JP2657850C

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Publication number: JP2657850C
Authority: JP
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Publication date: 1999-10-12

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明は大気圧で安定に放電させることが出来、且つ、低温な放電プラズマを
得ることができるプラズマ発生装置に関するものであり、また、この装置を用い、大気圧雰囲気
で基盤を加熱することなくエッチングする方法に関するものである。また、本発明のプラズマ発生装置では円筒内の微小領域にプラズマを閉じ込め
て、微細加工に応用することもできる。「従来技術」大気圧状態は低電界では絶縁体であるが、直流、交流、インパルス等の高電界
を印加すると絶縁破壊を起こし電流が流れるようになる（自続放電）。自続放電
はコロナ放電、グロー放電、アーク放電に分けられる。平等電界のときには自続
放電に移るとただちに全路破壊し、グロー放電もしくはアーク放電に移行するが
、不平等電界のときにはまず、電界の強い局部のみ絶縁破壊され、コロナ放電が
起こる。その後さらに電界を強くすると全路破壊に発展していく。大気圧空気中
では通常全路破壊に移行するとき、グロー放電を経ずに速やかにアーク放電に移
行することが多い。これは、アーク放電の特徴は入射イオンに起因する電極加熱による熱電子放出（陰極
輝点の存在）であるが、高圧力では電極に入射するイオン数が低圧力時に比べて
多いため、非常に短い時間で電極が加熱され、熱電子放出されるようになるため
と考えられている。電流が２Ａ以下の場合にはグロー放電する場合も知られてい
るが、制御性が良くなく、溶接加工、切断等の応用に用いられているのはアーク
放電である。アーク放電はその電極温度の高さ、陽光柱温度（ガス温度）の高さを利用して
、被加工物を溶解、溶断することに用いられるので、被加工部は2000〜6000Kの
高温となる。よって、被加工物を加熱することなく加工することができない。そこで、室温での基盤処理、加工等を可能とするため、大気圧でのグロー放電
を安定に生じさせる試みが行われている(S.Kanazawa et.al．J.Phys.D:Appl.Phy
s.21(1988)838-840)。大気圧で安定にグロー放電させるためには、1.放電空間を
Heで充満する事、2.電極間に（放電経路に）絶縁体を挿入する事、3.少なくとも一方の電極は針状もしくはブラシ状とする事、4.印加
電界の周波数は3kHz以上とする事、が必要条件として知られている。絶縁体は放
電がアーク放電に移行しないようにするため、印加電界周波数が3kHz以上なのは
絶縁体を通して電流を流すため、電極形状を針状もしくはブラシ状とするのは、
電界を不均一電界とすることにより放電を開始しやすいようにするためである。
これらの方法によりポリイミド等の有機物、シリコン等の無機物の表面をエッチ
ング等処理を行うことも試みられている。しかしながら、これら方法は、大気圧で処理するものでありながら、反応空間
内を一旦真空に減圧しその後ヘリウム等のガスを充填するという工程を経ねばな
らない。また、基盤の処理は基盤上に於て均等に行われ、微小な領域を選択的に
処理することができないという欠点があった。「本発明の構成」そこで、本発明では前記の欠点を克服するため、一旦真空に減圧する工程を経
ることなく安定な低温プラズマを形成し、該プラズマを微小な領域に閉じ込め、微小領域の加工
、表面処理、エッチングを可能としたものである。そのため、金属等の導電体で構成された電極を同心円筒状に配し、該電極の隙
間に円筒状絶縁体を同心円となるようにまた、外側電極に接するように挿入し、
該絶縁体と中心電極の隙間にヘリウムを主体とする気体を大気圧状態で送流状態
に保持し、前記電極間に交流電界を印加して前記ヘリウムを主体とする気体を電
離することにより前記絶縁体と中心電極の隙間にプラズマを生ぜせしめた。第１図に概念図を示す。中心導体(11)と外側導体(12)の間に円筒状絶縁体(13)
を配し、中心導体(11)と外側導体(12)を各々電極としてそれらに交流電源(14)よ
り交流電界を印加する。放電空間(15)にはヘリウムを主成分とするガスをボンベ
(17)より流量制御器(16)を通して送流状態で供給する。中心導体(11)は直接プラズマに曝されるためタングステン、タンタル等スパッタに強い金属が有効である。また、ヘリウムを主
体とする気体に弗素、塩素等エッチング作用の強いハロゲン系の元素を含むガス
を添加した場合は金、白金等のハロゲン系元素にエッチングされにくい金属で構
成するか、表面にコーティングするのがよい。中心導体(11)の外径と外側導体(1
2)の内径は次式を満たしていることが望ましい。（外側導体の内径）／（中心導体の外径）≧３これは中心導体(11)と外側導体(12)の間の電界が不平等となる条件（コロナ発
生条件）となっており、放電開始が容易となる条件である。前記条件はあくまで
望ましい条件であり、前式の比が３よりも小さく、１に近い値であったとしても
（実際には中心導体(11)と外側導体(12)の間に円筒状絶縁体(13)が挿入されるた
め１にはならない）、放電はコロナ放電を経由する事なくグロー放電を起こすだ
けであり、放電を起こす限りは本発明の内容を限定するものではない。円筒状絶縁体(13)は前記電極間で放電がアーク放電に移行しないように設けたものであり、石英ガラス、アルミナ等の無機物、
テフロン、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の有機物
を用いることができる。尚、放電に曝され、多少温度が上昇する可能性が存在す
るため、耐熱性の高い石英ガラス、アルミナ等が有効である。また、絶縁体の誘
電率は大きいほど中心導体と絶縁体間のギャップにかかる電圧は高くなるため、
より放電開始しやすくなる。よって、アルミナ、ソーダガラス等が有効である。円筒状絶縁体の厚さは絶縁体の比誘電率によって変わり、また、中心導体と絶
縁体間ギャップはあまり大きすぎると実用的な交流電源の出力電圧を越えるため
、以下の範囲にすることが適当である。即ち、絶縁体と中心電極の隙間は1mm以
下であり、前記絶縁体の比誘電率と厚さの関系は、厚さ(mm)／比誘電率＝0.2以
下とするのがよい。交流電源の周波数の下限は放電経路に挿入された絶縁体によって発生する容量
性のサセプタンスで決定される。即ち、単位長さ当りの容量Ｃは中心導体と絶縁体間のギャップ容量Ｃｇと絶縁体容量Ｃｉとの直列合成容量で表わ
され、各々となる。ただし、中心導体半径をａ、絶縁体内径をｂ、外側電極内径をｃ、絶縁
体の誘電率をε、真空の誘電率をεｏとする。同心円筒電極間に印加される電界
は上記ＣｇとＣｉの比で分圧される。絶縁体によるサセプタンスの値ωＣが10^-6
［S］以上あれば放電は安定していることは実験により確かめられている。よっ
て、ａ，ｂ，ｃを各々0.5,0.85,1.25[mm]、同軸円筒の長さを13mmとし、絶縁体
に石英を用いるとすると比誘電率は3.8であるため、Ｃｉ＝１３pFとなり、約１
２kHz以上の周波数を用いればよいこととなる。放電空間(15)に供給されるヘリウムを主成分とするガスはヘリウムが70％以上
含まれていることが必要である。放電により供給されるエネルギーは主に多数粒
子であるヘリウムを電離もしくは励起し、該励起ヘリウム原子は寿命の長い準安定状態（2³S₁,2¹S₀）に留まる。こ
の寿命は約0.1msec〜1secと長いものであり、この時間内に励起ヘリウム原子は
数ｍｍ移動することができる（流速が200〜500mm/secとした場合）。また、前記
準安定状態のエネルギーは19.8,20.96eVと高いため、他の添加ガスを電離、励起
することができる。よって、ヘリウムを用いると放電領域外に励起ヘリウム原子を運び出し、該励
起ヘリウム原子の高いエネルギーを利用して、放電領域外で反応を起こすことが
できる。添加ガスとしてはＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスの他にＣＦ₄、ＣＣｌ₄、
ＮＦ₃、等ハロゲンを含むガスを用いることもできる。ハロゲン系ガスを用いる
とエッチングすることが可能となる。Ａｒを添加ガスとした場合はＡｒ濃度を７
０％以上にすると放電せず、ＣＦ₄を添加ガスとした場合はＣＦ₄濃度を４％以上
にすると放電しないという実験事実がある。また、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄等の炭化水素系ガスを添加すると炭素膜の成膜も可能で
ある。ＳｉＨ₄等を用いれば珪素膜の成膜も可能であるが、開放状態での成膜と
なるため危険性が高い欠点となる。前述のように反応ガスをヘリウムに混合して放電空間に導入するほかに、準安
定励起ヘリウム原子の寿命の長いことを利用して、ガス流によりヘリウムラジカ
ルを基板表面等反応させたい領域に輸送し、該領域に反応ガスをノズル等で供給
する方法もある。また、反応させたい領域にはイオンは到達せず、ラジカルのみ
供給させ得るから、被反応物に電流が流れることがない。よって、被反応物とし
て生体を選ぶこともできる。即ち、歯や爪を前記ラジカルもしくは必要に応じて
供給されたエッチングガスのラジカルにより削ることも可能である。なお、本発明のプラズマ発生装置は供給ガス流量を制御することにより、ラジ
カルの到達距離を制御することができる。絶縁体内径を0.85mmとした場合７０sccmのガス供給で流速は約500mm/secとなる。供給ガス流量を増せば
それに比例して流速は増し、ラジカルの到達距離も長くなる。また、被エッチング物は放電領域外の基板ばかりでなく、放電空間内の電極自
体が被エッチング物になる場合もある。これを利用して非常に鋭い尖端を有した
針状物を形成することもできる。「実施例１」本実施例では、同軸円筒状の放電領域を形成しヘリウムを導入して交流電界を
印加しプラズマを形成したものをその寸法等具体的に述べる。第２図に本発明のプラズマ発生装置の断面図をしめす。同軸円筒電極は中心導
体（１１）、円筒状絶縁体（１３）、外側導体（２９）より構成される。本実施
例では中心導体（１１）はタングステン、円筒状絶縁体（１３）は石英ガラス、
外側導体（２９）はステンレスを用いた。中心導体（１１）はＭＨＶ同軸接栓（
２１）に接続され、ＭＨＶ同軸接栓（２１）につながれた同軸ケーブル（図示せ
ず）を介して交流電源より交流電界が印加される。中心導体（１１）と円筒状絶縁体（１３）の間に供給されるヘリウ
ムは、ガス導入口（２０）より供給され、テフロン製絶縁体（２２）（２７）の
間を通って流れ込む。テフロン製絶縁体（２２）（２７）は不要な場所での放電
を防止する役割もある。匡体（２３）（２８）は締めつけ治具（２５）（２６）
により固定される。匡体（２３）（２８）と締めつけ治具（２５）（２６）はス
テンレスで作製され、外側導体（２９）と共に接地電位に保たれる。なお導入さ
れたヘリウムは各部品の隙間より漏れないようにＯリング（２４）でシールされ
ている。また、円筒状絶縁体（１３）と外側導体（２９）の隙間は導電性の金属
フォイルで埋めた（図示せず）。外観を第３図にしめす。架台（３３）にプラズ
マ発生装置（３２）が保持されている。下部に放電部（３１）が見られる。（な
お、放電している様子を写した写真を参考に添付する。）上記の装置にヘリウムを150sccm供給し、周波数13.56MHzの高周波電力を70Ｗ
加えたところ安定な放電が得られることを観測した。なお、中心導体の直径は１ｍｍ、絶縁体外形
は２．５ｍｍ、絶縁体厚さは０．４ｍｍである。放電は直径１．７ｍｍの領域で
発生していることが分かる。（参考写真参照）「実施例２」本実施例ではエッチングガスとしてＣＦ₄をヘリウムに１〜３％添加し、シリ
コン及びアルミナをエッチングした場合のエッチング効果について述べる。プラズマ発生装置は「実施例１」と同じものを用いた。電源周波数は13.56MHz
であり、電力は70Ｗ、ガスの総流量は70sccm、放電領域から（円筒絶縁体の端面
から）基板までの距離は１ｍｍである。ＣＦ₄の添加量と反応時間を変えた場合
のエッチング効果を下表に示す。尚、エッチング効果の評価ランクは以下のように定めた。 ○：表面粗さ測定で効果の見られたもの。 △：表面粗さ測定で効果が若干見られたもの。 ×：表面粗さ測定で効果が見られなかったもの。「比較例」本比較例ではヘリウムのみでシリコンをエッチングした場合のエッチング効果
について述べる。プラズマ発生装置は「実施例１」と同じものを用いた。電源周波数は13.56MHz
であり、電力は70Ｗ、ヘリウムガスの流量は70sccm、放電領域から（円筒絶縁体
の端面から）基板までの距離は１ｍｍ若しくは２ｍｍである。上記のように原料ガス中にエッチングガスを含めた場合は非常に短時間であっ
てもそのエッチング効果があることが分かる。なお、ヘリウム１００％の時とＣＦ₄を１％添加した時のプラズマを作用させ
た場合の処理後シリコン基板表面の表面粗さ状態の代表的なプロファイルを各々
第４図と第５図に示す。縦軸は表面に垂直な方向の距離を示す。０μｍが本来の
シリコン表面のレベルである。第５図ではエッチングされていることが明らかであ
るが、第４図ではエッチングされていない。０μｍ（本来のシリコン表面のレベ
ル）より高くなっている部分があるが、ＥＰＭＡ測定の結果より中心電極材料で
あるタングステンが堆積していると思われる。処理条件を以下に記す。ヘリウム１００％の時（第４図）電源周波数 13.56MHz 投入電力８０Ｗガス流量７０sccm 反応時間６０分ＣＦ₄１％添加した時（第５図）電源周波数 13.56MHz 投入電力７０Ｗガス流量７０sccm 反応時間３０秒「効果」以上述べたように、本発明のプラズマ発生装置を用いると、通常の大気雰囲気
で安定な放電が得られ、小さな領域でプラズマを発生させることができる。また、ヘリウムガス中に１％程度のＣＦ₄を添加することによりエッチング作
用のあることが確認された。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明のプラズマ発生装置の概略図を示す。第２図は本発明のプラズマ発生装置の具体例を示す。第３図は本発明のプラズマ発生装置の外観を示す。第４図はヘリウム１００％時のプラズマを作用させた後のシリコン基板表面の表
面粗さ状態を示す。第５図はＣＦ₄を１％添加した時のプラズマを作用させた後のシリコン基板表面
の表面粗さ状態を示す。

Claims

【特許請求の範囲】（１）中心電極と、前記中心電極を囲む外側電極と、前記中心電極と前記外側電極の間に位置して設けられ、前記中心電極と前記外
側電極との間のアーク放電への移行を妨げる、円筒状絶縁体と、前記中心電極と前記円筒状絶縁体との間の放電空間を規定する、前記中心電極
、前記外側電極及び前記円筒状絶縁体を支持する手段と、前記中心電極と前記外側電極との間に交流電界を発生させる、前記中心電極と
前記外側電極に接続された交流電源と、前記放電空間内にガスを供給する気体供給装置とを備えてなるプラズマ発生装置において、前記中心電極と、前記外側電極と、前記円筒状絶縁体は、同心円状に配置され
、前記円筒状絶縁体と前記中心電極との間は１mm以下で且つ前記円筒状絶縁体の
比誘電率と厚さとの関係は、厚さ(mm)／比誘電率＝0.2以下であることを特徴と
するプラズマ発生装置。（２）請求項１において、前記ガスはヘリウムであることを特徴とするプラズマ
発生装置。（３）中心電極と、前記中心電極を同心円状に囲む外側電極と、前記中心電極と前記外側電極の間に同心円状に且つ前記中心電極との間が１mm
以下に位置して設けられ、比誘電率と厚さとの関係が厚さ(mm)/比誘電率＝0.2以
下であり、前記中心電極と前記外側電極との間のアーク放電への移行を妨げる、
円筒状絶縁体と、前記中心電極と前記円筒状絶縁体との間であって、開口を介して大気に開放さ
れている、放電空間を規定する、前記中心電極、前記外側電極、前記円筒状絶縁体を支持する手段と、前記中心電極と前記外側電極との間に交流電界を発生させる、前記中心電極と
前記外側電極に接続された交流電源と、前記放電空間内にガスを供給する気体供給装置と、を備えたプラズマ発生装置を用いて、前記ガスを、前記放電空間に導入し、前記中心電極と前記外側電極との間に、前記放電空間を介して前記交流電界を
発生させることにより、放電を発生させて、プラズマを形成し、前記プラズマを前記開口を通して外に出させ、前記プラズマを用いて被処理体にプラズマ処理を実行することを特徴とするプラズマ処理方法。（４）請求頂３において、前記放電はグロー放電もしくはコロナ放電であること
を特徴とするプラズマ処理方法。（５）請求項３において、前記ガスはヘリウムを主体とするものであることを特
徴とするプラズマ処理方法。（６）請求項５において、前記ガスは、粒子数においてヘリウムが70％以上であ
ることを特徴とするプラズマ処理方法。（７）請求項３において、前記ガスにエッチングガスを含ませて、エッチングを
行うことを特徴とするプラズマ処理方法。（８）請求項７において、前記エッチングガスは、ハロゲン系元素を含んでいる
ことを特徴とするプラズマ処理方法。（９）請求項８において、前記ハロゲン系元素はＣＦ₄、ＣＣｌ₄、またはＮＦ₃
であることを特徴とするプラズマ処理方法。