JPH04273436A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを利用して半
導体等に対する微細加工あるいは成膜等の処理を行うプ
ラズマ処理装置に関し、特に、中性粒子ビームによるサ
ブミクロン以下の微細加工に好適な、プラズマ処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマを利用したプラズマ処理
装置としては、いわゆるドライエッチング装置がある。 このドライエッチング装置では、高周波グロー放電によ
り反応性ガスをプラズマ化して、イオン及び化学的に活
性な中性化学種等を発生させ、これらを被処理体の表面
に輸送し、反応させてエッチングを行う方法が一般に採
用されて来た。

【０００３】このエッチング方法においては、高周波電
極上に表面がエッチングマスクで被覆された被処理体を
設置し、当該被処理体の表面上に誘起される負のバイア
ス電位によって、正イオンを当該被処理体の表面に対し
て垂直方向に加速して当該被処理体に入射させることに
より入射方向の反応を増速させ、上記エッチングマスク
に忠実な異方性の高い高精度加工を達成しようとしてい
る。

【０００４】ところが、この方法では、電気的に中性で
あるために方向性の無いラジカル（中性化学種）による
等方エッチングが同時に進行する。そのため、サイドエ
ッチングも進行し、完全な異方性形状を得ることが難し
くなり、例えば半導体に対するサブミクロンの微細加工
では、このサイドエッチングは大きな問題となる。

【０００５】このサイドエッチングの問題を解決するた
めに、加工部（エッチング部）の側壁面に反応を阻害す
る保護膜を形成させる方法、被処理体を低温にして当該
側壁面におけるラジカル反応を抑制する方法、あるいは
ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）法によって、よりイ
オン密度が高く、且つ低圧でラジカル密度が低いプラズ
マを生成させて行うエッチング方法等が提案されている
。

【０００６】サイドエッチングの問題を解決するための
これらの方法は、いずれも方向の揃った正電荷イオンを
用いている。従って、イオンの運動方向は電場により決
まるため、サブミクロン程度の微細パターンの加工にお
いては、以下の問題がある。

【０００７】図３は、エッチング中の被処理体の表面近
傍の一部を示しており、該被処理体１０の表面はエッチ
ングマスク１２で被覆されている。

【０００８】上記図３に示すように、エッチングが進行
すると、被処理体１０の表面に沿った電場Ｅ（破線で示
す）の乱れ（凹凸）により、イオンＩの入射方向が曲げ
られ側壁にイオンＩが衝突してサイドエッチングが起こ
るため、期待した異方性が得られなくなる。

【０００９】又、エッチング部１４、１６、１８では、
底面、例えば１４Ａに到達するイオン束が減少するため
、パターンの微細なエッチング部（図では１６、１８）
のエッチング速度が広いパターンのエッチング部１４に
比べて低下する、いわゆるマイクロローディング効果（
あるいはＲＩＥｌａｇ　）が生じてしまう。

【００１０】従って、良好な異方性とマイクロローディ
ング効果の抑制とを両立させるためには方向の揃った、
電気的に中性な活性種によるエッチングが不可欠となる
。この目的にあった中性粒子ビームを得る方法としては
、同種のイオンとラジカルとの間の効率的な電荷交換に
より高速中性ラジカルビームを得る方法（特開昭６１−
２４８４２８）や、被処理体とプラズマとの間にグリッ
ドを設置し、グリッドからイオンへの電子移動によりイ
オンを中性化させる方法（第５１回応用物理学界学術講
演会予稿案，２７Ｐ−ＺＦ−５，１９９０）が提案され
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記両
方法では、どちらの場合もイオンを中性にする効率が１
００％ではなく、イオンの一部は被処理体に入射してく
るので、このイオンを被処理体に到達する前に対向した
２枚の電極の間を通過させ、その入射方向を曲げること
により、被処理体に該イオンが到達しないようにする必
要がある。

【００１２】ところが、６インチウェハ等の大面積の被
処理体を処理する場合、上記対向電極から遠く離れたウ
ェハ中央部ではイオンの飛散を十分に曲げることができ
ず、そのイオンの大部分が被処理体に斜めに入射してし
まう。そのため、異方性向上及びマイクロローディング
の抑制について期待したような結果が得られないという
問題がある。

【００１３】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、方向の揃った全体的に均一な中性粒
子ビームを生成させ、被処理体の表面が大面積であって
も、該被処理体に対してサブミクロン程度の微細加工を
高精度で行うことができるプラズマ処理装置を提供する
ことを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマ発生
手段を有するプラズマ室と、被処理体を収容し、該被処
理体をプラズマ処理する処理室とを備えたプラズマ処理
装置であって、プラズマ室と処理室との間に、該両室を
仕切る多孔質板が設けられ、上記多孔質板が、プラズマ
室から処理室へ微小粒子を通過させる多数の直線状のマ
イクロチャネル孔を有し、且つ電位を任意に設定可能に
なされるようにすることにより、前記課題を達成したも
のである。

【００１５】本発明は、又、プラズマ発生手段を有する
プラズマ室と、被処理体を収容し、該被処理体をプラズ
マ処理する処理室とを備えたプラズマ処理装置であって
、プラズマ室と処理室との間に、該両室を仕切る多孔質
板が設けられ、上記多孔質板が、プラズマ室から処理室
へ微小粒子を通過させる多数の直線状のマイクロチャネ
ル孔を有し、上記多孔質板のプラズマ室側及び処理室側
のそれぞれに電極が設けられ、上記両電極が各々独立に
電位を任意に設定可能になされるようにすることにより
、同様に前記課題を達成したものである。

【００１６】

【作用】本発明においては、処理室内の所定位置に被処
理体を設置し、プラズマ室をプラズマが発生可能な条件
に設定すると共に、処理室を該プラズマ室よりも低圧力
に設定し、且つマイクロチャネル孔を有する多孔質板（
以下、マイクロチャネル板という）をプラズマ電位を超
える所定の電位に設定する。

【００１７】上記条件の下で、プラズマ室でプラズマを
発生させると、プラズマ中心に存在するラジカル等の中
性粒子は、プラズマ室と処理室との粒子密度差により、
マイクロチャネル孔を通過して該処理室内に方向の揃っ
た中性粒子ビームとして導入されるため、該中性粒子ビ
ームを被処理体の表面に入射させることができる。

【００１８】一方、プラズマ中に存在する正イオンは、
プラズマ電位により加速されて上記マイクロチャネル板
の方向に移動するが、該マイクロチャネル板はプラズマ
電位を超える電位に設定されているため、マイクロチャ
ネル孔への通過を遮断される。

【００１９】従って、直線状のマイクロチャネル孔に対
して、被処理体の表面を垂直に配置しておくことにより
、該表面に対して、全く正イオン粒子を含まない中性粒
子を垂直に入射させることが可能となる。

【００２０】又、ＳＦ６　やＯ２　等、使用する気体に
よってプラズマ室内で正イオンだけでなく負イオンが発
生する場合がある。

【００２１】このような場合についても、多孔質板の両
側に各々独立に電圧設定のできる電極を設けたので、正
負両イオン共に取除くことができる。

【００２２】即ち、例えば、プラズマ室側の電極を正電
位に、又エッチング室側の電極を負電位にすれば、正イ
オンはプラズマ室側の電極で通過を遮断される一方、多
孔質板内へ入射してきた負イオンはエッチング室側の電
極によって逆方向に押し戻されるため、多孔質板を通過
できるのは中性粒子のみとなる。従って、全く正負両イ
オンを含まない中性粒子を被処理体表面に垂直に入射さ
せることが可能となる。

【００２３】その結果、例えばプラズク処理としてエッ
チングを行う場合には、異方性の高いエッチングが可能
となると共に、マイクロローディング効果が生じないの
で、極めて高精度のエッチングパターンを形成すること
が可能となる。

【００２４】又、マイクロチャネル板の電位を調整する
ことにより、マイクロチャネルに正イオン粒子を通過さ
せることが可能となるため、該正イオン粒子による被処
理体に対する表面処理を行うことも可能となる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２６】図１は、本発明の第１実施例である中性粒
子ビーム装置を示す概略構成図で、図２は該中性粒子ビ
ーム装置の要部の破断部を拡大して示す部分斜視図であ
る。

【００２７】本実施例の中性粒子ビーム装置（プラズマ
処理装置）は、プラズマ室２０とエッチング室（処理室
）２２とからなる密閉空間を備えている。上記プラズマ
室２０には、プラズマ原料ガスを導入するガス導入口２
４が設けられ、上記エッチング室２２には真空系に接続
された排気口２６が設けられており、これらプラズマ室
２０及びエッチング室２２をそれぞれ所望の減圧状態に
することが可能になっている。

【００２８】又、上記プラズマ室２０内には、プラズマ
を発生させるための高周波電極（プラズマ発生手段）２
８が設置され、該高周波電極２８には電源３０が接続さ
れている。又、上記エッチング室２２内には、エッチン
グ処理（プラズマ処理）を行う対象である被処理体３２
が設置されている。

【００２９】更に、上記プラズマ室２０とエッチング室
２２との間には、該両室２０、２２を仕切るマイクロチ
ャネル板３４が、上記被処理体３２の表面に平行に配設
されている。このマイクロチャネル板３４は、微細なチ
ャネル孔を有する電位可変プレートである。

【００３０】即ち、上記マイクロチャネル板３４には、
その破断した一部を図２に拡大して示すように、該マイ
クロチャネル板３４の厚さ方向に延びる直線状のマイク
ロチャネル孔３４Ａが多数形成されており、該マイクロ
チャネル孔３４Ａを通して、プラズマ室２０からエッチ
ング室２２へ中性粒子（ラジカル）等の微小粒子が通過
可能になっている。

【００３１】上記マイクロチャネル板３４は、例えば、
直径ｄ　が数μｍ〜１００μｍ　程度の孔を有する中空
状のグラスファイバ集合体からなる石英製の薄板で形成
でき、その厚さｌ　は数百μｍ　〜数ｍｍ程度にするこ
とができる。

【００３２】又、上記マイクロチャネル板３４のプラズ
マ室２０側の表面には、イオン制御電極３６が付設され
ており、該電極３６には電位可変電源３８が接続され、
該電極３６の電位を任意に変更することが可能になって
いる。このイオン制御電極３６は、例えば、上記マイク
ロチャネル板３４の一面に、アルミニウム（Ａｌ　）を
蒸着することにより形成できる。

【００３３】次に、本実施例の作用を説明する。

【００３４】まず、前記プラズマ室２０に、フッ素ガス
（Ｆ２　）をガス導入口２４より導入し、１０−１Ｔｏ
ｒｒ　程度の圧力下で高周波電極２８により、放電を行
わせる。

【００３５】このとき、プラズマ室２０ではプラズマが
発生し、Ｆ＋　等のフッ素イオン及びフッ素原子（Ｆ・
）　等の中性活性種（ラジカル）が生成する。

【００３６】発生したプラズマによるイオン及び中性活
性種の密度は、放電方式やプラズマ室２０の圧力に依存
するが、ＲＦ放電では中性活性種／イオンの比は１０３
　程度であり、中性活性種に富んでいる。

【００３７】本実施例では、元々のフッ素分子（Ｆ２　
）、中性活性種及びイオンの密度は、各々３×１０１４
個／ｃｍ３　、５×１０１２個／ｃｍ３　、１×１０１
０個／ｃｍ３　程度と観測された。

【００３８】一方、前記エッチング室２２は、排気口２
６により排気され、上記プラズマ室２０よりも低い圧力
に設定する。又、前記マイクロチャネル板３４に付設さ
れているイオン制御電極３６に、プラズマ電位よりも高
い正の電位を印加する。

【００３９】このように、プラズマ室２０でプラズマを
発生させ、しかもエッチング室２２の圧力をプラズマ室
２０よりも低くすることにより、該プラズマ室２０から
中性活性種（ラジカル）等の微小粒子を、マイクロチャ
ネル孔３４Ａを通してエッチング室２２に流入させるこ
とが可能となる。

【００４０】又、マイクロチャネル板３４に対しては、
プラズマシースにおいてプラズマ電位により加速された
正イオンが入射してくるが、イオン制御電極３６にプラ
ズマ電位より高い正の電圧が印加してあるため、該正イ
オンがマイクロチャネルを通過することが防止される。 本実施例ではプラズマ電位が２０Ｖ程度であるので、例
えばイオン制御電極３６の印加電圧を１００Ｖとするこ
とにより、マイクロチャネル３４Ａを通して完全な中性
粒子のみをエッチング室２２に流入させることが可能と
なる。

【００４１】又、エッチング室２２をプラズマ室２０よ
り低圧にしてあるので、マイクロチャネル板３４を経て
、該エッチング室２２に流入してくる微小粒子が、該エ
ッチング室２２内の気体粒子等と衝突することによって
散乱することをも防止できる。

【００４２】例えば、エッチング室２２の圧力を１０−
３Ｔｏｒｒに設定すると、この条件の下では気体の平均
自由経路が１０ｃｍ程度となる。従って、マイクロチャ
ネル板３４と被処理体３２との間隔を、例えば１ｃｍ程
度とすれば、マイクロチャネル孔３４Ａを通過した中性
粒子は殆ど散乱されないため、該中性粒子を方向の揃っ
た中性粒子ビームとして被処理体３２の表面に入射させ
ることができる。

【００４３】上述した如く、本実施例によれば、上記マ
イクロチャネル孔３４Ａが直線状で、且つ被処理体３２
の表面に垂直になっているので、プラズマ室２０で生成
したプラズマからイオン粒子を除いた中性粒子のみを、
方向の揃った中性粒子ビームとして被処理体３２の表面
に垂直に入射させることができる。

【００４４】従って、このように被処理体３２の表面に
垂直に入射する、方向の揃った中性の活性粒子（ラジカ
ル）によって、該被処理体３２をエッチングすることが
できるため、異方性の高いエッチングが可能であり、そ
の上、イオン粒子の入射がないためマイクロローディン
グ効果が生じず、極めて高精度のエッチングパターンの
形成が可能となる。

【００４５】又、本実施例では、被処理体３２に対する
イオン粒子の入射を防止するための対向電極を使用せず
、しかも該被処理体３２の表面積より広い範囲に亘って
形成されたマイクロチャネル孔３４Ａから、中性粒子ビ
ームが該被処理体３２の表面に入射するようにしてある
ため、被処理体３２の表面積が大きい場合でも、異方性
の高いエッチングを全体的に行うことが可能となる。

【００４６】なお、本実施例では、イオン制御電極３６
の電位を低く調整することにより、被処理体３２のエッ
チング等の処理にイオン粒子を有効に利用することもで
きる。その際、イオン制御電極３６を接地又は絶縁して
もよい。

【００４７】次に、本実施例の効果を明らかにするため
に実施した具体例について説明する。

【００４８】中性粒子ビーム装置（エッチング装置）と
しては、マイクロチャネル孔３４Ａの直径ｄ　が約２５
μｍ　で、厚さｌ　が約１ｍｍのマイクロチャネル板３
４を設けたものを使用した。

【００４９】被処理体３２としては、表面にエッチング
マスクとなるレジストパターンを被着形成したシリコン
基板（ウェハ）を使用し、該シリコン基板の表面（エッ
チング面）と、マイクロチャネル板３４の表面とは約１
ｃｍ離して平行にした。

【００５０】プラズマ室２０にフッ素を導入し、約０．
１Ｔｏｒｒ　の圧力の下で放電させ、エッチング室２２
を１０−３Ｔｏｒｒ　とし、且つマイクロチャネル板３
４に形成したイオン制御電極３６を約１００Ｖに印加し
て、上記シリコン基板のエッチングを行った。

【００５１】その結果、上記シリコン基板に対しては、
±１０ｎｍ以下の誤差で、マスクパターン通りにエッチ
ング加工でき、且つサイドエッチングも無く、垂直な異
方性の高いエッチング形状となった。又、エッチング速
度はパターン（エッチング部）の粗密等に依存せず、マ
イクロローディング効果は全く見られなかった。

【００５２】図４は、本発明の第２実施例である中性粒
子ビーム装置を示す、前記図１に相当する概略構成図で
ある。

【００５３】本実施例の中性粒子ビーム装置は、マイク
ロチャネル板３４のプラズマ室２０側及びエッチング室
２２側のそれぞれに電極３６及び３６Ａを設け、電位可
変電源３８によりこれら両電極３６及び３６Ａの電位を
それぞれ独立に任意に設定可能とした以外は、前記第１
実施例と同構成である。

【００５４】本実施例によれば、上記のように、マイク
ロチャンネル板３４の両側面に、各々独立に電圧設定で
きる電極３６、３６Ａを設けたので、正負両イオン共に
取除くことができる。

【００５５】即ち、例えばプラズマ室側の電極３６を正
電位に、又エッチング室側の電極３６Ａを負電位にすれ
ば、正イオンはプラズマ室側の電極３６で通過を遮断さ
れる一方、マイクロチャネル板３４内へ入射してきた負
イオンはエッチング室側の電極３６Ａによって逆方向に
押し戻されることになる。その結果、マイクロチャネル
板３４に中性粒子のみを通過させることが可能となるの
で、ＳＦ６　やＯ２　等を使用する場合のように、プラ
ズマ室内に正イオンだけでなく負イオンも発生する場合
でも、前記第１実施例と同様に異方性の高いエッチング
が可能となる。

【００５６】本実施例の効果を明らかにするために、Ｓ
Ｆ６　をエッチングガスとし、本実施例の中性粒子ビー
ム装置を用いてエッチング処理を行ったところ、Ｆ２　
をエッチングガスとして使用した前記第１実施例の場合
と同様に垂直な形状のパターニングができ、又マイクロ
ローディング効果も全く見られなかった。

【００５７】なお、上記エッチング処理は、エッチング
ガスとしてＳＦ６　を使用し、プラズマ側電極３６に８
０Ｖの電圧を印加すると同時に、負イオンを取除くため
にエッチング室側電極３６Ａにも−１００Ｖの電圧を印
加した以外は、前記第１実施例の場合と同一の条件で行
った。

【００５８】以上、本発明を具体的に説明したが、本発
明は前記実施例に示したものに限定されるものでなく、
その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【００５９】例えば、マイクロチャネル板は、グラスフ
ァイバの集合体に限るものでなく、同様の目的に使用で
きるものであれば任意の材料で形成することができる。

【００６０】又、マイクロチャネル板に形成するマイク
ロチャネルの形成密度は、必要に応じて任意に変更可能
である。

【００６１】更に、マイクロチャネル板を導体で形成し
、該マイクロチャネル板自体にイオン制御電極の機能を
持たせてもよい。

【００６２】又、本発明のプラズマ処理装置は、エッチ
ング装置に限られるものでなく、他のプラズマ処理にも
適用可能であることはいうまでもない。

【００６３】例えば、成膜装置としても有効であり、本
発明のプラズマ処理装置によれば、低ダメージ、低応力
、高緻密で良質な膜を得ることができ、極めて有益であ
ることが確認された。

【００６４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、方
向の揃った全体的に均一な中性粒子ビームを生成させる
ことにより、被処理体の表面が大面積である場合でも、
該被処理体に対してサブミクロン程度の微細加工を高精
度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例である中性粒子ビ
ーム装置を示す概略構成図である。

【図２】図２は、上記中性粒子ビーム装置の要部の一部
を拡大して示す部分斜視図である。

【図３】図３は、従来の問題点を示す概略説明図である
。

【図４】図４は、本発明の第２実施例である中性粒子ビ
ーム装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

２０…プラズマ室、 ２２…エッチング室、 ２８…高周波電極、 ３２…被処理体、 ３４…マイクロチャネル板、 ３４Ａ…マイクロチャネル孔、 ３６、３６Ａ…イオン制御電極、 ３８…電位可変電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ発生手段を有するプラズマ室と、
   被処理体を収容し、該被処理体をプラズマ処理する処理
   室とを備えたプラズマ処理装置であって、プラズマ室と
   処理室との間に、該両室を仕切る多孔質板が設けられ、
   上記多孔質板が、プラズマ室から処理室へ微小粒子を通
   過させる多数の直線状のマイクロチャネル孔を有し、且
   つ電位を任意に設定可能になされていることを特徴とす
   るプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】プラズマ発生手段を有するプラズマ室と、
   被処理体を収容し、該被処理体をプラズマ処理する処理
   室とを備えたプラズマ処理装置であって、プラズマ室と
   処理室との間に、該両室を仕切る多孔質板が設けられ、
   上記多孔質板が、プラズマ室から処理室へ微小粒子を通
   過させる多数の直線状のマイクロチャネル孔を有し、上
   記多孔質板のプラズマ室側及び処理室側のそれぞれに電
   極が設けられ、上記両電極が各々独立に電位を任意に設
   定可能になされていることを特徴とするプラズマ処理装
   置。