JP2012119590A

JP2012119590A - プラズマ処理装置用電極板

Info

Publication number: JP2012119590A
Application number: JP2010269813A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Matsuda; 厚松田; Takashi Yonehisa; 孝志米久
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-21

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の放電面３ａから厚さ方向途中まで形成された第１穴部１１ａと、放電面３ａとは反対面３ｂから第１穴部１１ａの軸芯ｃ１と平行な軸芯ｃ２に沿って厚さ方向途中まで形成された第２穴部１１ｂとが、互いに連通して形成される複数の通気孔１１を有するとともに、第１穴部１１ａと第２穴部１１ｂとの間に第１穴部１１ａの開口面積以下の開口面積を有するオリフィス２１が設けられている。
【選択図】図３

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。
また、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、ラッパ状に拡大するように削られる。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、くの字型の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。

特開２００３−２８９０６４号公報特開２００２−２４６３７１号公報特開２００８−６０１９７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。

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、電極板の放電面から厚さ方向途中まで形成された第１穴部と、前記放電面とは反対面から前記第１穴部の軸芯と平行な軸芯に沿って厚さ方向途中まで形成された第２穴部とが、互いに連通して形成される複数の通気孔を有するとともに、前記第１穴部と前記第２穴部との間に前記第１穴部の開口面積以下の開口面積を有するオリフィスが設けられていることを特徴とする。

第１穴部と第２穴部との連通部に第１穴部の開口面積以下の開口面積を有するオリフィスが設けられているので、プラズマの逆流を防止し、プラズマの冷却板への到達を阻止することができる。両穴部とも平行に形成されるので、両穴部の先端部の一部が重なるように加工位置を設定すれば、オリフィスを容易に形成することができる。これにより、各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可能であり、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。

また、本発明の電極板において、前記第１穴部と前記第２穴部とは、これらの軸芯方向と直交する方向にずれて配置されており、前記オリフィスは、前記第１穴部と前記第２穴部とを前記軸芯方向と直交する方向に連通するように設けられているとよい。
この場合、通気孔は、途中のオリフィスで屈曲して設けられるので、エッチングガスの流れを均一に保ちつつ、プラズマの逆流をより確実に阻止することができる。

さらに、本発明の電極板において、前記第１穴部と前記第２穴部の軸芯が、前記電極板の放電面に対して垂直に設けられているとよい。
この場合、両穴部はドリル加工によって容易に形成することができる。両穴部とも電極板の表面に垂直に形成されるので、両穴部及びオリフィスの位置を高精度に管理することができ、各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可能である。

本発明によれば、電極板への均一な通気孔の加工を容易にし、プラズマの逆流を防止することができるので、冷却板に損傷を与えることがなく、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。

プラズマ処理装置の概略構成図である。本発明の電極板の第１実施形態を示す要部拡大平面図である。図２に示す電極板のＡ−Ａ断面図である。図３に示す電極板のＢ−Ｂ断面図である。本発明の電極板の第２実施形態を示す要部拡大平面図である。図５に示す電極板の要部断面図である。本発明の電極板の第３実施形態を示す要部断面図である。

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１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２から図４を参照しながら説明する。
本実施形態の電極板３には、厚さ方向に延びる通気孔１１が複数形成されている。この通気孔１１は、プラズマエッチングを行う際に、電極板３とウエハ８との間にエッチングガスを供給するために用いられる。なお、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いる。

通気孔１１は、電極板３の放電面３ａから厚さ方向途中まで垂直に形成された第１穴部１１ａと、放電面３ａの反対面３ｂから厚さ方向途中まで垂直に形成された第２穴部１１ｂとを有するとともに、これら両穴部１１ａ，１１ｂが電極板３の厚さ方向と直交する方向に軸芯ｃ１，ｃ２をずらして配置されていることにより、両穴部１１ａ，１１ｂを電極板３の厚さ方向と直交する方向に連通するオリフィス２１が形成されている。
オリフィス２１は、両穴部１１ａ，１１ｂの先端部で、その側部どうしが重なることにより形成され、図４に示すように、矩形状に開口して設けられる。本実施形態においては、両穴部１１ａ，１１ｂをドリルにより加工し、図２から図４に示すように、各穴部１１ａ，１１ｂの先端部の側部が重なるように加工位置を設定することでオリフィス２１を形成している。

例えば、板厚ｔが５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされる電極板に対して、両穴部１１ａ，１１ｂは同径に設けられており、その穴径ｄ１，ｄ２は０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に形成されている。また、オリフィス２１の開口面積は、図４に示すように、両穴部１１ａ，１１ｂの軸芯間距離ｗと、両穴部１１ａ，１１ｂの厚さ方向の重なり距離Ｌとによって調整可能であり、重なり距離Ｌは、０．５ｍｍ以上、板厚ｔの１／３以下とされ、オリフィスの開口面積は、０．０５ｍｍ^２以上、両穴部１１ａ，１１ｂの開口面積以下に形成されている。
なお、通気孔１１は、両穴部１１ａ，１１ｂとなる下穴のドリル加工後に、その表面を平滑化するためのエッチング処理を施して形成される。オリフィス２１は、両穴部１１ａ，１１ｂのドリル加工時に形成されるようにしてもよいが、ドリルによる両穴部１１ａ，１１ｂの下穴形成時においては形成せずに、エッチング処理の際に形成されるようにしてもよい。

このように構成した電極板３においては、通気孔１１を構成する第１穴部１１ａと第２穴部１１ｂとの連通部に、第１穴部１１ａの開口面積以下となる開口面積を有するオリフィス２１を形成していることから、放電面３ａ側からのプラズマの逆流を防止することができる。また、オリフィス２１を、電極板３の厚さ方向と直交する方向に連通して設けるとともに、通気孔１１の途中をクランク状に屈曲して設けているので、エッチングガスの流れを均一に保ちつつ、プラズマの逆流を防止して、プラズマの冷却板１４への到達を確実に阻止することができる。

上述実施形態のように、両穴部１１ａ，１１ｂの垂直穴は、ドリル加工によって容易に形成することができ、ドリルによる穴部の先端部の側部が重なるように加工位置を設定することで、オリフィス２１も容易に形成することができる。また、両穴部とも電極板３の表面に垂直に形成されるので、両穴部１１ａ，１１ｂ及びオリフィス２１の位置を高精度に管理することができ、各通気孔１１からのエッチングガスの流れを均一に保つことが可能である。これにより、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。
なお、上述実施形態においては、第１穴部１１ａと第２穴部１１ｂとを同径に設けていたが、それぞれ異なる径で形成してもよい。その際、プラズマの逆流を防止するため、放電面側の第１穴部は、その反対面側の第２穴部よりも小径とすることが好ましい。

図５から図６は、本発明の電極板の第２実施形態を示している。この実施形態の電極板３０においては、図６に示すように、電極板３０の放電面３０ａから厚さ方向途中まで垂直に第１穴部３１ａを形成するとともに、放電面３０ａの反対面３０ｂから第１穴部３１ａと同一軸芯上に厚さ方向途中まで垂直に第２穴部３１ｂを形成して、両穴部３１ａ，３１ｂの間にオリフィス２２を設けることにより互いに連通させている。つまり、両穴部３１ａ，３１ｂの軸芯ｃ１１，ｃ１２及びオリフィス２２が、同一線上に配置され、電極板３０を厚さ方向に沿って貫通するように通気孔３１が形成されている。本実施形態においては、両穴部３１ａ，３１ｂをドリルにより加工しており、ドリル先端の切刃により形成されるテーパ部３２ａ，３２ｂの一部が重なるように穴部３１ａ，３１ｂの加工深さを設定することにより、円形のオリフィス２２を形成している。

この場合、第１実施形態と同様に、板厚ｔが５ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされる電極板に対して、両穴部３１ａ，３１ｂは同径に設けられており、その穴径ｄ１１，ｄ１２は０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に形成されている。また、オリフィス２２の開口面積は、両穴部３１ａ，３１ｂの開口面積以下に形成されている。

このように構成した電極板３０では、通気孔３１を構成する両穴部３１ａ，３１ｂを同一線上に並べて加工し、両穴部３１ａ，３１ｂの先端部の一部を重ねて形成することにより、両穴部３１ａ，３１ｂの開口面積以下となる開口面積のオリフィス２２を形成している。これにより、放電面３０ａ側からのプラズマの逆流を防止し、プラズマが冷却板へ到達することを阻止することができる。
なお、本発明の平行な軸芯とは、第１実施形態のように両穴部３１ａ，３１ｂの軸芯ｃ１，ｃ２を直交する方向にずらして配置されたもの、及び第２実施形態のように軸芯ｃ１１，ｃ１２を同一線上に並べて配置したものの両方を含むものとする。

また、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、前述の第２実施形態においては、ドリル先端の切刃により形成されるテーパ部３２ａ，３２ｂの一部を重ねて加工することでオリフィス２２を形成していたが、図７に示す電極板４０のように、両穴部４１ａ，４１ｂの間に、これらよりも小径の連通穴４２を設けることによりオリフィス２３を形成し、通気孔４１を構成してもよい。
また、上記実施形態においては、通気孔を構成する両穴部をドリル加工により形成したが、レーザ加工によって形成することも可能であり、両穴部を放電面に対して傾斜させて形成してもよい。

１プラズマエッチング装置
２真空チャンバー
３，３０，４０電極板
３ａ，３０ａ放電面
３ｂ，３０ｂ反対面
４架台（下部電極）
５絶縁体
６静電チャック
７支持リング
８ウエハ（被処理基板）
９エッチングガス供給管
１０拡散部材
１１，３１，４１通気孔
１１ａ，３１ａ，４１ａ第１穴部
１１ｂ，３１ｂ，４１ｂ第２穴部
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
２１，２２，２３オリフィス
３２ａ，３２ｂテーパ部
４２連通穴

Claims

電極板の放電面から厚さ方向途中まで形成された第１穴部と、前記放電面とは反対面から前記第１穴部の軸芯と平行な軸芯に沿って厚さ方向途中まで形成された第２穴部とが、互いに連通して形成される複数の通気孔を有するとともに、前記第１穴部と前記第２穴部との間に前記第１穴部の開口面積以下の開口面積を有するオリフィスが設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
前記第１穴部と前記第２穴部とは、これらの軸芯方向と直交する方向にずれて配置されており、前記オリフィスは、前記第１穴部と前記第２穴部とを前記軸芯方向と直交する方向に連通するよう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電極板。
前記第１穴部と前記第２穴部の軸芯が、前記電極板の放電面に対して垂直に設けら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。