JP7635606B2

JP7635606B2 - プラズマ処理装置用電極板及びその製造方法

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Publication number: JP7635606B2
Application number: JP2021057244A
Authority: JP
Inventors: 佑樹松澤; 輝紀田中; 康太高畠
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2025-02-26
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: JP2022154293A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に用いられる電極板及びその製造方法に関する。

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る一対の電極を、例えば上下方向に対向配置し、その下側電極の上に被処理基板を配置した状態として、上側電極に形成した通気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。

このプラズマ処理装置で使用される電極板は、単結晶シリコン、柱状昌シリコン等からなるインゴットを円板状に薄く切断した後、通気孔を形成するなどの機械加工や、表面研磨のためのエッチング処理、研磨加工などを経て仕上げられる。また、被処理基板に面内均一なプラズマ処理を行うために、電極板の面内において比抵抗値のばらつきが少ないものが求められる。

特許文献１では、Ｐ型シリコンからなる電極板を製造する場合に、シリコン素材を５５０℃以上７００℃以下の温度に３０分以上１２０分以下の時間保持した後、１００℃／分以上１８０℃／分以下の速度で冷却する第１熱処理工程と、第１熱処理工程後にシリコン素材を３００℃以上３５０℃以下の温度に２０時間以上３０時間以下の時間保持した後、冷却する第２熱処理工程とを有し、その後、通気孔形成工程、仕上げ工程を経て電極板を製造することが開示されている。この場合の電極板の厚さは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であると記載されている。

特許文献２では、シリコンインゴットから得た素地板に通気孔を形成した後、表面のダメージ除去のためにエッチングし、その後、４００～１０００℃の温度にてドナーキリング工程を行うことで抵抗を安定化させることが開示されている。特許文献２には、得られる電極板の厚さや通気孔の径等については記載ない。

特許文献３では、開気孔率が１０～４０％、結晶構造が６Ｈ型のα－ＳｉＣを主体とする多孔性の炭化ケイ素焼結体の基体（素地板）に穿孔工程によりガス導入孔（通気孔）を多数形成下後、焼結体を不活性ガス雰囲気において１５００～２３００℃、１０～６００分加熱処理することにより、穿孔による孔内壁部の弱体化した粒界部分を再焼結させ、パーティクルの発生を抑制できることが開示されている。この電極板は、直径１００～３００ｍｍφ、厚み１～５ｍｍｔであり、比抵抗率は１０Ω・ｃｍ以下が好ましいと記載されている。

特開２０１８－１３３５３７号公報特表２０１０－５１９７６３号公報特開２００１－７０８２号公報

従来の電極板は、特許文献１に記載のように５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚さであったが、近年、高寿命化のため、電極板の厚さを増大させることが求められている。その場合、従来の方法では比抵抗値を均一化することが難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、厚い電極板においても、プラズマ処理中の比抵抗値のばらつきを抑制することができ、均一なプラズマ処理を行わせ、長寿命化を図ることができるプラズマ処理装置用電極板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法は、シリコンインゴットから厚さ１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下の素地板を形成するスライス工程と、前記素地板を貫通する多数の通気孔を前記素地板の体積に対する通気孔の体積の総和の比率が０．０４％以上１．０％未満となるように形成する通気孔形成工程と、前記通気孔を形成した前記素地板を５５０℃以上の温度に加熱した後、１００℃／分以上１８０℃／分以下の速度で冷却する熱処理を施す熱処理工程とを有する。

比抵抗値のばらつき抑制のためには、加熱後に急冷することで酸素ドナーを低減させ、比抵抗値を安定させることができる。電極板の厚さが大きいと、加熱及び急冷の効果が内部まで到達しにくくなる。
この製造方法では、素地板に所定の体積比率で通気孔を形成した後に熱処理しており、その通気孔が所定の体積比率で存在していることにより、熱処理時に内部まで均等に加熱され、また、冷却時には内部まで速やかに急冷することができる。通気孔の体積比率が０．０４％未満では、加熱及び急冷の効果が内部まで到達しにくいため、比抵抗値が安定しない。その体積比率が１．０％以上であると、電極板として処理ガスの回り込みが発生してパーティクルが発生しやすくなる。この通気孔の体積比率は０．０５％以上０．８％以下が好ましい。

また、熱処理時の冷却速度は１００℃／分未満では、ドナー抑制効果が低減して比抵抗値が安定しない。１８０℃／分をこえると、電極板に割れが生じるおそれがある。この冷却速度は１１０℃／分以上１８０℃／分以下が好ましい。
なお、電極板の厚さは２０ｍｍを超える電極板に適用すると好ましく、２５ｍｍ以上の厚さの電極板に特に有効である。電極板の厚さが３５ｍｍを超えると比抵抗値の安定化が難しくなる。
また、シリコンインゴットは、単結晶シリコン、柱状昌シリコン又は多結晶シリコンから製造される。

このプラズマ処理装置用電極板の製造方法において、前記熱処理工程後に前記素地板の表面をエッチングするエッチング工程を有するとよい。エッチングすることにより、加工ダメージ層の除去だけでなく、熱処理時に素地板表面に形成される可能性のある酸化被膜を除去することができ、パーティクルの発生をより抑制することができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板は、シリコン製で厚さが１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下、電極板の体積に対する通気孔の体積の総和の比率が０．０４％以上１．０％未満であり、比抵抗値の面内ばらつきが０．１Ω・ｃｍ以上１．５Ω・ｃｍ以下である。比抵抗値のばらつきは３Ω・ｃｍ以下とするのが好ましい。
比抵抗値のばらつきが小さいと、プラズマ処理において発生するプラズマが安定することから、被処理板の不良率が抑えられ、電極板の消耗も均一で長寿命化に有利である。

本発明によれば、厚い電極板においても、プラズマ処理中の比抵抗値のばらつきを抑制することができ、均一なプラズマ処理を行わせ、長寿命化を図ることができる。

本発明の実施形態のプラズマ処理装置用電極板を示す（ａ）が平面図、（ｂ）が一部の断面図である。実施形態のプラズマ処理装置用電極板の製造方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置用電極板及びその製造方法の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態のプラズマ処理装置用電極板（以下、単に電極板とする）１１は、図１に示すように、単結晶シリコン、柱状昌シリコン又は多結晶シリコンにより、例えば厚さが１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下、直径２００ｍｍ以上６００ｍｍ以下の円板状に形成される。また、この電極板１１には、数ｍｍ～１０ｍｍピッチで数百個～数千個の通気孔２１が厚さ方向に平行に貫通状態に形成されている。なお、各通気孔２１は、ドリル加工又はレーザ加工により形成され、電極板１１の体積に対する通気孔２１の体積の総和の比率（以下、体積比率という）が０．０４％以上１．０％未満に設定されている。この通気孔２１は端部に面取りがされる場合があるが、体積はこの面取り部を含んで計測される。
また、この電極板１１は、比抵抗値の面内ばらつきが１．５Ω・ｃｍ以下である。

このように構成される電極板１１は、例えば図２のフローチャートに示すように、単結晶シリコン等のシリコンインゴットを形成するインゴット形成工程と、そのシリコンインゴットを円板状に薄く切断（スライス）して板状の素地板を形成するスライス工程と、素地板の外周部を切削して所定の外径の素地板に形成する外形加工と、外形加工後の素地板に多数の通気孔２１を形成する通気孔形成工程と、通気孔２１を形成した素地板に熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後の素地板にエッチング処理を施すエッチング工程と、エッチング工程後に表面を研磨するなどの仕上げ工程を経て製造される。

インゴット形成工程では、チョクラルスキー法や鋳造法等の方法により、単結晶シリコン、柱状昌シリコン又は多結晶シリコンによって円柱状、ブロック状等のシリコンインゴットを形成する。

スライス工程では、ダイヤモンドバンドソーやワイヤソー等で薄く切断して円板状の素地板を形成する。切断後、加工ダメージ層を少なくするため、両面に研削加工を施す。
外形加工では、切削加工により素地板の外形を加工し、目的とする電極板１１の外形となる円板状に形成する。

通気孔形成工程では、素地板の一方の表面側から厚さ方向に平行にドリルを下降させる、またはレーザ照射を行うことにより、１個ずつ通気孔２１を加工する。この通気孔形成工程では、前述したように数百～数千個の通気孔２１が形成されるが、これら通気孔２１の体積の合計が、素地板の体積に対して、０．０４以上１．０未満の体積比率となるように形成する。例えば、直径３８０ｍｍの素地板に対して、０．８ｍｍの内径の通気孔２１を６０６個形成すると、その体積比率は０．２７となる。

通気孔形成工程において複数の通気孔２１が素地板に形成された後、熱処理工程では、通気孔２１を形成した素地板を加熱炉内に入れ、アルゴン雰囲気等の不活性雰囲気中において５５０℃以上の温度に加熱する。例えば、５５０℃以上１０００℃以下の温度に加熱する。そのピーク温度に４時間以上１６時間保持した後、素地板を加熱炉から取り出し、冷気を送るなどにより急冷する。そのときの冷却速度は１００℃／分以上１８０℃／分以下である。特に、４５０℃前後の温度域を冷却する際に素地板内の酸素から電子が放出され、ドナーになって比抵抗値がばらつく要因となるので、その温度域を速やかに通過させることで電子の放出を抑制し、その結果、比抵抗値のばらつきが抑制される。

この熱処理工程において、その前に通気孔形成工程により素地板には多数の通気孔２１が形成されているので、加熱の際に素地板の内部まで均等に加熱されるとともに、急冷時も素地板の全体が急速に冷却され、電子の放出を効果的に抑制し、比抵抗値のばらつきを抑えることができる。冷却速度は１１０℃／ｍｉｎ以上１８０℃／ｍｉｎ以下とするのが好ましい。
なお、この熱処理は、その前の工程で行われるスライス工程や通気孔工程で生じる歪を除去する効果もある。

エッチング工程では、素地板を酸性のエッチング液に浸漬することにより実行される。エッチング液としては、例えば、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）を混合したフッ硝酢酸が用いられる。エッチング液への浸漬時間は１０分～９５分である。熱処理工程で冷却を大気中で行うことにより表面に酸化皮膜が形成されており、これをエッチング工程で除去する。また、通気孔形成工程で形成した通気孔２１内面のマイクロクラック等の加工ダメージも除去することができる。

仕上げ工程では、回転する研磨パッドの上にコロイダルシリカやダイヤモンド砥粒等の研磨材を含有したスラリー（研磨液）を供給しながら素地板の両面を研磨する。研磨後に素地板を流水等で洗浄することにより電極板１１として仕上げられる。超音波洗浄を実施してもよい。

このようにして製造される電極板１１は、通気孔形成工程の後に熱処理工程を実施しており、通気孔２１が０．０４以上１．０未満となる体積比率で存在していることにより、熱処理時に内部まで均等に加熱され、また、内部まで速やかに急冷することができる。このため、比抵抗値の面内ばらつきが１．５Ω・ｃｍ以下と小さい電極板１１を製造することができ、安定したプラズマ処理により均一な処理を行うことができる。
通気孔２１の体積比率が０．０４未満では、加熱及び急冷の効果が内部まで到達しにくいため、比抵抗値が安定しない。その体積比率が１．０以上であると、電極板１１として処理ガスの回り込みが発生してパーティクルが発生する。この通気孔２１の体積比率は０．０５以上０．８以下が好ましい。また、比抵抗値の面内ばらつきは３Ω・ｃｍ以下が好ましい。

なお、本発明は上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。
通気孔２１はすべて同じ内径に形成してもよいが、電極板１１の位置によって内径を変えてもよい。また、電極板１１の表面と裏面とで内径を異ならせた通気孔２１としてもよい。

単結晶のシリコンインゴットをスライスし、外径３８０ｍｍで種々の厚さの素地板を形成し、通気孔形成工程、熱処理工程、エッチング工程、仕上げ工程を経て電極板を作製した。通気孔の内径及び電極板の体積に対する体積比率は表１の通りとした。通気孔は、均一内径のストレート状に形成した。その内径は電極板の表面における通気孔の開口について３次元測定機にて測定し、その体積は、電極板の厚さを測定して算出した。また、通気孔を有しない電極板も比較のため作製した（比較例２）。
熱処理はそれぞれ６３０℃まで加熱し、表１に示す冷却速度で冷却した。熱処理しなかったものも比較例として作製した（比較例１）。
これら電極板について、比抵抗値の面内ばらつき、プラズマ処理中のパーティクル発生数を測定するとともに、使用寿命を評価した。
比抵抗値は、４探針法を用い、電極板の表面に探針を配置して測定し、電極板平面内の３箇所の測定値の最大値と最小値との差をばらつきとした。
パーティクル発生数は電極板をスパッタ装置に取り付け、
チャンバー内圧力：１０^－１Ｔｏｒｒ
エッチングガス組成：９０ｓｃｃｍＣＨＦ_３＋４ｓｃｃｍＯ_２＋１５０ｓｃｃｍＨｅ
高周波電力：２ｋＷ
真空周波数:２０ｋＣｙｃｌｅ
の条件で１００時間連続してスパッタして、パーティクルカウンターにてパーティクルをカウントし、１００個以上発生したものを「不良」、１００個未満であったものを「良」とした。
使用寿命は、使用時間により判定し、５００時間使用可を「良」、５００時間未満を「不良」とした。
総合評価は、比抵抗値が１．５Ω・ｃｍ以下で、パーティクル発生数、使用寿命がともに「良」の場合を「Ａ」、比抵抗値が１．５Ω・ｃｍ以上で、パーティクル発生数が「良」、使用寿命が「良」の場合を「Ｂ」、比抵抗値が１．５Ω・ｃｍを超えていたもの、あるいはパーティクル発生数が「不良」、あるいは使用寿命が「不良」の場合を「Ｃ」とした。比較例２は通気孔を形成しなかった場合であり「―」、電極としての特性がないため「Ｃ」とした。

結果を表１に示す。なお、通気孔を形成しなかった比較例２は比抵抗値のみ測定した。また、比較例６は熱処理において割れが生じたため、比抵抗値以下の測定を行わなかった。

表１中、実施例１～６は、厚さが１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下において、比抵抗値のばらつきが１．３Ω・ｃｍ以下と小さかった。また、パーティクルの発生も少なく、寿命も十分であった。

これに対して、比較例１は熱処理しなかったため、比抵抗値のばらつきが１．８Ω・ｃｍと大きいために、均一なプラズマ処理を行うことができない。比較例２は通気孔を有しない電極板であり、熱処理しても比抵抗値のばらつきが１．６Ω・ｃｍと大きかった。比較例３は通気孔の体積比率が１．０と大きかったため、比抵抗値のばらつきは小さかったが、パーティクルが多く発生し、総合評価はＣであった。比較例４は厚さが４０ｍｍと大きく、かつ熱処理時の冷却速度が８０℃／ｍｉｎと小さかったため、比抵抗値のばらつきが１．７と大きかった。比較例５は熱処理時の冷却速度が５０℃／ｍｉｎと小さかったため、比抵抗値のばらつきが１．８と大きかった。比較例６は熱処理時の冷却速度が２００℃／ｍｉｎと大きかったため、冷却時に割れが発生した。
従来例はいずれも厚さが１３ｍｍで薄く、比抵抗値のばらつきは小さく、パーティクルの発生も認められなかったが、消耗による寿命が短いものであった。

１１電極板
２１通気孔

Claims

シリコン製の厚さ１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下の素地板を形成するスライス工程と、前記素地板を貫通する多数の通気孔を前記素地板の体積に対する通気孔の体積の総和の比率が０．０４％以上１．０％未満となるように形成する通気孔形成工程と、前記通気孔を形成した前記素地板に５５０℃以上の温度に加熱した後、１００℃／分以上１８０℃／分以下の速度で冷却する熱処理を施す熱処理工程とを有することを特徴とするプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
前記熱処理工程後に前記素地板の表面をエッチングするエッチング工程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の製造方法。
シリコン製で厚さが１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下、電極板の体積に対する通気孔の体積の総和の比率が０．０４％以上１．０％未満であり、前記電極板平面内の３箇所で測定した比抵抗値の最大値と最小値との差である比抵抗値の面内ばらつきが０．１Ω・ｃｍ以上１．５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置用電極板。