JP4011347B2

JP4011347B2 - 電極装置

Info

Publication number: JP4011347B2
Application number: JP2002013823A
Authority: JP
Inventors: 玄章大橋; 敏夫大橋; 小林　　廣道; 孝治加藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-01-23
Also published as: JP2003218038A

Description

【０００１】
【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、ＮＦ_３、アンモニア、Ｃｌ_２、Ｈ_２Ｏ_２、Ｏ_２、Ｏ_３、Ｈ_２等を例示できる。また、ハロゲンガスとしては、ＣｌＦ_３、ＮＦ_３、ＣＦ_４、ＷＦ_６、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３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−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２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、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ３−ＳｉＯ_２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ＮＦ_３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−Ｓｍ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２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ＮＦ_３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

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。