JPH04212253A

JPH04212253A - プラズマ発生装置およびそれを用いたエッチング方法

Info

Publication number: JPH04212253A
Application number: JP2286883A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Koinuma; 秀臣鯉沼; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Shigenori Hayashi; 茂則林; Shoji Miyanaga; 昭治宮永; Tadashi Shiraishi; 正白石
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1992-08-03
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JP2657850B2; US5198724A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明は大気圧で安定に放電させることが出来、且つ、
低温な放電プラズマを得ることができるプラズマ発生装
置に関するものであり、また、この装置を用い、大気圧
雰囲気で基盤を加熱することなくエッチングする方法に
関するものである。

また、本発明のプラズマ発生装置では円筒内の微小領域
にプラズマを閉じ込めて、微細加工に応用することもで
きる。

「従来技術」大気圧状態は低電界では絶縁体であるが、直流、交流、
インパルス等の高電界を印加すると絶縁破壊を起こし電
流が流れるようになる（自続放電）。

自続放電はコロナ放電、グロー放電、アーク放電に分け
られる。平等電界のときには自続放電に移るとただちに
全路破壊し、グロー放電もしくはアーク放電に移行する
が、不平等電界のときにはまず、電界の強い局部のみ絶
縁破壊され、コロナ放電か起こる。その後さらに電界を
強くすると全路破壊に発展していく。大気圧空気中では
通常全路破壊に移行するとき、グロー放電を経ずに速や
かにアーク放電に移行することが多い。これは、アーク
放電の特徴は入射イオンに起因する電極加熱による熱電
子放出（陰極輝点の存在）であるが、高圧力では電極に
入射するイオン数が低圧力時に比べて多いため、非常に
短い時間で電極が加熱され、熱電子放出されるようにな
るためと考えられている。電流が２Ａ以下の場合にはグ
ロー放電する場合も知られているが、制御性が良くなく
、溶接加工、切断等の応用に用いられているのはアーク
放電である。

アーク放電はその電極温度の高さ、陽光柱温度（ガス温
度）の高さを利用して、被加工物を溶解、溶断すること
に用いられるので、被加工部は２０００〜６０００Ｋの
高温となる。よって、被加工物を加熱することなく加工
することができない。

そこで、室温での基盤処理、加工等を可能とするため、
大気圧でのグロー放電を安定に生じさせる試みが行われ
ている（Ｓ．Ｋａｎａｚａｗａ　ｅｔ．ａｌ．Ｊ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２１（１９８８）８３
８−８４０）。大気圧で安定にグロー放電させるために
は、１、放電空間をＨｅで充満する事、２、電極間に（
放電経路に）絶縁体を挿入する事、３、少なくとも一方
の電極は針状もしくはブラシ状とする事、４、印加電界
の周波数は３ｋＨｚ以上とする事、が必要条件として知
られている。

絶縁体は放電がアーク放電に移行しないようにするため
、印加電界周波数が３ｋＨｚ以上なのは絶縁体を通して
電流を流すため、電極形状を針状もしくはブラシ状とす
るのは、電界を不均一電界とすることにより放電を開始
しやすいようにするためである。これらの方法によりポ
リイミド等の有機物、シリコン等の無機物の表面をエッ
チング等処理を行うことも試みられている。しかしなが
ら、これら方法は、大気圧で処理するものでありながら
、反応空間内を一旦真空に減圧しその後ヘリウム等のガ
スを充填するという工程を経ねばならない。

また、基盤の処理は基盤上に於て均等に行われ、微小な
領域を選択的に処理することができないという欠点があ
った。

「本発明の構成」そこで、本発明では前記の欠点を克服するため、一旦真
空に減圧する工程を経ることなく安定な低温プラズマを
形成し、該プラズマを微小な領域に閉じ込め、微小領域
の加工、表面処理、エッチングを可能としたものである
。

そのため、金属等の導電体で構成された電極を同心円筒
状に配し、該電極の隙間に円筒状絶縁体を同心円となる
ようにまた、外側電極に接するように挿入し、該絶縁体
と中心電極の隙間にヘリウムを主体とする気体を大気圧
状態で送流状態に保持し、前記電極間に交流電界を印加
して前記ヘリウムを主体とする気体を電離することによ
り前記絶縁体と中心電極の隙間にプラズマを生ぜせしめ
た。

第１図に概念図を示す。中心導体（１１）と外側導体（
１２）の間に円筒状絶縁体（１３）を配し、中心導体（
１１）と外側導体（１２）を各々電極としてそれらに交
流電源（１４）より交流電界を印加する。放電空間（１
５）にはヘリウムを主成分とするガスをボンベ（１７）
より流量制御器（１６）を通して送流状態で供給する。

中心導体（１１）は直接プラズマに曝されるためタング
ステン、タンタル等スパッタに強い金属が有効である。

また、ヘリウムを主体とする気体に弗素、塩素等エッチ
ング作用の強いハロゲン系の元素を含むガスを添加した
場合は金、白金等のハロゲン系元素にエッチングされに
くい金属で構成するか、表面にコーティングするのがよ
い。中心導体（１１）の外径と外側導体（１２）の内径
は次式を満たしていることが望ましい。

これは中心導体（１１）と外側導体（１２）の間の電界
が不平等となる条件（コロナ発生条件）となっており、
放電開始が容易となる条件である。前記条件はあくまで
望ましい条件であり、前式の比が３よりも小さく、１に
近い値であったとしても（実際には中心導体（１１）と
外側導体（１２）の間に円筒状絶縁体（１３）が挿入さ
れるため１にはならない）、放電はコロナ放電を経由す
る事なくグロー放電を起こすだけであり、放電を起こす
限りは本発明の内容を限定するものではない。

円筒状絶縁体（１３）は前記電極間で放電がアーク放電
に移行しないように設けたものであり、石英ガラス、ア
ルミナ等の無機物、テフロン、ポリイミド、ポリエチレ
ン、ポリエチレンテレフタレート等の有機物を用いるこ
とができる。尚、放電に曝され、多少温度が上昇する可
能性が存在するため、耐熱性の高い石英ガラス、アルミ
ナ等が有効である。また、絶縁体の誘電率は大きいほど
中心導体と絶縁体間のギャップにかかる電圧は高くなる
ため、より放電開始しやすくなる。よって、アルミナ、
ソーダガラス等が有効である。円筒状絶縁体の厚さは絶
縁体の比誘電率によって変わり、また、中心導体と絶縁
体間ギャップはあまり大きすぎると実用的な交流電源の
出力電圧を越えるため、以下の範囲にすることが適当で
ある。即ち、絶縁体と中心電極の隙間は５ｍｍ以下、好
ましくは１ｍｍ以下であり、前記絶縁体の比誘電率と厚
さの関係は、厚さ（ｍｍ）／比誘電率＝１以下、好まし
くは０．２以下とするのがよい。

交流電源の周波数の下限は放電経路に挿入された絶縁体
によって発生する容量性のサセプタンスで決定される。

即ち、単位長さ当りの容量Ｃは中心導体と絶縁体間のギ
ャップ容量Ｃｇと絶縁体容量Ｃｉとの直列合成容量で表
わされ、各々となる。ただし、中心導体半径をａ、絶縁
体内径をｂ、外側電極内径をｃ、絶縁体の誘電率をε、
真空の誘電率をεｏとする。同心円筒電極間に印加され
る電界は上記ＣｇとＣｉの比で分圧される。

絶縁体によるサセプタンスの値ωＣが１０−６〔Ｓ〕以
上あれば放電は安定していることは実験により確かめら
れている。よって、ａ、ｂ、ｃを各々０．５、０．８５
、１．２５［ｍｍ］、同軸円筒の長さを１３ｍｍとし、
絶縁体に石英を用いるとすると比誘電率は３．８である
ため、Ｃｉ＝１３ｐＦとなり、約１２ｋＨｚ以上の周波
数を用いればよいこととなる。

放電空間（１５）に供給されるヘリウムを主成分とする
ガスはヘリウムが７０％以上含まれていることか必要で
ある。放電により供給されるエネルギーは主に多数粒子
であるヘリウムを電離もしくは励起し、該励起ヘリウム
原子は寿命の長い準安定状態（２３Ｓ１、２１Ｓ０）に
留まる。この寿命は約０．１ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃと長い
ものであり、この時間内に励起ヘリウム原子は数ｍｍ移
動することができる（流速が２００〜５００ｍｍ／ｓｅ
ｃとした場合）。また、前記準安定状態のエネルギーは
１９．８、２０．９６ｅＶと高いため、他の添加ガスを
電離、励起することができる。よって、ヘリウムを用い
ると放電領域外に励起ヘリウム原子を運び出し、該励起
ヘリウム原子の高いエネルギーを利用して、放電領域外
で反応を起こすことができる。

添加ガスとしてはＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスの
他にＣＦ４、ＣＣｌ４、ＮＦ３、等ハロゲンを含むガス
を用いることもできる。ハロゲン系ガスを用いるとエッ
チングすることが可能となる。Ａｒを添加ガスとした場
合はＡｒ濃度を７０％以上にすると放電せず、ＣＦ４を
添加ガスとした場合はＣＦ４濃度を４％以上にすると放
電しないという実験事実がある。また、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ
４等の炭化水素系ガスを添加すると炭素膜の成膜も可能
である。ＳｉＨ４等を用いれば珪素膜の成膜も可能であ
るが、開放状態での成膜となるため危険性が高い欠点と
なる。

前述のように反応ガスをヘリウムに混合して放電空間に
導入するほかに、準安定励起ヘリウム原子の寿命の長い
ことを利用して、ガス流によりヘリウムラジカルを基板
表面等反応させたい領域に輸送し、該領域に反応ガスを
ノズル等で供給する方法もある。また、反応させたい領
域にはイオンは到達せず、ラジカルのみ供給させ得るか
ら、被反応物に電流が流れることがない。よって、被反
応物として生体を選ぶこともできる。即ち、歯や爪を前
記ラジカルもしくは必要に応じて供給されたエッチング
ガスのラジカルにより削ることも可能である。

なお、本発明のプラズマ発生装置は供給ガス流量を制御
することにより、ラジカルの到達距離を制御することが
できる。絶縁体内径を０．８５ｍｍとした場合７０ｓｃ
ｃｍのガス供給で流速は約５００ｍｍ／ｓｅｃとなる。

供給ガス流量を増せばそれに比例して流速は増し、ラジ
カルの到達距離も長くなる。

また、被エッチング物は放電領域外の基板ばかりでなく
、放電空間内の電極自体が被エッチング物になる場合も
ある。これを利用して非常に鋭い尖端を有した針状物を
形成することもできる。

「実施例１」本実施例では、同軸円筒状の放電領域を形成しヘリウム
を導入して交流電界を印加しプラズマを形成したものを
その寸法等具体的に述べる。

第２図に本発明のプラズマ発生装置の断面図をしめす。

同軸円筒電極は中心導体（１１）、円筒状絶縁体（１３
）、外側導体（２９）より構成される。本実施例では中
心導体（１１）はタングステン、円筒状絶縁体（１３）
は石英ガラス、外側導体（２９）はステンレスを用いた
。中心導体（１１）はＭＨＶ同軸接栓（２１）に接続さ
れ、ＭＨＶ同軸接栓（２１）につながれた同軸ケーブル
（図示せず）を介して交流電源より交流電界が印加され
る。中心導体（１１）と円筒状絶縁体（１３）の間に供
給されるヘリウムは、ガス導入口（２０）より供給され
、テフロン製絶縁体（２２）（２７）の間を通って流れ
込む。テフロン製絶縁体（２２）（２７）は不要な場所
での放電を防止する役割もある。匡体（２３）（２８）
は締めつけ治具（２５）（２６）により固定される。匡
体（２３）（２８）と締めつけ治具（２５）（２６）は
ステンレスで作製され、外側導体（２９）と共に接地電
位に保たれる。なお導入されたヘリウムは各部品の隙間
より漏れないようにＯリング（２４）でシールされてい
る。また、円筒状絶縁体（１３）と外側導体（２９）の
隙間は導電性の金属フォイルで埋めた（図示せず）。外
観を第３図にしめす。架台（３３）にプラズマ発生装置
（３２）が保持されている。下部に放電部（３１）か見
られる。（なお、放電している様子を写した写真を参考
に添付する。）上記の装置にヘリウムを１５０ｓｃｃｍ供給し、周波数
１３．５６ＭＨｚの高周波電力を７０Ｗ加えたところ安
定な放電が得られることを観測した。なお、中心導体の
直径は１ｍｍ、絶縁体外形は２．５ｍｍ、絶縁体厚さは
０．４ｍｍである。放電は直径１．７ｍｍの領域で発生
していることが分かる。（参考写真参照）「実施例２」本実施例ではエッチングガスとしてＣＦ４をヘリウムに
１〜３％添加し、シリコン及びアルミナをエッチングし
た場合のエッチング効果について述べる。

プラズマ発生装置は「実施例１」と同じものを用いた。

電源周波数は１３．５６ＭＨｚであり、電力は７０Ｗ、
ガスの総流量は７０ｓｃｃｍ、放電領域から（円筒絶縁
体の端面から）基板までの距離は１ｍｍである。ＣＦ４
の添加量と反応時間を変えた場合のエッチング効果を下
表に示す。

尚、エッチング効果の評価ランクは以下のように定めた
。

〇：表面粗さ測定で効果の見られたもの。

△：表面粗さ測定で効果が若干見られたもの。

×：表面粗さ測定で効果が見られなかったもの。

「比較例」本比較例ではヘリウムのみでシリコンをエッチングした
場合のエッチング効果について述べる。

プラズマ発生装置は「実施例１」と同じものを用いた。

電源周波数は１３．５６ＭＨｚであり、電力は７０Ｗ、
ヘリウムガスの流量は７０ｓｃｃｍ、放電領域から（円
筒絶縁体の端面から）基板までの距離は１ｍｍ若しくは
２ｍｍである。

上記のように原料ガス中にエッチングガスを含めた場合
は非常に短時間であってもそのエッチング効果があるこ
とが分かる。

なお、ヘリウム１００％の時とＣＦ４を１％添加した時
のプラズマを作用させた場合の処理後シリコン基板表面
の表面粗さ状態の代表的なプロファイルを各々第４図と
第５図に示す。縦軸は表面に垂直な方向の距離を示す。

０μｍが本来のシリコン表面のレベルである。第５図で
はエッチングされていることが明らかであるか、第４図
ではエッチングされていない。０μｍ（本来のシリコン
表面のレベル）より高くなっている部分があるか、ＥＰ
ＭＡ測定の結果より中心電極材料であるタングステンが
堆積していると思われる。処理条件を以下に記す。

ヘリウム１００％の時（第４図）電源周波数１３．５６ＭＨｚ投入電力８０Ｗガス流量７０ｓｃｃｍ反応時間６０分ＣＦ４１％添加した時（第５図）電源周波数１３．５６ＭＨｚ投入電力７０Ｗガス流量７０ｓｃｃｍ反応時間３０秒「効果」以上述べたように、本発明のプラズマ発生装置を用いる
と、通常の大気雰囲気で安定な放電得られ、が小さな領
域でプラズマを発生させることができる。

また、ヘリウムガス中に１％程度のＣＦ４を添加するこ
とによりエッチング作用のあることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ発生装置の概略図を示す。第２図は本発明のプラズマ発生装置の具体例を示す。第３図は本発明のプラズマ発生装置の外観を示す。第４図はヘリウム１００％時のプラズマを作用させた後
のシリコン基板表面の表面粗さ状態を示す。第５図はＣＦ４を１％添加した時のプラズマを作用させ
た後のシリコン基板表面の表面粗さ状態を示す。特許出願人

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属等の導電体で構成された電極を同心円
筒状に配し、該電極の隙間に円筒状絶縁体を同心円となる
ようにまた、外側電極に接するように挿入し、該絶縁体
と中心電極の隙間にヘリウムを主体とする気体を大気圧
状態で送流状態に保持し、前記電極間に交流電界を印加
して前記ヘリウムを主体とする気体を電離することによ
り前記絶縁体と中心電極の隙間にプラズマを生ぜせしめ
ることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において前記絶縁体
と中心電極の隙間は５ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下
であり、前記絶縁体の比誘電率と厚さの関係は、厚さ（
ｍｍ）／比誘電率＝１以下、好ましくは０．２以下であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズ
マ発止装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において前記ヘリウ
ムを主体とする気体はその粒子数においてヘリウムが７
０％以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項において前記プラズ
マはグロー放電もしくはコロナ放電プラズマであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマ発生
装置。
【請求項５】前記ヘリウムを主体とする気体に４％以下
の弗素、塩素等のハロゲン系元素を含む原子もしくは分
子を添加し、特許請求の範囲第１、２、３、４項記載の
プラズマ発生装置に導入し、該プラズマのエネルギーに
よりハロゲン系元素のラジカルを発生せしめ、該ラジカ
ルの反応性により、珪素、二酸化珪素等の無機基盤、及
び／もしくはプラスチック等の有機基盤を化学的にエッ
チングすることを特徴とするエッチング方法
【請求項６】特許請求の範囲第５項において前記ハロゲ
ン系元素はＣＦ４であることを特徴とする特許請求の範
囲第５項記載のエッチング方法
【請求項７】特許請求の
範囲第５項において前記ラジカルは送流によりプラズマ
空間外へ送り出されることを特徴とする特許請求の範囲
第５項記載のエッチング方法