JPH05267233A - 基体およびフィルムの表面の下流の迅速な成形のためのプラズマ発生方法および装置 - Google Patents

基体およびフィルムの表面の下流の迅速な成形のためのプラズマ発生方法および装置

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JPH05267233A
JPH05267233A JP4353612A JP35361292A JPH05267233A JP H05267233 A JPH05267233 A JP H05267233A JP 4353612 A JP4353612 A JP 4353612A JP 35361292 A JP35361292 A JP 35361292A JP H05267233 A JPH05267233 A JP H05267233A
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substrate
chamber
outlet
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Charles B Zarowin
チャールズ・ビー・ザロウイン
L David Bollinger
エル・デビッド・ボリンジヤー
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Hughes Aircraft Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、基体の電気的および幾何学的特徴
に関係なくプラズマ補助化学エッチング反応によるエッ
チング手段を提供することを目的とする。 【構成】 反応ガスを導入する入口14と室内からプラズ
マを排気する出口16を有する反応ガスおよびプラズマを
含むプラズマ室12と、プラズマに反応ガスを変換するた
めにプラズマ室の反応ガスを励起させる電極24および高
周波電源22と、プラズマ室出口の形状によって実質的に
限定された形状を有するエッチングフットプリントを限
定するように基体の表面にプラズマを局部的に供給する
ために出口の端部を囲んで取付けられた犠牲表面18とを
具備していることを特徴とする

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、閉込められた領域上の
基体の表面から制御された材料を除去する方法および装
置に関し、特に基体がプラズマを発生する手段と無関係
に発生されたプラズマ中に生成された反応および励起ス
ペシーによって基体の表面から材料を除去する方法およ
び装置に関する。本発明は、除去プロセスにおける幾何
学的計上の影響を避け、基体表面の潜在的汚染を減少さ
せながら、光学表面の正確な成形のエラー補正および半
導体装置の薄膜の厚さプロファイル制御に対する制御さ
れた局部化された材料除去を行う手段を提供する。
【０００２】
【従来の技術】表面および薄膜を薄くし成形する通常の
方法はしばしば機械的研磨、スパッタリング、砂吹き、
および化学機械的プロセスのような方法を用いる。これ
らの各従来技術は普通かなりの処理制限を有する。例え
ば、半導体薄膜を薄くする化学機械的プロセスは基体に
サブ表面損傷を与える表面上の汚染物を残す接触方法で
ある。また、化学機械的薄化プロセスは薄膜の厚さ内の
空間的変化の補正を許容しない。
【０００３】プラズマ補助化学エッチング方法は化学機
械的薄化のような従来の方法に対する改良である。なぜ
ならそのようなプラズマプロセスは基体表面を接触せ
ず、サブ表面損傷に対する可能性を減少するからであ
る。米国特許4,668,336 号明細書では、プラズマ補助化
学移送によって表面を成形する方法および装置が開示さ
れている。基体表面は２つの平行板電極を有する高周波
駆動反応装置の少なくとも一方の電極に極めて接近して
取付けられる。基体の表面からの材料の除去は所定の領
域において費やす小さい表面面積を有する電極の時間を
変化することによって制御され、基体の表面全体は２つ
の反応装置間の高周波電界の存在中にプラズマを形成す
る反応ガスを受ける。したがって、材料除去が望ましい
表面に発生されるプラズマによって材料除去が行われ
る。この米国特許明細書に開示された発明の欠点は材料
が除去された表面のプロファイルを正確に制御すること
ができないことである。
【０００４】本出願人の同日出願の特許出願明細書（C.
B.Zarowin およびL.D.Bollinger の“Method and Appra
tus for Confinement of a Plasma Etched Region for
Precision Shaping of Surfaces of Substrates and Fi
lms ”）では、エッチングプラズマを基体表面の局部表
面領域に閉込めるプラズマ補助化学エッチング装置が開
示されている。局部閉込めは材料除去フットプリントの
制御、すなわち材料が除去された表面のプロファイル制
御を可能にする。そこに開示された装置はプラズマ励起
が基体に直接結合された高周波放電によって生じる型式
（局部基体表面は反応を生じさせる電極であるのが有効
である）から構成されるので、下に位置する表面構造は
主な“プリントスルー”問題を引起こす材料除去速度の
変化をもたらす可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】局部的結合プラズマ発
生に関連する“プリントスルー”問題は“下流方向”エ
ッチング反応を遂行するためにエッチング表面から離れ
てプラズマを発生することによって解決されることがで
きる。プラズマ補助化学エッチングが“下流方向”モー
ドで行われるとき、プラズマ中に生じた長い寿命の化学
的反応スペシーは“下流方向の”流れによってエッチン
グ反応位置に伝送される。米国特許4,431,898 号明細書
では、ウエハ全体からのフォトレジストの“下流方向”
剥離のためにエッチング表面から離れてプラズマを発生
する方法が記載され、さらに半導体装置がエッチングさ
れる交流電源に誘導的に結合されたプラズマ室を有する
装置および基体の剥離またはエッチングが“下流方向
に”起こる別の実施例が開示されている。“下流”方法
は基体への損傷を除去し、エネルギスペシーによって生
じることが可能な基体上の乾式化学除去プロセスを与え
る。しかしながら、ここに開示された方法は材料を除去
する表面のプロファイルを正確に変化させる手段を提供
することができないので、基体表面の局部的なエラー補
正には有用ではない。
【０００６】本発明は、基体表面の空間的エラーを補正
するか、或いは基体上の薄膜の厚さプロファイルを補正
するために局部エッチングを行う手段を有する減結合さ
れたプラズマ補助化学エッチングの利点を提供する。
【０００７】本発明の目的は、プラズマ補助化学エッチ
ング反応を実行する手段を提供することである。
【０００８】本発明の別の目的は、基体の電気的および
幾何学的特徴に関係なく発生されたプラズマからの化学
的に反応する粒子による材料除去用の手段を提供するこ
とである。
【０００９】本発明の別の目的は、正確な光学表面の成
形またはフィルム薄化に対する分離されたプラズマの局
部的な適応のための手段を提供することである。
【００１０】本発明の別の目的は、局部的な材料除去フ
ットプリントの外側の望ましくないエッチング反応を阻
止する手段を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマが基
体エッチング表面から離れて発生されそこから独立する
（減結合される）局部プラズマ補助化学エッチング方法
および装置に関する。プラズマ発生をエッチング反応位
置から減結合する方法はプラズマが局部的に発生されそ
の位置に結合されるときの基体の形状に関連する多くの
問題を回避する。特に、減結合プラズマ発生の利点はプ
ラズマが局部的に発生されるときにサブ表面構造によっ
て生じた制御されない除去速度の変化を阻止することで
ある。したがって、本発明は局部的材料除去速度を制御
する手段を提供する。
【００１２】本発明は一般にガス注入口および、プラズ
マによって生成された化学的反応および中性スペシーを
“下流”の基体の表面上の反応位置に伝送するように流
動させる出口を具備する。独立して発生されたプラズマ
はエッチングされる基体表面から離れたところに位置さ
れた領域で発生される。プラズマおよびその化学反応お
よび中性スペシーは平行板高周波放電によってプラズマ
およびガスの混合物に直接結合され、トロイダルコイル
高周波放電によってプラズマおよびガスの混合物に導電
的に結合され、或いは高周波数で駆動されたソレノイド
コイルによってプラズマおよびガスの混合物に容量的に
結合された高周波電源によって“上流”で発生されるこ
とができる。プラズマおよび反応スペシーはまたマイク
ロ波励起技術によって“上流”で発生されることができ
る。上述の手段によって発生されたプラズマは局部的材
料除去フットプリントの外側でのエッチングを阻止する
ために相互作用の形をとったスカートを有することがで
きる出口を通って反応位置に“下流方向に”流れる。フ
ットプリントは出口の寸法、基体からの距離、ガス流、
およびプラズマパラメータによって限定される。
【００１３】基体の表面上の材料除去は、“上流”プラ
ズマによって生成された化学的に反応する粒子によって
局部的に行われる。表面における化学反応速度はやはり
“上流”プラズマによって生成された励起された中性粒
子により伝達された非熱エネルギの束によって強化され
る。プラズマ発生はエッチング領域の表面から十分に離
れているため、イオンのような望ましくない短命のアク
チブ粒子はエッチング表面に達する前に反応プラズマガ
ス流から一時的に除去される。残っている長寿命の励起
された中性の化学的に反応する“基”は、ガス流によっ
て出口を通して“下流”の局部エッチング表面にに伝達
される。これらの長い寿命の粒子は、エッチングプロセ
ス中にそれらの蓄積されたエネルギを放出することによ
って表面における化学反応の速度を高める。
【００１４】分離された位置のプラズマ発生に加えて、
本発明の成形されたガス出口は、基体から分離した表面
を供給することによって局部的な材料除去フットプリン
トの外側の望ましくないエッチングが反応粒子を消費す
ることを阻止する手段を提供する。したがって、本発明
は基体の表面に対する損傷および汚染を伴わない光学表
面の成形およびフィルム薄化プロセスにおける局部表面
エラーを補正するための有効で制御可能な手段を提供す
る。
【００１５】本発明のその他の目的および利点は以下の
詳細な説明、添付図面および特許請求の範囲から当業者
に明らかになるであろう。
【００１６】
【実施例】基体上の光学表面を成形し、フィルムを薄く
するための本発明のプラズマ補助化学エッチング方法は
一般にエッチングされるべき基体表面上のプラズマ領域
において発生されたアクチブ粒子（化学的に反応し、励
起された粒子）を通過させることによって行われる。生
成されたアクチブ粒子は“上流”であり、エッチングさ
れるべき基体とは関係ない励起によって発生される。基
体を含んでいる手段による励起ではなく、基体と関係な
く結合されていないプラズマおよびアクチブ粒子を励起
することによって、基体の電気的および幾何学的な特徴
の影響は回避される。したがって、プラズマおよびその
アクチブ粒子から分離した発生はプラズマが基体を含む
励起手段によって発生されたときに典型的に経験される
“プリントスルー”現象の発生を阻止する手段を提供す
る。分離されたプラズマ発生にはアクチブ粒子を発生す
るためにより高いパワー密度の使用が要求される。これ
は、アクチブ粒子が依然として励起されているが励起手
段による影響を直接受けずにエッチング位置まで進まな
ければならないためである。したがって、高いパワー密
度の使用はプラズマが発生された領域の局部的なエッチ
ングを生じさせることができる。本発明の方法は“プリ
ントスルー”およびプラズマ発生領域における局部的エ
ッチングのようなこれらの欠点を克服することができる
装置の使用を含んでいる。
【００１７】図１を参照すると、本発明の装置は一端に
ガス入口14を、他端にガス出口16を有するプラズマ室12
を含む基体表面の局部的な“下流”エッチング反応を実
行するプラズマ補助化学エッチング反応装置10を含む。
入口14はガスのソース（示されていない）に接続されて
いる。プラズマ室中に導入されたガスは励起源の供給に
よってプラズマに変換される。励起源は無線周波数（ｒ
ｆ）パワーまたはマイクロ波エネルギであってもよい。
“下流”出口16は、局部的な材料除去に望ましいほぼ除
去フットプリントの寸法にされた開口を有している。出
口は“下流”エッチングに対して反応可能なアクチブ粒
子と相互作用する材料から製造される終端端部19に取付
けられた関連したスカート18を有している。シリコンお
よび炭素は、相互作用スカートとして使用される材料で
ある。スカート18は、基体表面から分離している反応粒
子を消費する表面を提供する。使用された場合、スカー
トはその表面がフットプリント領域の外側の基体の表面
に近接するような寸法にされ配置される。
【００１８】以下さらに詳細に論じられるように、出口
16の終端端部とエッチング可能な基体20の表面との間の
距離ｄは反応装置支持手段（示されていない）によって
変化されることができる。可変的な高さ手段と共に反応
装置はまた基体表面に関する反応装置の傾斜を変化する
手段（示されていない）を有する。除去フットプリント
プロフィールが出口16と基体の表面との間の距離と共に
変化するため、これらの調節手段は除去フットプリント
プロフィールの変化を可能にする。
【００１９】最初に述べたように、プラズマ室12におけ
る上流プラズマ発生は多数の方法によって実現されるこ
とができる。プラズマは高周波パワー源に直接的に、容
量的に、或は誘導的に結合された反応ガスの高周波励起
によって発生されるか、或はマイクロ波励起によって発
生されることができる。図２を参照すると、プラズマお
よびガス混合物に直接結合された２つの平行なプレート
電極を有する直接結合された態様が示されている。この
平行プレートの態様において、高周波パワー源22はプラ
ズマ室12の対向した端部に配置された１対の平行なプレ
ート電極24に供給される。ガスは入口14を介して室中に
連続的に供給され、そこでエッチング反応用の長い寿命
のアクチブ粒子を有するプラズマに変換される。アクチ
ブ粒子は出口16を通って表面に供給される。
【００２０】図３を参照すると、ドーナッツ形のプラズ
マ室の近くに配置さけた強磁性のドーナッツ形コイルを
有する誘導的に結合された実施態様が示されている。誘
導結合の実施態様において、ガスはほぼドーナッツ形の
形状を有するプラズマ室12ａ中に供給される。プラズマ
はガスを含んでいるドーナッツ形のプラズマ室12ａに隣
接して配置された強磁性ドーナッツ形コア26に高周波パ
ワー源22を結合することによって発生される。ガスがプ
ラズマに分解したとき、室12ａ内のプラズマはドーナッ
ツ形コア27の周囲の２次ループとして機能する。プラズ
マおよびそのアクチブ粒子は基体に向けて出口16を通っ
て流れる。
【００２１】図４は、アクチブ粒子の発生が基体から分
離されたさらに別の実施態様を示す。この実施態様にお
いて、ガスは入口14を通して連続的に供給され、管状プ
ラズマ室12ｂの周囲に巻かれたソレノイドコイル30への
高周波パワー22の供給によってプラズマに分解される。
高周波パワーの周波数に応じて、この実施態様では容量
的または誘導的に機能する。どのような高周波周波数が
使用されても、結果的なアクチブ粒子は出口16を通って
基体表面に流出される。
【００２２】プラズマを発生するために使用される高周
波パワー周波数は、直列電流からマイクロ波までの間に
存在する（ギガヘルツ）。しかしながら、上記の各実施
態様はある周波数範囲において最も良好に機能する。例
えば、理論上全ての周波数で動作するが、直接結合は通
常１ＭＨｚより低い周波数に制限される。誘導的に結合
される実施態様は誘導性の並列１次インピーダンスが放
電のインピーダンス（通常１ＫＨｚ乃至１ＭＨｚ）より
大きい周波数より上で最も良好に動作する。容量性結合
の実施態様は、結合システムの幾何学形状に応じて高い
周波数（10ＭＨｚ乃至１ＧＨｚ）に最も良く適合する。
13.5ＫＨｚ乃至13ＭＨｚの周波数は誘導性の結合の実施
態様において成功的に使用されており、容易に利用でき
る周波数である。
【００２３】プラズマのアクチブ粒子の分離された発生
の利点の他に、本発明の分離した実施態様において基体
表面から物理的に離されているプラズマの発生は、イオ
ンのような短寿命の粒子が一時的にフィルタされること
を可能にし、またエッチング表面への到達時にエッチン
グを許す化学反応速度を高めるためにそれらの蓄積エネ
ルギを放出させられるように、ガスの流れによってずっ
と長寿命のアクチブ粒子を下流に伝送させる利点を提供
する。しかしながら、分離されたプラズマ発生の利点に
は結合された発生より高いパワー密度が必要とされる。
高いパワー密度の使用は結果的に局部的なプラズマ領域
のエッチングを行わせ、基体表面汚染の高い危険性を生
じさせる。しかしながら、基体から離してプラズマ室を
配置することはプラズマ発生領域の局部的なエッチング
による表面汚染の危険性を軽減する。下流アクチブ粒子
発生に対する優れた分離プラズマ発生は、プラズマ室の
壁のスパッタ除去および／または加速されたプラズマ補
助化学エッチングを生じさせるプラズマ室12の壁に入射
する活動的なイオン束を形成せずに高いパワー密度の使
用を可能にする実施態様である。誘導的結合の実施態様
は、電界がドーナッツ形のプラズマ室に平行であり、プ
ラズマ室の壁に当たるイオンの結果的なエネルギが低い
ため好ましい。しかしながら、著しく負の電荷のガスが
下流エッチングに対してガス混合物において使用された
場合、プラズマを発生し、維持することが非常に難しい
ため誘導的な結合は実際的ではない。プラズマ室の壁に
おいて大きいエネルギのイオン束を生成する大きい電位
を有している場合、低いスパッタリング係数およびプラ
ズマ励起ガスとの低い化学反応性を有する壁材料の選択
を考慮に入れることが重要である。このような壁材料は
エッチングされている基体表面の汚染を阻止する。
【００２４】本発明によってエッチングされる材料はク
ロミウム、アルミニウム、シリコン、二酸化シリコンお
よびその他種々のフォトレジストを含んでいる。本発明
は、ＳｉおよびＳｉＯ2 のような通常の光学および半導
体材料に対して１分当り３ミクロンの高い除去速度を実
現することができる。光学および半導体材料Ｓｉおよび
ＳｉＯ2 の材料除去は、本発明の任意の“下流”モード
態様を使用した場合に多数のガスにより達成されること
ができる。高い下流除去速度（１分当り３ミクロン以上
の速度）は、ＮＦ3 （３フッ化窒素）またはＮＦ3 を含
むガスの混合物がプラズマ室中に供給されたときに得ら
れることができる。ＮＦ3 のようなガスは局部的な材料
除去フットプリント領域の外側で小さいが望ましくない
エッチングを生じさせる可能性が高い。しかしながら、
エッチングは基体にわたって局部的なエッチング領域の
付近で相互作用スカートを使用することによって制限さ
れることができる。
【００２５】基体表面の局部的なエッチングは、材料除
去および所望されたフットプリント形状によって決定さ
れた方法で基体表面に沿って出口開口16を移動すること
によって得られることができる。上記において簡単に述
べられたように、材料除去フットプリントプロフィール
の形状は、相互作用スカート18を持つ出口開口16と基体
20の表面との間の距離ｄを変化することによって変化さ
れてもよい。距離ｄを増加させることによってガウス状
プロフィールが得られる。距離ｄを減少することによっ
て、トップハット状のプロフィールが実現されることが
できる。基体20から比較的大きい距離（１cm）で本発明
の下流除去装置を動作すると、材料の除去は成形される
光学表面その他の表面における小さい傾斜によって発生
させられる距離ｄの小さい変化に対して感応しなくな
る。基体表面の高さにおける偏差があまり大きくない
（２mm以下の）適応に対して、本発明の装置は基体に関
する距離ｄおよび傾斜に対するプラズマ発生装置のプロ
グラムされた位置制御のための付加的な手段を有するこ
となく、基体エラーの正確な補正を行わせる手段を提供
することができる。
【００２６】以上、基体の特定の電気的および幾何学的
特徴がアクチブ粒子の発生に影響を及ぼさない局部的な
プラズマ補助化学エッチング反応を実行する方法および
装置が記載されている。したがって、本発明は半導体薄
膜および描写光学系に有効な局部的なエラー補正を行
い、一方において特定の基体特性と関連している“プリ
ントスルー”問題を回避する手段を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】下流モードで局部的材料除去を制御するために
出口に一体の相互作用スカートを持つプラズマ反応装置
の概略図。
【図２】平行なプレートの高周波放電下流プラズマ反応
系の概略図。
【図３】誘導的に結合された下流プラズマ反応系の概略
図。
【図４】ソレノイドコイルによって駆動される高周波放
電下流プラズマ反応系の概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エル・デビッド・ボリンジヤー アメリカ合衆国、コネチカット州 06877、 リッジフィールド、ファイアヒル・ロード 122

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 “プリントスルー”を避けるようにエッ
    チング可能な基体の表面に対する局部化されたプラズマ
    補助化学エッチング反応を実行する装置において、 反応ガスを導入する入口および室内からプラズマを排気
    する出口を有する反応ガスおよびプラズマを含むプラズ
    マ室と、 プラズマに反応ガスを変換するためにプラズマ室の反応
    ガスを励起させる手段と、 プラズマ室出口の形状によって実質的に限定された形状
    を有するエッチングフットプリントを限定するように前
    記基体の表面に対する前記プラズマを局部的に供給する
    手段とを具備していることを特徴とするプラズマ補助化
    学エッチング反応装置。
  2. 【請求項２】 前記反応ガスを励起する手段は前記プラ
    ズマ室の近くに位置された平行なプレート電極によって
    駆動された高周波放電である請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 プラズマ室はドーナッツ形であり、前記
    反応ガスを励起する手段はドーナッツ形に成形されたプ
    ラズマ室の周囲の２次ループとして作用する誘導的に結
    合されたプラズマによって駆動される高周波放電である
    請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記反応ガスを励起する手段は、前記プ
    ラズマ室の周囲に巻かれたソレノイドコイルによって駆
    動された高周波放電である請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】 プラズマ室出口の終端部分はプラズマに
    よる犠牲反応表面を形成するようにエッチングされるべ
    き表面の近くに配置されたそこに取付けられたフランジ
    を有している請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】 フランジは前記プラズマと相互作用する
    材料から構成される請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 相互作用材料は炭素である請求項６記載
    の装置。
  8. 【請求項８】 基体の表面に対する局部的なプラズマ補
    助化学エッチング反応を実行する装置において、 反応ガスを導入する入口およびプラズマ室からプラズマ
    を排気する出口を有する反応ガスおよびプラズマを含む
    プラズマ室と、 前記プラズマ室を誘導的に高周波励起する高周波放電手
    段と、 プラズマが出口によって限定された領域の外側の基体表
    面と反応することを阻止するために基体表面の近くに犠
    牲反応表面を提供するようにプラズマ室出口の終端部分
    に取付けられた相互作用フランジとを具備していること
    を特徴とするプラズマ補助化学エッチング反応装置。
  9. 【請求項９】 プラズマ室はドーナッツ形であり、高周
    波放電手段はドーナッツ形に成形されたプラズマ室の周
    囲の２次ループとして作用する誘導的に結合されたプラ
    ズマによって駆動される請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 基体の表面に対する局部的なプラズマ
    補助化学エッチング反応を実行する方法において、 局部的なプラズマ補助化学エッチングのために室中に反
    応ガスを流し、 プラズマを発生するように前記室内で反応ガスを高周波
    励起させ、 室の出口からプラズマを流出させ、 材料が除去される領域および領域内で除去される材料の
    量を制御するように予め定められた方法で基体の表面に
    沿ってそれに近接して前記出口を移動するステップを含
    んでいることを特徴とする局部的プラズマ補助化学エッ
    チング方法。
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