JPS5813627B2 - マイクロ波プラズマエッチング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はプラズマ中のイオンあるいは化学的に活性な
中性粒子によって固体表面のエッチングを行う加工装置
に関するものであり、特にエッチング断面形状のアンダ
ーカットが小さくてエッチング速度が大きいマイクロ波
プラズマエッチング装置に関するものである。

最近、エッチング技術を応用する分野（例えば半導体素
子製造、光学機器製造）においては、数μｍ以下の微細
加工を必要とするようになった。

このような微細加工を行うには、水溶液を用いた湿式エ
ッチングよりも、イオンビームまたはプラズマ中のイオ
ンあるいは化学的に活性な中性粒子を用いた乾式エッチ
ングが適している。

これらの中で、プラズマエッチング装置について本願発
明者は既にいくつか提案している。

第１図はそのプラズマエッチング装置の基本的構成を示
す図である。

図において、マイクロ波発振電源１によりマグネトロン
２で発生したマイクロ波は導波管３を伝播し、そして磁
場コイル４と磁石５とによって形成されるミラー磁場内
に設置された絶縁物放電管６内の１気圧以下に制御され
た放電用ガスに吸収される。

エッチング室Ｉの内部はリークバルブを備えたガス導入
口８、ガス排出口９および試料支持台１０から構成され
ている。

ここで、絶縁物放電管６とエッチング室７とによって形
成されている空間を真空室と称する。

発生したプラズマ１１中の活性粒子はミラー磁場に沿っ
て動いて試料１２に達し、そこで試料１２の表面をエッ
チングする。

ここで、試料の電位は接地、浮遊電位、負の直流電位の
どれか１つになっている。

また、エッチング室７内のガス圧は１０−４〜１０−２
Ｔｏｒｒに制御されている。

この装置を使用してエッチングを行った試料の断面形状
はアンダーカットが比較的小さく良好な状態であった。

しかし、試料を形成する各種半導体材料（ Ｓ ｉ ，
Ｓ ｉ０２． Ｓｉ３Ｎ， ＰＳＧ ， Ａｌ、フォ
トレジストなど）間の選択性エッチングに関しては満足
する結果が得られなかった。

すなわち、例えば表面にＳｉＯ２膜をもつＳｉ基板上に
マスクをかぶせて、上述装置によりＳｉ０２膜を除去す
る場合、理想的には（従来の湿式エッチングのように）
不必要なＳ ｉ０ ２膜部分のみを短時間でエッチング
しＳｉを全くエッチングしないことが望ましいのである
が、上述装置ではＳｉをも多少エッチングする。

また同じ条件でＳｉをアイソレーションのためエッチン
グする場合には、Ｓｉだけではなくマスクの下部のＳｉ
０。

もエッチングしてしまう。このように上述の装置では、
材料間のエッチング速度比が接近していることにより良
好な選択性エッチングが得られないという欠点がある。

また、これによるアンダーカツトも発生し、さらにエッ
チング速度の絶対値が低いという欠点もある。

従って、この発明の目的は上述した欠点を改良した装置
、すなわち選択性エッチングが良好であってアンダーカ
ットが小さく、しかもエッチング速度の大きなマイクロ
波プラズマエッチング装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明においては、真空室内
に放電用ガスを導入し、この放電用ガスにマイクロ波に
よる高周波電界と磁界とを作用させてプラズマを発生さ
せ、このプラズマ中の活性粒子を用いて真空室内に設置
された試料の表面をエッチングする装置において、試料
表面の選択性エッチングを達成するため試料表面の材料
が半導体または導体か、あるいは絶縁物かに応じて真空
室内における放電用ガスの圧力を調節する手段と、試料
表面のエッチング速度を大きくするため試料表面の材料
が半導体または導体か、あるいは絶縁物かに応じて試料
に印加するバイアス電圧の種類を選択する手段とを付加
してマイクロ波プラズマエッチング装置を構成したこと
を特徴としている。

このように、この発明によれば被エッチング材料によっ
て放電用ガスの圧力とバイアス電圧の種類とを選択する
ことにより、選択性エッチングがよくなり、しかもアン
ダーカットの小さい状態でエッチング速度の向上がはか
れるという特徴が得られる。

以下、この発明を図面を用いて詳細に説明する。

第２図は本発明によるマイクロ波プラズマエッチング装
置における被エッチング材料の放電用ガス圧力（単位Ｔ
ｏｒｒ）によるエッチング速度の変化を示す図である。

図において、曲線１４はＳｉｎ２，Ｓ ｉｓ Ｎ４ ，
Ｐ Ｓ Ｇ、フオトレジストなどのような絶縁物に対す
るガス圧力とエッチング速度との関係を示しており、ガ
ス圧力が高くなるに従ってエッチング速度が減少してい
る。

また、曲線１５はＳｉ，Ａｌなどのような半導体、導体
に対するガス圧力とエッチング速度との関係を示してお
り、ガス圧力が高くなるに従って、初めはエッチング速
度が減少し、ある圧力（約１×１０−２Ｔｏｒｒ ）で
最小速度を示し、その後、急速に増加している。

さらに、第２図は曲線１４と曲線１５との相対エッチン
グ速度をも示している。

例えば、ガス（ＣＦ４）圧力が１０ ’Ｔｏｒｒの時、
曲線１４で表わされる絶縁物のエッチング速度と曲線１
５で表わされる半導体または導体のエッチング速度との
比は約３．５である。

また、ガス圧力が１０ ’ Ｔｏｒｒの時、曲線１５と
曲線１４とその比は約５０である。

従つて、第２図は選択的にエッチングしたい材料によっ
てその放電用ガス圧力を変化させれば、能率のよい選択
性エッチングができることを示している。

すなわち、Ｓ ｉｏ２， Ｓｉ３Ｎ，．，Ｐ ＳＧ、フ
オトレジストなどのような絶縁物を選択的にエッチング
する場合は、ガス圧力範囲を１０４〜１ ０−２ｒｏｒ
ｒにし、Ｓｉ，ＡＩなどのような半導体、導体を選択的
にエッチングする場合は、ガス圧力範囲を１０−２〜１
０’Ｔｏｒｒにそれぞれすることによって最良の選択性
エッチングが行える。

第３図はこの発明によるマイクロ波プラズマエッチング
装置の具体的な構成を示す図である。

第１図で示した従来の装置構成との相違点は試料支持台
１０に外部電圧電源１３からの電圧を印加する手段を設
けたことであり、その効果としてはアンダーカットの減
少とエッチング速度の向上が図れることである。

すなわち、試料支持台１０に外部電圧源１３により負の
直流電圧を印加すると、Ｓｉ，Ａｌなどのような絶縁物
以外の材料表面は負電位によりエネルギーの高いイオン
が入射してエッチング速度が向上する。

また、高エネルギーのためにイオンの方向性が向上して
アンダーカットが減少する。

この負の直流電圧の値が大きいほどこの傾向は強くなる
。

一方、ＳｉＯ２， Ｓ ｉ３Ｎ＋ ， Ｐ ＳＧ、フオ
トレジストなどのような絶縁物材料ではイオンの入射エ
ネルギーが増加しないのでエッチング速度は向上しない
。

例えば、フレオンガス圧力をリークバルブを備えたガス
導入口８とガス排出口９との調節により１ ０ ’−１
０−ＩＴｏｒｒに設定した雰囲気で試料支持台１０で
−２００Ｖ印加した場合、ＳｉとＳｉ０２，ＰＳＧとの
エッチング速度比は６０〜１ｏｏ倍となり、Ｓｉのエッ
チング速度も３倍以上になる。

Ａｌ材料の場合はガスの種類をＢＣｌ３ ，ＣＣｌ４な
どにすることにより同様の結果が得られる。

この場合、Ｓ ｉＯｚ， Ｓ ｉ３Ｎ＋ ，ＰＳＧ、フ
ォトレジストなどのような絶縁物材料のエッチング速度
はほと？ど変化しない。

また、絶縁物材料のエッチング速度を向上させる場合に
は試料支持台１０に外部電圧電源１３から交流電圧（望
ましくはＩＭＨｚ以上）を印加すればよい。

これは材料表面の帯電を防止してイオンの方向性の向上
を図るものである。

もちろん、この場合は前述したようにガス圧力をリーク
バルブを備えたガス導入口８とガス排出口９との調節に
より１０−４〜１ ０” Ｔｏｒｒに設定する。

このときＳｉＯとＳｉの比が１０倍以上になる。

次に、試料面に対して斜めにエッチングする場合につい
て述べる。

光学器機用の光学素子（例えば回折格子など）の微細加
工のように試料面に対して斜めのエッチングが必要とな
る場合がある。

第４図はこの発明によるもう１つの実施例であるマイク
ロ波プラズマエッチング装置の基本的な構成図であり、
第１図で示した従来の装置構成との相違点は試料支持台
１０が、従って試料１２も、磁力線に対して斜めに置か
れている点であり、これによって試料面に対して斜めの
エッチングを可能にしている。

その理由は次のとおりである。

すなわち、プラズマ中のイオンはミラー磁場により加速
され、磁力線に沿ってドリフト速さＶｄで試料１２の前
面に形成されたイオンシース内に入射する。

イオンはイオンシース内で試料而に対して垂直に浮遊電
位相当の速度Ｖｆに加速される。

この時、エッチングの進行方向と試料面の法線とのなす
角δは、Ｖｆζｉｎθ ｔａ．ｎ（θ一δ）””ｖｄ＋ｖ ｆＣ。

５ｏθ：試料面の法線（Ｎ）と磁力線とのなす角 を満足する。

従って、試料の設置角度θを選ぶことにより、エッチン
グ角度δを所望の値にすることができる。

また、ミラー磁場のミラー比を変えることによってドリ
フト速さ■ｄを変えることができ、それによってエッチ
ング角度δを変えることも可能となる。

以上述べたように、この発明によって選択エッチングさ
れる材料の種類により決まるガス圧力と印加電圧の種類
とを選ぶことで選択エッチングの良好なしかもアンダー
エッチングが少なく、エッチング速度の大きいマイクロ
波プラズマエッチング装置が得られ、この特徴をもつ装
置を利用することによって、各種材料のプラズマエッチ
ングが容易にかつ確実に行えるためその工業的価値は犬
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマイクロ波プラズマエッチング装置の基
本的構成を示す図、第２図は本発明によるマイクロ波プ
ラズマエッチング装置においてガス圧力を変化させた場
合の材料によるエッチング速度の変化を示す図、第３図
はこの発明によるマイクロ波プラズマエッチング装置の
具体的構成を示す図、第４図はこの発明によるもう１つ
のマイクロ波プラズマエッチング装置の基本的構成を示
す図である。 １・・・マイクロ波発振電源、２・・・マグネトロン、
３・・・導波管、４・・・磁場コイル、５・・・磁石、
６・・・絶縁物放電管、７・・・エッチング室、８・・
・ガス排出口、１０・・・試料支持台、１１・・・プラ
ズマ、１２・・・試料、１３・・・外部電圧電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空室内に放電用ガスを導入し、上記放電用ガスに
   マイクロ波による高周波電界と磁界とを作用させてプラ
   ズマを発生させ、上記プラズマ中の活性粒子を用いて上
   記真空室内に設置された試料の表面をエッチングする装
   置において、上記試料表面の選択性エッチングを達成す
   るため上記試料表面の材料が半導体または導体か、ある
   いは絶縁物かに応じて上記真空室内における上記放電用
   ガスの圧力を調調する手段と、上記試料表面のエッチン
   グ速度を大きくするため上記試料表面の材料が半導体ま
   たは導体か、あるいは絶縁物かに応じて上記試料に印加
   するバイアス電圧の種類を選択する手段とを備えてなる
   ことを特徴とするマイクロ波プラズマエッチング装置。 ２ 上記試料表面の材料が半導体または導体からなる時
   、上記ガス圧力調節手段によって上記放電用ガスの圧力
   を１ ０−２〜１ ０ ’Ｔｏｒｒとし、かつ、上記バ
   イアス電圧選択手段によって上記試料に負の直流電圧を
   印加してなることを特徴とする第１項のマイクロ波プラ
   ズマエッチング装置。 ３ 上記試料表面の材料が絶縁物からなる時、上記ガス
   圧力調節手段によって上記放電用ガスの圧力を１０−４
   〜１０２Ｔｏｒｒとし、かつ、上記バイアス電圧選択手
   段によって上記試料に交流電圧を印加してなることを特
   徴とする第１項のマイクロ波プラズマエッチング装置。 ４ 上記試料表面に対して斜めにエッチングするため上
   記試料が上記磁界の磁力線に対して斜めに位置してなる
   ことを特徴とする第１項から第３項までのいずれか一つ
   の項のマイクロ波プラズマエッチング装置。