JP7392524B2 - プラズマ処理装置用内壁部材及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置用内壁部材及びその内壁部材を用いたプラズマ処理装置に関するものである。

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、チャンバ内に、高周波電源に接続される上部電極と下部電極とを、例えば、上下方向に対向配置し、下部電極の上にシリコンウエハを配置した状態として、上部電極に形成した貫通孔から処理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を行う構成とされている。

このようなプラズマ処理装置において、そのチャンバの周壁の内面がプラズマ領域に晒されるため、その周壁内面からのパーティクルの発生を防止する対策が必要である。
例えば、特許文献１では、チャンバの周壁は、アルミニウム材料又はアルマイト加工されたアルミニウム材料が用いられており、パーティクル発生の防止のため、チャンバ内面を定期的にクリーニングすることが記載されている。

また、特許文献２は、チャンバ周壁にアルミニウム系材料として、三酸化アルミニウムが用いられており、この三酸化アルミニウムは、ヘリウムガス、水素ガス、及びネオンガスの浸透に強く、ガスとの反応性が小さい特性を有すると記載されている。
特許文献３では、チャンバの周壁の内側に円筒状のライナを設けて、プラズマがチャンバの周壁と接触することを防いでいる。ライナはステンレス鋼、シリコン等の本体を、酸化エルビウム等でコーティングしたものが用いられている。

特開２００９－１５２５３９号公報 特開２０１３－９８１７２号公報 特開２０１７－１１２６５号公報

しかしながら、特許文献１のようにチャンバ内面を定期的にクリーニングするだけでは、パーティクルの発生防止には不十分である。また、特許文献２記載のチャンバ周壁を三酸化アルミニウムとし、あるいは、特許文献３記載のライナを設けたとしても、これらがエッチングされると、パーティクルの発生を完全には防止できない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、パーティクルが発生しにくいプラズマ処理装置用内壁部材を提供し、プラズマ処理品質を高めることを目的とする。

上記課題解決のため、プラズマ処理の対象であるシリコンウエハに対する不純物付着をなくすため、チャンバの周壁をシリコン（Ｓｉ）で形成することが考えられる。しかしながら、単結晶のシリコンは直径５００ｍｍ程度までしか製造できず、大きなチャンバの周壁としては利用できない。一方、大きさに制約なく製造可能な多結晶のシリコンを周壁とした場合、結晶粒ごとにエッチングのされやすさが異なるため、長時間エッチングされると、粒界に対応する不規則な凹凸が生じる。この凹凸の段差が、エッチングガス等の処理ガスの流れに対して抵抗となるため、結晶粒の欠損や粒界に存在する不純物の流出等によりパーティクルが発生しやすい。したがって、エッチングされてもパーティクルが発生しにくいものである必要がある。このような知見の下、本発明を以下の解決手段とした。

すなわち、本発明のプラズマ処理装置用内壁部材は、プラズマ処理装置のチャンバ内で相互に対向する一対の電極の間の空間を囲む筒状の内壁部材であって、複数の結晶粒が当該内壁部材の軸と略平行に延びてなる柱状晶シリコンにより構成されている。

柱状晶シリコンは、一方向凝固等の手法により、複数の結晶粒を一方向に成長させた、異方性を有する柱状の結晶組織を有するシリコンである。この柱状晶シリコンを軸と略平行な方向に成長させて構成した内壁部材は、多くの粒界が軸と略平行な方向に沿って配置されている。この内壁部材の軸方向は、両電極の対向方向と平行になり、処理ガスの流れ方向と平行である。このため、プラズマ発生領域に長時間晒されてエッチングされた場合に凹凸が生じるとしても、処理ガスの流れに沿う形状となる。したがって、処理ガスの流れに対する抵抗が小さく、パーティクルが生じにくい。
なお、それぞれの結晶粒において、内壁部材の長さ方向に沿う径が周方向に沿う径より長ければ、その結晶粒は、軸と略平行な方向に延びていると判断する。

プラズマ処理装置用内壁部材の一つの実施態様として、前記結晶粒は、軸と平行な方向の長さをＸ、該軸に直交する方向の長さをＹとしたときに、これらの長さの比Ｘ／Ｙの平均値が１．５以上であるとよい。
これらの長さの比Ｘ／Ｙの平均値（平均アスペクト比）が１．５未満では、軸と略平行な方向に延びる粒界の比率が少なくなり、上記した効果が得られにくい。

プラズマ処理装置用内壁部材の他の一つの実施態様は、前記結晶粒の平均粒径が円相当径で５．０ｍｍ以上であるとよい。
結晶粒の平均粒径が５．０ｍｍ未満であると、粒界が多くなることから、処理ガスの流れに対する抵抗が増大し、パーティクルの発生を防止する効果が乏しくなる。

また、内壁部材の内周面の算術平均粗さＲａは５．０μｍ以下であるとよい。算術平均粗さＲａが５．０μｍを超えると、稼働初期の段階でパーティクルが若干多くなる傾向にある。

プラズマ処理装置用内壁部材のさらに他の一つの実施態様は、少なくとも内周面が円筒面である。
プラズマ発生領域に晒される内周面に角部がない円筒面であると、処理ガスの流れに対する抵抗が生じにくく、パーティクルの発生をより確実に防止できる。

本発明のプラズマ処理装置は、前記内壁部材が、チャンバ内の電極の間の空間を囲むように配置されている。この場合、チャンバの周壁自体を内壁部材により構成してもよいし、チャンバの周壁の内周面を覆うライナ部材として、あるいはチャンバの周壁の内側に同心的に配置される筒状壁として、内壁部材を配置してもよい。

本発明のプラズマ処理装置用内壁部材はエッチングされてもパーティクルが発生しにくく、これを用いることにより、プラズマ処理品質を高めることができる。

一実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。 一実施形態の内壁部材を模式的に示す斜視図である。 図２の内壁部材における結晶粒を模式的に示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
まず、プラズマ処理装置の例としてプラズマエッチング装置１について説明する。
このプラズマエッチング装置１は、図１の概略断面図に示されるように、チャンバ２内の上部に平板状の上部電極３が設けられるとともに、下部に上下動可能な下部電極４が上部電極３と相互間隔をおいて平行に設けられている。この場合、上部電極３は絶縁体５によりチャンバ２の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、下部電極４の上には、静電チャック６と、その周りを囲むフォーカスリング７とが設けられており、静電チャック６の上に、フォーカスリング７により周縁部を支持した状態でシリコンウエハ（被処理基板）８を載置するようになっている。

また、チャンバ２の上部にはエッチングガス供給管９が設けられ、このエッチングガス供給管９から送られてきたエッチングガスは拡散室１０を経由した後、上部電極３に設けられたガス通過孔１１を通してウエハ８に向かって流され、チャンバ２の側部の排出口１２から外部に排出される構成とされている。一方、上部電極３と下部電極４との間には高周波電源１３により高周波電圧が印加されるようになっている。

また、上部電極３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１４が固定され、この冷却板１４にも電極板３のガス通過孔１１に連通するように、このガス通過孔１１と同じピッチで貫通孔１５が形成されている。そして、電極板３は、背面が冷却板に接触した状態でねじ止め等によってプラズマ処理装置１内に固定される。

また、チャンバ２の内側には、上部電極３と下部電極４との間の空間を囲むように円筒形状の内壁部材２１が設けられている。図1に示す例では、内壁部材２１の上端部が、上部電極３が固定されている部材に取付け固定されており、チャンバ２の周壁２ａから離間し、該周壁２ａと同心状に配置されている。
この内壁部材２１は、図２に模式的に示したように、複数の結晶粒２１ａが円筒の軸Ｃと略平行に延びる柱状晶シリコンにより構成されている。この内壁部材２１を構成する柱状晶シリコンは、一方向凝固等の手法により、複数の結晶粒２１ａを軸Ｃと略平行な方向に成長させた、異方性を有する柱状の結晶組織を有するシリコンである。図１に示すように、内壁部材２１は、プラズマエッチング装置１において、電極３，４の対向方向、つまり上下方向に軸Ｃを配置させた状態で取り付けられる。したがって、その軸Ｃの方向は、上部電極３のガス通過孔１１から矢印で示すように流出するエッチングガスの流れ方向と略平行になる。

この内壁部材２１のシリコンの純度は、９９．９９９質量％以上が好ましい。不純物が結晶の粒界に存在する場合もあるが、１０質量ｐｐｍ（０．００１質量％）以下であれば、シリコンウエハへの影響は小さい。また、内壁部材２１の結晶粒２１ａは、円筒の軸Ｃと平行な方向の長さをＸ、該軸Ｃに直交する方向の長さをＹとしたときに、これらの長さの比の平均（平均アスペクト比）Ｘ／Ｙが１．５以上である。その比Ｘ／Ｙが１．５未満では、軸Ｃと平行な方向に沿う粒界の比率が少なくなり、パーティクル発生防止の効果が乏しくなる。この比Ｘ／Ｙは１．８以上が好ましい。上限は特に制限ないが、製造上の限界としては、例えばＸ／Ｙが１０００である。

結晶粒２１ａの平均粒径は、その面積から割り出した円相当直径（（４×面積／π）の平方根）で５．０ｍｍ以上である。結晶粒２１ａの平均粒径が５．０ｍｍ未満であると、粒界が多くなることから、エッチングガスの流れに対する抵抗が増大し、パーティクルの発生を防止する効果が乏しくなる。結晶粒２１ａの平均粒径は１０ｍｍ以上が好ましい。上限は特に制限ないが、通常の条件で製造できる範囲として、例えば１０００ｍｍである。
この内壁部材２１は、円筒面に形成された外周面によりチャンバ２の内周面を緊密に覆い、円筒面に形成された内周面を上部電極３と下部電極４との間の空間に臨ませて配置され、その内周面でプラズマ発生領域Ｐを囲んだ状態としている。

この内壁部材２１を製造するには、垂直に配置した円筒形状の鋳型にシリコンの溶融液を注入し、軸方向の下方から冷却することで、シリコンを鋳型の中で下方から上方に向けて一方向に凝固させ、得られた円柱状のシリコンインゴットの中心部をコアリングによって抜き取ることにより、結晶を円筒の軸Ｃと略平行な方向に成長させた柱状晶の内壁部材２１を得ることができる。鋳型のキャビティを円筒形状に形成してシリコンの溶融液を注入し、下方から一方向凝固させることにより、円筒状の内壁部材を得ることも可能である。最後に、表面を機械加工により研削、研磨して、所望のサイズの内壁部材２１に仕上げられる。

この内壁部材２１の諸寸法は、必ずしも限定されるものではないが、例えば、厚さＴが５ｍｍ～２０ｍｍ、高さＨが５０ｍｍ～１００ｍｍ、直径（内径）Ｄが３００ｍｍ～６００ｍｍとされる。また、プラズマ発生領域Ｐに晒される内周面は、パーティクルが極力発生しないように平滑であるのが好ましく、その算術平均粗さＲａは５．０μｍ以下であるとよい。Ｒａが５．０μｍ以下であれば、エッチング開始の初期においても、パーティクルの発生を有効に防止することができる。この内周面の算術平均粗さＲａは３．０μｍ以下がより好ましい。下限は特に制限ないが、通常の条件で製造できる範囲として、例えば０．０１μｍである。

このように構成されたプラズマエッチング装置１において、上部電極３と下部電極４との間に高周波電源１３から高周波電圧を印加した状態でガス供給管９からエッチングガスを供給すると、このエッチングガスは、ガス供給管９の先端に形成されているガス拡散室１０内に送られ、上部電極３の通気孔１１を通過して上部電極３と下部電極４との間の空間に放出され、この空間内でプラズマとなってシリコンウエハ８に当り、このプラズマのスパッタリングによる物理反応と、エッチングガスによる化学反応とにより、シリコンウエハ８の表面がエッチングされる。

このプラズマ処理中に、エッチングガスは、チャンバ２の内周面に設けられている内壁部材２１の内周面にも衝突するが、この内壁部材２１は内周面が平滑面であるため、エッチングガスの流れに対する抵抗が小さく、パーティクルが発生しにくい。また、この内壁部材２１は、結晶粒が軸Ｃと略平行な方向に沿う柱状晶シリコンにより構成されているため、多くの粒界が軸Ｃと平行方向、つまりエッチングガスの流れ方向に沿って配置されているため、プラズマ発生領域Ｐでエッチングされた場合に凹凸が生じるとしても、その凹凸はエッチングガスの流れに沿う形状となる。したがって、エッチングガスの流れに対する抵抗が小さく、パーティクルが生じにくい。
このプラズマエッチング装置１を用いることにより、パーティクルの発生が少なく、したがって汚染が少なく、高品質のエッチング処理を行うことができる。

なお、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。
上記実施形態では、内壁部材２１をチャンバ２の周壁２ａの内側にチャンバ２の周壁２ａから間隔をあけて同心的に配置したが、チャンバ２の周壁２ａの内周面を覆うライナ部材として内壁部材を配置してもよい。あるいは、チャンバ２の周壁２ａ自体を内壁部材により構成してもよい。これらチャンバ２の周壁２ａ自体あるいは周壁２ａを覆うライナ部材として内壁部材を設ける場合でも、一方向凝固により形成された柱状晶シリコンからなるので、単結晶シリコンの場合とは異なり、大径のものにも適用することが容易である。

また、この内壁部材２１の内周面は、平滑な円筒面であることが望ましいが、柱状晶シリコンからなることによってパーティクルの発生が抑えられているので、厳密な円筒面でなくても、断面が円形に近い多角形状とすることを除外するものではない。
また、本発明は実施形態のプラズマエッチング装置１の他、プラズマＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置一般に適用できる。

柱状晶シリコンと多結晶シリコンとにより、厚さ１５ｍｍ、高さ１００ｍｍ、内径４１０ｍｍの円筒状の内壁部材を作製した。これらの作製方法は以下の通りである。

（柱状晶シリコン製内壁部材）
円筒形状の鋳型により円柱状のキャビティを形成し、そのキャビティ内にシリコン溶湯を注湯し、下方から冷却することで一方向凝固させ、結晶粒を軸方向と略平行に成長させた柱状晶のシリコンインゴットを得た。ここで、冷却スピードを変化させることで、結晶粒の平均アスペクト比と平均粒径を調整した。次に、シリコンインゴットの中心部をコアリングで抜き取った後、機械加工を施し、厚さ１５ｍｍ、高さ１００ｍｍ、径４１０ｍｍの円筒形状の内壁部材を得た。最後に、内壁部材の内周面を研磨した。

なお、得られた内壁部材の組成を、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）発光分光分析装置を用いて測定したところ、不純物量は１０質量ｐｐｍ以下であって、純度９９．９９９質量％以上であった。

（多結晶シリコン製内壁部材）
円筒形状の鋳型により円柱状のキャビティを形成し、そのキャビティ内にシリコン溶湯を注湯し、鋳型全周から冷却することで結晶粒の成長方向が不規則な多結晶のシリコンインゴットを得た。ここで、冷却スピードを変化させることで、結晶粒の平均アスペクト比と平均粒径を調整した。次に、シリコンインゴットの中心部をコアリングで抜き取った後、機械加工を施し、厚さ１５ｍｍ、高さ１００ｍｍ、径４１０ｍｍの円筒形状の内壁部材を得た。最後に、内壁部材の内周面を研磨した。
なお、得られた内壁部材の組成をＩＣＰを用いて測定したところ、不純物量は１０質量ｐｐｍ以下であって、純度９９．９９９質量％以上であった。

以上のように作製した内壁部材について、結晶粒の平均アスペクト比、結晶粒の平均粒径、内周面の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａを測定した。
結晶粒の平均アスペクト比は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察し、内壁部材の軸方向に沿う結晶粒の最大長さＸ、軸方向に直交する方向の最大長さＹを測定し、Ｙ／Ｘを算出した。１個の内壁部材について１００個の結晶粒の平均値を求めた。
結晶粒の平均粒径は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察し、結晶粒の投影面積から円相当直径（結晶粒の投影面積と同じ面積を持つ円の直径）を算出して粒径とした。１個の内壁部材について１００個の結晶粒の平均値を求めた。
表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａは、ＪＩＳ－Ｂ０６０１に即した方法で、内壁部材の内周面を軸方向に走査して測定した。１個の内壁部材について４箇所測定し、その平均値を求めた。

（評価方法）
各実施例、比較例の内壁部材をプラズマエッチング装置のプラズマ発生領域を囲むようにセットし、下記の条件で直径３００ｍｍのシリコンウエハへのプラズマエッチングを実施した。
チャンバ内圧力：１０^－１Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：ＣＨＦ_３＋Ｏ_２ ＋Ｈｅの混合ガスとし、流量を９０ｓｃｃｍ（ＣＨＦ_３）＋４ｓｃｃｍ（Ｏ_２）＋１５０ｓｃｃｍ（Ｈｅ）とした。
高周波電力：２ｋＷ
周波数：２０ｋＨｚ

エッチング開始から５０時間と、３００時間が経過したそれぞれの時点でのシリコンウエハ上のパーティクル数を測定し、その結果を表１に示した。パーティクル数の測定は、パーティクルカウンター（株式会社トプコン製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。
これらの結果を表１に示す。

表１に示されるように、柱状晶シリコンからなる実施例の内壁部材は、多結晶シリコンからなる比較例の内壁部材に比べて、３００時間経過後のパーティクル数が少なかった。実施例の中でも、結晶粒の平均アスペクト比が１．５以上、平均粒径が５．０ｍｍ以上、内周面の表面粗さＲａが５．０μｍ以下である実施例１及び２は、長時間経過してもパーティクルの発生が抑えられており、高品質でプラズマエッチングを施すことができる。実施例５も長時間経過後のパーティクル発生数が抑えられているが、表面粗さＲａが５．０μｍを超えるため、５０時間経過時のパーティクル発生数が実施例１や２に比べると若干多くなっている。
これに対して、比較例１は、長時間経過後のパーティクル発生数が実施例に比べて多くなった。

１ プラズマエッチング装置
２ チャンバ
２ａ 周壁
３ 上部電極
４ 下部電極
５ 絶縁体
６ 静電チャック
８ シリコンウエハ（被処理基板）
９ エッチングガス供給管
１０ 拡散室
１１ ガス通過孔
１２ 排出口
１３ 高周波電源
１４ 冷却板
１５ 貫通孔
２１ 内壁部材
２１ａ 結晶粒
Ｐ プラズマ発生領域
Ｃ 軸

Claims (3)

1. プラズマ処理装置のチャンバ内で相互に対向する一対の電極の間の空間を囲む筒状の内壁部材であって、複数の結晶粒が当該内壁部材の軸と略平行に延びてなる柱状晶シリコンにより構成されており、
   前記結晶粒の平均粒径が円相当径で１４．９ｍｍ以上であり、
   内周面の算術平均粗さＲａが５．０μｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置用内壁部材。
2. 少なくとも内周面が円筒面であ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内壁部材。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置用内壁部材が、チャンバ内で相互に対向する一対の電極の間の空間を囲むように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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