JP2007207925A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
プラズマエッチング装置の電極間にグロー放電プラズマが発生し難い構成において、所望条件のグロー放電プラズマを容易に発生させる。
【解決手段】
エッチングガスより分解し易い希釈ガスを用いてプラズマを発生させ、その後、プラズマ処理反応容器内にエッチングガスを導入し流量を増加すると同時に、略同流量の希釈ガスの流量を減ずるように流量調整することにより、プラズマ処理反応容器内の圧力変動を低減し、発生したプラズマを維持したまま、前記ガス流量を所定値に設定し、所望の条件とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に関するものであり、より詳しくは、プラズマ発生方法に関するものである。
プラズマエッチング装置は、カソード電極・アノード電極対を設けたプラズマ処理反応容器内にエッチングガスを導入し、プラズマ処理反応容器の排気系に設けられた圧力調整バルブによって反応容器内の混合ガスの圧力を略一定に調整し、電極間に高電圧を印加し、プラズマを発生させ、カソード電極あるいはアノード電極上に載置された被処理物をプラズマ処理するものである。
プラズマエッチング装置においては、電極間に高電圧を印加しグロー放電プラズマを発生させる過渡的な状態において、幾つかの問題が指摘されている。
例えば、特許文献１には、電力投入時から放電安定までの時間にばらつきがあり、放電安定後の時間を同一にしても、プラズマ処理の再現性が得られないという問題が挙げられている。
この問題を解決する手段として、まず、真空容器内に不活性ガスを導入し、所定の真空度に維持し、電極に高周波電力を供給し、プラズマを発生させ、プラズマが安定した後に、前記不活性ガスを反応ガスに切り換えるプラズマ処理方法が開示されている。
この方法により、放電が安定するまでは不要で有害な堆積やエッチングが起こらないようにすることができ、不活性ガスから反応ガスに置換し、所要の堆積やエッチングが起こり始める時点から放電停止までの時間により処理時間の管理を行うことができるので、プラズマ処理結果の再現性を良くすることができるとされている。
また、特許文献２には、プラズマＣＶＤ法の放電初期において、ガスの分解過程が定常状態になるまでの間、プラズマから発生する成膜種の種類および密度が適当でないため、意図しない低品質の薄膜が形成されてしまうといった問題が挙げられている。
この解決手段として、希釈ガスである水素ガスのみを反応室に最初に導入してグロー放電プラズマを発生させ、次に、原料ガスの流量を徐々に増加させるように反応室に導入してグロー放電プラズマにより分解させ薄膜を形成するといった方法が開示されている。
この方法により、放電開始初期における不安定なプラズマ内で生じる好ましくない成膜種による膜形成を避けることができるといった効果が記述されている。すなわち、高濃度の水素で希釈したプラズマにおいては良性の成膜種が多く存在するので、このような条件で原料ガスを加えていくと、良性の成膜種が多く生成し、薄膜形成初期において良質な薄膜を形成することができる。
特開平８−１６５６８４号公報 特開２００２−２４６３１７号公報
しかしながら、特許文献１においては、不活性ガスを反応ガスに切り換えるとの記述があるのみで、その切り換え時において真空容器内の圧力が大きく変動し、その過渡的な状態においてプラズマが不安定になり、電極間のグロー放電プラズマが消滅してしまうといった問題がある。
また、特許文献２においては、希釈ガスである水素ガスのグロー放電プラズマ発生後に、流量が徐々に増加するように原料ガスを反応室に導入しているが、実施例の記載より、各工程における反応室内の圧力は一定値に設定されている。
この場合において、導入された原料ガスのすべてがプラズマにより分解されることは考え難く、原料ガスの流量増加に伴い反応室内の圧力が上昇すると考えられる。この圧力上昇は、反応室の排気系に設けられる圧力調整バルブにより抑えられ、略一定の圧力に調整されると考えられる。
圧力調整バルブによる反応室内の圧力調整は、反応室内の圧力を測定する圧力計の指示値をフィードバックして行われることが一般的であるため、反応室に導入されるガス流量が変化した場合、その圧力調整中にも圧力変動が大きくなるといった問題がある。
また、別の課題として、プラズマエッチング装置の電極構造によっては、エッチング用ガスによるグロー放電プラズマが発生し難く、プラズマ発生時に大きな電力を要するといった問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、プラズマエッチング装置の電極間にグロー放電プラズマを発生させるときに要する電力を低減し、かつ、所望の条件のプラズマを発生させるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
更には、プラズマ成膜とプラズマエッチングを同じ装置で実施する場合に、プラズマ成膜の最適条件に装置設計されているプラズマ処理装置においても、過剰な負担を装置に負わせることなくプラズマエッチングを行なう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する。
上記目的を達成するために本発明は、プラズマ処理反応容器に希釈ガスを導入する希釈ガス導入工程と、プラズマ処理反応容器内の圧力を略一定に調整する圧力調整工程と、プラズマ処理反応容器内に設けられた電極に電力を投入してグロー放電プラズマを発生させるプラズマ発生工程と、プラズマ処理反応容器内にエッチングガスを導入し流量を増加すると同時に略同流量の前記希釈ガスの流量を減ずるガス制御工程と、前記希釈ガスおよび前記エッチングガスの流量を処理流量値に設定してエッチング処理を行うエッチング処理工程と、をこの順に行うプラズマエッチング方法とした。
本発明によれば、電極間にプラズマを発生させる工程において、まず、エッチングガスより分解され易い希釈ガスを導入することにより電極間にプラズマ放電を容易に発生させる。次に、導入するエッチングガスと略同流量の希釈ガス流量を減ずることにより、プラズマ処理反応容器内の圧力を略一定に保ち、電極間のプラズマを消滅させることなく希釈ガスとエッチングガスの流量を処理流量値に設定することにより、所望のエッチング条件のプラズマを発生させることができる。
また、本発明においては、前記ガス制御工程において、前記エッチングガスを導入し流量を増加すると同時に略同流量の前記希釈ガスの流量を減ずるステップを複数回行うことが望ましい。
また、本発明においては、前記ガス制御工程において、前記希釈ガスおよび前記エッチングガス流量を連続的に変化させることが望ましい。
また、本発明においては、前記プラズマ発生工程において前記電極に投入される電力を初期電力値に設定し、前記ガス制御工程から前記エッチング処理工程にかけて前記電力を増加させ、前記エッチング処理工程において前記電力を処理電力値となった時点で固定することが望ましい。
また、本発明においては、前記ガス制御工程および前記エッチング処理工程における前記電力の増加は連続的であることが望ましい。
また、本発明においては、前記電極に投入される電力は、前記ガス制御工程終了後、ガス流量安定後に前記処理電力値に固定されることが望ましい。
また、本発明においては、前記電極に電力を供給する電源と前記電極の間にインピーダンス整合回路を設け、前記インピーダンス整合回路は前記エッチング処理工程における定常状態においてインピーダンス整合された状態に固定されることが望ましい。
また、本発明においては、前記ガス制御工程終了後、所定時間経過後に前記インピーダンス整合回路は自動整合動作を開始することが望ましい。
また、本発明においては、前記電源は前記インピーダンス整合回路を介して前記プラズマ処理反応容器内に設けられた複数の電極に接続されていることとした。
また、本発明に係るプラズマ処理方法が実施されるプラズマエッチング装置はプラズマＣＶＤ装置を兼ねていることとした。
本発明において、プラズマ処理反応容器に希釈ガスを導入する希釈ガス導入工程と、プラズマ処理反応容器内の圧力を略一定に調整する圧力調整工程と、プラズマ処理反応容器内に設けられた電極に電力を投入してグロー放電プラズマを発生させるプラズマ発生工程と、プラズマ処理反応容器内にエッチングガスを導入し流量を増加すると同時に略同流量の前記希釈ガスの流量を減ずるガス制御工程と、前記希釈ガスおよび前記エッチングガスの流量を処理流量値に設定してエッチング処理を行うエッチング処理工程と、をこの順に行うプラズマエッチング方法とした。
まず、反応ガスよりも分解が容易な希釈ガスにより電極間にプラズマを容易に発生させることができる。その後、希釈ガスの流量を減ずると同時に減じた分の流量と略同流量のエッチングガスを増加することにより、エッチングガスを導入する過程におけるプラズマ処理反応容器内の圧力変動を小さく抑えることができ、電極間に発生しているプラズマを消滅させることなく希釈ガスとエッチングガスの流量を所望の処理流量値に設定することができる。この方法により、所望の条件のプラズマをより小さい電力により発生させることができる。
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置の概略断面図およびガス配管系統図である。
密閉可能なプラズマ処理反応容器１０１内に、カソード電極１０２・アノード電極１０
３対が設置されている。カソード電極１０２とアノード電極１０３の電極間距離は、所望のエッチング条件に従って決定される。プラズマ処理反応容器１０１外には、カソード電極１０２に電力を供給するための電源１０４と、電源１０４とカソード電極１０２・アノード電極１０３対間のインピーダンス整合を行うインピーダンス整合回路１０５が設置されている。インピーダンス整合回路１０５は、ある状態に固定された手動動作に設定することができ、また、電源１０４への反射電力が最小となるように動作する自動整合動作に設定することもできる。
電源１０４には、電力導入線１０６ａの一端が接続され、他端は、インピーダンス整合回路１０５に接続されている。インピーダンス整合回路１０５には電力導入線１０６ｂの一端が接続され、他端は、カソード電極１０２に接続されている。
一方、アノード電極１０３は電気的に接地されており、アノード電極１０３上には、プラズマエッチング処理の対象物であるワーク１０７が設置されている。ワーク１０７は、カソード電極１０２上に設置されていても構わない。
プラズマ処理反応容器１０１には、ガス導入口１１０が設けられている。ガス導入口１１０には、ガス導入管１１１の一端が接続され、他端は、希釈ガス供給部１１２およびエッチングガス供給部１１４に接続されている。希釈ガス供給部１１２には、希釈ガス１０８の流量を調整するためにマスフローコントローラ等の流量調整装置１１５ａが設けられ、バルブ２０７が適当な箇所に設けられる。希釈ガス１０８としては、Ａｒ、Ｈｅ、ＮｅまたはＮ２等の不活性ガスが用いられる。
エッチングガス供給部１１４には、マスフローコントローラ等の流量調整装置１１５ｂが設けられ、プラズマ処理反応容器１０１に導入されるエッチングガス１０９の流量が調整される。エッチングガス１０９としてはＮＦ３またはＣＦ４等が用いられる。エッチングガス１０９は、希釈ガス１０８と比較して電圧印加により放電し難く分解され難いものが使用される。
また、プラズマ処理反応容器１０１には、真空ポンプ１１６と圧力調整用バルブ１１７が直列に接続され、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力が略一定に保たれる。
圧力調整用バルブ１１７は、プラズマ処理反応容器１０１内の圧力を測定する圧力計の指示値が一定になるようにその開度が自動調整される。
上記の構成を有するプラズマエッチング装置において、本発明のプラズマエッチング方法が実施される。
本実施形態においては、プラズマエッチング装置専用の装置としたが、プラズマエッチング装置とプラズマCVD装置が兼用されていても良い。プラズマCVD装置としてワーク１０７に膜を形成した後、ワーク１０７を取り外し、アノード電極１０２・カソード電極１０３に付着した膜をクリーニングする目的で、プラズマエッチング装置として使用することは、一般によく行われていることである。
このような兼用型装置の場合、薄膜成膜時の条件を重要視してその装置構成は設計されるため、アノード電極１０２・カソード電極１０３の電極間距離および圧力設定範囲はプラズマCVD装置に適した条件に設定される。一般に、アノード電極１０２カソード電極１０３の電極間の放電開始電圧はガス種、ガス圧力、電極間距離および電極形状等により決まり、プラズマエッチング装置として使用した場合、アノード電極１０２カソード電極１０３の電極間にプラズマが発生し難いことが起こりうる。本発明は、このような装置の場
合にも適用でき、プラズマエッチング処理を行うことができる。
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係るプラズマエッチング方法を説明する。
まず、プラズマ処理反応容器１０１に希釈ガス１０８を導入し、希釈ガス１０８の流量を流量調整装置１１５ａにより一定流量値に設定する（ST1:希釈ガス導入工程）。
次に、エッチング反応容器１０１内の圧力を圧力調整用バルブ１１７により略一定値の圧力に保つ（ST2：圧力調整工程）。ここで、設定圧力は、エッチング処理工程において、エッチング処理速度等の所望のエッチング条件を実現する圧力値とする。
次に、電源１０４からカソード電極１０２に処理電力値の電力を供給し、アノード電極１０３・カソード電極１０２間にグロー放電プラズマを発生させる（ST3:プラズマ発生工程）。ここで、処理電力値は、アノード電極１０３・カソード電極１０２間にグロー放電プラズマを発生させることができる最低電力以上であり、エッチング処理速度等の所望のエッチング条件を実現する電力値とする。
次に、プラズマ処理反応容器内にエッチングガス１０９を導入し、その流量を増加すると同時に、略同流量の希釈ガス１０８の流量を減ずるように流量調整装置１１５ａ、１１５ｂを調整する（ST4：ガス制御工程）。
希釈ガス１０８とエッチングガス１０９の流量が処理流量値になれば、流量値を固定しエッチング処理を行う（ST5:エッチング処理工程）。ここで、処理流量値は、、エッチング処理速度等の所望のエッチング条件を実現するガス流量値とする。
上記工程により、所望のエッチング処理条件（処理流量値の希釈ガス１０８、エッチングガス１０９を導入し所望の圧力に設定した状態）では前記電極間にグロー放電プラズマを発生し難い場合でも、ST3工程で発生させた希釈ガス１０８によるプラズマを消滅させることなく、希釈ガス１０８とエッチングガス１０９を処理流量値に設定することにより、所望の条件のプラズマエッチング処理を実現することができる。
すなわち、まず、エッチングガス１０９より分解が容易で放電し易い希釈ガス１０８を用いることで、プラズマ発生に必要な印加電力を低減することができる。その後、希釈ガス１０８によるプラズマが発生している状態においてエッチングガス１０９を導入すると、発生しているプラズマのエネルギーが大きいことから、そのエネルギーによりエッチングガス１０９の分解が促進され、エッチングガス１０９を導入してもプラズマが消滅し難くなる。
さらに、希釈ガス１０８によるプラズマが発生した後、希釈ガス１０８の流量を減ずると同時に略同流量のエッチングガス１０９を増加させるガス流量調整を行う。これにより、エッチングガス１０９導入時のエッチング反応容器１０１内の圧力変動を低減し、プラズマの消滅を抑え、希釈ガス１０８およびエッチングガス１０９の流量を処理流量値に設定した状態においてもプラズマを維持することができる。
流量調整装置１１５ａ、１１５ｂとしては例えばマスフローコントローラが用いられる。マスフローコントローラは、予め決められた状態に流路の開度を設定することによりガス流量を調整するため、実際の流量値をフィードバックして調整する構成よりも流量調整に要する時間を短縮できるといった利点がある。
一般に、バルブ２０７を閉から開にし、ガスを流し始めた時点でその流量は一時的に大
きくなるが、マスフローコントローラは、その後の流量調整においてその流量を連続的に変更できる点で好ましい。
前記ガス制御工程においては、エッチングガス１０９を導入し流量を増加すると同時に略同流量の希釈ガス１０８の流量を減ずる流量調整ステップを複数回段階的に実施することにより、希釈ガス１０８とエッチングガス１０９の流量を処理流量値になるまで変化させることが望ましい。また、エッチングガス１０９の流量増加と希釈ガス１０８の流量減少は連続的であることが望ましい。
エッチングガス１０９の流量増加および希釈ガス１０８の流量減少を段階的あるいは連続的に行うことにより、エッチングガス１０９を導入したときの圧力変動を低減することができ、一度発生したプラズマを消滅させ難くすることができる。
上記各工程について図を基に更に詳しく説明する。図２は、本実施形態に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。
希釈ガス導入工程ST1において、希釈ガス１０８の流量FTは、エッチング処理工程における希釈ガス１０８とエッチングガス１０９のトータル流量FTと同一とし、トータル流量FTは圧力調整工程ST2からエッチング処理工程ST5まで一定とする。
ガス制御工程ST4においても、希釈ガス１０８を減じた流量分のエッチングガス１０９流量を増加させるため、そのトータル流量は一定となる。なお、ガス制御工程ST4における希釈ガス１０８およびエッチングガス１０９の流量は連続的に変化させた。
圧力調整工程ST2における設定圧力は、エッチング処理工程ST5における圧力と同一であり、圧力調整工程ST2からエッチング処理工程ST5まで一定とする。ガス制御工程ST4においても、希釈ガス１０８を減じた流量分のエッチングガス１０９流量を増加させるため、その圧力変動を低減することができ略一定値に保つことができる。ガス制御工程ST4終了後、エッチング処理工程ST5においては、希釈ガス１０８およびエッチングガス１０９の流量は、処理流量値FD、FEに設定される。
電源１０４としては、交流電源が一般的に使用され、プラズマ発生工程ST3において電源１０４から出力される電力PEは、エッチング処理工程ST5における出力電力PEと同一とする。出力電力PEは、プラズマ発生工程ST3においてアノード電極１０３・カソード電極１０２間にグロー放電プラズマを発生することができる電力以上であれば良い。
また、インピーダンス整合回路１０５は、プラズマ発生工程ST3からガス制御工程ST4終了後所定時間ｔｍ経過時まで一定の状態に設定される。その設定状態は、エッチング処理工程ST5の定常状態において反射電力が最も小さくなる設定であることが望ましい。その設定状態は予め測定し取得しておく。
ここで、プラズマ処理工程ST5の定常状態とは、希釈ガス１０８とエッチングガス１０９の流量が処理流量値FD、FEに調整され、電源１０４の出力電力がPEであり、エッチング反応容器１０１内の圧力が所望の圧力値に調整された条件においてプラズマの状態がほぼ安定している状態をいう。本実施形態においては、エッチング処理工程ST5開始後、十分な時間が経過しプラズマの状態がほぼ安定した状態をいう。
また、所定時間ｔｍは、ガス制御工程ST4終了後所定時間ｔｍ経過時において前記定常状態となっているように設定する。
一般的に、インピーダンス整合回路１０５は、電源１０４への反射電力が最も小さくなるように自動的にインピーダンス整合するものである。しかし、急激な負荷（本実施形態においては電極間インピーダンス）変動に対し追従することができないため、プラズマ発生工程ST3におけるプラズマ発生時やガス制御工程ST4におけるエッチングガス１０９導入時のアノード電極１０３・カソード電極１０２間のインピーダンス変動に追従することができず、インピーダンス整合ポイントから大きくずれる場合がある。この結果、電源１０４側への反射電力が大きくなりカソード電極１０２に十分な電力が供給されなくなるため、アノード電極１０３・カソード電極１０２間にプラズマが発生しないかあるいは消滅してしまうといった問題が生じる。
プラズマ処理工程ST5の定常状態においてインピーダンス整合された状態にインピーダンス整合回路１０５を固定することにより、インピーダンス整合ポイントから大きくずれることを防止することができ、インピーダンス不整合による前記プラズマ不発生と消滅の問題を解決することができる。
また、エッチング処理工程ST5において、ガス制御工程ST4終了後、所定時間ｔｍ経過後にインピーダンス整合回路１０５を自動整合動作させることが望ましい。所定時間ｔｍは、前記定常状態となった以降にインピーダンス整合回路１０５が自動整合動作を開始するように設定されていれば良い。また、所定時間ｔｍは、エッチング反応容器１０１の容積、導入するガス流量、設定圧力値により変化するものであり、適宜その値を設定する必要がある。
前記定常状態においては、アノード電極１０３・カソード電極１０２間のインピーダンス変動が小さいため、自動整合動作によっても負荷変動に追従することができ、インピーダンス整合がより精度良く行われ、電源１０４からカソード電極１０２に効率良く電力を供給することができる。
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係るプラズマエッチング方法について図を基に説明する。図３は、本実施形態に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。
電源１０４から出力される電力の設定が異なるのみで、他の設定は実施形態１と同様である。
本実施形態においては、プラズマ発生工程ST3において、電源１０４からカソード電極１０２に出力される電力を初期電力値Ps設定し、ガス制御工程ST4からエッチング処理工程ST5にかけて出力電力値を増加させ、エッチング処理工程ST5において出力電力値を処理電力値PEに固定する。
プラズマ発生工程ST3における初期電力値Psは、アノード電極１０３・カソード電極１０２間にグロー放電プラズマを発生することができる電力以上である必要があるが、実施形態１の場合と異なり、プラズマ発生工程ST3においてプラズマを発生させることができれば良く、エッチング処理工程ST5においてプラズマを維持するだけの電力を必要としない。つまり、実施形態１の場合より小さな電力で足りる。
ガス制御工程ST4においては、希釈ガス１０８よりも分解され難いエッチングガス１０９が導入されるため、出力電力設定値を初期電力値Psから上昇させなければ、電極間に発生しているプラズマが消滅する。本実施形態においては、ガス制御工程ST4からエッチング処理工程ST5にかけて出力電力設定値を増加させ、これにより一度電極間に発生したプラズマを維持することができる。
エッチングガス１０９よりも電圧印加により分解し放電しやすい希釈ガス１０８を用いた場合には、電極間以外の他の部分でもグロー放電プラズマが発生し易い。例えば、セラミック等の電気絶縁物を用いた部分にプラズマが発生することが考えられ、過度に電力を投入するとその部分が破損する可能性がある。
本実施形態においては、プラズマ発生工程ST3からガス制御工程ST4にかけて、カソード電極１０２に投入する電力を小さく抑え徐々に増加させるため、電極間以外の部分にプラズマが発生した場合においても、そのプラズマにより装置に与えるダメージを低減することができる。
また、ガス制御工程ST4およびエッチング処理工程ST5における電極間への投入電力の増加は連続的であることが望ましい。投入電力量の急激な増加により、電極間以外の部分でもプラズマが発生し易くなり、上述したように装置にダメージを与える可能性が大きくなるからである。
さらに、本実施形態においては、電源１０４から出力される電力はガス制御工程ST4終了後、エッチング処理工程ST5においてガス流量安定後（時間Tp経過後）に処理電力値PEに固定される。
ガス制御工程ST4終了後、エッチング処理工程ST5において、希釈ガス１０８およびエッチングガス１０９の流量は処理流量値FD、FEに設定されているが、流量調整装置１１５ａ、１１５ｂの流量を設定しても、エッチング反応容器１０１に実際に導入されるガス流量はすぐには安定しない、すなわちタイムラグが発生する。
そこで、本実施形態においては、流量調整装置１１５ａ、１１５ｂの流量を処理流量値FD、FEに設定した後、ガス流量安定後（時間ｔｐ経過後）に、電極間に投入される電力を処理電力値PEに固定することとした。
前記タイムラグは、ワーク１０７が大型化し、エッチング反応容器１０１の容積が大きくなりガス流量が多くなるほど顕著であり、それに従って時間ｔｐを調整する必要がある。
（実施形態３）
実施形態１および実施形態２においては、電源１０４からインピーダンス整合回路１０５を介して一対のアノード電極１０３・カソード電極１０２対に電力を投入する構成としたが、図４に示すように、インピーダンス整合回路１０５一つに対して複数のアノード電極１０３・カソード電極１０２対を接続しても良い。
この場合、複数のアノード電極１０３・カソード電極１０２対にグロー放電プラズマを同時に発生させることが難しくなる。すなわち、複数の電極対のうちの一部にグロー放電プラズマが発生してしまうと、その電極間のインピーダンスが小さくなり、他の電極間に供給される電力が小さくなり、それらの電極間にプラズマが発生しない。
この問題を解決するためには、放電開始電圧より大きな電圧を各電極間に印加する必要がある。各電極間に印加される電圧が大きいほどグロー放電プラズマが各電極間に同時に発生する確率が高くなるため、電源１０４の出力電力をより大きくする必要がある。
本発明に係るプラズマエッチング方法は、このような構成のプラズマエッチング装置の場合にも有効であり、グロー放電プラズマを複数の電極間に同時に発生させるために必要な印加電圧値を低減し、電源１０４の出力電力を低減することができる。
本実施例に係るプラズマエッチング装置の概略断面図は図１と同様であり、以降、図１を基に説明する。アノード電極１０３およびカソード電極１０２を、プラズマ処理反応容器１０１内に対向するように設置し、プラズマ処理反応容器１０１内にエッチングガスおよび希釈ガス１０８を導入し、カソード電極１０２に電力を供給することによって、アノード電極１０３・カソード電極１０２間にグロー放電プラズマを発生させる。
このプラズマエッチング装置について、より具体的に説明する。密封可能な縦型プラズマ処理反応容器１０１があり、その内部中央に、カソード電極１０２・アノード電極１０３対をプラズマ処理反応容器１０１の底面に対して略垂直に配置した。アノード電極１０３の表面には、被処理物であるワーク１０７としてシリコン薄膜を成膜したガラス基板を配置した。
プラズマ処理反応容器１０１にはステンレス鋼またはアルミニウム合金などを使用し、また、断熱材としてセラミックスなどを使用した。アノード電極１０３は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、カーボンなどの導電性および耐熱性を備えた材料で製作した。
ワーク１０７は、被エッチング処理物であればよく特に限定されるものではない。また、プラズマＣＶＤ装置と兼用する場合に、反応容器内のクリーニングを行うときは、ワーク１０７を配置しなくてもよい。
アノード電極１０３の寸法は、エッチングを行うワーク１０７の寸法に合わせて適当な値に決定した。本実施例では、ガラス基板の寸法９００ｍｍｘ９００ｍｍに対して、アノード電極１０３の寸法を１０００mmｘ１０００mmとした。
カソード電極１０２は、アルミニウム合金により作製したが、ステンレス鋼等により作製しても良い。カソード電極１０２の寸法は、ワーク１０７の寸法に合わせて適当な値に設定し、本実施例においては、１０００mmｘ１０００mmとした。
アノード電極１０３、カソード電極１０２およびガラス基板のサイズはこれらに限られるものではなく、どのような大きさであっても良いが、通常、５００〜１５００ｍｍサイズの範囲内とされる。
アノード電極１０３・カソード電極１０２間の電極間距離は２０ｍｍに設定した。電極間距離は通常、数ｍｍから数十ｍｍの間で調整される。
プラズマ処理反応容器１０１には、ガス導入口１１０を設けた。ガス導入口１１０には、希釈ガス導入管１１１の一端が接続されており、他端は、希釈ガス供給部１１２に接続した。希釈ガス供給部１１２には、希釈ガス１０８の流量を制御して供給するために流量調整装置１１５としてマスフローコントローラを設けた。希釈ガス１０８としてはＡｒガスを使用した。
希釈ガス導入管１１１には、エッチングガス導入管１１３の一端が接続され、他端は、エッチングガス供給部１１４に接続した。エッチングガス供給部１１４には、マスフローコントローラを設け流量調整できるようにした。エッチングガス１０９としてはＮＦ３ガスを使用した。
プラズマ処理反応容器１０１の排気系には、圧力調整用バルブ１１７と真空ポンプ１１６を直列に設け、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力を略一定に保つことができる構成とした。
本実施例においては、希釈ガス１０８であるＡｒガスを５ＳＬＭ、エッチングガス１０９であるＮＦ３ガスを１ＳＬＭ流し、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力を３００Ｐａとした。本条件は一例であり、他のガス流量、ガス圧力であっても良いが、通常、Ａｒガス１〜５ＳＬＭ、NF3ガス０．１〜１ＳＬＭ、ガス圧力３０〜５００Ｐａの範囲内で設定される。
カソード電極１０２へは、プラズマ励起電源１０４により電力が供給される構成とした。電源１０４は、周波数１３．５６ＭＨｚ、出力電力１ｋＷの交流電源を使用した。電源１０４としては、周波数１．００ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、出力電力１０W〜１００ｋＷ程度の交流電源が一般的に使用されるが、直流電源を使用することもできる。
電源１０４とプラズマ処理反応容器１０１との間には、カソード電極１０２・アノード電極１０３および電源１０４の間のインピーダンスを整合するインピーダンス整合回路１０５を配設した。電源１０４とインピーダンス整合回路１０５は電力導入線１０６ａで接続し、インピーダンス整合回路１０５とカソード電極１０２は電力導入線１０６ｂで接続した。アノード電極１０３は電気的に接地した。
以上のように構成されたプラズマエッチング装置において、カソード電極１０２に高周波電力を印加することで、カソード電極１０２とアノード電極１０３との間にグロー放電プラズマを発生させ、ワーク１０７の表面のシリコン薄膜をエッチングした。
このプラズマエッチング装置は、例えばシリコン系材料のエッチングに使用することができる。
上記プラズマエッチング装置において、本実施例に係るプラズマ処理方法が実現される。以下、本発明のプラズマ処理方法の一例について図を用いて説明する。
図５は本実施例に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。
希釈ガス導入工程ST1において、Ａｒガスの流量は６ＳＬＭとした。
圧力調整工程ST2において、Ａｒガスを導入したプラズマ処理反応容器１０１内の圧力を圧力調整バルブ１１７により３００Ｐａに調整した。この圧力は、圧力調整工程ST2からエッチング処理工程ST5まで一定とした。
プラズマ発生工程ST3において、電源１０４から５０Ｗの電力を出力し、カソード電極１０２・アノード電極１０３間にＡｒガスによるグロー放電プラズマを発生させた。この際、インピーダンス整合回路１０５は、エッチング処理工程ST5の定常状態（Ａｒガス流量が５ＳＬＭ、ＮＦ３ガス流量が１ＳＬＭ、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力が３００Ｐａ、電源１０４の出力電力が１ｋＷの条件）において反射電力が最も少なくなる設定に固定した。
ガス制御工程ST4において、Ａｒガスの流量を６ＳＬＭから５ＳＬＭまで連続的に減少させた。Ａｒガスの流量を減じると同時に略同流量のＮＦ３ガスを増加させた。この設定により、ＡｒガスとＮＦ３ガスのトータル流量は６ＳＬＭで一定となる。ガス制御工程ST4では、プラズマ発生工程ST3においてカソード電極１０２・アノード電極１０３間に発生したプラズマを維持したまま、Ａｒガスを５ＳＬＭ、ＮＦ３ガスを１ＳＬＭの各流量値に変化させ、その後のエッチング処理工程ST5においてもその処理流量値に設定した。このとき、ＡｒガスとＮＦ３ガスからなる混合ガス中のＮＦ３ガス濃度は３０％以下であることがエッチング効率の観点から一般的に望ましい。
ガス制御工程ST4からエッチング処理工程ST5にかけては、電源１０４の出力電力を初期電力値である５０Ｗから連続的に増加させ、ガス制御工程ST4終了後２０秒経過時に１ｋＷとなるように設定し、その後、一定電力値に維持させた。
また、エッチング処理工程ST5において、ガス制御工程ST4終了後２５秒経過時にインピーダンス整合回路１０５を自動整合動作に設定した。
本実施例の装置構造では、Ａｒガス流量：５ＳＬＭ、ＮＦ３ガス流量：１ＳＬＭ、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力：３００Ｐａの条件下において、電源１０４の出力電力を１ｋＷとしてインピーダンス整合回路１０５を調整しても、カソード電極１０２・アノード電極１０３間に印加される電圧が放電開始電圧まで到達しないためプラズマを発生させることはできなかった。しかし、本発明のプラズマ処理方法を実施することにより、上記と同様の条件（Ａｒガス流量：５ＳＬＭ、ＮＦ３ガス流量：１ＳＬＭ、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力：３００Ｐａ）下においてプラズマを維持させることができ、本発明の効果を確認することができた。
本実施例にかかるプラズマエッチング装置は、プラズマＣＶＤ装置と兼用される装置とした。具体的には、結晶質シリコン薄膜を成膜する機能と、カソード電極１０２・アノード電極１０３等にその成膜により付着したシリコン薄膜をエッチングによりクリーニングする機能を備える装置とした。
結晶性シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ装置により成膜する際には、原料ガスであるSiH4ガスを希釈ガスであるＨ２ガスにより数十倍以上に希釈したガスをプラズマ処理反応容器１０１内に導入し、プラズマ処理反応容器１０１内の圧力を数百Ｐａ程度の高圧力に設定することにより高品質な膜を形成できることが一般的に知られている。
カソード電極１０２・アノード電極１０３間にプラズマを発生させる放電開始電圧は、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力とカソード電極１０２・アノード電極１０３間距離に依存し、ガス圧力が高くなった場合に、放電開始電圧を低減するためには電極間距離を狭くする必要がある。高品質な結晶質シリコン薄膜を成膜するには、上述したようにプラズマ処理反応容器１０１内の圧力をある程度高くする必要があり、カソード電極１０２・アノード電極１０３間にプラズマを発生させるためにはその電極間距離を狭くする必要がある。
本実施例に係るプラズマエッチング装置の基本的な構造は実施例１と同様としたが、成膜される結晶質シリコン薄膜の高品質性を維持するため以下の構成とした。すなわち、カソード電極１０２・アノード電極１０３間距離を実施例１の場合より狭い１０ｍｍとし、成膜時のプラズマ処理反応容器１０１内の設定圧力を３００Ｐａとし、Ｈ２ガス流量を５ＳＬＭ、ＳｉＨ４ガスを０．１ＳＬＭ、電源１０４の出力電力を１ｋＷとした。
上記のように、プラズマＣＶＤ装置とプラズマエッチング装置を兼用する場合は、電極間距離、設定圧力範囲等の装置構成は、薄膜成膜時の条件を重要視して設計されるため、エッチング装置として使用した場合に、カソード電極１０２・アノード電極１０３間にプラズマを発生することができない場合がある。
本実施例においては、カソード電極１０２・アノード電極１０３間距離が１０ｍｍであり、設定圧力範囲も限られており、インピーダンス整合回路１０５もプラズマＣＶＤ装置として使用した場合に最適となるように設計されている。そのため、Ａｒガス流量が５Ｓ
ＬＭ、ＮＦ３ガス流量が１ＳＬＭ、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力が３００Ｐａのプラズマエッチング条件下において、カソード電極１０２・アノード電極１０３間にプラズマを発生させるためには、電源１０４からの出力電力を５ｋＷ程度まで上げる必要があった。
本実施例においても、実施例１と同様の工程を実施した。異なる部分は、電源１０４の出力電力の初期電力値を１００Ｗとしたことであり、ガス制御工程ST4からエッチング処理工程ST5にかけて、電源１０４の出力電力を１００Ｗから連続的に増加させ、ガス制御工程ST4終了後２０秒経過時に１ｋＷとなるように設定し、その後、一定電力値に維持させた。
本工程を実施することにより、本実施例の構成においても、Ａｒガス流量が５ＳＬＭ、ＮＦ３ガス流量が１ＳＬＭ、プラズマ処理反応容器１０１内のガス圧力が３００Ｐａの条件下において、電源１０４の出力電力１ｋＷでプラズマエッチング処理が可能となり、プラズマ発生時に必要な電力を低減できる効果が確認された。
本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置の概略断面図およびガス配管系統図である。 本発明の実施形態１に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。 本発明の実施形態２に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。 本発明の実施形態３に係るプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置の概略断面図である。 本発明の実施例１に係るプラズマ処理方法のタイムチャートである。
符号の説明
１０１ プラズマ処理反応容器
１０２ カソード電極
１０３ アノード電極
１０４ 電源
１０５ インピーダンス整合回路
１０８ 希釈ガス
１０９ エッチングガス

Claims (10)

  1. プラズマ処理反応容器に希釈ガスを導入する希釈ガス導入工程と、プラズマ処理反応容器内の圧力を略一定に調整する圧力調整工程と、プラズマ処理反応容器内に設けられた電極に電力を投入してグロー放電プラズマを発生させるプラズマ発生工程と、プラズマ処理反応容器内にエッチングガスを導入し流量を増加すると同時に略同流量の前記希釈ガスの流量を減ずるガス制御工程と、前記希釈ガスおよび前記エッチングガスの流量を処理流量値に設定してエッチング処理を行うエッチング処理工程と、をこの順に行うプラズマエッチング方法。
  2. 前記ガス制御工程において、前記エッチングガスを導入し流量を増加すると同時に略同流量の前記希釈ガスの流量を減ずるステップを複数回行うことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記ガス制御工程において、前記希釈ガスおよび前記エッチングガス流量を連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記プラズマ発生工程において前記電極に投入される電力を初期電力値に設定し、前記ガス制御工程から前記エッチング処理工程にかけて前記電力を増加させ、前記エッチング処理工程において前記電力を処理電力値となった時点で固定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記ガス制御工程および前記エッチング処理工程における前記電力の増加は連続的であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング方法。
  6. 前記電極に投入される電力は、前記ガス制御工程終了後、ガス流量安定後に前記処理電力値に固定されることを特徴とする請求項４または請求項５の何れか１項に記載のプラズマエッチング方法。
  7. 前記電極に電力を供給する電源と前記電極の間にインピーダンス整合回路を設け、前記インピーダンス整合回路は前記エッチング処理工程における定常状態においてインピーダンス整合された状態に固定されることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載のプラズマエッチング方法。
  8. 前記ガス制御工程終了後、所定時間経過後に前記インピーダンス整合回路は自動整合動作を開始することを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング方法。
  9. 前記電源は前記インピーダンス整合回路を介して前記プラズマ処理反応容器内に設けられた複数の電極に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載のプラズマエッチング方法。
  10. 前記プラズマ処理方法が実施されるプラズマエッチング装置はプラズマＣＶＤ装置を兼ねていることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか１項に記載のプラズマエッチング方法。
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