JP2024029764A - プラズマ発生装置、プラズマ発生方法及びエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速にエッチングを行うことができるプラズマ発生装置、プラズマ発生方法及びエッチング方法を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置１は、大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電によって熱プラズマを発生させる陰極１１と、発生させたプラズマジェットを噴出させる噴出口を有する陽極１４と、陰極１１と陽極１４との間でアーク放電が発生するアーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給する第１ガス導入部１４ｄと、アーク放電部の下流部に反応活性種を生成するための反応性ガスを供給する第２ガス導入部１４ｅと、を備える。また、第２ガス導入部１４ｅは、陽極１４に一体的に形成され、噴出口の噴出方向の中心よりも陰極１１に近い位置から反応性ガスを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧熱プラズマジェットを用いた半導体のエッチングプロセスに係るプラズマ発生装置、プラズマ発生方法及びエッチング方法に関する。

半導体の製造プロセスにおいて、エッチング処理が行われている。例えば、ウエハにフォトレジストをスピン塗布した場合、ウエハエッジ部ではフォトレジストが厚くなり、露光工程での不具合原因となるので、露光工程に進む前にこれを除去する工程（ＥＢＲ：Edge Bead Removal）が存在する。また、ウエハ端部に形成された絶縁膜、金属薄膜等が搬送中に剥離して歩留り低下を引き起こすので、これらウエハ端部の薄膜を除去するベベルエッチングと呼ばれる工程も存在する。

従来、半導体製造プロセスにおけるエッチングには、エッチング液による除去方法が一般的に用いられている。しかしながら、エッチング液を用いる方法は、溶剤の管理、取扱が煩雑で、工程が複雑であることなどから、エッチング液を用いないドライプロセスによるエッチング技術が開発されている。更に近年、カーボンニュートラル達成の要求から、有機溶剤使用量を削減することが求められており、廃液処理コスト低減等の観点に加えて、ＣＯ_２排出量削減の観点からもドライプロセスへの移行が強く求められている。

例えば、特許文献１では、ハロゲン系ガス雰囲気で行う大気圧プラズマ処理によるエッチングと、酸素系ガス雰囲気で行う大気圧プラズマ処理によるアッシングとを交互に行うことにより、高速にエッチングを行う技術が提案されている。また、特許文献２では、部品剥離後の接着剤を、希ガスと酸素との混合ガスのプラズマを照射して除去する技術が提案されている。

特開２００３－２０９０９６号公報 特開２００２－７６５８６号公報

福田 永，他４名，「表面波励起プラズマによる中性水素原子生成とレジストアッシングへの応用」，室蘭工業大学紀要，54巻，p.29-35，2004年 石島 達夫，「マイクロ波プラズマ源を用いた水蒸気プラズマアッシング装置」，プラズマ・核融合学会誌，第96巻第10号，p.562-567，2020年

半導体製造プロセスにおけるフォトレジストの除去のように、有機物のプラズマによる灰化(アッシング)を利用したエッチングでは、一般的に、処理温度が高いほどエッチングレートが向上することが知られている（非特許文献１）。また、最近では、水蒸気プラズマを用いてウエハを４μｍ／ｍｉｎの速度でエッチング可能であることが報告されている（非特許文献２）。

プラズマを使ったドライエッチングは、溶剤を用いるウエットエッチングと比較して、プロセスを簡素化することができる。しかしながら、エッチング速度は４μｍ／ｍｉｎ程度と低速であり、半導体の量産に用いるためには、より高速に処理を行えるエッチング技術が求められる。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高速にエッチングを行うことができるプラズマ発生装置、プラズマ発生方法及び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、この発明の第１の観点に係るプラズマ発生装置は、
大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電によって熱プラズマを発生させる陰極と、
発生させたプラズマジェットを噴出させる噴出口を有する陽極と、
前記陰極と前記陽極との間でアーク放電が発生するアーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給する第１ガス導入部と、
前記アーク放電部の下流部に、反応活性種を生成するための反応性ガスを供給する第２ガス導入部と、を備え、
前記第２ガス導入部は、前記陽極に一体的に形成され、前記噴出口の噴出方向の中心よりも前記陰極に近い位置から前記反応性ガスを供給する。

また、前記陰極の前記アーク放電部側の先端部及び前記先端部と対向する前記陽極内壁は、テーパ角が９０°未満のテーパ状であり、
前記噴出口の直径は、１ｍｍ以下である、
こととしてもよい。

また、前記噴出口の長さは３ｍｍ以下である、
こととしてもよい。

また、前記陰極の材料は、マルエージング鋼、インコネル及びステンレス鋼のいずれかである、
こととしてもよい。

また、前記噴出口の近傍に配置され、磁場を印加することにより前記プラズマジェットの噴出方向を変化させる磁場印加部を備える、
こととしてもよい。

また、前記噴出口は、長孔形状であり、
前記磁場印加部である電磁石を用いて交番磁場を印加することにより、線状の前記プラズマジェットを噴出させる、
こととしてもよい。

また、本発明の第２の観点に係るプラズマ発生方法では、
アーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給し、
アーク放電部とプラズマジェットの噴出部との間の噴出方向の中心よりも前記アーク放電部に近い位置に反応活性種を生成するための反応性ガスを供給し、
大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電により熱プラズマを発生させる。

また、本発明の第３の観点に係るエッチング方法では、
アーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給し、
アーク放電部とプラズマジェットの噴出部との間の噴出方向の中心よりも前記アーク放電部に近い位置に反応活性種を生成するための反応性ガスを供給し、
大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電により熱プラズマを発生させ、発生させたプラズマジェットを、被処理体上のエッチング対象物質に照射してエッチングを行う。

また、平板状の前記被処理体の両面に、それぞれ前記プラズマジェットを照射して、前記被処理体の両面をエッチングする、
こととしてもよい。

また、前記プラズマジェットを噴出するプラズマ発生装置の噴出口と、前記被処理体表面との距離は３ｍｍ以下である、
こととしてもよい。

本発明のプラズマ発生装置及びプラズマ発生方法によれば、パワー密度の高いプラズマを発生させることができる。また、本発明のエッチング方法によれば、パワー密度の高いプラズマを用いて高速でエッチングを行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るプラズマ発生装置の概略構成を示す断面図である。 図１のプラズマ発生装置のアーク放電部近傍の拡大図である。 （Ａ）はプラズマパワー密度の分布を示すシミュレーション結果の例であり、（Ｂ）は（Ａ）のシミュレーションにおける噴出口の座標位置を示す概念図である。 電極間距離の大きさに対する、プラズマ温度及びパワー密度の関係の例を示すグラフである。 プラズマ生成ガスとしてアルゴン１．０Ｌ／ｍｉｎ、反応性ガスとして酸素を用い、酸素ガス流量を変化させてシリコンウエハ上のフォトレジストのエッチング処理を行った場合の被処理体の状態の例であり、（Ａ）はエッチング前、（Ｂ）は０．３Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｃ）は０．５Ｌ／ｍｉｎの場合、（Ｄ）は０．７Ｌ／ｍｉｎの場合の図である。 エッチング処理前後の被処理体の状態を示す図であり、（Ａ）は図５（Ａ）の被処理体の断面図、（Ｂ）は図５（Ｄ）の被処理体の断面図である。 酸素ガス流量とエッチングレートとの関係の例を示すグラフである。 噴出口と被処理体との間の距離を変化させた場合の、プラズマジェットの走査速度に対するフォトレジスト膜厚の減少量を示すグラフである。 噴出口と被処理体との間の距離とエッチングレートとの関係の例を示すグラフである。 （Ａ）は被処理体の温度とエッチングレートとの関係の例を示すグラフであり、（Ｂ）は図９の例における被処理体の温度変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 （Ａ）は実施の形態１に係るプラズマ発生装置の配置例を示す図、（Ｂ）は実施の形態２に係るプラズマ発生装置の配置例を示す図である。 パーティクルによって生じるウエハ表面の凹凸を示す概念図である。 実施の形態３に係るプラズマ発生装置の概略構成を示す断面図である。 プラズマジェットの噴出方向変化を示す概念図である。

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るプラズマ発生装置１について説明する。

図１に示すように、プラズマ発生装置１は、大気圧又はその近傍の圧力下でアーク放電を発生させる陰極１１及び陽極１４、陰極１１を保持する導体１２、導体１２と陽極１４とを絶縁する絶縁部１３、陰極１１と陽極１４との間に直流電圧を印加する電源１５を備える。

陰極１１は、フランジを有する円筒状の導体１２の内部に同軸上に配置される円柱状の電極である。陰極１１は、一部が導体１２に保持されて、導体１２に固定される。本実施の形態に係る陰極１１は、一方の端部（以下、固定側端部１１ａという。）寄りの一部で導体１２に固定される。また、図２に示すように、陰極１１の他方の端部（以下、先端部１１ｂという。）は、テーパ角θのテーパ状となっており、陽極１４との間でアーク放電を生じるように所定の間隔で配置される。先端部１１ｂと陽極１４との間隔の詳細については後述する。陰極１１の素材は、公知の直流アークプラズマ発生装置に用いられるものであり、例えばタングステンである。

導体１２は、締結用のフランジを有する円筒状の部材である。導体１２は、陰極１１を保持する保持部１２ａと、保持部１２ａで仕切られる中空の陰極冷却部１２ｂを備える。導体１２は電源１５に接続されており、陰極１１は保持部１２ａを介して電源１５に電気的に接続される。

陰極冷却部１２ｂには、導体１２の外壁部を貫通する給水口１２ｃ（不図示）及び排水口１２ｄ（不図示）が形成されている。給水口１２ｃを通じて水が供給され、排水口１２ｄを通じて水が排出されることにより、保持部１２ａから陰極冷却部１２ｂへ挿入された陰極１１が冷却される。

絶縁部１３は、陽極１４と、陰極１１を保持する導体１２との間に配置されている。絶縁部１３の材質は特に限定されず、例えばセラミックスを用いることができる。

陽極１４は、図１に示すように、下部の内面が円錐状である略円筒形状に形成されている。また、陽極１４の円錐部の下端部には、プラズマジェットが噴出される噴出口１４ａが形成されている。また、陽極１４は、プラズマ生成ガスである希ガスを内部に導入する第１ガス導入部１４ｄ、反応活性種を生成するための反応性ガスである酸素ガスを導入する第２ガス導入部１４ｅを備える。

陽極１４の素材は、特に限定されず、公知の熱プラズマ発生装置に用いられる陽極材料を用いることができる。本実施の形態に係る陽極１４には、後述するようにノズル径の小さい噴出口１４ａ、陽極１４と一体的に形成される第２ガス導入部１４ｅ等が形成されることとしている。このような複雑な形状を実現するため、陽極１４は金属三次元（３Ｄ）プリンタを用いて形成されることが好ましい。この場合、金属三次元プリンタで使用可能であり、プラズマジェットの温度に対応可能な耐熱性を有する材料として、銅、マルエージング鋼、インコネル、ステンレス鋼、チタンのうちいずれかを用いることが好ましい。

以下の表は、上記の各材料で形成された陽極１４を用いてプラズマジェットを発生させ、エッチングを行った場合のエッチングレートの比較例である。

上記の比較例におけるエッチング条件は以下の表の通りである。これらの条件でプラズマジェットを、シリコンウエハ上に形成されたフォトレジストに照射して、エッチングされたフォトレジストの領域を計測する。計測されたエッチング領域とスキャン速度とに基づいてエッチングレートが算出される。

上記のエッチングレートの比較結果から、陽極１４の材料は、銅、マルエージング鋼、インコネル及びステンレス鋼のいずれかであることが好ましい。このうち、銅は、反射率が高く、レーザー加熱方式の金属三次元プリンタによる造形においては、寸法精度が比較的低い。また、銅は、半導体プロセスにおいて不純物となり得る。したがって、陽極１４の材料は、マルエージング鋼、インコネル及びステンレス鋼のいずれかであることがより好ましい。

噴出口１４ａは陽極１４の円錐状の下端部に形成された断面円形の貫通孔である。陰極１１の先端部１１ｂと、噴出口１４ａの上端部（以下、入口部１４ｂともいう。）の周縁部との間（以下、アーク放電部という。）で発生したプラズマジェットは、噴出口１４ａの下端の噴出部１４ｃから噴出される。

噴出口１４ａの直径（ノズル径）は特に限定されないが、エッチング効率を高めるためには、噴出口１４ａの直径を小さくして、プラズマジェットのパワー密度を高めることが好ましい。図３（Ａ）は、図３（Ｂ）に示すように、噴出口１４ａの入口部１４ｂにおけるノズル中心点を原点とし、ノズルの径方向の位置をｒ、原点から噴出口１４ａの噴出部１４ｃ方向の距離をｌとした場合の、プラズマパワー密度の分布を示すシミュレーション結果である。噴出口１４ａの入口部（ｌ＝０ｍｍ）では、発生したＡｒプラズマが集中して流入するので、最もプラズマパワー密度が高くなる。エッチング効率を高めるためには、エッチング対象の試料表面を１～１０ｍｓ（ミリ秒）程度の短時間に加熱することが好ましい。試料表面を１～１０ｍｓ程度の短時間で、エッチングに求められる温度まで加熱するためには、１０ｋＷ／ｃｍ^２以上のパワー密度を発生できることが好ましい。図３（Ａ）に示すように、１０ｋＷ／ｃｍ^２以上のパワー密度でプラズマを噴出させるために、ノズル径は直径１ｍｍ以下であることが好ましい。

一方、噴出口１４ａの直径が小さくなると、異物によって詰まるおそれが生じる。本実施の形態では、円錐部の頂角で表されるテーパ角θが鋭角、すなわち９０°未満となるように構成することとしている。これにより、プラズマ生成ガスの流れがスムーズになり、噴出口１４ａが詰まるおそれを低減できるので、噴出口１４ａの直径を小さくすることができる。テーパ角θは、先端が同じテーパ角θとなるように加工されている陰極１１の強度を考慮して設定すればよい。例えば、テーパ角θを６０°、噴出口１４ａの直径を１ｍｍとすることができる。

また、噴出口１４ａの形状は、陽極１４の表面性状、エッチング方向等に応じて適宜設定可能であり、円形であってもよいし、その他の形状であってもよい。この場合、断面積を、直径１ｍｍの円形と同等以下とし、プラズマパワー密度が大きく低下しないように設定することが好ましい。

図３（Ａ）に示すように、プラズマパワー密度は、噴出口１４ａの周囲を水冷方式で冷却する陽極１４の熱ピンチ効果によって、ノズル中心部（ｒ＝０ｍｍ）で最も高くなる。また、発生したＡｒプラズマは、陽極１４の冷却によって、噴出口１４ａの噴出部１４ｃへ向かってパワー密度が低下する。噴出口１４ａの長さは、１０ｋＷ／ｃｍ^２以上のパワー密度でプラズマを噴出させるために、４ｍｍ以下であることが好ましく、３ｍｍ以下であることがより好ましい。

図２に示す陰極１１と陽極１４との距離（以下、電極間距離ＥＳともいう。）は、プラズマ生成ガスの流量、陰極１１及び陽極１４の表面性状等に基づいて設定すればよい。図４は、電極間距離ＥＳの大きさに対する、プラズマ温度（ガス温度）及びパワー密度の関係を示すグラフである。電極間距離ＥＳが１．０ｍｍから大きくなるにつれて、プラズマ温度は上昇し、これに伴ってエッチングされる試料表面に移送されるパワー密度も上昇する。電極間距離ＥＳが２．０ｍｍより大きくなると、イグニッション（プラズマ点火）しにくくなるとともに、点火後における放電電流が不安定化する。したがって、電極間距離ＥＳは、１．５～２．５ｍｍであることが好ましく、２．０ｍｍ程度であることがより好ましい。

第１ガス導入部１４ｄは、陽極１４の外壁を貫通するように形成されており、外部のガスボンベ（不図示）等と接続されて、陽極１４内部にプラズマ生成ガスである希ガスを導入する。第１ガス導入部１４ｄの内部側開口部は、図１に示すように、陰極１１の先端部１１ｂより上部となるように形成されている。これにより、希ガスは、プラズマ生成ガスの流れにおいてアーク放電部の上流部に供給される。

第２ガス導入部１４ｅは、陽極１４に一体的に形成されている。具体的には、第２ガス導入部１４ｅは、図１及び図２に示すように、陽極１４の外壁を貫通するように形成されており、外部のガスボンベ（不図示）等と接続されて、プラズマ発生装置１に酸素ガスを供給する。図２に示すように、本実施の形態に係る第２ガス導入部１４ｅは、陽極１４の外壁からテーパ部を貫通する貫通孔として形成されている。そして、第２ガス導入部１４ｅの内部側開口部は、噴出口１４ａの内側面に形成されている。これにより、酸素ガスは、プラズマ生成ガスの流れにおいてアーク放電部の下流部に供給される。

また、第２ガス導入部１４ｅの内部側開口部は、酸素ガスを効率的に解離、励起するために、プラズマのパワー密度の高い上流側に供給されることが望ましい。例えば、噴出口１４ａの長さが３ｍｍである場合、図３のグラフに示すように、噴出口１４ａの中心部におけるパワー密度は、噴出口１４ａの入口部１４ｂにおけるパワー密度の２／３程度まで低下する。また、噴出口１４ａの噴出部１４ｃにおけるパワー密度は、入口部１４ｂにおけるパワー密度の１／２程度まで低下することとなる。そこで、本実施の形態に係る酸素供給位置は、噴出口１４ａの噴出方向の中心よりも陰極に近い上流側であることとする。言い換えると本実施の形態では、アーク放電部と噴出部１４ｃとの間の噴出方向の中心よりもアーク放電部に近い位置に、酸素を供給することとしている。これにより、高密度の原子状酸素ラジカルを発生させることができる。

また、陽極１４の噴出口１４ａを含むテーパ部の周囲には、陽極１４を冷却する水が導入される中空の陽極冷却部１４ｆが形成されている。陽極冷却部１４ｆには、陽極１４の外壁部を貫通する給水口１４ｇ（不図示）及び排水口１４ｈ（不図示）が形成されている。そして、給水口１４ｇを通じて水が供給され、排水口１４ｈを通じて水が排出されることにより、陽極１４が冷却される。陽極冷却部１４ｆは、陽極１４に一体的に形成されてもよいし、陽極１４の円錐部とその外壁を覆う別部品とで構成されてもよい。

電源１５は、陰極１１及び陽極１４と電気的に接続され、両電極間に電圧を印加する。これにより、陰極１１の先端部１１ｂと、陽極１４の噴出口１４ａの入口部１４ｂ周縁との間（アーク放電部）にアーク放電を発生させる。これにより、第１ガス導入部１４ｄから導入され、陰極１１と陽極１４との間を流れる希ガスがプラズマ化される。

以下、図を参照しつつプラズマ発生装置１を用いたプラズマの発生及びエッチング処理について説明する。本実施の形態では、Ｓｉ（１００）ウエハ上にフォトレジストが塗布された被処理体３０にプラズマジェットを照射し、エッチング対象物質であるフォトレジストをアッシングすることにより、エッチングを行う場合を例として説明する。

陰極１１と陽極１４との間に電源１５から直流電圧が印加され、第１ガス導入部１４ｄからプラズマ生成ガスであるアルゴンガスが陽極１４の内部空間へ供給されると、直流アーク放電によってアーク放電部で熱プラズマが発生する。発生した熱プラズマは、噴出口１４ａからプラズマジェットとして噴出され、噴出口１４ａの下部に配置された被処理体３０に照射される。

また、陽極１４に一体的に形成された第２ガス導入部１４ｅより、アーク放電部の下流部である噴出口１４ａに反応性ガスである酸素ガスが供給される。これにより、プラズマ照射によって被処理体の表面を局所加熱するとともに、被処理体３０に反応活性種である活性酸素を多く供給できるので、フォトレジストのアッシングの効率を向上させることができる。

本実施の形態では、プラズマジェットによる加熱を行うためのプラズマ生成ガスであるアルゴンガスをアーク放電部の上流部に供給し、アッシングを効率よく行うための反応性ガスである酸素ガスをアーク放電部の下流部に供給する構造とした。アルゴンガスと、酸素ガスとを用いてプラズマジェットを発生させる場合、アルゴンガスと酸素ガスとを混合して、アーク放電部の上流部から導入することが考えられる。この場合、陰極１１のタングステンが酸化して、融点が大幅に低下することとなる。したがって、陰極１１が溶融して急激に損耗するという不具合が生じる。これに対し、本実施の形態では、アルゴンガスをアーク放電部の上流部へ供給し、酸素ガスをアーク放電部の下流部へ供給することにより、陰極１１の酸化を抑制し、陰極１１の消耗を大幅に抑制することができる。したがって、プラズマジェットにより被処理体３０に照射する活性酸素を増加させ、アッシング効率を高めることが可能となる。

また、本実施の形態では、第２ガス導入部１４ｅの内部側開口部は、噴出口１４ａの噴出方向の中心よりも陰極に近い上流側であることとしている。これにより、プラズマパワー密度の高い位置に反応性ガスである酸素ガスを供給している。したがって、酸素ガスを効率的に解離、励起して、高密度の活性酸素を発生させることができるので、アッシング効率を高めることが可能となる。

また、テーパ角を鋭角とすることにより、ノズル径を小さくすることができるので、プラズマジェットのパワー密度を高め、被処理体３０を効率よく加熱して、温度を高めることが可能となる。これにより、アッシングの効率を高めて、エッチング速度を向上させることができる。

（数値例）
本例では、被処理体３０として、Ｓｉ（１００）ウエハ上にフォトレジスト（東京応化工業社製ＴＳＭＲｉＰ－３３００、１７ｃＰ）を４４００ｒｐｍでスピン塗布し、１３０℃で２分間ベーキングしたものを用いた。

また、本例では、希ガスであるアルゴンガスの流量ｆ_Ａｒを１．０Ｌ／ｍｉｎとして、酸素ガスの流量ｆ_Ｏ２を０．３～０．７Ｌ／ｍｉｎの範囲で変化させながらアッシングを行った。また、その他の条件として、電極間距離ＥＳ＝２ｍｍ、放電電流Ｉ＝２０Ａ、噴出口１４ａと被処理体３０との間の距離ｄ＝１ｍｍ、ノズル径１ｍｍとした。また、発生した大気圧直流アーク放電による熱プラズマジェットをスキャン速度ｖ＝２０ｍｍ／ｓで被処理体３０に対して掃引した。電源１５は、電流一定モードで運転した。

上記条件でプラズマ発生装置１を動作させることにより、アルゴンガスと酸素ガスとを用いた反応性大気圧熱プラズマジェットを照射して、ウエハエッジ部を局所的に加熱すると同時にアッシングを行い、フォトレジストを除去（エッチング）する。

図５（Ａ）～（Ｄ）は、アッシング処理前後における被処理体３０のフォトレジストの光学顕微鏡像を示しており、図５（Ａ）はアッシング処理前、図５（Ｂ）～（Ｄ）はそれぞれ、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を０．３、０．５、０．７Ｌ／ｍｉｎとした場合のアッシング処理後の画像である。図５（Ｂ）～（Ｄ）に示すように、プラズマジェット照射によって、干渉色の変化が観察された。さらに、図５（Ｄ）に示すように、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２＝０．７Ｌ／ｍｉｎとした場合において、ウエハ表面の露出が見られた。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、図５（Ａ）、（Ｄ）の試料断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察した結果である。アッシング処理前に１．１７μｍの厚みであったフォトレジスト（ＰＲ）が図６（Ｂ）では消失し、残渣のない清浄表面が確認できる。

上記の結果から、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を０．７Ｌ／ｍｉｎ、スキャン速度ｖを２０ｍｍ／ｓとした条件で１．１７μｍのフォトレジスト膜を完全にエッチングできていることがわかる。また、この条件において、プラズマジェットの照射幅が４ｍｍ（図５（Ｄ）より算出）であると仮定すると、エッチングレートは５．８５μｍ／ｓ以上であると見積もられる。また、図７は、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を１．０Ｌ／ｍｉｎまで増加させた場合の、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２とエッチングレートとの関係を示すグラフである。図７に示すように、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を１．０Ｌ／ｍｉｎとした場合のエッチングレートは、６．３８μｍ／ｓと見積もられる。これらの結果から、従来の方法（エッチングレート４μｍ／ｍｉｎ程度）と比較して、エッチング速度が大幅に向上していることがわかる。

図８は、噴出口１４ａと被処理体３０との間の距離ｄ（以下、ワーキングディスタンスｄともいう。）を変化させた場合の、プラズマジェットの走査速度に対するフォトレジスト膜厚の減少量を示すグラフである。本例では、ワーキングディスタンスｄを１ｍｍから３ｍｍの範囲で変化させた。また、アルゴンガスの流量ｆ_Ａｒを１．０Ｌ／ｍｉｎ、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を１．０Ｌ／ｍｉｎ、印加電力を２６０～２９０Ｗ（電圧Ｖ＝１３～１４．５Ｖ、放電電流Ｉ＝２０Ａ）、電極間距離ＥＳ＝２ｍｍとした。図８に示すように、ワーキングディスタンスｄを１ｍｍから３ｍｍの範囲で変化させた場合、ワーキングディスタンスｄを小さくするほど加熱効果が大きくなるので、膜厚減少量が増えることがわかる。すなわち、ワーキングディスタンスｄを小さくするほどエッチング速度が大きくなることがわかる。また、この結果から、実用可能なエッチング速度を得るためには、噴出口１４ａと被処理体３０との間の距離ｄを３ｍｍ以下とすることが好ましい。

図９は、更にワーキングディスタンスｄを小さくして、ｄ＝０．５ｍｍとした場合のガス流量とエッチングレートとの関係を示すグラフである。また、ｄ＝０．５ｍｍの場合におけるアルゴンガスの流量ｆ_Ａｒを２．０Ｌ／ｍｉｎとし、酸素ガス流量ｆ_Ｏ２を２．０～２．６Ｌ／ｍｉｎに変化させてエッチングレートを測定した。図９に示すように、ｄ＝１ｍｍ付近でエッチングレートの上昇率が大きくなり、ｄ＝０．５ｍｍとした場合にエッチングレートが大幅に向上している。したがって、噴出口１４ａと被処理体３０との間の距離ｄを１ｍｍ以下とすることがより好ましい。

図１０（Ａ）は被処理体の温度とエッチングレートとの関係の例を示すグラフである。また、図１０（Ｂ）は図９の例でエッチングレートが６１．５μｍ／ｓとなった場合（ｆ_Ｏ２＝２．４Ｌ／ｍｉｎ）における、フォトレジスト表面温度のシミュレーション結果である。シミュレーション結果から、フォトレジスト表面は、４ｍｓ程度の短時間に約８２０Ｋまで加熱されていると考えられる。通常、電気炉等を用いてフォトレジストを８２０Ｋに加熱した場合、フォトレジストが炭化して、エッチングレートは低下する。これに対し、本例では、ミリ秒単位の短時間に加熱が行われることにより、炭化反応の前にエッチング反応が生じるので、エッチングレートを向上させることができると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１は、アーク放電部の上流部からプラズマ生成ガスであるアルゴンガスを供給し、アーク放電部の下流部に反応性ガスである酸素ガスを供給する。したがって、アーク放電部の上流部からアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する場合のように、陰極が溶融して損耗することを防止できる。具体的には、直流電流によるジュール発熱で先端が高温となっている陰極１１が、反応性ガスと反応して溶融したり急激に劣化したりすることを避けることができる。

さらに、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１は、アーク放電部の下流部で酸素ガスを供給してプラズマジェットとして噴出させるので、プラズマ照射によって被処理体の表面を局所加熱するとともに、活性酸素の発生量を増加させることができる。また、プラズマのパワー密度の高い噴出口１４ａの上流側に酸素ガスを供給することにより、効率的に酸素ガスを解離、励起して、活性酸素の発生量をより増加させることができる。これにより、フォトレジストを効率よくアッシングしてエッチングレートを大幅に高めることができる。

また、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１では、陰極１１及び陽極１４のテーパ部を鋭角としているので、起動時に生じるパーティクル等によって噴出口１４ａが詰まるおそれを低減できる。これにより、噴出口１４ａの径を小さくすることが可能となる。したがって、プラズマジェットの径を小さくし、プラズマジェットのパワー密度を高めることができるので、エッチングの効率をより高めることができる。

（実施の形態２）
上記実施の形態１では、ウエハの一方の面に形成されたフォトレジスト等の薄膜のみをエッチングすることとしたが、ウエハの裏面に回り込んだフォトレジストを含む、ウエハの両面に形成された薄膜等をエッチングすることもできる。本実施の形態では、ウエハの裏面を含む端部のエッチング（ベベルエッチング）を行う場合のエッチング方法について説明する。

本実施の形態では、複数のプラズマ発生装置１を用いてエッチングを行う点で実施の形態１と異なる。その他、プラズマ発生装置１の構成及びプラズマ発生方法は、実施の形態１と同様であるので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

半導体製造プロセスにおいては、フォトレジスト、Ｈｉｇｈ－ｋ膜等の絶縁膜、導電材料としての金属膜等の薄膜が、ウエハ端部からウエハ裏面へと回り込んで形成される。このように、ウエハ端部及び裏面に形成された薄膜は、半導体製造工程において、剥離してパーティクルとなり、歩留まり低下の原因となる。したがって、ウエハ端部及び裏面に形成された薄膜も、実施の形態１で説明したウエハ端部に形成される厚さの大きいフォトレジストと同様に除去することが必要となる。

従来、ウエハ端部及び裏面に形成された薄膜は、一般的にウエットエッチングによって除去されている。また、特開２００７－２９９８８１号公報では、コ字型形状電極を用いた大気圧グロー放電によりベベルエッチングを行う方法が提案されている。しかしながら、ウエットエッチングは、溶剤の管理、取扱が煩雑で、工程が複雑となること、大気圧グロー放電は放電ガスに高価なヘリウム（Ｈｅ）を用いるためコストが高く、エッチングレートが低いこと等の課題がある。

そこで、本実施の形態では、平板状の被処理体３０であるウエハの両面にプラズマ発生装置１を配置し、ウエハ端部のエッチングを行う。より具体的には、実施の形態１では、図１１（Ａ）に示すように、プラズマ発生装置１をウエハの一方の面側のみに配置してエッチングすることとしたが、本実施の形態では、図１１（Ｂ）に示すように、ウエハの上面側、下面側にそれぞれプラズマ発生装置を配置して、ウエハの上下両面からプラズマジェットを照射する。これにより、ウエハ裏面部に付着した絶縁膜、金属膜等の薄膜をエッチングすることができる。さらに、本実施の形態では、ウエハの両面にプラズマを照射することにより加熱効果が高まるので、片面のみにプラズマを照射する場合と比較して、エッチングレートが高くなるという利点がある。図１１（Ｂ）では、ウエハ上面のプラズマ照射位置とウエハ下面のプラズマ照射位置とをずらした例を示しているが、ウエハの加熱をより効果的に行うためには両面のプラズマ照射位置を近づけることが好ましく、ウエハの同位置（ウエハ両面の対向する位置）に上下両面からプラズマを照射することとしてもよい。

また、実施の形態１の酸素ガスに代えて、四フッ化炭素（ＣＦ_４）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、塩素（Ｃｌ_２）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）等を反応性ガスとして用いることができる。これらの反応性ガスを、実施の形態１の酸素ガスと同様に、アーク放電部の下流部から導入することにより、陰極１１との接触を避けつつ、高密度の反応活性種を生成することができる。また、プラズマジェット照射によってウエハをプラズマ加熱しながら処理を行うことができるので、ウエハ両面に形成された絶縁膜、金属膜等の薄膜を高速でエッチングすることができる。

（実施の形態３）
上記実施の形態１及び２では、噴出口１４ａから下方にプラズマジェットを噴出させることとしたが、プラズマジェットの噴出方向を制御して、より広範囲をエッチングすることもできる。本実施の形態では、プラズマジェットの噴出方向を変化させ、広範囲でウエハのエッチングを行う方法について説明する。

本実施の形態では、プラズマ発生装置２がプラズマジェットの噴出方向を変化させる磁場印加部２０を備える点、及び噴出口１４ａの形状が長孔形状である点で実施の形態１に係るプラズマ発生装置１と異なる。その他、プラズマ発生装置２の構成及びプラズマ発生方法は、実施の形態１と同様であるので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

近年、半導体デバイスの微細化が進み、ナノメートルサイズのデバイスをリソグラフィで作製するために、ＥＵＶ露光（極端紫外線露光）によるリソグラフィ技術が開発されている。ＥＵＶ露光では、露光における焦点深度が浅くなるので、図１２の概念図に示すように、わずかなウエハの凹凸が露光不良の原因となる。したがって、ウエハ裏面の微細なパーティクルを除去することが求められる。

また、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の製造工程には、ガラス基板と有機膜とを接着、分離する工程が多く含まれる。これらの工程において、ガラス基板表面に残った有機物が欠陥を生じたり、パーティクルとなって歩留まりを低下させたりするおそれがある。そこで、本実施の形態では、プラズマ発生装置２によって生じるプラズマジェットを広範囲に照射して、対象物質の異物除去を行う。

具体的には、プラズマ発生装置２の噴出口１４ａは、長孔形状に形成されている。また、図１３に示すように、プラズマ発生装置２は、プラズマジェットの方向を変化させる磁場印加部２０を備える。本実施の形態に係る磁場印加部２０は、電磁石であり、噴出口１４ａと被処理体３０との間の、噴出口１４ａ近傍に配置される。また、磁場印加部２０は、長孔形状の噴出口１４ａの長手方向と直交する方向で、噴出口１４ａの両側に配置される。

プラズマ発生装置２は、長孔形状の噴出口１４ａの長手方向に直交する方向から、電磁石である磁場印加部２０を用いて交番磁場を印加する。これにより、プラズマ発生装置２は、噴出口１４ａの長手方向にプラズマジェットの噴出方向を変化させることができる（図１４）。さらに、交番磁場の周波数を高くすることにより、線状のプラズマジェットを発生させることができる。

本実施の形態では、アーク放電部の上流側からプラズマ生成ガスとして例えばアルゴンガス又は窒素ガスを供給し、アーク放電部の下流部に反応性ガスとして例えば酸素ガスを供給する。さらに、プラズマジェットの噴出方向を磁場印加部２０によって走査して線状のプラズマジェットを発生させる。そして、線状のプラズマジェットと直交する方向に被処理体３０又はプラズマ発生装置２を移動させることにより、ウエハ、基板等の被処理体３０の表面の異物を広範囲でエッチングし、除去することができる。

本発明は、ドライエッチングを行うプラズマ発生装置に好適である。特に、半導体製造プロセスにおいてフォトレジストをエッチングするプラズマ発生装置に好適である。

１，２ プラズマ発生装置、１１ 陰極、１１ａ 固定側端部、１１ｂ 先端部、１２ 導体、１２ａ 保持部、１２ｂ 陰極冷却部、１２ｃ 給水口、１２ｄ 排水口、１３ 絶縁部、１４ 陽極、１４ａ 噴出口、１４ｂ 入口部、１４ｃ 噴出部、１４ｄ 第１ガス導入部、１４ｅ 第２ガス導入部、１４ｆ 陽極冷却部、１４ｇ 給水口、１４ｈ 排水口、１５ 電源、２０ 磁場印加部、３０ 被処理体、ＥＳ 電極間距離

Claims (10)

1. 大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電によって熱プラズマを発生させる陰極と、
   発生させたプラズマジェットを噴出させる噴出口を有する陽極と、
   前記陰極と前記陽極との間でアーク放電が発生するアーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給する第１ガス導入部と、
   前記アーク放電部の下流部に、反応活性種を生成するための反応性ガスを供給する第２ガス導入部と、を備え、
   前記第２ガス導入部は、前記陽極に一体的に形成され、前記噴出口の噴出方向の中心よりも前記陰極に近い位置から前記反応性ガスを供給する、
   ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記陰極の前記アーク放電部側の先端部及び前記先端部と対向する前記陽極内壁は、テーパ角が９０°未満のテーパ状であり、
   前記噴出口の直径は、１ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記噴出口の長さは３ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記陰極の材料は、マルエージング鋼、インコネル及びステンレス鋼のいずれかである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記噴出口の近傍に配置され、磁場を印加することにより前記プラズマジェットの噴出方向を変化させる磁場印加部を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記噴出口は、長孔形状であり、
   前記磁場印加部である電磁石を用いて交番磁場を印加することにより、線状の前記プラズマジェットを噴出させる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマ発生装置。
7. アーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給し、
   アーク放電部とプラズマジェットの噴出部との間の噴出方向の中心よりも前記アーク放電部に近い位置に反応活性種を生成するための反応性ガスを供給し、
   大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電により熱プラズマを発生させる、
   ことを特徴とするプラズマ発生方法。
8. アーク放電部の上流部にプラズマ生成ガスを供給し、
   アーク放電部とプラズマジェットの噴出部との間の噴出方向の中心よりも前記アーク放電部に近い位置に反応活性種を生成するための反応性ガスを供給し、
   大気圧又はその近傍の圧力下で直流アーク放電により熱プラズマを発生させ、発生させたプラズマジェットを、被処理体上のエッチング対象物質に照射してエッチングを行う、
   ことを特徴とするエッチング方法。
9. 平板状の前記被処理体の両面に、それぞれ前記プラズマジェットを照射して、前記被処理体の両面をエッチングする、
   ことを特徴とする請求項８に記載のエッチング方法。
10. 前記プラズマジェットを噴出するプラズマ発生装置の噴出口と、前記被処理体表面との距離は３ｍｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載のエッチング方法。