JPH0581674B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、プラズマ・エツチングや反応性イオ
ン・エツチング（RIE）の装置と、熱伝導率の低
い基板、特に同装置を用いたプラスチツク基板の
エツチング法に関する。

Ｂ 従来技術 この数年間で、半導体基板、誘電材料、プラス
チツク基板のエツチングは、湿式化学処理から、
いわゆるドライ・エツチングあるいはプラブマ・
エツチングに変わつてきた。このような“ドラ
イ”プロセスすなわち真空中で行われるプロセス
は（何よりも半導体製造技術で用いられるが、プ
ラスチツク材料の処理にも応用される）精密な温
度制御を要する。ここから、たとえばPE（プラブ
マ・エツチング）、RIE（反応性イオン・エツチン
グ）、ECR（電子サイクロトロン共鳴プラブマ・
エツチング）、MRIE（磁気抑制反応性イオン・エ
ツチング）、光エツチングなどのエツチング工程
では、エツチング対象の基板またはフオトレジス
トなどの基板上の膜を損なわないよう冷却が必要
である。

そこで、基板のホルダは一般に水や特殊オイル
などの液体の捕捉（scavenging）されて常温ま
で過熱される。基板と基板ホルダの伝熱はしかし
その間隙によつて妨げられる。ここから、これを
改善する方法に関して多数の提案がなされてい
る。たとえば米国特許第4282924号はイオン注入
装置について述べている。ここで基板はほぼ凸部
をなすよう曲げられた基板ホルダの表面に、リン
グまたはクランプによつて押し付けられ、基板と
基板ホルダ（この間を冷却液が流れる）の伝熱
は、エラストマの薄い中間層によつて改善され
る。米国特許第4399016号は基板ホルダについて
説明している。ここで基板との接触は、電気的に
絶縁された基板と基板ホルダの間の静電気によつ
て基板が固着されることで改善される。伝熱も、
基板と基板ホルダの間隙を液体金属で埋めること
で改善することができる（米国特許第4129881
号）。

真空処理のとき、材料は、半導体ウエハなど処
理される材料と基板ホルダの間に熱伝導率の高い
ガスを導入することでもつともよく冷却される。
ガスとしては窒素、ネオン、水素、特にヘリウム
が適している（米国特許第4514636号その他）。半
導体ウエハと基板ホルダの間で効果的な伝熱が保
証されるのは、ガスの静圧が約1.33ないし約
13.3mbar（約1.33mbarが望ましい）の範囲に維持
される場合だけである。この場合は、処理対象の
基板を機械的にか静電気的に液体冷却式の基板ホ
ルダに固定し、反応室と隔離する必要がある。製
造後の状態に大きい影響を与えうる伝熱性のガス
の侵入を防ぐためである。

上記の装置、方法は、簡単に固定でき、反応室
から隔離できる機械的に安定な基板を要する。こ
のような場合、伝熱は材料の熱コンダクタンスま
たはガスの対流によつて影響を受け、冷却の均一
性は、基板ホルダで基板をどう支持しているか、
および伝熱性ガスの均質性や圧力によつて異な
る。基板全体が基板ホルダ上で支持されるのは、
ほんの数例の特殊な場合だけであろう。通常の支
持手段は多点式であり、これは、エツチング速度
が、たとえばプラブマや反応性イオンのエツチン
グ中に温度に依存しないか、あるいはエツチング
対象の基板の熱伝導率が非常に高く、基板温度が
一定に保たれる場合には問題ない。

しかしエツチング速度が温度に大きく依存する
基板材料がある。これは特にプラスチツク基板の
場合に顕著である。プラスチツク基板は熱伝導率
の低いことが多く、先に引用した従来法で述べら
れているように基板が固定、冷却される場合はエ
ツチング速度がかなり不規則になることがある。
ここから、たとえばポリオキシメチレンのホモポ
リマまたはコポリマの基板を反応性イオン・エツ
チングで処理する際に、基板表面の数平方センチ
メートル内で２倍以上異なるエツチング速度が検
出され、歩留りが低下した例がある。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、熱伝導率の低い基板、特にプ
ラスチツク基板を加熱して表面全体で均一な処理
が可能なプラブマや反応性イオンのエツチング装
置を提供することにある。

本発明はまた上記の装置に応用される方法にも
関する。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明は、熱伝導率が低く、エツチング速度の
均一性が高い基板をエツチングする真空装置に関
し、エツチングされる基板３３は、RFエネルギ
ーが印加される陰極３１から一定の距離にあるホ
ルダ３５，３６に置かれる。本発明の実施例によ
り、陰極は、基板の底面との間隔が約0.2mm以内
のエツチング対象の基板の領域まで持ち上げられ
る。陰極はアルミニウム製で、エツチングされる
基板の領域中に、黒体（放射体）として働く層３
２を持つ。RIE中の熱は放射によつて除去され、
陰極から基板への放射は層３２によつて吸収され
る。本発明はまた、熱伝導率の低い基板、特にプ
ラスチツク基板をエツチングする方法にも関係す
る。

Ｅ 実施例 プラズマ・エツチングまたは反応性イオン・エ
ツチングの工程では、基板は、平行板の反応室で
低温に保たれた陰極に置かれ、この装置は通常、
プラズマ・エツチングでは接地され、反応性イオ
ン・エツチングでは電圧が印加される。使用圧力
は約100ないし約10^-3mbarで、反応性イオン・エ
ツチングでは約10^-2ないし約10^-3mbarである。
それぞれの圧力は真空ポンプの容量によつて制御
され、プロセス・ガスの総流量は約３ないし約
300sccmが代表的である。プロセス・ガスは電気
的または光学的に活性化される。電気的活性化
は、単相直流または２相交流の低温プラブマ放電
によつて得られ、一方、光学的活性化は、たとえ
ばレーザ・ビームや紫外線によつて得られる。イ
オン、基、原子、分子などの活性化した粒子が処
理対象の基板に衝突すると、相当のエネルギー束
が基板に誘起され、基板はこれによつて加熱され
る。このとき、上述のように基板ホルダの温度を
制御することでこれを確認する必要がある。

本発明の方法を、面平行なポリマ板である微小
な機械要素や、反応性イオン・エツチングによつ
てこの中に形成されるスルーホールを、任意の形
状に製造する方法とあわせて説明する。この方法
は、欧州特許第87104580.3号の主題をなすもので
ある。先行技術であるこの特許の方法で製造さ
れ、円形の細長い孔を持つポリオキシメチレンの
ホモポリマまたはコポリマの面平行板は、多層セ
ラミツク基板を対象としたテスト・ヘツドのワイ
ヤ・ガイドという概念に好んで用いられる。この
種のテスト・ヘツドは、欧州特許第87104577.9号
の主題となつている。

欧州特許第87104580.3号に述べられている方法
は、反応性イオン・エツチングによつて厚みが約
１mm、直径が約２ないし約５cmのポリオキシメチ
レン板（Dupont de Nemours製で商標は
Delrin）に形成されるスルーホール（第４図の４
１）を対象としている。このために、開口４３を
持つフオトレジスト・マスク４２で狭まれた基板
４４が、Leybold−Heraeus VZK550Aなどの
RIE装置に導入される。スルーホール４１は、最
初に前面から反応性イオンによつてエツチングさ
れてDelfin基板４４になり、次に、試料が反転さ
れた後、後面から基板厚の約2/3の深さまでエツ
チングされる。この２箇所のエツチング領域が中
心部で重なると、高品質のスルーホールすなわち
厳密に垂直であつて、前面と後面で入口孔と出口
孔の位置公差にすぐれる開口をエツチングするこ
とができる。

RIEは、必要な場合アルゴンを50％含み、ガス
流量が約５ないし約100sccm、圧力が約１ないし
約50μbar、、単相直流バイアスが約200ないし約
900Vという条件の酸素プラブマ中で、所要のエ
ツチング深さが得られるまで実施される。上記の
RIE装置のパラメータは次のとおりである。

圧力：10μbar ガス流量：30sccm（酸素）、12sccm（アルゴン） HF振幅：900V 単相直流バイアス：890V 基板温度：70℃ エツチング速度：1.25μm／分 前述のとおり、プラスチツク基板は一般に熱伝
導率が低い。たとえばプラスチツク材料Delrinは
熱伝導率が約0.3ワツト／mx℃、熱膨張係数が約
110x10^-6／℃である。シリコン・ウエハの熱伝導
率は約157ワツト／mx℃、熱膨張係数は約
2.33x10^-6／℃である。

Delrinは、熱伝導率が低いことに加え、エツチ
ング速度が温度に大きく依存する。したがつて基
板は、RIE中に常温まで均一に加熱されるように
効果的に冷却することが大切である。ただし
Delrin基板は、前記の従来法に述べられているよ
うに陰極に固定する必要はない。Delrinは膨張係
数が高いため、Delrin基板の平坦度は、たとえば
シリコン・ウエハに比べると保証されなくなるか
らである。

熱伝導率の低い基板すなわちプラスチツク基板
の熱コンダクタンスによる冷却という問題をなく
すため、本発明が扱う基板は、発生する熱が放射
によつてほぼ排除されるよう、これに適した陰極
に固定される。このため、基板は、陰極と所定の
間隔をあけて配置し、張力を与えずに固定しなけ
ればならない。RIE工程の圧力範囲は約10^-2ない
し約10^-3mbarであり、ガスの対流による冷却が
有効になるのはガスの圧力が約1.33mbarのとき
だけであるから、ガス対流による熱の排除はほぼ
無視できる（米国特許第4514636号およびG.
Fortuno他“反応性イオン・エツチング時のウエ
ハ冷却用静電ウエハホルダ”
（ELECTROSTATIC WAFER HOLDER FOR
WAFER COOLING DURING REACTIVE
ION ETCHING）、IBM TDB 1988年６月
Vol.31、No.１、462−464ページを参照のこと）。

第１図ないし第３図は、RIE中に基板が陰極の
上に所定間隔で配置される装置と２種類の陰極を
示す。第１図は、RIE装置１および、真空ポンプ
との接続用コネクタ３とプロセス・ガスが導入さ
れる入口４からなり、真空受容器である処理室２
を示す。処理室２はまた、陰極６に電気エネルギ
ーを与えるエネルギー源５を持つ。陰極６の後面
は接地されたスクリーン８で囲まれ、処理室２の
壁面は接地された陽極７で形成される。エツチン
グされる基板９は、陰極６の上に所定間隔をあけ
てホルダ内に置かれる。この他の詳細は第２図と
第３図に示した。

第２図は、２つのセラミツク・ホルダ２５，２
６に狭まれたエツチング対象のDelrin基板を示
す。セラミツク・ホルダは、熱伝導率の低いスペ
ーサ２４によつて陰極に押し付けられる。Delrin
基板が加熱時に膨張できるよう、ホルダの両側に
空隙２７が設けられる。陰極２１はアルミニウム
で、表面には、この場合は陽極酸化層である黒体
２２を持つ。この黒体の陽極酸化面は、RIE時に
吸収材として働き、抵抗が大きいため特に効果が
ある。基板と陰極の間隔は図の構造では約0.5mm
である。

基板温度は、どのような試験においても高温計
によつて測られる。

一般に用いられるような基板が陰極と直接接触
するよう配置される場合、ある一定のプラブマ電
位（たとえば約660V RF）と、陰極に対するコ
ンダクタンスによつて基板に生じる熱の排除によ
り、基板温度は約40℃になる。

別の試験で基板は、約３mmの間隔で配置され、
陰極から“浮いた”ようになる。陰極の表面に黒
体は加えられない。プラブマ電位が同じなら、基
板の最終温度は約93℃になる。これは、基板が水
晶の２つのスペーサによつてほぼ支持され、熱が
ほんのわずかしか陰極に伝わらず、プラブマによ
る基板の熱のほとんどが放射によつて排除される
からである。この構造では基板温度がかなり高く
なるのが欠点であろうが、基板が陰極上で直接支
持される構造に代わるものとして受け入れる必要
がある。このような構造では、熱伝導率の低い基
板の場合、温度分布がはるかに均一となり、よつ
てエツチング速度の安定性が改善されることが大
きな利点となる。

測定結果が示すように、上記の基板ホルダを用
いると、基板からアルミニウムの陰極へ放射され
る熱はこのアルミニウム面で大部分が反射され
る。その結果、基板は再び加熱される。アルミニ
ウム面に黒体に塗布するか、前記の面を陽極酸化
する（第２図）ことにより、この放射を吸収する
ことができ、基板温度を約93℃から約70℃に下げ
ることができる。基板と陰極の間隔は約0.5mmで
ある。温度とエツチング速度の均一性の面では、
第２図に示した陰極構造は非常に好ましい。ただ
し電気的な均一性が問題となるのであれば改良を
要する。すなわちRIE時にイオンが基板に対して
垂直に入射するような処置が必要である。

RIE中にイオンが陰極表面にむらなく垂直に入
射するのを保証するのは、完全に平坦な陰極表面
を無限大に拡張した場合だけである。陰極表面の
形状に不規則な部分があれば、この等電位面に反
りが生じ、基板表面と平行でなくなる。また、等
電位面は（ミクロ的には）３次元の層をなすた
め、イオンの垂直入射にむらが生じる。たとえば
第２図の構造は、暗空間の端部と陰極表面によつ
て形作られる板状コンデンサ内の非平坦誘電体と
して働く。実験から、セラミツクのホルダ２５，
２６の端部近くに位置するエツチング構造は斜め
にエツチングされることが確かめられよう。これ
は、エツチング構造をあまり深くしなければ無視
できる。一方、その構造が深いか、またはスルー
ホールのエツチングが、たとえばDelrin基板に対
して行われる場合（第４図）、斜めにエツチング
された構造は許容できないものになる。この実験
の結果は計算により確認されている。計算ではセ
ラミツクと陰極表面の間隔を0.2mm、セラミツク
保持面の厚みを0.8mm、Delrin基板の厚みを１mm
とした。誘導率はDelrinでε＝2.9、セラミツク
でε＝９とした。RIE中の暗空間のサイズは15
mm、直流電圧は500Vとした。計算から、基板セ
ラミツク端部から約４mm離隔した基板ホルダ（第
２図）内の１mm厚の基板に入射するイオンは、垂
直方向に対して約1.5゜傾斜し、これは、１mm厚の
基板では、前面と後面の孔の食い違い（stagger）
28.92μmに対応する。

斜めエツチングの影響は、第３図の構造によつ
て抑えられる。第３図は、２つのセラミツク・ホ
ルダ３５，３６で狭まれたエツチング対象の
Delrin基板３３を示す。セラミツク・ホルダは、
熱伝導率の低いスペーサ３４によつて陰極に押し
付けられる。

Delrin基板が加熱時に膨張できるようにするた
め、ホルダの両側に空隙３７が設けられる。陰極
３１はアルミニウム製である。これは第２図の構
造とは異なり、陰極表面を変えてある。エツチン
グされる基板の領域３３で陰極３１は、基板の底
面から約0.2mm以内の位置までペデスタル（台座）
の形で引き上げられる。基板の領域において陰極
の表面は黒体３２で覆われる（この場合は陽極酸
化層）。陰極をこのように設計することで、イオ
ンの垂直入射が図られ（特に基板ホルダの周辺部
において）、斜めエツチングによつて生じる誤差
は50％ほど低減する。この実験の結果も計算によ
つて確認されている。

本発明による陰極／保持手段構造を用いれば、
熱伝導率が低く、RIE時の温度に影響されやすい
基板は、どのような種類であれば均一性を高めて
エツチングすることができる。電気的な均一性に
関しては、第３図の構造が特に効果的である。エ
ツチング速度の均一性も高まるため、エツチング
工程の歩留りは、特に、Delrinのワイヤ・ガイド
のエツチングでは大幅に向上する。

Ｆ 発明の効果 上述のように、本発明は、熱伝導率の低い基板
をその表面全体にわたつて均一に加熱処理できる
プラズマ・エツチング装置または反応性イオン・
エツチング装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、反応性イオン・エツチング工程で基
板を処理する装置を示す。第２図は、第１図に応
じた陰極の構成の一部を示す。第３図は、第１図
に応じた陰極のもう一つの構成の一部を示す。第
４図は、反応性イオン・エツチング後のプラスチ
ツク基板のスルーホールを示す拡大断面図であ
る。 ６，２１……陰極、９，２３……基板、２２…
…黒体、２５，２６……セラミツク・ホルダ、２
７……空隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱伝導率の低い基板を、エツチング速度の高
   い均一性でエツチングするための真空装置１であ
   つて、 (a) プロセス・ガス用の入口４と真空ポンプ用の
   コネクタ３をもつ処理室２と、 (b) 電極６と、 (c) 対向電極７と、 (d) 上記電極にRFエネルギを印加するためのエ
   ネルギ源５と、 (e) 上記電極６上の少なくとも一つの基板ホルダ
   を具備し、 (f) 上記基板ホルダが上記電極６から所定間隔離
   隔して配置され、 (g) 上記電極には放射吸収層が設けられているこ
   とを特徴とする、 エツチング装置。