JP6176620B1 - 電極用リング - Google Patents

Abstract

【課題】複数のシリコン部材を接合した電極用リングを提供する。【解決手段】３個以上の円弧状シリコン部材３８と、前記シリコン部材３８同士を接合する接合部とを備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、電極用リングに関するものである。

ＬＳＩ等の半導体集積デバイス製造におけるエッチング装置として、プラズマを用いたドライエッチング装置が用いられている。ドライエッチング装置は、エッチング対象のウエハが平面電極のカソード上に配置され、装置内にエッチングガスが導入された状態で、高周波発振器により対向電極（アノード）とカソードの間に高周波電圧が印加されることにより、電極間にエッチングガスのプラズマを生じる。プラズマ中の活性ガスであるプラスイオンがウエハ表面に入射しエッチングをする。

ドライエッチング装置内部では、金属製部品を用いると金属汚染が起こるので、シリコン製部品が用いられる。代表的なシリコン製部品としては、例えばエッチング対象のウエハを囲むドーナツ状の形状をしたフォーカスリングがある（特許文献１）。フォーカスリングは、エッチング対象のウエハより大きな直径を有することが必要である。現在主流の３００ｍｍウエハ用のシリコン製部品は、３２０ｍｍ以上の直径を有するシリコン結晶インゴットから作製されるため、高価である。

特開２００２−１９０４６６号公報

シリコン製部品を、一体物ではなく、複数のシリコン部材を接合することにより製造できれば、より小さい直径を有するシリコン結晶インゴットから作製できるため、製造コストの削減等の種々のメリットが期待される。

本発明は、複数のシリコン部材を接合した電極用リングを提供することを目的とする。

本発明に係る電極用リングは、３個以上の円弧状シリコン部材と、前記シリコン部材同士を接合する接合部と、前記接合部を塞ぐシリコンとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、フォーカスリングの外径より小さいウエハから切り出した３個以上のシリコン部材を組み合わせて製造することができる。したがって電極用リングは、フォーカスリングの外径より大きいウエハを用いる必要がないので、その分コストを低減することができる。

本実施形態に係る電極用リングから作製したフォーカスリングを備えたドライエッチング装置の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る電極用リングを示す斜視図である。 接合部を示す部分断面図である。 シリコン部材を示す斜視図である。 電極用リングを製造する装置を模式的に示す断面図である。 変形例に係る接合部を示す部分断面図である。 変形例に係る電極用リングを示す斜視図である。 別の変形例に係る電極用リングを示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に示すドライエッチング装置１０は、真空チャンバー１２と、上部電極板１４と、基台１６と、フォーカスリング１８とを備える。上部電極板１４は、円板状の部材であり、支持リング２０によって真空チャンバー１２内の上部に固定されている。支持リング２０は、絶縁部材であるシリコンで形成されている。上部電極板１４は、厚さ方向に貫通した複数の貫通穴１５を有する。上部電極板１４は、高周波電源２６が電気的に接続されている。上部電極板１４は、ガス供給管２４が接続されている。ガス供給管２４から供給されたエッチングガスは、上部電極板１４の貫通穴１５から真空チャンバー１２内へ流れ込み、排出口２８から外部に排出され得る。

基台１６は、真空チャンバー１２内の下部に設置されており、その周囲はグラウンドリング３０で囲まれている。グラウンドリング３０は絶縁部材であるシリコンで形成されており、接地されている。基台１６上には、フォーカスリング１８が設けられている。フォーカスリング１８は、絶縁部材であるシリコンで形成され、ウエハ２２の周縁を支持する凹部１９が内側の全周に渡って形成されている。

ドライエッチング装置１０は、上部電極板１４を通じてエッチングガスが供給され、高周波電源２６から高周波電圧が印加されると、上部電極板１４とウエハ２２の間でプラズマを生じる。このプラズマによってウエハ２２表面がエッチングされる。

本実施形態に係る電極用リングは、上記フォーカスリング１８、支持リング２０、グラウンドリング３０に適用可能である。電極用リングは、上記フォーカスリング１８、支持リング２０、グラウンドリング３０に限定されない。電極用リングは、ドライエッチング装置１０の真空チャンバー１２内に設置され、電圧が印加され、又は接地されるシリコン部材に適用することができる。

フォーカスリング１８用の部材となる本実施形態に係る電極用リングについて、図２を参照して説明する。電極用リング３２は、少なくとも３個以上の円弧状シリコン部材３８と、シリコン部材３８同士の間に設けられた接合部（本図には図示しない）とを有する第１リング体３４を備える。シリコン部材３８は、単結晶でも多結晶でもよく、その製造方法、純度、結晶方位等において限定されない。

本図の場合、電極用リング３２は、３個のシリコン部材３８を有する第１リング体３４と、第１リング体３４と同じ３個のシリコン部材３８を有する第２リング体３６とを備える。第１リング体３４と第２リング体３６は、シリコン部材３８同士の突き合わせ面３７が円周方向にずれた状態で接合面３９において同軸上に重ねられている。

図３に示すように、接合部４０は、シリコン部材３８同士の間の少なくとも一部に設けられている。本図の場合、接合部４０は、第１リング体３４と第２リング体３６の接合面３９の間に設けられている。接合部４０は、シリコンと共晶合金を形成する金属を含むシリコンとの共晶合金である。シリコンと共晶合金を形成する金属は、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎのいずれか（以下、「合金形成金属」ともいう）である。Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎは、シリコン結晶中での拡散係数が低く、シリコン部材内での拡散が少ないこと、電気的に問題になるディープレベルを作りにくいこと、及び環境への問題がないので好ましい。Ａｌは、低価格であることから最も好ましい。合金形成金属の純度は、シリコンと共晶を形成することが可能であれば特に限定されず、好ましくは９８％以上である。

シリコン部材３８は、厚さ１ｍｍ以上５０ｍｍ以下、幅１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、図４に示すように、接合面３９における隣り合わない二つの角の頂点４２，４４を結んだ線分の長さＬが、１６０ｍｍ以上２２０ｍｍ以下であるのが好ましい。上記のような大きさを有するシリコン部材３８は、現在広く流通している６インチ（１５ｍｍ）ウエハ用シリコン結晶インゴットから切り出して作製することができるので、コストメリットが高い。

次に電極用リング３２を製造する方法について説明する。まずシリコン部材３８に対し表面処理をする。具体的には、シリコン部材３８の表面を研削及び研磨などにより加工し、好ましくは鏡面にする。シリコン部材３８の表面を、弗酸と硝酸の混合液などによりエッチングしてもよい。混合液としてはＪＩＳ規格Ｈ０６０９に規定の化学研磨液（弗酸（４９％）：硝酸（７０％）：酢酸（１００％）＝３：５：３）などを用いることができる。

続いて、３個のシリコン部材３８をリング状に並べる。シリコン部材３８の突き合わせ面３７同士の間は、隙間が生じないようにする。次いで当該シリコン部材３８の表面に、合金形成金属箔を配置する。合金形成金属箔の厚みは、融解させるためのエネルギーが少なくて済む点では薄い方がよい。合金形成金属箔は、接合強度を得るために０．１〜１００μｍであることが好ましく、０．５〜２０μｍであることがより好ましい。合金形成金属箔は、上記下限値より薄いと接合面に合金形成金属箔を載せる際に破損し易い。合金形成金属箔は、上記上限値より厚いと、シリコンとの接合が十分ではない部分が生じやすい。続いて、合金形成金属箔上に、別の３個のシリコン部材３８を置く。別のシリコン部材３８は、先に配置されたシリコン部材３８に対し、長手方向の長さの半分だけずらして配置する。上記のようにして、先に配置されたシリコン部材３８上に、合金形成金属箔を介して、別のシリコン部材３８が積まれた状態となる。

次に、別のシリコン部材３８側から加熱して、シリコンと合金形成金属を含む融解物を生成する。加熱方法は特に限定されず、抵抗加熱、光加熱等により行うことができる。加熱部位を容易に移動でき、かつ供給する電力に応じて加熱量を変化させることが容易である点で、光加熱が好ましく、例えば各種ランプ、レーザーが使用される。

本実施形態の場合、図５に示す装置を用いることができる。本図に示す装置は、少なくとも一つの、ランプ４８及び当該ランプ４８が出射する光を集光する集光部５０を備える。ランプ４８としては、赤外線結晶成長装置に一般的に用いられるキセノンランプやハロゲンランプを用いることができる。出力としては１〜３０ｋＷ程度のものが好ましい。

加熱は、別のシリコン部材３８の上側から行う。上側であればよく、別のシリコン部材３８に対して垂直方向上側には限られず、斜め上側からであってもよい。加熱により先ず合金形成金属箔が融解し金属融解物が生成する。次いで、該金属融解物に接しているシリコン部材３８の接合面がこの金属融解物に侵され、シリコンを含む融解物が生成される。加熱を止めて温度が低下すると、該融解物が共晶を含む合金相を形成しながら凝固し、接合が完成するものと考えられる。例えば、Ａｌ箔を用いた場合、８００℃程度までの加熱で十分にシリコン部材３８同士を接合することができる。

集光領域は、通常直径１０〜３０ｍｍ程度である。集光領域は、該ランプの発光位置を楕円ミラーの焦点からずらすことにより、３０〜１００ｍｍ程度に広がる。集光領域が広がることにより、加熱範囲をひろげることができる。該集光領域を金属箔及びシリコン部材３８の表面全体に亘って走査させて加熱するのが好ましい。

次に、シリコンと合金形成金属とを含む融解物を冷却し固化させることにより、共晶合金を含む接合部４０を生成する。以上により、シリコン部材３８同士を接合し、電極用リング３２を製造することができる。

合金形成金属がＡｌの場合、約５７７℃まで冷却すると、Ａｌ−シリコン共晶物（１２．２原子％Ａｌ）を含む接合部４０が生成する。冷却速度は、使用する合金形成金属に応じて異なるが、Ａｌを使用する場合には１０〜１００℃／分となるように制御することが好ましい。冷却速度が前記下限値未満では冷却時間が長くなり、効率が悪い。冷却速度が前記上限値より大きいと接合部４０中に歪が残る傾向がある。冷却速度は、合金形成金属箔の融解が完了した後、加熱手段の出力を徐々に低下させて、接合部４０の温度が共晶物の融解温度より低くなったと推測されたときに加熱を停止することによって制御することができる。このような加熱温度の制御は、例えば実際に貼り合わせるシリコン部材３８と同様な形状の熱電対をシリコン部材３８同士の間に設置し、あらかじめ加熱手段のパワーと温度の関係を測定しておき、該測定結果に基づき行うことができる。

上記の加熱による融解物の生成、冷却による共晶合金を含む接合部４０の生成は、合金形成金属及びシリコンの酸化を防ぐために１０〜２００ｔｏｒｒ（約１３３３〜２６６６４Ｐａ）のアルゴン雰囲気のチャンバー内で行うことが好ましい。アルゴンガスを使用せずに、減圧することによって酸化を防ぐこともできるが、減圧にするとシリコンの蒸発が起き、チャンバー内が汚染される場合があるので好ましくない。また窒素ガスによっても酸化を防ぐことはできるが、１２００℃以上でシリコンの窒化が起こるため、好ましくない。

シリコン部材同士の突き合わせ面３７の間は、突き合わせ面３７近傍のシリコンを加熱して溶融し、塞ぐことが好ましい。突き合わせ面３７の間を、シリコンを融着して塞ぐことにより、共晶合金が露出することを防ぐことができる。

上記のようにして得られた電極用リング３２は、機械加工により内側の全周に渡って凹部１９を形成することにより、フォーカスリング１８となり得る。

電極用リング３２は、フォーカスリング１８の外径より小さいウエハ用シリコン結晶インゴットから切り出した３個以上のシリコン部材３８を組み合わせて製造することができる。したがって電極用リング３２は、フォーカスリング１８の外径より大きいウエハ用シリコン結晶インゴットを用いる必要がないので、その分コストを低減することができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記実施形態の場合、電極用リング３２は、同軸上に重ねられた第１リング体３４と第２リング体３６とを備える場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、電極用リングは、第１リング体のみを備えることとしてもよい。この場合、図６に示すように、シリコン部材５２，５４同士の突き合わせ面５５は、連続した二つの直角の曲がりを有するのが好ましい。突き合わせ面５５は、二つの曲りを有することで、接合部５６の面積が増加するので、曲りを有しない場合に比べ、接合強度を向上することができる。

図７に示すように、電極用リング５８は、図２に示す電極用リング３２の内周面にさらに、３個以上の円弧状シリコン内周部材６０を備えることとしてもよい。本図の場合、電極用リング５８は、円周方向に３個、軸方向に２個重ねた合計６個のシリコン内周部材６０を備えることにより、より内径が小さいフォーカスリング１８を容易に形成し得る。

図８に示すように、電極用リング６２は、図２に示す電極用リング３２の外周面にさらに、３個以上の円弧状シリコン外周部材６４を備えることとしてもよい。本図の場合、電極用リング６２は、円周方向に３個、軸方向に２個重ねた合計６個のシリコン外周部材６４を備えることにより、より外径が大きいフォーカスリング１８を容易に形成し得る。

上記実施形態の場合、合金形成金属箔を用いてシリコン部材３８同士を接合する場合について説明したが、本発明はこれに限らない。合金形成金属の粉体又は粒子を用いてもシリコン部材３８同士を接合することは可能であると考えられる。低融点金属であるＧａの場合、シリコン部材３８の表面に直接塗布した膜を用いてもよい。

突き合わせ面３７の間は、隙間ができないように並べ、接合面において接合部を形成後、シリコンを融着して塞ぐ場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、突き合わせ面に、合金形成金属箔を配置し、突き合わせ面の間にも接合部を形成してもよい。突き合わせ面３７に沿って垂直方向に配置された合金形成金属箔は、垂直方向から約３０度程度傾いた斜め上から加熱することで、溶融し、接合部になり得る。

上記実施形態の場合、接合部４０は、合金形成金属を含む場合について説明したが、本発明はこれに限らず、酸化ホウ素を含むこととしてもよい。接合部４０が酸化ホウ素を含む場合の電極用リングの製造方法について以下、説明する。

まず、上記実施形態と同様に表面処理をした３個のシリコン部材をリング状に並べる。次いで、当該シリコン部材を第１の温度（１８０〜２８０℃）に加熱し、シリコン部材の接合面の少なくとも一部に、粒子状のホウ酸（Ｂ(ＯＨ)_３）からなる出発原料を供給する。シリコン部材は、一般的な電気抵抗ヒーターを用いた加熱手段により加熱することができる。接合面の温度が１８０〜２８０℃であるので、この接合面上ではホウ酸の脱水反応が生じる。水は、１０〜６０秒程度でホウ酸から脱離し、メタホウ酸（ＨＢＯ_２）を生じる。脱離した水にメタホウ酸が溶解し、流動性に富む液体状物になる。

シリコン部材の温度が低すぎる場合には、ホウ酸から水を脱離させてメタホウ酸を得ることができない。一方、シリコン部材の温度が高すぎると、ホウ酸から水が急激に脱離する。それによって、シリコン部材の接合面に供給されたホウ酸が飛び散ったり、固化したメタホウ酸が直ちに生じてしまう。第１の温度が１８０〜２８０℃であれば、より確実にメタホウ酸を得ることができる。第１の温度は、２００〜２４０℃が好ましい。

粒子状のホウ酸からなる出発原料としては、直径０．１〜２ｍｍの顆粒状の市販品を、そのまま用いることができる。直径が０．１〜２ｍｍのホウ酸からなる出発原料を、第１の温度に加熱されたシリコン部材の表面に供給することによって、後述するようなメタホウ酸を含む層を形成することができる。ホウ酸は、シリコン部材の表面の一部に少量ずつ供給することが好ましい。

ホウ酸から水が脱離して生じた液体状物をヘラで延ばすことによって、メタホウ酸を含む層が得られる。上述したようにシリコン部材の接合面に、出発原料としてのホウ酸を少量ずつ供給し、生じた液体状物をその都度延ばすことによって、均一なメタホウ酸を含む層を接合面に形成することができる。ヘラとしては、ウエハを切断して得られたものを用いることで、メタホウ酸を含む層への不純物の混入は避けられる。

メタホウ酸を含む層の厚さは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．１〜０．５ｍｍがより好ましい。メタホウ酸を含む層の厚さが薄いほど、後の工程で加熱された際に、脱水反応による泡の発生を抑制することができる。メタホウ酸を含む層の厚さは、供給する出発原料としてのホウ酸の量を制御して、調整することができる。

接合面にメタホウ酸を含む層が形成されたシリコン部材を加熱して、第２の温度（５００〜７００℃）に昇温する。その結果、メタホウ酸から水がさらに脱離して、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を含む溶融物が得られる。第２の温度が高すぎる場合には、後の工程で冷却した際に、酸化ホウ素とシリコンとの熱膨張係数の違いによって、シリコン部材に割れが生じるおそれがある。第２の温度が５００〜７００℃であれば、より確実に酸化ホウ素を含む溶融物を得ることができる。第２の温度は、５５０〜６００℃が好ましい。

シリコン部材の接合領域に生じた酸化ホウ素を含む溶融物の上に、表面処理をした別のシリコン部材を圧着する。圧着の際の圧力は特に限定されず、適宜設定することができる。シリコン部材の幅が３０ｍｍ程度の場合には、断熱材を挟んで手で押し付けて、シリコン部材と別のシリコン部材とを接合することができる。

酸化ホウ素の溶融物を固化させることで、シリコン部材と別のシリコン部材とが酸化ホウ素の層によって接合される。溶融物は、例えば室温で放置することで、固化する。以上のようにして接合部を生成することにより、電極用リングを製造することができる。

メタホウ酸を含む層を、シリコン部材の接合面の全域ではなく、接合面の外縁に沿って枠状に形成してもよい。枠状のメタホウ酸を含む層の幅は、５〜１０ｍｍとすることができる。枠状のメタホウ酸を含む層の内側の領域には、合金形成金属箔を配置する。合金形成金属箔を内側の領域に配置する前に、枠状のメタホウ酸を含む層を冷却して、表面を研磨して厚さを低減してもよい。シリコン部材の接合面に枠状のメタホウ酸を含む層を形成し、合金形成金属箔を配置した後、別のシリコン部材を配置して、共晶温度以上７００℃以下に加熱する。加熱によって合金形成金属がシリコンと共晶を形成することで、シリコン部材同士を、よりいっそう強固に接合することができる。ここで形成された共晶合金は、枠状の酸化ホウ素の層で囲まれることになるので、金属が拡散して汚染源となるおそれも小さい。

電極用リングは、シリコン部材同士の間の接合面を選択的に加熱し、接合面近傍のシリコンを溶融して、シリコン部材同士を融着することにより、製造してもよい。

３２ 電極用リング
３４ 第１リング体
３６ 第２リング体
３７ 突き合わせ面
３８ シリコン部材
４０ 接合部
５２，５４ シリコン部材
５５ 突き合わせ面
５６ 接合部
５８ 電極用リング
６０ シリコン内周部材
６２ 電極用リング
６４ シリコン外周部材

Claims (7)

1. ３個以上の円弧状シリコン部材と、
   前記シリコン部材同士を接合する接合部と、
   前記接合部を塞ぐシリコンとを備え、
   前記接合部は、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎのいずれかを含有し、シリコンとの共晶合金である
   ことを特徴とする電極用リング。
2. ３個以上の円弧状シリコン部材と、
   前記シリコン部材同士を接合する接合部と、
   前記接合部を塞ぐシリコンとを備え、
   前記接合部は、酸化ホウ素を含有する
   ことを特徴とする電極用リング。
3. ３個以上の第１円弧状シリコン部材を有する第１リング体と、
   前記第１リング体と同軸上に重ねられた、３個以上の第２円弧状シリコン部材を有する第２リング体と、
   前記第１リング体と前記第２リング体との間に設けられた接合部と、
   前記第１円弧状シリコン部材同士の突き合わせ面の間および／または前記第２円弧状シリコン部材同士の突き合わせ面の間を塞ぐシリコンと
   を備えることを特徴とする電極用リング。
4. 前記第１円弧状シリコン部材同士の突き合わせ面と、前記第２円弧状シリコン部材同士の突き合わせ面とは、円周方向にずれていることを特徴とする請求項３記載の電極用リング。
5. 前記接合部は、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎのいずれかを含有し、シリコンとの共晶合金であることを特徴とする請求項３または４記載の電極用リング。
6. 前記接合部は、酸化ホウ素を含有することを特徴とする請求項３または４記載の電極用リング。
7. 前記接合部は、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、及びＳｎのいずれかを含有し、シリコンとの共晶合金を含むことを特徴とする請求項２または６記載の電極用リング。

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