JP2016171258A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プラズマ処理装置1において、処理容器2の内部に、透光性を有する材料を含む被処理物100を載置する載置部3と、プラズマ発生部5と、前記被処理物100をエッチングする中性活性種が生成される第1ガスを供給する第1ガス供給部7と、被処理物100をエッチングする中性活性種が生成されない第2ガスを供給する第2ガス供給部8と、被処理物100のエッチングレートの変化を求める検出部9と、第1ガス供給部7を制御する制御部71と、を備える。第1ガス供給部7を制御して第1ガスを供給し、生成された中性活性種により被処理物100をエッチングする工程と、第1ガスの供給を停止又は供給量を減少させてエッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を実行させる。
【選択図】図1
Description
この様な溝は、プラズマエッチング法(ドライエッチング法)を用いて形成される。
この場合、形成される溝の断面形状の精度が高いことが求められている。
ここで、半導体ウェーハに断面形状の精度が高い溝を形成する技術が提案されている。 例えば、半導体ウェーハに溝を形成する際に、溝の側壁面に保護膜を形成して溝の側壁面のエッチングを抑制するとともに、溝の底面のエッチングを促進させるようにする。
そして、保護膜を形成するためのガスを処理容器の内部にパルス状に繰り返し供給することで、溝の底面に過度に保護膜が形成されるのを抑制するようにしている。(例えば、特許文献1を参照)
この様にすれば、異方性の高いエッチングを行うことができるので、形成される溝の断面形状の精度を向上させることができる。
ところが、近年においては、エッチングされた部分の断面形状の精度をさらに向上させることが望まれていた。
前記制御部は、前記第1ガス供給部を制御して、前記第1ガスを供給し、生成された前記中性活性種により前記被処理物をエッチングする工程と、前記第1ガスの供給を停止または供給量を減少させて前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を実行させる。
なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、被処理物100は、例えば、透光性を有する材料を含む基板とすることができる。
透光性を有する材料を含む基板は、例えば、石英ガラス基板などとすることができる。
石英ガラス基板に所定の溝を形成することで、例えば、インプリント法に用いられるテンプレートやレベンソン型位相シフトマスクなどを形成することができる。
なお、以下においては、一例として、被処理物100が石英ガラス基板である場合を例示する。
また、一例として、溝100cが形成される場合を例示するが、孔が形成される場合も同様とすることができる。
本体部20は、略円筒形状を呈している。
本体部20は、例えば、アルミニウム合金などの金属から形成することができる。
また、本体部20は、接地されている。
窓部21は、電磁場を透過させることができ、プラズマ処理を行った際にエッチングされにくい材料から形成されている。
窓部21は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
処理容器2は、大気圧よりも減圧された雰囲気を維持可能な気密構造となっている。
処理容器2の内部には、被処理物100をプラズマ処理するための空間である処理空間22が設けられている。
搬入搬出口20aは、ゲートバルブ20bにより気密に閉鎖できるようになっている。 ゲートバルブ20bは、扉20b1およびシール部材20b2を有する。
シール部材20b2は、例えば、O(オー)リングなどとすることができる。
扉20b1は、図示しないゲート開閉機構により開閉される。
扉20b1が閉まった時には、シール部材20b2が搬入搬出口20aの近傍にある壁面に押しつけられ、搬入搬出口20aが気密に閉鎖されるようになっている。
載置部3は、電極30、台座31、および絶縁リング32を有する。
電極30は、処理空間22の下方に設けられている。電極30の上面は被処理物100を載置するための載置面となっている。
電極30は、金属などの導電性材料から形成することができる。
台座31は、電極30と、本体部20の間を絶縁するために設けられている。
台座31は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
絶縁リング32は、例えば、石英などの誘電体材料から形成することができる。
電源部4は、いわゆるバイアス制御用の高周波電源である。すなわち、電源部4は、載置部3に載置、保持された被処理物100に引き込むイオンのエネルギーを制御するために設けられている。
電極30と電源40は、整合器41を介して電気的に接続されている。
整合器41は、電極30と電源40の間に設けられている。整合器41は、電源40側のインピーダンスと、プラズマP側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合回路などを備えている。
電源部5は、プラズマPを発生させるための高周波電源である。すなわち、電源部5は、処理空間22において高周波放電を生じさせてプラズマPを発生させるために設けられている。
本実施の形態においては、電源部5が、処理容器2の内部にプラズマPを発生させるプラズマ発生部となる。
電極50、電源51、および整合器52は、配線により電気的に接続されている。
電極50は、電磁場を発生させる複数の導体部と複数の容量部(コンデンサ)とを有したものとすることができる。
また、電源51は、出力する高周波電力の周波数を変化させるものとすることもできる。
ただし、プラズマの発生方法は例示をしたものに限定されるわけではない。
プラズマ処理装置1は、例えば、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を用いたプラズマ処理装置や、容量結合プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)を用いたプラズマ処理装置などであってもよい。
減圧部6は、処理容器2の内部が所定の圧力となるように減圧する。
ポンプ60は、例えば、ターボ分子ポンプ(TMP:Turbo Molecular Pump)などとすることができる。
ポンプ60と圧力制御部61は、配管を介して接続されている。
圧力制御部61は、例えば、APC(Auto Pressure Controller)などとすることができる。
圧力制御部61は、配管を介して、本体部20に設けられた排気口20bに接続されている。
第1ガス供給部7は、ガス収納部70、ガス制御部71、および開閉弁72を有する。 ガス収納部70は、第1ガスG1を収納し、収納した第1ガスG1を処理容器2の内部に供給する。
ガス収納部70は、例えば、第1ガスG1を収納した高圧ボンベなどとすることができる。
ガス収納部70とガス制御部71は、配管を介して接続されている。
ガス制御部71は、例えば、MFC(Mass Flow Controller)などとすることができる。
ガス制御部71と開閉弁72は、配管を介して接続されている。
開閉弁72は、配管を介して、処理容器2に設けられたガス供給口20cに接続されている。
開閉弁72は、第1ガスG1の供給と停止を制御する。
開閉弁72は、例えば、2ポート電磁弁などとすることができる。
なお、開閉弁72の機能をガス制御部71に持たせることもできる。
なお、第1ガスG1に関する詳細は後述する。
第2ガス供給部8は、ガス収納部80、ガス制御部81、および開閉弁82を有する。 ガス収納部80は、第2ガスG2を収納し、収納した第2ガスG2を処理容器2の内部に供給する。
ガス収納部80は、例えば、第2ガスG2を収納した高圧ボンベなどとすることができる。
ガス収納部80とガス制御部81は、配管を介して接続されている。
ガス制御部81は、例えば、MFC(Mass Flow Controller)などとすることができる。
ガス制御部81と開閉弁82は、配管を介して接続されている。
開閉弁82は、配管を介して、処理容器2に設けられたガス供給口20cに接続されている。
開閉弁82は、第2ガスG2の供給と停止を制御する。
開閉弁82は、例えば、2ポート電磁弁などとすることができる。
なお、開閉弁82の機能をガス制御部81に持たせることもできる。
なお、第2ガスG2に関する詳細は後述する。
また、2種類のガスを供給する場合を例示したが、ガス収納部、ガス制御部、および開閉弁を3組以上設けて3種類以上のガスを供給するようにしてもよい。
なお、検出部9に関する詳細は後述する。
制御部10は、例えば、ゲートバルブ20bに設けられた図示しないゲート開閉機構を制御して、扉20b1を開閉させる。
制御部10は、例えば、載置部3に設けられた図示しない保持機構を制御して、載置された被処理物100の保持と解放を行わせる。
制御部10は、例えば、電源40および整合器41を制御して、バイアス制御用の高周波電力を電極30に印加させる。
制御部10は、例えば、処理容器2の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、圧力制御部61を制御して、処理容器2の内部が所定の圧力となるように減圧させる。
制御部10は、例えば、開閉弁72を制御して、第1ガスG1の供給と供給の停止を行わせる。
制御部10は、例えば、ガス制御部81を制御して、処理空間22に供給する第2ガスG2の流量や圧力などを制御させる。
制御部10は、例えば、開閉弁82を制御して、第2ガスG2の供給と供給の停止を行わせる。
この場合、第2ガスG2は常時供給するようにしてもよい。
後述する様に、制御部10は、第1ガス供給部7を制御して、第1ガスG1を供給し、生成された中性活性種により被処理物100をエッチングする工程(以降、被処理物100をエッチングする工程と称する)と、第1ガスG1の供給を停止または供給量を減少させてエッチングされた部分の断面形状を修正する工程(以降、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と称する)と、を実行させる。
この場合、制御部10は、被処理物100をエッチングする工程と、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を交互に実行させることができる。
制御部10は、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程において、検出部9により求められたエッチングレートが所定の値以下となった場合には、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程から被処理物100をエッチングする工程に切り換える。
図2は、検出部9を例示するための模式図である。
図2に示すように、検出部9には窓部90、接続部91、レンズ92、ホルダ93、伝送部94、光源95、分光部96、演算部97が設けられている。
検出部9は、載置部3に載置された被処理物100の載置部3に対峙する側の面に検出光L1を入射させ、被処理物100からの反射光L2に基づいて、エッチングレートの変化を求める。
接続部91は、軸方向の端面間を貫通する段付きの孔部91aを有している。孔部91aの一方の開口部には窓部90が設けられ、孔部91aの他方の開口部近傍にはホルダ93が保持されている。
レンズ92は、検出光L1、反射光L2を集光する。例えば、レンズ92は、伝送部94から出射された検出光L1を被処理物100における検出位置に集光させる。また、レンズ92は、被処理物100からの反射光L2を集光して伝送部94に入射させる。なお、1つのレンズ92が設けられる場合を例示したがこれに限定されるわけではない。例えば、複数のレンズが設けられたり、フィルタなどの他の光学要素などが設けられたりすることもできる。なお、レンズ92は、伝送部94を検出位置に接近させるようにして設置すれば設けなくてもよい。
制御部10は、エッチングレートの変化に関する情報に基づいて、後述する工程の切り換え時期を判断し、工程の切り換えを実行する。
なお、演算部97の機能を制御部10に持たせることもできる。
被処理物100は、石英などの透光性を有する材料から形成されている。
被処理物100のエッチング処理が施される側の面には、ハードマスク(エッチングマスク)101が設けられている。
ハードマスク101は、クロムなどの金属を含み、被処理物100に所望の溝100cを形成するためのパターンを有する。
ハードマスク101により覆われた領域はエッチングされず、ハードマスク101から露出した領域はエッチングされる。そのため、ハードマスク101から露出した領域に所望の溝100cを形成することができる。
反射光L2の一周期Tの間にエッチングされた量Hは以下の式で求めることができる。
反射光L2の一周期Tにおける処理時間と、エッチングされた量Hとからエッチングレートを演算することができる。
また、例えば、所定の時間毎にエッチングレートの演算を行うことでエッチングレートの変化を求めることができる。
また、演算部97は、例えば、所定の時間毎にエッチングレートの演算を行うことでエッチングレートの変化を求める。
被処理物100が石英ガラス基板である場合には、第1ガスG1は、例えば、炭素原子とフッ素原子を有するガスとすることができる。
例えば、第1ガスG1は、CHF3、CF4、C4F8などとすることができる。
そのため、第1ガスG1をプラズマPにより励起、活性化すると、被処理物100を化学的にエッチングすることができる中性活性種が生成される。
また、溝100cの底部側には中性活性種が到達し難いので、溝100cの側壁面100bは傾斜面となる。(図5(a)を参照)
そのため、第1ガスG1を用いてエッチング処理を施せば、溝100cの断面形状が所定のものとなるように制御することが困難となる。
一方、処理空間22に含まれる第1ガスG1の量(濃度)を極めて少なくすれば、第1ガスG1から生成される中性活性種の種類が少なくなる。そのため、異方性を有するエッチングとなりやすくなる。
すなわち、処理空間22に含まれる第1ガスG1の量を極めて少なくすれば、異方性を有するエッチングとすることができる。
そして、異方性を有するエッチングにより、傾斜面となっている側壁面100bを除去することで、溝100cの断面形状が所定のものとなるように修正することができる。(図5(b)を参照)
ただし、処理空間22に含まれる第1ガスG1の量を極めて少なくすれば、プラズマPの維持が困難となる。
そのため、処理空間22に含まれる第1ガスG1の量を極めて少なくする際には、第1ガスG1の供給を停止もしくは供給量を減少させるとともに、第2ガスG2を供給するようにしている。
そのため、第2ガスG2は、プラズマPにより励起、活性化された際に被処理物100を化学的にエッチングすることができる中性活性種が生成されないものとしている。
例えば、第2ガスG2は、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどとすることができる。
しかしながら、処理空間22には第1ガスG1が残留しているのでしばらくの間は中性活性種が生成される。また、溝100cの側壁面100bには、フッ素などを含む副生成物が付着しており、副生成物が分解することで被処理物100がエッチングされる成分が生成される。
そのため、第1ガスG1の供給を停止もしくは供給量を極めて少なくしても、エッチングが進むことになる。
この場合、第2ガスG2は、残留する第1ガスG1から生成された中性活性種を被処理物100に搬送するキャリアガスの機能をも有することになる。
そのため、溝100cの深さをさらに深くしたい場合には、被処理物100をエッチングする工程に切り換えて、以降は前述した工程を交互に繰り返す様にすればよい。
また、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程における処理時間が長くなると、第2ガスG2から生成されたイオンによりハードマスク101にダメージが発生するおそれがある。
一方、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程における処理時間が短すぎると、溝100cの断面形状が所定のものとなるように修正することが困難となる。
図4中における0からT1の期間、T2からT3の期間は、被処理物100をエッチングする工程である。
T1からT2の期間、T3からT4の期間は、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程である。
図4中における線の傾きがエッチングレートとなる。
この様にすれば、形成される溝100cの断面形状の精度を向上させることができ、かつ、生産効率の向上を図ることができる。
前述したように、被処理物100をエッチングする工程においては、等方性を有するエッチングが行われる。
この場合、溝100cの底部側には中性活性種が到達し難いので、溝100cの断面形状は、図5(a)に示すように台形となる。すなわち、溝100cの側壁面100bは傾斜面となる。
そのため、異方性を有するエッチングにより、溝100cの側壁面100bが除去されて、図5(b)に示すように、傾斜角度θを大きくすることができる。
すなわち、溝100cの断面形状が所定のものとなるように修正することができる。
そして、前述した工程を交互に繰り返すことで、所定の断面形状を有し、深さの深い溝100cを形成することができる。
また、本発明者らの得た知見によれば、被処理物100が石英ガラス基板の場合には、第1ガスG1をCHF3、第2ガスを窒素ガスとすれば、断面形状の制御が容易となる。
ゲートバルブ20bの扉20b1を、図示しないゲート開閉機構により開く。
図示しない搬送部により、搬入搬出口20aから被処理物100を処理容器2内に搬入する。搬入された被処理物100は載置部3上に載置され、載置部3に内蔵された図示しない静電チャックなどにより保持される。
被処理物100のエッチング処理が施される側の面には、ハードマスク101が設けられている。
図示しないゲート開閉機構によりゲートバルブ20bの扉20b1を閉じる。
減圧部6により処理容器2内が所定の圧力となるように減圧される。この際、処理容器2の内圧を検出する図示しない真空計などの出力に基づいて、処理容器2の内圧が所定の圧力となるように圧力制御部61により制御される。
この場合、第1ガスG1の供給を停止もしくは供給量を極めて少なくすることに併せて第2のガスG2を供給することもできるが、第2のガスG2は常時供給することもできる。
すると、等方性を有するエッチングから、異方性を有するエッチングに切り換わり、溝100cの断面形状が所定のものとなるように修正される。
この場合、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程から、被処理物100をエッチングする工程への切り換えは、エッチングレートの変化、すなわち、エッチングレートの低下に基づいて判断することができる。
制御部10は、演算されたエッチングレートの変化に関する情報に基づいて、工程の切り換えを行う。
第1ガスG1から生成された中性活性種により、被処理物100をエッチングする工程。
第1ガスG1の供給を停止または供給量を減少させてエッチングされた部分の断面形状を修正する工程。
エッチングされた部分の断面形状を修正する工程において、エッチングレートが所定の値以下となった場合には、エッチングされた部分の断面形状を修正する工程から被処理物100をエッチングする工程に切り換えることができる。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、プラズマ処理装置1が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
例えば、本実施形態においては、干渉光の強度変化をモニタすることによりエッチングレートを求めたが、他の実施形態として、事前に取得したスペクトルデータと、モニタしているスペクトルデータを比較することによってエッチングレートを求めるようにしてもよい。
Claims (6)
- 処理容器と、
前記処理容器の内部に設けられ、透光性を有する材料を含む被処理物を載置する載置部と、
前記処理容器の内部を減圧する減圧部と、
前記処理容器の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記処理容器の内部に、前記被処理物をエッチングする中性活性種が生成される第1ガスを供給する第1ガス供給部と、
前記処理容器の内部に、前記被処理物をエッチングする中性活性種が生成されない第2ガスを供給する第2ガス供給部と、
前記載置部に載置された前記被処理物の前記載置部に対峙する側の面に検出光を入射させ、前記被処理物からの反射光に基づいて、エッチングレートの変化を求める検出部と、
前記第1ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第1ガス供給部を制御して、前記第1ガスを供給し、生成された前記中性活性種により前記被処理物をエッチングする工程と、前記第1ガスの供給を停止または供給量を減少させて前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を実行させるプラズマ処理装置。 - 前記制御部は、前記被処理物をエッチングする工程と、前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を交互に実行させる請求項1記載のプラズマ処理装置。
- 前記制御部は、前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程において、前記検出部により求められた前記エッチングレートが所定の値以下となった場合には、前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程から前記被処理物をエッチングする工程に切り換える請求項2記載のプラズマ処理装置。
- 透光性を有する材料を含む被処理物をエッチングするプラズマ処理方法であって、
第1ガスから生成された中性活性種により、前記被処理物をエッチングする工程と、
前記第1ガスの供給を停止または供給量を減少させて前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、
を備えたプラズマ処理方法。 - 前記被処理物をエッチングする工程と、前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程と、を交互に実行する請求項4記載のプラズマ処理方法。
- 前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程において、エッチングレートが所定の値以下となった場合には、前記エッチングされた部分の断面形状を修正する工程から前記被処理物をエッチングする工程に切り換える請求項5記載のプラズマ処理方法。
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