JP4517370B2 - プラズマエッチング装置用シリコンリング - Google Patents

Description

この発明は、プラズマエッチング装置用シリコンリングに関するものであり、このプラズマエッチング装置用シリコンリングは、上部電極を支持しプラズマ領域をシールするためのシールドリング、ウエハを支持しかつプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させるための支持リング、ウエハを支持することなくウエハの外周に設置してウエハのプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させるためのフォーカスリングなどを含むものである。

一般に、半導体集積回路を製造する工程で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が用いられている。このプラズマエッチング装置は、図１の断面概略説明図に示されるように、真空チャンバー８内に上部電極板２および上下動可能な架台３が間隔をおいて設けられており、上部電極板２は絶縁体１３により真空チャンバー８と絶縁されている。架台３の上には静電チャック９が設けられており、静電チャック９の上に支持リング１と共にウエハ４を載置し、エッチングガス７を拡散部材１１を通したのち上部電極板２に設けられた貫通細孔５を通してウエハ４に向って流しながら高周波電源６により上部電極板２と架台３の間に高周波電圧を印加することができるようになっている。
この高周波電圧が印加された状態で供給されたエッチングガス７は拡散部材１１を通り、上部電極板２に設けられた貫通細孔５を通って上部電極板２と架台３の間の空間でプラズマ１０となり、このプラズマ１０がウエハ４に当ってウエハ４の表面がエッチングされる。

前記発生したプラズマ１０がウエハ４の中心部に集中したり、外周部への拡散するのを阻止して、上部電極２とウエハ４との間に均一なプラズマを発生させ、ウエハの均一なエッチングを行うために、通常、プラズマ発生領域をシールドリング１２で囲っている。さらにウエハ４を支持リング１にはめ込んでプラズマエッチング装置にセットし、ウエハ４を支持すると同時にプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させている（引用文献１参照）。

また、ウエハのプラズマエッチング処理を行うに当って、図２の断面概略説明図に示されるように、ウエハ４を静電チャック９で支持し、ウエハ４の周囲を前記支持リングと同じ形状構造を有するリングで囲んでセットし、それによってウエハ４のプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させている。このウエハ４を直接支持することなくプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させるためにのみ使用するリングを一般にフォーカスリングと称している(引用文献２、３参照)。図２は支持リングと同じ形状構造を有するリングをフォーカスリングとして用いてプラズマエッチング処理を行っている状態を示す断面図であり、その符合はフォーカスリング２１を除いて図１と全く同じであるから、図２における符号の説明は省略する。

従来の支持リングは、下部にウエハを支持するための内段を有し、かつ上面および下面が平行な面で構成されている。また従来のフォーカスリングは支持リングとほぼ同じ形状構造を有しており、ウエハを直接支持することなくプラズマエッチング処理の面内均一性を向上させるために使用されている。さらに前記シールドリングは上部電極板を支持する作用も果たしている。前記支持リング、フォーカスリング、シールドリングなどのプラズマエッチング装置用シリコンリングは単結晶シリコン、多結晶シリコン、柱状晶シリコンなどで構成されている。
特開２００１−７０９０号公報 特開２００４−２００３５３号公報 特開２００５−３３０６２号公報

前記プラズマエッチング装置内にプラズマ１０を発生させてウエハ４をエッチングする際に、パーティクルの発生は避けられないが、大量のパーティクルの発生は不良品発生の確率を増加させるので好ましくない。前記パーティクルは大部分がシリコンからなる上部電極板２から発生するが、その他に支持リング１、フォーカスリング２１およびシールドリング１２からも発生することから、支持リング１、フォーカスリング２１およびシールドリング１２からのパーティクルの発生も極力抑えなければならない。

この発明は、パーティクルの発生の少ない支持リング１、フォーカスリング２１、シールドリング１２などのプラズマエッチング装置用シリコンリングを提供することを目的とするものである。

本発明者等は、パーティクル発生の少ないプラズマエッチング装置用シリコンリングを提供すべく研究を行った。その結果、
（イ）平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成された支持リングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の平均粒径：５〜１０ｍｍの範囲内にある結晶粒からなる多結晶シリコンで構成された支持リングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、プラズマエッチング中に発生するパーティクルの数が格段に少なくなり、また、前記平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成された支持リングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の単結晶シリコンまたは柱状晶シリコンで構成された支持リングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、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い、
（ロ）平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたフォーカスリングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の平均粒径：５〜１０ｍｍの範囲内にある結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたフォーカスリングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、プラズマエッチング中に発生するパーティクルの数が格段に少なくなり、また、前記平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたフォーカスリングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の単結晶シリコンまたは柱状晶シリコンで構成されたフォーカスリングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、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い、
（ハ）平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたシールドリングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の平均粒径：５〜１０ｍｍの範囲内にある結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたシールドリングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、プラズマエッチング中に発生するパーティクルの数が格段に少なくなり、また、前記平均粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されたシールドリングを用いてプラズマエッチングを行うと、通常の単結晶シリコンまたは柱状晶シリコンで構成されたシールドリングを用いてプラズマエッチングを行う場合よりも、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い、などの知見を得たのである。

この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）平均結晶粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されているプラズマエッチング装置用シリコンリング、
（２）前記プラズマエッチング装置用シリコンリングは、支持リング、フォーカスリングまたはシールドリングである前記（１）記載のプラズマエッチング装置用シリコンリング、に特徴を有するものである。

この発明の平均結晶粒径：１μｍ以下の超微細多結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されているプラズマエッチング装置用シリコンリングを製造するには、先ず、シリコン基板を用意し、このシリコン基板の表面に厚いシリコン化学蒸着膜を形成する。このシリコン化学蒸着膜は超微細な多結晶からなり、その平均結晶粒径は化学蒸着時の成長温度を制御することにより調整することができ、その成長温度は低いほど微細な平均結晶粒径を有する化学蒸着膜が形成されるが、成長速度は遅くなることから、平均結晶粒径：１μｍ以下の超微細多結晶シリコンからなる化学蒸着膜を効率良く形成するには、成長温度が１０００℃以下（一層好ましくは８００〜９００℃）の範囲内にあることが好ましい。

このように温度制御して作製したシリコン基板の表面に厚いシリコン化学蒸着膜を形成したのち、シリコン基板を切削、研削などの機械加工を行うことにより厚いシリコン化学蒸着膜から切り離し、この切り離された厚いシリコン化学蒸着膜をリング状に加工することにより製造することができる。

この発明のプラズマエッチング装置用シリコンリングを使用すると、プラズマエッチングを長期間行ってもパーティクル発生が少なく、コスト削減することができると共にプラズマエッチングによる半導体集積回路の不良品発生を大幅に減らすことができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献しうるものである。

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に切断して円板の単結晶シリコン基板を作製し、この単結晶シリコン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、単結晶シリコン基板の表面に厚さ：６ｍｍを有し表１に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成した。次に、この表面にＳｉ化学蒸着膜が形成された単結晶シリコン基板における単結晶シリコン基板を研削により除去することにより厚さ：５ｍｍを有するＳｉ化学蒸着膜からなる円板を取り出した。このＳｉ化学蒸着膜からなる円板を切削加工することにより外径：３００ｍｍ、大内径：２０５ｍｍ、小内径：１９５ｍｍを有する段付きの本発明超微細多結晶シリコン支持リング１〜２および比較超微細多結晶シリコン支持リング１〜２を作製した。

このＳｉ化学蒸着膜からなる本発明超微細多結晶シリコン支持リング１〜２および比較超微細多結晶シリコン支持リング１〜２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、いずれも外径：３００ｍｍ、大内径：２０５ｍｍ、小内径：１９５ｍｍを有する段付きの厚さ：５ｍｍを有する従来単結晶シリコン支持リング、従来多結晶シリコン支持リング（平均結晶粒径：５ｍｍ）および従来柱状晶シリコン支持リングを用意した。

このようにして作製した本発明超微細多結晶シリコン支持リング１〜２および比較本発明超微細多結晶シリコン支持リング１〜２、並びに先に用意した従来単結晶シリコン支持リング、従来多結晶シリコン支持リングおよび従来柱状晶シリコン支持リングをエッチング装置にセットし、さらに予め熱処理により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。

表１に示される結果から、本発明超微細多結晶シリコン支持リング１〜２は、比較超微細多結晶シリコン支持リング１〜２、従来単結晶シリコン支持リング、従来多結晶シリコン支持リングおよび従来柱状晶シリコン支持リングに比べてパーティクルの発生が少なく、また消耗速度が遅いことから使用寿命が長いことがわかる。

実施例２

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に切断して円板の単結晶シリコン基板を作製し、この単結晶シリコン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、単結晶シリコン基板を表２に示される成長温度に加熱し、単結晶シリコン基板の表面に厚さ：６ｍｍを有し表２に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成した。次に、この表面にＳｉ化学蒸着膜が形成された単結晶シリコン基板における単結晶シリコン基板を研削により除去することにより厚さ：５ｍｍを有するＳｉ化学蒸着膜からなる円板を取り出した。このＳｉ化学蒸着膜からなる円板を切削加工することにより外径：３００ｍｍ、大内径：２０５ｍｍ、小内径：１９５ｍｍを有する段付きの本発明超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２および比較超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２を作製した。

このＳｉ化学蒸着膜からなる本発明超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２および比較超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２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、いずれも外径：３００ｍｍ、大内径：２０５ｍｍ、小内径：１９５ｍｍを有する段付きの厚さ：５ｍｍを有する従来単結晶シリコンフォーカスリング、従来多結晶シリコンフォーカスリング（平均結晶粒径：５ｍｍ）および従来柱状晶シリコンフォーカスリングを用意した。

このようにして作製した本発明超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２および比較本発明超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２、並びに先に用意した従来単結晶シリコンフォーカスリング、従来多結晶シリコンフォーカスリングおよび従来柱状晶シリコンフォーカスリングをエッチング装置にセットし、さらに予め熱処理により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。

表２に示される結果から、本発明超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２は、比較超微細多結晶シリコンフォーカスリング１〜２、従来単結晶シリコンフォーカスリング、従来多結晶シリコンフォーカスリングおよび従来柱状晶シリコンフォーカスリングに比べてパーティクルの発生が少なく、また消耗速度が遅いことから使用寿命が長いことがわかる。

実施例３
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に切断して円板の単結晶シリコン基板を作製し、この単結晶シリコン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、単結晶シリコン基板を表３に示される成長温度に加熱し、単結晶シリコン基板の表面に厚さ：６ｍｍを有し表３に示される平均結晶粒径を有するＳｉ化学蒸着膜を形成した。次に、この表面にＳｉ化学蒸着膜が形成された単結晶シリコン基板における単結晶シリコン基板を研削により除去することにより厚さ：５ｍｍを有するＳｉ化学蒸着膜からなる円板を取り出した。このＳｉ化学蒸着膜からなる円板を切削加工することにより外径：３００ｍｍ、大内径：２８０ｍｍ、小内径：２４０ｍｍを有する段付きの本発明超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２および比較超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２を作製した。

このＳｉ化学蒸着膜からなる本発明超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２および比較超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２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、いずれも外径：３００ｍｍ、大内径：２８０ｍｍ、小内径：２４０ｍｍを有する段付きの厚さ：５ｍｍを有する従来単結晶シリコンシールドリング、従来多結晶シリコンシールドリング（平均結晶粒径：５ｍｍ）および従来柱状晶シリコンシールドリングを用意した。

このようにして作製した本発明超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２および比較本発明超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２、並びに先に用意した従来単結晶シリコンシールドリング、従来多結晶シリコンシールドリングおよび従来柱状晶シリコンシールドリングをエッチング装置にセットし、さらに予め熱処理により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。

表３に示される結果から、本発明超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２は、比較超微細多結晶シリコンシールドリング１〜２、従来単結晶シリコンシールドリング、従来多結晶シリコンシールドリングおよび従来柱状晶シリコンシールドリングに比べてパーティクルの発生が少なく、また消耗速度が遅いことから使用寿命が長いことがわかる。

従来のプラズマエッチング装置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：支持リング、２：上部電極板、３：架台、４：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：真空チャンバー、９：静電チャック、１０：ブラズマ、１１：拡散部材、１２：シールドリング、１３：絶縁体、２１：フォーカスリング

Claims (2)

1. 平均結晶粒径：１μｍ以下の超微細結晶粒からなる多結晶シリコンで構成されていることを特徴とするプラズマエッチング装置用シリコンリング。
2. 前記プラズマエッチング装置用シリコンリングは、支持リング、フォーカスリングまたはシールドリングであることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング装置用シリコンリング。
   

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