JP4517363B2 - プラズマエッチング用シリコン電極板 - Google Patents

Description

この発明は、パーティクル発生が少なくかつ使用寿命の長いプラズマエッチング用シリコン電極板に関するものである。

一般に、半導体集積回路を製造する工程において使用するＳｉウエハをエッチングするためのプラズマエッチング装置は、図４に示されるように、真空容器１内にシリコン電極板２および架台３が間隔をおいて設けられており、架台３の上にＳｉウエハ４を載置し、エッチングガス７をシリコン電極板２に設けられた貫通細孔５を通してＳｉウエハ４に向って流しながら高周波電源６により電極板２と架台３の間に高周波電圧を印加し、高周波電圧の印加によりシリコン電極板２と架台３の間の空間にプラズマ１０を発生させ、このプラズマ１０による物理反応と、シリコン−エッチングガス７による化学反応により、Ｓｉウエハ４の表面をエッチングする装置であることは知られている。シリコン電極板２はカーボンで構成された電極板が使用されたこともあったが、近年、主として単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンからなるシリコン電極板が使用されている。このシリコン電極板を使用してＳｉウエハをプラズマエッチングした場合、シリコン電極板に設けられた貫通細孔５は、シリコン電極板のＳｉウエハに対向する面に向かってラッパ状に広がりながら消耗し、寿命となる。この消耗を極力防止して、シリコン電極板の使用寿命を長くすべく、前記シリコン電極板の貫通細孔内面全面およびウエハと相対向する面（以下、下面という）の全面、さらに必要に応じて上面（下面の反対側の面）の全面に炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンなどのシリコンよりも消耗の少ない耐エッチング膜を形成してなる長寿命のプラズマエッチング用シリコン電極板が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−５１４８５号公報

確かに、従来の耐エッチング膜を形成したパーティクル発生の少ないプラズマエッチング用シリコン電極板は、その使用寿命が延びて長時間のプラズマエッチングが可能となったが、この従来の耐エッチング膜を形成したシリコン電極板を使用してプラズマエッチングを行うと、耐エッチング膜として被覆されている皮膜は炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンから構成されているために、プラズマエッチング開始当初は、実質的に、炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンからなる電極を使用してプラズマエッチングが行われているのと同じ効果を有し、微量の炭素が不純物としてＳｉウエハのエッチング面に付着したり、また前記炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンなどの耐エッチング膜が剥離してパーティクル発生の原因となるなどの問題点があった。

そこで、本発明者等は、かかる課題を解決すべく研究を行った結果、
（イ）厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられている単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンからなるシリコン電極基板の表面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を形成したプラズマエッチング用シリコン電極板は、従来の単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンからなる通常のプラズマエッチング用シリコン電極板に比べて、パーティクルの発生数が同等または格段に少なくなり、さらに消耗速度が減少して使用寿命が向上する、
（ロ）その場合、前記シリコン電極基板の少なくとも下面にシリコンの化学蒸着膜を形成されていることが必要である、
（ハ）前記シリコン電極基板の下面の他にさらに前記シリコン電極基板の貫通細孔の内面にシリコンの化学蒸着膜が形成されることが一層好ましい、
（ニ）前記シリコン電極基板に形成されるシリコンの化学蒸着膜は、上面、下面、側面および貫通細孔の内面を含めて全面に形成されることがさらに一層好ましい、
（ホ）前記シリコン電極基板の表面に形成されるシリコンの化学蒸着膜は、平均粒径１μｍ以下の超微細結晶粒を有することがパーティクル発生を一層抑制する、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の少なくとも下面全面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなるプラズマエッチング用シリコン電極板、
（２）厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の少なくとも下面全面および前記貫通細孔内面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなるプラズマエッチング用シリコン電極板、
（３）厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の表面全面および前記貫通細孔内面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなるプラズマエッチング用シリコン電極板、
（４）前記シリコン電極基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび柱状晶シリコンの内のいずれかからなる前記（１）、（２）、（３）記載のプラズマエッチング用シリコン電極板、に特長を有するものである。
この発明のプラズマエッチング用シリコン電極板を図面に基づいて一層詳細に説明する。
図１は、厚さ方向に平行に貫通細孔５が設けられているシリコン電極基板２の下面８にシリコンの化学蒸着膜１１が形成されたこの発明のプラズマエッチング用シリコン電極板の断面図である。
図２は、厚さ方向に平行に貫通細孔５が設けられているシリコン電極基板２の下面および貫通細孔５の内面にシリコンの化学蒸着膜１１が形成されたこの発明のプラズマエッチング用シリコン電極板の断面図である。
図３は、厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板２の下面８、上面９、側面および貫通細孔５の内面にシリコンの化学蒸着膜１１が形成されたこの発明のプラズマエッチング用シリコン電極板の断面図である。
図１〜３に示されるこの発明のプラズマエッチング用シリコン電極板は、通常の化学蒸着法により通常の単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンからなるシリコン電極基板２の表面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜１１を形成することにより製造することができる。

前述の如く、前記シリコン電極基板２の表面に形成されるシリコンの化学蒸着膜１１は平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒を有するが、シリコンの化学蒸着膜１１の平均粒径が１μｍを越えるとパーティクルの発生が増加し、さらに消耗速度が大きくなって使用寿命が短くなるからである。

この発明のプラズマエッチング用シリコン電極板は、表面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を形成することによりプラズマエッチング中に発生するパーティクルの数が少なくなり、使用寿命が延びてプラズマエッチングによる半導体集積回路を効率良く生産することができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献しうるものである。

この発明のプラズマエッチング用シリコン電極板を実施例に基づいて具体的に説明する。
実施例１
直径：３００ｍｍの単結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：４ｍｍに輪切り切断して単結晶シリコン円板を作製し、この単結晶シリコン円板に内径：２．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：４ｍｍを有する単結晶シリコン電極基板を作製した。

この作製した外径：３００ｍｍを有する単結晶シリコン電極基板を通常の化学蒸着装置に装入しセットし、原料ガスであるモノシラン（ＳｉＨ_４）を化学蒸着装置に導入し、単結晶シリコン電極基板を表１に示される成長温度に加熱し、単結晶シリコン電極基板の下面全面および貫通細孔の内面に、厚さ：１ｍｍを有し表１に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成することにより本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２および比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２を作製した。Ｓｉ化学蒸着膜の平均結晶粒径はＦＥＳＥＭ／ＥＢＳＰ法により結晶粒界と結晶粒（面）と分離した画像を抽出し、この画像から各結晶粒の面積を求め、さらにその面積から円相当径を算出することにより求めた。

さらに、前記単結晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：３ｍｍを有する従来単結晶シリコン電極板を作製した。

このようにして作製した本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２およびＳｉ化学蒸着膜を被覆することのない従来単結晶シリコン電極板をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から２５分間経過した時点でのウエハ表面に付着した粒径：０．１６μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表１に示した。前記パーティクル数の測定は、トプコン製のパーティクルカウンター（ＷＭ−３０００）を使用し、ウエハ表面をレーザ光により走査し、付着したパーティクルからの光散乱強度を測定することによりパーティクルの位置と大きさを認識することにより行った。

さらにエッチング開始から２５分間経過した時点での本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２および従来単結晶シリコン電極板における中心（Ｘを半径とすると、Ｘ＝０の位置）、中心から５０ｍｍ離れた位置および中心から１００ｍｍ離れた位置における浸食深さ（μｍ）（ここで浸食深さとは電極板の厚さの減少量を示す）をそれぞれ測定し、浸食深さ×６０／２５＝消耗速度（μｍ／時）を求め、その結果を表１―１に示した。

実施例２
直径：３００ｍｍの多結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：４ｍｍに輪切り切断して多結晶シリコン円板を作製し、この多結晶シリコン円板に内径：２．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：３ｍｍを有する多結晶シリコン電極基板を作製した。

この作製した外径：３００ｍｍを有する多結晶シリコン電極基板を通常の化学蒸着装置に装入しセットし、原料ガスであるモノシラン（ＳｉＨ_４）を化学蒸着装置に導入し、多結晶シリコン電極基板を表２に示される成長温度に加熱し、多結晶シリコン電極基板の下面全面および貫通細孔の内面に、厚さ：１ｍｍを有し表２に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成することにより本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２および比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２を作製した。Ｓｉ化学蒸着膜の平均結晶粒径はＦＥＳＥＭ／ＥＢＳＰ法により結晶粒界と結晶粒（面）と分離した画像を抽出し、この画像から各結晶粒の面積を求め、さらにその面積から円相当径を算出することにより求めた。

さらに、前記多結晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：４ｍｍを有する従来多結晶シリコン電極板を作製した。

このようにして作製した本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２およびＳｉ化学蒸着膜を被覆することのない従来多結晶シリコン電極板をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から２５分間経過した時点でのウエハ表面に付着した粒径：０．１６μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表２に示した。前記パーティクル数の測定は、トプコン製のパーティクルカウンター（ＷＭ−３０００）を使用し、ウエハ表面をレーザ光により走査し、付着したパーティクルからの光散乱強度を測定することによりパーティクルの位置と大きさを認識することにより行った。

さらにエッチング開始から２５分間経過した時点での本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２および従来多結晶シリコン電極板における中心（Ｘを半径とすると、Ｘ＝０の位置）、中心から５０ｍｍ離れた位置および中心から１００ｍｍ離れた位置における浸食深さ（μｍ）（ここで浸食深さとは電極板の厚さの減少量を示す）をそれぞれ測定し、浸食深さ×６０／２５＝消耗速度（μｍ／時）から消耗速度を求め、その結果を表２―１に示した。

実施例３
直径：３００ｍｍの柱状晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：４ｍｍに輪切り切断して柱状晶シリコン円板を作製し、この柱状晶シリコン円板に内径：２．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：３ｍｍを有する柱状晶シリコン電極基板を作製した。

この作製した外径：３００ｍｍを有する柱状晶シリコン電極基板を通常の化学蒸着装置に装入しセットし、原料ガスであるモノシラン（ＳｉＨ_４）を化学蒸着装置に導入し、柱状晶シリコン電極基板を表３に示される成長温度に加熱し、柱状晶シリコン電極基板の下面全面および貫通細孔の内面に厚さ：１ｍｍを有し、表３に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成することにより本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２および比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２を作製した。Ｓｉ化学蒸着膜の平均結晶粒径はＦＥＳＥＭ／ＥＢＳＰ法により結晶粒界と結晶粒（面）と分離した画像を抽出し、この画像から各結晶粒の面積を求め、さらにその面積から円相当径を算出することにより求めた。

さらに、前記柱状晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍで形成することにより外径：３００ｍｍ、厚さ：４ｍｍを有する従来柱状晶シリコン電極板を作製した。

このようにして作製した本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２およびＳｉ化学蒸着膜を被覆することのない従来柱状晶シリコン電極板をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から２５分間経過した時点でのウエハ表面に付着した粒径：０．１６μｍ以上のパーティクル数を測定し、その結果を表３に示した。前記パーティクル数の測定は、トプコン製のパーティクルカウンター（ＷＭ−３０００）を使用し、ウエハ表面をレーザ光により走査し、付着したパーティクルからの光散乱強度を測定することによりパーティクルの位置と大きさを認識することにより行った。

さらにエッチング開始から２５分間経過した時点での本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２、比較Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２および従来柱状晶シリコン電極板における中心（Ｘを半径とすると、Ｘ＝０の位置）、中心から５０ｍｍ離れた位置および中心から１００ｍｍ離れた位置における浸食深さ（μｍ）（ここで浸食深さとは電極板の厚さの減少量を示す）をそれぞれ測定し、浸食深さ×６０／２５＝消耗速度（μｍ／時）を求め、その結果を表３―１に示した。

表１〜表３−１に示される結果から、
（ａ）Ｓｉ化学蒸着膜を被覆した本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆単結晶シリコン電極板１〜２は、従来単結晶シリコン電極板に比べてパーティクルの発生が同等であり消耗速度が遅いこと、
（ｂ）本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆多結晶シリコン電極板１〜２は、従来多結晶シリコン電極板に比べてパーティクルの発生が格段に少なく消耗速度が遅いこと、
（ｃ）本発明Ｓｉ化学蒸着膜被覆柱状晶シリコン電極板１〜２は従来柱状晶シリコン電極板に比べてパーティクルの発生が格段に少なく消耗速度が遅いこと、などがわかる。

この発明のプラズマエッチング用シリコンシリコン電極板の断面説明図である。 この発明のプラズマエッチング用シリコンシリコン電極板の断面説明図である。 この発明のプラズマエッチング用シリコンシリコン電極板の断面説明図である。 従来のプラズマエッチング装置の断面説明図である。

符号の説明

１：真空容器、２：電極基板、３：架台、４：Ｓｉウエハ、５：貫通細孔、６：高周波電源、７：プラズマエッチングガス、８：下面、９：上面、１０：ブラズマ、１１：シリコンの化学蒸着膜、

Claims (4)

1. 厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の少なくともウエハと相対向する面（以下、下面という）の全面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなることを特徴とするプラズマエッチング用シリコン電極板。
2. 厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の少なくとも下面の全面および前記貫通細孔内面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなることを特徴とするプラズマエッチング用シリコン電極板。
3. 厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているシリコン電極基板の表面全面および前記貫通細孔内面に、平均粒径が１μｍ以下の超微細結晶粒からなるシリコンの化学蒸着膜を被覆してなることを特徴とするプラズマエッチング用シリコン電極板。
4. 前記シリコン電極基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび柱状晶シリコンの内のいずれかからなることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング用シリコン電極板。

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