(57)【要約】【課題】プラズマによる加工の処理速度の経時変化が生じにくい誘導結合型プラズマ発生装置とそれを用いたドライエッチング装置を提供することである。【解決手段】高周波コイル１が配設されるコイル室２とプラズマを発生させるプラズマ生成室４とを仕切る隔壁５のプラズマ生成室４側の面に、耐エロージョン性に優れたアルミナの溶射被覆層６をプラズマ溶射法によって設けることにより、プラズマ中の活性種の隔壁５への衝突によるエロージョンを抑え、エロージョンの進行に伴う隔壁５の表面積の増大とそれによる隔壁５近傍への電子や活性種の集積を抑制して、被加工物近傍のプラズマ密度の減少を生じにくくし、プラズマによる加工処理速度を長時間ほぼ一定に維持できるようにしたのである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波コイルが配設されるコイル室とプラズマを発生させるプラズマ生成室とが隔壁により仕切られた誘導結合型プラズマ発生装置において、前記隔壁のプラズマ生成室側の面に溶射被覆層を設けたことを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記溶射被覆層が、アルミナ、イットリア、アルミナとイットリアの複合物、ＣａＦ2 、ＭｇＦ、ＡｌＦ3 、および前記３種類のフッ化物から選ばれる２種類以上のフッ化物の複合物のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記溶射被覆層が、室温から２００℃までの温度域における体積抵抗率が１０12〜１０15Ωｃｍのものであることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記溶射被覆層の表面あらさを、最大あらさＲｙで０．８μｍ以上２０μｍ未満としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記溶射被覆層が、プラズマ溶射法により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項６】
前記プラズマ生成室の前記隔壁以外の内面に溶射被覆層を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の誘導結合型プラズマ発生装置で発生させたプラズマを用いて、前記プラズマ生成室内に保持した被加工物にエッチング加工を行うことを特徴とするドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料の表面加工等に使用されるプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生装置と、それを用いたドライエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合型プラズマは、近年、半導体や液晶の製造プロセス等に広く利用されるようになってきている。例えば、半導体デバイスのウエハー基板や液晶ガラス基板等の回路形成工程において、あらかじめ基板表面を被覆した金属、絶縁体、Ｓｉ等の薄膜にエッチングを施す際には、誘導結合型プラズマを利用したドライエッチングを行うことが多い。ドライエッチングでは、通常、３０００枚程度の基板を１周期とし連続的に処理を行う。
【０００３】
上記ドライエッチング等、誘導結合型プラズマ装置を利用したプロセスでは、一般に、図３に示すように、１０-1〜１０3 Ｐａ程度の減圧雰囲気中で上部電極コイル５１と下部電極５２との間に高周波電圧を印加してグロー放電を生じさせ、ここに酸素系、フッ素系、塩素系等のガスを供給して、電子やイオン種、ラジカル種および励起種等の活性種の存在するプラズマを発生させ、両電極５１、５２間に保持した被加工物Ａの表面加工を行っている。
【０００４】
このとき使用される誘導結合型プラズマ発生装置は、通常、図４に示すように、上部電極コイル５１をプラズマから絶縁するために、プラズマを発生させるプラズマ生成室５３の外にコイル５１が配設されており、このコイル５１を収納するコイル室５４とプラズマ生成室５３とが誘電体で形成された隔壁５５により仕切られている。
【０００５】
このような構造の誘導結合型プラズマ発生装置では、表面加工によって二次的に生じたデポと呼ばれる粒子状生成物（以下、単に「デポ」と記す。）がプラズマ生成室の内面に付着し、ある程度の大きさに成長した後に剥離して被加工物を汚染することがあるので、その対策を講じる必要がある。
【０００６】
デポによる汚染に対する一般的な対策としては、プラズマ生成室内面への粗面加工が行われている。すなわち、プラズマ生成室内面に微小な凹凸を形成し、その表面積を大きくすることにより、より多くのデポを付着させて捕捉し、かつ一旦捕捉されたデポが剥離しにくいようにして、被加工物の汚染の低減を図っている（例えば、特許文献１参照。）。また、前記特許文献１では、特にプラズマ生成室の天井部の内面（プラズマ生成室とコイル室とを仕切る隔壁のプラズマ生成室側の面）について、隔壁材質が石英ガラスの場合、平均表面粗さＲａを０．２〜５μｍとすることにより、デポを捕捉して剥離させない機能を長く維持できるとしている。
【０００７】
一方、誘導結合型プラズマ発生装置と同じく半導体等の製造プロセスに広く利用される真空蒸着膜形成装置では、蒸着物粒子による被加工物の汚染を低減させるために、装置内面にアルミニウム等の金属の溶射被覆層を設けていることが多い（例えば、特許文献２参照。）。すなわち、溶射被覆層の粒子積層構造を利用して装置内面の表面積を適度に大きくすることにより、上述した粗面加工の場合と同様に、より多くの蒸着物粒子を付着させ、かつ一旦付着した粒子が離脱しにくいようにしている。従って、この方法を誘導結合型プラズマ発生装置のデポによる汚染への対策として適用することもできる。
【０００８】
しかしながら、上記従来の誘導結合型プラズマ発生装置を用いたドライエッチング装置では、上述したデポ汚染対策を実施していても、その効果が必ずしも十分に持続されないうえ、エッチング加工の処理速度（エッチングレート）が処理枚数の増加にともなって低下するという問題があった。
【０００９】
このため、通常は、デポ汚染による不良品の発生を防止するため、数枚処理する毎に、フッ素ガス等を用いたドライクリーニングによりプラズマ生成室内面からのデポ除去を行っている。しかし、エッチングレートの低下は、ドライクリーニングを行っても抑えることができず、ドライエッチング装置の処理効率を低下させる要因となっている。また、エッチングレートが低下すると、エッチング品質にばらつきを生じ、品質管理の面からも好ましくない。
【００１０】
従って、エッチングレートの低下率がある程度大きくなると、プラズマ生成室を開放してフッ酸水溶液等を用いたウエットクリーニングを行い、エッチングレートを回復させる必要がある。しかし、ウエットクリーニングの実施は、作業に長時間を要するため、ドライエッチング装置の稼動率を低下させており、ドライエッチング工程を含む製造プロセス全体の生産性に悪影響を及ぼすこともある。
【特許文献１】特許第３２５１２１５号公報
【特許文献２】特開２０００−９１２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明の課題は、プラズマによる加工の処理速度の経時変化が生じにくい誘導結合型プラズマ発生装置とそれを用いたドライエッチング装置を提供することである。
【００１２】
ここで、誘導結合型プラズマ発生装置による加工処理速度の経時変化の原因について検討した結果、次のような知見を得た。すなわち、誘導結合型プラズマ発生装置では、両電極間に印加された高周波電圧により発生した電磁波が誘電体である隔壁を通過すると、隔壁は正に帯電し、そのプラズマ生成室側の面の近傍における電子密度が大きくなるので、集積した電子の静電効果によりプラズマ中の正に帯電したイオン種が隔壁に向かって移動し、それとともにラジカル種や励起種等の活性種も強制的に移動させられる。このとき、電子やイオン種等の活性種の隔壁への衝突により、隔壁のプラズマ生成室側の面にエロージョンが生じる。一旦隔壁にエロージョンが生じると、隔壁の表面積の増大により隔壁近傍の電子密度がさらに大きくなり、活性種も隔壁近傍により集まりやすくなるので、エロージョン速度が加速される。このようにして隔壁のエロージョンが処理枚数の増加につれて進行し、被加工物近傍におけるプラズマ密度が徐々に減少していくことにより、プラズマによる加工処理速度が低下すると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、本願の発明者は、上記の課題を解決するために、本発明の誘導結合型プラズマ発生装置では、上記の知見に基づいて、隔壁のプラズマ生成室側の面の耐エロージョン性を向上させることにより、隔壁のエロージョンの進行に伴う被加工物近傍のプラズマ密度の減少を生じにくくして、プラズマによる加工処理速度を長時間ほぼ一定に維持できるようにしたのである。
【００１４】
具体的には、高周波コイルが配設されるコイル室とプラズマを発生させるプラズマ生成室とが隔壁により仕切られた誘導結合型プラズマ発生装置において、前記隔壁のプラズマ生成室側の面に溶射被覆層を設けた構成を採用した。
【００１５】
前記溶射被覆層としては、アルミナ、イットリア、アルミナとイットリアの複合物、ＣａＦ2 、ＭｇＦ、ＡｌＦ3 、および前記３種類のフッ化物から選ばれる２種類以上のフッ化物の複合物のうちのいずれかを採用することができる。
【００１６】
また、前記溶射被覆層は、室温から２００℃までの温度域における体積抵抗率が１０12〜１０15Ωｃｍのもので形成することが好ましい。
【００１７】
すなわち、隔壁は一般に非常に高い体積抵抗率を有する材料で形成されているので（例えば、石英ガラスでは１０17〜１０19Ωｃｍ）、溶射被覆層の材料として、プラズマ生成室の雰囲気温度域での体積抵抗率が最も高いレベルのセラミックスを用いることにより、隔壁の誘電性を極力妨げないようにすることができる。
【００１８】
前記溶射被覆層の表面あらさは、最大あらさＲｙで０．８μｍ以上２０μｍ未満とすることが好ましい。
【００１９】
溶射被覆層の表面あらさを上記の範囲とすることが好ましい理由は、以下のとおりである。すなわち、溶射被覆層の表面あらさは、通常、原料粉末の粒度範囲の選択により調整されるが、粒径の大きい粉末を用いて表面あらさの大きい被覆層を形成した場合は、その粒子積層構造のために、表面積が過度に大きくなってプラズマ内の電子が集積しやすくなること、および粒子間結合力が小さくなることにより、必ずしも十分な耐エロージョン性が得られないことがある。そこで、本発明者が実験により被覆層の表面あらさと耐エロージョン性との関係を調査したところ、表面あらさをＲｙで２０μｍ未満とすることにより、効果的にエロージョンの発生を抑えられることがわかった。また、原料粉末の選択による被覆層表面の平滑化には限界があるが、表面加工により被覆層表面をＲｙで０．８μｍ未満、即ちより平滑にしても耐エロージョン性の向上は認められなかった。そこで、Ｒｙの下限値を０．８μｍとすることにより、過度の平滑化による加工コストの増大を抑えるようにした。
【００２０】
前記溶射被覆層は、プラズマ溶射法により形成することができる。
【００２１】
前記プラズマ生成室の前記隔壁以外の内面、即ち、プラズマ生成室の側壁の内面にも溶射被覆層を設ければ、隔壁の溶射被覆層とともに、デポによる被加工物の汚染を低減させることができる。
【００２２】
また、本発明のドライエッチング装置は、上記の構成の誘導結合型プラズマ発生装置で発生させたプラズマを用いて、前記プラズマ生成室内に保持した被加工物にエッチング加工を行なった場合でも、エッチングレートの低下を防止できるようにした。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、上述したように、誘導結合型プラズマ発生装置の隔壁のプラズマ生成室側の面に、耐エロージョン性に優れたセラミック溶射被覆層を設けたので、隔壁のエロージョンの進行に伴う被加工物近傍のプラズマ密度の減少を生じにくくして、プラズマによる加工処理速度を長時間ほぼ一定に維持でき、加工処理の安定化を図ることができる。
【００２４】
また、本発明のドライエッチング装置は、隔壁のプラズマ生成室側の面に溶射被覆層を設けた誘導結合型プラズマ発生装置を利用してエッチング加工を行うものであるから、エッチングレートの低下が極めて生じにくい。従って、従来よりも処理効率が高く、エッチング品質も安定している。さらに、プラズマ生成室のウエットクリーニングの実施頻度を少なくし、稼動率を高くできるので、ドライエッチング工程を含む製造プロセス全体の生産性の向上にも貢献することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。図１は、実施形態の誘導結合型プラズマ発生装置を用いたドライエッチング装置の概略分解図を示す。このドライエッチング装置は、上部電極コイル１を収納し、４つの面の側壁８によって囲まれているコイル室２と、下部電極３（同図において、斜線で示す）を収納し、上下電極１、３間でプラズマを発生させるプラズマ生成室４とを備えている。プラズマ生成室４は、上下に２室４ａ、４ｂに分割されるようになっており、その上側の室４ａは、４つの面の側壁９によって囲まれており、下側の室４ｂは、４つの面の側壁１０及び下部電極３によって囲まれている。コイル室２と、室４ａとは隔壁５で仕切られている。そして、プラズマ生成室４を減圧雰囲気とし、上下電極１、３間に高周波電圧を印加することによりグロー放電を生じさせるとともに、フッ素系および塩素系等のガスを供給してプラズマを発生させ、プラズマ生成室４内に保持した被加工物（図示省略）のエッチング加工を行う。なお、被加工物は、あらかじめ真空蒸着法、ＣＶＤ法等により表面を金属、絶縁体、Ｓｉ等の薄膜で被覆した液晶ガラス基板である。
【００２６】
前記隔壁５は、厚さ３０ｍｍの石英ガラスで形成されており、プラズマ生成室４側の面に耐エロージョン性に優れた純アルミナの溶射被覆層６が設けられている。溶射被覆層６は、プラズマ溶射法により表１に示す条件で形成されている。なお、表１の前処理のブラスト粗面化は、必ずしも必要ではないが、実施したほうが溶射されたアルミナが隔壁５表面へより付着しやすくなる。また、隔壁５の材質は、焼結セラミックス等を採用してもよい。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
ここで、溶射被覆層６を形成するアルミナは、室温から２００℃までの温度域における体積抵抗率が１０12〜１０15Ωｃｍの範囲にあり、体積抵抗率が１０17〜１０19Ωｃｍの石英ガラスで形成された隔壁５の誘電性を極力妨げないようになっている。
【００２９】
そして、溶射被覆層６の表面あらさは、平滑化のための加工コストの増大を伴うことなく効果的に耐エロージョン性を向上させるために、最大あらさＲｙで０．８μｍ以上２０μｍ未満となるように調整されている。この表面あらさの調整は、アルミナの原料粉末の粒度範囲を適切に選択することにより実施できるので、別途の加工を必要としない。
【００３０】
また、前記プラズマ生成室４の上下各室４ａ、４ｂの側壁９、１０内面にも、上述した隔壁５の溶射被覆層６と同様のアルミナの溶射被覆層７が設けられている。この溶射被覆層７は、各側壁９、１０内面の全面にわたって設けることが望ましいが、側壁９、１０組立時の溶射被覆層７の欠け落ちを防止するために、図１に示したように、各側壁９、１０の周縁部をわずかに被覆せずに残すようにしてもよい。
【００３１】
このドライエッチング装置は、上記の構成であり、隔壁５のプラズマ生成室４側の面がアルミナの溶射膜で覆われて、極めて良好な耐エロージョン性を有している。このため、上下電極１、３間に高周波電圧を印加したときに、電磁波の通過により正に帯電した隔壁５のプラズマ生成室４側面近傍に電子が集積し、その静電効果によってプラズマ中の正に帯電したイオン種やラジカル種等の活性種が隔壁５に衝突しても、隔壁５のプラズマ生成室４側面にはエロージョンが生じにくい。これにより、エロージョンの進行に伴う隔壁５の表面積の増大が抑えられ、隔壁５近傍への電子や活性種の集積が抑制される。従って、被加工物近傍のプラズマ密度の減少も生じにくく、エッチングレートを長時間にわたってほぼ一定に維持することができる。
【００３２】
また、プラズマ生成室４の内面全体に溶射被覆層６、７が設けられているので、前述の真空蒸着膜形成装置の場合と同様に、デポを捕捉し、かつ一旦付着したデポの離脱を抑える機能が優れており、デポ汚染による不良品の発生が少ない。溶射被覆層６、７がデポの捕捉および離脱抑制に有効に作用するのは、その粒子積層構造によりプラズマ生成室４内面の表面積が適度に大きくなり、被覆層６、７表面から数十μｍ深さの領域にフッ素ガス等のエッチングガスが浸透することにより、被覆層６、７の気孔状の粒子境界に入り込んだデポが固着するためと考えられる。また、被覆層６、７がアルミナで形成されているため、それ自体が石英ガラス製の隔壁５よりもエッチングガスに対して化学的に安定であること、および被覆層６、７表面部が粒子境界に入り込んで固着したデポにより目詰めされて、隔壁５をエッチングガスから遮断する機能が高まることも、デポ生成を抑えるのに寄与していると考えられる。
【００３３】
次に、上述した実施形態のドライエッチング装置の効果を確認する実験を行った。まず、エッチングレート低下防止効果については、このドライエッチング装置を用いた場合（実施例）のウエットクリーニング後のエッチングレートの変化挙動を従来の装置と比較した。従来の装置に対しては、これまでのエッチングレート低下抑制方法として、被加工物を５ロット処理する毎にダミー材を用いたドライクリーニングを行う方法（比較例１）、５ロット処理毎および次処理ロット間が、一定時間を超え間隔が長くなるときに適時ドライクリーニングを行う方法（比較例２）、プラズマ生成室内が高温であるほどデポ汚染が少ないことから、プラズマ生成室の温度を８０〜１２０℃に調整する方法（比較例３）を実施した。各装置におけるエッチング処理は２段階のエッチング加工とその後のアッシングとからなり、２回のエッチング加工に要した時間の合計をトータルエッチング時間として測定した。その結果を図２に示す。
【００３４】
図２から明らかなように、各比較例では、処理枚数の増加とともにトータルエッチング時間が長くなって、エッチングレートの低下を十分に抑えることができない。これに対して、実施例では、３０００枚近く処理を続けてもトータルエッチング時間がほぼ一定で、エッチングレートの低下を確実に抑制できることが確認された。
【００３５】
また、被加工物のデポ汚染防止効果の確認実験では、このドライエッチング装置のほかに、比較例として、石英ガラス製の隔壁を備えた装置と、焼結セラミックス製の隔壁を備えた装置を用意し、各比較例の隔壁のプラズマ生成室側の面を粗面加工して平均表面粗さＲａを０．２〜５μｍに調整した。そして、各装置で連続的にエッチング処理を続け、デポのプラズマ生成室内面からの剥離挙動を調査した。その結果、比較例のうち、石英ガラス製隔壁のものは、約３０００枚処理したときにデポが膜状に剥離した。また、焼結セラミックス製隔壁のものは、デポの付着量が一定の量を超えると突発的に剥離が発生することがわかった。これに対して、実施形態の装置では、約１５０００枚処理してもデポの剥離は発生せず、優れたデポ汚染防止効果があることが確認された。
【００３６】
上述した実施形態では、溶射被覆層をアルミナで形成したが、溶射材料はアルミナに限らず、耐エロージョン性に優れたセラミックスであればよい。例えば、イットリアやアルミナとイットリアの複合物を用いることもできるし、ＣａＦ2 、ＭｇＦ、ＡｌＦ3 、あるいはこれらの３種類のフッ化物から選ばれる２種類以上のフッ化物の複合物のうちのいずれかを用いてもよい。
【００３７】
また、上述した実施形態では、プラズマ生成室及びコイル室が４側壁を備えたいわゆる箱型形状の場合を示したが、つり鐘型のような丸みをもった形状でも同様の効果を得られる。
【００３８】
なお、本発明は、誘導結合型のプラズマ発生装置を対象とすることにより、以下のような効果が得られる。即ち、誘導結合型以外のタイプのプラズマエッチング装置や反応性イオンエッチング装置では、ガスを導入するための微細な孔を有するシャワー板（ガス導入板）が上部電極側（誘導結合型プラズマ発生装置における隔壁箇所にあたる。）に設置されており、そのシャワー板に対して垂直な方向に垂直溶射加工を行った場合に、ガス導入孔の目詰まりや孔径細りによる不良が発生することがある。そのため、本発明は、ガス導入のための微細な孔を必要としないコイルのような電極とそれに対応する電極とによってプラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生装置に適用することによって、特に溶射被覆層の効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施形態のドライエッチング装置の概略の分解斜視図
【図２】エッチングレート変化挙動の比較実験結果を示すグラフ
【図３】一般的な誘導結合型プラズマを利用したプロセスの説明図
【図４】一般的な誘導結合型プラズマ発生装置の上部電極コイルの配置を示す斜視図
【符号の説明】
【００４０】
１  上部電極コイル
２  コイル室
３  下部電極
４  プラズマ生成室
５  隔壁
６、７  溶射被覆層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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