JP2021190309A - マイクロプラズマ処理装置及びマイクロプラズマ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多様なプラズマ加工に対応し、加工Ｇａｐが大きくてもプラズマが拡散したり、変動したりしない安定したプラズマ処理装置を得る。【解決手段】プラズマ発生管５の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源７よりＲＦ電極６に電力を供給することで、プラズマ発生管５内のプロセスガスをプラズマ励起させ被加工物１のプラズマ処理による加工を行うマイクロプラズマ処理装置において、プラズマ発生用電源７に接続され、プラズマ発生管５の外周を囲むように配置されたＲＦ電極６と、プラズマ発生管５の外周を囲むように、かつＲＦ電極６と同軸上に配置され、ＲＦ電極６と絶縁されたコイル８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、細管内にガスを導き、細管を囲む電極から高周波電力を与えて細管内のガスをプラズマ化し、材料の局所加工を行うプラズマ技術に係り、特に、半導体分野等における局所加工に適したマイクロプラズマ処理装置及びマイクロプラズマ加工方法に関する。

マイクロプラズマ技術は、細管内にガスを導き、細管を囲む電極から高周波電力を与えて細管内のガスをプラズマ化する。そして、その技術は、ガスの出口に置かれた材料に細く絞られたプラズマを導いて局所加工を行うものであり、その代表的な装置は、プラズマエッチング装置として知られている。マイクロプラズマ技術を用いたプラズマエッチング装置は、半導体分野における絶縁膜、金属膜等を表面に被覆したシリコンウエハの絶縁膜や金属膜の剥離、除去等を局所領域で行う作業に用いられる。

局所範囲をプラズマ処理する方法として、常圧雰囲気下で微細な細孔を有する加工電極を用いること、また、減圧雰囲気下で絶縁性の細管をプラズマ発生管とし、細管内部に励起されたプラズマをガス流により被加工物に噴射することが知られている。

局所範囲をプラズマ処理する局所プラズマは、プラズマ密度が高く、高速加工が可能であるため、半導体基板の深堀等に応用されている。また、マスクレスで局所範囲のみを加工することが可能であるので、ウエハのうねりを解消する平坦処理加工や、半導体の故障解析、基板への直接描画や、局所表面改質等様々な場面で活用されている。

特許文献１は、局所領域での正確なエッチングを行い、エッチング面に堆積物が付着するという弊害等を回避するため、キャピラリ（細管）中で反応性原料ガスをプラズマ化し、ＲＦ電極位置をキャピラリ（細管）先端部近くに配置する。そして、特許文献１は、ワークとキャピラリ先端部を接近させ、生成した揮発性物質をキャピラリ先端からの吸引力により除去する吸引型プラズマエッチング装置であり、ＲＦパワーを４５Ｗ、キャピラリ内径を０．６５ｍｍとした時にＳｉＯ２を２５μｍ／ｍｉｎの速度での高密度プラズマ加工の実施例が記載されている。

また、プラズマ処理装置において、プラズマプロセスの均一性や再現性が被加工物の性能や品質に影響する。そのため、均一性や再現性に大きく影響するプラズマ密度は自在且つ精細に制御できる必要がある。特許文献２では、被処理基板にプラズマ処理を施す誘導結合型のプラズマ処理装置において、電気的にフローティング状態に置かれるコイルとコンデンサを用いてプラズマ密度分布を制御することが記載されている。

特開２０１０−１５３７８３号公報 特開２０１１−１１９６５９号公報

上記従来技術において、特許文献１に記載のものは、キャピラリ（細管）内径程度の局所加工が可能であるが、キャピラリ（細管：プラズマ発生管）と試料表面の間隔（加工Ｇａｐ）を０．１ｍｍ前後に調整する必要があり、０．５ｍｍ程度では極めて不安定であった。

具体的には、０．１ｍｍ以上の加工Ｇａｐは、プラズマが直ぐに容器内に拡散し、プラズマ直下の加工部形状が歪み、制御ができなくなったり、プラズマが被加工物に到達せずにプラズマ処理ができなかったりする。

また、プラズマ発生管先端と被加工部の距離は、加工が進むに連れて徐々に離れていくため、加工途中にプラズマが拡散してしまい、長時間の加工が困難であった。

また、加工速度（Ｅ／Ｒ）はプラズマ発生電源の出力電力、プロセスガス量、プロセス時の容器圧力、加工Ｇａｐにより、ある程度は調整可能であるが、これらの条件を大きく変えてしまうと加工途中にプラズマが拡散する恐れがあり、加工速度（Ｅ／Ｒ）の分解能を良くすることが困難であった。

また、特許文献２に記載のものは、処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成する際に、試料となる半導体ウエハＷでプラズマの密度の均一性を図るものであるが、誘導結合型のプラズマ処理装置であって、局所加工やキャピラリ（細管：プラズマ発生管）と試料表面の間隔（加工Ｇａｐ）については考慮されていなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、局所加工が安定し、加工Ｇａｐが大きくてもプラズマが拡散したり、変動したりしないマイクロプラズマ処理装置及びマイクロプラズマ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、プラズマ発生管の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源よりＲＦ電極に電力を供給することで、前記プラズマ発生管内の前記プロセスガスをプラズマ励起させ被加工物のプラズマ処理による加工を行うマイクロプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生用電源に接続され、前記プラズマ発生管の外周を囲むように配置された前記ＲＦ電極と、前記プラズマ発生管の外周を囲むように、かつ前記ＲＦ電極と同軸上に配置され、前記ＲＦ電極と絶縁されたコイルと、を備えたものである。

また、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記コイルは、両端が開放とされたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記コイルの少なくとも一端が抵抗を介して接地されたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記コイルの少なくとも一端が可変抵抗を介して接地されたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記コイルは、前記プラズマ発生管の軸方向にそれぞれ移動可能とされたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記プラズマ処理中に前記コイルにかかる電圧をモニターする手段を有することが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、少なくとも前記ＲＦ電極及び前記コイルが接地された金属筒に覆われたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生管は、垂直に移動可能とされたことが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生管から前記被加工物に前記プロセスガスを噴射しつつ前記加工を行う噴射プラズマと、前記プロセスガスを前記プラズマ発生管より排気しつつガス流とは逆行しながら前記加工を行う吸引プラズマと、を切り替えることが可能とされたことが望ましい。

上記目的を達成するため、本発明は、プラズマ発生管の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源よりＲＦ電極に電力を供給することで、被加工物のプラズマ処理による加工を行うマイクロプラズマ加工方法であって、前記ＲＦ電極を前記プラズマ発生管の外周を囲むように配置し、コイルを前記プラズマ発生管の外周を囲むように、かつ前記ＲＦ電極と同軸上に前記ＲＦ電極と絶縁して設け、前記ＲＦ電極に前記プラズマ発生用電源を接続して前記被加工物をプラズマ加工する。

また、上記のマイクロプラズマ加工方法であって、前記コイルの出力電圧から現在の加工速度を算出し、設定した加工速度となるように前記コイルを前記ＲＦ電極に接近又は後退させることが望ましい。

さらに、上記のマイクロプラズマ加工方法であって、前記コイルの少なくとも一端が可変抵抗を介して接地され、前記コイルの出力電圧から現在の加工速度を算出し、設定した加工速度となるように前記可変抵抗の抵抗値を変更することが望ましい。

本発明によれば、マイクロプラズマ処理装置において、ＲＦ電極は、プラズマ発生管の外周を囲むように、かつ容器外に配置し、さらに、プラズマ発生管の外周を囲むように、かつＲＦ電極と同軸上に配置されたコイルを設けるので、拡散するプラズマを抑制することができる。そして、マイクロプラズマ処理装置は、加工Ｇａｐが大きくてもプラズマが拡散したり、変動したりしないマイクロプラズマ処理装置を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るマイクロプラズマ処理装置を示す構成図 本発明の第１実施形態に係る部分詳細図 第１実施形態に係るコイルの有無によるプラズマの発光状態を示す図 第１実施形態に係るコイルの有無による被加工物の断面プロファイルを示すグラフ 第１実施形態に係るコイルの有無による被加工物の表面状態を示す図 第１実施形態に係るコイルの有無による加工速度（Ｅ／Ｒ）の変化を示すグラフ プラズマ発光の様子を示す図 コイルとプラズマ発生電極との距離ｄを変えた場合のプラズマ発光の様子を示す図 第１実施形態に係る距離ｄと加工Ｇａｐの関係を示すグラフ 第１実施形態に係るコイルの出力電圧と加工Ｇａｐの関係を示すグラフ 第１実施形態に係る距離ｄと被加工物の断面プロファイル及び加工速度（Ｅ／Ｒ）を示すグラフ 図１１における加工条件及びコイルのパラメータを示す表 コイル巻数のプラズマへの影響を示す図 第１実施形態に係るコイル巻数と加工Ｇａｐの関係を示すグラフ 第１実施形態に係るコイル巻数と被加工物の加工断面プロファイル及び加工速度（Ｅ／Ｒ）を示すグラフ 第１実施形態に係るコイルを巻く向きと加工Ｇａｐの関係を示すグラフ 本発明の第２実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図 第２実施形態に係るコイルに負荷（純抵抗）と被加工物の加工断面プロファイル及び加工速度（Ｅ／Ｒ）を示すグラフ 本発明の第３実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図 厚い被加工物を貫通するまでプラズマ処理を行った図 第３実施形態に係る金属筒の有無によるプラズマの発光状態を示す図 本発明の第４実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図 第４実施形態に係る噴出プラズマとした場合のプラズマの発光状態を示す図 第４実施形態に係る吸引プラズマとした場合のプラズマの発光状態を示す図

本願発明者らは、ＲＦ電極６（プラズマ発生電極）の上下いずれかにＲＦ電極６と絶縁されたコイル８を配置することで、加工Ｇａｐを大きくしてもプラズマが拡散しないことを見出した。さらに、コイル８は、その位置調整により加工速度（Ｅ／Ｒ）に対する分解能を向上させ、オーバーエッチングを防止することが可能となった。

その他の利点は、プラズマが拡散した際に、高温のプラズマがプラズマ発生管５（キャピラリ）のシール部材を損傷し、装置の寿命が短くなる装置劣化を防ぐこと、装置の低価格化、凹凸のあるサンプルや傾斜、Ｒ形状等のサンプル及びプラズマ発生管５先端の口径より小さいサンプルに対しても安定した加工を行うこと、などにある。

図１は、第１実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図、図２は部分詳細図である。マイクロプラズマ処理装置は、被加工物１を収納する容器２と、容器２にプロセスガスを供給するガス供給装置３と、容器２内を減圧させる真空排気装置４とを有する。被加工物１は、３次元方向に移動可能な位置決め装置１２に固定されている。プラズマ発生管５は、容器２内において、プラズマ発生管５の被加工物１と対向する一端が被加工物１と間隔（加工Ｇａｐ）を離して配置されている。したがって、被加工物１は、プラズマ発生管５の方向に向けて少なくとも垂直に移動可能となっている。

ＲＦ電極６（プラズマ発生電極）は、プラズマ発生管５の外周を囲むように、かつ容器２外に配置され、プラズマ発生用電源７（ＲＦ電源）に接続されている。ＲＦ電極６と絶縁された１回以上巻いたコイル８は、ＲＦ電極６と同様にプラズマ発生管５の外周を囲むように、プラズマ発生管５の後端側あるいは先端側に配置される。図１においてコイル８は、後端側、つまり、ＲＦ電極６に対して被加工物１と対向した一端と反対側に距離ｄだけ離れて配置され、両端が開放されている。

ガス供給装置３は、ＣＦ_４、Ｏ_２等の反応性原料であるプロセスガスの必要量を容器２内に供給する。ガス供給装置３より供給されたプロセスガスはプラズマ発生管５の後端に配置された真空排気装置４によって排気される。プラズマ発生管５の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源７よりＲＦ電極６に電力を供給することで、被加工物１のプラズマ処理による加工が可能となる。

つまり、プラズマ発生管５の被加工物１と対向した一端は、加工Ｇａｐまで被加工物１と接近され、供給された電力によってプラズマ発生管５内でプラズマが発生する。そして、プラズマの先端部は、近接して置かれた被加工物１の表面に移動して、エッチング等の局所加工が行われる。

加工Ｇａｐは、数百μｍ以上の深堀を行う場合、プラズマ発生管５は、熱膨張により被加工物１に接近するため、安定した加工が困難となる。特に３ＤＩＣ（３次元ＬＳＩ）の不良解析（レイヤー解析）用途の場合、プラズマエッチングによる除去が必要な層により異なるが、概ね６００μｍ程度以上の加工Ｇａｐが必要となる場合がある。

それに対して、実施形態によるマイクロプラズマ処理装置は、ＲＦ電極６の上下いずれかにＲＦ電極６と絶縁されたコイル８を配置することで、加工Ｇａｐを１００〜９００μｍとして安定した綺麗なプラズマ加工ができる。

プラズマ発生管５の材料は、誘電体バリア放電が可能な材料であれば特に限定は無く、例えば、石英ガラスやアルミナセラミックス等の無機物の絶縁体やＰＴＦＥ（フッ化炭素樹脂）のような有機物の絶縁体が好ましい。ＲＦ電極６は、銅や黄銅のように導電率の高い材料や、腐食しにくいステンレス材が好ましい。ＲＦ電極６の形状は、プラズマ発生管５の外周を囲む円筒形状やコイル形状が好ましい。コイル８はプラズマ発生管５と同軸上に配置されていれば良い。

コイル８は、ＲＦ電極６に対してプラズマ発生管５の後端側（プラズマ発生管５の被加工物１と対向した一端と反対側）でも、先端側（プラズマ発生管５の被加工物１と対向した一端側）に配置された場合であっても、プラズマ発生管５内に励起されるプラズマに対して消極的な作用となる。

そして、コイル８は、容器２内に拡散するプラズマを抑制することができる。また、プラズマに対するコイル８の影響は、図２に示すコイル８とＲＦ電極６との距離ｄを調整することでコントロールすることができる。

図１で示したマイクロプラズマ処理装置は、吸引型のマイクロプラズマ処理装置であるが、ガス供給装置３と、真空排気装置４の配置を入れ替え、プロセスガスの流れを逆にすることで、噴出型のマイクロプラズマ処理装置となる。コイル８による加工Ｇａｐを大きくできる効果は、プロセスガスの流れに依存しない。しかし、その効果は、吸引型の方が大きい。噴出型は、プラズマの電子、イオン等が物理的に被加工物１に対して押し出されるのでプラズマ発散を抑止し難くなるためだと考えられる。

図３は、コイル８の有無によるプラズマの発光状態を示す図であり、加工Ｇａｐは、０．５ｍｍとしている。コイル８無しの場合は、プラズマが容器２に拡散しているが、コイル８を有りとすることで、プラズマ発生管５の内径に等しい範囲でプラズマが留まっている。

図４は、コイル８の有無による被加工物１の断面プロファイルを示すグラフである。コイル８無しの場合は、加工中心部が盛り上がる歪な加工形状であるが、コイル８を有りとすることで、同じ加工Ｇａｐであっても、すり鉢状の綺麗な加工形状となっている。

図５は、コイル８の有無による被加工物１の表面状態を示す図であり、電子顕微鏡による観察画像である。コイル８無しの場合は、加工後の表面が荒れているのに対して、コイル８を有りとすることで、加工後の表面荒れが低減されている。

図６は、コイル８の有無による加工速度（Ｅ／Ｒ）の変化を示すグラフであり、コイル８の有無によって加工Ｇａｐが加工速度（Ｅ／Ｒ）に与える影響を示している。縦軸は、加工Ｇａｐ０．１ｍｍでの加工速度（Ｅ／Ｒ）の値を加工速度（Ｅ／Ｒ）の変化率１．００として表している。コイル８有りの場合、加工速度（Ｅ／Ｒ）の変化率は、加工Ｇａｐが０．２ｍｍ以降で飽和している。それに対して、コイル無しの場合は、右肩上がりで加工速度（Ｅ／Ｒ）に対する影響が上昇する。

図７は、プラズマ発生管５を十分に長くとり、プラズマがプラズマ発生管５内のみに留まるようにして、コイル８の有無によりプラズマ発光の様子を確認した図である。図７（ａ）はコイル８が無い場合、（ｂ）はコイル８がある場合である。なお、ＲＦ電極６に供給される電力は、５０Ｗとしている。図７は、コイル８をＲＦ電極６に対して先端又は後端のいずれかに配置したことで、コイル８を配置した方向と反対側に伸びるプラズマが失活（Ａ部）され、コイル８とＲＦ電極６の間（Ｂ部）で発光強度が増していることが確認できる。

図８は、図７と同様にプラズマ発生管５を十分に長くとり、図２に示すコイル８とＲＦ電極６との距離ｄを変えた場合のプラズマ発光の様子を示す図である。距離ｄは、５〜３０ｍｍまで５ｍｍ置きに変えた場合である。プラズマ長は、距離ｄ＝５ｍｍで３４ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍで３５ｍｍ、ｄ＝１５ｍｍで３６ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍで３７ｍｍ、ｄ＝２５ｍｍで３８ｍｍ、ｄ＝３０ｍｍで３９ｍｍである。プラズマ長は、距離ｄが小さい程、コイル８を配置した方向と反対側に伸びるプラズマが失活して縮まる。

図９は、コイル８とＲＦ電極６（プラズマ発生電極）との距離ｄと加工Ｇａｐの関係を示すグラフであり、（ａ）は、プラズマ発生管５の内径φ＝１ｍｍ、（ｂ）は、φ＝２ｍｍ、（ｃ）は、φ＝４ｍｍの場合に安定した綺麗なプラズマ加工ができる、つまり、プラズマ局在化が可能な加工Ｇａｐを示している。点線部は、コイル８が無い場合のプラズマが拡散しない加工Ｇａｐ、加工限界を示す。この結果から、加工Ｇａｐを３００〜６００μｍ、望ましくは３００〜８００μｍとした場合、プラズマが拡散しないためには、コイル８とＲＦ電極６（プラズマ発生電極）との距離ｄは、２〜３０ｍｍとすることが良いことが見出された。

また、距離ｄは、可変として調整可能とすることがより好ましい。距離ｄを調整可能とすることは、加工中の加工速度（Ｅ／Ｒ）を調整可能とすることとなり、オーバーエッチングを防止することができる。

図１０は、図１で図示されていない電圧をモニターする手段を用いて、加工中のコイル８の出力電圧（Ｖ）とプラズマが拡散しない加工Ｇａｐとの関係を示すグラフである。コイル８の出力電圧（Ｖ）とプラズマが拡散しない加工Ｇａｐは、略比例相関することが分かり、コイル８の出力電圧が高い程、加工Ｇａｐを伸ばせることになる。 図１１（ａ）は、被加工物１をシリコン（Ｓｉ）とした場合の各距離ｄにおける断面プロファイル、（ｂ）は、距離ｄと加工速度（Ｅ／Ｒ）μｍ／ｍｉｎ、（ｃ）は、距離ｄとコイル８の出力電圧（Ｖ）を示すグラフである。図１２は、図１１における加工条件及びコイル８のパラメータを示す表である。コイル８とＲＦ電極６との距離ｄは、大きくなる程、加工速度（Ｅ／Ｒ）は高くなり、距離ｄと加工速度（Ｅ／Ｒ）は略比例の関係にある。

そして、コイル８がＲＦ電極６に近い程、プラズマ発生用電源７（ＲＦ電源）の電力及びプラズマのエネルギーをコイル８が吸収し、加工速度（Ｅ／Ｒ）を下げる代わりに加工Ｇａｐを大きくできる。また、コイル８から出力される電圧値は、加工速度（Ｅ／Ｒ）と反比例の関係にあり、コイル８から出力された電圧値から加工速度（Ｅ／Ｒ）をリアルタイムで確認することが可能となる。

図１のマイクロプラズマ処理装置は、被加工物１を固定する位置決め装置１２、あるいはプラズマ発生管５の少なくともいずれかを移動可能とすることで加工Ｇａｐを可変としている。これにより、加工Ｇａｐは、加工前の段取り工程及び加工途中の変更に対応することが可能となり、凹凸のある単一の被加工物１あるいは厚みが異なる多種の被加工物１の加工が容易となる。

図１３は、コイル８の巻数（コイル巻数：ターン数）のプラズマへの影響を示す図である。他の条件は、図１１と同様である。コイル８の巻数を１２０ターン（インダクタンス値１９．６μＨ）の場合は、プラズマ発生管５内のプラズマ長が３６ｍｍである。それに対して、コイル８の巻数を増やし、巻数を２００ターン（インダクタンス値５１．８μＨ）とした場合は、プラズマ長が３５ｍｍとなり減少している。

プラズマ発生管５内のプラズマへの影響は、コイル８のインダクタンス値、つまり巻数によってコントロールできる。コイル巻数が少ない場合は、プラズマがコイル８の反対側にもはみでている。一方、コイル巻数が多くなるとプラズマ中の電子・イオンにより生じる磁束線がコイル８全体を鎖交しなくなるため、あるコイル巻数で効果は飽和する。

図１４は、コイル８の巻数とプラズマが拡散しない加工Ｇａｐの関係を示すグラフである。点線部は、コイル８が無い場合のプラズマが拡散しない加工Ｇａｐ、加工限界を示す。図１４（ａ）は、プラズマ発生管５（キャピラリ）の内径φが１ｍｍ、図１４（ｂ）は、φ＝２ｍｍ、図１４（ｃ）は、φ＝４ｍｍである。プラズマ発生管５（キャピラリ）の内径φが１、２、４ｍｍのいずれの場合もコイル８の巻数を増加させることで効果が向上し、コイル８の巻数が１００ターンを超えると加工Ｇａｐへの効果が飽和する傾向にある。したがって、コイル８の巻数は、１以上１００以下とすることが良い。

これは、コイル８の巻数が増えるとコイル長が伸びるが、プラズマ（略磁束）の強さが略一定であるため、コイル８を鎖交するプラズマ（略磁束）は伸びないので、飽和するものである。なお、コイル８は１ターン、１回以上巻いたものでもコイル８が無い場合に比べてプラズマが拡散しない加工Ｇａｐを大きくすることができる。

キャピラリ管内のプラズマ（密度）と磁界は一様では無く、分布があるため、コイル８の巻き位置を多少変化させた場合にコイル８の出力電圧も変化している。また、プラズマ発生用電源７（ＲＦ電源）の周波数・投入電力・コイル８の位置に応じて出力電圧は変化する。

図１５は、（ａ）は、被加工物１をシリコン（Ｓｉ）とした場合のコイル８の各巻数における加工断面プロファイル、（ｂ）は、コイル８の巻数と加工速度（Ｅ／Ｒ）μｍ／ｍｉｎを示すグラフである。加工条件及びコイル８のパラメータは、巻数以外は図１２と同様である。コイル８の巻数が増える程、加工速度（Ｅ／Ｒ）は低くなる。

コイル８の巻数が１００ターンを超えると、加工Ｇａｐへの効果が飽和する傾向にある。これは、コイル８の巻数の増加に伴い、コイル８の長さが長くなるために、プラズマ発生用電源７（ＲＦ電源）による電力及びプラズマにより生じる磁界がコイル８の一部分までしか鎖交しなくなるためである。

図１６は、コイル８を巻く向きとプラズマが拡散しない加工Ｇａｐの関係を示すグラフである。点線部は、コイル８が無い場合のプラズマが拡散しない加工Ｇａｐ、加工限界を示す。コイル８を巻く向きが右巻き（時計方向）、左巻き（反時計方向）によって、プラズマが拡散しない加工Ｇａｐは、大きな違いは無く、コイル８の巻き方向に依らずコイル８を付加することで加工Ｇａｐを大きくすることができる。ただし、コイル８とＲＦ電極６との距離ｄが小さくなるに連れて、右巻き（時計方向）が加工Ｇａｐを大きくすることができる。

図１７は、第２実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図である。図１で示した第１実施形態との違いは、コイル８の両端に抵抗器９を設けた点にある。コイル８に抵抗を加えることで、加工速度（Ｅ／Ｒ）の制御が可能となる。コイル８は、抵抗器９を介して少なくとも一端が接地されたことが望ましい。また、用途に応じた加工Ｇａｐや加工速度（Ｅ／Ｒ）は、抵抗器９を可変とすることで適宜選択することが可能となる。

さらに、抵抗器９は、可変抵抗とすることが好ましい。そして、加工中は、コイル８より出力される電圧をモニターし、抵抗器９の抵抗値を可変することで、加工速度（Ｅ／Ｒ）を調整する。抵抗器９は、ボリュームやデジタルポテンショメータ等を使用する。

加工Ｇａｐは、コイル８の引出線から抵抗を介して接地することでやや拡大する。例えば、抵抗値が小さい場合（１００Ω以下）は、プラズマ発生管５内のみ発光する傾向にあり、引出線を直接接地した際と同等となる。抵抗値が１０ｋ〜１ＭΩの場合は、抵抗値が小さい場合に比べ効果が向上する。

図１８は、第２実施形態に係るコイル８の引出線から抵抗を介して接地した条件で被加工物１の加工断面プロファイル（ａ）及び加工速度（Ｅ／Ｒ）μｍ／ｍｉｎ（ｂ）を示すグラフである。加工条件及びコイル８のパラメータは、図１２と同様である。加工速度（Ｅ／Ｒ）は、抵抗が無い場合に比べて低下する。

したがって、加工速度（Ｅ／Ｒ）は、コイル８とＲＦ電極６との距離ｄによってマクロ的制御を行い、抵抗器９の抵抗値によってミクロ的制御が可能となり、幅広い制御ができる。

図１９は、第３実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図である。図１で示した第１実施形態との主な違いは、プラズマ発生管５及びＲＦ電極６並びにコイル８を金属筒１０で覆い、金属筒１０は容器２を通して接地する構成とした点にある。また、金属筒１０は、蛇腹部品１１と連結され被加工物１に対して垂直に移動可能とされている。

ＲＦ電極６及びコイル８は、それぞれプラズマ発生管５の軸方向に移動可能なようにＲＦ電極昇降ユニット１３、コイル昇降ユニット１４にそれぞれ接続される。これにより、ＲＦ電極６及びコイル８は、プラズマ発生管５の軸方向に相対的にも移動可能となり、加工前の段取り及び加工中は、適宜コイル８の影響等を可変しながらプラズマ処理を行うことが可能となる。

また、数ミリの厚みがある被加工物１を深堀したい場合は、コイル８をコイル昇降ユニット１４によりコイル８の影響が及ぼさない位置まで一度退避させ、粗加工を行う。そして、必要な加工量に近づいた場合は、コイル８をＲＦ電極６へ接近させ、コイル８の電圧値からコイル８とＲＦ電極６との距離ｄの位置調整を行い、加工速度（Ｅ／Ｒ）を落として精密に加工を行うことが望ましい。図２０は、厚さ５２５μｍのＳｉウエハを２重にして、１．０５ミリ厚のＳｉを被加工物１とした時にＳｉが貫通するまでプラズマ処理を行った図である。

図２１は、金属筒１０の有無によるプラズマが拡散しない加工Ｇａｐにおけるプラズマの発光状態を示す図である。金属筒１０を配置し、接地することで加工Ｇａｐを１０％程度大きくできることを示している。

また、金属筒１０とプラズマ発生管５との間に、ＲＦ電極６への空気の通り道を有する内管（図示せず）と、プラズマ発生管５の外周面と内管との間の空気を排気するための排気機構（図示せず）を設けることが好ましい。これにより、プラズマ発生管５や金属筒１０は、空冷されて、プラズマ加工中の熱膨張を抑制できるので、加工Ｇａｐの変動を減少させることができる。

図２２は、第４実施形態によるマイクロプラズマ処理装置を示す構成図である。図１９で示した第３実施形態との主な違いは、プラズマ発生管５の後端にガス供給装置３及び真空排気装置４を設けた点、ガス供給装置３及び真空排気装置４とプラズマ発生管５の間に開閉可能なガス供給装置バルブ１７と、真空排気装置用バルブ１８を設けた点にある。

そして、プラズマ発生管５は、ＲＦ電極６に対して被加工物１と対向した一端と反対側となる後端側にガス供給装置バルブ１７を介してガス供給装置３、真空排気装置用バルブ１８を介して真空排気装置４が連結されている。これにより、マイクロプラズマ処理装置は、噴射プラズマ、吸引プラズマを適宜選択して切り替えることが可能となっている。

第４実施形態は、ガス供給装置バルブ１７と、真空排気装置用バルブ１８の開閉を切り替えることにより、プラズマ発生管５の後端にガス供給装置３又は真空排気装置４のいずれか、又はその両方を連結可能である。ガス供給装置３又は真空排気装置４は、プラズマ発生管５の後端に直接連結されるのでマイクロプラズマ処理装置の小型化が図られる。

また、第４実施形態は、プラズマ発生管５から被加工物１にダウンフロー方式でプロセスガスを噴射しつつ、プラズマ加工を行う噴射プラズマ加工ができる。さらに、第４実施形態は、容器２内に充満したプロセスガスをプラズマ発生管５より直接排気しつつ、ガス流とは逆行しながらプラズマ加工を行う吸引プラズマ加工が実現可能となる。

つまり、第４実施形態は、噴射プラズマや吸引プラズマを同時に発生させることや、ガス供給装置３及び真空排気装置４の流路に独立して制御可能な開閉可能な弁を設けることで用途に応じて噴射プラズマ加工又は吸引プラズマ加工を選択可能となる。

図２３は、噴出プラズマとした場合のプラズマが拡散しない加工Ｇａｐにおけるプラズマの発光状態を示す図である。噴出プラズマとした場合、コイル８を配置しないとプラズマが拡散しない加工Ｇａｐは０．３５ｍｍであり、コイル８を配置することで、加工Ｇａｐを０．４２ｍｍまで大きくできることを示している。

図２４は、吸引プラズマとした場合のプラズマが拡散しない加工Ｇａｐにおけるプラズマの発光状態を示す図である。図２４は、図２３と同条件で吸引プラズマとした場合、コイル８を配置することで、加工Ｇａｐを０．５５ｍｍまで大きくできることを示している。つまり、吸引プラズマとした方が噴射プラズマとするよりも加工Ｇａｐを大きくすることができる。

以上、各実施形態によれば、コイル８をプラズマ発生管５の外周を囲むように設けることで、容器２内に拡散するプラズマを抑制することができる。プラズマの抑制は、コイル８がＲＦ電極６に印加した電力、プラズマ発生管５内に励起されたプラズマのエネルギーを吸収することで、励起したプラズマに対して消極的な作用をすることによる。また、この作用は、コイル８の巻き数、コイル８とＲＦ電極６との距離ｄを調整することで影響をコントロールできる。

さらに、コイル８は、加工速度（Ｅ／Ｒ）にも影響を及ぼす。従来は、加工速度（Ｅ／Ｒ）を決める要素として、（１）プラズマ発生電源の出力電力、（２）プロセスガス量、（３）プロセス時の容器圧力、（４）加工Ｇａｐが主たるものであった。しかし、各実施形態は、（５）コイル８の巻数、（６）コイル８の位置、（７）コイル負荷によって、加工速度（Ｅ／Ｒ）のコントロールパラメータとすることが可能となる。

コイル８は、加工分解能を向上させオーバーエッチングを抑止することも可能となる。加工Ｇａｐは、加工速度（Ｅ／Ｒ）を選択する１つの要因ではあるが、加工中のプラズマ発生管熱膨張や、被加工物１が加工されることにより、変動する。そのため、加工量が増大するほど、加工量の再現性が悪くなる欠点がある。しかし、コイル８を設けることにより、変動する加工Ｇａｐによる加工速度（Ｅ／Ｒ）のばらつきを無くすことが可能となる。

また、各実施形態は、容器２に被加工物１を観察可能なカメラユニット（図示せず）を配置することが好ましい。例えば、被加工物１を深堀し、一部を薄膜化させるような加工用途では、被加工物１の裏面かつプラズマ発生管５と同軸上にカメラユニットを配置することが良い。

これにより、カメラユニットは、薄膜化した部分より透過する光の波長により膜厚を検出できる。そして、コイル８の巻数、コイル８の位置、コイル８に向ける負荷抵抗値等を調整することで、加工速度（Ｅ／Ｒ）を制御することができる。加工速度（Ｅ／Ｒ）は、減少させることで必要となる加工深さに精度よく加工することが可能となる。

さらに、カメラユニットは、プラズマ発生管５と並行な位置に配置することで、加工前の被加工物１の高さ測定や加工位置の設定を行うことや、高さの異なる複数の被加工物１の加工Ｇａｐをそれぞれ設定することができる。したがって、容器２は、加工Ｇａｐの設定毎に大気圧下に解放されること無く、高スループットで複数の被加工物１をプラズマ処理することができる。

１…被加工物
２…容器
３…ガス供給装置
４…真空排気装置
５…プラズマ発生管
６…ＲＦ電極
７…プラズマ発生用電源
８…コイル
９…抵抗器
１０…金属筒
１１…蛇腹部品
１２…位置決め装置
１３…ＲＦ電極昇降ユニット
１４…コイル昇降ユニット
１７…ガス供給装置バルブ
１８…真空排気装置用バルブ

Claims (12)

1. プラズマ発生管の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源よりＲＦ電極に電力を供給することで、前記プラズマ発生管内の前記プロセスガスをプラズマ励起させ被加工物のプラズマ処理による加工を行うマイクロプラズマ処理装置において、
   前記プラズマ発生用電源に接続され、前記プラズマ発生管の外周を囲むように配置された前記ＲＦ電極と、
   前記プラズマ発生管の外周を囲むように、かつ前記ＲＦ電極と同軸上に配置され、前記ＲＦ電極と絶縁されたコイルと、
   を備えたことを特徴とするマイクロプラズマ処理装置。
2. 前記コイルは、両端が開放とされたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロプラズマ処理装置。
3. 前記コイルの少なくとも一端が抵抗を介して接地されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロプラズマ処理装置。
4. 前記コイルの少なくとも一端が可変抵抗を介して接地されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロプラズマ処理装置。
5. 前記コイルは、前記プラズマ発生管の軸方向にそれぞれ移動可能とされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロプラズマ処理装置。
6. 前記プラズマ処理中に前記コイルにかかる電圧をモニターする手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロプラズマ処理装置。
7. 少なくとも前記ＲＦ電極及び前記コイルが接地された金属筒に覆われたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロプラズマ処理装置。
8. 前記プラズマ発生管は、垂直に移動可能とされたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロプラズマ処理装置。
9. 前記プラズマ発生管から前記被加工物に前記プロセスガスを噴射しつつ前記加工を行う噴射プラズマと、前記プロセスガスを前記プラズマ発生管より排気しつつガス流とは逆行しながら前記加工を行う吸引プラズマと、を切り替えることが可能とされたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロプラズマ処理装置。
10. プラズマ発生管の内部にプロセスガスが導入された状態でプラズマ発生用電源よりＲＦ電極に電力を供給することで、被加工物のプラズマ処理による加工を行うマイクロプラズマ加工方法であって、
    前記ＲＦ電極を前記プラズマ発生管の外周を囲むように配置し、コイルを前記プラズマ発生管の外周を囲むように、かつ前記ＲＦ電極と同軸上に前記ＲＦ電極と絶縁して設け、前記ＲＦ電極に前記プラズマ発生用電源を接続して前記被加工物をプラズマ加工することを特徴とするマイクロプラズマ加工方法。
11. 前記コイルの出力電圧から現在の加工速度を算出し、設定した加工速度となるように前記コイルを前記ＲＦ電極に接近又は後退させることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロプラズマ加工方法。
12. 前記コイルの少なくとも一端が可変抵抗を介して接地され、前記コイルの出力電圧から現在の加工速度を算出し、設定した加工速度となるように前記可変抵抗の抵抗値を変更することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のマイクロプラズマ加工方法。

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