JP2005209809A - エッチング装置およびこれを用いたエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマエッチング装置において、基板あるいは基板上の膜のエッチング量を制御するために、複数の電源やマッチング回路が必要であった。このため、エッチング装置が大型でかつ高価になり、エッチング量を制御できる部分にも制限があった。
【解決手段】 プラズマエッチング装置において、プラズマの発生する上部電極と下部電極が対向する空間に複数の移動可能な遮蔽電極を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板および基板表面の膜のエッチングに使用されるエッチング装置およびこれを用いたエッチング方法に関する。

電子部品あるいは光学部品等は、半導体、誘電体および圧電体基板やそれらの基板上に形成された薄膜を加工することによって作製される。これらの部品の電気的あるいは光学的特性は、基板および基板上の薄膜の加工精度に大きく影響される。このため基板および基板上の薄膜の加工には、高精度な加工が可能なプラズマエッチング法が使用される。

プラズマエッチングは真空装置を用いて行なわれるが、その真空装置は真空チャンバ、真空ポンプ、圧力センサおよびガス導入口により構成され、真空チャンバ内部には上部電極と下部電極が対向するように配置されている。プラズマエッチングを行う時は、エッチングを行なう基板を下部電極上に配置し、所定の圧力になるように真空チャンバ内を排気した後、エッチングに必要なガスを所定の圧力になるように真空チャンバ内に供給する。そして上部電極と下部電極の間に高周波あるいは直流の高電圧を印加することにより、上下電極間のガスを電離させてプラズマを発生させる。このとき下部電極上に配置されたエッチング用の基板あるいは基板上の薄膜に電離したガスのイオンが衝突する。このイオンの作用により基板あるいは基板上の薄膜をエッチングするものである。

プラズマエッチングにおいては、下部電極上でのガスの流れ方や電界分布の影響によりエッチング用基板の中心部と周辺部でプラズマの密度が不均一になる。このため基板中心部と周辺部でエッチング量が異なり、基板内部でエッチング量のバラツキが生じる。この問題を解決するために特許文献１のような方法が提案されている。特許文献１では、エッチング用の基板を配置する下部電極を、環状の絶縁体により複数の電極に分割している。その分割した電極にそれぞれ異なる電源を接続し、エッチング量が大きい基板周辺部には小さい電力、エッチング量が小さい基板中心部には大きい電力を印加し、基板各部のプラズマの密度を制御することによって基板内のエッチング量を均一にする方法である。
特開２００２−９０４３号公報

特許文献１の方法では、分割した下部電極にそれぞれ高周波電源と、その電源を制御するマッチング回路が必要になる。またマッチング回路は下部電極近傍に設置する必要があるが、機器寸法が大きいため設置空間を確保することが難しく、設置数に伴う下部電極の分割数に制限がある。そのため基板内でのプラズマの密度分布の設定が粗くなり、基板内のエッチング量を均一にすることが難しくなる。

以上のように、従来のプラズマエッチング装置では基板あるいは基板上の薄膜のエッチング量を制御するために、複数の電源やマッチング回路が必要であった。このため、エッチング装置が大型でかつ高価になり、エッチング量を制御できる部分にも制限があった。以上の課題を解決するために本発明では、一つの電源及び制御系で、基板及び基板上の薄膜のエッチング量を高精度に制御することができるプラズマエッチング方法を提供することを目的とした。

上記の課題を解決するために本発明のエッチング装置は、真空チャンバと、真空用ポンプと、前記真空チャンバ内に互いに対向させて配置された上部電極と下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加する電源と、前記真空チャンバ内にガスを導入するためのガス導入口を備えたエッチング装置において、前記上部電極と前記下部電極が対向する空間に複数の移動可能な遮蔽電極を設けたことを特徴とした。

本発明では、プラズマを発生させる上下電極間に移動可能な複数の遮蔽電極を設け、その遮蔽電極を上下電極間で移動させることにより、上下電極間で発生するプラズマの状態を変化させることができる。この現象を用いて基板表面のエッチング量を制御するエッチング装置である。

また本発明のエッチング装置は、前記複数の遮蔽電極の形状が同心環状であることを特徴としている。

プラズマエッチング法では、エッチングする基板を配置した下部電極上のガスの流れ方や電界分布の影響により、基板の中心部と周辺部においてエッチング量が異なるという問題があった。基板内のエッチング量分布は、中央部から周辺部へ環状に分布しているが、これを解決するために本発明においては、前記複数の遮蔽電極の形状を環状にすることを特徴とした。この構造により、基板中心部と周辺部のエッチング量の分布を改善し、均一にすることができる。

また本発明のエッチング方法は、前記エッチング装置を用いて前記下部電極上に基板を配置し、前記基板の表面をエッチングすることを特徴としている。エッチングを行なう基板を、前記エッチング装置の下部電極上に配置し、プラズマエッチングすることによって、基板内でのエッチング量の分布を均一にすることができる。

以上のように、真空チャンバと、真空用ポンプと、前記真空チャンバ内に互いに対向させて配置された上部電極と下部電極と、前記上部電極と前記下部電極の
間に電圧を印加する電源と、前記真空チャンバ内にガスを導入するためのガス導入口を備えた本発明のプラズマエッチング装置においては、前記上部電極と前記下部電極が対向する空間に複数の移動可能な遮蔽電極を設けたことを特徴としているので、基板表面のエッチング量を均一にすることができる。また遮蔽電極の形状や配置を任意に設定することができるため、基板内のエッチング量を高精度に制御することができる。さらに、プラズマエッチング装置に必要な電源およびその電源に必要なマッチング回路も一つでよいため、エッチング装置が大型でかつ高価になることもない。以上のように本発明のプラズマエッチング装置を使用して基板や基板上の薄膜をエッチングすることにより高精度な配線形成が可能となり、電気的特性あるいは光学的特性の優れた部品を作製することが可能となる。

以下において図を参照しつつ本発明の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例におけるプラズマエッチング装置の概略断面図である。図１に示すプラズマエッチング装置は、真空チャンバ１、低真空用ポンプ２、高真空用ポンプ３、低真空用ポンプ２と高真空用ポンプ３により真空チャンバ１内の排気を行なうための排気口の開閉を行なうバルブ４とバルブ５、エッチング用ガス導入口６、上部電極７、下部電極８、シールド電極９、遮蔽電極１０〜１３および高周波電源２０を備えた構成となっている。基板のエッチング処理に影響の少ない真空チャンバ１内の底面部などに低真空用ポンプ２と高真空用ポンプ３が配置される。また各ポンプと真空チャンバ１の間には、真空チャンバ１内が所定の圧力になったときに開閉を行なうバルブ４とバルブ５が設けられている。さらに真空チャンバ１内の上面部には上部電極７、底面部にはその周囲にシールド電極９を設けた下部電極８が対向して配置されている。そして下部電極８上には、エッチングを行なう基板１９が配置され、その下部電極８と電気的に接続された高周波電源２０が真空チャンバの外部に配置されている。またプラズマを発生させるためのガスを真空チャンバ１内に導入するためのガス導入口６が真空チャンバ１の所望の位置に設けられている。そしてエッチング量の制御を行なうための遮蔽電極１０〜１３は上部電極７と下部電極８の間で、上部電極７の下部近傍に設けられている。

図２は、図１中のＡ−Ａ’部より下部電極８側をみたときの構造を示す概略平面図である。本実施例では１個の円板状の遮蔽電極１０と、３個の円環状の遮蔽電極１１〜１３を同心状に配置し、これらの遮蔽電極１０〜１３はそれぞれベローズ１８ａ〜１８ｄに固定されている。さらに図１に示すように、ベローズ１８ａ〜１８ｄは上部電極７に固定され、上部電極７を貫通する支持軸を介して真空チャンバ１の外部に配置したベローズ駆動用シリンダ１４〜１７に接続されている。図１の構造では、ベローズ駆動用エアシリンダ１４〜１７の空気圧を調整することにより、ベローズ１８ａ〜１８ｄが基板１９の方へ伸び、遮蔽電極１０〜１３を基板１９のエッチング面近傍に近づけることができる。なお真空チャンバ１、上部電極７、下部電極８、シールド電極９および遮蔽電極１０〜１３等の機器はステンレス合金製である。また低真空用ポンプ２として油回転ポンプ、高真空用ポンプ３としてクライオポンプを使用している。なお本実施例における円板状遮蔽電極１０の直径は２３ｍｍ、その周囲の３個の円環状の遮蔽電極１１〜１３の内径と外径は、小さいものから順に２５ｍｍと４８ｍｍ、５０ｍｍと７３ｍｍ、７５ｍｍと９８ｍｍである。また上部電極７と下部電極８の間に発生するプラズマの拡散を防止するために配置したシールド電極９の内径は１００ｍｍである。

図１に示す本発明のプラズマエッチング装置を用いた弾性表面波（ＳＡＷ）共振子の作製方法について説明する。膜厚１μｍのＡｌ電極が全面に蒸着された直径１００ｍｍの水晶等の圧電特性を有する基板を用意する。そして所望の配線電極パターンに対応するフォトレジストパターンをＡｌ電極上に作製する。次に不要なＡｌ電極を除去するために、本発明におけるプラズマエッチング装置によるエッチングを行なう。

まずエッチングを行なう基板１９をプラズマエッチング装置の下部電極８上に配置する。また遮蔽電極１０〜１３は上部電極７の下部近傍に配置しておく。次に低真空用ポンプ２と高真空用ポンプ３を用いて真空チャンバ１内を１×１０^-3Ｐａ以下になるように排気する。真空チャンバ１内が前記圧力になったことを確認し、エッチング用ガス導入口６から真空チャンバ１内へＡｒガスを導入する。そしてＡｒガスの流量を調整し、真空チャンバ１内の圧力を１Ｐａにする。次に高周波電源２０から下部電極８に電圧を印加し、Ａｒを電離させることにより上部電極７と下部電極８の間にプラズマを発生させる。なお上部電極７と遮蔽電極１０〜１３は接地されており、下部電極に印加される高周波電力は４００Ｗで、そのときの電力密度は５０ｍＷ／ｍｍ²である。

プラズマが発生しているとき、基板１９を配置した下部電極８の上部数ｍｍの部分には負の電界が集中している。プラズマ中で電離した正電位を持つＡｒイオンがこの部分に引き寄せられ、基板１９上のＡｌ電極に衝突することにより不要なＡｌ電極がエッチングされる。そしてＡｒイオンが基板１９に衝突したとき二次電子が発生し、下部電極８上の負の電界が集中している部分で加速される。この二次電子は高エネルギーでプラズマ内に突入し、Ａｒガスを電離することによりＡｒイオンを生成してプラズマを維持する。

エッチング時には基板１９表面でのＡｒガスの流れ方や電界分布の影響により、基板１９上でのプラズマ密度が均一にならず、単位時間あたりのエッチング量は基板外周部が多く、中心部が少なくなっている。このため基板１９外周部のＡｌ電極がエッチングにより除去された後も、基板１９中心部のＡｌ電極を除去するためにエッチングを続ける必要がある。このとき従来の遮蔽電極を用いないプラズマエッチングでは、基板外周部表面がＡｒイオンの衝突によってダメージを受け、ＳＡＷ共振子の特性が劣化するという問題が発生していた。この問題を解決するために本発明では、エッチングの終了した基板１９の外周部から順次プラズマの発生を停止することによりエッチングを終了し、エッチング量を均一にできるようにした。プラズマの発生は遮蔽電極と下部電極８の間隔を２ｍｍにすることにより停止することができる。これは遮蔽電極を下部電極８近傍まで近づけたとき、下部電極８上の負の電界が集中している部分へＡｒイオンが進入できなくなくなり、基板１９へのＡｒイオンの衝突がほとんどなくなるためである。本実施例においては、基板の縁端から基板中心へ向って１２．５ｍｍの円環状部分のエッチングが終了したことを確認した時点で、エアシリンダ駆動部１７を駆動し遮蔽電極１３を降下させる。このとき遮蔽電極１３と下部電極８との間隔を２ｍｍとする。このように遮蔽電極１３を降下させると、エッチングが終了した基板１９の円環状部分での基板のダメージやＡｌ電極のオーバエッチングを防ぐことができる。

しかし遮蔽電極１３を降下させた後の基板１９上のプラズマの発生範囲は、遮蔽電極１３を降下させる前よりも狭くなるため、エッチングが続行されている部分での電力密度が高くなり、単位時間あたりのエッチング量が増えてしまう。そこで遮蔽電極１３を降下させる前の単位時間あたりのエッチング量と同じにするため、下部電極８に印加する電力を２２５Ｗまで下げる。同様に本実施例においては遮蔽電極１２を降下させたときに下部電極８に印加する電力は１００Ｗ、遮蔽電極１１を降下させたときに下部電極８に印加する電力は２５Ｗに下げる。これによりプラズマの電力密度が５０ｍＷ／ｍｍ²に維持され、単位時間あたりのエッチング量も維持される。その後、Ａｌ電極のエッチングが基板中心部まで終了したことを確認し、高周波電源２０による電圧の印加を停止し、エッチング処理を完了する。最後に真空チャンバ１を大気開放し、基板１９を取り出す。以上のように本発明によるプラズマエッチング装置を用いてＳＡＷ共振子用Ａｌ配線電極を作製することにより、基板内のエッチング量を均一にすることができ、かつ基板の劣化もないため、所望の電気的特性を持つＳＡＷ共振子を得ることができた。

また、第１の実施例においては、複数の遮蔽電極を上下電極に対し垂直方向に移動させることにより基板内のエッチング量の均一化を行なっているが、遮蔽電極を上下電極に対し水平方向に移動させることによっても同様な効果を得ることができる。エッチング開始時は、遮蔽電極をエッチングを行なう基板を覆わない部分に配置しておき、エッチングが終了した基板縁端部から順次遮蔽電極を基板エッチング面近傍に移動させる。これにより第１の実施例同様に、基板内のエッチング量を均一にすることができる。

また、第１の実施例における遮蔽電極の変形例の概略平面図を図３に示す。プラズマエッチングにおいては、真空チャンバへのエッチング用ガス導入位置等により、基板内のエッチング量が不均一になる。また基板内に作製する素子は、その電気的あるいは光学的特性を得るためにサイズや形状が異なっている。そこで図３のように遮蔽電極を所望の大きさや形状に分割することにより、基板内のエッチング量のバラツキをさらに細かく制御することができる。本実施例は、第１の実施例で示したプラズマエッチング装置の遮蔽電極として使用することができる。図３（ａ）は、遮蔽電極を半円の環状にした構造である。この構造により、第１の実施例に比べ基板内のエッチング量をより細かく制御することができる。また図３（ｂ）に示す遮蔽電極は、円形の基板上に矩形の素子パターンを作製するときに使用できる。また図３（ｃ）は、四角形の基板上に、矩形の素子パターンを作製するときに使用できる。また図３（ｄ）は円形の基板上に、できるだけ多くの素子を作製するために六角形の素子パターンにしたものであるが、この場合についても遮蔽電極を六角形にすることにより、素子ごとにエッチング量を制御することができる。なお図３（ａ）〜（ｄ）に示す遮蔽電極には、第１の実施例と同様に、図示しないベローズが取付けられ、それにより直線運動が可能となっている。また図３に示す遮蔽電極の形状は一例であって、この形状に限られるものではない。

なお本発明は主にプラズマエッチングに使用できるが、その他にも反応性イオンエッチングやスパッタリング等にも使用することができる。また本発明の実施例においては、プラズマを発生させている基板を上下位置に配置しているが、装置のサイズや構造等の問題により左右電極のように横方向に配置しても同様な効果を得ることができる。また第１の実施例では、作製する素子はＳＡＷ共振子、電源は高周波電源、電極はＡｌおよび電極作製プロセスは真空蒸着方法を使用しているが、これらに限るものではない。また真空チャンバ等の材料としては、ステンレス合金に限らず、他の耐腐食性材料を用いても構わない。

本発明のプラズマエッチング装置を用いて作製する弾性表面波（ＳＡＷ）共振子の作製方法の概略断面図を図４に示す。ＳＡＷ共振子用の基板として直径１００ｍｍの水晶基板を用意する。次に図４（ａ）に示すように、真空蒸着法により水晶基板４０ａの一方主面全面に膜厚１μｍのＡｌ電極４１ａを作製する。次に図４（ｂ）に示すように、Ａｌ電極４１ｂ上に所望の電極パターンに対応したフォトレジストパターン４２ｂをフォトリソグラフィ技術を用いて作製する。次に図４（ｃ）に示すように、本発明によるプラズマエッチング装置を用いてＡｒイオン４３ｃによりＳＡＷ共振子として不要な部分のＡｌ電極４１ｃをプラズマエッチングにより除去する。以上の工程により、図４（ｄ）に示すように不要なＡｌ電極が除去された電極パターン４１ｄが得られる。最後にフォトレジストを溶剤により除去することにより、図４（ｅ）に示すような所望のＳＡＷ共振子用Ａｌ電極配線４１ｅを得ることができた。

本発明の第１の実施例におけるプラズマエッチング装置の概略断面図である。 本発明の第１の実施例における遮蔽電極部分の概略平面図である。 本発明のプラズマエッチング装置に用いるの遮蔽電極の変形例を示す概略平面図である。 本発明の一実施例におけるプラズマエッチング方法を用いたＳＡＷ共振子の製造方法の概略断面図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ 低真空用ポンプ
３ 高真空用ポンプ
４、５ バルブ
６ ガス導入口
７ 上部電極
８ 下部電極
９ シールド電極
１０〜１３、３１ａ〜３１ｄ 遮蔽電極
１４〜１７ 遮蔽電極駆動用エアシリンダ
１８ａ〜１８ｄ ベローズ
１９、３０ａ〜３０ｄ、４０ａ〜４０ｅ 基板
２０ 高周波電源
４１ａ〜４１ｅ Ａｌ電極
４２ｂ〜４２ｄ フォトレジスト
４３ｃ Ａｒイオン

Claims (3)

1. 真空チャンバと、真空用ポンプと、前記真空チャンバ内に互いに対向させて配置された上部電極と下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加する電源と、前記真空チャンバ内にガスを導入するためのガス導入口を備えたエッチング装置において、
   前記上部電極と前記下部電極が対向する空間に複数の移動可能な遮蔽電極を設けたことを特徴とするエッチング装置。
2. 請求項１記載のエッチング装置において、
   前記複数の遮蔽電極の形状が同心環状であることを特徴とするエッチング装置。
3. 請求項１ないし請求項２記載のエッチング装置を用いて前記下部電極上に基板を配置し、前記基板の表面をエッチングするエッチング方法。

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