JP5613904B2 - プラズマ処理装置用電極板 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置においてプラズマ生成用ガスを通過させる貫通孔を有するプラズマ処理装置用電極板に関する。

半導体デバイス製造プロセスに使用されるプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置は、チャンバー内に、高周波電源に接続された上部電極と下部電極とがたとえば上下に対向配置され、下部電極の上に被処理基板が配置されている。このプラズマ処理装置において、上部電極に形成した貫通孔からエッチングガスを被処理基板に向かって流通させながら高周波電圧を印加することにより、プラズマを発生させ、被処理基板にエッチング等の処理が行われる。

このプラズマ処理装置に用いられる電極板は、たとえば単結晶シリコンにより外径４００ｍｍ程度の円板状に形成され、その面全体に内径約０．５ｍｍのガス通過孔が８ｍｍ程度のピッチで多数貫通状態に形成される。また、この電極板の背面には、アルミニウム製の冷却板が設けられる。

この電極板において、ガス通過孔は一般には厚さ方向に沿って直線状に形成される。しかしながら、プラズマがガス通過孔を通じて電極板の背面の冷却板にまで入り込んで金属汚染されるおそれがあるために、ガス通過孔を屈曲させた状態に形成することが提案されている。

たとえば特許文献１では、ガス通過孔を屈曲させるだけでなく、冷却板側から形成した傾斜細孔に対してプラズマ側から形成した垂直細孔を貫通させ、これら細孔の接続部よりも垂直細孔の先端を延長した形状を採用することにより、プラズマが冷却板側に通過してしまうことを防止する電極板が提案されている。

特開２００８−６０１９７号公報

このようなプラズマ処理装置において、電極板の細孔（ガス通過孔）内部に、エッチングガス中のＣＨＦ₃、ＣＦ₄などが反応して生成したデポジット膜（Ｃ_xＨ_yＦ_z）が付着する。このデポジット膜が堆積してガス通過孔から剥落すると、シリコンウエハ上に付着してしまうおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プラズマ処理装置の電極板のガス通過孔におけるプラズマの逆流による冷却板の損傷を防止するとともに、ガス通過孔内に堆積したデポジット膜の落下によるシリコンウエハの汚染を防止することを目的とする。

本発明は、厚さ方向に貫通する複数のガス通過孔を有し、冷却板に接する冷却面側からプラズマ放射面側へ向けて前記ガス通過孔を通じてエッチングガスを流通させながら前記プラズマ放射面からプラズマを発生するプラズマ処理装置用電極板であって、前記ガス通過孔は、前記プラズマ放射面側から前記冷却面側に向けて厚さ方向途中まで形成された下流側部と、前記冷却面側から前記プラズマ放射面側に向けて厚さ方向途中まで形成された上流側部とが連通してなるとともに、前記下流側部および前記上流側部の少なくともいずれか一方が厚さ方向に対して斜めに形成されることにより屈曲しており、前記上流側部が前記下流側部との接続部から突出して形成された終端部を備える。

このプラズマ処理装置用電極板によれば、ガス通過孔が屈曲しているので、プラズマの逆流を防ぐことができる。また、冷却面から延びる上流側部が下流側部を貫通し、その終端部が袋状に設けられているので、エッチングガスの流れが終端部で渦状になり、プラズマの逆流を効果的に防止できる。また、上流側部の内面に堆積したデポジット膜が落下した場合であっても、終端部でデポジット膜を回収できるので、シリコンウエハの汚染を防ぐことができる。

このプラズマ処理装置用電極板において、前記終端部は略半球状の底部を有することが好ましい。半球状に形成された底部によって、エッチングガスの乱流が形成されやすくなるので、プラズマの逆流をより効果的に防止できる。

このプラズマ処理装置用電極板において、前記終端部は、内面の表面粗さがＲａ≧０．８μｍであることが好ましい。この場合、終端部の内面に衝突したエッチングガスがランダムな方向に跳ね返り、渦状の乱流が形成されやすくなるので、プラズマの逆流をより効果的に防止できる。

また、このプラズマ処理装置用電極板において、前記電極板の厚さが１０ｍｍ、前記ガス通過孔の孔径が０．５ｍｍである場合、前記終端部の前記下流側部からの突出寸法が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。孔径が０．５ｍｍである場合、突出寸法が小さすぎると効果的な乱流が生じにくい。一方、突出寸法が大きすぎると、終端部にエッチングガスが滞留し、効果的な乱流が生じにくい。

また、このプラズマ処理装置用電極板において、前記上流側部が前記厚さ方向に対して斜めに形成される場合、前記上流側部の角度は、前記厚さ方向に対して１０°以上４５°以下であることが好ましい。傾斜角が小さすぎると効果的な乱流が生じにくい。また、傾斜角が大きすぎると、ガス流の水平成分が垂直成分を超え、効果的な乱流が生じにくい。

本発明のプラズマ処理装置用電極板によれば、屈曲させたガス通過孔の途中に袋状の終端部が設けられることにより、ガス通過孔におけるプラズマの逆流を防止して冷却板の損傷を防止するとともに、ガス通過孔内で落下したデポジット膜を回収してシリコンウエハの汚染を防止することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置用電極板の一実施形態を示す要部断面図である。 図１の電極板が用いられるプラズマ処理装置の例を示す断面図である。 図１の電極板におけるガス通過孔の要部を示す拡大断面図である。 電極板におけるガス通過孔の形状の一例を示す拡大断面図である。 電極板におけるガス通過孔の形状のさらに一例を示す拡大断面図である。

以下、本発明の電極板の実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、この電極板が用いられるプラズマ処理装置として、プラズマエッチング装置１００について説明する。このプラズマエッチング装置１００は、図２に示すように、真空チャンバー１０内の上部に電極板（上部電極）２０が設けられ、下部に上下動可能な架台（下部電極）３０が電極板２０と間隔をおいて平行に設けられている。

上部の電極板２０は、絶縁体３１によって真空チャンバー１０の壁に対して絶縁状態に支持されている。架台３０の上には、静電チャック３２と、その周りを囲むシリコン製の支持リング３３とが設けられている。ウエハ（被処理基板）Ｗは、支持リング３３によって周縁部を支持された状態で、静電チャック３２の上に載置される。

真空チャンバー１０の上部には、エッチングガス供給管１１が設けられている。このエッチングガス供給管１１から送られてきたエッチングガスは、拡散部材１２を経由した後、電極板２０を厚さ方向に貫通する複数のガス通過孔２１を通してウエハＷに向かって流され、真空チャンバー１０の側部の排出口１３から外部に排出される。電極板２０と架台３０との間には、高周波電源１４により高周波電圧が印加される。

電極板２０は、シリコンによって円板状に形成されており、その背面には熱伝導性に優れるアルミニウム等からなる冷却板３４が固定されている。この冷却板３４にも、電極板２０のガス通過孔２１に連通する貫通孔３４ａが、ガス通過孔２１と同じピッチで形成されている（図１参照）。

このプラズマエッチング装置１００では、高周波電源１４から高周波電圧を印加してエッチングガスを供給すると、拡散部材１２を経由したエッチングガスが、電極板２０に設けられたガス通過孔２１を通って電極板２０と架台３０との間の空間に放出され、プラズマとなってウエハＷに当たる。このプラズマによるスパッタリングすなわち物理反応と、エッチングガスの化学反応とにより、ウエハＷの表面がエッチングされる。

ウエハＷの均一なエッチングを行う目的で、発生したプラズマをウエハＷの中心部に集中させ、外周部へ拡散するのを阻止して電極板２０とウエハＷとの間に均一なプラズマを発生させるために、通常、プラズマ発生領域Ａがシリコン製のシールドリング３５に囲まれている。

次に、電極板２０について説明する。電極板２０は、単結晶シリコン、柱状晶シリコン、または多結晶シリコンにより、直径が３８０ｍｍ、厚さが１０ｍｍの円板状に形成されている。ガス通過孔２１は、直径３００ｍｍの円形範囲内に、１０ｍｍピッチで７０５個形成されている。各ガス通過孔２１の内径は０．５ｍｍである。

ガス通過孔２１は、図１に示すように、ドリル加工によりプラズマ放射面２３から冷却面２２に向けて略垂直にかつ厚さ方向途中まで形成された下流側部２１ａと、レーザ加工により冷却面２２からプラズマ放射面２３に向けて電極板２０の厚さ方向に対して斜めにかつ厚さ方向途中まで形成された上流側部２１ｂとが連通してなる。なお、プラズマ放射面２３に対して略垂直な下流側部２１ａをレーザ加工により、斜めの上流側部２１ｂをドリル加工により形成してもよい。

ガス通過孔２１は、プラズマ放射面２３から下流側部２１ａの中心線および上流側部２１ｂの中心線の交点２１ｄまでの深さを下流側部２１ａの形成深さＭ、冷却面２２から交点２１ｄまでの深さを上流側部２１ｂの形成深さＮとして、Ｍ：Ｎが５：５〜７：３となるように形成されている。また、上流側部２１ｂの角度αは、下流側部２１ａに対して１０°以上４５°以下である。

上流側部２１ｂが下流側部２１ａとの接続部から突出して形成された終端部２１ｃは、略半球状の底部を有しており、内面の表面粗さがＲａ≧０．８μｍである。終端部２１ｃの下流側部２１ａからの突出寸法ｘは、電極板２０の厚さが１０ｍｍ、ガス通過孔２１の孔径が０．５ｍｍである場合、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

このように構成された電極板２０においては、ガス通過孔２１が屈曲しているので、プラズマの逆流を防ぐことができる。また、冷却面２２から延びる上流側部２１ｂが下流側部２１ａを貫通し、その終端部２１ｃが略半球状の袋状に設けられているので、図３に示すようにエッチングガスの流れが終端部２１ｃで渦状の乱流になり、プラズマの逆流を効果的に防止できる。

このガス通過口２１において、上流側部２１ｂの傾斜角αが適切に設定されているので、効果的な乱流を生じさせることができる。また、ガス通過孔２１の孔径に対して終端部２１ｃの突出寸法ｘが適切に設定されているので、終端部２１ｃにエッチングガスが滞留しにくく、効果的な乱流を生じさせることができる。

さらに、終端部２１ｃの内面が滑らかな曲面に形成されていると、エッチングガスが終端部２１ｃの内面に衝突したときにランダムな方向に跳ね返りにくいが、表面粗さがＲａ≧０．８μｍであることにより、終端部２１ｃの内面に衝突したエッチングガスがランダムな方向に跳ね返り、渦状の乱流が形成されやすくなるので、プラズマの逆流をより効果的に防止できる。

また、上流側部２１ｂの内面に堆積したデポジット膜ｓが落下した場合であっても、袋状の終端部２１ｃでデポジット膜ｓを回収できるので、デポジット膜ｓが下流側部２１ａからウエハＷ上に落下しにくく、ウエハＷの汚染を防ぐことができる。

したがって、プラズマ処理装置用電極板２０によれば、ガス通過孔２１におけるプラズマの逆流を防止して冷却板３４の損傷を防止するとともに、ガス通過孔２１内で落下したデポジット膜ｓを回収して、ウエハＷの汚染を防止することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、前記実施形態では、ガス通過孔の上流側部が電極板の厚さ方向に対して傾斜して形成され、下流側部を厚さ方向に沿って形成されている。しかしながら、これら上流側部および下流側部の少なくともいずれか一方が電極板の厚さ方向に対して傾斜することによりガス通過孔が屈曲していればよいので、図４に示すように上流側部および下流側部の両方が厚さ方向に対して傾斜していてもよく、また図５に示すように上流側部が厚さ方向に沿って形成され、下流側部が傾斜していてもよい。

１０ 真空チャンバー
１１ エッチングガス供給管
１２ 拡散部材
１３ 排出口
１４ 高周波電源
２０ 電極板（上部電極）
２１ ガス通過孔
２１ａ 下流側部
２１ｂ 上流側部
２１ｃ 終端部
２１ｄ 交点
２２ 冷却面
２３ プラズマ放射面
３０ 架台
３１ 絶縁体
３２ 静電チャック
３３ 支持リング
３４ 冷却板
３４ａ 貫通孔
３５ シールドリング
１００ プラズマエッチング装置
Ａ プラズマ発生領域
ｓ デポジット膜
Ｗ ウエハ
ｘ 突出寸法

Claims (5)

1. 厚さ方向に貫通する複数のガス通過孔を有し、冷却板に接する冷却面側からプラズマ放射面側へ向けて前記ガス通過孔を通じてエッチングガスを流通させながら前記プラズマ放射面からプラズマを発生するプラズマ処理装置用電極板であって、
   前記ガス通過孔は、前記プラズマ放射面側から前記冷却面側に向けて前記厚さ方向途中まで形成された下流側部と、前記冷却面側から前記プラズマ放射面側に向けて前記厚さ方向途中まで形成された上流側部と、が連通してなるとともに、前記下流側部および前記上流側部の少なくともいずれか一方が前記厚さ方向に対して斜めに形成されることにより屈曲しており、
   前記上流側部が前記下流側部との接続部から突出して形成された終端部を備えることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。
2. 前記終端部は略半球状の底部を有す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用電極板。
3. 前記終端部は、内面の表面粗さがＲａ≧０．８μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置用電極板。
4. 前記電極板の厚さが１０ｍｍ、前記ガス通過孔の孔径が０．５ｍｍである場合、前記終端部の前記下流側部からの突出寸法が０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理装置用電極板。
5. 前記上流側部が前記厚さ方向に対して斜めに形成される場合、前記上流側部の角度は、前記厚さ方向に対して１０°以上４５°以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ処理装置用電極板。

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