JP3646292B2

JP3646292B2 - Object processing method and apparatus

Info

Publication number: JP3646292B2
Application number: JP2001216730A
Authority: JP
Inventors: 訓之作道
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2003031559A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被処理物体に対し、プラズマエッチングやプラズマＣＶＤなどの各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができる物体の加工処理方法と、その装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空槽内に被処理物体を置いてプラズマを発生させると、被処理物体の近傍にイオンリッチなイオンシースと呼ばれる領域が形成され、イオンシース中の電界によってイオンが被処理物体の表面に向けて垂直に加速される。そこで、この現象を利用することにより、任意の被処理物体の表面をエッチング処理したり、イオンドーピング処理したり、薄膜を形成したりすることができる（たとえば特公昭５３−４４７９５号公報）。なお、以下の説明において、これらの処理を一括して物体の加工処理という。
【０００３】
従来のこの種の加工処理装置は、被処理物体を収容する真空槽内に反応ガスを連続的に導入し、数１０〜数１００MHz の高周波電力または数GHz のマイクロ波電力を投入して反応ガスを連続的に電離させ、加工処理用のプラズマ、いわゆるプロセスプラズマを真空槽内に生成させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、反応ガスは、真空槽内に連続的に導入され、投入される電力によって連続的に電離されるので、プラズマ中の活性種または解離種（以下、特に断らない限り、両者を総称して単に活性種という）の存在比率は、反応ガスの種類と投入電力密度によってほぼ決定され、加工処理プロセスの内容によって活性種の存在比率を最適に設定することが必ずしも容易でないという問題があった。
【０００５】
たとえば、反応ガスとしてＣＦ₄ を使用するシリコンウェーハのエッチング処理において、プラズマによって反応ガスが分解して生じる活性種Ｆ、ＣＦ、ＣＦ₂ 、ＣＦ₃ と、それらのイオンは、Ｆが多い程シリコンウェーハの表面層の原子と反応し易く、揮発性のＳi Ｆ₄ を作ってエッチングが進行する。この場合、それぞれの活性種によってエッチング速度が異なるばかりでなく、Ｆが少ない活性種は、逆にデポジションを生じることもある。そこで、アスペクト比の大きな微細穴をエッチングする場合、各活性種の存在比率を最適にし、穴の側壁に適量の保護膜をデポジットさせながらエッチングを進行させる必要がある。また、ダイアモンドライクカーボンをワーク上に成膜させる場合、炭化水素系のガスを反応ガスとして使用するが、プラズマ中の解離種（フラグメント）の存在比率により膜の特性が大きく変動する。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を変動させることによって、プラズマ中の活性種の存在比率を制御し、各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができる物体の加工処理方法と、その装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明（請求項１に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、真空槽内の反応ガスを電離させて生成するプラズマを介して真空槽内の被処理物体を加工処理するに際し、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることによりプラズマ中の活性種の存在比率を制御することをその要旨とする。
【０００８】
なお、真空槽内の反応ガスの圧力をパルス状に変動させることができる。
【０００９】
また、真空槽の排気弁の開度を変化させて真空槽内の反応ガスの圧力を変動させてもよく、真空槽の排気弁に同期して反応ガスの導入弁を開閉させてもよい。
【００１０】
第２発明（請求項５に係る発明をいう、以下同じ）の構成は、被処理物体を収容する真空槽と、真空槽に反応ガスを供給する反応ガス供給源と、真空槽内の反応ガスを電離させてプラズマを生成させる電力供給源とを備えてなり、真空槽は、被処理物体の加工処理プロセスの進行中に反応ガスの圧力を０．１Ｐa 超過の高圧値とプラズマの維持が不可能な低圧値との間に周期的に変動させ、低圧値に保持する時間幅をプラズマのアフタグロー時間より小さくすることをその要旨とする。
【００１１】
なお、真空槽の排気弁は、非磁性体のケーシング内に回転自在に収納する孔明きのロータを備え、ロータは、ケーシングの外部からの回転磁界によって回転駆動してケーシングの入口ポート、出口ポートの間を周期的に開閉させることができる。
【００１２】
また、排気弁と真空ポンプとの間にリザーバを設置し、リザーバは、排気弁が閉じている間に真空ポンプにより真空に排気してもよい。
【００１３】
【作用】
かかる第１発明の構成によるときは、加工処理プロセスの進行中において真空槽内の反応ガスの圧力を変動させ、プラズマ中の活性種の存在比率を適切に制御することにより、たとえばアスペクト比の大きな微細穴をエッチングする場合であっても、過大なオーバヘッドやアンダカットを生じることなく、高精度の仕上りを得ることができる。殊に、圧力をパルス状に変動させ、その時間平均値に着目すれば、定常プラズマによって実現不可能な活性種の存在比率をも実現することが可能である。
【００１４】
なお、以上のようなこの発明の骨子は、真空槽内のプラズマ中の活性種の存在比率が反応ガスの圧力変動に伴って変化するという新しい知見に基づいている（たとえば図９）。ただし、同図は、反応ガスとしてＣＦ₄ を使用するとき、反応ガスの圧力Ｐ（Ｐa ）に対し、活性種ＣＦ、ＣＦ₂ 、ＣＦ₃ の存在比率Ｒi （ｉ＝１、２、３）（％）の質量分析計による実測値をプロットしたものである。ただし、一般に、圧力Ｐ＜０．１Ｐa の領域では、プラズマを安定に維持することができないため、ここでは、プラズマが消滅するまでの微少時間（アフタグロー時間）内に存在比率Ｒi を測定している。
【００１５】
いま、真空槽内の反応ガスの圧力Ｐを時間的に図１０のように変化させ、周期Ｔ＝Ｔ1 ＋Ｔ2 ごとに圧力Ｐを高圧値Ｐ1 ＞０．１Ｐa 、低圧値Ｐ2 ＜０．１Ｐa の間にパルス状に変化させる。ただし、Ｔ1 、Ｔ2 は、それぞれ高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 に保持する時間幅であり、低圧値Ｐ2 に保持する時間幅Ｔ2 は、アフタグロー時間Ｔagに対し、Ｔ2 ≦Ｔagに定めるものとする。
【００１６】
圧力Ｐ＝Ｐ1 、Ｐ2 における真空槽内のプラズマ密度をそれぞれｎ1 、ｎ2 とし、そのときの活性種ＣＦ_i （ｉ＝１、２、３）の存在比率をそれぞれＲi1、Ｒi2（ｉ＝１、２、３）とすると、図１０のように圧力Ｐを変動させるときの平均プラズマ密度ｎo は、
ｎo ＝（ｎ1 Ｔ1 ＋ｎ2 Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ） ……（１）
である。また、活性種ＣＦ_i の平均の存在比率Ｒioは、
Ｒio＝（Ｒi1・ｎ1 Ｔ1 ＋Ｒi2・ｎ2 Ｔ2 ）／（ｎ1 Ｔ1 ＋ｎ2 Ｔ2 ） ……（２）
となる。したがって、活性種ＣＦ_i の平均密度ｎo Ｒioは、
ｎo Ｒio＝（Ｒi1・ｎ1 Ｔ1 ＋Ｒi2・ｎ2 Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ） ……（３）
と表わすことができる。
【００１７】
したがって、Ｔ1 ＜Ｔ2 ≦Ｔagのような条件でプラズマを点火すると、圧力Ｐが一定の条件ではプラズマを維持できないような圧力Ｐ＝Ｐ2 における活性種ＣＦ_i の存在比率Ｒi2に近い平均の存在比率Ｒioを安定に実現することが可能である。
【００１８】
真空槽の排気弁の開度を変化させれば、真空槽内の反応ガスの圧力を最も簡単に変動させることができる。排気弁の出口側は、真空ポンプにより必要十分な真空度に引かれているからである。
【００１９】
真空槽の排気弁に同期して反応ガスの導入弁を開閉させると、真空槽内の圧力を一層速やかに変動させることができる。ただし、導入弁は、排気弁が閉じるときに開き、反応ガスを真空槽内に導入する一方、排気弁が開くときに閉じ、反応ガスの導入を停止させるものとする。
【００２０】
第２発明の構成によるときは、真空槽は、反応ガスの圧力を変動させることにより、反応ガスの電離によって生じるプラズマ中の活性種の存在比率を制御して、第１発明を容易に実施することができる。なお、真空槽内の反応ガスの圧力は、たとえば真空槽の排気弁の開度を変化させて変動させる。
【００２１】
孔明きのロータを備える排気弁は、ロータを回転させて開閉し、真空槽内の反応ガスの圧力を周期的に変動させることができる。なお、ロータは、円板状であってもよく、孔明きのステータと対向する円板状または有底円筒状であってもよい。排気弁は、ロータ側の孔がケーシングの入口側ポート、出口側ポート、またはステータ側の孔と対面するとき、開状態となり、それ以外のとき、閉状態となる。ただし、ロータの孔は、１個であってもよく、２以上のｎ個であってもよい。前者によれば、ロータの１回転当り１回の開閉動作ができ、後者によれば、ｎ回の開閉動作が可能である。また、ロータは、シールの便宜上、たとえば非磁性体のケーシングの外部から回転磁界によって回転駆動することが好ましい。
【００２２】
排気弁、真空ポンプの間にリザーバを設置すれば、排気弁を開くことにより、真空槽内の反応ガスの圧力を一層急峻に下降させることができる。ただし、リザーバ内は、真空ポンプにより、十分な真空度に引かれているものとする。なお、リザーバの容積は、真空槽の容積と同等、またはそれ以上であることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
物体の加工処理装置は、真空槽１１と、真空槽１１に反応ガスを供給する反応ガス供給源２０と、真空槽１１内の反応ガスを電離させてプラズマを生成させる電力供給源３０とを備えてなる（図１）。
【００２５】
真空槽１１には、前後のゲート弁１２ｂ、１２ｂを介して前室１２が付設されており、前室１２には、開閉弁１２ｃを介して真空ポンプ１２ｄが接続されている。また、真空槽１１には、排気弁１３、開閉弁１４を介して真空ポンプ１５が接続されている。さらに、真空槽１１には、真空ゲージ１６が装備され、真空槽１１内には、たとえばシリコンウェーハのような被処理物体Ｗを載せる試料台Ｗa が設置されている。前室１２は、前後のゲート弁１２ｂ、１２ｂを順に開閉することにより、真空槽１１内の真空を完全に破壊することなく、被処理物体Ｗを真空槽１１に搬出入することができる。
【００２６】
反応ガス供給源２０は、反応ガス用のボンベ２１にマスフローコントローラ２２、導入弁２３を接続して構成されている。導入弁２３の出口側は、コネクタ２４を介して真空槽１１内に開口している。
【００２７】
電力供給源３０は、高周波発振器３１に整合回路３２を付設して構成されている。整合回路３２の出力側は、気密の導入窓３３を介し、真空槽１１内に設置するアンテナ３４に接続されている。
【００２８】
排気弁１３は、孔１３ｂ1 を有する円板状のロータ１３ｂを非磁性体のケーシング１３ａ内に収納して構成されている（図２）。ロータ１３ｂは、軸１３ｂ2 を介し、ケーシング１３ａ内に回転自在に支持されており、ケーシング１３ａの外部からの回転磁界により高速に回転駆動することができる。ただし、軸１３ｂ2 は、図２に拘らず、ケーシング１３ａの内部に組み込まれ、ケーシング１３ａを貫通していないものとする。ロータ１３ｂの孔１３ｂ1 は、ロータ１３ｂの偏心位置に開口されており、ロータ１３ｂが回転すると、ケーシング１３ａに形成する入口ポート１３ａ1 、出口ポート１３ａ2 の間を周期的に開閉させることができる。すなわち、排気弁１３は、ロータ１３ｂを回転させ、開度を周期的に変化させることができる。
【００２９】
真空槽１１は、真空ポンプ１５を作動させて排気弁１３、開閉弁１４を開くことにより、所定の真空度に排気される。そこで、マスフローコントローラ２２、導入弁２３を介してボンベ２１からの反応ガスを真空槽１１に導入すると、反応ガスは、真空槽１１内の被処理物体Ｗの周囲に均一に拡散する。一方、高周波発振器３１を作動させると、整合回路３２、アンテナ３４を介して高周波電力が真空槽１１内の反応ガスに供給され、反応ガスを電離させてプラズマを生成することができる。このようにしてプラズマ化された反応ガスは、被処理物体Ｗの周囲にイオンシースを形成し、イオンシース中の電界によりイオンが被処理物体Ｗの表面に向けて垂直に加速され、被処理物体Ｗを加工処理することができる。なお、整合回路３２は、高周波発振器３１とアンテナ３４とのインピーダンス整合を図る。
【００３０】
一方、排気弁１３は、ロータ１３ｂを回転させることにより、周期的に開閉する（図３）。そこで、このときの真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐは、排気弁１３の開閉にほぼ同期して、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 の間に周期的に変動し、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 における各活性種の平均密度を実現することができる。すなわち、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中において、真空槽１１内のプラズマ中の活性種の存在比率Ｒi は、時間平均値として、前記（２）式により実質的にＲi ＝Ｒioに制御することができ、加工処理プロセスに最適な加工処理特性を実現することができる。
【００３１】
なお、図３の圧力Ｐの変動曲線において、高圧値Ｐ1 は、反応ガス供給源２０からの反応ガスの供給量によって設定され、低圧値Ｐ2 は、真空ポンプ１５による排気流量、反応ガス供給源２０による反応ガスの供給量などによって決まる圧力平衡点である。また、同図において、排気弁１３の開閉の周期Ｔは、ロータ１３ｂの回転数によって決まり、周期Ｔに対する開状態の時間幅Ｔ2 の割合は、孔１３ｂ1 の大きさによって決まる。そこで、ロータ１３ｂを十分に高速回転させ、時間幅Ｔ2 をプラズマのアフタグロー時間より十分小さくすると、圧力Ｐが高圧値Ｐ1 から低圧値Ｐ2 にパルス状に減少し、低圧値Ｐ2 をたとえばＰ2 ≪０．１Ｐa としても、真空槽１１内のプラズマが消滅することがない。ちなみに、アフタグロー時間数mS〜数１０mSとすると、時間幅Ｔ2 ＝０．１〜１００mS程度にしなければならず、ロータ１３ｂの回転周波数は、少なくとも１０Hz〜１０kHz が必要である。
【００３２】
【他の実施の形態】
排気弁１３の円板状のロータ１３ｂは、円板状のステータ１３ｃと同軸状に対向させることができる（図４）。ロータ１３ｂ、ステータ１３ｃには、それぞれｎ（ｎ≧１）個の同形同大の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …、１３ｃ1 、１３ｃ1 …が同径の円周上に等ピッチに形成されている。ロータ１３ｂは、軸１３ｂ2 により回転自在に支持され、ケーシング１３ａの外部からの回転磁界によって回転駆動される。一方、ステータ１３ｃは、軸１３ｂ2 に対して相対回転自在に固定支持されている。ステータ１３ｃを固定し、ロータ１３ｂを回転させると、排気弁１３は、ロータ１３ｂの１回転当りｎ回の開閉動作を実現することができる。
【００３３】
また、排気弁１３のロータ１３ｂ、ステータ１３ｃは、それぞれ浅い有底円筒状に形成してもよい（図５）。ロータ１３ｂ、ステータ１３ｃの側壁面には、それぞれｎ個の同形同大の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …、１３ｃ1 、１３ｃ1 …が等ピッチに形成されており、ロータ１３ｂは、ステータ１３ｃ内に同軸に収納されている。ステータ１３ｃを固定し、ロータ１３ｂを回転させると、ロータ１３ｂの１回転当りｎ回の開閉動作を実現することができる。
【００３４】
なお、図２においても、ロータ１３ｂには、ｎ個の孔１３ｂ1 、１３ｂ1 …を形成してもよい。
【００３５】
真空槽１１は、排気弁１３と真空ポンプ１５との間にリザーバ１７を設置することができる（図６）。リザーバ１７は、排気弁１３が閉じている間に、真空ポンプ１５を介して十分な真空度に引かれるため、排気弁１３が開になると、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを速やかに低圧値Ｐ2 に減少させることができる。
【００３６】
また、反応ガス供給源２０の導入弁２３は、排気弁１３に同期して開閉させることができる（図７）。排気弁１３が開くとき、導入弁２３を閉じて反応ガスの導入を阻止し、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを急激に低下させるとともに、排気弁１３が閉じるとき、導入弁２３を開いて反応ガスを導入し、圧力Ｐの上昇を速めることができる。また、圧力Ｐの低圧値Ｐ2 を小さくするとともに高圧値Ｐ1 を大きくし、圧力Ｐの変動幅（Ｐ1 −Ｐ2 ）を大きくすることができる。
【００３７】
以上の説明において、電力供給源３０は、真空槽１１内の反応ガスを電離させてプラズマを生成することができればよく、高周波電力に代えて、直流電力、交流低周波電力、マイクロ波電力のいずれを供給するものであってもよい。また、電力供給源３０は、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中において、反応ガスに供給する電力を一定に維持してもよく、それを変動させてもよい。さらに、電力供給源３０は、加工処理プロセスの進行中において、連続的または間欠的に作動させることができる。
【００３８】
一方、排気弁１３の開度を変化させて真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐを変動させるに際し、圧力Ｐは、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの開始時期ｔ1 から終了時期ｔ2 までの加工処理プロセスの進行中において、少なくとも１回以上、任意の態様により変動させることができる（たとえば図８の曲線（１）〜（４））。ただし、同図の曲線（１）は、低圧値Ｐ2 から高圧値Ｐ1 までゆっくりと１回変動させ、曲線（２）は、急激に１回変動させている。また、曲線（３）は、低圧値Ｐ2 から高圧値Ｐ1 の間において圧力Ｐを周期的に変動させ、その変動周期をも変化させている。なお、曲線（４）は、図３にほぼ対応するように、圧力Ｐをパルス状に変動させている。また、図８の曲線（１）〜（４）において、高圧値Ｐ1 、低圧値Ｐ2 を入れ替えてもよい。
【００３９】
すなわち、真空槽１１内の反応ガスの圧力Ｐは、被処理物体Ｗの加工処理プロセスの進行中の各時点において、プラズマ中の活性種の存在比率と、それによる加工処理特性が最適となるように、適切に変動させればよい。なお、圧力Ｐを周期的に、しかもパルス状に変動させるとき、プラズマ中の活性種の実質的な存在比率は、前記（２）式に従うと考えられる（図３、図８の曲線（４））。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この出願に係る第１発明によれば、加工処理プロセスの進行中に真空槽内の反応ガスの圧力を変動させ、プラズマ中の活性種の存在比率を制御することによって、適切な加工処理特性を容易に実現することができるから、各種の加工処理を容易に、しかも最適に行なうことができるという優れた効果がある。
【００４１】
第２発明によれば、真空槽、反応ガス供給源、電力供給源を備えることによって、真空槽は、加工処理プロセスの進行中に反応ガスの圧力を変動させ、第１発明を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】全体構成模式説明図
【図２】排気弁の模式構成図
【図３】動作説明線図
【図４】他の実施の形態を示す図２相当図
【図５】他の実施の形態を示す要部斜視図
【図６】他の実施の形態を示す要部構成模式図
【図７】他の実施の形態を示す動作説明線図（１）
【図８】他の実施の形態を示す動作説明線図（２）
【図９】動作原理説明線図（１）
【図１０】動作原理説明線図（２）
【符号の説明】
Ｗ…被処理物体
Ｐ…圧力
Ｒi …存在比率
１１…真空槽
１３…排気弁
１３ｂ…ロータ
１３ｂ1 …孔
１５…真空ポンプ
１７…リザーバ
２０…反応ガス供給源
２３…導入弁
３０…電力供給源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an object processing method and apparatus capable of easily and optimally performing various kinds of processing such as plasma etching and plasma CVD on an object to be processed.
[0002]
[Prior art]
When an object to be processed is generated in a vacuum chamber and a plasma is generated, a region called an ion-rich ion sheath is formed in the vicinity of the object to be processed, and ions are directed toward the surface of the object to be processed by an electric field in the ion sheath. It is accelerated vertically. Therefore, by utilizing this phenomenon, the surface of an arbitrary object to be processed can be etched, ion-doped, or a thin film can be formed (for example, Japanese Examined Patent Publication No. 53-44795). In the following description, these processes are collectively referred to as an object processing process.
[0003]
In this type of conventional processing apparatus, a reactive gas is continuously introduced into a vacuum chamber that accommodates an object to be processed, and a high-frequency power of several tens to several hundreds of MHz or a microwave power of several GHz is input to react the reactive gas. Are continuously ionized to generate plasma for processing, so-called process plasma, in the vacuum chamber.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When such a conventional technique is used, the reaction gas is continuously introduced into the vacuum chamber and is continuously ionized by the input electric power. Therefore, the active species or dissociated species in the plasma (hereinafter, unless otherwise specified) The abundance ratio of the active species is generally determined by the type of the reaction gas and the input power density, and it is not always easy to optimally set the abundance ratio of the active species depending on the contents of the processing process. There was a problem.
[0005]
For example, in the etching process of a silicon wafer using CF ₄ as a reaction gas, the active species F, CF, CF ₂ , CF ₃ generated by the decomposition of the reaction gas by plasma, and the more ions there are, the more the silicon wafer It is easy to react with the atoms of the surface layer of this layer, and the etching proceeds by making volatile Si F ₄ . In this case, not only the etching rate differs depending on each active species, but the active species having a small F may cause deposition. Therefore, when etching a fine hole having a large aspect ratio, it is necessary to optimize the abundance ratio of each active species and advance the etching while depositing an appropriate amount of a protective film on the side wall of the hole. When diamond-like carbon is deposited on a workpiece, a hydrocarbon-based gas is used as a reaction gas, but the film characteristics vary greatly depending on the abundance ratio of dissociated species (fragments) in the plasma.
[0006]
Therefore, in view of the problems of the prior art, the object of the present invention is to control the abundance ratio of active species in plasma by changing the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber during the progress of the processing process, It is an object of the present invention to provide an object processing method and apparatus capable of easily and optimally performing the above processing.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the structure of the first invention according to this application (referred to as the invention according to claim 1, the same applies hereinafter) is formed in the vacuum chamber through plasma generated by ionizing the reaction gas in the vacuum chamber. When processing an object to be processed, the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber is between a high pressure value exceeding 0.1 Pa and a low pressure value at which plasma cannot be maintained during the processing of the object to be processed. The gist of the present invention is to control the abundance ratio of active species in the plasma by changing the period of time to keep the low pressure value smaller than the afterglow time of the plasma.
[0008]
Note that the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber can be changed in pulses.
[0009]
Further, the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber may be changed by changing the opening degree of the exhaust valve of the vacuum chamber, and the reaction gas introduction valve may be opened and closed in synchronization with the exhaust valve of the vacuum chamber.
[0010]
The configuration of the second invention (referring to the invention according to claim 5, the same applies hereinafter) includes a vacuum chamber for housing the object to be processed, a reaction gas supply source for supplying a reaction gas to the vacuum chamber, and a reaction gas in the vacuum chamber. And a power supply source for generating plasma by ionizing the vacuum chamber, and the vacuum chamber has a high pressure value exceeding 0.1 Pa and is not able to maintain the plasma during the processing of the object to be processed. The gist of the invention is to make the time width for maintaining the low pressure value smaller than the afterglow time of the plasma by periodically changing between the possible low pressure values.
[0011]
The exhaust valve of the vacuum chamber includes a perforated rotor that is rotatably accommodated in a non-magnetic casing, and the rotor is driven to rotate by a rotating magnetic field from the outside of the casing, and the inlet port and the outlet port of the casing. Can be opened and closed periodically.
[0012]
Further, a reservoir may be provided between the exhaust valve and the vacuum pump, and the reservoir may be evacuated to a vacuum by the vacuum pump while the exhaust valve is closed.
[0013]
[Action]
According to the configuration of the first invention, by changing the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber during the progress of the processing process and appropriately controlling the existence ratio of the active species in the plasma, for example, a large aspect ratio is obtained. Even when a minute hole is etched, a highly accurate finish can be obtained without causing excessive overhead and undercut. In particular, if the pressure is fluctuated in a pulsed manner and attention is paid to the time average value, it is possible to realize an abundance ratio of active species that cannot be realized by steady plasma.
[0014]
The gist of the present invention as described above is based on the new finding that the abundance ratio of active species in the plasma in the vacuum chamber changes with the pressure fluctuation of the reaction gas (for example, FIG. 9). However, this figure shows that when CF ₄ is used as the reaction gas, the abundance ratio Ri (i = 1, ₂ , ₃ ) of the active species CF, CF ₂ , CF ₃ with respect to the pressure P (Pa) of the reaction gas ( %) Is a plot of actual measured values by mass spectrometer. However, in general, since the plasma cannot be stably maintained in the region of the pressure P <0.1 Pa, the existence ratio Ri is measured within a very short time (afterglow time) until the plasma is extinguished. .
[0015]
Now, the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber is temporally changed as shown in FIG. 10, and the pressure P is changed between the high pressure value P1> 0.1 Pa and the low pressure value P2 <0.1 Pa every cycle T = T1 + T2. Change to a pulse. However, T1 and T2 are time widths held at the high pressure value P1 and the low pressure value P2, respectively, and the time width T2 held at the low pressure value P2 is defined as T2 ≦ Tag with respect to the afterglow time Tag.
[0016]
The plasma densities in the vacuum chamber at the pressures P = P1 and P2 are n1 and n2, respectively, and the existence ratios of the active species CF _i (i = 1, 2, 3) at that time are Ri1, Ri2 (i = 1, 2, respectively). 3), the average plasma density no when the pressure P is varied as shown in FIG.
no = (n1 T1 + n2 T2) / (T1 + T2) (1)
It is. The average abundance ratio Rio of the active species CF _i is
Rio = (Ri1 · n1 T1 + Ri2 · n2 T2) / (n1 T1 + n2 T2) (2)
It becomes. Therefore, the average density no Rio of the active species CF _i is
no Rio = (Ri.multidot.n1 T1 + Ri2.multidot.n2 T2) / (T1 + T2) (3)
Can be expressed as
[0017]
Therefore, when the plasma is ignited under the condition of T1 <T2 ≦ Tag, the average abundance ratio Rio close to the abundance ratio Ri2 of the active species CF _{i at} the pressure P = P2 at which the plasma cannot be maintained under the constant pressure P condition. Can be realized stably.
[0018]
If the opening degree of the exhaust valve of the vacuum chamber is changed, the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber can be changed most easily. This is because the outlet side of the exhaust valve is drawn to a necessary and sufficient degree of vacuum by a vacuum pump.
[0019]
When the reaction gas introduction valve is opened and closed in synchronization with the exhaust valve of the vacuum chamber, the pressure in the vacuum chamber can be changed more rapidly. However, the introduction valve is opened when the exhaust valve is closed and introduces the reaction gas into the vacuum chamber, while it is closed when the exhaust valve is opened and the introduction of the reaction gas is stopped.
[0020]
According to the configuration of the second invention, the vacuum chamber controls the active species existing ratio in the plasma generated by the ionization of the reaction gas by changing the pressure of the reaction gas, and easily implements the first invention. be able to. The pressure of the reaction gas in the vacuum chamber is varied by changing, for example, the opening degree of the exhaust valve of the vacuum chamber.
[0021]
An exhaust valve including a perforated rotor can open and close by rotating the rotor to periodically change the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber. The rotor may have a disk shape, or may have a disk shape or a bottomed cylindrical shape that faces the perforated stator. The exhaust valve is open when the rotor-side hole faces the inlet-side port, outlet-side port, or stator-side hole of the casing, and is closed otherwise. However, the number of holes in the rotor may be one, or two or more holes. According to the former, the opening / closing operation can be performed once per rotation of the rotor, and according to the latter, the opening / closing operation can be performed n times. Further, the rotor is preferably driven to rotate by a rotating magnetic field from the outside of a non-magnetic casing for the convenience of sealing.
[0022]
If a reservoir is installed between the exhaust valve and the vacuum pump, the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber can be lowered more steeply by opening the exhaust valve. However, it is assumed that the inside of the reservoir is pulled to a sufficient degree of vacuum by a vacuum pump. The volume of the reservoir is preferably equal to or greater than the volume of the vacuum chamber.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
The object processing apparatus includes a vacuum chamber 11, a reaction gas supply source 20 that supplies a reaction gas to the vacuum chamber 11, and a power supply source 30 that ionizes the reaction gas in the vacuum chamber 11 to generate plasma. (FIG. 1).
[0025]
The vacuum chamber 11 is provided with a front chamber 12 via front and rear gate valves 12b and 12b, and a vacuum pump 12d is connected to the front chamber 12 via an on-off valve 12c. A vacuum pump 15 is connected to the vacuum chamber 11 via an exhaust valve 13 and an on-off valve 14. Further, the vacuum chamber 11 is equipped with a vacuum gauge 16, and a sample stage Wa on which an object to be processed W such as a silicon wafer is placed is installed in the vacuum chamber 11. The front chamber 12 can carry the workpiece W in and out of the vacuum chamber 11 without completely breaking the vacuum in the vacuum chamber 11 by opening and closing the front and rear gate valves 12b and 12b in order.
[0026]
The reactive gas supply source 20 is configured by connecting a mass flow controller 22 and an introduction valve 23 to a reactive gas cylinder 21. The outlet side of the introduction valve 23 opens into the vacuum chamber 11 via the connector 24.
[0027]
The power supply source 30 is configured by adding a matching circuit 32 to a high-frequency oscillator 31. The output side of the matching circuit 32 is connected to an antenna 34 installed in the vacuum chamber 11 through an airtight introduction window 33.
[0028]
The exhaust valve 13 is configured by housing a disk-like rotor 13b having a hole 13b1 in a non-magnetic casing 13a (FIG. 2). The rotor 13b is rotatably supported in the casing 13a via a shaft 13b2, and can be driven to rotate at high speed by a rotating magnetic field from the outside of the casing 13a. However, it is assumed that the shaft 13b2 is incorporated in the casing 13a and does not penetrate the casing 13a irrespective of FIG. The hole 13b1 of the rotor 13b is opened at an eccentric position of the rotor 13b, and when the rotor 13b rotates, it can periodically open and close between the inlet port 13a1 and the outlet port 13a2 formed in the casing 13a. That is, the exhaust valve 13 can rotate the rotor 13b to periodically change the opening degree.
[0029]
The vacuum chamber 11 is exhausted to a predetermined degree of vacuum by operating the vacuum pump 15 and opening the exhaust valve 13 and the on-off valve 14. Therefore, when the reaction gas from the cylinder 21 is introduced into the vacuum chamber 11 via the mass flow controller 22 and the introduction valve 23, the reaction gas is uniformly diffused around the object to be processed W in the vacuum chamber 11. On the other hand, when the high frequency oscillator 31 is operated, high frequency power is supplied to the reaction gas in the vacuum chamber 11 via the matching circuit 32 and the antenna 34, and the reaction gas can be ionized to generate plasma. The reaction gas plasmified in this way forms an ion sheath around the object to be processed W, and ions are accelerated vertically toward the surface of the object to be processed W by the electric field in the ion sheath. W can be processed. The matching circuit 32 matches the impedance between the high-frequency oscillator 31 and the antenna 34.
[0030]
On the other hand, the exhaust valve 13 is periodically opened and closed by rotating the rotor 13b (FIG. 3). Therefore, the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber 11 at this time periodically fluctuates between the high pressure value P1 and the low pressure value P2 almost in synchronization with the opening and closing of the exhaust valve 13, and the high pressure value P1 and the low pressure value. An average density of each active species in P2 can be realized. That is, while the processing process of the object to be processed W is in progress, the existence ratio Ri of the active species in the plasma in the vacuum chamber 11 is substantially controlled as Ri = Rio by the above equation (2) as a time average value. Therefore, it is possible to realize the optimum processing characteristics for the processing process.
[0031]
In the fluctuation curve of the pressure P in FIG. 3, the high pressure value P1 is set by the supply amount of the reaction gas from the reaction gas supply source 20, and the low pressure value P2 is the exhaust flow rate by the vacuum pump 15 and the reaction gas supply source 20. This is the pressure equilibrium point determined by the amount of reaction gas supplied by. In the figure, the opening / closing period T of the exhaust valve 13 is determined by the rotational speed of the rotor 13b, and the ratio of the open time width T2 to the period T is determined by the size of the hole 13b1. Accordingly, when the rotor 13b is rotated at a sufficiently high speed and the time width T2 is made sufficiently smaller than the plasma afterglow time, the pressure P decreases in a pulse shape from the high pressure value P1 to the low pressure value P2, and the low pressure value P2 is reduced to P2 << 0. Even with 1 Pa, the plasma in the vacuum chamber 11 will not disappear. Incidentally, if the afterglow time is several milliseconds to several tens of milliseconds, the time width T2 must be about 0.1 to 100 milliseconds, and the rotational frequency of the rotor 13b needs to be at least 10 Hz to 10 kHz.
[0032]
[Other embodiments]
The disk-shaped rotor 13b of the exhaust valve 13 can be coaxially opposed to the disk-shaped stator 13c (FIG. 4). In the rotor 13b and the stator 13c, n (n ≧ 1) equal-sized and large-sized holes 13b1, 13b1,..., 13c1, 13c1,... Are formed on the circumference of the same diameter at an equal pitch. The rotor 13b is rotatably supported by a shaft 13b2, and is driven to rotate by a rotating magnetic field from the outside of the casing 13a. On the other hand, the stator 13c is fixedly supported so as to be rotatable relative to the shaft 13b2. When the stator 13c is fixed and the rotor 13b is rotated, the exhaust valve 13 can realize opening and closing operations n times per rotation of the rotor 13b.
[0033]
Further, the rotor 13b and the stator 13c of the exhaust valve 13 may each be formed in a shallow bottomed cylindrical shape (FIG. 5). On the side wall surfaces of the rotor 13b and the stator 13c, n pieces of the same size and the same size of holes 13b1, 13b1,..., 13c1, 13c1,... Are formed at an equal pitch, and the rotor 13b is accommodated coaxially in the stator 13c. Has been. When the stator 13c is fixed and the rotor 13b is rotated, n times of opening / closing operations per rotation of the rotor 13b can be realized.
[0034]
2, n holes 13b1, 13b1,... May be formed in the rotor 13b.
[0035]
In the vacuum chamber 11, a reservoir 17 can be installed between the exhaust valve 13 and the vacuum pump 15 (FIG. 6). Since the reservoir 17 is pulled to a sufficient degree of vacuum through the vacuum pump 15 while the exhaust valve 13 is closed, when the exhaust valve 13 is opened, the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber 11 is quickly increased. It can be reduced to a low pressure value P2.
[0036]
Further, the introduction valve 23 of the reaction gas supply source 20 can be opened and closed in synchronization with the exhaust valve 13 (FIG. 7). When the exhaust valve 13 is opened, the introduction valve 23 is closed to prevent the introduction of the reaction gas, and the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber 11 is rapidly reduced, and when the exhaust valve 13 is closed, the introduction valve 23 is opened. Thus, the reaction gas can be introduced to increase the pressure P. In addition, the low pressure value P2 of the pressure P can be reduced, the high pressure value P1 can be increased, and the fluctuation range (P1 -P2) of the pressure P can be increased.
[0037]
In the above description, the power supply source 30 only needs to ionize the reaction gas in the vacuum chamber 11 to generate plasma, and instead of high frequency power, any of DC power, AC low frequency power, and microwave power can be used. May be provided. Further, the power supply source 30 may keep the power supplied to the reaction gas constant during the process of processing the workpiece W, or may vary it. Furthermore, the power supply 30 can be operated continuously or intermittently during the processing process.
[0038]
On the other hand, when changing the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber 11 by changing the opening degree of the exhaust valve 13, the pressure P is processed from the start time t1 to the end time t2 of the processing process of the workpiece W. During the progress of the treatment process, it can be varied in any manner at least once (for example, curves (1) to (4) in FIG. 8). However, the curve (1) in the figure is slowly changed once from the low pressure value P2 to the high pressure value P1, and the curve (2) is rapidly changed once. In the curve (3), the pressure P is periodically changed between the low pressure value P2 and the high pressure value P1, and the change cycle is also changed. The curve (4) varies the pressure P in a pulse shape so as to substantially correspond to FIG. Further, in the curves (1) to (4) in FIG. 8, the high pressure value P1 and the low pressure value P2 may be interchanged.
[0039]
That is, the pressure P of the reaction gas in the vacuum chamber 11 is set so that the abundance ratio of active species in the plasma and the processing characteristics thereby are optimized at each time point during the processing process of the object W to be processed. In addition, it may be changed appropriately. When the pressure P is changed periodically and in a pulse shape, the substantial abundance ratio of active species in the plasma is considered to follow the equation (2) (curve (4) in FIGS. 3 and 8). ).
[0040]
【The invention's effect】
As explained above, according to the first invention of this application, by changing the pressure of the reactive gas in the vacuum chamber during the progress of the processing process, and controlling the abundance ratio of active species in the plasma, Since appropriate processing characteristics can be easily realized, there is an excellent effect that various types of processing can be performed easily and optimally.
[0041]
According to the second invention, by providing the vacuum tank, the reactive gas supply source, and the power supply source, the vacuum tank varies the pressure of the reactive gas during the progress of the processing process, and the first invention is easily implemented. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the overall configuration. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an exhaust valve. FIG. 3 is an operation explanatory diagram. FIG. 4 is an equivalent diagram of FIG. 2 showing another embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram of a main part configuration showing another embodiment. FIG. 7 is an operation explanatory diagram showing another embodiment (1).
FIG. 8 is an operation explanatory diagram (2) showing another embodiment.
[Fig. 9] Operation principle explanatory diagram (1)
[Fig. 10] Operation principle explanatory diagram (2)
[Explanation of symbols]
W ... object P ... pressure Ri ... existence ratio 11 ... vacuum tank 13 ... exhaust valve 13b ... rotor 13b1 ... hole 15 ... vacuum pump 17 ... reservoir 20 ... reaction gas supply source 23 ... introduction valve 30 ... power supply source

Claims

When processing the object to be processed in the vacuum chamber through plasma generated by ionizing the reaction gas in the vacuum chamber, the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber is reduced to 0 during the process of the processing of the object to be processed. By periodically changing between a high pressure value exceeding 1 Pa and a low pressure value at which plasma cannot be maintained, the time width for maintaining the low pressure value is made smaller than the afterglow time of the plasma, thereby reducing the active species in the plasma. An object processing method characterized by controlling an abundance ratio.

2. The object processing method according to claim 1, wherein the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber is changed in a pulse shape .

The object processing method according to claim 1 or 2, wherein the pressure of the reaction gas in the vacuum chamber is changed by changing the opening degree of the exhaust valve of the vacuum chamber.

4. The object processing method according to claim 3, wherein the reaction gas introduction valve is opened and closed in synchronization with an exhaust valve of the vacuum chamber.

A vacuum chamber containing an object to be treated, a reaction gas supply source for supplying a reaction gas to the vacuum chamber, and a power supply source for generating plasma by ionizing the reaction gas in the vacuum chamber, vacuum chamber periodically varied between a high value and low value that can not be maintained in the plasma of 0.1P a exceeds the pressure of the reaction gas in the course of the processing processes of the processing object, the low pressure value processing apparatus of the object, wherein the smaller to Rukoto than afterglow time of the plasma time width to retain the.

The exhaust valve of the vacuum chamber includes a perforated rotor that is rotatably accommodated in a non-magnetic casing , and the rotor is rotationally driven by a rotating magnetic field from the outside of the casing, and the inlet port of the casing. processing unit of an object according to claim 5, wherein Rukoto periodically opened and closed between the outlet port.

The object processing process according to claim 6 , wherein a reservoir is installed between the exhaust valve and the vacuum pump , and the reservoir is evacuated to a vacuum by the vacuum pump while the exhaust valve is closed. apparatus.