JP2004052045A

JP2004052045A - プラズマ加工装置及び方法

Info

Publication number: JP2004052045A
Application number: JP2002211485A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nomura; 野村　和夫; Tetsuya Inoue; 井上　鉄也
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】加工むらが少なく、速い加工速度で、少ないガス消費量で加工を行う。
【解決手段】加圧又は大気圧下での低温プラズマによる反応性エッチングを利用して加工物の表面を加工するプラズマ加工装置１である。内部を所定の圧力に制御が可能なガスの供給装置６と排出装置を備えたチャンバー４と、このチャンバー４内に配置された円盤状電極部５と、この円盤状電極部５と対向すべくチャンバー４内に配置されたウェハ９の移動機構１０，１１を備えた。
【効果】加工むらが少なく、速い加工速度で、しかも、少ないガス消費量で、難削材の表面を平面加工したり鏡面加工できるようになる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＳｉインゴットやセラミックス等の難削材の表面を平面加工或いは鏡面加工するプラズマ加工装置及びこの装置を用いたプラズマ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシリコンウェハの表面を平坦化する技術として、特開平１１−６７７３６号、特開２０００−６８２５６号、特開２０００−１２４１９３号、特開２０００−２５６０９４号、特開２００１−２４４２４０号、特開２００２−２５９８０号で提案されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら提案された技術は、何れも電極であるノズルＮの縁に集中してプラズマＰを発生させているため、図１４に示したように、加工物ＷにおけるプラズマＰの集中する部分が他の部分よりも凹み、加工むらができるという問題がある。
【０００４】
また、例えば電極が加工物に対して小さい場合、例えば特開平１１−６７７３６号の図２に示されたようなＸ−Ｙ方向に交互に移動させることで電極を走査するしかなく、加工に時間を要するという問題もある。
【０００５】
加工に時間を要すると、加工に使用する反応ガスが加工物上に留まり、白濁した鏡面になることから、上記の技術では、真空にして分子の動きを活発にすることで、前記反応ガスを加工物上から速く離れるようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような方法では、加工物上での反応に必要なガス濃度が早期に薄くなるため、常に新しい反応ガスを吹き込む必要があり、ガス消費量が多くなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、加工むらが少なく、速い加工速度で、少ないガス消費量で加工を行うことができるプラズマ加工装置及びこの装置を用いたプラズマ加工方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るプラズマ加工装置は、内部を所定の圧力に制御が可能なガスの供給装置と排出装置を備えたチャンバーと、このチャンバー内に配置された円盤状電極部と、この円盤状電極部と対向すべくチャンバー内に配置された加工物の移動機構を備えさせている。そして、このようにすることで、加工むらが少なく、速い加工速度で、少ないガス消費量で平面加工ができるようになる。
【０００９】
上記の本発明に係るプラズマ加工装置を用いて加工物の表面を加工するに際しては、加工を施す加工物の外周にプラズマにより加工されないダミー板を設置した状態で加工を行えば、加工始端及び加工終端と中央部が略均一な厚さに加工できるようになる。これが本発明に係るプラズマ加工方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ加工装置は、加工又は大気圧下での低温プラズマによる反応性エッチングを利用して加工物の表面を加工するプラズマ加工装置において、内部を所定の圧力に制御が可能なガスの供給装置と排出装置を備えたチャンバーと、このチャンバー内に配置された円盤状電極部と、この円盤状電極部と対向すべくチャンバー内に配置された加工物の移動機構を備えたものである。
【００１１】
本発明に係るプラズマ加工装置によれば、発生するプラズマを、円盤状電極部の円周上に分散させるので、加工物と比較して小さい従来の電極を使用する場合に比べて、加工むらが少なくなる。
【００１２】
上記の本発明に係るプラズマ加工装置において、円盤状電極部に効率良くプラズマを発生させることが重要となるが、このためには、円盤状電極部は、絶縁体の内部にシール材を介して電極が所定の環状空間を存して保持され、前記環状空間内をガスが供給される構造となすことで、加工物と電極部を通過する混合ガスは、効率良く常に安定したフレッシュな状態が維持できるようになる。
【００１３】
そして、上記の構成の円盤状電極部において、円盤状電極部を構成する絶縁体と電極との環状空間にポーラス材を介設し、このポーラス材を通ってガスが供給されるように構成した場合には、発生するプラズマの分散がより促進されて加工むらが少なくなる。
【００１４】
また、上記の本発明に係るプラズマ加工装置において、前記ガスの排出装置として、ガス吸引口を円盤状電極部を構成する電極の内部空間に連通すべく配置した吸引式とした場合には、排出ガスを効果的に吸引でき、プラズマ通過後の未反応ガスによる再加工が防止できる。
【００１５】
また、上記ガスの供給、排出構造に代えて、前記円盤状電極部を、絶縁体の内部にシール材を介して電極が所定の環状空間を存して保持するようになし、前記環状空間内をガスが排出される構造となすと共に、前記ガス供給口を裏面側にポーラス電極部を設けた電極の内部空間に連通すべく配置した構造としても同様の結果を得ることができる。
【００１６】
上記の本発明に係るプラズマ加工装置においては、前記電極或いは電極と絶縁体を回転可能に構成した場合には、ガスの反応促進に加えて、円盤状電極の断面の凹凸が転写されるのを防ぐこともできる。
【００１７】
また、上記の本発明に係るプラズマ加工装置において、電極の裏面側に複数の羽根を設け、これら羽根の回転により加工ガスを吸引するようにした場合には、ガスの吸引効率は更に良くなるが、ガス吸引口を円盤状電極部を構成する電極の内部空間に連通すべく配置し、前記羽根の回転のみにより排出ガスを自然吸引する方式でもガスを効果的に吸引することができる。
【００１８】
上記の本発明に係るプラズマ加工装置を用いて加工物の表面を加工するに際しては、加工を施す加工物の外周にプラズマにより加工されないダミー板を設置した状態で加工を行う本発明に係るプラズマ加工方法によれば、加工物を加工する際に必要なエネルギーが加工始端及び加工終端と中央部とで略均一になるので、加工面の平面精度が良くなる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係るプラズマ加工装置を図１〜図１３に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は円盤状電極部の詳細を示した図、図４は図３の第２の実施例を示した図、図５は図３の第３の実施例を示した図、図６、図７は図３の第４の実施例を示した図、図８は図５、図６の円盤状電極部を備えた本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図、図９は図３の第５の実施例を示した図、図１０は図９の円盤状電極部を備えた本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図、図１１は本発明に係るプラズマ加工装置を用いてウェハの表面を加工する場合の問題点を説明する図、図１２は本発明に係るプラズマ加工方法の説明図、図１３は本発明に係るプラズマ加工方法の効果を説明する図である。
【００２０】
図１及び図２において、１は本発明に係るプラズマ平面加工装置であり、例えばその吸引口２ａが後述する円盤状電極部５の周辺に設けられたガス吸引配管２を介して吸引ポンプ３に連結されたチャンバー４に、加工物である例えばウェハ９よりも若干大きな径の円盤状電極部５を回転可能に取付け、この円盤状電極部５に加工ガスを供給するガス供給装置６と、同じく前記円盤状電極部５に供給する高周波電源７と、前記チャンバー４に設けられた冷却台８上のウェハ９のＸ軸駆動機構１０、Ｙ軸駆動機構１１と、前記円盤状電極部５のＺ軸駆動機構１２を具備した構成である。
【００２１】
円盤状電極部５は、例えば図３に示したように、筒状部５ａａの下端部が前記ウェハ９の外径より大径となるように段差形成した絶縁体５ａの内部に、絶縁体５ａとの間で所定の環状空間５ｄを存するように、シール材５ｂを介して電極５ｃが保持された構成で、この電極５ｃは、前記筒状部５ａａに内装される棒状の下端部に、前記大径段差部５ａｂに内装される前記ウェハ９の外径より若干大径の筒状で、マグネットカップリング１３を介して接続されたモータ１４により回転するようになっている。なお、電極５ｃと絶縁体５ａが一体となって回転するものでも良いことは言うまでもない。また、前記シール材５ｂは、筒状部５ａａに形成された前記ガス供給装置６からのガス供給口６ａより上方に設置されている。
【００２２】
また、ガス供給装置６は、供給管６ｂ、ガス供給口６ａを通じて前記環状空間５ｄに加工ガスを供給するための装置で、夫々バルブ６ｃａ〜６ｃｃを有したボンベ６ｄａ〜６ｄｃと、これらボンベ６ｄａ〜６ｄｃから供給される加工ガスの混合器６ｅを備えている。なお、前記ボンベ６ｄａ〜６ｄｃ内の加工ガスとしては、例えば不活性ガスとしてヘリウムガスが、ハロゲン系ガスとして６フッ化硫黄ガスが、酸素系ガスとして酸素ガスが採用されるが、６フッ化硫黄ガスは他のガスと反応することで有毒ガスが発生したり、温暖化の原因となるため、環境上の問題がある上、高価であり、多く使用することは望ましくない。また、ヘリウムガス等も高価である。
【００２３】
また、Ｘ軸駆動機構１０は、冷却台８（ウェハ９）をＸ軸方向（図１における紙面左右方向）に配置した送りテーブル１０ｂに沿って移動させるための機構で、例えばチャンバー４の外部に配置したモータ１０ａの正逆回転を、マグネットカップリング１３を介して、前記Ｘ軸方向の移動に変換してチャンバー４内の冷却台８に伝えるもので、図示しない制御器によって制御される。
【００２４】
また、Ｙ軸駆動機構１１は、前記送りテーブル１０ｂごと冷却台８をＹ軸方向（図２における紙面左右方向）に配置した送りテーブル１１ａに沿って移動させるための機構で、前記Ｘ軸駆動機構１０と同様の機構が採用される。
【００２５】
また、Ｚ軸駆動機構１２は、前記円盤状電極部５をモータ１４ごとチャンバー４の外部にＺ軸方向（図１及び図２における紙面上下方向）に配置したテーブル１２ａに沿って移動させるための機構で、前記Ｘ軸駆動機構１０と同様の機構が採用される。図１及び図２に示した実施例では、制御モータ１２ｂの正逆回転によって前記テーブル１２ａに沿って移動する移動部材１２ｃに、前記モータ１４、マグネットカップリング１３、円盤状電極部５を内装したパイプ１５を取り付け、円盤状電極部５をＺ軸方向に移動させるものを示している。
【００２６】
１６は前記パイプ１５の下端に取り付けられ、電極５ｃの下端とウェハ９の表面間の距離を計測する非接触センサで、この非接触センサ１６によって、加工時、電極５ｃの下端とウェハ９の表面間の距離を常に一定に保つことができる。
【００２７】
１７は前記ガス吸引配管２を介して吸引ポンプ３によって吸引したチャンバー４内のガスを分離するガス分離装置であり、このガス分離装置１７で分離したガスは、必要に応じて混合器６ｅに送られて再利用される。
【００２８】
上記の本発明に係るプラズマ加工装置１によれば、発生するプラズマを、円盤状電極部５の円周上に分散させ、かつ、回転を与えるので、ウェハ９と比較して小さい従来の例えば棒状又はノズル状の固定電極を使用する場合に比べて、加工むらが少なくなる。このとき、図４に示したように、絶縁体５ａと電極５ｃとの環状空間５ｄにポーラス材５ｅを介設すれば、発生するプラズマの分散がより促進されて加工むらが少なくなる。なお、図４中の５ｆは円周上の適数箇所に配置された電極５ｃの支持部材を示す。
【００２９】
加えて、本発明に係るプラズマ加工装置１では、加工するウェハ９よりも大径の円盤状電極部５を使用するので、加工に際し、ウェハ９はＸ−Ｙ方向に交互に移動させる必要が無く、Ｘ方向のみ、或いはＹ方向にのみ移動させるだけで加工が行えることになって、加工速度が速く、生産性が良くなる。
【００３０】
そして、加工速度が速くなることから、本発明に係るプラズマ加工装置１では、真空下で加工を実施する必要がなく、加工に使用する反応ガスがウェハ９上に長く留まって反応ガスの濃度が薄くならず、ガス量を抑制することができるようになる。
【００３１】
反応ガスがウェハ９上に長く留まることから、当然、白濁の問題が発生することが考えられるが、本発明に係るプラズマ加工装置１では、加工速度が速いこと、円盤状電極部５を回転させて、常に新しい反応ガスを素早く導くことで、少ないガスで反応が促進し、白濁の発生が抑制される。
【００３２】
本発明に係るプラズマ加工装置１は上記の実施例に限るものではない。
例えば、上記図１〜図４に示した実施例では、ガス排出装置の吸引口２ａを円盤状電極部５の周辺に設けたものを示したが、図５に示した実施例では、円盤状電極部５を構成する電極５ｃを棒状に代えて筒状となし、かつ、前記吸引口２ａを、吸引パイプ２ｂを介して前記筒状の基端に連通すべく構成したものを示している。このような構成では加工ガスの吸引がより効率良く行えることになって、プラズマ通過後の未反応ガスによる再加工が防止できるようになる。なお、図５中の１３ａはマグネットカップリング１３の絶縁板を示す。
【００３３】
また、図６に示した実施例では、図５に示した実施例における電極５ｃの裏面側に図７に示したような２枚で対をなす羽根５ｃａを例えば４組設け、これら羽根５ｃａの回転により加工ガスを自然吸引するものである。なお、この実施例を吸引ポンプ３と併用しても良いことは言うまでもない。
【００３４】
また、図９に示した実施例では、図５に示したような実施例構成の円盤状電極部５の電極５ｃの裏面側にポーラス電極部５ｇを設けると共に、ガスの供給経路と排出経路を図５に示した実施例と逆に構成したものである。なお、図９中の６ｆはガス供給口６ａと前記電極５ｃの基端に連通する混合ガスの供給パイプを示す。この図９に示した実施例では、上記の実施例よりも更に発生するプラズマを分散させることができる。
【００３５】
ところで、上記の本発明に係るプラズマ加工装置１を用いてウェハ９の表面を例えば平面加工する場合、図１１（ａ）に示す紙面左右側の加工始端及び加工終端となる部分は、やはりプラズマが集中することになって、図１１（ｃ）に示したように、側面から見ると、中央部よりも薄く加工されてしまう。
【００３６】
そこで、上記の本発明に係るプラズマ加工装置１を用いてウェハ９の表面を例えば平面加工する場合には、図１２に示したように、ウェハ９の外周にプラズマにより加工されない、例えばアルミ系のダミー板１８を、例えばダミー板１８の表面がウェハ９の表面よりも数μｍ低くなるように設置した状態で平面加工を行うようにする。
【００３７】
このようにすれば、上記の本発明に係るプラズマ加工装置１を用いてウェハ９の表面を加工する場合、加工始端及び加工終端となる部分にプラズマが集中することが抑制でき、図１３（ｃ）に示したように、側面から見て、加工始端及び加工終端と中央部が略均一な厚さに加工できるようになる。これが本発明に係るプラズマ加工方法である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加工むらが少なく、速い加工速度で、しかも、少ないガス消費量で、難削材の表面を平面加工したり鏡面加工できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】円盤状電極部の詳細を示した図である。
【図４】図３の第２の実施例を示した図である。
【図５】図３の第３の実施例を示した図である。
【図６】図３の第４の実施例を示した図である。
【図７】図６の矢視Ａ−Ａ図である。
【図８】図５、図６の円盤状電極部を備えた本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図である。
【図９】図３の第５の実施例を示した図である。
【図１０】図９の円盤状電極部を備えた本発明に係るプラズマ加工装置の全体概略構成図である。
【図１１】本発明に係るプラズマ加工装置を用いてウェハの表面を加工する場合の問題点を説明する図で、（ａ）は冷却台上のウェハを平面から見た図、（ｂ）は（ａ）を側面から見た図、（ｃ）は加工後のウェハを側面から見た拡大図である。
【図１２】本発明に係るプラズマ加工方法の説明図である。
【図１３】本発明に係るプラズマ加工方法の効果を説明する図で、（ａ）は冷却台上のウェハを平面から見た図、（ｂ）は（ａ）を側面から見た図、（ｃ）は加工後のウェハを側面から見た拡大図である。
【図１４】従来のプラズマ平面加工の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１　　　プラズマ加工装置
２　　　ガス吸引配管
２ａ　　吸引口
３　　　吸引ポンプ
４　　　チャンバー
５　　　円盤状電極部
５ａ　　絶縁体
５ｂ　　シール材
５ｃ　　電極
５ｃａ　羽根
５ｄ　　環状空間
５ｅ　　ポーラス材
５ｇ　　ポーラス電極部
６　　　ガス供給装置
６ａ　　ガス供給口
７　　　高周波電源
８　　　冷却台
９　　　ウェハ
１０　　Ｘ軸駆動機構
１１　　Ｙ軸駆動機構
１２　　Ｚ軸駆動機構
１４　　モータ
１６　　非接触センサ

Claims

加工又は大気圧下での低温プラズマによる反応性エッチングを利用して加工物の表面を加工するプラズマ加工装置において、内部を所定の圧力に制御が可能なガスの供給装置と排出装置を備えたチャンバーと、このチャンバー内に配置された円盤状電極部と、この円盤状電極部と対向すべくチャンバー内に配置された加工物の移動機構を備えたことを特徴とするプラズマ加工装置。
前記円盤状電極部は、絶縁体の内部にシール材を介して電極が所定の環状空間を存して保持され、前記環状空間内をガスが供給される構造となっていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工装置。
前記円盤状電極部を構成する絶縁体と電極との環状空間にポーラス材を介設し、このポーラス材を通ってガスが供給されるように構成したことを特徴とする請求項２記載のプラズマ加工装置。
前記ガスの排出装置は、ガス吸引口が円盤状電極部を構成する電極の内部空間に連通すべく配置された吸引式であることを特徴とする請求項１〜３の何れか記載のプラズマ加工装置。
前記円盤状電極部は、絶縁体の内部にシール材を介して電極が所定の環状空間を存して保持され、前記環状空間内をガスが排出される構造となっていると共に、前記ガス供給口を裏面側にポーラス電極部を設けた電極の内部空間に連通すべく配置したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ加工装置。
前記電極或いは電極と絶縁体が回転可能に構成されていることを特徴とする請求項２〜５の何れか記載のプラズマ加工装置。
電極の裏面側に複数の羽根を設け、これら羽根の回転により加工ガスを吸引することを特徴とする請求項４を引用した請求項６記載のプラズマ加工装置。
前記ガスの排出装置は、ガス吸引口を円盤状電極部を構成する電極の内部空間に連通すべく配置すると共に、電極の裏面側に複数の羽根を設け、これら羽根の回転により排出ガスを自然吸引する方式であることを特徴とする請求項２又は３を引用する請求項６記載のプラズマ加工装置。
請求項１〜８の何れか記載のプラズマ平面加工装置を用いて加工物の表面を加工するに際し、加工を施す加工物の外周にプラズマにより加工されないダミー板を設置した状態で加工することを特徴とするプラズマ加工方法。