JP2001120988A - 高密度プラズマ反応装置および高密度プラズマ反応方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スループットの向上およびガスコストの削減
を可能とする高密度プラズマ反応装置および反応方法を
提供する。 【解決手段】高密度プラズマ反応装置１００は、回転電
極１と、回転電極１に高周波電圧を印加する高周波電源
７と、回転電極１と平行な方向に基板２を走査させるス
テージ９とを備え、回転電極１の上流側に設けられる反
応ガス導入部３ａと、回転電極１の下流側に設けられる
反応ガス排出部４ａとをさらに備え、反応ガス導入部３
ａは、回転電極１の近傍に形成され反応ガスを導入する
反応ガス導入口３を有し、反応ガス排出部４ａは、回転
電極１の近傍に形成されプラズマ反応後の反応ガスを排
出する反応ガス排出口４を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン等の半導
体及びガラス等の絶縁体の加工、または成膜等のデバイ
ス分野のプロセスに関するもので、特に高密度のプラズ
マ反応装置、高密度のプラズマ反応方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】反応速度の大きなプラズマ加工装置およ
び加工方法に関しては、たとえば、特開平９−３１６７
０号公報および特開平１０−２２２７３号公報に、回転
電極に高周波電圧を印加し、基板との間にプラズマを発
生させエッチングを行う装置および方法が開示されてい
る。

【０００３】詳細に説明すると、大気圧の反応ガス雰囲
気で構成された反応容器内に配設した回転電極を高速に
回転させて、回転電極表面でガスを巻き込むことによっ
て回転電極と基板との間を横切るガス流を形成するとと
もに、回転電極に高周波電圧を印加して回転電極と基板
間でプラズマを発生させ、反応ガスに基づく中性ラジカ
ルを生成し、中性ラジカルと基板の加工進行部を構成す
る原子または分子とのラジカル反応によって生成した揮
発性物質を気化させて除去する加工方法である。

【０００４】この方法では、大気圧雰囲気であるがゆえ
に、高密度なプラズマを発生させることができ、非常に
高速な加工が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平９−３１６７０号公報および特開平１０−２２２７
３号公報に開示されているような装置および方法では、
雰囲気圧力を大気圧まで高めているため、反応容器内を
一旦減圧した後、大気圧圧力になるまで反応ガスを導入
する必要がある。

【０００６】具体的に数値を挙げると、加工する基板の
大きさよって変化しうるが、おおよそ容積が２００リッ
トル程度の反応容器を必要としているため、３０分以上
の反応容器内を真空引きおよび反応ガスを導入する時
間、および、２００リットルの反応ガスを充填するガス
コストが必要となる。

【０００７】したがって、ガス置換の時間が必要とな
り、スループットが低下し、また反応容器内に充填する
反応ガスの量が大きく、ガスコストが大きくなるという
問題が発生していた。

【０００８】また、上記に開示されているような方法で
は、プラズマが発生する領域は、回転電極と基板間とい
う反応容器内のごく一部の空間のみであるため、反応容
器に導入した反応ガスの大部分は反応に用いられないま
ま反応容器外へ排出または循環されるため、ガスの利用
効率が悪いという問題があった。

【０００９】本発明の目的は、高密度プラズマ反応装置
および反応方法を用いて基板を処理する場合においてプ
ラズマ空間に局所的に反応ガスを供給することによって
基板を処理することにより、スループットの向上および
ガスコストの削減を可能とする高密度プラズマ反応装置
および反応方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高密度プラ
ズマ反応装置は、回転電極と、前記回転電極に高周波電
圧を印加する高周波電源と、前記回転電極と平行な方向
に基板を走査させる走査手段とを備え、前記回転電極を
高速に回転させて、前記回転電極と前記基板との間を横
切る反応ガスの高速ガス流を形成するとともに、前記高
周波電源より前記回転電極に前記高周波電圧を印加し
て、前記反応ガスに基づく高密度プラズマを発生し、前
記高密度プラズマと前記基板の処理進行部を構成する原
子または分子との間でプラズマ反応を行う高密度プラズ
マ反応装置であって、前記高密度プラズマ反応装置は、
前記回転電極の上流側に設けられる反応ガス導入手段
と、前記回転電極の下流側に設けられる反応ガス排出手
段とをさらに備え、前記反応ガス導入手段は、前記回転
電極の近傍に形成され前記反応ガスを導入する反応ガス
導入口を有し、前記反応ガス排出手段は、前記回転電極
の近傍に形成され前記プラズマ反応後の前記反応ガスを
排出する反応ガス排出口を有し、そのことにより上記目
的が達成される。

【００１１】前記高密度プラズマ反応装置は、前記回転
電極を覆うカバー体をさらに備えてもよい。

【００１２】前記高密度プラズマ反応装置は、前記回転
電極を高速に回転させることにより形成されるガス流を
遮断するガス流遮断部材をさらに備えてもよい。

【００１３】前記反応ガス導入手段と前記反応ガス排出
手段との少なくとも１つは、絶縁体で形成されてもよ
い。

【００１４】前記カバー体は、絶縁体で形成されてもよ
い。

【００１５】前記ガス流遮断部材は、絶縁体で形成され
てもよい。

【００１６】前記絶縁体は、テフロンとアルミナとの少
なくとも１つを含んでもよい。

【００１７】本発明に係る他の高密度プラズマ反応装置
は、基板が搭載される第１電極と、前記第１電極に対向
する第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に反応
ガスを導入する反応ガス導入手段とを備え、前記第２電
極に高周波電圧を印加して前記第１電極と前記第２電極
との間で前記反応ガスに基づく高密度プラズマを発生さ
せ、前記高密度プラズマと前記基板の処理進行部を構成
する原子または分子との間でプラズマ反応を行う高密度
プラズマ反応装置であって、前記反応ガス導入手段は、
少なくとも前記第１電極と前記第２電極との間における
反応ガス体積率が８０％以上９９％以下となるように、
前記第１電極と前記第２電極との間へ前記反応ガスを導
入し、そのことにより上記目的が達成される。

【００１８】本発明に係る高密度プラズマ反応方法は、
第１電極と前記第１電極に対向する第２電極とを設け、
前記第１電極側には基板が搭載され、前記第２電極に高
周波電圧を印加して前記第１電極と前記第２電極との間
で反応ガスに基づく高密度プラズマを発生させ、前記高
密度プラズマと前記基板の処理進行部を構成する原子ま
たは分子との間でプラズマ反応を行う高密度プラズマ反
応方法であって、少なくとも前記第１電極と前記第２電
極との間における反応ガス体積率が８０％以上９９％以
下となるように、前記第１電極と前記第２電極との間へ
前記反応ガスを導入するステップと、前記第２電極に高
周波電圧を印加して前記第１電極と前記第２電極との間
で前記高密度プラズマを発生させるステップとを包含
し、そのことにより上記目的が達成される。

【００１９】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の詳細を
図面に基づいて説明する。図１は実施の形態１に係る高
密度プラズマ反応装置１００を示す断面図、図２はその
斜視図である。図１において反応容器１０内には回転電
極１が基板２に対向して設けられ、その回転電極１の周
囲に局所反応ガス導入口３、局所反応生成物排出口４を
備えたカバー体５が配設され、反応容器１０外の局所反
応ガス導入部３ａ及び、反応ガス排出部４ａと連通して
いる。

【００２０】カバー体５は、ガス流を遮断するための遮
断部材６を備えている。回転電極１には反応容器１０の
外に設けられた高周波電源７、マッチング装置８により
高周波電圧が印加され、回転電極１と基板２との間に高
密度プラズマを発生させ、プラズマ空間１１を形成す
る。

【００２１】基板２はステージ９上に真空吸着により固
定され、図示しないモータ及び制御装置により、水平１
軸方向に移動可能な構成となっており、局所反応ガス導
入部３ａより導入された反応ガスに基づくプラズマ反応
を基板２の表面で行い、基板２の表面加工あるいは成膜
が行われる。

【００２２】反応容器１０内はカバー体５の内部を除い
て空気雰囲気である。また、５ｉｎは回転電極１の上流
側に位置する局所反応ガス導入口３のカバー体５の内部
であり、この内部５ｉｎには反応ガス導入部３ａから送
られた反応ガスが存在する。

【００２３】５ｏｕｔは回転電極１の下流側に位置する
局所反応生成物排出口４のカバー体５の内部であり、こ
の内部５ｏｕｔには反応ガス導入部３ａより送られた反
応ガス、反応容器１０内の空気、プラズマ空間１１で基
板２の加工により生成した反応生成物が混在する。

【００２４】ｄｇは回転電極１と基板２との間（以下、
「加工ギャップ」と称する）の距離、ｄｃはカバー体５
と基板２間の距離、Ｍｇは反応ガス導入部３ａあるいは
反応ガス排出部４ａが動作していない状態すなわち、回
転電極１の回転のみにより加工ギャップ間に形成される
流量、Ｍｉｎは局所反応ガス導入部３ａから供給される
反応ガス流量、Ｍｏｕｔは反応ガス排出部４ａから排出
されるガス流量を示す。

【００２５】回転電極１の回転上流側かつ回転電極近傍
に設置した局所反応ガス導入口３によって、反応ガスが
回転電極１の上流側に導入されると共に、回転電極１の
回転によって加工ギャップｄｇ間に反応ガスが導入され
る。

【００２６】したがって、局所反応ガス導入口３により
反応ガスが導入されると、加工ギャップｄｇ間に存在す
るガスは直ちに空気から反応ガスに置換され、従来技術
のような反応容器内を真空引きし反応ガスを導入する時
間は不要となる。

【００２７】局所反応ガス導入口３から導入される反応
ガスは、例えば、シリコンのエッチングの場合はＨｅと
ＳＦ₆の混合ガス、シリコンの成膜の場合はＨｅとＳｉ
Ｈ₄の混合ガス、レジストアッシングの場合はＨｅとＯ₂
の混合ガスが用いられる。

【００２８】前記のプラズマ反応によって生成された反
応生成物は回転電極１の回転によって加工ギャップｄｇ
間から除去され、回転電極１の回転下流側かつ回転電極
１の近傍に配設した局所反応生成物排出口４によって除
去される。したがって、プラズマ空間１１に局所的に反
応ガスを供給し、プラズマ空間１１から反応ガスを排気
するため、ガスの利用効率も向上される。

【００２９】なお、プラズマ空間１１内には反応ガス以
外に空気や反応生成物が存在しうるが、カバー体５を付
加することにより、プラズマ空間１１内における外部か
らの空気の混入を防止し、空気と反応ガスとをほぼ一定
の割合でプラズマ空間１１に存在させることが可能とな
る。また反応ガスおよび反応生成物のカバー体５の外部
への漏洩を防止することが可能となる。

【００３０】さらに、電極外周部に遮断部材６を設置す
ることにより、加工ギャップｄｇ間から排出された反応
生成物を遮断し、反応生成物と局所反応ガス導入部３ａ
から導入される反応ガスとの混合、反応生成物の基板２
への再付着を防止することができ、清浄な加工あるいは
成膜が可能となる。また矢印Ｇ１び示されるようにガス
の流れが遮断されるため、回転電極１の上流側に位置す
る、局所反応ガス導入装置側に位置するカバー体内部５
ｉｎの圧力は減圧され、これにより、局所反応ガス導入
部３ａからの反応ガスの導入も容易となる。

【００３１】次に、反応ガスの流量について考察する。
局所反応ガス導入部３ａから導入される反応ガスの流量
Ｍｉｎを回転電極１の回転力のみによる加工ギャップｄ
ｇ間に流れるガスの流量Ｍｇ以上とすることにより、加
工ギャップｄｇ間への空気の導入を抑えることが可能で
ある。

【００３２】さらに、カバー体５および遮断部材６の材
料や構成について考察する。

【００３３】局所反応ガス導入口３、局所反応生成物排
出口４、カバー体５および遮断部材６をアルミ等の導電
体で構成する場合は、これらを同一の電位とするべく、
導電体で結合し、カバー体５と基板２間の距離ｄｃを加
工ギャップｄｇ以上ととすることが望ましい。さらに、
少なくとも基板２と対向する位置に存在する局所反応ガ
ス導入口３や局所反応生成物排出口４やカバー体の角部
を丸形に仕上げること、またはそれらの表面を絶縁体コ
ーティングすることも有効である。

【００３４】しかしながら、局所反応ガス導入口３、局
所反応生成物排出口４、カバー体５および遮断部材６を
アルミ等の導電体で構成する場合は、定在波により構造
物間に電位差が発生する可能性があり、例えば、遮断部
材６と回転電極２との間等で異常放電が起きるおそれが
ある。

【００３５】したがって、局所反応ガス導入口３、局所
反応生成物排出口４、カバー体５および遮断部材６をテ
フロンやアルミナ等の絶縁体で構成すれば、これらの構
造物は高周波電圧の電気経路から除外されるため、異常
放電が発生しない。

【００３６】このように、本実施の形態では、局所反応
ガス導入口３、局所反応生成物排出口４を回転電極１の
近傍に配設することにより、従来の方法のような、反応
容器内を一旦真空にした後にガスを充填するというガス
置換の行程が省略されるため、スループットの向上およ
びガスコストの削減を可能としている。さらに、プラズ
マ空間１１の近傍に局所的に反応ガスを供給するため、
ガスの利用効率も向上させることを可能としている。

【００３７】（実施の形態２）次に本発明の実施形態２
の詳細を図に示した実施例に基づいて説明する。図３は
実施形態２に係る高密度プラズマ反応装置２００の断面
を示す図である。

【００３８】空気導入装置１１０および空気排出装置１
１１によってカバー体５の外部の空気の流れは矢印Ｂで
示す一方向に設定され、周囲の空間から遮断される。し
たがって、カバー体５の外部に反応生成物が漏洩した場
合、空気排出装置１１１により反応生成物が排出され、
外部空間に反応生成物が漏洩することはない。

【００３９】したがって、発明の実施の形態１に示した
ような反応容器１０が不要となり、高密度プラズマ反応
装置の装置コストを低減することが可能となる。

【００４０】（実施の形態３）次に本発明のさらに他の
実施の形態の詳細を図に基づいて説明する。図４は本発
明の実施形態３に係る高密度プラズマ反応装置３００を
示す図であり、装置の構成は従来の平行平板型のプラズ
マＣＶＤ装置と同一である。ここで２０１ａは平行平板
型の高周波電極、２０１ｂは接地電極、２０２は基板、
２０３はガス導入装置、２０４はガス排出装置、２０７
は高周波電源、２０８はマッチング装置、２０９は反応
容器であり、高周波電極２０１ａと接地電極２０１ｂと
の間にプラズマを発生させ、反応ガスを密封および循環
させるような構成としている。

【００４１】従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ装置と
異なる点は、反応ガス導入前の真空度および反応ガスと
空気の割合である。

【００４２】従来のＣＶＤ装置では、ポンプにターボポ
ンプ、ディフュージョンポンプのいずれかを用いて反応
容器内の真空度を１０^-5Ｔｏｒｒ〜１０^-6Ｔｏｒｒにし
た後反応ガスを導入する。

【００４３】したがって、上記の真空度に到達するまで
に少なくとも３０分の時間を要するため、スループット
が低下し、また、上記のようなターボポンプ等の高価な
ポンプを必要とするため、装置のコストも大きくなる。
そこで、本発明では、大気圧下で加工および成膜を行う
ことが可能な空気とガスの割合を調べることにした。

【００４４】その結果を図５に示す。すなわち図５は図
４に示した高密度プラズマ反応装置３００を用いた場合
の、反応容器２０９内に占める反応ガスの体積割合を変
えた場合のプラズマ発生電力を示している。ここで用い
た反応ガスはＨｅとＯ₂の混合ガスであり、その体積比
はＨｅ：Ｏ₂＝９９．５：０．５である。この図５にお
いて、横軸の空気体積率１０％、反応ガス体積率９０％
とは、反応容器２０９内の圧力を７６Ｔｏｒｒにたるま
で真空引きを行い、その後、反応ガスを大気圧、すなわ
ち、７６０Ｔｏｒｒになるまで導入した状態を示す。

【００４５】図５に示すように、反応容器２０９内に占
めるＨｅとＯ₂の体積割合すなわち反応ガス体積率を少
なくとも８０％以上にすれば、電力の投入により、アー
ク放電なしにプラズマが発生させることができ、かつ、
基板上のレジストの除去が良好に行われることがわかっ
た。

【００４６】反応ガス体積率が８０％以下でもプラズマ
放電可能な領域が存在するが、それに投入電力を大きく
する必要があり、実用的ではない。

【００４７】したがって、反応容器２０９内に存在する
反応ガス（Ｈｅ、Ｏ₂）の占める体積の割合は８０％以
上が望ましい。すなわち、スループットおよびガスコス
トの観点からは反応ガスの体積割合は８０％付近、処理
後の基板の表面状態の観点からは反応ガスの体積割合が
大きい方が望ましい。

【００４８】なお、本実施の形態では、反応容器２０９
内に存在する反応ガスの占める体積の割合は８０％以上
とした例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。例
えば、実施の形態１及び２に挙げたような局所反応ガス
導入装置および局所反応生成物排出装置を配設すること
により、少なくとも電極間に存在する反応ガスの占める
体積の割合を８０％以上とすればよいことがわかる。

【００４９】本実施の形態では、反応ガス導入前の真空
引きの際の反応容器２０９内の真空到達度を１０Ｔｏｒ
ｒ（空気の割合が約１％）以上１５０Ｔｏｒｒ（空気の
割合が２０％）以下とすることにより、高能力なポンプ
を不要とすることによるコストの削減および、ガス置換
の時間短縮よるスループットの向上、反応ガス置換量の
低減によるガスコストの低減が可能となった。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高密度プ
ラズマ反応方式を用いて基板を処理する場合において、
反応ガス導入装置、反応生成物排出装置を回転電極近傍
に配設することにより、従来の方法のような、反応容器
内を一旦真空にした後に反応ガスを充填するガス置換行
程を省略できるため、スループットの向上およびガスコ
ストの削減を可能とすることができる。

【００５１】また本発明によれば、プラズマ空間近傍に
局所的に反応ガスを供給するため、ガスの利用効率も向
上させることができる。

【００５２】さらに本発明によれば、空気導入手段およ
び空気排出手段を設置することにより、反応容器を不要
とし、装置コストを低減する高密度プラズマ反応方法を
提供することができる。

【００５３】さらに本発明によれば、少なくとも前記一
対の電極間における、反応ガスの占める体積割合を８０
％以上とすることにより、容易な装置構成で高密度プラ
ズマを発生させ、かつガス置換の時間短縮、反応ガス導
入量の低減によるガスコストを低減する高密度プラズマ
反応方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る高密度プラズマ反
応装置の断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る高密度プラズマ反
応装置の斜視図である。

【図３】本発明の実施の形態２に係る高密度プラズマ反
応装置の断面図である。

【図４】本発明の実施の形態３に係る高密度プラズマ反
応装置の断面図である。

【図５】本発明の実施の形態３におけるプラズマ発生電
力と反応ガス体積率との関係の実験結果を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 回転電極 ２ 基板 ３ 局所反応ガス導入口 ４ 局所反応生成物排出口 ５ カバー体 ６ 遮断部材 ７ 高周波電源 ８ マッチング装置 ９ ステージ １０ 反応容器 １１ プラズマ空間 １１０ 空気導入装置 １１１ 空気排出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 徹 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 森 勇▲蔵▼ 大阪府交野市私市８丁目16番19号 Ｆターム(参考） 4G075 AA24 BC06 CA47 DA02 EB41 EC21 ED09 4K030 EA03 EA11 FA01 KA12 KA16 KA30 LA02 5F004 AA16 BA06 BA20 BB13 BC08 BD01 BD03 DA18 DA22 DA26 DB01 DB26 5F045 AA08 AC01 AC17 AE23 AE25 AF03 AF07 BB08 EB02 EB03 EC08 EE12 EE20 EF11 EF17 EH04 EH12 EM04 EM10

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転電極と、 前記回転電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、 前記回転電極と平行な方向に基板を走査させる走査手段
   とを備え、 前記回転電極を高速に回転させて、前記回転電極と前記
   基板との間を横切る反応ガスの高速ガス流を形成すると
   ともに、前記高周波電源より前記回転電極に前記高周波
   電圧を印加して、前記反応ガスに基づく高密度プラズマ
   を発生し、前記高密度プラズマと前記基板の処理進行部
   を構成する原子または分子との間でプラズマ反応を行う
   高密度プラズマ反応装置であって、 前記高密度プラズマ反応装置は、前記回転電極の上流側
   に設けられる反応ガス導入手段と、 前記回転電極の下流側に設けられる反応ガス排出手段と
   をさらに備え、 前記反応ガス導入手段は、前記回転電極の近傍に形成さ
   れ前記反応ガスを導入する反応ガス導入口を有し、 前記反応ガス排出手段は、前記回転電極の近傍に形成さ
   れ前記プラズマ反応後の前記反応ガスを排出する反応ガ
   ス排出口を有する高密度プラズマ反応装置。
2. 【請求項２】 前記高密度プラズマ反応装置は、前記回
   転電極を覆うカバー体をさらに備える、請求項１記載の
   高密度プラズマ反応装置。
3. 【請求項３】 前記高密度プラズマ反応装置は、前記回
   転電極を高速に回転させることにより形成されるガス流
   を遮断するガス流遮断部材をさらに備える、請求項１記
   載の高密度プラズマ反応装置。
4. 【請求項４】 前記反応ガス導入手段と前記反応ガス排
   出手段との少なくとも１つは、絶縁体で形成される、請
   求項１記載の高密度プラズマ反応装置。
5. 【請求項５】 前記カバー体は、絶縁体で形成される、
   請求項２記載の高密度プラズマ反応装置。
6. 【請求項６】 前記ガス流遮断部材は、絶縁体で形成さ
   れる、請求項３記載の高密度プラズマ反応装置。
7. 【請求項７】 前記絶縁体は、テフロン（登録商標）と
   アルミナとの少なくとも１つを含む、請求項４ないし請
   求項６のいずれかに記載の高密度プラズマ反応装置。
8. 【請求項８】 基板が搭載される第１電極と、 前記第１電極に対向する第２電極と、 前記第１電極と第２電極との間に反応ガスを導入する反
   応ガス導入手段とを備え、 前記第２電極に高周波電圧を印加して前記第１電極と前
   記第２電極との間で前記反応ガスに基づく高密度プラズ
   マを発生させ、前記高密度プラズマと前記基板の処理進
   行部を構成する原子または分子との間でプラズマ反応を
   行う高密度プラズマ反応装置であって、 前記反応ガス導入手段は、少なくとも前記第１電極と前
   記第２電極との間における反応ガス体積率が８０％以上
   ９９％以下となるように、前記第１電極と前記第２電極
   との間へ前記反応ガスを導入する高密度プラズマ反応装
   置。
9. 【請求項９】 第１電極と前記第１電極に対向する第２
   電極とを設け、前記第１電極側には基板が搭載され、前
   記第２電極に高周波電圧を印加して前記第１電極と前記
   第２電極との間で反応ガスに基づく高密度プラズマを発
   生させ、前記高密度プラズマと前記基板の処理進行部を
   構成する原子または分子との間でプラズマ反応を行う高
   密度プラズマ反応方法であって、 少なくとも前記第１電極と前記第２電極との間における
   反応ガス体積率が８０％以上９９％以下となるように、
   前記第１電極と前記第２電極との間へ前記反応ガスを導
   入するステップと、 前記第２電極に高周波電圧を印加して前記第１電極と前
   記第２電極との間で前記高密度プラズマを発生させるス
   テップとを包含する高密度プラズマ反応方法。