JP2902717B2 - プラズマエッチングによる半導体基体の加工方法 - Google Patents

プラズマエッチングによる半導体基体の加工方法

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【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、半導体基体をプラズマエッチングによって
所望の形状のマイクロ機構部品とする加工方法に関す
る。
〔従来の技術〕
最近注目されているマイクロ機構部品は、材料として
シリコンのような半導体を用い、それを加工して微細な
形状に成形することにより製造される。その加工方法と
しては、放電加工あるいはワイヤーカットのような機
械,電気的加工、もしくは半導体装置製造技術に用いら
れているエッチングのような物理,化学的な加工が用い
られる。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の加工技術のうち、放電加工は要求精度に応じて
高精度の加工ができるが、加工面に加工変質層が残るこ
と、あるいは一度に多数の部品の加工ができないため、
部品1個あたりの加工時間が長くかかる等の欠点があ
る。ワイヤーカットによる加工は直線的な加工しかでき
ないため、要求される形状に対応できないことがある。
半導体装置製造技術に用いられるエッチング法には、
ウェットエッチングとプラズマエッチングのようなドラ
イエッチングがある。強酸を用いるウェットエッチング
では、例えば直径1〜2mm、深さ300μm程度の凹部の加
工が可能である。しかしエッチングが等方的であるた
め、第11図に示すように、シリコン基板1の表面にマス
ク21を被着してエッチングすると生じる凹部22がマスク
の下23に入り込むサイドエッチング量が多く、高精度で
平面を形成する加工ができない問題点がある。単結晶シ
リコンの面方位によりエッチング速度が異なることを利
用してウェットエッチングにより異方性エッチングを行
うことは可能だが、この方法では加工面の方向、加工で
きる角度も限定されてしまうため、要求形状のマイクロ
機構部品を得ることがむずかしい。
シリコン基板に異方性エッチングを行う方法として、
シリコン酸化膜を用いて行うドライエッチングがある。
ところが、マイクロ機構部品の所望の形状を得るため
に、被加工部品の位置によって加工深さを変える必要が
生じる。異方性エッチングによりシリコン基板に深さの
異なる凹部を形成するには、マスクパターニングとエッ
チングを繰り返さなければならない。このために工程が
非常に長くなるという欠点がある。プラズマエッチング
では、第12図に示すように、シリコン基板1の表面上の
マスク21の開口部24,25の面積に差がある場合には、生
じる凹部26と27の深さに差が生じる。すなわち、エッチ
ング深さが基板1の露出面積に反比例し、露出面積の狭
いところでは深く、露出面積の広いところでは浅くな
る。しかし、同じ面積の凹部の深さを変えることができ
ない。
本発明の目的は、上述の問題を解決し、異方性加工の
できるプラズマエッチングにより半導体基体の位置によ
って深さの異なる加工を一回の工程で行う加工方法を提
供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、先ず本発明の参考手段に
よれば、反応ガスが導入される反応槽内に対向する二つ
の電極間にプラズマを発生させ、一方の電極に近接配置
した半導体基体のマスクに覆われない領域を選択的にプ
ラズマエッチングする際に、反応ガスの導入流量を所定
の値にすることにより、半導体基体の電極の中心部に対
向した部分と電極の外周部に対向した部分との加工深さ
を異ならせるものとする。
そして、本発明によれば、反応ガスが導入される反応
槽内に対向する二つの電極間にプラズマを発生させ、一
方の電極に近接配置した半導体基体のマスクに覆われな
い領域を選択的にプラズマエッチングする際に、該半導
体基体のマスクに覆われない領域内における半導体基体
のエッチング深さを異ならせるように、該領域内におけ
る半導体基体がエッチング深さに対応する温度分布を有
するようにすることとする。
プラズマエッチングにより半導体基体の同一の露出面
積を有する各部分を均一な深さに加工するには、反応槽
に導入する反応ガスの流量をある範囲内の値とする必要
があることがわかった。そして、流量をその範囲より多
くすると、プラズマが両電極の中心部内に集中し、その
結果プラズマ中の活性種も両電極間の中心部に集中する
ため、半導体基体のその中心部に対向した部分は深くエ
ッチングされ、それに比較して両電極間の外周部に対向
した部分は浅くエッチングされることがわかった。ま
た、上記の範囲より流量を少なくすると、プラズマが外
周部付近に集中し、半導体基体の電極間外周部に対向す
る部分の方が深くエッチングされることがわかった。こ
のような現象の起きる理由は未だ解明されていないが、
これを利用すれば半導体基体の位置により、その各部間
のプラズマエッチング加工深さを異ならせることが可能
になる。
プラズマエッチングは被加工半導体基体の温度が高い
ほど活発となり、エッチング速度が大きくなることか
ら、半導体基体の温度が均一でなければ異なった深さの
プラズマエッチング加工が可能になる。つまり、半導体
基体の温度を部分的に異ならせることにより、均一な温
度の半導体基体全面を均一にエッチングできるプラズマ
の条件でも、部分的に加工深さを異ならせることができ
る。
〔発明の実施の形態〕
プラズマエッチングには第2図に示す装置を用いた。
この装置は、反応槽11の中に上部電極12と下部電極13が
対向配置され、上部電極12にはブロックコンデンサ14を
介して高周波電源15が接続されている。下部電極は接地
され、その内側面を電極カバー16が被覆し、外側面には
冷却器17が接触している。反応槽11の上部には反応ガス
導入口18が設けられ、下部には排気管19が開口してい
る。
先ず、本発明の参考例を説明する。上記装置の電極カ
バー16の上に直径100mmのシリコン基板1を置き、反応
槽11内を排気管19から真空排気すると共に、ガス導入口
18からSF6ガスを30ccm、O2ガスを34.2ccmの流量で導入
し、槽内の圧力を0.2Torrとし、両電極12,13間に75Wの
電力を供給すると、第1図に示すような凹部3が、シリ
コン基板1のAlマスク2で覆われない部分に生じた。図
には誇張して示されているが、凹部3の深さは中心部で
250μm、外周部で220μmであった。次に同様にシリコ
ン基板1を電極カバー16上に置き、ガス導入口18からSF
6ガスを17.5ccm,O2ガスを7.5ccmの流量で導入し、槽内
圧力および電力については上記と同じ条件でプラズマエ
ッチングした。反応ガス中のO2の混合率も30%で、上記
の場合と変わらない。この場合は第3図に示すように中
心部が浅く、外周部が深い凹部3が形成された。外周部
の深さは250μm,中心部の深さは230μmであった。シリ
コン基板のマスクからの露出面積が同一な部分に均一な
深さの凹部を形成するためには、SF6ガスの流量を35〜5
0ccm,O2ガスの流量を15〜25ccmとし、槽内圧力を0.40〜
0.55Torr,電力密度を0.35〜0.50W/cm2とすることが必要
である。しかし、圧力をこの範囲から逸脱させても、異
なる深さの凹部を形成することはできなかった。
第4図は別の参考例を示し、この場合は第2図の電極
カバー16の外周部に近い所にシリコン基板を置いた。シ
リコン基板には表面に平行な条状のマスクを形成し、そ
のマスクの方向が下部電極13の直径方向になるようにし
た。そして上記の均一エッチングの条件よりも多い流量
のSF6とO2の混合ガスを導入したところ、中心部に近い
ところが深くエッチングされ、図示のように傾斜面41に
はさまれた条状部42を有するマイクロ機構部品4を製作
することができた。
さて、第5図に本発明の実施例に置いた電極カバー16
を示す。この電極カバーは、図(a)の平面図、図
(b)の断面図に示すように高熱伝導部5と低熱伝導部
6とからなる。高熱伝導部5は、例えばAlのような熱伝
導度の高い材料からなり、低熱伝導部6はAlに比べて熱
伝導度の低い、例えばNiのような材料からなる。このよ
うな電極カバーを用い、電極カバー16および下部電極13
を通して上に置くシリオン基板を冷却しながらプラズマ
エッチングを行う。プラズマエッチングが進行するにつ
れてシリコン基板に熱が発生する。電極カバーの冷却効
果の大きい高熱伝導部5の上に位置するシリコン基板の
部分は温度上昇が抑えられるのに比べ、冷却効果の小さ
い低熱伝導部6の上に位置するシリコン基板の部分は温
度が上昇する。その結果、第6図に示すような温度分布
が生じる。温度が10度上がると、エッチング速度は2μ
m/分から3μm/分に上昇する。このため、第7図に示す
ような断面形状をもつ凹部3をシリコン基板1に形成す
ることができた。
第8図は別の実施例の電極カバー16を示し、高熱伝導
部5が偏心した位置にある低熱伝導部6を囲んでいる。
この電極カバー16を用いた場合も中心を通る断面では第
7図に示す同様の形状をもつ凹部が形成された。第9図
はさらに別の実施例の電極カバー16を示し、二つの低熱
伝導部6を高熱伝導部5が囲んでいる。この電極カバー
16を用いる場合は、基板の温度の高い点が2箇所でき、
第10図に示す断面形状をもつ凹部3が形成された。第5
図および第8図,第9図の実施例においては、電極カバ
ー16を、高熱伝導部5と低熱伝導部6とから構成した
が、下部電極13自体をそのような構成とし、下部電極13
の上に電極カバー16を介さず直接シリコン基板を載置し
ても上記と同様の凹部を形成することが可能である。さ
らに基板の温度分布を変える方法を考案することによ
り、様々な形状の凹部の形成が可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、プラズマエッチングは被エッチング
半導体基体の温度が高いほど活発なことを利用し、被エ
ッチング半導体基体に温度分布を形成することによりエ
ッチング深さを調整することができ、半導体基体の異な
る部分に異なる深さの凹部あるいは半導体基体に傾斜し
た底面をもつ凹部を加工することが可能になった。
このような加工は、異方性であり、一回のエッチング
工程でできるため、特に高精度を要する微細なマイクロ
機構部品の製造に有効に利用できるほか、被加工材料も
シリコンに限定されないので、様々な加工に適用可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の参考例により加工されたシリコン基板
の断面図、第2図は本発明の実施に用いられたプラズマ
エッチング装置の断面図、第3図は別の参考例により加
工されたシリコン基板の断面図、第4図は参考例によっ
て得られたマイクロ機構部品の斜視図、第5図は本発明
の実施例に用いられた電極カバーを示し、そのうち
(a)は平面図、(b)は断面図、第6図は第5図の電
極カバー上に置かれたシリコン基板の温度分布図、第7
図は第5図の電極カバーを用いた実施例によって加工さ
れたシリコン基板の断面図、第8図および第9図はそれ
ぞれ本発明の他の実施例に用いられた電極カバーの平面
図、第10図は第9図の電極カバーを用いた実施例により
加工されたシリコン基板の断面図、第11図は従来のウェ
ットエッチングで加工されたシリコン基板の断面図、第
12図は異なる面積の開口部を持つマスクを用いてプラズ
マエッチングしたシリコン基板の断面図である。 1:シリコン基板、2:Alマスク、3:凹部、4:マイクロ機構
部分、5:高熱伝導部、6:低熱伝導部、11:反応槽、12:上
部電極、13:下部電極、16:電極カバー、18:反応ガス導
入口、19:排気管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−169729(JP,A) 特開 昭61−100935(JP,A) 実開 昭62−124847(JP,U) 実開 平2−45630(JP,U) 菅野卓雄「半導体プラズマプロセス技 術」産業図書(昭−55−7−10)P.43 〜46,P.108〜111,P.154〜165, P.226

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反応ガスが導入される反応槽内に対向する
    二つの電極間にプラズマを発生させ、一方の電極に近接
    配置した半導体基体のマスクに覆われない領域を選択的
    にプラズマエッチングする際に、該半導体基体のマスク
    に覆われない領域内における半導体基体のエッチング深
    さを異ならせるように、該領域内における半導体基体が
    エッチング深さに対応する温度分布を有するようにする
    ことを特徴とするプラズマエッチングによる半導体基体
    の加工方法
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