JPH1092773A - 表面処理装置及び表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異方性を必要とする微細加工にも十分に適用
可能であり、電気特性、加工形状、及び加工性能の均一
性が良好な被処理体が得られる表面処理方法を得る。 【解決手段】 微細孔から放出したプロセスガスに、光
エネルギーを与えることにより、方向性を持ったラジカ
ルビームを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセスガスをラ
ジカル化して被処理体表面に適用する表面処理装置及び
この装置を使用した表面処理方法にかかる。

【０００２】

【従来の技術】従来、ラジカルを用いたケミカルドライ
エッチングでは基板設置部から離れた放電室においてマ
イクロ波放電等によりプラズマを生成させ、そこで生成
されたラジカルを基板まで石英管などの配管を通して搬
送して表面処理を行っていた。そのため基板上ではラジ
カルの速度はあらゆる方向に向いていたため、等方的な
表面反応しか起こらず、異方性を必要とする微細加工に
は適応できなかった。

【０００３】また、異方性エッチングを行うために、反
応性イオンエッチングやＥＣＲ型ドライエッチング法で
プラズマを用いた場合、イオン衝撃による基板へのダメ
ージやチャージアップ等が発生し、素子の電気特性の不
良や加工形状の異常や加工性能の不均一性等が起きるこ
とから、実用的に問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、イオ
ン衝撃による基板へのダメージやチャージアップ等を起
すことなく、異方性を必要とする微細加工にも十分に適
用可能であり、電気特性、加工形状、及び加工性能の均
一性が良好な被処理体が得られる表面処理装置を提供す
ることにある。また、本発明の他の目的は、上述の表面
処理装置を用いた表面処理方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、真空
槽と、該真空槽に設けられ、該真空槽内にプロセスガス
を導入するための複数の開口を有するノズルとを具備
し、前記ノズル内の圧力に対する前記真空槽内の圧力は
１０^-6〜１０^-4倍であり、かつ０．１Ｐａ以下であるこ
とを特徴とする表面処理装置を提供する。

【０００６】各開口は、好ましくは、１ないし５０μｍ
の径を有する。本発明は、第２に、プロセスガスを、真
空槽内に設けられた複数の開口を有するノズルに供給
し、該ノズルから、該ノズル内の圧力の１０^-6〜１０^-4
倍であり、かつ０．１Ｐａ以下の圧力を有する真空槽へ
導入し、被処理体に適用することを特徴とする表面処理
方法を提供する。

【０００７】本発明は、第３に、プロセスガスに断熱膨
張により、並進エネルギーを与える工程、該並進エネル
ギーを与えられたプロセスガスの分子ビームを、基底状
態から励起状態に遷移させ、ラジカルビームに変換する
工程、及び該ラジカルビームを被処理体に適用し、表面
処理を行なう工程を具備する表面処理方法を提供する。

【０００８】本発明は、第４に、プロセスガスの分子
を、基底状態から励起状態に遷移させ、ラジカルに変換
する工程、該ラジカル化されたプロセスガスに断熱膨張
により、並進エネルギーを与え、ラジカルビームにせし
める工程、及び該ラジカルビームを被処理体に適用し、
表面処理を行なう工程を具備する表面処理方法を提供す
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の表面処理装置によれば、
プロセスガスはノズルの開口から高真空中へ噴出され
る。また、本発明によれば、例えば高真空中へ噴出され
ることにより、プロセスガスに断熱膨張により並進運動
エネルギーが与えられ、分子ビームが形成される。その
後、分子ビームを、例えば光エネルギーにより、基底状
態から励起状態へ遷移させることにより、ラジカルビー
ムが得られる。このラジカルビームを、被処理体に照射
し、表面処理を行なうことができる。複数の開口を有す
るノズルを使用すると、より大きな面積を有する被処理
体にも十分に適用し得る。

【００１０】また、本発明によれば、プロセスガスの分
子を、例えば加熱エネルギー等により、予め基底状態か
ら励起状態へ遷移させてラジカルとした後、ノズルの開
口から高真空中へ噴出することができる。噴出されたラ
ジカルに、断熱膨張により並進運動エネルギーが与えら
れ、ラジカルビームが得られる。このラジカルビーム
を、被処理体に照射し、表面処理を行なうことができ
る。

【００１１】このように、本発明によれば、ラジカル化
されたプロセスガスに方向性をもたせることにより、異
方性エッチングに適用し得る表面処理装置が得られる。
ラジカルを用いるケミカルドライエッチングでは、反応
性イオンエッチングやＥＣＲ型ドライエッチング法でプ
ラズマを用いた場合のように、例えばイオン衝撃による
基板へのダメージや、基板上の絶縁物のチャージアップ
等が発生しない。本発明を異方性エッチングに適用する
ことにより、電気特性、加工形状、及び加工性能の均一
性が良好な被処理体が得られる。

【００１２】さらに、本発明は、異方性エッチングのみ
ならず、薄膜堆積プロセスにも適用し得る。本発明を用
いた薄膜堆積プロセスでは、ラジカル化されたプロセス
ガスに方向性をもたせることにより、アスペクト比が高
いパターン上にもプロセスガスが入り込み、ボイドなど
の加工不良を起さない。

【００１３】また、本発明は、プロセスガスを使用する
他の表面処理例えば自然酸化膜の除去を、基底状態のガ
スを用いる方法と比較して、本発明のように、ラジカル
又は運動エネルギーの高いガスを用いることにより、効
率的に行なうができる。

【００１４】なお、開口の径は、１ないし５０μｍであ
ると、より良好な処理を行なうことができる。開口の径
は、１μｍ未満であると、ビーム強度が弱くなり、５０
μｍを越えると、真空槽内の圧力を維持し難くなり、ビ
ームにエネルギーを与えられなくなる傾向がある。

【００１５】本発明の表面処理装置には、好ましくは、
プロセスガスの分子を基底状態から励起状態へ遷移させ
てラジカルにせしめる手段がさらに設けられる。このよ
うな手段としては、例えばレーザー、ランプ等の光エネ
ルギーを用いた手段、加熱エネルギーを用いた手段等が
あげられる。

【００１６】なお、本発明に使用され得るプロセスガス
としては、例えば塩素、臭化水素、臭素、フッ素、酸
素、ＣＦ₄ ，Ｃ₄ Ｆ₈ 等のフロロカーボン系ガス、フッ
化水素、酸化ヘキサフロロプロピレン、塩化水素、三塩
化ホウ素、三フッ化塩素、及びフッ化塩素等があげられ
る。

【００１７】本発明により処理され得る被処理体として
は、例えばシリコン、酸化シリコン、ルテニウム、及び
窒化シリコン等があげられる。以下、図面を参照し、本
発明を具体的に説明する。

【００１８】実施例１ 図１は、本発明の第１の実施例にかかるラジカルビーム
表面処理装置の概略図を示す。

【００１９】図１に示す装置は、真空容器１０１を有
し、真空容器１０１の上面から内部に向けて、プロセス
ガスを導入するためガス導入部１０２が設けられてい
る。このガス導入部１０２の先端には、５０μｍ以下好
ましくは約４０μｍの開口部を複数個持つノズル１０３
が備えられている。

【００２０】また、ガス導入部１０２のうち真空容器１
０１上面から外に通じる導管は、圧力計１１１を備えて
いる。この導管は、ライン１１４を介してプロセスガス
供給源１１３と接続されている。ガス導入部１０２内の
圧力は、圧力計１１１において１０³ −１０⁵ Ｔｏｒｒ
になるように、排気図示しないガス導入部圧力制御手段
により調節されている。

【００２１】真空容器１０１内にはまた、真空計１１２
が設けられ、真空容器１０１側面の下方には、排気手段
１１０が設けられている。真空容器１０１内の圧力は、
この真空計１１２において０．１Ｐａ以下好ましくは１
０^-3ないし０．１Ｐａになるように、図示しない真空容
器内圧力制御手段により排気手段１１０が調節されてい
る。

【００２２】また、少なくともノズル１０３の下方の領
域に相応する真空容器１０１の側面には、光透過性の真
空窓１０５が設けられ、真空窓１０５を介してノズル１
０３の下方の領域と対向する真空窓１０５外部の所望の
位置に、レンズ１０８及び光エネルギーを発生する手段
例えば水銀−キセノンランプ１０９が設けられており、
このランプからの光がレンズ１０８により集束され、真
空窓１０５を通ってノズル１０３の下方の領域を照射す
るようになっている。

【００２３】また、この際、例えばノズルの下方の領域
に、光を多重反射させる反射板１０４を設置することに
より、ガスとの相互作用を高めることができる。本発明
の表面処理装置に使用し得る反射板の例を図２及び図３
に示す。図２は示す例は、円筒状のミラー１０４からな
り、光が入射する開口部１１６を持つ。開口部１１６か
ら入射した光は、例えばライン１１５に示すように、多
重反射する。また、他の例として、図３に示すように、
一対のミラー３０４，３０５を用いることができる。こ
の例では、入射した光が、ライン１１７に示すように多
重反射する。

【００２４】ノズル１０３の下方には、ノズル１０３と
対向して、被処理体１０７を設置する被処理体支持部材
１０６が設けられている。なお、ノズル１０３の配列
は、等間隔でも良いが、例えば異方性エッチングの際、
エッチングよる脱離物は、被処理体の周囲よりも中心に
滞留しやすい傾向がある。このため、被処理体中心部に
より多くのラジカルが流れるように、被処理体中心部に
対向するノズルの配列を密に、被処理体周縁部に対向す
るノズルの配列を粗にすることにより、より効率のよい
エッチングを行なうことができる。

【００２５】以上説明したような図１に示す装置は、例
えば以下のようにして異方性エッチング処理に使用する
ことができる。まず、支持部材１０６上に、図４に示す
ような多結晶シリコン基板１０７を載置する。この多結
晶シリコン基板１０７は、シリコン基板２３上に、熱酸
化膜２２、多結晶シリコン２１及び所望のパターンを有
するフォトレジスト２０が積層された構造を有する。

【００２６】次に、プロセスガス供給部１１３からハロ
ゲン系のガスとして例えば塩素ガスをライン１１４を通
してプロセスガス導入部１０２に供給する。このとき、
圧力計１１１は、１０³ 〜１０⁵ Ｐａになるように調節
される。塩素ガスはノズル１０３より、真空容器１０１
内に噴射される。噴射されたガスは、断熱膨張により衝
突確率が減少し、並進運動エネルギーが与えられ、方向
性をもったプロセスガス分子の流れである分子ビームが
形成される。

【００２７】この分子ビームに、水銀−キセノンランプ
等１０９からの光をレンズ１０８により集束し、真空窓
１０５を通して真空容器内に導入する。導入された光は
反射板１０４により多重反射し、これにより、ノズルか
ら放出された塩素ガスはラジカルに変換される。ラジカ
ルは失活することなく基板１０７上へと照射されて、異
方性エッチングが行なわれる。この異方性エッチングに
より得られた多結晶シリコン基板は、図５に示すよう
に、シリコン基板２３の熱酸化膜２２上に、パターニン
グされた多結晶シリコン層２５とフォトレジスト層２０
が積層した構造を有する。この塩素ラジカルは、熱酸化
膜２２とは全く反応しないため、下地の熱酸化膜２２は
エッチングされることなく、全くダメージを受けていな
かった。また、パターニングされた多結晶シリコン層２
５側面は、ラジカルビームの方向性により、基板表面に
垂直となる。

【００２８】なお、レンズ１０８と真空窓１０５の間に
分光器を設置して、光の波長を選別することにより、ガ
スに対する特定の励起状態のラジカルを形成することが
できる。このようなラジカルにより基板表面において特
定の反応を選択的に起こさせることができる。このよう
な例として例えば２５０ｎｍ〜２００ｎｍの光と、Ｃ₄
Ｆ₈ ガスと酸化シリコンとの組みあわせ、３００ｎｍ〜
１６０ｎｍの光と、塩化フッ素と窒化シリコンとの組み
合わせ等があげられる。

【００２９】実施例２ 図６は、本発明の第２の実施例にかかり、ラジカルビー
ムの方向性を更に向上させた装置の概略図を示す。

【００３０】図６に示す装置の構成は、ガス導入部１０
２とラジカル生成を行なう反射板１０４との間をスキマ
ーを持つ隔壁２０１で分け、ガス導入部１０２側の真空
容器側面にさらに排気手段１２０を設け、差動排気を行
い、光エネルギー手段としてレーザーを用い、プロセス
ガスとしてフッ素を使用する以外は、図１に示す装置と
ほぼ同様である。

【００３１】図７に、スキマーの正面図、図８に、その
Ａ−Ａ´断面図を示す。図７に示すように、スキマー
は、ノズルの開口部に合わせて配列される。また、図８
に示すように、各々、頂上部に開口を有する円錐形の突
起形状を有する。このスキマーは、ノズルから放出され
たガスの方向を更に揃える機能を有する。

【００３２】スキマーの出口には、光エネルギー手段例
えばレーザー２０２からの光を多重反射させる反射板１
０４を設置し、分子をラジカルに変換する。レーザーの
波長は使用するガスにより決定し、例えばフッ素ガスを
使用する場合には４００ｎｍ以下好ましくは３００ｎｍ
〜２００ｎｍの波長のレーザーを用いる。

【００３３】その下側に、図９に示すようなシリコン基
板２０７を設置し、基板温度を３５０ないし４００℃に
調節する。このシリコン基板は、図９に示すように、シ
リコン基板２３と、シリコン酸化膜３２と、所望のパタ
ーンを有するフォトレジスト膜３０とを積層した構成を
有する。

【００３４】ノズルから放出されたガスは、断熱膨張に
より衝突確率が減少するため、ラジカルは失活すること
なく基板２０７へと照射される。これにより、フッ素ラ
ジカルビームを用いた多結晶シリコン基板の異方性エッ
チングを行うことができる。エッチングされた基板は、
図１０に示すように、シリコン基板２３上に、パターニ
ングされたシリコン酸化膜３５とフォトレジスト３０と
が積層された構造を有する。パターニングされた多結晶
シリコン層３５側面は、ラジカルビームの方向性によ
り、基板表面に垂直であった。また、このフッ素ラジカ
ルは、シリコン基板２３とは全く反応しないため、シリ
コン基板２３はエッチングされることなく、全くダメー
ジを受けていなかった。

【００３５】なお、隔壁２０１に分割された真空装置１
０１のガス導入部１０２側と反射板１０４側は好ましく
は１０^-3ないし０．１Ｐａになるように、図示しない真
空容器内圧力制御手段により排気手段１１０が調節され
ている。ガス導入部１０２側と反射板１０４側の差動排
気による圧力比は、同等であるか、あるいはガス導入部
１０２側を大きくすることが好ましい。

【００３６】実施例３ 第３の実施例は、図４に示す装置の他の適用例を示す。
ここでは、図４に示す装置を用いてルテニウムの異方性
エッチングを行なう。このとき、プロセスガスとして酸
素を用い、レーザーの波長としては２４５ｎｍ以下好ま
しくは２４５ｎｍ〜２００ｎｍのものを使用することが
できる。

【００３７】スキマーの出口においてこのようなレーザ
ー光を照射することにより、酸素分子は解離して酸素原
子となる。このようにノズルから放出されたガスは、断
熱膨張により衝突確率が減少するため、酸素原子のビー
ムは失活することなく基板２０７へと照射される。

【００３８】図１１ないし図１３に、ルテニウムの異方
性エッチングの様子を説明するための図を示す。図１１
に示すように、加工される基板は、ルテニウム、酸化シ
リコン、酸化シリコン、多結晶シリコン、及びシリコン
の積層体から構成される。この酸素原子ビームをルテニ
ウムを照射することにより、図１２に示すように異方性
をもった加工を行なうことができる。加工されたルテニ
ウムは、図１３のように、酸化シリコンやチタン酸スト
ロンチウムバリウム（ＢＳＴＯ）等の絶縁物で通常の方
法を用いて被覆することにより、コンデンサの電極とし
て利用することができる。ルテニウム以外では、プラチ
ナ、ハフニウム、金、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌ及びＷ等を用
いることができる。。

【００３９】実施例４ 図１４は、本発明の第４の実施例にかかるラジカルビー
ム表面処理装置の概略図を示す。

【００４０】図１４に示す装置は、そのガス導入部の構
成が異なること、光透過性の真空窓及びノズルの下方の
領域反射板が設けられないこと以外は、図１に示す装置
とほぼ同様の構成を有する。

【００４１】この装置は、真空容器５０１を有し、真空
容器５０１の上面から内部に向けて、プロセスガスを導
入するため、ガス導入部５０２が設けられている。ガス
導入部５０２の先端には、５０μｍ以下好ましくは約５
０〜約３０μｍの開口部を複数個持つノズル５０３が備
えられている。ノズル５０３には、電源５０９と接続さ
れたヒータ５０４が取り付けられ、絶縁物質５０５を介
してノズル支持部５０６に設けられている。ノズル５０
３は、例えばタングステンにより構成され、ヒーターに
より２０００℃まで加熱され得るようになっている。ノ
ズル５０３の下方には、ノズル５０３と対向して、被処
理体５０７を設置する被処理体支持部材５０６が設けら
れている。

【００４２】図１４に示す装置は、例えば以下のように
して、異方性エッチングに使用することができる。ま
ず、支持部材５０６上に、図１５に示すような多結晶シ
リコン基板３０７を載置する。この多結晶シリコン基板
３０７は、シリコン基板５２３上に、熱酸化膜５２２、
多結晶シリコン５２１及び所望のパターンを有するフォ
トレジスト５２０が積層された構造を有する。

【００４３】次に、プロセスガス供給部１１３からハロ
ゲン系のガスとして例えば塩素ガスをライン１１４を通
してプロセスガス導入部５０２に供給する。圧力計１１
１は、１０³ −１０⁵ Ｐａになるように調節される。プ
ロセスガスは、ヒーター５０４により１５００℃に加熱
されたノズル５０３にて、熱エネルギーにより塩素ラジ
カルに変換される。塩素ラジカルはノズル５０３より、
真空容器５０１内に噴射される。ここでは、噴射された
塩素ラジカルは、断熱膨張により衝突確率が減少し、並
進運動エネルギーが与えられ、方向性をもったラジカル
の流れであるラジカルビームが形成される。

【００４４】ラジカルは失活することなく基板５０７上
へと照射されて、異方性エッチングが行なわれる。この
異方性エッチングにより得られた多結晶シリコン基板
は、図１６に示すように、シリコン基板５２３の熱酸化
膜５２２上に、パターニングされた多結晶シリコン層５
２５とフォトレジスト層５２０が積層した構造を有す
る。この塩素ラジカルは、熱酸化膜５２２とは全く反応
しないため、下地の熱酸化膜５２２はエッチングされる
ことなく、全くダメージを受けていなかった。また、パ
ターニングされた多結晶シリコン層５２５側面は、ラジ
カルビームの方向性により、基板表面に垂直であった。

【００４５】実施例５ 次に、図１４に示す装置を薄膜堆積プロセスに応用した
例を示す。薄膜堆積プロセスでは、プロセスガスとして
酸化ヘキサフロロプロピレン（ＨＦＰＯ）を用い、ノズ
ル５０３の温度を６００℃に設定し、被処理体支持部材
５０８を３５０〜５００℃好ましくは約４００℃に設定
した。

【００４６】図１７に、使用される基板の構成を表わす
図を示す。使用される基板４０７は、シリコン基板５３
３上に、シリコン酸化膜５３２とパターニングされた多
結晶シリコン５３０とが積層された構成を有する。

【００４７】ここでは、ＨＦＰＯがノズル５０３で加熱
されることにより、解離してＣＦ₂ラジカルを多く発生
し、方向性をもつラジカルビームが得られる。このラジ
カルビームを図１７に示す基板に適用する。図１８及び
図１９に、フロロカーボン膜が基板上に堆積する様子を
説明するための図を示す。図１８及び図１９に示すよう
に、このラジカルは方向性をもっているために、アスペ
クト比の高いパターンの多結晶シリコン５３０にも入り
込み、ボイドなどの加工不良を起すこと無く、フロロカ
ーボン膜５５０を効率的に基板４０７上に堆積すること
ができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、イオン衝撃による基板
へのダメージやチャージアップ等を起すことなく、異方
性を必要とする微細加工、及び薄膜堆積プロセス等に十
分に適用可能であり、電気特性、加工形状、及び加工性
能の均一性が良好な被処理体が得られる表面処理装置が
得られる。

【００４９】また、本発明によれば、イオン衝撃による
基板へのダメージやチャージアップ等を起すことなく、
異方性を必要とする微細加工、及び薄膜堆積プロセス等
に十分に適用可能であり、電気特性、加工形状、及び加
工性能の均一性が良好な被処理体が得られる表面処理方
法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例にかかるラジカルビー
ム表面処理装置の概略図を示す。

【図２】 本発明の第１の実施例にかかる表面処理装置
に使用し得る反射板の一例

【図３】 本発明の第１の実施例にかかる表面処理装置
に使用し得る反射板の他の例

【図４】 本発明の第１の実施例により処理される被処
理体の一例

【図５】 本発明の第１の実施例により処理された被処
理体の一例

【図６】 本発明の第２の実施例にかかる表面処理装置
の概略図

【図７】 本発明の表面処理装置に使用し得るスキマー
の構成を表わす正面図

【図８】 図７のＡ−Ａ´断面図

【図９】 本発明の第２の実施例により処理される被処
理体の一例

【図１０】 本発明の第２の実施例により処理された被
処理体の一例

【図１１】 本発明の第３の実施例にかかる処理工程を
説明するための図

【図１２】 本発明の第３の実施例にかかる処理工程を
説明するための図

【図１３】 本発明の第３の実施例にかかる処理工程を
説明するための図

【図１４】 本発明の第４の実施例にかかる表面処理装
置の概略図

【図１５】 本発明の第４の実施例により処理される被
処理体の一例

【図１６】 本発明の第４の実施例により処理された被
処理体の一例

【図１７】 本発明の第５の実施例により処理される被
処理体の一例

【図１８】 本発明の第５の実施例により処理される被
処理体の様子を表わす図

【図１９】 本発明の第５の実施例により処理される被
処理体の様子を表わす図

【符号の説明】

１０１…真空槽 １０２…ガス導入部 １０３…ノズル １０４…反射板 １０５…真空窓 １０６…支持部材 １０７…被処理体 １０８…集光用レンズ １０９…ランプ １１０…排気装置 １１１…圧力計 １１２…真空計 １１３…プロセスガス供給源 １１４…ライン ２０１…スキマー付き隔壁 ２０２…レーザー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空槽と、該真空槽に設けられ、該真空
   槽内にプロセスガスを導入するための複数の開口を有す
   るノズルとを具備し、前記ノズル内の圧力に対する前記
   真空槽内の圧力は１０^-6〜１０^-4倍であり、かつ０．１
   Ｐａ以下であることを特徴とする表面処理装置。
2. 【請求項２】 前記開口は、１ないし５０μｍの径を有
   する請求項１に記載の表面処理装置。
3. 【請求項３】 プロセスガスを、真空槽内に設けられた
   複数の開口を有するノズルに供給し、該ノズルから、該
   ノズル内の圧力の１０^-6〜１０^-4倍であり、かつ０．１
   Ｐａ以下の圧力を有する真空槽へ導入し、被処理体に適
   用することを特徴とする表面処理方法。
4. 【請求項４】 プロセスガスに断熱膨張により、並進エ
   ネルギーを与える工程、該並進エネルギーを与えられた
   プロセスガスの分子ビームを、基底状態から励起状態に
   遷移させ、ラジカルビームに変換する工程、及び該ラジ
   カルビームを被処理体に適用し、表面処理を行なう工程
   を具備することを特徴とする表面処理方法。
5. 【請求項５】 プロセスガスの分子を、基底状態から励
   起状態に遷移させ、ラジカルに変換する工程、該ラジカ
   ル化されたプロセスガスに断熱膨張により、並進エネル
   ギーを与え、ラジカルビームにせしめる工程、及び該ラ
   ジカルビームを被処理体に適用し、表面処理を行なう工
   程を具備することを特徴とする表面処理方法。