JPH05275190A

JPH05275190A - エッチング装置及びエッチング方法

Info

Publication number: JPH05275190A
Application number: JP4097269A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Koinuma; 秀臣鯉沼; Tadashi Shiraishi; 正白石; Kiyoto Inomata; 清人猪俣; Toru Inoue; 亨井上; Shigenori Hayashi; 茂則林; Shoji Miyanaga; 昭治宮永; Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-22

Abstract

(57)【要約】【構成】ハロゲン元素が添加されたヘリュームを主成
分とする気体を同心円状に形成された電極１１と１２と
の間で印加される高周波エネルギーによって、大気圧で
プラズマ化し、基板１をエッチングする装置であって、
基板表面に接地された電極１８を設けることによって、
基板１が帯電することを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大気圧で安定に放電させ
ることが出来、かつ低温の放電プラズマを得ることがで
きるプラズマ発生装置を用いて、基板を加熱すること無
しに行われるエッチングにおいて、基板の絶縁性／抵抗
値に係わらず安定したエッチングを行う方法に関するも
のである。

【０００２】

【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、コロナ放電が起こる。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。一般に大気圧空気中で
は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、制御性が良くない。
一般に溶接加工、切断等の応用に用いられているのはア
ーク放電である。

【０００３】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ている。アーク放電を用いた加
工法においては、被加工部の温度が2000〜6000Kの高温
となるのが普通であり、低温（例えば室温）で被加工物
を加工することはできなかった。

【０００４】そこで、室温での基板処理、加工等を可能
とするため、大気圧で安定して放電を安定して起こさ
せ、低温プラズマを発生させる試みが行われている(S.K
anazawa et.al. J.Phys.D:Appl.Phys.21(1988)838-84
0)。大気圧で安定に放電を起こさせ、低温プラズマを発
生させるには、 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。絶縁体を電極間に挿入
するのは、放電がアーク放電に移行しないようにするた
めであり、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であり、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。

【０００５】上記の方法によって得られるプラズマは１
００度以下の温度しか有していない。そして、この常圧
低温プラズマを用いて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処理することも試みられ
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
らないという煩雑さがあった。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。

【０００６】そこで、本発明人ら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
するプラズマ発生装置とそれを用いたエッチング方法の
発明を行なった。（特願平２−２８６８８３）

【０００７】また、大気圧でのプラズマは大気圧である
が故に粒子間の衝突確率が高いので（即ち平均自由行程
が短い）、空間中での電子─イオン再結合の確率も高く
なる。その結果プラズマは空間的に広がらず、電位勾配
の低下とともに急激に消滅してしまい、基板に到達する
ラジカルは非常に少なくなってしまうという欠点があっ
た。これを防止するには基板を出来るだけ放電領域に近
づければよいが、放電領域近傍では僅かの距離の変化で
ラジカル密度が大きく変化してしまうため、その制御性
が著しく悪くなるという別の問題が生じてしまう。

【０００８】〔従来技術の問題点〕上記従来の大気圧で
のグロー放電を用いたエッチング処理方法は、被加工物
が絶縁体の場合に被加工物が帯電してしまうという問題
があった。被加工物に到達する電荷は主に電子であるの
で、被加工物が帯電してしまうと電子が被加工物に到達
しなくなってしまう。その結果、電子とともに被加工物
に到達するラジカルの数も減少するのでエッチング効率
が低下してしまっていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、大気圧のグ
ロー放電によってエッチングを行うに際して、被加工物
が絶縁体であっても効率良くエッチングが行えるように
することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、被加工物表面
の帯電を逃がすために、被加工物表面全体もしくは一部
に電極を設け、この電極を接地電位とすることによっ
て、プラズマからの電子を逐次外部に逃がし、それによ
り、基板表面を帯電させずに初期条件に維持しつつ、プ
ラズマによるエッチングを行うことを特徴とするもので
ある。

【００１１】さらに本発明においては、ハロゲン元素を
含むヘリウムを主成分とする気体を用いることによっ
て、常圧で安定した放電を発生させ、被加工物を高温に
曝すことなくエッチングを行うことを特徴とするもので
ある。

【００１２】また、本発明においては、被加工物表面に
導電膜を設けることにより被加工物の帯電現象を防止
し、エッチング効率を高めることを特徴とする。

【００１３】図１に本発明のエッチング装置の概念図を
示す。図１において、内側電極である中心導体（１１）
と外側電極である外側導体（１２）との間に円筒状絶縁
体（１３）を配し、中心導体（１１）と外側導体（１
２）とを各々電極としてそれらに交流電源（１４）より
電磁エネルギーとして交流電界を印加する。放電空間
（１５）にはヘリウムを主成分とするガスをボンベ（１
７）より流量制御器（１６）を通して送流状態で供給す
る。なおボンベは一つしか示されていないが、ハロゲン
元素をヘリウムに添加すために必要に応じてガス供給系
が設けられることはいうまでもない。また、エッチング
されるべき基板（１）は常磁性体の基板ホルダー（２）
に保持されている。

【００１４】基板（１）は基板ホルダー（２）の上に設
置されている。基板（１）の表面には、接地電極となる
電極薄膜（１８）を堆積させる。この電極薄膜（１８）
の材料は、導電性材料、好ましくは金、白金、グラファ
イト等の高導電性材料を蒸着して用いる。電極薄膜（１
８）は、ハロゲン元素をヘリウムに添加してエッチング
する場合は、金または白金を用い、電極薄膜（１８）が
エッチングされにくくすることが望ましい。なお、金ま
たは白金等はハロゲン系元素にエッチングされにくい金
属であるため、エッチング対象である絶縁性基板の表面
を完全に被覆することがあってはならない。よって、電
極薄膜（１８）の堆積は基板のエッジの部分に対して行
なわれるのが望ましい。この電極薄膜（１８）は、必ず
しも金属の蒸着薄膜を用いる必要は無く、ペースト状あ
るいは粘着テープ状の高導電性材料（例えばグラファイ
トや金等のペースト、グラファイトや銅等の粘着電導テ
ープ等）を、基板のエッジ部分を中心にコーティングし
たものを用いる方法でもよい。

【００１５】また、この電極薄膜（１８）を設置しない
でも、ある程度の効果を得ることができる。これは、被
加工物表面に導電物があることで、被加工物表面に帯電
する電荷をある程度逃がすことができるからである。

【００１６】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元素を含むガスを
添加した場合は、前述の様に金、白金等はハロゲン系元
素にエッチングされにくい金属であるので、中心導体
（１１）を金、白金等で構成するか、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。

【００１７】

【数１】

【００１８】これは中心導体（１１）と外側導体（１
２）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ことがで
きるので、特にこの条件によって本発明が限定されるも
のではない。

【００１９】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、そ
の材質として石英ガラス、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（ｍ
ｍ）／比誘電率＝１以下、好ましくは０．２以下とする
のがよい。

【００２０】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

【００２１】

【数２】

【００２２】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。

【００２３】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
ことが必要である。添加ガスとしてはＮｅ、Ａｒ、Ｋ
ｒ、Ｘｅ等の希ガスを用いることができる。エッチング
を行うために必要なハロゲン元素を供給する含んだハロ
ゲン化合物のガスとしては、ＣＦ₄、ＣＣｌ₄、ＮＦ₃
等を用いることができる。Ａｒを添加ガスとした場合は
Ａｒ濃度を３０％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。しかし、ＣＦ₄濃度が0.5
％以下であるとほとんどエッチングが行なうことができ
ない。またＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₄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。さらに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。

【００２４】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
にエッチングガスとしてハロゲン系の反応ガスを別に外
部ノズル等で供給し、ハロゲン化合物のラジカルを発生
させる方法もある。この場合、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。

【００２５】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７０ｓｃｃｍのガス供給で流速は約５００ｍｍ／ｓ
ｅｃ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。

【００２６】また、被エッチング物すなわち被加工物
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。

【００２７】

【作用】被加工物表面に接地電極を設けることにより、
被加工物表面の電荷を逃がすことができ、被加工物が絶
縁物である場合でも帯電によるエッチング効率の低下を
避けることができる。

【００２８】

【実施例】

「実施例１」図２に本発明のプラズマ発生装置の断面図
を示す。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。図では
明確でないが、円筒状絶縁体（１３）は外側導体（２
９）に密接して設けられている。本実施例では中心導体
（１１）はステンレス、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、ＭＨ
Ｖ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、中心導
体（１１）と外部導体（２９）との間で電磁エネルギー
が供給される。中心導体（１１）と円筒状絶縁体（１
３）の間に供給されるヘリウムを主成分とする気体は、
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（２
５）（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。

【００２９】導入されたヘリウムを主成分とする気体は
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）のと隙間には導電性の金属フォイルで充填さ
れている（図示せず）。

【００３０】被加工物（１）としては、Ｐ型のＳｉ基板
の（１００）面を用いた。この基板（１）としては、抵
抗値が0.01Ωcm、0.4 Ωcm、10Ωcm、50Ωcm、100 Ωcm
のものをそれぞれ用意し、被加工物の電気抵抗の違いに
よるエッチング効率の違いを調べた。（結果については
後述する）なお、基板ホルダー（２）はパイレックスガ
ラス（厚さ１．１ｍｍ）とした。

【００３１】基板（１）のエッチング面側の端部には約
２mm幅で金薄膜を蒸着し、接地電極となる電極薄膜（１
８）とした。電極薄膜周辺の模式図を、図３に示す。図
３において、エッチングされる基板（１）の周辺部に接
地された電極薄膜（１８）が形成され、被エッチング面
にプラズマビームが照射される様子が示されている。こ
の設置された電極薄膜（１８）があるので、プラズマビ
ームに従って基板（１）に到達する電子によって、被加
工物である基板（１）が帯電することを防ぐことができ
る。

【００３２】電極薄膜（１８）は、匡体（２３）（２
８）と締めつけ治具（２５）（２６）、外側導体（２
９）と共に接地電位に保たれる。本実施例においては、
電極薄膜（１８）に接する接触端子を介して外部導体
（２９）と電気的に接続させ、電極薄膜（１８）を設置
電位に保った。また、電極薄膜（１８）を接地電極とせ
ず、電気的に何処にも接続せずに設ける構成も可能であ
るが、接地した時程の効果は得られない。

【００３３】基板（１）と中心導体（１１）の距離は２
ｍｍである。なお、中心導体の直径は１ｍｍ、絶縁体外
径は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た。

【００３４】上記の装置にヘリウムを９９．５ｓｃｃｍ
とＣＦ₄を０．５ｓｃｃｍ供給し、周波数13.56MHzの高
周波電力を120 Ｗ加えたところ安定な放電が得られ、こ
の放電を10分間保持した。この状態で、前述の各種抵抗
を有するＳｉ基板に対して１０分間のエッチングを行っ
た再の基板材料の抵抗値とエッチング深さの関係を図４
に示す。図４において、縦軸がエッチングの深さ（単位
はÅ）であり、横軸が基板の比抵抗（単位はΩcm) であ
る。図４のグラフを見ると明らかなように、基板の抵抗
によらず一定のエッチングが得られている。なお、エッ
チング時間が定められているので、図４におけるエッチ
ングの深さはエッチング速度を相対的に示すものと考え
ることができる。また、エッチング速度は、０．３４μ
ｍ／ｍｉｎと大変速いものであった。なお、プラズマの
温度を熱電対で測定したところ、約１００度であった。
このことから、被加工物表面の温度も１００度以下と推
定される。

【００３５】「比較例」本比較例では、被加工物の表面
の一部に接地電極を設置することの効果を確かめるため
に、実施例１において電極薄膜（１８）を設けないで、
実施例１と同様なエッチングを行った場合の実験結果に
ついて記載する。

【００３６】本比較例においては、プラズマ発生装置、
エッチング条件は電極薄膜（１８）が存在しないことを
除いては実施例１と同じである。本比較例における基板
の被抵抗値に対するエッチング深さのグラフを図５に示
す。図５を見ると、実施例１における図４と比較して、
抵抗値の増大に伴ってエッチング速度が急速に減少して
いるのがよくわかる。

【００３７】この比較例の結果より、電極薄膜（１８）
を設けない場合には電気抵抗が大きい被加工物に対する
エッチング効率が極端に低下してしまうことが分かる。
同時に実施例１の結果より、電極薄膜（１８）を設けて
被加工物（この場合はＳｉ基板（１））表面を接地電位
とした場合には、被加工物の電気抵抗に関係なく、エッ
チングができることが明らかになった。そしてこのこと
から、絶縁物に対しても効率良くエッチングが行えるこ
とが明らかになった。

【００３８】「実施例２」本実施例では、セラミックス
基板表面に電極薄膜を設けた場合のエッチングを試みた
例を示す。本実施例においては、被加工物となる基板材
料としては純度99.5％のアルミナ基板を用いた。電極薄
膜の設置方法は実施例１と同様である。上記アルミナ基
板に対し、実施例１と同様の実験条件にて該アルミナ基
板のエッチングを行った。その結果、電極薄膜の設置に
よる帯電現象の除去によって、０．２９μｍ／ｍｉｎと
いうエッチング速度にて、エッチングが可能であった。
本実施例の結果、実施例１で用いた図２に示すプラズマ
発生装置による各種絶縁物へのエッチング処理が可能で
ある事が明らかになった。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように、接地された電極を被
加工物の表面に設けると、対象材料の電気抵抗値に関わ
らず、大気圧におけるプラズマ発生装置を用いて、安定
したエッチング作用を得られることが確認された。そし
て大掛かりな真空排気装置を必要としない装置で効率良
くエッチングを行うことができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ発生装置の概略図を示す。

【図２】本発明のプラズマ発生装置の実施例を示す。

【図３】実施例の装置における電極薄膜周辺の模式図を
示す。

【図４】基板材料の抵抗値に対する、電極薄膜が存在す
るときのＣＦ₄／ヘリウムプラズマによるシリコン基板
表面のエッチング深さのグラフを示す。

【図５】基板材料の抵抗値に対する、電極薄膜が存在し
ないときのＣＦ₄／ヘリウムプラズマによるシリコン基
板表面のエッチング深さのグラフを示す。

【符号の説明】

１基板２基板ホルダー１１中心導体１２外部導体１３円筒状絶縁体１４高周波電源１５放電空間１６流量制御器１７ボンベ１８電極薄膜２０ガス導入口２１ＭＨＶ同軸接栓２２テフロン性絶縁体２３匡体２４Ｏリング２５締めつけ治具２６締めつけ治具２７テフロン性絶縁体２８匡体２９外側導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者林茂則神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者宮永昭治神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内 (72)発明者山崎舜平神奈川県厚木市長谷398番地株式会社半導体エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同心円筒状に構成された外側電極並びに内
側電極と、前記外側電極と内側電極の隙間に外側電極に
接して設けられた円筒状絶縁体とを有するエッチング装
置であって、前記エッチング装置において、エッチングさせる被加工
物表面の電位を接地電位とするために前記被加工物表面
を接地させる構成を有することを特徴とするエッチング
装置。
【請求項２】大気圧に保持されたハロゲン元素が添加さ
れたヘリウムを主成分とする気体に電磁エネルギーを加
えプラズマを形成し、該プラズマを用いることにより、
被加工物表面をエッチングするエッチング方法であっ
て、前記被加工物表面を接地電位に保持するために前記被加
工物表面には接地電極が設けられていることを特徴とす
るエッチング方法
【請求項３】請求項２において、接地電極は、被加工物
表面の一部に導電性薄膜を堆積することによって形成さ
れることを特徴とするエッチング方法。
【請求項４】大気圧に保持されたハロゲン元素が添加さ
れたヘリウムを主成分とする気体に電磁エネルギーを加
えプラズマを形成し、該プラズマを用いることにより、
被加工物表面をエッチングするエッチング方法であっ
て、前記被加工物表面に帯電する電荷を逃がすために、前記
被加工物表面の一部に導電膜を形成しエッチングを行う
ことを特徴とするエッチング方法