JP4134741B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小部分のプラズマエッチング方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、表面に薄膜が形成された基板に代表される被処理物にパターニング加工を行う場合、レジストプロセスが用いられる。その一例を図12に示す。
【0003】
図12において、まず、被処理物26の表面に感光レジスト27を塗布する(図12(a))。次に、露光機を用いて露光した後現像すると、レジスト27が所望の形状にパターニングできる(図12(b))。そして、被処理物26を真空容器に載置し、真空容器内にプラズマを発生させ、レジスト27をマスクとして被処理物26をエッチング加工すると、被処理物26の表面が所望の形状にパターニングされる(図12(c))。最後に、レジスト27を酸素プラズマや有機溶剤などで除去することで、加工が完了する(図12(d))。
【0004】
以上のようなレジストプロセスは、微細パターンを精度良く形成するのに適しているため、半導体などの電子デバイスの製造において重要な役割を果たすに至った。しかしながら、工程が複雑であるという欠点がある。
【0005】
そこで、レジストプロセスを用いない新しい加工方法が検討されている。その一例として、図1から図3に従来例で用いたマイクロプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置の構成を示す。
【0006】
図1に、マイクロプラズマ源の分解図を示す。図1においてマイクロプラズマ源は、セラミック製の外側板1、内側板2及び3、外側板4から成り、外側板1及び4には、外側ガス流路5及び外側ガス噴出口6が設けられ、内側板2及び3には、内側ガス流路7及び内側ガス噴出口8が設けられている。内側ガス噴出口8から噴出するガスの原料ガスは、外側板1に設けられた内側ガス供給口9から、内側板2に設けられた貫通穴10を介して、内側ガス流路7に導かれる。
【0007】
また、外側ガス噴出口6から噴出するガスの原料ガスは、外側板1に設けられた外側ガス供給口11から、内側板2に設けられた貫通穴12、内側板3に設けられた貫通穴13を介して、外側ガス流路5に導かれる。高周波電源が印加される電極14は、内側板2及び3に設けられた電極固定穴15に挿入され、外側板1及び4に設けられた貫通穴16を通して高周波電力供給のための配線と冷却が行われる。
【0008】
図2に、マイクロプラズマ源を、ガス噴出口側から見た平面図を示す。外側板1、内側板2及び3、外側板4が設けられ、外側板1と内側板2の間と、内側板3と外側板4の間に外側ガス噴出口6が設けられ、内側板2及び3の間に内側ガス噴出口8が設けられている。なお、内側ガス噴出口8の線方向の長さeは30mmとし、外側ガス噴出口6の線方向の長さfは内側ガス噴出口8の線方向の長さeよりも大きくし、36mmとした。
【0009】
図3に、被処理物としての薄板17及びマイクロプラズマ源を、薄板17に垂直な面で切った断面を示す。図3においてマイクロプラズマ源は、セラミック製の外側板1、内側板2及び3、外側板4から成り、外側板1及び4には、外側ガス流路5及び外側ガス噴出口6が設けられ、内側板2及び3には、内側ガス流路7及び内側ガス噴出口8が設けられている。高周波電力が印加される電極14には、外側板1及び4に設けられた貫通穴16を通して高周波電力供給のための配線と冷却が行われる。また、マイクロプラズマ源と対向となる位置には、接地電位とした対向電極18を載置させている。なお、マイクロプラズマ源の開口部としての内側ガス噴出口8がなす微細線の幅は0.1mmである。
【0010】
このような構成のマイクロプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置において、内側ガス噴出口からヘリウム(He)を、外側ガス噴出口から六フッ化硫黄(SF6)を供給しつつ、電極14に高周波電力を印加することにより、シリコン製薄板17の微小な線状部分をエッチング処理することができる。これは、ヘリウムと六フッ化硫黄の大気圧近傍の圧力下における放電しやすさの差(ヘリウムの方が格段に放電しやすい)を利用することで、ヘリウムが高濃度となる内側ガス噴出口8の近傍にのみマイクロプラズマを発生させることができるからである。
【0011】
また、このような構成のマイクロプラズマ源を搭載したプラズマ処理装置において、対向電極18の大きさを変化させることで、プラズマ発生領域を変化させることができる。例えば対向電極18のマイクロプラズマ源に対向する面の面積を小さくすることで、プラズマ発生領域の線方向の長さを短くすることができる。従って、対向電極18のマイクロプラズマ源に対向する面の面積を変化させることにより、プラズマ発生領域の線方向の長さを任意に変化させることができる。このような構成については、例えば、未公開自社出願の特願2002−248245号明細書に詳しく述べられている。また、大気圧グロープラズマに関する特徴は、特許文献1に述べられている。
【0012】
【特許文献1】
特開平5−23579号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例のプラズマ処理においては、1つのプラズマ源のみを用いて、任意の大きさにプラズマ発生領域を制御するためには、対向電極を複数種類用いなければならないという問題点があった。
【0014】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、1つのプラズマ源のみを用いて、任意の大きさにプラズマ発生領域を制御することが可能なプラズマエッチング方法を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本願発明のプラズマ処理方法は、先端部がナイフエッジ形状の電極の外側に第1の一対の内側板を配置し、前記第1の一対の内側板の外側に更に第2の一対のセラミック製外側板を設け、かつ、前記第1の一対の内側板と前記第2の一対のセラミック製外側板とで外側ガス流路を形成すると共に前記電極と第1の一対の内側板とで内側ガス流路を形成するプラズマ源において、前記電極の先端部は、前記第2の一対のセラミック製外側板の先端部まで延出して配置され、かつ、前記外側ガス流路に反応性ガスを供給しつつ前記内側ガス流路に不活性ガスを供給し、前記電極または前記プラズマ源に対向して配置されたSi基板に電力を供給することにより、前記プラズマ源と前記Si基板との間にプラズマを発生させ、プラズマ処理の途中で、前記プラズマ源と前記Si基板表面との垂直方向の距離を連続的に変化させながら、生成された活性粒子を前記Si基板に作用させ、10000Paから3気圧の範囲の圧力下で前記Si基板の表面をプラズマエッチングすることを特徴とする。
【0019】
この場合、好適には、内側ガス流路に供給するガスの流量に対する外側ガス流路に供給するガスの流量比率を増加させることが望ましい。あるいは、内側ガス流路に供給するガスの流量に対する外側ガス流路に供給するガスの流量比率を減少させてもよい。
【0020】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図5を参照して説明する。なお、図1から図3に示すマイクロプラズマ源の基本的な構成及び動作については従来例で説明したので、ここでは詳細は省略する。
【0021】
マイクロプラズマ源は数Paから数気圧まで動作可能であるが、典型的には10000Paから3気圧程度の範囲の圧力で動作する。特に、大気圧付近での動作は、厳重な密閉構造や特別な排気装置が不要であるとともに、プラズマや活性粒子の拡散が適度に抑制されるため、特に好ましい。
【0022】
内側ガス流路7を介して内側ガス噴出口8から不活性ガスとしてのHeを1000sccm、外側ガス流路5を介して外側ガス噴出口6から反応性ガスとしてのSF6を400sccm供給しつつ、電極14に13.56MHz高周波電力を80Wの大きさで印加することにより、図4に示すようにマイクロプラズマ19を発生させ、生成された活性粒子としてのヘリウムイオンとフッ素ラジカルをシリコン製薄板17の微小部分20に照射した。このとき、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離gを0.21mm、0.27mm、0.33mm、0.39mm、0.45mmと変化させ、各々の距離gにて30秒間ずつプラズマ照射した。シリコン製薄板17の微小部分20にプラズマ処理した際の、加工の線方向の長さを示したものが、図5である。
【0023】
すなわち、距離gが0.21mmから0.33mmの範囲では線方向の長さがほぼ30mmであったが、距離gが0.33mmから0.45mmと大きくなるにつれて、線方向の長さが小さくなり、距離gが0.45mmでは線方向の長さが10mmであった。これより、距離gを大きくするにつれてプラズマ発生領域を小さくできることが判明した。
【0024】
このようにマイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離gを大きくするにつれて、プラズマ発生領域が小さくなり、加工の線方向の長さが短くなる理由として、距離gを大きくすることで、内側ガス噴出口より噴出するガスと外側ガス噴出口より噴出するガスが共に拡散し、薄板17の直上のヘリウムガスの密度が低下することと、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物間の電界強度が低下することが考えられる。
【0025】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、図1から図3、図6及び図8を参照して説明する。なお、図1から図3に示すマイクロプラズマ源の基本的な構成及び動作については従来例で説明したので、ここでは詳細は省略する。
【0026】
本発明の第1実施形態と同様のプロセス条件にてマイクロプラズマを発生させ、活性粒子としてのヘリウムイオンとフッ素ラジカルをシリコン製薄板17の微小部分20に照射した。このとき、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離gを0.21mm、0.27mm、0.33mm、0.39mm、0.45mmと変化させ、各々の距離gにて30秒間ずつプラズマ照射するとともに、外側ガス流路5を介して外側ガス噴出口6から反応性ガスとしての供給するSF6の流量を変化させた。
【0027】
すなわち、距離gが0.21mmのときのSF6の流量を342sccmとし、以下順に、距離gが0.27mmのときのSF6の流量を367sccm、距離gが0.33mmのときのSF6の流量を340sccm、距離gが0.39mmのときのSF6の流量を442sccm、距離gが0.45mmのときのSF6の流量を533sccmとして、シリコン製薄板17の微小部分20にプラズマ処理を施した。
【0028】
図6は、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離gに対しての微小部分の加工線幅の変化を示す。なお、この時の加工の線方向の長さは図5と同様であった。すなわち、距離gを大きくするにつれてプラズマ発生領域を小さくでき、且つ微小部分の加工線幅は一定に保つことが可能となった。
【0029】
比較のため、本発明の第1実施形態におけるマイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離gに対する微小部分の加工線幅の変化を図7に示す。距離gを大きくするにつれて微小部分の加工線幅が大きくなり、距離gを変化させるだけでは微小部分の加工線幅を一定に保つことは不可能であった。
【0030】
ここで、微小部分の加工線幅の定義について図8を用いて説明する。図8は、エッチングプロファイルの模式図を示し、エッチング深さをDで示している。エッチング深さDに対して、被処理物の表面から0.8Dとなる深さでの幅Wを微小部分の加工線幅とした。
【0031】
以上述べた本発明の実施形態において、マイクロプラズマ源としてセラミック製の板を4枚用いた場合を例示したが、並行平板型キャピラリタイプや誘導結合型キャピラリタイプなどのキャピラリタイプや、マイクロギャップ方式、誘導結合型チューブタイプなど、様々なマイクロプラズマ源を用いることができる。特に、図9に示すような、ナイフエッジ状の電極25を用いるタイプでは、電極と被処理物の距離が近いため、微小部分20に極めて高密度のプラズマが形成される。したがって、プラズマ源と被処理物との距離を大きくしてもエッチングレートが低下しにくく、特に本発明が有効である。
【0032】
なお、図9において、マイクロプラズマ源は、セラミック製外側板21、内側板22及び23、外側板24、電極25から成り、外側板21及び24には、外側ガス流路5及び外側ガス噴出口6が設けられ、内側板22及び23には、内側ガス流路7及び内側ガス噴出口8が設けられている。電極25は、その最下部がナイフエッジ状の形状を成し、微細な線状領域をプラズマ処理できるようになっている。
【0033】
また、マイクロプラズマ源と被処理物の間の距離をプラズマ処理の途中で連続的に変化させることで、図10に示すように、線方向の加工形状にテーパをつけることができる。
【0034】
また、マイクロプラズマ源と被処理物の間の距離を第1のプラズマ処理と第2のプラズマ処理の間で変化させることで、図11に示すように、線方向の加工形状に段差をつけることができる。この場合、第1のプラズマ処理でのマイクロプラズマ源と被処理物の間の距離に対する、第2のプラズマ処理でのマイクロプラズマ源と被処理物の間の距離の割合が、±67%以下である場合、プラズマ発生領域の変化に対しての、マイクロプラズマ源と被処理物の間の距離の変化の寄与が大きいという利点がある。
【0035】
また、被処理物に直流電圧または高周波電力を供給することにより、マイクロプラズマ中のイオンを引き込む作用を強めることも可能である。この場合、電極を接地してもよいし、電極を用いないタイプのマイクロプラズマ源を利用する場合にも、本発明の適用が可能である。
【0036】
また、高周波電力を用いてマイクロプラズマ源を発生させる場合を例示したが、数百kHzから数GHzまでの高周波電力を用いてマイクロプラズマ源を発生させることが可能である。あるいは、直流電力を用いてもよいし、パルス電力を供給することも可能である。
【0037】
また、マイクロプラズマ源の開口部をなす微細線の幅が0.1mmである場合を例示したが、マイクロプラズマ源の開口部の幅はこれに限定されるものではなく、概ね1mm以下であることが好ましい。マイクロプラズマ源の幅が小さいほど、プラズマによって発生した粒子が、基板表面の微細線状部分より外側に触れにくくなり、微細線状部分に限定された領域のみを加工することができるという利点がある。一方、マイクロプラズマ源を構成する部品の加工精度や、繰り返し処理による形状の経時変化などを考慮すると、あまり極端に小さくすることも避けるべきである。
【0038】
また、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離は、概ね1mm以下であることが好ましい。更に、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離が0.5mm以下であることがより好ましい。マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離が小さいほど、プラズマによって発生した活性粒子が、基板表面の微細線状部分より外側に触れにくくなり、微細線状部分に限定された領域のみを加工することができるという利点がある。一方、マイクロプラズマ源を構成する部品の加工精度や、繰り返し処理による形状の経時変化、更には、マイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離の再現性や安定性などを考慮すると、あまり極端に小さくすることは避けるべきであり、概ね0.05mm以上であることが好ましい。
【0039】
また、内側ガス噴出口より噴出するガスの流量に対する外側ガス噴出口より噴出するガスの流量比率が1%よりも大きいと、外側ガス噴出口から噴出するガスによってプラズマを微細領域に発生させる効果が大きいという利点がある。一方、流量比率が大きいすぎるとプラズマが極端に発生しにくくなるため、概ね70%以下であることが好ましい。
【0040】
また、マイクロプラズマ源の開口部が微細線状をなしている場合を例示したが、マイクロプラズマ源の開口部が微細点状をなしてもよい。この場合、微細点状プラズマの直径方向のサイズを制御でき、マイクロプラズマ源の開口部の代表寸法が1mm以下である場合に、特に格別の効果を奏する。
【0041】
また、被処理物としてシリコン薄板を用いる場合を例示したが、被処理物はこれに限定されるものではない。
【0042】
また、不活性ガスとしてHeを、反応性ガス・エッチング性ガスとしてSF6を用いる場合を例示したが、これら以外のガスを適宜用いることができることはいうまでもない。例えば、不活性ガスとしてHe、Ne、Ar、Kr、Xeなどを、反応性・エッチング性ガスとしてSF6、CF4などのCxFy(x及びyは自然数)、NF3、Cl2、HBr等のハロゲン含有ガスを用いることができる。
【0043】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願発明のプラズマエッチング方法によれば、先端部がナイフエッジ形状の電極の外側に第1の一対の内側板を配置し、前記第1の一対の内側板の外側に更に第2の一対のセラミック製外側板を設け、かつ、前記第1の一対の内側板と前記第2の一対のセラミック製外側板とで外側ガス流路を形成すると共に前記電極と第1の一対の内側板とで内側ガス流路を形成するプラズマ源において、前記電極の先端部は、前記第2の一対のセラミック製外側板の先端部まで延出して配置され、かつ、前記外側ガス流路に反応性ガスを供給しつつ前記内側ガス流路に不活性ガスを供給し、前記電極または前記プラズマ源に対向して配置されたSi基板に電力を供給することにより、前記プラズマ源と前記Si基板との間にプラズマを発生させ、プラズマ処理の途中で、前記プラズマ源と前記Si基板表面との垂直方向の距離を連続的に変化させながら、生成された活性粒子を前記Si基板に作用させ、10000Paから3気圧の範囲の圧力下で前記Si基板の表面をプラズマエッチングするため、1つのプラズマ源のみを用いて、任意の大きさにプラズマ発生領域を制御することのできるプラズマエッチング方法を提供することができる。
【0044】
また、本願の第2発明のプラズマ処理方法によれば、処理物の近傍に配置させたマイクロプラズマ源にガスを供給しつつ、マイクロプラズマ源に設けられた電極または被処理物に電力を供給することにより、マイクロプラズマを発生させ、生成された活性粒子を被処理物に作用させ、被処理物の表面の微小部分を加工するプラズマ処理方法であって、第1のプラズマ処理と第2のプラズマ処理の間でマイクロプラズマ源と被処理物の間の距離を変化させるため、1つのプラズマ源のみを用いて、任意の大きさにプラズマ発生領域を制御することのできるプラズマ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態及び従来例で用いたマイクロプラズマ源の分解図
【図2】本発明の実施形態及び従来例で用いたマイクロプラズマ源の平面図
【図3】本発明の実施形態及び従来例で用いたマイクロプラズマ源の断面図
【図4】本発明の第1実施形態で用いたマイクロプラズマ源の断面図
【図5】本発明の第1実施形態におけるマイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離に対する、線方向の長さの関係を示す図
【図6】本発明の第2実施形態におけるマイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離に対する、微小部分の加工線幅の関係を示す図
【図7】本発明の第1実施形態におけるマイクロプラズマ源の開口部と被処理物との距離に対する、微小部分の加工線幅の関係を示す図
【図8】本発明の実施形態における加工形状に対する加工深さと加工線幅の関係を示す模式図
【図9】本発明の他の実施形態で用いたマイクロプラズマ源の断面図
【図10】本発明の他の実施形態で用いた線方向の加工形状の断面図
【図11】本発明の他の実施形態で用いた線方向の加工形状の断面図
【図12】従来例で用いたレジストプロセスの工程を示す断面図
【符号の説明】
1 外側板
2 内側板
3 内側板
4 外側板
5 外側ガス流路
6 外側ガス噴出口
7 内側ガス流路
8 内側ガス噴出口
9 電極
10 貫通穴
Claims (3)
- 先端部がナイフエッジ形状の電極の外側に第1の一対の内側板を配置し、前記第1の一対の内側板の外側に更に第2の一対のセラミック製外側板を設け、かつ、前記第1の一対の内側板と前記第2の一対のセラミック製外側板とで外側ガス流路を形成すると共に前記電極と第1の一対の内側板とで内側ガス流路を形成するプラズマ源において、
前記電極の先端部は、前記第2の一対のセラミック製外側板の先端部まで延出して配置され、かつ、前記外側ガス流路に反応性ガスを供給しつつ前記内側ガス流路に不活性ガスを供給し、前記電極または前記プラズマ源に対向して配置されたSi基板に電力を供給することにより、前記プラズマ源と前記Si基板との間にプラズマを発生させ、プラズマ処理の途中で、前記プラズマ源と前記Si基板表面との垂直方向の距離を連続的に変化させながら、生成された活性粒子を前記Si基板に作用させ、10000Paから3気圧の範囲の圧力下で前記Si基板の表面をプラズマエッチングすること
を特徴とするプラズマエッチング方法。 - 内側ガス流路に供給するガスの流量に対する外側ガス流路に供給するガスの流量比率を増加させること
を特徴とする請求項1記載のプラズマエッチング方法。 - 内側ガス流路に供給するガスの流量に対する外側ガス流路に供給するガスの流量比率を減少させること
を特徴とする請求項1記載のプラズマエッチング方法。
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