JP4470717B2 - Plasma etching method - Google Patents
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Description
この発明は、ドライエッチング方法に関するもので、特にエッチングガスをプラズマ化して対象物のエッチングを行うプラズマエッチング方法に関する。 The present invention relates to a dry etching method, and more particularly to a plasma etching method for etching an object by converting an etching gas into plasma.
従来、ニオブ酸リチウム(LiNbO3:以下LNと称す)やタンタル酸リチウム(LiTaO3以下LTと称す)に代表される酸化物材料に対しては、不活性ガスやハロゲンガスまたはそれらを混合したガスのプラズマを用いたエッチング方法が用いられている。このエッチング方法では、不活性ガスの一部がプラズマ中で電子と衝突を起こし、正イオンとなり、この正イオンを負電極に設置してある被エッチング材料に衝突させることで、物理的に対象物表面の物質を除去すること(イオンボンバード効果)を利用している。一方、ハロゲンガスは、プラズマ中で解離あるいは電離を起こし、化学的に活性なラジカルやイオンを生成する。これらの一部は不活性ガスの正イオンと同様に物理的に対象物表面の物質を除去する。 Conventionally, for an oxide material typified by lithium niobate (LiNbO 3 : hereinafter referred to as LN) or lithium tantalate (hereinafter referred to as LiTaO 3 or LT), an inert gas, a halogen gas, or a gas obtained by mixing them. An etching method using plasma is used. In this etching method, a part of the inert gas collides with electrons in the plasma to become positive ions, and these positive ions collide with the material to be etched placed on the negative electrode, so that the object is physically obtained. It uses the removal of surface material (ion bombard effect). On the other hand, the halogen gas undergoes dissociation or ionization in the plasma to generate chemically active radicals and ions. Some of these physically remove the material on the surface of the object, like the positive ions of the inert gas.
さらに、プラズマエッチング方法は、被エッチング材料表面で蒸気圧の高い反応生成物を形成し、化学的に表面物質を除去する効果や、化学的に被エッチング材料表面の結合エネルギー弱め、それを物理的に除去する反応性イオンエッチングの効果もある。 Furthermore, the plasma etching method forms a reaction product with a high vapor pressure on the surface of the material to be etched, chemically removes the surface material, and chemically weakens the binding energy on the surface of the material to be etched. There is also an effect of reactive ion etching to be removed.
上記従来のプラズマエッチング方法では、これらのガス種を単独かあるいは混合したプラズマを生成して、プラズマ密度、プロセスガス圧、ガス流量、被エッチング材料温度等の諸条件の最適化を図り、エッチング速度、選択比、エッチング形状を制御している。
上記従来のプラズマエッチング方法は、半導体材料等に比較して、エッチング対象物のエッチング割合と、エッチングによるマスク材料の除去割合の比である選択比が大きくならない問題点があった。また、LN,LT等の酸化物材料の含有元素の中には、ハロゲンのラジカルやイオンと化学反応を起こし、蒸気圧の低い反応生成物を形成する場合が多い。これを除去し、エッチング速度を上げるためには、飛来するイオンの運動エネルギーを増大させ、化学反応を促進させたり、物理的効果で取り除くしか方法がなかった。 The conventional plasma etching method has a problem that the selection ratio, which is the ratio of the etching rate of the object to be etched and the removal rate of the mask material by etching, does not increase as compared with the semiconductor material or the like. In addition, among the elements contained in oxide materials such as LN and LT, a chemical reaction with a halogen radical or ion often occurs to form a reaction product having a low vapor pressure. The only way to remove this and increase the etching rate is to increase the kinetic energy of incoming ions, promote chemical reaction, or remove by physical effects.
しかしながら、この方法ではエッチングマスクとして用いるフォトレジストや金属膜のエッチング速度までも増大するため、選択比が上がらない問題があった。選択比が上がらないことは、深溝などアスペクト比(深さと開口幅の比)の高い加工が不可能であることを意味する。 However, this method increases the etching rate of the photoresist or metal film used as an etching mask, and thus has a problem that the selectivity does not increase. That the selectivity does not increase means that processing with a high aspect ratio (ratio of depth to opening width) such as deep grooves is impossible.
そこで、選択比を上げる方法としては、シリコンの深溝加工に応用されているボッシュプロセスがある。このプロセスは、エッチングガスと側壁及びマスクの保護膜を形成するデポジションガスを交互に用いることで、選択比を大きく取ることを可能にし、良好なエッチング形状を実現している。 Therefore, as a method for increasing the selection ratio, there is a Bosch process applied to deep groove processing of silicon. In this process, an etching gas and a deposition gas for forming a protective film for the side wall and the mask are alternately used, so that a high selection ratio can be obtained and a good etching shape is realized.
しかしながら、この方法は2種類のプロセスガスを用いるため、被エッチング材料と化学反応を起こした副次的な反応生成物が多種に生成され、エッチング特性の再現性や安定性に劣るものであった。また、装置の製作費が高額になったり、真空チャンバーの汚染による装置維持の不利益等種々のデメリットがある。 However, since this method uses two types of process gases, a variety of secondary reaction products that chemically react with the material to be etched are generated, and the reproducibility and stability of etching characteristics are poor. . In addition, there are various demerits such as a high manufacturing cost of the apparatus and a disadvantage of maintaining the apparatus due to contamination of the vacuum chamber.
また、上述のようにイオンの運動エネルギーを増加させると、被エッチング材料上面(プラズマとの接触面)の温度が上昇し、被エッチング材料下面との熱膨張の差異により、エッチング中途で被エッチング材料にクラックを生じるケースが多々あった。さらに、酸化物は非導電体であるため、プラズマから飛来した被エッチング材料表面の電荷が放電されず、過度に蓄積された電荷は、被エッチング材料の電荷の分布状態やステージ電位の差異等により、瞬間的に大電流が発生し、被エッチング材料が破壊に至ることもあった。さらに、LNやLTといった焦電材料においては、プラズマによる表面の温度勾配や電子の蓄積により、他材料に比較して特にこの現象が顕著であった。 Further, when the kinetic energy of ions is increased as described above, the temperature of the upper surface of the material to be etched (contact surface with the plasma) rises, and the material to be etched is etched halfway due to the difference in thermal expansion from the lower surface of the material to be etched. In many cases, cracks occurred. Furthermore, since the oxide is a non-conductive material, the charge on the surface of the material to be etched coming from the plasma is not discharged, and the excessively accumulated charge is caused by the charge distribution state of the material to be etched and the difference in stage potential. In some cases, a large current was instantaneously generated, and the material to be etched was destroyed. Further, in the pyroelectric materials such as LN and LT, this phenomenon is particularly remarkable as compared with other materials due to the temperature gradient of the surface due to plasma and the accumulation of electrons.
この発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたもので、エッチングされる基板等のクラックや破壊を抑制しつつ、エッチング選択比を増大させ、酸化物材料に対して精密かつ高アスペクト比な微細加工を可能とするプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional technology, and is capable of increasing the etching selectivity while suppressing cracks and breakage of the substrate to be etched and the like. It is an object of the present invention to provide a plasma etching method that enables processing.
この発明は、酸化物材料である被エッチング材料の表面をエッチングガスによる反応性イオンやラジカルによりエッチングするプラズマエッチング方法であって、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、それらに不活性ガスやハロゲンガスを混合したフッ素含有プラズマを用いて、このプラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加するエッチング工程と、前記プラズマにエッチング可能な電圧を印加しない若しくはエッチングが進行しない程度のセルフバイアス電圧を印加して、前記プラズマにより前記被エッチング材料表面を覆った金属製のエッチングマスクの表面改質を行う工程とを交互に繰り返して、エッチングを行うプラズマエッチング方法である。前記エッチングと表面改質の切り替えは、負電極に印加する高周波電力の増減で制御するものである。 The present invention relates to a plasma etching method for etching a surface of a material to be etched, which is an oxide material, with reactive ions or radicals using an etching gas, the main component being a gas containing at least fluorine atoms, and an inert gas or Using fluorine-containing plasma mixed with a halogen gas, an etching step for applying an etchable self-bias voltage to the plasma, and applying a self-bias voltage to the plasma so that no etchable voltage is applied or etching does not proceed. In this plasma etching method, etching is performed by alternately repeating the step of modifying the surface of the metal etching mask covering the surface of the material to be etched with the plasma. The switching between etching and surface modification is controlled by increasing or decreasing the high-frequency power applied to the negative electrode.
また、前記プラズマは、電子サイクロトロン共鳴を利用して発生させるものである。反応性イオンエッチングのエッチングマスク材料として、ニッケル等の金属材料を用いるものである。また、前記エッチングは、3MHz以下の高周波電力を負電極に印加して行うものであり、前記エッチングと前記表面改質の切り替えは、前記高周波電力の増減で制御するものである。 The plasma is generated using electron cyclotron resonance. A metal material such as nickel is used as an etching mask material for reactive ion etching. Further, the etching, which performs by applying the following frequency power 3MHz negative electrodes, switching of the etching and the surface modification is to control by increasing or decreasing the high frequency power.
前記被エッチング材料は、酸化物材料であるニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム等である。前記エッチングガスは、六フッ化硫黄ガスまたはフロン14等を含む。さらに、前記エッチングガスの前記フッ素含有プラズマには、アルゴンまたはキセノンを混合したものなどである。 The material to be etched is an oxide material such as lithium niobate or lithium tantalate. The etching gas contains sulfur hexafluoride gas or Freon 14 or the like. Further, the fluorine-containing plasma of the etching gas is a mixture of argon or xenon.
この発明のプラズマエッチング方法によれば、複雑な装置や工程を用いることなく、被エッチング材料である酸化物材料のクラックや破壊がなく、エッチング選択比が大きく、エッチングによる精密かつ高アスペクト比の微細加工を可能とするものである。 According to the plasma etching method of the present invention, there is no cracking or destruction of the oxide material to be etched without using a complicated apparatus or process, the etching selectivity is large, and the precision and high aspect ratio by etching are fine. Processing is possible.
以下、この発明の実施形態について説明する。この実施形態のプラズマエッチング方法は、六フッ化硫黄ガスやフロン14を主成分とするエッチングガスのプラズマを生成し、LN,LTをはじめとする酸化物の被エッチング材料の表面に対して、エッチングガスと反応させながら、エッチング工程と表面改質工程とを交互に行うものである。エッチングガスは、少なくともフッ素原子を含むガスであれば特に制限されない。 Embodiments of the present invention will be described below. The plasma etching method of this embodiment generates plasma of an etching gas mainly composed of sulfur hexafluoride gas or Freon 14, and etches the surface of the material to be etched such as LN and LT. The etching process and the surface modification process are alternately performed while reacting with the gas. The etching gas is not particularly limited as long as it contains at least fluorine atoms.
そして、このエッチングプラズマについて、高周波電力を制御することにより、LN,LTをはじめとする酸化物に、高い選択比で異方的な加工を可能とする。さらに、微細な鋭い形状の転写も可能となる。 In addition, by controlling the high frequency power of this etching plasma, it is possible to perform anisotropic processing with high selectivity on oxides such as LN and LT. Furthermore, transfer of a fine sharp shape is also possible.
例えば、ECR(電子サイクロトロン共鳴)型プラズマエッチング装置の場合、プロセス圧力を1Pa以下とし、マイクロ波供給電力を1×1011/cm3程度まで高密度にすることが望ましい。バイアスRF電力は、3W/cm2程度が望ましく、バイアス電力の切り替えは、エッチングが30秒から2分、表面改質が15秒から1分程度が望ましい。 For example, in the case of an ECR (electron cyclotron resonance) type plasma etching apparatus, it is desirable to set the process pressure to 1 Pa or less and the microwave supply power to a high density of about 1 × 10 11 / cm 3 . The bias RF power is desirably about 3 W / cm 2 , and the switching of the bias power is desirably about 30 seconds to 2 minutes for etching and about 15 seconds to 1 minute for surface modification.
容量結合型や誘導結合(ICP:Inductively Coupled Plasma)型のプラズマエッチング装置であっても、同様のプラズマ密度を生成し、バイアスRF電力を前述の通り時分割で制御することにより、上記と同様に選択比の大きいエッチングを可能とする。 Even with a capacitively coupled or inductively coupled plasma (ICP) type plasma etching apparatus, the same plasma density is generated and the bias RF power is controlled in a time-sharing manner as described above, as described above. Etching with a high selectivity is possible.
エッチング速度の増大や高アスペクト比のエッチング形状などを実現させるためには、高プラズマ密度が可能で、プラズマ生成とイオンの運動エネルギーを独立に制御できるECR型やICP型のエッチング装置が有利である。 In order to realize an etching rate increase or a high aspect ratio etching shape, an ECR type or ICP type etching apparatus capable of high plasma density and capable of independently controlling plasma generation and ion kinetic energy is advantageous. .
また、エッチング装置のシース近傍のイオンの運動エネルギーを増大させるために、400kHz〜3MHz、好ましくは1MHz程度の高周波バイアスRF電力を供給することが望ましい。反応性イオンエッチングのエッチングマスク材料としては、ニッケル等の金属材料を用いる。 Further, in order to increase the kinetic energy of ions in the vicinity of the sheath of the etching apparatus, it is desirable to supply a high frequency bias RF power of 400 kHz to 3 MHz, preferably about 1 MHz. A metal material such as nickel is used as an etching mask material for reactive ion etching.
ここで、この発明により高選択比が可能になる理由は、以下の通りである。まず、高電力の場合、負電極に飛来する正イオンの運動エネルギーが増大し、SFX +イオンによるエッチング作用が支配的となる。他方、低電力の場合、イオンの運動エネルギーは減少することから、SFXやFラジカルによる表面改質が支配的になる。具体的には、低電力による表面改質工程期間中には、マスク表面が、プラズマに対して耐性の高いフッ化ニッケル(NiF2)等に改質されるため、マスク材料のエッチング速度が低下する。このため、相対的にマスク材料と被エッチング材料の選択比が増大するのである。 Here, the reason why a high selectivity can be achieved by the present invention is as follows. First, in the case of high power, the kinetic energy of positive ions flying to the negative electrode increases, and the etching action by SF X + ions becomes dominant. On the other hand, in the case of low-power, kinetic energy of the ions from the reducing, surface modification by SF X and F radicals becomes dominant. Specifically, during the surface modification process with low power, the mask surface is modified to nickel fluoride (NiF 2 ) or the like that is highly resistant to plasma, so that the etching rate of the mask material decreases. To do. For this reason, the selectivity of the mask material and the material to be etched is relatively increased.
次に、表面電荷や熱応力に起因する被エッチング材料の破壊がなくなる理由は、低電力供給時(表面改質時)には、被エッチング材料表面に飛来するイオン流量と個々のイオンが保有する運動エネルギーが減少する。従って、被エッチング材料に蓄積される熱量や電荷量が減少する。その結果、被エッチング材料の表面と裏面の温度差や、被エッチング材料表面と、それを載置したステージの電位差が減少し、被エッチング材料の破壊が抑制されるというものである。 Next, the reason for the destruction of the material to be etched due to the surface charge and thermal stress is that when the low power is supplied (during surface modification), the flow rate of ions flying onto the surface of the material to be etched and individual ions are retained. The kinetic energy is reduced. Accordingly, the amount of heat and charge accumulated in the material to be etched is reduced. As a result, the temperature difference between the front and back surfaces of the material to be etched and the potential difference between the surface of the material to be etched and the stage on which the material is placed are reduced, and the destruction of the material to be etched is suppressed.
この実施形態のプラズマエッチング方法によれば、ECRエッチング装置等を用いて簡単な工程で、エッチング選択比が大きく、エッチングによる精密かつ高アスペクト比の微細加工を可能とする。さらに、被エッチング材料である酸化物材料のクラックや破壊がなく、安定にエッチングを行うことができ、複雑な微細加工や薄い被エッチング材料の表面加工等を精密に行うことができる。 According to the plasma etching method of this embodiment, the etching selectivity is large with a simple process using an ECR etching apparatus or the like, and fine processing with high precision and high aspect ratio is possible by etching. Furthermore, there is no crack or destruction of the oxide material that is the material to be etched, and the etching can be performed stably, and complicated fine processing, surface processing of the thin material to be etched, and the like can be performed precisely.
次に、この発明によるプラズマエッチング方法の実施例について説明する。この実施例では、ECR型反応性イオンエッチング装置を用いて、SF6プラズマによるLTの反応性イオンエッチングを行った。このときの条件は、上記実施形態の条件であって、マイクロ波電力170W、プロセス圧力0.4Paで、エッチング時のバイアスRF電力300W、表面改質時のバイアスRF電力は0W、プロセス時間60分(エッチング時間2分、改質時間1分を1周期とし、20周期)であった。この結果、図1のエッチング形状が得られた。エッチング深さは4μm、選択比は7であった。 Next, an embodiment of the plasma etching method according to the present invention will be described. In this example, reactive ion etching of LT using SF 6 plasma was performed using an ECR type reactive ion etching apparatus. The conditions at this time are the conditions of the above embodiment, the microwave power is 170 W, the process pressure is 0.4 Pa, the bias RF power at the time of etching is 300 W, the bias RF power at the surface modification is 0 W, and the process time is 60 minutes. (Etching time is 2 minutes, modification time is 1 minute and one cycle is 20 cycles). As a result, the etching shape of FIG. 1 was obtained. The etching depth was 4 μm and the selection ratio was 7.
表面改質工程を行わず、同様の条件(マイクロ波電力170W、プロセス圧力0.4Paで、エッチング時のバイアスRF電力300W)で連続エッチングを行った場合、マスクの消耗が激しく、5分以上のエッチングは不可能であり、チャージアップや温度上昇による基板割れと言った現象が多く見られた。このときのエッチング深さは、1μm程度、選択比2であった。 When continuous etching is performed under the same conditions (microwave power 170 W, process pressure 0.4 Pa, bias RF power 300 W during etching) without performing the surface modification process, the mask is consumed very much and is not less than 5 minutes. Etching is not possible, and many phenomena such as charge-up and substrate cracking due to temperature rise were observed. The etching depth at this time was about 1 μm and the selectivity was 2.
ECR型エッチング装置を用いたLNのSF6のプラズマエッチングについて、表面改質時間を変化させながら、LN表面のニッケル及びフッ素の組成比を測定した。その結果を表1に示す。ここでは、連続的なエッチングにおいては、Ni:F=1:1.56であるが、表面改質時間を設けることで、マスク材料の改質(フッ化)が進行し、フッ化ニッケルの化学量論的組成比(Ni:F=1:2)に近い値を示している。即ち、マスク表面が、プラズマに対して耐性の高いフッ化ニッケル(NiF2)等に改質されていることが分かる。 For plasma etching of LN SF 6 using an ECR type etching apparatus, the composition ratio of nickel and fluorine on the LN surface was measured while changing the surface modification time. The results are shown in Table 1. Here, in continuous etching, Ni: F = 1: 1.56. However, by providing a surface modification time, the modification (fluorination) of the mask material proceeds, and the chemistry of nickel fluoride is increased. The value is close to the stoichiometric composition ratio (Ni: F = 1: 2). That is, it can be seen that the mask surface is modified to nickel fluoride (NiF 2 ) or the like that is highly resistant to plasma.
Claims (4)
少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、それらに不活性ガスやハロゲンガスを混合したフッ素含有プラズマを用いて、このプラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加するエッチング工程と、
前記プラズマにエッチング可能なセルフバイアス電圧を印加しない若しくはエッチングが進行しない程度のセルフバイアス電圧を印加して、前記被エッチング材料表面を覆った金属製のエッチングマスクの表面改質を行う工程とを、
交互に繰り返してエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。 In the plasma etching method of etching the surface of the material to be etched, which is an oxide material, with reactive ions by an etching gas,
An etching step of applying a self-bias voltage capable of etching to this plasma using fluorine-containing plasma in which a gas containing at least fluorine atoms is a main component and an inert gas or a halogen gas is mixed with the gas,
Applying a surface modification of a metal etching mask covering the surface of the material to be etched by applying a self-bias voltage that does not allow etching to be applied to the plasma or applying a self-bias voltage that does not allow etching to proceed,
A plasma etching method, wherein etching is performed alternately and repeatedly.
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