JP3545797B2

JP3545797B2 - Ｅｃｒエッチング装置

Info

Publication number: JP3545797B2
Application number: JP02667094A
Authority: JP
Inventors: 和博梅木; 正明佐藤; 昌仙佐藤; 省一秋山
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1994-02-24
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: JPH07233487A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は「ＥＣＲエッチング装置」に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超ＬＳＩの微細回路のパターニング等に用いられるＥＣＲエッチング装置は、所謂「ドライエッチング」を行うための装置の１種であり、「反応室」内に「エッチング対象物」を保持させ、反応のための「反応ガス」を導入し、マイクロ波放電や高周波電磁界を利用して、エッチングを行うものであり、反応ガス種の選択により、広範なエッチング対象物への適用が可能である。
【０００３】
エッチング対象物は、通常、基板と呼ばれる被エッチング物の表面に、エッチングすべきパターンを持ったパターン物質が形成され、パターン物質と基板が選択的に、又は共にエッチングされることにより、パターン物質の有する平面形状あるいは表面形状が基板の表面に「彫り写さ」れる。
【０００４】
パターン物質と基板が共にエッチングされる場合には、パターン物質に対するエッチング速度と基板のエッチング速度の比である「選択比」は、エッチングの品質を決める重要な因子である。選択比が狂うと、エッチングにより基板に彫り写された形状が意図したものとならない。逆に、エッチング中に選択比を意図的に変化させることにより、パターン物質の表面形状を変形させた状態で、基板に彫り写すことができる。
【０００５】
基板材料とパターン物質のエッチング速度の比である選択比：Ｓは、基板の材料、パターン物質、反応ガスが決まった状態では、選択比：Ｓは、反応ガスの導入量：Ａ、エッチング対象物の温度：Ｂ、反応室内の圧力：Ｃ、マイクロ波実効電力（マイクロ波放電電流のパワー）：Ｄ、高周波実効電力（高周波電磁界のパワー）：Ｅの関数として、
Ｓ＝ｆ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）
として与えられ、この関数形は実験的に知ることができる。
【０００６】
従来、選択比の設定は、パラメータ：Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを、上記の関数：Ｓ＝ｆ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）により決定し、決定されたパラメータ：Ａ＝ａ，Ｂ＝ｂ，Ｃ＝ｃ，Ｄ＝ｄ，Ｅ＝ｅが、実現するように、反応ガスの導入量、エッチング対象物の温度、反応室内の圧力、マイクロ波実効電力、高周波実効電力を、手動で設定し、時間ごとに調整しつつエッチングを行っていた。
【０００７】
このため、何らかの事情で、エッチング中に反応室内で上記条件が変化し、その結果、選択比が変動した場合、その事実はエッチングの結果を検査するまで分からず、このためエッチング結果に対する制御が難しく、「歩留まり」が低いという問題があった。
【０００８】
また、エッチング対象物の温度の影響の重大さにも拘らず、エッチング対象物の温度変動に対する有効な対策は、従来、全く講じられていなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上述の事情に鑑みてなされたものであって、エッチング対象物の温度を容易に制御できるＥＣＲエッチング装置の提供を目的とする。
【００１０】
この発明はまた、反応ガスの量、エッチング対象物の温度、反応室内の圧力、マイクロ波実効電力、高周波実効電力を容易に制御でき、選択比等のエッチング条件を容易に制御可能なＥＣＲエッチング装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の「ＥＣＲエッチング装置」は、ＥＣＲエッチングを行うための装置である。ＥＣＲエッチング装置は、冷却手段と、温度検出手段と、制御手段とを有する。
【００１２】
「冷却手段」は、反応室内において、エッチング対象物を保持する保持部を通じて、エッチング対象物を冷却する装置である。
「温度検出手段」は、保持部に保持されたエッチング対象物の温度を検出する手段である。
【００１３】
この発明のＥＣＲエッチング装置は、上記ＥＣＲエッチング装置の構成において、反応室内に導入する反応ガスの流入量を検出・調整するマスフローコントローラと、マイクロ波発生装置と、高周波発生装置と、コンダクタンスバルブとを、制御手段がプログラム制御する。
【００１４】
「マイクロ波発生装置」は、周知の如く、ＥＣＲエッチング装置に無極放電であるマイクロ波放電（プラズマ放電）を発生させるため装置である。
「高周波発生装置」は、周知の如く、エッチング対象物の表面にイオンシース（電解）を発生させ、マイクロ波放電で発生されたイオンを加速・活性化し、エッチング対象物に垂直に衝突させるための高周波電磁界を発生する装置である。
【００１５】
「コンダクタンスバルブ」は反応室からの排気流量を調整することにより、反応室内の圧力を調整するバルブである。
【００１６】
従って、ＥＣＲエッチング装置は、上記パラメータ：Ａ〜Ｅをプログラム制御するものであり、このため、マスフローコントローラは「検出量」を、マイクロ波発生装置と高周波発生装置は、それぞれの「実効電力」を、それぞれ、制御手段に入力するようになっており、反応室内の圧力を検出する圧力計も、その「検出値」を制御手段に入力するようになっている。
【００１７】
「制御手段」は、コンピュータもしくは専用のＣＰＵで構成され、入力される情報（パラメータ：Ａ〜Ｅ）を、予めプログラムされた制御内容に従って処理し、これらパラメータを調整することにより所望のエッチング条件を実現する。
ＥＣＲエッチング装置は、上記Ａ〜Ｅの関数：Ｓ＝ｆ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）により、基板の材料、パターン物質、反応ガスに応じて定まる選択比：Ｓを、温度検出手段が検出する温度：Ｂの変化に応じ、制御手段により、温度：Ｂを、上記選択比を維持できる温度範囲内にプログラム制御し、また制御手段により、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅをプログラム制御で別の選択比となるように設定しなおして選択比の制御を行う構成とすることも考えられる。
この発明のＥＣＲエッチング装置は、上記Ａ〜Ｅの関数として、基板の材料、パターン物質、反応ガスに応じて定まるエッチング条件の変動を、温度検出手段が検出する温度：Ｂの変化に応じ、制御手段により、温度：Ｂとともに上記Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅの１以上を変化させることにより、設定条件に戻すように制御することを特徴とする。
【００１８】
【作用】
例えば、超ＬＳＩの微細回路のパターニングには、エッチングパラメータの正確な制御が必要である。中でも、ウエハー即ちエッチング対象物の温度は、アンダーカットやテーパーのエッチング等、エッチング形状や選択比の制御に重要な因子であることが分かっている。即ち、エッチングは「表面現象」であるため、エッチング対象物の表面温度が吸着物等、表面の状態を大きく変え、エッチングに極めて広範且つ重大な影響を及ぼすのである。
【００１９】
前記パラメータ：Ａ〜Ｅのうち、エッチング対象物の温度：Ｂ以外の、Ａ（反応ガスの導入量）、Ｃ（反応室内の圧力）、Ｄ（マイクロ波実効電力）、Ｅ（高周波実効電力）は、一旦設定すれば比較的安定しているが、エッチング対象物の温度：Ｂは、エッチングの進行に伴い変動し易い。ＥＣＲエッチングにおいて、エッチング対象物の温度は、主として、エネルギー粒子の衝突による「プラズマ加熱」により、一般に、エッチング時間の経過とともに上昇する傾向がある。
【００２０】
そこで、この発明のＥＣＲエッチング装置では、エッチング対象物の温度を検出し、検出温度に応じて、冷却手段を制御し、エッチング対象物の温度変動を補正して、温度変動にともなうエッチング条件の変動を補正するのである。
【００２１】
選択比等のエッチング条件は、前述の通り、パラメータ：Ａ〜Ｅの関数として定まるから、例えば、エッチング対象物の温度：Ｂが初期の設定値：Ｂ_０から変動したとき、エッチング条件を当初の設定条件に戻すには、前術の如く、温度：Ｂ自体を、当初の設定温度に戻してもよいが、この発明のように、温度：Ｂ以外の、パラメータＡ，Ｃ，Ｄ，Ｅのうちの１以上を変化させることによっても、当初のエッチング条件へ戻すことが可能である。勿論、パラメータ：Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅの一つ以上の制御とともに、温度：Ｂの制御も行う。
【００２２】
温度：Ｂを制御するために、冷却手段を制御しても、制御の結果が温度：Ｂに現れるのには、少なくとも１０秒オーダーの時間がかかるが、Ａ（反応ガスの導入量）、Ｃ（反応室内の圧力）、Ｄ（マイクロ波実効電力）、Ｅ（高周波実効電力）は、何れも、極めて短時間で調整することができるので、これらパラメータによる制御を併用することにより、エッチング条件を「きめ細」かく制御することができるのである。
【００２３】
また、パラメータ：Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅを一定に制御したままで、温度：Ｂのみの調整でエッチング条件を変化させる場合、変化できる領域が制限されるが、温度：Ｂと、他のパラメータとの組合せでエッチング条件を変化させることにより、広い領域でエッチング条件を変化させることが可能になる。
【００２４】
【実施例】
以下、具体的な実施例を説明する。
図１は、この発明の１実施例を説明するための図である。図１（ａ）において、符号１０は「反応室」を示し、符号１２は、反応室１０内に導入する反応ガスを封入したガスボンベを示す。ガスボンベ１２は、レギュレータ１４と、符号１６で示す「マスフローコントローラ」を介して反応室１０に連結されている。マスフローコントローラ１６は、反応ガスの流量を検出・調整する機能を持ち、コントローラー内に記された「ニ」は、反応ガスの流量の検出値を表す。
【００２５】
また、符号１８で示す「マイクロ波発生装置」は、マグネトロンで２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生し、発生したマイクロ波を矩形，円形の導波管を介して図示されない放電管（通常は石英製）に真空封止されている放電室に導入して、「マイクロ波放電」を発生させるようになっている。
【００２６】
マイクロ波放電で発生した荷電粒子（イオン）は、符号２０で示す「高周波発生装置」と、符号６０で示す「永久磁石」とにより反応室内へ導かれ、エッチング対象物１０に対し垂直方向に、プラズマを作用させることができるようになっている。
【００２７】
マイクロ波発生装置１８内に記された「イ」及び、高周波発生装置２０内に記された「ロ」は、これらの装置１８，２０の「パワー」、即ち、「実効電力」を表している。反応室１０内の圧力は、圧力計２２により検出され、圧力計２２内に記された「リ」は検出された「圧力」を表している。
【００２８】
符号０で示す「エッチング対象物」は、反応室１０内において、符号２４で示す「保持部」により保持される。保持部２４は箱状であって、内部に冷却媒体である「エタノールまたは液体窒素」を循環させるパイプを有している。このパイプは、「冷却手段」である冷却装置２８に繋がり、冷却装置２８により、冷却媒体がパイプ内に循環させられる。なお、保持部２４の箱体の内部には、エッチング対象物と上記パイプとの間の熱伝導率を高めて冷却効果を上げるために、ヘリウム等のガスが導入されている。
【００２９】
冷却装置２８内に記された「ヘ」は、冷却装置２８の「パワー」である。
符号２６で示す「温度検出手段」は、保持部２４に保持されたエッチング対象物０の温度を検出するようになっており、「ト」は、検出された「温度」を示している。符号３０で示す「コンダクタンスバルブ」は、排気ポンプ３２による反応室１０内からの排気流量を調整するバルブで、「ハ」は、調整された「排気流量」を表している。
【００３０】
図１（ｂ）は、コンピュータにより具体化された制御手段５０と、その入・出力関係を示している。
制御手段５０には、マスフローコントローラ１６が検出する反応ガスの流量の検出値「ニ」、マイクロ波発生装置１８のマイクロ波実効電力「イ」、高周波発生装置２０の高周波実効電力「ロ」、圧力計２２の検出した圧力「リ」、温度検出手段２６が検出したエッチング対象物０の温度「ト」の、各出力「ＯＵＴ」が入力される。
【００３１】
制御手段５０は設定されているプログラムに従い、上記各入力の入力量に応じて、目的とする形状を実現するために設定された各設定値に、各パラメータを近付けるための制御用の出力値「イ」、「ロ」、「ハ」、「ニ」、「ヘ」の各出力「ＩＮ」を出力する。
【００３２】
出力「イ」、「ロ」は、それぞれマイクロ波発生装置１８、高周波発生装置２０の実効電力を、制御手段５０が演算した最適値に、自動的に調整・設定する。出力「ハ」、「ニ」は、それぞれコンダクタンスバルブ３０の排気量と、マスフローコントローラ１６における反応ガスの流量を調整・設定し、これにより反応室１０内の圧力が最適値に調整される。出力「ヘ」は、冷却装置２８のパワーを調整する。このようにして、前記パラメータ：Ａ〜Ｅが調整され、所望のエッチング条件が実現される。
【００３３】
最後に、具体的な例を挙げる。
エッチング対象物として、図２（ａ）に示す如きものを用意した。エッチング対象物は、石英の基板１００を被エッチング物とし、その表面にフォトレジスト２００をパターン物質としてパターンを形成したものである。
【００３４】
即ち、石英の基板１００の平滑な表面に、東京応化工業製のポジ型フォトレジスト：ＯＦＰＲ８００（商品名）をスピンコートし、プリベークして、所定の厚さのフォトレジスト層とし、次いで、直径：０．２５ｍｍの黒円形状をアレイ配列したマスクをフォトレジスト層の表面に密着させて露光を行い、現像により上記黒円形状に対応する円柱状のフォトレジストのアレイを基板１００上に得、その後、フォトレジストを加熱して、フォトレジストの熱流動によりフォトレジスト表面を球面化させた。
【００３５】
このようにして、図２（ａ）に示すような、凸球面形状を持ったフォトレジストのアレイとして、パターン物質２００が得られた。
この、パターン物質２００の表面形状をＥＣＲエッチングにより、基板１００に彫り写すのであるが。ＥＣＲエッチングプロセスにおける選択比を、図３に示すように制御した。即ち、エッチング開始から、時間：Ｔ_１までは、選択比：１でエッチングを行い、その後、エッチングが終了する時間：Ｔ_２までは、選択比：０．５でエッチングを行うのである。
【００３６】
反応ガスとしては、Ｏ_２，ＣＨＦ_３、Ａｒを用いた。
図４に、エッチングプロセスのフロー図を示す。
先ず、選択比が１となるようにパラメータ：Ａ〜Ｅを設定し、時間：ｔを０に設定してＥＣＲエッチングを行う。このエッチングを時間：ｔがＴ_１になるまで実行し、その間、選択比：１を維持するようにパラメータ：Ａ〜Ｅを制御する。
【００３７】
時間：ｔがＴ_１になったら、選択比が０．５となるように、パラメータ：Ａ〜Ｅの設定し直しを行う。その後、選択比：０．５を維持するように制御を行いつつエッチングを行い、時間：ｔ＝Ｔ_２でエッチングを終了する。
【００３８】
図５には、パラメータ：Ａ〜Ｅの設定と、パラメータ：Ａ〜Ｅの維持に関するフロー図を示す。スタート後の、「パラメータ：Ａ〜Ｅの設定」は、選択比：１または０．５に応じて実行する。図に示すフローは、最後の時間が「Ｔ_１」となっているところから明らかなように、選択比を１として、時間ｔ＝０からＴ_１までエッチングを行う工程における制御フローを示すものである。
【００３９】
パラメータ：Ａ〜Ｅが設定されたら、エッチングが行われるが、パラメータのうち、温度：Ｂを除く、他のパラメータ：Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、設定された設定値を維持するように制御される。
【００４０】
温度：Ｂは、選択比：１を維持出来る温度範囲「ｂ_１≧Ｂ≧ｂ_２」の範囲内に制御され、検出された温度：Ｂが上限値：ｂ_１以上となったら、冷却装置２８のパワーを増大させて冷却を強め、下限値：ｂ_２以下になったら、冷却装置２８のパワーを弱めて、冷却を弱める。
【００４１】
図２に於ける（ｂ）は、選択比：１で、時間：ｔ＝Ｔ_１までエッチングを行った状態である。基板１００とフォトレジストのパターン物質２００のエッチング速度が等しいので、図のように、パターン物質２００の凸球面形状の裾野近傍の部分が正確に基板１００に彫り写されている。
【００４２】
エッチング後半（時間：Ｔ_１〜Ｔ_２）の制御フローは、図５における、スタート後の第２ステップにおける時刻設定：「ｔ＝０」を「ｔ＝Ｔ_１」に代え、終了前の判断ステップの時間判断「ｔ＝Ｔ_１」を、「ｔ≧Ｔ_２」に代えたものとなる。勿論、温度範囲「ｂ_１≧Ｂ≧ｂ_２」の上・下限値：ｂ_１，ｂ_２は、制御手段により、選択比：０．５を維持できる範囲に決定される。
【００４３】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態から選択比を０．５に落し、時間：ｔ＝Ｔ_２までエッチングを行った状態を示している。パターン物質２００のエッチング速度：１に対して、基板１００のエッチング速度が１／２に落ちるため、パターン物質２００がエッチングされるのが相対的に速くなり、エッチング終了後に基板１００に彫り写された形状は、当初（図２（ａ））におけるパターン物質２００の表面形状である「凸球面形状」の、頂部近傍を「ひしゃげさせた」ような形状になっている。このような「非球面形状」は、屈折面として用いた場合に、空間周波数の高い部分をカットする光学的性質を持つので、図２（ｃ）に示す光学デバイスは「ロウパスフィルタ」の性質を持ったマイクロレンズアレイとして使用できる。
【００４４】
なお、上記実施例において、選択比を終始一定に保つような場合、一端設定したパラメータ：Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅを固定し、温度：Ｂのみを制御することによっても良好なエッチングを実現できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、新規なＥＣＲエッチング装置を提供できる。この発明のＥＣＲエッチング装置は、上記の如き構成となっているので、エッチング条件を所望の条件に制御しつつ、良好なＥＣＲエッチングを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施例を説明するための図である。
【図２】上記実施例装置によるエッチングの１例を説明するための図である。
【図３】上記エッチングにおける選択比の制御を説明するための図である。
【図４】図３のエッチングの手順を示すフロー図である。
【図５】図３のエッチングの制御を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０反応室
１６マスフローコントローラ
１８マイクロ波発生装置
２０高周波発生装置
２２圧力計
２４保持部
２６温度検出手段
２８冷却装置（冷却手段）

Claims

ＥＣＲエッチングを行うための装置であって、
反応室内において、エッチング対象物を保持する保持部を通じて、上記エッチング対象物を冷却する冷却手段と、
上記保持部に保持されたエッチング対象物の温度を検出する温度検出手段と、上記反応室内に導入する反応ガスの流入量を検出・調整するマスフローコントローラと、
マイクロ波発生装置と、
高周波発生装置と、
コンダクタンスバルブと、
制御手段とを有し、
反応ガスの導入量：Ａ、エッチング対象物の温度：Ｂ、反応室内の圧力：Ｃ、マイクロ波実効電力（マイクロ波放電電流のパワー）：Ｄ、高周波実効電力（高周波電磁界のパワー）：Ｅの関数として、基板の材料、パターン物質、反応ガスに応じて定まるエッチング条件の変動を、
上記温度検出手段が検出する温度：Ｂの変化に応じ、上記制御手段により、温度：Ｂとともに上記Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅの１以上を変化させることにより、設定条件に戻すように制御することを特徴とするＥＣＲエッチング装置。