JP4134832B2 - プラズマエッチング装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子,液晶ディスプレイパネルや太陽電池などの製造における薄膜形成工程或いは微細加工工程などに用いられる微小部分のプラズマエッチング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、プラズマ処理装置は、デバイスの高機能化とその処理コストの低減のために、高精度化、高速化、大面積化、低ダメージ化を実現する取り組みが盛んに行なわれている。中でも、微細加工に必要とされる真空プラズマを用いた処理装置においては、工程の簡易化・装置コストの削減が要求されている。
【0003】
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ン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5に示す。
【0004】
同図において、まず、被処理物26の表面に感光性レジスト27を塗布する(図5(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ンニングできる(図5(b))。そして、被処理物26を真空容器内に載置し、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5(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5(d))。
【0005】
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。
【0006】
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2〜図4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。
【0007】
図2に、マイクロプラズマ源の分解図を示す。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。
【0008】
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。高周波電力が印加される電極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。
【0009】
図3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。
【0010】
図4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。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。内側板2及び3は、その最下部がテーパー形状をなし、より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。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がなす微細線の太さは0.1mmである。
【0011】
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6フッ化硫黄(SF6)を供給しつつ、電極14に高周波電力を供給することにより、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6フッ化硫黄の大気圧近傍の圧力下における放電のしやすさの差(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。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2002−254324号明細書に詳しく述べられている。
【0012】
更に性能を上げるため、エッチング速度を高めるために高周波電力を大きくする取り組みを実施している。すなわち、被処理物としての薄板表面でアーク放電(火花)の発生を防止し、滑らかな処理表面を得る取り組みである。この取り組みについては、例えば、未公開自社出願の特願2002−342006号明細書に詳しく述べられている。
【0013】
【特許文献1】
特開平8−116078号公報
【特許文献2】
特開平8−139351号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述する従来例のマイクロプラズマ処理技術においては、幅200μm以下の線状エッチングや、直径200μm以下の穴状エッチング処理において、所定の大きさでエッチングができない、すなわち、プラズマ領域が拡大するという問題があった。また、構造が複雑で組み付けによる処理の再現性が得られないという問題があった。
【0015】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、簡単でかつ所望の微小部分を精度よく加工することのできるプラズマ処理方法および装置を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願発明のプラズマエッチング装置は、一対の内板で電極を挟持し、かつ、前記一対の内板の外側に一対の外板が配置されたプラズマ源にガスを供給しつつ、前記電極に高周波電力を供給することにより前記プラズマ源の先端にプラズマを発生させるプラズマエッチング装置であって、前記電極は前記内板と前記外板の端部まで延出されかつ先端部がエッジ形状に構成され、前記一対の内板及び外板の何れの先端部の前記電極側は前記電極のエッジ形状に沿った形状を成し、かつ、前記電極と前記一対の内板との間及び前記一対の内板と前記一対の外板との間の先端部には各々、ガスが供給される空間を有する構成であることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の第一実施形態について、図1を参照しながら説明する。なお、マイクロプラズマ源の基本的な構成については従来例と同様である。
【0021】
図1は従来仕様の図4における改善点が盛り込まれているため、図1と図4の違いを述べる。電極50においては、従来の電極14の形状を内側ガス噴出口54まで延長、先端部を60度のシャープエッジ形状に変更した。内側板22と内側板23の間に電極60を挟み込み、狭小空間を構成しすなわち内側ガス流路53とし、内側ガス噴出口54は電極50の先端部で一つに合流し、開口50μmのスリットとなっている。外側ガス噴出口52は50μm幅のスリット形状とし、その方向は内側ガス噴出口54と被処理物上の処理する点で交差するように構成されている。
【0022】
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104Pa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。
【0023】
まず、第1ステップとして、内側ガス流路53を介して内側ガス噴出口54から不活性ガスとしてのHeを103sccm、外側ガス流路51を介して外側ガス噴出口52から不活性ガスとしてのHeを500sccm供給し、高周波電力を150W供給して、マイクロプラズマを発生させ、生成された活性粒子としてのヘリウムイオンを5秒間照射した。
【0024】
次いで、プラズマを維持したままで、第2ステップとして、内側ガス噴出口54から不活性ガスとしてのHeを103sccm、外側ガス噴出口52から反応性ガスとしてのSF6を500sccm供給し、高周波電力を150W供給して、マイクロプラズマを形成し、生成された活性粒子としてのフッ素ラジカルを30秒間照射した。
【0025】
ここで、各ガス噴出口の表面粗さはRa5μmとしているため、噴出する際の乱流を押さえ、すなわち噴出口幅から拡散を押さえながら噴出することを可能にした。その噴出口幅を保持しながら吹き出される各ガスは、被処理物の面上に線状に供給されるため、微小なマイクロプラズマ領域を実現することができる。
【0026】
更に、内側ガス噴出口54は、内側板22と内側板23の間に電極50を挟み込み、狭小空間を構成しているため、ガスを電極50先端の電荷が集中する部分に送ることが可能となる。これによりマイクロプラズマ領域の不要な拡散を防止することができる。
【0027】
更に、各ガス噴出部の開口寸法が、いずれの場所も50μm±5μm以内としたため、エッチング均一性を向上することができた。しかも内側ガス噴出口と外側ガス噴出口を一体型にて構成したため、プラズマ領域の長手方向に直角の断面いずれの場所もほぼ同面積であり、±1%以内であった。これにより構造が複雑で組み付けによる処理の再現性が得られないという従来の問題を解決することができた。
【0028】
以上のような処理を行った結果、被処理物であるシリコン薄板17の表面の微小部分に対して、線幅100μmの微細線状エッチング加工が可能となった。
【0029】
本願発明者らの評価では、マイクロプラズマを線状に発生させる場合、内側ガス噴出口と外側ガス噴出口のスリット幅を30μmまで狭くする評価まで行い、良好な結果を得た。またマイクロプラズマを点状に発生させる場合、内側ガス噴出口を直径20μm、外側ガス噴出口のスリット幅を30μmの評価を行い、同じく良好な結果を得た。
【0030】
また、以下の目安が必要であることも確認した。
【0031】
1)マイクロプラズマを発生する領域でのガス噴出部の断面積が、±3%より大きくなると、均一なエッチングレートおよび形状が得られないこと。
【0032】
2)マイクロプラズマを発生する領域でのガス噴出部の開口寸法が、±10%より大きくなると、ガス濃度分布が均一とならないこと。
【0033】
3)ガス噴出口の表面粗さがRa10μmより大きいと、ガス流れが乱流を起こ すこと。
【0034】
4)マイクロプラズマを線状に発生させる場合の電極先端部が60度より大きい 場合、またマイクロプラズマを点状に発生させる場合の電極先端部が30度よ り大きい場合においても、狭小なマイクロプラズマ領域の拡散を防止できない こと。
【0035】
5)マイクロプラズマを発生する領域でのガス噴出部の開口寸法が、100μmより大きいと、幅200μm以下の線状エッチングや、直径200μm以下の穴状エッチング処理が実現できないこと。
【0036】
しかしながら、微小なエッチング領域を実現するために、上記1)〜5)を全て実施することが望ましいことは言うまでもないが、目的とするエッチング領域、コストに見合う選択を行う必要があることも言うまでもない。我々の評価では、以下のような使い分けを実施している。
【0037】
(1)幅100μm以下の線状エッチング、直径50μm以下の穴状エッチングを行う場合、上記1)〜5)全て。
【0038】
(2)幅100〜200μm以下の線状エッチング、または、直径100〜200μm以下の穴状エッチングを行う場合、上記3)〜5)。
【0039】
(3)幅200〜300μm以下の線状エッチング、または、直径200〜300μm以下の穴状エッチングを行いコストパフォーマンスを高める場合、上記4)及び5)。
【0040】
本発明においては、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。
【0041】
一方、マイクロプラズマ源を構成する部品の加工の精度や、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も避けるべきであり、概ね0.05mm以上であることが好ましい。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば幅200μm以下の線状エッチングや、直径200μm以下の穴状エッチング処理において、所定の大きさでエッチング等の処理が可能となり、また再現性が高いプラズマエッチング装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るマイクロプラズマ源の断面図
【図2】本発明の実施形態に係るマイクロプラズマ源の分解図
【図3】本発明の実施形態に係るマイクロプラズマ源の平面図
【図4】従来のマイクロプラズマ源の断面図
【図5】従来のパターニング技術の工程を示す図
【符号の説明】
5 外側ガス流路
7 内側ガス流路
17 薄板
21,24 外側板
22,23 内側板
50 電極
51 外側ガス流路
52 外側ガス噴出口
53 内側ガス流路
54 内側ガス噴出口

Claims (5)

  1. 一対の内板で電極を挟持し、かつ、前記一対の内板の外側に一対の外板が配置されたプラズマ源にガスを供給しつつ、前記電極に高周波電力を供給することにより前記プラズマ源の先端にプラズマを発生させるプラズマエッチング装置であって、
    前記電極は前記内板と前記外板の端部まで延出されかつ先端部がエッジ形状に構成され、前記一対の内板及び外板の何れの先端部の前記電極側は前記電極のエッジ形状に沿った形状を成し、かつ、前記電極と前記一対の内板との間及び前記一対の内板と前記一対の外板との間の先端部には各々、ガスが供給される空間を有する構成であること
    を特徴するプラズマエッチング装置。
  2. 電極先端部は60度以下のエッジ形状であること
    を特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 電極先端部は30度以下の形状であること
    を特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  4. 電極表面材質の少なくとも放電する領域は、Pt、Au、Ti、Ag、Mo、W、Ni、Cu、Al、Cs、Cの少なくとも1つで構成されていること
    を特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理装置。
  5. ラズマを発生する領域でのガス噴出部の開口寸法は100μm以下であること
    を特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のプラズマ処理装置。
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