JP2005149956A - 大面積高均一プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のプロセス法の欠点を解決できる大面積高均一プラズマ処理方法及び装置を提供する。
【解決手段】
ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いた大面積高均一プラズマ処理装置において、ノズル又はガス吹出孔を備え、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガス種を集中的に導入できるように構成した１系統以上のガス供給系を有し、プラズマ生成部の下流域における、ガス流れの影響を受ける領域にガス供給系に対し垂直に基板を設置し、ガス供給系のノズル又はガス吹出孔から基板の表面までの領域においてガス流が分子流から粘性流に設定できるように構成したガス排気系を有することを特徴としている。また、ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いて大面積の基板をプラズマ処理する方法において、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガスを集中的に導入して、衝撃波を発生させ、基板表面上で粗密波によるガスの移動が生じるようにすることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放電プラズマを利用して、露光用マスクブランクス、半導体電子デバイス、医療用マイクロチップ及びマイクロマシンなどを作製する際のエッチング、又は機能性薄膜作製の際の化学気相堆積（Chemical vapor deposition; CVD）及び反応性の物理的気相堆積（Physica1 vapor deposition; PVD）のためのプラズマプロセス装置に関するものである。

従来技術においては、例えば上部天板に設けられた分散板及びシャワープレートなどによりエッチングガスをプラズマ処理装置内に予め分散させて導入する形式のガス供給法が一般的に用いられている（特許文献１、特許文献２参照）。ここで、プラズマ生成領域からプラズマ処理基板までのガス拡散距離が長い場合、被エッチング材はプラズマ生成空間にて発生したエッチャントのみならず、装置内壁などの壁表面との相互作用により生じたエッチャントにも影響を受けて、そのエッチング特性が決定される。

しかしながら、中性ラジカル種の分布がそのエッチング特性を特徴付けるプロセスにおいてはプラズマ空間分布の制御に加えて、壁表面でのエッチャント生成条件の制御を考慮する必要が生じ、これはプロセスを複雑にするばかりか、そのプロセス条件のウィンドー幅を狭め、さらにはプロセス性能や再現性を悪化させるなどの懸念事項の要因に挙げられている。
特開２０００− ７３１７５ 特開２００３−２０３９０８

本発明は、かかる問題の解決を図るもので、従来のプロセス法の欠点を解決できる大面積高均一プラズマ処理方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の発明によれば、ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いた大面積高均一プラズマ処理装置において、ノズル又はガス吹出孔を備え、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガス種を集中的に導入できるように構成した１系統以上のガス供給系を有し、プラズマ生成部の下流域における、ガス流れの影響を受ける領域にガス供給系に対し垂直に基板を設置し、ガス供給系のノズル又はガス吹出孔から基板の表面までの領域においてガス流が分子流から粘性流に設定できるように構成したガス排気系を有することを特徴としている。

プラズマの生成される放電空間にプロセスガスを導入するガス供給系は、プラズマ生成室内に衝撃波を発生させて積極的なガス流れを形成できるように内径２０mmφ以下のノズルを備え得る。

代わりに、プラズマの生成される放電空間にプロセスガスを導入するガス供給系は、プラズマ生成室内に衝撃波を発生させて積極的なガス流れを形成できるように断面積４００mm²以下のガス吹出孔を備え得る。

また、本発明の装置においては、装置内壁から基板までの距離に対するノズル又はガス吹出孔から基板までの距離の比が０．２以上３以下の幾何学的構造をもつように構成され得る。

さらに、本発明の装置においては、放電空間中央部にガスを導入し、導入されたガス流を含む領域に高周波電源により静電結合型又は誘導結合型、或いはマイクロ波などの放電プラズマを生成し、無磁場、ないしは電磁コイル又は永久磁石、或いはそれらの複合により該プラズマヘの磁気的な相互作用のための均一磁場、磁気ミラー又はカスプ、或いは磁気中性領域などの磁場配位を印加するように構成され得る。

本発明の装置においては、プラズマの生成される放電空間にプロセスガス種を集中的に導入できるようにするために、例えばエッチングではエッチングガスは普通複数のガスを混合して導入する。多くの場合、導入ガスはマスフローコントローラ（ＭＦＣ）とプラズマ生成室との間で混合され、一つのラインに集中させて導入され得る。このようにプロセスガス種を集中的に導入できるようにすることによって、ガス流量が高いほど、音速流を形成することができ、これにより衝撃波を発生させることができるようになる。衝撃波は一種の粗密波であり、音声と同じように縦波である。従って、進行方向に沿って圧力の粗密（すなわちガス量の粗密）が縞状に発生する。このような縞状の粗密波は、基板の表面方向に圧力が掛かったと同じ効果を生じさせることになる。そのため、従来の円筒アンテナで励起されて円筒部付近で濃く中心部付近で薄いラジカル分布を是正することができる。すなわち、中心上部から集中的にガスを導入することにより中心部のガス圧が高くなり、その結果、中心部におけるラジカル濃度が高くなり、そして衝撃波により基板表面への粗密波によるガスの移動が生じ、基板直上におけるラジカル分布は均一となる。

また、粗密波は基本的にガスの粘性によって生じ、分子流では生じない。そのため、プラズマ処理室の下部での圧力が分子流でもノズル又はガス吹出孔からプラズマ処理室へ導入した直後では粘性流になっている必要がある。そこで本発明の装置では、ガス流が分子流から粘性流に設定できるようにガス排気系を構成しており、排気速度が低くなればノズル又はガス吹出孔の径を小さくし、排気系が大きくなればノズル又はガス吹出孔の径を大きくできる。

さらに、本発明の装置においては、装置内壁から基板までの距離に対するノズル又はガス吹出孔から基板までの距離の比が０．２以上３以下の幾何学的構造をもつように構成したことにより、十分なガスの拡散が得られしかも基板に対して圧力が掛かることになる。ちなみに、ノズル又はガス吹出孔から基板までの距離が小さすぎると、ガスの拡散が不十分となり、均一性が得られず、逆にノズル又はガス吹出孔から基板までの距離が大きすぎると、粗密波が緩和され、基板に対して圧力が掛からなくなる。

本発明の第２の発明によれば、ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いて大面積の基板をプラズマ処理する方法において、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガスを集中的に導入して、衝撃波を発生させ、基板表面上で粗密波によるガスの移動が生じるようにすることを特徴としている。

本発明によるプラズマ処理装置をエッチング装置として実施した場合に、プロセスガスが直接装置内壁に触れること及び壁表面からのエッチャントの基板表面でのエッチングヘの寄与を抑制することができ、また、装置内でのガス流れにおいてノズル又はガス吹出孔を始点にガス流の衝撃波が基板表面及び壁面へ至る際に、プラズマ発生領域からのエッチャントを積極的に基板面へ供給し、一方壁近傍からの基板へのエッチャント拡散を抑えることができる。これにより、エッチング速度面内分布の不均一性が通常のガス分散板及びシャワープレートを用いた場合と比較して半分程度へと大幅に改良され、高均一エッチングのための飛躍的な特性改善が可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明の一実施の形態による磁気中性線放電プラズマ発生装置を用いたエッチング装置を示す。

図示装置において、１はエッチング室を形成している真空チャンバーであり、上部にプラズマ生成領域を画定している側壁２は電力導入するため誘電体で構成されている。真空チャンバ１の下部には排気口３が設けられ、この排気口３は図示していないガス排気系に接続される。真空チャンバ１の天板４の中央部にはプロセスガス導入用ノズル５が設けられ、このプロセスガス導入用ノズル５はそれぞれのマスフローコントローラＭＦＣ１、ＭＦＣ２、ＭＦＣ３を介して図示していないそれぞれのガス供給系に接続される。

真空チャンバー１の内部には基板支持台６が配置され、基板支持台６上には基板バイアス用電極７が設けられ、その上にエッチングすべき基板８が装着されている。基板バイアス用電極７はマッチングボックス９を介して高周波電源１０に接続されている。

また、真空チャンバー１の外周部の誘電体から成る円筒状側壁２の外側には図示したように、真空チャンバー１内に磁気中性線を形成するための磁場配位印加用の三つの円環状電磁コイル１１が設けられている。図示したように上下二つの電磁コイルには同じ向きの同一電流が流され、そして中間の電磁コイルには逆向きの電流が流される。それにより中間の電磁コイルのレベルで真空チャンバー１内に連続した磁場ゼロの位置ができ、円環状の磁気中性線が形成される。この磁気中性線の形成される位置及び大きさは、上下の電磁コイルに流す電流と中間の電磁コイルに流す電流との比を変えることにより適宜設定することができる。

さらに、真空チャバ１の誘電体円筒壁２とその外側に設けられた三つの電磁コイル１１との間には、プラズマを発生させるため高周波電力投入用のアンテナ１２が配置され、このアンテナ１２はマッチングボックス１３を介して高周波電源１４に接続されている。

このように構成した図１に示す装置を用い、ブラズマ発生用高周波電源１４の電力を１ＫＷ、基板バイアス高周波電源１０の電力を４０Ｗ、塩素２４０ｓｃｃｍ／酸素６０ｓｃｃｍ、ガス圧力０．３６Ｐａ、磁気中性磁場勾配１ｇａｕｓｓ／ｃｍ、ノズル５すなわちガス導入孔の断面積２００ｍｍ^２以下のプロセス条件にて、Ｃｒエッチング特性を調べた。

図２に従来のガス分散板を介してプロセスガスを供給した場合（従来のガス供給法）と本発明におけるガスノズル導入孔を介してプロセスガスを供給した場合（本発明のガス供給法）におけるＣｒエッチング速度の面内分布をそれぞれ示す。結果として、特にノズル５の断面積が５０ｍｍ^２の場合のガス導入においてガス衝撃波を積極的に利用した場合、Ｃｒマスクブランクス材のエッチング速度面内分布の不均一性が１．５％以下となり、従来の分散板を介してのガス導入に比較してエッチング速度面内分布の不均一性が４３％以下まで飛躍的に改良され、超高均一Ｃｒエッチングのための特性改善効果が確認された。

すなわち、本実施の形態により、図３に示す樽型衝撃波による装置側壁からのエッチャント寄与の抑制に加えて、磁気中性領域の磁場配位調整の優位性を併用したプラズマ空間分布制御に基づくエッチングを主体とするためにパッシブな自由拡散とは異なる垂直衝撃波によるエッチャントの基板面へのアクティブ供給を試みた結果、従来技術におけるガス供給及び電磁界制御のみでは困難とされたラジカル性エッチングの特性改善のための新たなプロセス制御法の有効性が認められた。

本実施の形態では、ラジカル性エッチングにおける大面積化を主眼として、その特性改善の結果を示してきたが、本制御法は、気相及び固体表面やその境界での中性ラジカル種の化学反応を利用するＣＶＤ法、又は反応性のＰＶＤ法におけるプロセスの大面積化に有効であることは言うまでもない。また、ＲＦ高周波のみならず、直流からマイクロ波の広範囲のプラズマ源においても、本発明は大面積プロセスを対象とした特性改善に任意に適用可能である。さらには、上述の実施の形態におけるＣｒエッチングに限ることなく、例えばＳｉやその他の金属材のラジカル性エッチング、又は反応性エッチングなどの化学反応を併用する大面積プロセスにも有効である。

また、上記実施の形態では、ノズルのガス吹出孔からプラズマ処理基板面までのガス拡散距離が長く、装置内壁の影響が無視できないプロセスを例に説明してきたが、本発明では例えば、端ギャップ平行平板での放電においてガス吹出孔からプラズマ処理基板面までのガス拡散長（Ｌ_ｎｓ）が壁から基板までのガス拡散長（Ｌ_ｗｓ）に比較して充分短く（５Ｌ_ｎｓ<Ｌ_ｗｓ）、壁の影響を無視できる場合、もしくは電極ギャップ長に対してガス流れが中間流から分子流である場合には、特に衝撃波を併用しないガス拡散によるガス導入により基板へのラジカル供給が可能となり、プラズマ空間分布制御を主体としたプロセス制御が可能となる。

上記実施の形態の結果を受けて、中性ラジカル性エッチングにおける面内分布制御が困難なプロセスに対し、従来のガス導入法の改善を図ることによる大面積均一プロセス構築のための１つの指針を得られることが実証されたことから、本発明は、Ｃｒや金属材などのエッチング、又はＳｉエッチングの大面積均一プロセスヘの適用が期待され、光学系のマスクブフランクスの大面積高精度エッチングをはじめ、その他の深堀エッチングのためのマスク材の前処理加工、さらにはＳｉエッチングを主体とするＭＥＭＳ関連の大面積高精度加工など、加えて電源周波数に依らないプラズマ源におけるＣＶＤ又は反応性ＰＶＤの大面積プロセスの広範囲な分野への応用など広範囲に応用することが可能となる。

本発明の一実施の形態を示す装置の断面図である。 従来のガス分散板を介してプロセスガスを供給した場合と本発明によりガスノズル導入孔を介してプロセスガスを供給した場合とにおけるＣｒエッチング速度の面内分布を示すグラフである。 天板中央部のノズル孔より真空チャンバー内にガスを導入した際の装置中央から半径方向の断面における中性ガス密度の２次元分布の計算結果を示す図である。

符号の説明

１：真空チャンバー
２：真空チャンバーの側壁
３：排気口
４：真空チャンバー１の天板
５：プロセスガス導入用ノズル
６：基板支持台
７：基板バイアス用電極
８：エッチングすべき基板
９：マッチングボックス
１０：高周波電源
１１：円環状電磁コイル
１２：高周波電力投入用のアンテナ
１３：マッチングボックス
１４：高周波電源

Claims (6)

1. ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いたプラズマプロセス用装置であって、ノズル又はガス吹出孔を備え、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガス種を集中的に導入できるように構成した１系統以上のガス供給系を有し、プラズマ生成部の下流域における、ガス流れの影響を受ける領域にガス供給系に対し垂直に基板を設置し、ガス供給系のノズル又はガス吹出孔から基板の表面までの領域においてガス流が分子流から粘性流に設定できるように構成したガス排気系を有することを特徴とする大面積高均一プラズマ処理装置。
2. プラズマの生成される放電空間にプロセスガスを導入するガス供給系が、プラズマ生成室内に衝撃波を発生させて積極的なガス流れを形成できるように内径２０mmφ以下のノズルを備えていることを特徴とする請求項１記載の大面積高均一プラズマ処理装置。
3. プラズマの生成される放電空間にプロセスガスを導入するガス供給系が、プラズマ生成室内に衝撃波を発生させて積極的なガス流れを形成できるように断面積４００mm²以下のガス吹出孔を備えていることを特徴とする請求項１記載の大面積高均一プラズマ処理装置。
4. 装置内壁から基板までの距離に対するノズル又はガス吹出孔から基板までの距離の比が０．２以上３以下の幾何学的構造をもつことを特徴とする請求項１記載の大面積高均一プラズマ処理装置。
5. 放電空間中央部にガスを導入し、導入されたガス流を含む領域に高周波電源により静電結合型又は誘導結合型、或いはマイクロ波などの放電プラズマを生成し、無磁場、ないしは電磁コイル又は永久磁石、或いはそれらの複合により該プラズマヘの磁気的な相互作用のための均一磁場、磁気ミラー又はカスプ、或いは磁気中性領域などの磁場配位を印加するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の大面積高均一プラズマ処理装置。
6. ＲＦ又はマイクロ波などの１ＭＨｚ以上の高周波電源を用いて大面積の基板をプラズマ処理する方法において、プロセスガスをプラズマ分解してプラズマの生成される放電空間にプロセスガスを集中的に導入して、衝撃波を発生させ、基板表面上で粗密波によるガスの移動が生じるようにすることを特徴とする大面積高均一プラズマ処理方法。

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