JP5513104B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマにより被処理体に所望の処理を施すプラズマ処理装置に関し、より詳しくは、プラズマ処理装置に用いられる電極の構造に関する。

プラズマの作用により被処理体上にエッチングや成膜等の微細加工を施す装置としては、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置、誘導結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等が実用化されている。このうち、平行平板型プラズマ処理装置では、対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくともいずれかに高周波電力を印加し、その電界エネルギーによりガスを励起させてプラズマを生成し、生成された放電プラズマによって被処理体を微細加工する。

近年の更なる微細化の要請に伴い、１００ＭＨｚ程度の比較的高い周波数を持つ電力を供給し、高密度プラズマを生成することが不可欠になってきている。供給される電力の周波数が高くなると、高周波の電流が、表皮効果により電極のプラズマ側の表面を端部側から中心側に向かって流れる。これによれば、図３（ｃ）に示したように、電極１０５の中心側の電界強度Ｅが電極１０５の端部側の電界強度Ｅより高くなる。このため、電極の中心側にてプラズマの生成に消費される電界エネルギーは、電極の端部側にてプラズマの生成に消費される電界エネルギーよりも大きくなり、電極の端部側よりも電極の中心側にてガスの電離や解離が促進される。この結果、中心側のプラズマの電子密度Ｎ_ｅは、端部側のプラズマの電子密度Ｎ_ｅより高くなる。プラズマの電子密度Ｎ_ｅが高い電極の中心側ではプラズマの抵抗率が低くなるため、対向電極でも電極の中心側に高周波（電磁波）による電流が集中して、プラズマ密度が不均一になる。

これに対して、プラズマ密度の均一性を高めるために、電極のプラズマ面の中心部分にセラミックス等の誘電体を埋設することも提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。その際、プラズマの均一性をより高めるために、図３（ｂ）に示したように、電極１０５に埋設する誘電体２０５をテーパ状に形成し、誘電体２０５の周辺の厚さを傾斜に応じて薄くする方法も提案されている。この場合、誘電体２０５の端部では中心部よりキャパシタンス成分が大きくなるため、フラット構造の誘電体２０５を埋設した場合より誘電体２０５の端部にて電界強度Ｅが低下しすぎず、電界強度がより均一になる。

特開２００４−３６３５５２号公報

しかしながら、図３（ｂ）に示した電極１０５は、上部基材１０５ａが金属、誘電体２０５がセラミックスから形成される。このため、上部基材１０５ａにテーパ状の誘電体２０５が嵌め込まれた状態でプロセス中に加熱及び冷却を繰り返すことによって、熱膨張差により両者の接合部分に応力的な無理が生じ、電極１０５にクラックやチャンバ内の汚染が生じてしまう。

これを考慮して誘電体２０５と上部基材１０５ａとの間に適当な隙間を設けることも考えられる。しかしながら、誘電体２０５がテーパ状であると、機械加工上の精度によりテーパ部分での寸法精度が悪くなる。この結果、誘電体２０５のテーパ部分に熱膨張差による応力集中が生じる。接合界面の寸法公差のバラツキや誘電体２０５の厚みの違いにより熱伝導差が生じることによっても応力集中が生じる。この応力集中は、接合界面の接着剤を剥離させる。剥離した接着剤は、誘電体２０５と上部基材１０５ａとの熱膨張係数の違いにより隙間から出てくることによりチャンバ内の汚染の原因となる。

上記問題に鑑み、本発明は、安定して高周波の電界強度を制御することが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、減圧可能な処理容器内に第１の電極を設け、前記処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、所望の誘電体から形成された基材に、該基材と同じ材質の誘電体を嵌め込み、前記基材と前記誘電体との間を導電性接着層により接着固定し、前記基材を覆い、前記導電性接着層と電気的に接続され、前記導電性接着層とほぼ同電位の金属層を備えることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

これによれば、従来金属にて形成された電極の基材と基材に嵌め込む誘電体とを同一素材で形成し、両者を導電性接着層により接着して固定させる。これにより、熱膨張差のない安定した構造の電極を構成することができる。つまり、基材と誘電体が同一素材であるため、熱膨張差が発生せず、応力によるクラックやチャンバ内の汚染の問題は生じない。また、同一素材を接着するため、接着が容易であり、メタライズの接合剤など理想的な接合方法が採用できる。

また、これによれば、従来と同様に高周波の電流が第１の電極の金属表面を流れる際、基材に嵌め込まれた誘電体に応じたキャパシタンスにより高周波のエネルギーに分散が生じ、高周波の電界強度を低下させることができる。これにより、第１の電極のプラズマ側の面の高周波の電界強度を均一にすることができる。

たとえば、前記導電性接着層をグラウンド電位にすることにより、前記高周波電力のパワーを前記誘電体の位置に基づき変化させてもよい。

また、たとえば、前記導電性接着層を所望の電位にすることにより、前記高周波電力のパワーを前記誘電体の位置に基づき変化させてもよい。

前記導電性接着層の抵抗率は、１０^−６〜１０^−２Ωｃｍであってもよい。

前記基材及び前記誘電体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されてもよい。

前記誘電体は、プラズマ密度が高くなる位置にパターン化されて配置されてもよい。

前記誘電体は、その中心が前記基材の中心と一致するように配置されてもよい。

前記誘電体の厚さは、内側が厚く外側が薄くてもよい。

前記誘電体は、テーパ状であってもよい。

前記処理容器の内部にて前記第１の電極に対向して配置される第２の電極を備え、前記第１及び第２の電極のいずれかに、前記高周波電力が供給され、前記第１及び第２の電極のいずれかに、被処理体が載置されてもよい。

前記第１の電極のプラズマ側の面は、交換可能な消耗天板部によりカバーされていてもよい。

前記第１の電極は、上部電極であり、前記上部電極には、複数のガス導入管が貫通していてもよい。

前記上部電極の誘電体上方には、前記複数のガス導入管と連通し、ガスを拡散するガス拡散部が設けられてもよい。

前記金属層は、基材の上面及び下面をそれぞれ覆い、前記基材を貫通する導電柱に電気的に接続されていてもよい。

前記金属層は、基材の上面及び下面をそれぞれ覆い、前記基材の外周側面側から前記基材を前記処理容器に固定するクランプに電気的に接続されていてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の態様によれば、減圧可能な処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置用の電極であって、前記電極は、
前記処理容器内に設けられ、所望の誘電体から形成された基材に、該基材と同じ材質の誘電体を嵌め込み、前記基材と前記誘電体との間を導電性接着層により接着固定し、前記導電性接着層と電気的に接続され、前記導電性接着層とほぼ同電位の金属層が前記基材を覆うように設けられることにより形成されることを特徴とするプラズマ処理装置用の電極が提供される。

以上説明したように、本発明によれば、安定して高周波の電界強度を制御することが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の各実施形態に係るＲＩＥプラズマエッチング装置の縦断面図である。 各実施形態に係るＲＩＥプラズマエッチング装置を流れる高周波を説明するための図である。 上部電極の構造と電界強度との関係を示した図である。 第１実施形態に係る上部電極の断面図である。 第２実施形態に係る上部電極の断面図である。 第２実施形態の変形例に係る上部電極の一部の断面図である。 第２実施形態の他の変形例に係る上部電極の一部の断面図である。 第３実施形態に係る上部電極の断面図である。 上部電極の他の一例を示した断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより、重複説明を省略する。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る電極構造を有したプラズマ処理装置について説明する。

（プラズマ処理装置の全体構成）
図１に第１実施形態に係る電極を用いたＲＩＥプラズマエッチング装置（平行平板型プラズマ処理装置）を示す。ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の一例である。

ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、減圧可能な処理容器１００を有する。処理容器１００は、小径の上部チャンバ１００ａと大径の下部チャンバ１００ｂとから形成されている。処理容器１００は、たとえばアルミニウム等の金属から形成され、接地されている。

処理容器の内部では、上部電極１０５及び下部電極１１０が対向配設され、これにより、一対の平行平板電極が構成されている。ウエハＷは、ゲートバルブＶから処理容器１００の内部に搬入され、下部電極１１０に載置される。処理容器内では、処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマが生成される。下部電極１１０のウエハＷは、そのプラズマによりエッチング処理される。本実施形態では、上部電極１０５が第１の電極、下部電極１１０が第２の電極として説明を続けるが、第１の電極は上部電極１０５であっても下部電極１１０であってもよい。

上部電極１０５は、上部基材１０５ａ、及び上部基材１０５ａ直上にて上部基材１０５ａとともにシャワーヘッドを形成するガス拡散部（導電体のベースプレート）１０５ｂを有している。ガスは、ガス供給源１１５から供給され、ガス拡散部１０５ｂにて拡散された後、ガス拡散部１０５ｂに形成された複数のガス通路から上部基材１０５ａの複数のガス穴１０５ｃに通され、処理容器内に導入される。

下部電極１１０は、アルミニウム等の金属から形成された下部基材１１０ａが絶縁層１１０ｂを介して支持台１１０ｃに支持されて構成され、電気的に浮いた状態になっている。支持台１１０ｃの下方部分はカバー１１５にて覆われている。支持台１１０ｃの下部外周には、バッフル板１２０が設けられていてガスの流れを制御する。

下部電極１１０には、冷媒室１１０ａ１が設けられていて、冷媒導入管１１０ａ２のイン側から導入された冷媒が、冷媒室１１０ａ１を循環し、冷媒導入管１１０ａ２のアウト側から排出される。これにより、下部電極１１０を所望の温度に制御する。

下部電極１１０直上の静電チャック機構１２５では、絶縁部材１２５ａに金属シート部材１２５ｂが埋め込まれている。電極部１２５ｂには直流電源１３５が接続され、直流電源１３５から出力された直流電圧が電極部１２５ｂに印加されることにより、ウエハＷは下部電極１１０に静電吸着される。静電チャック機構１２５の外周には、たとえばシリコンにて形成されたフォーカスリング１３０が設けられていて、プラズマの均一性を維持する役割を果たしている。

下部電極１１０は、第１の給電棒１４０を介して第１の整合器１４５及び第１の高周波電源１５０に接続されている。処理容器内のガスは、第１の高周波電源１５０から出力された高周波の電界エネルギーにより励起され、これにより生成された放電型のプラズマによってウエハＷにエッチング処理が施される。

下部電極１１０はまた、第１の給電棒１４０から分岐した第２の給電棒１５５を介して第２の整合器１６０及び第２の高周波電源１６５に接続されている。第２の高周波電源１６５から出力された、たとえば３．２ＭＨｚの高周波はバイアス電圧として下部電極１１０へのイオンの引き込みに使われる。

処理容器１００の底面には排気口１７０が設けられ、排気口１７０に接続された排気装置１７５を駆動することにより、処理容器１００の内部を所望の真空状態に保つようになっている。

上部チャンバ１００ａの周囲には、マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂが配置されている。マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂは、複数の異方性セグメント柱状磁石がリング状の磁性体のケーシングに取り付けられていて、隣接する複数の異方性セグメント柱状磁石同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されている。これにより、磁力線が隣接するセグメント磁石間に形成され、上部電極１０５と下部電極１１０との間の処理空間の周辺部のみに磁場が形成され、処理空間にプラズマを閉じこめるように作用する。

図２に示したように、第１の高周波電源１５０から、たとえば１００ＭＨｚの高周波電力が下部電極１１０に印加されると、表皮効果により高周波の電流は、下部電極１１０の表面を伝搬して、下部電極１１０の上部表面を端部から中央部に向けて伝搬する。これによれば、下部電極１１０の中心側の電界強度が下部電極１１０の端部側の電界強度より高くなり、下部電極１１０の中心側では端部側よりガスの電離や解離が促進される。この結果、下部電極１１０の中心側のプラズマの電子密度Ｎ_ｅは、端部側のプラズマの電子密度Ｎ_ｅより高くなる。プラズマの電子密度Ｎ_ｅが高い下部電極１１０の中心側ではプラズマの抵抗率が低くなるため、対向する上部電極１０５においても上部電極１０５の中心側に高周波による電流が集中して、さらにプラズマ密度の不均一が高まる。その結果、図３（ｃ）に示したように、上部電極のプラズマ側の面の電界強度Ｅは中心部が周辺部より高くなる。

これに対して、プラズマ密度の均一性を高めるために、図３（ｂ）では上部電極１０５のプラズマ面の中心部分にテーパ状のセラミックス等の誘電体２０５を埋設する。誘電体２０５はテーパ状であって、中心の厚みが外周側より薄くなるように形成されている。これによれば、誘電体２０５の端部では中心部よりキャパシタンス成分が大きくなるため、誘電体２０５の中心部では端部より高周波のエネルギーに分散が生じ、高周波の電界強度を低下させることができる。これにより、電界強度Ｅがより均一になる。

しかしながら、金属の上部基材１０５ａにテーパ状の誘電体２０５を嵌め込む構造では、上部電極１０５の加熱及び冷却の繰り返しによって熱膨張差が生じ、両者の接合部分に応力的な無理が生じてクラックやチャンバ内の汚染が生じる。これに対して誘電体２０５と上部基材１０５ａとの間に適当な隙間を設けることも考えられるが、特に誘電体２０５がテーパ状であるため、熱膨張差による隙間の管理は困難である。

そこで、本実施形態に係る上部電極１０５では、誘電体の上部基材１０５ａにこの上部基材１０５ａと同じ材質の誘電体２０５を嵌め込み、上部基材１０５ａと誘電体２０５との間を導電性接着層２１０ａにより接着固定させ、上部基材１０５ａと誘電体２０５との間に隙間を設けない構成とする。

これによれば、上部基材１０５ａと誘電体２０５とが同一素材であるため、熱膨張差が発生せず、応力による破壊は生じない。また、同一素材を接着するため、接着が容易であり、メタライズの接合剤など理想的な接合方法が採用できる。

（電極構造）
以下、本実施形態に係る電極構造について図３（ａ）を参照しながらさらに詳しく説明する。上述したように、上部電極１０５は、上部基材１０５ａ、誘電体２０５、導電性接着層２１０ａを有する。上部基材１０５ａは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成されている。しかしながら、上部基材１０５ａは、これに限られず、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかの誘電体であってもよい。上部基材１０５ａがアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合、熱伝導の観点から熱伝導率は約３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上必要である。同様に、上部基材１０５ａが窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の場合、熱伝導率は３０〜７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度必要であり、上部基材１０５ａが窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合、熱伝導率は約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上必要である。

上部基材１０５ａの中央には、テーパ状のくぼみが形成されている。誘電体２０５は、上部基材１０５ａのテーパ状のくぼみに嵌め込むことができる大きさに形成されている。誘電体２０５についても上部基材１０５ａと同材であって、熱伝導率はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合、約３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上必要であり、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の場合、３０〜７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度必要であり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合、約１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上必要である。

上部基材１０５ａと誘電体２０５とは、導電性接着層２１０ａにより接合される。導電性接着層２１０ａは、上部基材１０５ａと誘電体２０５とのテーパ部分に塗布され、上部基材１０５ａと誘電体２０５とを接着する。接合方法は、高温及び高圧力状態にて導電性接着層２１０ａを溶解させ、溶解された導電性接着層２１０ａを上部基材１０５ａと誘電体２０５との間に塗布して張り合わせる（メタライズ）。しばらくすると導電性接着層は固まり、上部基材１０５ａと誘電体２０５との間でメタル層である導電性接着層２１０ａとなって上部基材１０５ａと誘電体２０５とを一体接合する。

上部基材１０５ａの下面及び上面には、金属層２１５と上部基材１０５ａとの間に導電性接着層２１０ｂが挟み込まれている。上部基材１０５ａの下面の導電性接着層２１０ｂは、導電性接着層２１０ａと繋がっている。金属層２１５は、アルミニウム等の金属溶射により形成されていてもよい。

金属層２１５の厚さは、上記接合部分に形成された導電性接着層２１０ａの厚さと同じであってもよいが、厚いほうがより好ましい。導電性接着層２１０ａ、２１０ｂの抵抗率は、１０^−６〜１０^−２Ωｃｍが好ましいが、より好ましいのは１０^−５Ωｃｍ程度である。また、金属層２１５の抵抗率は、５×１０^−５Ωｃｍ程度が好ましい。金属層２１５は、上記接合部分に形成された導電性接着層２１０ａ、２１０ｂと確実に電気接続され、これにより導電性接着層２１０ａ、２１０ｂと金属層２１５とを同電位にすることができる。

本実施形態では、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５は処理容器１００に接続され、それらの表面はグラウンド面として機能する。かかる構成によれば、上部基材１０５ａの誘電体表面はグラウンド面で覆われているため、上部基材１０５ａの誘電部分は表面に現れず、上部基材１０５ａはあたかも金属基材として機能する。よって、上部電極１０５のうち誘電体２０５のみが高周波のエネルギーの分散に寄与する。

つまり、高周波の電流が導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５の表面を流れる際、誘電体２０５に応じたキャパシタンスにより高周波のエネルギーに分散が生じ、高周波の電界強度を低下させることができる。これにより、上部電極１０５のプラズマ側の面からでる高周波の電界強度を均一にすることができる。

（ガス経路）
次に、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に設けられたガス経路について、図４を参照しながら説明する。上部基材１０５ａ及び誘電体２０５は、一体接合後にガス経路が形成される。具体的には、ガス経路形成用セラミックチューブ３０５により上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に貫通経路を形成する。ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に均等に複数配置される。これにより、上部電極１０５にガス導入管が形成される。ガス導入管は、ガス拡散部１０５ｂと連通している。ガス拡散部１０５ｂにて拡散されたガスは、ガス導入管を通って複数のガス孔１０５ｃからプラズマ側に向けて均一にガスが導入される。上部基材１０５ａ及び誘電体２０５には、一体接合前にガス経路が形成されていてもよい。

ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、石英（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）のいずれかから形成されていてもよい。ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５と同じ材質であることが好ましいが、異なる材質であってもよい。

ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、セラミックチューブ接着層３１０を介して上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に接着される。ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、圧着できなくても工程的に成立するならばメタライズでもよい。セラミックチューブ接着層３１０の耐ラジカル消耗性は重視されないが、常用で２２０℃、瞬間で２５０℃程度の耐熱性が必要である。

一体接合された上部基材１０５ａ及び誘電体２０５のプラズマ側の面は、表面溶射層３１５により覆われている。表面溶射層３１５は、溶射により耐プラズマ性の高いイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）の被膜を上部基材１０５ａ及び誘電体２０５の表面に施すことにより形成される。

以上に説明したように、本実施形態によれば、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５をグラウンド電位にすることにより、上部基材１０５ａをあたかも金属板として機能させることができ、これにより誘電体２０５に基づいて高周波電力のパワーを変化させることができる。この結果、上部電極１０５の下面（プラズマ側面）の高周波電界強度を均一にすることができる。

上部電極１０５には、複数のガス孔１０５ｃが処理容器内部に向けて均等に開口している。これにより、複数のガス孔１０５ｃから導入されたガスを上部電極１０５下の均一な高周波電界により均一に電離、解離させ、均一なプラズマを生成する。

また、本実施形態によれば、上部基材１０５ａと誘電体２０５とは同一素材であるため、熱膨張差が発生せず、応力によるクラックやチャンバ内の汚染の問題を解消することができる。さらに、上部基材１０５ａと誘電体２０５が同一素材ということは、上部基材１０５ａと誘電体２０５との接合を容易にするため、理想的な接合方法を採用することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る電極の構造について、図５を参照しながら説明する。本実施形態に係る電極も、第１実施形態にて説明したＲＩＥプラズマエッチング装置１０の上部電極１０５に適用することができる。

（ガス経路）
本実施形態においても、上部基材１０５ａと誘電体２０５は同一素材で形成されている。よって、熱膨張差が発生せず、応力によるクラックやチャンバ内の汚染は生じない。また、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂは、グラウンド層として機能する金属層２１５と接続されているためグラウンド電位となっている。かかる構成によれば、上部基材１０５ａをあたかも金属板として機能させることができ、これにより高周波電力のパワーを誘電体２０５に基づき変化させ、高周波電界を均一にさせて均一なプラズマを生成することができる。

導電性接着層２１０ａ、２１０ｂは、抵抗率が１０^−６〜１０^−２Ωｃｍの高電気伝送層である点、上部基材１０５ａと誘電体２０５との接合面以外にある金属層２１５が導電性接着層２１０ａ、２１０ｂと確実に電気的に接続されていなければならない点は第１実施形態と同じである。

また、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５にガス経路形成用セラミックチューブ３０５により貫通経路が形成される点、ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、セラミックチューブ接着層３１０を介して上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に接着される点、ガス経路形成用セラミックチューブ３０５は、圧着できなくても工程的に成立するならばメタライズでもよい点、セラミックチューブ接着層３１０は、常用で２２０℃、瞬間で２５０℃程度の耐熱性が必要である点も第１実施形態と同じである。

一方、第２実施形態では、一体接合された上部基材１０５ａ及び誘電体２０５の下面は、天板接着層４００を介して消耗天板部４０５により覆われている。天板接着層４００は、着脱可能な接着剤である。よって、消耗天板部４０５は交換可能である。

図５の下部にガス孔１０５ｃ近傍の拡大図を示した通り、ガス孔１０５ｃの内壁に天板接着層４００を露出させない構造となっている。消耗天板部４０５は、処理室内を金属汚染させないように、ある程度の耐プラズマ性が必要とされる。消耗天板部４０５は、たとえば、石英（ＳｉＯ_２）、サファイア、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等を用いることができる。消耗天板部４０５を石英等から形成すると熱伝導が悪いため、消耗天板部４０５を天板接着層４００により電極側に接着固定することにより、ねじ止めよりも密着性を高め、熱伝導をよくする工夫が施されている。

消耗天板部４０５には、ガス孔１０５ｃと連通する開口４０５ａが形成されている。消耗天板部４０５交換時のメンテナンスを考慮して、開口４０５ａはガス孔１０５ｃより若干大きな径を有している。つまり、消耗天板部４０５の開口４０５ａはガス孔１０５ｃより若干大きいため、リペア交換時のガス経路の位置合わせを容易にすることができる。

本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え、プラズマにより消耗天板部４０５に所定以上のダメージが与えられ、消耗天板部４０５が消耗したとき、天板接着層４００により消耗天板部４０５が着脱され、新たな消耗天板部４０５を接着することができる。これにより、交換困難な上部電極本体（上部基材１０５ａ及び誘電体２０５）のプラズマによる損傷から電極本体を効果的に保護することができる。これにより、電極の寿命を延ばしてプロセスの安定とコストの低減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、セラミックチューブ接着層３１０の下端部Ａに耐プラズマ性があり、かつ交換可能な消耗天板部４０５により覆われ、プラズマに暴露されないため、たとえばプラズマ中の酸素ラジカルに反応してセラミックチューブ接着層３１０が薄くやせてしまうことを回避することができる。

＜第２実施形態の変形例＞
次に、本発明の第２実施形態の変形例に係る電極の構造について、図６を参照しながら説明する。本変形例に係る電極の金属層２１５ａ、２１５ｂはメタライズにより形成される。メタライズでは、ロー材を上部基材１０５ａの表面に塗り、高炉に入れて形成する。高炉に入れたロー材は高温により溶解する。そのため、メタライズにより金属層２１５ａ、２１５ｂを形成するためにはロー材を何らかの部材で挟み込まなければならない。

そこで、本変形例では、次の（１）〜（６）の工程を含む製造方法により上部電極１０５を製造する。
（１）天板接着層４００により消耗天板部４０５を金属層２１５ａに着脱可能に接着する。
（２）金属層２１５ａの上面及び側面、誘電体２０５のテーパ面及び上面にロー材を塗る。
（３）ロー材を上部基材１０５ａにて挟み込む。上部基材１０５ａには、基材の外周側にて予め等間隔に貫通口が設けられている。
（４）上部基材１０５ａに設けられた貫通口と同形状の導電柱４６０を貫通口に差し込む。
（５）上部基材１０５ａ及び導電柱４６０の上面にロー材を塗る。
（６）ロー材を金属層２１５ｂにて挟み込む。
（７）この状態で高炉に入れる。

これにより、上部基材１０５ａの上下面では、メタライズされたロー材が、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂとして形成される。金属層２１５ａと金属層２１５ｂとは、導電柱４６０により連結される。これにより、金属層２１５ａと金属層２１５ｂとは電気的に接続され、第２実施形態と同じ効果を奏することができる。なお、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂは、同一金属であってもよく、異なる金属であってもよい。

上部基材１０５ａに形成された貫通口は、なるべく上部基材１０５ａの外周側に設けられている方がよい。また、導電柱４６０は、ロー材の線膨張係数に近い線膨張係数を持つ物質がよいが、ロー材と同じ金属でなくてもよい。例えば、導電柱４６０、金属層２１５ａ、２１５ｂ及びロー材（電性接着層２１０ａ、２１０ｂ）はコバール（登録商標）から形成されていてもよい。導電柱４６０の形状及び配置の一例としては、直径３ｍｍの棒状部材が均等に１６個配置される例が挙げられる。金属層２１５ａ，２１５ｂの厚さは、例えば０．５ｍｍ程度であってもよいが、これに限られない。天板接着層４００の厚さは、例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度であってもよいが、これに限られない。導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５ａ、２１５ｂの厚さは、例えば０．０１ｍｍ程度であってもよいが、これに限られない。

本実施形態では、上記（１）〜（７）の製造工程のみで電極を製造できるため、コストを大幅に低減することができる。

なお、上記（１）〜（７）の製造工程後、上部電極１０５の上面、側面、下面外周にイットリア等を溶射することにより溶射表層４７０を形成し、プラズマ耐性を強化してもよい。溶射表層４７０の厚さは、例えば０．０１ｍｍ程度であってもよいが、これに限られない。

なお、その他の変形例としては、導電柱４６０により上部基材１０５ａの上下に設けられた金属層２１５ａ、２１５ｂを接続する替わりに、図７に示したように、上部基材１０５ａの外周面側に導電性のＬ字型クランプ６００を配置し、このクランプ６００に突出部６００ａを設けて、突出部６００ａの側壁を導電性接着層２１０ｂ及び金属層２１５ａ、２１５ｂに接触するようにしてもよい。これによっても、導電性のクランプ６００により上下の金属層２１５ａ、２１５ｂが電気的に接続され、これにより、金属層２１５ａ、２１５ｂ及び導電性接着層２１０ａ、２１０ｂをグラウンド電位にすることができる。

なお、クランプ６００は、ネジ６０５及びスプリングリング６１０を用いて上部電極１０５を処理容器１００の天板に密着させて固定する。これによれば、スプリングリング６１０の反力により、クランプ６００の締め付けを直接天板にかけずに、上部電極１０５を天井面に固定することができる。また、クランプ６００の表面にもイットリア等を溶射することにより溶射表層４７０が形成されている。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る電極の構造について、図８を参照しながら説明する。本実施形態に係る電極も第１実施形態にて説明したＲＩＥプラズマエッチング装置１０の上部電極１０５に適用することができる。

（ガス経路）
本実施形態においても、上部基材１０５ａと誘電体２０５は同一素材で形成されている。よって、熱膨張差が発生せず、応力によるクラックやチャンバ内の汚染は生じない。また、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５はグラウンド電位である。よって、高周波電力のパワーを誘電体２０５の位置に基づき変化させ、上部電極１０５下の高周波電界を均一にすることができる。

導電性接着層２１０ａ、２１０ｂは、抵抗率が１０^−６〜１０^−２Ωｃｍの高電気伝送層である点、上部基材１０５ａと誘電体２０５との接合面以外である金属層２１５は、アルミ等の金属溶射でも良いが導電性接着層２１０ａ、２１０ｂと確実に電気的に接続されていなければならない点は第１及び第２実施形態と同じである。

一方、第３実施形態では、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５にガス経路形成用セラミックチューブ一体プレート５００がはめ込まれて貫通経路が形成されている。ガス経路形成用セラミックチューブ一体プレート５００は、複数のセラミックチューブ５００ａがセラミック板５００ｂに剣山状に配置された状態で、セラミックチューブ５００ａとセラミック板５００ｂとが一体形成されている。

各セラミックチューブ５００ａは、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に設けられた各貫通部分に挿入され、セラミックチューブ接着層３１０により上部基材１０５ａ及び誘電体２０５の貫通部分に固定される。セラミック板５００も同様に、上部基材１０５ａ及び誘電体２０５の底面にてセラミックチューブ接着層３１０により上部基材１０５ａ及び誘電体２０５に固定される。

セラミック板５００の下面は、天板接着層４００を介して消耗天板部４０５により覆われている。消耗天板部４０５は、着脱可能な天板接着層４００により交換可能である。

本実施形態によれば、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５は、剣山状のガス経路形成用セラミックチューブ一体プレート５００により覆われ露出しない。これにより、本実施形態では、消耗天板部４０５の交換時、天板接着層４００を繰り返し接着・剥離することにより金属層２１５から金属が剥離され、処理室内が金属汚染されることを防止することができる。

なお、本実施形態によっても上部基材１０５ａと誘電体２０５が同一素材であるため、熱膨張差が発生せず、応力によるクラックやチャンバ内の汚染の問題を解消することができる。

上記第１〜第３実施形態によれば、安定して高周波の電界強度を制御することが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、上記各実施形態では、金属層２１５が導電性接着層２１０ａ、２１０ｂに電気的に接続されていた。この場合、金属層２１５はグラウンド層として機能するため、金属層２１５に電気的に接続された導電性接着層２１０ａ、２１０ｂもグラウンド電位になる。ただし、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂが確実にグラウンド電位になる構成であれば、金属層２１５は上部基材１０５ａの全外周を覆っていなくてもよく、例えば、側面側の導電性接着層は不要とすることができる。しかしながら、下面の外周平面部の導電性接着層２１０ｂは必ず必要である。

上記各実施形態では、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５はグラウンド電位であったが、本発明に係る電極はこれに限らず、導電性接着層２１０ａ、２１０ｂを所望の電位にすることにより高周波電力のパワーを誘電体２０５の位置に基づき変化させてもよい。ただし、この場合にも導電性接着層２１０ａ、２１０ｂ及び金属層２１５はほぼ同電位である。

また、上記各実施形態では、誘電体の形状としてテーパ状を挙げたが、本発明に係る誘電体はこれに限られず、プラズマの不均一を均一にする形状であればよい。例えば、本発明に係る誘電体は、図９に示したように楕円を長軸方向に切断した形状であってもよいし、これ以外にも中央部が最も厚く周辺部に向かうほど薄くなる他の形状であってもよい。

また、本発明に係る誘電体の厚さは、内側が厚く外側が薄くてもよい。また、本発明に係る誘電体は、その中心が上部電極１０５ａの中心と一致するように配置されてもよい。さらに、本発明に係る誘電体は、プラズマ密度が高くなる位置にパターン化されて配置されてもよい。

また、本発明に係る電極は、上部電極に限られず下部電極であってもよい。上部電極及び下部電極の両方に適用してもよい。たとえば、本発明に係るプラズマ処理装置は、処理容器の内部にて第１の電極に対向して配置される第２の電極を備え、第１及び第２の電極のいずれかに、高周波電力が供給され、第１及び第２の電極のいずれかに被処理体が載置されてもよい。このとき、第１の電極は、上部電極であってもよく下部電極であってもよい。第１の電極が上部電極の場合、第２の電極は下部電極になる。第１の電極が下部電極の場合、第２の電極は上部電極になる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、平行平板型のプラズマ処理装置に限られない。本発明に係るプラズマ装置としては、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置の他に、誘導結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等が挙げられる。本発明に係る電極は、平行平板型のプラズマ処理装置だけでなく、他のプラズマ処理装置のいずれにも用いることができる。

被処理体は、シリコンウエハであってもよく、基板であってもよい。本発明は、フラットパネルディスプレイ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）に使用されてもよい。

１０ ＲＩＥプラズマエッチング装置
１００ 処理容器
１０５ 上部電極
１０５ａ 上部基材
１０５ｂ ガス拡散部
１１０ 下部電極
２０５ 誘電体
２１０ａ、２１０ｂ 導電性接着層
２１５，２１５ａ、２１５ｂ 金属層
３０５ ガス経路形成用セラミックチューブ
３１０ セラミックチューブ接着層
３１５ 表面溶射層
４００ 天板接着層
４０５ 消耗天板部
５００ ガス経路形成用セラミックチューブ一体プレート
５００ａ セラミックチューブ
５００ｂ セラミック板
Ｅ 電界強度

Claims (16)

1. 減圧可能な処理容器内に第１の電極を設け、前記処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   前記第１の電極は、
   所望の誘電体から形成された基材に、該基材と同じ材質の誘電体を嵌め込み、前記基材と前記誘電体との間を導電性接着層により接着固定し、
   前記基材を覆い、前記導電性接着層と電気的に接続され、前記導電性接着層とほぼ同電位の金属層を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記導電性接着層をグラウンド電位にすることにより、前記高周波電力のパワーを前記誘電体の位置に基づき変化させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記導電性接着層を所望の電位にすることにより、前記高周波電力のパワーを前記誘電体の位置に基づき変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記導電性接着層の抵抗率は、１０^−６〜１０^−２Ωｃｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記基材及び前記誘電体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記誘電体は、プラズマ密度が高くなる位置にパターン化されて配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記誘電体は、その中心が前記基材の中心と一致するように配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記誘電体の厚さは、内側が厚く外側が薄いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記誘電体は、テーパ状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記処理容器の内部にて前記第１の電極に対向して配置される第２の電極を備え、
    前記第１及び第２の電極のいずれかに、前記高周波電力が供給され、
    前記第１及び第２の電極のいずれかに、被処理体が載置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第１の電極のプラズマ側の面は、交換可能な消耗天板部によりカバーされていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記第１の電極は、上部電極であり、
    前記上部電極には、複数のガス導入管が貫通している請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記上部電極の誘電体上方には、前記複数のガス導入管と連通し、ガスを拡散するガス拡散部が設けられている請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記金属層は、基材の上面及び下面をそれぞれ覆い、前記基材を貫通する導電柱に電気的に接続されている請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記金属層は、基材の上面及び下面をそれぞれ覆い、前記基材の外周側面側から前記基材を前記処理容器に固定するクランプに電気的に接続されている請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
16. 減圧可能な処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置用の電極であって、
    前記電極は、
    前記処理容器内に設けられ、所望の誘電体から形成された基材に、該基材と同じ材質の誘電体を嵌め込み、前記基材と前記誘電体との間を導電性接着層により接着固定し、
    前記導電性接着層と電気的に接続され、前記導電性接着層とほぼ同電位の金属層が前記基材を覆うように設けられることにより形成されることを特徴とするプラズマ処理装置用の電極。

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