JP5294816B2

JP5294816B2 - 顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置及び局所マイクロプラズマエッチング方法

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Publication number: JP5294816B2
Application number: JP2008306981A
Authority: JP
Inventors: 俊一郎新堀; 俊太郎横須賀; 裕也白山
Original assignee: 株式会社三友製作所
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP2010135351A

Description

本発明は、局所領域でのデバイスウェーハの絶縁膜（ＳｉＯ_２）等の剥離、除去等の作業を行なう顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置に関するものである。

本発明で言うプラズマエッチングとは、プラズマ化した反応性ガスによるエッチング対象物（以下ワークと略記する）のエッチング箇所の除去作用をいうものであり、例えばプラズマ化したフッ素等の反応性ガスをワーク表面に照射し、反応性ガスとワークとの反応で生成した揮発性化合物を蒸発せしめることにより照射をうけたワーク表面を精度よくエッチング除去して行くことを特徴とするものである。プラズマエッチングによる作用の効果は、用いる反応性ガスの種類により異なり、また時間や印加する電圧を加減することによりその強弱をコントロールすることができるので平坦化等の手法としても用いることができる。また、デバイスウェーハやシリコンベアウェーハの微小部分に対する局所的な剥離、除去、穿鑿、穿孔等のマイクロエッチング作業の場合は、プラズマガンを搭載したマイクロプラズマエッチング装置を用いる。

従来、プラズマガン搭載型のマイクロプラズマエッチング装置とは、プラズマ発生領域を有する石英製あるいはガラス製等のキャピラリー内へ四フッ化炭素等の反応性原料ガスを導入し、ＲＦ（ラジオフリーケンシー）発振用電極（以下ＲＦ電極と略記する）に電圧を印加、反応性原料ガスを励起してプラズマ化し、発生したプラズマ化したガスをプラズマガンから、ワーク表面にダウンストリーム手法で噴射し微小部分のエッチングを行なう装置であり、いわゆる噴射型のプラズマガンが用いられている。この装置を用いたエッチング方法は非接触で作業が行なわれることを一つの特徴とする。そして、半導体の分野では、局所的な微小部分の剥離、除去、穿鑿、穿孔等の手段、あるいは半導体ウェーハ表面の凹凸をなくし平坦化を行なう手段として応用されている。そしてエッチング対象物は、反応性原料ガスを変更することにより金属あるいは金属酸化物のみならず樹脂等の有機質にもおよび適用範囲は極めて広いものである。

近年、半導体デバイスは近年益々多様化が進み、今まで使用されていなかった分野でも使われ始めており、その傾向は今後も拡大して行くと予測される。同時にデバイスそのものもＵＬＳＩ（Ｕｌｔｒａ−ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）に見られるように、更に高集積化、多層化デバイスが増加し、回路の線幅がますます微細化されるとともに、製造プロセスにおいても、更に複雑で高精度化、多層化が要求されて来ている。具体的には、次世代デバイスにおいては回路幅が数十ｎｍ、配線同士の間隔が３５ｎｍになるとされている。このような中で、半導体デバイスや半導体集積回路製品の不良解析等の目的で、微小な局所領域での絶縁膜の剥離や除去等の作業を行なうために、上述の噴出型プラズマガン搭載型のプラズマエッチング装置が用いられていた。

しかしながら、上述のような技術の多様化、繊細化の進行という状況の中で、従来の構造の噴射型プラズマガン搭載型プラズマエッチング装置をこのような目的に使用した場合、ワークに対して直接高温のガスを当てる事となりそのため熱損傷を起こし、面粗さを悪化させたり、余計な分子（例えば炭素）がワーク表面に付着し、エッチングレートを低下させたりするなどの問題が指摘されている。更に、穿鑿、穿孔等の目的で同じ部位に長時間プラズマエッチングを行なうような場合は、前述の付着、堆積する異物を除去するために、一旦作業を止めて、例えば酸素ガスを用いた異物除去のための別のプラズマエッチング処理を行なうことが必要である等の問題が指摘されていた。更に、不要な加熱が行なわれ、周辺が損傷し作業が不正確になったり、汚染されたりするだけでなく、キャピラリー管先端とワークとの間隙でのプラズマの拡散現象の為に、所期の穴径より大きな穴径でエッチングされたり、穴の形状の精緻さを欠くようになる、即ち、要求される作業の正確度に追従できないという問題点が指摘されるようになって来ている。また、９００μｍ以下の極めて微細な穴の形成も困難であり、前述の技術の多様化、繊細化に追随できないことも指摘されていた。つまり、マイクロプラズマエッチング作業におけるエッチング領域の局所化、微細化が急務となっている。

更に、プラズマエッチング作業を局所領域で行なう場合は、ワークのエッチング対象部分の確定、それに伴なう位置決め作業が重要であり、更にまたエッチング作業前後のワーク表面観察によるエッチングの効果の確認と、追加あるいは修正のためのエッチング作業の要否の確認を行なうことが重要なファクターとなる。

プラズマエッチング装置をシリコンウェーハ等の表面を局部的にエッチングするための方法および装置として用いることに関しては、例えば特許文献１に記載されているように局部的プラズマエッチングを行なう手段と、プラズマ化した反応性ガスと被エッチング物との反応生成物を排出する排気管と真空ポンプを備えた装置を挙げることができる。また、局部的にエッチングし平坦化を行なう方法および装置に関しては予めエッチングする部分の平坦度を測定しておき、その平坦度の二次元分布データを処理してからエッチングする方法や、それを面方向に拡大してワークをＸＹ軸方向に走査させながら、ワーク全体の平坦化を行なう方法が例えば特許文献２に記載されている。これらの方法はいずれもプラズマエッチングによるシリコンウェーハ等の表面の平坦化に関わる技術であり、所謂平坦度の向上、生産性の向上と不良率の減少を目的とした技術である。

また、特許文献３にはプラズマエッチングにおけるプラズマを局所領域に正確に閉じ込め、反応ガスを基体の要エッチング表面のみに供給するように設計されているプラズマエッチング装置が記載されている。この装置はプラズマの拡散を防止するためのものであって、高温のガスの拡散や、それによる周辺の熱損傷あるいは異物の堆積などの悪影響をも防止するようなものではない。

そして、特許文献４には不良原因の解析等を目的として、局所プラズマ機構による多層集積化半導体デバイスの絶縁膜の局所的な剥離、穿孔、除去等を顕微鏡観察下で行なうマイクロマニピュレーション装置が記載されているが、局所プラズマエッチング作業をマイクロマニピュレーションにより顕微鏡観察下でコントロールしつつ行なう技術であって、機構的に複雑であり、単純な作業には不向きである。また、基本的には噴射型プラズマガンを使用するものであるため、高温のプラズマガスの影響による周辺部分の損傷や汚染、またプラズマの拡散による剥離、穿孔等の形状の精緻さへの悪影響の問題に関しては完全なものではなかった。そして、プラズマガンによるエッチングおよび顕微鏡による観察を同時に同じ視野内で行なうために、プラズマガンの方向と顕微鏡の視野の方向が斜交した状態で加工することとなり、観察等に精緻さに欠けるきらいもあった。更に、作業を長時間継続することに伴なう、堆積物の除去作業等、作業の煩雑さの問題も依然解決はされていない。

上述の技術は、プラズマ発生器中でプラズマ化された反応性ガスの持つ強い除去能力を応用したものであるが、この技術は、まず特殊原料ガス（例えば四フッ化炭素等）の供給が必要であって、次に反応管（キャピラリー）やＲＦ電極を具備したプラズマガン、真空容器等が必要であり、反応ガスや発生した蒸発ガスを除去するための吸引装置も必要である。そして、半導体デバイスウェーハや半導体集積回路製品の不良解析、あるいはシリコンベアウェーハ表面加工等を目的として、局所領域でのＳｉＯ_２絶縁膜の剥離や除去等の作業を行なうものであるから、作業の正確さ、エッチングされた穴の形状の精緻さへの要求は特に厳しいものであり、更に他の周辺部分への影響を極力少なくする構造でなければならない。

即ち、上述の通り、従来のマイクロプラズマエッチング装置は、プラズマ化した反応性ガスをワーク表面に噴射して照射し、微小局所部分の剥離や除去を行なうものであるから、その間におけるプラズマの拡散、高温ガスの拡散、異物の付着や汚染、反応ガスや蒸発ガスによるワークの局所以外の表面や容器内部の汚染といった問題点を有するものであり、更にその剥離や除去された部分の大きさ、特に微細な部分への対応や形状の正確さについても十分なものではなかった。更にワークのエッチング対象部位の確定、及びそのための位置決め、エッチング作業前後のワーク表面の観察、追加あるいは修正作業の要否等をリアルタイムで判断する手段もなかった。
特開平１０−１４７８９３号公報特開２０００−１７４００４号公報特開平５−３４７２７７号公報特開２００８−４６３２４号公報

本発明者等は、上述の問題点に鑑み、鋭意検討を行ない、反応性原料ガスが存在する真空容器中で、キャピラリー管とＲＦ電極を具備したプラズマガンのキャピラリー管の先端部を試料ステージ上に載置されたワークに近接させ、キャピラリー管の先端部から吸引を行なうとともにＲＦ電極より電圧を印加すると、ワーク表面近辺でプラズマが発生することを見出したものである。かかる現象を応用することにより、上述の問題点を解決するに至ったものであり、更に、真空容器内に顕微鏡鏡頭を凸設することによりワークのエッチング対象部位の確定、及びそのための位置決めが容易となり、更にエッチング作業前後のワーク表面の観察、エッチング作業の追加あるいは修正作業の要否等を、ワークを取り外して別の検査手段により判断するという煩雑さを回避することができたのである。そして、その目的とするところは局所領域での正確、精緻なエッチングを行ない、絶縁膜の剥離や除去等の作業を効果的に行なうための顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を提供するものであり、更に、該顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いたマイクロプラズマエッチン方法を提供することにある。

上述の本発明の第一の要旨は、試料台と、ガス導入部が設けられている真空容器と、キャピラリー管と該キャピラリー管内で原料ガスを励起するためのＲＦ発振用電極を具備したプラズマガンと、顕微鏡と、試料台を具備する試料ステージとを有する吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置であって、前記試料ステージは真空容器内にあり、前記キャピラリー管の先端部は真空容器内に凸設され、後部端部は真空容器外に存在して排気装置が連結されており、前記顕微鏡鏡頭は前記プラズマガンと並んで垂直に真空容器内に凸設され、前記試料ステージは、前記キャピラリー管先端部と前記顕微鏡鏡頭先端部を結ぶ軸上を自在に移動することができる構造とし、前記試料台上にエッチング対象物を載置し、前記キャピラリー内の圧力を前記真空容器の内圧より低くすることにより前記ガス導入部から真空容器内に導入されたプラズマ用反応性原料ガスをキャピラリー管の先端部から吸引し、前記ＲＦ発振用電極に電圧を印加することにより、励起したガスをガスの流れに対向してエッチング対象物表面近辺のキャピラリー管内部でプラズマを発生するようにしたことを特徴とする顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置である。そして、前記試料ステージは、エッチング対象物を載置する試料台と、該試料台をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への移動と、Ｚ軸を中心とした回転とにより、任意の方向、角度での傾斜を行なう駆動装置を有し、かつ前記試料ステージは真空容器底部にあるベース上に載置されており、前記試料ステージを載置するベースはＺ軸方向への移動が可能である。

本発明では、反応性原料ガスの流れは、ワーク表面とキャピラリー管先端部の形成する狭い隙間からキャピラリー管の中に吸引されて行くのであり、キャピラリー管を囲むようにして設置されたＲＦ電極により、反応性原料ガスは励起されガスの流れに対向してワーク表面近辺でプラズマが発生する。このような現象は従来の噴射型プラズマエッチングで用いられるプラズマガンよりもＲＦ電極の位置をキャピラリー管のより先端、即ち、キャピラリー管先端の開口部により近い位置に置いた方が起こり易い。そして、プラズマは真空容器の方に逃げる傾向があるため、ワークを限りなくキャピラリー管先端の開口部に接近させることで逃げるプラズマを失活させ、エッチング点の周辺部への悪影響を抑制することができる。従って、キャピラリー管先端の開口部とワークとのギャップは短い方が好ましく、具体的には５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下程度である。この範囲を超えると安定したプラズマが発生できない。

本発明の第二の要旨は、前述の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いたマイクロプラズマエッチング方法において、排気装置を稼動することにより真空容器を減圧し、真空状態になった真空容器に必要量の反応性原料ガスを反応性原料ガス供給ユニットから導入し、試料台上に載置されたワークを観察用顕微鏡鏡筒の下に置きワーク上の加工点の位置決めを行い、然る後、試料ステージを試料台上に載置されたワークの加工点がプラズマガンのキャピラリー管の先端部の下に位置するように移動し、その状態でＲＦ電極に電圧を印加し、反応性原料ガスを励起することによりワーク表面の加工点近辺のキャピラリー管内部でプラズマを発生させ、前記プラズマガンに連結した排気装置により吸引を行ないつつ発生したプラズマによりワーク表面のエッチングを行ない、プラズマエッチング加工終了後、試料ステージをもとの観察用顕微鏡鏡筒の下に移動し、該観察用顕微鏡鏡筒によりワークの加工状態の観察を行なうことを特徴とするマイクロプラズマエッチング方法である。

実際のエッチング作業を行なう際の真空容器およびキャピラリー管内の圧力は、吸引を行なうために、真空容器の内圧よりもキャピラリー管内の圧力の方を低くすることが必要であり、具体的にはキャピラリー管の先端の開口部の穴径によって異なるが、一般的には前者を１０ないし５００パスカル（以下Ｐａと略記する）、後者を０．０１ないし１００Ｐａ程度とすることが好ましい。なお、キャピラリー管内の圧力については、キャピラリー管に連結する排気装置に取り付けられた真空計で測定した数値（プラズマガン排気部圧力）である。前述のような状態におくことにより安定なプラズマをワーク表面に発生させることができる。エッチング作業中も反応性原料ガスを反応性原料ガス供給ユニットから連続的に導入し、真空容器内部の内圧を上記の範囲内に一定に保つことで安定なプラズマエッチング作用ができて好ましい。

本発明に係る顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置は、吸引型局所プラズマガンおよび観察用顕微鏡を搭載した装置であり、これにより局所領域のプラズマエッチングを容易に、迅速にかつ効率的に行なうことができるようになり、また、エッチング面に堆積物が付着するという弊害や、エッチング面以外の面を汚染したり、高熱ガスによる熱損傷を起こす等の弊害を回避することができるようになった。しかも従来の噴射型プラズマガン搭載型マイクロプラズマエッチング装置に比較して、より小さい孔径のエッチングも可能となり、高集積化、多層化の傾向が進む半導体デバイスや半導体集積回路製品の不良解析等の目的で、微小な局所領域での絶縁膜の剥離や除去等の作業に極めて有効な装置である。

本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置において、試料ステージは、ワークを載置する試料台と、該試料台をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への移動と、Ｚ軸を中心とした回転（θ軸）とを行なう駆動機構より、任意の方向、角度での傾斜を行なうように構成されている。上述の試料台のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への駆動機構は、ワーク上の加工点の正確な位置決めを行なうためのものであり、各軸方向へそれぞれ粗動と微動とが行なえるものであることが好ましい。ここにおいて、粗動とはμｍオーダーの動き、微動とはｎｍオーダーの動きをさすものであり、粗動により概略の位置決めを行ない、その後、微動により精密な位置決めを行なう。

駆動の手段については、特に限定はなく、例えば、マイクロモーター、超音波モーター、微動ネジ、ピエゾ素子等公知の手段をアクチュエーターとして適宜使用することができるが、微動の手段としては特にピエゾ素子が好ましい。そして、同じ軸方向の粗動と微動とは、それぞれ別の駆動機構により行なわれるものであるが、粗動と微動の双方を行えるような駆動手段、例えばピエゾ素子を内蔵した超音波モーター等を用いてもよい。これにより例えばシリコンウェーハのような広い表面積を持つものをワークとした場合も、まず粗動装置を駆動することで概略の位置決めを行い、次に微動装置を駆動することにより、正確な位置決めを迅速かつ確実に行なうことができる。

そして、前述の吸引型プラズマガンと観察用顕微鏡は、装置内で固定されているものであるため、吸引型プラズマガンのキャピラリー管先端部と観察用顕微鏡鏡頭先端位置との間の距離は一定であって変化はない。この２点を結ぶ軸をＸ軸と設定し、前記試料ステージは、このＸ軸上の２つの定点間を自在に移動することができる構造とする。この試料ステージの２定点間の移動は、前述の試料台の粗動および微動を行なう駆動機構を用いるのではなく、別途独立に設けられた駆動機構を使用するものであり、前記２定点間を自動で移動が可能な構造をとることが好ましい。

上述の位置決め作業は、プラズマエッチング加工を行なう作業点を確定するものであるから、本発明装置においては、観察用顕微鏡の鏡頭直下、焦点位置において行なう。そして、粗動装置を駆動させる場合と、微動装置を駆動させる場合とでは当然視野範囲も異なるので、粗動から微動への切替の際には顕微鏡の倍率を変更することで対応すればよい。また、使用する観察用顕微鏡については、特に限定を受けるものではないが、通常の光学顕微鏡、レーザー顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略記する）等を使用することができ、就中、ＳＥＭが好ましく用いられる。観察用顕微鏡としてＳＥＭを使用する場合、ＳＥＭでワークの加工点の位置決めを行った後、試料ステージを移動してプラズマエッチング加工を行なうが、その間、ＳＥＭは機能を停止する。プラズマエッチング加工終了後はプラズマを停止し、再度試料ステージを移動し、ＳＥＭを稼動して加工箇所の観察、評価を行なう。これにより、ワークを装置から外し、外部装置で加工箇所の観察、評価を行なうという煩雑さを避けることができる。

本発明の装置では、エッチング加工の状態を同時観察しながら行なうということはできないが、例えば、一定時間のエッチング加工経過毎に顕微鏡鏡頭下にワークを移動し観察するという作業を繰り返し行えば、リアルタイムに近い状態で観察が可能であり、またコマ送り状の写真を撮ることも可能である。そして、プラズマガンと顕微鏡鏡頭は並んで垂直に配置されているので、エッチング加工の方向と顕微鏡観察の方向は全く同じであって、エッチング加工の状態を斜め方向から観察するという不都合もない。

本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置においては、吸引型プラズマガンを使用するのであり、前述の如くキャピラリー管先端の開口部とワークとのギャップは短い方が安定したプラズマが発生されるので好ましく、具体的には５００μｍ以下程度、更に好ましくは１００μｍ以下であって、この範囲を外れると安定したプラズマ発生ができないのであるから、このギャップの調整は極めて重要である。しかしながら、このような極めて短いギャップを保持したままで顕微鏡鏡頭位置からプラズマガン位置まで移動すると、ワーク面とキャピラリー管先端が接触し、クラッシュする危険もあるので、試料ステージを載置するベース自体をＺ軸方向にｍｍ単位で上下させる大粗動機構を別途独立に設けておくことが有効である。この大粗動機構は手動であっても構わない。

本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置には、顕微鏡鏡頭の他に付加的設備を設けることができる。例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を具備させて加工点の組成分析をリアルタイムで行なうことのできる装置とすることができる。プラズマガン先端位置に相当する真空容器位置に覗き窓を設け、そこへＥＤＸの検出部を配置することにより、例えば、酸化ケイ素等の酸化皮膜の除去を正確にキャッチし、エッチング対象外である内層（シリコン層）への余分なエッチングを防止することができる。換言すればエッチングの終点を自動的に検出するように設定することも可能である。更に、プラズマ検出を目的として分光光度計を同様にして設け、プラズマ発生の安定化の自動化を行なったり、赤外線レーザーセンサーを設けてエッチング深さを検出しつつ制御することも可能である。勿論、コンピューターを使用してこれらの主設備、付加的設備を統合して制御しエッチング加工を自動化することも可能である。

これらの付加的設備は、真空容器中にはエッチング作業に伴い、反応性ガスとワークとの反応で生成した揮発性化合物やそれ以外の副成物（例えばカーボン）が入り込まず、容器内が常時清澄であることが特徴である本発明の吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置において初めて可能になる。噴射型のプラズマガンを使用した場合は、上述の揮発性化合物が真空容器内の雰囲気中に共存するのみならず、揮発性化合物やカーボン等の副成物により容器内部が徐々に汚染され、これらの分析装置が正確に作動しなくなることもあるので、これらの分析装置を併設することは難しい。

以下、本発明を、図面をもって説明する。図１は本発明の吸引型プラズマガン搭載型の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置の説明図である。図２は本発明の吸引型プラズマガンの説明図、図３は本発明の試料ステージを示す説明図である。また、図４は本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いた局所プラズマエッチング方法の１例を示すダイアグラム図であり、図５は付帯設備等を搭載した本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置の１例を示す完成イメージ図である。

図１において、１は真空容器、４は顕微鏡、５は吸引型プラズマガン、１４は試料ステージを示す。即ち、真空容器１の中に、顕微鏡４の鏡頭および吸引型プラズマガン５が突設されている。そして真空容器１の内部には、試料ステージ１４が収納されており、試料ステージ１４はベース１３の上に載置されている。真空容器１には反応性原料ガス供給ユニット２に連結したガス導入部３が具備されており、このガス導入部３より反応性原料ガスが供給される構造となっている。吸引型プラズマガン５の真空容器側ではない側の後部端部１１は排気装置１２に連結されていて、これにより真空容器の真空排気、反応性原料ガスの吸引を行なう。

装置の立ち上げに要する時間を短縮するために、真空容器に別に排気装置を具備しておくこともできる。また、同じ目的でプラズマガン側に反応性原料ガス供給ユニットに連結した反応性原料ガス導入部を具備しておいてもよい。装置の立ち上げの前にこれらの装置を稼動させれば、真空容器を真空状態に至らせる時間、反応性原料ガスの必要量を装置内に満たす時間が短縮され、実作業開始に至る時間を大きく短縮することができる。

図２において、吸引型プラズマガン５は、キャピラリー管６、ＲＦ電極９およびそれらを収納するプラズマガン鞘部７より構成され、キャピラリー管６の先端開口部８は真空容器１の内部に凸設されるように設置されている。プラズマガン５のもう一方、即ち真空容器内に凸設されていない側のプラズマガン後部端部１１は排気装置１２に連結されている。キャピラリー管先端開口部８の位置は固定されているが、前述の通りエッチングの対象となるワーク１９の表面とは極めて僅かなギャップで対向することが肝要である。本発明の装置においては、後述するようにワーク１９が載置される試料台１５をマイクロマニピュレーターによって動かすことで、両者間の位置関係を調整する。ＲＦ電極９はキャピラリー管６の先端開口部８に近い部分を囲繞するように配置されており、更にＲＦ発振用電源１０が接続されている。

図３は、本発明の試料ステージ１４を示す図面である。試料ステージ１４には試料台１５が取り付けられていて、ワーク１９は該試料台１５上に載置されている。試料ステージ１４にはＸ軸用マイクロマニピュレーター１６、Ｙ軸用マイクロマニピュレーター１７およびＺ軸用マイクロマニピュレーター１８が設置されており、これにより試料台１５は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への粗動および微動が可能であり、更にＺ軸を中心とした回転（θ軸）と、任意の方向角度での傾斜が粗動および微動の状態で可能である。これらのマイクロマニピュレーターを適宜駆動することによりワーク１９の表面のエッチング加工点の位置決めができる。位置決めは、真空容器１中に凸設された顕微鏡４の鏡頭下の焦点位置で行なわれる。前述の図１の説明で述べた通り、試料ステージ１４は顕微鏡４の鏡頭の位置と吸引型のプラズマガンのキャピラリー先端部８の位置の２定点間を自動で移動が可能である。試料ステージ１４はベース１３上に配設された精密ガイド（図示せず）上に載置されており、前記Ｘ軸方向のマイクロマニピュレーター１６の駆動機構とは別個の駆動機構（図示せず）により前記２定点間の移動を行なう。

前述の通り、ワーク１９とキャピラリー先端開口部８とのギャップを狭くしているため、移動に伴うワーク１９と装置との接触によるクラッシュ等の好ましからざる現象が起こりやすい。かかる現象を回避するために、ワーク１９の顕微鏡４の鏡頭下での位置決めが完了した後、試料ステージ１４の位置を下げ（Ｚ軸方向への移動を行ない）、その状態でＸ軸方向への試料ステージ１４の２定点間移動を行ない吸引型プラズマガン５の直下に移動し、然る後、試料ステージ１４の位置をもとの位置まで上げ、エッチング加工を行なう。このＺ軸方向への上下動は、ｍｍ単位での大粗動であるが、試料ステージ１４、試料台１５および各マイクロマニピュレーター間の狂いを生ぜさせないようにするためには、これらの部品をベース１３に載せた状態でベース１３ごと動かすことが有効である。即ち、Ｚ軸用マイクロマニピュレーター１８のＺ軸方向への駆動機構とは全く別箇のＺ軸駆動機構（図示せず）を設けベース１３の上下大粗動を行なう。

図４は本発明の顕微鏡としてＳＥＭを用いた顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いた局所プラズマエッチング方法の１例を示すダイアグラム図である。ＳＥＭ視野下でワーク上の加工位置の位置決めを行ない、プラズマガンの下の位置まで試料ステージを移動し、エッチング加工を行なう。加工後試料ステージをＳＥＭ視野下に移動し、加工部の観察評価を行なう。評価が良好（Ｇｏｏｄ）であれば加工完了とし、不良（Ｎ．Ｇ．）であれば必要に応じてそのプロセスを繰り返し、所期の加工の完了を確認した時点で作業を停止する。この加工の流れにより確実なプラズマエッチングが行なわれる。ワークの加工位置を変更する、あるいは別のワークの加工を行なう場合は、最初の位置決めからスタートする。ＳＥＭ及びプラズマはどちらか一方が稼動している時には他方は停止する。

図１、２、３に従い、本発明のプラズマエッチング加工の方法を具体的に説明する。実際のプラズマエッチング加工の実行において、まず、排気装置１２を用いて真空容器１内部を真空にした後、ガス導入部３を介して反応性原料ガス供給ユニット２より、たとえばＣＦ_４（四フッ化炭素）、Ｏ_２等の反応性原料ガスを供給し、その必要量を真空容器１内部に満たす。試料台１５上に載置されたワーク１９を、顕微鏡４の鏡頭下に置き、マイクロマニピュレーター１６、１７、１８及び図示されないマイクロマニピュレーターを駆動し、ワーク１９のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸への移動（粗動および微動）およびＺ軸を中心とした回転（θ軸）と、傾斜等を必要に応じて行ない、ワーク１９のプラズマエッチング加工点の位置決めを行なう。然る後、ベース１３をＺ軸の大粗動機構によりＺ軸方向へ一定距離下げ、試料ステージ１４を吸引型のプラズマガン５のキャピラリー先端開口部８の下の位置まで２定点間移動を行なう。ベース１３を上げてもとの位置まで戻した後、ワーク１９のプラズマエッチング加工点のプラズマエッチング加工を行なう。加工終了後、再度ベース１３をＺ軸方向へ一定距離下げ、試料ステージ１４を顕微鏡４の鏡頭下の位置まで２定点間移動を行ない、ワーク１９のプラズマエッチング加工の評価を顕微鏡観察により行なう。観察評価結果に従い、必要あれば上述の作業を繰り返す。このようにしてワーク１９のプラズマエッチング加工を行なう。

以下実施例に従い、本発明の実施態様を説明するが、これにより本発明の範囲の限定を行なうものではない。
実施例１
図１に示した本発明の装置を用いて、アルゴンプラズマによりデバイスウェーハ上に凸回路状に存在するレジスト樹脂の除去実験を行なった。
実験条件は以下の通りである。
ワーク：ＳｉＯ_２+有機膜（膜厚３μｍ）
ガス：アルゴン３０ｃｃ
ＲＦ出力：３０Ｗ
真空容器圧力：３２．５Ｐａ
キャピラリー先端径：φ２．５ｍｍ
ワークに対して水平面より１０度の角度でプラズマ照射を行なって、２．５分毎にＳＥＭによる観察及び写真撮影を行なった。図６−図９に０、５、１０、１５分毎のエッチング加工後のワークの表面写真を示す。写真中、略Ｔ字形のレジスト樹脂の凸状突起の線幅が細くなって行くのが観察される。最初２．４μｍあった線幅が１５分エッチング加工後には０．８８μｍになった。エッチングレートは約０．１μｍ／ｍｉｎであった。

このように、エッチング加工とＳＥＭ観察を交互に行ないつつ、加工を進めればリアルタイムに近い状態で観察が可能である。インターバルを短くし、写真として記録しておけばコマ送り状の記録を残すことも可能である。

実施例２
図１に示した本発明の装置を用いて、四フッ化炭素プラズマによりＬＳＩ用デバイスウェーハの回路配線上に被覆された酸化皮膜のエッチング除去実験を行なった。
実験条件は以下の通りである。
ワーク：ＬＳＩ多層配線基板ＳｉＯ_２絶縁膜
ガス：四フッ化炭素
ＲＦ出力：１５Ｗ
真空容器圧力：１５０Ｐａ
キャピラリー先端径：φ０．４ｍｍ
キャピラリー先端開口部とワークとのギャップ：０．１ｍｍ以下
図１０はエッチング作業前のワークの状態を示すＳＥＭ写真であり、ＳｉＯ_２絶縁層で全面が被覆されている。図１１は局所エッチングを行なった後のＳＥＭ写真であり、左半分はエッチング除去がなされ配線が露出しているが、右半分はエッチング除去がなされておらず、未処理の状態が残っている。局所エッチングが行なわれた境界が明確に現れている。図１２はエッチングが行なわれた部分を拡大したＳＥＭ写真であり、表面部分では配線が全て露出し、三層目以下には絶縁層が残っていることが判る。

以上述べた通り、本発明になる顕微鏡付吸引型のマイクロプラズマエッチング装置を用いることにより、従来の噴射型のマイクロプラズマエッチング装置が持っていた問題点、即ち、プラズマの拡散や高温ガスの拡散による異物の付着や汚染、反応ガスや蒸発ガスによるエッチング対象物の局所以外の表面や容器内部の汚染といった問題点を解決するとともに、エッチング状態を顕微鏡で観察しつつ加工することが可能となり、迅速且つ正確なエッチング加工が容易にできるという特徴を有する。よって、産業界に資する点極めて大である。

本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置の説明図である。本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置に使用する吸引型プラズマガンの説明図である。本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置の試料ステージの説明図である。本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法のプロセスを示すダイアグラム図である。本発明の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置の一例を示す完成イメージ図である。実施例１で用いたワークの加工前のＳＥＭ写真である。実施例１の５分加工後のワークのＳＥＭ写真である。実施例１の１０分加工後のワークのＳＥＭ写真である。実施例１の１５分加工後のワークのＳＥＭ写真である。実施例２で用いたワークの加工前のＳＥＭ写真である。実施例２のワークのエッチング途中の経過を示すＳＥＭ写真である。実施例２のワークのエッチング後のＳＥＭ写真である。

符号の説明

１：真空容器２：反応性原料ガス供給ユニット３：ガス導入部
４：顕微鏡５：吸引型プラズマガン６：キャピラリー管
７：プラズマガン鞘部８：キャピラリー先端開口部９：ＲＦ電極
１０：ＲＦ発振用電源１１：プラズマガン後部端部
１２：排気装置１３：ベース１４：試料ステージ１５：試料台
１６：Ｘ軸用マイクロマニピュレーター
１７：Ｙ軸用マイクロマニピュレーター
１８：Ｚ軸用マイクロマニピュレーター
１９：ワーク

Claims

試料台と、ガス導入部が設けられている真空容器と、キャピラリー管と該キャピラリー管内で原料ガスを励起するためのＲＦ発振用電極を具備したプラズマガンと、顕微鏡と、試料台を具備する試料ステージとを有する吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置であって、前記試料ステージは真空容器内にあり、前記キャピラリー管の先端部は真空容器内に凸設され、後部端部は真空容器外に存在して排気装置が連結されており、前記顕微鏡鏡頭は前記プラズマガンと並んで垂直に真空容器内に凸設され、前記試料ステージは、前記キャピラリー管先端部と前記顕微鏡鏡頭先端部を結ぶ軸上を自在に移動することができる構造とし、前記試料台上にエッチング対象物を載置し、前記キャピラリー内の圧力を前記真空容器の内圧より低くすることにより前記ガス導入部から真空容器内に導入されたプラズマ用反応性原料ガスをキャピラリー管の先端部から吸引し、前記ＲＦ発振用電極に電圧を印加することにより、励起したガスをガスの流れに対向してエッチング対象物表面近辺のキャピラリー管内部でプラズマを発生するようにしたことを特徴とする顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置。
試料ステージが、エッチング対象物を載置する試料台と、該試料台をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への移動と、Ｚ軸を中心とした回転とにより、任意の方向、角度での傾斜を行なう駆動装置を有し、かつ前記試料ステージは真空容器底部にあるベース上に載置されていることを特徴とする請求項第１項に記載の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置。
試料ステージを載置するベースがＺ軸方向に移動が可能であることを特徴とする請求項第２項に記載の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置。
請求項第１項ないし第３項いずれかの項に記載の顕微鏡付吸引型局所マイクロプラズマエッチング装置を用いたマイクロプラズマエッチング方法において、排気装置を稼動することにより真空容器を減圧し、真空状態になった真空容器に必要量の反応性原料ガスを反応性原料ガス供給ユニットから導入し、試料台上に載置されたエッチング対象物を観察用顕微鏡鏡筒の下に置きエッチング対象物上の加工点の位置決めを行い、然る後、試料ステージを試料台上に載置されたエッチング対象物の加工点がプラズマガンのキャピラリー管の先端部の下に位置するように移動し、その状態でＲＦ発振用電極に電圧を印加し、反応性原料ガスを励起することによりエッチング対象物表面の加工点近辺のキャピラリー管内部でプラズマを発生させ、前記プラズマガンに連結した排気装置により吸引を行ないつつ発生したプラズマによりエッチング対象物表面のエッチングを行ない、プラズマエッチング加工終了後、試料ステージをもとの観察用顕微鏡鏡筒の下に移動し、該観察用顕微鏡鏡筒によりエッチング対象物の加工状態の観察を行なうことを特徴とするマイクロプラズマエッチング方法。