JP4011347B2 - 電極装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電極装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば高周波を発生させるための電極としては、金属製電極や埋設型電極が知られている。埋設型電極とは、耐蝕性材料、通常はセラミックスの内部に金属製電極を埋設したものである。金属製電極は、電極として最も一般的である。しかし、例えば液晶プロセスや半導体プロセスにおいては、腐食性のガスや液体を使用する。このような腐食性物質としては、例えば塩素系ガス、及びフッ素系ガスなどのハロゲン系腐食性ガスが使用されている。これらの腐食性物質によって金属製電極が腐食、劣化し、プロセス変動の原因となるし、寿命も短い。このため、耐蝕性の観点からは埋設型電極が好ましい。セラミック基板内に電極を埋設した埋設型電極は、例えば特開平7−273164号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、埋設型電極は、耐食性は良好であるが、次の問題点があった。例えばセラミック基板内に平板状の電極を埋設する場合には、まずセラミック粉末の成形体の内部に電極を埋設し、次いで成形体をその内部の電極と共に焼結させる。しかし、電極装置においては、一般にセラミック基板の表面と内部の電極との間隔を一定に維持することが必要である。例えばプラズマ発生装置においては、電極とセラミック基板の表面との間隔が、セラミック基板の表面上の空間に投入されるエネルギーと相関している。従って、電極とセラミック基板の表面との間隔が変化すると、空間に投入される高周波電力のエネルギーも変化し、プラズマの状態も変化する。
【0004】
しかし、セラミック基板の表面と電極との間隔を一定に維持することは、実際の量産プロセスにおいては困難である。なぜなら、セラミック粉末を焼結させてセラミック基板を得た後で、セラミック基板の表面を平坦に加工することは可能である。しかし、基板の表面を平坦に加工したものとしても、表面と内部の電極との間隔は一定にはならない。セラミック粉末を焼結する間に、粉末の流動や不均等な圧力によって、電極が成形体内を移動し、あるいは変形し、あるいは傾斜するために、電極の形状や埋設位置が、当初の形状や埋設位置とは変わってしまうからである。従って、セラミック基板の表面と電極との間隔を一定に維持することは、生産技術上困難である。その上、セラミック基板の表面が曲面である場合には、基板表面と電極との間隔を一定にすることは一層困難となることは明らかである。
【0005】
本発明の課題は、電極装置において、電極機能部と電極装置の表面との間隔を制御しやすくすることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、容器と、この容器の内部空間に充填されている粒子からなる電極機能部とを備えており、粒子の少なくとも一部が、導電性材料、または比誘電率が12以上の誘電性材料からなり、前記容器の少なくとも表面が耐蝕性材料からなり、耐蝕性材料の比誘電率が10以下であり、前記電極機能部に高周波電力を印加して前記容器の外部空間にプラズマを生成させるためのプラズマ発生用電極装置に係るものである。
【0007】
本発明者は、容器の中に、誘電性材料または導電性材料からなる粉末を充填し、この粉末の全体を電極として使用することを想到した。これによって、粉末の全体が電極として機能する結果、粉末からなる電極機能部と容器表面との間隔は、粉末を充填する前の容器の形態によって決定される。そして、電極機能部と容器表面との間隔は、粉末の充填プロセスにおいて変動することがない。このように、耐蝕性容器内部に充填した粉末それ自体を電極として使用することによって、電極機能部と容器表面との間隔を、容易に制御できるようになった。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体や液晶プロセス等、腐食性ガスやプラズマ環境下で使用されるプラズマ発生用電極装置に対して適用する。本発明の電極装置は、ウエハー等の基板用のサセプターであってよい。本発明の電極装置は、CVD、(スパッタやイオンプレーティング等の)PVD等の成膜プロセス、あるいはCMPやドライエッチャー等のエッチングプロセスに用いることができる。また、ベーキング装置、コータ用のキュアリング装置を例示できる。
【0009】
容器を構成する材質は限定されないが、少なくとも表面が耐蝕性材料からなる。この耐蝕性材料は特に限定されない。基本的に、耐蝕性材料は、電極装置を使用するべき環境内の腐食性物質に対応していればよく、すべての腐食性物質に対応している必要はない。従って、耐蝕性材料は、対象とする腐食性物質に応じて変動する。
【0010】
腐食性物質は、液状であってよく、気体であってよい。液状の腐食性物質としては、塩酸、硝酸、フッ酸、シュウ酸、硫酸、およびこれらの各酸の金属溶解液を例示できる。気体状の腐食性物質としては、NF3、アンモニア、Cl2、H2O2、O2、O3、H2等を例示できる。また、ハロゲンガスとしては、ClF3、NF3、CF4、WF6、Cl2、BCl3を例示できる。
【0011】
耐蝕性材料は、一般的には、以下のものが好ましい。
(1)窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素からなる群より選ばれた一種以上の材質からなるセラミックスあるいはガラス。
(2)イットリウム−アルミニウム−ガーネット、ジルコニア、及びその他の公知の耐食性セラミックス。
(3)石英ガラスを含む珪酸塩系ガラス。ガラス系の場合は、例えばコーディエライト系、あるいはホウケイ酸系、フォルステライト系、ステアタイト系のガラスや、RO−Al2O3−SiO2を主成分としたガラス(Rは、Mg、Ca、Sr、Ba等のアルカリ土類元素)、あるいは、Li2O−Al2O3−SiO2を主成分としたガラスが好ましい。結晶化処理を施した、いわゆる結晶化ガラスも使用可能である。
(4)容器の表面に耐蝕性材料を形成することもできる。この場合には、容器は、基体と、基体表面を被覆する耐蝕性材料とからなる。この被膜の材質は、上記した(1)−(3)の材質であってよい。あるいは、フッ化物、酸化物、ダイヤモンド等の耐蝕性コーティングであってよい。
【0012】
容器を構成する材質は緻密質であることが好ましい。特に、容器を構成する材質の相対密度は、90%以上であることが好ましい。
【0013】
容器の外形は特に限定されず、平板状、環状、管状、棒状であってよい。特に容器の表面の少なくとも一部が曲面である場合には、容器の表面と電極との間隔を一定にするという本発明の作用効果が顕著である。
【0014】
容器の内部空間の形状は特に限定されない。また、粒子は、容器の内部空間の全体に充填することが好ましいが、容器の内部空間の一部に充填することも可能である。
【0015】
本発明においては、容器の内部空間の形状と表面の形状とを予め決定することによって、容器の内部空間と表面との間隔が制御される。そして、容器の内部空間に粒子を充填し、粒子を連続させて電極機能部を形成することで、電極機能部と容器の表面との間隔を制御可能である。ここで、好適な実施形態においては、電極機能部と容器の表面との間隔を一定に制御する。しかし、場合によっては、電極機能部と容器の表面との間隔を変化させることが有用な場合もある。このような場合には、電極機能部と容器の表面との間隔を一定に制御せず、目的とする設計に合わせて制御する。
【0016】
粒子の材質は特に限定されないが、電極として機能する必要性から、比誘電率が12以上の誘電性材料あるいは導電性材料からなることが必要である。
【0017】
粒子を構成する導電性材料としては、以下を例示できる。
(1)金属:アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、クロム、あるいはこれらの合金が特に好ましい。
(2)サーメット:サーメットを構成するセラミックスは、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素からなる群より選ばれた一種以上の材質からなるセラミックスが好ましい。サーメットを構成する金属は、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、クロム、あるいはこれらの合金が好ましい。
(3)導電性セラミックス:酸化鉄、酸化マンガン、ジルコニア、β−アルミナ型化合物が好ましい。
【0018】
粒子を構成する誘電性材料としては、以下を例示できる。
(1)強誘電体:酸化タンタル、チタニア、BST(BaO-SrO-TiO2)、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)、酸化バリウム、SBT(SrBi2Ta2O9)、BIT(Bi4Ti3O12)、BSO(Bi2SiO5)
(2)磁性体:ソフトフェライト類としてMeO・Fe2O3(Me:Ni,Mn,Zn、Cu、Mg)、ハードフェライト類としてMeO・6Fe2O3(Me:Ba、Sr)
【0019】
容器の内部空間には、前述の導電性材料からなる粒子と誘電性材料からなる粒子との双方を充填することができる。また、前述の導電性材料、誘電性材料の他に、更に以下の材質からなる粒子を添加することができる。
窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素、イットリウム−アルミニウム−ガーネット、ジルコニア、珪酸塩系ガラス
【0020】
好適な実施形態においては、容器の内部空間における粒子の充填率が40%以上である。これによって、内部空間で粒子が移動して電極機能部の特性が変動するおそれが少なくなる。この観点からは、容器の内部空間における粒子の充填率を55%以上とすることが更に好ましい。なお、粒子の充填率とは、内部空間の容積に対する粒子の占有空間の容積の比率である。
【0021】
好適な実施形態においては、容器の内部空間における粒子の充填率を90%以下とする。粒子の充填率が90%以下であることは、空隙閉気孔でなく開気孔となっている状態、すなわち空隙が独立せず、連結した状態を意味する。こうした空隙を設けることにより、粒子と容器の熱膨張差に起因する応力を低減することができる。すなわち空隙が閉気孔の状態であると、電極機能部分の熱膨張は粒子を構成する材料の熱膨張とほぼ等しくなってしまうが、空隙が繋がっていると膨張差を吸収できるため、結果として寿命を延ばすことができる。加えて、電極機能部の表面積が増すため、高周波電流に対する抵抗を下げることができる。
【0022】
粒子の粒径が大きくなりすぎると、電極機能部と容器表面との間隔に対して、各粒子の形態の影響が現れるおそれがある。このため、粒子の平均粒径を2mm以下とすることが好ましく、1mm以下とすることが一層好ましい。
【0023】
また、粒子の粒径の下限は特にないが、取り扱い易さの点からは、40μm以上とすることが好ましい。
【0024】
内部空間において、粒子の材質、粒径、充填率を変化させることによって、インピーダンスを変化させ、インピーダンス分布を設けることができる。この場合には、特に高周波発生電極装置の場合に、電極装置上の各領域における電力を変化させ、電力密度分布を設けることができる。
【0025】
粒子の充填率は、耐蝕性材料の粒径や粒度分布を変化させることによって調節できる。粒径を大きくすることによって、充填率が増大する。また、粒度分布を大きくすると充填率が上昇し、粒度分布を小さくすると充填率が低下する。
【0026】
内部空間に粒子を充填した後に、粒子をプレスによって圧縮することによって、充填率を増大させることができる。この場合には、圧縮によって粒子同士の密着性が上がり、インピーダンスが低下する。また、内部空間に粒子を充填した後に粒子を膨潤させることによって、充填率を上昇させることができる。粒子の膨潤法としては、粒子の材質を膨潤させるような溶剤を容器内に注入することができる。
【0027】
電極機能部のインピーダンスを調整できることは、特に高周波電極として有用である。なぜなら、電極機能部のインピーダンスを、この電極機能部に対して高周波電力を供給するためのケーブルや発振器のインピーダンスとマッチングさせることによって、電力損失を低減できるからである。
【0028】
また、容器の内部空間に粒子を充填した後に、粒子を焼結させ、互いに結合させることによって、粒子の安定性を高めることができる。ただし、この場合には、粒子の焼結によって体積収縮が生ずると、電極機能部の寸法精度が低下する。このため、粒子の体積収縮は実質的に生じないようにすることが好ましい。
【0029】
好適な実施形態においては、耐蝕性材料の比誘電率が10以下である。
【0030】
また、好適な実施形態においては、容器の内部空間に粒子の保護流体を充填できる。このような流体としては、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素等の気体、あるいは水、油などの液体が挙げられる。設計によっては、内部空間を真空や減圧雰囲気とする場合もあるが、異常放電防止の観点からは真空や減圧雰囲気を避けることが好ましく、保護流体を充填することが一層好ましい。
【0031】
容器の開放部の封止方法は特に限定されない。粒子を内部空間に充填した後、開放部と封止材とを、かしめ、やきばめ、ガラス接合、ロウ付け、はんだ付け、あるいはねじ止め等の機械的方法で封止することが好ましい。
【0032】
図1は、略円管形状の電極装置8と丸棒状の電極装置10とを用いたプラズマ発生装置を概略的に示す図である。電極装置8は、円管形状の容器1と、容器1の内部空間1g内の粒子33からなる電極機能部2とを備えている。容器1の端部1aには固定用パイプ5Aが固定され、両者の間がOリング6Aによって封止されている。容器1の端部1aと1eとの間には、外壁1bと内壁1cとに包囲された内部空間1gが延びている。端部1eには開口があり、この開口が蓋3によって封止されている。蓋3による封止方法は例えば「かしめ」とすることができる。蓋3とパイプ5BとがOリング6Bによって封止されている。蓋3はアース線4に接続されている。
【0033】
電極装置10は、円棒状の容器9と、容器9の内部空間9g内に充填された粒子34からなる電極機能部11とを備えている。容器9の端部9aは丸底部になっている。容器9の端部9aと9cとの間には筒状部9bが形成されており、筒状部9b内に内部空間9gが延びている。端部9cには開口があり、この開口が蓋12によって封止されている。蓋12による封止方法は例えば「かしめ」とすることができる。容器の端部9cおよび蓋12がソケット15に装着されており、ソケット15と容器端部9cとがOリング6Cによって封止されている。ソケット15が同軸ケーブル16を通して交流電源17に接続されている。蓋3、12は、各電極機能部に対して電力を供給するための端子としても機能している。
【0034】
ここで、外側の電極装置8と内側の電極装置10との間の空間14に対して、矢印Aのようにガスを供給し、電極機能部2と11との間に高周波電圧を印加する。これによって空間14にプラズマを発生させることができる。
【0035】
こうした電極装置によれば、電極機能部2、11の端面は、容器の内壁面1f、9fと一致する。従って、電極機能部2、11と容器表面1d、9dとの間隔は、容器の肉厚によって予め規制される。この結果、容器の壁部1c、9bの肉厚を予め設計することによって、空間14に対する印加電力の密度を制御することができる。
【0036】
なお、各容器1、9の各端部1e、9cと蓋3、12との間のシール方法や取り付け構造は特に限定されない。
【0037】
耐蝕性材料からなる容器の作製方法は特に限定されず、公知の製造方法を利用できる。例えば、棒状焼結体や管状焼結体を得た後、棒状焼結体や管状焼結体を加工することによって内部空間1g、9gを形成することができる。また、各容器を2個以上の部品に分割し、各部品を焼結法によって形成し、次いで各部品を接合することによって各容器を製造できる。
【0038】
図3は、本発明の他の実施形態に係る電極装置26を概略的に示す断面図であり、図4は、図3の装置26を用いたプラズマ発生装置を示す模式図である。電極装置26の容器15は略円盤形状であり、上板部15a、側板部15d、下板部15eおよび突起15fを備えている。容器15の内部空間15gは略円盤形状である。本例では、内部空間15gの外周部には、一方の粒子33Aからなる電極機能部18が設けられており、内部空間15gの内周部には、別の粒子33Bからなる電極機能部17が設けられている。突起15fの開口23に蓋16を挿入し、蓋16をかしめによって固定する。そして、突起15fにボルト24および締結具22を固定し、端子部35(フィードスルー)を形成する。
【0039】
図4に示すように、本発明例の電極装置26を、例えば半導体30の処理チャンバー内に収容し、固定する。電極装置26の外周を包囲するように、例えばシリコン製のリング31を設置する。19は冷却プレートである。電極装置26の端子部35は交流電源21に接続されている。また、電極装置26と半導体30を挟んで対向する位置にシャワー板36が設置されている。シャワー板はアース線4に接続されており、対向電極として機能する。貫通孔37から矢印Aのようにガスを供給し、電源21から高周波電力を投入することによって、空間14A、14Bにプラズマを生成させることができる。
【0040】
ここで、電極機能部18のインピーダンスと電極機能部17のインピーダンスとを異ならせることによって、空間14Aにおけるプラズマ密度と、空間14Bにおけるプラズマ密度とを異ならせることが可能である。
【0041】
【実施例】
(実施例1)
図1、図2に示したプラズマ発生装置を製造し、プラズマを発生させた。ただし、容器1、9の材質は純度99.9%のアルミナ質セラミック焼結体とした。容器9の外径を60mmとし、内径を54mmとし、肉厚を3mmとし、長さを300mmとした。容器1の外径を110mmとし、内径を86mmとし、内壁部1cの肉厚を3mmとし、外壁部1bの肉厚を4mmとした。各容器1、9の内部空間1g、9gに、それぞれ粒径100〜200μmのアルミニウム粒子を充填した。充填率は62%である。蓋3、12はアルミニウム合金(A5052)製の蓋を使用した。
【0042】
空間14に例えばNF3ガスを窒素ガスと共に流し、ICP(13.56Hz、出力800W)で励起することによって、空間14にプラズマを発生させることができる。
【0043】
(実施例2)
図3、図4に示すプラズマ発生装置を作製した。ただし、容器15は、イットリアを5重量%添加した窒化アルミニウム質の円板とし、その外径を195mmとし、内径を185mmとし、肉厚を1〜5mmとし、厚さを18mmとした。容器15の内部空間15gの外周部(直径で中心から150mm〜外周縁まで)に、誘電率が約300のチタン酸ストロンチウムからなる粒子(粒径100〜400μm)を充填し、電極機能部18を作製した。また、内部空間15gの内周部(直径で中心から150mmの範囲内)には、誘電率約70のBaO−Sm2O3−TiO2系誘電材からなる粒子(粒径100〜400μm)を充填し、電極機能部17を作製した。充填率は50〜60%であった。蓋16はアルミニウム合金(A5052)によって製造した。ボルト22および締結具24の材質はアルミニウム合金(A5052)とした。
【0044】
この電極装置26をチャンバー内に設置した。リング31の材質はシリコンとした。シャワー板36の材質はアルミニウムとした。
【0045】
空間14A、14BにNF3ガスを窒素ガスと共に流し、ICP(13.56Hz、出力800W)で励起することによって、空間14A、14Bにプラズマを発生させることができる。本例では、外周側の電極機能部18の誘電率が電極機能部17の誘電率よりも大きい。従って、外周側の空間14Aのプラズマ密度は、内周側の空間14Bのプラズマ密度よりも大きくなる。
【0046】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の電極装置によれば、電極機能部と電極装置表面との間隔を制御しやすくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る電極装置8および10を概略的に示す断面図である。
【図2】電極装置8および10を概略的に示す横断面図である。
【図3】電極装置26を概略的に示す断面図である。
【図4】電極装置26をチャンバー内に設置した状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
1、9、15 容器 1a、9a 袋管状の端部 1b 外壁部 1c 内壁部 1d、9d、15b 容器1、9、15の表面 1e、9c、15f 容器の開放端部 1f、9f、15c 容器の内壁面 1g、9g、15g 容器の内部空間 2、11、17、18 粒子からなる電極機能部 3、12、16 蓋(封止材を兼ねた端子) 4 アース線 6A、6B 封止材 8、10、26 電極装置 15a 上板部 15d 側板部 15e 下板部 17 交流電源 23 開口 33、33A、33B、34 粒子
Claims (6)
- 容器と、この容器の内部空間に充填されている粒子からなる電極機能部とを備えており、前記粒子の少なくとも一部が、導電性材料または比誘電率が12以上の誘電性材料からなり、前記容器の少なくとも表面が耐蝕性材料からなり、前記耐蝕性材料の比誘電率が10以下であり、前記電極機能部に高周波電力を印加して前記容器の外部空間にプラズマを生成させるためのプラズマ発生用電極装置。
- 前記耐蝕性材料が、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素からなる群より選ばれた一種以上の材質からなるセラミックスあるいはガラスであることを特徴とする、請求項1記載の電極装置。
- 前記内部空間における前記粒子の充填率が40%以上、90%以下であることを特徴とする、請求項1または2記載の電極装置。
- 前記粒子の平均粒径が40μm以上、2mm以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の電極装置。
- 前記内部空間に前記粒子の保護流体が充填されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載の電極装置。
- 前記容器の表面の少なくとも一部が曲面であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つの請求項に記載の電極装置。
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