JPH0831449B2 - 閉込められたプラズマエッチングを使用する材料除去装置 - Google Patents

閉込められたプラズマエッチングを使用する材料除去装置

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JPH0831449B2
JPH0831449B2 JP4333308A JP33330892A JPH0831449B2 JP H0831449 B2 JPH0831449 B2 JP H0831449B2 JP 4333308 A JP4333308 A JP 4333308A JP 33330892 A JP33330892 A JP 33330892A JP H0831449 B2 JPH0831449 B2 JP H0831449B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、無線周波数(RF)で
励起されたプラズマを閉込める方法および装置に関し、
特に基体表面の不均一性が修正されることができるRF
励起プラズマをエッチング可能な基体の局部化された十
分に限定された領域に閉込める方法および装置に関す
る。本発明は非常に正確に基体表面を成形する手段を提
供し、特に薄い均一な基体層を形成するのに適してい
る。
【0002】
【従来の技術】基体の表面を成形する、特に絶縁体上の
シリコン(SOI)のような表面および薄膜を薄くし成
形する通常のプロセスはしばしば機械的研磨、スパッタ
リング、砂吹き、およびイオンビーム衝撃のような方法
を用いる。これらの各従来技術は普通本質的な処理制限
を有する。薄化、研磨、および平坦化のような化学機械
プロセスはサブ表面が基体に損傷を与えることができる
汚染物を残す接触方法である。プラズマ補助の化学エッ
チング方法はそのようなプラズマ方法が非接触であるの
でサブ表面の損傷の可能性を減少する点において化学機
械薄化のような従来の方法に対して改良された。さら
に、化学機械方法は薄膜の厚さプロファイルを修正する
能力に制限がある。なぜなら薄膜プロファイルを変化す
る能力は下に位置する表面の平坦化によって定められる
からである。一方、本発明のプラズマ方法は基体と接触
することなく測定された薄膜の厚さに依存して材料を局
部的に取除くことができる。したがってプラズマエッチ
ング方法のような非接触エッチング方法は基体のサブ表
面損傷の可能性を減少する。
【0003】光学成形に対して、プラズマ補助化学エッ
チング方法は非球面表面が球面表面と同様に容易に成形
されることができる点において通常の機械的方法より優
れている。すなわち、除去速度は速いので、成形並びに
最終成形エラー補正は容易に行われることができ、材料
除去は非接触であり、サブ表面に損傷を与えず、表面の
粗さは材料除去によって滑らかにされる。プラズマ補助
化学エッチングによる形成方法、特に光学素子の成形に
ついては米国特許4,668,366 号明細書に開示されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この特許明細書では平
行板のRF駆動反応装置の電極に対して処理するために
表面に取付けることによって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。
それに開示された方法はRF電界が存在する室を通って
反応性ガスを通過させ、処理されるべき表面上の比較的
小さい表面面積の電極を移動することによって表面の異
なる区域の除去速度を制御する。小さい電極が各領域に
費やす時間はその領域の表面のエッチングに影響を与え
る。しかしながら、後述するように、この明細書に記載
された装置および方法は材料除去フットプリントのプロ
ファイルまたは形状を正確に制御する手段に欠けてい
る。そのような手段は表面の正確なエラー補正が所望な
ときに必要である。本発明は材料除去フットプリントの
プロファイルを制御する手段を提供する。本発明の目的
は、RF励起プラズマを十分に限定された領域に閉込め
る手段を提供することである。本発明の別の目的は、基
体表面上で正確に走査可能な非接触材料除去ツールを提
供することである。本発明の別の目的は、サブ表面に損
傷を与えないようにエッチング処理方法の特性を制御す
る手段を提供することである。本発明の別の目的は、光
学素子成形に対する手段を提供することである。本発明
の別の目的は、薄膜の厚さプロファイルを薄くして制御
する手段を提供することである。本発明の別の目的は、
基体表面を正確に平滑にする手段を提供することであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、高周波(R
F)励起プラズマを局部的に十分に限定された基体の領
域に正確に閉込めることによって表面を成形し薄くする
プラズマエッチングを利用した材料除去装置に関する。
本発明は、反応装置を具備し、基体の表面上で閉込めら
れたプラズマ補助化学エッチング反応を行う材料除去装
置において、容器と、この容器内に配置され、基体の局
部的な領域に対して局部プラズマエッチング反応を行う
ためにプラズマ室空洞を限定する第1の誘電体絶縁体
と、反応ガス流をプラズマ室空洞に供給する手段と、プ
ラズマをプラズマ室空洞内に発生させるために高周波パ
ワーをプラズマ室空洞内の反応ガスに供給する手段と、
容器内に配置され、第1の誘電体絶縁体の外周を囲んで
いる第2の誘電体絶縁体と、基体を支持する手段と、基
体の表面に対するプラズマ室空洞の位置を調節する手段
とを具備し、第2の誘電体絶縁体は、プラズマ室空洞の
外側におけるプラズマの消滅を促進するように第1の誘
電体絶縁体から外側に基体表面に近接して延在し、局部
プラズマエッチングが行われる位置に隣接する領域にお
いてプラズマ密度が高くなり反応ガス流の伝導が低下す
るように第1の誘電体絶縁体の基体に面した端部は基体
表面に面した第2の誘電体絶縁体の表面より基体の方向
に予め定められた距離だけ突出していることを特徴とす
る。このような構成によって、プラズマ放出手段は基体
と物理的に接触されることがなく、プラズマエッチング
によって基体材料の除去は高速度で行われることがで
き、基体材料除去速度および空間的除去形状は十分に予
測した状態で制御されることが可能であり、閉込められ
たプラズマは基体の表面全体にわたって移動することが
できる。
【0006】RF励起プラズマの正確な閉込めは、電界
の供給領域を制限し、所定のピークRF電界が局部的に
のみプラズマ絶縁破壊を可能にする領域に対する反応ガ
ス圧力を制限し、放電を支持する電子の拡散が局部的に
制限されるように反応ガスの構成要素を選択して、放電
が固体絶縁体によって所望でない領域を満たすことによ
って行われる。
【0007】反復可能なエッチング速度、空間的分布、
および本発明のRF励起プラズマの正確な閉込めの本発
明の特徴の生成は光学成形装置、薄膜の厚さプロファイ
ル加工装置、または正確な平坦または平滑化装置として
使用される有用な非接触材料除去ツールを提供する。本
発明は通常の方法によって製造されることが困難である
非球面表面を含む高品質の光学表面を成形する手段を提
供する。本発明はまた絶縁体上のシリコン(SOI)ウ
エハおよび構造を製造する手段および、半導体装置製造
用の均一で、平滑で、且つ損傷のない基体を処理する手
段を提供する。
【0008】
【実施例】本発明はエッチング可能な基体の表面を成形
する非接触エッチング可能な材料除去ツールを提供す
る。図1を参照すると、基体上のプラズマエッチング領
域を閉込める装置は反応ガスを基体の表面上のRF電界
が供給される領域に移送するように設計されている反応
装置10を具備する。所望の結果を得るために、反応装置
10は第1の誘電体絶縁体16によって限定された壁15およ
び反応ガス拡散器20によって限定された天井18を備える
プラズマ室14を有する。プラズマ室14はエッチング反応
の中心であるので、第1の誘電体絶縁体16は汚染されて
いない材料でなければならない。室14の上方において、
RF駆動電極22が拡散器18と第1の誘電体絶縁体16の間
に固定されている。第1の誘電体絶縁体16の中心を通る
反応ガス供給管24はエッチング動作中にプラズマ室14内
において反応ガスを拡散器20に供給する。RF入力導電
体26はRF駆動電極22をRF電界電源に接続する。第2
の誘電体絶縁体28は第1の誘電体絶縁体16を包囲し、基
体12を実質上被覆し、室14の外側にプラズマを形成しな
いように十分な寸法で構成されている。反応装置10の構
成素子は基部34から中間天井36に延在する第1の組の壁
32および上部天井フランジ40に延在する第2の組の壁38
から構成されている真空容器30内に収容されている。
【0009】動作中、真空は真空容器30の底部における
真空出口42を通って排気することによって得られる。エ
ッチング中プラズマ室14の下方に隣接して位置されたエ
ッチング可能な基体12は好ましくは接地に電位を有する
第2の電極としても作用する基体ホルダ44によって支持
される。
【0010】基体ホルダ44は基体12の表面上での局部化
されたエッチング反応の正確な配置を可能にするX−Y
位置設定テーブル46に取付けられる。反応装置10はプラ
ズマ室14と基体12の表面の間の距離を調節する手段48を
有する。反応装置10はまた基体12の表面に関してプラズ
マ室14の終端端部52の角度を調節する手段50を有する。
上述の実施例は基体12の表面に関してプラズマ室14を配
置する手段を設けているが、プラズマ室組立体を永久的
に固定し、基体を多次元に位置させるような他の変形は
容易に置換されることができる。
【0011】真空容器36の天井フランジ40と第2の誘電
体絶縁体28の間に取付けられたベローズ54は反応装置10
を真空密閉する手段を形成し、プラズマ室14は反応装置
10内の相対的運動を許容する。複数の観測ポート56は反
応装置10の観測のために設けられる。
【0012】プラズマ補助化学エッチング反応装置10の
基本エッチング動作はZarowin 氏の上記米国特許4,668,
366 号明細書に記載されている。しかしながら、この特
許明細書では、材料除去のプロファイルが制御されるこ
とのできるプラズマを基体の表面に局部的に閉込める手
段が開示されていない。
【0013】本発明による局部領域へのプラズマエッチ
ングの閉込めは、RF電界適用の領域を制限し、所定の
ピークRF電界が局部のみのプラズマ絶縁破壊を可能に
する領域に対して反応ガス圧力を制限し、放電を支持す
る電子の拡散が局部的に制限されるように反応ガスの成
分を選択し、放電が所望でないときはいつでも固体絶縁
体によって反応装置容量を満たすことによって行われる
ことができる。図1に示された反応装置10は1つ以上の
これらの異なる閉込め技術を用いるように設計されてい
る。
【0014】RF電界制限によるプラズマエッチング領
域の閉込めはRFエネルギを絶縁容器によって十分に包
囲された領域に供給することによって確立される。図1
を参照すると、絶縁容器は、基体12に対する“エラー”
補正に必要な閉込められたプラズマ除去ツールの寸法の
エッチング表面特性に接近して配置されるとき開口を有
するように構成されたプラズマ室14である。プラズマを
発生するために、プラズマ室14の深さはデバイ長よりも
かなり長くなければならない。本発明によって調査され
たプラズマ方式は1mm程度のデバイ長を有する。エッ
チング動作中に、プラズマ室14の終端端部52と基体12の
間にギャップが維持される。プラズマ室14の終端端部52
は基体12と接触しない。実際、ギャップは0.25乃至
10mmの間で変化することができる。
【0015】電界の別の制限はRF駆動電極22およびR
F駆動拡散器20の寸法を適度に制限することによって行
うことができる。プラズマ室14の直径にほぼ等しい直径
を有する小さい電極の使用はプラズマエッチングが行わ
れる表面において閉込められた強力な局部プラズマを有
効に達成する。電極22の寸法または導電延在部を制限す
ることは重要であるので、電極はプラズマ室壁15を越え
て延在しない。電極22の下方に隣接して位置されたRF
駆動ガス拡散器20はまた壁15の下方に延在しないように
寸法が制限されている。なぜなら、拡散器は導電性で多
孔性である材料から構成されているからであり、拡散器
はRF回路の1部分であるからである。拡散器は2つの
機能を有する。第1は、反応ガスをプラズマ室に拡散す
る機能であり、第2は、RF電極の延長部としてRF励
起電界をプラズマ室14の内部に与える機能である。特
に、多孔性炭化ケイ素および黒鉛電極は拡散器材料とし
て成功的に用いられる。
【0016】プラズマ室14の寸法を適度に定めて、RF
電極22および拡散器20の寸法を制限するほかに、RF電
界は付加的な誘電体材料の使用によって制限されること
ができる。プラズマ室14の壁15として使用された第1の
誘電体絶縁体16に加えて、第2の誘電体絶縁体28は反応
装置10内に配置されるので、第1の誘電体絶縁体16を包
囲し、基体12の表面全体を本質的にカバーする。第2の
誘電体絶縁体28は主としてプラズマ放電が固体絶縁体に
よって望ましくない領域内の反応装置容量を満たす。第
2の絶縁体28によって反応装置10内を満たすこの容量は
2つの効果がある。第1に、絶縁体はプラズマ放電が所
望でない領域、すなわち局部プラズマエッチング領域の
フットプリントに隣接する領域から反応ガスを除去する
ことである。第2に、絶縁体はエッチング通路(RF駆
動電極22と、局部プラズマ領域における基体12と、基体
保持電極44の間の通路)に関係する全ての導電表面への
非常に高いインピーダンス通路を与えることである。し
たがって、エッチングが所望であるRF電界およびプラ
ズマの適用領域を制限する。この局部的なプラズマ発生
は除去ツールのフットプリントが正確であることを保証
する。
【0017】本発明の好ましい実施例においてプラズマ
室は0.5インチの直径を有する。しかしながら、プラ
ズマ室の直径は所望のエラー補正を行うのに必要な除去
ツールのフットプリントに適応するように変化されるこ
とができる。
【0018】プラズマエッチング領域はまたRF電界が
局部のみのプラズマ破壊を許容する領域に反応ガス圧力
を制限することによって局部的に閉込められることがで
きる。これは反応ガスを反応ガス供給管24に供給するこ
とによって達成されることができる。反応ガス供給管24
は拡散器20によって反応ガスをプラズマ室14の内部に直
接送る。反応ガスはプラズマ室14の終端端部52と基体表
面の間の開口によって限定された高流量インピーダンス
領域を通ってプラズマ室およびエッチング位置を出て、
低流量インピーダンス領域39に流れる。低流量インピー
ダンス領域39は真空ポンプ(図示せず)によって排気さ
れるので、プラズマ室14の外側の圧力は室内の圧力より
もずっと低い。RF放電が開始された後、プラズマ領域
は低インピーダンス通路が設けられているので、フット
プリントの領域の外側でのエッチング反応が阻止され
る。
【0019】反応ガスの成分を注意深く選択することに
よって、放電を支持する電子の拡散は局部的に制限さ
れ、エッチング領域をさらに閉込めることができる。負
電荷の大きいガスは負電荷の少ないガスよりもさらに急
速に自由電子に付着する。負電荷の大きいガスの使用は
エッチングに利用される自由電子の数および移動度を減
少させるので、その平均エネルギを減少させ、プラズマ
室14の外側の反応の可能性を減少させる。
【0020】前に述べられたように、プラズマ室14と基
体12の間のギャップは幾つかの手段によって変化される
ことができる。多くの適用に対して、プラズマデバイ
長、すなわちプラズマを室領域の外側に拡散することを
阻止する長さよりも少ないギャップを維持することは不
可能である。したがって、非常に負電荷の大きい反応ガ
スを使用することによって、プラズマは高いエッチング
速度に対して閉込められ、ギャップはデバイ長(約2m
m)よりも長い。ある適用において、少数パーセント
(約5%)の負電荷ガスは十分に閉込められたプラズマ
を与えるのに十分である。6フッ化硫黄および3フッ化
窒素は十分な負電荷を有する既知の負電荷ガスであり、
プラズマエッチング領域を閉込めるのに有用である。
【0021】したがって、プラズマエッチング領域を閉
込める上述の原理を適用することによって、制御された
局部エッチングを使用することができ、局部化されたプ
ラズマ材料除去によって基体表面に対してプログラムさ
れた補正を行うことができる。プログラムされた補正は
プラズマ室14の下の補正されるべき基体領域の位置を移
動することによって行われる。プラズマ室に関して直交
方向の基体12の移動はそれに応じてX−Y位置設定テー
ブル46を移動することによって行われる。図2の(a)
乃至(c)を参照すると、プラズマエッチング材料除去
プロファイルはプラズマ室14と基体12の間のギャップを
変化することによって変化されることができる。ギャッ
プが例えば0.5mmのように小さいとき、プロファイ
ルはフロアに垂直方向に延在する縁部を有する傾向があ
る。縁部がフロアに接続される点においてプロファイル
の湾曲の半径はプラズマの物理的制限によりデバイ長程
度よりも少なくすることはできない。ギャップは例えば
3mmのように大きいとき、より大きいガウス状プロフ
ァイルを維持することができる。図3を参照すると、所
定のプラズマパラメータ(反応RF周波数、RFパワ
ー、圧力、および反応ガス成分)および所定のギャップ
のセットに対して、材料除去プロファイルは制御可能で
あり、反復できる。
【0022】したがって、本発明は基体を正確に成形す
る手段を提供することが認識されることができる。本発
明は通常の方法によって製造されることが困難である非
球面表面に理想的に適応される。本発明はさらにSOI
ウエハおよび構造を製造し、種々の型式の半導体装置製
造用の均一の、薄い、平坦な、滑らかな、且つ損傷のな
い結晶基体を処理する新しい手段を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラズマエッチング領域を基体の局部領域に閉
込めることが可能な反応装置の概略図。
【図2】基体とプラズマ室の間のギャップがプラズマシ
ース幅より大きいとき、およびそれにほぼ等しいとき、
並びにそれより小さいときにそれぞれ形成されたエッチ
ングのプロファイルを示すグラフ。
【図3】異なるプラズマエッチング特性が本発明によっ
て使用されるときのエッチングプロファイルの比較を示
すグラフ。
【符号の説明】
10…反応装置、12…基体、14…プラズマ室、16,28 …誘
電体絶縁体、20…拡散器、30…容器、46…X−Y位置設
定テーブル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−212253(JP,A) 特開 平4−242924(JP,A)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応装置を具備し、基体の表面上で閉込
    められたプラズマ補助化学エッチング反応を行う材料除
    装置において、容器と、 この容器内に配置され、基体の局部的な領域に対して局
    部プラズマエッチング反応を行うために プラズマ室空洞
    を限定する第1の誘電体絶縁体と、 反応ガス流をプラズマ室空洞に供給する手段と、 プラズマをプラズマ室空洞内に発生させるために高周波
    パワーをプラズマ室空洞内の反応ガスに供給する手段
    と、 前記容器内に配置され、前記プラズマ室空洞を限定する
    第1の誘電体絶縁体の外周を囲んでいる第2の誘電体絶
    縁体と、 基体を支持する手段と、 基体の表面に対する 前記プラズマ室空洞の位置を調節す
    る手段とを具備し、 前記第2の誘電体絶縁体は、前記プラズマ室空洞の外側
    におけるプラズマの消滅を促進するように前記第1の誘
    電体絶縁体から外側に基体表面に近接して延在し、 局部プラズマエッチングが行われる位置に隣接する領域
    においてプラズマ密度が高くなり反応ガス流の伝導が低
    下するように前記第1の誘電体絶縁体の基体に面した端
    部は基体表面に面した前記第2の誘電体絶縁体の表面よ
    り基体の方向に予め定められた距離だけ突出している
    とを特徴とする材料除去装置
  2. 【請求項2】 高周波パワーを供給する手段は、プラズ
    マ室空洞内に配置された第1の電極と、導電性のガス拡
    散器と、プラズマ室空洞の外に位置された第2の電極
    とを含み、基体は高周波パワーをプラズマ室空洞内の反
    応ガスに供給する電気回路を完成する第1の電極と第2
    の電極との間に配置されている請求項1記載の材料除去
    装置
  3. 【請求項3】 前記第1の電極上面は前記プラズマ室
    空洞の天井表面と接触し、前記導電性のガス拡散器
    は前記第1の電極の面と接触している請求項記載
    の材料除去装置
  4. 【請求項4】 前記第1の電極の上面およびほぼ
    同じ面積であり、前 記プラズマ室空洞の天井の形状とほ
    同一の平坦な形状を有している請求項3記載の材料除
    装置
  5. 【請求項5】 前記導電性のガス拡散器の上面および下
    面はほぼ同じ面積であり、前記プラズマ室空洞の天井の
    形状とほぼ同一の平面形状である請求項3記載の材料除
    去装置。
  6. 【請求項6】 前記第2の電極は実質上接地電位に保持
    されている請求項2記載の材料除去装置
  7. 【請求項7】 前記導電性のガス拡散器は多孔性シリコ
    ンカーバイドで構成されている請求項2記載の材料除去
    装置。
  8. 【請求項8】 前記導電性のガス拡散器はグラファイト
    で構成されている請求項2記載の材料除去装置。
  9. 【請求項9】 前記基体の表面に対する前記プラズマ室
    空洞の位置を調節する手段は直交方向に位置を調節する
    X−Y位置設定テーブルである請求項1記載の材料除去
    装置
  10. 【請求項10】 前記容器は反応生成物および過剰な反
    応ガスを除去するために容器を排気して真空にする手段
    を備えている請求項1記載の材料除去装置。
  11. 【請求項11】 反応装置を具備し、基体の表面上で
    込められたプラズマ補助化学エッチング反応を行う材料
    除去装置において、 容器内の環境の温度および圧力を制御する手段を含む局
    部プラズマエッチング反応を行う容器手段と、容器内に配置され、 基体の局部化された領域に対して
    部プラズマエッチング反応を行うためのプラズマ室空洞
    を限定する第1の誘電体絶縁体と、 ガス拡散器を含み、反応ガス流をプラズマ室空洞に供給
    する手段と、プラズマを発生するために高周波 パワーをプラズマ室空
    洞内の反応ガスに供給する手段であって、プラズマ室空
    洞内に配置された第1の電極と、導電性のガス拡散器
    と、およびプラズマ室空洞の外に配置された第2の電
    極とを具備している高周波パワー供給手段と、 前記 容器内に配置され、第1の誘電体絶縁体を囲んで配
    置された第2の誘電体絶縁体と、 基体を支持する手段と、 プラズマ室に関して直交方向に前記基体表面の位置を調
    節するX−Y位置設定テーブル手段とを具備し、 基体は高周波パワーをプラズマ室空洞内の反応ガスに供
    給する電気回路を完成する第1の電極と第2の電極の間
    に配置され、 前記第2の誘電体絶縁体はプラズマ室空洞の外側のプラ
    ズマの消滅を促進にするために第1の誘電体絶縁体の外
    側に延在し、プラズマエッチングが生じる領域に隣接す
    る周辺位置においてプラズマ密度が高く、かつ反応ガス
    流に対するインピーダンスが高い領域を生成してその外
    側のプラズマが消滅されるように第1の誘電体絶縁体よ
    りも短い距離だけ基体表面に向かって下方に延在してい
    ることを特徴とする材料除去装置。
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