JP5094670B2 - エッチング装置、マイクロマシーン製造方法 - Google Patents

Description

本発明はエッチングの技術分野にかかり、特に、エッチング対象物をラジカルでエッチングするエッチング装置と、ラジカルを用いたエッチングでマイクロマシーンを製造する製造方法に関する。

図５の符号１００は、従来技術のエッチング装置を示している。
このエッチング装置１００は、真空槽１１１を有しており、真空槽１１１の天井には、複数の誘電体ドーム１２４が設けられている。各誘電体ドーム１２４の内部には、それぞれアンテナ１２５が配置されており、各アンテナ１２５は、誘電体ドーム１２４内に配置された状態で、真空槽１１１の内部に突き出されている。

真空槽１１１の底壁上には 基板電極１２１が配置されており、真空排気系１１８によって真空槽１１１内を真空排気した後、エッチングガス導入系１１３から真空槽１１１内にエッチングガスを導入し、高周波電源１１７によって各アンテナ１２５に高周波電圧を印加して各アンテナ１２５からマイクロ波を放出させ、エッチングガスに照射すると誘電体ドーム１２４の近傍にエッチングガスプラズマが形成される。

エッチングガスプラズマ中でエッチングガスが励起されるとラジカルが生成され、基板電極１２１上に配置された基板１２２方向に向かって移動し、ラジカルが基板１２２の表面と接触すると、基板１２２の表面がエッチングされる。基板１２２表面のエッチング対象の薄膜上にパターニングした他の薄膜をマスクとして配置しておくと、薄膜のパターニングを行なうことができる。
特開２００４−１８６５３１号公報

しかしながらエッチング速度を高めるために、強いマイクロ波でプラズマを形成してラジカルの発生量を増加させるとプラズマが拡がり、基板１２２の表面と接触すると基板１２２に多量のイオンが入射し、基板１２２の表面がスパッタリングされてしまい、精度の高いパターニングを行なうことができない。特に、マイクロマシーンでは、パターニング精度が重要な問題である。

逆に、パターニング精度を向上させるためにラジカルだけを基板に接触させるようにすると、エッチング速度が遅くなりすぎる。

本発明の第一の課題は、ラジカルにより高速なエッチングを行なえるエッチング技術を提供することにある。
本発明の第二の課題は、パターン精度が高いエッチング技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、ラジカル生成室と、前記ラジカル生成室の内部に突き出され、ガス噴出孔が形成された複数の外側ドームと、各前記外側ドームの内側にそれぞれ配置された内側ドームと、前記外側ドームと前記内側ドームの間の隙間に、還元性ガスと酸化性ガスを供給するガス供給系と、各前記内側ドームの内側に配置され、前記外側ドームと前記内側ドームによって二重に覆われ、覆われた前記内側ドームとその外側の前記外側ドームの間の前記隙間にマイクロ波を照射するアンテナと、各前記外側ドームに形成され、前記隙間と前記外側ドームの外部雰囲気とを接続する複数の放出孔と、エッチング対象物が配置されるエッチング室と、前記ラジカル生成室の内部と前記エッチング室の内部との間に配置され、複数の小孔が形成され、接地電位に接続されたフィルタとを有するエッチング装置である。
また、本発明は、前記エッチング室に配置され、前記エッチング対象物が配置される基板電極と、前記基板電極に接続された交流電源と、前記ラジカル生成室内の各前記外側ドームの外部に反応性ガスを導入する反応性ガス導入系とを有するエッチング装置である。
また、本発明は、前記基板電極に配置された前記エッチング対象物を加熱する加熱装置を有するエッチング装置である。
また、本発明は、基板上に犠牲層が配置され、前記犠牲層上にパターニングされた構造層が配置され、前記構造層間に前記犠牲層が露出されたエッチング対象物の前記犠牲層をエッチングするマイクロマシーン製造方法であって、ラジカル生成室の内部とエッチング室の内部との間に接地電位に接続したフィルタを配置し、前記エッチング室内にエッチング対象物を配置しておき、前記ラジカル生成室内に突出された複数の外側ドームと、各前記外側ドームの内側にそれぞれ配置された内側ドームとの間の隙間に還元性ガスと酸化性ガスとを含有するエッチングガスを導入し、前記隙間に充満するエッチングガスに、各前記内側ドームの内側に配置されたアンテナからマイクロ波を照射してエッチングガスプラズマを形成し、前記エッチングガスプラズマ中で生成されたラジカルと前記エッチングガスプラズマとを、前記外側ドームに設けられた放出孔から前記ラジカル生成室内に放出させ、前記ラジカル生成室内部の前記外側ドームの外側に反応性ガスを導入し、前記外側ドームの外側の前記エッチングガスプラズマのエネルギーで前記反応性ガスのラジカルを生成し、前記還元性ガスのラジカルと、前記酸化性ガスのラジカルと、前記反応性ガスのラジカルとを、前記フィルタの小孔を通過させて前記ラジカル生成室から前記エッチング室内に移動させ、前記ラジカルを前記犠牲層に接触させ、前記犠牲層をエッチング除去するマイクロマシーン製造方法である。
また、本発明は、前記犠牲層のエッチングは前記エッチング対象物を加熱しながら行なうマイクロマシーン製造方法である。
また、本発明は、前記反応性ガスには化学構造中にフッ素原子を有するフッ素系ガスを用いるマイクロマシーン製造方法である。
また、本発明は、前記隙間内に、化学構造中に窒素原子を有する補助ガスを導入し、前記エッチングガスに前記補助ガスを含有させるマイクロマシーン製造方法である。

エッチング対象物が反応性ガスのイオンでスパッタされないので、パターン精度が高いエッチングを行なうことができる。
還元性ガスイオンによってエッチング対象物表面の酸化物を除去しながらラジカルによるエッチングを行なうので、エッチング速度が速い。

図１の符号１０は本発明のエッチング装置であり真空槽１１を有している。
真空槽１１の壁面(ここでは天井)にはラジカル放出装置１２が設けられており、真空槽１１内部の反対側の壁面(ここでは底壁)には、ラジカル放出装置１２と対面する位置に、基板電極２１が設けられている。

真空槽１１の内部のラジカル放出装置１２と基板電極２１の間の位置にはフィルタ３０ａが配置されており、真空槽１１の内部空間はフィルタ３０ａによって、ラジカル放出装置１２が配置された方と、基板電極２１が配置された方とに二分されている。

フィルタ３０ａは、図２に示すように、金属等の導電性材料が板状に成型されて成る導電部材３１ａと、導電部材３１ａに形成された複数の小孔３２ａ(１ｍｍφ程度)とで構成されている。フィルタ３０ａの導電部材３１ａは真空槽１１の壁面に接触されており、真空槽１１の壁面と同電位になるようにされている。真空槽１１は接地されており、従って、フィルタ３０ａは接地電位に置かれている。

フィルタ３０ａによって二分された真空槽１１とその内部空間のうち、ラジカル放出装置１２が配置された方をラジカル生成室３、基板電極２１が配置された方をエッチング室４とすると、小孔３２ａは導電部材３１ａを厚み方向に貫通しており、ラジカル生成室３の内部空間とエッチング室４の内部空間は小孔３２ａによって接続されている。

ラジカル放出装置１２は、外側ドーム２６と、外側ドーム２６の内側に配置された内側ドーム２５とから成る二重ドームを有している。
内側ドーム２５の内側にはアンテナ２４が配置されている。

真空槽１１の壁面には複数の孔が設けられており、アンテナ２４と外側ドーム２６と内側ドーム２５は、各孔から一個ずつラジカル生成室３の内部に突き出されている。
外側ドーム２６と内側ドーム２５の間は所定距離だけ離間しており、外側ドーム２６と内側ドーム２５の間には隙間２７が形成されている。
外側ドーム２６には複数の放出孔２８が形成されており、放出孔２８によって、隙間２７は外側ドーム２６の外部雰囲気に接続されている。

内側ドーム２５の周囲は真空槽１１の天井と密着されている。内側ドーム２５には放出孔は設けられておらず、ラジカル生成室３の内部雰囲気や隙間２７の内部雰囲気は、真空槽１１の外部雰囲気や内側ドーム２５の内側の雰囲気とは分離されている。

この隙間２７には、ガス供給系１３が接続され、隙間２７の内部にエッチングガスを導入すると、エッチングガスは放出孔２８からラジカル生成室３の内部の外側ドーム２６の周囲の雰囲気に噴出される。
ラジカル生成室３には反応性ガス導入系１４が接続されており、外側ドーム２６の周囲の雰囲気に反応性ガスを導入するように構成されている。

エッチング室４には真空排気系１８が接続されており、真空排気系１８によってエッチング室４の内部を真空排気すると、小孔３２ａやフィルタ３０ａと真空槽１１の壁面との間の隙間を介してラジカル生成室３の内部も真空排気される。

ガス供給系１３には、還元性ガス源６１と、酸化性ガス源６２と、補助ガス源６３とが設けられ、反応性ガス導入系１４には、反応性ガス源６４が設けられている。

反応性ガス源６４には、ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＳＦ₆等の化学構造中にフッ素原子を有する反応性ガスが充填されており、酸化性ガス源６２には、酸素ガスから成る酸化性ガスが充填されており、補助ガス源６３には窒素ガスやＡｒ，Ｋｒ，Ｎｅ，Ｘｅガス等の保護膜形成用ガスが充填されている。

また、還元性ガス源６１には、水素ガスや一酸化炭素ガス等の還元性ガスが配置されている。
ガス供給系１３と反応性ガス導入系１４は、それぞれ流量制御装置を有しており、還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスは、それぞれ流量制御しながら隙間２７に導入される。

還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスは、それぞれ別々に導入してもよいし、混合してエッチングガスを形成した後、導入してもよい。
真空槽１１の外部には、高周波電源１７が配置されている。

ラジカル放出装置１２の各アンテナ２４はそれぞれ高周波電源１７に接続されており、内側ドーム２５と外側ドーム２６の間の隙間２７にエッチングガスを導入しながら高周波電源１７から各アンテナ２４に高周波電圧を均等に印加し、各アンテナ２４からマイクロ波を放出させると隙間２７内に充満するエッチングガスにマイクロ波が照射され、還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスは、マイクロ波によって電離され、還元性ガスイオンと酸化性ガスイオンと補助ガスイオンを含有するエッチングガスプラズマが隙間２７内に形成される。

エッチングガスプラズマ中では、分子状態の還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスとが励起され、還元性ガスのラジカルと、酸化性ガスのラジカルと、補助ガスのラジカルが生成される。
隙間２７内で形成されたプラズマは、放出孔２８から外側ドーム２６の外部に放出されて、このエネルギーで反応性ガスは解離する。

ラジカル生成室３とエッチング室４の圧力差により、ラジカル生成室３内で生成されたラジカルやイオンはエッチング室４に向けて流れる際に、中性のラジカルはフィルタ３０ａの小孔３２ａを通過するが、イオンは導電部材３１ａに接触し、電荷が消失た状態で小孔３２ａを通過する。
従って、還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスのラジカルはエッチング室４内に進入し、基板電極２１上に配置されたエッチング対象物２２の表面と接触する。

このとき、反応性ガス導入系１４から、ラジカル生成室３の内部に反応性ガスを流量制御しながら導入し、ラジカル生成室３内に反応性の高い還元性ガスと酸化性ガスと補助ガスと反応性ガスのラジカルを充満させてフィルタ３０ａの小孔３２ａから基板表面に到達させる。

図４(ａ)は、エッチング開始前のエッチング対象物２２の断面を示している。
このエッチング対象物２２は、基板５５上に、パターニングされた第一の構造層５１を有しており、基板５５上と第一の構造層５１には有機物薄膜から成る犠牲層５４が配置されており、第一の構造層５１は犠牲層５４によって埋設されている。

犠牲層５４の第一の構造層５１上の位置には、孔が形成されており、孔内には、第二の構造層５２が配置されている。
犠牲層５４の表面上であって、第二の構造層５２の上方位置には、第二の構造層５２よりも幅広で、第二の構造層５２の上端部を覆う第三の構造層５３が配置されている。
第三の構造層５３はパターニングされており、第三の構造層５３の間に下層の犠牲層５４の表面が露出されている。

エッチング対象物２２は、第三の構造層５３と犠牲層５４とが露出する表面をフィルタ３０ａに向けて基板電極２１上に配置されており、還元性ガスのラジカルと、酸化性ガスのラジカルと、補助ガスのラジカルと、反応性ガスは、エッチング対象物２２のフィルタ３０ａに向けられた表面と接触する。

本実施例では基板電極２１の内部には加熱装置(ここでは通電により発熱するヒータ)３８が設けられており、基板電極２１は、加熱装置３８の発熱によって加熱されている。エッチング対象物２２は基板電極２１と接触しており、基板電極２１からの熱伝導や輻射熱によって所定温度に昇温されている。

第一〜第三の構造層５１〜５３は、シリコン、金属、シリコン窒化物、シリコン酸化物、ＩＴＯ等の金属又は無機化合物で構成されており、反応性ガスのラジカルと酸化性ガスのラジカルは、第一の構造層５１に対するエッチングレートは低く、犠牲層５４に対するエッチングレートは高い性質を有しており、更に、エッチング対象物２２が室温よりも高い温度(一例として２００℃)に加熱され、反応性が高められていることもあり、犠牲層５４は加熱されながら、反応性ガスのラジカルと酸化性ガスのラジカルとに接触し、それらのラジカルと高速に反応して気体となって排気除去される。

エッチング対象物２２の表面に露出する犠牲層５４が酸化性ガスのラジカルと反応すると酸化物が生成され、犠牲層５４の表面が酸化物で覆われると、反応性ガスのラジカルによる犠牲層５４のエッチング速度が低下してしまう。
エッチング対象物２２が配置された基板電極２１は金属製であり、交流電源１９に接続されている。

還元性ガスのラジカルは犠牲層５４の表面に入射し、犠牲層５４表面を覆う酸化物層を還元・除去すると犠牲層５４の表面が露出され、反応性ガスのラジカルと酸化性ガスのラジカルが犠牲層５４の表面と接触して高速なエッチングが進行する。
還元性ガスは、水素ガス、気体の水、炭素を化学構造中に含むガス等であり、キャリアガスと共にエッチング室４に導入してもよい。

基板電極２１に印加する交流電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚ程度であり、アンテナ２４に印加する高周波電圧よりも低周波であり、投入電力を制御することで、還元性ガスイオンの入射量を制御することができる。還元製ガスの質量が大きい場合には第一〜第三の構造層５１〜５３がスパッタリングされないように投入電力を小さくすることができる。

以上のように第一〜第三の構造層５１〜５３をエッチングせずに犠牲層５４のエッチングを進行させると犠牲層５４は除去される。

図４(ｂ)の符号２３は、犠牲層５４の除去によって得られたマイクロマシーンを示しており、このマイクロマシーン２３では、パターニングされた第一〜第三の構造層５１〜５３間の犠牲層５４が除去された領域に空洞５８が形成され、第一〜第三の構造層５１〜５３が積層された複数の構造物５７₁〜５７₃同士が空洞５８によって分離されている。このような構造物５７₁〜５７₃は、マイクロマシーン２３の可動部品や電極等に使用される。

なお、上記フィルタ３０ａは板状の導電部材３１ａに小孔３２ａが複数個形成されて構成されていたが、図３(ａ)に示すように、導電性の細線３３ｂが縦横に配置された網３５ｂを用い、同図(ｂ)に示すように複数枚重ね合わせてフィルタ３０ｂを構成させると、各網３５ｂの細線３３ｂが重なり合ってイオンを遮断する導電部材３１ｂが形成されると共に、各網３５ｂは細線３３ｂ間に網目３４ｂが形成されているので、各網３５ｂの網目３４ｂが重なり合って部分で、ラジカルが通過する小孔３２ｂが得られる。

複数の網３５ｂを重ね合わせる際に、小孔３２ｂが塞がらない程度に、一枚の網３５ｂの網目３４ｂ上に他の網３５ｂの細線３３ｂが重なるようにして積層すると、小孔３２ｂの大きさを１枚の網３５ｂの網目３４ｂよりも小さくすることができる。このフィルタ３０ｂを真空槽１１内に配置し、ラジカル生成室３とエッチング室４を区分けし、各網３５ｂの細線３３ｂを真空槽１１と共に接地電位に接続しておいた場合、エッチングプラズマ中で生成されたラジカルは狭い小孔３２ｂを通過できても、電荷を有するイオンは狭い小孔３２ｂを通過できない。

上記実施例では加熱装置３８をヒータで構成したが、赤外線ランプや他の加熱装置を用いてもよい。
また、上記実施例では、犠牲層５４に有機薄膜を用いたが、フッ素系の反応性ガスと反応した反応生成物が気体であり、反応性ガスのラジカルに対して第一〜第三の構造層５１〜５３よりもエッチング速度が速い物質であればよい。

なお、外側ドーム２６と内側ドーム２５は石英などの気密性を有する誘電体で構成することができる。

本発明の一例のエッチング装置 フィルタの一例 (ａ)：網 (ｂ)：網で構成されたフィルタ (ａ)：エッチング対象物 (ｂ)：マイクロマシーン 従来技術のエッチング装置

符号の説明

３……ラジカル生成室
４……エッチング室
１０……エッチング装置
１１……真空槽
１３……ガス供給系
１４……反応性ガス導入系
２０……マイクロ波放出装置
２１……基板電極
２２……エッチング対象物
２３……マイクロマシーン
２４……アンテナ
２５……内側ドーム
２６……外側ドーム
２７……隙間
２８……放出孔
３２ａ，３２ｂ……小孔
３８……加熱装置
５１〜５３……構造層
５４……犠牲層

Claims (7)

1. ラジカル生成室と、
   前記ラジカル生成室の内部に突き出され、ガス噴出孔が形成された複数の外側ドームと、
   各前記外側ドームの内側にそれぞれ配置された内側ドームと、
   前記外側ドームと前記内側ドームの間の隙間に、還元性ガスと酸化性ガスを供給するガス供給系と、
   各前記内側ドームの内側に配置され、前記外側ドームと前記内側ドームによって二重に覆われ、覆われた前記内側ドームとその外側の前記外側ドームの間の前記隙間にマイクロ波を照射するアンテナと、
   各前記外側ドームに形成され、前記隙間と前記外側ドームの外部雰囲気とを接続する複数の放出孔と、
   エッチング対象物が配置されるエッチング室と、
   前記ラジカル生成室の内部と前記エッチング室の内部との間に配置され、複数の小孔が形成され、接地電位に接続されたフィルタとを有するエッチング装置。
2. 前記エッチング室に配置され、前記エッチング対象物が配置される基板電極と、
   前記基板電極に接続された交流電源と、
   前記ラジカル生成室内の各前記外側ドームの外部に反応性ガスを導入する反応性ガス導入系とを有する請求項１記載のエッチング装置。
3. 前記基板電極に配置された前記エッチング対象物を加熱する加熱装置を有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のエッチング装置。
4. 基板上に犠牲層が配置され、前記犠牲層上にパターニングされた構造層が配置され、前記構造層間に前記犠牲層が露出されたエッチング対象物の前記犠牲層をエッチングするマイクロマシーン製造方法であって、
   ラジカル生成室の内部とエッチング室の内部との間に接地電位に接続したフィルタを配置し、前記エッチング室内にエッチング対象物を配置しておき、
   前記ラジカル生成室内に突出された複数の外側ドームと、各前記外側ドームの内側にそれぞれ配置された内側ドームとの間の隙間に還元性ガスと酸化性ガスとを含有するエッチングガスを導入し、前記隙間に充満するエッチングガスに、各前記内側ドームの内側に配置されたアンテナからマイクロ波を照射してエッチングガスプラズマを形成し、
   前記エッチングガスプラズマ中で生成されたラジカルと前記エッチングガスプラズマとを、前記外側ドームに設けられた放出孔から前記ラジカル生成室内に放出させ、
   前記ラジカル生成室内部の前記外側ドームの外側に反応性ガスを導入し、前記外側ドームの外側の前記エッチングガスプラズマのエネルギーで前記反応性ガスのラジカルを生成し、
   前記還元性ガスのラジカルと、前記酸化性ガスのラジカルと、前記反応性ガスのラジカルとを、前記フィルタの小孔を通過させて前記ラジカル生成室から前記エッチング室内に移動させ、前記ラジカルを前記犠牲層に接触させ、前記犠牲層をエッチング除去するマイクロマシーン製造方法。
5. 前記犠牲層のエッチングは前記エッチング対象物を加熱しながら行なう請求項４記載のマイクロマシーン製造方法。
6. 前記反応性ガスには化学構造中にフッ素原子を有するフッ素系ガスを用いる請求項４又は請求項５のいずれか１項記載のマイクロマシーン製造方法。
7. 前記隙間内に、化学構造中に窒素原子を有する補助ガスを導入し、前記エッチングガスに前記補助ガスを含有させる請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載のマイクロマシーン製造方法。

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