JP6440298B2

JP6440298B2 - プラズマエッチング装置

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Publication number: JP6440298B2
Application number: JP2014180272A
Authority: JP
Inventors: 安部　隆; 隆安部; 周史山田
Original assignee: Niigata University
Current assignee: Niigata University
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP2016054257A

Description

本発明は、プラズマエッチング装置に関する。

従来から、シリコンや酸化膜を被加工材としたプラズマエッチング装置が知られている。この種のプラズマエッチング装置としては、例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいて、被加工材としての半導体ウェハ（半導体基板）に形成された所定の層に所定のパターンを形成するために、レジストをマスクとしてプラズマによりエッチングするものが広く用いられている。特許文献１には、この種のプラズマエッチング装置が開示されている。

特許文献１に開示のプラズマエッチング装置では、処理室内の電極上に被加工材としてのウェハが載置され、プラズマエッチング処理が行われる。

また、近年では、上述した半導体デバイスの分野のみならず、センサ・マイクロマシン分野においてもプラズマエッチングを利用することが期待されている。

特開２００９−２８３８９３号公報

ところで、従来のプラズマエッチング装置は、一般的に、被加工材としてシリコンや酸化膜を主対象としており、これら被加工材の特性により基本的な仕様が決められている。従って、センサ・マイクロマシン分野において用いられるチタンやチタン合金等の難加工材料を被加工材とする場合には、被加工材とエッチングガスとの反応生成物の揮発性が、シリコンや酸化膜を被加工材とする場合とは異なるため、従来のプラズマエッチング装置をそのまま活用することが難しい。

また、難加工材料を被加工材とするプラズマエッチング装置としては、被加工材が固定される電極を高温に加熱するために外部ヒータあるいは埋め込み式ヒータを備える等の特殊な仕様を有するものが知られているが、より簡易な構成により、難加工材料の深掘りエッチングが可能なプラズマエッチング装置の開発が求められている。

本発明の目的は、被加工材が固定された電極を高温に加熱するための外部ヒータあるいは埋め込み式ヒータを設けることなく、簡易な構成により自己加熱し、難加工材料のプラズマエッチング処理が可能となるプラズマエッチング装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様としてのプラズマエッチング装置は、チャンバー内に設置された被加工材をプラズマ放電によってエッチングするプラズマエッチング装置であって、前記チャンバー内に位置し、前記被加工材を支持する電極を備え、前記電極と前記被加工材との間には、前記被加工材から前記電極への伝熱を妨げる伝熱抑制部材が設けられ、前記電極は、前記伝熱抑制部材を介して前記被加工材を支持し、前記伝熱抑制部材は、前記チャンバー内に位置し、前記被加工材が固定されるステージ部材であり、前記ステージ部材は、前記電極との間の少なくとも一部に空隙が形成された状態で前記電極に支持されるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明の１つの実施形態として、前記ステージ部材は、前記被加工材が固定される平板状のステージ部と、前記ステージ部を支持する支持部と、を備え、前記ステージ部と前記電極との間に前記空隙が形成された状態で、前記支持部が前記電極に支持されることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記支持部は、前記ステージ部の厚み方向において、前記ステージ部よりも前記電極側に向かって突出している脚部を備え、前記ステージ部材は、前記脚部の先端部が前記電極と当接することにより、前記電極に支持されることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記支持部は、前記ステージ部の側面と一端部が連続し、前記ステージ部を前記厚み方向から見た場合に前記ステージ部の外縁から外方に向かって延在する梁部を更に備え、前記脚部は、前記ステージ部を前記厚み方向から見た場合に前記ステージ部の外縁よりも外側に位置しており、前記梁部の他端部と連続していることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記脚部は、前記ステージ部の前記電極側の下面に前記電極側に向かって突設されていることが好ましい。

本発明の第２の態様としてのプラズマエッチング装置は、チャンバー内に設置された被加工材をプラズマ放電によってエッチングするプラズマエッチング装置であって、前記チャンバー内に位置し、前記被加工材を支持する電極を備え、前記電極と前記被加工材との間には、前記被加工材から前記電極への伝熱を妨げる伝熱抑制部材が設けられ、前記電極は、前記伝熱抑制部材を介して前記被加工材を支持しており、前記チャンバー内に位置し、前記被加工材が固定されるステージ部材を備え、前記伝熱抑制部材は、断熱材で構成された断熱部材であり、前記電極は、前記断熱部材を介して前記ステージ部材を支持することを特徴とするものである。

本発明の１つの実施形態として、前記ステージ部材は、アルミ、ステンレス又は銅で形成されていることが好ましい。

本発明の１つの実施形態としてのプラズマエッチング装置は、前記電極を第１電極とした場合に、前記チャンバー内で前記第１電極と対向して配置された第２電極と、前記第１電極に高周波電圧を印加する電源と、前記第１電極を冷却可能な冷却器と、を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、被加工材が固定された電極を高温に加熱するための外部ヒータあるいは埋め込み式ヒータを設けることなく、簡単な構成により、難加工材料のプラズマエッチング処理が可能なプラズマエッチング装置を提供することができる。

本発明の一実施形態としてのプラズマエッチング装置を示す図である。図１に示すステージ部材が、第１電極に設置された状態を示す図であり、図２（ａ）は、ステージ部材２０の上面側から見た上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。図２に示すステージ部材の変形例としてのステージ部材が、第１電極に設置された状態を示す図であり、図３（ａ）は、ステージ部材の上面側から見た上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。図２に示すステージ部材の別の変形例としてのステージ部材が、第１電極に設置された状態を示す図であり、図４（ａ）は、ステージ部材の上面側から見た上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本発明の一実施形態としてのプラズマエッチング装置を示す図である。実験に用いたステージ部材の各部寸法を示す図である。図６に示すステージ部材を用いて行った被加工材のプラズマエッチング処理実験の概要を示す図である。図７に示す実験の実験結果を示す図である。ステージ部材の有無、及びステージ部材の梁部の断面積を変えて行った実験の結果を示す図である。本発明に係るプラズマエッチング装置を用いてチタンウェハの貫通加工を行い作成した微小手術針の作製例を示す図である。本発明に係るプラズマエッチング装置を用いて微細加工されたチタンウェハを示す図である。

以下、本発明に係るプラズマエッチング装置の実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

図１は、本発明に係るプラズマエッチング装置の実施形態としてのプラズマエッチング装置１を示す図である。図１に示すように、プラズマエッチング装置１は、大気圧より低い状態の真空空間にエッチングガスが供給されてエッチング処理が行われるチャンバー１０と、このチャンバー１０内に位置し、被加工材Ｘが固定されるステージ部材２０と、チャンバー１０内に位置し、ステージ部材２０を介して被加工材Ｘを支持する平板状の第１電極３０と、チャンバー２０内で第１電極３０と対向して配置された平板状の第２電極４０と、第１電極３０に高周波電圧を印加する電源としてのＲＦ電源５０（「ＲＦ」は「ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ」の略）と、第１電極３０を冷却可能な冷却器６０（図２（ｂ）等参照）と、インピーダンス整合のための整合器９０と、を備える。ここで、ステージ部材２０は、第１電極３０と被加工材Ｘとの間に設けられた、被加工材Ｘから第１電極３０への伝熱を妨げる伝熱抑制部材の一例である。なお、図１では、冷却器６０が省略されて描かれている。

チャンバー１０は、外部からエッチングガスが供給されるガス吸気部１１と、チャンバー１０内から外方へエッチングガスを排気するガス排気部１２と、を備えており、ガス吸気部１１及びガス排気部１２を通じたエッチングガスの吸気（図１における黒塗り矢印参照）及び排気（図１における白抜き矢印参照）は、チャンバー１０の外部に設置された制御部により制御される。図１では、エッチングガスのガス吸気部１１及びガス排気部１２のみを示しているが、ガスをプラズマ化して被加工材Ｘに均一に供給するための適宜の配管構成をチャンバー１０内に設けることができる。なお、本実施形態のチャンバー１０内に供給されるエッチングガスとしては、四フッ化炭素（ＣＦ₄）や六フッ化硫黄（ＳＦ₆）等のフッ素系ガスを使用することができる。また、シリコンを被加工材とする場合と同様にアンダーカット抑制のために、酸素（Ｏ₂）や八フッ化シクロブタン（Ｃ₄Ｆ₈）を前記ガスに添加することもできる。

第１電極３０はカソードであって整合器９０を介してＲＦ電源５０と接続されており、第２電極４０はアノードであってアースに接続されている。ＲＦ電源５０により、第１電極３０に高周波電圧が印加されると、第１電極３０と第２電極４０との間にプラズマＰが発生する。なお、ＲＦ電源５０としては、例えば、１３．５６ＭＨｚ等の単一の周波数の高周波電力を出力するものであってもよく、また、複数の周波数を重畳させた高周波電力を出力するものであってもよい。更に、図１では、第２電極４０をアースに接続しているが、上述したＲＦ電源５０とは異なる第２の電源を設け、第２電極４０を第２の電源に接続するようにしてもよい。

また、冷却器６０は、温度依存性のある被加工材Ｘの反応速度を最適値等の所定値に制御するために用いられるものであり、例えば、第１電極３０を常温に維持するように冷却する等の制御を行うことが可能である（図２（ｂ）等参照）。なお、本実施形態では、冷却液を第１電極３０に沿って流れるように構成しているが（図２（ｂ）等参照）、第１電極３０を冷却可能な構成であればよく、冷却液に限られるものではない。また、冷却器６０は、第１電極３０を冷却可能なものであればよく、第１電極３０の温度が所定温度になるように加熱及び冷却が可能な、加熱冷却器としてもよい。

ここで、伝熱抑制部材としてのステージ部材２０は、図１に示すように、第１電極３０のうち第２電極４０と対向する面である上面上に設置され、第１電極３０により支持される。また、ステージ部材２０が第１電極３０に支持されている状態において、被加工材Ｘはステージ部材２０に固定される。被加工材Ｘは、伝熱抑制部材としてのステージ部材２０を介して第１電極３０により支持され、この状態においてチャンバー１０内でプラズマエッチング処理が行われる。

図２は、ステージ部材２０が設置された状態の第１電極３０を示す図であり、図２（ａ）は、ステージ部材２０の上面側から見た上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態のステージ部材２０は、第１電極３０との間の少なくとも一部に空隙Ｖ１が形成された状態で第１電極３０に支持されるように構成されている。この空隙Ｖ１が真空断熱層として機能することにより、被加工材Ｘ（図１参照）から第１電極３０への熱伝導を抑制することができる。換言すれば、本実施形態のステージ部材２０は、第１電極３０上に設置された状態で、第１電極３０との間に空隙Ｖ１が形成されるような形状を有している。

より具体的に、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、本実施形態のステージ部材２０は、被加工材Ｘが固定される平板状のステージ部２１と、このステージ部２１を支持する支持部２２と、を備えており、ステージ部２１と第１電極３０との間に空隙Ｖ１が形成された状態で、支持部２２が第１電極３０に支持される。

図１に示すように、平板状のステージ部２１の上面上には、平板状の被加工材Ｘの下面全域がステージ部２１の上面と当接するように、被加工材Ｘが固定される。そして、ステージ部２１の下面と第１電極３０の上面との間には空隙Ｖ１が形成されている。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、支持部２２は、円筒状の脚部２３と、この脚部２３の内壁に突設された複数の棒状の梁部２４とを備える。具体的に、脚部２３は、ステージ部２１を前記厚み方向Ａから見た場合（図２（ａ）参照）にステージ部２１の外縁２５よりも外側に、ステージ部２１を取り囲むように位置すると共に、ステージ部２１の厚み方向Ａにおいて、ステージ部２１よりも第１電極３０側に向かって突出している（図２（ｂ）参照）。

梁部２４は、ステージ部２１の側面と一端部が連続し、ステージ部２１を厚み方向Ａから見た場合（図２（ａ）参照）にステージ部２１の外縁２５から外方に向かって延在すると共に、他端部が脚部２３の内壁の上端部と連続している。なお、このような棒状の梁部２４が、円筒状の脚部２３の周方向において複数形成されている。また、梁部２４は伝熱抑制を制御するとともに熱膨張による応力を低減できれば、目的に応じてその形状を変えてもよく、ステージ部を大面積化する場合は、周方向に弧を描く弦の形状でもよい。

そして、図２（ｂ）に示すように、本実施形態のステージ部材２０は、脚部２３の先端部２６が第１電極３０と当接することにより、第１電極３０に支持される。

すなわち、本実施形態のステージ部２１は、ステージ部２１を厚み方向Ａから見た場合にステージ部２１を取り囲む円筒状の脚部２３により、複数の棒状の梁部２４のみを介して支持されている。したがって、被加工材Ｘからステージ部材２０のステージ部２１へと伝熱したとしても、ステージ部２１の下面と第１電極３０の上面との間に空隙Ｖ１が形成されているため、更に、ステージ部２１と連続する支持部２２の梁部２４は横断面積が比較的小さい棒状に形成されているため、ステージ部２１から第１電極３０への伝熱が抑制される。

このように被加工材Ｘと第１電極３０との間に、被加工材Ｘから第１電極３０への伝熱を妨げる伝熱抑制部材としてステージ部材２０を設けることにより、例えば第１電極３０を冷却器６０によって常温に冷却している状態であっても、第１電極３０よりも高温の被加工材Ｘの熱が第１電極３０へと伝熱することが抑制され、被加工材Ｘ周辺の温度を選択的に上昇させることができる。その結果、チタン合金等の各種金属や機能性セラミックスなどの難加工材料を被加工材Ｘとする場合であっても、エッチングガスとして塩素系ガスを使用する特殊仕様や、外部ヒータ等を用いて第１電極３０を高温に加熱する特殊仕様等を採用することなく、被加工材Ｘとエッチングガスとの反応と反応生成物の揮発を促進し、高速エッチングを実現することができる。

また、本実施形態のステージ部材２０はアルミニウム製である。ステージ部材２０を上述のステージ部２１及び支持部２２を備える構成とすると共に、ステージ部材２０を熱伝導率が高いアルミニウム製とすることにより、上述したようにステージ部２１から第１電極３０への伝熱を梁部２４で抑制することができると共に、ステージ部２１内での温度分布が均一化され易い。したがって、ステージ部材２０を熱伝導率が低い材料で構成する場合と比較して、ステージ部２１の上面上に固定される被加工材Ｘ内での温度のばらつきを抑制することができる。なお、本実施形態では、ステージ部材２０をアルミニウム製としているが、これに限られるものではなく、例えば、ステンレスや銅などによりステージ部材を形成することも可能である。但し、上述した熱伝導率の高さ、加工性の良さ、低コスト、エッチングガスとしてのフッ素系ガスへの耐性を総合的に勘案すると、ステージ部材２０は、本実施形態のようにアルミニウム製とすることが特に好ましい。

ここで、図３は、ステージ部材２０の変形例としてのステージ部材７０を示す図であり、図３（ａ）は、ステージ部材７０が設置された状態の第１電極３０をステージ部材７０の上面側から見た上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３に示すステージ部材７０は、被加工材Ｘ（図１参照）が固定される平板状のステージ部７１と、このステージ部７１を支持する支持部７２と、を備えており、ステージ部７１と第１電極３０との間に空隙Ｖ２が形成された状態で、支持部７２が第１電極３０に支持される。支持部７２は、円筒状の脚部７３と、この脚部７３の内壁に突設された複数の棒状の梁部７４とを備えており、図３（ｂ）に示すように、ステージ部材７０は、脚部７３の先端部７６が第１電極３０と当接することにより、第１電極３０に支持される。

本実施形態のステージ部材２０のステージ部２１は、図２（ａ）に示すように、厚み方向Ａから見た場合に円形状の外縁を有するが、例えば、図３に示すステージ部材７０のように、正方形等の四角形状の外縁を有するステージ部７１としてもよい。

また、図２に示すように、本実施形態のステージ部材２０の支持部２２における脚部２３は、円筒形状であるが、例えば、横断面の外形が四角形の筒状（角筒状）としてもよい。更に、図２に示すように、本実施形態の脚部２３は、ステージ部２１の厚み方向Ａから見た場合に、ステージ部２１の周囲を取り囲むように設けられているが、脚部の先端面と第１電極との接触面積を小さくして被加工材から第１電極への熱伝導を一層抑制するために、例えば、ステージ部の厚み方向から見た場合に、脚部がステージ部の周方向全域を取り囲んでおらず、脚部がステージ部の周囲の一部のみに設けられた構成としてもよい。

また更に、図２（ａ）に示す本実施形態の支持部２２における梁部２４や、図３に示す支持部７２における梁部７４は、屈曲部を有するＬ字形状であるが、この形状に限られるものではなく、例えば、屈曲部を有さない直線形状とすることもできる。但し、上述したように、ステージ部の熱膨張による応力を逃がす目的で、図２（ａ）や図３に示すようなＬ字形状や、周方向に弧を描く弦の形状とすることが好ましい。また、図２に示すように、本実施形態のステージ部材２０の支持部２２における脚部２３は、単一部材で構成されているが、脚部の上端部（基端部）と下端部（先端部）とが別々の部材で構成されていてもよい。

また、図４は、ステージ部材２０の別の変形例としてのステージ部材８０を示す図であり、図４（ａ）は、ステージ部材８０が設置された状態の第１電極３０をステージ部材８０の上面側から見た上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、ステージ部材８０は、被加工材Ｘ（図１参照）が固定される平板状のステージ部８１と、このステージ部８１を支持する支持部８２と、を備えており、ステージ部８１と第１電極３０との間に空隙Ｖ３が形成された状態で、支持部８２が第１電極３０に支持される。支持部８２は、ステージ部８１の厚み方向Ａにおいて、ステージ部８１よりも第１電極３０側に向かって突出している脚部８３を備えており、ステージ部材８０は、脚部８３の先端部８６が第１電極３０と当接することにより、第１電極３０に支持される。

より具体的には、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、脚部８３は、ステージ部８１の第１電極３０側の下面に第１電極３０側に向かって突設されている複数の円筒部（図４の例では８つの円筒部）で構成されており、これら複数の円筒部は、ステージ部８１の厚み方向Ａから見た場合に、同心円状に配置されている。つまり、同心円状に配置された複数の円筒部間が空隙Ｖ３となっている。なお、図４に示す脚部８３としての複数の円筒部の数は、被加工材から第１電極への熱伝導を考慮して適宜増減することができる。また、図４に示す脚部８３としての複数の円筒部はいずれも、ステージ部８１の厚み方向Ａから見た場合に、周方向に切れ目なく連続する円形であるが、脚部の先端面と第１電極との接触面積を小さくして被加工材から第１電極への熱伝導を一層抑制するために、例えば、脚部を、ステージ部の厚み方向から見た場合に、周方向の一部のみに設ける構成としてもよい。更に、図４に示す脚部８３は、ステージ部６１の下面から同心円状に垂下した複数の円筒部で構成されているが、脚部を、ステージ部の下面に形成された複数の凸部として、凸部間の凹部と第１電極との間で空隙を形成するようにしてもよい。

以上のとおり、本実施形態としてのプラズマエッチング装置１では、被加工材Ｘと第１電極３０との間に伝熱抑制部材としてのステージ部材２０を介在させることにより、被加工材Ｘとしてチタンやチタン合金等の難加工材料を使用した場合であっても、被加工材Ｘから第１電極３０への熱伝導が抑制されるため、被加工材Ｘの昇温を実現することができる。したがって、エッチングガスとして塩素系ガスを使用せずに一般的なフッ素系ガスを使用し、かつ、被加工材Ｘを高温にするために第１電極３０を加熱する外部ヒータ等を用いることなく、例えば冷却器６０によって第１電極３０を被加工材Ｘよりも低温となるように冷却している場合であっても、被加工材Ｘとしての難加工材料を、効率的にエッチングすることが可能となる。

更に、本実施形態としてのプラズマエッチング装置１では、伝熱抑制部材としてのステージ部材２０が、比較的簡易な作業により、第１電極３０に対して着脱可能に構成されている。そのため、被加工材Ｘとしてシリコンや酸化膜を用いる場合には、ステージ部材２０を第１電極３０から取り外し、被加工材Ｘを第１電極３０の上面に固定して、プラズマエッチング処理を行う。このように、本実施形態としてのプラズマエッチング装置１では、エッチングガスの変更や第１電極３０を高温加熱する外部ヒータあるいは埋め込み式ヒータの有無等の仕様変更を必要とせず、第１電極３０からステージ部材２０を取り外す作業及び第１電極３０に対してステージ部材２０を取り付ける作業のみで、シリコンや酸化膜のプラズマエッチング処理、及びチタンやチタン合金等の難加工材料のプラズマエッチング処理を実現することができる。

そのため、本実施形態としてのプラズマエッチング装置１によれば、半導体ウェハなどのシリコンや酸化膜を対象としたプラズマエッチング処理に加えて、チタンやチタン合金などの各種金属や機能性セラミックスなどの難加工材料を対象としたプラズマエッチング処理をも実現することができる。

次に、本発明に係るプラズマエッチング装置の別の実施形態としてのプラズマエッチング装置１０１について、図５を参照して説明する。図５に示すように、本実施形態としてのプラズマエッチング装置１０１は、上述したプラズマエッチング装置１と比較して、被加工材Ｘの支持構成が異なる点で相違しており、その他の構成は共通している。本実施形態の伝熱抑制部材は、平板状の断熱材で構成された断熱部材１２０であり、被加工材Ｘは、チャンバー１０内に位置し、断熱部材１２０の上面上に支持された平板状のステージ部材１２１に固定されている。つまり、第１電極３０は、断熱部材１２０を介して、上面上に被加工材Ｘが固定されるステージ部材１２１を下面側から支持している。これにより、被加工材Ｘから第１電極３０への伝熱は、断熱部材１２０により抑制され、被加工材Ｘの温度上昇を実現することができる。

なお、ステージ部材１２１の材料としては、上述したプラズマエッチング装置１のステージ部材２０と同様、アルミニウム、ステンレス、銅などを使用することができる。また、伝熱抑制部材としての断熱部材１２０の材料としては、例えば、ガラス繊維やセラミックファイバーなどを使用することができる。

このように、被加工材Ｘと第１電極３０との間に断熱部材１２０を介在させる構成とすれば、上述したプラズマエッチング装置１のステージ部材２０とは異なり、ステージ部材１２１を、断熱部材１２０上に設置された状態で断熱部材１２０との間に空隙が形成されるような形状としなくてもよく、本実施形態のように平板状とすることができる。但し、伝熱抑制部材を断熱材で形成された断熱部材とする場合であっても、断熱部材上に設置されるステージ部材を、上述したステージ部材２０のように、断熱部材上に設置された状態で断熱部材との間に空隙が形成されるような形状としてもよい。ステージ部材をこのような構成とすれば、被加工材Ｘから第１電極３０への熱伝導を一層抑制することができる。

次に、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すステージ部材７０と同様のステージ部材を、反応性イオンエッチング装置であるプラズマエッチング装置１の第１電極３０上に設置し、被加工材Ｘとしてチタンウェハ、マスクとしてパターニングしたレジストを鋳型に電解めっきでチタン上に成膜したニッケル、エッチングガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ₄）を用いて行った実験の実験概要及び実験結果について説明する。なお、この実験で用いたステージ部材は、図３に示すステージ部材７０の脚部７３の中間部及び下端部（先端部）を熱伝導グリスＧ（図７参照）により代用したものであり、このステージ部材の熱伝導性能は、図３に示すステージ部材７０の熱伝導性能と同様である。したがって、以下、この実験で用いたステージ部材を「ステージ部材７０」とし、この実験で用いたステージ部材の脚部を「脚部７３´」として説明する。

この実験で用いたステージ部材７０の各部の寸法を図６に示す。図６に示すように、ステージ部７１の上面及び下面が２５ｍｍ×２５ｍｍの面積を有し、その厚みＴが２．０ｍｍである。また、梁部７４は、屈曲部を挟んで２つの直線部分（脚部７３´と連続する第１直線部分と、ステージ部７１と連続する第２直線部分）で構成されたＬ字状の棒状部であり、横断面形状が矩形で、その幅Ｗが１．０ｍｍである。更に、図６に示すように、２つの直線部分のうち脚部７３´と連続する第１直線部分と、ステージ部７１との間の離隔距離は４ｍｍである。また更に、図６に示すように、ステージ部７１を厚み方向Ａから見た場合に、脚部７３´の内径は５０ｍｍ、外径は７５ｍｍである。なお、上述したように、この実験で用いたステージ部材７０の脚部７３´は、図３に示す脚部７３の上端部のみであり、図３に示す脚部７３の中間部及び下端部（先端部）は熱伝導グリスＧにより代用されている。そのため、この実験で用いたステージ部材７０の脚部７３´の厚みは、ステージ部７１と同様、２．０ｍｍである。

図７は、上述したステージ部材７０をプラズマエッチング装置１の第１電極３０上に、空隙Ｖ２が形成されるように設置した状態を示している。図７に示すように、ステージ部材７０のステージ部７１上に被加工材Ｘを固定し、プラズマＰを発生させて、プラズマエッチング処理を行った。

上記実験の実験結果を図８に示す。図８における実線は、上述したステージ部材７０を第１電極３０上に設置して行った実験での、被加工材Ｘとしてのチタンのエッチング速度（エッチレート）の結果を示し、図８における破線は、同実験での、チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）の選択比（被加工材Ｘのエッチレート／マスク材のエッチレートで表される値）の結果を示している。なお、図８における縦線はエラーバーを示している。

ステージ部材７０を用いずに被加工材Ｘを第１電極３０上に直接固定する場合のエッチング速度が約０．２μｍ／ｍｉｎであるのに対して、図８の実線で示すように、ステージ部材７０を用いた本発明の実施例のエッチング速度は最大約１．０μｍ／ｍｉｎである。すなわち、本発明の実施例のエッチング速度は、ステージ部材７０を用いない場合のエッチング速度と比較して最大５倍に改善していることがわかる。また、図８の破線で示すように、チタン（Ｔｉ）／ニッケル（Ｎｉ）の選択比についても、本部材なしの場合の値１０に対して、本発明の実施例では約３０と向上していることがわかる。なお、図８の凡例に示すように、この実験において、ＲＦ電源５０により第１電極３０に印加された高周波による電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ²であり、チャンバー１０内の圧力は０．３Ｐａである。

次に、ステージ部材の有無、及びステージ部材の梁部の断面積を変えて行った実験の結果について説明する。図９は、ステージ部材７０を全く用いず、被加工材Ｘを第１電極３０上に直接固定した場合（図９において「Ｎｏ．１」で示すグラフ）、脚部７３´の下部に熱伝導グリスＧを設けて第一電極３０と接触させた場合において、ステージ部７１と第１電極３０を熱伝導グリスで接触させて真空絶縁層無しで第１電極３０上に設置した場合（図９において「Ｎｏ．２」で示すグラフ）、真空絶縁層を与えるように梁部７４を用いて第１電極３０上に設置し、ステージ部７１の上面上に被加工材Ｘを固定した場合において、被加工材Ｘを、梁部７４の断面幅が１．５ｍｍのステージ部材７０を介して、第１電極３０に支持させた場合（図９において「Ｎｏ．３」で示すグラフ）、及び被加工材Ｘを、梁部７４の断面幅が１．０ｍｍのステージ部材７０を介して、第１電極３０に支持させた場合（図９において「Ｎｏ．４」で示すグラフ）の４つの実験における平均エッチング速度を示している。

なお、これら４つの実験それぞれにおいて、ＲＦ電源５０により第１電極３０に印加された高周波による電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ²であり、チャンバー１０内の圧力は０．３Ｐａである。また、これらの実験では、冷却器６０により第１電極３０を常温に冷却した状態で行っている。更に、図９に示す４つのグラフは、６０分間での平均エッチング速度を示している。

図９に示すように、ステージ部材７０を全く用いない場合（図９において「Ｎｏ．１」で示すグラフ）と、ステージ部７１と第１電極３０を熱伝導グリスで接触させて真空絶縁層無しで第１電極３０上に設置した場合（図９において「Ｎｏ．２」で示すグラフ）とでは、エッチング速度の向上は観察されなかった。また、梁部７４の断面積の小さい、すなわち梁部７４が細い程、被加工材Ｘから第１電極３０への梁部７４を通じた熱伝導が低下するため、エッチング速度が向上することがわかる（図９における「Ｎｏ．３」及び「Ｎｏ．４」参照）。更に、脚部７３´の下部に熱伝導グリスＧを設けたステージ部材７０を用いた実験（図９において実験結果を「Ｎｏ．３」、「Ｎｏ．４」で示した実験）では、真空中で温度を測定するシール材での計測により、被加工材Ｘの温度が２４０度以上になっていることが確認された。したがって、ステージ部７１の下面と第１電極３０の上面との間に形成された空隙Ｖ２、及び梁部７４により、被加工材Ｘから第１電極３０への伝熱が抑制され、被加工材Ｘの温度上昇を実現でき、その結果、エッチレートの大幅な上昇が可能になることがわかる。

このように、本発明に係るプラズマエッチング装置によれば、金属の難加工材料として代表的なチタンについても、深掘り反応性イオンエッチングが可能になる。なお、図６に示すステージ部材７０を用いて、図１０に示すチタンウェハの貫通加工や、図１１に示す加工面の表面粗さの低減も実現できた。

以上のとおり、本発明に係るプラズマエッチング装置によれば、半導体ウェハなどのシリコンや酸化膜を対象としたプラズマエッチング処理に加えて、チタンやチタン合金などの各種金属や機能性セラミックスなどの難加工材料を対象としたプラズマエッチング処理をも実現することができる。特に、センサ・マイクロマシン分野では、各種センサ・アクチュエータ用の材料や、金属製マイクロ部品やその鋳型のための材料として、シリコン以外に多種多様な難加工材料が利用されており、加工量も多く、その材料とエッチングガスとの反応生成物の揮発性も材料によって大きく異なる。そのため、従来は、材料に応じてプラズマエッチング装置の仕様を大きく変更する対応や、高額ではあるが、材料に応じて別々のプラズマエッチング装置を用意する対応が必要であった。

しかしながら、本発明に係るプラズマエッチング装置では、被加工材と第１電極との間に介在させる伝熱抑制部材の形状や材料等により、被加工材から第１電極への熱伝導を制御することができ、プラズマ生成のための高周波電力を利用して外部ヒータあるいは埋め込み式ヒータを用いることなく、被加工材とエッチングガスとの反応生成物の揮発性に応じた所望の温度まで被加工材を昇温させることが可能となる。そのため、本発明に係るプラズマエッチング装置によれば、シリコンや酸化膜のみならず、多種多様な難加工材料を対象としたプラズマエッチング処理を、大きな仕様変更を要せずに実現することができる。

なお、上述した伝熱抑制部材を、シリコンや酸化膜を主な対象としている既存のプラズマエッチング装置の電極に装着することにより、難加工材料のプラズマエッチング処理を実現する本発明に係るプラズマエッチング装置とすることも可能である。例えば、シリコンや酸化膜を主な対象としている既存のプラズマエッチング装置のチャンバー内の第１電極（カソード）上に、この第１電極との間の少なくとも一部に間隙が形成されるように、伝熱抑制部材としてのステージ部材２０を設置する工程と、ステージ部材２０の第１電極側とは反対側の面上に被加工材を固定する工程と、チャンバー内で第１電極に高周波電圧を印加する工程と、を実行することにより、難加工材料のプラズマエッチング処理を行うことが可能となる。

本発明は、プラズマエッチング装置に関する。

１、１０１：プラズマエッチング装置
１０：チャンバー
１１：ガス吸気部
１２：ガス排気部
２０、７０、８０：ステージ部材（伝熱抑制部材）
２１、７１、８１：ステージ部
２２、７２、８２：支持部
２３、７３、７３´、８３：脚部
２４、７４：梁部
２５：外縁
２６、７６、８６：脚部の先端部
３０：第１電極
４０：第２電極
５０：ＲＦ電源（電源）
６０：冷却器
９０：整合器
１２０：断熱部材（伝熱抑制部材）
１２１：ステージ部材
Ａ：ステージ部の厚み方向
Ｇ：熱伝導グリス
Ｐ：プラズマ
Ｔ：ステージ部の厚み
Ｖ１〜Ｖ３：空隙
Ｗ：梁部の横断面における幅
Ｘ：被加工材

Claims

チャンバー内に設置された被加工材をプラズマ放電によってエッチングするプラズマエッチング装置であって、
前記チャンバー内に位置し、前記被加工材を支持する電極を備え、
前記電極と前記被加工材との間には、前記被加工材から前記電極への伝熱を妨げる伝熱抑制部材が設けられ、前記電極は、前記伝熱抑制部材を介して前記被加工材を支持し、
前記伝熱抑制部材は、前記チャンバー内に位置し、前記被加工材が固定されるステージ部材であり、
前記ステージ部材は、前記電極との間の少なくとも一部に空隙が形成された状態で前記電極に支持されるように構成されていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
前記ステージ部材は、前記被加工材が固定される平板状のステージ部と、前記ステージ部を支持する支持部と、を備え、
前記ステージ部と前記電極との間に前記空隙が形成された状態で、前記支持部が前記電極に支持されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
前記支持部は、前記ステージ部の厚み方向において、前記ステージ部よりも前記電極側に向かって突出している脚部を備え、
前記ステージ部材は、前記脚部の先端部が前記電極と当接することにより、前記電極に支持されることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマエッチング装置。
前記支持部は、前記ステージ部の側面と一端部が連続し、前記ステージ部を前記厚み方向から見た場合に前記ステージ部の外縁から外方に向かって延在する梁部を更に備え、
前記脚部は、前記ステージ部を前記厚み方向から見た場合に前記ステージ部の外縁よりも外側に位置しており、前記梁部の他端部と連続していることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマエッチング装置。
前記脚部は、前記ステージ部の前記電極側の下面に前記電極側に向かって突設されていることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマエッチング装置。
チャンバー内に設置された被加工材をプラズマ放電によってエッチングするプラズマエッチング装置であって、
前記チャンバー内に位置し、前記被加工材を支持する電極を備え、
前記電極と前記被加工材との間には、前記被加工材から前記電極への伝熱を妨げる伝熱抑制部材が設けられ、前記電極は、前記伝熱抑制部材を介して前記被加工材を支持しており、
前記チャンバー内に位置し、前記被加工材が固定されるステージ部材を備え、
前記伝熱抑制部材は、断熱材で構成された断熱部材であり、
前記電極は、前記断熱部材を介して前記ステージ部材を支持することを特徴とするプラズマエッチング装置。
前記ステージ部材は、アルミ、ステンレス又は銅で形成されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１つに記載のプラズマエッチング装置。
前記電極を第１電極とした場合に、前記チャンバー内で前記第１電極と対向して配置された第２電極と、
前記第１電極に高周波電圧を印加する電源と、
前記第１電極を冷却可能な冷却器と、を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１つに記載のプラズマエッチング装置。