JP2017152624A - 数値制御プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度の増大、アーク放電による加工対象物の損傷の抑制、加工対象物の端部における加工の安定性の向上、プラズマを発生させる電極の損耗抑制、プロセスガス使用量の低減によるランニングコストの低減を図ることが可能な数値制御プラズマ処理方法及びその装置を提供する。【解決手段】電極１を配置する第１空間Ｓ１と加工対象物Ｗを配置する第２空間Ｓ２とを区画壁８で分離し、第１空間は第１設定圧力の空間であり、第２空間は第１設定圧力よりも低い第２設定圧力の空間であり、第２空間Ｓ２にプロセスガスを供給し、電極と加工対象物とを相対的に数値制御走査し、電極と加工対象物の間に位置する区画壁が誘電体板９で形成され、電極に高周波電界を印加して誘電体板と加工対象物間のギャップでプラズマを発生させ、プロセスガス中の活性種に基づいて加工対象物の表面形状を創成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、数値制御プラズマ処理方法及びその装置に係わり、更に詳しくは加工対象物の表面を高精密に形状創成するための数値制御プラズマ処理方法及びその装置に関するものである。

従来から、光学基板材料や電子デバイス材料の表面を、局所プラズマを用いてエッチングし、高精度な形状創成を行う方法として、プラズマＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）法が提供されている（特許文献１，２参照）。プラズマＣＶＭ法は、大気圧下で局所的に発生させたプラズマを数値制御走査することにより、加工対象物の表面を任意形状にナノメーターオーダの精度で加工するものである。

特許文献１には、高電圧を印加した電極によって発生させた反応ガスに基づく中性ラジカルを加工対象物の加工面に供給し、この中性ラジカルと加工面の原子又は分子とのラジカル反応によって生成した揮発性物質を気化させて除去し、シリコン単結晶等の半導体若しくは導体又はガラスやセラミックス等の絶縁体に欠陥や熱的変質層を導入することなく高精度に加工することが可能な無歪精密加工方法が開示されている。この特許文献１は、プラズマＣＶＭ法の原理特許である。

特許文献２には、特許文献１の加工原理を用いて、反応ガスの種類と加工対象物の材質に応じて決定される、加工時間と加工量との間の相関データと、前加工面と目的加工面の座標データとに基づきその座標差に応じて加工時間を数値制御してなるラジカル反応による無歪精密数値制御加工方法が開示されている。具体的には、加工対象物の加工前の形状と目的加工面の形状差から局所的な加工量を決定し、それに基づいて電極と加工対象物の表面とを数値制御して相対的に走査し、走査速度や滞在時間を制御して所望形状に加工するのである。

また、特許文献３には、ＲＦ励起プラズマを限定された領域に閉じ込めて加工対象物の表面上で走査し、プラズマ補助化学エッチング反応によって非接触で材料除去が可能な材料除去ツールが開示されている。具体的には、材料除去ツールは、プラズマ室空洞を限定する手段および、反応ガスをプラズマ室空洞に供給し、ＲＦパワーをプラズマ室空洞内の前記反応ガスに供給する手段を備えている局部プラズマエッチング反応を発生する手段と、プラズマ室空洞の外部周縁を包囲し、前記プラズマ室空洞の外側でのプラズマ発生を抑制する手段と、加工対象物の異なる局部化領域に対して局部プラズマエッチング反応の位置を調節するように前記加工対象物に関して前記プラズマ室空洞の位置を調節する手段とを備えている。この特許文献３に記載された加工方法は、ＰＡＣＥ(Plasma Assisted Chemical Etching)と呼ばれている。

引用文献４には、プラズマ発生部における一定口径の噴射口を加工対象物の所定の凸部に対向させ、活性種ガスを上記噴射口から上記凸部に噴射してエッチングすることで、上記凸部を平坦化するプラズマエッチング方法が開示されている。プラズマ発生部は、加工対象物を配置したチャンバーの外側に位置し、導管内のＳＦ_６を含む活性種ガスにマイクロ波発振器からマイクロ波を照射してプラズマを発生させ、Ｆガスを含んだプラズマを導管の噴出口から加工対象物に噴射するのである。この特許文献４に記載された加工方法は、ＤＣＰ(Dry Chemical Planarization) と呼ばれている。

特許文献５には、プラズマＣＶＭ法を用いてフォトマスク用ガラス基板を平坦化加工する場合に、ガラス基板の外周端部にダミーガラス基板を設置し、ガラス基板外周部でプラズマが不安定になることを防止する技術が開示されている。しかし、このダミーガラス基板を用いるだけでは不十分であり、加工対象物のガラス基板とダミーガラス基板との隙間でアークが発生するとプラズマが不安定になって加工精度が低下するとともに、基板にダメージを与えることになる。

特開平１−１２５８２９号公報 特開平４−２４６１８４号公報 特開平５−３４７２７７号公報 特開平１０−１４７８９３号公報 特開２００６−０２７９３６号公報

従来のプラズマ処理装置は、加工対象物と電極をチャンバー内に配置し、該チャンバー内にプロセスガスを供給し、加工対象物と電極との間でプラズマを発生させていたので、電極もプラズマに常時曝されることになり、電極の損耗が激しい。また、特許文献３，４は、チャンバー内にはプラズマノズルやＸＹステージを配置してプラズマノズルに対して加工対象物を相対的に走査しているので、チャンバーが大型・複雑になって、プロセスガスの使用量も多くなっていた。

更に、特許文献３には、チャンバー内の圧力については明確に記載されてないが、プラズマのデバイ長が約２ｍｍと記載され、通常のデバイスプロセスで使用されるプラズマのデバイ長と同程度であるから、１Torr以下の圧力であると推測できる。従来のデバイスプロセスで使用される１Torr以下の低圧プラズマでは、Ｆラジカルなどの活性種の密度が低いので、エッチング速度（加工速度）は遅い。それに対して、大気圧プラズマを用いる場合は、ラジカル密度は非常に高くなるが、平均自由行程は圧力に反比例するので、大気圧では電子の平均自由行程は約１μｍと非常に短くなり、プラズマ発生領域の体積が小さくなって、それによって総ラジカル数は期待するほど増えず、低圧プラズマと比べて加工速度も極端に向上しない。

局所プラズマを用いる数値制御プラズマ処理方法の実用化における要求事項として、加工速度の増大、アーク放電による加工対象物の損傷の抑制、加工対象物の端部における加工の安定性の向上、プラズマを発生させる電極の損耗抑制、プロセスガス使用量の低減によるランニングコストの低減が挙げられる。しかしながら、従来の大気圧プラズマＣＶＭ法では、前述の課題が解決できないまま残っている。そこで、本発明は前述の課題を一挙に解決し得る数値制御プラズマ処理方法及びその装置を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、以下の数値制御プラズマ処理方法を構成した。

（１）第１空間と第２空間とを区画壁で分離し、前記第１空間は第１設定圧力の空間であり、該第１空間には電極を配置し、前記第２空間は第１設定圧力よりも低い第２設定圧力の空間であり、該第２空間には加工対象物を配置するとともに、第２設定圧力を維持しながらプロセスガスを供給し、前記電極と加工対象物との間隔を維持しながら相対的に数値制御走査し、少なくとも前記電極と加工対象物の間に位置する前記区画壁が誘電体板で形成されており、前記電極に高周波電界を印加して前記誘電体板と加工対象物間に設定された所定ギャップでプラズマを発生させて、プロセスガス中の活性種に基づいて加工対象物の表面形状の創成もしくは厚さ分布を制御することを特徴とする数値制御プラズマ処理方法。

（２）第１設定圧力が７００〜８００Torrであり、第２設定圧力が２０〜２００Torrである（１）記載の数値制御プラズマ処理方法。

（３）第１設定圧力が大気圧である（２）記載の数値制御プラズマ処理方法。

（４）前記プロセスガスは、希ガスとハロゲン元素含有ガスもしくは酸素ガスとの混合ガスであり、加工対象物の表面形状の創成が除去加工である（１）〜（３）何れか１に記載の数値制御プラズマ処理方法。

（５）前記誘電体板は、セラミックス製である（１）〜（４）何れか１に記載の数値制御プラズマ処理方法。

また、本発明は、前述の課題解決のために、以下の数値制御プラズマ処理装置を構成した。

（６）第１設定圧力の第１空間内に配置して局所プラズマを発生させるための電極と、
前記電極に高周波電界を印加する高周波電源と、
内部の第２空間に加工対象物を配置する気密状態のチャンバーと、
前記チャンバー内を真空に引き、第２空間の第２設定圧力を第１設定圧力よりも低い減圧雰囲気に設定する圧力調節機能を備えた排気系と、
前記チャンバー内にプロセスガスを供給するガス供給系と、
前記加工対象物を前記電極に対して走査するための走査手段と、
とからなり、
前記チャンバーには、前記加工対象物を載置する接地した導電性の試料台と、第２空間を形成する区画壁のうち、少なくとも前記電極と加工対象物の間に位置する部位に設けた誘電体板とを備え、前記加工対象物と誘電体板との間に、前記電極に印加した高周波電界によってプロセスガスに基づく局所プラズマ発生領域となるギャップを設定することを特徴とする数値制御プラズマ処理装置。

（７）前記試料台には、前記ギャップの間隔を調節するギャップ調節手段を備えている（６）記載の数値制御プラズマ処理装置。

（８）前記走査手段は、前記チャンバーを上面に載置した状態で設け、数値制御装置により駆動され、前記ギャップを維持したまま前記電極に対して前記チャンバーを移動させるＸＹステージである（６）又は（７）記載の数値制御プラズマ処理装置。

（９）前記走査手段は、前記チャンバー内に前記試料台を上面に載置した状態で設け、数値制御装置により駆動され、前記ギャップを維持したまま前記電極に対して前記試料台を移動させるＸＹステージである（６）又は（７）記載の数値制御プラズマ処理装置。

（１０）第１設定圧力が７００〜８００Torrであり、第２設定圧力が２０〜２００Torrである（６）〜（９）何れか１に記載の数値制御プラズマ処理装置。

（１１）第１設定圧力が大気圧である（１０）記載の数値制御プラズマ処理装置。

（１２）前記プロセスガスは、希ガスとハロゲン元素含有ガスもしくは酸素ガスとの混合ガスであり、加工対象物の表面形状の創成が除去加工である（６）〜（１１）何れか１に記載の数値制御プラズマ処理装置。

（１３）前記誘電体板は、セラミックス製である（６）〜（１２）何れか１に記載の数値制御プラズマ処理装置。

以上にしてなる本発明の数値制御プラズマ処理方法及びその装置は、従来の大気圧プラズマＣＶＭ法における課題を全て解決できる。具体的には、例えば加工対象物を石英ガラス基板とすれば、加工速度は従来比３０倍以上（約３ｍｍ^３／ｍｉｎ）であり、加工時間の大幅な短縮を実現できる。また、アーク放電の発生抑制による加工対象物の損傷が回避できる。加工対象物の端部におけるプラズマ発生状態が安定化し、加工精度が向上する。金属電極にはプラズマが接触しないため、金属電極の損耗はゼロであり、またプロセスガスの使用量は１／５以下になることからランニングコスト、製造コストが大幅に低減できる。

本発明の数値制御プラズマ処理装置の概念図である。 各加工ギャップ毎の単位加工痕のプロファイルを示すグラフである。 各加工ギャップ毎の加工速度のグラフである。 従来の大気圧プラズマＣＶＭと本発明の減圧プラズマＣＶＭの加工速度を比較したグラフである。 従来の大気圧プラズマＣＶＭによる加工対象物の端部における加工安定性を試験するための配置を示す簡略断面図である。 本発明の減圧プラズマＣＶＭによる加工対象物の端部における加工安定性を試験するための配置を示す簡略断面図である。 局所プラズマ発生領域の走査範囲を示す説明用平面図である。 従来の大気圧プラズマＣＶＭによって石英ガラス基板を加工した場合の端部と中央部での加工量を示すグラフである。 本発明の減圧プラズマＣＶＭによって石英ガラス基板を加工した場合の端部と中央部での加工量を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の数値制御プラズマ処理装置の概念斜視図である。 同じく簡略平面図である。 本発明の第３実施形態の数値制御プラズマ処理装置の概念斜視図である。 同じく部分断面図である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明の数値制御プラズマ処理装置の概念図を示し、図中符号１は電極、２は高周波電源、３はチャンバー、４は排気系、５はガス供給系、６は走査手段、７は試料台、８は区画壁、９は誘電体板をそれぞれ示している。また、Ｓ１は第１空間、Ｓ２は第２空間、Ｐ１は第１設定圧力、Ｐ２は第２設定圧力、Ｇはギャップ、Ｗは加工対象物、ＬＰは局所プラズマ発生領域をそれぞれ示している。

本発明の第１実施形態の数値制御プラズマ処理装置は、図１に示すように、第１設定圧力Ｐ１の第１空間Ｓ１内に配置して局所プラズマを発生させるための電極１と、前記電極１に高周波電界を印加する高周波電源２と、内部の第２空間Ｓ２に加工対象物Ｗを配置する気密状態のチャンバー３と、前記チャンバー３内を真空に引き、第２空間Ｓ２の第２設定圧力Ｐ２を第１設定圧力Ｐ１よりも低い減圧雰囲気に設定する圧力調節機能を備えた排気系４と、前記チャンバー３内にプロセスガスを供給するガス供給系５と、前記加工対象物Ｗを前記電極１に対して走査するための走査手段６とから構成されている。

更に詳しくは、前記チャンバー３には、前記加工対象物Ｗを載置する接地した導電性の試料台７と、第２空間Ｓ２を形成する区画壁８のうち、少なくとも前記電極１と加工対象物Ｗの間に位置する部位に設けた誘電体板９とを備え、前記加工対象物Ｗと誘電体板９との間に、前記電極１に印加した高周波電界によってプロセスガスに基づく局所プラズマ発生領域ＬＰとなるギャップＧを設定する。本実施形態では、薄板状の加工対象物Ｗを平坦化加工することを想定しているが、特に限定されない。

このように本発明は、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とを区画壁８で分離し、前記第１空間Ｓ１は第１設定圧力Ｐ１の空間であり、該第１空間Ｓ１には電極１を配置し、前記第２空間Ｓ２は第１設定圧力Ｐ１よりも低い第２設定圧力Ｐ２の空間であり、該第２空間Ｓ２には加工対象物Ｗを配置するとともに、第２設定圧力Ｐ２を維持しながらプロセスガスを供給し、前記電極１と加工対象物Ｗとの間隔を維持しながら相対的に数値制御走査し、少なくとも前記電極１と加工対象物Ｗの間に位置する前記区画壁８が誘電体板９で形成されており、前記電極１に高周波電界を印加して前記誘電体板９と加工対象物Ｗ間に設定された所定ギャップＧでプラズマを発生させて、プロセスガス中の活性種に基づいて加工対象物Ｗの表面形状を創成することを特徴としている。

つまり、前記電極１と局所プラズマ発生領域ＬＰとは異なる空間に位置し、前記誘電体板９で遮られていることが特徴であり、これにより前記電極１が直接プラズマに曝されることがないので、プラズマによる損耗はない。

ここで、第１空間Ｓ１の第１設定圧力Ｐ１は、７００〜８００Torr（９３．１〜１０６．４ｋＰａ）であり、第２空間Ｓ２の第２設定圧力Ｐ２は２０〜２００Torr（２．６６〜２６．６ｋＰａ）に設定する。特に、第１設定圧力Ｐ１が大気圧であると、第１空間Ｓ１は大気開放下の空間でも良い。但し、前記電極１のまわりの雰囲気を常に一定に保つために、閉じたケースで第１空間Ｓ１を規定し、その内部に空気の代わりに窒素ガスや二酸化炭素ガスを充填しても良く、またその圧力（第１設定圧力Ｐ１）を大気圧近傍の圧力（７００〜８００Torr）に設定しても良い。第２設定圧力Ｐ２は、従来の半導体デバイスの作製プロセスで用いられている１Torr以下よりも十分に高い２０〜２００Torrに設定している。

前記プロセスガスは、希ガスとハロゲン元素含有ガスもしくは酸素ガスとの混合ガスであり、加工対象物の表面形状の創成が除去加工である。希ガスとしては、ヘリウムガスやアルゴンガスが挙げられる。また、ハロゲン元素としては、フッ素や塩素が挙げられ、具体的にはハロゲン元素含有ガスは、フッ素元素を含有するものとしてＳＦ_６、ＣＦ_４、ＮＦ_３等があり、塩素元素を含有するものとしてＣｌ_２、ＣＣｌ_４、ＰＣｌ_４等がある。更に、プロセスガスには、各種目的に応じて他のガスを混合しても良く、例えば加工速度の向上や付着物の低減を目的にＯ_２ガスの添加も可能である。尚、本発明は、除去加工以外にもプロセスガスを選択することにより原理的に局所的に厚さを変える成膜も可能である。

前記誘電体板９は、プロセスガスの活性種に対して耐食性を有するとともに、内外の圧力差に耐え得る機械的強度を備えたセラミックス製の板を用いている。具体的には、前記誘電体板９は、酸化アルミニウム（アルミナ）や窒化アルミニウム等の板厚が薄くても機械的強度が高く、熱伝導率も高い素材を用いる。因みに、アルミナ（９９．９％）の曲げ強度は４００ＭＰａ、比誘電率は９．９、熱伝導率は３４Ｗ／ｍ・Ｋであり、窒化アルミニウム（９９．９％）の曲げ強度は２２０ＭＰａ、比誘電率は８．５、熱伝導率は６７Ｗ／ｍ・Ｋである。比較のため石英ガラスの曲げ強度は６５ＭＰａ、比誘電率は３．９、熱伝導率は１．４Ｗ／ｍ・Ｋである。

そして、前記チャンバー３は、導電体からなるベース板１０の上面に、前記区画壁８と上面の一部又は全部に前記誘電体板９を設けたボックス体を気密状態で接合して構成している。そして、前記チャンバー３の内部には、前記試料台７を、ギャップ調節手段１１を介して前記ベース板１０の上面に設けている。前記誘電体板９と加工対象物Ｗとの間のギャップＧの間隔は、前記ギャップ調節手段１１によって前記試料台７の高さを調節することによって設定する。具体的には、前記ギャップ調節手段１１は、前記ベース板１０の上面にねじ込んだ３個以上のネジ部材で構成しているが、Ｚテーブルで構成しても良い。前記ベース板１０は、接地されており、前記ギャップ調節手段１１を介して前記試料台７もアース電位になっている。

本実施形態では、前記走査手段６は、前記チャンバー３を上面に載置した状態で設け、数値制御装置１２により駆動され、前記ギャップＧを維持したまま前記電極１に対して前記チャンバー３を移動させるＸＹステージで構成している。この場合、前記電極１は固定するが、電極１と加工対象物Ｗとを相対的に走査できれば良いので、前記電極１をＸＹ駆動機構で移動させ、前記加工対象物Ｗ、即ち前記チャンバー３を固定していても良い。この構成の場合には、前記誘電体板９は、前記加工対象物Ｗの加工面よりも十分に広くしなければならない。更に、前記加工対象物Ｗの周囲にダミー基板を設置する場合には、該ダミー基板の一部を走査する必要があるので、更に前記誘電体板９は広い面積が必要になる。

あるいは、図示しないが、前記走査手段６は、前記チャンバー３内に前記試料台７を上面に載置した状態で設け、数値制御装置１２により駆動され、前記ギャップＧを維持したまま前記電極１に対して前記試料台７を移動させるＸＹステージで構成しても良い。この場合、前記電極１と前記チャンバー３は固定できるので、前記電極１に対応する狭い範囲に前記誘電体板９を設けるだけで良い。

前記高周波電源２は、本実施形態では周波数が１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いている。前記高周波電源２の周波数は、０．０１〜２００ＭＨｚが適当である。

前記排気系４は、真空ポンプ１３と、圧力調整バルブ１４及び圧力計１５で構成されている。また、前記ガス供給系５は、各種プロセスガスの構成ガスを充填したガスボンベと流量調節機能を供えたガス混合機とから構成されている。前記排気系４に接続する配管と前記ガス供給系５に接続する配管は、前記チャンバー３の両側に対向して設け、チャンバー３の内部で一定のガスフローが生じるようにしている。

前記加工対象物Ｗの表面形状もしくは厚さ分布を測定して、該表面の局所的な除去量を決定した後、該加工対象物Ｗを前記チャンバー３内の試料台７の上面に位置決めしてセットする。それから、前記排気系４で前記チャンバー３の内部を真空に引いた後、前記ガス供給系５から前記チャンバー３内にプロセスガスを、流量を調節して供給し、前記排気系４の圧力調整バルブ１４によってチャンバー３内の圧力（第２設定圧力Ｐ２）を一定に保つ。それから、前記高周波電源２から前記電極１に高周波電界を印加し、前記電極１に対向する誘電体板９と加工対象物Ｗの間のギャップＧでプロセスガスに基づく局所プラズマを発生させ、前記走査手段６を構成するＸＹステージの走査速度制御により、電極１の加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させて、加工対象物Ｗ上の任意の場所におけるプラズマ照射時間（単位加工痕の滞在時間）を制御することで、所望する形状もしくは厚さ分布に修正を行うのである。

＜加工ギャップと加工速度の関係性＞
先ず、前記誘電体板９と加工対象物ＷとのギャップＧの大きさによる加工速度の変化を静止加工痕で比較した。加工対象物Ｗは、厚さ６．３５ｍｍの石英ガラス基板である。前記電極１は、直径３ｍｍの円柱である。前記誘電体板９は、厚さ５ｍｍのアルミナ板である。前記電極１とアルミナ板との間隔は０．５ｍｍである。使用したプロセスガスは、Ｈｅ、ＳＦ_６、Ｏ_２の混合ガスであり、それぞれ流量はＨｅが１００sccm、ＳＦ_６が３０sccm、Ｏ_２が４sccmである。前記電極１は大気開放下であり、チャンバー３内の第２設定圧力Ｐ２は、１５０Torrである。また、高周波電源２の投入電力は２３０Ｗである。そして、前記ギャップＧを、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍ、１１．６５ｍｍと変化させた。加工時間は一定で６０秒である。これらの加工条件は表１にまとめている。

図２は、各加工ギャップ毎の単位加工痕のプロファイルを示し、横軸は位置（ｍｍ）、縦軸は加工深さ（ｎｍ）を示している。また、図３は、図２の結果を横軸に加工ギャップ（ｍｍ）、縦軸にＭＲＲ（ｍｍ^３／ｍｉｎ）を表したものであり、ＭＲＲは体積除去レート（加工速度）を示している。この結果、本実験装置では加工ギャップが１０ｍｍのとき、最大の加工速度になることがわかった。

＜大気圧プラズマＣＶＭと減圧プラズマＣＶＭの加工速度の比較＞
次に、従来の大気圧プラズマＣＶＭと本発明の減圧プラズマＣＶＭの加工速度を静止加工痕で比較した。加工対象物Ｗは、厚さ６．３５ｍｍの石英ガラス基板である。大気圧プラズマＣＶＭ装置の電極ノズル２０は、直径３ｍｍの電極２１がガス供給管２２の中心に配置した構造のものを用い、加工ギャップは該電極ノズル２０の先端と石英ガラス基板の直接的な間隔である。

加工条件は、表２に示している。大気圧プラズマＣＶＭは、使用したプロセスガスが、Ｈｅ、ＣＦ_４、Ｏ_２の混合ガスであり、それぞれ流量はＨｅが７００sccm、ＣＦ_４が２０sccm、Ｏ_２が２．５sccmであり、圧力は大気圧（７６０Torr）、加工ギャップは１．９ｍｍ、投入電力は５５Ｗである。一方、本発明の減圧プラズマＣＶＭは、使用したプロセスガスは、Ａｒ、ＳＦ_６、Ｏ_２の混合ガスであり、それぞれ流量はＡｒが１００sccm、ＳＦ_６が４５sccm、Ｏ_２が４．０sccmであり、前記電極１は大気開放下であり、チャンバー３内の第２設定圧力Ｐ２が８０Torr、加工ギャプが１０ｍｍ、投入電力は２３０Ｗである。共に加工時間は６０秒である。

この結果を図４に示している。従来の大気圧プラズマＣＶＭの加工速度が、０．０６８ｍｍ^３／ｍｉｎであったのに対し、本発明の減圧プラズマＣＶＭの加工速度は、２．６ｍｍ^３／ｍｉｎと実に３８倍の向上が見られた。これは、本発明の方が投入電力を大きくしても安定してプラズマを維持できることによるところが大きい。また、大気圧プラズマに比べて減圧プラズマの方が、平均自由行程が長くなり、効果的に反応ガスの分解が促進され、ラジカル密度が増加するためと推測される。因みに、大気圧プラズマでの電子の平均自由行程は１．１０μｍであるのに対し、１００Torrの減圧プラズマでの電子の平均自由行程は８．３３μｍとなる。

＜基板端部における加工量の変化＞
次に、従来の大気圧プラズマＣＶＭと本発明の減圧プラズマＣＶＭの基板端部における加工量の変化を比較した。大気圧プラズマＣＶＭの実験配置は図５に示している。ＸＹステージ２３の上に試料台２４を載せ、その上に左側に石英ガラス基板Ｗ、右側に同じ材質、同じ厚さのダミー基板Ｄを、間隔０．５ｍｍを空けて保持した。本発明の減圧プラズマＣＶＭの実験配置は図６に示している。前記走査手段６であるＸＹステージの上に試料台７を載せ、その上に左側に石英ガラス基板Ｗ、右側に同じ材質、同じ厚さのダミー基板Ｄを、間隔０．５ｍｍを空けて保持した。図７には、局所プラズマ発生領域ＬＰの走査範囲２５を示してあり、所定の加工後に石英ガラス基板Ｗの端から３０ｍｍの位置（中央部）と、端から１ｍｍの位置（端部）での加工速度を比較した。それぞれ加工条件は前述の表２に示した加工条件と同じである。そして、走査速度は５００ｍｍ／ｍｉｎ、往復回数は３０回、走査範囲は８０ｍｍである。

従来の大気圧プラズマＣＶＭの加工結果を図８に示し、本発明の減圧プラズマＣＶＭの加工結果を図９に示している。この結果、大気圧プラズマＣＶＭでは、端部と中央部での加工量が大きく異なり、加工断面積において端部が中央部より２９．４％も多くなった。更に、前記石英ガラス基板Ｗとダミー基板Ｄの隙間でアーク放電が発生し、非常に明るく輝いた。これは、外周部にダミー基板Ｄを設置していても、石英ガラス基板Ｗの端部でプラズマが不安定になることを意味している。それに対し、本発明の減圧プラズマＣＶＭでは、端部が中央部より若干加工量が多いが、加工断面積において加工量誤差は８％と少なかった。つまり、本発明は、加工対象物Ｗの端部での加工安定性にも優れていることが確認できた。

また、本発明は、加工条件を変えることにより、加工速度と単位加工痕のプロファイルを簡単に変えることができる。つまり、加工対象物Ｗを加工装置にセットしたまま、ギャップＧを一定とした状態で、高周波電源２による投入電力、第２設定圧力Ｐ２の大きさ、プロセスガスの種類ならびに組成等を変えることにより、加工速度を変えることができる。従って、加工装置に加工対象物Ｗをセットしたまま、加工速度の速い粗加工から加工速度の遅い精密加工まで一連で加工でき、それにより空間波長の長い成分から空間波長の短い成分を除去することができる。

本発明は、従来大気圧下で発生させていたプラズマを１０分の１気圧程度の減圧下で発生させることに特徴がある。１Torr以下の低圧下のプラズマは半導体デバイスの作製プロセスで用いられているが、広範囲に一様なプラズマを発生さて、基板上に形成したマスクを利用して微細パターンを作製するプロセスであるのに対し、本発明は局所的に発生させたプラズマを数値制御走査することにより、マスクレスで大型基板の形状修正や膜厚の均一化に用いることを意図しており、加工原理と目的が全く異なる。また、本発明は加工対象基板のみを小型の真空チャンバー内に配置する極めてシンプルな構造である。また、競合技術ではプロセス中におけるプラズマ領域の大きさは固定であるのに対し、本発明では電力制御によりプロセス中においても局所加工領域の大きさを幅広く変えることができ、加工対象物における広範な空間波長成分の除去加工に対応可能である。

図１０及び図１１は、本発明の第２実施形態を示し、局所的に差動排気することで大型板状の加工対象物Ｗを加工できるようにしたものである。本実施形態では、チャンバー３０は、密閉式ではなく、両側に加工対象物Ｗが通過できる開口３１，３１を形成し、一方の開口３１から他方の開口３１に加工対象物Ｗが通過する間に加工されるようになっている。ここで、前記チャンバー３０は、側面から下面及び上面にわたって区画壁３２で区画されており、上面の一部又は全部をセラッミクス製の誘電体板３３で形成し、該誘電体板３３の上の大気開放下に非接触状態で電極３４を配置し、該電極３４は少なくとも前記加工対象物Ｗの繰り送り方向と直交する方向に駆動機構（図示せず）で数値制御走査できるようになっている。また、前記チャンバー３０は、内部の中央部にプラズマ発生室３５を設け、その両側に排気室３６，３６を設け、前記プラズマ発生室３５にガス供給系（図示せず）からプロセスガスを供給しながら、両排気室３６，３６から大容量の排気系（図示せず）で排気して、差動排気構造にして前記プラズマ発生室３５を所定の減圧状態にする。尚、前記チャンバー３０の開口３１，３１には、前記加工対象物Ｗとの隙間を弾性的に塞ぐシール材を設けるとより好ましい。

図１２及び図１３は、本発明の第３実施形態を示し、この実施形態においても局所的に差動排気することで大型板状の加工対象物Ｗを加工できるようにしたものである。つまり、本実施形態は、電極パッド４０を大面積の加工対象物Ｗの表面を数値制御走査して加工するものである。前記電極パッド４０には、中心にセラミックス被覆された電極４１を配置し、その周囲に同心状にプロセスガスのガス噴出管４２、更に外側にガス吸引管４３、４４を多重に形成し、下面は略フラットに形成し、前記電極４１は若干後退した位置にあり、その先端と加工対象物Ｗとの間に所定ギャップを形成する構造である。前記ガス噴出管４２には、ガス供給管４５が接続されてプロセスガスを供給しながら、前記ガス吸引管４３、４４に接続されたガス排気管４６，４７で大容量の排気系（図示せず）で排気して、差動排気構造にして前記電極４１と加工対象物Ｗとの間の空間（ギャップ）を減圧状態とし、該空間でプラズマを発生させるのである。

本発明は、リソグラフィプロセス用フォトマスク基板の平坦化、水晶ウエハ厚さ分布の均一化、ウエハ上に多数個作製したＳＡＷ(Surface Acoustic Wave)デバイスの特性均一化、ＳＯＩ層の均一化等に適用できる。

１ 電極、
２ 高周波電源、
３ チャンバー、
４ 排気系、
５ ガス供給系、
６ 走査手段、
７ 試料台、
８ 区画壁、
９ 誘電体板、
１０ ベース板、
１１ ギャップ調節手段、
１２ 数値制御装置、
１３ 真空ポンプ、
１４ 圧力調整バルブ、
１５ 圧力計、
２０ 電極ノズル、
２１ 電極、
２２ ガス供給管、
２３ ステージ、
２４ 試料台、
２５ 走査範囲、
３０ チャンバー、
３１ 開口、
３２ 区画壁、
３３ 誘電体板、
３４ 電極、
３５ プラズマ発生室、
３６ 排気室、
４０ 電極パッド、
４１ 電極、
４２ ガス噴出管、
４３ ガス吸引管、
４４ ガス吸引管、
４５ ガス供給管、
４６ ガス排気管、
４７ ガス排気管、
Ｗ 加工対象物、
Ｄ ダミー基板、
Ｇ ギャップ、
ＬＰ 局所プラズマ発生領域、
Ｓ１ 第１空間、
Ｓ２ 第２空間、
Ｐ１ 第１設定圧力、
Ｐ２ 第２設定圧力、

Claims (13)

1. 第１空間と第２空間とを区画壁で分離し、前記第１空間は第１設定圧力の空間であり、該第１空間には電極を配置し、前記第２空間は第１設定圧力よりも低い第２設定圧力の空間であり、該第２空間には加工対象物を配置するとともに、第２設定圧力を維持しながらプロセスガスを供給し、前記電極と加工対象物との間隔を維持しながら相対的に数値制御走査し、少なくとも前記電極と加工対象物の間に位置する前記区画壁が誘電体板で形成されており、前記電極に高周波電界を印加して前記誘電体板と加工対象物間に設定された所定ギャップでプラズマを発生させて、プロセスガス中の活性種に基づいて加工対象物の表面形状の創成もしくは厚さ分布を制御することを特徴とする数値制御プラズマ処理方法。
2. 第１設定圧力が７００〜８００Torrであり、第２設定圧力が２０〜２００Torrである請求項１記載の数値制御プラズマ処理方法。
3. 第１設定圧力が大気圧である請求項２記載の数値制御プラズマ処理方法。
4. 前記プロセスガスは、希ガスとハロゲン元素含有ガスもしくは酸素ガスとの混合ガスであり、加工対象物の表面形状の創成が除去加工である請求項１〜３何れか１項に記載の数値制御プラズマ処理方法。
5. 前記誘電体板は、セラミックス製である請求項１〜４何れか１項に記載の数値制御プラズマ処理方法。
6. 第１設定圧力の第１空間内に配置して局所プラズマを発生させるための電極と、
   前記電極に高周波電界を印加する高周波電源と、
   内部の第２空間に加工対象物を配置する気密状態のチャンバーと、
   前記チャンバー内を真空に引き、第２空間の第２設定圧力を第１設定圧力よりも低い減圧雰囲気に設定する圧力調節機能を備えた排気系と、
   前記チャンバー内にプロセスガスを供給するガス供給系と、
   前記加工対象物を前記電極に対して走査するための走査手段と、
   とからなり、
   前記チャンバーには、前記加工対象物を載置する接地した導電性の試料台と、第２空間を形成する区画壁のうち、少なくとも前記電極と加工対象物の間に位置する部位に設けた誘電体板とを備え、前記加工対象物と誘電体板との間に、前記電極に印加した高周波電界によってプロセスガスに基づく局所プラズマ発生領域となるギャップを設定することを特徴とする数値制御プラズマ処理装置。
7. 前記試料台には、前記ギャップの間隔を調節するギャップ調節手段を備えている請求項６記載の数値制御プラズマ処理装置。
8. 前記走査手段は、前記チャンバーを上面に載置した状態で設け、数値制御装置により駆動され、前記ギャップを維持したまま前記電極に対して前記チャンバーを移動させるＸＹステージである請求項６又は７記載の数値制御プラズマ処理装置。
9. 前記走査手段は、前記チャンバー内に前記試料台を上面に載置した状態で設け、数値制御装置により駆動され、前記ギャップを維持したまま前記電極に対して前記試料台を移動させるＸＹステージである請求項６又は７記載の数値制御プラズマ処理装置。
10. 第１設定圧力が７００〜８００Torrであり、第２設定圧力が２０〜２００Torrである請求項６〜９何れか１項に記載の数値制御プラズマ処理装置。
11. 第１設定圧力が大気圧である請求項１０記載の数値制御プラズマ処理装置。
12. 前記プロセスガスは、希ガスとハロゲン元素含有ガスもしくは酸素ガスとの混合ガスであり、加工対象物の表面形状の創成が除去加工である請求項６〜１１何れか１項に記載の数値制御プラズマ処理装置。
13. 前記誘電体板は、セラミックス製である請求項６〜１２何れか１項に記載の数値制御プラズマ処理装置。

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