JP3461120B2

JP3461120B2 - プラズマエッチング用電極板及びプラズマエッチング装置

Info

Publication number: JP3461120B2
Application number: JP18213498A
Authority: JP
Inventors: 和己小鍛治; 慎太郎弘中
Original assignee: 日立化成工業株式会社
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2003-10-27
Anticipated expiration: 2018-06-29
Also published as: JP2000021853A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマエッチン
グ用電極板及びプラズマエッチング装置に関する。さら
に詳しくは、エッチングガスをシャワー状に分散させる
ためのガス吹出し小孔を有する電極と、該電極に対向し
てシリコンウエハが載置される電極とを有する平行平板
型プラズマエッチング装置及び前記装置において、前記
高周波電力が印加される電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマエッチング用電極板を搭載する
平行平板型のプラズマエッチング装置は、図１に示され
るように、真空容器１内に上部電極（プラズマエッチン
グ用電極板）２および下部電極３が間隔を置いて設けら
れており、下部電極３の上に被処理材としてシリコンウ
エハ４を載置している。バックプレート５とプラズマエ
ッチング用電極板２には、それぞれにエッチングガスを
流すためのガス吹き出し小孔６が設けられている。

【０００３】エッチングガスをガス吹き出し小孔６を通
してシリコンウエハ４に向かって流しながら、高周波電
源７により、上部電極２と下部電極３の間に高周波電力
を印加してプラズマ９を形成する。このプラズマによっ
てシリコンウエハ４をエッチングし、所定のパターンの
素子を形成するものである。シールドリング８は、アル
ミナあるいは石英のような絶縁物からなり、プラズマエ
ッチング用電極板２の外周上に設けられた取付用ビスを
プラズマから保護するため、プラズマエッチング用電極
板２の外周部を覆うように設置される。

【０００４】プラズマエッチング用電極板２は、使用す
るに従いプラズマが発生している部分、つまり対向して
いるシリコンウエハ４とほぼ同じ面積の部分が、プラズ
マによってエッチングされ消耗する。そこで、ある程度
プラズマエッチング電極６が消耗し、エッチング特性
（エッチングの間にシリコンウエハ４上に付着した異物
粒子等）が規格を外れるとプラズマエッチング用電極板
２の使用を中止し、新たな電極と交換する。

【０００５】最近、ブラズマエッチング用電極板とし
て、一般の炭素材料が有する軽量、耐熱性、耐食性、電
気伝導性、高純度化が可能である等の性質を備えている
ほか、ガス不透過性で硬度が高い、発塵性が低い等の特
徴を持っていることから、ガラス状炭素が使用され、炭
素粒子の脱落や付着がない優れたブラズマエッチング用
電極板とされている。

【０００６】半導体デバイスが高集積化するにつれ、さ
らなる放電異物の低減が要求されるようになっている。
放電異物には、電極から脱離する炭素の微小粒子の他
に、プロセスに用いる反応ガスによって生成するフロロ
カーボンの重合膜に起因するものがある。

【０００７】フロロカーボン膜は、被エッチング物を高
い異方性でエッチングするための側壁保護膜として高度
に利用されているが、過剰に生成するとチャンバー内の
部材に付着、脱離してパーティクルの原因となる。過剰
なフロロカーボン膜の生成は、反応ガスの組成比率等の
プロセス条件を最適化することである程度低減可能では
あるが、影響を完全に無くすことは不可能である。プラ
ズマエッチング用電極板はウェハに対向するように取り
付けられるため、フロロカーボン膜が電極の裏面（取付
面）に付着、脱離するとパーティクルとしてウェハ上に
落下する。落下したフロロカーボン膜がウェハ上に付着
し、放電異物となった場合、半導体素子の歩留り低下の
原因となる。フロロカーボン膜は、イオン化したエッチ
ングガス（プラズマ）がチャンバー内の部材に衝突、失
活する際に生成する。プラズマエッチング用電極板の裏
面に付着するフロロカーボン膜は、ガス吹き出し小穴を
通じて電極裏面に回り込んだプラズマが失活して生成す
るものである。

【０００８】そのため、上部電極裏面へのフロロカーボ
ン膜の堆積を防止するには、電極に設けられるガス吹き
出し小穴の形状を工夫し、電極取付面側へのブラズマの
回り込みを防止することが有効である。また、万一、電
極取付面側ヘプラズマが回り込み、フロロカーボン膜が
堆積した場合でも、堆積したフロロカーボン膜がガス孔
を通じてウェハ上に落下しない等の工夫が必要である。

【０００９】プラズマの回り込みを防止するには、ガス
孔を通過するエツチングガス及びキャリアガスの流速を
高めることが有効である。しかし、エッチングプロセス
を高異方性かつ安定的に行うためには、供給するガス組
成及び装置内の真空度を一定に保つ必要があるため、エ
ッチングガス量及びキャリアガス量並びにこれら混合ガ
スの組成比を変更することは実質上不可能である。

【００１０】そこで、本発明者らは最適化されたプロセ
スガス組成比及びガス量を変えることなく、万一、電極
取付面側ヘプラズマが回り込み、フロロカーボン膜が堆
積した場合でも、堆積したフロロカーボン膜がガス孔を
通じてウェハ上に落下しない等の工夫につき検討を行
い、堆積したフロロカーボン膜が脱落しにくいように、
電極の取付面の面粗さについて検討を行った。さらに、
電極裏面へのフロロカーボン膜の付着を低減するため
に、電極に設けるガス吹き出し小孔の形状に着目して検
討を行った。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、その検討に
より、上記した要求を満足する電極板を見いだしたもの
である。即ち、請求項１記載の発明は、電極裏面へのプ
ラズマの回り込みにより発生した、フロロカーボン膜の
脱落を防止し、結果的に放電異物数の低減が可能となる
プラズマエッチング用電極板を提供するものである。ま
た、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の課題
に加えて、電極裏面へのプラズマの回り込みを防止し、
フロロカーボン膜の付着を防止し、結果的により高い放
電異物数の低減が可能となるプラズマエッチング用電極
板を提供するものである。また、請求項３記載の発明
は、電極裏面へのプラズマの回り込みにより発生した、
フロロカーボン膜の脱落を防止し、結果的に放電異物数
の低減が可能となるプラズマエッチング装置を提供する
ものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガス吹き出し
小孔を有し、電極取付面側の、少なくとも５カ所で測定
したＪＩＳＢ０６０１準拠のＲａの平均値が０．５
〜５μｍであるガラス状炭素製プラズマエッチング用電
極板に関する。また本発明は、電極の厚さ（Ｘ）とガス
吹き出し小孔の直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）が９以上とな
るガス吹き出し小孔を有する前記ガラス状炭素製プラズ
マエッチング用電極板に関する。さらに本発明は、前記
のプラズマエッチング用電極板を有してなるプラズマエ
ッチング装置に関する。

【００１３】

【発明の実施の形態】平行平板型のプラズマエッチング
装置におけるプラズマエッチング用電極板の形状は一般
に円板状であり、ガス吹き出し小孔を有する。この電極
裏面の即ち、電極取付面側の、少なくとも５カ所で測定
したＪＩＳＢ０６０１準拠のＲａ（中心線平均粗さ）
の平均値を０．５〜５μｍとすることで、電極裏面に堆
積したフロロカーボン膜の脱離を防止出来る。電極裏面
の前記Ｒａの平均値が０．１未満の場合にはフロロカー
ボン膜の脱離防止効果が発揮されず、前記Ｒａの平均値
が５μｍを越える場合には、荒れた面からのガラス状カ
ーボン粒子の脱離が多く、放電異物が増加する結果とな
る。

【００１４】なお、本発明において、Ｒａ（中心線平均
粗さ）はＪＩＳＢ０６０１に準じて、表面粗さ計
により測定されたものであり、カットオフ値は、０．５
μｍより大きく２．０μｍ以下では０．８mm、２．０μ
ｍより大きく１０．０μｍ以下では２．５mmとし、基準
長さは、０．５μｍより大きく２．０μｍ以下では４m
m、２．０μｍより大きく１０．０μｍ以下では１２．
５mmとして測定されたものである。本発明の検討におい
ては、Ｒａの測定は(株)東京精密製表面粗さ形状測定
機サーフコム５０３Ｂを用い、また、先端がＲ５μｍの
触針を用い、速度０．３mm／秒で行った。

【００１５】前記のような表面粗さに調整する方法とし
ては、プラズマエッチング用電極板の裏面を、研磨砥粒
による研磨及びポリッシュ加工、サンドブラスト処理等
によって行う方法があり、これらの方法により、表面粗
さをＲａ０．０１〜１０μｍの範囲で任意に荒らすこと
が可能である。

【００１６】本発明においては、さらに、電極裏面への
プラズマの回り込みを防止するために、ガス吹き出し小
孔の直径を小径化すると共に、電極の厚さを増加するこ
とが有効である。この電極の厚さとガス吹き出し小孔の
直径とを様々に組み合わせ、同一条件下に於いて放電異
物の発生量を調査した結果、前述のように、電極の厚さ
（Ｘ）とガス吹き出し小孔の直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）
が９以上となる場合に於いて放電異物量をより顕著に低
減できることを見出した。なお従来のガラス状炭素製プ
ラズマエッチング用電極板においては、電極の厚さ
（Ｘ）とガス吹き出し小孔の直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）
は９未満であった。

【００１７】ここで電極の厚さ（Ｘ）とガス吹き出し小
孔の直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）が９未満の場合に於いて
は、電極裏面へのプラズマの回り込みが大きく、電極と
バックプレートとの間で異常放電が発生し、結果的に放
電異物の発生が大きくなる傾向にある。一方、前記の比
が大きくなるに連れて、電極中央部と外周部において、
エッチングガスの供給が不均一となり、エッチングが均
一に行われない傾向にある。そのため、上記電極の厚さ
（Ｘ）とガス吹き出し小孔の直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）
は９〜３０がより好ましく、１０〜２０がさらに好まし
い。

【００１８】前記の関係を満足するガス吹き出し小孔
は、前記の効果から、プラズマエッチング用電極板に設
けられた全てのガス吹き出し小孔のうち、５０％以上で
あることが好ましく、８０％以上であることがより好ま
しく、１００％であることが極めて好ましい。また、ガ
ス吹き出し小孔の数や穴の径は特に制限されず、エッチ
ング対象のシリコンウエハの大きさや、エッチング条件
等により異なるが、穴径で０．３〜２．０mmが好まし
く、穴数は１００〜３０００個が好ましい。

【００１９】また、本発明のプラズマエッチング用電極
板の大きさ及び形状としては、特に制限されないが、外
径１５０〜４００mm、厚さが３〜１０mmの円板形のもの
が好ましい。さらに、電極をプラズマエッチング装置に
取付けるための外周部の取付け穴は、８〜２４個設けら
れることが好ましい。

【００２０】本発明において用いるガラス状炭素は、そ
の原料及び製造方法に特に制限はない。原料として用い
られる熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキ
シ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂、メラミ
ン樹脂、アルキッド樹脂、キシレン樹脂、ポリカルボジ
イミド樹脂等を挙げることができる。また、これら樹脂
の混合物を用いることもできる。これらの中で、フェノ
ール樹脂又はフラン樹脂が好ましい。

【００２１】熱硬化性樹脂の種類に応じて、硬化剤が用
いられる。硬化剤としては、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸
等の無機酸、ｐ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン
酸等の有機スルホン酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフ
ロロ酢酸等のカルボン酸等が挙げられる。硬化剤は熱硬
化性樹脂に応じて０．００１〜２０重量％使用すること
が好ましい。

【００２２】前記熱硬化性樹脂は、必要に応じて前記硬
化剤を添加した後、目的とする形状に応じて各種成形方
法で成形した後、硬化処理する。この硬化は好ましくは
３０〜２００℃、よリ好ましくは７０〜１００℃の温度
で熱処理して行うことができる。

【００２３】必要に応じ、さらにプラズマエッチング用
電極板としての所定の加工を行った後、高度に純化され
た治具及び炉を用い、不活性雰囲気中（通常、ヘリウ
ム、アルゴン等の不活性ガスや窒素、水素、ハロゲンガ
ス等の非酸化性ガスの少なくとも」種類の気体からなる
酸素を合まない雰囲気、又は真空中）において、好まし
くは８００〜３０００℃、よリ好ましくはｌ１００〜２
８００℃の温度で焼成炭素化する。次いで好ましくは１
３００〜３０００℃の温度範囲で熱処理し、ガラス状炭
素とすることが出来る。

【００２４】プラズマエッチング用電極板の形状とする
加工、ガス吹き出し小孔の作製は、ガラス状炭素を得た
後、放電加工、超音波加工等で行うこともできる。得ら
れるガラス状炭素は、塩素ガスによる脱灰処理等の高純
度化処理により、不純物含有量２０ppm以下、より好ま
しくは５ppm以下とすることが好ましい。不純物量が２
０ppmを越えるとウェハを汚染する危険がある。なお、
不純物量は、ＪＩＳに規定される黒鉛灰分測定法で測定
することが出来る。

【００２５】こうして得られる本発明のガラス状炭素製
プラズマエッチング用電極板は、堆積したフロロカーボ
ンの脱離が少なく、結果的に放電異物数を減少すること
が出来る。また、プラズマの回り込みが少なく、フロロ
カーボン膜の堆積量が少ない。また、前記プラズマエッ
チング用電極板が搭載されるプラズマエッチング装置
は、プラズマエッチング用電極板として上記のものを使
うこと以外は特に制限はない。その装置の一例として
は、図１に示し、説明したものが挙げられる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。実施例１原料樹脂にフラン樹脂（日立化成工業株式会社製、ヒタ
フランＶＦ３０３）を用い、これに硬化剤としてｐ−ト
ルエンスルホン酸１重量％（フラン樹脂に対して）を加
え、撹件混合した後、φ３００のシャーレに注型した。
７０℃の加熱下１０時間で成形を行い、厚さ４mmの樹脂
板を得た。この樹脂板を７０℃で３日、９０℃で３日で
加熱硬化した後、１℃／分の昇温速度で最高９００℃で
焼成炭素化し、次いで昇温速度５℃／分で最高２８００
℃で熱処理した。得られたガラス状炭素平板に放電加工
によってφ０．３mmのガス吹出し小孔６００個を形成し
てプラズマエッチング用電極板の形状とした。次いでラ
ップ・ポリッシュにより、電極の厚さを３mmとした。さ
らに、塩素ガスを用いて脱灰処理を行った。高純度化処
理後のプラズマエッチング用電極板の不純物は３ppmで
あった。

【００２７】なお、このプラズマエッチング用電極板の
厚さ（Ｘ）とガス吹き出し小孔（Ｙ）の比は１０であ
る。得られたガラス状炭素製プラズマエッチング用電極
板の取付面を平均粒径８０μｍの緑色炭化珪素の砥粒を
用い、砥粒の吹き出し圧力を２kg/cm²でブラスト処理を
行った。得られた電極裏面の５箇所についてＲａを測定
し、その平均を求めたところ０．５μｍであった。上記
の各高純度プラズマエッチング用電極板を装置に取付
け、反応ガスとしてトリフロロメタン、フッ化メタンを
各２０ml／分、キャリアガスとしてアルゴンガスを１０
０ml／分それぞれ流し、電源周波数４００KHz、反応チ
ヤンバー内のガス圧１．０Torrの条件でシリコン酸化膜
のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示した。

【００２８】実施例２取付面の処理を、平均粒径１００μｍの緑色炭化珪素質
砥粒を用い、砥粒の吹き出し圧力を４kg/cm²でブラスト
処理を行った以外は、実施例１と同様にしてプラズマエ
ッチング用電極板を作成した。得られた電極裏面の５箇
所についてＲａを測定し、その平均を求めたところ２．
５μｍであった。上記の各高純度プラズマエッチング用
電極板を装置に取付け、実施例１と同一条件でシリコン
酸化膜のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示
した。

【００２９】実施例３取付面の処理を、平均粒径２００μｍの緑色炭化珪素質
砥粒を用い、砥粒の吹き出し圧力を４kg/cm²でブラスト
処理を行った以外は、実施例１と同様にしてプラズマエ
ッチング用電極板を作成した。得られた電極裏面の５箇
所についてＲａを測定し、その平均を求めたところ５．
０μｍであった。上記の各高純度プラズマエッチング用
電極板を装置に取付け、実施例１と同一条件でシリコン
酸化膜のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示
した。

【００３０】比較例１取付面の処理を、平均粒径８０μｍの緑色炭化珪素質砥
粒を用い、砥粒の吹き出し圧力を１kg/cm²でブラスト処
理を行った以外は、実施例１と同様にしてプラズマエッ
チング用電極板を作成した。得られた電極裏面の５箇所
についてＲａを測定し、その平均を求めたところ０．３
μｍであった。上記の各高純度プラズマエッチング用電
極板を装置に取付け、実施例１と同一条件でシリコン酸
化膜のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示し
た。

【００３１】比較例２取付面の処理を、平均粒径２２０μｍの緑色炭化珪素質
砥粒を用い、砥粒の吹き出し圧力を５kg/cm²でブラスト
処理を行った以外は、実施例１と同様にしてプラズマエ
ッチング用電極板を作成した。得られた電極裏面の５箇
所についてＲａを測定し、その平均を求めたところ５．
４μｍであった。上記の各高純度プラズマエッチング用
電極板を装置に取付け、実施例１と同一条件でシリコン
酸化膜のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示
した。

【００３２】比較例３取付面の処理を、平均粒径２２０μｍの緑色炭化珪素質
砥粒を用い、砥粒の吹き出し圧力を７kg/cm²でブラスト
処理を行った以外は、実施例１と同様にしてプラズマエ
ッチング用電極板を作成した。得られた電極裏面の５箇
所についてＲａを測定し、その平均を求めたところ９．
５μｍであった。上記の各高純度プラズマエッチング用
電極板を装置に取付け、実施例１と同一条件でシリコン
酸化膜のエッチング加工を行った。評価結果を表１に示
した。

【００３３】

【表１】

【００３４】なお、Ｒａの測定は(株)東京精密製表面
粗さ形状測定機サーフコム５０３Ｂを用い、また、先
端がＲ５μｍの触針を用い、速度０．３mm／秒で行っ
た。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載のプラズマエッチング用電
極板は、電極裏面へのプラズマの回り込みにより発生し
た、フロロカーボン膜の脱落を防止し、結果的に放電異
物数の低減が可能となるものである。また、請求項２記
載のプラズマエッチング用電極板は、請求項１記載の発
明の効果を奏し、さらに、電極裏面へのプラズマの回り
込みを防止し、フロロカーボン膜の付着を防止し、結果
的により高い放電異物数の低減が可能となるものであ
る。請求項３記載のプラズマエッチング装置は、電極裏
面へのプラズマの回り込みにより発生した、フロロカー
ボン膜の脱落を防止し、結果的に放電異物数の低減が可
能となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマエッチング装置の概略図である。

【符号の説明】

１真空容器２上部電極（プラズマエッチング用電極板）３下部電極４シリコンウエハ５バックプレート６ガス吹き出し小孔７高周波電源８シールドリング９プラズマ１０絶縁リング

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C04B 35/52 C23F 4/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス吹き出し小孔を有し、電極取付面側
の、少なくとも５カ所で測定したＪＩＳＢ０６０１
準拠のＲａの平均値が０．５〜５μｍであるガラス状炭
素製プラズマエッチング用電極板。
【請求項２】電極の厚さ（Ｘ）とガス吹き出し小孔の
直径（Ｙ）の比（Ｘ／Ｙ）が９以上となるガス吹き出し
小孔を有する請求項１記載のガラス状炭素製プラズマエ
ッチング用電極板。
【請求項３】請求項１又は２記載のプラズマエッチン
グ用電極板を有してなるプラズマエッチング装置。