造される。先ず板状のウレタンフォーム
２２を準備し（ＳＴ１）、図４（ａ）に示すようにウレ
タンフォーム２２を円板状の所定形状に裁断して基材２
３を製作する（ＳＴ２）。ウレタンフォーム２２は、芯
材２２ａを３次元網目状に連続させた構造となってお
り、内部には空孔部２２ｂが高い空孔率で形成されてい
る。

【００２４】これと並行してセラミック原料としてのア
ルミナ粉末を準備し（ＳＴ３）、このアルミナ粉末に流
動性を付与するための水と界面活性剤を加えてスラリ液
を調製する（ＳＴ４）。

【００２５】この後、図４（ｂ）に示すように、スラリ
２４中に基材２３を浸漬し（ＳＴ５）、引き上げた後に
余剰スラリを基材２３から除去する（ＳＴ６）。そして
水分を除去するために基材２３を乾燥させる（ＳＴ
７）。この後加熱してセラミックを焼成して３次元網目
構造のセラミック多孔質体から成る電極部材が完成する
（ＳＴ８）。基材２３は、焼成工程においてウレタンが
燃焼することにより消失するため、セラミック原料以外
のものを含まない電極部材が得られる。なお、（ＳＴ
５）〜（ＳＴ７）の工程は必要に応じて複数回繰り返し
行う場合が有る。

【００２６】このようにして製造された電極部材は、セ
ラミック粒を焼結することにより製造された従来の電極
部材と比較して、以下のような特性を備えている。先
ず、空孔部２２ｂを形成する骨格部１８ａは、ウレタン
フォーム２２の芯材２２ａの周囲にセラミックを付着さ
せて成形されることから、空孔部２２ｂの気孔径並びに
分布が均一な多孔質体を得ることができる。なお、気孔
径の平均サイズはプラズマの集中（異常放電）を防止す
るため８００μｍ以下が好ましい。

【００２７】また、従来の多孔質セラミックから成る電
極部材は必要とされる空孔部２２ｂの大きさに応じたサ
イズのセラミックの結晶粒を準備し、これらの結晶粒相
互が接触する結晶粒界が焼結により接合されることによ
って多孔質体を形成する。そして大きな空孔部２２ｂが
必要とされるほど結晶粒が大きくなって結晶粒界の面積
が少なくなり、結晶粒相互の結合強度が低下する。

【００２８】これに対し、本実施の形態に示すセラミッ
ク多孔質体から成る電極部材１７では、空孔率は主に基
材２３として用いるウレタンフォーム２２における芯材
２２ａの配列密度によって決定される。従って芯材２２
ａの周囲に微細な結晶粒のセラミックを付着させて高温
で燒結させることにより、高強度、耐熱性、耐熱衝撃性
に富む緻密なセラミック焼成体によって構成された骨格
部１８ａを形成することができる。

【００２９】このようにして製造されたセラミック多孔
質体から成る電極部材１７は、アルミナの微細な結晶を
高密度で結合した構造の骨格部１８ａを３次元網目状に
連続させて形成されていることから、耐熱性、耐熱衝撃
性に優れている。すなわち、プラズマ処理装置において
プラズマに直接曝される過酷な場所で使用しても、結晶
粒相互が強固に結合された骨格部１８ａが３次元的に異
方性のない構造で連続しているため、熱衝撃によるクラ
ックや破壊が発生しない。従ってプラズマに直接曝され
るような場所で用いても十分な耐久性を有している。

【００３０】また一般に高強度のセラミックは加工が困
難で、任意形状の部品に成形することが難しいが、上述
の電極部材１７は予めウレタンフォーム２２を所要の形
状に裁断することによってきわめて容易に所望形状に成
形できる。

【００３１】このプラズマ処理装置は上記のように構成
されており、以下シリコンウェハ７を対象として行われ
るプラズマ処理（エッチング）について図５を参照して
説明する。まず保持部６上には、シリコンウェハ７が保
護テープ７ａを下向きにして載置される。そして圧力制
御部１３（図１）により処理室２内を減圧し、次いでガ
ス供給部１９を駆動することにより、上部電極４に装着
された電極部材１７より下方に向けてガスが噴出する。

【００３２】このときのガス流量分布について説明す
る。ガス供給部１９から供給されたガスは、ガス供給口
１５ｂ内において電極部材１７によって自由な流出を妨
げられることから、ガス供給口１５ｂ内で一時滞留しこ
れによりガスの圧力分布はこの内部でほぼ一様となる。

【００３３】そしてこの圧力によりガスは電極部材１７
を構成するセラミック多孔質体の空孔部１８ｂ（図２）
を通じて、ガス供給口１５ｂから電極部材１７の下面に
到達し、そこから下方のシリコンウェハ７の表面に向け
て吹き付けられる。このとき、電極部材１７の内部には
多数の空孔部１８ｂが不規則配列で形成されていること
から、電極部材１７の下面から下方に吹き付けられるガ
スの流量分布は、ガス供給口１５ｂのほぼ全範囲にわた
って偏りのない均一な分布となる。

【００３４】そしてこの状態で高周波発生部１２を駆動
して下部電極３の電極体５に高周波電圧を印加すること
により、上部電極４と下部電極３との間の空間にはプラ
ズマ放電が発生する。そしてこのプラズマ放電により発
生したプラズマによって、保持部６上に載置されたシリ
コンウェハ７の上面のプラズマエッチング処理が行われ
る。

【００３５】このプラズマエッチングでは、プラズマ中
のフッ素ラジカルＳＦ_*（活性種）とシリコンＳｉが反
応することによりフッ素と硫黄の化合物（ＳＦｎ）が、
反応生成物としてエッチングされたシリコンウェハ７の
上面（エッチング面）に付着しようとするが、キャリア
ガスによってこの反応生成物はエッチング面から除去さ
れる。

【００３６】エッチング面に反応生成物が付着すると、
プラズマエッチングの進行に伴ってエッチング面に凹凸
が形成されて、エッチング面の外観が白濁してしまう
が、キャリアガスを混合することでエッチング面の白濁
を防止して鏡面に仕上げることができる。キャリアガス
としては、ヘリウム（Ｈｅ）が最も適しており、放電を
安定させて異常放電を防止するといった作用をも兼ね備
えている。

【００３７】このプラズマエッチング処理において、整
流作用を有する電極部材１７によってシリコンウェハ７
の表面に吹き付けられるガスの流量分布が全範囲にわた
って均一となることから、ガスが部分的に高密度となっ
た範囲にプラズマ放電が集中することによる異常放電の
発生がなく、シリコンウェハ７の損傷やエッチング結果
のバラつきなどの不具合が生じない。

【００３８】また本実施の形態に示す電極部材１７は結
晶粒相互が強固に結合された骨格部１８ａが３次元的に
異方性のない構造（３次元網目構造）で連続しているた
め、プラズマに直接曝される過酷な場所で使用しても、
熱衝撃によるクラックや破壊が発生しない。したがっ
て、従来はガス流量の分布を均一化する目的の整流板を
ガス供給口に装備しようとすればプラズマに対して曝露
される放電電極板とは別個に設ける必用があったが、本
実施の形態の電極部材では同一の電極部材に放電電極板
と整流板との機能を兼ねさせることが可能となってい
る。

【００３９】本発明の実施の形態は以上であるが、様々
な変更を加える事が可能である。例えば、電極部材１７
の材質としてアルミナを例に挙げて説明したが、アルミ
ナ以外のアルミナ系、アルミ系等のセラミックスを用い
てもよい。この場合、使用するプラズマ発生用のガスと
反応しにくい材質、すなわち耐食性に優れたセラミック
スを選択することが重要である。本実施の形態で使用す
るフッ素ガスに対してはアルミナ系の他に、アルカリ土
類金属を含む酸化物、窒化物、炭化物に代表されるよう
な減圧下で金属フッ化物の沸点が高く蒸気圧が低いもの
がよい。

【００４０】さらに、３次元網目構造としてウレタンフ
ォーム構造を利用した例を説明したが、織布、線状等の
繊維もしくは金属の３次元網目構造（３次元ネットワー
ク構造）をウレタンフォームの代わりにしてもよい。

【００４１】また、３次元網目構造を有する電極部材１
７の製造方法としては、セラミックの微粒子とビーズ状
の樹脂製粒子を混合して燒結させる方法でもよい。この
場合、樹脂製粒子は燒結の際の熱で焼失するが、焼失に
よってできた空間が不規則経路となり、残った構造体が
３次元網目構造を構成する骨格部１８ａとなる。

【００４２】なお上記実施の形態では、シリコン系基板
としての半導体装置用のシリコンウェハ７をプラズマ処
理の対象とする例を示しているが、本発明はシリコンウ
ェハ７に限定されるものではなく、シリコンを含んだ素
材を対象とするものであれば、例えば水晶振動子に用い
られる水晶板なども本発明の適用対象となる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマ発生用電極の
ガス供給口の前面に装着される電極部材として、３次元
網目構造を有しこの３次元網目構造の隙間がプラズマ発
生用ガスを通過させるための複数の不規則経路となって
いる電極部材を用いることにより、供給されるガスの分
布を均一にして異常放電を防止し、ばらつきのない均一
なエッチングを行うことができる。また、３次元網目構
造を有することにより、プラズマに直接曝されるような
場所であっても十分な耐久性を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断
面図

【図２】（ａ）本発明の一実施の形態の電極部材の断面
図（ｂ）本発明の一実施の形態の電極部材の拡大断面図

【図３】本発明の一実施の形態の電極部材の製造フロー
図

【図４】本発明の一実施の形態の電極部材の製造方法の
説明図

【図５】本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置のガ
ス流量分布を示す図

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ 処理室 ３ 下部電極 ４ 上部電極 ７ シリコンウェハ １７ 電極部材 １８ａ 骨格部 １８ｂ 空孔部 １９ ガス供給部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土師 宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 酒見 省二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 BC06 CA47 CA51 DA01 DA02 EB42 EC21 EE07 EE13 FA14 FA16 FB02 FB04 FB12 FC06 FC20 5F004 AA01 BA09 BB18 BB21 BB25 BB28

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理室と、この処理室内でワークを保持す
   る保持部を有する第１電極と、前記第１電極に対向する
   位置に配置されプラズマ発生用ガスを前記処理室に供給
   するガス供給口を有する第２電極と、前記処理室を減圧
   する圧力制御部と、前記ガス供給口を介して前記処理室
   にプラズマ発生用ガスを供給するガス供給部と、前記第
   １電極と第２電極との間に高周波電極を印加する高周波
   発生部と、前記ガス供給口の前面に装着される電極部材
   とを備え、前記電極部材が３次元網目構造を有し、この
   ３次元網目構造の隙間が前記プラズマ発生用ガスを通過
   させるための複数の不規則経路となっていることを特徴
   とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】前記３次元網目構造を形成する材質がアル
   ミナを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処
   理装置。
3. 【請求項３】前記ワークがシリコン系基板であることを
   特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】前記ワークが機械研磨によってダメージ層
   が形成されたシリコン系基板であり、このダメージ層を
   プラズマエッチングによって除去することを特徴とする
   請求項１記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】前記ワークが表面側に回路パターンが形成
   されたシリコンウェハであり、このシリコンウェハの裏
   面側のダメージ層をプラズマエッチングによって除去す
   ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】前記プラズマ発生用ガスが、フッ素ガスと
   キャリアガスを含む混合ガスであることを特徴とする請
   求項１記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】前記キャリアガスが、ヘリウムであること
   を特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。