JP2017050118A - プラズマ処理装置用電極板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銅の加工電極を用いた放電加工により通気孔を形成して、省力化、低コスト化を図るとともに、プラズマ処理における銅汚染を防止する。【解決手段】電極板となる素板に、銅製加工電極を用いた放電加工を施して通気孔より小径の下孔を形成する孔明け工程と、下孔を形成した孔明き素板に９００℃以上１１００℃以下の温度で１２時間以上３２時間以下の熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後の孔明き素板をエッチングして、下孔の内周部の放電加工によるダメージ層を除去するエッチング工程とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置において、プラズマ生成用ガスを厚さ方向に通過させながら放電するプラズマ処理装置用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、上部電極に形成した通気孔からエッチング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。そして、このプラズマ処理装置で使用される上部電極として、一般に、シリコン製の電極板を冷却板に固定し重ね合せた積層電極板が用いられており、プラズマ処理中に上昇する電極板の熱は、冷却板を通じて放熱されるように構成されている。

この種の電極板は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、又は一方向凝固組織を有する柱状晶シリコンからなるインゴットをダイヤモンドバンドソー等で略円板状に薄く切断した後、厚さ方向に平行に多数の通気孔（直径１ｍｍ程度の細孔）を形成し、所定の研削加工を施した後に、エッチング処理、ポリッシング加工することで仕上げられる。
この電極板に通気孔を形成する方法として、例えば特許文献１及び特許文献２には、放電加工による方法が開示されている。放電加工では、電極（銅主成分の合金）を被加工材（例えばＳｉ）に近づけ、電圧をかけることで、電極と被加工材の間にアーク放電を発生させ、被加工材を削る。この放電加工による孔加工では、ドリル加工等に比べて、加工速度が速く、省力化、低コスト化が可能である。

特開平１１‐９２９７２号公報 特開平１０‐２２３６１３号公報

ところで、放電加工で使用する加工電極には、銅が用いられることが多い。この加工電極の銅は、放電によって徐々に消耗し、細かく削られた銅成分が孔表面に付着することで被加工材であるシリコン製電極板の内部（孔周辺）に浸透して拡散するおそれがある。このため、その電極板を用いてプラズマ処理すると、銅成分が汚染の原因となるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、銅の加工電極を用いた放電加工により通気孔を形成して、省力化、低コスト化を図りつつ、プラズマ処理における銅汚染を防止す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、プラズマ生成用ガスを流通させる複数の通気孔を有する電極板を製造する方法であって、電極板となる素板に、銅製加工電極を用いた放電加工を施して前記通気孔より小径の下孔を形成する孔明け工程と、前記下孔を形成した孔明き素板に９００℃以上１１００℃以下の温度で１２時間以上３２時間以下の熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後の孔明き素板をエッチングして、前記下孔の内周部の前記放電加工によるダメージ層を除去するエッチング工程とを有する。

銅製電極を用いた放電加工の孔明け工程により、孔明き素板の下孔の内周部に銅が浸透し、内部に拡散するが、下孔の内周部は放電加工によるダメージ層が形成されており、孔明け工程後の熱処理工程において、電極板内に拡散していた銅が下孔内周部のダメージ層に移動して集められる。したがって、次のエッチング工程により、ダメージ層を除去することにより、銅濃度の低い電極板を得ることができる。
なお、銅製電極は、純銅製電極、銅合金製電極のいずれをも含むものとする。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法において、前記エッチング工程は、前記下孔の内周部を厚さ２０μｍ以上除去するとよい。
厚さ２０μｍ以上除去することにより、通気孔の内周部の銅汚染がほとんどない電極板を得ることができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法において、前記孔明け工程の後であって、前記エッチング工程の前に、前記下孔をドリルを用いた機械加工によりサイジングするサイジング工程を有するとよい。

下孔を機械加工した後エッチングすることにより、エッチング時間を短縮することが可能である。この場合の機械加工は、予め形成した下孔のサイジング加工であるから、ドリルによる機械加工で下孔を形成する場合に比べて、加工時間は短くて済む。
また、このサイジング工程を熱処理工程の前に行うと、ダメージ層に適度な歪みを導入することができ、ダメージ層への銅の捕捉をより確実に行うことができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板は、プラズマ生成用ガスを流通させる複数の通気孔を有する電極板であって、前記通気孔の内周面から深さ１μｍの位置の銅濃度が０．２ｐｐｂ以上５ｐｐｂ以下である。

通気孔の内周面から深さ１μｍの位置の銅濃度が５ｐｐｂを超えると、プラズマ処理時に銅がプラズマ中に放出されて、処理対象物の銅汚染の問題が生じるおそれがある。

本発明によれば、放電加工により多数の孔を速やかに加工して、省力化、低コスト化を図ることができるとともに、プラズマ処理における銅汚染を防止することができる。

本発明のプラズマ処理装置用電極板の製造方法の実施形態を説明するフローチャートである。 図１の製造方法における孔明け工程を説明する図である。 図１の製造方法における孔明け工程後の下孔（ａ）及びエッチング工程後の通気孔（ｂ）を比較して示す断面図である。 プラズマ処理装置用電極板が用いられるプラズマエッチング装置の一例を示す概略構成図である。

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。
まず、本実施形態で製造される電極板３が用いられるプラズマ処理装置として、プラズマエッチング装置について説明する。プラズマエッチング装置１００は、図４に示すように、真空チャンバー２内の上側に電極板（上側電極）３が設けられるとともに、下側に上下動可能な架台（下側電極）４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられる。この場合、上側の電極板３は絶縁体５により真空チャンバー２の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、架台４の上に、静電チャック６と、その周りを囲むシリコン製の支持リング７とが設けられており、静電チャック６上に支持リング７により周縁部を支持した状態でウエハ（被処理基板）８が載置されるようになっている。また、真空チャンバー２の上側には、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、拡散部材１０を経由した後、電極板３に設けられた通気孔１１を通してウエハ８に向かって流され、真空チャンバー２の側部の排出口１２から外部に排出される構成とされる。一方、電極板３と架台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、電極板３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が固定されている。この冷却板１４にも、電極板３の通気孔１１に連通するように、通気孔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１４に接触した状態でねじ止め等によってプラズマエッチング装置１００内に固定される。

本実施形態の電極板３は、単結晶シリコン、柱状晶シリコン、又は多結晶シリコンにより、例えば厚さ５〜１２ｍｍ程度、直径３００〜４００ｍｍ程度の円板に形成され、この電極板３には、内径０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの通気孔１１が数ｍｍ〜１０ｍｍピッチで数百〜３０００個程度、縦横に整列した状態（マトリクス状）で厚さ方向に平行に貫通するように形成されている。

このように構成される電極板３は、図１のフローチャートに示すように、電極板３となる素板３１に放電加工を施して、通気孔１１より小径の下孔３２を複数形成する孔明け工程（Ｓ１）と、下孔３２を形成した孔明き素板３３に熱処理を施す熱処理工程（Ｓ２）と、熱処理後の孔明き素板３３をエッチングして、下孔３２の内周部の放電加工によるダメージ層３５を除去するエッチング工程（Ｓ３）と、エッチング処理工程（Ｓ３）後に孔空き素板３３の表裏面を研磨するポリッシング工程（Ｓ４）と、ポリッシング工程（Ｓ４）後に孔空き素板３３を洗浄する洗浄工程（Ｓ５）とを経て製造される。

上記の電極板の製造方法の各工程を詳述すると、まず、図示は省略するが、単結晶シリコン、多結晶シリコン、又は一方向凝固組織を有する柱状晶シリコンからなるインゴットを、ダイヤモンドバンドソー等で略円板状に薄く切断することにより形成した素板３１を用意する。

（孔明け工程）
素板３１に放電加工により下孔３２を形成する。放電加工のための電極４１は、図２に示すように、下孔３２を形成するための断面円形のピン状突起４２を複数有しており、銅（又は銅合金）により形成される。この銅製電極４１のピン状突起４２と素板３１の表面とを加工液中で対向させ、加工電極４１と素板３１との間に電圧を印加し、これらの間に放電を生じさせながらピン状突起４２を素板３１の厚さ方向に移動する。このピン状突起４１を素板３１に貫通することにより下孔３２が形成され、孔明き素板３３が形成される。
この孔明け工程では、電極４１のピン状突起４２を複数形成しておくことにより、素板３１の各下孔３２を一度に、あるいは複数個ずつ複数回に分けて形成することができる。

（熱処理工程）
次に、孔明き素板３３に熱処理を施す。熱処理は、窒素又は不活性ガス雰囲気の下、９００℃以上１１００℃以下の温度で１２時間以上３２時間以下実施する。前工程の孔明け工程において銅製電極４１を用いて放電加工したことにより、銅製電極４１の銅成分が孔明き素板３３の下孔３２の内周面から内部に拡散しており、この熱処理を施すことにより、孔明き素板３３の内部に拡散していた銅が表面に向かって移動（拡散）する。この場合、下孔３２の内周部には、図３（ａ）に示すように、放電加工により歪みが蓄積したダメージ層３５が形成されているので、銅はこのダメージ層３５に捕捉され、ダメージ層３５に集中して析出する。
この熱処理温度が９００℃未満では、銅の移動が小さく、ダメージ層３５への集中が十分でなく、１１００℃を超えると、銅の移動が大きくなり過ぎて、ダメージ層３５での捕捉が難しくなる。熱処理時間も１２時間未満では効果が十分でなく、３２時間を超えると、高温に長時間さらされることにより、電極板表面にできる酸化膜層が厚くなり、その後のエッチング工程で除去しきれなくなる。

（エッチング工程）
孔明き素板３３をエッチング液に浸漬してエッチング処理を施す。このエッチング処理により、下孔３２の内周部のダメージ層３５が除去され、このダメージ層３５に捕捉されていた銅もダメージ層３５とともに除去される。エッチング液としては、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）を５〜８：４２〜４８：１６〜２４の比率（容量比）で混合したエッチング液（フッ硝酢酸）を用いるとよい。このエッチング処理により、孔明き素板３３の表面を２０μｍ以上除去するが、必要以上に多く除去しない方が良い。

このエッチング処理は、図３（ｂ）に示す最終の電極板３の通気孔１１の表面部（表面から深さ１μｍの位置）の銅濃度を０．２ｐｐｂ〜５ｐｐｂとすることを目標とする。この程度の銅濃度であれば、プラズマ処理による銅汚染の問題は生じない。エッチング液への浸漬時間は、各酸の混合比率にもよるが、２分程度でよい。
電極板３の表面の銅濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって計測することができる。
なお、このエッチング工程では、孔明き素板３３をエッチング液に浸漬することに代えて、孔明き素板３３の一方の表面の周縁部に、箱体の開口端を密接させ、箱体内にエッチング液を加圧状態で供給しながら、孔明き素板３３の各下孔３２内にエッチング液を通過させるようにしてもよい。

（ポリッシング工程、洗浄工程）
エッチング処理後の孔明き素板の表裏面を研磨して平滑化する。
最後に、洗浄工程（Ｓ５）において、孔空き素板を洗浄して電極板３に仕上げる。具体的には、孔空き素板を純水等の洗浄液に一定時間浸漬するとともに、洗浄液中で孔空き素板を揺動させるなどにより行う。

以上のように、この製造方法は、素板３１に放電加工によって複数の下孔３２を形成した後、この放電加工によって孔明き素板３３内に拡散した銅を、次の熱処理工程によって下孔３２内周部のダメージ層３５に移動させ、そのダメージ層３５をエッチング処理によって除去することにより、銅成分の少ない電極板３を得ることができる。また、ダメージ層３５が除去されているので、プラズマ処理時にパーティクルの発生も防止することができる。

以上の実施形態では、放電加工による孔明け工程、熱処理工程、エッチング工程の順に行って電極板３を製造したが、孔明け工程の後、エッチング工程までの間に、孔明け工程で形成した下孔３２の表面部のみをドリルを用いてわずかに切削するサイジング工程を実施してもよい。
このサイジング工程を実施する場合、孔明け工程で形成する下孔３２を小さめに形成しておき、サイジング工程で下孔３２の表面部を切削する。その切削代はわずかでよく、したがって、最初からドリルで孔明け加工する場合に比べて、作業時間は少なくて済む。
このサイジング工程を熱処理工程の前に実施すると、下孔３２の放電加工によるダメージ層３５にドリル加工による機械的な歪みを付与することができ、次の熱処理工程におけるダメージ層３５への銅の捕捉をより確実に行うことができる。

次に、本発明の効果を確認するために、熱処理条件を変えて複数の電極板を作製し、各電極板の通気孔の内周部における銅濃度を測定した。

電極板は、外径３９０ｍｍ（１２インチ）、厚さ１２ｍｍの単結晶シリコンの円板を用いて作製し、その単結晶シリコンの円板（素板）に銅製電極を用いた放電加工により、直径０．５ｍｍの下孔を１０００個形成した。そして、窒素雰囲気の下、表１に示す温度、時間で熱処理を施した後、エッチング工程を行い、所定のポリッシング工程、洗浄工程を経て、各電極板を作製した。エッチング工程では、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ_３）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）を７：４５：２０の比率（容量比）で混合したエッチング液を用い、試料を２分間浸漬した。エッチング量は２０μｍであった。
エッチング後の試料につき、通気孔の内周面から１μｍの深さの箇所の銅（Ｃｕ）濃度を二次イオン質量分析装置を用いて測定した。
測定結果を表１に示す。

表１からわかるように、９００℃以上１１００℃以下の温度で熱処理することにより、銅濃度が０．２ｐｐｂ〜５ｐｐｂまで減少しており、１０００℃で最も銅濃度が低い状態であった。熱処理温度が９００℃以上１１００℃以下の範囲より低い場合も、高い場合でも、いずれも銅濃度は１０ｐｐｂと高くなっていた。熱処理時間としては１６時間としたが、１２時間〜３２時間の範囲内であれば好適と想定される。

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。

１００ プラズマ処理装置
２ 真空チャンバー
３ 電極板（プラズマ処理装置用電極板）
４ 架台
５ 絶縁体
６ 静電チャック
７ 支持リング
８ ウエハ（被処理基板）
９ エッチングガス供給管
１０ 拡散部材
１１ 通気孔
１２ 排出口
１３ 高周波電源
１４ 冷却板
１５ 貫通孔
３１ 素板
３２ 下孔
３３ 孔空き素板
３５ ダメージ層

Claims (4)

1. プラズマ生成用ガスを流通させる複数の通気孔を有する電極板を製造する方法であって、電極板となる素板に、銅製加工電極を用いた放電加工を施して前記通気孔より小径の下孔を形成する孔明け工程と、前記下孔を形成した孔明き素板に９００℃以上１１００℃以下の温度で１２時間以上３２時間以下の熱処理を施す熱処理工程と、熱処理後の孔明き素板をエッチングして、前記下孔の内周部の前記放電加工によるダメージ層を除去するエッチング工程とを有す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。
2. 前記エッチング工程は、前記下孔の内周部を厚さ２０μｍ以上除去することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
3. 前記孔明け工程の後であって、前記エッチング工程の前に、前記下孔をドリルを用いた機械加工によりサイジングするサイジング工程を有することを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置用電極板の製造方法。
4. プラズマ生成用ガスを流通させる複数の通気孔を有する電極板であって、前記通気孔の内周面から深さ１μｍの位置の銅濃度が０．２ｐｐｂ以上２ｐｐｂ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。
   
   

Images