JP5463536B2 - シャワープレート及びその製造方法、並びにそのシャワープレートを用いたプラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び電子装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置とくにマイクロ波プラズマ処理装置に使用するシャワープレート及びその製造方法、並びにそのシャワープレートを用いたプラズマ処理装置、プラズマ処理方法及び電子装置の製造方法に関する。

プラズマ処理工程及びプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍ、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。

半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマの励起方式が使われているが、とくに平行平板型高周波励起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装置が一般的である。しかしこれら従来のプラズマ処理装置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領域が限定されているため大きな処理速度、すなわちスループットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行うのが困難である問題点を有している。この問題は、とくに大径の基板を処理する場合に深刻になる。しかもこれら従来のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため被処理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、また処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいなど、いくつかの本質的な問題を有している。このため、従来のプラズマ処理装置では、半導体装置や液晶表示装置のさらなる微細化及びさらなる生産性の向上に対する厳しい要求を満たすことが困難になりつつある。

これに対して、従来より直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理室内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により処理室内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型液晶表示装置の製造にも容易に対応できる。

これらのプラズマ処理装置においては、通常、処理室内にプラズマ励起用ガスを均一に供給するために、複数のガス放出孔を備えたシャワープレートが使用されている。しかし、シャワープレートの使用によって、シャワープレート直下に形成されたプラズマがシャワープレートのガス放出孔に逆流することがある。ガス放出孔にプラズマが逆流すると、異常放電やガスの堆積が発生し、プラズマを励起するためのマイクロ波の伝送効率や歩留まりの劣化が発生してしまうという問題がある。

このプラズマのガス放出孔への逆流を防止するための手段として、シャワープレートの構造の改良が多く提案されている。

例えば、特許文献２には、ガス放出孔の孔径をシャワープレートの直下に形成されるプラズマのシース厚の２倍より小さくすることが有効であることが開示されている。しかし、ガス放出孔の孔径を小さくするだけでは、プラズマの逆流を防止する手段としては不十分である。とくに、ダメージを低減し処理速度を高める目的のために、プラズマ密度を従来の１０^１２ｃｍ^−３程度から１０^１３ｃｍ^−３程度に高めようとすると、プラズマの逆流が顕著となり、ガス放出孔の孔径の制御だけではプラズマの逆流を防止することはできない。また、微細な孔径のガス放出孔をシャワープレート本体に孔加工により形成することは困難であり、加工性の問題もある。

また、特許文献３には、通気性の多孔質セラミックス焼結体からなるシャワープレートを使用することも提案されている。これは、多孔質セラミックス焼結体を構成する多数の気孔の壁によりプラズマの逆流を防止しようとするものである。しかし、この常温・常圧で焼結された一般的な多孔質セラミックス焼結体からなるシャワープレートは、気孔径が数μｍから２０μｍ程度の大きさまでバラツキが大きく、また最大結晶粒子径が２０μｍ程度と大きくて組織が均一でないため、表面平坦性が悪く、また、プラズマに接する面を多孔質セラミックス焼結体とすると、実効表面積が増えてしまい、プラズマの電子・イオンの再結合が増加してしまい、プラズマ励起の電力効率が悪いという問題点がある。また、この特許文献３には、シャワープレート全体を多孔質セラミックス焼結体で構成する代わりに、緻密なアルミナからなるシャワープレートにガス放出用の開口部を形成し、この開口部に常温・常圧で焼結された一般的な多孔質セラミックス焼結体を装着し、この多孔質セラミックス焼結体を介してガスを放出する構造も開示されている。しかし、この構造においてもプラズマに前記の常温・常圧で焼結された多孔質セラミックス焼結体とほとんど同じ特性の一般的な多孔質セラミックス焼結体が接するので、表面平坦性の悪さから発生する上記の問題点は解消されない。

さらに、本願出願人は、先に、特許文献４において、シャワープレートの構造面からではなくガス放出孔の直径寸法の調整によるプラズマの逆流を防止するための手段を提案した。すなわち、ガス放出孔の直径寸法を０．１〜０．３ｍｍ未満とし、しかも、その直径寸法公差を±０．００２ｍｍ以内の精度とすることにより、プラズマの逆流を防止するとともに、ガスの放出量のバラツキをなくしたものである。

ところが、このシャワープレートを、プラズマ密度を１０^１３ｃｍ^−３に高めた条件で実際にマイクロ波プラズマ処理装置で使用したところ、図１２に示すように、シャワープレート本体４００とカバープレート４０１との間に形成されたプラズマ励起用ガスを充填する空間４０２とそれに連通する縦孔４０３にプラズマの逆流が原因と思われる薄茶色の変色部分が見られた。
特開平９−６３７９３号公報 特開２００５−３３１６７号公報 特開２００４−３９９７２号公報 国際公開第０６／１１２３９２号パンフレット

本発明が解決しようとする課題は、プラズマの逆流の発生をより完全に防止でき、効率の良いプラズマ励起が可能なシャワープレートを提供することにある。

本発明者は、プラズマの逆流が、ガス放出孔の長さと孔径の比（長さ／孔径、以下「アスペクト比」という。）に影響を受けるのではないかとの発想のもとに研究を重ねた結果、このアスペクト比を２０以上とすればプラズマの逆流を劇的に止めることが可能なことを明らかにするに至り、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、プラズマ処理装置の処理室に配置され、前記処理室にプラズマを発生させるためにプラズマ励起用ガスを放出する複数のガス放出孔を備えたシャワープレートにおいて、ガス放出孔のアスペクト比を２０以上とすることによって、プラズマの逆流を防止しようとするものである。

図１は、ガス放出孔のアスペクト比とプラズマの逆流の関係を示す説明図である。プラズマ処理装置の処理室内の圧力が低くなると平均自由行程が長くなり、プラズマを構成する電子が直線的に進む距離が長くなる。このように、電子が直線的に進むと仮定すると、図１に示すプラズマの進入可能角度θは、ガス放出孔Ａのアスペクト比によって一義的に決まる。すなわち、ガス放出孔Ａのアスペクト比を大きくすればプラズマの進入可能角度θが小さくなり、プラズマの逆流を防止することができることになる。本発明は、この発想のもとにガス放出孔Ａのアスペクト比の構成要件を明らかにしたものであり、上述のとおりガス放出孔Ａのアスペクト比を２０以上とすることにより、プラズマの逆流を劇的に止めることが可能となった。

本発明で規定するようなアスペクト比を有する微細で細長いガス放出孔を、シャワープレート本体にドリルその他の工具を用いて孔加工方法により形成することは困難であり、加工性の問題もある。そこで、本発明では、１乃至複数のガス放出孔を設けたセラミックス部材をシャワープレートの複数の縦孔に装着する構成とした。すなわち、ガス放出孔をシャワープレートとは別体のセラミックス部材に形成し、このセラミックス部材をシャワープレートに開けた縦孔に装着する。このような構成とすることで、シャワープレートに孔加工によりガス放出孔を形成する場合に比べ、ガス放出孔の加工不良に伴うシャワープレートの歩留ロスがなくなり、本発明で規定するアスペクト比を有する微細で長いガス放出孔を容易に形成することができる。なお、ガス放出孔を設けたセラミックス部材は、射出成型や押し出し成型あるいは特殊な鋳込成型法等により形成することができる。

ガス放出孔の具体的な寸法としては、その孔径をシャワープレートの直下に形成されるプラズマのシース厚の２倍以下とし、かつその長さを処理室における電子の平均自由行程より大きくすることが好ましい。

そして、上述した本発明のシャワープレートを用いて、プラズマ励起用ガスをプラズマ処理装置内に供給し、供給されたプラズマ励起用ガスをマイクロ波で励起してプラズマを発生させ、該プラズマを用いて酸化、窒化、酸窒化、ＣＶＤ、エッチング、プラズマ照射等を基板に処理することができる。

また、１孔以上のガス放出孔を有するセラミックス部材を縦孔に装着した本発明のシャワープレートは、原料粉末を成型して縦孔を加工形成したシャワープレートのグリーン体、脱脂体または仮焼結体の前記縦孔に、１孔以上のガス放出孔を有するセラミックス部材のグリーン体、脱脂体、仮焼結体または焼結体を装入後、同時に焼結することによって製造できる。また、前記セラミックス部材と同時に多孔質ガス流通体のグリーン体、脱脂体、仮焼結体または焼結体を装入後、同時に焼結することによっても製造ができる。

本発明によれば、シャワープレートの縦孔部分にプラズマが逆流することを防止でき、シャワープレート内部での異常放電やガスの堆積の発生を抑えることができるので、プラズマを励起するためのマイクロ波の伝送効率や歩留まりの劣化を防止することができる。

以下、実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図２に、本発明の第一実施例を示す。図２を参照すると、マイクロ波プラズマ処理装置が示されている。図示されたマイクロ波プラズマ処理装置は複数の排気ポート１０１を介して排気される処理室１０２を有し、処理室１０２中には被処理基板１０３を保持する保持台１０４が配置されている。処理室１０２を均一に排気するため、処理室１０２は保持台１０４の周囲にリング状の空間を規定しており、複数の排気ポート１０１は空間に連通するように等間隔で、すなわち、被処理基板１０３に対して軸対称に配列されている。この排気ポート１０１の配列により、処理室１０２を排気ポート１０１より均一に排気することができる。

処理室１０２の上部には、保持台１０４上の被処理基板１０３に対応する位置に、処理室１０２の外壁の一部として、直径が４０８ｍｍ、比誘電率が９．８で、かつ低マイクロ波誘電損失（誘電損失が９×１０^−４以下、より好ましくは５×１０^−４以下）である誘電体のアルミナからなり、多数（２３０個）の開口部、すなわち縦孔１０５が形成された板状のシャワープレート１０６が、シール用のＯリング１０７を介して取り付けられている。さらに、処理室１０２には、シャワープレート１０６の上面側、すなわち、シャワープレート１０６に対して保持台１０４とは反対側に、アルミナからなるカバープレート１０８が、別のシール用のＯリング１０９を介して取り付けられている。

図３は、シャワープレート１０６とカバープレート１０８の配置を示す斜視模式図である。図２及び図３を参照すると、シャワープレート１０６上面と、カバープレート１０８との間には、プラズマ励起用ガス供給ポート１１０から、シャワープレート１０６内に開けられた連通するガス供給孔１１１を介して供給されたプラズマ励起用ガスを充填する空間１１２が形成されている。換言すると、カバープレート１０８において、カバープレート１０８のシャワープレート１０６側の面の、縦孔１０５及びガス供給孔１１１に対応する位置にそれぞれが繋がるように溝が設けられ、シャワープレート１０６とカバープレート１０８の間に空間１１２が形成される。すなわち、縦孔１０５は空間１１２に連通するように配置されている。

図４に、縦孔１０５の詳細を示す。図４において、（ａ）は断面図、（ｂ）、（ｃ）は底面図である。縦孔１０５は、処理室１０２側に設けられた直径２．５ｍｍ、高さ１ｍｍの第一の縦孔１０５ａと、さらにその先（ガス導入側）に設けられた直径３ｍｍ、高さ８ｍｍの第二の縦孔１０５ｂとからなり、この縦孔１０５にセラミックス部材１１３が装着されている。セラミックス部材１１３は、アルミナ系セラミックスの押し出し成型品からなり、第一の縦孔１０５ａに装着される部分は外径２．５ｍｍ×長さ１ｍｍ、第二の縦孔１０５ｂに装着される部分は外径３ｍｍ×長さ７ｍｍ、全長が８ｍｍであり、その内部に直径０．０５ｍｍ×長さ８ｍｍのガス放出孔１１３ａが設けられている。すなわち、ガス放出孔１１３ａのアスペクト比（長さ／孔径）は８／０．０５＝１６０である。ガス放出孔１１３ａの個数はとくに限定されない。図４（ｂ）、（ｃ）には７〜３個の例を示しているが、より好ましくは個数をできる限り多くしてガス放出速度を遅くするのがよい。なお、この例のようにガス放出孔１１３ａの直径を０．０５ｍｍ程度まで小さくした場合は、セラミックス部材１１３の外径は１ｍｍ程度まで小さくすることもできる。

図５に、縦孔１０５の他の例を示す。図５において、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。この例では、直径が０．２ｍｍで長さが８〜１０ｍｍのガス放出孔１１３ａを１個のみ設けている。

図６に、縦孔１０５のさらに他の例を示す。図６において、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。図６において、縦孔１０５は、処理室１０２側から、直径５ｍｍ、高さ５ｍｍの第一の縦孔１０５ａと、直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍの第二の縦孔１０５ｂからなり、この縦孔１０５に、６本の直径０．０５ｍｍのガス放出孔１１３ａが形成された、総高さ８ｍｍの円柱状のセラミックス部材１１３が装着されている。

また、図４〜図６に示した縦孔１０５においては、そのガス導入側の角部に、マイクロ波の電界が集中してプラズマ励起用ガスに着火してプラズマが自己発生するのを防止するために、面取り加工１１５が施されている。この面取り加工は、Ｃ面取り、より好ましくはＲ面取り加工とし、Ｃ面取り後にその角部をＲ面取り加工することもできる。

さらに、図６には、プラズマの逆流を防止する２重安全対策のために、あるいはまた、プラズマ励起用ガスに着火してプラズマが自己発生する空間を無くすために、セラミックス部材１１３のガス導入側に、ガス流通方向に連通した気孔を有する多孔質セラミックス焼結体１１４を設けた例を示している。

次に、図２を参照してプラズマ励起用ガスの処理室への導入方法を示す。ガス導入ポート１１０より導入されたプラズマ励起用ガスは、ガス供給孔１１１及び空間１１２を経由して縦孔１０５へ導入され、その先端部分に設けられたセラミックス部材１１３のガス放出孔１１３ａから処理室１０２へ放出される。

シャワープレート１０６の上面を覆うカバープレート１０８の上面には、マイクロ波を放射するための、スリットが多数開いたラジアルラインスロットアンテナのスロット板１１６、マイクロ波を径方向に伝播させるための遅波板１１７、及びマイクロ波をアンテナヘ導入するための同軸導波管１１８が設置されている。また、遅波板１１７は、スロット板１１６と金属板１１９により挟みこまれている。金属板１１９には冷却用流路１２０が設けられている。

このような構成において、スロット板１１６から放射されたマイクロ波により、シャワープレート１０６から供給されたプラズマ励起用ガスを電離させることで、シャワープレート１０６の直下数ミリメートルの領域で高密度プラズマが生成される。生成されたプラズマは拡散により被処理基板１０３へ到達する。シャワープレート１０６からは、プラズマ励起用ガスのほかに、積極的にラジカルを生成させるガスとして、酸素ガスやアンモニアガスを導入してもよい。

図示されたプラズマ処理装置では、処理室１０２中、シャワープレート１０６と被処理基板１０３との間にアルミニウムやステンレス等の導体からなる下段シャワープレート１２１が配置されている。この下段シャワープレート１２１は、プロセスガス供給ポート１２２から供給されるプロセスガスを処理室１０２内の被処理基板１０３へ導入するための複数のガス流路１２１ａを備え、プロセスガスはガス流路１２１ａの被処理基板１０３に対応する面に形成された多数のノズル１２１ｂにより、下段シャワープレート１２１と被処理基板１０３との間の空間に放出される。ここでプロセスガスとしては、Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)プロセスの場合、シリコン系の薄膜形成を行う場合はシランガスやジシランガス、低誘電率膜を形成する場合はＣ_５Ｆ_８ガスが導入される。またプロセスガスとして有機金属ガスを導入したＣＶＤも可能である。また、Reactive Ion Etching(RIE)プロセスの場合、シリコン酸化膜エッチングの場合はＣ_５Ｆ_８ガスと酸素ガス、金属膜やシリコンのエッチングの場合は塩素ガスやＨＢｒガスが導入される。エッチングする際にイオンエネルギーが必要な場合には前記保持台１０４内部に設置された電極にＲＦ電源１２３をコンデンサを介して接続して、ＲＦ電力を印加することで自己バイアス電圧を被処理基板１０３上に発生させる。流すプロセスガスのガス種は上記に限定されることなく、プロセスにより流すガス、圧力を設定する。

下段シャワープレート１２１には、隣接するガス流路１２１ａどうしの間に、下段シャワープレート１２１の上部でマイクロ波により励起されたプラズマを被処理基板１０３と下段シャワープレート１２１との間の空間に拡散により効率よく通過させるような大きさの開口部１２１ｃが形成されている。

また、高密度プラズマに晒されることでシャワープレート１０６へ流れ込む熱流は、スロット板１１６、遅波板１１７、及び金属板１１９を介して冷却用流路１２０に流されている水等の冷媒により排熱される。

ここで、再度図４を参照すると、図４に示すアルミナ材料からなる円柱状のセラミックス部材１１３に開けられた複数のガス放出孔１１３ａは、上述のとおり直径０．０５ｍｍである。この数値は、１０^１２ｃｍ^−３の高密度プラズマのシース厚である０．０４μｍの２倍よりは小さいが、１０^１３ｃｍ^−３の高密度プラズマのシース厚である０．０１μｍの２倍よりは大きい。

なお、プラズマに接している物体表面に形成されるシースの厚みｄは次式で与えられる。

ここで、Ｖ_０はプラズマと物体の電位差（単位はＶ）、Ｔ_ｅは電子温度（単位はｅＶ）であり、λ_Ｄは次式で与えられるデバイ長である。

ここで、ε_０は真空の透磁率、ｋはボルツマン定数、ｎ_ｅはプラズマの電子密度である。

表１に示すとおり、プラズマの電子密度が上昇するとデバイ長は減少するため、プラズマの逆流を防ぐという観点からは、ガス放出孔１１３ａの孔径はより小さいことが望ましいといえる。

さらに、ガス放出孔１１３ａの長さを電子が散乱されるまでの平均距離である平均自由行程より長くすることにより、プラズマの逆流を劇的に低減することが可能となる。表２に、電子の平均自由行程を示す。平均自由行程は圧力に反比例し、０．１Ｔｏｒｒの時に４ｍｍとなっている。実際にはガス放出孔１１３ａのガス導入側は圧力が高いので平均自由行程は４ｍｍよりも短くなるが、図４においては、０．０５ｍｍ径のガス放出孔１１３ａの長さを８ｍｍとして、平均自由行程よりも長い値としている。

ただし、平均自由行程はあくまで平均距離であるので、統計的にみるとさらに長い距離を散乱されずに進む電子が存在する可能性がある。よって、念のためプラズマの逆流をより完全に防ぐために、図６に示したように、ガス放出孔１１３ａのガス導入側にガス流通方向に連通した気孔を有する多孔質セラミックス焼結体１１４を設置してもよい。

多孔質セラミックス焼結体１１４の気孔径の大きさは、気孔の中にプラズマが逆流し、第二の縦孔１０５ｂでの異常放電を抑制するために、シャワープレート１０６直下に形成される高密度プラズマのシース厚の２倍以下、望ましくはシース厚以下であることが好ましい。図６における多孔質セラミックス焼結体１１４の平均気孔径は１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下であり、１０^１３ｃｍ^−３の高密度プラズマのシース厚である１０μｍと同程度以下である。このようにすることによって、１０^１３ｃｍ^−３の高密度プラズマに対しても、本シャワープレートを用いることができる。

以上の構成を有するシャワープレート１０６によって、縦孔１０５のガス導入側にプラズマが逆流することを防止でき、シャワープレート１０５内部での異常放電やガスの堆積の発生を抑えることができるので、プラズマを励起するためのマイクロ波の伝送効率や歩留まりの劣化を防止することができるようになった。また、プラズマに接する面の平坦度を阻害することがなく、効率の良いプラズマ励起が可能となった。加えて、ガス放出孔１１３ａは、シャワープレート１０５とは別体のセラミックス部材１１３に押し出し成型法等により形成されるので、シャワープレートに孔加工によりガス放出孔を形成する場合に比べ、微細で長いガス放出孔を容易に形成することができるようになった。

また、被処理基板１０３へ均一にプラズマ励起用ガス供給を行ない、さらに下段シャワープレート１２１からノズル１２１ｂを介してプロセスガスを被処理基板１０３へ放出するようにした結果、下段シャワープレート１２１に設けられたノズル１２１ｂから被処理基板１０３へ向かうプロセスガスの流れが均一に形成され、プロセスガスがシャワープレート１０６の上部へ戻る成分が少なくなった。結果として、高密度プラズマに晒されることによる過剰解離によるプロセスガス分子の分解が減少し、かつプロセスガスが堆積性ガスであってもシャワープレート１０６への堆積によるマイクロ波導入効率の劣化などが起こりづらくなったため、クリーニング時間の短縮とプロセス安定性と再現性を高めて生産性を向上させるとともに、高品質な基板処理が可能となった。

なお、以上の実施例において、第一の縦孔１０５ａ及び第二の縦孔１０５ｂの個数、直径及び長さ、セラミックス部材１１３に開けられるガス放出孔１１３ａの個数、直径及び長さ等は、本実施例の数値に限られることは無い。

図７に、本発明の第二実施例を示す。図７を参照すると、マイクロ波プラズマ処理装置が示されている。第一実施例と重複する部分は同一の符号を付し説明を省略する。

本実施例においては、処理室１０２の上部には、保持台１０４上の被処理基板１０３に対応する位置に、処理室１０２の外壁の一部として、比誘電率が９．８で、かつ低マイクロ波誘電損失（誘電損失が９×１０^−４以下）である誘電体のアルミナからなるシャワープレート２００が、シール用のＯリング１０７を介して取り付けられている。また、処理室１０２を構成する壁面２０１において、シャワープレート２００の側面に対応する位置に、２本のシール用のＯリング２０２とシャワープレート２００の側面とにより囲まれたリング状空間２０３が設けられている。リング状空間２０３はプラズマ励起用ガスを導入するガス導入ポート１１０と連通している。

一方、シャワープレート２００の側面には横方向に直径１ｍｍの多数の横孔２０４がシャワープレート２００の中心方向に向かって開けられている。同時に、この横孔２０４と連通するように多数（２３０個）の縦孔２０５が処理室１０２へ連通して開けられている。

図８は、シャワープレート２００の上面からみた横孔２０４と縦孔２０５の配置を示す。図９は、横孔２０４と縦孔２０５の配置を示す斜視模式図である。また、図１０は、縦孔２０５の他の詳細例を示す。縦孔２０５は、処理室１０２側に設けられた直径１０ｍｍ、深さ８ｍｍの第一の縦孔２０５ａと、さらにその先（ガス導入側）に設けられた直径１ｍｍの第二の縦孔２０５ｂとからなり、横孔２０４に連通している。さらに、第一の縦孔２０５ａには、処理室１０２側からみてアルミナ押し出し成型品からなり複数の直径０．０５ｍｍのガス放出孔１１３ａが開けられた高さ６ｍｍのセラミックス部材１１３と、直径１０ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱状の、ガス流通方向に連通した気孔を有する多孔質セラミックス焼結体１１４が順番に装着されている。すなわち、本実施例におけるガス放出孔１１３ａのアスペクト比（長さ／孔径）は６／０．０５＝１２０である。

本実施例において、ガス導入ポート１１０より導入されたプラズマ励起用ガスは、リング状空間２０３へ導入され、さらには横孔２０４、縦孔２０５を介して、最終的には縦孔２０５の先端部分に設けられたガス放出孔１１３ａから処理室１０２へ導入される。

以上の本実施例においても、第一実施例と同様の効果が得られる。

なお、本実施例において、第一の縦孔２０５ａ及び第二の縦孔２０５ｂの個数、直径及び長さ、セラミックス部材１１３に開けられるガス放出孔１１３ａの個数、直径及び長さ等は、実施例の数値に限られることは無い。また、ガス放出孔１１３ａのガス導入側に設けた多孔質セラミックス焼結体は必ずしも必須構成要件とするものではない。

図１１は、本発明のシャワープレートにおける縦孔の他の例を示す。上記第一実施例及び第二実施例に対応する構成には同一の符号を付して説明する。

図１１の例では、第２の縦孔１０５ｂ（または２０５ｂ）に直径が０．０５ｍｍのガス放出孔１１３ａ’を６本設けた直径が１ｍｍで長さ４ｍｍのセラミックス部材１１３’を装着し、第１の縦孔１０５ａ（または２０５ａ）に外径が７ｍｍで高さが２ｍｍでしかも直径が０．０５ｍｍのガス放出孔１１３ａを６１本設けたセラミックス部材１１３を装着している。また、セラミックス部材１１３のガス導入側には直径が５ｍｍで深さが０．２ｍｍの凹部３００が設けられており、６本のガス放出孔１１３ａ’から放出されたプラズマ励起用ガスがこの凹部３００に拡散充満した後、６１本のガス放出孔１１３ａから放出される。すなわち、６本のガス放出孔１１３ａ’のガス流通速度に対して、６１本のガス放出孔１１３ａから放出されるガス速度は約１／１０に低減されることになる結果、プラズマ励起用ガスが処理室１０２に向けてセラミックス部材１１３の広い面から緩やかに放出されるので、乱流現象のない均一なプラズマが形成される。なお、セラミックス部材１１３の代わりに、図６で使われたような多孔質セラミックス焼結体１１４を装着してもよい。

以上の各実施例で説明した、セラミックス部材（１１３，１１３’）を縦孔に装着したシャワープレートは以下の方法により製造できる。

（製造例１）
平均粉末粒子径が０．６μｍで純度が９９．９９％のＡｌ_２Ｏ_３粉末１００質量部に対して、押出成型用バインダー５質量部と水分１５質量部とを配合し混練した後、所定の押出成型ノズルから押出して乾燥することにより、ガス放出孔の下孔（焼結後にガス放出孔となる孔）が形成されたセラミックス部材用グリーン体を得た。

このセラミックス部材用グリーン体を４００〜６００℃で焼成した脱脂体、６００〜１２００℃で焼成した仮焼結体、１２００〜約１４００℃（相対密度が９５％に達する焼結温度）で焼結した予備焼結体、さらには相対密度が９５％以上になるように焼結した焼結体を準備するとともに、それぞれの焼成温度（焼結温度）における焼成収縮率と焼成後の寸法を測定しておく。なお、シャワープレートの焼結温度と同じ温度で焼結した場合の焼結収縮率を測定した結果、グリーン体に対して１８．８％であった。

一方、シャワープレート用材料として、平均粉末粒子径が０．６μｍで純度が９９．９９％のＡｌ_２Ｏ_３粉末に３質量％のワックスを配合して得た平均粒子径７０μｍの噴霧乾燥造粒粉体を７８〜１４７ＭＰａの各種圧力でプレス成型した後、外径、厚み、横孔及び縦孔等を所定寸法に成形加工したシャワープレート用グリーン体を準備した。なお、このシャワープレート用グリーン体は、プレス成型圧力によって焼結収縮率が異なり、因みに７８ＭＰａの場合は焼結収縮率が１９％で、１４７ＭＰａの場合は１６．２％であった。

ここで、７８ＭＰａの圧力でプレス成型したシャワープレート用グリーン体の縦孔（図４の第二の縦孔１０５ｂに対応する内径寸法が３．７ｍｍ）に、前記セラミックス部材用グリーン体（図４の第２の縦孔１０５ｂに対応する外径寸法が３．６９５ｍｍ）を装着して１５００℃の温度で同時焼結することにより、実施例１の図４で示したシャワープレートを得た。

このとき、第２の縦孔１０５ｂの焼結後の寸法は、計算上、内径×（１００％−１９％）＝３．７×０．８１＝２．９９７ｍｍとなり、同様にセラミックス部材の第二の縦孔１０５ｂ部分の外径寸法は、３．６９５×０．８１２＝３．０００ｍｍとなる。この第二の縦孔１０５ｂ部分の前記内径寸法と外径寸法の差０．００３ｍｍが相互間の焼締め力として作用して、相互間の焼結結合力が生じる結果、強固な装着固定が確保される。

（製造例２）
前記製造例１で準備したのと同じシャワープレート用グリーン体と、４５０℃で焼成して焼成収縮がほとんど発生していない脱脂体とを準備し、それぞれの縦孔に、製造例１で準備したセラミックス部材用の脱脂体、仮焼結体、予備焼結体及び焼結体を装着して同時焼結を行った。本製造例では前記製造例１と同様に、実施例１の図４に示した第二の縦孔１０５ｂに対応する内径寸法が３．７ｍｍのシャワープレート用グリーン体と脱脂体を用いるとともに、縦孔１０５に装着するセラミックス部材の脱脂体、仮焼結体、予備焼結体及び焼結体の焼結収縮率と焼結後の寸法を予め測定しておき、これらのセラミックス部材の焼結後の第二の縦孔１０５ｂに対応する部分の外径寸法が第二の縦孔１０５ｂの内径寸法よりも１μｍ以上大きくなる寸法に相当するセラミックス部材を用いる。これにより、その寸法差が焼締め力として作用し、この焼締め力に相当する焼結結合力が大きくなるほど装着境界層の結晶粒子が一体化した連続相を形成するようになる。

因みに、第二の縦孔１０５ｂに相当する焼結体の外径寸法が３．１ｍｍのセラミックス部材を縦孔に装着して同時焼結することにより生じた０．１０３ｍｍ（１００μｍ以上）の寸法差に相当する焼締め応力は、その大部分がシャワープレート側に、構成結晶粒子のディスロケーションや拡散焼結やわずかな塑性流動によって吸収され、一部分がセラミックス部材に吸収される結果、シャワープレート及びセラミックス部材の双方ともに引張応力や圧縮応力に起因する破損やクラックも発生することなく強固に装着できる。

（製造例３）
前記製造例１及び２で準備し、また焼結寸法を調査した、プレス成型圧力１４７ＭＰａで成型したシャワープレート用グリーン体を６００〜１２００℃で焼成した仮焼結体の縦孔に、焼締め力が１〜１００μｍの寸法差に相当するセラミックス部材の仮焼結体あるいは焼結体を装着して実施例１の図４に示したシャワープレートを製造した。

また、シャワープレート用グリーン体を相対密度が９５〜９７％の範囲に焼成した予備焼結体の縦孔に、セラミックス部材の焼結体を装着して、温度１４５０℃、不活性ガスの圧力１５００ｋｇ／ｃｍ^２の雰囲気でＨＩＰ処理することにより、同時焼結された強固な装着を達成することもできる。

またさらに、シャワープレートの縦孔とセラミックス部材の寸法形状は、実施例２の図１０に示したようなストレート形状、すなわちセラミックス部材の外径が円柱状となるように形成することにより、製造が簡単で装着及び同時焼結が容易となるので好都合である。

（製造例４）
多孔質ガス流通体に関しては、平均粉末粒子径が０．６μｍで純度が９９．９９％のＡｌ_２Ｏ_３粉末に３質量％のワックスを配合して得た平均粒子径７０μｍの噴霧造粒粉体を粉体の状態で８００℃で焼成して仮焼結粉体を得た後、前記シャワープレート用のＡｌ_２Ｏ_３粉末を３質量％添加混合してプレス成型して得たグリーン体を焼結することにより、連通した気孔によって形成されたガス流通経路における隘路の気孔径が２μｍ、誘電損失が２．５×１０^−４、平均結晶粒子径が１．５μｍ、最大結晶粒子径が３μｍ、気孔率が４０％、平均気孔径が３μｍ、最大気孔径が５μｍ、曲げ強さが３００ＭＰａの多孔質ガス流通体用材料が得られる。

この多孔質ガス流通体用のグリーン体を１２００℃以上の温度で焼結した仮焼結体あるいは焼結体の外径と厚みを所定寸法に加工した後、超音波洗浄した材料を準備しておき、前記製造例１〜３と同様の方法で、シャワープレート用グリーン体または脱脂体の縦孔に装着して同時焼結することにより図６及び図１０で示したようなシャワープレートを得ることができる。

本発明のシャワープレートは、マイクロ波プラズマ処理装置のほか、平行平板型高周波励起プラズマ処理装置、誘導結合型プラズマ処理装置等、各種のプラズマ処理装置に利用可能である。

ガス放出孔のアスペクト比とプラズマの逆流の関係を示す説明図である。 本発明の第一実施例を示す。 図２に示したシャワープレートの横孔と縦孔の配置を示す。 図２に示したシャワープレートの縦孔の詳細を示す。 縦孔の他の例を示す。 縦孔のさらに他の例を示す。 本発明の第二実施例を示す。 図７に示したシャワープレートの上面からみた横孔と縦孔の配置を示す。 図７に示したシャワープレートとカバープレートの配置を示す 図７に示したシャワープレートの縦孔の詳細を示す。 本発明のシャワープレートにおける縦孔の他の例を示す。 従来のシャワープレートを示す。

符号の説明

１０１ 排気ポート
１０２ 処理室
１０３ 被処理基板
１０４ 保持台
１０５ 縦孔
１０５ａ 第一の縦孔
１０５ｂ 第二の縦孔
１０６ シャワープレート
１０７ シール用のＯリング
１０８ カバープレート
１０９ シール用のＯリング
１１０ ガス導入ポート
１１１ ガス供給孔
１１２ 空間
１１３、１１３’ セラミックス部材
１１３ａ、１１３ａ’ ガス放出孔
１１４ 多孔質セラミックス焼結体（多孔質ガス流通体）
１１５ 面取り加工
１１６ スロット板
１１７ 遅波板
１１８ 同軸導波管
１１９ 金属板
１２０ 冷却用流路
１２１ 下段シャワープレート
１２１ａ ガス流路
１２１ｂ ノズル
１２１ｃ 開口部
１２２ プロセスガス供給ポート
１２３ ＲＦ電源
２００ シャワープレート
２０１ 壁面
２０２ シール用のＯリング
２０３ リング状空間
２０４ 横孔
２０５ 縦孔
２０５ａ 第一の縦孔
２０５ｂ 第二の縦孔
３００ 凹部

Claims (20)

1. プラズマ処理装置に配置され、前記プラズマ処理装置内にプラズマを発生させるためにプラズマ励起用ガスを放出する複数の開口部を備えたシャワープレートにおいて、
   前記開口部は、シャワープレートに開けた複数の縦孔と、前記縦孔の内部にそれぞれその縦孔を塞ぐように装着される少なくとも１孔以上のガス放出孔が設けられたセラミックス部材とを有しており、
   前記セラミックス部材は、前記縦孔のガス放出側の出口まで当該縦孔を塞いでおり、前記セラミックス部材のガス放出側の端面は、シャワープレートのガス放出側の面と略同一平面をなし、
   前記ガス放出孔の長さと孔径とのアスペクト比（長さ／孔径）が２０以上であるシャワープレート。
2. ガス放出孔の孔径がシャワープレートの直下に形成されるプラズマのシース厚の２倍以下で、しかも長さが前記処理室における電子の平均自由行程よりも長い請求項１に記載のシャワープレート。
3. 前記縦孔は、ガス導入側の端部が面取りされている請求項１または請求項２に記載のシャワープレート。
4. 前記縦孔は長さ方向に径が異なる請求項１から請求項３のいずれかに記載のシャワープレート。
5. 前記縦孔のガス導入側の径がガス放出側の径より大きい請求項４に記載のシャワープレート。
6. 前記縦孔のガス導入側の径がガス放出側の径より小さい請求項４に記載のシャワープレート。
7. 前記セラミックス部材は前記縦孔の径大部と径小部の両方にわたって装着されている請求項４から請求項６のいずれかに記載のシャワープレート。
8. 前記セラミックス部材のガス導入側の端面は、前記縦孔の内部にある請求項１に記載のシャワープレート。
9. 前記セラミックス部材のガス導入側の端面よりガス導入側で、かつ前記縦孔の内部に多孔質セラミックス部材が装着されている請求項８に記載のシャワープレート。
10. ガス放出孔は各セラミックス部材に複数設けられている請求項１から請求項９のいずれかに記載のシャワープレート。
11. 前記縦孔のガス導入側の径小部に第１のセラミックス部材が装着されると共に、前記縦孔のガス放出側の径大部に第２のセラミックス部材が装着されており、この第２のセラミックス部材のガス導入側に凹部が設けられ、前記第１のセラミックス部材のガス放出孔から放出されたプラズマ励起用ガスは、前記凹部に拡散充満した後、前記第２のセラミックス部材のガス放出孔からプラズマ処理装置内に放出されるようになっており、前記第２のセラミックス部材のガス放出孔の数が前記第１のセラミックス部材のガス放出孔の数より多い請求項６に記載のシャワープレート。
12. 原料粉末を成型して縦孔を加工形成したシャワープレートのグリーン体、脱脂体または仮焼結体の前記縦孔に、１孔以上のガス放出孔を有するセラミックス部材のグリーン体、脱脂体、仮焼結体または焼結体を装入後、同時に焼結するシャワープレートの製造方法。
13. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のシャワープレートを配置したプラズマ処理装置。
14. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のシャワープレートを用いてプラズマ励起用ガスをプラズマ処理装置内に供給し、供給されたプラズマ励起用ガスをマイクロ波で励起してプラズマを発生させ、該プラズマを用いて酸化、窒化、酸窒化、ＣＶＤ、エッチング、またはプラズマ照射を基板に対して施すプラズマ処理方法。
15. 請求項１４に記載のプラズマ処理方法によって基板を処理する工程を含む電子装置の製造方法。
16. 処理装置に配置され、前記処理装置内にガスを放出する複数の開口部を備えたシャワープレートにおいて、
    前記開口部は、シャワープレートに開けた複数の縦孔と、前記縦孔の内部にそれぞれその縦孔を塞ぐように装着される少なくとも１孔以上のガス放出孔が設けられたセラミックス部材とを有し、
    前記セラミックス部材は、前記縦孔のガス放出側の出口まで当該縦孔を塞いでおり、前記セラミックス部材のガス放出側の端面は、シャワープレートのガス放出側の面と略同一平面をなすシャワープレート。
17. 前記セラミックス部材が前記縦孔の内部に一体的に装着された請求項１または請求項１６に記載のシャワープレート。
18. 前記縦孔は、ガス導入側に形成された第１の縦孔と、前記第１の縦孔のガス放出側に形成され、前記第１の縦孔の径より小さい径の第２の縦孔とからなる請求項１６または請求項１７に記載のシャワープレート。
19. 前記縦孔は、ガス導入側に形成された第１の縦孔と、前記第１の縦孔のガス放出側に形成され、前記第１の縦孔の径より大きい径の第２の縦孔とからなる請求項１６または請求項１７に記載のシャワープレート。
20. 前記シャワープレートの上面に、当該シャワープレートとの間に空間が形成されるようにカバープレートが配置され、前記カバープレートに、前記開口部に対応するように溝が形成された請求項１及び請求項１６から請求項１９のいずれかに記載のシャワープレート。

Images